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 đất yếu

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... - Sử dụng phần mềm ReSSA 3.0 và liên hệ với t

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 năm 2014

Tác giả

Ngô Văn Linh

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 năm 2014

Tác giả

Ngô Văn Linh

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 KKvới 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

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

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 : Góc ma sát giữa đất và vải

δh : Biến dạng theo phương ngang

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

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

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

Những yêu cầu cơ bản

Khí hậu Nhiệt độ, nắng, gió và hướng gió, bão

và nước mưa

Những điều kiện thời tiết

Thủy lực Thủy triều, mực nước, dòng chảy,

thành lập bão, sóng (bão), vùng cửa ra của sông

Điều kiện biên tải trọng

Thủy văn Chế độ nước ngầm, lượng mưa Điều kiện biên

Những điều kiện xây dựng

ngân sách

Giới hạn về ngân sách và thời gian

Địa chất Lịch sử của đất, sự phân tầng, gia tải

11

Rõ ràng là những kỹ sư địa kỹ thuật không thể phân tích và thiết kế khi chỉ có hiểu biết riêng trong lĩnh vực của mình do có chuyên ngành và lĩnh vực khác ảnh hưởng lên công việc của họ Không chỉ khi bắt đầu phân tích móng công trình, mà còn thường tiếp tục trong suốt công việc sau này Điều đó có nghĩa là một bản thiết

kế phải được phù hợp và trong mọi trường hợp khác nhau phải được đánh giá Với tất cả những cấu trúc, thiết kế phát triển trong một quá trình nhất định từ tạm thời thiết kế thô cho một vài phương án với một vài lựa chọn cho vị trí cho đến thiết kế chi tiết cuối cùng cho kết cấu được chọn ở vị trí được chọn

1.2.3 Cơ chế phá hoại của đê biển

Theo quan điểm địa kỹ thuật, cơ chế phá hoại có thể liên quan chung đến trạng thái giới hạn địa kỹ thuật Hai trạng thái giới hạn rất quan trọng trong địa kỹ thuật, trạng thái tới hạn tương ứng với sự phá hoại và trạng thái giới hạn sử dụng liên quan đến sự biến dạng lớn nhất cho phép của đất hoặc dịch chuyển của cao trình nền hoặc kết cấu

Liên quan đến địa kỹ thuật, hai loại cơ chế phá hoại liên quan đến đê hoặc những loại kết cấu chắn giữ có thể được chia ra là: cơ chế vi mô và cơ chế vĩ mô

1.2.3.1 Cơ chế vi mô (micro-mechanisms)

Những cơ chế phá hoại vi mô quan trọng nhất là:

- Sự xói ngầm: một loại của sự lọc chuyển ở bên trong khi các hạt đất của những lớp nền bị lôi lên lớp đất bên trên có kích thước hạt thô hơn

- Sự xói ngầm trong lớp: loại xói ngầm cơ học khi những hạt mịn hơn của một lớp đất nào đó bị rửa trôi ra khỏi lỗ rỗng của những hạt lớn hơn trong cùng lớp đó

- Các hạt đất biến mất khỏi mái dốc do nước ngầm thoát ra theo hướng vuông góc với mái dốc

- Ống dẫn: một loại của xói ngầm trong khi các hạt đất bị chuyển đi do một dòng chẩy ngầm mạnh như một loại ống Ống dẫn có thể xảy ra dưới lõi đê trong một lớp đất không dính nằm dưới một lớp không thể thấm khi cường độ của dòng chảy ngầm là vượt quá một mức độ nhất định nào đó

12

Việc mô tả những trạng thái phá hoại liên quan đến cơ chế phá hoại vi mô về nguyên tắc dựa trên ứng xử hạt đất và tương tác hạt - nước lỗ rỗng Kích thước hạt, hình dạng hạt, trọng lượng hạt, lực ma sát hạt và thể tích và lực cản, lực đẩy nổi liên quan đến dòng chảy ngầm, tất cả cùng ảnh hưởng đến những cơ chế vi mô Trong thiết kế, để đánh giá sự phá họa vi mô này, người thiết kế phân tích theo lối kinh nghiệm, ví dụ như đặt ra những trị số giới hạn về cường độ dòng thấm trong thân đê

và ở vị trí thoát ra để xét đê có bị xói ngầm, xói ngầm bên trong hay hình thành ống dẫn hay không

