Thực tế hiện nay, rất nhiều hiện tượng sạt trượt triền đá, lở mái dốc đá trên thếgiới cũng như ở Việt Nam gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản. Quathống kê của Ngân hàng Thế Giới, tổng diện tích đất bị trượt lở vào khoảng 3.7triệu km2 với dân số bị ảnh hưởng gần 300 triệu người, hay 5% tổng dân số thếgiới. Các khu vực có nguy cơ tương đối cao bao gồm khoảng 820.000 km2 với dân số thiệt hại ước tính là 66 triệu người. Qua tham khảo và tìm hiểu, hiện nay ở Việt Nam đã có nhiều các công trình nghiên cứu về sự trượt, sạt lở của mái dốc. Các nghiên cứu này đã làm rõ được một phần các vấn đề của hiện tượng trượt mái dốc nói chung và mái dốc đá nói riêng.Tuy nhiên, các vấn đề về mái dốc đá vẫn còn nhiều và chưa được nghiên cứu kĩ. Vì vậy, việc nghiên cứu sự ổn định trượt của mái đá là cần thiết và quan trọng trong vấn đề đảm bảo an toàn trong thi công các công trình có mái dốc bằng dá.
Trang 1Bùi Mạnh Cường
NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG TRƯỢT CỦA MÁI ĐÁ, KIỂM CHỨNG VỚI NỘI DUNG CỦA PHƯƠNG PHÁP SỐ, ĐỀ XUẤT PHƯƠNG HƯỚNG GIỮ ỔN ĐỊNH CHỐNG TRƯỢT
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình Ngầm
Chuyên ngành ghi tên chuyên ngành đào tạo
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
Bùi Mạnh Cường
NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG TRƯỢT CỦA MÁI ĐÁ, KIỂM CHỨNG VỚI NỘI DUNG CỦA PHƯƠNG PHÁP SỐ, ĐỀ XUẤT PHƯƠNG HƯỚNG GIỮ ỔN ĐỊNH CHỐNG TRƯỢT
LUẬN VĂN THẠC SỸ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình Ngầm
Mã số: 60.58.02.04
Cán bộ hướng dẫn: TS Lê Thiết Trung
Hà Nội - 2014
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình khoa học do chính tôi thực hiện Các kết quả, số liệu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tác giả luận văn
Bùi Mạnh Cường
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng Công trình Ngầm với đề tài “Nghiên cứu hiện tượng trượt của mái đá, kiểm chứng với nội dung của phương pháp số, đề xuất phương hướng giữ ổn định chống trượt” là sự thể hiện những kiến thức đã thu nhận được của tác giả trong những năm học tại Trường đại học Xây dựng dưới sự chỉ dẫn tận tình của các thầy cô trong trường và đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Cơ đất – Nền móng Tác giả luận văn xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
TS Lê Thiết Trung, trưởng bộ môn Cơ đất – Nền móng trường đại học Xây dựng Hà Nội, người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn
TS Vũ Minh Tân, bộ môn Cơ đất – Nền móng trường đại học Xây dựng Hà Nội, người đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu, giúp em sửa chữa những thiếu sót của luận văn Cùng toàn thể các thầy cô thuộc bộ môn Cơ đất – Nền móng, những người đã giúp đỡ cổ vũ và tạo mọi điều kiện cho học viên trong suốt quá trình học tập, định hướng nghiên cứu cũng như thực hiện luận văn
Cuối cùng xin gửi lời biết ơn đến những người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã cổ vũ, động viên trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và hoàn thành luận văn của mình
Hà Nội, ngày 19 tháng 3 năm 2014 Học viên
Bùi Mạnh Cường
Trang 5MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ix
MỞ ĐẦU 1
1 Đặt vấn đề 1
2 Mục tiêu của luận văn 1
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn 1
4 Phương pháp nghiên cứu 1
5 Cấu trúc của luận văn 2
6 Đóng góp của luận văn 2
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH MÁI DÔC ĐÁ 3
1.1 Tổng quan về ổn định mái dốc đá 3
1.1.1 Khái niệm 3
1.1.2 Các loại hình mất ổn định của mái dốc 4
1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự ổn định của mái dốc 7
1.1.4 Vấn đề mất ổn định mái dốc đá trong xây dựng 12
1.2 Các phương pháp tính toán ổn định mái dốc đá 16
1.2.1 Khái niệm 16
1.2.2 Các phương pháp tính toán ổn định bờ dốc 17
1.3 Các phương pháp giữ ổn định 25
1.3.1 Sửa mặt bờ dốc 25
1.3.2 Gia cố bờ dốc, chống phong hóa mái dốc 26
1.3.3 Làm chắc đất đá 27
1.3.4 Xây dựng các công trình chống trượt 27
1.3.5 Xây dựng các công trình thoát nước 29
1.4 Kết luận 30
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM SLIDE V6 31
2.1 Tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn 31
2.1.1 Tổng quan 31
2.1.2 Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn 32
2.2 Tổng quan về phần mềm SLIDE V6 33
2.2.1 Tổng quan 33
2.2.2 Các modul chính của phần mềm SLIDE 34
Trang 62.2.3 Các dạng bài toán của SLIDE 36
2.2.4 Ưu và nhược điểm của phần mềm 37
2.2.5 Các ứng dụng của phần mềm SLIDE 38
2.2.6 Các bước mô phỏng hóa 38
CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TRƯỢT MÁI DỐC TỰ NHIÊN 46
3.1 Giới thiệu công trình 46
3.1.1 Vị trí công trình 46
3.1.2 Đặc điểm địa chất – thủy văn: 47
3.1.3 Sơ đồ mái dốc: 51
3.2 Phương pháp tính toán 52
3.2.1 Yêu cầu tính toán 52
3.2.2 Cơ chế mất ổn định 53
3.2.3 Tiêu chuẩn đánh giá 53
3.2.4 Phương pháp tính toán 53
3.2.5 Bài toán kiểm chứng 58
3.2.6 Khảo sát mái dốc tự nhiên vai trái đập Sơn La 63
CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC 71
4.1 Phương pháp neo 71
4.1.1 Tổng quan 71
4.1.2 Phân loại neo 71
4.1.3 Cấu tạo của neo 72
4.1.4 Quy trình tính toán neo 74
4.2 Nghiên cứu áp dụng neo để giữ ổn định mái dốc đá tại khu vực vai trái đập thủy điện Sơn La 78
4.2.1 Sơ đồ và phương pháp nghiên cứu 78
4.2.2 Các thông số của neo 81
4.2.3 Các chỉ tiêu địa chất 81
4.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của phương neo tới hệ số an toàn 82
4.2.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dài tự do L f tới hệ số an toàn 85
4.2.6 Nghiên cứu ảnh hưởng khi thay đổi khoảng cách bố trí của neo tới hệ số an toàn 88
KẾT LUẬN 93
TÀI LIỆU THAM KHẢO 94
Trang 7DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Góc nghiêng của mặt trượt so với phương ngang
Trang 8DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Các loại mái dốc 3
Hình 1.2: Các dạng mặt trượt khi trượt theo một mặt trượt 5
Hình 1.3: Trượt theo các mặt bên 6
Hình 1.4: Hiện tượng đá đổ, đá lăn 6
Hình 1.5: Mất ổn định mái dốc tự nhiên 7
Hình 1.6: Một số nguyên nhân sạt trượt do yếu tố con người 11
Hình 1.7: Sạt mái ta luy thủy điện 12
Hình 1.8: Các ví dụ sụt lở mái dốc 14
Hình 1.9: Sạt trượt do nổ mìn 15
Hình 1.10: Mặt trượt song song bờ dốc 18
Hình 1.11: Mặt trượt không song song bờ dốc 19
Hình 1.12: Bờ dốc có 2 mặt trượt 21
Hình 1.13: Phương pháp tải trọng thừa 22
Hình 1.14: Bờ dốc có nhiều mặt trượt 22
Hình 1.15: Phương pháp vòng tròn lớn 23
Hình 1.16: Gia cố mái 26
Hình 1.17: Bơm keo PUR gia cố mái đá 27
Hình 1.18: Tường chắn kết hợp neo tại Ruzbakhi 28
Hình 1.19: Dùng cọc bê tông và neo ổn định mái đường tại San Remo 28
Hình 2.1: Phần mềm SLIDE V6 33
Hình 2.2: Modul MODEL 34
Hình 2.3: Modul Groundwater compute 35
Hình 2.4: Modul Slope Stability Compute 35
Hình 2.5: Modul INTERPRET 36
Hình 2.6: Điều kiện ban đầu 39
Hình 2.7: Các mô hình tính toán 39
Hình 2.8: Khai báo vật liệu cho lớp EDQ + IA1 41
Hình 2.9: Tải trọng phân bố đều 41
Hình 2.10: Tải trọng động đất 42
Hình 2.11: Dạng mặt trượt gãy khúc 42
Trang 9Hình 2.12: Định vị khu vực nguy hiểm cần tính 43
Hình 2.13: Khai báo phương pháp gia cố 44
Hình 2.14: Bố trí neo 44
Hình 2.15: Kết quả tính toán hệ số ổn định 45
Hình 2.16: Biểu đồ lực cắt 45
Hình 2.17: Biểu đồ lực dinh 45
Hình 3.1: Công trình thủy điện Sơn La 46
Hình 3.2: Sơ đồ mặt cắt địa chất mái tự nhiên 51
Hình 3.3: Sơ đồ mặt cắt địa chất sau khi thi công mái đào 52
Hình 3.4: Sơ đồ tính mái dốc có khe nứt trên đỉnh mái 54
Hình 3.5 Sơ dồ tính mái dốc có khe nứt trên mặt mái 55
Hình 3.6: Biểu đồ tra P, Q, S 57
Hình 3.7: Mô hình bải toán kiểm tra 58
Hình 3.8: Mô hình mái dốc bằng SLIDE 60
Hình 3.9: Khai báo vật liệu 60
Hình 3.10: Kết quả tính toán với góc dốc 33o 61
Hình 3.11: Biểu đồ so sánh kết quả hai phương pháp tính toán 62
Hình 3.12: mô hình mái dốc 63
Hình 3.13: Mái dốc khu vực 1 64
Hình 3.14: Mô phỏng bài toán 65
Hình 3.15: Khai báo vật liệu lớp IIA 65
Hình 3.16: Khai báo vât liệu lớp IIB 66
Hình 3.17: Kết quả tính toán ổn định khu vực 1( FS = 2.409) 66
Hình 3.18: Mái dốc khu vực 2 67
Hình 3.19: Mô phỏng bài toán 68
Hình 3.20: Khai báo vật liệu lớp IA2 69
Hình 3.21: Kết quả tính toán ổn định khu vực 2 (FS = 0.932) 69
Hình 4.1: Bảng phân loại neo 72
Hình 4.2: Cấu tạo của neo 73
Hình 4.3: Bó cáp neo 74
Hình 4.4: Giản đồ tính toán neo 75
Hình 4.5 : Mất ổn định mái dốc đá vai trái thủy điện Sơn La 79
Trang 10Hình 4.6: Mặt trượt nguy hiểm 79
Hình 4.7: Mô hình mái gia cố bằng phương pháp neo 80
Hình 4.8: Kết quả tính toán mặt trượt khi 320o 82
Hình 4.9: Hệ số an toàn nhỏ nhất FSmin = 1.316 83
Hình 4.10: Kết quả tính toán mặt trượt khi 6 50o 83
Hình 4.11 Hệ số an toàn nhỏ nhất FSmin = 1.216 84
Hình 4.12: Biểu đồ quan hệ góc nghiêng - hệ số ổn đinh 85
Hình 4.13: Kết quả tính toán mặt trượt khi L f1 = 12 m 86
Hình 4.14: Hệ số an toàn nhỏ nhất FSmin = 1.200 86
Hình 4.15: Kết quả tính toán mặt trượt khi L f1 = 18 m 87
Hình 4.16: Hệ số an toàn nhỏ nhất FSmin = 1.424 87
Hình 4.17: Biểu đồ quan hệ chiều dài tự do - hệ số an toàn 88
Hình 4.18: Kết quả tính toán mặt trượt khi axb = 2x3m 89
Hình 4.19: Hệ số an toàn nhỏ nhất FSmin = 1.221 90
Hình 4.20: Kết quả tính toán mặt trượt khi axb = 3x3 m 90
Hình 4.21: Hệ số an toàn nhỏ nhất FSmin = 1.111 91
Hình 4.22: Biểu đồ quan hệ khoảng cách neo - hệ số ổn định 92
Trang 11DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Phân loại chuyển động mái dốc 5
Bảng 2.1: Bộ số liệu đầu vào SLIDE 38
Bảng 3.1: Trụ địa chất 47
Bảng 3.2: Số liệu địa chất lớp edQ + IA1 48
Bảng 3.3: Số liệu địa chất lớp IA2 48
Bảng 3.4: Số liệu địa chất lớp IB 49
Bảng 3.5: Số liệu địa chất lớp IIA 49
Bảng 3.6: Số liệu địa chất lớp IIB 50
Bảng 3.7: Số liệu mực nước ngầm 50
Bảng 3.8: Hệ số an toàn theo TCXDVN 335-2004 53
Bảng 3.9: Số liệu bài toán kiểm tra 58
Bảng 3.10: Bảng tính trường hợp khe nứt trên đỉnh mái 59
Bảng 3.11 : Bảng tính trường hợp khe nứt trên đỉnh mái 59
Bảng 3.12: Bảng kết quả tính toán bằng SLIDE với góc nghiêng khe nứt thay đổi 61
Bảng 3.13: Kết quả hệ số ổn đinh 62
Bảng 3.14: Địa chất khu vực 1 64
Bảng 3.15: Tổng hợp kết quả tính toán hệ số ổn định khu vực 1 67
Bảng 3.16: Địa chất khu vực 2 68
Bảng 3.17: Tổng hợp kết quả tính toán hệ số ổn định khu vưc 2 70
Bảng 3.18: Tổng hợp kết quả tính toán 70
Bảng 4.1: Địa chất khu vực 2 81
Bảng 4.2: Biến thiên góc nghiêng neo 82
Bảng 4.3: Hệ số an toàn khi thay đổi góc nghiêng neo 84
Bảng 4.4: Biến thiên chiều dài tự do 85
Bảng 4.5: Hệ số an toàn khi thay đổi chiều dài tự do Lf 88
Bảng 4.6: Biến thiên góc nghiêng neo 89
Bảng 4.7: thay đổi khoảng cách neo 91
Trang 12MỞ ĐẦU
1 Đặt vấn đề
Thực tế hiện nay, rất nhiều hiện tượng sạt trượt triền đá, lở mái dốc đá trên thế giới cũng như ở Việt Nam gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản Qua thống kê của Ngân hàng Thế Giới, tổng diện tích đất bị trượt lở vào khoảng 3.7 triệu km2 với dân số bị ảnh hưởng gần 300 triệu người, hay 5% tổng dân số thế giới Các khu vực có nguy cơ tương đối cao bao gồm khoảng 820.000 km2 với dân
số thiệt hại ước tính là 66 triệu người
Qua tham khảo và tìm hiểu, hiện nay ở Việt Nam đã có nhiều các công trình nghiên cứu về sự trượt, sạt lở của mái dốc Các nghiên cứu này đã làm rõ được một phần các vấn đề của hiện tượng trượt mái dốc nói chung và mái dốc đá nói riêng Tuy nhiên, các vấn đề về mái dốc đá vẫn còn nhiều và chưa được nghiên cứu kĩ Vì vậy, việc nghiên cứu sự ổn định trượt của mái đá là cần thiết và quan trọng trong vấn đề đảm bảo an toàn trong thi công các công trình có mái dốc bằng dá
2 Mục tiêu của luận văn
Thu thập số liệu thực tế liên quan đến địa chất của một khu vực sườn dốc đá;
Nghiên cứu chuyển vị mái đá theo công thức lý thuyết và sử dụng phần mềm chuyên dụng để mô phỏng số hóa;
Đề xuất một giải pháp chống trượt cho mái đá Đánh giá hiệu quả của biện pháp thông qua mô phỏng bằng phần mềm trên
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn
Đối tượng nghiên cứu: Mái dốc taluy đá
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu hiện tượng trượt của mái dốc taluy đá theo
mặt trượt phẳng gẫy khúc Đề xuất phương án gia cố chống trượt cho mái dốc Đánh giá hiệu quả của biện pháp bằng phần mềm chuyên dụng
4 Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp toán và phương pháp số hóa, mô phỏng
Trang 13Phương pháp toán: Sử dụng phương pháp tính toán lý thuyết để tính toán ổn định cho mái dốc đá
Phương pháp số hóa, mô phỏng: Mô phỏng các điều kiện biên của bài toán bằng phần mềm chuyên dụng, tiến hành tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn
5 Cấu trúc của luận văn
Nội dung của luận văn được sắp xếp thành các phần sau:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về ổn định mái dốc đá
1.1 Tổng quan về ổn định của mái dốc đá
1.2 Các phương pháp tính toán ổn định mái dốc đá
1.3 Các phương pháp giữ ổn định mái dốc đá
Chương 2: Tổng quan về phần mềm SLIDE V6
2.1 Tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn
2.2 Tổng quan về phần mềm SLIDE V6
Chương 3: Phân tích ổn định trượt mái dốc tự nhiên
3.1 Kiểm toán độ chính xác của phương pháp số và phần tử hữu hạn
3.2 Tính toán mái dốc vai trái thủy điện Sơn La bằng SLIDE
Chương 4: Phương pháp gia cố ổn định mái dốc
4.1 Phương pháp neo
4.2 Nghiên cứu gia cố mái dốc vai trái thủy điện Sơn La bằng neo dự ứng lực Kết luận
6 Đóng góp của luận văn
Trình bày nguyên lý tính toán ổn định theo mặt trượt phẳng của mái dốc đá;
Đề xuất và đánh giá được hiệu quả của biện pháp neo gia cố thông qua kết quả tính toán bằng phần mềm địa kĩ thuật;
Tìm ra mối liên hệ giữa các điều kiện tự nhiên, địa chất thủy văn tới độ ổn định của mái dốc đá
Trang 14CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH MÁI DÔC ĐÁ 1.1 Tổng quan về ổn định mái dốc đá
1.1.1 Khái niệm
1.1.1.1 Khái niệm chung
Mái dốc của khối đất đá có thể được hình thành do tác nhân tự nhiên hoặc nhân tạo Tất cả các mái dốc có xu hướng giảm độ dốc tới dạng ổn định Mất ổn định được quan niệm là khi có xu hướng di chuyển và phá hoại Khi đó các lực gây mất ổn định lớn hơn các lực giữ ổn định [9, tr 266]
Hình 1.1: Các loại mái dốc
Có nhiều dạng di chuyển của sự mất ổn định trong đó tiêu biểu là sụt lở và trượt Đối với các mái dốc đá, hiện tượng này tương ứng với đá rơi và trượt
1.1.1.2 Mái dốc đất
Sự mất ổn định của mái dốc đất thể hiện chủ yếu qua hai dạng:
Sụt lở là đất đá di chuyển rời xa khỏi chỗ bị gián đoạn: các thớt nứt, đứt gẫy, mặt phân lớp… và điều kiện phá hoại hay thúc đẩy do tác động của áp lực nước hay
áp lực băng
Trang 15Trượt là dạng di chuyển mà trong đó khối đất đá cơ bản không bị xáo trộn trong khi trượt dọc theo một mặt xác định [10, tr180]
1.1.1.3 Mái dốc đá
Mất ổn định mái đá là hiện tượng dưới tác dụng của trọng lượng bản thân khối
đá trong bờ dốc, đồng thời do tác dụng của các yếu tố bên ngoài như ngoại lực, các hoạt động địa chất hay các tác động của nước ngầm và nước mặt…mà có thể làm bờ dốc bị dịch chuyển [7, Tr 266]
Từ quan sát dịch chuyển và nghiên cứu trạng thái ứng suất của khối đá trên bờ dốc sẽ đánh giá được sự ổn định của bờ dốc Nói chung, một bờ dốc sẽ ổn định khi
Trong đó:
ΣSi là tổng các lực giữ bờ dốc không bị trượt theo mặt yếu nhất trong khối đá
ΣTi là tổng các lực gây trượt trên mặt phẳng ấy
Tỷ số giữa tổng các lực giữ và tổng các lực gây trượt trên gọi là hệ số dự trữ
ổn định hay gọi tắt là hệ số ổn định Ký hiệu là n hoặc FS:
Si n
1.1.2 Các loại hình mất ổn định của mái dốc
Dưới các điều kiện tác động của ngoại lực thì các mái dốc đất hoặc đá có xu hướng thay đổi độ dốc của mái Đối với mái dốc đá ta có thể chỉ ra một số ví dụ mất
ổn định như:
Trượt theo một mặt trượt: Hiện tượng khối trượt bị dịch chuyển xuống dưới
theo các mặt phân lớp hay các mặt khe nứt là các mặt có liên kết kém nhất trong khối đá Mặt trượt ở trường hợp này thường là mặt phẳng (Hình 1.2, a) Trong các
đá đồng nhất, liên kết yếu, mặt trượt được coi là có dạng cung tròn (Hình 1.2, b)
Trang 16Trong đá đồng nhất, nứt nẻ nhiều thì mặt trượt là kết hợp của hai loại mặt trượt trên, không có hình dáng nhất định (Hình 1.2, c) Với khối đá có nhiều hệ thống khe nứt cắt nhau, mặt trượt có thể là một mặt gẫy khúc hay có thể cắt khe nứt ở một phần nào đó của mặt trượt
Hình 1.2: Các dạng mặt trượt khi trượt theo một mặt trượt
Theo D.J Varnes ta có thể phân loại các loại chuyển động khi mái dốc mất ổn định như bảng 1.1
Bảng 1.1: Phân loại chuyển động mái dốc
Loại vật liệu
Đất xây dựng Loại chuyển động
Đá gốc
Chủ yếu hạt thô Chủ yếu hạt mịn
Trang 17Trượt theo các mặt bên: Hiện tượng này được hình thành với hai mặt trượt
khác nhau, khối trượt được tạo thành có dạng hình nêm, chuyển dịch xuống phía dưới, trường hợp này thường xảy ra với những khối đá có hai hay nhiều hệ thống khe nứt giao nhau (Hình 1.3)
Hình 1.3: Trượt theo các mặt bên
Đá đổ, đá lăn: Hiện tượng các khối đá bị đổ, bị lăn theo các mặt trượt từ trên
cao xuống chân bờ dốc, thường thấy ở những khối đá có những khe nứt thẳng đứng hay có nhiều khe nứt ngang dọc làm khối đá bị cắt vụn ra Khi gặp điều kiện thuận lợi, chúng đổ hoặc lăn xuống phía dưới với tốc độ khá nhanh (Hình 1 4)
Hình 1.4: Hiện tượng đá đổ, đá lăn
Trong các dạng mặt trượt trên, nguy hiểm nhất là hiện tượng trượt theo một mặt trượt Trong mái dốc đá tồn tại các khe nứt song song với nhau và có thể song song với bề mặt mái dốc Đây là các vị trí có nguy cơ mất ổn định cao, dễ
Trang 18xẩy ra hiện tượng trượt Vì thế ta tập trung nghiên cứu theo hướng mặt trượt phẳng mà không bị ảnh hưởng nhiều đên kết quả tính toán
1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự ổn định của mái dốc
Các yếu tố ảnh hưởng tới sự mất ổn định của mái dốc ta có thể chia làm 2 nhóm chính là nhóm các yêu tố do tự nhiên hay còn gọi là các yếu tố khách quan và nhóm yếu tố cho con người hay còn gọi là các yếu tố chủ quan
1.1.3.1 Yếu tố tự nhiên
a) Dạng hình học của bờ dốc:
Bề ngoài bờ dốc được quyết định bằng chiều cao và góc nghiêng của bờ dốc Nói chung chiều cao càng lớn, góc nghiêng càng nhiều thì độ ổn định của bờ dốc càng kém (Hình 1.5)
Hình 1.5: Mất ổn định mái dốc tự nhiên
b) Tính chất của đá trên bờ dốc:
Khi bờ dốc bị chuyển dịch, lực gây trượt đã lớn hơn lực chống trượt và góc nâng ban đầu khi trượt của đá trên mặt trượt Trong các chỉ tiêu cơ lý của khối đá thì thông số góc ma sát trong và cường độ lực liên kết c của đá là những đặc trưng rất quan trọng khi nghiên cứu về trượt, nhất là các giá trị của và c xác định được bằng phương pháp hiện trường Khi các điều kiện khác như nhau, độ bền của đá càng cao thì góc nghiêng ổn định của bờ dốc càng lớn Với bờ dốc đá cao 300m khi tăng góc nghiêng bờ dốc từ 30o đến 34o thì đã giảm được việc phá huỷ và vận chuyển 10,8 triệu m3 đá trên 1 km dài của bờ dốc Mặt khác, do mặt trượt chủ yếu
Trang 19trong đá là trượt trên mặt các khe nứt nên tính chất nứt nẻ của khối đá ảnh hưởng rất lớn đến sự ổn định của bờ dốc
c) Mức độ phong hoá:
Ảnh hưởng của mức độ phong hoá đến độ ổn định bờ dốc thể hiện ở việc làm giảm độ bền của khối đá Tuỳ theo thành phần khoáng vật, cấu trúc của đá và môi trường bên ngoài mà đá có thể bị phong hoá bề mặt hay vào sâu bên trong khối đá với các tốc độ khác nhau Mức độ phong hoá càng tăng thì độ ổn định bờ dốc càng giảm
d) Khí hậu:
Lượng mưa hàng năm có ảnh hưởng quyết định đến độ ổn định bờ dốc qua việc làm mặt bờ dốc và bờ dốc bị ngập nước Nước mưa theo các khe nứt thấm vào trong đá làm thay đổi tính chất của đá, làm giảm lực liên kết giữa hai mặt của khe nứt, làm khe nứt phát triển rộng thêm, sâu thêm làm cho đá dễ bị trượt hơn Chế độ nhiệt của khu vực cũng làm ảnh hưởng tới độ ổn định của bờ dốc Sự dao động nhiệt độ trong một ngày (ban ngày và ban đêm), giữa các mùa (mùa lạnh và mùa nóng) đã làm xuất hiện các ứng suất nhiệt gây rạn nứt đá Chiểu sâu nứt nẻ của đá dao động phụ thuộc nhiều yếu tố, nhiều vị trí chỉ nứt nẻ trong 1 đến 2 cm nhưng có khi tới 27,6 m như ở Paris (Pháp)
e) Thuỷ văn và địa chất thuỷ văn
Nước mặt và nước ngầm đều ảnh hưởng tới sự ổn định của bờ dốc qua việc làm tăng độ ẩm của đá, làm tăng trọng lượng của khối trượt và làm giảm các đặc trưng cơ học của đá Khi chịu tác động của nước, góc ma sát trong và cường độ lực liên kết c của đá đều giảm, làm độ bền cắt của đá giảm đi Qua nhiều nghiên cứu đều chỉ ra rằng góc ma sát trong, cường độ lực liên kết và độ bền của đá đã giảm đi rất nhiều do ảnh hưởng của nước
f) Động đất
Những dao động của vỏ trái đất do động đất gây ra đã ảnh hưởng lớn đến sự
ổn định bờ dốc, những ảnh hưởng này còn phụ thuộc vào dạng của bờ dốc và tính chất của đá ở trong bờ dốc
Trang 20Khi xảy động đất, lực bổ sung do động đất gây ra tác dụng lên bờ dốc góp phần làm chuyển dịch đá trên bờ dốc Lực do động đất gây ra cũng chịu ảnh hưởng của tính chất đàn hồi của đá Khi động đất, vùng đất đá vụn rời có phạm vi ảnh hưởng nhỏ nhưng mức độ ảnh hưởng lại lớn, còn trong vùng đá rắn chắc thì ngược lại Thực tế, biên độ dao động của sóng động đất trong đá cứng là khoảng 2.5mm; nhưng trong đá rời rạc lại có thể lớn hơn hay bằng 100mm Người ta cũng đã tổng kết ở Nhật, khi có động đất, tỷ lệ nhà xây trên đá gốc bị phá huỷ chỉ chiếm khoảng 1,4% trong khi ở vùng trầm tích rời rạc, có tới 75-100% nhà cửa xây dựng ở đấy đã
bị phá hoại
g) Thời gian
Yếu tố thời gian luôn luôn ảnh hưởng tới độ ổn định của bờ dốc vì khi thời gian dài các yếu tố trên đều xảy ra Thời gian còn trực tiếp làm thay đổi tính chất của đá trên bờ dốc Khi thiết kế cần chú ý tới quá trình tư biến làm giảm độ bền của
đá theo thời gian
1.1.3.2 Yếu tố con người
Hoạt động của con người trong thế giới hiện đại ảnh hưởng rất lớn đến môi trường thiên nhiên, tạo điều kiện chuyển dịch các bờ dốc đá
Ảnh hưởng của yếu tố con người tới độ ổn định và gây chuyển dịch bờ dốc rất
đa dạng, bao gồm cả những ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp Theo thống kê có đến 80-90% nguyên nhân của các vụ trượt là đều do hoạt động của con người gây ra với khoảng hơn 50 loại hoạt động khác nhau
Yếu tố con người có thể chia thành một số nhóm sau:
Tất cả các hoạt động vô tình hay cố ý của con người làm tăng ảnh hưởng của nước đến bờ dốc như: đọng nước trên mặt bờ dốc, không thoát nước cho bờ dốc, để nước thấm sâu vào trong đá sẽ làm giảm độ bền của đá, dần dần dẫn tới sự dịch chuyển của đá trên bờ dốc
Làm thay đổi địa hình bờ dốc do các hoạt động của khai thác mỏ, của việc thi công các công trình xây dựng, giao thông, thuỷ lợi Việc khai thác mỏ thường dẫn
Trang 21đến hiện tượng trượt bờ dốc, nhất là với các mỏ lộ thiên Năm 1881, việc khai thác
đá ở vùng Elm (Thụy Sỹ) đã làm hơn 20 triệu m3 đá bị trượt chỉ trong vài phút, khối trượt đã tràn xuống , bao phủ cả một vùng rộng tới 90 ha, dày từ 10-20 m, phá huỷ nhiều nhà cửa và làm chết 83 người
Trong quá trình thi công các công trình xây dựng cũng tạo nên nhiều mái dốc khác nhau như mái đào hố móng, các ta luy âm và dương của công trình đường giao thông Các hoạt động này đã làm thay đổi địa hình bờ dốc, làm thay đổi sự phân bố ứng suất trong khối đá theo xu hướng có lợi cho sự mất ổn định nên cũng làm cho
bị thương 8 người, mặc dù Mỹ đã ném bom vùng này từ những năm 1963,1972
Trang 22Tuy nhiên, khi xét ảnh hưởng của các sóng chấn động do nổ mìn thì cũng không phải đơn giản, một chiều, vì ngoài việc phá huỷ đất đá , trong một chừng mực nào đó ở dưới sâu, đất đá cũng được làm chặt lại Do vậy, tuỳ điều kiện cụ thể,
ta mới có đánh giá về các ảnh hưởng này cho thích hợp
Hình 1.6: Một số nguyên nhân sạt trượt do yếu tố con người
Làm thay đổi điều kiện địa chất thuỷ văn do xây dựng đập, hồ chứa nước lớn: Khi làm thuỷ điện, thuỷ lợi, việc xây dựng các đập, hồ chứa đã ảnh hưởng rất lớn đến môi trường địa chất tự nhiên, trong đó có ảnh hưởng đến sự chuyển dịch của đất đá trên bờ dốc (hình 1.7) Ảnh hưởng này có thể được giải thích theo nhiều nguyên nhân:
Khi bị ngập nước, độ ẩm của đá tăng nên trọng lượng khối trượt cũng tăng Đồng thời các đặc trưng cơ học của đá đều giảm, làm độ bền và nhất là độ bền
