Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật neo đất để gia cường ổn định mái dốc

3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG ỔN ĐỊNH MÁI DỐC Mái dốc của khối đất đá có thể được hình thành do các tác nhân tự nhiên hay nhân tạo.. Các lực gây mất ổn định liên quan chủ

Sau một thời gian thu thập tài liệu, nghiên cứu và thực hiện, đến nay Luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật Neo đất để gia cường ổn định mái

dốc Ứng dụng xử lý mái dốc taluy đường cao tốc Nội Bài - Lào Cai, lý trình KM45+300” đã hoàn thành đúng thời hạn như đề cương được phê duyệt

Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Thủy lợi đã đào tạo và quan tâm giúp đỡ, tạo mọi điều kiện cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này

Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn TS Hoàng Việt Hùng đã trực tiếp tận

tình hướng dẫn, cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho luận văn

Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên về tinh thần, vật chất, thời gian để cho tác giả có thể đạt được kết quả hôm nay

Trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn, tác giả khó tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những lời góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô và cán bộ đồng nghiệp đối với bản luận văn

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả

Trần Thị Thơm

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

-

BẢN CAM ĐOAN CỦA HỌC VIÊN

Kính gửi: - Ban giám hiệu trường Đại học Thủy lợi

- Khoa công trình và các phòng ban có liên quan

Tên tôi là: Trần Thị Thơm

Ngày sinh: 12/8/1984

Học viên lớp cao học: 21C21

Mã số học viên: 138580202058

Tôi xin cam đoan các nội dung sau đây:

1 Đây là bản luận văn do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Hoàng Việt Hùng

2 Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và không trùng lặp với bất cứ đề tài nào khác đã được công bố

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật về những nội dung cam đoan nêu trên

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả

Trần Thị Thơm

I Tính cấp thiết của đề tài 1

II Mục đích của đề tài 1

III Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

IV Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG ỔN ĐỊNH MÁI DỐC 3

1.1 Nguyên nhân gây mất ổn định mái dốc 3

1.2 Phân loại hiện tượng sạt trượt mái dốc ở Việt Nam 4

1.2.1 Sạt trượt mái dốc do hiện tượng rửa xói sườn dốc 4

1.2.2 Sạt trượt mái dốc do hiện tượng lũ bùn đá 7

1.2.3 Hiện tượng trượt đất 10

1.2.4 Hiện tượng đá đổ 11

1.2.5 Hiện tượng đất sụt 14

1.2.6 Phân tích nguyên nhân gây sụt trượt mái dốc taluy đường giao thông 16

1.3 Các giải pháp tăng cường ổn định mái dốc 17

1.3.1 Phương pháp đắp đất tại chân mái dốc (Loading the Toe) 17

1.3.2 Phương pháp thoát nước (Drainage Methods) 18

1.3.3 Phương pháp dùng vải địa kỹ thuật (Geotextiles) 20

1.3.4 Phương pháp cọc bản (Sheet piling): 21

1.3.5 Phương pháp cân chỉnh mái taluy (Regrading the Slope): 22

1.3.6 Phương pháp ổn định mái dốc bằng cọc (Piled-Slopes) 22

1.3.7 Phương pháp neo trong đất (Soil Anchoring): 23

1.3.8 Phương pháp trồng cỏ trên mái dốc (“Grassing-Over” the Slope) 24

1.3.9 Phương pháp sử dụng các kết cấu chắn giữ (Retaining Structures) 25

1.3.10 Phương pháp tổ hợp 25

1.4 Kết luận chương 1 27

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 28

2.1 Sơ lược về sự phát triển, ứng dụng neo cố định mái dốc ở Việt Nam 28

2.1.1 Sơ lược về sự phát triển công nghệ neo cố định mái dốc 28

2.1.2 Ứng dụng neo cố định mái dốc ở Việt Nam 28

2.2 Các dạng neo đất và nguyên lý làm việc 29

2.2.1 Phân loại neo trong đất 29

2.2.2 Cấu tạo chung của neo trong đất 29

2.2.3 Nguyên lý chống nhổ của thanh neo 30

2.2.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến lực chống nhổ của thanh neo 31

2.2.5 Các phương pháp xác định khả năng chịu tải của neo trong đất 33

2.3 Tính toán thiết kế 39

2.4 Thi công neo trong đất 48

2.4.1 Nguyên tắc thi công neo trong đất 48

2.4.2 Thi công neo trong đất 49

2.5 Quan trắc và sửa chữa 63

2.5.1 Quan trắc ứng xử khi khai thác của neo 63

2.5.2 Các biện pháp sửa chữa 67

2.6 Kết luận chương 2 67

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG GIA CỐ MÁI DỐC ĐƯỜNG CAO TỐC NỘI BÀI – LÀO CAI, LÝ TRÌNH KM45+300 68

3.1 Vị trí địa lý 68

3.2 Điều kiện địa hình, địa chất công trình 68

3.3 Đặc điểm công trình và các phương án thiết kế được đề xuất 70

3.4 Phân tích ứng dụng 71

3.4.1 Giới thiệu về phần mềm tính toán 71

3.4.2 Các thông số mô hình và trường hợp tính 73

3.4.3 Đánh giá so sánh tính kinh tế của các phương án 87

3.5 Kết luận chương 3 91

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

I Tiếng Việt 93

II Tiếng Anh 94

Hình 1.1: Sạt lở mái dốc trên đường giao thông 17

Hình 1.2: Phương pháp đắp đất ở chân mái dốc 18

Hình 1.3: Các dạng thi công thường gặp trong P/p Thoát nước 19

Hình 1.4: Hình ảnh mặt thoát nước của mái dốc trên đường thuộc vịnh Runswick, một làng ven biển ở Yorkshire, Anh 19

Hình 1.5: Mô hình của phương pháp vải địa kỹ thuật với 3 lớp vải 20

Hình 1.6: Lưới địa kỹ thuật gia cường (Geogrids) 21

Hình 1.7: Phương pháp cọc bản 21

Hình 1.8: Phương pháp cân chỉnh mái dốc 22

Hình 1.9: Phương pháp gia cường mái dốc bằng hàng cọc 23

Hình 1.10: Phương pháp neo trong đất 24

Hình 1.11: Cỏ vetiver được trồng thành công để bảo vệ mái dốc 24

Hình 1.12: Phương pháp sử dụng tường chắn 25

Hình 1.13: Phương pháp sử dụng tổng hợp 26

Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo của neo trong đất 29

Hình 2.2: Nguyên lý chịu lực của thanh neo 30

Hình 2.3: Các hình thức mũi neo giữ 32

Hình 2.4: (a) Neo đất có dạng mở rộng đáy hình trụ tròn 32

(b) Đáy mở rộng với nhiều hình nón cụt 32

Hình 2.5: Cấu tạo mũi cọc xoắn 36

Hình 2.6: Sơ đồ thiết kế thanh neo 47

Hình 2.6: Đầu neo quan trắc điển hình cho dây neo kiểu áp 64

Hình 2.7: Đầu neo quan trắc điển hình cho dây neo kiểu thanh 64

Hình 3.1: Mặt cắt địa chất tại K45+300 đường cao tốc Nội Bài – Lào Cai 74

Hình 3.2: Mặt cắt thiết kế đường tại K45+300 cao tốc Nội Bài - Lào Cai 75

Hình 3.3: Kiểm tra ổn định cục bộ mái trên cơ m=1.5 (phương án 1) 76

Hình 3.4: Kiểm tra ổn định tổng thể mái dốc m=1.5 (phương án 1) 76

Hình 3.5: Kiểm tra ổn định tổng thể mái dốc m=1.5 -trường hợp đặc biệt 77

Hình 3.6: Kiểm tra ổn định tổng thể mái dốc m=1.5 -trường hợp đặc biệt 77

Hình 3.7: Kiểm tra ổn định tổng thể mái dốc m=1.5 -trường hợp đặc biệt 78

Hình 3.8: Kiểm tra ổn định tổng thể mái dốc m=1.0, trường hợp làm việc bình thường 79