1.2.3.2 Cơ chế phá hoại vĩ mô

Những cơ chế phá hoại vĩ mô quan trọng nhất bao gồm:

- Sự nén ép là một dạng mất ổn định mà khi một khối đất lớn bị biến dạng hoặc dịch chuyển theo phương đứng do sự biến dạng theo phương đứng rất lớn của lớp đất yếu bên dưới do tải trọng ngoài tác dụng lên quá lớn

- Sự trượt thành dòng hoặc cát trượt do sự hóa lỏng có thể xẩy ra ở những lớp cát yếu hoặc rất yếu Cát có thể trở thành một loại nước nặng mà sẽ bị chuyển vị rất lớn Sự trượt này có thể gây ra bởi tải trọng tuần hoàn, như sóng biển hoặc động đất, hoặc có thể bị thoải dần ở mái dốc dưới mực nước do sự xói mòn Việc đánh giá khả năng hóa lỏng thì độ chặt và tính thấm của cát là rất quan trọng

- Lún là kết quả của sự cố kết hoặc từ biến mà trong thực tế thường dẫn đến sự trục trặc của đê ( do vượt quá giới hạn phục vụ ) hơn là sự mất ổn định Phụ thuộc vào chiều dầy của lớp đất yếu bên dưới, tính chất về độ cứng, độ từ biến và tính thấm của những lớp đó, lún có thể tiếp tục xảy ra trong nhiều năm sau khi hoàn

thành việc xây dựng đê

13

Cơ chế phá hoại vĩ mô có đặc điểm là biến dạng hoặc chuyển vị tương đối của khối đất mà xảy ra từ từ đến đột ngột Cơ chế này có thể được miêu tả rất tốt bằng cách giả định đất là một khối liên tục hay là một chỉnh thể (mặc dù đất có những hạt riêng)

Ngoại trừ những cơ chế mà do áp lực lỗ rỗng tăng do sự giảm thể tích của khung cốt đất gây ra bởi ứng suất cắt là rất quan trọng, cho tắt cả những cơ chế vĩ

mô tương ứng những mô hình tính toán thiết kế là được sử dụng Điều này áp dụng đặc biệt cho ổn định mái dốc ( phương pháp Bishop và Fellenius) và những vấn đề liên quan đến độ lún ( phương pháp Terzaghi và koppejan) Những thông số của đất tại vị trí là cần cho những những tính toán có thể thu được từ những thí nghiệm trong phòng trên những mẫu không biến dạng

1.3 Các giải pháp gia cường Địa kỹ thuật với đê biển

1.3.1 T ổng quan một số giải pháp gia cường địa kỹ thuật với đê biển

Thân đê là bộ phận chịu lực chính của đê biển nên cần phải được gia cố, gia cường để chịu được những tác động lớn liên tục và trong thời gian dài Hiện nay có nhiều biện pháp gia cường cho đê có thể được liệt kê như sau: [5][6][11][18]

1.3.1.1 Thay đổi kích thước mặt cắt hình học của đê

Khi sức chịu tải của nền là nhỏ, không đủ đắp đê có chiều cao H theo yêu cầu thì phải thay đổi mặt cắt hình học để đảm bảo lực phân bố lên mặt nền q< [qgh] , bằng cách tăng chiều rộng đỉnh đê, tăng hệ số mái , với mục đích tăng chiều rộng đáy móng, từ đó làm tăng sức chịu tải của nền đê Khi nghiên cứu giải pháp này, nếu đã thay đổi kích thước hình học đến mức có thể mà q> [qgh] và Kmin < [K] thì lúc đó chiều cao đê là vượt quá giới hạn khả năng chịu tải của nền, vùng biến dạng dẻo đã phát triển rộng xuống nền đê, gây ra hiện tượng sụt lún giữa thân đê, trong trường hợp này phải sử dụng giải pháp khác để thay thế

1.3.1.2 Giải pháp lăng thể phản áp

Trường hợp đê có chiều dầy lớp đất yếu lớn, có thể dùng giải pháp lăng thể phản áp ở một phía hoặc hai phía đê Gỉai pháp này thường dùng khi dùng khi đắp

