TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ NEO VÀ ỨNG DỤNG
Tổng quan về công nghệ neo trong đất
1.1.1 Lịch sử phát triển của công nghệ neo
Công nghệ neo trong đất, được ứng dụng lần đầu vào đầu thế kỷ XIX, đã trở thành một giải pháp quan trọng trong xây dựng tường chắn và cấu trúc chống lại áp lực nước Năm 1938, neo trong đất được sử dụng tại đập Chuerfas ở Algeria để neo bể chứa nước Sau Thế chiến II, công nghệ này đã được mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực như ổn định hố đào sâu, chống sạt lở và gia cố đập Năm 1950, neo Bauer với cáp cường độ cao được giới thiệu tại Đức, sau đó lan rộng sang Úc và Thụy Sĩ Đến năm 1970, neo trong đất đã trở nên phổ biến trên toàn cầu, bao gồm cả Hoa Kỳ vào năm 1971 cho hệ thống chống tạm trong công tác đào đất Tại Châu Á, công nghệ này lần đầu tiên được áp dụng vào những năm 1950.
Công nghệ neo trong đất, bắt nguồn từ Nhật Bản tại đập phụ Fujihara, đã phát triển mạnh mẽ từ cuối thế kỷ XX và được áp dụng tại Việt Nam từ năm 1994 Ứng dụng của công nghệ này ngày càng đa dạng, bao gồm ổn định hố đào cho tầng hầm nhà cao tầng, kiên cố hóa mái dốc và nền đường trong xây dựng giao thông, cũng như neo sàn các đập thủy điện để chống lực đẩy nổi.
1.1.2 Định nghĩa và phân loại neo trong đất Định nghĩa
Theo TCVN 8870:2011: “Neo trong đất là kết cấu có khả năng truyền tải trọng kéo vào lớp đất chịu tải”
Neo trong đất bao gồm ba bộ phận chính: đầu neo, thân neo và bầu neo Chức năng của nó là ổn định kết cấu và ngăn chặn sự chuyển dịch quá mức bằng cách tạo ra ứng suất trước trong đất đá.
Phân loại neo trong đất
Neo trong đất được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm cách liên kết với đất nền, thời gian sử dụng, biện pháp thi công và điều kiện cải thiện chịu lực.
Hình 1.1 Phân loại neo trong đất
1.1.2.1 Phân loại theo cách liên kết của neo với đất nền
Có 3 loại: Neo ma sát, neo chịu áp lực đất, neo phức hợp Neo ma sát có 2 loại: neo tạo lực nén và neo tạo lực kéo Neo tạo lực kéo cũng chia ra 2 loại: Neo tạo lực tập trung, neo tạo lực phân bố
Nhược điểm của neo tạo lực kéo là gây ra vết nứt trong lớp bảo vệ và làm mất tải trọng do từ biến Trong biểu đồ phân bố ma sát, đường phân bố ma sát ban đầu là đường cong (1), nhưng khi tải trọng tác dụng, đường cong này sẽ chuyển thành đường cong (3) Mặc dù đường cong tải trọng mong muốn là đường (1), nhưng khi tải trọng tập trung vượt quá lực kéo cho phép của đất, đường cong sẽ bị mất tải trọng do sự giảm ma sát.
2- Neo tạo lực nén tập trung
Neo tạo lực nén tập trung sử dụng các tao cáp dự ứng lực được bọc bằng ống
PE tạo lực nén lên vữa bằng cách gắn chặt cáp vào đối trọng ma sát riêng, tuy nhiên tải trọng giảm do từ biến nhỏ hơn so với neo tạo lực kéo, yêu cầu sử dụng vữa có cường độ lớn hơn Nhược điểm của loại neo này là không tạo được lực neo cần thiết trong đất yếu, và khi lực nén tác dụng lên vữa, tải trọng tập trung ở phần cuối có thể làm vỡ lớp vữa Sự giảm tải trọng đột ngột, như thể hiện trên biểu đồ thay đổi tải trọng (Hình 1.3), phụ thuộc vào sự phá hoại do tải trọng nén.
Hình 1.2 Sơ đồ thay đổi tải trọng, biểu đồ phân bố ma sát neo tạo lực kéo
Để khắc phục nhược điểm của hai loại neo trước, việc sử dụng cáp bọc ống PE giúp phân bố lực neo vào trong đất một cách dễ dàng, đồng thời tránh hiện tượng tải trọng tập trung vượt quá giới hạn trong đất và khối vữa Dạng neo tạo lực nén phân bố đã được phát triển và áp dụng nhằm tối ưu hóa hiệu suất làm việc của hệ thống neo.
Trong trường hợp này, tải trọng truyền dọc theo chiều dài neo ít ảnh hưởng đến cường độ vữa, đảm bảo lực neo cần thiết trong đất yếu Neo này có khả năng tạo ra tải trọng lớn trong các loại đất thông thường, đất cát và đất đá Ưu điểm lớn của việc sử dụng neo này là tỷ lệ mất mát ứng suất nhỏ và khả năng giữ tải trọng ổn định theo thời gian.
1.1.2.2 Phân loại theo thời gian sử dụng
Theo thời gian sử dụng dài hay ngắn, neo đất được phân loại thành hai loại [9]:
1- Neo vĩnh cửu (Permanent Ground Anchor)
Neo vĩnh cửu là thiết bị quan trọng dùng để ổn định lâu dài cho các công trình vĩnh cửu Nó được coi là một phần không thể thiếu của công trình, có tuổi thọ tương đương với công trình đó Trước khi lắp đặt, cần thực hiện các biện pháp chống ăn mòn và chống han rỉ cho tất cả các bộ phận của neo để đảm bảo độ bền và hiệu quả sử dụng.
2- Neo tạm thời (Temporary Ground Anchor)
Neo tạm thời là loại neo được sử dụng trong thời gian ngắn, từ vài tháng đến hai năm, trong quá trình xây dựng công trình Sau khi hoàn thành thi công, neo này có thể được tháo rời hoàn toàn hoặc chỉ một phần Neo tạm thời được chia thành hai loại: tháo dỡ toàn phần và tháo dỡ một số bộ phận.
1.1.2.3 Phân loại theo biện pháp thi công
Hình 1.5 Các kiểu neo phân loại theo biện pháp thi công
Hình 1.4 Sơ đồ thay đổi tải trọng, biểu đồ phân bố ma sát neo tạo lực nén phân bố
Khả năng chịu nhổ của neo trong điều kiện đất cụ thể phụ thuộc vào cấu trúc hình học của neo, kỹ thuật thi công, quy trình phun vữa, cũng như phương pháp khoan và thổi sạch Có thể phân loại thành bốn loại khác nhau như thể hiện trong Hình 1.5.
Kiểu neo loại A là một phương pháp thi công bao gồm ống tremie và thân lỗ khoan được phun vữa trong bao hoặc vỏ, có thể được thiết kế thẳng tạm thời hoặc không thẳng tùy thuộc vào sự ổn định của lỗ khoan Phương pháp này thường được sử dụng trong đá và rất hiệu quả với các loại đất đắp dính cứng Sức kháng nhổ của kiểu neo này phụ thuộc vào ma sát bên tại giao diện giữa đất và vữa.
Kiểu neo loại B sử dụng lỗ khoan phun vữa áp lực thấp (dưới 1000 KN/mm²), với đường kính bầu neo tăng và xáo trộn tối thiểu khi vữa thấm qua lỗ rỗng hoặc nứt nẻ tự nhiên của đất Loại neo này thường được áp dụng trong các loại đá yếu, nứt nẻ và đất hạt thô, cũng như trong đất rời hạt mịn Vữa xi măng không thấm qua lỗ rỗng nhỏ, nhưng dưới áp lực, nó làm chặt đất cục bộ và tăng đường kính hiệu quả, từ đó cải thiện sức kháng cắt Sức chịu kháng nhổ chủ yếu phụ thuộc vào sức kháng cắt thực tế, tuy nhiên sức kháng mũi cũng cần được xem xét khi tính toán sức chịu tải giới hạn.
