Nghiên cứu ảnh hưởng của khe nứt căng đến mức độ ổn định mái dốc và các phân tích ứng dụng

II/ Mục đích nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu các cơ chế và các nguyên nhân gây mất ổn định mái dốc; - Nghiên cứu các phương pháp phân tích ổn định mái dốc thường dùng trong giai đoạn

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NINH THUẬN, NĂM 2017

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Nguyễn Ngọc Thường, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào

Tác giả

Nguyễn Ngọc Thường

Trang 4

xin chân thành cảm ơn các cơ quan, đơn vị và cá nhân nói trên

Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Quốc Thành và PGS.TS Hoàng Việt Hùng, những người đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ trong thời gian thực hiện luận văn

Sự thành công của luận văn gắn liền với quá trình giúp đỡ, động viên cổ vũ của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp Tác giả xin chân thành cảm ơn

Trong khuôn khổ luận văn, do điều kiện thời gian có hạn nên không thể tránh khỏi những khiếm khuyết, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô giáo, các anh chị và bạn bè đồng nghiệp

Ninh Thuận, ngày 06 tháng 05 năm 2017

Nguyễn Ngọc Thường

Trang 5

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

I/ Tính cấp thiết của đề tài 1

II/ Mục đích nghiên cứu của đề tài 2

III/ Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC VÀ PHƯƠNG PHÁP TĂNG CƯỞNG ỔN ĐỊNH MÁI DỐC 3

1.1 Mở đầu 3

1.1.1 Lịch sử phát triển 3

1.1.2 Cơ sở các phương pháp tính ổn định trượt mái dốc 4

1.2 Các sự cố trượt lở mái dốc ở Việt Nam và biện pháp gia cố 5

1.3 Khái quát chung về các giải pháp tăng cường ổn định mái dốc 8

1.3.1 Phương pháp đắp đất tại chân mái dốc (Loading the Toe): 9

1.3.2 Phương pháp thoát nước (Drainage Methods): 9

1.3.3 Phương pháp dùng vải địa kỹ thuật (Geotextiles): 11

1.3.4 Phương pháp cọc bản (Sheet piling): 12

1.3.5 Phương pháp cân chỉnh mái taluy (Regrading the Slope): 13

1.3.6 Phương pháp ổn định mái dốc bằng cọc (Piled-Slopes): 14

1.3.7 Phương pháp neo trong đất (Soil Anchoring): 14

1.3.8 PP trồng cỏ trên mái dốc (“Grassing-Over” the Slope): 15

1.3.9 PP sử dụng các kết cấu chắn giữ (Retaining Structures): 16

1.3.10 Phương pháp tổ hợp: 16

1.4 Kết luận chương 1: 17

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC 18

2.1 Mái dốc và sự mất ổn định của nó 18

2.1.1 Mở đầu 18

2.1.2 Phân tích ổn định mái dốc 20

2.1.3 Phân chia các loại chuyển động mái dốc 20

2.2 Phương pháp phân tích cân bằng giới hạn chia thỏi 25

2.2.1 Phân tích theo tiêu chuẩn Việt Nam 28

2.2.2 Phương pháp Ordinary/Fellenius 29

Trang 6

2.2.3 Phương pháp Bishop đơn giản 31

2.2.4 Phương pháp Janbu đơn giản 33

2.2.5 Phương pháp Janbu tổng quát 34

2.2.6 Phương pháp Spencer 36

2.2.7 Phương pháp cân bằng giới hạn 43

2.3 Nhận xét và đánh giá chung các PP phân tích ổn định mái dốc 48

2.3.1 Các phương pháp truyền thống phân tích ổn định mái dốc 49

2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định mái dốc 58

2.4 Kết luận chương 2 59

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH ĐƯỜNG VĨNH HY – NINH CHỮ THUỘC DỰ ÁN ĐƯỜNG VEN BIỂN NINH THUẬN 60

3.1 Giới thiệu chung về công trình 60

3.1.1 Đặc điểm vị trí và địa hình 60

3.1.2 Đặc điểm khí hậu: 60

3.1.3 Đặc điểm địa chất: 60

3.2 Giới thiệu chương trình tính 62

3.2.1 Giới thiệu về phần mềm GEO-SLOPE 62

3.2.2 Đặc điểm và khả năng mô hình hóa của các mô đun 62

3.3 Phân tích bài toán ứng dụng 69

3.3.1 Tính toán cho mặt cắt Km 2+054 69

3.4 Kết luận chương 3 82

Trang 7

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Sạt lở tại cầu Móng Sến trên Quốc Lộ 4D 5

Hình 1.2: Sạt lở trên Quốc Lộ 4D đoạn đi qua xã Chả Phả 6

Hình 1.3: Sạt lở đất đường ven Biển đoạn Cà Ná – Mũi Dinh tỉnh Ninh Thuận 6

Hình 1.4: Sạt lở đất trên tỉnh lộ 15ª đoạn qua xã Ngọc Sơn, huyện Thạch Hà – Hà Tĩnh 7

Hinh 1.5: Sạt lở đất trên tuyến Za Hung - Arooih – Quảng Nam 7

Hình 1.6: Sạt ở đất tại Canh Liên – Vân Canh – Bình Định 8

Hình 1.7: Vết nứt xuất hiện trên đỉnh mái dốc 8

Hình 1.8: Phương pháp đắp đất ở chân mái dốc 9

Hình 1.9: Các dạng thi công thường gặp trong P/p Thoát nước 10

Hình 1.10: Hình ảnh mặt thoát nước của mái dốc trên đường thuộc vịnh Runswick, một làng ven biển ở Yorkshire, Anh 10

Hình 1.11: Mô hình của phương pháp vải địa kỹ thuật với 3 lớp vải 12

Hình 1.12: Lưới địa kỹ thuật gia cường (Geogrids) 12

Hình 1.13: Phương pháp cọc bản 13

Hình 1.14: Phương pháp cân chỉnh mái dốc 13

Hình 1.15: Phương pháp gia cường mái dốc bằng hàng cọc 14

Hình 1.16: Phương pháp neo trong đất 15

Hình 1.17: Cỏ vetiver được trồng thành công ở huyện Củ Chi, TP.HCM 15

Hình 1.18: Phương pháp sử dụng tường chắn 16

Hình 1.19: Phương pháp sử dụng tổng hợp 17

Hình 2.1: Mặt cắt ngang một mái dốc 18

Hình 2.2: Trượt mặt phẳng 22

Hình 2.3: Trượt vòng cung 22

Hình 2.4: Trượt vòng cung phức hợp 23

Hình 2.5: Trượt do trồi xệ dưới tải trọng 23

Hình 2.6: Các loại trượt cung tròn trên mái dốc 24

Hình 2.7: Đất đắp trên nền đất yếu 25

Hình 2.8: Phân tích bằng phương pháp phân thỏi 26

Trang 8

Hình 2.9: Hệ lực tác dụng lên thỏi đất 27

Hình 2.10: Sơ đồ tính theo phương pháp Ordinary/Fellenius 30

Hình 2.11: Sơ đồ tính theo phương pháp Bishop 31

Hình 2.12: Giá trị m đối với sự thay đổi các giá trị ,  và Fs 33

Hình 2.13: Sơ đồ theo phương pháp Janbu tổng quát 34

Hình 2.14: Sơ đồ tính theo phương pháp Spencer 36

Hình 2.15: Đồ thị quan hệ θ ~ Fsf và θ ~ Fsm 38

Hình 2.16: Các lực tác động lên cột đất trong 1 khối trượt với mặt trượt tròn 40

Hình 2.17: Lực tác dụng lên phân tố đất trong trường hợp mặt trượt tổ hợp 40

Hình 2.18: Lực tác dụng lên phân tố đất trong trường hợp mặt trượt gãy khúc 41

Hình 2.19: Giá trị m đối với sự thay đổi các giá trị ,  và F 46

Hình 2.20: Biến thiên hướng của nội lực giữa các cột đất theo hướng X 47

Hình 2.21: Quy ước lực giữa các cột đất 48

Hình 2.22: Mặt trượt tới hạn là phẳng 49

Hình 2.23: Mặt trượt tới hạn tròn 50

Hình 2.24: Mặt trượt tới hạn theo phương pháp đường tròn ma sát 51

Hình 2.25: Mặt trượt tới hạn theo phương pháp Bishop đơn giản 51

Hình 2.26: Biên độ của hệ số điều chỉnh tương quan f0 52

Hình 2.27: Lực tác dụng lên phân tố đất trong trường hợp mặt trượt tròn 55

Hình 2.28: Ảnh hưởng của khe nứt căng trong phân tích ứng suất tổng 57

Hình 3.1: Giao diện lựa chọn phương pháp phân tích 64

Hình 3.2: Giao diện lựa chọn mô hình hóa áp lực nước lỗ rỗng 65

Hình 3.3: Giao diện lựa chọn mô hình hóa vật liệu 66

Hình 3.4: Giao diện lựa chọn mô hình hóa mặt trượt 66

Hình 3.5: Giao diện lựa chon mô hình hóa tải trọng 68

Hình 3.6: Kết quả tính toán ổn định mái dốc tại Km 2+054 70

Trang 9

Trang 10

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Hệ số ổn định mái dốc cho phép theo QCVN 04-05:2012 29

Bảng 2.2: Tổng hợp các thành phần đã biết trong việc xác định hệ số an toàn 42

Bảng 2.3: Tổng hợp các thành phần chƣa biết trong việc xác định hệ số an toàn 42

Bảng 3.1: Bảng tổng hợp kết quả tính cho mặt cắt KM2+054 72

Trang 13

MỞ ĐẦU

I/ Tính cấp thiết của đề tài

Mái dốc công trình gồm mái dốc tự nhiên và mái dốc nhân tạo Mái dốc tự nhiên thường thấy như sườn đồi, núi v.v Mái dốc nhân tạo chẳng hạn mái đê, đập, mái taluy đường, mái bờ kênh mương v.v Dù mái tự nhiên hay mái nhân tạo thì yêu cầu

ổn định của hệ thống mái dốc là yêu cầu số một Tức là mái dốc không bị phá hoại trượt

Lý thuyết phân tích ổn định mái dốc đã đề cập đến vấn đề khe nứt trên đỉnh mái dốc và

đã đưa vào tính toán Đặc biệt với mái dốc cắt qua những lớp đất dính, việc xuất hiện khe nứt căng (Tension Crack) trên đỉnh mái dốc ảnh hưởng rất nhiều đến mức độ ổn định tổng thể của mái dốc công trình [1],[2]

Tuy nhiên trong thực tế phân tích mái dốc công trình đất, người thiết kế thường bỏ qua ảnh hưởng của khe nứt căng trên đỉnh mái dốc Với những mái dốc đất dính, mái dốc

đá phong hóa hoặc những mái dốc mới đào đắp thường xuất hiện những khe nứt trên đỉnh mái Những khe nứt này làm giảm ngắn chiều dài cung trượt và khi chứa nước thì

có ảnh hưởng lớn đến an toàn mái dốc Khi tính toán người thiết kế cần phân tích ổn định công trình phù hợp với các điều kiện làm việc của công trình, dẫn đến lựa chọn phân tích điều kiện ứng suất tổng hay ứng suất hiệu quả trong tính toán, vì vậy đề tài

“Nghiên cứu ảnh hưởng của khe nứt căng đến mức độ ổn định mái dốc và các phân tích ứng dụng” có tính khoa học và thực tiễn, giải quyết cấp bách tình trạng thực tế xây dựng hiện nay

