Tổng quan nghiên cứu

Sạt lở mái dốc là một trong những hiện tượng thiên tai nguy hiểm, gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản trên toàn cầu cũng như tại Việt Nam. Theo thống kê, từ năm 2000 đến 2014, Việt Nam đã ghi nhận khoảng 250 đợt lũ quét và sạt lở đất, làm chết và mất tích 646 người, gần 351 người bị thương, hơn 9.700 căn nhà bị đổ trôi và hơn 100.000 căn nhà bị ngập hoặc hư hại nặng. Các tỉnh miền núi phía Bắc, miền Trung, Tây Nguyên và duyên hải là những khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng nặng nề nhất. Đặc biệt, các trận mưa lớn kéo dài với cường độ cao là nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng này.

Trước thực trạng đó, việc nghiên cứu các phương pháp thiết kế ổn định mái dốc nhằm giảm thiểu nguy cơ sạt lở là cấp thiết. Luận văn tập trung vào đề tài “Nghiên cứu phương pháp thiết kế ổn định mái dốc bằng cọc” với mục tiêu: phân tích nguyên nhân gây sạt lở, đặc biệt là ảnh hưởng của cường độ và thời gian mưa đến hệ số an toàn mái dốc; tổng hợp các giải pháp gia cố mái dốc hiện có; đề xuất phương pháp thiết kế mái dốc gia cố bằng cọc tối ưu về mặt kỹ thuật và kinh tế; và áp dụng tính toán cho công trình cụ thể tại hồ chứa nước Nà Lái, tỉnh Cao Bằng.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát các hiện tượng sạt lở trong thực tế, phân tích lý thuyết ổn định mái dốc, phát triển phương pháp gia cố bằng cọc, và ứng dụng thực tiễn trong khoảng thời gian nghiên cứu từ năm 2013 đến 2015. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ an toàn công trình thủy lợi, giao thông và xây dựng, đồng thời góp phần giảm thiểu thiệt hại do thiên tai gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai quan điểm chính về hệ số an toàn mái dốc: quan điểm hệ số an toàn chung và quan điểm hệ số huy động cường độ chống cắt của đất. Quan điểm đầu tiên định nghĩa hệ số an toàn là tỷ số giữa tổng mômen chống trượt và tổng mômen gây trượt, được tính theo phương pháp Fellenius (1927) và được mở rộng theo tiêu chuẩn QCVN 04-05:2010 với các hệ số tin cậy về tải trọng và vật liệu. Quan điểm thứ hai tập trung vào mức độ huy động khả năng chống cắt của đất, xác định hệ số an toàn dựa trên sự giảm cường độ chống cắt theo định luật Coulomb.

Phương pháp phân tích ổn định mái dốc chủ yếu sử dụng lý thuyết phân thỏi, trong đó khối đất trượt được chia thành các thỏi đứng, mỗi thỏi chịu các lực trọng lượng, lực tương tác ngang và đứng với các thỏi kế cận, lực pháp tuyến và lực cắt tại mặt trượt. Hệ phương trình cân bằng tĩnh lực học được thiết lập cho từng thỏi, bao gồm cân bằng lực ngang, lực đứng và mômen quay. Do bài toán siêu tĩnh, các giả thiết về lực tương tác được áp dụng để giải quyết.

Phương pháp gia cố mái dốc bằng cọc dựa trên lý thuyết đàn hồi và biến dạng dẻo của đất quanh cọc, được phát triển bởi Ito và Matsui (1975). Lực ngang tác dụng lên cọc được tính toán dựa trên các tham số như lực dính, góc ma sát, trọng lượng đất, đường kính và khoảng cách cọc. Hệ số an toàn mái dốc gia cố được xác định bằng cách kết hợp lực kháng của đất và lực phản lực của cọc, đồng thời điều chỉnh mặt trượt và các lực tác dụng theo vị trí và kích thước cọc.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu địa chất, địa hình, và các thông số kỹ thuật của công trình hồ chứa nước Nà Lái, tỉnh Cao Bằng. Dữ liệu được thu thập từ khảo sát thực địa, tài liệu kỹ thuật và các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm tính toán địa kỹ thuật GEOSTUDIO 2007 để mô phỏng áp lực thấm và tính toán hệ số ổn định mái dốc dưới các tổ hợp tải trọng khác nhau, đặc biệt là các trường hợp mưa với cường độ từ 100 đến 200 mm/ngày-đêm và thời gian kéo dài đến 72 giờ. Phương pháp phân tích phân thỏi và phương pháp phần tử hữu hạn được kết hợp để đánh giá sự ổn định và hiệu quả của các giải pháp gia cố.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một công trình cụ thể với chiều cao mái dốc 13,7 m, góc mái 30 độ, sử dụng các lớp đất có đặc tính cơ lý được xác định qua thí nghiệm. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn công trình điển hình đại diện cho các điều kiện địa chất và khí hậu miền núi phía Bắc Việt Nam. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 2 năm, từ khảo sát, phân tích lý thuyết, mô phỏng đến áp dụng thực tế và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của mưa đến hệ số an toàn mái dốc: Kết quả tính toán cho thấy, với cường độ mưa q = 150 mm/ngày-đêm, hệ số ổn định mái dốc giảm từ 1,08 (không mưa) xuống còn khoảng 0,85 sau 24 giờ mưa liên tục, giảm sâu hơn khi thời gian mưa kéo dài đến 72 giờ. Điều này chứng tỏ mưa có ảnh hưởng rất lớn đến sự ổn định của mái dốc.

