(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.Pdf

Phụ lục 3 Mẫu Đề cương luận văn LỜI TÁC GIẢ 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 Ứ[.]

LỜI TÁC GIẢ Sau thời gian thu thập tài liệu, nghiên cứu thực hiện, đến 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” hồn thành thời hạn đề cương phê duyệt Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Thủy lợi đào tạo quan tâm giúp đỡ, tạo điều kiện cho tác giả trình học tập thực luận văn Tác giả xin trân trọng cảm ơn TS Hoàng Việt Hùng trực tiếp tận tình hướng dẫn, 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 giúp đỡ, động viên tinh thần, vật chất, thời gian tác giả đạt kết hơm Trong q trình nghiên cứu để hồn thành luận văn, tác giả khó tránh khỏi thiếu sót, mong nhận lời góp ý, bảo thầy, cán đồng nghiệp luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả Trần Thị Thơm Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự – Hạnh Phúc -BẢN CAM ĐOAN CỦA HỌC VIÊN Kính gửi: - Ban giám hiệu trường Đại học Thủy lợi - Khoa cơng trình phịng ban có liên quan Tên là: Trần Thị Thơm Ngày sinh: 12/8/1984 Học viên lớp cao học: 21C21 Mã số học viên: 138580202058 Tôi xin cam đoan nội dung sau đây: Đây luận văn thân thực hướng dẫn TS Hoàng Việt Hùng Các số liệu kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực không trùng lặp với đề tài khác cơng bố Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm trước pháp luật nội dung cam đoan nêu Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả Trần Thị Thơm MỤC LỤC MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài .1 II Mục đích đề tài .1 III Đối tượng phạm vi nghiên cứu .1 IV Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu .2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG ỔN ĐỊNH MÁI DỐC 1.1 Nguyên nhân gây ổn định mái dốc 1.2 Phân loại tượng sạt trượt mái dốc Việt Nam 1.2.1 Sạt trượt mái dốc tượng rửa xói sườn dốc 1.2.2 Sạt trượt mái dốc tượng lũ bùn đá 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 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 (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 cọc (Piled-Slopes) 22 1.3.7 Phương pháp neo đất (Soil Anchoring): 23 1.3.8 Phương pháp trồng cỏ mái dốc (“Grassing-Over” the Slope) 24 1.3.9 Phương pháp sử dụng kết cấu chắn giữ (Retaining Structures) 25 1.3.10 Phương pháp tổ hợp .25 1.4 Kết luận chương 27 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 28 2.1 Sơ lược phát triển, ứng dụng neo cố định mái dốc Việt Nam 28 2.1.1 Sơ lược phát triển công nghệ neo cố định mái dốc 28 2.1.2 Ứng dụng neo cố định mái dốc Việt Nam 28 2.2 Các dạng neo đất nguyên lý làm việc .29 2.2.1 Phân loại neo đất 29 2.2.2 Cấu tạo chung neo đất 29 2.2.3 Nguyên lý chống nhổ neo 30 2.2.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến lực chống nhổ neo .31 2.2.5 Các phương pháp xác định khả chịu tải neo đất 33 2.3 Tính tốn thiết kế 39 2.4 Thi công neo đất 48 2.4.1 Nguyên tắc thi công neo đất 48 2.4.2 Thi công neo đất .49 2.5 Quan trắc sửa chữa 63 2.5.1 Quan trắc ứng xử khai thác neo 63 2.5.2 Các biện pháp sửa chữa 67 2.6 Kết luận chương 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 cơng trình 68 3.3 Đặc điểm công trình phương án thiết kế đề xuất .70 3.4 Phân tích ứng dụng 71 3.4.1 Giới thiệu phần mềm tính tốn 71 3.4.2 Các thông số mơ hình trường hợp tính 73 3.4.3 Đánh giá so sánh tính kinh tế phương án 87 3.5 Kết luận chương 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 I Tiếng Việt 93 II Tiếng Anh 94 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sạt lở mái dốc đường giao thơng .17 Hình 1.2: Phương pháp đắp đất chân mái dốc .18 Hình 1.3: Các dạng thi cơng thường gặp P/p Thốt nước .19 Hình 1.4: Hình ảnh mặt nước mái dốc đường thuộc vịnh Runswick, làng ven biển Yorkshire, Anh 19 Hình 1.5: Mơ hình phương pháp vải địa kỹ thuật với lớp vải 20 Hình 1.6: Lưới địa kỹ thuật gia cường (Geogrids) 21 Hình 1.7: Phương pháp cọc 21 Hình 1.8: Phương pháp cân chỉnh mái dốc .22 Hình 1.9: Phương pháp gia cường mái dốc hàng cọc 23 Hình 1.10: Phương pháp neo đất .24 Hình 1.11: Cỏ vetiver 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 neo đất 29 Hình 2.2: Nguyên lý chịu lực 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 trịn 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 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 .64 Hình 3.1: Mặt cắt địa chất K45+300 đường cao tốc Nội Bài – Lào Cai 74 Hình 3.2: Mặt cắt thiết kế đường K45+300 cao tốc Nội Bài - Lào Cai .75 Hình 3.3: Kiểm tra ổn định cục mái 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 tính ổn định mái dốc có neo gia cường Kminmin=1.789 83 Hình 3.15: Kết tính ổn định mái dốc có neo gia cường Kminmin=2.858 84 Hình 3.16: Kết tính ổn định mái dốc có neo gia cường Kminmin=2.648 85 Hình 3.17: Điều kiện biên mơ toán phương án .85 Hình 3.18: Kết tính ổn định mái dốc kết hợp tường chắn Kminmin=1.133 86 Hình 3.19: Kết tính ổn định mái dốc kết hợp tường chắn Kminmin=1.133 86 Hình 3.20: Kết tính ổn định mái dốc kết hợp tường chắn Kminmin=1.104 87 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Phân loại đất sụt S.G.Visniakov 14 Bảng 1.2: Phân loại đất sụt P.I.Puskin 14 Bảng 1.3: Nhận xét phương pháp giữ ổn định mái dốc: .26 Bảng 2.1: Giá trị tham khảo cường độ chống cắt đất 34 Bảng 2.2: Cường độ chống cắt 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 cọc xoắn 37 Bảng 2.5: Hệ số an toàn lực chống nhổ neo .44 Bảng 2.6: Hệ số an toàn neo Trung Quốc 44 Bảng 2.7: Các hệ số an toàn tối thiểu kiến nghị để thiết kế neo đơn (BS 8081:1989) 45 Bảng 2.8: Biến dạng neo, co ngắn thép ƯST biến dạng ép chặt khe nối 59 Bảng 2.9: Các bước căng kéo thép ƯST phương pháp căng sau .60 Bảng 3.1: Các tiêu lý lớp đất .70 Bảng 3.2: Bảng khối lượng sơ phương án .88 Bảng 3.3: Bảng khái tốn giá thành cơng trình 88 I Tính cấp thiết đề tài MỞ ĐẦU Mái dốc cơng trình gồm mái dốc tự nhiên mái dốc nhân tạo, mái dốc tự nhiên thường thấy 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 yêu cầu ổn định hệ thống mái dốc yêu cầu số Tức mái dốc không bị phá hoại trượt Với diện tích đồi núi chiếm đến 70% khí hậu nhiệt đới gió mùa, hệ thống đường giao thơng Việt Nam xuất phổ biến tượng sạt trượt mái taluy tuyến đường vùng núi, đặc biệt vào mùa mưa lũ Thực tế có nhiều giải pháp xử lý ổn định mái dốc cơng trình Các giải pháp phụ thuộc vào nhiều điều kiện xung quanh mà mức độ ổn định giá thành xây dựng khác nhiều Giải pháp sử dụng neo đất để gia cường mái dốc giải pháp áp dụng nước ta Tuy chưa mức độ phổ biến phản ánh nhiều ưu điểm vượt trội giải pháp Giải pháp cơng trình truyền thống tường chắn trọng lực, nhiên để thực giải pháp có hai nhược điểm lớn mặt thi công yêu cầu lớn, bề bộn Thứ hai tải trọng chất lên lớn tốn vật liệu Vì 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 thực tiễn, giải cấp bách tình trạng thực tế xây dựng II Mục đích đề tài - Phân tích sở khoa học nguyên nhân dẫn đến cố ổn định mái dốc; - Đề xuất giải pháp gia cường phù hợp cho mái dốc cơng 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 phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan giải pháp gia cường bảo vệ mái dốc - Nghiên cứu sở lý thuyết neo 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 phương pháp nghiên cứu - Thu thập, tổng hợp phân tích tài liệu thực tế (tài liệu khảo sát địa chất, tài liệu thiết kế, …) để làm rõ nguyên nhân gây ổn định mái dốc - Phân tích lý thuyết neo đất nguyên tắc thiết kế - Mơ hình hóa tốn ứng dụng 3 CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG ỔN ĐỊNH MÁI DỐC Mái dốc khối đất đá hình thành tác nhân tự nhiên hay nhân tạo Mái dốc tự nhiên gồm có mái dốc bị xói mịn chia cắt mái dốc sườn đồi thung lũng, vách bờ biển bờ sông; mái dốc gom lại trầm tích mái dốc lở tích đồng trước núi, mái dốc trượt trượt dòng Mái dốc nhân tạo gồm có mái dốc đắp mái dốc đào Mái dốc đắp khối đắp đập, đống đất thải đống đất đào Mái dốc đào hào rãnh hố móng khơng chống đỡ Tất mái dốc có xu hướng giảm độ dốc đến dạng ổn định – cuối chuyển sang nằm ngang bối cảnh