Tài liệu Nghiên cứu giải pháp cốt địa kỹ thuật gia cường ổn định đê biển xây dựng trên nền đất yếu, ứng dụng cho đê biển tây cà mau

LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô trường Đại học Thủy Lợi , Đại học Thủy Lợi cơ sở 2 tại thành phố Hồ Chí Minh, những thầy cô thuộc Bộ môn và một số thầy cô cộng tác viên Bộ môn Địa kỹ thuật, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình dạy bảo cho tôi suốt thời gian học theo học. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Trịnh Minh Thụ đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn. Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Thủy Lợi, Ban Giám đốc trường Đại học Thủy Lợi – Cơ Sở 2, cùng quý thầy cô trong Khoa Công Trình, Ban Đào Tạo & Quản Lý Sinh Viên đã tạo rất nhiều điều kiện để tôi học tập và hoàn thành tốt khóa học. Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng Tác giả Ngô Văn Linh năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học do chính tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng Tác giả Ngô Văn Linh năm 2014 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................... ......1 1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ............................................................................... 2 3. Nội dung nghiên cứu của đề tài............................................................................... 2 4. Các phương pháp nghiên cứu.................................................................................. 2 CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG ĐỊA KỸ THUẬT CHO ĐÊ BIỂN ..................................................................................................... ......3 1.1. Giới thiệu chung ................................................................................................... 3 1.1.1. Tổng quan .................................................................................................. 3 1.1.2. Hiện trạng đê biển Việt Nam ..................................................................... 4 1.2. Các điều kiện biên địa kỹ thuật trong tính toán thiết kế đê biển .......................... 7 1.2.1. Những tác động và ảnh hưởng đối với công trình chắn giữ nước ............. 7 1.2.2. Những khía cạnh địa kỹ thuật liên quan đến chức năng chắn giữ nước .... 8 1.2.3. Cơ chế phá hoại của đê biển .................................................................... 11 1.3. Các giải pháp gia cường Địa kỹ thuật với đê biển ............................................. 13 1.3.1. Tổng quan một số giải pháp gia cường địa kỹ thuật với đê biển............. 13 1.3.2. Các giải pháp nâng cao ổn định đê trên thế giới...................................... 17 1.4. Vấn đề ứng dụng vật liệu đất có cốt để xây dựng đê biển ở Việt Nam và các nước trên thế giới................................................................................................... 19 1.4.1. Ứng dụng vật liệu đất có cốt trong xây dựng dê biển ở Việt nam........... 20 1.4.2. Ứng dụng vật liệu đất có cốt trong xây dựng đê biển ở một số nước trên thế giới ............................................................................................................... 24 1.5. Kết luận chương 1 .............................................................................................. 28 CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... ...29 2.1. Các đặc tính của vật liệu đất có cốt .................................................................... 29 2.1.1. Độ bền kéo của vải địa kỹ thuật............................................................... 29 2.1.2. Độ bền chọc thủng của vải địa kỹ thuật................................................... 30 2.1.3. Độ bền lâu dài của vải địa kỹ thuật ......................................................... 30 2.2. Nguyên tắc tính toán cốt trong công trình đất.................................................... 33 2.2.1. Bài toán về lực neo lớn nhất và nguyên tắc bố trí cốt ............................. 33 2.2.2. Xác định lực kéo neo Tk .......................................................................... 36 2.2.3. Nguyên tắc bố trí cốt vải địa kỹ thuật ..................................................... 38 2.3. Cơ chế phá hoại khối đắp có cốt trên nền đất .................................................... 40 2.3.1. Sự ổn định mái dốc công trình khi có cốt ................................................ 40 2.3.2. Cơ chế phá hoại của khối đắp có cốt trên nền đất ................................... 47 2.3.3. Những nguyên tắc tính toán công trình đất có cốt trên nền đất ............... 