14

trực tiếp trên đất yếu với tác dụng tăng mức ổn định chống trượt trồi cho nền đê cả trong quá trình đắp và quá trình đưa vào khai thác lâu dài Chiều rộng và chiều dầy của lăng thể phản áp đê thông qua tính toán phân tích ổn định đê để xác định, thông thường được tính toán theo phương pháp thử dần Trình tự thiết kế là giả định kích thước của lăng thể phản áp, tính toán ổn định trượt theo phương pháp cung trượt trụ tròn, sau đó thay đổi kích thước để thỏa mãn yêu cầu ổn định

bị chìm xuống cần bố trí lớp lót vải địa kỹ thuật làm nhiệm vụ phân cách và gia cường

15

1.3.1.4 Giải pháp đắp theo nhiều đợt

Với những tuyến đê không cao và cho phép kéo dài thời gian thi công, thì biện pháp hiệu quả là chia chiều cao đê thành hai hoặc ba lớp và đắp nâng cao dần trong nhiều năm tạo điều kiện để cho đất nền tự cố kết tăng khả năng chịu tải Cơ sở khoa học của phương pháp là gia tải tăng dần với lượng tăng tải ở mỗi giai đoạn không vượt quá khả năng chịu tải của nền đất Trong khi gia tải thì nước trong lỗ rỗng của đất được ép thoát ra (đất nền được cố kết), làm giảm hệ số rỗng (e) và tăng dung trọng khô của đất, đi đôi với đó là sức chống cắt của đất ( các chỉ tiêu góc ma sát trong φ và lực dính đơn vị c) sẽ tăng lên, làm tăng khả năng chịu tải của nền Sự gia tăng này phụ thuộc vào mức độ cố kết của đất nền, hay phụ thuộc vào tốc độ cố kết của nền và lượng tải trọng tác dụng nên chiều cao lớp đắp ngoài phụ thuộc vào sức kháng cắt của nền ban đầu còn phụ thuộc vào khả năng thoát nước của nền, hay chính là tốc độ cố kết của đất nền Khi sức chịu tải của đất đạt một giá trị nhất định

thì tiến hành đắp lớp tiếp theo

Các bước thực hiện như sau:

Xác định chiều cao đắp giới hạn cho phép:

[Hgh]=

K

Hgh

(1.4) Trong đó:

Hgh - chiều cao đắp giới hạn của khối đất đắp đối với nền đất yếu trạng thái tự nhiên ban đầu theo công thức:

Hgh =

®

C ).

2 + ( γ

π

(1.5)

C - lực dính đơn vị (không thoát nước) của đất nền;

γđ - Dung trọng tự nhiên của đất nền;

K - hệ số an toàn cho phép, chọn K=1,25

Nếu chiều cao yêu cầu của đê (Hđ) nhỏ hơn [Hgh] chỉ cần đắp một lần mà không cần phân đoạn theo chiều cao Nếu Hđ > [Hgh] thì phải phân đoạn đê theo chiều cao để đắp trong nhiều thời đoạn khác nhau

16

1.3.1.5 Giải pháp dùng cọc cây, cành cây, xơ dừa

Khi nền đất yếu không đảm bảo điều kiện chịu tải trọng do ngoại lực gây ra, giải pháp truyền thống đang được sử dụng rộng rãi là gia cố nền bằng cọc cây, mà

có thể dùng dưới dạng mảng cọc, dạng bè cọc hoặc cọc vây đóng theo các ô Không giống như phương pháp móng cọc sử dụng cho các công trình lớn, phương pháp gia

cố nền khối đắp bằng cọc cây có đặc điểm là cọc có chiều dài thông thường khoảng

3 ~ 5m, đường kính 6 ~ 10 cm và được đóng với mật độ dày 16 đến 25 cọc/1m2 Khả năng chịu tải của mỗi cọc khoảng 200 ~ 400 kg/cọc Vải ĐKT được lắp đặt trên mũ cọc như là một lớp đệm Do có sự biến dạng khác nhau giữa cọc và đất, nên giữa các cọc có sự phân bố lại ứng suất trong khối đắp theo cơ chế hiệu ứng vòm, vải ĐKT sẽ gánh chịu một phần tải trọng thông qua sức chịu kéo Phần còn lại sẽ truyền vào cọc và chuyển lên tầng đất sâu hơn hoặc lớp đất cứng phía dưới