Hình 3.9: Kiểm tra ổn định tổng thể mái dốc m=1.0 -trường hợp đặc biệt 79

Hình 3.10: Kiểm tra ổn định tổng thể mái dốc m=0.5 -trường hợp đặc biệt 80

Hình 3.11: Kiểm tra ổn định tổng thể mái dốc m=0.5 -trường hợp đặc biệt 81

Hình 3.12: Kiểm tra ổn định tổng thể mái dốc m=0.5 -trường hợp đặc biệt 81

Hình 3.13: Điều kiện biên xác định số lượng neo cần dùng 83

Hình 3.14: Kết quả tính ổn định mái dốc có neo gia cường Kminmin=1.789 83

Hình 3.15: Kết quả tính ổn định mái dốc có neo gia cường Kminmin=2.858 84

Hình 3.16: Kết quả tính ổn định mái dốc có neo gia cường Kminmin=2.648 85

Hình 3.17: Điều kiện biên mô phỏng bài toán phương án 4 85

Hình 3.18: Kết quả tính ổn định mái dốc kết hợp tường chắn Kminmin=1.133 86

Hình 3.19: Kết quả tính ổn định mái dốc kết hợp tường chắn Kminmin=1.133 86

Hình 3.20: Kết quả tính ổn định mái dốc kết hợp tường chắn Kminmin=1.104 87

Bảng 1.1: Phân loại đất sụt của S.G.Visniakov 14

Bảng 1.2: Phân loại đất sụt của P.I.Puskin 14

Bảng 1.3: Nhận xét các phương pháp giữ ổn định mái dốc: 26

Bảng 2.1: Giá trị tham khảo cường độ chống cắt của đất 34

Bảng 2.2: Cường độ chống cắt của đất 34

Bảng 2.3: Hệ số điều kiện làm việc m 36

Bảng 2.4: Các hệ số A, B tính sức chịu tải kéo của cọc xoắn 37

Bảng 2.5: Hệ số an toàn lực chống nhổ của thanh neo 44

Bảng 2.6: Hệ số an toàn về neo của Trung Quốc 44

Bảng 2.7: Các hệ số an toàn tối thiểu được kiến nghị để thiết kế neo đơn (BS 8081:1989) 45

Bảng 2.8: Biến dạng của một neo, co ngắn thép ƯST và biến dạng do ép chặt khe nối 59

Bảng 2.9: Các bước căng kéo thép ƯST bằng phương pháp căng sau 60

Bảng 3.1: Các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất 70

Bảng 3.2: Bảng khối lượng sơ bộ các phương án 88

Bảng 3.3: Bảng khái toán giá thành công trình 88

1

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… Mái dốc nhân tạo chẳng hạn mái đê, đập, mái ta luy 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

Với diện tích đồi núi chiếm đến 70% và khí hậu nhiệt đới gió mùa, hệ thống đường giao thông ở Việt Nam xuất hiện phổ biến hiện tượng sạt trượt mái taluy của các tuyến đường vùng núi, đặc biệt vào mùa mưa lũ Thực tế hiện nay có nhiều giải pháp xử lý ổn định mái dốc công trình Các giải pháp này phụ thuộc vào nhiều điều kiện xung quanh vì vậy mà mức độ ổn định cũng như giá thành xây dựng khác nhau nhiều Giải pháp sử dụng neo trong đất để gia cường mái dốc là một trong những giải pháp mới được áp dụng ở nước ta Tuy chưa ở mức độ phổ biến nhưng đã phản ánh nhiều ưu điểm vượt trội của giải pháp Giải pháp công trình truyền thống là tường chắn trọng lực, tuy nhiên để thực hiện giải pháp này có hai nhược điểm lớn nhất là mặt bằng thi công yêu cầu lớn, bề bộn Thứ hai là tải trọng chất lên nền lớn

và tốn vật liệu Vì vậy Đề tài “Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật Neo đất để gia cường

ổn định mái dốc Ứng dụng xử lý mái dốc taluy đường cao tốc Nội Bài – Lào Cai, lý trình KM45+300” có tính khoa học và thực tiễn, giải quyết cấp bách tình trạng thực

tế xây dựng hiện nay

II Mục đích của đề tài

- Phân tích cơ sở khoa học nguyên nhân dẫn đến sự cố mất ổn định mái dốc;

- Đề xuất giải pháp gia cường phù hợp cho mái dốc công trình;

- Ứng dụng giải pháp kỹ thuật Neo đất để gia cường mái dốc taluy đường cao tốc Nội Bài – Lào Cai, lý trình KM45+300

III Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan các giải pháp gia cường bảo vệ mái dốc

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của neo trong đất

- Ứng dụng giải pháp neo đất để gia cường mái dốc taluy đường cao tốc Nội Bài – Lào Cai, lý trình KM45+300

IV 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, …) để làm rõ nguyên nhân gây mất ổn định mái dốc

- Phân tích lý thuyết neo trong đất và nguyên tắc thiết kế

- Mô hình hóa bài toán ứng dụng

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG ỔN ĐỊNH MÁI DỐC

Mái dốc của khối đất đá có thể được hình thành do các tác nhân tự nhiên hay nhân tạo

Mái dốc tự nhiên gồm có mái dốc do bị xói mòn và chia cắt như mái dốc sườn đồi và thung lũng, vách bờ biển hoặc bờ sông; mái dốc gom lại hoặc trầm tích

như mái dốc lở tích và đồng bằng trước núi, mái dốc trượt và trượt dòng

Mái dốc nhân tạo gồm có mái dốc do đắp và mái dốc do đào Mái dốc do đắp như khối đắp và đập, đống đất thải và đống đất đào Mái dốc đào là hào rãnh và các

hố móng không được chống đỡ

Tất cả mái dốc đều có xu hướng giảm độ dốc đến một dạng ổn định hơn – cuối cùng chuyển sang nằm ngang và trong bối cảnh này, mất ổn định được quan niệm là khi có xu hướng di chuyển và phá hoại – khi khối đất đá thực sự di chuyển Các lực gây mất ổn định liên quan chủ yếu với trọng lực và thấm trong khi sức chống phá hoại cơ bản là do hình dạng mái dốc kết hợp với bản thân độ bền kháng cắt của đất và đá tạo nên

Sự di chuyển của khối đất, đá có thể xảy ra do phá hoại cắt dọc theo một mặt

ở bên trong khối hay do ứng suất hiệu quả giữa các hạt giảm tạo nên sự hóa lỏng một phần hay toàn bộ

1.1 N guyên nhân gây mất ổn định mái dốc

Có nhiều nguyên nhân gây mất ổn định mái dốc Theo thống kê từ các tài liệu nghiên cứu về vấn đề này thì các nguyên nhân gây mất ổn định mái dốc gồm có:

- Do sự dịch chuyển kiến tạo của vỏ trái đất;

- Do mưa tăng độ ẩm và áp lực nước trong đất;

- Do động đất và các tác động rung của máy móc;

- Do xói lở của dòng nước, do lũ quét;

- Do bơm hút nước ngầm nhanh;

- Do nắng hạn, đất bị khô nứt và giảm lực dính kết của đất;

- Do khai thác đất quanh các mái dốc không đúng quy định của kỹ thuật -

1.2 Phân loại hiện tượng sạt trượt mái dốc ở Việt Nam

1.2.1 Sạt trượt mái dốc do hiện tượng rửa xói sườn dốc

Khi chảy từ các đỉnh phân thủy và các sườn dốc xuống, nước mưa gây ra tác dụng địa chất to lớn: rửa trôi và rửa xói các sản phẩm mềm rời tạo nên các đỉnh phân thủy và sườn dốc để hình thành các mương xói Ở một giai đoạn phát triển nhất định, mặt cắt dọc và các sườn dốc của mương xói đạt đến sự cân bằng nào đó,

sự phát triển bắt đầu chậm lại, ngừng hẳn và dần dần tạo các khe hoặc các rãnh, chia cắt địa hình

