Tổng quan nghiên cứu

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng đất có địa chất chủ yếu là đất yếu với nhiều sông ngòi chằng chịt, thường xuyên chịu ảnh hưởng của hiện tượng xói lở bờ sông. Theo ước tính, các hiện tượng sạt lở tại khu vực này đã gây thiệt hại nghiêm trọng về tài sản và ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống người dân, đặc biệt tại các vùng đông dân cư như Tiền Giang, Bến Tre và Đồng Tháp. Đoạn sông Tiền chảy qua thành phố Mỹ Tho có chế độ thủy văn phức tạp, lòng sông biến đổi không đều, làm tăng nguy cơ mất ổn định bờ sông.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng tường cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực kết hợp cọc neo bê tông cốt thép để tính toán và đảm bảo ổn định cho bờ kè sông Tiền, đồng thời phân tích sự chuyển vị và nội lực của tường kè trong điều kiện làm việc đồng thời của tường và cọc neo. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đoạn sông Tiền thuộc phường 1, thành phố Mỹ Tho, tỉnh Tiền Giang, trong giai đoạn từ năm 2016 đến 2017.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất giải pháp kỹ thuật an toàn, kinh tế và thẩm mỹ cho công trình bờ kè ven sông, góp phần giảm thiểu thiệt hại do xói lở, đồng thời hỗ trợ phát triển hạ tầng kỹ thuật bền vững tại khu vực ĐBSCL. Các kết quả nghiên cứu cũng cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn phương pháp tính toán và thiết kế tường kè phù hợp với điều kiện địa chất đặc thù của vùng đất yếu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản trong kỹ thuật xây dựng công trình ngầm, bao gồm:

  • Lý thuyết áp lực đất Rankine và Coulomb: Xác định áp lực đất chủ động, bị động và áp lực đất ở trạng thái nghỉ tác dụng lên tường chắn. Hệ số áp lực đất chủ động (K_a) và bị động (K_p) được tính theo các công thức chuẩn, phù hợp với đặc tính đất yếu tại ĐBSCL.

  • Mô hình nền Winkler: Mô phỏng tương tác giữa cọc và nền đất bằng cách xem cọc như dầm đàn hồi nằm trên nền đàn hồi, với phản lực đất tỷ lệ thuận với chuyển vị ngang của cọc. Hệ số nền (C_z) được xác định dựa trên tính chất cơ lý của đất và chiều sâu cọc.

  • Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng phi tuyến tính ứng xử đất-kết cấu, đánh giá ổn định và biến dạng của tường kè kết hợp cọc neo trong điều kiện làm việc thực tế. Phương pháp này cho phép mô hình hóa chính xác áp lực đất, áp lực sóng và tải trọng động tác dụng lên công trình.

Các khái niệm chính bao gồm: áp lực đất chủ động, áp lực đất bị động, áp lực đất ở trạng thái nghỉ, tải trọng ngang tác dụng lên tường và cọc, mô hình nền đàn hồi Winkler, và phân tích tương tác đất-kết cấu bằng phần tử hữu hạn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ khảo sát địa chất thực tế tại đoạn sông Tiền, phường 1, thành phố Mỹ Tho, bao gồm các thông số cơ lý của đất yếu như sức kháng cắt không thoát nước (S_u), chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT, góc ma sát trong (\phi), lực dính (c), và các đặc tính thủy văn, địa hình khu vực.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Phân tích lý thuyết: Áp dụng các công thức giải tích để tính toán áp lực đất và nội lực tường kè theo lý thuyết Rankine và Coulomb, đồng thời tính toán chuyển vị và mô men uốn của cọc theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 10304:2014.

  • Mô phỏng phần tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm Plaxis với mô hình Mohr-Coulomb để phân tích ổn định và biến dạng của tường kè kết hợp cọc neo dưới tác động của tải trọng ngang, áp lực sóng và áp lực đất. Mô hình được xây dựng dựa trên các thông số địa chất thực tế, tải trọng thủy văn và tải trọng công trình.

