Xác định các tham số neo đất phù hợp giữ ổn định bờ sông tránh sạt lở

Bài viết giới thiệu việc phân tích và lựa chọn các tham số kết cấu chống neo giữ ổn định bờ dốc đất trong các bờ sông. Kết quả nghiên cứu chỉ ra trường hợp neo cắm vuông góc với bờ dốc cho kết quả tốt, trong trường hợp điều kiện địa chất nghiên cứu chiều dài neo L = 14 m, khoảng cách các neo a = 2 m được xem là tối ưu.

Hội thảo Khoa học Quốc tế Phát triển Xây dựng bền vững điều kiện Biến đổi khí hậu khu vực đồng Sông Cửu Long SCD2021 XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ NEO ĐẤT PHÙ HỢP GIỮ ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG TRÁNH SẠT LỞ DETERMINATION OF THE APPROPRIATE PARAMETERS OF SOIL BOLTS FOR RIVER BANK REINFORCEMENT TO REDUCE LANDSLIDE Trần Tuấn Minh, Nguyễn Duyên Phong, Ngô Văn Thức ABSTRACT: Soil bolts are widely used for the reinforcement of soils slopes and other fields of civil engineering To design soil bolts, the parameters of soils and bolts must be considered such as the parameters of failure arch, the length, spacing, and capacity of bolts This paper refers to analyze and select the parameters of bolt for the stability of the soil slope in the riverbank The research results show that in the case, the directions of soil bolts located normal to boundary of the slope ensure effective reinforcements In the detail geological conditions of this study, the length of tie-back soil bolts L = 1,4 m, spacing a = m are optimal parameters for the slope of riverbank KEYWORDS: River bank, landslide, failure arch, soil bolts, reinforcement TÓM TẮT: Các neo đất ngày sử dụng rộng rãi chống giữ bờ dốc đất lĩnh vực khác Để thiết kế thông số kết cấu neo người ta quan tâm chủ yếu đến tham số cung trượt lở, chiều dài, khoảng cách khả mang tải neo Bài báo giới thiệu việc phân tích lựa chọn tham số kết cấu chống neo giữ ổn định bờ dốc đất bờ sông Kết nghiên cứu trường hợp neo cắm vng góc với bờ dốc cho kết tốt, trường hợp điều kiện địa chất nghiên cứu chiều dài neo L = 14 m, khoảng cách neo a = m xem tối ưu TỪ KHĨA: Bờ sơng, trượt lở, cung trượt lở, neo, gia cường Trần Tuấn Minh Bộ mơn Xây dựng cơng trình ngầm mỏ, Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tầng 5, C12 tầng, số 18 Phố Viên, phường Đức Thắng, quận Bắc Từ Liêm, Hà Nội, Việt Nam Email: trantuanminh@humg.edu.vn Tel: 0963 657 871 Nguyễn Duyên Phong Bộ môn Xây dựng cơng trình ngầm mỏ, Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tầng 5, C12 tầng, số 18 Phố Viên, phường Đức Thắng, quận Bắc Từ Liêm, Hà Nội, Việt Nam Email: nguyenduyenphong@humg.edu.vn Tel: 0967 318 556 Ngô Văn Thức Bộ môn Xây dựng cầu đường, Khoa Xây dựng kỹ thuật hạ tầng đô thị, Đại học Xây dựng Miền Tây 20B Phó Cơ Điều, Phường 3, thành phố Vĩnh Long Email: ngovanthuc@mtu.edu.vn Tel: 0939423461 89 SCD2021 International Conference on sustainable construction development in the context of climate change in the Mekong Delta ĐẶT VẤN ĐỀ Đồng sơng Cửu Long khu vực có cấu tạo chủ yếu địa chất yếu, dễ bị tổn thương Từ năm 2010 đến tượng sạt lở kênh rạch, bờ sông đồng sông Cửu Long diễn ngày gia tăng với mức độ nghiêm trọng, có giải pháp khắc phục Tuy nhiên, mức độ tốc độ sạt lở ngày diễn biến phức tạp, khó lường trước Điều địi hỏi phải có nghiên cứu giải pháp để ngăn chặn sạt lở sập đổ bờ sông tự nhiên nhân tạo khu vực đồng sông Cửu Long tương lai gần Trong q trình thiết kế tính tốn ổn định bờ dốc đất đá việc tính tốn xác định cung trượt lở xác định đặc tính kết cấu chống giữ điều vô cần thiết lĩnh vực địa kỹ thuật Khi biết cung trượt lở nguy hiểm ta thiết kế tính tốn xác kết cấu chống giữ gia cố cho phù hợp Tuy nhiên, việc tính tốn xác định cung trượt lở lời giải lý thuyết thường phải sử dụng nhiều bảng tra, trình tình toán phức tạp Tại Việt Nam, việc xác định cung trượt lở thông số neo nhà khoa học quan tâm như: Nguyễn Quang Phích (2007); Ngiêm Hữu Hạnh (2004); Nguyễn Sỹ Ngọc (2009); Võ Trọng Hùng Phùng Mạnh Đắc (2008); Tạ Đức Thịnh Nguyễn Huy Phương (2002) Tuy nhiên, tác giả thường xác định cung trượt lở thông số neo sở toán cân giới hạn Trên giới Hoek Bray (1981) công bố tài liệu kỹ thuật ổn định bờ dốc cho dạng bờ dốc đất đá phân lớp phân phiến với chế sập đổ dạng cung tròn, lật úp, khối nêm Năm 1972, Piteau công bố nghiên cứu ổn định bờ dốc sở có xem xét chi tiết đến thơng số đất đá bờ dốc Giani (1992), Goodman Bray (1976) công bố nghiên cứu ổn định bờ dốc có quan tâm đến việc sử dụng số phần mềm số phân tích thu kết khả quan Năm 2005, Anju Udas công bố việc sử dụng liệu GIS dự đốn tính ổn định bờ dốc Qua phân tích 90 tìm hiểu, thấy nghiên cứu rõ phức tạp việc xác định chế ổn định bờ dốc có thay đổi thơng số đất đá điều kiện kiến tạo ngẫu nhiên tải trọng phía bờ dốc Ngồi việc phân tích kết hợp ổn định bờ dốc với thông số kết cấu chống gia cường neo, bê tông phun, lưới thép tường chắn hạn chế Chính cần thiết phải có nhiều nghiên cứu việc xác định cung trượt lở lựa chọn thông số kết cấu chống tối ưu để đảm bảo độ ổn định lâu dài cho bờ dốc Ngày nay, với phát triển khoa học kỹ thuật, máy tính phần mềm chuyên dụng đời cho phép người thiết kế có khả tư thiết kế nhanh chóng việc giữ ổn định cho bờ dốc ngày đem lại hiệu sử dụng cao Trong báo giới thiệu việc ứng dụng phần mềm Slide 5.0 phân tích lựa chọn thơng số chiều dài, khoảng cách, góc cắm neo tối ưu phân tích ổn định bờ dốc đất tương ứng với bờ sông môi trường đất đồng BÀI TỐN PHÂN TÍCH Do tính đối xứng mơ hình nên xét nửa mơ hình tốn với giả thiết bờ sơng với thơng số kích thước Hình 1, tham số đầu vào cho phân tích sau: Bờ sơng tạo nên từ loại đất đắp đất tự nhiên với trọng lượng thể tích đất tự nhiên γtn = 20 kN/m3; trọng lượng đất bão hịa γbh = 21 kN/m3; góc ma sát đất φ = 19,6o; lực dính kết c = kN/m2; tiêu chuẩn bền sử dụng Mohr - Coulomb Chiều sâu mực nước ngầm phía góc phải mơ hình tính đến bề mặt đất 4m, chiều sâu mực ngước sông m Giả thiết mơi trường sơng nước có ảnh hưởng sóng va đập tàu thuyền qua lại, áp lực thay tải trọng tĩnh phân bố dạng tam giác tương ứng với thời điểm giả thiết áp lực động lớn tác dụng theo phương ngang mức đáy sơng giả thiết khơng cịn vị trí sóng va đập mạnh Hội thảo Khoa học Quốc tế Phát triển Xây dựng bền vững điều kiện Biến đổi khí hậu khu vực đồng Sơng Cửu Long phía mực nước sơng với giả thiết m (10 - 8) có giá trị 10 kN Tải trọng bề mặt giả thiết phân bố từ cơng trình lân cận phương tiện lại 100 kN/m Hình Bài tốn bỏ qua xói mịn đất, ăn mịn nước sơng Bằng mơ hình số phần mềm Slide 5.0 mơ tả tốn đặt Hình 100 kN; khả chịu kéo đệm neo 150 kN; độ bền dính kết neo 50 kN; chiều dài phần dính kết 50% chiều dài neo Mơ hình bờ dốc có neo, kết gia cố bờ dốc hệ số an tồn FS theo Bishop cho tốn thể hình Trong trường hợp nghiên cứu hình kết sử dụng hệ số an tồn FS theo Bishop lời giải hay sử dụng phân tích ổn định bờ dốc Việt Nam, lời giải theo hệ số an toàn Janbu xin đề cập nghiên cứu khác Hình Mơ hình tốn lý thuyết Hình Mơ hình phân tích Slide 5.0 a) Hệ số an toàn cung trượt lở theo Bishop Sau phân tích Slide 5.0 thu hình dạng cung trượt lở hệ số an toàn cho bờ dốc theo lời giải sử dụng rộng rãi Bishop Janbu Hình Quan sát kết cung trượt lở hệ số gia cố thấy bờ dốc không ổn định với FS (Factor of Safety) FS = 0,607 theo Bishop FS = 0,547 tương ứng theo lời giải Janbu Để thiết kế ổn định bờ dốc có nhiều cách Tuy nhiên, sử dụng biện pháp truyền thống neo giữ ổn định bờ dốc Để thiết kế neo sở kích thước cung trượt lở chọn ban đầu chiều dài neo L = 10m với đặc tính tham số neo sau: Neo dính kết thường dùng cho neo đất; khoảng cách neo theo chiều dọc trục 1,5 m; khả chịu kéo neo b) Hệ số an toàn cung trượt lở theo Janbu Hình Các cung trượt lở hệ số an toàn theo giả thiết Bishop Janbu 91 SCD2021 SCD2021 International Conference on sustainable construction development in the context of climate change in the Mekong Delta a) Mô hình neo gia cố, L = 10m a = 2,0m Hệ số an tồn bờ sơng FS = 0,926 Hình Kết cung trượt lở hệ số an toàn bờ dốc với neo chiều dài 10 m khoảng cách neo m b) Hệ số an tồn bờ sơng FS = 0,848 Hình Mơ hình neo gia cường kết hệ số an tồn bờ sơng với neo dài 10m khoảng cách neo 2m Quan sát kết thấy hệ số an toàn bờ dốc FS = 0,848 chưa vượt 1,0 bờ dốc chưa ổn định Bây ta giữ nguyên đặc tính neo thay đổi tham số chiều dài neo mật độ neo để nhằm tìm mang neo phù hợp Ở bước ta thay đổi mạng neo với chiều dài 7,0 m khoảng cách neo 1,5 m Sau thêm neo dài m khoảng cách neo 1,5 m thu hệ sồ bền bờ dốc FS = 0,779 nhỏ sử dụng neo dài 10 m khoảng cách m Thiết kế chưa đảm bảo an toàn, cần phải thay đổi Tương tự, ta sử dụng phương án giữ nguyên chiều dài neo 10 m, khoảng cách neo bờ dốc 1,0 m giữ nguyên đặc tính neo Kết mơ hình thể Hình 92 Quan sát kết thấy thiết kế chưa đảm bảo hệ số an tồn bờ dốc trường hợp 0,926 < 1,0 bờ dốc khơng ổn định Do đó, cần tiếp tục thay đổi mạng neo đặc tính neo để hệ số an toàn FS > 1,0 Sử dụng phương án thay đổi tham số kết cấu neo với chiều dài neo cố định L = 10m khoảng cách neo a = 1,0 m theo xu hướng tăng khả chịu lực neo sau: khả chịu kéo neo 120 kN; khả chịu kéo đệm đuôi neo 120 kN; độ bền dính kết neo 50 kN; chiều dài phần dính kết neo 50% Tuy nhiên, sau phân tích hệ số an tồn bờ sơng thu FS = 0,938 chưa thoả mãn yêu cầu Tiếp tục sử dụng phương án tăng chiều dài neo lên 12 m, khoảng cách neo a = 2,0 m với đặc tính neo giữ nguyên trên, hệ số an toàn thu FS = 0,951 Tiếp theo thay đổi với L = 12 m, a = 1,5 m FS = 0,975 Khi L = 12 m, a = 1,0 m FS = 1,022 Hình Quan sát kết Hình thấy trường hợp