  2. Hiệu quả gia cố bằng cọc: Việc chèn một hàng cọc với khoảng cách tim cọc S = 3 m và đường kính cọc D = 2 m làm tăng hệ số an toàn từ 0,85 lên 1,82, tăng gần 114%. Khi khoảng cách cọc tăng lên 15 m, hệ số an toàn giảm xuống còn 1,1, cho thấy mật độ cọc ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả gia cố.

  3. Vị trí đóng cọc tối ưu: Cọc đặt gần đỉnh mái dốc (S khoảng 3-5 m từ đỉnh) mang lại hiệu quả ổn định cao hơn so với đặt gần chân mái. Hệ số an toàn giảm khi cọc được đặt xa đỉnh, do lực phản lực của cọc không được huy động tối đa.

  4. Tác động của chiều sâu cọc: Chiều sâu cọc ảnh hưởng đến lực phản lực và hệ số an toàn. Cọc sâu hơn (3-3,5 m) tạo lực kháng lớn hơn, giúp tăng hệ số an toàn mái dốc lên đến 1,9 so với cọc nông (1,5 m) chỉ đạt khoảng 1,5.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính khiến hệ số an toàn mái dốc giảm khi có mưa là do nước thấm làm tăng trọng lượng khối đất và áp lực nước lỗ rỗng, làm giảm cường độ chống cắt của đất. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của thủy văn đến ổn định mái dốc.

Phương pháp gia cố bằng cọc tận dụng sự làm việc phối hợp giữa cọc và đất xung quanh, tạo lực phản lực ngang chống lại sự trượt. Việc lựa chọn khoảng cách, chiều sâu và vị trí cọc là yếu tố quyết định hiệu quả gia cố. So với các giải pháp gia cố mặt ngoài như bê tông hoặc lưới địa kỹ thuật, phương pháp cọc có ưu điểm thi công đơn giản, giữ nguyên hiện trạng mái dốc và tiết kiệm chi phí.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ giữa thời gian mưa và hệ số ổn định, biểu đồ so sánh hệ số an toàn với các khoảng cách cọc khác nhau, và bảng tổng hợp kết quả tính toán ổn định dưới các tổ hợp tải trọng khác nhau. Những biểu đồ này giúp minh họa rõ ràng sự thay đổi hệ số an toàn theo các biến số thiết kế và điều kiện môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thiết kế hệ thống cọc gia cố với mật độ cao gần đỉnh mái dốc: Đề xuất bố trí cọc với khoảng cách tim cọc từ 3 đến 5 m, chiều sâu cọc từ 3 đến 3,5 m để tối ưu hóa lực phản lực và tăng hệ số an toàn mái dốc lên trên 1,8. Thời gian thực hiện trong giai đoạn thiết kế và thi công công trình.

  2. Áp dụng phương pháp tính toán kết hợp phân thỏi và phần tử hữu hạn: Khuyến nghị sử dụng phần mềm chuyên dụng như GEOSTUDIO để mô phỏng áp lực thấm và tính toán ổn định, giúp đánh giá chính xác ảnh hưởng của mưa và các yếu tố tải trọng khác. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư thiết kế và tư vấn địa kỹ thuật.

  3. Theo dõi và kiểm tra định kỳ hệ số ổn định mái dốc sau thi công: Thiết lập hệ thống quan trắc áp lực nước và biến dạng mái dốc để phát hiện sớm các dấu hiệu mất ổn định, đặc biệt trong mùa mưa bão. Thời gian kiểm tra định kỳ hàng quý hoặc theo mùa mưa. Chủ thể thực hiện là đơn vị quản lý công trình.