Các kiểu neo loại C sử dụng lỗ khoan phun vữa với áp lực cao trên 1000KN/mm² qua ống thẳng Chiều dài neo cố định được gia tăng nhờ quá trình hydrfracturing, tạo ra chùm rễ vữa hoặc hệ thống thay thế cho đường kính lõi lỗ khoan Áp lực thường được áp dụng trong lần phun thứ hai, sau khi vữa được phun lần đầu tiên, thông qua ống của hệ thống măng sét hoặc các ống vữa nhỏ bên trong chiều dài bầu neo.
Ứng dụng của neo trong đất
1.2.1 Trong xây dựng dân dụng Được sử dụng phổ biến nhất trong xây dựng dân dụng đó là neo trong đất được kết hợp với tường chắn bằng cọc chống bê tông cốt thép và ván lát ngang, tường bê tông cốt thép,… tạo thành hệ thống tường chắn ổn định phục vụ công tác đào đất thi công các hầm nhà cao tầng, bể nước ngầm, nhà ga tàu điện ngầm trong lòng đất, bãi đỗ xe ngầm,…(Hình 1.13.)
Hình 1.13 Neo ổn định tường chắn khi đào đất thi công nhà ga ngầm, tuyến
Hệ dầm giằng truyền thống được sử dụng trong thi công hố đào tầng hầm tòa nhà Bảo Gia, Tp Hồ Chí Minh, mang lại nhiều ưu điểm nổi bật Hệ thống này không chiếm nhiều mặt bằng thi công, giúp tối ưu hóa không gian Thời gian thi công nhanh chóng và chi phí thấp hơn so với phương pháp chống đỡ bằng dầm giằng thép truyền thống, làm cho nó trở thành sự lựa chọn hiệu quả cho các dự án xây dựng.
1.2.2 Trong xây dựng công trình giao thông a) Ổn định tường chắn đất khi thi công đường đào
Hệ thống tường neo là giải pháp hiệu quả để ổn định mái dốc trong thi công đào đường qua vách núi dốc lớn và mở rộng lòng đường Ngoài ra, hệ thống này còn giúp giữ ổn định cho mố trụ cầu, đảm bảo an toàn và tính bền vững cho công trình.
Hình 1.15 Neo ổn định tường chắn đất khi thi công nền đường đào
Hình 1.16 Neo ổn định mố trụ cầu
Trụ cầu Đất đắp mố trụ cầu
Hệ thống tường neo trong đất được áp dụng cho các mố cầu mới và để ngăn chặn sạt lở đất ở mố cầu cũ Ngoài ra, hệ thống này còn giúp ổn định và chống sạt trượt cho các mái dốc.
Neo trong đất thường được sử dụng kết hợp với tường, hệ thống dầm, khối bê tông để ổn định mái dốc và chống sạt lở
Neo trong đất đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng các đường cao tốc mới và ổn định mái dốc Chúng được sử dụng để củng cố các khối đất đá phía trên và ngăn chặn tình trạng trượt lở Các dầm ngang cùng với khối bê tông giúp truyền tải trọng từ neo vào đất, đảm bảo sự ổn định cho mái dốc ngay tại vị trí đào.
1.2.3 Trong xây dựng đập, thủy điện
Neo được sử dụng để chống lại lực đẩy nổi, lực này phát sinh từ áp lực thủy tĩnh hoặc do kết cấu mất ổn định Các kết cấu xây dựng thông thường thường sử dụng tải trọng tĩnh của chính chúng để kháng lại lực đẩy nổi Sử dụng neo trong đất để chống lại lực đẩy nổi mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm khối lượng bê tông sàn và giảm khối lượng đào đất.
Hình 1.18 Neo tăng cường ổn định đập nước và chống áp lực nước đẩy nổi
Hình 1.19 Neo ổn định tháp cột điện cao thế
Hình 1.17 Ứng dụng neo trong đất chống sạt lở và ổn định mái dốc [3]
Tháp Đập nước Nền đào
Nhược điểm của kết cấu này bao gồm sự thay đổi tải trọng neo, có thể dẫn đến hiện tượng lún hoặc nâng lên của kết cấu Bên cạnh đó, việc thi công chống thấm gặp khó khăn và ứng suất trong sàn có sự biến đổi lớn.
Các neo có tải trọng kéo xuống có thể ứng dụng để ổn định các đập bê tông
Để đáp ứng các quy định an toàn hiện hành, các đập cũ cần tăng cường độ ổn định với sự xem xét đến dòng chảy và động đất Ngoài ra, việc sử dụng neo trong đất cũng là một phương pháp hiệu quả để ổn định móng của các tháp cột điện cao thế.
Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ neo tại Việt Nam
1.3.1 Công tác nghiên cứu a) Tổ chức hội thảo, thực hiện đề tài nghiên cứu Ứng dụng công nghệ neo trong lĩnh vực xây dựng ở Việt Nam đang được các
Các Bộ, Ban, Ngành, Viện, các Nhà nghiên cứu, tổ chức và doanh nghiệp đang tập trung nghiên cứu vì những đặc tính ưu việt của lĩnh vực này.
Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Trường Đại học Xây dựng, Trường Đại học Kiến trúc và Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, cùng với các công ty trong nước như Công ty Cổ phần Địa kỹ thuật Việt Nam và Công ty Cổ phần Hạ tầng Him Lam, thường xuyên tổ chức các hội thảo lớn về xử lý nền đất yếu và ổn định mái dốc bằng công nghệ neo Những sự kiện này thu hút sự tham gia của các đối tác quốc tế có bề dày kinh nghiệm trong lĩnh vực ứng dụng công nghệ neo.
Công nghệ mới trong thi công tường chắn, neo trong đất, móng cọc, Hội thảo khoa học công nghệ trường Đại học kiến trúc Hà Nội, Hà Nội, T5/1999;
Công nghệ neo đất mới đã được áp dụng hiệu quả trong việc phòng chống sụt trượt đất, được trình bày tại Hội thảo khoa học công nghệ của Trường Đại học Xây dựng, Hà Nội vào tháng 12 năm 2009 Nhiều đề tài cấp bộ từ các nhà nghiên cứu cũng đã tạo ra nền tảng cho việc chuyển giao công nghệ và ứng dụng neo trong đất tại Việt Nam.
PGS.TS Doãn Minh Tâm và các cộng sự (2008) đã tiến hành nghiên cứu nhằm lựa chọn công nghệ và xác định các điều kiện áp dụng công nghệ mới trong việc phòng chống đất sụt trên các tuyến đường bộ Nghiên cứu này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả quản lý và bảo trì hạ tầng giao thông, góp phần giảm thiểu rủi ro từ hiện tượng đất sụt.
Việt Nam, Đề tài cấp Bộ trọng điểm năm 2006-2007, Viện KH&CN GTVT, Hà Nội
Các đề tài luận văn tiến sĩ và thạc sĩ liên quan đến công nghệ neo đất đang ngày càng gia tăng Đặc biệt, nổi bật là các luận văn của nghiên cứu sinh và học viên cao học tại trường Đại học Xây dựng, dưới sự hướng dẫn của GS.TS Vũ Đình Phụng.
PGS.TS Nguyễn Ngọc Bích và TS Bùi Phú Doanh đang hướng dẫn thực hiện nghiên cứu tại một số đơn vị khác, tập trung vào việc lựa chọn góc bố trí neo và các khoảng cách bố trí neo phù hợp bằng cách sử dụng các phần mềm hỗ trợ khác nhau Tuy nhiên, hiện tại vẫn chưa có nhiều đề tài nghiên cứu đánh giá phương pháp tính toán hoặc kiểm toán lại một số thiết kế neo.
Năm 2011, Việt Nam đã ban hành tiêu chuẩn quốc gia 22TCVN 8870:2011 về thi công và nghiệm thu neo trong đất, áp dụng cho các công trình giao thông vận tải Tiêu chuẩn này quy định các yêu cầu kỹ thuật và quy trình nghiệm thu nhằm đảm bảo chất lượng và an toàn cho các công trình.
Tháng 2 năm 2012, Chỉ dẫn kỹ thuật thiết kế và thi công neo đất (loại phun vữa xi măng) là sản phẩm của hợp đồng hợp tác giữa một bên là Trường Đại học xây dựng Việt Nam (NUCE) và một bên là Tập đoàn SE Nhật Bản (SEC) đã được chính thức công bố
Tuy nhiên, tính đến nay (tháng 12/2012), chúng ta vẫn chưa có tiêu chuẩn quốc gia, tiêu chuẩn ngành nào về thiết kế neo trong đất
1.3.2 Công tác ứng dụng thực tế Ở Việt Nam, neo đất bắt đầu được sử dụng trong thực tế xây dựng công trình khoảng gần 20 năm trở lại đây, từ năm 1994, do các nhà thầu nước ngoài thực hiện
+ Trong lĩnh vực Xây dựng dân dụng, thi công tầng hầm các tòa nhà:
-1994, Cao ốc Saigon Centre, 65 Lê Lợi, Quận 1, Tp Hồ Chí Minh;
-1996, Zenphaza (Southerm Fortune), 56 Nguyễn Trãi, Quận 1, Tp Hồ Chí Minh;
-1998, Tòa nhà Vietcombank, 184 Trần Quang Khải, Hà Nội Bởi Bachy
-2008, Tòa nhà Trung tâm điều hành và Thông tin viễn thông Điện Lực Việt Nam;
5/2008, Tòa tháp Keangnam Landmark Tower cao nhất Việt Nam, tại Lô 6 đường
Phạm Hùng, Tp Hà Nội (Neo Samwoo, Hàn Quốc);
+ Trong xây dựng các Công trình giao thông:
Năm 2002, Viện KH&CN GTVT tiếp nhận chuyển giao công nghệ neo
OVM từ Công ty Liễu Châu (Trung Quốc)
Năm 2003, Viện KH&CN GTVT phối hợp với Công ty Liễu Châu và Tổng
Công ty XDCT 4 đã hoàn thành thí điểm ứng dụng neo OVM nhằm tăng cường ổn định mái dốc trên đường Hồ Chí Minh, đặc biệt là đoạn qua khu vực đèo Đá Đẽo ở Quảng Bình Dự án này tuân thủ các tiêu chuẩn và quy phạm của Trung Quốc, cụ thể là GB50086-2001 và GB 50204-2002.
Năm 2009, Viện KH&CN GTVT tiếp tục phối hợp thành công với Công ty
Cổ phần XD Nam Tiến (Lào Cai) đã hoàn thành việc thí điểm sử dụng neo tăng cường nhằm ổn định mái dốc trên Quốc lộ 70, đoạn Bản Phiệt – cầu Hồ Kiều II, Lào Cai.
Km 194+410 đến Km 194+892 - sử dụng neo OVM 15, đã dùng 1632 thanh neo và
3080m cáp neo (kiểu phân tán kéo nén, mỗi neo có 6 tao cáp đường kính15,24 mm , chiều dài 30m, lực thiết kế 900kN, tiêu chuẩn và quy phạm Trung Quốc
- Neo là thiết bị có khả năng truyền tải trọng kéo vào các lớp đất chịu tải
Cấu tạo của neo trong đất bao gồm ba bộ phận chính: Đầu neo, Thân neo (đoạn dây neo không liên kết) và Bầu neo (đoạn dây neo có liên kết, được bọc vữa xi măng).
- Trên thế giới, neo được sử dụng lần đầu tiên vào đầu thế kỉ 19 ở đập
Chuerfas, Algeria là nơi khởi đầu cho việc sử dụng công nghệ neo bể chứa nước Từ đó, công nghệ neo đã phát triển mạnh mẽ và trở nên đa dạng hơn Tại Việt Nam, neo được ứng dụng lần đầu tiên trong việc kết hợp với tường vây để ổn định hố đào trong thi công tầng hầm của tòa tháp Sai Gon.
Kể từ năm 1994, neo đã trở thành một phần quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xây dựng công trình dân dụng, giao thông, đập và thủy điện Đặc biệt, trong lĩnh vực xây dựng công trình giao thông, neo OVM đã được ứng dụng hiệu quả để ổn định mái dốc tại hai dự án trên đường Hồ Chí.
Minh (đoạn Đèo Đá Đẽo, Quảng Bình, 2003) và trên Quốc lộ 70 (đoạn qua thành phố Lào Cai, 2009)
Hiện tại, Việt Nam đã có Tiêu chuẩn về Thi công và nghiệm thu neo đất, nhưng vẫn còn thiếu các tiêu chuẩn liên quan đến thiết kế.
LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN NEO TĂNG CƯỜNG ỔN ĐỊNH MÁI DỐC
Các phương pháp đánh giá sự ổn định mái dốc và nguyên lý neo
2.1.1 Phân loại hiện tượng phá hoại mái dốc ở Việt Nam
Mái dốc là khối đất có một mặt giới hạn là mặt dốc, có thể hình thành tự nhiên như sườn núi, bờ sông, bờ hồ, hoặc do tác động nhân tạo như taluy nền đường, đất đắp, đào hố móng, thân đập đắp và bờ đê.
Hình 2.1 Mặt cắt ngang điển hình của một mái dốc
Theo điều tra của Cục đường bộ và Viện Khoa học Công nghệ Giao thông vận tải, các dạng phá hoại như sụt trượt phụ thuộc vào đặc điểm địa hình, địa chất công trình, thủy văn, địa chất thủy văn và khí hậu Các loại phá hoại này có thể được phân chia thành bốn nhóm chính.
Trượt đất là hiện tượng di chuyển của khối đất đá, thường là đất đá dạng sét, theo một mặt trượt nhất định, có thể có hình dạng trụ tròn hoặc mặt trượt gãy khúc Hiện tượng này xảy ra trong các nền đường đào hoặc đắp có cấu trúc đồng nhất, và khối đất đá dịch chuyển được gọi là khối trượt Chiều dài của khối trượt có thể lên tới hàng trăm mét, trong khi thể tích có thể đạt hàng triệu mét khối hoặc hơn.
Hiện tượng trượt đất xảy ra khi toàn bộ khối đất trong lăng thể trượt di chuyển đồng thời, gây xáo trộn ít đến đất đá trong khối trượt Cây cối và công trình trên bề mặt khối trượt cũng bị nghiêng và di chuyển cùng với khối trượt Hậu quả để lại trên bề mặt là một vách trượt hoặc bậc trượt rõ rệt, kèm theo các vết nứt của vách trượt Tùy thuộc vào một số dấu hiệu khác, hiện tượng này có thể được phân loại và đánh giá mức độ nguy hiểm.
Tâm trượt cơ chế trượt mà còn các phụ hạng như: trượt cổ, trượt sâu, trượt nông, trượt tầng phủ, trượt theo mặt đá gốc, trượt dòng,
Hình 2.2 Trượt đất đẩy tường chắn
BTCT trên đường Hồ Chí Minh
Xói sụt đất trên đường Hồ Chí Minh đã gây ra nhiều thiệt hại cho hệ thống cống thoát nước, với các hình thức mặt trượt đa dạng như: mặt trượt cung tròn, mặt trượt phẳng, mặt trượt gãy khúc, và mặt trượt phẳng kết hợp với cung tròn Những hiện tượng này không chỉ ảnh hưởng đến kết cấu hạ tầng mà còn tác động đến an toàn giao thông và môi trường xung quanh.
Hình 2.4 Các hình dạng phá hoại của sụt trượt
Trượt sâu tuy hiếm khi xảy ra nhưng khi xảy ra có thể gây chấn động lớn, làm rung chuyển cả một vùng và để lại hậu quả nghiêm trọng Nó có thể dẫn đến đổ vỡ, thiệt hại về người và tài sản, cũng như phá hủy cơ sở hạ tầng như nhà ở và giao thông Hậu quả có thể nghiêm trọng đến mức mất đi một nửa quả núi và làm xê dịch một đoạn đường dài hàng trăm mét, như trường hợp trượt tại Km 112.
Km 119 trên QL4D (Lào Cai-Sa Pa), Km 27 trên QL37 (Thị xã Yên Bái), Km 39 trên QL6 (Sơn La)
Hiện tượng trượt là một trong những dạng phá hoại mái dốc phổ biến nhất hiện nay Các hình dạng phá hoại của sụt trượt mái dốc trên Hình 2.6 [5]:
Xói sụt là hiện tượng biến dạng cục bộ của mái taluy do dòng chảy mưa rào từ lưu vực trên hoặc dòng chảy ngầm Hiện tượng này bắt đầu với việc xói đất, nơi đất bong tróc ở đỉnh taluy và sau đó phát triển xuống dưới theo dòng chảy, tỷ lệ thuận với lưu tốc dòng chảy Quá trình xói thường diễn ra chậm, có thể kéo dài từ hàng giờ đến hàng tuần, với khối lượng xói phụ thuộc vào độ phong hóa của đất đá, độ dốc mái taluy và lượng nước ngầm, nước mặt Cuối cùng, hiện tượng này để lại trên bề mặt taluy những rãnh xói, mương xói hoặc hang hốc, và các đống chất đống ở chân dốc sẽ lấp mặt đường và sông suối.
Hiện tượng dòng bùn đá chảy từ vách núi hoặc khe tụ thủy gây ra xói mòn, làm gián đoạn giao thông và phá hoại cơ sở hạ tầng kỹ thuật của đường và khu dân cư.
Sụt lở đất đá là giai đoạn cuối của hiện tượng xói sụt, thường khó phát hiện các dấu hiệu rõ ràng như vách sụt hay mặt trượt Sản phẩm của sụt lở thường dịch chuyển xuống chân taluy hoặc mái dốc, kèm theo cây cối bị đổ ngổn ngang Hiện tượng này diễn ra nhanh chóng, gây biến dạng và nứt rạn cho khối đất xung quanh, ảnh hưởng đến độ ổn định của các khối đất lân cận Sụt lở đất có thể đạt khối lượng lớn và là hiện tượng phổ biến trên các tuyến đường miền núi ở Việt Nam.
Hình 2.5 Lở đất trên taluy Quốc lộ 6 Hình 2.6 Đá lở trên Quốc lộ 37
2.1.1.4 Đá lở - Đá lăn Đây là hiện tượng đá lở và lăn xuống từng khối, từng mảnh từ đỉnh taluy hoặc đỉnh mái dốc xuống phía dưới, nơi có đường giao thông, nhà ở (Hình 2.6.)
Mức độ đá đổ phụ thuộc vào độ dốc địa hình, mái dốc và tính chất của đất đá, với tốc độ và quỹ đạo khác nhau Hiện tượng này thường xảy ra trong mùa mưa, nhưng cũng có thể xuất hiện khi thời tiết nắng ráo Dù khối lượng đất đá không lớn, nhưng nó có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng, như phá hủy đường xá, ngắt mạch giao thông, sập nhà cửa và thậm chí gây chết người.
2.1.2 Nguyên nhân gây sụt trượt trên các đoạn nền đào sâu và đắp cao
* Điều kiện địa chất, địa chất công trình
Trong thực tế, có nhiều trường hợp các yếu tố hình học giống nhau, nhưng lại xuất hiện các loại đá khác nhau như đá phiến sét màu đen, đá phiến Xêrixit, sét kết màu nâu và gan trâu, điển hình là tại đèo Ma Thi Hồ.
Tại Phong Thổ - Lai Châu, đặc biệt ở đèo PêKe trên đường Hồ Chí Minh, hiện tượng sụt lún diễn ra nghiêm trọng do lớp đất phong hóa dày với thành phần chủ yếu là đá dăm sắc cạnh và đất sét Mưa nhiều làm cho tầng phong hóa ngày càng dày, khiến đất đá vốn đã rời rạc trở nên dễ sụt lún hơn do độ ẩm cao và lực kháng cắt giảm Điều này tạo ra điều kiện thuận lợi cho việc phát sinh sụt mạnh trong khu vực.
* Điều kiện địa hình, địa mạo
Nếu bề mặt có mức độ phân cắt mạnh với nhiều khe xói sâu và gồ ghề, cùng với địa hình dốc lớn, thì số lượng và khối lượng sụt trượt sẽ tăng lên tương ứng với các điều kiện này.
* Điều kiện khí hậu, nguồn nước
Nghiên cứu cho thấy có mối quan hệ chặt chẽ giữa lượng mưa và sự phân bố sụt lún Trong điều kiện khí hậu ẩm ướt, nước mặt và nước mưa kết hợp với độ dốc địa hình tạo ra dòng chảy mạnh, gây xói mòn và phá hủy đất đá xung quanh Điều này dẫn đến sự mất ổn định của khối núi phía trên Nước ngầm làm tăng trọng lượng thể tích của đất đá, giảm lực kháng cắt và tăng áp lực thủy động, từ đó gây ra hiện tượng xói ngầm và mất cân bằng, dẫn đến sự di chuyển của khối đất đá trên mái taluy.
* Thiếu sót do thiết kế
XEM XÉT GIẢI PHÁP THIẾT KẾ NEO ỔN ĐỊNH MÁI DỐC TRÊN ĐOẠN BẢN PHIỆT – CẦU HỒ KIỀU II, QL 70, (TỈNH LÀO CAI)
Mô tả hiện trường
3.1.1 Vị trí địa lý và đặc điểm địa hình Đoạn xử lý sụt trượt trải dài từ Km194+379.00 đến Km194+855.04 của QL
70 thuộc Dự án cải tạo nâng cấp QL70, đoạn Bản Phiệt – cầu Hồ Kiều II, tỉnh Lào
Cai Đây là tuyến quốc lộ, vừa là tuyến hành lang, vành đai biên giới của tỉnh Lào
Cai là tuyến đường huyết mạch quan trọng, phục vụ cho giao lưu kinh tế xã hội, thương mại và an ninh quốc phòng của tỉnh, kết nối với các tỉnh biên giới Tây Bắc như Lai.
Châu, Yên Bái, Tuyên Quang và Hà Giang (Hình 3.1.)
Khu vực khảo sát có địa hình núi cao với sườn dốc, xuất hiện nhiều vết nứt và hiện tượng sạt lở Rừng đã bị đốt để phục vụ cho việc làm nương rẫy, dẫn đến tình trạng xói mòn mạnh ở tầng phủ.
Hình 3.1 Bản đồ địa hình vị trí tuyến Quốc lộ 70
3.1.2 Hiện trường điểm sụt trượt
Khi chưa cải tạo nâng cấp mở rộng đường cũ, chiều cao mái dốc thấp và thoải, được bảo vệ bằng thảm thực vật, mái dốc ổn định
Sau khi cải tạo nâng cấp mở rộng đường cũ thì taluy dương đoạn
Khu vực từ Km194+379.00 đến Km194+855.04 chủ yếu được cấu tạo từ đất và đá phong hóa mạnh, đã xảy ra hiện tượng sụt lún Trên mái taluy, nhiều vách sụt cao từ 10 đến 30m xuất hiện, với đất đá trong khu vực trượt bở rời và ngấm nước mạnh Bề mặt có nhiều rãnh xói, và hiện tượng trượt xô đẩy đã làm đổ vỡ hệ thống thoát nước bằng bê tông cốt thép Nếu không có biện pháp xử lý kịp thời, nguy cơ sụt trượt lớn trong thời gian ngắn sẽ gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho nền mặt đường.
Hình 3.2 Bình đồ khu vực sụt trượt trước khi xử lý
3.2 Mô tả địa chất khu vực sụt trượt
Tổng hợp kết quả khoan khảo sát và thí nghiệm trong giai đoạn lập dự án đầu tư và thiết kế kỹ thuật, kết hợp với kết quả khảo sát toàn bộ đoạn tuyến.
Bản Phiệt đến cầu Hồ Kiều II, tại điểm sụt Km194+379 - Km194+855 các lớp đất đá được phân chia từ trên xuống dưới như sau [4]:
* Lớp 1 – Tầng phủ chủ yếu là đất, được chia làm 2 phụ lớp sau: a) Phụ lớp 1a - Sét pha màu nâu vàng lẫn dăm sạn, trạng thái dẻo cứng
Gặp ở hầu hết các lỗ khoan (LK) khảo sát (trừ LK43), có bề dày từ
2.012.5m, gặp chủ yếu trên triền núi, tại phạm vi nền đường phụ lớp này đã bị bóc
GIỚI HẠN KHU VỰC SỤT TRƯỢT bỏ, bề dày thay đổi tuỳ theo địa hình, nguồn gốc chủ yếu là sườn tích và ít tàn tích
Chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của Phụ lớp 1a được trình bày trong Bảng 3, Phụ lục 2
(Nguồn: Viện chuyên ngành đường bộ & sân bay, Viện KH&CNGTVT –ITST)
Hình 3.3 Mặt cắt địa chất tại cọc TC1 - Km: 194 + 457.35 b) Phụ lớp 1b - Sét pha màu xám, lẫn dăm, trạng thái dẻo cứng
Tại hầu hết các lỗ khoan, lớp đất có bề dày từ 8.0 đến 9.5m, với độ dày thay đổi tùy theo địa hình và tăng dần ở các lớp dưới Nguồn gốc chủ yếu của lớp đất này là tàn tích Các chỉ tiêu cơ lý đặc trưng trung bình của phụ lớp 1b được trình bày chi tiết trong Bảng 4, Phụ lục 2.
Lớp 2 – Đá phiến kết tinh có thể được phân chia thành các phụ lớp dựa trên mức độ phong hoá khác nhau Trong đó, phụ lớp 2a bao gồm đá phiến kết tinh phong hoá mạnh, xen kẹp với sét pha màu nâu vàng và nâu xám, lẫn dăm sạn, có trạng thái nửa cứng và rời rạc.
Tại một số lỗ khoan, lớp đất đá có bề dày từ 1.50 đến 8.1 m, đặc biệt ở LK 4-1 tại độ sâu 10.0 m, đáy phụ lớp này bị nứt nẻ mạnh Trong quá trình khoan, đã phải sử dụng Xi măng PCB 30 Hoàng Thạch để trám đáy lỗ nhằm khắc phục tình trạng mất nước hoàn toàn Các chỉ tiêu cơ lý đặc trưng trung bình của lớp đất và đá xen kẹp được trình bày trong Bảng 5 và Bảng 6, Phụ lục 2 Phụ lớp 2b là đá phiến kết tinh màu xám trắng, xám nâu, nâu vàng, có nhiều dăm sạn và phong hoá mạnh, nứt nẻ.
Gặp ở hầu hết các lỗ khoan trên mái dốc và dưới lề đường, có bề dày từ
3.3÷14.3 m Chỉ tiêu cơ lý đặc trưng trung bình của phụ lớp 2b trình bày trong
Bảng 7, Phụ lục 2 c) Phụ lớp 2c: đá phiến kết tinh, Gơnai màu xám, phong hoá nhẹ, ít nứt nẻ
Phụ lớp 2c được phát hiện tại các lỗ khoan trên taluy và lề đường, với bề dày chưa được xác định do các lỗ khoan chưa kết thúc trong lớp này Các chỉ tiêu cơ lý đặc trưng trung bình của phụ lớp 2c được trình bày chi tiết trong Bảng 8, Phụ lục 2.
3.3 Sơ bộ đánh giá nguyên nhân sụt trượt
Hiện tượng sụt trượt xảy ra khi có sự kết hợp giữa các điều kiện cần và đủ Điều kiện cần bao gồm các yếu tố nội tại như địa hình, địa chất và địa chất thủy văn Trong khi đó, điều kiện đủ liên quan đến các tác động bên ngoài như hoạt động của con người và biến đổi khí hậu.
Hình 3.4 Sơ đồ lý thuyết nguyên nhân xảy ra hiện tượng sụt trượt Đối với trường hợp cụ thể, điểm sụt trượt nghiên cứu thuộc đoạn
Km194+379 ‐ Km194 + 855.04, QL 70, nhận thấy có các yếu tố ảnh hưởng và nguyên nhân như sau:
Điều kiện địa hình tại khu vực này có nhiều hõm núi lớn và độ dốc cao, với độ dốc trung bình từ 32 đến 37% và chiều cao mái dốc đạt từ 80 đến 100m Những yếu tố này tạo ra dòng chảy động năng lớn, dẫn đến tình trạng xói lở bề mặt nghiêm trọng.
Nước ngầm có ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ lý của lớp địa chất mà nó tiếp xúc, đặc biệt là làm giảm góc nội ma sát và lực dính, từ đó làm giảm sức kháng cắt của đất đá Điều này tạo ra điều kiện thuận lợi cho hiện tượng sụt trượt xảy ra.
Trong quá trình khảo sát, không ghi nhận sự xuất hiện của mực nước ngầm, do đó, mặc dù mực nước ngầm là yếu tố nguy hiểm, nhưng không phải là nguyên nhân gây sụt trượt cho mái dốc.
Khu vực khảo sát nằm trong đứt gãy sông Hồng, một đứt gãy kiến tạo lớn, nơi có hoạt động kiến tạo và biến chất diễn ra mạnh mẽ Điều này dẫn đến sự hình thành lớp phong hóa dày, rời rạc và tơi xốp Địa chất tại đây có cấu trúc phân tầng rõ rệt, với lớp đất phủ tơi xốp nằm trên bề mặt đá gốc dốc và phong hóa nhẹ Khi có mưa, các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất phủ giảm nhanh, kết hợp với địa hình dốc cao, tạo điều kiện thuận lợi cho lớp đất phủ trượt trên bề mặt đá gốc, gây ra hiện tượng sụt trượt đất.
-Tác động của con người: Khi thi công nâng cấp mở rộng tuyến đường QL70
Mặt đường đã được mở rộng từ 3,5m lên 18m, dẫn đến việc sườn dốc bị đào bạt thêm, tạo ra các taluy dương với độ dốc lớn hơn Việc loại bỏ khối chân tỳ làm tăng nguy cơ sụt trượt trong khu vực này.
-Tác động của mưa: Khu vực sụt trượt có lưu vực tụ thủy lớn
Khi có mưa với lượng mưa trung bình 170mm trong 30 phút, diện tích S2300.15m² sẽ tạo ra dòng chảy gây xói lở bề mặt mái dốc Một phần nước sẽ thấm vào tầng phủ, dẫn đến hiện tượng giảm yếu chỉ tiêu cơ lý của đá Đá và đất trở nên rời rạc và tơi xốp hơn, làm tăng nguy cơ mất ổn định.
Sơ bộ đánh giá nguyên nhân sụt trượt
Hiện tượng sụt trượt xảy ra khi có đủ điều kiện cần và đủ Điều kiện cần bao gồm các yếu tố nội tại như địa hình, địa chất và địa chất thủy văn, trong khi điều kiện đủ liên quan đến các tác động bên ngoài như hoạt động của con người và khí hậu.
Hình 3.4 Sơ đồ lý thuyết nguyên nhân xảy ra hiện tượng sụt trượt Đối với trường hợp cụ thể, điểm sụt trượt nghiên cứu thuộc đoạn
Km194+379 ‐ Km194 + 855.04, QL 70, nhận thấy có các yếu tố ảnh hưởng và nguyên nhân như sau:
Điều kiện địa hình tại khu vực này đặc trưng bởi nhiều hõm núi lớn và độ dốc cao, với độ dốc trung bình từ 32 đến 37% và chiều cao mái dốc từ 80 đến 100m Những yếu tố này tạo ra dòng chảy động năng lớn, dẫn đến tình trạng xói lở bề mặt nghiêm trọng.
Nước ngầm có ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ lý của lớp địa chất, cụ thể là làm giảm góc nội ma sát và lực dính, dẫn đến sự giảm sức kháng cắt của đất đá Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho hiện tượng sụt trượt xảy ra.
Trong quá trình khảo sát, không phát hiện sự xuất hiện của mực nước ngầm, do đó, mặc dù đây là yếu tố nguy hiểm, nhưng không phải là nguyên nhân gây ra hiện tượng sụt trượt cho mái dốc.
Khu vực khảo sát nằm trong đứt gãy sông Hồng, một đứt gãy kiến tạo lớn, nơi diễn ra các hoạt động kiến tạo và biến chất, dẫn đến sự hình thành lớp phong hóa dày và tơi xốp Địa chất có cấu trúc phân tầng rõ rệt, với lớp đất phủ tơi xốp nằm trên bề mặt lớp đá gốc dốc và phong hóa nhẹ Khi có mưa, các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất phủ giảm nhanh, kết hợp với địa hình dốc cao, tạo điều kiện thuận lợi cho lớp đất phủ trượt trên bề mặt lớp đá gốc, gây ra sụt trượt đất.
-Tác động của con người: Khi thi công nâng cấp mở rộng tuyến đường QL70
Mặt đường đã được mở rộng từ 3,5m lên 18m, dẫn đến việc sườn dốc bị đào bạt thêm và tạo ra các taluy dương với độ dốc lớn hơn Sự loại bỏ khối chân tỳ cũng làm tăng nguy cơ sụt trượt, gây ra những vấn đề an toàn nghiêm trọng.
-Tác động của mưa: Khu vực sụt trượt có lưu vực tụ thủy lớn
Khi có mưa với lượng mưa trung bình 170mm trong 30 phút, diện tích S2300.15m² sẽ tạo ra dòng chảy làm xói lở bề mặt mái dốc Một phần nước sẽ thấm vào tầng phủ, dẫn đến sự giảm sút chỉ tiêu cơ lý của đất đá Điều này làm cho đất đá trở nên rời rạc và tơi xốp hơn, dễ gây mất ổn định.
Trong quá trình khảo sát, không ghi nhận sự xuất hiện của động đất, do đó không thể đánh giá vai trò của nó như một nguyên nhân trong trường hợp này.
Kết luận nguyên nhân sụt trượt
Mái dốc cao với cấu trúc địa chất bất lợi, cùng với khu vực có lượng mưa lớn, đã tạo ra những rủi ro về ổn định Việc thi công mở rộng đường đã làm phá vỡ thế ổn định ban đầu, khi lớp phủ bị bóc bỏ, tạo điều kiện cho nước mưa thấm vào các lớp đất đá Điều này dẫn đến sự giảm yếu của các chỉ tiêu cơ lý và hình thành mái taluy có độ dốc lớn, gây mất ổn định và dẫn đến hiện tượng sụt trượt theo bề mặt lớp đá gốc.
Thời điểm khảo sát diễn ra sau hiện tượng sụt trượt do thi công mở rộng đường, khi taluy dương đã ổn định và vách sụt lan đến đỉnh phân thủy Sản phẩm sụt vẫn còn tồn đọng trên mái dốc, do đó, việc nghiên cứu và thiết kế ổn định mái dốc tại thời điểm này là rất cần thiết.
Kiểm toán ổn định mái dốc
3.4.1 Các trường hợp kiểm toán ổn định
Kiểm toán ổn định mái dốc thường được thực hiện trong ba trường hợp cụ thể để phân tích nguyên nhân và đề xuất phương án xử lý hiệu quả.
Kiểm toán ổn định trong điều kiện địa hình sườn đồi được thực hiện khi địa hình ở trạng thái và hình dạng tự nhiên ban đầu, tức là chưa có sự can thiệp của đường xá Các chỉ tiêu cơ lý của khu vực này sẽ có sự thay đổi rõ rệt giữa mùa khô và mùa mưa.
Trong trường hợp kiểm toán ổn định mái dốc tại địa hình sườn đồi, cần chú ý đến những thay đổi về trạng thái và hình dạng của mái dốc, khi mà nó đã mất đi trạng thái tự nhiên ban đầu Việc xây dựng đường với cấp hạng kỹ thuật thấp và bề rộng mặt đường nhỏ đã tạo ra mái dốc nền đường, dẫn đến sự thay đổi các chỉ tiêu cơ lý trong mùa khô và mùa mưa.
Trong trường hợp kiểm toán ổn định mái dốc sau khi nâng cấp và cải tạo đường, cần chú ý đến việc đường được nâng cấp lên cấp hạng kỹ thuật cao hơn và mặt đường được mở rộng Sự san bạt mái dốc nền đường tạo ra các taluy cao và dốc lớn, dẫn đến sự thay đổi về các chỉ tiêu cơ lý trong mùa mưa và mùa khô.
Nếu mái dốc mất ổn định và phải sử dụng các biện pháp xử lý thì sau khi xử lý gia cố cần kiểm toán thêm một trường hợp:
Kiểm toán sự ổn định mái dốc là cần thiết sau khi thực hiện các biện pháp xử lý, nhằm đánh giá hiệu quả của những biện pháp này trong bối cảnh các chỉ tiêu cơ lý thay đổi giữa mùa mưa và mùa khô.
3.4.2 Lập sơ đồ tính toán
3.4.2.1 Lựa chọn mặt cắt tính toán
Mặt cắt nguy hiểm nhất được chọn dựa trên các đặc điểm địa hình, địa mạo, địa chất và địa chất thủy văn đã khảo sát Qua việc lập các mặt cắt địa chất chi tiết, mặt cắt TC1 (MC TC1) với bề dày lớp đất phủ dày nhất đã được xác định để tính toán và thiết kế ổn định, có lý trình tại Km: 194 + 457.35 Bề dày mặt cắt tính toán được chọn là 5m.
Trong quá trình chuyển giao giữa mùa khô và mùa mưa, tính chất cơ lý của đất đá có sự thay đổi đáng kể Ở mùa khô, các lớp địa chất thường ở trạng thái tự nhiên, trong khi mùa mưa, tính chất cơ lý của một số lớp địa chất bị suy giảm, đặc biệt là sức chống cắt và góc nội ma sát Để đảm bảo an toàn, trong mùa mưa, cần sử dụng các đặc trưng cơ lý của đất đá trong trạng thái bất lợi nhất, tức là trạng thái bão hòa, để thiết kế ổn định Các thông số tính toán chi tiết được trình bày trong các bảng dưới đây.