này, ổn định quan niệm có xu hướng di chuyển phá hoại – khối đất đá thực di chuyển Các lực gây ổn định liên quan chủ yếu với trọng lực thấm sức chống phá hoại hình dạng mái dốc kết hợp với thân độ bền kháng cắt đất đá tạo nên Sự di chuyển khối đất, đá xảy phá hoại cắt dọc theo mặt bên khối hay ứng suất hiệu hạt giảm tạo nên hóa lỏng phần hay toàn 1.1 Nguyên nhân gây ổn định mái dốc Có nhiều nguyên nhân gây ổn định mái dốc Theo thống kê từ tài liệu nghiên cứu vấn đề nguyên nhân gây ổn định mái dốc gồm có: - Do dịch chuyển kiến tạo vỏ trái đất; - Do mưa tăng độ ẩm áp lực nước đất; - Do động đất tác động rung máy móc; - Do xói lở dịng nước, lũ quét; - Do bơm hút nước ngầm nhanh; - Do nắng hạn, đất bị khô nứt giảm lực dính kết đất; - Do khai thác đất quanh mái dốc không quy định kỹ thuật - Do gió mạnh đập vào vách đất đá thẳng đứng; - Do phong hóa mặt đất, đá bị xuất lộ thi công khai thác cơng trình; Như ngun nhân chung dẫn đến tượng sạt trượt mái dốc nhiều yếu tố, có yếu tố thiên nhiên có yếu tố người gây 1.2 Phân loại tượng sạt trượt mái dốc Việt Nam 1.2.1 Sạt trượt mái dốc tượng rửa xói sườn dốc Khi chảy từ đỉnh phân thủy sườn dốc xuống, nước mưa gây tác dụng địa chất to lớn: rửa trơi rửa xói sản phẩm mềm rời tạo nên đỉnh phân thủy sườn dốc để hình thành mương xói Ở giai đoạn phát triển định, mặt cắt dọc sườn dốc mương xói đạt đến cân đó, phát triển bắt đầu chậm lại, ngừng hẳn tạo khe rãnh, chia cắt địa hình Các mương xói chia cắt sâu mãnh liệt khu đất, làm giảm diện tích có ích phạm vi rộng lớn, gây bất lợi cho hoạt động kinh tế, mục đích xây dựng sản xuất nơng nghiệp Mương xói có hại cho đường sá cơng trình chạy dài theo tuyến: làm tăng chiều dài tuyến, phải tránh xây dựng nhiều cơng trình, đường bị hư hỏng việc xây dựng tuyến đường khó khăn Nhiều nơi số cầu tuyến đường tăng lên nhiều lần mương xói phát triển thêm dọc tuyến Bằng việc mở lộ, tháo tầng nước làm kiệt quệ nguồn dự trữ nước đất, mương xói gây thiệt hại lớn cho việc bảo vệ nguồn cung cấp nước Ngồi ra, chúng cịn phá hoại chế độ ẩm đới thơng khí, làm cho đất trồng trọt trở nên khơ cằn làm giảm độ màu mỡ đất không gian rộng lớn Do tạo địa hình chia cắt tăng độ dốc bề mặt địa hình, mương xói làm cho q trình phong hóa phát triển mạnh hơn, đất phủ bị rửa trôi mãnh liệt khỏi vùng đất canh tác Xói mịn bề mặt cịn gọi xói mịn thổ nhưỡng làm giảm lượng chất hữu cơ, làm nghèo lượng nitơ nguyên tố chủ yếu khác thuộc nguồn dinh dưỡng khoáng thực vật đất Việc rửa trơi cịn làm cho tính chất vật lý thủy lý thổ nhưỡng xấu đi, phá hỏng cấu trúc hợp thể đất Lượng chất dinh dưỡng (thổ nhưỡng, kali, photpho, nitơ…) xấp xỉ lượng phân khống bón cho thổ nhưỡng dẫn đến thổ nhưỡng nghèo đi, sản lượng giảm rõ rệt chi phí làm đất tăng lên Những vật liệu moi chuyển xói mịn bề mặt theo tuyến gây tác hại lớn cho việc bảo vệ lãnh thổ điều kiện khai thác cơng trình Tại địa hình trũng, sản phẩm xói mịn phủ đồng cỏ, vườn tược, đất nông nghiệp, lãnh thổ dân cư Các sản phẩm moi chuyển mương xói, nón phóng vật làm tắc nghẽn đường sá, kênh đào, sơng ngịi gây tình bất lợi cho đời sống hoạt động dân cư vùng (gây ngập lụt), lấp cạn hồ ao chứa nước,… Giai đoạn phát triển mương xói định kích thước mật độ chúng Theo A.X.Kơzimenkơ, thể tích (m3), chia mương xói hoạt động loại: rãnh xói: < 10; mương xói nhỏ: từ 10 ÷ 100; trung bình: tù 100 ÷ 1000; lớn: từ 1000 ÷ 10000; lớn: > 10000 Các nhân tố ảnh hưởng đến phát triển mương xói Cá nhân tố định điều kiện phát triển q trình xói mịn sườn dốc, đỉnh phân thủy hình thành mạng mương xói – rãnh xói nhân tố thiên nhiên cấu trúc địa chất, địa hình, điều kiện khí hậu thảm thực vật khu vực hoạt động kinh tế người - Cấu trúc địa chất khu vực: nhân tố quan trọng nhất, nhân tố khác có tác dụng thúc đẩy làm tăng nhanh phát triển mương xói làm chậm lại, làm trì trệ phát triển Nếu mặt sườn dốc đỉnh phân thủy khơng có đất đá dễ bị tan rã rửa xói khơng thể hình thành mương xói Trên đất đá khác nhau, phát triển q trình sườn tích – rửa trơi bề mặt, xuất rãnh xói (giai đoạn thứ phát triển mương xói), tượng mương xói, rãnh xói phát triển đầy đủ điều kiện địa chất định, mặt đất có đất đá với thành phần định (thường đất loại sét), với trạng thái định (kém chặt) tính chất định (dễ tan rã rửa xói) 6 Nếu bề dày loại đất lớn hình thành mương xói sâu, mật độ mương xói cao, mức độ chia cắt địa hình lớn, cịn diện phân bố loại đất có hạn mỏng mương xói khơng có phát triển Thành phần, tính chất đất đá cịn định đặc điểm hình thái mương xói Chẳng hạn khối nứt hình trụ thẳng đứng tạo nên mương xói có sườn dốc - Địa hình: có ảnh hưởng mạnh đến phát triển mương xói định lượng nước chảy tốc độ nước Ta biết động dịng nước tỷ lệ thuận với tích số khối lượng nước với nửa bình phương tốc độ chảy, nên điều kiện khác khối lượng nước chảy phụ thuộc diện tích tập trung nước, tốc độ chảy định chiều cao góc dốc sườn (độ nghiêng); thơng số tăng lên tất nhiên tốc độ chảy tăng lên - Khí hậu địa phương: lượng nước chảy gây xói mịn phụ thuộc lượng mưa, dạng, cường độ phân bố mưa năm Nguy hiểm mưa rào – mưa tương đối ngắn với cường độ 0,5 – mm/phút Mưa rào nhanh chóng tạo dịng chảy dội, có động to lớn gây rửa xói làm cho mương xói phát triển nhanh, với tốc độ 40 – 45 m/năm 60 – 70 m/năm Mưa dài ngày có cường độ vừa phải thuận lợi cho xói mịn phát triển, loại mưa làm cho lớp đất bở rời gần mặt đất diện góp nước nhanh chóng bị bão hịa sau thấm xuống cách chậm chạp, lượng nước mưa lớn chủ yếu tạo dòng chảy mặt đất gây rửa xói - Thảm thực vật: có tác dụng kìm hãm ngăn trở tượng xói mịn nhiều hình thức khác Cây gỗ con, bụi có khả đặc biệt to lớn để chống lại tượng xói mịn Tán gỗ, giữ lại lượng lớn nước mưa, tạo điều kiện cho chúng bốc mà làm yếu tác dụng rơi rập – rửa xói mặt đất Lớp mục mặt đất có độ thấm nước lớn mà cịn có độ chứa ẩm cao, đóng vai trị chống xói quan trọng Thảm thực vật cịn có tác dụng giữ đất sườn dốc đỉnh chia nước, cản trở rửa xói rửa trơi đất Vì bảo vệ thảm thực vật khu vực mương xói phát triển biện pháp chống xói mịn có hiệu 7 - Hoạt động kinh tế người: có ảnh hưởng đa dạng đến phát triển tượng mương xói – rãnh xói Hoạt động tốt, nhằm ngăn chặn, chống lại tượng rửa xói, khơi phục lại lãnh thổ bị phá hoại xấu, gây nên thúc đẩy tượng mương xói – rãnh xói phát triển Các biện pháp chống xói mịn - Trồng để cải tạo đất: xây dựng dải rừng bảo vệ để điều tiết dòng chảy mặt đất, làm biến đổi chế độ ẩm đất, gia cố trực tiếp tầng thổ nhưỡng đất đá mặt Trồng loại cỏ sống lâu năm sườn dốc loại cỏ có hệ thống rễ khỏe phần thân mặt đất có khả củng cố tầng thổ nhưỡng tránh rửa trôi đất hiệu bố trí dải cỏ đệm rìa khoảnh đất, đôi chỗ phối hợp dải - Xây dựng cơng trình góp nước, giữ nước điều tiết nước để thâu tóm, giảm tốc độ dịng chảy mặt đất tăng lượng nước mặt thấm xuống đất chẳng hạn hệ thống rãnh máng đón nước sườn đỉnh đồi tiêu tháo nước đi, bờ ngăn giữ nước bậc đê, bậc đập ngăn nước thấm tiêu nước bố trí phạm vi lưu vực - Gia cố chỗ bị rửa xói nhiều cách lấp rãnh xói; đồng thời xây lát, củng cố chúng rọ đá, bê tông, đá đổ, hàng cọc, trồng lớp cỏ bảo vệ - Tuân theo quy chế sử dụng đất kỹ thuật canh tác Xác định phạm vi cần bảo hộ, cấm chặt cây, đào xới đất khai mỏ xây dựng, chăn thả súc vật… Khai khẩn đất theo dạng bậc thang, luống chạy theo đường đồng mức địa hình nhằm giảm bớt dòng chảy mặt đất làm yếu hẳn tác dụng rửa xói thổ nhưỡng 1.2.2 Sạt trượt mái dốc tượng lũ bùn đá Khái niệm Lũ bùn đá trận lũ xảy sơng miền núi dịng chảy tạm thời, mang theo nhiều vật liệu mảnh cứng (tảng sắc cạnh, tảng tròn cạnh, dăm, cuội, cát) đất mịn loại hạt sét Cũng giống trận lũ nào, lũ bùn đá xảy đột ngột nhanh chóng, có tốc độ chảy lớn tương đối lớn giờ, kèm theo đợt sóng dịng bị tắc nghẽn, sau khai thông sức ép khối vật chất mang theo lúc nhiều Lượng chứa vật liệu rắn dòng lũ bùn đá thay đổi từ 10 – 15% đến 40 – 60% Theo nghiên cứu, dòng lũ bùn đá có mật độ lớn 1,12 – 1,2 T/m3, đạt tới 1,5 – 1,9T/m3 Tùy theo thành phần vật liệu rắn chiếm ưu mà lũ bùn đá gồm đá với nước bùn với đá bùn Trong thực tế chủ yếu hai loại lũ đá – nước đá – bùn Lũ đá – nước có thành phần khơng đồng gồm đá tảng tròn sắc cạnh, dăm cuội, cát chứa đất hạt mịn loại sét, dễ bị khỏi khối lũ bùn đá trình dịch chuyển tuyển chọn Mật độ vật chất dòng lũ bùn đá thay đổi từ 1,15 đến 1,55 T/m3 Dịng lũ đá – bùn có thành phần hạt thô không đồng nhất, lại chứa nhiều hạt mịn loại sét Dòng lũ đá – bùn có mật độ cao 1,2 – 1,3 đến 1,7 – 1,9 T/m3 mà cịn có độ nhớt định Các dòng lũ bùn đá tạo nên lũ tích – nón vật phóng, vạt gấu lớp phủ lũ tích cửa sơng miền núi, cửa suối dòng chảy tạm thời, đồng trước núi hố trũng núi Tai họa dòng bùn đá Lũ bùn đá tượng địa chất nguy hiểm, thường xảy miền núi Do điều kiện hình thành, lũ bùn đá có động lớn thường xảy bất ngờ, diễn biến nhanh nên sức tàn phá lớn, gây tổn thất nghiêm trọng tài sản tính mạng người dân Trên giới ghi nhận trận lũ bùn đá lớn Ngày 18-8-1891 Tirơl, sóng dòng lũ bùn đá từ khe hẻm dãy Alpơ nước Áo đạt đến độ cao 18m tạo lớp bùn đá dày phủ miền rộng lớn Ngày 8-7-1921, sau trận mưa rào dội, dòng lũ bùn đá từ núi Alatau, Zailiy mang vào phố Almata (Nga) 3,5 triệu m3 bùn đá Để bảo vệ thành phố Almata, xây đập đất đá cao 115m địa khu Mêđêô Lũ bùn đá năm 1970 Pêru làm chết 50 nghìn người 800 nghìn người khác khơng cịn nhà cửa Ở khu vực miền núi nước ta xảy nhiều trận lũ bùn đá lớn Ngày 17/18-8-1996, trận lũ bùn đá lớn xảy thị trấn Mường Lay, tỉnh Lai Châu Từng khối đất đá lớn theo dịng lũ, có tảng đá kích thước từ 3-5m, nặng 100-200T 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 lũ khu vực Theo S.P.Kavetxki V.P.Gulina, tốc độ chuyển động trung bình phần lớn khoảng 2,5-3,5 m/s, thời gian chuyển động sông không dài vào khoảng hàng chục phút, đạt – Dự đốn nguy lũ đánh giá mơi trường mà xác suất phát sinh lũ tăng lên đột ngột Dự đoán nguy lũ dựa sở phân tích dấu hiệu nguy lũ sau đây: - Với lũ mưa rào: điều kiện mưa hình thành dịng chảy mặt khu vực hoạt động dịng mặt; - Với lũ có nguồn gốc hỗn hợp đánh giá khả trùng hợp độ nhả nước cao Nghiên cứu nhân tố địa chất, địa mạo địa chất cơng trình phát sinh phát triển lũ - Lập đồ vùng nguy hiểm lũ bùn đá - Bố trí thiết bị quan trắc để cảnh báo sớm, kịp thời Các biện pháp chống lũ bùn đá Mục đích: ngăn chặn giảm nhẹ tai họa lũ bùn đá bao gồm: - Ngăn khơng cho tàn tích vụn di chuyển; - Giảm số lần xảy lũ bùn đá; - Giảm tối thiểu thể tích vụn vận chuyển; - Bảo đảm đường di chuyển lũ bùn đá không gây tai họa; - Nâng cao ý thức hiểm họa cho cư dân địa phương; - Chuẩn bị biện pháp đối phó với tình trạng khẩn cấp xảy lũ bùn đá Các biện pháp ngăn chặn chia làm hai loại: 10 - Các biện pháp cơng trình - Các biện pháp phi cơng trình Các biện pháp cơng trình thường đắt cịn phải thêm chi phí bảo dưỡng cơng trình Có thể xây dựng cơng trình độc lập hay tập hợp cơng trình tùy theo điều kiện tự nhiên vùng Các biện pháp cơng trình phải hỗ trợ biện pháp phi cơng trình nhằm giảm thiểu tổn thất sinh mạng tài sản trận lũ bùn đá tương lai Mục đích biện pháp phi cơng trình nâng cao ý thức mối nguy hiểm sẵn sàng đối phó cư dân quyền địa phương Một số biện pháp phi cơng trình quan trọng sau: - Đánh giá phân tích tai biến mối nguy hiểm; - Lập đồ sử dụng đất 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 huấn luyện cộng đồng Các biện pháp phi cơng trình bao gồm biện pháp kỹ thuật chuyên môn hiệu sau đây: - Quản lý lưu vực sông, bao gồm trồng rừng bụi mái dốc để giảm bớt xói mòn đất… - Điều tiết dòng nước mặt dòng ngầm 1.2.3 Hiện tượng trượt đất Trượt đất đá tượng di chuyển khối đất đá (thường đất đá loại sét), với đất đá nằm nó, theo mặt trượt định, thường có dạng hình trụ trịn có dạng bề mặt tầng đá gẫy khúc phụ thuộc vào bề mặt tầng đá gốc lớp sâu Sự di chuyển xảy với tốc độ khác từ vài mm/ngđ đến vài m/giờ, hàng chục m/giờ Khối đất đá bị dịch chuyển gọi khối trượt Chiều rộng khối trượt tới hàng trăm mét, thể tích tới hàng triệu m3 11 Trượt đất đá phá hoại đường giao thơng, nhà ở, đập dâng nước, nhà máy thủy điện,… đặt sườn dốc hay chân dốc trượt Tùy thuộc vào số dấu hiệu khác chế trượt mà có phụ hạng trượt cổ, trượt sâu, trượt nông, trượt phẳng (trượt tầng phủ), trượt theo mặt đá gốc… Trong loại trượt đất, trượt sâu khơng phổ biến xảy nguy hiểm gây hậu lớn Khối lượng đất trượt lớn, nhiều chỗ nửa núi làm xê dịch đoạn đường dài hàng trăm mét Trượt làm khu vực ổn định, phá hoại cơng trình, bờ mỏ mà cịn làm biến đổi điều kiện tự nhiên phát sinh nhiều tượng địa chất khác Chẳng hạn, trượt phá vỡ dịng chảy mặt nước khí quyển, bộc lộ tầng chứa nước, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiêu thoát làm giảm trữ lượng nước đất trái lại, bịt hẳn nơi xuất lộ nước đất, kìm hãm việc tiêu thốt, dâng cao mực nước từ thay đổi chế độ nước đất Hiện tượng trượt tạo vật liệu đất đá trượt; miền núi, đất đá trượt dễ bị rửa xói, tham gia vào phát triển tượng lũ bùn đá Ở đới ven bờ biển, hồ, hồ chứa sông, trượt làm phá hủy bờ sườn bờ 1.2.4 Hiện tượng đá đổ Khái niệm Hiện tượng đá đổ thuộc nhóm tượng liên quan tác dụng trọng lực phát triển ảnh hưởng trọng lực sườn mái dốc Hiện tượng bao gồm tượng đá đổ thực sự, đá sụt đất lở biểu dịch chuyển nhanh, đột ngột khối đất đá Tuy nhiên quy mô điều kiện dịch chuyển tượng khác Đất sụt tượng tảng, khối đá riêng biệt tách đứt 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 dốc đứng cấu tạo đá cứng tương đối cứng Đất đá lở xảy mái dốc cấu tạo từ đá bị vụn nát nứt nẻ mạnh phong hóa đạt đến kích thước đá dăm, đá sạn từ đất vụn rời 12 Đá đổ thực tượng sập đổ tảng, khối riêng biệt, thể tích lớn đá cứng tương đối cứng từ vết lộ nằm sườn núi cao phía mép mái dốc, từ phần dốc, dốc đứng sườn có kèm theo tượng lăn, lật nhào đập vỡ tảng đá khối đá dịch chuyển Các điều kiện thành tạo đá đổ Nguyên nhân phát sinh tượng đá đổ phá hủy cân (ổn định) khối đất đá sườn dốc Sự phá hủy độ ổn định gây chủ yếu thành phần gây dịch chuyển trọng lực – tác động thường xuyên lực tác động tạm thời theo chu kỳ áp lực thủy tĩnh nước lấp đầy khe nứt đá, ứng suất địa chấn phát sinh phát sinh động đất chấn động khác phát sinh xe cộ qua lại, nổ mìn… Tác động lực nói lên đá cứng tương đối cứng lộ sườn dốc cao, bị trình phong hóa đưa đến trạng thái mà lực chống dịch chuyển chống cắt bên chúng không đủ để cân với tác động lực bên ngồi Điều kiện địa hình Hiện tượng đá đổ xảy vùng núi có địa hình phân cắt mạnh, khu vực có sườn núi cao dốc, sườn dốc bị cắt xén thành mái dốc đường đào nửa đắp, cơng trình khai thác lộ thiên có mái q dốc Địa hình bị phân cắt mức độ tương phản lớn lượng địa hình xác suất thành tạo đá đổ, đá sụt lớn nhiêu Lực phá hủy 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 nó: P= mv 2 Tốc độ vật thể rơi tự v phụ thuộc chiều cao H mà từ xảy đá đổ, đá sụt theo công thức sau: v= gH đó: g- gia tốc rơi tự 13 Do mức độ nguy hiểm đá đổ, đá sụt phụ thuộc khơng vào khối lượng đá, kích thước khối nứt mà phụ thuộc chiều cao từ đá đổ, đá sụt Trên tuyến đương cho thấy tượng đá sụt từ mái dốc đường đào nửa đào độ cao 10-12m gây hư hỏng phá hủy đường Mức độ nứt nẻ đá Khi đá sườn dốc bị chia cắt khe nứt thưa, tượng đá đổ có nguy lớn lực phá hủy khủng khiếp tảng khối lớn Mặt khe nứt nghiêng phía chân sườn dốc thuận lợi cho tượng đá sụt, đá đổ, cịn nghiêng vào phía sườn dốc làm cho khối đá bị tắc nghẽn, khó dịch chuyển Khi đá bị vụn nát nhiều – có lượng lớn khe nứt cắt chéo đơn vị diện tích mặt lộ đá, hình thành nhiều khối nứt nhỏ, đơi đạt kích thước mảnh dăm xảy tượng lở đất đá Mức độ nứt nẻ đá chia thành cấp sau đây: - Đá bị vụn nát nứt nẻ nhiều: trung bình có – khe nứt biểu rõ 1m chiều cao hay chiều dài bề mặt đá lộ trần – mật độ khe nứt dầy thường xảy đá đổ, lở dăm sạn; - Đá nứt nẻ ít: có – khe nứt – 3m bề mặt lộ trần đá – mật độ khe nứt thưa Đá đổ, đá sụt xảy nguy hiểm; - Đá không nứt nẻ nguyên khối: khe nứt biểu không rõ Số lượng khe nứt phát phụ thuộc định hướng bề mặt vết lộ đá khe nứt Hoạt động người Cắt xén sườn dốc biến thành mái dốc đường đào, nửa đào; tạo nên mái dốc có độ nghiêng q lớn, khơng cho phép mà không xét đến định hướng mặt phân lớp, phân phiến, khe nứt đứt gãy kiến tạo khác; dọn không