Đề tài chọn mái dốc công trình đường Vĩnh Hy – Ninh Chữ thuộc dự án đường ven biển Ninh Thuận để phân tích đánh giá, mục đích làm nổi bật ảnh hưởng của phân tích mái dốc có xét đến khe nứt căng trên đỉnh mái Đặc điểm nổi bật của công trình này là mái dốc cắt qua lớp đất dính phía trên, trong điều kiện khô hạn kéo dài vùng Ninh Thuận thường gây nứt nẻ mạnh trên đỉnh mái dốc Sự ổn định của công trình giao thông huyết mạch này nhằm góp phần phát triển kinh tế vùng phía Đông Ninh Thuận

Trang 14

II/ Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu các cơ chế và các nguyên nhân gây mất ổn định mái dốc;

- Nghiên cứu các phương pháp phân tích ổn định mái dốc thường dùng trong giai đoạn hiện nay;

- Phân tích ổn định mái dốc cho một công trình theo các phương pháp khác nhau;

- So sánh, đánh giá tính hợp lý nhất của phương pháp ứng với tầm quan trọng của công trình, quy mô công trình đảm bảo tính kinh tế và kỹ thuật

III/ Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu thực tế (tài liệu khảo sát địa chất, tài liệu thiết kế, tài liệu hoàn công…) để làm rõ các nguyên nhân gây mất ổn định mái dốc

- Phân tích lý thuyết tính toán ổn định mái dốc;

- Mô hình hóa bài toán ứng dụng

Trang 15

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC VÀ PHƯƠNG PHÁP TĂNG CƯỞNG ỔN ĐỊNH MÁI DỐC

1.1 Mở đầu

Mái dốc công trình đất bao gồm mái dốc tự nhiên và mái dốc nhân tạo Mái dốc tự nhiên là các mái dốc của địa hình đồi núi tự nhiên, liên quan đến quá trình hình thành đất đá tự nhiên Mái dốc nhân tạo là các mái dốc công trình đất hình thành do đào, đắp

và các tác động của con người

Dù mái dốc tự nhiên hay nhân tạo, thì yêu cầu về sự ổn định của mái dốc là yêu cầu bắt buộc Mái dốc ổn định là mái dốc không bị phá hoại trượt, sự phá hoại mất ổn định của mái dốc đã để lại những hậu quả nặng nề về kinh tế, xã hội và môi trường

Sự phát triển khoa học xây dựng của nhân loại đi kèm với sự phát triển về lý thuyết tính toán ổn định mái dốc công trình đất Việc tính toán, dự báo và đề xuất biện pháp đảm bảo ổn định công trình đã đóng góp không nhỏ cho sự phát triển của xã hội

- Bishop (1950) sử dụng bề mặt trượt trụ tròn và chỉ áp dụng phương trình cân bằng

mô men đối với khối trượt và phương trình cân bằng lực theo phương đứng

Trang 16

- Janbu (1950-1960) sử dụng bề mặt trượt dạng bất kỳ và chỉ dùng phương trình cân bằng lực đối với khối trượt

- Morgensten-Priece (1960) sử dụng bề mặt trượt dạng bất kỳ và áp dụng cả 2 phương trình cân bằng lực và phương trình cân bằng mô men

- Fredlund (1970) sử dụng bề mặt trượt hỗn hợp và áp dụng cả 2 phương trình cân bằng lực và phương trình cân bằng mô men Mặt trượt hỗn hợp gồm một phần là mặt tròn và một phần là mặt phẳng

- Boutrups và Siegel (1970) đề nghị sử dụng lý thuyết xác suất để tìm hình dạng bề mặt trượt (nghĩa là tìm bề mặt trượt ngẫu nhiên) và chỉ áp dụng phương trình cân bằng lực

- Baker và Garber (1977) dùng bề mặt trượt dạng đường cong logarit và áp dụng cả 2 phương trình cân bằng lực và phương trình cân bằng mô men

- Celestino và Duncan (1981) đã sử dụng cực tiểu của hàm nhiều biến để tìm bề mặt trượt nguy hiểm nhất, nó gồm một số các đoạn thẳng

- Kopaccy (1957) lần đầu tiên đề nghị phương pháp vi tích phân biến đổi để xác định hình dạng và vị trí mặt trượt nguy hiểm nhất

1.1.2 Cơ sở các phương pháp tính ổn định trượt mái dốc

Để tính toán ổn định mái dốc, có thể dùng phương pháp phân tích giới hạn hoặc phương pháp cân bằng giới hạn

Phương pháp cân bằng giới hạn dựa trên cơ sở giả định trước mặt trượt (coi khối trượt như một cố thể) và phân tích trạng thái cân bằng giới hạn của các phân tố đất trên mặt trượt giả định trước Mức độ ổn định được đánh giá bằng tỷ số giữa thành phần lực chống trượt (do lực ma sát và lực dính) của đất nếu được huy động hết so với thành phần lực gây trượt (do trọng lượng, áp lực đất, áp lực nước, áp lực thấm, ) Hiện đã

có kết quả nghiên cứu cho bài toán ba chiều (phương pháp Wike, Lone) tuy nhiên trong thực tế nhiều công trình có kích thước một chiều khá lớn như: đê, đập, tường chắn đất, nên có nhiều phương pháp giải quyết đối với bài toán phẳng: Fellenius,

Trang 17

Bishop, Spencer, Janbu,

Phương pháp phân tích giới hạn dựa trên cơ sở phân tích ứng suất trong công trình (khối đất đắp: đê, đập, ) và nền của chúng Dùng các thuyết bền: Morh - Coulomb, Hill - Tresca, Nises - Shleiker, kiểm tra ổn định cho từng điểm trong toàn miền Công trình được coi là là mất ổn định khi tập hợp các điểm mất ổn định tạo thành mặt trượt liên tục Giải quyết vấn đề này cần sử dụng các kiến thức của sức bền vật liệu, lý thuyết đàn hồi và dùng phương pháp sai phân để tính toán Ngày nay do công cụ máy tính phát triển nên phương pháp phần tử hữu hạn có phần chiếm ưu thế Những năm gần đây lý thuyết phân tích hệ thống đã được ứng dụng để phân tích ổn định mái đất