Hình 1.2 Kỹ thuật xử lý nền đất bằng cọc cây

Khi gia cố cho khối đắp đê, ta cũng có thể sử dụng lưới thảm sơ dừa gia cố cho đất yếu bão hòa nước, ở trạng thái chảy nhão, hoặc đắp đê trong những khu vực thi công hẹp và quỹ đất hạn chế Trong phương pháp này, do khó kiểm soát được chất lượng xơ dừa nên chỉ sử dụng khi nguyên vật liệu có sẵn và kiểm soát được kỹ thuật

Cọc đứng

Vải địa kỹthuật

Mũ cọc Vải địa kỹ thuật

Khối đắp

17

1.3.1.6 Một số ứng dụng tiến bộ kỹ thuật mới

Trên cơ sở tiếp thu công nghệ của các nước tiên tiến có sự nghiên cứu và chọn lọc phù hợp điều kiện Việt Nam, những giải pháp giải pháp sau đang được nghiên cứu và ứng dụng:

• Nhóm giải pháp cơ học: đầm, gia tải trước, gia tải trước kết hợp giếng cát, bấc thấm,

• Nhóm giải pháp hóa-lý để cải tạo đất nền: cọc vôi, cọc xi măng đất

• Nhóm giải pháp tăng cường cường độ đất nền và thân công trình: vải địa

kỹ thuật, cọc cát, neo đất, cọc xi măng đất, cọc kết hợp vải địa kỹ thuật (cọc dưới nền khối đắp)

1.3.2 Các giải pháp nâng cao ổn định đê trên thế giới

Những tiến bộ về kỹ thuật trong việc nâng cao ổn định đê trên thế giới là rất đa dạng, phần trình bầy dưới đây chỉ đề cập đến các giải pháp và công nghệ có liên quan đến nâng cao khả năng chịu lực của đất

1.3.2.1 Gia cố cải tạo nền đất yếu

a Nhóm phương pháp thay thế

• Phương pháp thanh thải một phần hoặc toàn bộ lớp đất yếu bằng loại đất mới có các chỉ tiêu thỏa mãn được yêu cầu xây dựng Vật liệu thường dùng để thay thế là cát, có góc ma sát trong φ>30o

• Phương pháp tiêu nước bằng giếng sâu, điểm giếng, bơm hút chân không

c Nhóm phương pháp tăng độ chặt của đất

• Phương pháp đầm chặt kết hợp với tiêu thoát nước bằng cọc vật liệu rời như cọc đá dăm hay cọc cát

• Phương pháp đầm chặt bằng đầm rung hoặc đầm xung kích

18

d Nhóm phương pháp ổn định bằng chất pha trộn

• Phương pháp trộn đất tại chỗ với xi măng porlan, vôi – xi măng,

• Phương pháp trộn bằng phun vữa áp lực cao

• Phương pháp kết hợp giữa trộn cơ học với phun chất pha trộn áp lực cao

e Các phương pháp khác

Phương pháp làm giảm tải trọng tiếp xúc bằng cách phân bố lại tải trọng; áp dụng cho khối đắp bằng vật liệu nhẹ có các chỉ tiêu cơ lý và hóa học ưu việt hơn nhiều lần vật liệu đắp thông thường, Trong nhiều trường hợp, người ta cũng tránh lớp đất yếu bằng cách thay đổi loại hình của móng công trình xây dựng, như sử dụng các dạng móng cọc để truyền tải xuống tầng đất tốt phía bên dưới mà bỏ qua tầng đất yếu nằm trên

1.3.2.1 Gia cố cho thân khối đắp

a Phương pháp dùng vải địa kỹ thuật để tăng cường ổn định

Để đảm bảo ổn định cho khối đắp, đặc biệt khối đất có chiều cao lớn (trên 5m), trên thế giới hiện nay cũng mới bắt đầu đi vào sử dụng công nghệ đất có cốt Cốt đất đưa vào trong khối đắp có tác dụng ngăn cách các lớp đất tốt với đất yếu, làm tăng khả năng chịu kéo trong đất và tăng khả năng thoát nước cho khối đất Cốt sử dụng là các loại vật liệu như: lưới tre đan, lưới địa kỹ thuật, hoặc lưới sợi thép, và nay vải Địa kỹ thuật tổng hợp đã được dùng để gia cố nền và thân đê