Các mương xói chia cắt sâu và mãnh liệt khu đất, làm giảm diện tích có ích trên phạm vi rộng lớn, gây bất lợi cho các hoạt động kinh tế, các mục đích xây dựng và sản xuất nông nghiệp Mương xói rất có hại cho đường sá và các công trình chạy dài theo tuyến: làm tăng chiều dài tuyến, phải đi tránh hoặc xây dựng rất nhiều công trình, đường bị hư hỏng và việc xây dựng tuyến đường mới khó khăn Nhiều nơi số cầu trên tuyến đường tăng lên nhiều lần do mương xói phát triển thêm dọc các tuyến

Bằng việc mở lộ, tháo mất các tầng nước và làm kiệt quệ nguồn dự trữ nước dưới đất, các mương xói gây thiệt hại lớn cho việc bảo vệ các nguồn cung cấp nước Ngoài ra, chúng còn phá hoại chế độ ẩm của đới thông khí, làm cho đất trồng trọt trở nên khô cằn và do đó làm giảm độ màu mỡ của đất trên những không gian rộng lớn Do tạo địa hình chia cắt và tăng độ dốc bề mặt địa hình, mương xói làm cho quá trình phong hóa phát triển mạnh hơn, đất phủ bị rửa trôi mãnh liệt khỏi vùng đất canh tác

Xói mòn bề mặt còn gọi là xói mòn thổ nhưỡng làm giảm lượng chất hữu cơ, làm nghèo lượng nitơ và các nguyên tố chủ yếu khác thuộc nguồn dinh dưỡng

5

khoáng của thực vật trong đất Việc rửa trôi còn làm cho các tính chất vật lý và thủy

lý của thổ nhưỡng xấu đi, phá hỏng cấu trúc hợp thể của đất Lượng chất dinh dưỡng mất đi (thổ nhưỡng, kali, photpho, nitơ…) xấp xỉ bằng lượng phân khoáng được bón cho thổ nhưỡng dẫn đến thổ nhưỡng nghèo đi, sản lượng giảm rõ rệt và chi phí làm đất tăng lên

Những vật liệu moi chuyển do xói mòn bề mặt và theo tuyến còn gây tác hại lớn cho việc bảo vệ lãnh thổ và điều kiện khai thác công trình Tại các địa hình trũng, các sản phẩm xói mòn phủ trên các đồng cỏ, vườn tược, đất nông nghiệp, lãnh thổ dân cư Các sản phẩm moi chuyển của mương xói, các nón phóng vật làm tắc nghẽn đường sá, kênh đào, sông ngòi gây ra tình huống bất lợi cho đời sống và hoạt động của dân cư tại vùng (gây ngập lụt), lấp cạn hồ ao chứa nước,…

Giai đoạn phát triển mương xói quyết định kích thước và mật độ của chúng Theo A.X.Kôzimenkô, căn cứ thể tích (m3), chia các mương xói đang hoạt động ra các loại: rãnh xói: < 10; mương xói nhỏ: từ 10 ÷ 100; trung bình: tù 100 ÷ 1000; lớn: từ 1000 ÷ 10000; rất lớn: > 10000

Các nhân tố ảnh hưởng đến sự phát triển mương xói

Cá nhân tố quyết định điều kiện phát triển quá trình xói mòn trên các sườn dốc, đỉnh phân thủy và hình thành mạng mương xói – rãnh xói là các nhân tố thiên nhiên như cấu trúc địa chất, địa hình, điều kiện khí hậu và thảm thực vật tại khu vực cũng như các hoạt động kinh tế của con người

- Cấu trúc địa chất của khu vực: là nhân tố quan trọng nhất, các nhân tố khác

có tác dụng thúc đẩy và làm tăng nhanh sự phát triển của các mương xói hoặc làm chậm lại, làm trì trệ sự phát triển đó Nếu trên mặt các sườn dốc và đỉnh phân thủy không có đất đá dễ bị tan rã và rửa xói thì không thể hình thành mương xói Trên các đất đá khác nhau, có thể phát triển quá trình sườn tích – rửa trôi bề mặt, có thể xuất hiện các rãnh xói (giai đoạn thứ nhất của sự phát triển mương xói), nhưng hiện tượng mương xói, rãnh xói chỉ phát triển đầy đủ trong những điều kiện địa chất nhất định, khi trên mặt đất có những đất đá với thành phần nhất định (thường là đất loại sét), với trạng thái nhất định (kém chặt) và tính chất nhất định (dễ tan rã và rửa xói)

Nếu bề dày loại đất như vậy lớn thì hình thành mương xói sâu, mật độ mương xói cao, mức độ chia cắt địa hình lớn, còn khi diện phân bố các loại đất như vậy có hạn

và mỏng thì mương xói không có hoặc ít phát triển

Thành phần, tính chất đất đá còn quyết định đặc điểm hình thái của các mương xói Chẳng hạn khối nứt hình trụ thẳng đứng tạo nên các mương xói có sườn rất dốc

- Địa hình: có ảnh hưởng rất mạnh đến sự phát triển mương xói vì quyết định lượng nước chảy và tốc độ của nước Ta biết động năng của dòng nước tỷ lệ thuận với tích số giữa khối lượng nước với một nửa bình phương của tốc độ chảy, nên khi các điều kiện khác đều như nhau thì khối lượng nước chảy phụ thuộc diện tích tập trung nước, còn tốc độ chảy được quyết định bởi chiều cao và góc dốc của sườn (độ nghiêng); nếu các thông số ấy tăng lên thì tất nhiên tốc độ chảy cũng tăng lên

- Khí hậu địa phương: lượng nước chảy gây ra xói mòn phụ thuộc lượng mưa, dạng, cường độ và sự phân bố mưa trong năm Nguy hiểm nhất là mưa rào – mưa tương đối ngắn với cường độ trên 0,5 – 1 mm/phút Mưa rào nhanh chóng tạo

ra những dòng chảy dữ dội, có động năng to lớn gây ra rửa xói làm cho mương xói phát triển nhanh, với tốc độ 40 – 45 m/năm đôi khi 60 – 70 m/năm Mưa dài ngày

có cường độ vừa phải cũng thuận lợi cho xói mòn phát triển, loại mưa này làm cho lớp đất bở rời ở gần mặt đất trong diện góp nước nhanh chóng bị bão hòa rồi sau đó chỉ thấm xuống một cách chậm chạp, khi này lượng nước mưa lớn chủ yếu tạo dòng chảy trên mặt đất và gây ra rửa xói

- Thảm thực vật: có tác dụng kìm hãm và ngăn trở hiện tượng xói mòn dưới nhiều hình thức khác nhau Cây gỗ và cây con, cây bụi có khả năng đặc biệt to lớn

để chống lại hiện tượng xói mòn Tán các cây gỗ, cây con chẳng những giữ lại được một lượng lớn nước mưa, tạo điều kiện cho chúng bốc hơn mà còn làm yếu đi tác dụng rơi rập – rửa xói mặt đất Lớp cây lá mục ở mặt đất chẳng những có độ thấm nước lớn mà còn có độ chứa ẩm cao, đóng vai trò chống xói quan trọng Thảm thực vật còn có tác dụng giữ chắc đất trên các sườn dốc và các đỉnh chia nước, cản trở sự rửa xói và rửa trôi đất Vì vậy bảo vệ thảm thực vật ở các khu vực mương xói có thể phát triển là một trong những biện pháp chống xói mòn có hiệu quả

7

- Hoạt động kinh tế của con người: có ảnh hưởng đa dạng đến sự phát triển hiện tượng mương xói – rãnh xói Hoạt động đó hoặc là tốt, nhằm ngăn chặn, chống lại hiện tượng rửa xói, khôi phục lại lãnh thổ đã bị phá hoại hoặc là xấu, gây nên và thúc đẩy hiện tượng mương xói – rãnh xói phát triển