mảnh, tảng đá lớn không ổn định sườn dốc; tiến hành nổ mìn nơi nên tránh, cơng trình bảo vệ chống đá đổ làm việc khơng đủ hiệu quả, phá hủy dòng chảy nước mưa số hoạt động khác người thường tạo điều kiện thuận lợi phát sinh đá đổ 14 Tóm lại, thành tạo đá đổ chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi: a) Yếu tố khí hậu (quyết định tốc độ tính chất phong hóa đất đá); b) Các đặc điểm địa hình khu vực địa phương; c) thành phần, trạng thái vật lý đất đá (được định mức độ phong hóa, nứt nẻ vụn nát nó); d) vận động kiến tạo đại (duy trì mức độ tương phản lượng địa hình); đ) mức độ địa chấn khu vực (tạo chu kỳ phá hủy hàng loạt tính ổn định đất đá sườn dốc) e) hoạt động xây dựng kinh tế người 1.2.5 Hiện tượng đất sụt Khái niệm Đất sụt tượng khối dăm, sạn tách khỏi sườn dốc rơi tự hay lăn theo sườn dốc Khối đất đá sụt tập trung chân sườn dốc gọi đống sụt Theo S.G.Visniakov, đất sụt đá đổ khác kích thước tảng đá cấu tạo nên chúng (Bảng 1.1) Bảng 1.1: Phân loại đất sụt S.G.Visniakov Sự thành tạo Hàm lượng tảng đá lớn 0,5m (%) Phân loại đất sụt Đá đổ Đổ sụt Sụt – đổ Sụt > 75 50 – 75 25 – 50 < 25 Theo P.I.Puskin phân loại đất sụt theo thành phần vật liệu theo mức độ di động (Bảng1.2) Bảng 1.2: Phân loại đất sụt P.I.Puskin Thành phần vật liệu Loại Kích thước, hình dạng mảnh vụn A Mảnh lớn, tảng B Mảnh trung bình, dăm C Mảnh nhỏ, cuội góc Thành phần thạch học chủ yếu Đá kết tinh dạng khối Đá macma, đá trầm tích rắn Đá rắn bị phong hóa mạnh Kích thước tảng vỡ phổ biến (mm) Độ dốc trung bình sườn núi (độ) > 100 37 200 – 100 35 20 – 32 15 Loại Kích thước, hình dạng mảnh vụn Thành phần thạch học chủ yếu D Mảnh vụn khác nhau, dạng có bề mặt nhẵn bóng Đá phiến đá trầm tích Độ dốc trung bình sườn núi (độ) Kích thước tảng vỡ phổ biến (mm) 30 Theo mức độ di động Loại Đặc điểm khối đất sụt Hệ số di động K I Di động mạnh II Đang di động, chưa thấy dấu hiệu yếu dần 0,7 – 1,0 III Di động yếu dần, nguồn cung cấp vật liệu giảm xuống 0,5 – 0,7 IV Nói chung khơng di động, vật liệu bị nén chặt, nguồn vật liệu bổ sung không phát thấy 1,0 < 0,5 Hệ số di động K: K= α β Trong đó: α – góc nghiêng bề mặt khối đất sụt; β – góc mái tự nhiên vật liệu tạo nên khối đất sụt Nội dung mô tả sụt Miền cung cấp trình sụt lở: 1) độ cao trung bình sườn núi, định hướng, nguồn gốc 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, nằm đặc điểm bề dày phong hóa; 4) chiều dài, độ dốc hình dạng sườn núi vùng cung cấp; 5) kích thước hình dạng mảnh vụn, mối liên hệ mảnh vụn với đá gốc độ dốc sườn núi, đặc điểm di chuyển, tần số xuất lăn, lở (tính đơn vị chiều dài sườn dốc) thay đổi tần số xuất ngày, theo mùa theo thời tiết; 6) khu vực có dấu hiệu sụt lở ngừng hoạt động (thực vật xuất đặc điểm nó, độ dốc vị trí khu vực sườn dốc) 16 Miền vận chuyển (chỉ phân chia đất sụt qua khu vực đất đá rắn không bị sụt lở): chiều dài, độ cao miền vận chuyển, đất đá, nằm mức độ phong hóa; hình dạng, độ dốc trung bình sườn dốc độ dốc phận, đặc điểm di chuyển vật liệu Miền tích tụ (khối đất sụt thực sự): 1) điều kiện nằm khối đất sụt (lấp đầy thung lũng hay nằm tựa chân núi); 2) thành phần nằm đất đá nằm khối đất sụt; 3) hình dạng khối đất sụt mặt (hình nón riêng biệt – dạng tam giác, dạng tỏa tia – dạng hình thang, lớp phủ liên tục chân núi hay đám nhỏ riêng biệt), hình dạng mặt cắt ngang, thể tích nón riêng biệt, độ dốc lớn trung bình chỗ điển hình; 4) thành phần thạch học, thành phần hạt vật liệu cấu tạo khối đất sụt, phân bố vật liệu hình dạng mảnh vụn, tính phân lớp, độ ẩm chất bụi sét nhét đầy mảnh vụn; 5) nước đất nguồn cung cấp; 6) tình hình xói lở cắt xén chân khối đất sụt; 7) mức độ hoạt động đất sụt, đặc điểm lăn sụt; 8) bề mặt đất sụt – xuất lộ hay bị cỏ che phủ, rãnh xói; 9) dấu hiệu 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 sập đổ, cỏ khơng có - Sụt lở bình thường: độ dốc miền cung cấp 450 – 650 đất đá vừa bị sập đổ, vừa bị sạt lở, đơi chỗ có cỏ - Sụt lở yếu: độ dốc miền cung cấp 300 – 450, có sạt lở yếu xảy ra, 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 cơng trình, tuyến đường giao thơng 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 cơng trình khơng đảm bảo điều kiện kỹ thuật thường hay ổn định Cũng có mái dốc xây dựng ổn định, trải qua thời gian phong hóa mà dẫn đến sụt sạt cục bộ, gây cản trở giao thông Một nguyên nhân phổ biến mưa, tác dụng dòng thấm sức kháng cắt đất giảm bão hòa gây vụ sạt trượt lớn Hậu nặng nề khắc phục khơng phải sớm, chiều 17 Hình 1.1: Sạt lở mái dốc đường giao thơng Hình 1.1 ảnh chụp khối trượt gây bồi lấp đoạn đường giao thông, nguyên nhân gây trượt mưa lớn kéo dài Như vậy, câu hỏi đặt quản lý an tồn tồn tuyến giao thơng nào, áp dụng giải pháp cơng trình thời gian kiểm tra, tu bảo dưỡng để hạn chế thảm họa Một nguyên nhân áp dụng giải pháp cơng trình chưa phù hợp, không đảm bảo ổn định lâu dài cơng trình Đặc biệt điều kiện làm việc đặc biệt 1.3 Các giải pháp tăng cường ổn định mái dốc 1.3.1 Phương pháp đắp đất chân mái dốc (Loading the Toe) Phương pháp dùng có hiệu với loại mái dốc sâu không ổn định Một dải đất đắp chân mái dốc (có thể lối dọc bờ kênh) có tác dụng chống lại mơmen trượt giữ ổn định Vật liệu phần đất đắp vật liệu lấy từ đỉnh mái dốc (bao gồm việc cân chỉnh mái dốc) hay vật liệu mua từ bên ngồi cơng trường Phương pháp nghiên cứu trường Cao đẳng Thánh Hild Thánh Bede Durham (đông bắc nước Anh) hay vùng Walton’s Wood Staffordshire 18 Ổn định mái dốc theo cách thường không áp dụng với loại mái nơng Tuy nhiên, áp dụng có lớp đất khơng ổn định, nhờ kiểm soát tốt phạm vị phá hoại lớp đất Hình 1.2: Phương pháp đắp đất chân mái dốc 1.3.2 Phương pháp thoát nước (Drainage Methods) Đối với phương pháp khó để xác định tỷ lệ hiệu việc thoát nước Phương pháp dùng tốt cần ổn định mái thời gian ngắn, lâu dài đường rãnh cần bảo trì sửa chữa, mà việc khó kiểm tra thực tốn Phương pháp chia nhiều khe rãnh khác nhau: + Với loại rãnh nơng (thốt nước mặt): - Mục đích phương pháp giảm nước mặt làm giảm áp lực nước lỗ rỗng tầng đất sâu - Các rãnh dễ để sữa chữa nhanh hư Có hai dạng thường dùng là: - Dạng hình xương cá (HerringBone shape) - Dạng hình quân hàm (Chevron shape) 19 Hình dạng xương cá Hình dạng quân hàm Hình 1.3: Các dạng thi cơng thường gặp P/p Thốt nước Dưới hình ảnh ví dụ mái dốc giữ ổn định theo phương pháp này: Hình 1.4: Hình ảnh mặt thoát nước mái dốc đường thuộc vịnh Runswick, làng ven biển Yorkshire, Anh + Với loại rãnh sâu: Có nhiều cách thức thực loại rãnh sâu với mục đích làm giảm áp lực nước lỗ rỗng đất, nhiên vấn đề ổn định thành vách rãnh sâu cần xem xét Ở loại thường thấy kết hợp dạng sau: - Các rãnh sâu đưa nước thoát - Các hố khoan thoát nước dọc - Các hố khoan thoát nước ngang 20 1.3.3 Phương pháp dùng vải địa kỹ thuật (Geotextiles) Vải địa kỹ thuật loại vật liệu gia cường đất nhân tạo (thường làm chất dẻo) Trong vùng ổn định mái dốc, lưới địa kỹ thuật gia cường (geogrids) dùng, với chức gia cường nhờ cường độ chịu kéo giúp gia tăng đặc tính học cơng trình đất thơng qua tương tác với đất bề mặt chịu cắt Ví dụ đắp lưới địa kỹ thuật gia cường có tác dụng làm giảm mômen phát sinh khối trượt Loại thường dùng loại neo, tạo phản lực chống lại mơmen nhiễu Ngồi chúng cịn dùng để gia cố trượt nhỏ trình thi công đào đất, hiệu mang lại khả quan Ở nước ta phương pháp dùng vải địa kỹ thuật áp dụng với số công trình tương lai sử dụng nhiều tính tiện dụng giá thành tương đối hợp lý Hình 1.5: Mơ hình phương pháp vải địa kỹ thuật với lớp vải 21 Hình 1.6: Lưới địa kỹ thuật gia cường (Geogrids) 1.3.4 Phương pháp cọc (Sheet piling): Đây phương pháp gia cố tốn không thường dùng trừ khả hồi phục ổn định mái chiếm tỷ lệ cao Tuy nhiên, lại thường dùng thi công hố đào sâu đất yếu với áp lực đất lớn Ở phương pháp này, người ta dùng loại cọc có hình dáng, chất liệu khác tùy theo thiết kế để phù hợp với điều kiện thực tế Một ví dụ dùng Team Valley thuộc vùng đông bắc nước Anh Hình 1.7: Phương pháp cọc 22 1.3.5 Phương pháp cân chỉnh mái taluy (Regrading the Slope): Với loại chia thành hướng sau: - Cân chỉnh mái dốc để có góc nghiêng thích hợp - Giảm toàn chiều cao mái dốc giữ nguyên độ dốc mái - Lấy đất từ đỉnh mái đắp chân (như phương pháp Loading the Toe) + Phương pháp cân chỉnh mái taluy: Có thể thực cách đào vuốt mái hay đắp thêm để mái thoải Với phương pháp hiệu cao với dạng mái nơng khơng ổn định Hình 1.8: Phương pháp cân chỉnh mái dốc + Phương pháp giảm chiều cao mái dốc: Với mái dốc nhân tạo (có thể lúc thi cơng đào đắp đất) phương pháp hạ cao độ mái dốc hữu dụng, thường khơng thể thực phải tuân theo yêu cầu thiết kế Với mái dốc tự nhiên phương pháp xem xét Tuy nhiên, việc giảm ổn định theo phương pháp thu kết không cao phương pháp đắp đất chân mái dốc, phương pháp có hiệu loại mái đào sâu hay đắp cao 1.3.6 Phương pháp ổn định mái dốc cọc (Piled-Slopes) Đây phương pháp hợp lý ứng dụng ổn định trượt cho khu vực rộng lớn Vấn đề phương pháp dùng cọc cấu kiện gia 23 cường gia cố thành hàng để ngăn chặn ảnh hưởng trượt mái dốc (slope reinforced) Phương pháp tiết kiệm nhiều chi phí mang lại hiệu cao cấu kiện gia cường mà cụ thể cọc đặt vào đất thành hàng với khoảng cách định phụ thuộc vào thiết kế tiết kiệm vật liệu làm cọc Hình 1.9: Phương pháp gia cường mái dốc hàng cọc 1.3.7 Phương pháp neo đất (Soil Anchoring): Thường neo đất tạo ứng suất trước, lực mà cần để giữ ổn định mái Để làm neo phải neo sâu vượt qua cung trượt nguy hiểm đất Tuy nhiên, cần phải xem xét lực neo với số lực khác phát sinh cung trượt sâu đất hay ma sát neo với đất… Lực dọc trục neo gia tăng theo ứng suất ảnh hưởng chiều sâu, gia tăng cường độ mái taluy 24 Hình 1.10: Phương pháp neo đất 1.3.8 Phương pháp trồng cỏ mái dốc (“Grassing-Over” the Slope) Bằng cách trồng cỏ hay đắp cát bao phủ, giảm lượng nước thấm vào mái dốc Tuy nhiên, áp dụng với mái nông đất không yếu Phương pháp thường dùng để xử lý dài hạn, tốn đơn giản đáp ứng yêu cầu ổn định Hình 1.11: Cỏ vetiver trồng thành cơng để bảo vệ mái dốc Ngoài ra, kết hợp với số loại bụi trang trí tạo tính thẩm mỹ cho mái dốc 25 1.3.9 Phương pháp sử dụng kết cấu chắn giữ (Retaining Structures) Nói chung, phương pháp phương pháp đặc biệt có hiệu quả, khó để xây dựng cơng trình đất trượt, yêu cầu đặt cần phải bảo đảm ổn định cho cơng trình cũ cần tái sử dụng xem xét đến phương pháp Người ta dự tính lực tác dụng lên tường chắn nhờ vào lực trượt bên đất cách phân tích ổn định Những lực nhận dự vào trạng thái cân mà có Tường chắn huy động thêm lực kháng làm cho mái dốc bị thay đổi hình dạng Lực hoạt động dọc theo “đường hoạt động” (line of action) hướng vào đất đá mái dốc Hình 1.12: Phương pháp sử dụng tường chắn 1.3.10 Phương pháp tổ hợp Phương pháp thường dùng quy mơ cơng trình lớn, tổng hợp nhiều phương pháp nói 26 Hình 1.13: Phương pháp sử dụng tổng hợp Nói chung, từ việc xem xét mái dốc bị cố, cần lựa chọn phương pháp cho việc giữ ổn định có hiệu để có hiệu làm dừng hoạt động mặt trượt Để chọn phương pháp chính, ta rút bảng 1.3 sau: Bảng 1.3: Nhận xét phương pháp giữ ổn định mái dốc: Phương pháp STT Nhận xét Phương pháp cân chỉnh mái dốc - Có hiệu tức (Regrading the Slope) (bao gồm - Khơng có hiệu với thời phương pháp đắp đất chân ta luy) gian, điều tùy thuộc vào điều kiện thời tiết điều kiện thực tế cơng trình Phương pháp nước - Nên dùng - Có hiệu tức thời đất có phương pháp cân chỉnh mái tính thấm cao, nhiều thời không thực Method) (Drainage gian với đất hạt mịn - Mặt thoát nước phổ biến 27 Phương pháp STT Nhận xét Các phương pháp có kết hợp vật liệu - Những kết cấu tạo áp lực khác (như: neo, vải địa kỹ thuật, kết chủ động (như ứng suất neo), có cấu chắn…) thể bị động (như tường chắn hay cọc chắn đất) - Những tác dụng bị động có hiệu chống chuyển động mái dốc, diễn biến khơng mong muốn Trên thực tế, để bảo đảm mái dốc ổn định thời gian dài người ta kết hợp nhiều phương pháp với nhiều giai đoạn khác để đạt hiệu cao 1.4 Kết luận chương Chương tác giả trình bày nội dung tổng quan hình thức ổn định mái dốc thường gặp thực tế giải pháp tăng cường ổn định mái dốc Việc nghiên cứu dạng sạt trượt, nguyên nhân điều kiện dẫn đến sạt trượt giúp cho người thiết kế tổng quát dạng sạt trượt xảy thực tế Mỗi dạng sạt trượt thường xảy với điều kiện địa hình, địa mạo, địa chất thủy văn nào, nguyên nhân dẫn đến sạt trượt Từ định hướng áp dụng phương pháp tính ổn định mái dốc phù hợp Đồng thời đề giải pháp phịng chống sạt trượt cách có hiệu 28 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sơ lược phát triển, ứng dụng neo cố định mái dốc Việt Nam 2.1.1 Sơ lược phát triển công nghệ neo cố định mái dốc Trong năm gần việc xây dựng cơng trình phịng hộ có tính chất tường chắn gia cố móng sâu, chống sụt trượt mái dốc nước ta ngày chiếm tỷ lệ đáng kể xây dựng cơng trình giao thơng, thủy lợi, thủy điện Neo đất phát triển sở neo đá Năm 1958, công ty Đức lần dùng neo vào việc neo giữ tường chắn để thi cơng hố móng sâu Các kỹ thuật neo phát triển mạnh mẽ 50 năm qua, neo dùng cho cơng trình tạm thời lâu dài giới, đặc biệt Trung Quốc Châu Âu Tại Việt Nam, từ đầu năm 1980, Viện khoa học công nghệ giao thông vận tải giáo sư Bùi Danh Lưu chủ trì tiến hành số thí nghiệm phịng nghiên cứu neo chôn đất trạng thái ứng suất bầu neo khoan Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu khoa học cấp giao thông giai đoạn 20012003 neo đất, Viện khoa học công nghệ giao thông vận tải tiến hành nghiên cứu tiêu chuẩn thiết kế, thi công nghiệm thu neo đất PGS TS Nguyễn Hữu Đẩu chủ trì biên dịch quy trình “Neo đất” BS 8091-1989 Tiếp theo đề tài nghiên cứu: “Các giải pháp chống sụt trượt có sử dụng neo cho mái dốc đường đắp cao đào sâu” TS Doãn Minh Tâm Việc sử dụng neo đất làm tăng ổn định mái dốc cách hiệu quả, làm giảm đáng kể khối lượng đào đất, đá Việc thi công neo khơng địi hỏi mặt lớn thiết bị thi công phức tạp 2.1.2 Ứng dụng neo cố định mái dốc Việt Nam Ở Việt Nam, neo đất ứng dụng cơng trình hầm thủy điện Hịa Bình, hầm đường Hải Vân, đặc biệt cơng trình gia cố chống sụt trượt mái dốc đường Hồ Chí Minh đoạn đèo Đá Đẽo, cửa hầm A Roang 29 Trong thời gian qua tương lai cơng trình giao thơng, thủy lợi, thủy điện vươn tới vùng sâu, vùng xa, vùng có địa chất phức tạp, cơng trình có hố móng sâu thành phố, cơng trình ngầm nhiều trường hợp kết cấu chống lại áp lực đất neo giải pháp 2.2 Các dạng neo đất nguyên lý làm việc 2.2.1 Phân loại neo đất Khoảng từ năm 1960, neo ứng dụng cho cơng trình biển với mục đích chống nhổ kéo, cố định trọng lượng vật thể, chống dịch chuyển không mong muốn công trình Theo Taylor (1975) có số dạng neo thường dùng, xác định theo nguyên tắc thi công trình làm việc neo bao gồm: - Neo khoan vào đất - Neo dùng tải trọng động - Neo xoắn - Neo ấn - Neo khoan áp lực cao - Neo móc tự - Neo tạo áp lực giữ hút khí chân khơng 2.2.2 Cấu tạo chung neo đất Một neo đất nói chung gồm phận bản: Đầu neo, dây neo (thanh neo), bầu neo Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo neo đất 30 - Đầu neo: Là phận có khả truyền tải trọng kéo từ dây neo đến bề mặt đất kết cấu chống đỡ Đầu neo thường bao gồm đầu căng kéo dây neo neo lại đỡ thơng qua lực từ dây neo phân bố vào kết cấu cơng trình Đối với cơng trình thiết kế cần thay đổi lực neo thời điểm người ta phải dùng đầu neo căng kéo lại giảm lực neo cần thiết Đầu neo thiết kế để dây neo không bị hư hỏng, chịu lực đến 80% dây neo đặc trưng cho phép lệch góc 5% so với trục dây neo - Bầu neo: Là phần ngàm dây neo vào đất đá Chiều dài neo bám dây neo bầu neo không lớn chiều dày bầu neo Bầu neo tạo cách khoan đất bơm vữa xi măng áp lực cao lỗ khoan Lực bám dính bầu neo đất xung quanh tạo sức chịu tải neo - Dây neo: Là phận chịu lực neo đất làm thép bó cáp cường độ cao Dây neo có nhiệm vụ truyền tải trọng từ bầu neo lên kết cấu cơng trình Chiều dài dây neo chia làm phần: + Chiều dài neo tự do: Là chiều dài tách khỏi vùng căng kéo, khoảng cách từ đầu neo đến điểm gần bầu neo.Chiều dài dây tự biểu kiến tính tốn từ số liệu chuyển vị đàn hồi theo thí nghiệm để chiều dài dây neo thể tách rời hoàn toàn đất vữa bao quanh + Chiều dài neo bám: Là chiều dài dây neo neo bám trực tiếp vào vữa 2.2.3 Nguyên lý chống nhổ neo Thanh neo neo chặt đất với mục đích chịu kéo chủ yếu, neo đất nên có lực chống nhổ định mô [5] hỡnh 2.2 Lớp đất ma sát Lực kéo Vữa xi măng Hỡnh 2.2: Nguyờn lý chu lc ca neo Đường kính lỗ khoan Lực bó chặt m d φ cèt thÐp τ 31 Với đoạn neo giữ chịu lực, tải trọng tác động thông qua dây neo (thanh cốt thép thô dây thép bện xoắn) với lực bó chặt vữa xi măng xung quanh truyền vào vữa, sau thơng qua vữa truyền vào khối đất xung quanh Quá trình truyền lực tăng lên theo tải trọng, lực dính kết dây neo với vữa xi măng (lực bó chặt) phát triển dần tới đầu neo đoạn neo giữ phát huy tối đa lực dính kết tạo chuyển dịch tương đất, sinh lực cản ma sát đất với neo, lực cản ma sát giới hạn Thử nghiệm chống nhổ cho thấy, lực nhổ nhỏ lượng chuyển dịch neo cực nhỏ; lực nhổ tăng lên, chuyển dịch tăng lớn; lực kéo nhổ đạt đến lượng định, chuyển dịch không ổn định, chí lực khơng tăng mà chuyển dịch khơng dừng; xem neo đạt đến giai đoạn phá hỏng, tức lực cản ma sát neo với tầng đất đá vượt trạng thái giới hạn 2.2.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến lực chống nhổ neo Ảnh hưởng đất lực chống nhổ neo Cường độ chống cắt đất τ o thường thấp cường độ vữa xi măng, công nghệ thi công bơm vữa xi măng tốt, lực cản ma sát lỗ neo đất định cường độ chịu cắt đất mặt tiếp xúc Từ công thức suy ra, ảnh hưởng lớp đất cường độ chịu kéo neo lớn, tầng đất khác có tham số c, φ khác nhau, cường độ chịu kéo - nhổ tính khác Ảnh hưởng hình thức neo lực chống nhổ Phần neo hình thành đầu mở to ra, dùng thiết bị để mở thành hình nón có đáy to, hình 2.2c, lực chống nhổ neo tăng lên nhiều Với neo mở rộng lỗ, Habib [2] Pháp kiến nghị tính lực chống nhổ giới hạn theo cơng thức sau: Pgh = F + Q = πD1 z1 + L1 ∫τ z1 Trong đó: z dz + πD2 z + L2 ∫τ z2 z dz + qA (2.1) 32 F- lực cản ma sát giới hạn biên quanh neo Q - khả chịu nén giới hạn mặt chịu nén neo D - đường kính thân neo D - đường kính lỗ mở rộng thân neo τz - lực cản ma sát đơn vị độ sâu z (cường độ chịu cắt) q - cường độ chịu nén phần mở rộng lỗ neo A - diện tích chịu nén phần mở rộng lỗ neo giữ; L , L , z , z - độ di (xem hỡnh 2.3a) n Đo o ne tự ạn o ne ữ Đo gi ạn ữ Đo gi tự ạn o ne ữ Đo gi Đo Đo ạn ạn (b) (a) tự (c) Hỡnh 2.3: Các hình thức mũi neo giữ Png Ph¹m vi líp ®Êt chÞu lùc z1 z2 d2 τ L d (ii) Phá hoại mũi cát (iii) Phá hoại lực dính ®Êt sÐt i dµ u Ị i ) Ch ©n (l th q VÕt nøt chÞu kÐo cã thĨ xảy L2 D D1 iề Ch ud h ác g v n hạ ín n ố oa ỗ k kh n ch đế ) (L ầu b i d: Đường kính thân D: Đường kính bầu mở rộng lý thut D2 Hình 2.4: (a) Neo đất có dạng mở rộng đáy hình trụ trịn (b) Đáy mở rộng với nhiều hình nón cụt 33 Trong cơng thức τ có liên quan với trị số c, φ , việc xem xét theo trạng thái đất ra, trị số qA tăng lên tức ảnh hưởng hình thức neo Tính tốn theo cơng thức giá trị ước tính để tham khảo, thiết kế cần phải làm thử nghiệm kéo nhổ để xác định lực chống nhổ giới hạn 2.2.5 Các phương pháp xác định khả chịu tải neo đất Xác định sức chịu tải neo theo cường độ chịu cắt đo thử nghiệm đất Để đơn giản tính tốn, xét bầu neo hình trụ trịn theo mơ hình làm việc trình bày hình 2.4, theo giả thiết [5] sau: - Sự truyền tải trọng từ bầu neo sang đất/đá xảy ứng suất phân bố tác động toàn chu vi bầu neo; - Các đường kính lỗ khoan bầu neo nhau; - Phá hoại xảy theo kiểu trượt giao diện đất/đá với vữa (lỗ khoan nhẵn) theo kiểu cắt sát bên giao diện đất/đá với vữa môi trường yếu (lỗ khoan khơng nhẵn); - Khơng có không liên tục mặt phẳng bị yếu gây phá hoại; - Khơng có khơng dính bám cục (bị tách) giao diện đất/đá với vữa Khả chịu lực chống nhổ neo bơm vữa bình thường (tức áp lực vữa 300 ÷ 500 kPa) có liên quan với đường kính lỗ khoan, độ dài cường độ chịu cắt đất, thể công thức sau đây: T = LmπDτ (2.2) Trong đó: T - khả chịu lực neo-lực dọc trục (kN); L m - độ dài đoạn neo giữ (m); D - đường kính lỗ neo (mm); τ - cường độ chịu cắt đất (kPa) Từ công thức (2.2) thấy, khả chịu lực kéo neo hàm số độ dài đoạn neo giữ, đường kính lỗ neo cường độ chịu cắt đất Trong 34 thiết kế, để tính khả chịu lực kéo neo, cần thông số cường độ chịu cắt đất tính độ dài cần thiết neo, cường độ chịu cắt đất thông số quan trọng tính sức chịu tải kéo nhổ neo Thống kê trị số cường độ chống cắt số loại đất theo nghiên cứu số đơn vị [5] trình bày bảng 2.1, bảng 2.2 Bảng 2.1: Giá trị tham khảo cường độ chống cắt đất (Theo Viện nghiên cứu khoa học Đường sắt, Trung Quốc) Tầng đất chỗ đoạn neo giữ Cường độ chống cắt τ (kPa) Đá phong hóa 150 - 200 Đất sét, cát 60 - 130 Đất sét dẻo 20 - 30 Bảng 2.2: Cường độ chống cắt đất (Theo Viện Nghiên cứu Xây dựng luyện kim, Trung Quốc) Tầng đất Miêu tả Cường độ chịu cắt τ (kPa) Đất bùn Đất sét Đất cát Đất thuộc loại cát 20 - 25 Dẻo cứng 50 - 60 Dẻo mềm 30 - 40 Chặt vừa 100 - 150 Xốp 160 - 200 Chặt vừa 220 - 250 Chặt 270 - 400 Cường độ chống cắt đất nêu bảng để tham khảo thiết kế, trước thi công thực tế phải làm thử nghiệm kéo nhổ để điều chỉnh độ dài thân neo độ nghiêng neo so với phương ngang Trong tiêu chuẩn BS 8081:1989 [2] kiến nghị công thức tính neo dạng hình 2.4a đất dính có khác chút so với cơng thức (2.2) có dạng sau: T = LmπDαC u (2.3) 35 Trong đó: C u - sức chống cắt khơng nước lấy trung bình Lm ; α - hệ số bám dính phụ thuộc tính chất đất; Khi C u > 90 kN/m , α = 0,30 ÷ 0,35 (sét cứng); C u = 270 kN/m , α = 0,28 ÷ 0,36 (sét cứng cố kết); C u = 287 kN/m , α = 0,48 ÷ 0,60 (sét vôi cứng); C u = 95 kN/m , α = 0,45 (sét bùn cứng) Khi α > 0,45 - cần thử nghiệm neo [5] Tính tốn sức chịu tải neo theo lý thuyết cường độ chịu cắt đất Khi không làm thử nghiệm cường độ chống cắt đất, áp dụng trị số cường độ chống cắt đất theo thống kê mà không phù hợp dùng phương pháp lý thuyết để tính tốn cường độ chống cắt đất Thanh neo chơn đất, ứng suất trọng lượng thân cột đất bên neo coi ứng suất pháp, kể đến hệ số áp lực đất cường độ chống cắt đất xung quanh neo biểu thị cơng thức sau [5]: τ = K γhtgφ + c (2.4) Trong đó: K - hệ số áp lực đất ngang, thường với đất cát K = 1, với đất sét K = 0,5 [5]; γ - trọng lượng riêng đất (kN/m3); h - chiều cao cột đất neo, thường lấy độ cao trung tâm neo mặt đất (m); φ - góc ma sát đất; c - lực dính đơn vị đất Xác định sức chịu tải kéo nhổ cọc xoắn Cọc xoắn cọc có thiết kế cánh xoắn gần mũi cọc (hình 2.5), thi cơng cọc xốy vào đất Cọc xoắn thường dùng cho cơng trình chịu tải trọng 36 kéo nhổ lớn Sức chịu tải tính tốn cọc xoắn chịu kéo xác định theo công thức sau [14] P = kmPgh (2.5) Trong đó: k - hệ số đồng đất, 0,6 (kết thử cọc tải trọng tĩnh k=0,7); m - hệ số điều kiện làm việc, lấy theo bảng 2.5; Pgh - sức chịu tải giới hạn cọc xoắn, xác định theo cụng thc (2.5) Nối tiếp thân cọc Cánh xoắn Mũi cäc Hình 2.5: Cấu tạo mũi cọc xoắn Bảng 2.3 trị số hệ số điều kiện làm việc m tính tốn sức chịu tải mũi cọc xoắn theo công thức 2.5 Bảng 2.3: Hệ số điều kiện làm việc m Loại Sét Cát Á cát Đất Trạng thái Cứng, nửa cứng dẻo Dẻo mềm Dẻo chảy Ít ẩm Ẩm Bão hịa nước Cứng Dẻo Chảy Nén 0,8 0,8 0,7 0,8 0,7 0,6 0,8 0,7 0,6 Trị số m tải trọng Kéo Thay đổi chiều 0,7 0,7 0,7 0,6 0,6 0,4 0,7 0,5 0,6 0,4 0,5 0,3 0,7 0,5 0,6 0,4 0,5 0,3 37 Chỉ dẫn bảng 2.3: Khi xác định sức chịu nén tính tốn cọc đặc trưng đất ứng với lớp nằm mũi xoắn, chịu kéo ứng với lớp nằm mũi xoắn Công thức xác định sức chịu tải kéo giới hạn cọc xoắn: Pghk = ( Ac + Bγh )F + f tcU (L − D ) (2.6) Trong đó: A B - hệ số không thứ nguyên, phụ thuộc vào góc ma sát φ đất vùng làm việc, lấy theo bảng 2.4; c - lực dính đơn vị đất; γ - trọng lượng thể tích trung bình lớp đất kể từ mặt đất tự nhiên đến mũi xoắn; h - độ cắm sâu mũi xoắn, kể từ mặt đất tự nhiên; F - diện tích mũi xoắn, làm việc chịu kéo lấy 0,785( D − d ) , cịn làm việc chịu nén lấy 0,785D , D đường kính mũi xoắn d đường kính thân cọc; f tc - lực ma sát tiêu chuẩn đơn vị đất mặt bên cọc; U - chu vi tiết diện ngang thân cọc; L - chiều dài thân cọc Chiều sâu mũi xoắn từ mặt thiết kế phải lớn 5D đất sét phải lớn 6D đất cát Khoảng cách trục cọc xoắn chịu kéo không nhỏ 1,5D khoảng cách hai mép mũi xoắn hai cọc cạnh chịu nén, không nhỏ 1m Bước mũi xoắn nên lấy không lớn 0,4D Cấu tạo mũi xoắn phải tính tốn với tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số vượt tải 1,2 [14] Bảng 2.4: Các hệ số A, B tính sức chịu tải kéo cọc xoắn φ (độ) A B 14 7,1 2,8 16 7,7 3,3 38 φ (độ) A B 18 8,6 3,8 20 9,6 4,5 22 11,1 5,5 24 13,5 7,0 26 16,8 9,2 28 21,2 12,3 30 26,9 16,5 32 34,4 22,5 34 44,5 31,0 36 59,6 44,4 Phương trình sức chịu tải kéo nhổ tổng quát neo xoắn Có nhiều phương pháp xác định sức chịu tải kéo nhổ neo Tất phương pháp dựa phân tích lý thuyết dẻo áp dụng cho vật liệu đất dựa vào dạng mặt phá hoại trường phịng [18] Phương trình sức chịu kéo nhổ neo tương tự phương trình sức chịu tải cọc móng sâu [18] Phương trình khả kéo nhổ tổng quát nhất, Fu , thể biểu thức: ( ) B  Fu = A cN c' + γ ' DN q'  0.84 + 0.16  L  (2.7) Trong đó: A: Diện tích tiếp xúc neo với đất; c : Lực dính đơn vị đất; γ ' : Trọng lượng riêng đẩy đất; D: Độ sâu kể từ mặt đất đến neo; N c' , N γ' : Hệ số neo giữ tra từ đồ thị [18] phụ thuộc vào thông số chống cắt đất; B: Đường kính mũi neo; L: Bán kính mũi neo 39 2.3 Tính tốn thiết kế Thiết kế hệ neo đất cần xem xét vấn đề sau: - Ổn định chung - Độ sâu chôn - Hiệu ứng nhóm - Các kích thước bầu neo Các bước thiết kế (1) Điều tra trường cơng trình - Mực nước ngầm tầng nước mặt có phù hợp với báo cáo khảo sát khơng - Đường cấp, nước, bể phân hóa học (tác nhân ăn mịn neo vĩnh cửu) xung quanh trường có bị rị rỉ nước hay khơng, gần có nguồn nước bị thấm hay khơng - Cơng trình thi cơng có phải vào mùa mưa mùa hè hay không (để xem ảnh hưởng đến tổn thất ứng suất cho neo dự ứng lực) - Bất hoạt động trường mà ảnh hưởng đến ứng xử neo cần quan trắc, ghi chép cẩn thận đánh giá ảnh hưởng chúng giai đoạn đầu thi công Những hoạt động bao gồm đào cục bộ, hạ thấp mức nước ngầm, đóng cọc, nổ mìn, lún sụt khai thác mỏ (2) Xem xét toàn phương án chống giữ hố móng, vào độ sâu hố móng phải đào, tham số γ, c, ϕ neo, khoảng cách, góc nghiêng… neo Khi xác định phương án chống giữ phải ý: - Có nhà dân nhà tầng xung quanh không, phải bảo đảm chuyển dịch đỉnh tường cọc giới hạn khống chế, không để dẫn đến lún nứt cho nhà xung quanh - loại đường ống gần xung quanh hố móng… phải bảo đảm cho chúng hoạt động bình thường - Đường sá xung quanh không bị lún, không bị nứt, bảo đảm lại bình thường 40 - Các neo đất thường xuyên lấn chiếm bất động sản bên cạnh trường hợp cần có chấp thuận chủ sở hữu Nếu thỏa thuận phải thỏa thuận vĩnh viễn dùng neo vĩnh cửu Nếu thỏa thuận bị rút lại cần phải thiết kế hệ thống chống đỡ khác cho kết cấu - Chú ý đến nghĩa vụ pháp lý ô nhiễm nước ngầm ô nhiễm tiếng ồn theo ràng buộc từ tiêu chuẩn môi trường có liên quan (3) Tính lực nằm ngang neo cho đơn vị độ dài tường cọc phải chịu (4) Căn vào lực nằm ngang tường cọc vừa tính để tính lực trục neo (tính góc nghiêng khoảng cách) (5) Tính độ dài bầu neo neo (6) Tính độ đoạn tự neo (7) Tính ổn định tổng thể cọc, tường neo (8) Tính tiết diện dây neo (cốt thép thô dây neo xoắn) (9) Tính tiết diện thép chữ H, I thép chữ [ làm dầm, sườn neo (10) Vẽ vẽ thi công neo (11) Biện pháp bảo vệ an tồn sức khỏe thi cơng neo theo luật lao động Bố trí neo Số tầng neo Thi công neo trước tiên phải đào đất đến vị trí neo, ngừng đào sau thi cơng neo, chờ sau lực kéo dự ứng lực neo đào đất bước tiếp sau Do đó, thềm tầng neo thêm lần tuần hồn thi cơng Trong trường hợp cụ thể, số tầng neo tốt Nếu hố móng sâu khoảng 12 – 13m thường dùng tầng neo (tức làm cho tường chắn đất có cơng xơn – 6m) chủ yếu nói vùng đất cát, đất sét Khoảng cách neo Khoảng cách neo tăng chịu lực neo lớn, khoảng cách nhỏ dễ sinh hiệu ứng nhóm neo Đồng thời, khoảng cách 41 neo cịn có liên quan với khoảng cách cọc chắn đất Khi dùng cọc thép chữ H làm tường chắn đất thường khoảng cách cọc 1m, khoảng cách neo 1m dễ sinh hiệu ứng nhóm neo, giải cách điều chỉnh lại khoảng cách góc nghiêng Để hạn chế ảnh hưởng lẫn bầu neo, giả thiết khoảng cách khơng nhỏ lần đường kính (D) tính từ tim đến tim (ở D đường kính lớn bầu neo) thực tế thường chấp nhận khoảng cách tối thiểu từ 1,5m đến 2m Khoảng cách bầu neo móng kề bên hầm dịch vụ cần lớn 3m, cần lưu ý móng bề mặt cần tăng độ sâu bầu neo lên 5m để cải thiện sức kháng giới hạn chịu nhổ cải thiện điều kiện phá hoại cắt cục chung quanh bầu neo, trái với phá hoại cắt chung, điều kiện giới hạn Tại vị trí bầu neo, cần kể đến khả tạo lỗ khoan có độ xác cần thiết Góc nghiêng Góc nghiêng góc dây neo với đường nằm ngang, có liên quan với tính máy thi cơng, có liên quan với chất đất chỗ đất neo Thường thì, góc nghiêng lớn, neo nằm vào tầng đất tốt hơn, phân lực thẳng đứng lớn, chịu lực cọc chắn giữ dầm sườn lớn Do neo yêu cầu phải có khả chịu lực tốt góc nghiêng lớn chút tốt Một số quy định quy phạm - Độ dày tầng đất đè neo không nhỏ 4m - Khoảng cách theo chiều ngang theo chiều đứng neo không nên lớn 4m, không nhỏ 1,5m, để tránh hiệu ứng nhóm neo làm giảm lực neo giữ - Góc nghiêng neo thường khơng nhỏ 130, không lớn 450, từ 150 – 350 vừa Yêu cầu thiết kế neo đất điển hình (BS 8081:1989)[4] Các tải trọng neo 42 Những yêu cầu phải cân nhắc kĩ với hệ số an toàn thích hợp tùy theo neo tạm thời hay vĩnh cửu Cần nhận biết biên độ tải trọng đặt lên neo: - Tải trọng yêu cầu, T w cần để đảm bảo kết cấu làm việc đạt yêu cầu đề - Tải trọng thử, Tt tải trọng mà neo chịu ngắn hạn căng kéo - Tải trọng khóa, T eo tải trọng lưu lại neo căng - Tải trọng dài hạn neo, T lt tồn neo kết việc thi công, căng kéo, rão chuyển vị đất Mỗi loại tải trọng có khơng chắn đánh sau: - Tải trọng yêu cầu T w : Tải trọng để đảm bảo neo làm việc đạt yêu cầu Thông thường tải trọng xác định tính tốn bao gồm, trường hợp tường chắn xem xét phân bố áp lực đất chủ động cho trường hợp phá hoại chuyển vị tổng cộng tường đạt đến giới hạn Nó tính tốn trạng thái giới hạn phá hoại Đối với trường hợp chuyển vị nhỏ quan trọng ứng suất đất chỗ có ảnh hưởng Nói chung, tính tốn trạng thái giới hạn khả khai thác, dẫn đến trượt kết cấu bên cạnh Trong hai trường hợp thay đổi mực nước ngầm biến đổi áp lực nước lỗ rỗng kèm tác động đến lực neo Kiến nghị nên xem xét trực tiếp không chắn thông số đất không chắn thông số đất mực nước ngầm cần tiến hành với giá trị trạng thái giới hạn tính giá trị bảo thủ áp dụng hệ số an tồn thấp Có thể phải nghiên cứu số trạng thái giới hạn, có ảnh hưởng đến tải trọng neo yêu cầu Theo mục tiêu này, trạng thái giới hạn phá hoại gây ảnh hưởng đến giá trị T w ký hiệu T w ULS, mỗii trạng thái giới hạn khai thác gây giá trị ký hiệu T w SLS - Tải trọng thử T t : Như giải thích tiêu chuẩn BS nói trên, thực tế thường căng neo sau thi công đến tải trọng thử Tải trọng thử thường lấy theo truyền thống 1,25 1,50 lần tải trọng thiết kế, tương ứng cho neo tạm thời neo lâu dài 43 Rủi ro việc tải kết thao tác căng kéo Khi khống chế trường tốt khó xảy thao tác căng neo nhiều 25% tải trọng thử dự kiến Nếu khống chế trường khơng tốt xảy căng kéo cao Chọn tải trọng thử trách nhiệm người thiết kế, kiến nghị tải trọng thử thực (có nghĩa quy định) đạt đến 1,25 lần giá trị lớn T w SLS giá trị lớn T w ULS tùy theo lớn Tải trọng thử tin cậy bất lợi hàm số khống chế trường khoảng 25% lớn giá trị thực Tải trọng thử đặc trưng cần đặt khoảng giá trị quy định tin cậy bất lợi - Tải trọng khóa T eo : Tải trọng khóa thiết kế chọn 1,1 lần tải trọng làm việc quy định - Tải trọng dài hạn T lt : Sau tất trạng thái giới hạn kiểm tra, người thiết kế cần phải đánh giá phạm vi tải trọng dài hạn T lt Để đánh giá giá trị đặc trưng tin cậy bất lợi Tlt có dẫn sau: - Giá trị đặc trưng cần lớn giá trị lớn T w thu từ trạng thái giới hạn khai thác - Giá trị tin cậy bất lợi nhất, cao cần lớn giá trị lớn T w từ trạng thái giới hạn - Khi đánh giá tải trọng dài hạn, ảnh hưởng tượng trồi đất (do lý đó) làm tăng tải trọng, cần xem xét Khi thực tế ảnh hưởng làm tăng tải trọng T lt vượt tải trọng yêu cầu T w Thiết kế neo Kích thước bầu neo cần thiết kế để sức chịu để sức chịu tải phù hợp với yêu cầu sau: - Sức chịu tải tin cậy bất lợi nhất, thấp cần lớn tải trọng Tw ULS lớn - Sức chịu tải đặc trưng cần lớn tải trọng T w SLS lớn - Đối với neo dự ứng lực, sức chịu tải đặc trưng cần lớn tải trọng thử đặc trưng 44 Các phận neo khác (chi tiết đầu neo, sức chịu dây neo, cường độ dính bám) cần thiết kế để thỏa mãn yêu cầu sau: - Sức chịu tải tin cậy bất lợi nhất, thấp cần lớn tải trọng dài hạn tin cậy bất lợi nhất, cao T lt - Sức chịu tải đặc trưng cần lớn tải trọng dài hạn đặc trưng T lt - Đối với neo dự ứng lực, sức chịu tải đặc trưng cần lớn tải trọng thử đặc trưng Ảnh hưởng tải trọng neo lên phần tử kết cấu Khi thiết kế phần tử kết cấu tường gân đầu neo, dầm gân tường, chịu ảnh hưởng tải trọng neo, cần dùng giá trị tin cậy bất lợi thể tải trọng khóa T eo Thường thiết kế phần tử kết cấu chịu tải trọng thử neo thời điểm Nếu cần dùng tiêu chuẩn hệ số riêng phần, ví dụ BS 8110 BS 5950, tải trọng neo dài hạn đặc trưng dùng cho trạng thái giới hạn khai thác giá trị tin cậy bất lợi cho trạng thái giới hạn phá hoại Quy định hệ số an toàn chống nhổ neo số nước Hệ số an toàn neo đất hệ số an toàn lực chống nhổ neo, nước có quy định bảng 2.5: Bảng 2.5: Hệ số an toàn lực chống nhổ neo Tên nước Đức (DIN 4125) Thanh neo tạm thời 1,33 Thanh neo vĩnh cửu 1,50 Nhật (JSFD - 77) 1,50 2,50 Theo quy phạm kỹ thuật cột chống bê tơng phun móc neo GB 50086-2001 thuộc tiêu chuẩn quốc gia nước Cộng hòa nhân dân Trung hoa [9] bảng 2.6 Bảng 2.6: Hệ số an toàn neo Trung Quốc Mức độ nguy hiểm neo bị phá hủy Nguy hại nhẹ, khơng ảnh hưởng cơng cộng Nguy hại lớn, khơng có vấn đề công cộng Thanh neo tạm thời Thanh neo vĩnh cửu 1,4 1,8 1,6 2,0 45 Nguy hại lớn, liên quan đến an 1,8 2,2 tồn cơng cộng Bảng 2.7: Các hệ số an toàn tối thiểu kiến nghị để thiết kế neo đơn (BS 8081:1989) Hệ số an toàn tối thiểu Loại neo Dây neo Giao diện đất/vữa Giao diện Hệ số vữa/dây neo tải vữa/mũ trọng neo thử Các neo tạm thời gian sống nhỏ tháng phá hoại không gây hậu nghiêm trọng không gây nguy hiểm cơng cộng, ví dụ thử tải cọc 1,4 2,0 2,0 1,1 1,6 2,5* 2,5* 1,25* 2,0 3,0+ 3,0* 1,5 thời gian ngắn dùng neo làm hệ đối trọng Các neo tạm thời thời gian sống kéo dài đến năm hậu phá hoại nghiêm trọng khơng gây nguy hiểm cho an tồn cơng cộng, khơng cần thiết cảnh báo, ví dụ tường chắn có neo sau Các neo dài hạn tạm thời nguy hiểm ăn mòn cao và/hoặc hậu phá hoại nghiêm trọng, ví dụ cáp chủ cầu treo đối trọng để nâng phận kết cấu nặng * Có thể dùng giá trị tối thiểu 2,0 có thí nghiệm mẫu thật trường + Có thể cần tăng đến 4,0 để hạn chế dão đất 46 Tính độ dài bầu neo (L m ) Độ dài bầu neo suy từ công thức 2.2: T = L m π.D.τ Sẽ là: L m = T K π D.τ (2.8) Trong đó: K – hệ số an tồn chống nhổ Trị số cường độ chịu cắt τ xem xét dựa vào kinh nghiệm tích lũy số liệu đo thử… địa phương, tính theo cơng thức: Lm = T K πD( K yhtgϕ + c) (2.9) Trong đó: h – độ cao từ trung tâm đoạn neo giữ đến mặt đất, không nhỏ 4m Các ký hiệu khác đơn vị đo – giống Tính độ dài đoạn tự Như hình vẽ, điểm O điểm áp lực đất không, OE mặt trượt giả định, góc kẹp neo AD với đường nằm ngang AC α, AB đoạn tự neo, tìm độ dài AB: AC = AO.tan(450 Góc ACB = 450 + ϕ ); ϕ biết, tìm AO ϕ Góc ABC = 1800 – (450 + ϕ ) – α = 1350 – Vì α biết, theo hàm số sin ta có: AC : sinABC = AB : sin(450 + Độ dài đoạn tự do: ϕ ) ϕ –α 47 ϕ ϕ ϕ AO tan(450 + ).sin(450 + ) AC sin(450 + ) 2 = AB = ϕ ϕ 0 sin(135 − − α ) sin(135 − − α ) 2 (2.10) Thường lấy đoạn tự 5m, có nhiều tầng neo dùng phương pháp tính phân tầng Hình 2.6: Sơ đồ thiết kế neo Tính dây neo (dây thép xoắn, cốt thép thơ) - Cốt thép thô: A s = KN f yk (2.11) Trong đó: A s – diện tích mặt cắt cốt thép (mm2) K – Hệ số an toàn; N – Lực kéo trục (kN); F yk – Trị tiêu chuẩn cường độ cốt thép - Dây thép xoắn: n = KN As f ptk Trong đó: n – Số bó dây thép xoắn; K – hệ số an toàn; N – Lực kéo trục thiết kế (kN); A s – Diện tích dây thép xoắn (mm2) f ptk – Trị tiêu chuẩn cường độ dây thép xoắn Tính ổn định tổng thể neo (2.12) 48 Trong đánh giá ổn định tổng thể BS 8081:1989 lưu ý người thiết kế phải kể đến: - Sức chịu neo, ví dụ neo có sức chịu cao ảnh hưởng đến ổn định chung neo có sức chịu thấp - Vị trí mặt phẳng phá hoại giới hạn để đảm bảo chiều dài neo tự đủ để kéo dài phía bên mặt phẳng - Xây dựng quy hoạch khống chế cấm từ chối sử dụng neo bên khu vực làm việc dự án - Các khống chế vật lý liên quan đến điều kiện địa chất, có mặt hầm dịch vụ, cơng tác nổ mìn tháo dỡ… Người thiết kế cần đánh giá ổn định tổng thể Để giúp nhà thầu neo, người thiết kế cần chi tiết vấn đề sau: - Tải trọng làm việc neo - Các chiều dài neo tự tối thiểu - Tổng mặt neo Người thiết kế cần chuẩn bị cho phép thay đổi thiết kế vướng mắc bố trí neo thay đổi điều kiện vật lý 2.4 Thi công neo đất 2.4.1 Nguyên tắc thi công neo đất Theo tiêu chuẩn TCVN 8870-2011 “Thi công nghiệm thu neo đất dùng cơng trình giao thơng vận tải” việc thi công neo đất cần đảm bảo nguyên tắc sau đây: - Việc thi công neo phải phương pháp cơng nghiệp, giới hóa tới mức tối đa cho phép để có suất cao, chất lượng tốt, sớm đưa cơng trình vào sử dụng giảm giá thành - Trước thi công, đơn vị thi cơng phải có đầy đủ tài liệu duyệt theo thủ tục Trong thi công phải thay đổi thiết kế duyệt phải đồng ý văn đơn vị thiết kế chủ đầu tư - Trong thi công phải tuân thủ chặt chẽ quy tắc kỹ thuật an toàn hành 49 - Các loại vật liệu phải đảm bảo tiêu chuẩn Nhà nước hành quy định quy trình Cơng tác thí nghiệm phải phịng thí nghiệm hợp chuẩn phải chủ cơng trình chấp thuận 2.4.2 Thi cơng neo đất Gia công neo Các yêu cầu chung: Vật liệu cung cấp đến công trường phải theo chủng loại yêu cầu kỹ thuật quy định đồ án thiết kế Tiến độ cung cấp phải phù hợp với tiến độ thi công chung ghi rõ kế hoạch thi công hợp đồng giao thầu cung cấp vật liệu Cấm sử dụng cơng trình loại thép có đường kính lại có mác khác Chế tạo, kiểm tra nghiệm thu neo: Sử dụng thép xoắn làm neo theo yêu cầu hình dáng kích thước, chất lượng vật liệu tiến hành phòng gỉ theo yêu cầu thiết kế Cơ cấu định tâm cấu đệm neo phải lắp đặt theo yêu cầu thiết kế khơng dịch chuyển q trình vận chuyển lắp đặt vào lỗ khoan Chế tạo, kiểm tra nghiệm thu cáp neo: Bó cáp neo phải chế tạo theo hình dáng, kích thước tiến hành phịng gỉ xác quy định đồ án mà không làm giảm chất lượng vật liệu Việc chế tạo bó cáp neo phải tiến hành phân xưởng gia cơng nơi có mái che Sau kiểm tra đạt tiêu chuẩn đánh số chờ sử dụng Không dùng sợi cáp bị uốn mức, bị ảnh hưởng nhiệt độ thay đổi đột ngột nhiệt độ cao Khi cắt sợi cáp phải tuân thủ yêu cầu sau: Thép CĐC phải cắt máy cắt, tuyệt đối nghiêm cấm cắt máy hàn điện hàn 50 Bề mặt cáp neo phải làm trước dùng, tránh để chất gỉ, dầu mỡ, bẩn chất có hại khác gây ăn mịn làm giảm độ dính bám cốt thép với bê tơng làm giảm ma sát cốt thép với chêm chèn nút neo Khi dây neo thép sợi, cáp khơng có gai chế tạo có vỏ bọc bôi mỡ, phải rửa mỡ chiều dài dính bám chất tẩy rửa Nếu cáp phải tách sợi cáp khải tao cáp để thuận tiện cho việc làm sạch, sau đặt lại lớp tao cáp Cơ cấu định tâm cấu đệm dây neo nhiều sợi thép chất dẻo phải lắp đặt thiết kế không dịch chuyển vị trí q trình vận chuyển thao tác lắp đặt vào lỗ khoan Sau cáp neo chế tạo xong phải sử dụng sớm, tránh việc cất giữ lâu dài, cáp neo phải cất giữ nơi khô ráo, sẽ, không để trời, phải tránh gây tổn hại máy móc để mạt hàn, ố dầu rơi vào cáp neo Khi cáp neo cất giữ môi trường mà độ ẩm vượt 85%, phần cáp neo lộ ngồi phải xử lí phịng ướt vải nhựa dẻo giấy ngâm dầu Cáp neo phải tuân thủ nguyên tắc dùng đến đâu làm đến đó, cáp neo cất giữ thời gian dài trước sử dụng phải tiến hành kiểm tra nghiêm ngặt Khoan tạo lỗ Khoan tạo lỗ: - Hình dạng lỗ khoan: Lỗ khoan phải có đường kính khơng nhỏ đường kính quy định thiết kế tối thiểu ≥ 80 mm Có thể xét đến sai số trương nở lỗ mở nhiều giờ, ví dụ đất sét cố kết đất sét vôi Khi cần dùng ống vách để khoan phải xem xét đến đường kính cịn lại lỗ khoan điểm vào đến, tĩnh không ống vách yêu cầu có ống dẫn - Khoan thêm: Lỗ khoan khoan xong thổi rửa nhằm lấy hết mùn khoan, cần phải thử lỗ khoan để xác định chắn vách lỗ khoan không bị sập ngăn cản việc lắp đặt dây neo 51 Đối với lỗ nghiêng xuống, cho phép khoan thêm để bù chỗ cho mùn khoan lấy khỏi lỗ khoan Quy định phải khoan thêm