  • So sánh kết quả: Đối chiếu kết quả tính toán bằng phương pháp giải tích và mô phỏng phần tử hữu hạn để đánh giá độ tin cậy và hiệu quả của các phương pháp tính toán.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 5/2016 đến tháng 12/2016, với cỡ mẫu khảo sát địa chất và số liệu thực nghiệm đủ để đảm bảo tính đại diện và độ chính xác của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ổn định tường kè trên nền đất yếu: Kết quả tính toán cho thấy tường kè bê tông cốt thép dự ứng lực kết hợp cọc neo có khả năng chịu tải trọng ngang và áp lực đất chủ động hiệu quả, đảm bảo ổn định trượt và lún. Ví dụ, áp lực đất chủ động tại độ sâu 5m đạt khoảng 25 kPa, phù hợp với đặc tính đất yếu tại hiện trường.

  2. Chuyển vị và nội lực tường kè: Khi tăng chiều cao tường cọc ván và chiều dài cọc neo, chuyển vị ngang đầu tường giảm đáng kể, từ khoảng 15 mm xuống còn dưới 5 mm, đồng thời mô men uốn tối đa giảm 20%. Điều này chứng tỏ việc bố trí cọc neo hợp lý giúp tăng cường độ ổn định và giảm biến dạng công trình.

  3. So sánh phương pháp tính toán: Kết quả phân tích phần tử hữu hạn cho thấy sự khác biệt không quá 10% so với phương pháp giải tích trong việc xác định áp lực đất và chuyển vị tường, khẳng định tính chính xác và khả năng ứng dụng của mô hình FEM trong thiết kế công trình bờ kè.

  4. Ảnh hưởng của tải trọng sóng và thủy văn: Áp lực sóng tác động lên tường kè được xác định theo các công thức tiêu chuẩn, với giá trị áp lực ngang tối đa khoảng 30 kN/m, làm tăng tải trọng ngang lên tường và cọc. Việc tính toán kết hợp tải trọng sóng và áp lực đất giúp đánh giá toàn diện hơn về khả năng chịu lực của công trình.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp tường kè kết hợp cọc neo đạt được độ ổn định cao là do sự phối hợp làm việc đồng thời giữa tường cọc ván bê tông dự ứng lực và hệ thống cọc neo BTCT, tạo ra lực kháng ngang lớn hơn so với tường kè truyền thống. Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn cho thấy mô hình Mohr-Coulomb phù hợp với điều kiện đất yếu đặc trưng của ĐBSCL, phản ánh chính xác sự phân bố ứng suất và biến dạng trong đất và kết cấu.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả luận văn khẳng định ưu điểm vượt trội của giải pháp tường kè dự ứng lực kết hợp cọc neo trong việc chống xói lở và đảm bảo mỹ quan công trình. Việc áp dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn giúp giảm thiểu sai số trong thiết kế, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn chiều cao tường, chiều dài cọc neo và các thông số kỹ thuật phù hợp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ áp lực đất theo chiều sâu, biểu đồ chuyển vị ngang đầu tường theo chiều cao tường và sơ đồ mô men uốn trên cọc, giúp trực quan hóa hiệu quả của các giải pháp kỹ thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường chiều dài và số lượng cọc neo: Đề nghị tăng chiều dài cọc neo lên tối thiểu 8m và bố trí cọc neo với mật độ phù hợp để giảm chuyển vị ngang đầu tường xuống dưới 5 mm, đảm bảo ổn định lâu dài. Thời gian thực hiện trong giai đoạn thiết kế và thi công công trình.

  2. Sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn trong thiết kế: Khuyến khích áp dụng mô hình FEM để mô phỏng tương tác đất-kết cấu, giúp tối ưu hóa thiết kế và giảm thiểu rủi ro do sai số tính toán. Chủ thể thực hiện là các đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu xây dựng.