Các biện pháp chống xói mòn

- Trồng cây để cải tạo đất: xây dựng những dải rừng bảo vệ để điều tiết dòng chảy trên mặt đất, làm biến đổi chế độ ẩm của đất, gia cố trực tiếp các tầng thổ nhưỡng và đất đá trên mặt Trồng những loại cỏ sống lâu năm trên sườn dốc vì loại

cỏ này có hệ thống rễ khỏe và phần thân trên mặt đất cũng có khả năng củng cố tầng thổ nhưỡng tránh được rửa trôi đất hiệu quả nhất là bố trí những dải cỏ đệm ở rìa các khoảnh đất, đôi chỗ phối hợp dải cây

- Xây dựng các công trình góp nước, giữ nước và điều tiết nước để thâu tóm, giảm tốc độ dòng chảy trên mặt đất cũng như tăng lượng nước mặt thấm xuống đất chẳng hạn như các hệ thống rãnh và máng đón nước trên sườn và đỉnh đồi và tiêu tháo nước đi, các bờ ngăn giữ nước và các bậc đê, bậc đập ngăn nước và thấm tiêu nước được bố trí trong phạm vi lưu vực

- Gia cố những chỗ bị rửa xói nhiều bằng cách lấp các rãnh xói; đồng thời xây lát, củng cố chúng bằng các rọ đá, tấm bê tông, đá đổ, các hàng cọc, trồng lớp

cỏ bảo vệ

- Tuân theo các quy chế sử dụng đất và kỹ thuật canh tác Xác định phạm vi cần bảo hộ, ở đó cấm chặt cây, đào xới đất khai mỏ và xây dựng, chăn thả súc vật… Khai khẩn đất theo các dạng bậc thang, luống chạy theo đường đồng mức địa hình

nhằm giảm bớt dòng chảy trên mặt đất và làm yếu hẳn tác dụng rửa xói thổ nhưỡng

1.2.2 Sạt trượt mái dốc do hiện tượng lũ bùn đá

Khái niệm

Lũ bùn đá là những trận lũ xảy ra ở các sông miền núi và các dòng chảy tạm thời, mang theo nhiều vật liệu hòn mảnh cứng (tảng sắc cạnh, tảng tròn cạnh, dăm, cuội, cát) và đất mịn loại hạt sét Cũng giống như những trận lũ bất kỳ nào, lũ bùn

đá xảy ra đột ngột và nhanh chóng, có tốc độ chảy lớn và tương đối lớn trong mấy

giờ, kèm theo những đợt sóng do dòng bị tắc nghẽn, nhưng sau đó được khai thông dưới sức ép của khối vật chất mang theo mỗi lúc một nhiều Lượng chứa vật liệu rắn trong dòng lũ bùn đá thay đổi từ 10 – 15% đến 40 – 60%

Theo các nghiên cứu, dòng lũ bùn đá có mật độ lớn hơn 1,12 – 1,2 T/m3, có thể đạt tới 1,5 – 1,9T/m3 Tùy theo thành phần vật liệu rắn chiếm ưu thế mà lũ bùn

đá có thể gồm đá với nước bùn với đá và bùn Trong thực tế chủ yếu là hai loại lũ

đá – nước và đá – bùn Lũ đá – nước có thành phần rất không đồng nhất gồm đá tảng tròn và sắc cạnh, dăm cuội, cát và chứa ít đất hạt mịn loại sét, dễ bị cuốn mất khỏi khối lũ bùn đá trong quá trình dịch chuyển và tuyển chọn Mật độ vật chất dòng lũ bùn đá này thay đổi từ 1,15 đến 1,55 T/m3 Dòng lũ đá – bùn có thành phần hạt thô rất không đồng nhất, nhưng lại chứa nhiều hạt mịn loại sét hơn Dòng lũ đá – bùn chẳng những có mật độ cao hơn 1,2 – 1,3 đến 1,7 – 1,9 T/m3 mà còn có độ nhớt nhất định

Các dòng lũ bùn đá tạo nên lũ tích – nón vật phóng, vạt gấu và lớp phủ lũ tích ở các cửa sông miền núi, cửa suối và các dòng chảy tạm thời, ở các đồng bằng trước núi và các hố trũng giữa núi

Tai họa của dòng bùn đá

Lũ bùn đá là hiện tượng địa chất nguy hiểm, thường xảy ra ở miền núi Do điều kiện hình thành, lũ bùn đá có động năng rất lớn và thường xảy ra bất ngờ, diễn biến nhanh nên sức tàn phá rất lớn, gây tổn thất nghiêm trọng về tài sản và tính mạng người dân

Trên thế giới từng ghi nhận những trận lũ bùn đá rất lớn Ngày 18-8-1891 ở Tirôl, sóng của dòng lũ bùn đá từ một khe hẻm của dãy Alpơ nước Áo đạt đến độ cao 18m đã tạo một lớp bùn và đá dày phủ trên một miền rộng lớn Ngày 8-7-1921, sau trận mưa rào dữ dội, dòng lũ bùn đá từ trên núi Alatau, Zailiy đã mang vào phố Almata (Nga) hơn 3,5 triệu m3bùn đá Để bảo vệ thành phố Almata, đã xây một đập đất đá cao 115m tại địa khu Mêđêô Lũ bùn đá năm 1970 ở Pêru đã làm chết 50 nghìn người và 800 nghìn người khác không còn nhà cửa Ở khu vực miền núi nước

ta cũng xảy ra nhiều trận lũ bùn đá lớn Ngày 17/18-8-1996, trận lũ bùn đá lớn xảy

9

ra ở thị trấn Mường Lay, tỉnh Lai Châu Từng khối đất đá lớn cuốn theo dòng lũ, có những tảng đá kích thước từ 3-5m, nặng 100-200T đã hủy diệt gần hết thị trấn Mường Lay

Các biện pháp chống lũ bùn đá

Dự đoán lũ bùn đá

Dự đoán lũ bùn đá nhằm dự đoán thời gian chuyển động và lũ của khu vực Theo S.P.Kavetxki và V.P.Gulina, tốc độ chuyển động trung bình phần lớn khoảng 2,5-3,5 m/s, thời gian chuyển động trên các sông không dài lắm vào khoảng hàng chục phút, ít khi đạt 1 – 2 giờ

Dự đoán nguy cơ lũ là đánh giá môi trường mà trong đó xác suất phát sinh lũ tăng lên đột ngột Dự đoán nguy cơ lũ dựa trên cơ sở phân tích các dấu hiệu nguy

cơ lũ sau đây:

- Với lũ do mưa rào: điều kiện mưa và hình thành dòng chảy mặt trên khu vực hoạt động của dòng mặt;

- Với lũ có nguồn gốc hỗn hợp đánh giá khả năng trùng hợp độ nhả nước cao nhất

Nghiên cứu các nhân tố địa chất, địa mạo và địa chất công trình phát sinh và phát triển lũ

- Lập bản đồ vùng nguy hiểm do lũ bùn đá

- Bố trí các thiết bị quan trắc để có thể cảnh báo sớm, kịp thời

Các biện pháp chống lũ bùn đá

Mục đích: ngăn chặn và giảm nhẹ tai họa do lũ bùn đá bao gồm:

- Ngăn không cho các tàn tích vụn di chuyển;

- Giảm số lần xảy ra lũ bùn đá;

- Giảm tối thiểu thể tích vụn được vận chuyển;

- Bảo đảm đường di chuyển của lũ bùn đá không gây tai họa;

- Nâng cao ý thức về hiểm họa cho cư dân địa phương;

- Chuẩn bị các biện pháp đối phó với tình trạng khẩn cấp khi xảy ra lũ bùn đá Các biện pháp ngăn chặn được chia ra làm hai loại:

- Các biện pháp công trình

- Các biện pháp phi công trình

Các biện pháp công trình thường đắt vì còn phải mất thêm chi phí bảo dưỡng công trình Có thể xây dựng công trình độc lập hay tập hợp các công trình tùy theo điều kiện tự nhiên của mỗi vùng