1.2 Các sự cố trượt lở mái dốc ở Việt Nam và biện pháp gia cố

Hình 1.1: Sạt lở đất tại Cầu Móng Sến trên Quốc Lộ 4D

Trang 18

Hình 1.2: Sạt lở trên Quốc lộ 4D đoạn đi qua xã Chả Phả

Hình 1.3: Sạt lở đất đường ven Biển đoạn Cà Ná – Mũi Dinh tỉnh Ninh Thuận

Trang 19

Hình 1.4: Sạt lở đất trên tỉnh lộ 15ª đoạn qua xã Ngọc Sơn, Thạch Hà – Hà Tĩnh

Hình 1.5: Sạt lở đất trên tuyến Za Hung - Arooih – Quảng Nam

Trang 20

Hình 1.6 Sạt ở đất tại Canh Liên – Vân Canh – Bình Định

Hình 1.7 Vết nứt xuất hiện trên đỉnh mái dốc

Hình 1.7 là mái dốc công trình đất mới được vát mái theo độ dốc thiết kế trên tuyến đường giao thông đi Sa Pa Trong ảnh là vết nứt dài xuất hiện gần đỉnh mái dốc (khoang màu đỏ trong ảnh) Nguyên nhân phát sinh khe nứt căng trên đỉnh mái là do cắt mái dốc

1.3 Khái quát chung về các giải pháp tăng cường ổn định mái dốc

Có rất nhiều phương pháp giữ ổn định mái dốc Mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm riêng mà tùy thuộc vào địa chất, địa hình hay điều kiện kinh tế kỹ thuật mà chọn phương pháp phù hợp nhất

Dưới đây là một số phương pháp đã được áp dụng trong và ngoài nước

Trang 21

1.3.1 Phương pháp đắp đất tại chân mái dốc (Loading the Toe):

Phương pháp này dùng có hiệu quả với các loại mái dốc sâu không ổn định Một khối đất đắp dưới chân mái dốc sẽ có tác dụng chống lại mômen trượt và giữ ổn định mái dốc

Vật liệu của phần đất đắp này có thể là vật liệu lấy từ đỉnh mái dốc (bao gồm cả việc cân chỉnh mái dốc) hay vật liệu mua từ bên ngoài về công trường

Ổn định mái dốc theo cách này thường không áp dụng với các loại mái nông Tuy nhiên, có thể áp dụng khi có những lớp đất không ổn định, nhờ thế có thể kiểm soát tốt phạm vị phá hoại của các lớp đất này

Hình 1.8: Phương pháp đắp đất ở chân mái dốc

1.3.2 Phương pháp thoát nước (Drainage Methods):

Đối với phương pháp này rất khó để xác định được tỷ lệ hiệu quả của việc thoát nước Phương pháp này dùng tốt khi cần ổn định mái trong thời gian ngắn, vì về lâu dài các đường rãnh cần được bảo trì và sửa chữa mà việc đó rất khó kiểm tra thực hiện và tốn kém

Phương pháp này chia ra nhiều khe rãnh khác nhau:

1.3.2.1Với loại rãnh nông (thoát nước mặt):

- Mục đích của phương pháp này là giảm nước mặt và do đó sẽ làm giảm áp lực nước

lỗ rỗng ở các tầng đất sâu hơn

Trang 22

- Các rãnh rất dễ sữa chữa nhưng cũng rất nhanh hỏng

Có hai dạng thường dùng là:

- Dạng hình xương cá (HerringBone shape)

- Dạng hình quân hàm (Chevron shape)

Hình 1.9: Các dạng thi công thường gặp trong phương pháp Thoát nước

Dưới đây là hình ảnh ví dụ mái dốc được giữ ổn định theo phương pháp này:

Hình 1.10: Hình ảnh mặt thoát nước của mái dốc trên đường thuộc vịnh Runswick,

một làng ven biển ở Yorkshire, Anh

Trang 23

1.3.2.2 Với loại rãnh sâu:

Có rất nhiều cách thức thực hiện loại rãnh sâu này với mục đích làm giảm áp lực nước lỗ rỗng trong đất, tuy nhiên các vấn đề ổn định thành vách các rãnh sâu cần được xem xét

Ở loại này thường thấy kết hợp các dạng sau:

- Các rãnh sâu đưa nước thoát đi

- Các hố khoan thoát nước dọc

- Các hố khoan thoát nước ngang

1.3.3 Phương pháp dùng vải địa kỹ thuật (Geotextiles):

Vải địa kỹ thuật là loại vật liệu gia cường đất nhân tạo (thường làm bằng chất dẻo) Trong vùng ổn định của mái dốc, lưới địa kỹ thuật gia cường (geogrids) được dùng, vì với chức năng gia cường nhờ cường độ chịu kéo của nó sẽ giúp gia tăng các đặc tính

cơ học của công trình đất thông qua sự tương tác với đất tại bề mặt chịu cắt

Ví dụ trong nền đắp lưới địa kỹ thuật gia cường có tác dụng làm giảm mômen phát sinh do khối trượt

Loại này rất thường được dùng như một loại neo, nó tạo một phản lực chống lại mômen nhiễu

Ngoài ra chúng còn được dùng để gia cố trượt nhỏ trong quá trình thi công đào đất, hiệu quả mang lại rất khả quan

Ở nước ta phương pháp dùng vải địa kỹ thuật cũng đã áp dụng với một số công trình Trong tương lai sẽ được sử dụng nhiều vì tính tiện dụng và giá thành tương đối hợp lý

Trang 24

Hình 1.11: Mô hình của phương pháp vải địa kỹ thuật với 3 lớp vải

Hình 1.12: Lưới địa kỹ thuật gia cường (Geogrids)

1.3.4 Phương pháp cọc bản (Sheet piling):

Đây là phương pháp gia cố tốn kém và không thường được dùng trừ khi khả năng hồi phục ổn định của mái chiếm tỷ lệ cao Tuy nhiên, nó lại thường được dùng khi thi công các hố đào sâu trong đất yếu với áp lực đất lớn

