NGHIÊN CỨU KẾT CẤU TƯỜNG KÈ ĐÊ BIỂN XỬ LÝ BẰNG MÓNG NÔNG TRÊN NỀN ĐẤT YẾU, ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH KÈ BIỂN ĐỒ SƠN - HẢI PHÒNG

Hình 2-2 : Sơ đồ các dạng mặt trượt theo mặt phẳng gãy khúc Việc tính toán ổn định trượt khi mặt trượt có dạng gãy khúc được tiến hành bằng cách xét cân bằng lực của khối trượt tương ứng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

TRẦN BẰNG GIANG

NGHIÊN CỨU KẾT CẤU TƯỜNG KÈ ĐÊ BIỂN XỬ LÝ BẰNG MÓNG NÔNG TRÊN NỀN ĐẤT YẾU, ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH KÈ BIỂN ĐỒ SƠN - HẢI PHÒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

TRẦN BẰNG GIANG

NGHIÊN CỨU KẾT CẤU TƯỜNG KÈ ĐÊ BIỂN XỬ LÝ BẰNG MÓNG NÔNG TRÊN NỀN ĐẤT YẾU, ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH KÈ BIỂN ĐỒ SƠN - HẢI PHÒNG

Luận văn " Nghiên cứu kết cấu tường kè đê biển xử lý bằng móng nông trên nền đất yếu, ứng dụng tính toán cho công trình kè biển đồ sơn - Hải Phòng” được hoàn thành nhờ sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy giáo, bạn bè đồng nghiệp, cơ quan và gia đình

Tác giả xin trân trọng và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn

TS Đinh Anh Tuấn đã tận tình hướng dẫn và cung cấp các tài liệu cần thiết cho luận văn này

Có được thành quả này là nhờ sự truyền đạt kiến thức của các thầy, cô giáo trực tiếp giảng dạy và công tác tại Trường Đại học Thủy lợi trong suốt thời gian tác giả học tập tại trường

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo Trường Đại học Thủy lợi trong thời gian học tập tại đây, sự quan tâm giúp đỡ của Phòng Nghiên Cứu Công trình Trạm - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, gia đình, bạn bè đồng nghiệp trong công tác và học tập để tác giả hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, tháng 3 năm 2013

Tác giả luận văn

Trần Bằng Giang

Kính gửi: Ban Giám hiệu trường Đại học Thuỷ Lợi

Khoa Công Trình

Phòng Đào tạo ĐH&SĐH

Bộ môn Công nghệ & Quản lý Xây dựng

Tên tôi là: Trần Bằng Giang

Ngày tháng năm sinh: 06/10/1983

Học viên cao học lớp: CH18C11, niên khoá: 2010 - 2012, trường Đại học Thuỷ lợi

Tôi viết bản cam kết này xin cam kết rằng đề tài luận văn “Nghiên cứu kết

cấu tường kè đê biển xử lý bằng móng nông trên nền đất yếu, ứng dụng tính

toán cho công trình kè biển đồ sơn - Hải Phòng” là công trình nghiên cứu của

cá nhân mình Tôi đã nghiêm túc đầu tư thời gian và công sức dưới sự hướng

dẫn của TS Đinh Anh Tuấn để hoàn thành đề tài theo đúng quy định của nhà

trường Nếu những điều cam kết của tôi có bất kỳ điểm nào không đúng, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và cam kết chịu những hình thức kỷ luật của nhà trường

Hà nội, tháng 3 năm 2013

Cá nhân cam kết

Trần Bằng Giang

CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐẤT YẾU 39T 17

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của Đề tài:

Đê biển là công trình quan trọng góp phần phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai, ổn định đời sống nhân dân, đồng thời góp phần phát triển kinh tế, phát triển môi trường cảnh quan du lịch Tuy nhiên công trình đê biển cũng chịu tác động của nhiều yếu tố: sóng, thủy triều, bãi ngoài bị xói lở hoặc không ổn định do đó yêu cầu cấp thiết cần có giải pháp công trình gia cố bảo vệ các tuyến đê hữu hiệu

Ở nước ta, các công trình kè biển được nghiên cứu xây dựng trong điều kiện, môi trường biển còn khá mới mẻ, chưa có những giải pháp công trình cụ thể Thực tế chứng minh một số công trình đã được xây dựng và đảm bảo được nhiệm vụ đề ra, song cũng có những công trình chưa thực sự hiệu quả

Đề tài “Nghiên cứu kết cấu tường kè đê biển xử lý bằng móng nông trên

nền đất yếu, ứng dụng tính toán cho công trình kè biển Đồ Sơn - Hải Phòng”

là vấn đề mang tính thực tiễn, khoa học lớn, góp phần giải quyết bài toán kết cấu và ổn định nền trong thiết kế và thi công các công trình đê biển

2 Mục đích của Đề tài:

Nghiên cứu hình thức kết cấu cho các dạng kè đê biển ở nước ta

Nghiên cứu biện pháp xử lý nền đất yếu khi xây dựng kè đê biển

Ứng dụng thực tế

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Phân tích, tổng hợp và kế thừa các thành tựu trong lĩnh vực nghiên cứu bài toán động trong cơ học;

Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và công cụ máy tính để tìm lời giải hợp lý

Đề xuất một số dạng kết cấu tường kè tối ưu

Biện pháp xử lý nền cụ thể cho công trình kè biển Đồ Sơn - Hải Phòng

5 Nội dung luận văn:

Chương I: Tổng quan về các loại kết cấu tường kè - biện pháp xử lý nền Chương II: Các phương pháp tính toán ổn định, biện pháp xử lý nền công

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI KẾT CẤU TƯỜNG KÈ -

BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN

1.1 Đặc điểm công trình kè biển và công trình bảo vệ bờ nước ta

Việt Nam có bờ biển dài hơn 3000km, lãnh hải và vùng đặc quyền kinh tế của nước ta gấp 3 lần đất liền, mang lại cho chúng ta nhiều tài nguyên vô giá nhưng cũng không ít hiểm họa Dọc theo bờ biển có nhiều cảng biển, khu du lịch, khu dân cư cần được bảo vệ bằng các công trình đê chắn sóng và ngăn cát Do bờ biển dài nên hệ thống đê biển Việt nam cũng dài, nhiều vùng bờ biển bị xói lở rất cần được gia cố

Ở nước ta, hệ thống đê và các công trình bảo vệ bờ đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong công việc phòng chống và giảm nhẹ thiên tai, bảo vệ an toàn cho các trung tâm văn hóa, chính trị, kinh tế, các vùng dân cư rộng lớn trải dài theo các triền sông, duyên hải từ Bắc chí Nam Chúng ta đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm trong việc xây dựng và gìn giữ các tuyến đê biển Lịch sử

đã ghi lại những trận vỡ đê với sức tàn phá ghê gớm, để lại hậu quả nghiêm trọng Hiện nay, trong điều kiện đất nước đang công nghiệp hóa, hiện đại hóa, những yêu cầu về việc bảo vệ các khu dân cư và kinh tế chống lại sự tàn phá của bão lũ, sóng thần, nước dâng ngày càng trở lên cấp bách Bên cạnh việc củng cố, nâng cấp các tuyến đê sẵn có, việc quy hoạch bảo vệ bờ sông, bờ biển xà xây dựng các hệ thống đê, kè mới đang được đặt ra ở cả 3 miền đất nước

Các loại công trình bảo vệ bờ biển ở nước ta:

- Loại công trình chống ngập do thủy triều và nước dâng đối với khu dân

cư, khu kinh tế hoặc vùng khai hoang lấn biển Loại này chủ yếu là các dạng

- Loại công trình giảm sóng ngăn cát, xây dựng trên vùng bãi trước mục tiêu bảo vệ Loại này bao gồm các loại cây rừng ngập mặn, các hệ thống tường ngăn cát, giảm sóng

- Loại công trình gia cố bờ trực tiếp chống sự phá hoại của sóng và dòng chảy Loại này thường gọi là kè biển

Trong giới hạn luân văn này, tác giả nghiên cứu, tính toán cho hình thức công trình bảo vệ bờ là Kè biển

1.2 Các hình thức và dạng tường kè biển đã được nghiên cứu áp dụng

Phân loại theo vật liệu cấu tạo thì tường kè chống sóng phân làm 2 loại chính:

Tường kè bê tông cốt thép và Tường kè đá xây, ngoài ra còn 1 số loại kết cấu

như Tường kè cừ thép, tường kè bê tông cốt thép dự ứng lực

1.2.1 Tường kè bê tông cốt thép

- Chi phí xây dựng cao, do sử dụng các loại vật liệu đắt tiền;

- Cốt thép trong bê tông dễ bị ăn mòn bởi nước biển, đặc biệt khi lớp bê tông bảo vệ bị hư hỏng

c Một số dạng mặt cắt tường kè bê tông cốt thép

- Nguồn cung cấp đá hộc rất dồi dào và phong phú

- Có độ bền cao, chịu được môi trường nước biển mặn và các tác

động mạnh của sóng, gió, nhiệt độ

- Dễ sửa chữa, tôn cao

b Nhược điểm:

- Với kết cấu đá xây, cá thể các viên đá ở mặt ngoài tường bị sóng và dòng chảy tác động có thể làm chuyển dịch ra khỏi kết cấu tường kè sẽ ảnh hưởng đến ổn định của các viên đá lân cận Sự phá hoại của kè có thể bắt đầu

- Thi công cơ giới hóa cao đó thời gian thi công nhanh, có thể Hạ cừ bằng máy chấn rung, máy búa đóng, máy ép thủy lực

- Tiết diện mặt cắt nhỏ, tiết kiệm diện tích

Nhược điểm :

- Thường giá thành đắt do sử dụng vật liệu thép

- Nhanh bi ăn mòn do trong môi trường nước mặn

- Khi yêu cầu độ bền cao cần sử dụng vật liệu thép chống gỉ, hoặc có biện pháp bảo vệ vật liệu trong môi trường mặn

- Khi thi công phải có trình độ cơ giới nhất định

Hình 1-3: T ường kè sử dụng cừ thép

1.2.4 Một số công trình kè biển đã được áp dụng ở nước ta

1.2.4.1 Kè chống sạt lở kết hợp bến cá nhân dân và san nền khu tái định

cư phường Nghi Tân - Thị xã Cửa Lò – tỉnh Nghệ An

Hình 1-4 : Mặt cắt điển hình kè Cửa Lò (đoạn tường bê tông trọng lực)

* Vị trí:

Tỉnh Nghệ An là vùng bãi dưới chân núi Gươm ven bờ hữu sông Cấm

* Quy mô công trình:

tuyến kè khu vực cảng Cửa Lò, tổng chiều dài 1.164,0m bao gồm:

+ Đoạn kè lát mái, dài 868.7m

+ Đoạn kè trọng lực kết hợp bến cá nhân dân dài 295.4m Kết cấu bằng

bê tông mác 200, chiều rộng đỉnh 0,5m, chiều rộng chân 2,0m, chiều rộng móng 4,0m, dày 1m Phía ngoài chân tường gia cố bằng đá hộc thả rối rộng 1,5m, mái m = 2 Bố trí 2 hàng ống nhựa φ110mm thoát nước, khoảng cách ống phân bố theo chiều dài tường 3m/ống Cao trình đỉnh kè +4,0, chân tường

-0,6, đáy móng tường -1,7

1.3 + Đường du lịch kết hợp bến cá: dọc theo chiều dài kè, đất đắp nền đường đầm chặt K ≥ 0,95 đến cao trình +3,2, rộng 15,0m, mái m = 2, tạo độ dốc ngang hướng về kè i = 3% Mặt đường rộng 2,0, kết cấu bằng bê tông mác 200 đổ tại chỗ, dày 20cm, bố trí các khe lún bằng giấy dầu tẩm nhựa đường cách nhau 5,0m

+ Cống thoát nước φ50: 35 cái

+ Cống tiêu dưới đê: 2 cửa BxH = 1,4x2m, chiều dài cống 22m

+ Kênh tiêu: B kênh = 5m, H kênh = 2 ÷ 2,6m, chiều dài kênh 78,2m

San lấp mặt bằng ở phía trong tuyến kè để tạo quỹ đất khu dân cư phục vụ

di dân và tái định cư của phường Nghi Tân

1.3.1.1 Kè Thiên C ầm – Hà Tĩnh

Hình 1-5: Mặt cắt ngang kè Thiên Cầm – tỉnh Hà Tĩnh

1.3.1.2 Tường kè Đồ Sơn – Hải Phòng

Hình 1-7 : Tường kè Đồ Sơn – Hải Phòng

1.3.1.3 Kè biển huyện đảo Lý Sơn

Hình 1-8: Tường kè ở huyện đảo Lý Sơn

1.3.1.4 K è phía biển bằng bê tông dự ứng lực dạng thẳng đứng

(thuộc Dự án tuyến đường bao biển Lán Bè – Cột Đồng Quảng Ninh)

Hình 1-9 : Tường kè kết hợp đường giao thông Quảng Ninh

1.4 N guyên nhân hư hỏng của kết cấu kè bảo vệ bờ biển

1.4.1 Một số thiệt hại do hư hỏng đê, kè biển gây ra

Các cơn bão đổ bộ bờ biển nước ta với sức gió mạnh cấp 9, cấp 10, cấp 11, cấp 12 và giật trên cấp 12 Bão đổ bộ vào thời điểm triều cường gây nước dâng cao trên các tuyến đê, sóng tác động mạnh gây sự cố nghiêm trọng về công trình, trên một số đoạn đê biển sóng đã vượt qua mặt đê tràn nước vào phía trong

Trong cơn bão số 2 năm 2005, bão đã gây hư hỏng nặng nhất tại các tuyến

đê biển thuộc địa bàn các huyện Cát Hải, Kiến Thụy và thị xã Đồ Sơn Tại Cát Hải đê Hoàng Châu - Văn Chấn từ K5,4 - K7,9 bị vỡ những đoạn còn lại

bị sóng tràn qua gây biến dạng nghiêm trọng và gây ngập lụt khu vực thị trấn Cát Hải; tại Kiến Thụy và Đồ Sơn đê biển 1 sóng làm mái kè xô sạt tại K12,8

- K13,1, tại K13,5 - K15 mái kè hư hỏng nghiêm trọng, có chỗ mái đê sạt sâu đến 2m, đê biển khu du lịch bị phá huỷ gần như toàn bộ, đổ tường chắn sóng đê biển 2 từ K0,6 - K1 và K8,2 - K8,25 kè đá lát khan bị hư hỏng nặng

Bão số 6 (Vicente) đổ bộ vào Hải Phòng ngày 18/9/2005 với sức gió mạnh cấp 9, giật cấp 10 Sóng lớn, thuỷ triều và nước dâng trong bão đã duy trì trong thời gian dài từ 10h - 22h Tại Cát Hải sóng tràn qua đê Văn Chấn gây xô, sạt nặng đê, kè và tràn nước vào khu dân cư; đê biển 1 tại K14,3 tấm bê tông bị lật, xói sâu vào trong thân đê, tại K12,8 - K13,1 và K13,7 - K15,0 mái kè bị sóng đánh hư hỏng nhiều; đê biển 2 sóng làm xô, sạt cục bộ mái kè tại K0,83 - K3,7 Bão số 7 năm 2005, với sức gió mạnh cấp 11, cấp 12 và giật trên cấp 12 với sức gió mạnh duy trì trong thời gian dài hơn 12 giờ, kết hợp với thời gian nước triều cường đã gây nước dâng cao từ trên 1m dọc bờ biển từ Hải Phòng đến Thanh Hóa Cơn bão đã gây thiệt hại nặng nề cho các tỉnh ven biển mà bão tràn qua

Hình 1-10 : Sóng trùm qua đê trong bão số 7/2005

1.4.2 Nguyên nhân hư hỏng

1.4.2.1 Các nguyên nhân gây hư hỏng và phá hoại chủ yếu của tường kè biển

Sự tác dụng của sóng đối với kè là nguyên nhân trực tiếp và được xem là nguyên nhân chính gây hư hỏng tường kè Sóng gây mất ổn định mái dốc Sóng vỗ mạnh vào thân kè, chân kè gây sói lở kè dẫn đến hư hỏng

Ảnh hưởng của dòng triều gây nên sự thiếu hụt bồi tích với khối lượng lớn dẫn đến quá trình bào mòn đáy và xói lở mãnh liệt

Ảnh hưởng của chế độ Nhật chiều; thủy văn ven bờ biến đổi mạnh

Do dòng chảy xiết thúc vào mái, chân kè

Do sự ăn mòn của nước biển theo thời gian làm hư hỏng kết cấu kè

Do quá trình thiết kế còn nhiều sai lệch: kết cấu tường chưa hợp lý, biện

pháp xử lý nền chưa tốt…

Do quá trình thi công công trình chưa đảm bảo chất lượng: vật liệu kém

chất lượng, thi công không đúng thiết kế…

Do Địa chất đáy lòng dẫn kém thường xuyên bị thay đổi

Hình 1-11 : Hư hỏng ở tường kè Đồ Sơn - Hải Phòng

Hình 1-12: Hư hỏng kè đường Nguyễn Tất Thành (Đà Nẵng)

1.4.2.2 Nguyên nhân vượt tiêu chuẩn thiết kế:

* Gió mạnh

Bão gây ra gió mạnh cấp 9 đến cấp 12, đặc biệt trong những năm gần đây gió mạnh giật trên cấp 12 Gió mạnh đã gây ra thiệt hại lớn cho các tỉnh,

thành phố ven biển

* Sóng:

Xác định chiều cao sóng do bão gây ra ở vùng bờ biển của khu Cát Hải với các cơn bão đổ bộ trong năm 2005 bằng quan trắc mắt thường, bằng các

camera quay được ta có thể phân tích như sau:

Khi bão vào nếu gặp triều kiệt thì quan trắc thấy rằng cũng chỉ có sóng đánh lên tới cao trình +3,5 hoặc đến +4 là cùng Nhưng khi gặp triều cường như cơn bão số 7 thì sóng đánh cao ở gần bờ và khi gặp mái đê biển sóng cao

4 - 5m kể từ chân công trình, do vậy mới có hiện tượng hàng loạt đê biển hoặc

bờ đất phía sau kè bị gãy hoặc sạt hàng loạt

Phân tích như vậy khi đưa ra phương án thiết kế để chống chọi được với cơ chế tổ hợp trong đó có yếu tố sóng

* Nước biển dâng do bão

Việc xác định mức nước dâng do bão ở vùng Hải Phòng, từ quan trắc của cơn bão số 2 tại Đồ Sơn và Cát Hải cho thấy, vì nước dâng trong dông lốc cục

bộ như Hải Phòng cả cột sóng cao tới 8 - 10 m từ chân công trình Trong cơn bão này đã gặp triều cường

Qua điều tra tại bờ biển Đồ Sơn và Cát Hải (bão số 2); Tại Hải Hậu (bão số 7), thì khi sóng hất vào các nhà cao tầng cao khoảng 4,2m, nếu trừ đi mực nước triều thực tế lúc đó thì nước dâng là 2,8m

Kết luận: Qua thực tế các cơn bão xảy ra trong năm 2005 cho thấy, khi tính toán và thiết kế đê, kè biển có thể đảm bảo an toàn với bão cấp nhỏ hơn cấp 9

và triều có tần suất 5%, nhưng với sức gió như bão số 2, số 6, số 7 là các trận bão cấp 10 và trên cấp 10 lại gặp triều cuờng thì đê, kè biển của thành phố

Hải Phòng, Nam Định, Thanh Hoá bị nước tràn qua mặt và bị phá hoại là điều không thể tránh khỏi

1.4.2.3 Các nguyên nhân về thiết kế:

Hiện nay, ở nước ta việc tính toán các đặc trưng sóng gió thiết kế phần lớn dựa vào qui phạm của Liên Xô cũ Tuy nhiên, những tài liệu cần thiết cho thiết kế hoặc rất thiếu hoặc không đồng bộ hoặc không đúng yêu cầu cũng là nguyên nhân dẫn tới các tính toán chưa đạt như mong muốn Đối với các công thức tính toán kinh nghiệm có nhiều hệ số nên độ chính xác phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người tính toán Do vậy sai khác do hai người cùng tính cho một vùng có thể rất lớn Mặt khác, để tránh sự phức tạp khi sử dụng các công thức lý thuyết với nhiều hệ số, các tác giả xây dựng các biểu đồ phụ trợ cũng dễ gây ra sai số lớn

Một số quan niệm trong tính toán chưa phản ánh đúng bản chất của hiện tượng Chẳng hạn, khi tính mực nước thiết kế ứng với một tần suất xác định thường sử dụng phương pháp thống kê mực nước lớn nhất xảy ra hàng năm tại một trạm triều xác định và dùng một dạng hàm phân bố xác suất để tính ra mực nước thiết kế Tuy nhiên, giá trị mực nước đó đã bao gồm cả thuỷ triều

và nước dâng Quan niệm chưa đúng sẽ dẫn tới trị số tính toán không phản ánh đúng bản chất vật lý của hiện tượng

Để khắc phục những hạn chế của việc tính toán trước đây, gần đây qui định tạm thời về thiết kế đê biển đã được ban hành Tuy nhiên ở tài liệu mới này vẫn còn tồn tại một số vấn đề sau:

+ Tuy đã đưa được các tiến bộ khoa học mới nghiên cứu về các đặc trưng thuỷ hải văn vào để tính toán, nhưng để giảm nhẹ quá trình tính hệ thống bảng tra hoặc các đồ thị với một quy trình không mấy thuận tiện đã được đưa ra

+ Một số khái niệm như đà gió, sóng tại chân công trình, sóng leo tính theo qui phạm trên chưa thuận lợi và độ chính xác chưa cao

+ Ảnh hưởng của rừng ngập mặn, tương tác của công trình và đường

bờ, yếu tố hình học mặt cắt công trình cũng chưa được xem xét tới

Trong khi các vấn đề thảo luận trên đây đã được các nhà khoa học nước ngoài như Đan Mạch, Hà Lan, Mỹ, Nhật nghiên cứu khá chi tiết và đã phát triển các phần mềm Các phần mềm đã bao gồm được một biên độ rộng các nhân tố tác động và phạm vi thay đổi của nó Việc sử dụng các phần mềm cho phép xem xét các tổ hợp khác nhau một cách nhanh chóng và giúp người thiết

kế đưa ra nhiều kịch bản giúp cho các nhà ra quyết định lựa chọn dựa trên điều kiện kinh tế - kỹ thuật và tính quan trọng của từng công trình

kè trực diện với biển chống sự xói mòn và phá hoại do sóng biển

+ Tường kè đa dạng về hình thức, kết cấu, có sự ứng dụng kỹ thuật mới, tuy nhiên phổ biến áp dụng ở nước ta là kết cấu tường kè bê tông cốt thép và

đá xây Việc ứng dụng tùy từng điều kiện cụ thể về thủy văn, địa chất, địa hình, điều kiện thi công… mà áp dụng từng kết cấu tường kè cụ thể hoặc kết hợp các loại kết cấu để đạt hiệu quả kỹ thuật, kinh tế

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH, BIỆN

2.1 Khái quát chung về ổn định

Mái dốc là khối đất có mặt giới hạn là mặt dốc Mái dốc được hình thành

do tác động tự nhiên ( sườn núi, bờ sông ) hoặc do tác động nhân tạo (taluy, đất đắp, hố móng, đê, kè )

Hình 2-1 : Sơ đồ mặt cắt ngang một mái dốc

Mái dốc càng thoải thì độ ổn định càng cao, nhưng khối lượng vật liệu đắp

và diện tích mặt bằng chiếm chổ lớn, không hiệu quả kinh tế Các giả thiết về mặt trượt như sau:

2.1.1 Các giả thiết

a./ Giả thiết mặt trượt có dạng là mặt phẳng gãy khúc:

Hình 2-2 : Sơ đồ các dạng mặt trượt theo mặt phẳng gãy khúc

Việc tính toán ổn định trượt khi mặt trượt có dạng gãy khúc được tiến hành bằng cách xét cân bằng lực của khối trượt tương ứng với các mặt trượt giả thiết khác nhau Độ ổn định được đánh giá thông qua mặt trượt có hệ số ổn định nhỏ nhất

b./ Giả thiết mặt trượt có dạng là một cung tròn:

Hình 2-3 : Sơ đồ dạng mặt trượt là cung tròn

Giả thiết về mặt trượt có dạng cung tròn do học giả Thụy Điển K.E Pettecxơn đề xuất năm 1916 Về sau, được nhiều nhà nghiên cứu về ổn định mái dốc xác nhận giả thiết này phù hợp với nhiều công trình thực tế, nhất là đối với những mái dốc đồng chất

Phương pháp tính toán ổn định mái dốc theo giả thiết mặt trượt cung tròn,

xem khối đất trượt ABCD bị trượt theo vòng tròn ABC, đối với mái dốc có thể giả thiết nhiều mặt trượt có tâm O và bán kính khác nhau là R, mỗi mặt trượt được đặc trưng bởi một hệ số ổn định khác nhau Nhiệm vụ cơ bản của tính toán ổn định mái dốc là xác định được mặt trượt nguy hiểm nhất trong số mặt trượt giả thiết tương ứng với hệ số ổn định nhỏ nhất, rồi so sánh với hệ số

ổn định cho phép của công trình mà quy phạm đã quy định để có thể kết luận mức độ ổn định công trình

2.1.2 Trạng thái cân bằng giới hạn

Xét khối đất trượt ABCD giới hạn bởi mặt trượt Khi khối đất nằm ở trạng thái cân bằng giới hạn, tính chất của đất được đặc trưng bằng góc ma sát trong giới hạn φR gh R và lực dính kết đơn vị giới hạn CR gh R Như vậy, với một khối trượt nhất định nằm trong trạng thái cân bằng giới hạn có thể tìm được nhiều cặp trị

số φR gh R và CR gh R khác nhau thoả mãn điều kiện cân bằng giới hạn Tức có lập được đường cong

Cgh = f (φR gh R) với một khối đất bất kỳ

Hình 2-4 : Đường cong quan hệ Cgh = f (φRghR)

Mỗi điểm nằm trên đường cong quan hệ Cgh = f (φR gh R) cho ta một cặp trị số

φR gh R và CR gh R tương ứng với trạng thái cân bằng giới hạn của khối đất trượt Nếu mái dốc đang xét có cặp trị số φ và C thực mà toạ độ của nó nằm phía trên đường cong quan hệ Cgh = f (φ ) ( Ví dụ điểm X ) thì mái dốc đó ở

phía dưới đường cong quan hệ Cgh = f (φR gh R) ( Ví dụ điểm Y ) thì mái dốc bị trượt

Nếu gọi K là hệ số ổn định hay hệ số an toàn của khối đất đắp, thì hệ số này chính là tỷ số so sánh toạ độ cặp trị số φ và C thực của vật liệu đắp với toạ độ các điểm nằm trên đường cong quan hệ Cgh = f (φR gh R) Nếu toạ độ cặp trị số φ

và C thực của vật liệu đắp nằm phía trên đường cong quan hệ Cgh = f (φR gh R) thì K> 1 và ngược lại

Như vậy, việc tính toán ổn định của mái dốc bất kỳ là đi lập đường cong quan hệ Cgh = f (φR gh R) Phương trình biểu thị đường cong này gọi là phương trình cân bằng giới hạn của khối đất trượt

Để lập phương trình này các tác giả nghiên cứu về ổn định mái dốc đều dựa vào biểu thức của A.C Culông:

ϕ : Góc ma sát trong của đất ứng với trạng thái giới hạn của đất

Để lập phương giới hạn, hiện nay các tác giả dựa vào hai loại mô hình tính toán sau đây:

2.1.3 Mô hình tính toán thứ nhất

Chia khối đất trượt thành nhiều cột thắng đứng, mỗi cột đất được giới hạn bởi hai mặt thẳng đứng và được xem như một vật rắn nguyên khối tựa trên

cung trượt, các tác giả nghiên cứu trên cơ sở mô hình này của K Terzaghi

Hình 2-5 : Sơ đồ tính toán ổn định theo phương pháp phân mảnh

Xét một cột đất phân tố bất kỳ i trong khối đất trượt, trong trường hợp tổng quát và khối đất ở trạng thái cân bằng giới hạn, các lực tác dụng lên cột đất này gồm:

+ Trọng lượng bản thân của cột đất phân tố dR g R = b.h.γ đi qua điểm M trung tâm đáy cột đất

Trong đó: b: Bề rộng của cột đất

h: Chiều cao trung bình của cột đất

γ : Dung trọng tự nhiên của đất

2.1.4 Mô hình tính toán thứ hai

Mô hình này do D Taylor, A.I.Ivanor kiến nghị Theo tác giả này, khối đất trượt được xem như một vật rắn nguyên khối và tại mỗi điểm trên mặt trượt chịu tác dụng của ứng suất tiếp τ thoả mãn công thức của A.C.Culông, khi ở trạng thái cân bằng giới hạn thì khối đất này chịu tác dụng của các lực sau:

Hình 2-6: Sơ đồ tính ổn định xem khối đất trượt là vật rắn nguyên khối

+ Nếu xét cả ngoại lực trên bề mặt, thì khối trượt có trọng lực g theo phương ER o R - ER o R bất kỳ, còn nếu không có ngoại lực tác dụng trên bề mặt thì lực này chỉ gồm có trọng lượng bản thân và có phương thẳng đứng đi qua trọng tâm của khối trượt, đây là yếu tố gây trượt của khối đất và có trị số bằng diện tích mặt cắt ngang nhân với dung trọng tự nhiên của đất

Lực dính phân tố dcR gh R = cR gh R.ds tác dụng một phần diện tích mặt trượt, có phương tiếp tuyến cung trượt

Trong đó:

cR gh R: Lực dính kết đơn vị ứng với đất đạt trạng thái giới hạn

ds : Chiều dài phân tố cung trượt

+ Phản lực phân tố dPP

/

P gồm tổng hợp hai lực: lực pháp tuyến dNR gh R và lực ma sát dTR gh Rtác dụng tiếp tuyến với cung trượt

2.2 Các phương pháp ổn định công trình

2.2.1 Khái quát chung

Hiện nay trên thế giới tồn tại nhiều phương pháp tính toán ổn định mái dốc khác nhau, tuy nhiên các lý thuyết đều dựa trên việc xác định mặt trượt và khối trượt giả thiết được hình thành gây nên sự mất ổn định của mái dốc, mặt trượt hình thành có thể là mặt phẳng hoặc mặt trượt trụ tròn Từ các mặt trượt

và khối trượt được giả thiết, các tác giả đã xét đến các thành phần gây trượt và thành phần kháng trượt của khối trựơt để đánh giá sự ổn định của mái dốc

Đồng thời, với việc đó là sự hình thành các giải pháp gia cố nhằm giữ ổn định cho mái dốc

Các giải pháp gia cố được đề xuất dựa trên các kết quả tính toán và kết quả nghiên cứu thực tế nguyên nhân phát sinh sự trượt Do đó, trong quá trình tính toán phải xét đến sự làm việc đồng thời của các thành phần gia cố như tường chắn cọc neo gia cố, với khối trượt, các tác động của khối trượt nên các thàng phần gia cố và ứng xử của các thành phần gia cố này khi chịu những tác động đó

Việc tính toán và nghiên cứu các kết quả thực tế ngoài hiện trường là một công cụ đánh giá tính đúng đắn của các giả thuyết sử dụng các kết quả của quá trình tính toán đó

2.2.2 Phân tích ổn định theo lý thuyết trượt phẳng

a/ Phân tích mái dốc vô hạn - Trượt phẳng song song

Hiện tượng trượt theo mặt phẳng nông song song kéo dài thường xuất hiện trong điều kiện địa chất khi một tầng phủ nằm trên một lớp cứng hơn nằm dưới, việc phá hoại khi đó sẽ theo một mặt phẳng Phá hoại thường bị thúc đẩy do áp lực nước lỗ rỗng tăng thêm đột ngột, đặc biệt trong đất mà bề mặt

bị sấy khô một phần rồi liên kết với nhau và di chuyển như một bản phẳng mỏng hay còn gọi là trượt lớp

Mái dốc vô hạn bị phá hoại theo một mặt phẳng song song với mặt đất, các thành phần lực tác dụng do trọng lượng bản thân khối đất và các ngoại lực tác dụng được phân tích thàn phần có phương pháp tuyến và tiếp tuyến với mặt trượt giả định như sau:

b c

b d

, 2 ,

n z

Với vô hạn không thoát nước:

Khi đó độ bền cắt không thoát nước τ =c u

Fs T

Hình 2-8 : Các lực tác dụng lên lăng thể ở mái dốc không thoát nước

Với mái dốc vô hạn thoát nước :

-u u= γ hbcos β c

Hình 2-9 : Các lực tác dụng lên lăng thể ở mái dốc thoát nước

Trường hợp c' ≠ 0 ta có biểu thức tổng quát về hệ số Fs như trên

h

tg h

h c

T

R F

0

' 2 0

'

cos sin

cos

γ β β

ϕ β γ

γ

Các biểu thức tổng quát về ổn định mái dốc có tính chất nghiên cứu cho một số trường hợp riêng, trong tất cả các công thức trên đều quan tâm đến tính chất thoát nước, từ đó xác định được các hệ số c,ϕ được sử dụng công thức cho phù hợp

Việc nghiên cứu phân tích các mái dốc vô hạn chỉ mang tính chất tổng quát

và được phát triển nhằm áp dụng cho các mái dốc các điều kiện cụ thể khác, bởi vì thực tế điều kiện địa hình để hình thành nên các mái dốc vô hạn là rất

ít Sự thừa nhận mái dốc vô hạn chỉ mang tính chất tương đối dựa trên tỉ lệ tương quan giữa chiều dài mái dốc và chiều dầy lớp phủ

b./ Phân tích mái dốc hữu hạn

Sự phá hoại mất ổn định mái dốc hữu hạn do trượt của khối đất có góc dốc

β hệ số xác định trạng thái cân bằng của khối đất được xác địng bằng tỉ số giữa lực cắt (gây trượt) và lực chống trượt

a Lớp nền mặt trượt

p' a

p a

t

n w

Hỡnh 2-10 : Trượt mặt dốc theo mặt phẳng, cao hữu hạn

Trong đú lực gõy trượt: bao gồm lực đất chủ động PP

’

PR a R thành phần gõy trượt của trọng lượng khối đất theo phương song song với mặt trượt là T=W

u. ; c’: sức khỏng cắt hữu hiệu trờn mặt trượt của đất nền

Qua đú quan hệ an toàn cú thể tớnh theo cụng thức :

β

ϕ β

sin

cos

'

' ' '

' '

W P

P tg U W

AC c T P

P R F

a

p

a

p s

+

+

− +

= +

P P : ỏp lực chủ động và ỏp lực bị động của khối đỏt được tớnh toỏn

tẻong tường trường hợp cụ thể căn cứ vào cỏc tớnh chất cơ lý của nờn đất, điều

kiện địa hỡnh cụ thể và dựa trờn một số tớnh toỏn giả thiết khỏc

Phương pháp tính toán dựa trên giả thiết mặt trượt có phương pháp tính tương đối đơn giản, dễ sử dụng Tuy nhiên nó chỉ phù hợp khi điều kiện địa chất thỏa mãn đó là khi một lớp đất yếu nằm trên một lớp đất tốt và có mặt tiếp xúc tương ứng phẳng theo mặt trượt được giả thiết Với các điều kiện địa chất khác, qua các kết quả nghiên cứu hiện trường thì thường mái dốc không

có tác dạng mặt phẳng mà theo một mặt trụ tròn

Việc phân tích mái dốc trên giả thiết mặt trượt phẳng thường cho một lời giải đơn giản và kết quả chấp nhận được, hiện nay giả thiết này cho áp dụng khá rộng rãi trong tính toán tường chắn và gia cố mái dốc của tiêu chuẩn XDVN và một số tiêu chuẩn ngành khác

2.2.3 Phân tích ổn định theo lý thuyết trượt cung tròn

Một số dạng mặt trượt được giả thiết tính toán độ ổn định mái dốc, tuy nhiên việc giả thiết một mặt trượt trụ tròn được sử dụng rộng rãi và cho một kết quả thỏa mãn độ chính xác mà không cần một quá trình phân tích quá phức tạp Một mặt trượt giả thiết đi qua chân mái dốc có bán kính R sẽ được xem là một mặt trượt nguy hiểm nhất nếu trong quá trình phân tích tính toán cho hệ số an toàn thấp nhất

Giả thiết mặt trượt trụ tròn được sử dụng rộng rãi trong các phần mềm tính toán hiện nay và trong các tài liệu chỉ dẫn về thiết kế Việc sử dụng công cụ tính toán hiện đang thông qua máy tính sẽ làm giảm được thời gian tính toán

và trọn được mặt trượt nguy hiểm nhất của mái dốc

Nguyên lý tính toán của các phương pháp này là tìm tâm trượt nguy hiểm nhật cùng với mặt trượt cung tròn, bằng việc phân chia khối trượt thành các lăng thể có phương vuông góc với mặt đất có bề rộng bằng nhau, tính toán hệ

số ổn định F Việc chia các lăng thể càng nhỏ thì cho một kết quả càng chính xác, tuy nhiên việc chia các lăng thể này quá nhỏ sẽ dẫn đến khối lượng tính

toán lớn Mặt khác để tìm ra mặt trượt nguy hiểm nhất giả thiết về tâm trượt

O và bán kinh trượt R phải được thay đổi và lặp được tính toán dần đến hội tụ Quá trình tính toán dựa trên một nguyên tắc cơ bản là xét sự cân bằng tĩnh học của các khối lăng thể để có một kết quả gần đúng cho mỗi mặt trượt giả thiết quá trình được lặp cho đến khi giá trị của các thông số hội tụ và tìm được mặt trượt được coi là mặt trượt nguy hiểm nhất

o

r

a

b r

b

r w α rsinα

Xét một mặt trượt có tâm O, bán kính trượt R được phân thành cách mảnh

có bề rông b Các lực tác dụng lên một mảnh bao gồm :

Trọng lựơng mảnh phân tố Wi =y b hi

Phản lực pháp tuyến hiệu quả lên đáy mảnh : ,

i

N ; Lực cắt tạo ra dọc theo đáy mảnh T = Wsin α ;

Các lực tạo lên bởi các mảnh liền kề R R1 2;

Lực pháp tuyến giữa các mảnh E2vàE2;

Lực tiếp tuyến giữa các mảnh X X1 , 2;

Các tải trọng phụ tác dụng lên khối trượt được đưa vào trọng lượng khối trượt và các lực khác Tại điểm cân bằng giới hạn, tổng mô men phá hoại cân bằng chuẩn xác với mô men của lực cắt huy động tổng dọc theo AB

( )

α

τ α

τ τ

sin

sin

W

l F

R W lR

' '

W

tg N l

' ' '

W

N tg

L c

Trong đó L AClà chiều dài cung AC : L AC = θR

Kết quả tính toán phụ thuộc vào xác định giá trị N, để đơn giản hóa các tính toán, một số nhà nghiên cứu đã đưa thêm các giả thiết về tính chất tương quan của lực tác dụng giữa lăng thể đất cạnh nhau, hai phương pháp điển hình được

sử dụng rộng rãi hiện nay là:

a./ Phương pháp phân chia thành các lăng thể của Fellenius

Hình 2-12 : Sơ đồ tính toán theo phương pháp của W Fellenius

Để đơn giản hóa trong qúa trình tính toán bài toán, Fellenus đưa ra giả thiết rằng chỉ có trọng lượng bản thân lăng thể W gây lên lực tác dụng lên đáy mảnh, còn các thành phần lực do các mảnh cạnh nhau gây nên được triệt tiêu

N' =Wcos α −ul = γhbcos α −ubsec α

(trong đó l = bsecα )

Đặt u=ru γ h, ta có N' = γhb(cos α −r usec α)

Hay ∑N' = γb∑h(cos α −r usec α)

Thay vào phương trình tổng quát về cân bằng khối trượt

∑ ∑

− +

ϕ γ α

ϕ

sin

sec cos

sin

' '

' ' '

W

r h

btg L

c W

N tg

L c

b./ Phương pháp phân chia thành các lăng thể của Bishop

Hình 2-13 : Sơ đồ tính toán theo phương pháp của W.Bishop

Trong điều kiện tương đối đồng nhất và khi ru gần như là hằng số có thể giả thiết là các lực tiếp tuyến giữa các mảnh bằng nhau là ngược lại có nghĩa

XR 1 R=X R 2 Rvà E R 1 R# E R 2 R

Với cân bằng dọc theo đáy của mảnh sẽ có:

F

tg N L c W

l F

' ' '

sin sin

' ' '

W

tg N L c

Với cân bằng theo phương đứng sẽ có: