Phân Tích Đánh Giá Một Số Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Khả Năng Ổn Định Công Trình Kè Ven Sông Trên Đất Yếu

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật xây dựng phân tích đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng lên khả năng ổn định công trình kè ven, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất

• Tác giả: Huỳnh Thị Bảo Chuyên
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Trường Sơn
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm
• Đề tài: Phân Tích Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Ổn Định Công Trình Kè Ven Sông Trên Đất Yếu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Ổn Định Công Trình Kè Ven Sông Đất Yếu

Hiện tượng sạt lở bờ sông ở Đồng bằng sông Cửu Long gây thiệt hại lớn, đe dọa tính mạng và tài sản. Giải pháp tường chắn được sử dụng, bao gồm tường bêtông cốt thép, tường bêtông trọng lực, bờ kè rọ đá, và tường thép hình. Tường cọc bản cũng là một lựa chọn. Tuy nhiên, chưa có tiêu chuẩn thiết kế cụ thể, việc kiểm tra ổn định vẫn thực hiện theo các tiêu chuẩn riêng rẽ. Nhu cầu về thiết kế công trình tường kè phù hợp với điều kiện địa chất khu vực là cấp thiết, đòi hỏi giải pháp an toàn và chi phí hợp lý. Đồng bằng sông Cửu Long có địa chất yếu, gồm đất bùn sét, á sét trạng thái chảy, dễ bị xói lở. Các lớp cát xen kẹp thường là cát mịn trạng thái chảy, dễ bị cuốn trôi gây xói ngầm.

1.1. Các Dạng Tường Kè Ven Sông Phổ Biến

Có nhiều loại tường kè được sử dụng để bảo vệ bờ sông, bao gồm rọ đá, tường cọc bản gỗ, tường cọc đất trộn xi măng, tường cọc bản thép, và tường cọc bản bêtông cốt thép. Mỗi loại có ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các điều kiện địa chất và yêu cầu khác nhau của công trình. Lựa chọn phù hợp là yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo ổn định công trình và tiết kiệm chi phí.

1.2. Phân Loại Tường Cọc Bản Theo Vật Liệu

Tường cọc bản có thể được phân loại theo vật liệu sử dụng. Các loại vật liệu phổ biến bao gồm rọ đá, gỗ, đất trộn xi măng, thép, và bêtông cốt thép. Việc lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chi phí, tuổi thọ, khả năng chịu lực, và điều kiện môi trường. Mỗi loại vật liệu đều có ưu và nhược điểm riêng, cần xem xét kỹ lưỡng trước khi quyết định.

1.3. Phân Loại Tường Cọc Bản Theo Cách Giữ Ổn Định

Tường cọc bản có thể được phân loại theo cách giữ ổn định, bao gồm tường có neo và tường không neo. Tường có neo sử dụng các thanh neo để tăng cường khả năng chịu lực và chống lại áp lực đất. Tường không neo tự chịu lực nhờ vào chiều sâu ngàm và sức chịu tải của đất. Việc lựa chọn giữa hai loại tường này phụ thuộc vào điều kiện địa chất, chiều cao tường, và tải trọng tác dụng lên tường.

II. Các Yếu Tố Địa Chất Ảnh Hưởng Đến Ổn Định Kè Đất Yếu

Đất yếu, đặc biệt là đất sét và bùn ở đồng bằng sông Cửu Long, có sức chịu tải thấp, dễ bị lún và biến dạng. Độ ẩm cao làm giảm sức chống cắt của đất. Các lớp cát mịn xen kẹp dễ bị cuốn trôi gây xói ngầm. Mực nước ngầm thay đổi ảnh hưởng đến áp lực nước lỗ rỗng và ổn định mái dốc. Báo cáo khảo sát địa chất chi tiết là cần thiết để đánh giá các yếu tố này.

