Kè đất gia cố địa kỹ thuật phục hồi động đất trên Quốc lộ 4 ở Đài Loan

"TIN NỔI BẬT"

Nằm ở ranh giới của mảng Á-Âu và mảng Philippines, Đài Loan là nơi có 51 đoạn đứt gãy. Sự xuất hiện thường xuyên của các trận động đất dọc theo các đoạn đứt gãy này gây ra mối đe dọa đáng kể đến tính mạng và tài sản. Một ví dụ đáng chú ý là trận động đất Chi-chi năm 1999, gây ra bởi đoạn đứt gãy Chelungpu ở miền trung Đài Loan. Trận động đất kinh hoàng này đã dẫn đến khoảng 14.000 thương vong, nhiều người bị thương và sự sụp đổ của hơn 100.000 ngôi nhà. Đoạn đứt gãy Chelungpu trải dài từ bắc xuống nam dọc theo chân đồi phía đông của lưu vực Đài Trung.
 
Bối cảnh
Dự án mở rộng Quốc lộ 4 phải khắc phục đoạn đứt gãy Chelungpu tại các trạm từ 23k + 242 đến 23k + 410. Trận động đất Chi-chi gây sạt bề mặt 85 km, với độ dịch chuyển thẳng đứng 4-5m và dịch chuyển ngang 2,5-5m. Do đó, công trường xây dựng trải qua những thay đổi địa hình bề mặt đáng kể và thay đổi độ cao từ 300 đến 450 mét. Mái dốc phía tây nằm gần lạch Wuniulan, trong khi phía đông có độ dốc cao với nhiều mảnh vỡ, hạn chế không gian xây dựng. Cao độ thiết kế của phần kè khác nhau lên đến 20 mét so với mặt đất do yêu cầu căn chỉnh. Kết cấu giữ là rất quan trọng đối với an toàn kè. Khảo sát hiện trường cho thấy tính chất kỹ thuật kém trong các thành tạo địa chất nông của đất phù sa và sỏi. Nền đá bên dưới bao gồm đá phiến, đá bùn cát, các lớp sa thạch và đá phiến xen kẽ với các vết nứt cắt liên quan đến đoạn đứt gãy Chelungpu, dẫn đến cường độ khối đá yếu.

Hình 1. Kè bê tông cốt thép hư hỏng do đứt gãy Chelungpu (Chiang et al., 2022)

Giải pháp
Các giải pháp công trình địa kỹ thuật truyền thống cho các vùng đứt gãy bao gồm:
1. Móng hoặc kết cấu cứng
2. Kết cấu chắn hoặc rãnh đệm nhúng
3. Đắp vật liệu có tính dẻo
 
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định và an toàn tổng thể của dự án bao gồm khoảng cách thi công hẹp, nền đắp cao, biến dạng chênh lệch đáng kể do chuyển động của đoạn đứt gãy và nhu cầu sửa chữa thiệt hại mang tính cấp bách. Xem xét các điều kiện tại dự án này và nguyên tắc thiết kế kiểm soát thiệt hại do động đất - không bị hư hại đối với trận động đất nhỏ, có thể sửa chữa đối với trận động đất trung bình và không bị sụp đổ đối với trận động đất mạnh – đơn vị thiết kế đã chọn kết cấu đất gia cố bằng lưới địa kỹ thuật tổng hợp (GRS) để xây dựng công trình kè dài 168 mét. Mái dốc đứng gần Lạch Wuniulan đã được giải quyết vấn đề về không gian thi công hạn chế. Hơn nữa, thiết kế GRS cho phép tái sử dụng vật liệu đào từ đường hầm Fengyuan số 3 gần đó, giảm việc vận chuyển vật liệu đất không dư thừa và các chi phí liên quan. Cách tiếp cận này phù hợp với trọng tâm của dự án là bảo tồn năng lượng, giảm phát thải carbon và phát triển bền vững.

 
Phân tích và thiết kế kè GRS
1. Phân tích ổn định
Phân tích ổn định tĩnh của kè GRS ưu tiên ổn định bên ngoài trong các điều kiện khác nhau, bao gồm các điều kiện bình thường, địa chấn và bão. Các yếu tố như trượt, lật, và khả năng chịu lực được xem xét. Chương trình SLIDE 6.0 được sử dụng để phân tích ổn định mái dốc tổng thể bằng phương pháp cân bằng giới hạn. Phân tích độ ổn định bên trong xác minh cường độ kéo và kéo nhổ của lưới địa kỹ thuật. Sơ đồ thiết kế, cấu tạo kè, chiều dài và khoảng cách ngàm hiệu quả của lưới địa kỹ thuật được xác định dựa trên những phân tích này. Các hệ số địa chấn để phân tích động tuân theo các hướng dẫn được nêu trong "Quy tắc thiết kế địa chấn cho các cầu trên đường cao tốc" do MOTC ban hành (2018). Mái đắp khẩn cấp cũng được xem xét để giải quyết nứt vỡ bề mặt do chuyển động đứt gãy, với trọng lượng của nó được tính toán để đảm bảo an toàn cho nền đắp.