48 2.4. Các phương pháp tính ổn định khối đắp có cốt ................................................. 49 2.4.1. Các phương pháp phân tích ổn định mái dốc thường dùng khi chưa có cốt49 2.4.2. Các phương pháp tính toán ổn định mái dốc khi có cốt .......................... 56 2.4.3. Những quy định do BS8006:1995 đề xuất ............................................. 66 2.5. Kết luận chương 2 .............................................................................................. 76 CHƯƠNG 3.MÔ HÌNH HOÁ CÁC TRƯỜNG HỢP ỨNG DỤNG..................... 77 3.1. Phân tích các trường hợp tính toán ................................................................... 77 3.1.1. Mục đích nghiên cứu ............................................................................... 77 3.1.2. Mặt cắt nghiên cứu .................................................................................. 77 3.1.3. Trường hợp tính ổn định .......................................................................... 77 3.1.4. Đặc trưng đất .......................................................................................... 78 3.1.5. Đặc trưng cốt gia cường ......................................................................... 79 3.1.6. Bài toán nghiên cứu ................................................................................ 81 3.2. Giới thiệu phần mềm tính toán-ReSSA (3.0) .................................................... 81 3.3. Tính toán thiết kế-mô phỏng bài toán bằng phần mềm ReSSA ......................... 84 3.4. Phân tích kết quả tính toán - Liên hệ với tiêu chuẩn Anh BS-8006-1995 ........ 89 3.4.1. Kết quả tính toán ...................................................................................... 89 3.4.2. Phân tích kết quả tính toán....................................................................... 95 3.5. Kết luận chương 3 ........................................................................................... 106 CHƯƠNG 4.ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỚI ĐÊ BIỂN TÂY CÀ MAU...................................................................................................................... 107 4.1. Giới thiệu công trình đê biển Tây Cà Mau ...................................................... 107 4.1.1. Vị trí địa lý, điều kiện địa hình, địa mạo ............................................... 107 4.1.2. Thông số địa chất đất nền ...................................................................... 108 4.1.3. Đặc trưng đất đắp................................................................................... 109 4.1.4. Thông số công trình. .............................................................................. 109 4.2. Các trường hợp tính toán.................................................................................. 110 4.2.1. Mặt cắt tính toán .................................................................................... 110 4.2.2. Các chỉ tiêu tính toán ............................................................................. 110 4.2.3. Trường hợp tính toán ............................................................................. 110 4.2.4. Phương pháp tính toán ........................................................................... 110 4.3. Kết quả tính toán .............................................................................................. 111 4.3.1. Kết quả tính theo tra đồ thị .................................................................... 111 4.3.2. Tính kiểm tra bằng phần mềm ReSSA 3.0 ............................................ 111 4.3.3. Đánh giá kết quả nghiên cứu ................................................................. 112 4.4. Đề xuất giải pháp xử lý đê biển Tây Cà Mau .................................................. 112 4.4.1. Xác định bước cốt tối ưu ứng với đất đắp có sẵn .................................. 113 4.4.2. Lựa chọn loại đất đắp phù hợp và bước cốt hợp lý ............................... 114 4.5. Kết luận chương 4 ............................................................................................ 118 CÁC KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ .......................................................................... 119 1. Các kết quả đạt được của luận văn..................................................................... .119 2. Một số vấn đề tồn tại ........................................................................................... 119 3. Kiến nghị ............................................................................................................. 