Các biện pháp công trình phải được hỗ trợ bởi các biện pháp phi công trình nhằm giảm thiểu tổn thất về sinh mạng và tài sản của các trận lũ bùn đá trong tương lai Mục đích của các biện pháp phi công trình là nâng cao ý thức về mối nguy hiểm

và sẵn sàng đối phó của các cư dân và chính quyền địa phương

Một số biện pháp phi công trình quan trọng như sau:

- Đánh giá và phân tích tai biến và mối nguy hiểm;

- Lập bản đồ sử dụng đất và phân đới nguy hiểm;

- Lập kế hoạch phòng chống thảm họa lũ bùn đá;

- Cảnh báo sớm;

- Di tản kịp thời;

- Đối phó thảm họa;

- Thông tin và huấn luyện cộng đồng

Các biện pháp phi công trình cũng bao gồm các biện pháp kỹ thuật chuyên môn hiệu quả sau đây:

- Quản lý lưu vực sông, bao gồm trồng rừng và các bụi cây ở mái dốc để giảm bớt sự xói mòn đất…

- Điều tiết dòng nước mặt và dòng ngầm

1.2.3 Hiện tượng trượt đất

Trượt đất đá là hiện tượng di chuyển của các khối đất đá (thường là đất đá loại sét), với các đất đá nằm trên nó, theo một mặt trượt nhất định, thường có dạng hình trụ tròn hoặc có dạng bề mặt tầng đá gẫy khúc phụ thuộc vào bề mặt tầng đá gốc ở lớp dưới sâu Sự di chuyển đó xảy ra với tốc độ khác nhau từ vài mm/ngđ đến vài m/giờ, rất ít khi hàng chục m/giờ Khối đất đá bị dịch chuyển gọi là khối trượt Chiều rộng khối trượt có thể tới hàng trăm mét, thể tích có thể tới hàng triệu m3

Trong các loại trượt đất, trượt sâu tuy không phổ biến nhưng nếu xảy ra thì rất nguy hiểm và gây ra hậu quả lớn Khối lượng đất trượt lớn, nhiều chỗ mất đi nửa quả núi hoặc làm xê dịch cả một đoạn đường dài hàng trăm mét

Trượt không những làm khu vực mất ổn định, phá hoại công trình, bờ mỏ mà còn làm biến đổi điều kiện tự nhiên và phát sinh nhiều hiện tượng địa chất khác Chẳng hạn, trượt phá vỡ căn bản dòng chảy mặt của nước khí quyển, bộc lộ các tầng chứa nước, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiêu thoát làm giảm trữ lượng nước dưới đất hoặc trái lại, bịt hẳn nơi xuất lộ nước dưới đất, kìm hãm việc tiêu thoát, dâng cao mực nước và từ đó thay đổi chế độ nước dưới đất Hiện tượng trượt tạo ra vật liệu đất đá trượt; ở miền núi, đất đá trượt dễ bị rửa xói, tham gia vào sự phát triển hiện tượng lũ bùn đá Ở đới ven bờ của biển, hồ, hồ chứa và sông, trượt làm phá hủy bờ và sườn bờ

1.2.4 Hiện tượng đá đổ

Khái niệm

Hiện tượng đá đổ thuộc nhóm các hiện tượng liên quan tác dụng của trọng lực là vì phát triển do ảnh hưởng của trọng lực ở trên sườn và mái dốc Hiện tượng này bao gồm hiện tượng đá đổ thực sự, đá sụt và đất lở đều biểu hiện ở sự dịch chuyển nhanh, đột ngột các khối đất đá Tuy nhiên về quy mô và điều kiện dịch chuyển của các hiện tượng trên là khác nhau

Đất sụt là hiện tượng các tảng, khối đá riêng biệt tách đứt và rơi đột ngột từ

mái dốc đường đào, đường nửa đào nửa đắp, bờ mỏ công trường khai thác lộ thiên,

từ sườn núi dốc và dốc đứng cấu tạo bởi đá cứng và tương đối cứng

Đất đá lở xảy ra ở các mái dốc cấu tạo từ đá bị vụn nát nứt nẻ mạnh khi

phong hóa đạt đến kích thước đá dăm, đá sạn hoặc từ đất vụn rời

Đá đổ thực sự là hiện tượng sập đổ các tảng, các khối riêng biệt, cũng như

thể tích rất lớn đá cứng và tương đối cứng từ các vết lộ nằm ở sườn núi cao phía trên mép mái dốc, hoặc từ phần trên rất dốc, dốc đứng của sườn có kèm theo hiện tượng lăn, lật nhào và đập vỡ các tảng đá hoặc khối đá dịch chuyển đó

Các điều kiện thành tạo đá đổ

Nguyên nhân cơ bản phát sinh hiện tượng đá đổ là sự phá hủy cân bằng (ổn định) của các khối đất đá trên sườn dốc Sự phá hủy độ ổn định đó gây ra chủ yếu bởi thành phần gây dịch chuyển của trọng lực – tác động thường xuyên và các lực tác động tạm thời theo chu kỳ như áp lực thủy tĩnh của nước lấp đầy khe nứt trong

đá, ứng suất địa chấn phát sinh phát sinh khi động đất và các chấn động khác phát sinh do xe cộ qua lại, do nổ mìn… Tác động của các lực nói trên lên các đá cứng và tương đối cứng lộ ra trên các sườn dốc và cao, đã bị các quá trình phong hóa đưa đến trạng thái mà lực chống dịch chuyển và chống cắt bên trong của chúng không còn đủ để cân bằng với tác động của các lực bên ngoài

Điều kiện địa hình

Hiện tượng đá đổ chỉ xảy ra ở vùng núi có địa hình phân cắt mạnh, khu vực

có sườn núi cao và dốc, sườn dốc bị cắt xén thành mái dốc của các đường đào và nửa đắp, các công trình khai thác lộ thiên có mái quá dốc Địa hình càng bị phân cắt bao nhiêu và mức độ tương phản của nó càng lớn bao nhiêu thì năng lượng của địa hình và xác suất thành tạo đá đổ, đá sụt càng lớn bấy nhiêu

Lực phá hủy của hiện tượng đá đổ, đá sụt P tỷ lệ thuận với tích khối lượng đá rơi m với nửa bình phương phẳng tốc độ rơi v của nó:

2

2

mv

Tốc độ của vật thể rơi tự do v phụ thuộc chiều cao H mà từ đó xảy ra đá đổ,

đá sụt theo công thức sau:

v = 2gH

trong đó: g- gia tốc rơi tự do

13

Do đó mức độ nguy hiểm của đá đổ, đá sụt phụ thuộc không những vào khối lượng đá, kích thước khối nứt mà còn phụ thuộc chiều cao từ đó đá đổ, đá sụt Trên các tuyến đương cho thấy hiện tượng đá sụt từ mái dốc của đường đào và nửa đào bắt đầu từ độ cao 10-12m hầu như bao giờ cũng gây ra hư hỏng và phá hủy đường

Mức độ nứt nẻ của đá

Khi đá ở sườn dốc bị chia cắt bởi các khe nứt thưa, hiện tượng đá đổ có nguy

cơ rất lớn do lực phá hủy khủng khiếp của các tảng và khối rất lớn Mặt khe nứt nghiêng về phía chân sườn dốc thì thuận lợi cho hiện tượng đá sụt, đá đổ, còn khi nghiêng vào phía trong sườn dốc thì làm cho các khối đá bị tắc nghẽn, khó dịch chuyển Khi đá bị vụn nát nhiều – có lượng lớn khe nứt cắt chéo trên một đơn vị diện tích mặt lộ của đá, sẽ hình thành nhiều khối nứt nhỏ, đôi khi đạt kích thước mảnh dăm thì xảy ra hiện tượng lở đất đá

Mức độ nứt nẻ của đá có thể chia thành 4 cấp sau đây:

- Đá bị vụn nát nứt nẻ nhiều: trung bình có 5 – 8 khe nứt biểu hiện rõ trên 1m chiều cao hay chiều dài của bề mặt đá lộ trần – mật độ khe nứt dầy thường xảy ra đá

đổ, lở dăm sạn;