Trang 23chống cắt của đá giảm đi Do bị ngập nước, khối trượt sẽ chịu sức đẩy Archimède, làm giảm thành phần lực giữ ổn định bờ dốc
Do mực nước ngầm tăng lên khi xây dựng đập và hồ chứa, làm áp lực thuỷ động của nước tăng lên Thường mực nước ngầm tăng khoảng từ 20 tới 60m
Sự dao động của mực nước ngầm làm thay đổi trạng thái của đá và áp lực nước lỗ rỗng trong chúng Ở nước ta, khi xây dựng hồ chứa cho nhà máy thuỷ điện Hoà Bình, người ta cũng phát hiện thấy sự trượt đổ của các khối đá vôi có thể tích hàng trăm m3 từ các bờ dốc trong khu vực xây dựng
Hình 1.7: Sạt mái ta luy thủy điện
Qua các nguyên nhân trên, ta nhận thấy trong thời điểm hiện nay nguyên nhân chủ yếu gây ra các vụ sạt trượt mái dốc là do yếu tố chủ quan của con người gây ra Các yếu tố khách quan gây ra sạt trượt đều xảy ra trong thời gian dài, biến đổi từ từ Nhưng các hoạt động của con người tác động vào tự nhiên một cách ồ ạt, các công trình được thi công nhanh chóng đã gây ra các tác động trực tiếp như tăng tải trọng lên mái dốc, tạo các chấn động lớn trong môi trường… các tác động này đã trực tiếp làm mất ổn định các mái dốc tự nhiên cũng như nhân tạo gây ra nhiều sự cố đáng tiếc
1.1.4 Vấn đề mất ổn định mái dốc đá trong xây dựng
Trong quá trính phát triển của con người luôn gắn liền với các hoạt động xây dựng Các hoạt động này tác động trực tiếp vào môi trường tự nhiên từ đó hình
Trang 24thành nên các mái dốc nhân tạo Các hoạt động này tạo ra các nguyên nhân chính gây ra mất ổn định mái dốc như gây đọng nước trên bề mặt gây các chấn động do hoạt động nổ mìn, xây hồ chứa
Thực tế hiện nay, rất nhiều hiện tượng sạt trượt triền đá, lở mái dốc đá trên thế giới cũng như ở Việt Nam gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản Việt Nam đứng thứ 7 trong số 75 quốc gia chịu thiệt hại nặng nề nhất dựa trên GDP Theo đó phần trăm tổng diện tích chịu rủi ro là 33.2%, phần trăm dân số trong diện tích chịu ảnh hưởng của rủi ro là 75.7%, và phần trăm của GDP trong diện tích chịu rủi ro là 89.4% Cũng theo thống kê, thể tích các khối trượt hàng năm trên đường giao thông sau mỗi mùa mưa ở Việt Nam lên đến hàng trăm nghìn mét khối, không chỉ phá hủy đường giao thông mà còn làm chết khoảng 30 người mỗi năm Một số ví dụ điển hình như:
1.1.4.1 Sạt lở mái taluy đường
Tại Hòa Bình, trong vụ sạt lở quốc lộ 6 tháng 02/2012 uớc tính khoảng 2 vạn mét khối đất đá đã vùi lấp 200m đường, làm tê liệt tuyến giao thông huyết mạch nối
Hà Nội với các tỉnh Tây Bắc, 2 người tử nạn, 3 căn nhà của dân bị san phẳng Nguyên nhân chính trong sự cố sạt lở này là do mưa lớn tăng độ ẩm của đất đá giảm khả năng chống cắt của đất cũng như của đá (Hình 1.8 a)
Đường Hồ Chí Minh nhánh phía Tây đoạn Đắk Rông - Thạnh Mỹ từ Km250T đến Km510T đi qua các tỉnh Quảng Trị, Thừa Thiên-Huế, Quảng Nam dài khoảng 250Km Sau khi thi công và hoàn thành vào năm 2005 đến nay đã và đang diễn ra hiện tượng sụt, trượt mái taluy hết sức mãnh liệt và phức tạp [3]
Theo thống kê của Viện Khoa học và Công nghệ GTVT tháng 11/2007 trên đoạn có khoảng 140 điểm sụt trượt các loại (Hình 1.8 c) Trong số140 điểm thống
kê được có 122 điểm sụt lở taluy dương, 13 điểm sụt lở taluy âm, 05 điểm sụt lở cả taluy dương và taluy âm, có 138 điểm có khối lượng trên 1000m3, 38 điểm có khối lượng > 10.000 m3 Hàng năm, trên tuyến xảy ra trung bình khoảng 30 đến 40 điểm sụt và trượt đất có qui mô vừa và lớn (>10.000 m3), hàng trăm điểm sụt qui mô nhỏ
Trang 25với khối lượng hàng chục vạn khối đất đá, mỗi năm lại phát sinh các điểm sụt khác nhau [3]
a, Sạt lở đường 6 – Hòa Bình
Hình 1.8: Các ví dụ sụt lở mái dốc
Các dạng phá hoại chủ yếu của ta luy gồm: trượt đất, sụt lở đất đá, xói sụt đất
đá, đá đổ đá lăn Trong các dạng sự cố trên, sự cố sụt lở đất đá là thường xuyên xảy
ra nhất Nguyên nhân chủ yếu gây ra các sự cố trên do quá trình thay đổi độ ẩm và mực nước ngầm khi vào mùa mưa Đồng thời với đó là do các hoạt động thi công
nổ mìn làm đường tạo sóng chấn động ảnh hưởng tới độ bền vững của khối đá Các vết nứt trong đá phát triển thêm Các giải pháp đưa ra chủ yếu đáp ứng yêu cầu thoát nước nhanh, không làm nước đọng trên về mặt mái dốc Cùng với đó là sử dụng các biện pháp gia cố, giữ chặt các khối đá
Trang 26Tính đến ngày 06/6/2013, theo ước tính của Sở GTVT - Chủ đầu tư của dự án đường tránh Hạ Long, với hơn 20.000 m3 đất đá sạt trượt và nền đường bị hư hỏng, việc khắc phục hư hại ước tính gần 1 tỷ đồng Vào thời điểm này rất nhiều điểm sạt
lở đã xảy ra Đa phần các điểm sạt lở đều xuất hiện sau mưa lớn nhiều ngày Từ đó
ta có thể khẳng định nguyên nhân chính dẫn tới sạt lở tại đây là do công tác thoát nước không tốt làm trọng lượng của khối đất đá tăng lên cũng như làm giảm khả năng chống cắt (Hình 1.8 b)
1.1.4.2 Sạt lở mái đá do tác động của nổ mìn
Vào lúc 6 giờ sáng ngày 07/6/2013 tại khu vực núi Vức (xã Đông Quang, Đông Sơn, Thanh Hóa) đã xảy ra vụ sạt lở mỏ đá làm bốn người chết và bị thương Khu vực này là mỏ khai thác đá thường xuyên sử dụng mìn để tiến hành khai thác đá Quá trình nổ mìn tạo các sóng chấn động tác động vào khối đá phát triển các vết nứt
cũ hoặc tạo thành các vết nứt mới Đây là nguyên nhân chủ yếu của nhóm sự cố này Trong quá trình thi công công trình thủy điện Bản Vẽ, ngày 15/12/2007 do nổ mìn khai thác đá đã làm sạt trượt hàng nghìn khối đất đá xuống công trường Vụ tai nạn trên đã làm hàng chục người bị vùi lấp trong khu khai thác đá Thiệt hại về người lên tới 18 cán bộ và công nhân Cùng với thiệt hại về người là việc dừng công trình để điều tra đánh giá, nghiên cứu biện pháp gia cố gây ra thiệt hại về kinh tế rất lớn
Hình 1.9: Sạt trượt do nổ mìn
Trang 27Hàng loạt sự cố kể trên xảy ra do nhiều nguyên nhân cả chủ quan và khách quan Trong đó các nguyên nhân khách quan có thể kể đến như: do hoạt động kiến tạo địa chất đất đá trong vùng đứt gãy, khe nứt bị cà nát, vò nhàu, uốn nếp và bị phong hoá mạnh; các đặc trưng cơ lý của đất đá, thành phần đất đá không đồng nhất
