SUITABLE LOCATION OF PILE IN SLOPE STABILIZATION OF RIVERBANK PROTECTION STRUCTURE
IN QUANG BINH PROVINCE, VIETNAM
VI TRI COC HGP LY CUA KET CAU KE BAO VE BO SONG KHU VUC TINH QUANG BINH TRONG PHAN TICH ON DINH MAI DOC
Pham Nam Giang, Pham Van Ding
Truong Dai hoc Quang Binh
ABSTRACT: Piles are generally an effective way to reduce the risk of slope failure Many studies have been conducted to determine the optimal and suitable location of one row of piles to reinforce and stabilize slopes Results of different analyses are different, and in some cases even contradictory In this paper, the PLAXIS Version 8.2 finite element program which is combined with Strength Reduction Method was used to analyze the slope stability of riverbank protection structure in Quang Binh province, Vietnam The results showed that the pile row needs to be placed near the toe of the slope (at C10 with X,/X = 0.1) in the pile head restricted as non-rotated
Keywords: Suitable location, optimal location, slope stabilization, pile, earth slope, reinforced slope
TOM TAT: Coc da duoc chứng mình là một phương tiện hiệu quả để giữ ồn định mái dốc, có rất nhiễu nghiên cứu đã được thực hiện để xác định vị trí toi wu va vi tri hop ly cua mot hang coc trong bai toan 6n dinh mái dốc có cọc Các phân tích khác nhau cho kết qua khác nhau và thậm chí
trải ngược nhau Trong bài bảo này chương trình phần tử hữu hạn PLAXIS Wersion 8.2 với phương pháp cắt giảm sức kháng cắt (SRM) được sử dụng để phân tích ồn định mái dốc được gia cô băng
mot hang coc trong kết cấu kè bảo vệ bờ sông khu vực tỉnh Quảng Bình, Việt Nam Kế quả chỉ ra rằng hàng cọc đặt gan chân mái dốc là vị tri hop ly (tai vi tri C10 voi X,/X = 0,1) khi dấu cọc bị ngăn
cản chuyển động xoay
Từ khóa: VỊ trí họp lý, vị trí tôi ưu, cọc, ôn định mái dóc, bảo vệ bở sông, mãi dóc gia co
1 GIỚI THIỆU
Những năm gần đây trên địa bàn tỉnh Quảng Bình quá trình sạt lở bờ sông diễn ra rất nhanh và trầm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến tài sản và tính mạng của người dân Vì vậy, cân phải có biện pháp xử lý kịp thời và hợp lý để ngăn chặn sự phát triển của hiện tượng sạt, trượt này dẫn đến hậu quả nghiêm trọng hơn xảy ra
Đề chong sạt lở và bảo vệ cơ sở hạ tâng ven sông có rất nhiêu loại kết câu công trình được sử dụng như: tường chăn đât, cọc ván,
kết câu kè xử lý nên băng cọc Bê tông cốt thép (BTCT), v.v Trong số các giải pháp đó, kết câu kè xử lý nên băng cọc BTCT là một giải pháp hữu hiệu
Trang 2& Zhang [22] Tuy nhién, phuong phap thiết kê và phân tích ôn định mái dốc có cọc còn nhiêu hạn chế vì cơ chế ôn định mái dốc có cọc rất phức tạp Có thể chia các phương pháp phân tích 6n định mái dốc có cọc làm ba loại: (1) Pressure-based methods; (2) Displacement-based methods; (3) Continuum methods (FEM, FD, BEM) [11] Phương pháp cắt giảm sức kháng cắt (Strength Reduction Method - SRM) duoc ra đời từ rất sớm bởi Zienkiewicz và cộng sự [23] Tiếp nối sau đó rất nhiều tác giả khác đã nghiên cứu như: Naylor [17]; Donald & Giam [5]; Matsui & San [16]; Ugai & Leshchinsky [19]; Dawson & cong su [4]; Griffiths & Lane [7]; Dong & Song [6]; Lin & cong su[15]; v.v SRM thuong duoc su dung dé xác định Hệ số an toàn (FOS) của mái dốc theo FEM, quá trình phân tích được lặp lại nhiều lân băng cách cắt giảm các thông số sức kháng cắt đến khi mặt trượt xuất hiện Hệ số an toàn được định nghĩa như sau: Fos=— =“? Gn (1) tan D,,, trong do: e cvaQ: luc dinh va goc ma sat trong cua dat; ® C Và Dm: lực dính và øóc ma sát trong huy động của đât đê mái dôc đạt được trạng thái cân bằng tới hạn
Đã có một số tác giả áp dung SRM dé tính tốn ơn định mái dốc có cọc bởi Cai & Ugai[2]; Won & cong su[21]; Wei & Cheng [20]; Nian & cong su [18]; Li & cong su
[13]
Trong nghiên cứu này sử dung phan mém PLAXIS Version 8.2 dé tinh toan FOS
(xem xét truong hop ung xu dai han) cua các mái đốc có một hàng cọc, nhắm mục dich tìm ra vị trí cọc hợp lý trong kết câu kè bảo vệ bờ sông khu vực tỉnh Quảng Bình
VỊ trí cọc hợp lý trong nghiên cứu này là vị trí mà cọc luôn mang lại hiệu quả (mang tính chất ồn định) làm tăng hệ số an toàn FOS của kết câu kè có một hàng cọc, khi hệ số mái dốc và chiêu cao mái dốc thay đôi Nói một cách cụ thê, FOS của mái dốc có một hàng cọc tại VỊ trí cọc hợp lý có giá
trị lớn hơn hoặc băng số Trung vị của mẫu
bao gồm: I1 giá trị FOS tương ứng với 11 vị trí cọc luân phiên nhau trong mái dốc 2.PHƯƠNG PHÁPNGHIÊN CỨU
Các vị trí nghiên cứu thuộc bờ sông: (1) xã Quảng Sơn, (2) xã Quảng Văn, (3) xã Quảng Tiên - thị xã Ba Đồn - tỉnh Quảng Binh
Xét kết cầu kè bảo vệ bờ sông có chiều cao H thay đổi từ Im đến H, (Bảng 1) (bước thay đồi AH=0,5 m), tương ứng với các mái dốc m, (m, = 1,5; 2,0; 2,5; 3,0), được gia cô băng 1 hàng cọc BTCT thay đổi vị trí từ C1 đến C11 với X,/X dao dong tu 0,0 + 1,0 [bước thay đổi A (X,/X) = 0,1], chịu ảnh hưởng của mực nước ngâm năm trên bề mặt mái dốc ứng với mực nước phía bờ tại cao trình đỉnh kè và mực nước Min trong song: (-) 1,02 m(Hình 2) Dùng phân tử Plate để mô phỏng cọc vuông BTCT kích thước 35 cm X 35 cm, khoang cach coc theo phuong doc S= 1m với E= 4.10 kN/m”, Y =25 kN/m’; M,,,.= 120 kN.m làm việc như kết câu chịu uốn Trong bài toán 2 chiêu, xem hàng cọc trong đất như một tường cọc bản tương đương (Hình 1), công thức quy đôi như sau:
Trang 3(EA )plate = (EcocAcoc + EadtAdat)/S (3) WPlate=[Acoc-Yeoot(A-Acoc).Yaat-yait-A]/S (4) UPlate = Vege (5) trong đó: e S: khoảng cách giữa hai cọc hoặc phạm vi ảnh hưởng; e (El plate:
đương của cọc và dat;
độ cứng chơng n tương e© Ecoclcọe: độ cứng chỗng uốn của một COC; e© Eấda¿: độ cứng chống uốn của đất trong vùng phạm vị ảnh hưởng; e (EA )piate: đương của cọc và đất; độ cứng khi nén tương ® EcocAcọc: độ cứng khi nén của một cọc; e Ea¿vAaá: độ cứng khi nén của đất trong vùng phạm vi ảnh hưởng; e A: diện tích của đất và cọc trong vùng phạm vi ảnh hưởng; ® A‹coc: diện tích mặt cắt ngang của một COC; ® Ycọc: trọng lượng riêng của vật liệu làm COC; e Yaác trọng lượng riêng của đất — hai phan uw ` ye =| les > S: khoang cach gitra hai coc S: vi anh huong | trot LH trị Š đất WPlate dat Uplate RRR _ a — + a Gộp hai phần từ Ny ¬ _-
Hình 1 Sơ đồ quy đối (cọc + đất) —> Plate Mặt đường có chiều dày d = 0,2 m với E = 3.107 kN/mˆ cũng được mô hình
băng phân tử Plate Các thông số nhập vào mô hình của cọc và mặt đường được thể hiện trong Bảng 2 Các lớp đất với các chỉ tiêu cơ lý được trình bày trong Bảng 3
Một số thông số mô hình được sử dụng trong phân mềm Plaxis như sau:
15 Node;
distribution = very fine; tolerance = 0,01; n = 1000 bước; Ynước = LŨ kN/nmì
soil elements = element
Trang 4Bảng 2 Các thông sô của cọc và mặt đường Thông số Giá trị Cọc Mặt đường a an h vat liéu Elastoplastic Elastic Độ cứng dọc 49E+060 - 6E+06 trục EA (kN/m) (Bỏ qua phân đât) Độ cứng 5,002E+04
chông uôn EI Bé hàn đát 2E+04
(kNm2/m) (Bỏ qua phân đât)
Trọng lượng riéng W 0,613 (Lay yinaét = 20 0 6 kN/m) (kN/m/m) Hệ số poison 0 0,2 0 Mp (KN.m/m) 119 - 3 KET QUA NGHIEN CUU
Từ Phụ lục 1, Phu luc 2 va Phu lục 3 hé s6 6n dinh FOS cta 3 công trình khác nhau, có một vài kết quả sau:
Đôi với kết câu Kè Quảng Sơn, hệ số ốn định của mái dốc có một hàng cọc tại các vị trí C7; C8; C9; C10 co gia tri lớn hơn hoặc băng số Trung vị tương ứng, với tât cả các hệ số mái dốc và chiêu cao mái dốc Điêu này có nghĩa là Ep;; Fps; Fpo; Fpio > Median (Fp¡) Vm¡ị và VHH,
Đôi với kết cầu Kè Quảng Văn, hệ số ôn định của mái dốc có một hàng cọc tai cac vi tri C8; C9; C10 co gia trị lớn hơn hoặc băng số Trung vị tương ứng, với tất cả các hệ số mái dốc và chiều cao mái dốc Điều này có nghĩa là Fps; Epo;
Fpio > Median (Fp¡) Vm¡ị va VH
Đôi với kết câu Kè Quảng Tiên, hệ số ôn định của mái dốc có một hàng cọc
tại vị trí CI0 có giá trị lớn hơn hoặc băng sô Trung vị tương ứng, với tât cả các hệ số mái dốc và chiều cao mái dốc Điều này có nghĩa là Fpio > Median (Fp¡) Vmìị va VH
4 THAO LUAN
Trang 5cao mái dốc thay đối
Đặc biệt đôi với mái dốc mị = 1,5, hệ s6 an toàn của mái dốc có một hàng cọc tại vị trí C10 có giá trị lớn hơn hoặc
Trang 75 KET LUAN
Phan tich 6n dinh tong thé theo phương pháp cắt giảm sức kháng cắt (SRM) của kết cấu kè bảo vệ bờ sông được gia cô bằng I hàng cọc BTCT thay đi vị trí từ C1 đến C11, với chiêu cao H va mái dôc m thay đối, với các công trình nghién ctru: (1) Ke Quang Son; (2) Ke Quảng Văn; (3) Kè Quảng Tiên, đã được thực hiện băng phan mém Plaxis Version 8.2 (Hinh 3) Nham muc dich tim ra vi tri coc hop ly dam bao mang tinh hiéu qua, thuận lợi cho công tác thiết kế và thi công Hình 3: Mô hình bài toan bang Plaxis Kết quả đã chỉ ra răng vị trí cọc hợp lý là đặt gần chân mái dốc, mà cụ thể ở đây là cọc C10 với X›;/X = 0,1 Tuy nhiên, với một số công trình được tính toán trên, kết luận này không thể bao quát hết tất ca các trường hợp Bên cạnh đó, cách quy đổi các phần tử cọc và đất về phần tử cọc bản tương đương và một số thông số như: chiêu dài cọc; mô hình vật liệu; ứng xử vật liệu; elements; element distribution; tolerance; n (s6 bước) ảnh hưởng đến kết quả tính toán FOS, để có một kết luận chính xác hơn đòi hỏi phải có những nghiên cứu tiếp theo đa dạng hóa các thông số này
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Ashour, M., & Ardalan, H., (2012),
“Analysis of pile stabilized slopes based on soil—pile interaction”, Computers and
Geotechnics, 39, 85-97
[2] Cai, F., & Ugai, K., (2000), “Numerical
analysis of the stability of a slope
reinforced with piles’, Soils and
foundations, 40(1), 73-84
[3] Chen, L T., & Poulos, H G., (1997),
“Piles subjected to lateral — soil
movements”, Journal of Geotechnical
and Geoenvironmental — Engineering,
123(9), 802-811
[4] Dawson, E M., Roth, W H, &
Drescher, A., (1999), “Slope stability
analysis by © strength reduction’,
Geotechnique, 49(6), 835-840
[5] Donald, I B., & Giam, S K., (1988, August), “Application of the nodal displacement method to slope stability analysis”, In Australia-New Zealand Conference on Geomechanics, 5th, 1988, Sydney (No 88/11)