- Đá nứt nẻ ít: có 1 – 2 khe nứt trên 2 – 3m bề mặt lộ trần của đá – mật độ khe nứt thưa Đá đổ, đá sụt xảy ra rất nguy hiểm;

- Đá không nứt nẻ nguyên khối: các khe nứt biểu hiện không rõ

Số lượng khe nứt phát hiện còn phụ thuộc sự định hướng của bề mặt vết lộ đá và khe nứt

Hoạt động của con người

Cắt xén sườn dốc và biến thành các mái dốc của đường đào, nửa đào; tạo nên mái dốc có độ nghiêng quá lớn, không cho phép mà không xét đến sự định hướng của các mặt phân lớp, phân phiến, khe nứt và đứt gãy kiến tạo khác; dọn không sạch các mảnh, các tảng đá lớn không ổn định ở trên sườn dốc; tiến hành nổ mìn ở những nơi nên tránh, các công trình bảo vệ chống đá đổ làm việc không đủ hiệu quả, cũng như sự phá hủy dòng chảy của nước mưa và một số hoạt động khác của con người thường tạo ra những điều kiện thuận lợi phát sinh đá đổ

Tóm lại, sự thành tạo đá đổ chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi: a) Yếu tố khí hậu (quyết định tốc độ và tính chất phong hóa đất đá); b) Các đặc điểm địa hình khu vực

và địa phương; c) thành phần, trạng thái vật lý của đất đá (được quyết định bởi mức

độ phong hóa, nứt nẻ và vụn nát của nó); d) vận động kiến tạo mới và hiện đại (duy trì mức độ tương phản và năng lượng địa hình); đ) mức độ địa chấn của khu vực (tạo chu kỳ phá hủy hàng loạt tính ổn định của đất đá ở sườn dốc) và e) hoạt động xây dựng và kinh tế của con người

1.2.5 Hiện tượng đất sụt

Khái niệm

Đất sụt là hiện tượng các khối dăm, sạn tách khỏi sườn dốc rơi tự do hay lăn theo sườn dốc Khối đất đá sụt tập trung ở chân sườn dốc gọi là đống sụt Theo S.G.Visniakov, đất sụt và đá đổ khác nhau về kích thước các tảng đá cấu tạo nên chúng (Bảng 1.1)

Bảng 1.1: Phân loại đất sụt của S.G.Visniakov

Độ dốc trung bình sườn núi (độ)

A Mảnh lớn, tảng Đá kết tinh dạng khối > 100 37

B Mảnh trung bình, dăm Đá macma, đá trầm tích rắn chắc 200 – 100 35

C Mảnh nhỏ, cuội góc phong hóa mạnh Đá rắn chắc bị 20 – 2 32

15

Loại Kích thước, hình dạng các mảnh vụn Thành phần thạch học chủ yếu

Kích thước tảng vỡ phổ biến nhất (mm)

Độ dốc trung bình sườn núi (độ)

Nói chung không di động, vật liệu đã bị nén chặt,

nguồn vật liệu mới bổ sung không phát hiện thấy < 0,5

Hệ số di động K:

K = β α

Trong đó: α – góc nghiêng bề mặt khối đất sụt;

β – góc mái tự nhiên của vật liệu tạo nên khối đất sụt

N ội dung mô tả sụt

Miền cung cấp và quá trình sụt lở: 1) độ cao trung bình sườn núi, định hướng, nguồn gốc và thời gian thành tạo vùng (loại, thời gian thi công bờ dốc); 2) vị trí, hình dạng, phạm vi vùng cung cấp đất sụt; 3) đất đá cấu tạo nên đất sụt, thế nằm đặc điểm và bề dày phong hóa; 4) chiều dài, độ dốc và hình dạng sườn núi ở trong vùng cung cấp; 5) kích thước hình dạng các mảnh vụn, mối liên hệ của các mảnh vụn đó với đá gốc và độ dốc sườn núi, đặc điểm di chuyển, tần số xuất hiện lăn, lở (tính trên đơn vị chiều dài sườn dốc) sự thay đổi tần số xuất hiện trong ngày, theo mùa và theo thời tiết; 6) khu vực có dấu hiệu sụt lở ngừng hoạt động (thực vật xuất hiện và đặc điểm của nó, độ dốc và vị trí những khu vực đó trên sườn dốc)

Miền vận chuyển (chỉ phân chia khi đất sụt đi qua khu vực đất đá rắn chắc không bị sụt lở): chiều dài, độ cao miền vận chuyển, đất đá, thế nằm và mức độ phong hóa; hình dạng, độ dốc trung bình sườn dốc và độ dốc ở từng bộ phận, đặc điểm di chuyển vật liệu

Miền tích tụ (khối đất sụt thực sự): 1) điều kiện thế nằm khối đất sụt (lấp đầy thung lũng hay nằm tựa và chân núi); 2) thành phần và thế nằm đất đá nằm dưới khối đất sụt; 3) hình dạng khối đất sụt trên mặt bằng (hình nón riêng biệt – dạng tam giác, dạng tỏa tia – dạng hình thang, lớp phủ liên tục ở chân núi hay từng đám nhỏ riêng biệt), hình dạng mặt cắt ngang, thể tích từng nón riêng biệt, độ dốc lớn nhất và trung bình ở những chỗ điển hình; 4) thành phần thạch học, thành phần hạt của vật liệu cấu tạo khối đất sụt, sự phân bố vật liệu hình dạng mảnh vụn, tính phân lớp, độ

ẩm chất bụi sét nhét đầy giữa các mảnh vụn; 5) nước dưới đất và nguồn cung cấp; 6) tình hình xói lở hoặc cắt xén chân các khối đất sụt; 7) mức độ hoạt động của đất sụt, đặc điểm lăn sụt; 8) bề mặt đất sụt – xuất lộ hay bị cây cỏ che phủ, các rãnh xói; 9) các dấu hiệu về tuổi (thời gian thành tạo đất sụt)

Theo mức độ sụt lở, S.G.Vioniakov chia ra:

- Sụt lở mạnh: độ dốc miền cung cấp > 650, chủ yếu là sập đổ, cây cỏ hầu như không có

- Sụt lở bình thường: độ dốc miền cung cấp 450 – 650 đất đá vừa bị sập đổ, vừa bị sạt lở, đôi chỗ có cây cỏ

- Sụt lở yếu: độ dốc miền cung cấp 300 – 450, chỉ có sạt lở yếu xảy ra, cây cỏ che phủ hầu hết sườn dốc

1.2.6 Phân tích nguyên nhân gây sụt trượt mái dốc taluy đường giao thông

Do đặc điểm công trình, tuyến đường giao thông thường có chiều dài lớn, cắt qua nhiều địa hình phức tạp Do điều kiện kinh phí hạn chế dẫn đến vấn đề bạt mái dốc công trình không đảm bảo điều kiện kỹ thuật thường hay mất ổn định Cũng có những mái dốc khi mới xây dựng thì khá ổn định, trải qua thời gian do phong hóa

mà dẫn đến sụt sạt cục bộ, gây cản trở giao thông

Một nguyên nhân khá phổ biến nữa là do mưa, dưới tác dụng của dòng thấm

và sức kháng cắt của đất giảm khi bão hòa gây ra những vụ sạt trượt rất lớn Hậu quả nặng nề khắc phục không phải một sớm, một chiều

17

Hình 1.1: Sạt lở mái dốc trên đường giao thông Hình 1.1 là ảnh chụp một khối trượt gây bồi lấp đoạn đường giao thông, nguyên nhân gây trượt là do mưa lớn kéo dài Như vậy, câu hỏi đặt ra là quản lý an toàn trên toàn tuyến giao thông thế nào, áp dụng giải pháp công trình và thời gian kiểm tra, duy tu bảo dưỡng trong bao lâu để hạn chế được các thảm họa này

Một nguyên nhân nữa là áp dụng giải pháp công trình chưa phù hợp, không đảm bảo được sự ổn định lâu dài của công trình Đặc biệt là trong điều kiện làm việc đặc biệt

1.3 Các giải pháp tăng cường ổn định mái dốc

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 dải đất đắp dưới chân mái dốc (có thể là một lối đi dọc bờ kênh) sẽ có tác dụng chống lại mômen trượt và giữ ổn định nó

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

Phương pháp này đã được nghiên cứu tại trường Cao đẳng của Thánh Hild và Thánh Bede ở Durham (đông bắc nước Anh) hay vùng Walton’s Wood ở Staffordshire

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 1.2: 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:

+ Với 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

- Các rãnh rất dễ để sữa chữa nhưng cũng rất nhanh hư

Có các hai dạng thường dùng là:

- Dạng hình xương cá (HerringBone shape)

- Dạng hình quân hàm (Chevron shape)

19

Hình 1.3: Các dạng thi công thường gặp trong P/p Thoát nước

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

Hình 1.4: Hình ảnh mặt thoát nước của mái dốc trên đường thuộc vịnh Runswick,

một làng ven biển ở Yorkshire, Anh

+ 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, và 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 và trong tương lai sẽ được sử dụng nhiều vì tính tiện dụng và giá thành tương đối hợp lý của nó

Hình 1.5: Mô hình của phương pháp vải địa kỹ thuật với 3 lớp vải

21

Hình 1.6: 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

Một ví dụ là nó đã được dùng ở Team Valley thuộc vùng đông bắc nước Anh

Hình 1.7: 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:

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 1.8: Phương pháp cân chỉnh mái dốc + 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

Hình 1.9: 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, và đó là lực mà nó cần để giữ 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 1.10: 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 1.11: Cỏ vetiver được trồng thành công để bảo vệ mái dốc

Ngoài ra, khi kết hợp với một số loại bụi cây trang trí sẽ tạo được tính thẩm

mỹ cho mái dốc

25

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 dự 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 1.12: 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

Hình 1.13: Phương pháp sử dụng tổng hợp Nói chung, từ việc xem xét các mái dốc bị sự cố, chúng ta cần lựa chọn được phương pháp chính sao cho việc giữ ổn định có hiệu quả nhất để ngay lập tức có hiệu quả làm dừng hoạt động của mặt trượt

Để chọn được phương pháp chính, ta rút ra bảng 1.3 sau:

Bảng 1.3: Nhận xét các phương pháp giữ ổn định mái dốc:

1 Phương pháp cân chỉnh mái dốc

(Regrading the Slope) (bao gồm cả

phương pháp đắp đất chân ta luy)

- Có hiệu quả tức thì

- Không chắc sẽ có hiệu quả với thời gian, điều này tùy thuộc vào điều kiện thời tiết và điều kiện thực tế tại công trình

2 Phương pháp thoát nước - Nên dùng

nếu phương pháp cân chỉnh mái

không thực hiện được (Drainage

Method)

- Có hiệu quả tức thời trong đất có tính thấm cao, và sẽ mất nhiều thời gian với đất hạt mịn

- Mặt thoát nước rất phổ biến

- Những tác dụng bị động này chỉ có hiệu quả chống chuyển động của mái dốc, nhưng diễn biến của nó có thể sẽ không như mong muốn

Trên thực tế, để bảo đảm mái dốc ổn định trong thời gian dài người ta có thể kết hợp nhiều phương pháp và với nhiều giai đoạn khác nhau để đạt được hiệu quả cao nhất

1.4 Kết luận chương 1

Chương 1 tác giả trình bày nội dung chính về tổng quan các hình thức mất ổn định mái dốc thường gặp trong thực tế và các giải pháp tăng cường ổn định mái dốc Việc nghiên cứu các dạng sạt trượt, nguyên nhân và điều kiện dẫn đến sạt trượt giúp cho người thiết kế có thể tổng quát được các dạng sạt trượt xảy ra trong thực tế Mỗi dạng sạt trượt thường xảy ra với các điều kiện địa hình, địa mạo, địa chất thủy văn nào, nguyên nhân nào dẫn đến sạt trượt Từ đó định hướng áp dụng các phương pháp tính ổn định mái dốc phù hợp Đồng thời đề ra được các giải pháp phòng

chống sạt trượt một cách có hiệu quả

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sơ lược về sự phát triển, ứng dụng neo cố định mái dốc ở Việt Nam

2.1.1 Sơ lược về sự phát triển công nghệ neo cố định mái dốc

Trong những năm gần đây việc xây dựng các công trình phòng hộ có tính chất tường chắn gia cố móng sâu, chống sụt trượt mái dốc ở nước ta ngày càng chiếm một tỷ lệ đáng kể trong xây dựng các công trình giao thông, thủy lợi, thủy điện

Neo trong đất được phát triển trên cơ sở neo trong đá Năm 1958, một công

ty của Đức lần đầu tiên dùng neo vào việc neo giữ tường chắn để thi công hố móng sâu Các kỹ thuật về neo phát triển mạnh mẽ trong hơn 50 năm qua, neo được dùng cho các công trình tạm thời và lâu dài trên thế giới, đặc biệt là Trung Quốc và Châu

Âu

Tại Việt Nam, từ đầu những năm 1980, Viện khoa học công nghệ giao thông vận tải do giáo sư Bùi Danh Lưu chủ trì đã tiến hành một số thí nghiệm trong phòng nghiên cứu neo bản chôn trong đất và trạng thái ứng suất trong bầu neo khoan Trong khuôn khổ các đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ giao thông giai đoạn 2001-

2003 về neo trong đất, Viện khoa học công nghệ giao thông vận tải đã tiến hành nghiên cứu các tiêu chuẩn thiết kế, thi công và nghiệm thu neo trong đất do PGS

TS Nguyễn Hữu Đẩu chủ trì và biên dịch quy trình “Neo trong đất” BS 8091-1989 Tiếp theo là đề tài nghiên cứu: “Các giải pháp chống sụt trượt có sử dụng neo cho mái dốc nền đường đắp cao và đào sâu” của TS Doãn Minh Tâm

Việc sử dụng neo trong đất sẽ làm tăng ổn định mái dốc một cách hiệu quả, làm giảm đáng kể khối lượng đào đất, đá Việc thi công neo cũng không đòi hỏi mặt bằng lớn và thiết bị thi công phức tạp

2.1.2 Ứng dụng neo cố định mái dốc ở Việt Nam

Ở Việt Nam, neo trong đất đã được ứng dụng trong các công trình như hầm thủy điện Hòa Bình, hầm đường bộ Hải Vân, và đặc biệt là các công trình gia cố chống sụt trượt mái dốc trên đường Hồ Chí Minh như đoạn đèo Đá Đẽo, cửa hầm A Roang

2.2 Các dạng neo đất và nguyên lý làm việc

2.2.1 Phân loại neo trong đất

Khoảng từ những năm 1960, neo đã được ứng dụng cho các công trình trên biển với các mục đích chống nhổ kéo, cố định trọng lượng một vật thể, hoặc chống các dịch chuyển không mong muốn của công trình

Theo Taylor (1975) có một số dạng neo thường dùng, xác định theo nguyên tắc thi công hoặc quá trình làm việc của neo bao gồm:

- Neo thanh khoan vào đất

- Neo tạo áp lực giữ bằng hút khí chân không

2.2.2 Cấu tạo chung của neo trong đất

Một neo trong đất nói chung gồm 3 bộ phận cơ bản: Đầu neo, dây neo (thanh neo), bầu neo

Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo của neo trong đất

- Đầu neo: Là một bộ phận cú khả năng truyền tải trọng kộo từ dõy neo đến

bề mặt đất hoặc kết cấu chống đỡ Đầu neo thường bao gồm một đầu căng kộo trong

đú dõy neo được neo lại và một bản đỡ thụng qua đú lực từ dõy neo được phõn bố vào kết cấu cụng trỡnh