  4. Kết hợp các biện pháp gia cố mặt ngoài và gia cố thân mái: Trong trường hợp điều kiện địa hình và kinh tế cho phép, kết hợp gia cố bằng cọc với gia cố mặt ngoài như bê tông hoặc trồng cỏ để tăng khả năng chống xói mòn và giảm áp lực nước thấm. Thời gian thực hiện đồng thời hoặc sau khi hoàn thành gia cố cọc.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và giao thông: Luận văn cung cấp phương pháp thiết kế gia cố mái dốc bằng cọc, giúp nâng cao độ an toàn và hiệu quả kinh tế trong các dự án xây dựng.

  2. Chuyên gia địa kỹ thuật và tư vấn xây dựng: Tài liệu chi tiết về lý thuyết phân thỏi, phương pháp phân tích ổn định và ứng dụng phần mềm mô phỏng giúp chuyên gia cập nhật kiến thức và áp dụng vào thực tế.

  3. Nhà quản lý và vận hành công trình: Thông tin về ảnh hưởng của mưa và các giải pháp gia cố giúp quản lý công trình chủ động trong công tác bảo trì, giám sát và phòng chống sự cố.

  4. Nghiên cứu sinh và sinh viên ngành xây dựng, thủy lợi: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp nghiên cứu, phân tích và thiết kế mái dốc gia cố, hỗ trợ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao mưa lại ảnh hưởng lớn đến ổn định mái dốc?
    Mưa làm tăng trọng lượng khối đất và áp lực nước lỗ rỗng, giảm cường độ chống cắt của đất, dẫn đến giảm hệ số an toàn mái dốc. Ví dụ, với cường độ mưa 150 mm/ngày-đêm, hệ số an toàn có thể giảm hơn 20% sau 24 giờ mưa.

  2. Phương pháp gia cố bằng cọc có ưu điểm gì so với các biện pháp khác?
    Gia cố bằng cọc đơn giản trong thi công, giữ nguyên hiện trạng mái dốc, tiết kiệm chi phí và hiệu quả lâu dài. Nó phù hợp với các khu vực có không gian hạn chế không thể mở rộng mái dốc.

  3. Làm thế nào để xác định khoảng cách và chiều sâu cọc tối ưu?
    Thông qua mô phỏng và tính toán hệ số an toàn, khoảng cách tim cọc từ 3-5 m và chiều sâu 3-3,5 m được xác định là tối ưu để tăng hệ số an toàn lên trên 1,8, đồng thời tiết kiệm vật liệu và chi phí.

  4. Phần mềm nào được sử dụng để tính toán ổn định mái dốc?
    Phần mềm GEOSTUDIO 2007 được sử dụng để mô phỏng áp lực thấm và tính toán ổn định, kết hợp phương pháp phân thỏi và phần tử hữu hạn giúp đánh giá chính xác các tổ hợp tải trọng.

  5. Có thể áp dụng phương pháp này cho các loại mái dốc khác nhau không?
    Phương pháp phù hợp với mái dốc đồng nhất và có thể điều chỉnh cho các loại đất khác nhau. Tuy nhiên, cần khảo sát kỹ thuật địa chất cụ thể để điều chỉnh thông số thiết kế cho phù hợp.

Kết luận

  • Sạt lở mái dốc là vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt dưới tác động của mưa lớn kéo dài, làm giảm hệ số an toàn mái dốc đáng kể.
  • Phương pháp gia cố mái dốc bằng cọc được chứng minh là giải pháp hiệu quả, đơn giản và kinh tế, tăng hệ số an toàn lên trên 1,8 khi bố trí hợp lý.
  • Việc lựa chọn khoảng cách, chiều sâu và vị trí cọc đóng vai trò quyết định trong hiệu quả gia cố mái dốc.
  • Ứng dụng phần mềm mô phỏng hiện đại giúp đánh giá chính xác và tối ưu thiết kế gia cố mái dốc.
  • Khuyến nghị triển khai thiết kế và thi công gia cố cọc cho các công trình có nguy cơ sạt lở cao, đồng thời thiết lập hệ thống quan trắc để đảm bảo an toàn lâu dài.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên tập trung vào việc hoàn thiện quy trình thiết kế, mở rộng ứng dụng cho các loại địa hình phức tạp và phát triển các giải pháp kết hợp nhằm nâng cao hiệu quả gia cố mái dốc. Để bảo vệ công trình và cộng đồng, hãy áp dụng ngay các giải pháp gia cố mái dốc bằng cọc trong các dự án xây dựng và quản lý hiện nay.