  3. Kiểm soát chất lượng vật liệu và thi công: Đảm bảo chất lượng bê tông dự ứng lực và cọc neo theo tiêu chuẩn TCVN, đồng thời áp dụng công nghệ thi công hiện đại như ép rung và bơm nước thủy lực để giảm thiểu ảnh hưởng chấn động đến công trình lân cận. Thời gian thực hiện trong suốt quá trình thi công.

  4. Theo dõi và bảo trì công trình định kỳ: Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị và áp lực đất để phát hiện sớm các dấu hiệu mất ổn định, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý công trình và đơn vị vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và giao thông: Sử dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn giải pháp tường kè phù hợp với điều kiện đất yếu, tối ưu chi phí và đảm bảo an toàn công trình.

  2. Nhà quản lý dự án và chủ đầu tư: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định bờ kè, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, giảm thiểu rủi ro và thiệt hại do xói lở.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng công trình ngầm: Tham khảo phương pháp tính toán, mô hình phân tích phần tử hữu hạn và ứng dụng thực tế trong điều kiện địa chất đặc thù của ĐBSCL.

  4. Đơn vị thi công và tư vấn giám sát: Áp dụng các giải pháp kỹ thuật và công nghệ thi công hiện đại để đảm bảo chất lượng và tiến độ công trình bờ kè.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần kết hợp tường cọc ván bê tông dự ứng lực với cọc neo?
    Việc kết hợp giúp tăng khả năng chịu tải trọng ngang và giảm chuyển vị tường, đảm bảo ổn định lâu dài cho công trình trên nền đất yếu. Ví dụ, chuyển vị đầu tường giảm từ 15 mm xuống dưới 5 mm khi sử dụng cọc neo.

  2. Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn có ưu điểm gì so với phương pháp giải tích?
    Phương pháp FEM mô phỏng chính xác tương tác đất-kết cấu, không cần giả định biểu đồ áp lực đất trước, giúp đánh giá biến dạng và ứng suất thực tế, giảm sai số thiết kế.

  3. Hệ số nền Winkler được xác định như thế nào?
    Hệ số nền (C_z) phụ thuộc vào loại đất, chiều sâu cọc và tính chất cơ lý của đất, được xác định qua công thức dựa trên hệ số tỷ lệ (K) và chiều sâu (z), phản ánh độ cứng đàn hồi của nền đất.

  4. Giải pháp này có phù hợp với các vùng đất yếu khác không?
    Có thể áp dụng cho các vùng đất yếu có đặc điểm tương tự ĐBSCL, tuy nhiên cần khảo sát địa chất cụ thể để điều chỉnh thiết kế phù hợp.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng thi công tường kè dự ứng lực?
    Áp dụng công nghệ ép rung, bơm nước thủy lực, kiểm tra chất lượng bê tông và cọc neo theo tiêu chuẩn, đồng thời giám sát chặt chẽ quá trình thi công để đảm bảo độ chính xác và an toàn.

Kết luận

  • Luận văn đã chứng minh hiệu quả của giải pháp tường cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực kết hợp cọc neo BTCT trong việc đảm bảo ổn định bờ kè sông Tiền trên nền đất yếu đặc trưng của ĐBSCL.
  • Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn cho kết quả tương đồng với phương pháp giải tích, khẳng định tính chính xác và khả năng ứng dụng trong thiết kế công trình.
  • Việc tăng chiều cao tường và chiều dài cọc neo giúp giảm chuyển vị và mô men uốn, nâng cao độ bền và an toàn công trình.
  • Đề xuất áp dụng công nghệ thi công hiện đại và hệ thống quan trắc định kỳ để duy trì hiệu quả lâu dài của công trình.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu cho các khu vực khác trong ĐBSCL và phát triển mô hình tính toán ứng dụng cho các điều kiện thủy văn phức tạp hơn.

Hành động ngay: Các đơn vị thiết kế và thi công nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng và độ bền công trình bờ kè, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế vùng ĐBSCL.