Nghiên cứu và đề xuất giải pháp ổn định mái dốc ta luy nền đường trên tuyến đường quốc lộ 51 đoạn qua bà rịa vũng tàu luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Đặc biệt khi xây dựng những tuyến đường qua vùng đất yếu, vùng đồi núi có địa chất không ổn định… Hiện tượng sụt trượt ta luy nền đường được con người biết đến từ rất lâu, các giải pháp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI



TRƯƠNG VĂN HÒA

NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH MÁI DỐC TA LUY NỀN ĐƯỜNG TRÊN TUYẾN ĐƯỜNG QUỐC LỘ 51 ĐOẠN QUA BÀ

RỊA VŨNG TÀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thành Phố Hồ Chí Minh – Năm 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI



TRƯƠNG VĂN HÒA

NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH MÁI DỐC TA LUY NỀN ĐƯỜNG TRÊN TUYẾN ĐƯỜNG QUỐC LỘ 51 ĐOẠN QUA BÀ

RỊA VŨNG TÀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực

Tác giả

Trương Văn Hòa

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận văn này, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của các thày giáo hướng dẫn, các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp, và các cơ quan liên quan

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học – Trường Đại học Giao thông Vận tải - Phân hiệu tại Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn các bạn đồng nghiệp trong Bộ môn Đường bộ

và Khoa Công trình – Trường Đại học Giao thông Vận tải - Phân hiệu tại Hồ Chí Minh đã đóng góp những ý kiến thiết thực và quý báu

Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lê Văn Bách – Bộ môn Đường bộ Trường Đại học Giao thông Vận tải - Phân hiệu tại Hồ Chí Minh, là những người thầy đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Trong khuôn khổ một luận văn Thạc sĩ khoa học kỹ thuật, chắc chắn chưa đáp ứng được một cách đầy đủ những vấn đề đã đặt ra, mặt khác do trình độ bản thân còn nhiều hạn chế Tác giả xin chân thành cảm ơn và tiếp thu nghiêm túc những ý kiến đóng góp của các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020

Trương Văn Hòa

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT` vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH BỜ DỐC 6

1.1 Ổn định bờ dốc 6

1.1.1 Các hiện tượng chuyển dịch đất đá trên bờ dốc 6

1.1.2 Vấn đề ổn định bờ dốc 7

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự ổn định bờ dốc 8

1.2.1 Các yếu tố tự nhiên 8

1.2.2 Yếu tố con người 11

1.3 Tính toán ổn định bờ dốc 13

1.3.1 Tính toán ổn định với mặt trượt phẳng 14

1.3.2 Tính toán ổn định với mặt trượt trụ tròn 17

1.4 Các giải pháp bảo vệ và gia cố mái dốc 23

1.4.1 Thiết kế mặt cắt hình học hợp lý cho mái dốc 24

1.4.2 Hạn chế ảnh hưởng của nước mặt và nước ngầm 28

1.4.3 Dùng kết cấu gia cường, kết cấu chống đỡ chịu lực 29

1.4.4 Giảm bớt ảnh hưởng của hiện tượng mất ổn định mái dốc đối với

công trình 30

CHƯƠNG 2: CHƯƠNG TRÌNH SLOPE/W TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH BỜ DỐC 32

2.1.Giới thiệu chung 32

2.1.1 Tính toán ổn định bờ dốc ở Việt Nam 32

2.1.2 Giới thiệu một số phần mềm tính ổn định bờ dốc 33

2.2 Giới thiệu chương trình 35

2.2.1 Đặc điểm chương trình Slope/W 35

2.2.2 Sơ đồ tính toán 36

2.2.3 Phương pháp cân bằng giới hạn 38

2.2.4 Các bước tính toán hệ số an toàn 39

2.2.5 Các phương pháp tính ổn định mái dốc sử dụng trong Slope/W 43

2.3 Sử dụng chương trình 45

2.3.1 Nhập số liệu - Define 46

2.3.3 Hiển thị kết quả tính toán - Contour 53

2.4 Các dạng bài toán 54

2.4.1 Các dạng mặt trượt 55

2.4.2 Các dạng tải trọng 59

2.4.3 Tính toán xác suất ổn định mái dốc 63

2.5 Những nhận xét về sử dụng Slope 63

2.5.1 Lựa chọn các thông số tính toán 63

2.5.2 Lựa chọn phương pháp tính toán và các dạng mặt trượt 65

2.5.3 Một số vấn đề khi tính toán thiết kế tường chắn 66

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH SLOPE/W TÍNH TOÁN

ỔN ĐỊNH BỜ DỐC TRÊN ĐƯỜNG QUỐC LỘ 51 ĐOẠN BRVT 68

3.1.Giới thiệu đường quốc lộ 51 đoạn BRVT 68

3.2 Sụt trượt trên đường quốc lộ 51 đoạn BRVT 71

3.2.1 Tình hình chung 71

3.2.2 Tình trạng sụt trượt trên đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT 73

3.2.3 Các biện pháp xử lý sụt trượt trên đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT 75

3.3 Sử dụng Slope tính ổn định mái dốc trên đường quốc lộ 51 77

3.3.1 Đoạn từ Km0+900-Km4+556 ( đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT) 79

3.3.2 Đoạn từ Km10+000-Km11+000 ( đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT) 81 3.3.3 Đoạn từ Km40+000-Km41+000 ( đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT) 82 3.3.4 Tính toán ổn định mái dốc tại một số đoạn thiết kế tường chắn trên đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT 84

KẾT LUẬN 85

KIẾN NGHỊ 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 90

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.2.1.4 Bảng tra kc tùy thuộc vào cấp động đất – theo quy trình Việt Nam 10