120 DANH MỤC BẢNG, BIỂU Bảng 1.1. Những biên liên quan đến kết cấu địa kỹ thuật (theo Pilarczyk)[21] ......10 Bảng 2.1. Tính chất của vải địa kỹ thuật ...................................................................32 Bảng 2.2. Trị số góc θ để xác định mặt trượt khả dĩ trong các trường hợp góc mái dốc .............................................................................................................................36 Bảng 2.3. Xác định trị số KK với các trường hợp góc dốc ........................................37 Bảng 2.4. Các hệ số riêng phần dùng trong thiết kế mái dốc ...................................72 Bảng 3.1: Các chỉ tiêu cơ lý đất dùng trong tính toán...............................................78 Bảng 3.2. Các chỉ tiêu cường độ cốt dùng trong tính toán........................................79 Bảng 3.3. Các cao trình đặt và chiều dài cốt dùng trong tính toán ...........................80 Bảng 3.4. Thông số của đất nền, đất đắp và bước cốt trong bài toán 1 ....................81 Bảng 4.1: Bảng tóm tắt các chỉ tiêu cơ lý của các lớp địa chất ..............................108 Bảng 4.2. Các thông số đất đắp ...............................................................................109 Bảng 4.3. Các thông số địa kỹ thuật .......................................................................109 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Kiểm tra ổn định cung trượt khi đắp phản áp ........................................... 14 Hình 1.2. Kỹ thuật xử lý nền đất bằng cọc cây ......................................................... 16 Hình 1.3. Sơ đồ đặt vải địa kỹ thuật trong thân đê với chức năng làm cốt chịu kéo 20 Hình 1.4. Sơ đồ cấu tạo thân đê với vải địa kỹ thuật làm bao bì và làm cốt chịu kéo21 Hình 1.5. Sơ đồ cấu tạo đê biển dùng vải địa kỹ thuật làm chức năng hỗn hợp ....... 21 Hình 1.6.Sơ đồ cấu tạo thân đê đắp bằng cát tại chỗ có vỏ bọc bằng vải địa kỹ thuật22 Hình 1.7: Túi địa kỹ thuật dạng đơn và xếp chồng. .................................................. 24 Hình 1.8. Gia cố túi vữa ............................................................................................ 25 Hình 1.9. Đệm chứa cát chống xói mòn mái đê ........................................................ 26 Hình 1.10. Một số ví dụ về dạng của đệm vữa ......................................................... 27 Hình 1.11. Giao diện chương trình GeoCoPS........................................................... 28 Hình 2.1. Sơ đồ xác định vị trí mặt trượt khả dĩ ....................................................... 34 Hình 2.2. Sơ đồ lực tác dụng lên khối trượt ABC theo mô hình tính toán hệ thống neo ............................................................................................................................. 34 Hình 2.3. Sơ đồ xác định lực kéo neo Tkéo ................................................................ 37 Hình 2.4. Cơ chế gia cường tường và mái dốc bằng cốt ........................................... 39 Hình 2.5. Tác dụng của cốt đối với đất ..................................................................... 41 Hình 2.6. Mái đắp có cốt trên nền đất yếu ................................................................ 43 Hình 2.7. Cơ chế phá hoại khối đất đắp và mái có cốt trên nền đất mềm yếu .......... 47 Hình 2.8. Mái đất rời khô đồng nhất ......................................................................... 49 Hình 2.9. Sơ đồ xác định cung trượt theo phương pháp vòng tròn ma sát ............... 50 Hình 2.10. Sơ đồ tính toán theo phương pháp W.Fellenius ...................................... 53 Hình 2.11. Sơ đồ tính theo phương pháp W.Bishop đơn giản .................................. 55 Hình 2.12. Các trạng thái giới hạn phá hoại về ổn định ngoài.................................. 57 Hình 2.13. Các trạng thái giới hạn phá hoại về ổn định nội bộ ................................ 57 Hình 2.14. Các trạng thái giới hạn phá hoại về ổn định hỗn hợp ............................. 58 Hình 2.15. Phương pháp phân mảnh với mặt trượt tròn tính ổn định mái đất có cốt 59 Hình 2.16. Phương pháp phân mảnh với mặt trượt tròn của Bishop ........................ 63 Hình 2.17. Sơ đồ tính toán khoảng cách thẳng đứng giữa các lớp cốt ..................... 67 Hình 2.18. Sơ đồ tính toán kiểm tra đứt cốt .............................................................. 74 Hình 2.19. Sơ đồ tính toán kiểm tra tụt cốt ............................................................... 75 Hình 3.1. Giao diện phần mềm ReSSA (3.0) ............................................................ 