Bảng 1. Kết quả phân tích ổn định kè GRS trong điều kiện động đất.
 
2. Thiết kế và thi công cấu trúc GRS
Do các đặc tính kỹ thuật kém, kè GRS cần được tăng cường khả năng chịu lực. Để đạt được điều này, cần loại bỏ lớp đất phù sa nông yếu và thay thế bằng nền GRS. Hình 2 mô tả vị trí của các lưới địa kỹ thuật  ACEGrid^® 150kN/m theo hình đan chéo. Hai lớp ACEGrid^® được rải vuông góc với hướng đường cao tốc với khoảng cách 0,6m theo phương thẳng đứng, trong khi một lớp bổ sung được đặt song song với hướng đường cao tốc với khoảng cách 0,3m. Vật liệu san lấp cho nền GRS được nén chặt đến ít nhất 95%. Nền GRS được thay thế kéo dài khoảng 140m chiều dài và đạt độ sâu từ 3 đến 5m, chạm tới tầng sỏi hoặc đá gốc có đặc tính kỹ thuật thuận lợi. Thiết kế kè GRS có tỷ lệ dốc là 1:0,2 (dọc:ngang) do hạn chế về không gian. Nó được chia thành ba tầng cao 5m với chiều rộng lùi vào là 1,5m. Cách bố trí lưới địa kỹ thuật được thiết kế cẩn thận, với khoảng cách dọc là 0,3m cho tầng thấp nhất và 0,5m cho hai tầng cao hơn còn lại. Chiều dài ngàm của các lưới địa kỹ thuật, từ lớp dưới lên lớp trên, lần lượt là 20m, 18,8m và 17m.

Hình 2 Sơ đồ thiết kế kè GRS (Sinotech Engineering Consultants, Ltd., 2017) 

Để tăng cường khả năng thoát nước, bảo vệ chống thấm và mưa lớn, mỗi tầng của kè GRS đều có vật liệu thấm dày 0,5m và các ống thoát nước HDPE ở đáy. Túi địa kỹ thuật ACESandbag™, chứa hạt giống, phân bón và đất hữu cơ, được tích hợp vào kè bằng phương pháp bao quanh lưới địa kỹ thuật, thúc đẩy sự phát triển của thảm thực vật và nâng cao tính thẩm mỹ của nó. Bảo vệ mái dốc liền kề và bảo tồn bờ của Lạch Wuniulan đạt được thông qua cấu trúc giữ cố định bằng cọc hỗ trợ. Các cọc đường kính 1,5m được bố trí sát nhau đảm bảo độ ổn định, trong khi mái dốc phía trên đáp ứng được độ dốc 1:2,5 (dọc: ngang), được bao phủ bởi các dầm bê tông cốt thép. Các neo tải trước nặng 40 tấn được bổ sung, bố trí cách nhau 2,5m theo hướng X và Y, bảo vệ bờ kè trước các điều kiện khác nhau, bao gồm mưa bão và động đất, đáp ứng mọi yêu cầu về an toàn.

KẾT LUẬN
Sự an toàn của các cấu trúc bị ảnh hưởng rất nhiều bởi chuyển động đứt gãy. Bất chấp những hạn chế về kỹ thuật, công trình này nhất thiết phải đi qua đoạn đứt gãy Chelungpu. Sau khi đánh giá các biện pháp đối phó khác nhau, kè GRS nổi lên như một giải pháp phù hợp nhất. Các cân nhắc và phân tích kỹ lưỡng về an toàn đã được tiến hành, với những điểm chính được tóm tắt dưới đây.
 
1. Để cải thiện khả năng chịu lực và độ ổn định, kè GRS yêu cầu thay thế lớp đất nền yếu bằng nền GRS. Giải pháp này cũng có tác dụng hạn chế sự dịch chuyển của vùng đứt gãy.
 
2. Các phân tích tĩnh và động của kè GRS chứng minh tính ổn định của nó trong các điều kiện khác nhau, đáp ứng tất cả các yêu cầu về an toàn. Tuy nhiên, các nghiên cứu bổ sung được khuyến nghị để điều tra các cơ chế chi tiết của cấu trúc GRS liên quan đến chuyển của vùng đứt gãy.
 
3. Các phương pháp ổn định mái dốc khác nhau đã được sử dụng để đảm bảo an toàn cho mái dốc lân cận đối với nền đắp GRS. Những phương pháp này cung cấp khả năng bảo vệ toàn diện cho cơ sở lân cận.
 

4. Vì địa điểm nằm gần một công trình xây dựng đường hầm, thiết kế kè GRS cho phép tái sử dụng một số lượng đáng kể vật liệu đào từ đường hầm. Cách tiếp cận này giúp giảm chi phí liên quan đến việc xử lý các vật liệu đất dư thừa, phù hợp với các nguyên tắc bảo tồn năng lượng, giảm phát thải carbon và phát triển bền vững.