Bảng 1.4.1 Độ dốc mái đường đào 26

Bảng 1.4.1a Độ dốc mái đường đắp 27

Bảng 2.2.5 Các giả thiết dùng trong các phương pháp khác nhau 44

Bảng 3.3.1 Các thông số về địa chất trên đoạn này như sau: 79

Bảng 3.3.2 Các thông số về địa chất trên đoạn này như sau: 81

Bảng 3.3.3 Các thông số về địa chất trên đoạn này như sau: 82

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 – Mặt trượt phẳng 15

Hình 1.2 – Mặt trượt gãy khúc 16

Hình 1.3 – Phương pháp phân mảnh 17

Hình 1.4 – Phương pháp phân mảnh 19

Hình 1.5 Đánh giá ổn định của mái dốc thẳng đứng 24

Hình 2.1 Phương pháp kinh nghiệm tìm tâm trượt nguy hiểm nhất 32

Hình 2.2 Phương pháp kinh nghiệm tìm tâm trượt nguy hiểm nhất 33

Hình 2.3 – Các lực tác dụng lên khối trượt – mặt trượt tròn 36

Hình 2.4 – Các lực tác dụng lên khối trượt – mặt trượt phức tạp 37

Hình 2.5 – Khởi động Slope 46

Hình 2.6 – Màn hình làm việc sau khi thiết lập 48

Hình 2.7 – Các lựa chọn phân tích 50

Hình 2.8 – Giải bài toán 53

Hình 2.9 – Hiển thị kết quả 53

Hình 2.10 - Mặt trượt trụ tròn 55

Hình 2.11 - Mặt trượt bất kỳ 56

Hình 2.12 - Mặt trượt tự định nghĩa 56

Hình 2.13 - Thông tin mà Slope thông báo về mảnh trượt 57

Hình 2.14 - Mặt trượt tổ hợp 59

Hình 2.15 - Khai báo tải trọng tập trung và phân bố 60

Hình 2.16 - Dùng neo tăng cường ổn định mái dốc 61

Hình 2.17 - Tăng cường sức chống cắt bằng vải địa kỹ thuật 61

Hình 2.18 - Trường hợp có xét áp lực nước lỗ rỗng 62

Hình 2.19 - Tính toán áp lực nước lỗ rỗng 62

Hình 2.20 - Khai báo tường chắn: No strength 67

Hình 2.21 – Khai báo tường chắn có C, 67

Hình 3.1 - Sụt trượt tại Km 39 đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT 73

Hình 3.2 - Sụt trượt tại đèo Hàm Rồng - đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT 74

Hình 3.3 - Tường chắn rọ đá trên QL 51 đoạn qua Vũng Tàu 76

Hình 3.4 - Sử dụng neo ổn định mái dốc 76

Hình 3.5: Mô hình bài toán tính ổn định mái dốc khi dùng giải pháp cắt cơ, bạt mái 78

Hình 3.6: Mối quan hệ Fs ~ m 80

Hình 3.7: Mối quan hệ Fs ~ m 81

Hình 3.8: Mối quan hệ Fs ~ m 83

MỞ ĐẦU

Một trong những yêu cầu cơ bản đối với nền đường là sự ổn định toàn khối

Sự ổn định này không những phải đảm bảo trong quá trình thi công mà còn cả trong quá trình khai thác Với một số tuyến đường thì công tác thiết kế đảm bảo ổn định chiếm một vai trò lớn, khối lượng công việc lớn và do vậy chi phí cho công tác này thường lớn Đặc biệt khi xây dựng những tuyến đường qua vùng đất yếu, vùng đồi núi có địa chất không ổn định…

Hiện tượng sụt trượt ta luy nền đường được con người biết đến từ rất lâu, các giải pháp phòng chống đảm bảo ổn định cho các công trình cũng rất đa dạng Tuy nhiên hiện tượng này luôn mang tính thời sự bởi tính bất ngờ cùng với những hậu quả nghiêm trọng khi nó xẩy ra Hàng năm có rất nhiều vụ sụt trượt xảy ra và hậu quả do chúng để lại thường gây ra tổn thất lớn: thiệt hại về người, gây hư hỏng các công trình, đình trệ các quá trình sản xuất, lưu thông và do vậy gây lãng phí về thời gian tiền của

Nước ta thuộc miền khí hậu nhiệt đới gió mùa, sự chênh lệch về nhiệt độ, lượng mưa và khí hậu trong năm là khá đáng kể Đặc biệt một số vùng có lượng mưa lớn và không đều trong năm (khu vực miền Trung, Tây Nguyên) Nước ta lại là một nước có phần lớn diện tích là đồi núi, các tuyến đường được xây dựng thường

đi qua khu vực đồi núi có địa hình phức tạp Những nguyên nhân trên khiến cho các công trình đường ở nước ta phải đối mặt thường xuyên với những hiện tượng sụt trượt: đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT, quốc lộ 4D – Lào Cai, quốc lộ 37 – Yên Bái,

ga đường sắt trên đèo Hải Vân… Chính vì vậy công tác thiết kế ổn định, kiên cố hóa các tuyến đường được chú trọng

Tuyến đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT là một trong những công trình trọng điểm của đất nước ta nhằm thực hiện nhiều sứ mệnh quan trọng Quyết tâm xây dựng con đường hiện đại, đảm bảo được những mục đích đề ra được Đảng, Nhà nước, nhân dân hết sức quan tâm Quốc lộ 51 là 1 trong những quốc lộ tại Việt Nam Quốc lộ 51 khởi đầu tại thành phố Biên Hòa (tỉnh Đồng Nai) và kết thúc tại thành phố Vũng Tàu (tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu) Quốc lộ bắt đầu tại thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai, qua huyện Long Thành (Đồng Nai), qua địa phận tỉnh Bà Rịa -

Vũng Tàu thì Quốc lộ 51 sẽ đi qua các địa phương sau: thị xã Phú Mỹ (huyện Tân Thành cũ), thành phố Bà Rịa và điểm cuối của quốc lộ sẽ nằm tại thành phố Vũng Tàu (Bà Rịa - Vũng Tàu) Quốc lộ 51 chính là một phần của đường Xuyên Á số 17 (AH17) Toàn tuyến quốc lộ dài 86 km Những điều kiện khó khăn về điều kiện tự nhiên đã dẫn đến sự phức tạp trong thiết kế, thi công, khai thác tuyến đường Cũng như nhiều tuyến đường khác vấn đề sụt trượt là một trong những vấn đề đáng quan tấm nhất hiện nay trên tuyến đường này Hiện tượng tắc đường đã từng xảy ra trên tuyến đường này mặc dù thời gian đưa vào sử dụng chưa lâu Bên cạnh xuất hiện các điểm sụt trượt mới, một số điểm sụt trượt cũ tái phát gây khó khăn cho công tác xây dựng tuyến đường này Công tác kiên cố hóa đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT đã

và đang được triển khai nhằm đảm bảo cho tuyến đường này có thể được khai thác hiệu quả phát huy được ý nghĩa to lớn của nó

Vấn đề giải quyết sụt trượt từ lâu được nhiều nhà khoa học và các kỹ sư quan tâm giải quyết Bằng chứng là có rất nhiều nhà khoa học lớn đã từng đưa ra những phương pháp tính toán ổn định được thế giới công nhận: Fellenius, Bishop, Janbu, Spencer… Bài toán tính ổn định mái ta luy thường phải thực hiện với khối lượng tính toán lớn Ngày nay khi máy tính trở thành công cụ tính toán hữu hiệu thì việc sử dụng các phần mềm khi tính toán ổn định mái ta luy trở nên phổ biến

Ở nước ta hiện rất nhiều phần mềm tính toán ổn định được sử dụng: bộ phần mềm Geo-Slope, Plaxis, STAB 95, và nhiều phần mềm do các tác giả trong nước xây dựng… Phổ biến nhất là việc sử dụng phần mềm Slope (Canada) để tính ổn định mái dốc, một số đơn vị tư vấn đã sử dụng phần mềm này để tính toán ổn định cho tuyến đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT: Viện khoa học công nghệ GTVT, công ty

tư vấn và KSTK xây dựng – Bộ quốc phòng, công ty cổ phần tư vấn XDCT giao thông 5… Trong khi đó các tài liệu về sử dụng phần mềm Slope còn thiếu nên gây khó khăn cho sử dụng, ảnh hưởng đến kết quả tính toán thiết kế

Phần mềm Slope của Canada được xây dựng chủ yếu dựa trên lý thuyết ― Cơ học đất không bão hòa‖, đây là một vấn đề khó khăn cho người dùng bởi từ lâu chúng ta thường làm quen với ― Cơ học đất bão hòa‖ Khi sử dụng phần mềm này

người dùng có thể gặp phải một số vấn đề mà việc giải quyết các vấn đề đó có ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả tính toán:

- Phần mềm được xây dựng trên cơ sở ― Cơ học đất không bão hòa‖, với việc đưa vào các thông số tính toán mới lạ, vậy ở nước ta có dùng được không và phải có những chú ý gì

- Có rất nhiều phương pháp tính toán, lựa chọn phương pháp nào để cho kết quả chính xác nhất

- Slope có thể giải được nhiều dạng khác nhau của bài toán ổn định, áp dụng

cụ thể cho từng loại bài toán có những điểm gì đáng lưu ý

Chúng ta biết rằng chi phí cho công tác phòng chống sụt trượt nhiều khi là rất lớn, đặc biệt đối với các tuyến đường đi qua vùng đồi núi như đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT (chi phí kiên cố hóa đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT vượt quá 1.000 tỷ) Chính vì vậy việc lựa chọn hợp lý các giải pháp xử lý cũng như việc tính toán chính xác sẽ góp phần làm giảm chi phí xây dựng, vận hành công trình Để có được giải pháp xử lý hợp lý và kết quả chính xác đòi hỏi rất nhiều yếu tố, trong đó việc khai thác tốt phần mềm tính toán, vận dụng hợp lý điều kiện tính toán cũng là một yếu tố quan trọng

Sử dụng phần mềm Slope để giải bài toán ổn định trên đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT đã được thực hiện Việc khai thác phần mềm có hiệu quả để đưa ra kết quả có độ tin cậy hơn, từ đó có những giải pháp xử lý đảm bảo hợp lý cho tuyến đường này là cần thiết

Đó là lý do tôi chọn đề tài: ― Nghiên cứu và đề xuất giải pháp ổn định mái dốc ta luy nền đường trên tuyến đường Quốc lộ 51, đoạn Bà Rịa – Vũng Tàu ”

SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Qua những vấn đề ở trên chúng ta thấy rằng:

- Nắm vững cơ sở lý thuyết (liên quan đến cơ học đất không bão hòa) cũng như sử dụng phần mềm Slope là một vấn đề cần thiết để có được sự hiểu biết sâu về phần mềm này

- Chứng tỏ được tính đa năng của chương trình để thấy rằng việc sử dụng phổ biến phần mềm này ở Việt Nam là đúng đắn và những lưu ý khi sử dụng

- Tuyến đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT đang trong giai đoạn kiên cố hóa, việc sử dụng phần mềm Slope để tính toán để tìm ra những giải pháp xử lý hợp lý là cần thiết

MỤC ĐÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Thông qua việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết và sử dụng chương trình Slope từ

đó có những nhận xét đánh giá để đảm bảo kết quả tính toán chính xác, phù hợp với điều kiện Việt Nam Trên cơ sở đó sử dụng tính toán thiết kế cho một số đoạn trên đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT nhằm tìm ra giải pháp xử lý hợp lý

Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết là chủ yếu kết hợp với thực tiễn thiết kế, thi công xử lý sụt trượt trên đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT để có được những nhận xét bổ ích

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

- Góp phần hiểu biết hơn về vấn đề sụt trượt và tính toán tăng cường ổn định mái dốc Có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo, giảng dạy một số chuyên đề về ổn định bờ dốc

- Trên cơ sở nắm được lý thuyết tính toán và những chú ý khi sử dụng chương trình Slope ở điều kiện Việt Nam:

+ Lựa chọn các thông số đầu vào để tính toán: chọn các thông số cường độ của đất để tính toán theo bài toán ― cơ học đất bão hòa‖

+ Áp dụng tính toán ổn định đối với tường chắn Khai báo mô hình tường chắn có giá trị C và tức là có xét đến sức chống cắt của tường chắn

- Trên cơ sở khai thác chương trình và đưa ra một số kết quả, nhận xét có thể

áp dụng vào thiết kế tăng cường ổn định cho đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT cũng như các tuyến đường khác

NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU.

Nội dung nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu một số vấn đề sau:

- Tổng quan về vấn đề ổn định mái dốc

- Cơ sở lý thuyết của chương trình Slope cùng với cách khai thác sử dụng

- Vấn đề sụt trượt trên đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT, ứng dụng phần mềm Slope phục vụ kế hoạch kiên cố hóa

- Kết quả tính toán xử lý sụt trượt một số đoạn trên đường Quốc lộ 51 đoạn BRVT, lựa chọn giải pháp xử lý trên cơ sở tính toán bằng Slope

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH BỜ DỐC

1.1 Ổn định bờ dốc

1.1.1 Các hiện tượng chuyển dịch đất đá trên bờ dốc

Dưới tác dụng của trọng lượng bản thân khối đất đá trong bờ dốc, đồng thời

do tác động của các yếu tố tự nhiên, các hoạt động của con người mà có thể làm đất

đá trên bờ dốc bị dịch chuyển với các cơ chế và tốc độ khác nhau Cho tới nay vẫn chưa có một sự phân loại thống nhất các loại chuyển dịch của đất đá, mặc dù vấn đề này được nghiên cứu từ rất lâu

- Có thể phân loại theo cơ chế và tốc độ dịch chuyển của đất đá trên bờ dốc như cách phân loại của A.Nemcok, J Pasek, J Rybar; có 4 loại chuyển dịch: trượt chậm, trượt, trượt dòng, đất đá đổ

- Theo D.J Varnes có thể phân loại theo các dạng chuyển dịch đất đá, có thể chia thành: trượt, trượt trôi và sụt đổ Nếu dựa vào loại vật liệu trong khối trượt thì chia thành: trượt đất và trượt đá

- Theo Hồ Chất, Doãn Minh Tâm (Viện khoa học và công nghệ GTVT) thì các dạng cơ bản của hiện tượng chuyển dịch đất đá trên bờ dốc gồm 4 loại:

+ Trượt đất: là hiện tượng di chuyển của khối đất theo một mặt nhất định,

thường có dạng trụ tròn xoay (khi đất trong khối trượt tương đối đồng nhất) hoặc trượt theo bề mặt tầng đá gốc

Đất đá trong khối trượt ít bị xáo trộn, mặt địa hình để lại vách trượt hay mặt trượt rõ rệt Tùy theo các dấu hiệu khác mà người ta lại có thể chia thành: trượt cổ, trượt sâu, trượt nông, trượt theo mặt đá gốc, trượt dòng…

+ Xói sụt: là hiện tượng biến dạng cục bộ, lúc đầu bóc từng mảng ở chân

hoặc đỉnh dốc đào, sau phát triển dần lên trên, hiện tượng này xảy ra chậm

Khối lượng xói sụt không lớn, phụ thuộc vào mức độ phong hóa của đất đá Sản vật của xói sụt thường chất đống ở chân bờ dốc và khi xói sụt càng phát triển lên cao sẽ tạo thành sụt trượt

+ Sụt trượt: là giai đoạn cuối cùng của hiện tượng xói sụt Thực tế thường

khó xác định được vách sụt, mặt trượt nhưng đôi khi cũng thấy ở dạng cung tròn Sản vật trong khối trượt dịch chuyển hẳn xuống chân bờ dốc hay sườn dốc Đất đá

bị xáo trộn, cây cối đổ ngổn ngang

Hiện tượng sụt trượt xảy ra với tốc độ nhanh và gây chấn động, làm ảnh hưởng đến các công trình lân cận Đây là loại chuyển dịch đất đá trên bờ dốc rất phổ biến trên các tuyến đường giao thông miền núi

+ Đất đổ, đá đổ: là hiện tượng văng từng mảng đất hoặc khối đá từ đỉnh dốc

hoặc núi dốc xuống chân dốc Tùy theo địa hình và loại đá mà hiện tượng đá đổ có thể xảy ra với những quỹ đạo và tốc độ khác nhau Khối lượng đất đá đổ thường không lớn

1.1.2 Vấn đề ổn định bờ dốc

Các chuyển dịch bờ dốc thường gây ra nhiều tác động xấu, gây tác hại lớn cho nền kinh tế quốc dân: phá hủy đất trồng, rừng cây, nhà cửa, xưởng máy, các công trình giao thông công cộng, mạng sống con người…

Vì vậy khi thiết kế, xây dựng hay khai thác một bờ dốc, vấn đề ổn định của

nó là hết sức quan trọng Nền đường với các mái ta luy đào, đắp là các dạng cụ thể của bờ dốc, sự ổn định của các mái ta luy sẽ đảm bảo tính ổn định về khai thác cho các tuyến đường

Một bờ dốc bất kỳ sẽ chịu tác dụng đồng thời của mômen giữ (do các lực giữ cho đất đá không bị dịch chuyển như lực ma sát, lực dính…) và mômen trượt (do các lực gây trượt như trọng lượng của đất đá, áp lực thủy động …) Ngoài ra còn có các lực bổ sung do các yếu tố tự nhiên hay hoạt động của con người mà góp phần làm thay đổi tương quan giữa hai loại mômen trên

Một bờ dốc được coi là mất ổn định khi đất đá trên bờ dốc có xu hướng chuyển dịch xuống chân bờ dốc Sau đó đất đá bắt đầu bị dịch chuyển, trạng thái này có thể tồn tại khá lâu và khi khối đất đá thực sự di chuyển thì bờ dốc đã bị phá hoại

Để đặc trưng cho mức độ ổn định của bờ dốc, người ta dùng hệ số ổn định bờ dốc, được xác định theo công thức:

t

g M

M n

Trong đó:

n : hệ số ổn định

Mg: tổng mô men giữ

Mt : tổng mô men gây trượt

Khi n>1 thì bờ dốc ổn định, khi n<1 bờ dốc mất ổn định

Việc xác định hệ số ổn định n là một bài toán phức tạp vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố: các nhân tố ảnh hưởng tới sự ổn định bờ dốc, các đặc trưng vật lý của đất đá trên bờ dốc, áp dụng đúng các điều kiện cụ thể của bờ dốc vào các mô hình, các phương pháp tính toán… Thực tế nhiều khi không đáp ứng được các yêu cầu trên nên bài toán tính toán ổn định mái dốc thường có kết quả gần đúng

Nhìn bề ngoài một bờ dốc càng thoải và càng thấp thì càng ổn định, có nghĩa

là góc nghiêng và chiều cao của bờ dốc ảnh hưởng đến sự ổn định của nó Bờ dốc càng cao thì trọng lượng khối trượt càng lớn Bờ dốc càng dốc, thành phần lực gây trượt càng tăng, hệ số ổn định bờ dốc càng giảm

Thực tế đã cho thấy số vụ sụt trượt, mất ổn định mái dốc chủ yếu xảy ra vào mùa mưa Sự có mặt của nước mưa nhiều khi là nguyên nhân chính trong các hiện tượng mất ổn định bờ dốc

Sự dao động về nhiệt độ giữa ngày và đêm cũng gây ra các khe nứt trong đất

đá Nước thấm vào làm các khe này càng phát triển sâu và rộng hơn làm cho đất đá

dễ trượt hơn

1.2.1.3 Phong hóa

Phong hóa là những quá trình vật lý, sinh hóa làm thay đổi thành phần, trạng thái và tính chất của đất đá ở phần trên của vỏ trái đất do tác động của sự dao động nhiệt độ, nước lẫn các chất hòa tan và hoạt động của sinh vật

Tùy theo tác nhân gây phong hóa mà người ta chia thành 3 kiểu phong hóa là: Vật lý, hóa học và sinh vật Quá trình phong hóa làm giảm độ bền của đất đá, nguy cơ xảy ra sụt trượt tăng lên

1.2.1.4 Động đất

Động đất là một dạng thiên tai đặc biệt nguy hiểm, xảy ra tại nhiều nơi trong

vỏ trái đất Trên đất liền, động đất gây trượt lở ở vùng núi, gây biến dạng mặt đất ở vùng đồng bằng, làm biến mất hay tạo thành các hồ, đầm lầy, làm biến đổi dòng chảy các con sông Ngoài biển khơi, động đất làm thay đổi địa hình đáy biển, gây ra sóng thần tàn phá các vùng ven bờ

Những rung động do động đất gây ra đã phá hủy nhà cửa và các công trình, tàn phá các làng mạc, thành phố và cướp đi mạng sống của rất nhiều người

Động đất ảnh hưởng tới sự ổn định bờ dốc, mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào dạng bờ dốc và tính chất đất đá trong bờ dốc

Nếu bờ dốc có trọng lượng là Q, khi xảy ra động đất, lực do động đất gây ra tác dụng lên bờ dốc sẽ được tính theo công thức:

Lực động đất góp phần làm đất đá trên bờ dốc bị dịch chuyển Bờ dốc càng cao và góc nghiêng càng lớn thì khi động đất, biên độ dao động và thời gian dao động càng lớn làm bờ dốc càng dễ trượt Ngoài ra ảnh hưởng của động đất còn phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của đất đá Khi động đất vùng đất đá vụn rời có phạm vi ảnh hưởng nhỏ nhưng mức độ ảnh hưởng lại lớn, còn vùng đất đá rắn chắc thì ngược lại

1.2.1.5 Nước mặt và nước ngầm

Ảnh hưởng của nước mặt và nước ngầm tới sự ổn định bờ dốc được giải thích qua việc nước làm tăng trọng lượng của khối trượt, làm tăng độ ẩm và giảm

các đặc trưng cơ học của đất đá

Nhiều thí nghiệm đã chứng tỏ được nước làm giảm góc nội ma sát và cường độ lực dính của đất đá Với đất sét ở trạng thái tự nhiên có góc ma sát trong là =250

và cường độ lực dính C=0.6 MPa, nhưng khi bị no nước giảm xuống chỉ còn 6-90

và C chỉ còn là 0.01MPa (Maxlov,1977) (ổn định bờ dốc – Nguyễn Sỹ Ngọc)

Khi chịu ảnh hưởng của nước, góc ma sát trong và lực dính C đều giảm làm cho độ bền cắt của đất đá giảm đi Điều này dễ dàng thấy được qua điều kiện bền Coulomb – Navier

Ctg

Trong đó: và là ứng suất tiếp và ứng suất pháp

Ngoài ra nước ngầm còn gây ra áp lực thủy tĩnh (nước trong các lỗ rỗng, khe nứt) hay áp lực thủy động (trên các bờ dốc ngập nước) chúng đều làm giảm khả năng chống trượt của bờ dốc Việc thay đổi động thái của nước ngầm đôi khi cũng làm tăng nguy cơ mất ổn định của bờ dốc

1.2.1.6 Thời gian

Ngoài việc làm thay đổi tất cả các yếu tố ảnh hưởng tới sự ổn định của bờ dốc, thời gian còn trực tiếp làm thay đổi tính chất của đất đá thể hiện qua ba hiện tượng: từ biến, chùng ứng suất, độ bền lâu dài của đất đá

Hiện tượng từ biến làm cho biến dạng của đất đá tăng theo thời gian trong khi ứng suất không đổi Mặt khác khi chịu tác dụng lâu dài của tải trọng độ bền của đất đá giảm đi và thực nghiệm đã thấy là nó sẽ tiệm cận với một giá trị gọi là độ bền lâu dài của đất đá Những hiện tượng này chứng tỏ theo thời gian đất đá trên bờ dốc ngày càng dễ dịch chuyển

1.2.2 Yếu tố con người

Theo thống kê trên thế giới có đến 80% các vụ sụt trượt xảy ra đều có nguyên nhân là các hoạt động của con người Các ảnh hưởng do con người gây ra rất đa dạng bao gồm cả các ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp, nhiều khi không thể hiện chúng bằng các công thức rõ ràng được

1.2.2.1 Làm đọng nước trên bề mặt sườn dốc

Sự ảnh hưởng của nước tới độ ổn định của bờ dốc đã được phân tích ở trên, chính vì vậy tất cả các hoạt động làm đọng nước trên bờ dốc, không tạo điều kiện thoát nước cho bờ dốc, để nước ngày càng thấm sâu vào bờ dốc đều làm giảm sự ổn định bờ dốc

1.2.2.2 Làm mất lớp phủ thực vật trên mặt bờ dốc

Lớp phủ thực vật trên mặt bờ dốc ngoài khả năng giữ nước còn có tác dụng ngăn cản sự dịch chuyển của đất đá do rễ cây bám chặt vào đất đá

Việc làm mất lớp phủ do nạn chặt phá rừng sẽ làm mất tác dụng của lớp phủ thực vật trên bờ dốc, bờ dốc dễ bị sụt trượt hơn

1.2.2.3 Làm thay đổi địa hình bờ dốc

Các hoạt động khai thác mỏ, xây dựng các công trình giao thông, thủy lợi nhiều khi làm thay đổi địa hình bờ dốc theo hướng bất lợi

Việc khai thác các mỏ bằng đường hầm nhiều khi làm cho mặt đất bị lún sụt Khi thi công các hố móng trong các công trình xây dựng cũng dễ dẫn đến sự dịch chuyển của đất đá Xây dựng các kênh mương nhiều khi cũng gây sụt lở bờ dốc

Có lẽ làm thay đổi địa hình bờ dốc nhiều nhất là việc xây dựng các công trình giao thông Các tuyến đường với các điều kiện riêng của nó đã biến mặt đất tự nhiên thành các chỗ đào đắp khác nhau, đặc biệt là các tuyến đường vùng núi Việc đào bớt đất ở chân bờ dốc hay đắp thêm đất trên đỉnh bờ dốc đều làm tương quan giữa lực gây trượt và lực giữ thay đổi theo hướng bất lợi Chính vì điều này trong quá trình thiết kế, thi công và khai thác các công trình giao thông luôn phải đối mặt với tình trạng mất ổn định bờ dốc

1.2.2.4 Làm thay đổi trạng thái ứng suất trên bờ dốc

Khi bờ dốc ổn định, trạng thái ứng suất tại các điểm trên mặt nghiêng bờ dốc đều ở trạng thái cân bằng, tương quan giữa mô men giữ và mô men gây trượt với một điểm nào đó ít nhất cũng phải ngang nhau

Tất cả những tác động làm tương quan này thay đổi theo hướng tăng mô men gây trượt như: chất tải trên bề mặt sườn dốc, làm mất chân bờ dốc… đều làm cho

bờ dốc có nguy cơ mất ổn định

1.2.2.5 Làm xuất hiện các chấn động lớn do các hoạt động quân sự, sản xuất

Những chấn động lớn do các hoạt động nổ mìn để khai thác đá hoặc bom mìn trong các hoạt động quân sự, phần lớn làm cho bờ dốc càng mất ổn định

1.2.2.6 Làm thay đổi điều kiện địa chất thủy văn do xây dựng đập, hồ chứa nước lớn

Việc xây dựng các đập, các hồ chứa nước lớn gây ra nhiều nguyên nhân mất

ổn định mái dốc:

- Làm tăng độ ẩm của đất đá, tăng trọng lượng khối trượt

- Làm giảm các đặc trưng cơ học, làm giảm độ bền (cắt) của đất đá

- Làm giảm thành phần lực giữ ổn định bờ dốc do lực đẩy Acsimet

Có thể phân loại các phương pháp tính toán ổn định bờ dốc thành 2 nhóm chính: nhóm thứ nhất đánh giá sự ổn định dựa trên sự phân tích trạng thái cân bằng giới hạn các lực tác dụng lên bờ dốc theo một mặt trượt nào đó, nhóm thứ hai dựa trên sự phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của khối trượt

Hiện nay người ta thường sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn để tính toán ổn định của bờ dốc Trong phương pháp này bài toán phẳng lại thường được sử dụng hơn so với bài toán không gian Tùy theo dạng mặt trượt là thẳng, trụ tròn hay các dạng bất kỳ khác mà chúng ta có các phương pháp tính khác nhau

Trạng thái cân bằng giới hạn thường được biểu thị qua các phương trình cân bằng là tổng các lực theo phương ngang, phương đứng và tổng các mô men lực đối với 1 điểm đều bằng 0, nghĩa là:

X = 0

Y = 0

M = 0 Điều kiện cân bằng Coulomb-Navier viết ở trạng thái giới hạn:

k

Ctgk

Nếu kể đến áp lực nước lỗ rỗng, điều kiện cân bằng này được viết dưới dạng:

k

'C'tgk

)u(

c f

c – lực dính giữa khối trượt và mặt trượt, kPa

a- góc nghiêng của mặt trượt so với mặt phẳng nằm ngang

1.3.1.2 Bờ dốc gãy khúc

- Phương pháp tải trọng thừa được xem là đáng tin cậy nhất để giải bài toán bờ dốc gãy khúc

Trình tự tính toán như sau:

- Tại các chỗ thay đổi dốc của mặt trượt, kẻ các đường thẳng đứng phân khối trượt thành các đoạn như hình vẽ Trên mỗi đoạn tính toán trọng lượng bản thân khối trượt Qi và chiều dài mặt trượt tương ứng Li

Q

Q.sin

Q.co s

h

1

Hình 1.1 – Mặt trượt phẳng

L.ctan.cos.QF

F

K

1 i i 1

i i i

i i i i i

tr

g i

với Fi-1 là lực đẩy của khối thứ (i-1) vào khối i

- Qua các trị số Ki của các đoạn khối trượt đánh giá sự ổn định của từng đoạn, nếu Ki < 1 thì khối có khả năng bị đẩy trôi xuống phía dưới, nhưng bị khối thứ (i+1) giữ nên tại các mặt tiếp xúc sẽ phát sinh các vết nứt

Cũng có thể tính toán theo hệ số truyền như sau:

- Lần lượt tính toán lực gây trượt Fi do mảnh thứ i tác dụng vào mảnh i+1

Fi = Qi(sinai - cosai.tg i) + Fi-1.cos(ai - ai-1) – c.LiTrong đó:

ai – độ dốc nghiêng của mặt trượt đoạn i

c, - lực dính và góc nội ma sát của khối trượt

- Cuối cùng tính được lực gây trượt của đoạn khối trượt dưới chân dốc Fi Nếu Fi 0 thì khối trượt ổn định trên sườn dốc và ngược lại

1.3.2 Tính toán ổn định với mặt trƣợt trụ tròn

Đối với đất dính đồng nhất, người ta coi mặt trượt có dạng trụ tròn, trên mặt cắt là một cung tròn Mặt trượt này có thể đi qua mặt nghiêng, qua chân hay hạ thấp xuống dưới chân bờ dốc

Với loại bài toán này có thể sử dụng các phương pháp sau: Phương pháp toàn khối, phương pháp phân mảnh, phương pháp biểu đồ và tra bảng Hiện nay phương pháp phân mảnh được sử dụng phổ biến hơn cả

Nền đường là một kết cấu trải dài theo tuyến, nên thường cắt 1m dài theo dọc tuyến để phân tích tính toán ổn định mà không xét đến lực trên hai mặt cắt thẳng đứng trước và sau (như vậy là thiên về an toàn)

i

D

A B

Phương pháp phân mảnh là dùng n-1 mặt thẳng đứng cắt khối đất trượt thành

n mảnh (hình a) Vì chiều rộng mảnh tương đối nhỏ nên xem đáy mỗi mảnh là

phẳng, góc nghiêng giữa đáy mỗi mảnh với mặt nằm ngang là ai

Các lực tác dụng lên mảnh thứ i gồm có:

- Lực thẳng đứng đã biết Qi: Trọng lượng bản thân của phân mảnh và tải trọng xe

- Lực nằm ngang Wi : Lực quán tính động đất

- Lực tương hỗ giữa các mảnh chưa biết có thể phân thành lực đẩy ngang Ei và lực cắt thẳng đứng Ti

- Phản lực ở đáy của phân mảnh: Phản lực pháp tuyển Ni và phản lực chống trượt Si với giả thiết là tác dụng của Ni là điểm giữa của mặt đáy phân mảnh

Lấy cùng một hệ số an toàn K giống nhau cho các phân mảnh, tức là giả định cường độ kháng cắt ở đáy các phân mảnh đều đạt tới trạng thái cân bằng giới hạn

Từ điều kiện cân bằng giới hạn (định nghĩa của hệ số an toàn) ta được

i i i i

i C l N tgK

1

Trong đó : Ci, i là lực dính và góc nội ma sát của mảnh thứ i; li là chiều dài mặt trượt; K là hệ số an toàn cần tìm

Ci li: Lực dính trên mặt trượt của mỗi mảnh

Ni tg i: Lực ma sát trên mặt trượt của mỗi mảnh

Đồng thời mỗi phân mảnh có ba điều kiện cân bằng (lực và mômen) Tuỳ theo sự khác nhau của giả thiết và phương pháp xử lý mà dẫn đến các phương pháp khác nhau Dưới đây giới thiệu các lời giải tĩnh định của phương pháp phân mảnh thường gặp

1.3.2.1 Phương pháp phân mảnh giản đơn : (Còn gọi là phương pháp phân mảnh

cổ điển; phương pháp theo Fellenius, phương pháp Thuỵ Điển hoặc Ordinary Method)

Phương pháp này do W.Fellenius người Thụy Điển đề xuất từ năm 1926 với giả thiết khối đất trên ta luy khi mất ổn định sẽ trượt theo mặt trượt hình trụ tròn nhưng không xét đến tác dụng của các lực giữa các phân mảnh Như vậy n phân mảnh có 2n đại lượng chưa biết (Ni và Si) và một hệ số an toàn K, cộng lại có 2n+1 đại lượng chưa biết

Xét bài toán phẳng như hình bên, phân khối đất trượt hình trụ tròn thành các mảnh

Căn cứ vào giả thiết là các phân mảnh đồng thời đạt tới sự cân bằng giới hạn (trượt tổng thể) có thể chỉ cần xét tới điều kiện cân bằng mômen của toàn khối trượt quanh tâm trượt O, bán kính R, tức là M=0

d i i B

N i b) Bishop

Thay Si từ (1) vào (2) và rút gọn ta có công thức tính hệ số an toàn của mái đất

R

Z W sin

Q

tg N l C K

i i i i

i i i i

Q

tg sin W cos

Q l C K

i i i i

i i i i i i i

Trong nhiều trường hợp Wi rất bé so với Qi hoặc chênh lệch giữa zi và yi là không lớn do đó có thể coi gần đúng (zi/R yi/R=cosai) và có thể viết (4) theo

i i i i

i i i i i i i

cosWsin

Q

tg.sinWcos

QlC

Nếu không xét đến lực quán tính động đất Wi thì ta có công thức

i i

i i i i i

sinQ

lCtg.cosQ

và trường hợp nếu đất đồng nhất có c, và như nhau, ta có

)sinQ(

L.c)cosQ(.tg

K

i i

i i

với L= li – chiều dài cung trượt của cả khối trượt

Nếu kể đến cả hiện tượng xuất hiện các vết nứt thẳng đứng trên mặt đỉnh bờ dốc thì chiều dài cung trượt sẽ bị giảm đi và chỉ còn bằng 0.8L

Khi tính đến ảnh hưởng của nước dưới đất trong bờ dốc, do có lực đẩy Arcsimet của nước, hệ số ổn định của bờ dốc sẽ giảm đi và được tính theo công thức:

i i

i i i i i i i

sinQ

l'C'tg)

ducosQ(K

Trong đó:

ui: là áp lực của nước dưới đất tại mảnh thứ i, được tính theo công thức:

ui= whi

Với: hi là chiều cao cột nước áp lực tại mảnh thứ i

’, C’ là góc ma sát trong và cường độ lực dính của đất khi chịu ảnh hưởng của nước

Phương pháp này hoàn toàn không xét đến ảnh hưởng của các lực giữa các phân mảnh, về mặt lý thuyết đó là điều chưa hoàn chỉnh, sai số của kết quả tính toán vào khoảng 10-20% Nhưng việc tính toán bằng số đơn giản, sai

số của K không lớn, do đó vẫn được sử dụng rộng rãi

sin cl T Q N

i i

i i i

Từ điều kiện cân bằng mô men với điểm O cho cả khối trượt ABC, người ta

sẽ tính được hệ số ổn định bờ dốc

) R / Z ( W sin

Q

T Z

W sin

R Q

R T k

i i i

i

i i

i i

i

i

(10) Thay các giá trị của Ti, Ni ở các công thức (8), (9) và thay chiều dài cung trượt thứ i bằng di/cos i, công thức tính k sẽ có dạng:

1

* )) R / Z ( W sin

Q (

) c d Ttg tg

Q ( k

i i i

tgsincos

Q (

) c d tg Q ( k

i i i

i

i

Nếu kể đến cả ảnh hưởng của nước dưới đất với áp lực tại mảnh thứ i là ui thì

hệ số ổn định trong trường hợp này được tính theo công thức sau:

m

1

* )) R / Z ( W sin

Q (

) ' c d ' tg ) d u Q ( k

i i i

i

i i

Có thể tóm tắt các giai đoạn phát triển lời giải của bài toán tính ổn định bờ dốc:

- Giả thiết giữa các mảnh không có lực tương tác (X=E=0), tính trực tiếp phản lực pháp tuyến N rồi tính M=0 ta suy ra hệ số an toàn F Tương ứng với lời giải này là phương pháp thông thường hay Fellenius

- Xem giữa các mảnh chỉ có một thành phần lực tương tác là E (X=0), tính phản lực pháp tuyến N sau đó:

+) tính M=0 ta suy ra hệ số an toàn F thông qua cách tính thử đúng dần Tương ứng với cách giải này ta có phương pháp Bishop

+) tính X=0 ta cũng suy ra hệ số an toàn F thông qua cách tính thử đúng dần Tương ứng với cách giải này ta có phương pháp Janbu đơn giản hóa (chưa có

Nhìn chung càng về sau các phương pháp càng xét bài toán kỹ càng hơn, các giả thiết làm đơn giản bài toán càng ít được sử dụng do vậy bài toán phức tạp hơn Tuy nhiên khi kết hợp với máy tính thì mọi việc tính toán đều được giải quyết chính xác và nhanh gọn Các hệ số an toàn tính theo các phương pháp khác nhau cho kết quả cũng lệch nhau Thường thì phương pháp Fellenius cho hệ số an toàn thấp nhất

vì vậy tính theo phương pháp này thì sẽ an toàn hơn

1.4 Các giải pháp bảo vệ và gia cố mái dốc

Một trong những yêu cầu cơ bản đối với nền đường là phải đảm bảo tính ổn định Các giải pháp bảo vệ, tăng cường ổn định đối với mái dốc đều nhằm đạt được các mục đích như: giảm ảnh hưởng của các nguyên nhân gây mất ổn định mái dốc, tăng cường khả năng chống phá hoại của bờ dốc, giảm thiểu những tác hại do hiện tượng mất ổn định bờ dốc gây ra…

Một bờ dốc có thể mất ổn định khi đang ở trạng thái tự nhiên, trong quá trình thi công, quá trình khai thác Chính vì điều này, các biện pháp phòng hộ và gia cố bờ dốc được chia thành: biện pháp kết cấu, biện pháp công nghệ, biện pháp khai thác

- Nhóm các biện pháp kết cấu bao gồm tất cả những giải pháp kết cấu được thiết kế nhằm đảm bảo ổn định cho bờ dốc Đây là nhóm biện pháp chủ yếu được thực hiện trong quá trình tính toán thiết kế đảm bảo ổn định cho bờ dốc

- Nhóm các biện pháp công nghệ bao gồm tất cả những giải pháp được thực hiện trong quá trình tổ chức thi công công trình Việc thực hiện tốt quá trình thi công sẽ phát huy được tác dụng của những giải pháp được thiết kế từ trước

- Nhóm các biện pháp khai thác bao gồm những giải pháp nhằm đảm bảo các kết cấu, công trình đã thi công, xây dựng hoạt động có hiệu quả, an toàn Ngăn ngừa, cảnh báo về sự xuất hiện của các hiện tượng mất ổn định có thể xảy ra

Các biện pháp kết cấu rất đa dạng, tùy vào từng điều kiện cụ thể mà có những sự áp dụng khác nhau Rất nhiều trường hợp phương án đưa ra để xử lý là tổ hợp của nhiều biện pháp Sau đây chúng ta sẽ đi sâu vào nghiên cứu các biện pháp kết cấu thường gặp

1.4.1 Thiết kế mặt cắt hình học hợp lý cho mái dốc

Như đã phân tích ở trên một trong những nguyên nhân khiến cho mái dốc mất ổn định là do mái dốc có hình dạng bất lợi Nhiệm vụ của người thiết kế là phải thay đổi hình dạng theo chiều hướng đảm bảo ổn định Đây là một biện pháp hiệu quả nhất về mặt kinh tế, kỹ thuật

Chúng ta biết rằng một mái dốc càng thấp, càng thoải thì càng ổn định Để chứng minh cho điều đó chúng ta xét bài toán sau:

Xét một vách đất thẳng đứng, khối đất trên nó sẽ bị mất ổn định và trượt theo một mặt trượt nào đó (Hình 1.5)

Chia khối đất trượt thành nhiều mảnh nhỏ 1,2, i (mảnh có chiều rộng 1-2m) Xét điều kiện cân bằng cơ học mảnh thứ i bất kỳ có chiều cao hi và rộng di

Hình 1.5 Đánh giá ổn định của mái dốc thẳng đứng

i i

cos

d C tg cos Q N

trong đó: Qi – trọng lượng mảnh đất i, Qi = di.hi.1.g

- dung trọng, lực dính và góc nội ma sát của đất

Khi Ti > Ni thì vách đất mất ổn định và ngược lại

ở trạng thái cân bằng giới hạn, ta có Ti = Ni

Tức là:

i

i i

i i i

cos

d C tg cos Q sin

Chia hai vế cho Qi.cosai, ta có:

i 2 i

i

cos h

C tg

Nếu ta luy nền đường đảm bảo cho góc mái ai của nó thay đổi theo hi và luôn luôn phù hợp với điều kiện (*) thì về mặt cơ học, ta luy nền đường sẽ ổn định toàn khối

Phân tích từ điều kiện (*)

- Với đất cát có C = 0, muốn ổn định thì ta luy phải có góc dốc bằng góc nghỉ

tự nhiên ( = ), điều này hoàn toàn được chứng thực trên thực tế

- Với đất dính có C 0: điều kiện ổn định cơ học của mái dốc phụ thuộc vào chiều cao mái ta luy hi, khi hi 0 thì ai 90o, khi hi thì ai

Như vậy với đất dính cấu tạo mái ta luy nên có dạng trên dốc dưới thoải

Từ điều kiện (*) Maslop đơn giản hoá và thêm vào hệ số an toàn K (1-1,5),

ta có

(16)

i i

h

C tg K

Khi mái dốc qua các tầng, lớp đất đá khác nhau thì phải thiết kế có độ dốc khác nhau tương ứng, tạo thành mái dốc đào kiểu mặt gẫy hoặc tại chỗ thay đổi độ dốc bố trí thêm một bậc thềm rộng 1 3,0 m có độ dốc 5 – 10 % nghiêng về phía trong rãnh; trên bậc thềm phải xây rãnh thoát nước có tiết diện chữ nhật, tam giác đảm bảo đủ thoát nước đủ thoát nước từ tầng ta luy phía trên

Khi mái dốc đào không có các tầng lớp đất, đá khác nhau nhưng chiều cao lớn thì cũng nên thiết kế bậc thềm như trên với khoảng chiều cao giữa các bậc thềm

từ 6 – 12m

- Nền đường đắp:

Tuỳ theo độ cao của mái đắp và loại vật liệu đắp, độ dốc mái đắp theo qui định trong bảng sau

Bảng 1.4.1a Độ dốc mái đường đắp

Loại đất đá Chiều cao mái dốc

nền đắp dưới 6m

Chiều cao mái dốc nền đắp từ 6 đến

12m

Các loại đá phong hoá nhẹ 1: 1 1: 1,3 1: 1,3 1,5

Đá khó phong hoá cỡ lớn hơn

Với nền đường đắp cao, nền đường đắp trên đất yếu có thể tăng bề rộng bậc thềm để biến thành bệ phản áp

Xử lý nền tự nhiên trước khi đắp:

- Khi nền tự nhiên có dốc ngang dưới 20%, phải đào bỏ lớp đất hữu cơ rồi đắp trực tiếp

- Khi nền tự nhiên dốc ngang từ 20% đến 50% phải đào thành bậc cấp trước khi đắp nền đường

- Khi nền tự nhiên dốc ngang trên 50% phải thiết kế công trình chống đỡ (tường chân, tường chắn, đắp đá, cầu cạn, cầu kiểu ban công )

1.4.2 Hạn chế ảnh hưởng của nước mặt và nước ngầm

Phần lớn các vụ sụt trượt xảy ra với sự tham gia của nước, chính vì điều này việc đưa ra các giải pháp nhằm hạn chế ảnh hưởng của các nguồn nước là không thể thiếu trong mọi trường hợp tính toán thiết kế

1.4.2.1 Giảm Gradien áp lực nước ngầm

Nước ngầm ảnh hưởng đến sự ổn định bờ dốc thông qua hiện tượng xói ngầm, thấm hoặc khi nước ngầm chảy trên bề mặt ta luy gây xói lở bề mặt Để hạn chế ảnh hưởng của nước ngầm người ta xây dựng hệ thống mương thấm với nhiều kết cấu khác nhau nhằm giảm gradien áp lực thấm, làm hạ độ cao mực nước ngầm

Kết cấu mương thấm thường được thiết kế theo kiểu tầng lọc ngược Đáy của mương thấm thường đặt ở tầng không thấm nước, hoặc được gia cường bằng bê tông hoặc đá hộc xây Trong đa số các trường hợp mương thấm phải đặt ở dưới mặt trượt

1.4.2.2 Thoát nước mặt và chống xói

Khi làm tốt công tác điều chỉnh và dẫn thoát nước mặt thì sẽ hạn chế được rất nhiều khả năng phát sinh và khả năng phát triển các hiện tượng biến dạng nền đường Để thiết kế công trình thoát nước mặt có thể sử dụng một hoặc tổ hợp một

số trong các biện pháp sau:

- Rãnh dọc theo nền đường, rãnh đỉnh trên các sườn dốc

- Dốc nước, máng đứng

- Bậc nước

- Hố tiêu năng

- Cống các loại

- Cải tạo dòng

Trong các biện pháp trên việc xây dựng hệ thống rãnh là phổ biến hơn cả Việc xây dựng hệ thống rãnh có ưu điểm là đơn giản về mặt kỹ thuật, hợp lý về mặt kinh tế và đặc biệt là tác dụng cụ thể của chúng Hệ thống rãnh có tác dụng tập trung nước mặt rồi dẫn thoát ra những khu vực trũng để đảm bảo an toàn cho công trình nền đường

Hiện tượng sụt trượt thường xảy ra ở những đoạn nền đường đào với sườn dốc ta luy dương lớn Trong trường hợp đó việc xây dựng hệ thống rãnh đỉnh để tập trung và thu nước trên sườn dốc là một biện pháp rất hữu hiệu Ngay cả khi đã xuất hiện mặt trượt thì việc ngăn không cho nước mặt chảy từ trên sườn dốc xuống và thấm vào mặt trượt không thể thiếu hệ thống rãnh đỉnh Ngoài ra có thể dùng các loại vật liệu không thấm nước (đất sét) để ngăn không cho nước thấm xuống các khe nứt

Nước trên bề mặt sườn dốc được tập trung vào hệ thống rãnh đỉnh và rãnh biên Để dẫn nguồn nước trong rãnh về các khu vực trũng không ảnh hưởng đến nền đường không thể thiếu các công trình như: cống, dốc nước, bậc nước, hố tiêu năng… đặc biệt ở những khu vực sườn có độ dốc và độ cao lớn

Để chống xói cho bề mặt sườn dốc người ta thường sử dụng biện pháp trồng

cỏ Đây là biện pháp đơn giản nhất và thích hợp với những mái dốc thoải và cỏ có thể mọc tại mái dốc đó

Ngoài ra tại những vị trí mái dốc nền đường thường phải chịu sự tác động của dòng nước chảy hoặc nước dao động dạng sóng như nền đường ven sông, biển, suối, ao hồ… có thể dùng biện pháp lát đá hộc, dùng cành cây, rọ đá, gia cố mái ta luy bằng đá hộc xây, tấm bê tông xi măng…

1.4.3 Dùng kết cấu gia cường, kết cấu chống đỡ chịu lực

1.4.3.1 Dùng kết cấu gia cường

Nhóm biện pháp này bao gồm các giải pháp tăng cường khả năng chống trượt của đất đá trên bờ dốc, bằng cách giữ cho đất đá trên mái dốc ít thay đổi các đặc trưng cơ học, tăng khả năng chịu cắt cho đất đá…