Nhận xét: Sáu nhóm biện pháp xử lý đất yếu và một giải pháp bảo vệ để

nâng cao ổn định đê đã được áp dụng và hiện vẫn được tiếp tục nghiên cứu và mở

19

rộng phạm vi áp dụng Tuy nhiên các nhóm nghiên cứu trên mới chỉ dừng lại ở mức

độ xử lý nền đất yếu là chính, một giải pháp xử lý không triệt để, và khi cả đất nền cùng thân đều yếu thì các giải pháp trên tỏ ra chưa có hiệu quả Vì vậy nghiên cứu này hướng đến một công nghệ giải quyết làm tăng chỉ tiêu cơ lý của đất nền và thân đất đắp bằng vật liệu tại chỗ - ứng dụng vải địa kỹ thuật trong gia cố đất

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

Thân đê biển là bộ phận quan trọng và chịu lực chính, được đắp bằng đất từ những mỏ đất xa Tuy nhiên như vậy giá thành thường rất đắt, và nhiều khi không phù hợp với điều kiện xây dựng thực tế, nên hiện nay thường dùng đất xô bồ khai thác tại chỗ để đắp đê biển Đất tại chỗ thường là đất mới, thuộc loại đất cát, á cát, đất á sét và sét có hệ số rỗng lớn và độ ngậm nước cao [6][7][10][20][21][22]

Để xử dụng các loại đất được cho là xấu này, nhiều giải pháp khoa học đã được đưa ra, trong đó phổ biến là sử dụng các loại sản phẩm địa kỹ thuật (vải địa kỹ thuật) kết hợp với vật liệu đất tại chỗ ở nhiều dạng khác nhau

Khái niệm về đất đắp có cốt được sử dụng khá rộng rãi trong nhiều kết cấu địa

kỹ thuật bao gồm tường chắn đất, khối đắp, móng, mái dốc, đường cao tốc, mặt đường băng, hoặc đường sắt Trường hợp dưới móng công trình hoặc đường băng sân bay, đường sắt, những lớp vải địa được trải bên dưới để cải thiện khả năng chịu tải và giảm độ lún của nền đất yếu bên dưới Trong trường hợp những khối đắp, đường cao tốc hoặc tường chắn, vải địa thường được trải thành từng lớp trong thân khối đắp giúp làm tăng độ ổn định cho khối đắp, làm giảm nguy cơ sạt trượt, qua đó giúp tăng chiều cao cho khối đắp

Trong trường hợp gia cố cho đê biển, cốt địa kỹ thuật được sử dụng tương tự như khối đắp nhưng với những biên địa kỹ thuật phức tạp hơn vì có sự tác động thường xuyên của nước biển, sóng và bão gió, vì vậy việc áp dụng có một số đặc thù riêng

Hiện nay việc sử dụng cốt địa kỹ thuật gia cố cho đê biển được sử dụng khá phổ biến ở trên thế giới, đặc biệt với sự xuất hiện của vải địa kỹ thuật tổng hợp có

20

tuổi thọ cao trong môi trường nước biển Ở Việt Nam việc áp dụng đã có những nghiên cứu nhất định và thành công ban đầu

1.4.1 Ứng dụng vật liệu đất có cốt trong xây dựng dê biển ở Việt nam

1.4.1.1 Vải địa kỹ thuật làm cốt chịu kéo trong thân đê

Khi đắp đê bằng những vật liệu đất yếu, mái đê dễ dàng bị sạt, trượt và chiều cao đắp là không lớn, hoặc hế số mái của đê phải rất lớn gây tốn kém lại, vì vậy phương pháp sử dụng cốt vải địa kỹ thuật để gia cường cho thân đê giúp tăng hệ số

ổn định tổng thể, tăng chiều cao khối đắp, giảm hệ số mái đê Vải địa kỹ thuật được

bố trí thành nhiều lớp, và là phần chịu kéo chính trong thân đê Phân đầu và đuôi vải được bắt ngược lên để làm bao bì cho lớp đất giữa hai lớp vải địa kĩ thuật Ở phía biển phần vải bao bì này được dùng kết hợp với tầng bảo vệ chống sóng Phía đồng, phần bao bì này có hai tác dụng chính là:

- Bảo vệ mái phía đồng chống tràn xói khi lũ bão vượt cao trình đỉnh đê thiết

kế

- Tăng độ dốc của mái đê hạ lưu để tiết kiệm đất trồng trọt được đê bảo vệ

Hình 1.3 Sơ đồ đặt vải địa kỹ thuật trong thân đê với chức năng làm cốt chịu kéo

Mái đê hạ lưu cần được bảo vệ bằng lát những thảm cỏ hoặc đắp đất tránh ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp làm hạ vải địa kỹ thuật như hình