thấy hệ số an toàn 1,022 lớn 1,0 bờ dốc ổn định Tuy nhiên, thấy số neo khơng phù hợp chiều dài cịn nằm bên vùng sập lở cung trượt lở, hiệu không đảm bảo Tiếp đến tiến hành thay đổi chiều dài neo 13 m khoảng cách neo m xem phương án Hội thảo Khoa học Quốc tế Phát triển Xây dựng bền vững điều kiện Biến đổi khí hậu khu vực đồng Sơng Cửu Long tính tối ưu có tốt không Kết thu L = 13m, a = 2m FS = 0,998, L = 13m, a = 1,7m, FS = 1,036 Tuy nhiên, tương tự L = 12m số neo chưa vượt qua cung trượt lở không đảm bảo Tiếp tục sử dụng, neo L = 14m, a = 2,0m thu hệ số an tồn FS = 1,028 Hình Thơng thường hệ số an tồn FS > 1,0 chấp nhận Tuy nhiên, Việt Nam thường sử dụng hệ số an toàn FS  1,2 - 1,4 thiết kế chưa đảm bảo an tồn Bằng nhiều mơ hình thu mơ hình chiều dài neo tối ưu L = 16m khoảng cách neo a = 1,3m hình 8a, hệ số an tồn FS = 1,20 hình 8b Kết hình trường hợp chiều dài neo vượt khỏi chiều rộng cung trượt lở, hệ số an toàn FS = 1,2 đảm bảo an toàn theo thiết kế Thiết kế lựa chọn a) Mơ hình neo gia cố L = 14 m, a = 2,0 m ố b) Hệ số an tồn bờ sơng FS = 1,028 Hình Kết mơ với neo dài 14 m khoảng cách m a) Mơ hình neo gia cố L = 12m, a = 1,0m a) Mơ hình neo gia cố L = 14 m, a = 1,3 m b) Hệ số an tồn bờ sơng FS = 1,029 Hình Kết neo cho mơ hình hệ số an tồn b) Hệ số an tồn bờ sơng FS = 1,2 Hình Kết mô tối ưu cho neo dài 16m khoảng cách 1.3 m 93 SCD2021 SCD2021 International Conference on sustainable construction development in the context of climate change in the Mekong Delta Bước nghiên cứu, tiến hành xem xét trường hợp lắp đặt góc cắm neo theo chiều ngang song song với bề mặt đất nằm ngang bên trên, để xem xét hiệu gia cố neo Trong trường hợp sử dụng neo có đặc tính chiều dài neo 10m khoảng cách neo m Kết mơ hình hệ an tồn cung trượt lở thể Hình 9a, dễ dàng nhận thấy trường hợp neo khơng có hiệu quả, hệ số an toàn bờ dốc 0,663 < 1,0 Tương tự, xét trường hợp neo dài 15 m khoảng cách neo m (Hình 9b) neo dài 18 m khoảng cách neo m (Hình 9c) Các kết Hình rằng, trường hợp neo khơng vng góc với bề mặt nghiêng bờ dốc khơng có hiệu quả, hay hiệu gia cố trường hợp neo vng góc c) L = 18,0 m; a = 2,0 m; FS = 0,883 Hình Kết bờ dốc gia cố neo cắm ngang khoảng cách neo 2,0 m KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Bằng phân tích tập hợp tham số kết cấu chống neo thiết kế lựa chọn giải pháp thiết kết tối ưu cho bờ dốc 02 trường hợp cắm neo vng góc với bề mặt bờ dốc song song với bề mặt đất Bảng Bảng Kết phân tích cho 09 trường hợp điển hình Chiều dài neo L, m 10,0 7,0 10,0 12,0 12,0 12,0 13,0 13,0 14,0 10 16,0 STT a) L = 10 m, a = 2,0 m, FS = 0,663 b) L = 15,0 m, a = 2,0, FS = 0,80 94 Khoảng cách Hệ số an toàn neo a, m FS 2,0 0,848 5,0 0,779 1,0 0,926 2,0 0,951 1,5 0,975 1,0 1,022 2,0 0,998 1,7 1,036 2,0 1,028 1,20 1,3 (Lựa chọn) Qua phân tích thấy hiệu ứng gia cố neo phụ thuộc vào nhiều yếu tố từ góc cắm neo, chiều dài neo, mật độ Hội thảo Khoa học Quốc tế Phát triển Xây dựng bền vững điều kiện Biến đổi khí hậu khu vực đồng Sông Cửu Long neo đặc tính học neo Để tính tốn phân tích thủ cơng tay bảng tra phức tạp khó khăn, nhiên sử dụng phân tích phần mềm cho kết nhanh chóng Bằng nhiều lần lặp chu