Ở phương pháp này, người ta dùng các loại cọc có hình dáng, chất liệu khác nhau tùy theo thiết kế để phù hợp với điều kiện thực tế

Trang 25

Một ví dụ là nó đã được dùng ở Team Valley thuộc vùng Đông Bắc nước Anh

Hình 1.13: Phương pháp cọc bản

1.3.5 Phương pháp cân chỉnh mái taluy (Regrading the Slope):

Với loại này có thể chia thành 3 hướng sau:

- Cân chỉnh mái dốc để có được góc nghiêng thích hợp

- Giảm toàn bộ chiều cao mái dốc và vẫn giữ nguyên độ dốc mái

- Lấy đất từ đỉnh mái đắp ở chân (như phương pháp Loading the Toe)

+ Phương pháp cân chỉnh mái taluy (mái dốc):

Có thể thực hiện bằng cách đào vuốt mái hay đắp thêm để mái thoải hơn Với phương pháp này hiệu quả cao nhất là với các dạng mái nông không ổn định

Hình 1.14: Phương pháp cân chỉnh mái dốc

Trang 26

+ Phương pháp giảm chiều cao mái dốc:

Với những mái dốc nhân tạo (có thể là trong lúc thi công đào đắp đất) thì phương pháp

hạ cao độ mái dốc rất hữu dụng nhưng thường thì không thể thực hiện vì phải tuân theo yêu cầu thiết kế

Với mái dốc tự nhiên phương pháp này có thể được xem xét Tuy nhiên, việc giảm sự mất ổn định theo phương pháp này thu được kết quả không cao bằng phương pháp đắp đất tại chân mái dốc và phương pháp này cũng chỉ có hiệu quả đối với các loại mái đào sâu hay đắp cao

1.3.6 Phương pháp ổn định mái dốc bằng cọc (Piled-Slopes):

Đây là một phương pháp khá hợp lý khi ứng dụng ổn định trượt cho khu vực rộng lớn Vấn đề cơ bản của phương pháp này là dùng cọc hoặc các cấu kiện gia cường gia cố thành hàng để ngăn chặn ảnh hưởng trượt của mái dốc (slope reinforced)

Phương pháp này tiết kiệm được nhiều chi phí và mang lại hiệu quả cao vì các cấu kiện gia cường mà cụ thể là cọc được đặt vào đất thành hàng với những khoảng cách nhất định phụ thuộc vào thiết kế do vậy sẽ tiết kiệm được vật liệu làm cọc

Hình 1.15: Phương pháp gia cường mái dốc bằng hàng cọc

1.3.7 Phương pháp neo trong đất (Soil Anchoring):

Thường thì neo trong đất đã được tạo một ứng suất trước, đó là lực mà nó cần để giữ

Trang 27

ổn định mái Để làm được vậy các neo phải được neo sâu vượt qua cung trượt nguy hiểm của đất Tuy nhiên, cần phải xem xét lực neo cùng với một số lực khác phát sinh

do các cung trượt ở sâu trong đất hay ma sát giữa neo với đất…

Lực dọc trục neo gia tăng theo ứng suất ảnh hưởng của chiều sâu, bởi vì sự gia tăng cường độ của mái taluy

Hình 1.16: Phương pháp neo trong đất

1.3.8 Phương pháp trồng cỏ trên mái dốc (“Grassing-Over” the Slope):

Bằng cách trồng cỏ hay đắp cát bao phủ, ngay lập tức sẽ giảm được lượng nước thấm vào mái dốc Tuy nhiên, chỉ áp dụng được với các mái nông và đất không quá yếu Phương pháp này thường được dùng để xử lý dài hạn, ít tốn kém và rất đơn giản trong khi vẫn đáp ứng được yêu cầu về ổn định.

Hình 1.17: Cỏ vetiver được trồng thành công ở huyện Củ Chi, TP.HCM

Trang 28

Ngoài ra, khi kết hợp với một số loại bụi cây trang trí sẽ tạo đuợc tính thẫm mỹ cho mái dốc

1.3.9 Phương pháp sử dụng các kết cấu chắn giữ (Retaining Structures):

Nói chung, phương pháp này không phải là một phương pháp đặc biệt có hiệu quả vì rất khó để xây dựng công trình trên một nền đất trượt, chỉ những yêu cầu đặt ra cần phải bảo đảm ổn định cho một công trình cũ cần được tái sử dụng thì mới xem xét đến phương pháp này

Người ta sẽ dự tính được lực tác dụng lên tường chắn nhờ vào lực trượt bên trong đất bằng cách phân tích ổn định Những lực nhận được dựa vào trạng thái cân bằng mà có Tường chắn sẽ huy động thêm lực kháng làm cho mái dốc bị thay đổi hình dạng Lực này sẽ hoạt động dọc theo “đường hoạt động” (line of action) hướng vào đất hoặc đá dưới mái dốc

Hình 1.18: Phương pháp sử dụng tường chắn

1.3.10 Phương pháp tổ hợp:

Phương pháp này thường dùng khi quy mô công trình lớn, đây chính là tổng hợp của nhiều phương pháp nói trên

Trang 29

Hình 1.19: Phương pháp sử dụng tổng hợp

1.4 Kết luận chương 1:

Chương 1 là chương khai quát chung về mái dốc và sự ổn định của nó Các sự cố mất

ổn định mái dốc đã xẩy ra trên các công trình trong thời gian vừa qua, phân tích mức

độ nguy hại của mái dốc công trình khi bị phá hoại Tác giả đã nêu ra các phương pháp giữ ổn định mái dốc, phân tích ưu, nhược điểm và phạm vi áp dụng của tầng phương pháp Hiện nay, thời tiết diễn ra rất phức tạp, tình hình hạn hán, lũ lụt xẩy ra liên tục, mức độ nguy hiểm ngày càng mạnh Với tình hình thời tiết như vậy, mục tiêu ổn định mái dốc của các công trình đất phải được đặt lên hàng đầu