[6] Dong, M., Hu, H., & Song, J (2018), “Combined methodology for three- dimensional slope stability analysis coupled with time effect: a case study in
Germany”, Environmental Earth
Sciences, 77(8), 1-15
[7] Griffiths, D V., & Lane, P A., (1999),
“Slope stability analysis by finite elements”, Geotechnique, 49(3), 387- 403
[8] Hajiazizi, M., Bavali, M., & Fakhimi, A
(2018), “Numerical and experimental study of the optimal location of concrete piles 1n a saturated sandy slope’,
International — Journal of Civil
Engineering, 16(10), 1293-1301
[9] Hajiazizi, M., & Heydari, F (2019), “Where is the Optimal Pile Location on Earth Slopes?”, KSCE Journal of Civil Engineering, 23(3), 1087-1094
Trang 8stabilizing piles”, Soils and foundations, 15(A4), 43-59
[11] Jeong, S., Kim, B., Won, J., & Lee, J
(2003), “Uncoupled analysis of
stabilizing piles in weathered slopes”, Computers and Geotechnics, 30(8), 671- 682
[12] Kourkoulis, R., Gelagoti, F., Anastasopoulos, I., & Gazetas, G.,
(2012), “Hybrid method for analysis and
design of slope stabilizing
piles”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 138(1), 1-14
[13] Li, C., Chen, W., Song, Y., Gong, W., & Zhao, Q (2020), “Optimal location of piles in stabilizing slopes based on a simplified double-row piles model”, KSCE Journal of Civil Engineering, 24(2), 377-389
[14] Liang, R., & Zeng, S., (2002),
“Numerical study of soil arching mechanism in drilled shafts for slope stabilization”, Soils and foundations, 42(2), 83-92
[15] Lin, H D., Wang, W C., & Li, A J (2020), “Investigation of dilatancy angle effects on slope stability using the 3D finite element method strength reduction
technique”, Computers and Geotechnics,
118, 103295
[16] Matsui, T., & San, K C., (1992), “Finite element slope stability analysis by shear strength reduction technique’, Soils and foundations, 32(1), 59-70
[17] Naylor, D J., (1982), “Finite elements and slope stability’, In Numerical methods in geomechanics (pp 229-244) Springer, Dordrecht
[18] Nian, T K., Jiang, J C., Wang, F W.,
Yang, Q., & Luan, M T (2016), “Seismic stability analysis of slope reinforced with a row of piles”, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 84, 83-93
[19] Ugai, K., & Leshchinsky, D O V ,
(1995), '“Three-dimensional limit
equilibrium and finite element analyses: a comparison of results”, Soils and foundations, 35(4), 1-7
[20] Wei, W B., & Cheng, Y M, (2009), “Strength reduction analysis for slope reinforced with one row of piles’, Computers and Geotechnics, 36(7), 1176-1185
[21] Won, J., You, K., Jeong, S., & Kim, S ,
(2005), “Coupled effects 1n stability
analysis of pile-slope systems’,
Computers and Geotechnics, 32(4), 304- 315
[22] Yang, X L., & Zhang, S (2020), “Stability analysis of 3D cracked slope reinforced with piles’, Computers and
Geotechnics, 122, 103544
[23] Zienkiewicz, O C., Humpheson, C., &
Lewis, R W., (1977), “Discussion: Associated and non-associated visco-
plasticity and plasticity 1n soil
mechanics”, Géotechnique, 27(1), 101-
Trang 15Liên hệ:
ThS Phạm Nam Giang
Phòng Đảm bảo Chất lượng giáo dục, Trường Đại học Quảng Bình Địa chỉ: 312 Lý Thường Kiệt, Đông Hới, Quảng Bình
Email: kiengiangphobien@gmail.com Ngày nhận bài: 20/6/2021