82 Hình 3.2. Menu chính của phần mềm ReSSA (3.0).................................................. 82 Hình 3.3. Giao diện nhập dữ liệu các lớp đất............................................................ 83 Hình 3.4. Giao diện nhập thông số của cốt ............................................................... 83 Hình 3.5. Giao diện lựa chọn bán kính tính ổn định mái .......................................... 84 Hình 3.6. Mặt cắt hình học tuyến đê ......................................................................... 84 Hình 3.7. Gán tải trọng ngoài trên mái đê ................................................................. 85 Hình 3.8. Định nghĩa cốt và bước cốt 0,3 m. ............................................................ 85 Hình 3.9. Nhập chiều dài cốt khi bước cốt là 0,3m .................................................. 86 Hình 3.10. Tính toán kết quả khi bước cốt 0,3 m. .................................................... 86 Hình 3.11. Nhập chiều dài cốt khi bước cốt là 0,6m ................................................ 87 Hình 3.12. Nhập chiều dài cốt khi bước cốt là 0,9m ................................................ 87 Hình 3.13. Nhập chiều dài cốt khi bước cốt là 1,2m. ............................................... 88 Hình 3.14. Tính toán kết quả khi bước cốt 1,2m. ..................................................... 88 Hình 3.15. Đường đẳng Fs khi Sv = 0,3m, γđắp = 15kN/m3 , Cđắp = 0kN/m2. ............ 90 Hình 3.16. Đường đẳng Fs khi Sv = 0,3m, γđắp = 15kN/m3 , Cđắp = 5kN/m2. ............ 91 Hình 3.17. Đường đẳng Fs khi Sv = 0,3m, γđắp = 15kN/m3 , Cđắp = 10kN/m2. .......... 91 Hình 3.18. Đường đẳng Fs khi Sv = 0,6m, γđắp = 15kN/m3 , Cđắp = 0kN/m2. ............ 91 Hình 3.19. Đường đẳng Fs khi Sv = 0,6m, γđắp = 15kN/m3 , Cđắp = 5kN/m2. ............ 92 Hình 3.20. Đường đẳng Fs khi Sv = 0,6m, γđắp = 15kN/m3, Cđắp = 10kN/m2. .......... 92 Hình 3.21. Đường đẳng Fs khi Sv = 0,9m, γđắp = 15kN/m3 , Cđắp = 0kN/m2. ............ 93 Hình 3.22. Đường đẳng Fs khi Sv = 0,9m, γđắp = 15kN/m3 , Cđắp = 5kN/m2. ............ 93 Hình 3.23. Đường đẳng Fs khi Sv = 0,9m, γđắp = 15kN/m3 , Cđắp = 10kN/m2. .......... 93 Hình 3.24. Đường đẳng Fs khi Sv = 1,2m, γđắp = 15kN/m3 , Cđắp = 0kN/m2. ............ 94 Hình 3.25. Đường đẳng Fs khi Sv = 1,2m, γđắp = 15kN/m3 , Cđắp = 5kN/m2. ............ 94 Hình 3.26. Đường đẳng Fs khi Sv = 1,2m, γđắp = 15kN/m3 , Cđắp = 10kN/m2. .......... 94 Hình 3.27. Đường đẳng Fs =1,2 γđắp = 15kN/m3 , Cđắp = 0kN/m2............................. 97 Hình 3.28. Đường đẳng Fs =1,2 γđắp = 15kN/m3 , Cđắp = 5kN/m2............................. 98 Hình 3.29. Đường đẳng Fs =1,2, γđắp = 15kN/m3 , Cđắp = 10kN/m2.......................... 99 Hình 3.30. Đường đẳng Fs =1,2, γđắp = 17kN/m3 , Cđắp = 0kN/m2.......................... 100 Hình 3.31. Đường đẳng Fs =1,2, γđắp = 17kN/m3 , Cđắp = 5kN/m2.......................... 101 Hình 3.32. Đường đẳng Fs =1,2, γđắp = 17kN/m3 , Cđắp = 10kN/m2........................ 102 Hình 3.33. Đường đẳng Fs=1,2, γđắp = 19kN/m3 , Cđắp = 0kN/m2........................... 103 Hình 3.34. Đường đẳng Fs=1,2, γđắp = 19kN/m3 , Cđắp = 5kN/m2........................... 104 Hình 3.35. Đường đẳng Fs=1,2, γđắp = 19kN/m3 , Cđắp = 10kN/m2......................... 105 Hình 4.1. Vị trí tuyến đê Tây đoạn từ Hương Mai đến Tiểu Dừa........................... 107 Hình 4.2. Mặt cắt điển hình đê biển Tây Cà Mau ................................................... 110 Hình 4.3. Xác định hệ số ổn định tổng thể cho đê biển Tây Cà Mau ..................... 111 Hình 4.4. Kết quả tính toán kiểm tra theo phần mềm ReSSA. ............................... 112 Hình 4.5. Xác định loại đất đắp và bước cốt. .......................................................... 113 Hình 4.6. Xác định loại đất và bước cốt.................................................................. 116 Hình 4.7. Xác định loại đất và bước cốt.................................................................. 117 BẢNG CÁC KÝ HIỆU q : Tải trọng phân bố bề mặt K : Hệ số an toàn ổn định tổng thể Fs : Hệ số an toàn ổn định tổng thể [K] : Hệ số an toàn ổn định cho phép Hgh : Chiều cao đắp giới hạn [Hgh] : Chiều cao đắp giới hạn cho phép γ : Trọng lượng riêng của đất γnền : Trọng lượng riêng của đất nền γđắp :Trọng lượng riêng của đất đắp C :Lực dính đơn vị Cnền : Lực dính đơn vị của đất nền Cđắp : Lực dính đơn vị của đất đắp ϕ : Góc ma sát trong ϕnền : Góc ma sát trong của đất nền ϕđắp : Góc ma sát trong của đất đắp s : Lực kéo đơn vị của vải địa kỹ thuật F : Tổng lực kéo B : Chiều rộng mẫu kéo T, Ti : Lực kéo trong cốt, lực kéo trong cốt thứ i θ : Góc nghiêng của mặt trượt khả dĩ với phương ngang β : Góc nghiêng của mái dốc với phương ngang Tmax : Lực neo lớn nhất G : Trọng lượng khối trượt R : Phản lực từ nền lên khối trượt Tk : Lực kéo neo Ta : Cường độ chịu kéo tính toán của cốt K, Kk : Những hệ số σkéo : Cường độ kéo (lớn nhất) tại độ sâu đặt cốt z Kđứt : Hệ số an toàn về đứt vải h : Khoảng cách giữa các lớp cốt hmax : Khoảng cách lớn nhất giữa các lớp cốt lneo : Chiều dài neo La : Chiều dài cốt nằm trong vùng khối trượt Le : Chiều dài neo trong vũng giữ là Ktụt : Hệ số an toàn kéo tụt neo ϕv : δh : Biến dạng theo phương ngang Góc ma sát giữa đất và vải σ1, σ3 : Ứng suất chính lớn nhât, nhỏ nhất Tu : Độ bền kéo cực hạn của cốt fm : Hệ số vật liệu riêng phần cho cốt TD : Độ bền kéo (cường độ chịu kéo) thiết kế Mgt : Mô men gây trượt Mgl : Mô men giữ R : Bán kính cung trượt W : Trọng lượng thỏi trượt N : Lực pháp đáy thỏi trượt 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Để bảo vệ khu vực ven biển, đến nay rất nhiều các công trình đã được xây dựng, đặc biệt là đê biển. Đê biển được ghi nhận là công trình hữu hiệu nhất ngăn triều và chống sóng, bảo vệ vùng đất thấp. Trong điều kiện thực tế hiện nay, khi mà nguy cơ về sự dâng cao mực nước biển và xói lở bờ biển đang là vấn đề thời sự nóng bỏng (O’Connel, 2002 và Vallega, 1999), các nghiên cứu về ổn định lâu dài của hệ thống đê biển nhằm giảm thiểu thiệt hại do các hiện tượng trên gây ra luôn thu hút được rất nhiều sự quan tâm. Đất nước ta có tổng chiều dài bờ biển vào khoảng 3.350km, với tổng chiều dài hơn 2000 km, đê biển ở nước ta hiện đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ mùa màng, tài sản và hơn hết là tính mạng con người. Thực tế, những công trình chắn giữ nước, đê biển chủ yếu được xây dựng theo phương pháp truyền thống và thủ công sử dụng đất tại chỗ nên mức độ ổn định thấp và mức độ ổn định theo thời gian là ngắn. Mặt khác, nền đê yếu và chưa được xử lý nên đê thường xẩy ra sự sụt lún lớn, lún theo thời gian. Điều này dẫn sau một thời gian sử dụng nhiều đoạn đê phải tu bổ, nâng cấp thậm chí phải xây dựng lại, gây tổn thất về kinh tế lớn. Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu và đánh giá sự ổn định của một số dạng kết cấu khác nhau, tuy nhiên, dạng kết cấu vẫn được đánh giá là giá thành rẻ và tối ưu dùng cho đê biển là kết cấu đất có cốt. Những công trình đất có cốt vừa có đột ổn định cao, có khả năng chịu được độ lún lớn của nền đất yếu vừa có thể tận dụng sử dụng những loại đất đắp là đất yếu được lấy tại chỗ khu vực xây dựng. Cốt trong đất vừa có tác dụng gia cường cho khối đắp, vừa có tác dụng xử lý nền với những lớp cốt đặt sát nền. Do những nguyên nhân như vậy, hiện nay kết cấu đất có cốt được sử dụng tương đối rộng rãi ở nước ta. Vì vậy, hiện nay rất cần thiết để có một sự hệ thống cơ sở lý thuyết, chuẩn hóa quy trình tính toán thiết kế về vật liệu đất có cốt, đặc biệt trong thiết kế đê biển và những vấn đề liên quan. Đề tài tập trung nghiên cứu giải pháp sử dụng cốt địa kỹ thuật gia cường ổn định cho đê biển bằng vật liệu đất đắp được xây dựng trên nền 2 đất yếu cho là một công nghệ phù hợp với điều kiện của Việt Nam nên sẽ rất cần thiết cho các nhà quản lý và cán bộ kỹ thuật thuỷ lợi, có thể tiếp tục nghiên cứu phát triển cho nhiều vùng hoặc ứng dụng gia cường cho đê sông, đập khác. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Hệ thống hóa cơ sở lý luận về vấn đề đất có cốt và nghiên cứu phân tích cơ chế làm việc của kết cấu đất có cốt, liên hệ với tiêu chuẩn Anh BS-8006-1995. - Phân tích các điều kiện biên địa kỹ thuật trong tính toán và thiết kế đê biển. - Sử dụng phần mềm ReSSA (3.0) và liên hệ với tiêu chuẩn BS 8006:1995 để từ đó có những kiến nghị có tính hữu ích cho những kỹ sư tư vấn khi phải phân tích bài toán ổn định công trình đắp bằng cốt địa kỹ thuật. - Lập những đồ thị tổng quát giúp cho những kỹ sư tư vấn cũng như những nhà quản lý có thể lựa chọn tương đối chính xác về loại đất đắp và bố trí cốt. - Kiểm tra kết quả đạt được và xét tính ứng dụng trong thực tế. 3. Nội dung nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu tổng quan về vật liệu đất có cốt; các loại cốt và ứng dụng - Cơ sở lý thuyết khi tính toán khối đắp có cốt và không có cốt - Ứng dụng phần mềm ReSSA(3.0) để tính toán cho công trình có tính chất điển hình có liên hệ với tiêu chuẩn Anh BS-8006-1995, tiêu chuẩn thực hành về vật liệu đất có cốt dung trong xây dựng. - Ứng dụng kết quả tính toán được tính toán cho đê biển Tây Cà Mau và kiểm tra tính ứng dụng của kết quả. - Các kết luận, kiến nghị. 4. Các phương pháp nghiên cứu. - Thống kê tài liệu: Thu thập và tổng hợp các tài liệu đã có về vật liệu đất có cốt, các ứng dụng tại Việt Nam và trên thế giới. - Mô phỏng bằng mô hình toán. - Tổng hợp đánh giá kết quả nghiên cứu và các ứng dụng. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG ĐỊA KỸ THUẬT CHO ĐÊ BIỂN 1.1. Giới thiệu chung 1.1.1. Tổng quan Việt Nam có đường bờ biển chạy dọc chiều dài đất nước từ Bắc đến Nam. Những nguồn lợi mà biển mang lại cho đất nước và con người là vô cùng to lớn. Nhưng bên cạnh những nguồn lợi thu được từ biển thì con người nơi đây luôn phải đối mặt với những mối đe dọa tiềm ẩn cũng do biển mang đến. Đê biển là công trình ven biển làm nhiệm vụ bảo vệ các khu dân cư, các vùng đất canh tác nhằm tránh cho những khu vực này bị ảnh hưởng bởi các tác động của nước biển khi có bão hoặc triều cường. Khi nước biển tràn vào trong đồng sẽ gây thiệt hại về tính mạng, tài sản của nhân dân, làm nhiễm mặn hệ thống đất canh tác, phá huỷ làng mạc và hoa màu. Vì vậy trong mọi trường hợp, vấn đề đảm bảo an toàn đê biển nói riêng và hệ thống đê nói chung là đảm bảo an toàn về dân sinh, kinh tế, an ninh quốc phòng. Với đường bờ biển dài 3260 Km trải dài qua 26 tỉnh ven biển từ Quảng Ninh đến Kiên Giang , Việt Nam mới có khoảng hơn 1500Km đê biển. Theo cách làm truyền thống, đê miền Bắc và miền Trung thường được đắp dần bằng thủ công, đê miền Nam thường được đắp bằng xáng cạp; đê được đắp dần theo từng năm tùy theo sức chịu tải tăng dần của nền và của đất đắp và việc đắp đê là trực tiếp trên nền đất yếu mà không qua xử lý nên đã xảy ra nhiều trường hợp đê bị hư hỏng do bão hoặc thậm chí khi sóng lớn kết hợp thủy triều. Như trong các cơn bão số 7 năm 2005, đê biển trên các tỉnh Hải Phòng, Nam Định, Thanh Hóa đã bị hư hại, đặc biệt là Nam Định khi 19Km trên tổng số 91Km đê bị hư hại. Các nước phát triển đã có nhiều đầu tư và nghiên cứu về mặt khoa học, công nghệ để đảm bảo sự an toàn , thậm chí là tuyệt đối, cho đê biển. Các giải pháp gia cường, bảo vệ đê biển trước kia có thể được bóc bỏ, thay mới bằng giải pháp công nghệ an toàn hơn. Việt Nam cũng đã áp dụng nhiều biện pháp gia cường, gia cố để biển, tạo ra những chuyển biến tích cực trong vấn đề này, nhưng xét thực tế chưa 4 thực sự đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của đê biển hiện tại. Các phần tổng quan về gia cường đê biển trên thế giới và của Việt Nam được trình bày sau đây cho toàn cảnh về cải tiến công nghệ cũng như những tồn tại về kỹ thuật. Từ đó sẽ phân tích, đánh giá rút ra được đề xuất khoa học công nghệ sao cho có tính sáng tạo, tăng thêm mức độ an toàn, kinh tế. 1.1.2. Hiện trạng đê biển Việt Nam 1.1.2.1. Đê miền Bắc Khu vực ven biển miền Bắc có dân cư tập trung đông và có nhiều trung tâm kinh tế quan trọng, thêm vào đó, vùng khu vực này lại có địa hình là thấp trũng, vì vậy các tuyến đê đã được hình thành từ khá sớm. Tổng chiều dài các tuyến đê biển và đê cửa sông hiện nay khoảng 750Km, trong đó có khoảng 490Km đê trực diện với biển [5]. a. Mặt cắt đê: Mặt cắt đê có dạng phổ biến là hình thang, bề rộng mặt đê nhỏ, khoảng từ 3,0m ÷ 5,0m, nhiều đoạn đê có bề rộng còn nhỏ hơn 3,0m, như đê Bắc Cửa Lục và Hoàng Tân – Quảng Ninh; các đê số 5, 6, 7 và 8 – Thái Bình; đê Cát Hải – Hải Phòng. Mái phía biển có hệ số mái m từ 2 ÷4, mái phía đồng từ 1,5 ÷ 3. Cao trình đỉnh đê vào khoảng +3,5 ÷ +5,5. b. Địa chất và vật liệu đắp: Đê thường nằm trên nền đất cát mịn pha đất thịt hoặc sét (loại đất phù sa bồi cửa sông), có sức chịu nén và cường độ chống cắt nhỏ, lượng ngậm nước lớn, dễ bị tác động phá hoại của sóng biển và dòng ven; tính nén lún lớn và kéo dài, độ ổn định là thấp. Đất đắp thân đê có các dạng: - Đất á sét, đất phù sa cửa sông, hàm lượng cát càng tăng khi tuyến đê càng xa cửa sông. - Một số tuyến đê được đắp hoàn toàn bằng cát (như đê Hải Thịnh), bên ngoài được bọc đất sét. Tuy nhiên cũng có một số tuyến đê không được bọc sét nên thường xuyên bị hao mòn hư hỏng. c. Tình trạng ổn định 5 Trong điều kiện khí tượng thủy văn bình thường (mực nước triều trung bình đến cao, gió dưới cấp 7), mái đê chỉ xuất hiện hư hỏng cục bộ ở những đê được bảo vệ, ít bị hư hỏng ở những đê được bảo vệ. Riêng đê vùng Hải Hậu – Nam Định, khi gió Đông Bắc cấp 6, 7 duy trì trong thời gian dài, kết hợp triều cường, đê có kè lát mái bảo vệ vẫn bị hư hỏng nhiều. Trong điều kiện khí tượng thủy văn không bình thường (mực nước triều trung bình hoặc cao, gió cấp 8 trở lên), đê xuất hiện nhiều hư hỏng ngay cả ở những mái đê được bảo vệ. Đê bị hư hỏng nặng sau những trận mưa bão, và phải mất một khối lượng lớn nguyên vật liệu để khôi phục, đắp trả lại mái đê phía biển. Như vậy: Đê biển miền bắc, ngay cả những đoạn đê được bảo vệ, hiện vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật về ổn định vì cốt đất nền và thân đê chưa được xử lý, là đất yếu, việc đê chỉ được bảo vệ phía ngoài là chưa đảm bảo. Đê được đắp bằng đất cát đến cát pha, nhiều khu vực đắp bằng sét pha. Nền đê là cát mịn hoặc sét yếu. 1.1.3.2. Đê miền Trung Vùng ven biển miền Trung có diện tích nhỏ, hẹp lại trải dài, địa hình dốc và bị chia cắt nhiều bởi các sông, kênh rạch, vì vậy các tuyến đê thường ngắn. Đây là vùng có biên độ thủy triều thấp nhưng lại thường xuyên chịu ảnh hưởng của thiên tai, lũ lụt (mưa lũ trong đồng tràn qua đê, tác động từ biển do gió, bão, sóng và nước tràn). Tổng chiều dài đê hiện có khoảng 1980Km, trong đó đê trực diện với biển khoảng 610Km. a. Mặt cắt đê: Phần lớn mặt cắt đê có dạng hình thang, cao trình thấp (thiếu từ 0,5m ÷ 1,0m so với yêu cầu thiết kế). Chiều rộng mặt đê nhỏ, từ 1,5m ÷ 3,0m, hệ số mái m = 1,5 ÷ 3. b. Địa chất và vật liệu đất đắp Đất đắp chủ yếu là đất sét pha cát nhẹ, một số tuyến nằm sâu so với cửa sông, ở ven các đầm phá, đất thân đê là đất sét pha cát (đê Tả Thanh và Mỹ Trung – Quảng Bình, đê Vĩnh Thái – Quảng Trị). Nhiều tuyến đê ven biển có thân đê là đất cát như ở các tuyến đê ở các huyện Quảng Xương, Tính Gia – Thanh Hóa, Diễn Châu – Nghệ An, Kỳ Anh – Hà Tĩnh. 6 c. Tình trạng ổn định Mặt cắt đê khá nhỏ, nhiều tuyến đê chưa được bảo vệ nên thường xuyên bị bào mòn, xói lở hoặc sạt khi mưa lớn hoặc khi có sóng tràn qua. Nhiều tuyến đê bị đứt đoạn do nước lũ tràn qua từ phía đồng ra phía biển. Các hư hỏng trên xảy ra nghiêm trọng hơn khi thân đê được đắp bằng cát, cát pha. Nhìn chung tình trạng ổn định của đê biển miền Trung là không cao, dễ bị ảnh hưởng hoặc hư hại do các tác động của các điều kiện khí tượng thủy hải văn. Nhiều tuyến đê phải đắp bù khi bị mưa lũ, hoặc sóng tràn qua, thậm chí một số tuyến phải đắp đi đắp lại nhiều lần. 1.1.3.3. Đê miền Nam Tuyến đê ven biển miền Nam ban đầu được hình thành ở dạng bờ bao, để bảo vệ các khu dân cư, khu sản xuất để chống ngập mặn, triều cường hoặc lũ nhỏ, sau đó qua nhiều lần đắp bù hình thành đê. Tổng chiều dài đê vùng ven biển khoảng 590km, trong đó đê trực diện với biển khoảng 470km. a. Mặt cắt đê Đê biển miền Nam có sự khác nhau lớn về chiều cao và bề rộng mặt. Có tuyến đê chỉ cao trên 1,0m, nhưng có những tuyến đê cao từ 4,5m đến 5,0m. Mặt đê có tuyến chỉ rộng 1,5m ÷ 2,0m, nhưng có những tuyến đê với bề rộng mặt 8,0m÷10,0m. Về tổng quan, cao độ đê biển bên phía biển Đông cao hơn cao độ đê biển phía biển Tây. Mái dốc đê biển có hệ số mái phổ biến từ 2,0 đến 2,5, chỉ có tuyến đê quan trọng như đê Gò Công và đê Vũng Tàu mới có mái dốc bằng 3,0. b. Địa chất và đất đắp đê Đất đắp đê hoàn toàn theo tính chất đất từng vùng, song chủ yếu là đất bồi tích có hàm lượng hạt mịn cao, bao gồm đất thịt nhẹ, thịt nặng, cát pha, cát, sét, sét pha cát, sét pha bùn, đất bùn nhão, ... Nhiều tuyến đê nằm trên nền cát có thành phần bùn trên 50% nên rất khó khăn cho việc đắp đê, đặc biệt là những đê cao. 7 c. Tình trạng ổn định Đối với vùng bờ biển ổn định hoặc vùng bờ bồi, các hư hỏng đê thường là sạt lở nhỏ ở mái đê phía biển do sóng, vì những đoạn đê này không có cây chắn sóng (đê Cà Mau). Ở những đoạn đê có nền yếu (nền bùn sét), hiện tượng hư hỏng đê xảy ra nhiều hơn, các dạng hư hỏng có: sụt lún, nứt, trượt, lún trồi, xói ngầm cơ học thân và nền đê,... Từ đây ta có thể thấy, nguyên nhân làm hư hỏng đê biển miền Nam chủ yếu là do yếu tố địa chất, khi đât đắp và nền đê đều là đất yếu. Như vậy tình hình chung đê biển Việt Nam đa phần có tính ổn định chưa cao, dễ bị hư hỏng. Đất đắp đê và đất nền có thành phần và tính chất cơ lý thay đổi khá nhiều vì hầu hết vật liệu đắp đê là những vật liệu tại chỗ. 1.2. Các điều kiện biên địa kỹ thuật trong tính toán thiết kế đê biển Điều kiện địa kỹ thuật là những hạng mục địa kỹ thuật như là mặt cắt địa chất, các chỉ tiêu cơ – lý của các lớp đất nền hoặc đất đắp. Điều kiện biên địa kỹ thuật được hiểu là những thành phần ở các ngành khác mà rất cần cho phân tích và thiết kế địa kỹ thuật (thiết kế các vấn đề liên quan đến nền móng và những công trình đất). Mặc dù thiết kế nền móng hoặc công trình đất là thuần túy về địa kỹ thuật nhưng người thiết kế không những cần am hiểu về địa kỹ thuật mà còn phải có sự hiểu biết về một số ngành liên quan, tùy thuộc lĩnh vực đang xem xét, là những biên địa kỹ thuật. Trong phần này, ta sẽ giới hạn nói về những vấn đề địa kỹ thuật và các điều kiện biên địa kỹ thuật trong phạm vi khi tính toán thiết kế cho đê biển [21] 1.2.1. Những tác động và ảnh hưởng đối với công trình chắn giữ nước Tùy thuộc vào chức năng mà những công trình ven bờ phải chịu những tổ hợp tác động bao gồm sóng, dòng chảy, sự chênh lệch mực nước, địa chấn và một số tải trọng đặc biệt khác (như lực va chạm tàu thuyền hoặc băng). Những tác động này, bao gồm cả trọng lượng bản thân của công trình, sẽ được truyền vào lớp đất bên dưới công trình, tuy luôn cần phải đảm bảo được hai điều kiện: - Biến dạng của kết cấu là chấp nhận được. - Khả năng mất ổn định là nhỏ. 8 Các tác động được truyền vào kết cấu và những lớp đất bên dưới sẽ gây ra sự thay đổi về ứng suất trong kết cấu đó và cả những lớp đất bên dưới (thay đổi cả theo thời gian). Điều này dẫn đến hậu quả là những kết cấu bờ và ven biển sẽ bị dịch chuyển đứng hoặc ngang, hoặc thậm chí là mất ổn định. Sự biến dạng của nền và của kết cấu không chỉ phụ thuộc vào những tác động bên ngoài, mà còn phụ thuộc vào các đặc trưng hình học (hệ số mái đê), trọng lượng của kết cấu, tính thấm, độ cứng của công trình (khả năng chịu lún và chênh lệch lún của công trình) cũng như khả năng chống cắt của kết cấu và lớp đất nền bên dưới. Thực tế, hiệu quả của một công trình ven bờ, ven biển nói riêng, hoặc công trình nói chung, phụ thuộc rất nhiều vào sự tương tác giữa kết cấu bên trên và đất nền bên dưới. Sự tương tác này bao gồm cả vấn đề truyền tải, sức chịu tải của nền, độ biến dạng (sự lún và dịch chuyển) của nền và khả năng chịu lún của kết cấu bên trên. Do đó, cần có một sự hiểu biết sâu sắc về những đặc tính địa kỹ thuật và vật liệu xây dựng của đất nền và thậm chí cả những đặc tính của kết cấu. Trong phần này sẽ nêu ra những khía cạnh địa kỹ thuật cơ bản có liên quan đến chức năng chắn giữ nước của công trình. Tiếp sau đó là một vài tính chất cơ học đất cơ bản cũng về địa kỹ thuật được trình bày để nêu lên những khía cạnh quan trọng của địa kỹ thuật mà cần được quan tâm. 1.2.2. Những khía cạnh địa kỹ thuật liên quan đến chức năng chắn giữ nước Chức năng chủ yếu của kết cấu chắn giữ nước, ví dụ như đê, là để bảo vệ vùng nội địa khỏi những trận lũ. Chi tiết hơn chức năng chủ yếu của nó có thể được thể hiện như theo hai yêu cầu của kết cấu đê. Yêu cầu thứ nhất là đê, kè phải đủ cao. Cao trình đỉnh đê phải lớn hơn đỉnh cao nhất của mực nước, có kể đến ảnh hưởng do gió và sóng. Yêu cầu thứ hai là phải ổn định. Sự ổn định tổng thể có nghĩa là con đê bao gồm cả lớp đá bảo vệ và đất bên dưới phải chịu được tất cả những điều kiện khắc nghiệt hàng ngày ở bên trong và bên ngoài khối đê. Thêm vào đó, thường trong thực tế yêu cầu đê không thấm nước là điều quan trọng thứ ba. Yêu cầu này đặc biệt quan trọng trong trường hợp đất nền đê có sự rò rỉ thấm nước. 9 Các yêu cầu về chiều cao và sự ổn định của đê là rất quan trọng. Với yêu cầu về chiều cao đê, cần luôn đảm bảo rằng cao trình đỉnh đê luôn được giữ lớn hơn cao trình tối thiểu cho phép. Điều này yêu cầu sự chính xác của phép tính độ lún cũng như lún theo thời gian để việc thiết kế chiều cao có thể chọn được cao trình đỉnh để đê không bao giờ bị thấp dưới cao trình không cho phép. Đặc biệt trong trường hợp đất nền tồn tại lớp đất yếu như là sét hoặc bùn cẩn chú ý đến đánh giá chiều cao phụ thêm của đê. Người quản lý đê cũng cần có sự hiểu biết về việc giám sát và quản lý trong khi vận hành đê. Với yêu cầu ổn định, để sự ổn định đê được đảm bảo trong quá trình làm việc, cần phải xem xét tất cả các cơ chế phá hoại. Do đó, trong nhiều trường hợp, cần có nhiều thông số địa kỹ thuật phải được xác định hoặc đánh giá cho cả đất nền tự nhiên và đất làm vật liệu xây dựng mà đê sẽ được làm mới hoặc đắp bù lên. Thông thường, những vật liệu xây dựng là đất khai thác từ hồ, đầm lầy trong những vùng gần kề nơi đê được xây dựng. Ngoài việc chú ý những thông số cần đánh giá, cũng cần chú ý rằng tính chất của vật liệu đất tự nhiên trên một phạm vi rộng là thay đổi, nhiều khi là rất khác biệt. Do đó việc xác định những thông số ở hiện trường và trong phòng thí nghiệm cần phải bao phủ toàn bộ những vùng không chắc chắn do sự biến đổi nền đất tự nhiên. Điều này nghĩa là những vị trí khảo sát hiện trường và những mẫu đất nguyên dạng cho thí nghiệm trong phòng phải chọn sao cho các tầng, lớp và các loại đất sẽ được đánh giá đầy đủ. Những điều kiện đất nền tự nhiên biểu thị một phần của các điều kiện địa kỹ thuật. Cùng với đó là việc khảo sát những tính chất vật liệu xây dựng có thể được sử dụng như vải địa, cát cho lõi đê, sét là vật liệu bao quanh, đá và đá cuội lớn là vật liệu bảo vệ chân, vv... sẽ phụ thuộc vào việc đánh giá các điều kiện địa kỹ thuật. Từ tất cả những phân tích trên, những điều kiện địa kỹ thuật và điều kiện biên địa kỹ thuật được nêu ở bảng 1.1