Mục tiêu xây dựng một công trình mái dốc an toàn hay môi trường tự nhiên không có sạt lở đất, lũ quét là nhiệm vụ của các nhà khoa học và các kỹ sư xây dựng công trình

Trang 30

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC

2.1 Mái dốc và sự mất ổn định của nó

2.1.1 Mở đầu

Mái dốc là khối đất có mặt giới hạn là mặt dốc (Hình 2.1) Mái dốc được hình thành hoặc do tác nhân tự nhiên (sườn núi, bờ sông v.v ) hoặc do tác động nhân tạo (ví dụ: taluy nền đường đào, nền đắp, hố móng, thân đập đất, đê.v.v )

Như chúng ta đã biết mái dốc càng thoải thì độ ổn định sẽ càng cao nhưng khối lượng công tác đất, diện tích chiếm dụng sẽ càng lớn, điều này sẽ dẫn đến trái với quan điểm kinh tế hiện nay Vì vậy, mục tiêu cuối cùng của việc tính toán ổn định mái dốc là xác định được độ dốc mái taluy thỏa mãn yêu cầu kinh tế và kỹ thuật

Để đánh giá ổn định của mái dốc, về mặt lý thuyết hiện nay tồn tại nhiều phương pháp

Trang 31

tính nhưng có thể gộp chúng thành hai nhóm phương pháp chính như sau:

+ Nhóm phương pháp theo lý thuyết cân bằng giới hạn của khối rắn (giả thiết trước hình dạng của mặt trượt):

Đặc điểm của nhóm phương pháp dùng mặt trượt giả định là không căn cứ trực tiếp vào tình hình cụ thể của tải trọng và tính chất cơ lý của đất đắp để quy định mặt trượt cho mái dốc mà xuất phát từ kết quả quan trắc lâu dài các mặt trượt của mái dốc trong thực tế để đưa ra giả thiết đơn giản hoá về hình dạng mặt trượt rồi từ đó nêu lên phương pháp tính toán, đồng thời xem khối trượt như là một vật thể rắn ở trạng thái cân bằng giới hạn

+ Nhóm phương pháp dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn thuần tuý:

Nhóm lý thuyết này dựa trên giả thuyết chính cho rằng, tại mỗi điểm trong khối đắp đất đều thoả mãn điều kiện cân bằng giới hạn Việc một điểm mất ổn định được giải thích là do sự xuất hiện biến dạng trượt tại điểm đó Còn mái đất mất ổn định là do sự phát triển của biến dạng trượt trong một vùng rộng lớn giới hạn của khối đất đắp Trong hai nhóm phương pháp nêu trên, "nhóm phương pháp dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn thuần tuý " vẫn mô phỏng được gần đúng trạng thái ứng suất trong khối đất bị phá hoại, về mặt toán học mang tính logic cao nhưng điểm hạn chế là chưa xét được biến dạng thể tích của khối đất, đồng thời là giải bài toán ổn định của mái dốc theo phương pháp này chưa được áp dụng rộng rãi trong thực tế Nhóm phương pháp

"dùng mặt trượt giả định" tuy có nhược điểm là xem khối trượt như là một cố thể và được giới hạn bởi mặt trượt và mặt mái dốc, đồng thời xem trạng thái ứng suất giới hạn chỉ xảy ra trên mặt trượt mà thôi, thực tế thì mặt trượt xảy ra rất phức tạp, phụ thuộc vào sự tác dụng của tải trọng ngoài vào tính chất của các địa tầng và vào các yếu

tố khác Tuy vậy tuỳ theo tình hình cụ thể của từng công trình mà việc giả định trước các mặt trượt cho phù hợp, đồng thời nhóm phương pháp này tính toán đơn giản hơn

và thiên về an toàn hơn so với nhóm phương pháp lý luận cân bằng giới hạn Chính vì thế thực tế hiện nay sử dụng phương pháp này để tính toán ổn định mái dốc được áp dụng rộng rãi hơn

Trang 32

2.1.2 Phân tích ổn định mái dốc

Phân tích ổn định mái dốc đề cập sau liên quan đến hai loại mái dốc:

- Mái dốc tự nhiên

- Mái dốc nhân tạo (do con người tạo ra)

Vấn đề trượt mái dốc có thể đưa đến hậu quả thiệt hại to lớn về kinh tế, xã hội và môi trường

Phần này nhằm kiến giải một cách tổng quát cơ chế hoạt động một số loại trượt mái dốc đặc trưng và trình bày các phương pháp đánh giá một mái dốc có được ổn định hay không Tuy nhiên, ta cần ý thức rằng, việc xác định một cách chính xác hệ số an toàn chống trượt một mái dốc là khó khăn Nó đòi hỏi phải nghiên cứu thận trọng và toàn diện nhiều yếu tố tác động

Để đánh giá được mức độ ổn định của mái dốc thì công việc đầu tiên và rất quan trọng vẫn là nghiên cứu một cách nghiêm túc và chi tiết về địa chất, cơ lý, địa hình để làm sáng tỏ các nguyên nhân và các điều kiện có thể gây ra trượt mái dốc Nghiên cứu đánh giá, lựa chọn các thông số đại diện cần thiết để tính toán và chúng quyết định việc lựa chọn được hệ số an toàn chấp thuận

2.1.3 Phân chia các loại chuyển động mái dốc

Chuyển động của mái dốc tự nhiên:

Ta có thể phân biệt được các loại chuyển mái dốc tự nhiên sau:

- Chuyển động do lăn rơi khối đá

Trang 33

- Chuyển động do dòng nước chảy cuốn trôi

Chuyển động của mái dốc nhân tạo:

Các mái dốc do con người tạo ra, có thể gây ra chuyển động hoặc trượt chủ yếu là do hiện tượng biến dẻo bởi trọng lượng tới hạn gây ra