Đối với cỏc cụng trỡnh được thiết kế cần thay đổi lực neo tại một thời điểm nào đú người ta phải dựng cỏc đầu neo cú thể căng kộo lại hoặc giảm lực neo khi cần thiết Đầu neo được thiết kế để dõy neo khụng bị hư hỏng, chịu lực đến 80% của dõy neo đặc trưng và cho phộp lệch gúc 5% so với trục dõy neo

- Bầu neo: Là phần ngàm của dõy neo vào trong đất đỏ Chiều dài neo bỏm của dõy neo trong bầu neo khụng lớn hơn chiều dày bầu neo Bầu neo được tạo ra bằng cỏch khoan đất và bơm vữa xi măng ỏp lực cao trong lỗ khoan Lực bỏm dớnh giữa bầu neo và đất xung quanh tạo ra sức chịu tải của neo

- Dõy neo: Là bộ phận chịu lực chớnh của neo trong đất được làm bằng thanh thộp hoặc bú cỏp cường độ cao Dõy neo cú nhiệm vụ truyền tải trọng từ bầu neo lờn kết cấu cụng trỡnh Chiều dài dõy neo chia làm 2 phần:

+ Chiều dài neo tự do: Là chiều dài tỏch khỏi vựng căng kộo, là khoảng cỏch

từ đầu neo đến điểm gần bầu neo.Chiều dài dõy tự do biểu kiến được tớnh toỏn từ số liệu chuyển vị đàn hồi theo thớ nghiệm để chỉ chiều dài của dõy neo đó thể hiện tỏch rời hoàn toàn đối với đất hoặc vữa bao quanh

+ Chiều dài neo bỏm: Là chiều dài dõy neo neo bỏm trực tiếp vào vữa

2.2.3 Nguyờn lý chống nhổ của thanh neo

Thanh neo cú thể neo chặt ở trong đất với mục đớch chịu kộo là chủ yếu, vỡ thanh được neo ở trong đất nờn cú một lực chống nhổ nhất định như mụ phỏng [5] ở hỡnh 2.2

Lớp đất ma sát Lực bó chặt m

Vữa xi măng Lực kéo

31

Với đoạn neo giữ chịu lực, tải trọng tác động thông qua dây neo (thanh cốt thép thô hoặc dây thép bện xoắn) với lực bó chặt của vữa xi măng ở xung quanh truyền vào trong vữa, sau đó thông qua vữa truyền vào trong khối đất ở xung quanh Quá trình truyền lực tăng lên theo tải trọng, lực dính kết của dây neo với vữa xi măng (lực bó chặt) phát triển dần tới đầu dưới của thanh neo cho đến khi trong đoạn neo giữ phát huy tối đa lực dính kết sẽ tạo ra chuyển dịch tương đối với đất, sinh lực cản ma sát giữa đất với thanh neo, cho tới lực cản ma sát giới hạn

Thử nghiệm chống nhổ cho thấy, khi lực nhổ nhỏ thì lượng chuyển dịch của thanh neo là cực nhỏ; lực nhổ tăng lên, chuyển dịch tăng lớn; khi lực kéo nhổ đạt đến một lượng nhất định, chuyển dịch không ổn định, thậm chí là lực không tăng

mà chuyển dịch cũng không dừng; khi đó xem thanh neo đã đạt đến giai đoạn phá hỏng, tức là lực cản ma sát giữa thanh neo với tầng đất đá vượt quá trạng thái giới hạn

2.2.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến lực chống nhổ của thanh neo

Ảnh hưởng của đất đối với lực chống nhổ của thanh neo

Cường độ chống cắt của đất τo thường thấp hơn cường độ của vữa xi măng, nếu công nghệ thi công bơm vữa xi măng tốt, lực cản ma sát của thanh lỗ thanh neo trong đất quyết định bởi cường độ chịu cắt của đất ở mặt tiếp xúc

Từ công thức suy ra, ảnh hưởng của lớp đất đối với cường độ chịu kéo của thanh neo là rất lớn, bởi vì tầng đất khác nhau sẽ có tham số c,φ khác nhau, cường

độ chịu kéo - nhổ tính ra cũng rất khác nhau

Ảnh hưởng của hình thức thanh neo đối với lực chống nhổ

Phần dưới thanh neo hình thành một đầu mở to ra, hoặc dùng thiết bị để mở thành một hình nón có đáy to, như hình 2.2c, thì lực chống nhổ của neo sẽ tăng lên rất nhiều Với thanh neo mở rộng lỗ, Habib [2] của Pháp kiến nghị tính lực chống nhổ giới hạn theo công thức sau:

qA dz D

dz D

Q F

P

L z

z z

L z

z z

gh = + = ∫+ + 2∫+ 2 +

2

1 1

F- lực cản ma sỏt giới hạn ở biờn quanh neo

Q - khả năng chịu nộn giới hạn của mặt chịu nộn của neo

D1 - đường kớnh của thõn neo

D2 - đường kớnh lỗ mở rộng của thõn neo

τz - lực cản ma sỏt đơn vị ở độ sõu z (cường độ chịu cắt)

q - cường độ chịu nộn của phần mở rộng lỗ của neo

A - diện tớch chịu nộn của phần mở rộng lỗ của neo giữ;

L1, L2, z1, z2 - độ dài (xem hỡnh 2.3a)

Đoạn

tự do

Đoạn ne

o giữ

Đoạn

tự do

Hỡnh 2.3: Cỏc hỡnh thức mũi neo giữ

d z

u (L)

Chiều

dài thân (l)

ống vác

h khoan h

ạ

đến chỗ kín

d: Đường kính thân D: Đường kính bầu mở rộng lý thuyết

(iii) Phá hoại lực dính đất sét

(ii) Phá hoại mũi trong cát

Phạm vi lớp

đất chịu lực

Vết nứt chịu kéo

có thể xảy ra

Hỡnh 2.4: (a) Neo đất cú dạng mở rộng đỏy hỡnh trụ trũn

(b) Đỏy mở rộng với nhiều hỡnh nún cụt

33

Trong công thức trên τ có liên quan với trị số c,φ, ngoài việc xem xét theo trạng thái của đất ra, trị số qA tăng lên tức là ảnh hưởng do hình thức thanh neo Tính toán theo các công thức chỉ là giá trị ước tính để tham khảo, khi thiết kế vẫn cần phải làm thử nghiệm kéo nhổ để xác định lực chống nhổ giới hạn

2.2.5 Các phương pháp xác định khả năng chịu tải của neo trong đất

Xác định sức chịu tải của neo theo cường độ chịu cắt đo thử nghiệm của đất

Để đơn giản trong tính toán, xét bầu neo hình trụ tròn theo mô hình làm việc như trình bày trên hình 2.4, theo các giả thiết [5] sau:

- Sự truyền tải trọng từ bầu neo sang đất/đá xảy ra bằng ứng suất phân bố đều tác động trên toàn bộ chu vi của bầu neo;

- Các đường kính của lỗ khoan và bầu neo là như nhau;

- Phá hoại xảy ra theo kiểu trượt tại giao diện đất/đá với vữa (lỗ khoan nhẵn) hoặc theo kiểu cắt sát bên giao diện đất/đá với vữa trong môi trường yếu hơn (lỗ khoan không nhẵn);

- Không có sự không liên tục nào hoặc các mặt phẳng vốn dĩ bị yếu nào có thể gây ra phá hoại;

- Không có sự không dính bám cục bộ nào (bị tách) tại giao diện đất/đá với vữa

Khả năng chịu lực chống nhổ của thanh neo bơm vữa bình thường (tức là áp lực vữa 300 ÷ 500 kPa) có liên quan với đường kính lỗ khoan, độ dài và cường độ chịu cắt của đất, thể hiện bằng công thức sau đây:

T - khả năng chịu lực của thanh neo-lực dọc trục (kN);

Lm - độ dài đoạn neo giữ (m);

D - đường kính lỗ neo (mm);

τ - cường độ chịu cắt của đất (kPa)

Từ công thức (2.2) có thể thấy, khả năng chịu lực kéo của thanh neo là hàm số của độ dài đoạn neo giữ, đường kính lỗ neo và cường độ chịu cắt của đất Trong