trình thay đổi tham số học neo mật độ neo thu chiều dài neo tối ưu trường hợp 14 m khoảng cách neo 2,0 m Trong trường hợp việc cắm neo theo chiều song song với bề mặt đất bên bờ dốc không hiệu kinh tế kỹ thuật, phương án khơng nên dùng Việc đánh giá ổn định bờ dốc dựa tiêu chí hệ số an toàn cho bờ dốc sử dụng rộng rãi thiết kế nên dễ dàng chấp nhận KẾT LUẬN Việc sử dụng kết cấu neo để chống giữ bờ dốc việc làm cần thiết có hiệu Tuy nhiên, việc tìm tham số tối ưu neo mạng neo việc làm khơng đơn giản địi hỏi phải có kinh nghiệm thiết kế hiểu biết địa kỹ thuật Các kết nghiên cứu neo vng góc với bề mặt bờ dốc có hiệu neo so với neo đặt nằm ngang Khi chiều dài neo tăng tăng khoảng cách neo, ngược lại Khoảng cách neo, chiều dài neo giảm tăng đặc tính bền học neo Tuy nhiên, nghiên cứu dừng lại việc sử dụng kết cấu neo độc lập để chống giữ ổn định bờ dốc đất Trong nghiên cứu xa tiến hành nghiên cứu sử dụng kết hợp kết cấu chống neo với kết cấu tường kè bê tông, neo kết hợp với lưới thép, với rọ đá hộc thay đổi mực nước ngầm bên bờ dốc để quan sát rõ ràng ảnh hưởng hiệu kết cấu neo tới mức độ ổn định bờ dốc bờ sông TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Anju Udas, Slope stability analysis using GIS on a regional scale: a case study of Narayganghat Mungling highway section, Nepal, University Gent Vrije University it Bressel Belgium, September 2005 [2] Giani, G.P., 1992, Rock slope stability analysis, A A Balkema, 374 p [3] Goodman, R.E and Bray, J.W., 1976, Toppling of rock slopes In Proc., Specialty Conference on Rock Engineering for Foundations and Slopes, Boulder, Colo., [4] Hoek, E and Bray, J.W., 1981, Rock slope engineering, 3rd ed., Institution of Mining and Metallurgy, London, 402 p [5] John A.hudson, P Harrison,., 1997, Engineering rock mechanics, University of LonDon, UK [6] Nghiêm Hữu Hạnh., 2004, Cơ học đá, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội [7] Nguyễn Quang Phích., 2007, Cơ học đá, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội [8] Nguyễn Sỹ Ngọc., 2009, Cơ học đá, Nhà xuất Giao thông vận tải, Hà Nội [9] Piteau, D.R., 1972, Engineering geology considerations jand approach in assessing the stability of rock slopes, Bulletin of the Association of Engineering Geologists, Vol.9, No.3, pp.301-320 [10] Tạ Đức Thịnh (Chủ biên), Nguyễn Huy Phương., 2002, Cơ học đất, NXB Xây dựng, Hà Nội [11] Võ Trọng Hùng, Phùng Mạnh Đắc, Cơ học đá ứng dụng xây dựng cơng trình ngầm khai thác mỏ, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2008 www.rocscience.com 95 SCD2021 ... ngăn chặn sạt lở sập đổ bờ sông tự nhiên nhân tạo khu vực đồng sông Cửu Long tương lai gần Trong q trình thiết kế tính tốn ổn định bờ dốc đất đá việc tính tốn xác định cung trượt lở xác định đặc... đổi tham số chiều dài neo mật độ neo để nhằm tìm mang neo phù hợp Ở bước ta thay đổi mạng neo với chiều dài 7,0 m khoảng cách neo 1,5 m Sau thêm neo dài m khoảng cách neo 1,5 m thu hệ sồ bền bờ. .. tham số neo sau: Neo dính kết đuôi thường dùng cho neo đất; khoảng cách neo theo chiều dọc trục 1,5 m; khả chịu kéo neo b) Hệ số an toàn cung trượt lở theo Janbu Hình Các cung trượt lở hệ số an