1.4.1.2 Vải địa kỹ thuật với chức năng hỗn hợp: cốt chịu kéo và bao bì

Trong trường hợp mái đê phía biển không được quá dốc để đảm bảo ổn định cho tầng bảo vệ chống sóng, có thể dung vải địa kỹ thuật làm bao bì kết hợp với cấu tạo của tầng bảo vệ chống sóng

21

Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo thân đê với vải địa kỹ thuật làm bao bì và làm cốt chịu kéo

Phần đất giữa thân đê làm việc như tường đất có cốt có mặt tường gần như thẳng đứng, đảm bảo ổn định vững chắc cho mái đê phía biển trên nền mềm yếu Mái đất phía đồng được đắt theo kiểu hút-xả bùn, hoặc kiểu gầu ngoạm với hai mục đích:

- Tăng thêm mức độ ổn định cho tường đất có cốt

- Chống tràn xói nền của tường chắn đất có cốt khi bão lũ vượt quá cao trình thiết kế

1.4.1.3 Vải địa kỹ thuật với chức năng làm cốt chịu kéo và vật thoát nước

Vải địa kỹ thuật được bố trí ở mái đê thượng lưu, hạ lưu và ở lớp phân cách giữa nền đê với thân đê

Ở mái đê thượng lưu, vải địa kỹ thuật đảm nhiệm ba chức năng:

- Bao mặt mái đê kết hợp với tầng bảo vệ chống sóng có dùng vải địa kỹ thuật

- Làm vật thoát nước: Vải địa kỹ thuật làm lọc, đất hạt thô như cát, sạn, sỏi làm lõi

- Làm cốt chịu kéo cho mái đê phía biển

Ở mái đê hạ lưu, vải địa kỹ thuật kết hợp với vật liệu rời như cát, sạn sỏi làm vật thoát nước chống xói ngầm chân đê

Hình 1.5 Sơ đồ cấu tạo đê biển dùng vải địa kỹ thuật làm chức năng hỗn hợp

22

Phần vải địa kỹ thuật áp sát mặt nền có chức năng chủ yếu làm cốt chịu kéo với mục đích tăng thêm sức chịu tải của nền mềm yếu Ngoài ra, lớp vải địa này cũng có tác dụng chống xói nền đê từ phía hạ lưu, tăng thêm mức độ an toàn trượt tròn khi mặt trượt ăn sâu vào nền của mái đê thượng lưu và hạ lưu

1.4.1.4 Vải địa kỹ thuật bao ngoài thân đê bằng đất

Trong trường hợp đất tại chỗ là cát hoặc á cát, là những loại đất rời rạc, khi dùng để đắp đê biển người ta chỉ dùng được khi làm lõi, bao bọc ngoài những lớp đất tốt để bảo vệ chống xói Tuy nhiên trong quá trình chịu tải, do thay đổi nhiệt độ,

độ ẩm làm lượng nước trong lớp bảo vệ thay đổi, những loại đất dính này dễ nứt gây ra phá hoại kết cấu và làm cho đất lõi bị xói rửa gây phá hoại từ lõi cát bên trong, đẫn đến sự phá hoại của đất dính bảo vệ lõi Để khắc phục tình trạng này, những nhà khoa học đưa ra giải pháp thay lớp đất dính bên ngoài bằng lớp vải địa

kỹ thuật bao bọc toàn bộ cát bên trong

Hình 1.6.Sơ đồ cấu tạo thân đê đắp bằng cát tại chỗ có vỏ bọc bằng vải địa kỹ thuật

Hình 1.14 là cấu tạo thân đê đắp bằng cát và đất dính khai thác tại chỗ Lớp vỉa địa bọc ngoài lõi cát chỉ được bố trí ở phía biển

Trong sơ đồ cấu tạo trên, lớp vải địa kỹ thuật trong phạm vi đoạn AB đảm nhận chức năng của lớp vải thuộc tầng chống sóng, trong phạm vi đoạn AD là có chức năng năng cách đất hạt mịn và đất hạt thô làm nền đường giao thông Lớp vải địa kỹ thuật ở phần BC vừa có chức năng ngăn cách, vừa có chức năng làm cốt chịu kéo ở mặt phân cách mái đê với nền