2.1. Đặc Tính Cơ Lý Của Đất Yếu Ven Sông

Đất yếu ven sông thường có sức chịu tải thấp, độ lún lớn, và khả năng thấm nước kém. Các đặc tính cơ lý quan trọng cần xem xét bao gồm góc ma sát trong, lực dính, modun đàn hồi, và hệ số thấm. Các thí nghiệm thí nghiệm cắt cánh hiện trường, thí nghiệm nén cố kết, và thí nghiệm xuyên tĩnh giúp xác định các thông số này một cách chính xác.

2.2. Ảnh Hưởng Của Mực Nước Ngầm Lên Ổn Định Kè

Mực nước ngầm có ảnh hưởng đáng kể đến ổn định kè ven sông. Mực nước ngầm cao làm tăng áp lực nước lỗ rỗng và giảm ứng suất hữu hiệu, dẫn đến giảm sức chống cắt của đất. Sự thay đổi mực nước ngầm do thủy triều hoặc lũ lụt có thể gây ra sạt lở bờ sông. Cần có biện pháp kiểm soát mực nước ngầm, chẳng hạn như hệ thống thoát nước ngầm, để đảm bảo ổn định công trình.

III. Phương Pháp Phân Tích Ổn Định Kè Ven Sông Trên Đất Yếu

Các phương pháp phân tích ổn định bao gồm phương pháp cân bằng giới hạn và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Phương pháp cân bằng giới hạn đơn giản, dễ sử dụng, nhưng bỏ qua biến dạng của đất. Phương pháp FEM phức tạp hơn, xét đến biến dạng, nhưng đòi hỏi mô hình đất phù hợp. Phần mềm như Plaxis được sử dụng để mô phỏng. Cần so sánh kết quả từ các phương pháp khác nhau để đảm bảo tính tin cậy.

3.1. Tính Toán Ổn Định Mái Dốc Kè Theo Phương Pháp Cân Bằng Giới Hạn

Phương pháp cân bằng giới hạn sử dụng các giả thiết đơn giản về hình dạng mặt trượt (tròn, phẳng, hoặc phức tạp). Các phương pháp phổ biến bao gồm phương pháp Fellenius, phương pháp Bishop, và phương pháp Morgenstern-Price. Các phương pháp này tính toán hệ số an toàn (FS) dựa trên tỷ số giữa lực chống trượt và lực gây trượt. Giá trị FS chấp nhận được thường lớn hơn 1.5.

3.2. Mô Phỏng Ổn Định Kè Bằng Phần Mềm Plaxis

Phần mềm Plaxis là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng và phân tích ổn định các công trình địa kỹ thuật, bao gồm kè ven sông. Plaxis sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết các bài toán phức tạp về tương tác đất-công trình. Các mô hình đất như Mohr-Coulomb, Soft Soil, và Hardening Soil được sử dụng để mô tả đặc tính của đất. Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin chi tiết về ứng suất, biến dạng, và hệ số an toàn của công trình.

IV. Biện Pháp Thi Công Và Gia Cố Nền Đất Yếu Cho Kè Sông

Các biện pháp gia cố bao gồm cọc gia cố, tường chắn đất, vải địa kỹ thuật, và ô địa kỹ thuật. Cọc gia cố tăng cường sức chịu tải của đất. Tường chắn đất chống lại áp lực ngang. Vải địa kỹ thuật cải thiện khả năng thoát nước và ổn định mái dốc. Ô địa kỹ thuật tăng cường độ ổn định của lớp đất đắp. Lựa chọn biện pháp phù hợp tùy thuộc vào điều kiện cụ thể.

4.1. Sử Dụng Cọc Gia Cố Nền Đất Yếu Dưới Kè Ven Sông

Cọc gia cố là một biện pháp hiệu quả để tăng cường sức chịu tải và giảm độ lún của nền đất yếu. Các loại cọc phổ biến bao gồm cọc bêtông cốt thép, cọc xi măng đất, và cọc cát. Bố trí cọc hợp lý giúp phân tán tải trọng từ kè xuống các lớp đất sâu hơn, đảm bảo ổn định công trình.