về tính chất cũng như cường độ kháng nén, kháng cắt hệ thống khe nứt trong đá, áp lực nước lỗ rổng thay đổi không có quy luật… Các nguyên nhân chủ quan có thể do tác động của con người, các chấn động do nổ mìn, áp lực khi tích nước hồ chứa Trong thực tế, sạt trượt đất đá thường phát triển mạnh ở khu vực đồi núi, nhất
là các đèo cao, địa hình phân cắt phức tạp, hoạt động xâm thực bóc mòn mạnh mẽ, nơi lộ đá gốc dễ bị phong hoá, phá huỷ do các tác động ngoại sinh, tích tụ tàn tích, sườn tích dày, đã và đang phát sinh nhiều khối trượt lở cổ và hiện đại Trượt mặt phẳng nằm nghiêng của lớp đá gốc hoặc theo đới yếu gần kề cắm thuận xuống đường giao thông Nguyên nhân quan trọng nhất làm phát sinh, phát triển sụt, trượt đất đá trên sườn dốc thường thấy là tác động của mưa với cường độ lớn và kéo dài Thực tế khảo sát và các nghiên cứu cho thấy: sụt, trượt đất đá hầu như chỉ xảy ra ồ
ạt vào mùa mưa lũ với cường độ và lượng mưa lớn, kéo dài từ 2 -4 ngày liên tục, còn vào mùa khô hiếm khi xảy ra Vấn đề đó đặt ra nhu cầu cấp thiết cần nghiên cứu đánh giá mối quan hệ giữa sự ổn định của mái dốc đá và các yếu tố ảnh hưởng tới nó
1.2 Các phương pháp tính toán ổn định mái dốc đá
1.2.1 Khái niệm
Để đánh giá ổn định bờ dốc, phải dự đoán được mức độ ổn định của nó Mức
độ ổn định của một bờ dốc lại được xác định qua hệ số an toàn ổn định hay thường gọi tắt là hệ số ổn định Hệ số này thường được tính toán theo tương quan giữa các lực giữ có xu hướng làm bờ dốc không bị chuyển dịch cũng và các lực gây trượt có xu hướng làm dịch chuyển bờ dốc
Khi tính toán ổn định bở dốc ta cần có các số liệu sau:
Hình dáng bên ngoài và cấu tạo bên trong của bờ dốc như trạng thái cấu trúc, tính phân lớp của đá, dạng hình học của bờ dốc cũng như mặt trượt là mặt mà trên đó xảy ra sự chuyển dịch bờ dốc Những đặc trưng này đều phụ thuộc vào
Trang 28tính chất của đá và các điều kiện xung quanh Người ta có thể coi mặt trượt là thẳng, cong (dạng cung tròn, hình trụ, dạng xoắn logarit ) hay bất kỳ và điều này sẽ ảnh hưởng đến phương pháp tính ổn định bờ dốc
Các đặc trưng vật lý của các lớp đá nằm trên bờ dốc Vì hiện tượng chuyển dịch đá xảy ra chủ yếu do tác động của ứng suất tiếp nên đặc trưng sức chống cắt của đá rất được quan tâm Mặt khác, người ta cũng cần biết những chỉ tiêu đặc trưng cho độ chặt của đá vì chúng sẽ liên quan đến trọng lượng của khối
đá có thể bị chuyển dịch
Sự xuất hiện và trị số của áp lực nước trong đá như độ sâu mực nước ngầm, áp lực thuỷ tĩnh hay thuỷ động và ảnh hưởng của lượng mưa tới chúng trong các mùa Những số liệu này rất cần thiết cho tính toán, làm tăng mức độ chính xác của các phương pháp tính
Trạng thái ứng suất ban đầu của khối đá trên bờ dốc và những ảnh hưởng của địa hình, địa chất, kiến tạo, các yếu tố tự nhiên và nhất là hoạt động của con người tới chúng
Những điều kiện biên ban đầu này rất cần thiết cho việc tính toán khả năng ổn đinh bờ dốc cũng như đề xuất các biện pháp làm ổn định bờ dốc sau này
1.2.2 Các phương pháp tính toán ổn định bờ dốc
1.2.2.1 Phương pháp cân bằng giới hạn
Trong phương pháp này, người ta giả thiết rằng hiện tượng trượt sẽ xảy ra theo một hay nhiều mặt trượt nhất định và trên đó sẽ tồn tại trạng thái cân bằng giới hạn Đối với mái dốc đá, mặt trượt có thể là một đường thẳng hay gẫy khúc khi trong khối đá có một hay nhiều hệ thống khe nứt Nếu bờ dốc đá là đồng nhất, không nứt
nẻ, mặt trượt có thể xẩy ra theo cung tròn giống như trong cơ học đất Trong thực
tế, ta ít bắt gặp bờ dốc đá mà không nứt nẻ, nên không trình bầy về mặt trượt cung tròn ở đây
Để tính toán bờ dốc đá nứt nẻ, người ta thường đề ra một số giả thiết:
Trang 29 Sức chống trượt (độ bền cắt) của đá theo các khe nứt, để đơn giản, coi như được biểu diễn theo thuyết bền Mohr – Coulomb;
Độ bền kéo của khối đá nứt nẻ coi như bằng 0;
Đường phương của các khe nứt trùng với đường phương của bờ dốc Giả thiết này cho phép coi việc tính toán ổn định bờ dốc như một bài toán phẳng
a) Bờ dốc có 1 mặt trượt: Đối với các bờ dốc đá rời hay đá phân lớp, mặt trượt
có thể song song hay không song song với mặt nghiêng bờ dốc
Trường hợp mặt trượt song song (trùng) với mặt nghiêng bờ dốc
Xét một mảnh bờ dốc phân lớp,
mặt phân lớp song song với mặt
nghiêng bờ dốc Bờ dốc có đặc trưng
hình học: chiều cao là h; chiều rộng là
b; chiều dài là 1 đơn vị Các lực tác
dụng lên mảnh được thể hiện trên hình
1.10
Hình 1.10: Mặt trượt song song bờ dốc
Áp dụng phương pháp của R.N.Morgenstern (1974), hệ số ổn định mái dốc là:
: Góc nghiêng mặt trượt so với phương ngang\
Z : Chiều cao nước ngầm
c : Cực dính của khối đá
: Góc ma sát trong của khối đá
Trang 30Khi đá no nước, mực nước ngầm trùng với mặt đất Khi đó, trong công thức (1.3), sẽ được thay bằng nn (trong lượng thể tích đá ở trạng thái no nước) và z sẽ được thay bằng hcos2 Do vậy, hệ số ổn định sẽ được tính bằng công thức:
: Trọng lượng thể tích đá ở trạng thái no nước
: Góc nghiêng mặt trượt so với phương ngang\
c : Lực dính của khối đá
: Góc ma sát trong của khối đá
Trường hợp mặt trượt không song song với mặt nghiêng bờ dốc
Giả sử một bờ dốc có chiều cao là h, góc nghiêng của bờ dốc là , mặt trượt hợp với phương nằm ngang 1 góc , cho rằng mặt trượt đi qua chân bờ dốc
Hình 1.11: Mặt trượt không song song bờ dốc
Khi mặt trượt (là mặt khe nứt, mặt phân lớp của đá hay là mặt phẳng trong đá rời rạc) có góc nghiêng nhỏ hơn góc nghiêng của bờ dốc thì việc tính toán ổn định
có thể theo phương pháp của C.Culmann (1866), dựa trên giả thiết là sự chuyển dịch bờ dốc sẽ xảy ra khi ứng suất cắt trên mặt trượt lớn hơn sức chống cắt của đá
Trang 31tại đó và mặt trượt sẽ là mặt có tỷ số giữa sức chống cắt của đá và ứng suất cắt gây chuyển dịch bờ dốc là nhỏ nhất
Hệ số ổn định bờ dốc sẽ được tính theo công thức:
2 sin sin( )
: Góc ma sát trong của khối đá
Với đá rời cường độ lực liên kết coi như bằng 0 Vì vậy hệ số ổn định của bờ dốc đá rời sẽ được tính:
tg n tg
b) Bờ dốc có hai mặt trượt (mặt trượt gãy khúc)
Trong trường hợp này, mặt trượt bao gồm hai mặt phẳng Loại mặt trượt này thường gặp khi trong đá có hai hệ thống khe nứt với các góc nghiêng khác nhau
Phương pháp phân mảnh đơn giản
Giả sử bờ dốc có hai mặt trượt thẳng hợp với phương nằm ngang các góc là
điểm hai mặt trượt, giữa các khối không có sự tương tác với nhau
Trang 32Cho rằng trọng lượng hai mảnh khối trượt là G1 và G2 Phân tích trọng lượng G1 và G2 thành các lực có phương vuông góc và song song với các mặt trượt Chú ý
là thành phần lực vuông góc với các mặt trượt sẽ gây ra lực ma sát và trên mỗi mặt trượt, còn có lực liên kết được tính bằng tích của
cường độ lực liên kết và chiều dài mặt trượt
trượt của khối trượt thứ 1
trượt của khối trượt thứ 2
: góc ma sát trong của khối đá
Phương pháp tải trọng thừa
Người ta quan sát thấy là khi bờ dốc có hai mặt trượt bị mất ổn định thì sự phá huỷ sẽ xảy ra hai mặt trượt dốc hơn, khi các lực tác động lên nó gần đạt tới trạng thái cân bằng giới hạn Do khối đá không phải là vật rắn tuyệt đối nên khi phần trên của bờ dốc bị dịch chuyển, chúng sẽ truyền xuống phía dưới các tải trọng thừa để tạo nên một trạng thái cân bằng mới Vì vậy, khi tính toán, nên kể đến hiện tượng này (Hình 1.13)
Chia khối trượt thành hai khối bằng mặt phẳng thẳng đứng đi qua giao điểm của hai mặt trượt Phân tích các lực tác dụng lên khối 2 như khi phân tích lực trong bài toán 1 mặt trượt Giả sử rằng lực gây trượt ở khối 2 lớn hơn tổng các lực giữ, khối sẽ bị dịch chuyển và truyền xuống khối 1 một lực
Trang 33Hệ số ổn định bờ dốc:
[G cos (sin cos ) sin( )]
lượng, góc mặt trượt, lực dính, chiều dài
mặt trượt của khối trượt thứ 1
lượng, góc mặt trượt, lực dính, chiều dài
mặt trượt của khối trượt thứ 2
: Góc ma sát trong của khối đá
Hình 1.13: Phương pháp tải trọng thừa
c) Bờ dốc có nhiều mặt trượt
Khi những bờ dốc đá không có cấu trúc địa chất rõ ràng, hay bị thay đổi thì dễ tính toán, người ta thường chia khối trượt bằng những mặt phẳng thẳng đứng Mặt trượt sẽ gồm nhiều đoạn thẳng hợp với phương nằm ngang những góc khác nhau Trạng thái giới hạn sẽ không
đồng thời xảy ra tại tất cả các mặt
trượt, mà hiện tượng chuyển dịch
sẽ xuất hiện dưới dạng chuyển vị
và biến dạng cục bộ tại đoạn bờ
dốc nào có mặt trượt dốc nhất
Những chuyển vị và biến dạng
này sẽ ảnh hưởng tới đoạn bờ dốc
tiếp theo và sẽ được tính toán
theo phương pháp tải trọng thừa
đã nêu ở trên
Hình 1.14: Bờ dốc có nhiều mặt trượt
Trang 341.2.2.2 Phương pháp đánh giá ổn định qua bài toán không gian
Trong thực tế, nhiều khi gặp các bờ dốc bị giới hạn bởi nhiều hệ thống khe nứt
có các góc phương vị hướng dốc khác nhau Sự chuyển dịch của các bờ dốc này có thể xảy ra theo một, hai hay ba mặt khe nứt Người ta có thể đánh giá khả năng ổn định trong bài toán không gian bằng phương pháp đồ thị Nguyên tắc chung là vẽ các mặt khe nứt và mặt bờ dốc trên biểu đồ, tìm giao tuyến của các mặt khe nứt (mặt yếu trong khối đá), xác định vùng có khả năng gây ra trựơt rồi đánh giá sự ổn định của bờ dốc qua vị trí của các mặt yếu so với vùng nguy hiểm của khối đá
Hình 1.15: Phương pháp vòng tròn lớn
1.2.2.3 Phương pháp phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng
Trong phương pháp này, người ta muốn biểu diễn một cách rõ ràng quan hệ hàm số giữa ứng suất và biến dạng của đá nằm trong bờ dốc với các điều kiện biên của chúng để có thể xác định được trường ứng suất tại mọi điểm của bờ dốc định nghiên cứu
Khi tính toán ổn định bằng cách phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng, phải
sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Chia khối trượt bằng mạng lưới tam giác Tại mỗi điểm nút đều xác định tọa độ phẳng, tính chất vật lý của môi trường, quan
Trang 35hệ hàm số của sự chuyển vị, biến dạng tương đối, sự chuyển từ ứng suất ra lực tại điểm nút của nó
Lập các ma trận cho mỗi phần tử bằng hệ thống các phương trình tuyến tính thoả mãn các điều kiện cân bằng, đồng thời lập ra các điều kiện biên để giải chúng trên máy tính
Sau khi đã xác định được sự phân bố ứng suất (nhất là ứng suất trượt) trên bờ dốc, đem so sánh với độ bền cắt lớn nhất tại điểm lựa chọn sẽ vẽ được các vùng phân bố ứng suất như vùng bị phá huỷ, vùng phá huỷ mở rộng hay vùng biến dạng của toàn bộ bờ dốc
Để có thể áp dụng được phương pháp này, phải có đầy đủ những số liệu về tính chất biến dạng và độ bền của đá như môđun biến dạng theo trục x và y, Ex , Ey
; hệ số Poisson v; các đặc trưng của sức chống cắt , c; hệ số áp lực ngang k, trọng lượng thể tích của đất đá Đây cũng là một khó khăn vì các số liệu trên không phải lúc nào cũng xác định được một cách chính xác Mặt khác, một vấn đề khó khăn nữa là phải xác định được trạng thái ứng suất ban đầu của đá, mà điều này lại phụ thuộc vào cấu trúc địa chất, địa hình và lịch sử phát triển của nó cũng như các hoạt động của nước ngầm Nói chung, khi áp dụng phương pháp này đòi hỏi việc khảo sát địa chất công trình phải được thực hiện ở mức độ rất cao và trong thực tế hiện nay, không phải lúc nào cũng đáp ứng được
Vì vậy, việc tính toán ổn định bằng phương pháp phân tích trạng thái ứng suất -biến dạng chỉ được dùng trong các bờ dốc nhân tạo lớn và cao với các đặc trưng địa kỹ thuật đã biết một cách rõ ràng
Trong điều kiện nghiên cứu về mái dốc đá, có rất nhiều mặt trượt và khả năng trượt có thể xẩy ra Tuy nhiên, trong mái đá các khe nứt là song song với nhau và có thể song song với mặt phẳng mái đá Các hiện tượng trượt thường có
xu hướng xảy ra tại các khe nứt và theo hướng của khe nứt Nguyên nhân là do tại đây khả năng giữ ổn định của khối đá là kém nhất Khi ta tiến hành nghiên
Trang 36cứu theo phương án mặt trượt phẳng, gẫy khúc dựa theo các vết nứt trong đá sẽ không ảnh hưởng nhiều tới kết quả đưa ra
1.3 Các phương pháp giữ ổn định
Ta đã tìm hiểu cách tính toán kiểm chứng khả năng ổn định của các khối đá Trong thực tế, khi các điều kiện ổn định không đáp ứng được thì ta phải tiến hành các biện pháp gia cố nhằm tăng hệ số ổn định của mái dốc đạt đến yêu cầu Trong thực tế các biện pháp gia cố có thể chia thành các nhóm chính như:
Sửa mặt bờ dốc;
Gia cố bờ dốc, chống phong hóa mái dốc;
Làm chắc đất đá;
Xây dựng các công trình chống trượt;
Xây dựng các công trình thoát nước;
Các biện pháp đặc biệt;
1.3.1 Sửa mặt bờ dốc
Sửa mặt bờ dốc tức là làm thay đổi hình dáng bên ngoài của bờ dốc để bờ dốc được ổn định đồng thời với việc loại bỏ các yếu tố bất lợi hoặc không dự đoán được khả năng ổn định đối với bờ dốc như các khối đá nứt nẻ, có khả năng rơi Công tác sửa mặt bờ dốc có thể sử dụng thủ công hoặc dùng máy móc hỗ trợ Trên các địa hình nhỏ, khó khăn thi công thì sử dụng nhân công thủ công kết hợp thiết bị cầm tay trong công tác sửa mái Với các diện thi công rộng thì sử dụng máy móc, có thể kết hợp công tác nổ mìn để nhanh chóng tạo mái dốc mới
Nguyên tắc của công tác này là làm giảm nhẹ phần trên đỉnh bờ dốc và làm nặng thêm trọng lượng ở phần chân bờ dốc Phạm vi áp dụng chủ yếu tại các vị trí
có diện tích lớn, không bị giới hạn không gian nhiều Phương pháp này đơn giản dễ thực hiện tuy nhiên đem lại hiệu quả nhanh và thiết thực
Biện pháp này đã được áp dụng tại khu vực thủy điện Hòa Bình Theo thống
kê, hiện tại có tới 30% công tác chống trượt sử dụng phương pháp này
Trang 371.3.2 Gia cố bờ dốc, chống phong hóa mái dốc
Trong thực tế, sự mất ổn định của mái dốc đá có nguyên nhân chủ yếu là các tính chất cơ lý của đá bị biển đổi do các ảnh hưởng của sự phong hóa bề mặt, nước ngầm Khi đó các tính chất cơ lý của đá bị giảm mạnh, khả năng chống cắt của khối
đá giảm tạo điều kiện cho hiện tượng trượt xuất hiện
Biện pháp này chủ yếu áp dụng cho các mái ta luy đường, mái hố đào không cao lắm Các khu vực có sự biến đổi lớn về khi hậu, nhiệt độ Nguyên tắc thực hiện
là đảm bảo cho các đặc trưng cơ học của đá trên mặt bờ dốc không bị giảm đi do đá không bị phong hoá dần dần dưới tác động của các tác nhân phong hoá
Với các bờ dốc đá có thể dùng lớp phủ bằng đá lát, bitum, xi măng phun vẩy hay đôi khi còn dùng cả các lưới thép nhỏ ở bên trong gắn chặt với đá bằng các bu lông ngắn rồi phủ ximăng ở ngoài (Hình 1.16)
Biện pháp này đơn giản, dễ làm nhưng cần phải chú ý tới khe nứt bên trong
đá Khi áp dụng biện pháp này cần chú ý kết hợp các biện pháp thoát nước, đảm bảo khả năng thoát nước của mái đào, tránh tạo thành áp lực nước sau lớp phun vẩy gây xói ngầm
Hình 1.16: Gia cố mái
Trang 38Chất kết dính thường được sử dụng là hỗn hợp hồ xi măng, bitum, silicat, keo epoxy… Các chất kết dính này được tính toán thành phần và áp lực bơm phù hợp để lan sâu vào trong tầng đá đồng thời tạo được màn chống thấm Tại Poudre Canyon,
đã sử dụng công nghệ bơm keo PUR gia cố khoảng 80 m2 mái dốc đá có các khe nứt dài từ 0.5 tới 3 m, bề rộng của khe nứt lớn đạt tới 2 mm (Hình 1.17)
Hình 1.17: Bơm keo PUR gia cố mái đá
1.3.4 Xây dựng các công trình chống trượt
Các mái dốc có xu hướng trượt theo các mặt trượt khác nhau, nếu ta tiến hành xây dựng công trình tại chân mặt trượt và có tác dụng giữ khối trượt đó lại thì tăng khả năng ổn định của công trình
Trang 39Ngày nay, các biện pháp thi công ngày càng hiện đại, các công trình chống trượt đa dạng như tường chắn, tường chống, neo giữ… hoặc kết hợp các phương pháp với nhau
Các dạng tường chống thường gặp là tường dạng cột liên tiếp nhau hoặc dạng khối lớn tác dụng chủ yếu của tường là chống lại sự chuyển động của các khối đá Các tường chắn thường sử dụng bê tông cốt thép và đa phần là các tường trọng lực Đối với các khu vực có cung trượt sâu nguy hiểm thì phần móng của tường có thể
sử dụng thêm các loại cọc để đảm bảo chống cắt như cọc ép, cọc khoan nhồi… Hiện tại, phương pháp neo đang được sử dụng rộng rãi Neo là một thanh thép đặt trong đá, được liên kết với các khối đá bằng chất kết dinh (keo epoxy…) Neo được phân chia thành 2 loại là neo thường và neo ứng suất trước
Neo được đặt theo hướng hợp với phương pháp tuyến của mặt trượt một góc θ Lực căng neo T sẽ được phân tích thành các thành phần vuông góc và song song với mặt trượt đều có tác dụng làm bờ dốc ổn định thêm
Giá thành thi công neo cao nhưng dùng neo đem lại hiệu quả kinh tế lớn do khối lượng vật liệu xây dựng ít (giảm được từ 40 – 85%) Thi công neo không đòi hỏi mặt bằng lớn và đem lại vẻ mỹ quan cho công trình
Hình 1.18: Tường chắn kết hợp neo tại
Ruzbakhi
Hình 1.19: Dùng cọc bê tông và neo ổn định mái đường tại San Remo
Trang 40Thực tế hiện nay, các công trình không dùng đơn thuần một phương pháp gia
cố mà sử dụng kết hợp các phương pháp lại với nhau để đem lại hiệu quả cao nhât
Để ổn định vùng trượt ở tunel gần Ruzbakhi trên đường Podolinex – Orlov (Tiệp Khắc) người ta đã dùng tường chắn và 212 neo ứng suất trước với sức căng của mỗi neo là 1000kN (Hình 1.18), hay trên tuyến đường sắt ở San Remo (Ý) người ta đã dùng tới 300 neo ứng suất trước với sức căng của mỗi neo là 1200kN kết hợp với các cọc bê tông, các khối bê tông trên mặt để làm ổn định bờ dốc phiá trên của đường (Hình 1.19)
Các biện pháp xây dựng công trình chống trượt đều tốn kém, nhưng khả năng chống trượt đều tốt, đảm bảo các điều kiện về thẩm mỹ mỹ quan cũng như an toàn công trình
1.3.5 Xây dựng các công trình thoát nước
Các mái dốc đều có xu hướng mất ổn định vào mùa mưa Từ đó ta thấy được ảnh hưởng của nước trong mái dốc rất lớn, khi lượng nước này không được giải thoát khỏi mái dốc thì sẽ tăng thêm thành phần gây trượt cũng như phá hủy khả năng chống cắt của đá Mục tiêu của phương pháp là tránh nước ngầm thấm vào bờ dốc hoặc thoát nhanh lượng nước có trong mái dốc Nước trên mái dốc có 2 loại chính là nước mặt và nước ngầm
a) Thoát nước mặt
Để ngăn chặn nước thấm vào bờ dốc, phải nhanh chóng dẫn nước mưa hay nước mặt từ vùng cao hơn chảy xuống ra khỏi bờ dốc Muốn vậy có thể thực hiện một số biện pháp sau:
Làm mương rãnh thoát nước;
Lấp chặt các khe nứt, lỗ rỗng để ngăn nước thấm vào;
Che phủ các khe nứt bằng màng chất dẻo;
Tạo màng chống thấm phủ lên bờ dốc để chống nước thấm vào bờ dốc