23

1.4.1.5 Túi địa kỹ thuật

Công nghệ sử dụng túi vải địa kỹ thuật để bơm vật liệu như cát, đất bùn, hay vữa xi măng vào trong, tạo nên những kết cấu dạng túi hoặc ống cỡ lớn, được đặt đơn lẻ hay xếp chồng thành những kết cấu thay đê biển, kè bảo vệ bờ đang có xu hướng được nhiều nước trên thế giới áp dụng Tuy nhiên ở Việt Nam công nghệ này còn rất mới và chưa được áp dụng nhiều Túi vải địa kỹ thuật là công nghệ mới, được đề xuất và thử nghiệm vào những năm 60 và 70 do hãng Delta-Hà Lan ứng dụng vào thi công các công trình bảo vệ bờ biển, tuy nhiên đến những năm 80 (thế

kỷ 20) túi vải địa kỹ thuật mới được quan tâm, phát triển Với những tính năng như tính đàn hồi, tính thấm lọc rất cao, phương pháp thi công đơn giản, thời gian thi công nhanh, giá thành rẻ, tận dụng được vật liệu tại chỗ, thân thiện với môi trường

và đặc biệt có thể thi công trong môi trường nước Với những ưu điểm vượt trội trên, cùng với thời gian, phương pháp dùng túi vải địa kỹ thuật ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các công trình cải tạo, bảo vệ bờ, giảm thiểu tác hại do sóng biển gây ra, mang lại những lợi ích vô cùng to lớn

Ở Việt Nam, mấy năm gần đây, túi vải địa kỹ thuật cũng đã được ứng dụng, thử nghiệm tại một số bãi biển như: cửa biển Hoà Duân huyện Phú Thuận tỉnh Thừa Thiên Huế, cửa Lộc An huyện Đất Đỏ tỉnh Bà Rịa Vũng Tầu Bước đầu các công trình trên đã phát huy được hiệu quả, góp phần vào bảo vệ bờ, chống xói lở, tạo cảnh quan thiên nhiên

Túi địa kỹ thuật có thể dùng dạng đơn chiếc hoặc có thể xếp chồng khi yêu cầu chiều cao đê lớn Để đảm bảo độ bền của túi dưới ánh sáng trực trực tiếp mặt trời, cần có lớp bảo vệ thường dùng là đất đắp bề mặt dầy khoảng trên 30cm, một phần giúp đê tạo hình dáng, thẩm mỹ hơn

24

Hình 1.7: Túi địa kỹ thuật dạng đơn và xếp chồng

1.4.2 Ứng dụng vật liệu đất có cốt trong xây dựng đê biển ở một số nước trên thế giới

Vải địa kỹ thuật sử dụng trong xây dựng đê biển đã phát triển từ lâu trên thế giới, và đạt được những thành tựu nhất định Ngoài những giải pháp đã nêu ở phần trước, sau đây là một số giải pháp có thể kể đến:

1.4.2.1 Những dạng ứng dụng cốt địa kỹ thuật

a Túi địa kỹ thuật chứa vữa và cát

Một số nhà máy sản xuất những túi theo những kích thước khác nhau và những túi vải này được điền đầy với cát, sỏi, hoặc hỗn hợp xi măng được sử dụng trong đê biển

Túi chứa cát hoặc vữa thường được sử dụng trong những công trình chắn giữ tạm thời do những lý do sau:

- Chống lại tác động nhỏ của dòng chảy và sóng

- Những hệ thống túi bị nghiêng, xoải, dễ bị tác động bởi những tác nhân bên ngoài nhất là ánh sáng, độ bền tương đối nhỏ

25

- Một công trình được tạo bởi túi địa kỹ thuật thì không thẩm mỹ

Tuy nhiên, có một số ưu điểm của việc sử dụng túi địa kỹ thuật là:

- Giá thành rẻ

- Quá trình thi công đơn giản

- Đơn giản khi sửa chữa, có thể khâu lại những túi rách

Hình 1.8 Gia cố túi vữa

b Đệm cát

Một đệm chứa cát bao gồm hai vải địa kỹ thuật khâu vào nhau với cát được nhét đầy vào giữa Những đệm này được thiết kế trải dưới mái dốc được chuẩn bị sẵn, sau đó được nối lại với nhau và nhồi đầy cát vào Chúng hình thành một khối túi lớn Những đệm chứa cát không dùng được ở những nơi mà chiều cao sóng lớn hơn 1m hoặc có vận tốc dòng chảy lớn hơn 1,5 m/s Cạnh và những điểm nối của đệm chứa cát là những chỗ yếu và cần phải được khâu cẩn thận Những đệm chứa cát nằm liên tiếp nhau có thể ghim lại với nhau và điểm kết thúc có thể được cố định xuống nền với một cái neo