4.2. Ứng Dụng Vải Địa Kỹ Thuật Trong Xây Dựng Kè

Vải địa kỹ thuật có nhiều ứng dụng trong xây dựng kè ven sông, bao gồm gia cố mái dốc, lọc ngược, và phân cách lớp đất. Vải địa kỹ thuật giúp tăng cường sức chống cắt của đất, ngăn ngừa xói mòn, và cải thiện khả năng thoát nước. Sử dụng vải địa kỹ thuật đúng cách giúp kéo dài tuổi thọ công trình và giảm chi phí bảo trì.

V. Phân Tích Ảnh Hưởng Của Mực Nước Đến Ổn Định Kè

Nghiên cứu trên kè chống xói lở tại huyện Giồng Riềng cho thấy mực nước ảnh hưởng đáng kể đến ổn định công trình. Thay đổi mực nước tác động đến áp lực nước lỗ rỗng và sức chống cắt của đất. Lựa chọn chiều dài cọc không hợp lý cũng gây tác hại. Cần tính toán kỹ lưỡng ảnh hưởng của mực nước thiết kế và các biến động để đảm bảo an toàn.

5.1. Ảnh Hưởng Của Mực Nước Thiết Kế Đến Ổn Định Kè

Mực nước thiết kế là một yếu tố quan trọng trong thiết kế kè ven sông. Cần xác định mực nước cao nhất, mực nước thấp nhất, và mực nước trung bình để tính toán tải trọng tác dụng lên kè. Sai sót trong xác định mực nước thiết kế có thể dẫn đến quá tải hoặc thiếu tải, ảnh hưởng đến ổn định công trình.

5.2. Tác Động Của Biến Động Mực Nước Lên Kè Ven Sông

Biến động mực nước do thủy triều, lũ lụt, hoặc mùa khô có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng cho kè ven sông. Sự thay đổi áp lực nước và ứng suất trong đất có thể dẫn đến sạt lở, lún, và mất ổn định. Cần có biện pháp kiểm soát và giảm thiểu tác động của biến động mực nước, chẳng hạn như hệ thống thoát nước, tường chắn sóng, và gia cố mái dốc.

VI. Kết Luận Và Đề Xuất Về Ổn Định Kè Ven Sông Đất Yếu

Việc phân tích ổn định và thiết kế kè ven sông trên đất yếu đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về địa chất, thủy văn, và cơ học đất. Các phương pháp phân tích khác nhau cần được sử dụng và so sánh. Biện pháp gia cố nền đất phù hợp cần được lựa chọn. Quá trình thi công và quan trắc cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo an toàn và bền vững của công trình.

6.1. Các Bài Học Kinh Nghiệm Về Xây Dựng Kè Trên Đất Yếu

Nhiều dự án xây dựng kè trên đất yếu đã cung cấp những bài học kinh nghiệm quý báu. Các bài học này bao gồm tầm quan trọng của khảo sát địa chất chi tiết, lựa chọn phương pháp phân tích phù hợp, sử dụng biện pháp gia cố nền đất hiệu quả, và thực hiện quan trắc thường xuyên. Áp dụng những bài học này giúp giảm thiểu rủi ro và tăng cường thành công của dự án.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Ổn Định Kè Ven Sông

Nghiên cứu về ổn định kè ven sông trên đất yếu vẫn còn nhiều tiềm năng phát triển. Các hướng nghiên cứu tiềm năng bao gồm phát triển các mô hình đất tiên tiến hơn, sử dụng các vật liệu mới để gia cố nền đất, và áp dụng các kỹ thuật quan trắc hiện đại hơn. Nghiên cứu sâu hơn về tương tác đất-công trình và tác động của biến đổi khí hậu cũng rất quan trọng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện tượng sạt lở bờ sông ở các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long đã diễn ra từ rất lâu gây nên những thiệt hại to lớn đe dọa đến tính mạng, tài sản của Nhà nước và nhân dân trong vùng. Điều này đặt ra một nhiệm vụ cho các cấp chính quyền phải đảm bảo ổn định về chỗ ở, đi lại cho nhân dân tạo điều kiện phát triển về kinh tế xã hội. Để khắc phục hiện tượng sạt lở, có nhiều giải pháp tường chắn đã được thực hiện như: tường chắn bêtông cốt thép, tường bêtông trọng lực, bờ kè bằng rọ đá, bờ kè bằng thép hình. Tường cọc bản cũng là một phương án được chọn để bảo vệ bờ sông, các công trình ven bờ, hiện nay đang được ứng dụng tại một số công trình tương đối quan trọng.

Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có tiêu chuẩn thiết kế cụ thể cho loại hình công trình này, việc kiểm tra ổn định tường vẫn thực hiện theo các tiêu chuẩn riêng rẽ. Nhu cầu về thiết kế công trình tường kè phù hợp với điều kiện địa chất khu vực là một nhu cầu có thực, việc tìm ra được giải pháp an toàn với chi phí hợp lý là mong muốn của rất nhiều kỹ sư xây dựng hiện nay. Địa chất ở Đồng bằng sông Cửu Long hầu hết là đất yếu, gồm đất bùn sét, á sét trạng thái chảy, dễ bị xói lở khi có tác động bên ngoài. Các lớp cát xen kẹp trong lớp sét, bùn sét thường là cát mịn trạng thái chảy, khi có nước ngầm chúng dễ bị cuốn trôi gây nên hiện tượng xói ngầm làm sạt lở các khối đất bên trên.2 Các dạng tường kè thường sử dụng ở khu vực đất yếu 1.1 Các dạng tường cọc bản bảo vệ công trình ven sông Tường cọc bản là loại tường mềm được phân loại theo các cách sau: 1.1 Theo vật liệu Có thể chia thành các dạng sau: + Rọ đá -4- + Tường cọc bản gỗ + Tường bằng cọc đất trộn xi măng + Tường cọc bản thép + Tường cọc bản bêtông cốt thép Rọ đá Cấu tạo: Rọ đá (Gabion) hay thảm đá (Revet Mattresses hay Reno mattresses) như một cái hộp hình khối mà ở đó chúng ta có thể bỏ đá vào để sử dụng gia cố cho các công trình.

Chúng là các hệ thống hình lưới có liên kết thành các khối hình học và phía trong là đá xếp, rất đơn giản. Cấu tạo rọ đá Hình 1. Thảm đá -5- Phạm vi sử dụng: Lịch sử cho thấy từ rất lâu đời, người ta đã sử dụng các rọ đá để tạo nên các khối liên kết làm các đường ngầm qua sông. Ngày nay, rọ đá và thảm đá chủ yếu được làm bằng thép có mạ kẽm hoặc nhôm kẽm, Phần lớn được tráng phủ một lớp nhựa bên ngoài để giảm các tác động xâm thực ăn mòn của môi trường với lõi thép bên trong.

Một số công trình ăn mòn đặc biệt, rọ đá và thảm đá được làm hoàn toàn bằng hợp chất polymer vì chúng có đặc tính trơ vượt trội dưới tác động ăn mòn so với các vật liệu khác. Rọ đá được dùng chủ yếu cho các công trình sau : - Tường chắn đất, mố cầu - Chống xói bờ sông, biển - Lát mái và đáy kênh - Bảo vệ mái đê, kè Ưu điểm: Giá thành thấp, dể thi công Nhược điểm: Tuổi thọ không cao  Tường cọc bản gỗ Hình 1. Bờ kè dạng tường cừ bằng gỗ -6- Cấu tạo: Các cọc gỗ được xẻ nguyên cây có tiết diện vuông, tròn có mộng để nối lại với nhau. Tường chắn đất là các tấm gỗ dày 6  8cm xếp chồng lên nhau.

Có dầm ốp bằng gỗ trên đỉnh tường. Phần trên đỉnh tường là mái nghiêng bằng đá hộc có tầng lọc ngược, độ dốc m = 1:1,5. Để tránh va đập, cọc gỗ được gia cường thêm phía ngoài để chịu va đập của thuyền bè. Phạm vi sử dụng: Thường được sử dụng ở vùng nông thôn, làm bến đò nhỏ, bến bốc dở hàng hóa nhẹ, các bến cảng có chiều sâu nhỏ.

Xây dựng ở những nhánh sông rạch có tốc độ dòng chảy nhỏ, không bị ảnh hưởng lớn của ngập lũ. Ưu điểm: Giá thành thấp do tận dụng cây gỗ có tại địa phương (như: tràm, đước, mắm, bạch đàn, dừa…), dễ thi công, dễ gia cố sửa chữa, thay thế. Nhược điểm: Tuổi thọ không cao, gỗ dễ bị mục khi do thủy triều lên xuống. Dễ bị hư hỏng hoàn toàn khi bị xói lở và ngập lũ.

 Tường cọc bản bằng đất trộn ximăng Cấu tạo: Các cọc đất trộn ximăng tiếp xúc khít nhau hoặc giao nhau để chống đỡ các vách hố đào hoặc chịu áp lực đất. Cừ vây bằng ximăng được thi công bằng thiết bị khoan có thể phun vữa gồm cát ximăng và nước ra xung quanh thân ống trộn với đất, cánh của lưỡi khoan có đường kính khoảng (0,3 - 0,45)m. Có thể cắm lồng thép hoặc thép hình vào khi vữa còn ướt. Phạm vi sử dụng: Sử dụng trong việc chống vách hố đào cho tầng hầm các công trình.

Ưu điểm: Có thể thi công trong nhiều loại đất khác nhau. Nhược điểm: Khả năng kín nước kém vì có thể có những khoảng hở giữa hai cừ. Khả năng chịu áp lực ngang không lớn như tường bằng bêtông cốt thép nên tùy chiều sâu và loại đất mà phải thi công nhiều lớp cừ.  Tường cừ bản bằng thép Cấu tạo: Tường cừ chắn đất làm bằng thép định hình có tiết diện: hình chữ Z, chữ I, hình máng, cừ Larsen, thép ống… có chiều dài từ (5 – 22)m.

Dầm ốp có cấu tạo là 2 thanh thép chữ I đặt cao hơn mực nước thi công 0,5m. Dầm -7- mũ bằng BTCT có tiết diện hình chữ nhật đổ tại chỗ. Các thanh neo bằng thép tròn 75, 80. Mũ giữ thanh neo làm dầm BTCT.

Phạm vi sử dụng: Làm bờ kè có qui mô lớn, làm bến cảng nước sâu cho tàu có trọng tải lớn, bốc dở hàng hóa nặng. Xây dựng bảo vệ xói lở khu trung tâm dân cư, bảo vệ các công trình quan trọng ven sông. Ưu điểm: Tuổi thọ cao, tính công nghiệp lắp ghép cao, thi công nhanh. Chịu được những nơi có tốc độ dòng chảy lớn, bị ngập lũ sâu.

Nhược điểm: Giá thành cao do phải nhập cừ thép định hình từ nước ngoài. Thép bị ăn mòn ở những vùng có nước nhiễm phèn, nhiễm mặn. Loại này ít dùng ở Đồng bằng Sông Cửu Long. Một số hình dạng và liên kết của tường cọc bản bằng thép  Tường cừ bản bêtông cốt thép Cấu tạo: Cọc bản bằng BTCT, có nhiều dạng tiết diện, cọc bản tiếp nhận trực tiếp áp lực của lớp đất đắp đất.

Dầm mũ bằng BTCT đổ tại chỗ, liên kết các đầu cọc bản, tiếp nhận lực của cọc bản truyền vào, sau đó dầm mũ truyền lực qua cọc vây và dầm neo. Dầm neo bằng BTCT đúc sẵn, hoặc thép hình có tăng đơ. -8- Phạm vi sử dụng: Làm bờ kè có qui mô lớn, làm bến cảng nước sâu cho tàu có trọng tải lớn, bốc dở hàng hóa nặng. Xây dựng bảo vệ xói lở khu trung tâm dân cư, bảo vệ các công trình quan trọng ven sông.

Ưu điểm: Bờ kè bằng BTCT kết cấu bền vững, tuổi thọ cao, dễ thi công. Tận dụng được vật liệu có sẵn, giá thành thấp hơn so với thép định hình. Được dùng rộng rãi ở Đồng bằng Sông Cửu Long, ở những nơi ngập lũ sâu, tốc độ dòng chảy lớn, xói lở bờ mạnh. Nhược điểm: Khi thi công các cọc bản ghép lại với nhau, các mối nối khó khít nhau khi đóng cọc bản vào đất.

Các dạng mặt cắt tường cọc bản bêtông cốt thép 1.2 Theo cách giữ tường ổn định Có thể chia thành 2 loại: tường có neo và tường không neo CAÙ P NEO TÖÔØ NG COÏC BAÛ N TÖÔØ NG COÏC BAÛ N GIAÈ NG COÏC NEO a. Töôø ng khoâ ng neo b. Töôø ng coùneo Hình 1. Tường cọc bản có neo và không neo 1.2 Các dạng neo trong tường kè Các dạng neo sau được sử dụng phổ biến trong tường cọc bản: -9- - Bản neo và dầm neo: Bản neo thường là các tấm bêtông nối với tường bằng các thanh neo.

Các thanh neo được chống ăn mòn bằng các lớp sơn hoặc asphalt bảo vệ. - Thanh neo: Có cấu tạo gồm một khối bêtông đúc tại chỗ trong lòng đất và nối với tường bằng các thanh neo hoặc dây cáp chịu kéo. - Cọc neo thẳng đứng: sử dụng các thanh neo để neo tường vào các cọc đóng thẳng đứng. Dùng cho các trường hợp có lực ngang nhỏ.

- Các dầm neo trên các cọc xiên: Sử dụng thanh neo hoặc cáp neo để neo tường vào các cọc xiên chịu nhổ. Sử dụng trong các trường hợp có lực ngang lớn. Các dạng neo trong tường kè được thể hiện trong hình 1. CAÙ P NEO CAÙ P NEO TÖÔØ NG COÏC BAÛ N TÖÔØ NG COÏC BAÛ N KHOÁ I BEÂ TOÂ NG NEO GIAÈ NG GIAÈ NG COÏC NEO a.

Neo baèng khoáibeâtoâng coáñònh b. Neo baèng coïc neo hay töôø ng neo DAÀ M NEO CAÙ P NEO CAÙ P NEO TÖÔØ NG COÏC BAÛ N TÖÔØ NG COÏC BAÛ N GIAÈ NG NHOÙ M COÏC NEO BAÀ U NEO c. Neo baèng daàm coùcoïc xieân choáng ñôû Hình 1. Các dạng neo trong tường kè 1.3 Một số dạng mất ổn định công trình kè ven sông trên đất yếu Các dạng mất ổn định của tường kè được chia thành 3 loại chính sau: - Mất ổn định do trượt tổng thể: trượt sâu, mặt trượt đi qua chân cọc (hình 1.

-10- - Mất ổn định do phá hoại về kết cấu: tường không đủ chịu tải trọng ngang, hệ thống neo không đảm bảo, ăn mòn vật liệu, xói lở,… mặt trượt khi đó sẽ đi qua thân cọc (hình 1. Tường cọc bản bị mất ổn định do bị trượt sâu Hình 1. Tường cọc bản mất ổn định do chiều sâu ngàm không đủ (phá hoại xoay) -11- Hình 1. Tường cọc bản bị phá hoại do bị gãy Hình 1.

Tường cọc bản bị phá hoại do neo 1.4 Các phương pháp tính toán ổn định công trình bảo vệ bờ -12- Các vấn đề chính trong việc tính toán ổn định công trình bảo vệ bờ bao gồm ổn định mái dốc, ổn định hệ gia cố bờ kênh, ổn định mái.1 Nguyên tắc cơ bản trong tính toán ổn định tổng thể công trình Tính toán ổn định tổng thể là một trong những nội dung quan trọng trong tính toán thiết kế. Trong một số trường hợp, nhất là khi bờ kè được xây dựng trên nền đất yếu thì việc tính toán ổn định tổng thể của công trình là một trong những nội dung chính, quyết định việc lựa chọn phương án kết cấu bờ kè.