Có thể phân loại mái dốc nhân tạo tùy theo loại công trình:

- Mái dốc đào

- Mái dốc đắp trên đất nền không chịu nén

- Mái dốc đắp trên đất yếu chịu nén

- Trượt tổng thể dưới tường chắn

- Ổn định mái đê và đập đất

Các loại chuyển động chính:

2.1.3.1 Chuyển động do lăn rơi các khối đá

Đây là hiện tượng lở và lăn các khối đá trên các sườn núi do trọng lượng của chúng gây ra, hiện tượng này rất nguy hiểm Việc phân tích hiện tượng trượt lở rơi đá ở sườn dốc thuộc phạm vi nghiên cứu cơ học đá

Trang 34

Hình 2.2: Trượt mặt phẳng

*Trượt vòng cung đơn giản:

Trượt mái dốc theo mặt trượt vòng cung đơn giản thường xảy ra nhất Đường trượt thường có dạng đơn giản giống như hình trụ Phân tích khả năng trượt mái dốc có thể

áp dụng theo phương pháp kinh điển

Loại trượt này có thể được phân biệt bởi các dấu hiệu sau (hình 2.3):

- Phía đỉnh mái dốc xuất hiện các vết nứt do lực đất kéo xuống

- Xuất hiện một khoảng trống phía đỉnh khối trượt

- Xuất hiện khối trồi phía chân khối trượt

Khi mặt trượt có dạng cung tròn ta gọi là trượt cung tròn Trượt cung tròn thường xảy

ra trong phần lớn các trường hợp trượt mái dốc Ngược lại, đường trượt không có dạng hình tròn ta chỉ gọi là trượt vòng cung

Hình 2.3: Trượt vòng cung

Trang 35

* Trượt vòng cung phức hợp:

Trượt trên một mái dốc tạo ra nhiều khối trượt hình vòng cung chồng lên nhau (như thể hiện trong hình 2.4) gọi là trượt vòng cung phức hợp Một khối trượt chồng lên khối tiếp theo là nguyên nhân làm cho khối tiếp theo trượt và cứ liên tiếp trên một mái dốc dài

Hình 2.4: Trượt vòng cung phức hợp 2.1.3.3 Chuyển động do trồi xệ

Chuyển động trồi xệ là chuyển động của đất nền sườn dốc do chịu một tải trọng lớn, đến tiệm cận giới hạn dẻo, làm đất nền có xu hướng chuyển động trồi xệ ra phía trên Hình 2.5 cho thấy bờ dốc dưới mac-nơ đang trồi xệ do dưới tải trọng khối đá vôi nằm trên đè xuống Khối đá vôi nứt nẻ lại có xu hướng tạo ra chuyển động lăn rơi khối đá phía ngoài

Hình 2.5: Trượt do trồi xệ dưới tải trọng

Trang 36

2.1.3.4 Chuyển động do cuốn theo dòng nước

Các tảng đá trên sườn dốc có xu hướng cuốn trôi dọc theo sườn dốc, dưới tác dụng của dòng nước chảy xiết

2.1.3.5 Mái dốc do đào đất và mái dốc đất đắp nằm trên nền đất không chịu nén

Các loại mái dốc này có đặc điểm chung là bị trượt theo đường trượt cung tròn Ta có thể phân chia thành các loại trượt cung tròn sau (hình 2.6):

Hình 2.6: Các loại trượt cung tròn trên mái dốc

- Trượt cung tròn lưng dốc: thường xảy ra ở chổ đất bất đồng nhất Đáy của vòng tròn trượt thường nằm trên mặt một lớp đất cứng hơn

- Trượt cung tròn chân dốc: thường gặp nhất trong loại mái dốc kiểu này

- Trượt cung tròn sâu: chỉ xảy ra khi đất nền dưới chân mái dốc quá yếu

2.1.3.6 Mái dốc đất đắp nằm trên nền đất yếu chịu nén

Đất đắp thường là đất được đầm chặt (ví dụ đất đắp cho nền đường giao thông, sân ga, bến cảng,v.v ) nằm trên lớp đất yếu loại sét (thường là bùn và than bùn) Mặt trượt mái dốc này thường nằm sâu và tiếp tuyến ở đáy lớp đất yếu (nếu bề dày lớp này không quá lớn)

Tuy mái dốc ổn định nhưng hệ số an toàn chống trượt gần bằng 1 thì đất nền mái dốc

có xu hướng xệ và trồi lên tạo ra độ lún quá lớn (hình 2.7)

Quá trình biến dạng của đất yếu nằm dưới đất đắp thường xảy ra do biến đổi thể tích

Trang 37

(giảm hệ số rỗng, nước khe rỗng thoát ra) nên phù hợp cho tính lún theo lý thuyết cố kết

Hình 2.7: Đất đắp trên nền đất yếu

2.2 Phương pháp phân tích cân bằng giới hạn chia thỏi

Với mái dốc có hình dạng phức tạp nhất là trường hợp mái dốc không đồng chất, mái dốc do nhiều lớp đất tạo thành thì việc tính trọng lượng và xác định trọng tâm của khối trượt sẽ gặp khó khăn Mặt khác trong trường hợp này do áp lực pháp tuyến và cường

độ chống cắt phân bố không đều trên mặt trượt càng làm cho việc phân tích ổn định mái dốc theo phương pháp cung trượt trụ tròn đơn giản trở nên khó khăn Để khắc phục tồn tại nói trên khi phân tích ổn định mái dốc người ta áp dụng phương pháp phân thỏi

Tính theo phương pháp phân thỏi, đầu tiên phải giả thiết mái dốc có thể hình thành nhiều mặt trượt Khối trượt ở phía trên mỗi mặt trượt giả thiết được chia thành nhiều thỏi thẳng đứng (Hình 2.8) Tiếp theo là phân tích điều kiện cân bằng lực và momen đối với hệ lực tác dụng lên các thỏi đất để tìm ra hệ số ổn định của mái dốc Tính toán được thực hiện với một số lượng lớn mặt trượt để tìm ra mặt trượt nguy hiểm nhất tương ứng hệ số ổn định bé nhất

Trang 38

Hình 2.8: Phân tích bằng phương pháp phân thỏi

Phương pháp phân thỏi do Peterson (Thụy Điển) đề xuất năm 1916 sau đó Fellenius và Taylor cải tiến Các tác giả đã giả thiết bài toán ổn định mái dốc là bài toán biến dạng phẳng, mặt trượt của mái dốc là mặt trượt trụ tròn Khi tính toán ổn định mái dốc họ không xét lực tương tác ở hai mặt bên của các thỏi đất và định nghĩa hệ số ổn định của mái dốc là bằng tỷ số giữa tổng momen kháng trượt và tổng momen gây trượt tác dụng lên mặt trượt (quan điểm thứ nhất về Fs) Nhiều năm sau cùng với sự phát triền không ngừng của môn cơ học đất, nhiều nhà khoa học đã dành tâm lực cải tiến phương pháp phân thỏi Những nỗ lực của các nhà khoa học thể hiện ở 2 mặt:

Một là lập trung khảo sát về quy luật của vị trí cung trượt nguy hiểm nhất, lập các bảng số, các biểu đồ tra cứu để giảm thiểu khối lượng tính toán

Hai là với những giả thiết cơ bản để cải tiến và bổ sung, đề xuất phương pháp tính toán mới phù hợp với tình hình thực tế hơn Về mặt này A.W.Bishop và đồng nghiệp đã đề xuất định nghĩa về hệ số ổn định, có tác dụng quan trọng đối với sự phát triển của phương pháp phân thỏi Cụ thể A.W.Bishop và đồng nghiệp năm 1955 đã định nghĩa

về hệ số ổn định là tỷ số giữa cường độ kháng trượt τf ở mặt trượt và ứng suất cắt τ sản sinh ra trên mặt trượt đó (quan điểm thứ 2 về Fs), tức là:

Fs = τf/τ (2.1) Định nghĩa này không những làm cho ý nghĩa vật lý của hệ số ổn định càng rõ ràng minh bạch hơn mà còn có giá trị sử dụng rộng rãi khi phân tích ổn định mái dốc và

Trang 39

tiện lợi hơn trong trường hợp mặt trượt không phải trụ tròn và khi xét lực tương tác tại hai mặt bên các thỏi đất

Hình 2.9 Biểu thị sơ đồ khối trượt mái dốc và hệ lực tác dụng lên thỏi đất thứ i trong số n thỏi được phân chia

(a) Lực tác dụng (b) Đa giác lực

Hình 2.9: Hệ lực tác dụng lên thỏi đất

Các lực tác dụng lên thỏi đã biết gồm có:

- Trọng lượng bản thân thỏi đất i, Wi ;

- Ngoại lực tác dụng theo phương ngang ví dụ lực động đất Qi ;

- Áp lực nước lỗ rỗng tại hai mặt bên của thỏi đất (ut, up) và tại mặt đáy thỏi ui ;

- Các tham số hình học hi, bi, li,αi của thỏi đất i;

- Các chỉ tiêu cơ lý của đất γi φi ci của thỏi i;

Những đại lượng sau đây là các ẩn số cần tìm sao cho đảm bảo điều kiện cân bằng lực của toàn khối:

1 - Hệ số ổn định Fs, có 1 giá trị, coi hệ số ổn định đối với các thỏi là như nhau;

2- Phản lực pháp tuyến hiệu quả Ni tác dụng tại đáy thỏi thứ i, có n giá trị;

3- Lực ngang tại hai mặt bên của thỏi thứ i, P, có n-l giá trị;

Trang 40

4- Lực đứng tại hai mặt bên của thỏi thứ i, Hi, có n-l giá trị;

5- Vị trí điểm đặt của hợp lực Ni và Ti tại ai, có n giá trị;

6- Vị trí điểm đặt của hợp lực Pi và Hi tại Zi, có n-l giá trị

Như vậy tổng số có 5n-2 ẩn số cần tìm nhưng chúng ta mới có 3n phương trình nhận được từ điều kiện cân bằng lực đứng, điều kiện cân bằng lực ngang và điều kiện cân bằng momen Như vậy đây là bài toán siêu tĩnh bậc cao Để giải được bài toán cần phải tìm thêm điều kiện, đưa vào những giả thiết để đơn giản hoá bài toán, để giảm bớt

số ẩn hoặc tăng thêm phương trình

2.2.1 Phân tích theo tiêu chuẩn Việt Nam

Muốn bảo đảm điều kiện ổn định của mái dốc, hệ số ổn định nhỏ nhất Kminmin phải lớn hơn đơn vị và để nhằm bảo đảm an toàn cho mái dốc, hệ số ổn định nhỏ nhất này phải lớn hơn hệ số ổn định cho phép [K]cp nghĩa là phải thỏa mãn điều kiện : Kminmin [K]cp

Trị số hệ số ổn định cho phép [K]cp phụ thuộc cấp công trình và các loại tổ hợp lực tác dụng Trị số này có thể lấy theo bảng đã nêu trên

Theo Quy chuẩn Việt Nam QCVN 04-05:2012 qui định:

- Khi tính toán trạng thái giới hạn theo nhóm thứ nhất: kn được xác định theo cấp công trình:

Công trình cấp đặc biệt lấy kn = 1,25

Công trình cấp I lấy kn = 1,20

Công trình cấp II lấy kn = 1,15

Công trình cấp III, IV lấy kn = 1,15

- Khi tính toán ổn định cho những mái dốc tự nhiên nằm kề sát công trình khác có hệ

số bảo đảm lớn hơn: phải lấy hệ số bảo đảm của mái bằng hệ số bảo đảm của công trình đó

Định dạng
Số trang	97
Dung lượng	3,17 MB