Trong thực tế, đệm chứa cát không chỉ bị phá hỏng bởi tác động của nước, chúng còn có thể bị hư hại do sự va chạm, băng trôi, những mảnh vỡ lớn trôi nổi, ánh sáng mặt trời và sự ăn mòn hóa học

Vải lọc đặt trên lớp sét

Đệm chứa cát

Túi cát

Vải lọc đặt trên lớp sét và phủ bảo vệ chân dốc bị xói

Hệ thống dây giữ

Ống neo

27

Hình 1.10 Một số ví dụ về dạng của đệm vữa 1.4.2.2 Sử dụng ống địa kỹ thuật

Ống địa kỹ thuật đã được phát triển và sử dụng khoảng 2 thập kỷ trước, và đặc tính gần giống như đã nói ở phần trên Ban đầu đó là những ống đơn chứa cát, có kích thước đường kính rất khác nhau, chiều dài lên đến trên 100m Do đặc điểm kích thước rất dài của ống, bài toán tính toán ống địa kỹ thuật dựa trên lý thuyết màng biến dạng phẳng (Liu, 1981; Namias, 1985; Leshchinsky et al., 1996; Plaut và Suherman, 1998; Ghavanloo và Daneshmand, 2009), mà lý thuyết này dựa trên định luật vật liệu đàn hồi-tuyến tính của Hook [7]

Trên thế giới cũng đã phát triển những phần mềm chuyên dụng để tính toán ứng suất biến dạng của túi địa kỹ thuật, giúp cho việc thiết kế ứng dụng trở nên nhanh chóng, ví dụ như phần mềm chương trình GeoCoPS của hãng AMADA

ống Thảm

Trong phần tiếp theo của luận văn, tác giả sẽ đi sâu vào phần lý thuyết của vật liệu đất có cốt, các đặc tính, cơ chế phá hoại, nguyên tắc tính toán và bố trí và các phương pháp tính toán ổn định của công trình đất có cốt

- Gia cường: Vải địa kỹ thuật đưa vào đất để tiếp nhận ứng suất kéo và độ biến dạng mà đất không có khả năng tiếp nhận

- Ngăn cách: Vải địa kỹ thuật tạo thành một lớp màng chắn giữa hai môi trường chất rắn khác nhau, không cho lớp đất tốt chìm vào lớp đất xấu hoặc ngược lại

- Tính thoát nước và dẫn nước: Sử dụng vải địa kỹ thuật có thêm tính thoát nước và dẫn nước, có tác dụng làm nước trong đất thoát ra nhanh, làm tăng tốc độ cố kết, tăng khả năng chịu nén và đồng thời cường độ chống cắt của đất cũng tăng lên Các tính năng thứ 2 và thứ 3 là phù hợp cho đê biển để làm nhiệm vụ phân cách hai lớp đất khác nhau (nền và thân), bọc đất chống trôi đất và bào mòn

2.1.1 Độ bền kéo của vải địa kỹ thuật

Vải địa kỹ thuật có độ bền chịu kéo cao, do vậy khi kết hợp với đất-vật liệu chịu nén (mức độ) không chịu kéo, tạo nên một vật liệu "đất có cốt" vừa chịu nén vừa chịu kéo

Độ bền chịu kéo của vải địa kỹ thuật được xác định từ thí nghiệm kéo Mẫu vải địa kỹ thuật cho thí nghiệm kéo có hình chữ nhật, kích thước thường là 100mm

x 200mm, có khi 100mm x 500mm, tốc độ kéo từ 10mm/phút đến 100mm/phút tuỳ theo quy trình mỗi nước Như trong tiêu chuẩn 14 TCN 95 - 1996 (Việt Nam) và tiêu chuẩn Úc AS3706,2-1990 tốc độ kéo là 20 mm/phút, tiêu chuẩn ASTM D4595 của Mỹ là 10mm/phút, tiêu chuẩn NFG38-014 của Pháp là 100 mm/phút

Lực kéo được tính cho 1 đơn vị chiều rộng B của mẫu kéo: