OCDI Phan 5 chuong 6 (NỀN MÓNG)

Trong thiết kế cảng và các công trình bến, loại nền móng thích hợp sẽ được chọn lựa căn cứ vào tầm quan trọng của công trình và điều kiện đất nềnNếu đất nền có lớp đất sét yếu, thì độ ổn định và độ lún của nền móng sẽ phải xem xét kỹ lưỡng. nếu đất nền gồm các lớp cát rời, thì ảnh hưởng của yếu tố hóa lỏng do động đất sẽ được đề cập đếnNếu sức chịu tải của đất nền không đủ so với tải trọng của kết cấu thì cần thiết phải tính đến giải pháp móng cọc và cải tạo đất nền cho công trình

Chơng 6 ổn định mái dốc

6.1 Khái quát

(1) ổn định mái dốc chống trợt gây ra bởi tự trọng của đất và (hoặc) tải trọng rải

đều cần đợc phân tích nh là một bài toán hai chiều, với giả thiết mặt trợt cung tròn hoặc phẳng.

(2) Phân tích ổn định mái dốc cần đợc thực hiện trong điều kiện mái dốc kém ổn

định nhất.

[ Chú giải ]

(1) Khái quát

Phân tích ổn định mái dốc là tính toán hệ số an toàn tại trạng thái cân bằng giới hạn khi khối đất của mái dốc trở nên mất ổn định do trọng lợng của nó và/hoặc của ngoại tải Các phơng pháp tính toán sử dụng trong phân tích ổn định mái dốc cũng có thể dùng để nghiên cứu khả năng chịu lực của nền móng, vì nó đợc dùng để kiểm tra sự ổn định của khối đất

(2) Hình dạng của mặt trợt

a) Các loại hình dạng của mặt trợt

Về lý thuyết, hình dạng của mặt trợt bao gồm mặt trợt phẳng, xoắn lôgarit và/hoặc cung tròn1) Tuy nhiên, trong thực tế chỉ giả thuyết mặt trợt là phẳng hoặc cung tròn Khi tầng đất đặc biệt yếu thờng giả

định các mặt trợt nằm trên đó Nói chung, mặt trợt đợc giả định sẽ là mặt trợt mà ở đó khối trợt dễ xảy

ra Nh vậy, mặt trợt có dạng cong gấp hoặc đờng cong đợc coi nh là chuyển động không tự nhiên và

sẽ không đợc dùng

b) Phá hoại mái dốc của nền cát

Phá hoại mái dốc của nền cát khô hoặc cát bão hoà nớc thờng theo kiểu nghiêng do máI dốc bị tụt xuống Nh vậy, hình dạng của nó phải đợc coi nh mặt phẳng hơn là cung tròn Ngay cả khi giả định mặt trợt là cung tròn, hình dạng của nó gần giống với mặt phẳng Độ nghiêng của mái dốc nền cát khi cân bằng đợc gọi là góc nghỉ, tơng đơng với góc ma sát trong ứng với độ rỗng của cát trong mái dốc Góc nghỉ của cát không bão hoà có lực dính biểu kiến vì sức căng bề mặt của nớc lỗ rỗng trong cát trở nên lớn hơn so với cát khô hay cát bão hoà

c) Phá hoại mái dốc của nền sét

Mặt trợt phá hoại thực tế của nền sét gần nh là cung tròn, và thờng xảy ra trợt sâu nên gọi là phá hoại nền, trong khi đó đối với mái dốc cát thờng xuất hiện trợt nông gần trên bề mặt mái dốc

Phân tích ổn định mái dốc thờng là bài toán hai chiều Tuy mặt trợt thực tế của mái dốc với sự mở rộng theo chiều dọc sẽ thành dạng mặt trợt cong ba chiều nhng phân tích hai chiều sẽ có lời giải an toàn hơn Khi sự ổn định bị giảm do ngoại tải phủ trên một phạm vi nào đó sức kháng bên của hai đầu mặt trợt có thể đa vào tính toán

(3) Ngoại lực trong phân tích ổn định mái dốc

Nguyên nhân quan trọng của phá hoại trợt là do trọng lợng của đất, chất tải, áp lực nớc v.v Bên cạnh

đó còn có tải trọng chu kỳ nh là lực chấn động, lực sóng v.v Sức kháng trợt là sức kháng cắt của đất

và đối trọng Vì cờng độ chịu cắt của đất liên quan đến thời gian, bài toán ổn định trong khối đất đợc phân thành hai trờng hợp: Đặt tải lên nền ở trạng thái cố kết bình thờng và dỡ tải bằng cách xúc đi Tr-ờng hợp đầu đợc xem nh bài toán ổn định ngắn hạn, trTr-ờng hợp sau là ổn định dài hạn ở mỗi trTr-ờng hợp, cờng độ chịu cắt có giá trị ớc lọng phù hợp (xem Phần II 11.3.3 Đặc tính cắt)

[ Chỉ dẫn kỹ thuật ]

Hệ số an toàn ổn định mái dốc là tỷ số giữa sức chịu cắt cuả đất và ứng suất cắt phát sinh trong mặt trợt giả định Do giá trị của hệ số an toàn của mặt trợt giả định khác nhau theo mặt trợt nên hệ số an toàn chống trợt của mái dốc là nhỏ nhất trong tất cả các loại mặt trợt giả định khác nhau theo điều kiện

đã cho Nh một tiêu chuẩn, hệ số an toàn cao hơn 1,3 cho các điều kiện bình thờng, để duy trì ổn định mái dốc Tuy nhiên, hệ số an toàn nằm trong khoảng 1,1 – 1,3 có thể chấp nhận khi các thông số thiết

kế có độ tin cậy cao Dựa vào sự làm việc thực tế trong các điều kiện đất tơng tự, và công việc xây dựng sẽ đợc thực hiện với quan trắc chi tiết sự dịch chuyển và ứng suất của nền2)

6.2 Phân tích ổn định

6.2.1 Phân tích ổn định bằng phơng pháp mặt trợt tròn (điều 44 thông báo)

Dựa vào các đặc tính của nền, ổn định mái dốc cần đợc kiểm tra bằng phân tích trợt tròn theo phơng pháp Fellenius cải biên bằng công thức dới đây, hoặc phơng pháp thích hợp theo 2.5 Sức chịu tải với tải trọng nghiêng và lệch tâm Trong các phân tích nêu trên, hệ số an toàn cần có giá trị phù hợp với đặc tính của nền và kết cấu.

∑ ∑

∑

∑

+

+

= +

+

=

Ha R W

W cb Ha

Wx

W c

R

FS

1 sin

sec ) tan cos (

tan cos

α

α φ α φ

α



(6.2.1)

Trong đó:

FS : Hệ số an toàn theo phơng pháp Fellenius cải biên

R : Bán kính cung trợt (m).

c : Sức kháng cắt không thoát nớc của đất dính hoặc lực dính biểu kiến của

đất cát ở điều kiện thoát nớc (kN/m2)

 : Chiều dài đáy của phân đoạn (m)

W’ : Trọng lợng có hiệu của phân đoạn trên đơn vị dài (Tổng trọng lợng bản

thân đất và chất tải; đối với phần ngập sử dụng trọng lợng đơn vị ngập) (kN/m)

α : Góc của đáy phân đoạn so với phơng nằm ngang (0)

φ : Góc ma sát trong của đất cát trong điều kiện thoát nớc đối với sét (0),

Bằng 0 cho đất dính.

W : Tổng trọng lợng của phân đoạn trên đơn vị dài (Tổng trọng lợng đất,

n-ớc và chất tải) (kN/m)

x : Khoảng cách nằm ngang giữa trọng tâm của phân đoạn và tâm cung

tr-ợt (m).

H : Ngoại lực theo phơng ngang tác động vào khối đất trong khung trợt (áp

lực nớc, lực chấn động và lực sóng) (kN/m)

a : Cánh tay đòn theo phơng ngang của ngoại lực H đối với tâm cung trợt

(m)

b : Chiều rộng của phân đoạn (m)

[ Chú giải ]

Trong phân tích ổn định mái dốc, nguyên nhân gây trợt có thể do trọng lợng đất, chất tải, áp lực nớc,áp lực sóng, lực địa chấn và các lực khác Các lực chống trợt là lực chống cắt của đất đối trọng và các lực khác Hệ số an toàn chống trợt mái dốc là tỷ số giữa cờng độ cắt của đất và ứng suất cắt phát sinh trên mặt trợt giả định Khi giả định mặt trợt tròn nó đợc tính bằng tỷ số giữa mô men chống và mô men lật quanh tâm trợt tròn

[ Chỉ dẫn kỹ thuật ]

(1) Phân tích ổn định theo phơng pháp Fellenius cải biên

Có nhiều phơng pháp tính ổn định trợt khác nhau Chúng khác nhau các giả thiết về tác động của lực trong mặt phẳng đứng giữa các phân đoạn Phơng pháp Fellenius cải biên giả thiết rằng, chiều của lực tổng hợp tác động trong mặt phẳng đứng giữa các phân đoạn là song song với đáy các phân đoạn

Đây là phơng pháp đơn giản hoá của phơng pháp Tschebotarioff Khi cung trợt và phân đoạn nh hình T-6.2.1 thì hệ số an toàn theo phơng pháp Fellenius cải biên có thể dùng công thức (6.2.1).

Để phân tích ổn định mái dốc trớc hêt xác định tâm cung trợt Trong các cung trợt giả định có cùng chung một tâm, tìm một cung có giá trị hệ số an toàn nhỏ nhất, hệ số an toàn này sẽ là hệ số cho tâm

đó Hệ số an toàn cho các tâm khác cũng làm cách tơng tự Giá trị nhỏ nhất thu đợc thông qua đờng bao của các hệ số an toàn là hệ số an toàn chống trợt của mái dốc

(2) Phân tích ổn định theo phơng pháp Bishop 4)

Bishop đề xuất công thức tính hệ số an toàn có kể đến lực cắt thẳng đứng và lực nằm ngang tác động lên mặt phẳng đứng của phân đoạn Trong thực tế thờng giả thiết các lực cắt thẳng đứng là cân bằng,

đợc gọi là phơng pháp Bishop đơn giản hoá Công thức (6.2.2) để tính toán hệ số an toàn theo phơng

pháp đơn giản hoá

∑

+ +

=

s S

F

W cb Ha R W

F

/ ) tan tan 1

sec ) tan (

1 sin

φ α

α φ

Trong đó:

FS : Hệ số an toàn theo phơng pháp Bishop đơn giản hoá

R : Bán kính cung trợt (m)

c : Sức kháng cắt không thoát nớc của đất dính hoặc lực dính biểu kiến của đất cát ở

điều kiện thoát nớc (kN/m2)

 : Chiều dài đáy của phân đoạn (m)

W’ : Trọng lợng có hiệu của phân đoạn trên đơn vị dài (Tổng trọng lợng bản thân đất và

chất tải; đối với phần ngập sử dụng trọng lợng đơn vị ngập) (kN/m)

α : Góc của đáy phân đoạn so với phơng nằm ngang (0)

φ : Góc ma sát trong của đất cát trong điều kiện thoát nớc đối với sét (0), Bằng 0 cho

đất dính

W : Tổng trọng lợng của phân đoạn trên đơn vị dài (Tổng trọng lợng đất, nớc và chất

tải) (kN/m)

x : Khoảng cách nằm ngang giữa trọng tâm của phân đoạn và tâm cung trợt (m)

H : Ngoại lực theo phơng ngang tác động vào khối đất trong khung trợt (áp lực nớc, lực

chấn động và lực sóng) (kN/m)

a : Cánh tay đòn theo phơng ngang của ngoại lực H đối với tâm cung trợt (m)

b : Chiều rộng của phân đoạn (m)

(3) Khả năng áp dung các phơng pháp phân tích ổn định 5)

Hệ số an toàn thu đợc từ phơng pháp Fellenius cải biên và phơng pháp Bishop đơn giản hoá phù hợp nhau cho đất dính có φ bằng 0, và khác nhau khi cung trợt đi qua tầng đất cát Pơng pháp Fellenius cải biên thờng đợc dùng cho phân tích cung trợt cả ở Nhật Bản và ở nớc ngoài Phơng pháp Fellenius cải biên đã giải thích đợc các diễn biến thực của phá hoại trợt, dựa trên các kết quả phân tích ổn định trong các trờng hợp phá hoại trợt ở các khu vực cảng và bến ở Nhật Bản 3), phơng pháp Fellenius cải biên cũng cho hệ số có hệ số an toàn thiên về an toàn hơn với tầng đất cát Tuy nhiên, khi đất nền chỉ gồm các lớp đất cát hoặc khi cung trợt cắt qua đất có chứa tầng cát dày tại định và tầng đất dính tại

đáy thì chắc rằng phơng pháp Fellenius cải biên đánh giá thấp hệ số an toàn Phơng pháp Bishop đơn giản hoá đã đa ra lời giải có độ tin cậy cao hơn với điều kiện tơng tự, nó đợc đánh giá theo quan điểm của các nguyên lý cơ bản của phơng pháp tính toán ổn định Nh vậy, phơng pháp Bishop đơn giản hoá

sẽ đợc dùng riêng cho vấn đề sức chịu tải của đất sỏi cuội (đất rời) do chịu tải trọng lệch tâm và

Hình T-6.2.1 Phân tích cung tròn theo phơng

pháp Fellenius cải biên

đơn giản hoá có nhợc điểm là đánh giá cao hệ số an toàn trong khi tải trọng tác dụng thẳng đứng trên lớp đất cát mà lớp này hầu nh nằm ngang Với trờng hợp nh vậy phơng pháp tính toán ổn định có thực hiện theo tỷ số giữa các lực đứng với các lực ngang giữa các phân đoạn đợc giả thiết là 1/3,5 của góc giữa đáy phân đoạn và phơng ngang Hệ số an toàn trong tính toán này đợc tính theo công thức:

∑









− +

+ +

=

F n

W ncb Ha

R W

F

/ ) (tan ) tan(

tan

sec ) tan (

1 sin

φ βα

α

α φ

Trong đó n = 1 + tan α tan( βα ) Thông số β xác định tỷ số của các lực đứng và các lực ngang tác

động lên mặt đứng của các phân đoạn, lấy β = 1/3,5 Các ký hiệu khác giống nh ở công thức (6.2.2)

6.2.2 Phân tích ổn định khi giả thiết các mặt trợt khác với mặt trợt cung tròn

Theo các điều kiện đã nêu ở từ các phần trớc, mặt phẳng hoặc mặt trợt hỗn hợp cần

đợc giả thiết trong phân tích ổn định khi nó phù hợp hơn so với giả thiết mặt trợt tròn phù hợp với các điều kiện của đất nền.

[ Chỉ dẫn kỹ thuật ]

Khi giả định mặt trợt phẳng hệ số an toàn chống trợt của mái dốc đợc tính theo công thức:

∑

+

− +

=

H H

H W

c

F

α α

φ α α

cos sin

tan ) sin cos

' (



(6.2.4) Trong đó:

F : Hệ số an toàn chống trợt phẳng

c : Lực dính (kN/m2)

φ : Góc ma sát trong của đất (0)

 : Chiều dài đáy của phân đoạn (m)

α : Góc của đáy phân đoạn so với phơng nằm ngang (0) (theo hình T-6.2.2)

H : Ngoại lực theo phơng ngang tác động vào khối đất trong khung trợt (áp lực nớc, lực

chấn động và lực sóng) (kN/m)

Hệ số an toàn chống trợt tối thiểu là 1,2 trong điều kiện thiết kế bình thờng và bằng 1 khi động đất

1) R F Scott: Principles of soil mechanics , Addison Wesley, 1972, p 431.“ ”

2) Takashi TSUCHIDA, Tang YIXIN: The optimum safety factor for stability analyses of harbor structures“

by use of the circular arc ship method , Rept of PHRI, Vol 35, No 1, 1996 (in Japanese).”

3) Akio NAKASE: The = 0 analysis of stability and unconfined compressive strength , Soils and“ ”

Foundations, Vol 7, No 2, 1967, pp33-50

Hình T-6.2.2 Phân tích ổn định mái dốc theo

mặt trợt phẳng

4) A W Bishop: The use of the slip circle in the stability analysis of slopes , Geotechnique, Vol 5 No 1,“ ”

1955, pp 7-17

5) Kenji NOMURA, Yoshinobu HAYAFUJI, Fumiaki NAGATOMO: Comparison between Bishop s method“ ’

and Tschebotarioff's method in slope stability analysis , Rept of PHRI, Vol 7, No 4, 1968, pp 133”

-175 (in Japanese)