Bảng 3.1 Đặc trưng các lớp địa chất trong mùa khô
Dung trọng tự nhiên Lực dính kết tự nhiên
Góc ma sát trong tự nhiên
w (g/cm 3 ) Cw (KG/cm 2 ) w (độ)
Bảng 3.2 Đặc trưng các lớp địa chất trong mùa mưa
Tên lớp Dung trọng bão hòa Lực dính kết bão hòa
Góc ma sát trong bão hòa
bh (g/cm 3 ) Cbh (KG/cm 2 ) bh (độ)
(*): Lớp đất đá bị giảm chỉ tiêu cơ lý
3.4.3.1 Hệ số ổn định mái dốc khi chưa làm đường
Trước khi có tuyến đường QL70, địa hình khu vực vẫn giữ nguyên trạng thái tự nhiên với sườn dốc thoải và nhiều cây cối, thảm thực vật phong phú Mái dốc ở đây ổn định trong suốt cả mùa khô và mùa mưa, với chỉ số đánh giá Kmùa khô và Kmùa mưa đều lớn hơn 1.35.
3.4.3.2 Hệ số ổn định mái dốc sau khi làm đường (nhưng chưa mở rộng)
Vào thập niên 1970, tuyến đường được mở với quy mô cấp hạng thấp, tiêu chuẩn đường cấp 5, bề mặt nền đường rộng 6.5m và mặt đường 3.5m Quá trình thi công có thực hiện san bạt nhưng không đáng kể, do đó hình dạng tự nhiên của mái dốc không bị thay đổi nhiều và tiếp tục ổn định Đánh giá cho thấy Kmùa khô > 1.35 và Kmùa mưa > 1.35.
3.4.3.3 Kiểm toán ổn định mái dốc sau khi nâng cấp đường (sau khi mở rộng)
Sau khi nâng cấp tuyến đường từ tiêu chuẩn cấp 5 lên tiêu chuẩn quốc lộ vào năm 2003, bề rộng mặt đường đã được mở rộng từ 3.5m lên 18m với 4 làn xe Trong quá trình thi công, việc đào bạt sườn dốc đã tạo ra mái taluy có độ dốc lớn, và việc loại bỏ chân taluy đã dẫn đến hiện tượng sụt lún vào tháng 5/2004 Tại thời điểm khảo sát vào tháng 6/2004, sản phẩm sụt lún vẫn tồn đọng trên mái dốc, gây ra nguy cơ trượt cao, do đó cần thiết phải đánh giá sự ổn định và thực hiện các biện pháp xử lý kịp thời cho mái dốc này.
Sử dụng phương pháp phân tích ổn định mái dốc là phương pháp phân mảnh
Bishop để tính toán hệ số ổn định Các bước tính toán như sau:
Giả thiết mặt trượt: Giả sử mái dốc trượt theo mặt trượt 1 – là cung tròn tâm
O1, bán kính 113.55m, rộng 90m, đi qua chân taluy như trong Hình 3.5.;
Hệ số ổn định mái dốc được tính toán theo phương pháp phân mảnh Bishop Trong ví dụ tính toán, cung trượt rộng 90m được chia thành 6 mảnh, mỗi mảnh có chiều rộng 15m.
Hình 3.5 Sơ đồ phân mảnh khối trượt
Để xác định các thông số tính toán cho từng mảnh, cần xác định tải trọng mảnh (gi), chiều dài đáy mảnh (li), góc tạo bởi cạnh đáy mảnh và phương ngang (αi), góc nội ma sát của lớp đất mà đáy mảnh i đi qua (φi), cùng với lực dính của lớp đất đó (ci).
Tính mômen giữ và trượt gây ra bởi tải trọng mảnh theo các công thức:
Mômen giữ: Mgiu i = (g os tg i c i i + c l ).R i i 1 (3.1)
Tính tổng mômen giữ, tổng mômen gây trượt của cả khối đất trượt bằng tổng các mômen tương ứng của các phân mảnh
Kết quả được trình bày trong Bảng 3.3
Bảng 3.3 Tính HSOD mái dốc trong mùa khô đối với cung trượt 1(O1, R1)
Thông số tính toán M giữ M trượt gi
Mỗi giá trị (, , C) tương ứng với mùa khô hoặc mưa sẽ tạo ra một tập hợp các mặt trượt khác nhau Qua việc thử nghiệm các mặt trượt, chúng ta có thể xác định mặt trượt có hệ số ổn định thấp nhất, được coi là mặt trượt nguy hiểm nhất và có khả năng xảy ra cao nhất, phản ánh sự ổn định của mái dốc.
Công việc xác định mặt trượt nguy hiểm nhất được thực hiện thông qua phương pháp tính toán thử dần, với sự hỗ trợ của phần mềm STAB 95 từ Viện Nghiên Cứu Khoa Học Thủy Điện Thủy Lợi.
STAB 95 là một chương trình tính toán ổn định mái dốc đơn giản và phổ biến, tương tự như Geo-Slope W và Slide Phần mềm này áp dụng phương pháp cân bằng giới hạn theo phương pháp phân mảnh Bishop để xác định hệ số an toàn nhỏ nhất và xác định mặt trượt giới hạn tương ứng.
Kết quả tính HSOD mái dốc khi chưa xử lý, trong mùa khô tại MC TC1:
Hình 3.6 Hình ảnh kết quả tính toán trên giao diện phần mềm STAB 95
Kết quả tính HSOD mái dốc khi chưa xử lý, trong mùa mưa tại MC TC1:
Hình 3.7 Hình ảnh kết quả tính toán trên giao diện phần mềm STAB 95
Tổng hợp kết quả tính toán HSOD mái dốc trong các trường hợp và HSOD phải đạt được (đối với trường hợp 4) được trình bảy trong Bảng 3.4
Mặt trượt nguy hiểm nhất được hiển thị trên giao diện tính toán của phần mềm cùng với hệ số ổn định tương ứng
Bảng 3.4 Tổng hợp kết quả tính HSOD mái dốc trong các trường hợp
Trường hợp Mô tả Hệ số ổn định K
1 Khi chưa xây dựng tuyến đường > 1.35 > 1.35 1.35 Ổn định
2 Sau khi xây dựng tuyến đường > 1.35 > 1.35 1.35 Ổn định
3 Sau khi nâng cấp - mở rộng 1.065 0.920 1.35 Không ổn định
Phương án thiết kế neo tăng cường ổn định mái dốc
ĐỀ XUẤT, SO SÁNH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ NEO ỔN ĐỊNH MÁI DỐC
TRÊN ĐOẠN BẢN PHIỆT – CẦU HỒ KIỀU II, QL 70 CỦA TÁC GIẢ VỚI
PHƯƠNG ÁN ĐÃ THIẾT KẾ CỦA NHÀ THẦU
4.1 Đánh giá phương án thiết kế của nhà thầu
Năm 2009, Viện KHCN>VT phối hợp với Công ty cổ phần xây dựng
Nam Tiến (Lào Cai) đã hoàn thành thiết kế và thi công Gói thầu số 2, tập trung vào việc kiên cố hóa nền đường bằng công nghệ neo OVM Dự án này nằm trong kế hoạch nâng cấp, cải tạo quốc lộ 70, kéo dài từ đoạn Bản Phiệt đến cầu Hồ Kiều II, tỉnh Lào Cai, với chiều dài từ Km 194+410 đến Km 194+892.
Theo phương án thiết kế, mái dốc nền đường được tăng cường ổn định bằng
Neo DUL 124 là loại neo phân tán kéo nén, mã hiệu OVM 15 MS 6, được sản xuất tại Trung Quốc Với chiều dài 30m và chiều dài bầu neo 7m, sản phẩm này có sức chịu tải lên đến 90T Các yếu tố đặc trưng của neo được trình bày chi tiết trong Bảng 3.10.
Bố trí neo trên thực tế tại mặt cắt tính toán TC1 – Lý trình Km: 194 + 457.35 như trong Hình 4.1 ( Chi tiết xem Hồ sơ hoàn công [4])
Hình 4.1 Bố trí neo tại mặt cắt TC1- Km: 194 + 457.35
ĐỀ XUẤT, SO SÁNH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ NEO ỔN ĐỊNH MÁI DỐC TRÊN ĐOẠN BẢN PHIỆT – CẦU HỒ KIỀU II, QL 70 CỦA TÁC GIẢ VỚI PHƯƠNG ÁN ĐÃ THIẾT KẾ CỦA NHÀ THẦU
Đánh giá phương án thiết kế của nhà thầu
Năm 2009, Viện KHCN>VT phối hợp với Công ty cổ phần xây dựng
Nam Tiến (Lào Cai) đã hoàn thành thiết kế và thi công Gói thầu số 2, tập trung vào việc kiên cố hóa nền đường bằng công nghệ neo OVM Dự án này nằm trong kế hoạch nâng cấp và cải tạo quốc lộ 70, cụ thể là đoạn từ Km 194+410 đến Km 194+892, thuộc khu vực Bản Phiệt – cầu Hồ Kiều II, tỉnh Lào Cai.
Theo phương án thiết kế, mái dốc nền đường được tăng cường ổn định bằng
Neo DUL 124 được thiết kế đồng nhất về chủng loại và các yếu tố đặc trưng, bao gồm neo phân tán kéo nén, loại OVM 15 mã hiệu MS 6 từ Trung Quốc Chiều dài của neo là 30m, với chiều dài bầu neo là 7m và sức chịu tải lên đến 90T Thông tin chi tiết về các yếu tố của neo có thể tham khảo trong Bảng 3.10.
Bố trí neo trên thực tế tại mặt cắt tính toán TC1 – Lý trình Km: 194 + 457.35 như trong Hình 4.1 ( Chi tiết xem Hồ sơ hoàn công [4])
Hình 4.1 Bố trí neo tại mặt cắt TC1- Km: 194 + 457.35 Ưu điểm:
Việc lựa chọn cùng một loại neo cho toàn bộ công trình có những ưu điểm sau:
- Thi công thuận tiện, mỗi neo có thể bố trí được tại tất cả các vị trí mà không bị nhầm lẫn;
Công tác gia công và chế tạo diễn ra thuận lợi và nhanh chóng nhờ vào khả năng sản xuất hàng loạt với các thành phần cấu kiện đồng nhất Điều này giúp tiết kiệm nhân công và giảm chi phí sản xuất hiệu quả.
Việc bố trí neo với cùng một sức chịu tải là không hợp lý do điều kiện làm việc thực tế của các neo khác nhau Sự mất ổn định cục bộ có thể xảy ra, như neo bị nhổ hoặc đứt cáp, dẫn đến phân bố lại tải trọng và ảnh hưởng đến điều kiện làm việc chung của hệ neo Điều này có thể gây mất ổn định cho mái dốc, điều này đã được xác nhận qua một số phát hiện gần đây tại công trình, như xuất hiện sụt đất và nhiều vết nứt tại vị trí tiếp xúc giữa bịt đầu neo với dầm BTCT ở một số hàng neo Do đó, cần xem xét lại thiết kế đã thực hiện.
Tác giả phân tích điều kiện làm việc thực tế của neo nhằm đánh giá phương án thiết kế hiện tại, đồng thời đề xuất một phương án thiết kế mới của riêng mình.
Phân tích, đánh giá điều kiện làm việc thực tế của neo
4.1.1 Xác định biểu đồ phân bố mômen giữ và mômen gây trượt khối đất
Dựa trên lý thuyết phân tích ổn định mái dốc bằng phương pháp lập biểu đồ hình con cá của cố GS Hồ, bài viết này trình bày cách xác định sự phân bố mômen lực giữ và mômen lực gây trượt dọc theo chiều dài cung trượt Qua đó, chúng ta có thể xác định các mômen làm việc thực tế của các neo Quy trình xác định biểu đồ hình con cá được thực hiện theo các bước cụ thể.
- Phân khối đất trượt thành các phân mảnh theo hình dạng và tại các vị trí bố trí neo (Hình 4.2a.);
Để xác định các thông số mảnh, cần phải tính toán và xác định tải trọng mảnh gi, chiều dài đáy mảnh li, góc tạo bởi cạnh đáy mảnh và phương ngang αi, góc nội ma sát của lớp đất mà đáy mảnh đi qua φi và lực dính của lớp đất mà đáy mảnh đi qua ci.
- Xác định các thành phần mômen giữ và mômen gây trượt khối đất của các phân mảnh: Mgiữ i , Mtrượt i;
- Trên hệ tọa độ x0y, biểu đồ cần xác định là tổ hợp các điểm có tọa độ:
(xi, yi = ΔMi = Mgiữ i - Mtrượt i )
Chi tiết tính toán được thể hiện trong Bảng 4.1
4.2.2 Xác định tải trọng làm việc thực tế của neo
Dựa vào biểu đồ phân bố mômen (Hình 4.2b), chúng ta có thể xác định các mômen làm việc của neo, từ đó tính toán được tải trọng làm việc thực tế của neo Thông tin chi tiết được trình bày trong Bảng 4.2.
Bảng 4.1 Tính toán mômen giữ và mômen gây trượt khối đất
Thông số tính toán M giữ M trượt ΔM=Mg-Mt gi
Hình 4.2 Sơ đồ phân tích ổn định mái dốc, biểu đồ phân bố mômen và tải trọng làm việc thực tế của các neo tại MC TC1
Bảng 4.2 Tính toán tải trọng làm việc thực tế của các neo tại MC TC1
Mômen làm việc Cánh tay đòn Tải trọng làm việc Tải trọng làm việc
So sánh điều kiện làm việc thực tế với sức chịu tải giới hạn của neo trong Bảng 4.3 dưới đây:
Bảng 4.3 So sánh tải trọng làm việc thực tế với sức chịu tải giới hạn của neo
Tải trọng làm việc thực tế (Tấn) Sức chịu tải gh
(Tấn) Sức làm việc của neo Đánh giá
4.3 Phương án thiết kế của tác giả
Dựa trên công thức xác định sức chịu tải của neo (GB50086-2001):
K1: Trị số an toàn đoạn neo cố, lấy theo GB50086-2001, K1 = 1.5;
KL: Hệ số lợi dụng lực dính kết giữa xi măng và đất, GB50086-2001
C: Cường độ ma sát giữa xi măng và đất đá, kN/m 2 , GB50086-2001,
L1: Chiều dài đoạn neo cố (bầu neo), m; dA: Đường kính neo, m
Tác giả đưa ra một số phương án:
- PA1: Thay đổi đường kính neo (đường kính lỗ khoan) dA;
- PA2: Thay đổi chiều dài bầu neo L1
Việc thi công với đường kính lỗ khoan đồng nhất mang lại nhiều thuận lợi, giúp tiết kiệm số lượng máy móc và nhân công do không cần sử dụng nhiều loại mũi khoan khác nhau Đặc biệt, đường kính neo thường rất nhỏ, chỉ từ 100mm đến 200mm.
Trong trường hợp nghiên cứu, thực tế thi công sử dụng thiết bị khoan YG-60 của
Trung Quốc, kích thước lỗ khoan neo (đường kính neo) chỉ nằm trong khoảng từ
Biên độ thay đổi đường kính neo từ 110mm đến 180mm (0.11m đến 0.18m) là rất nhỏ, do đó không có ý nghĩa lớn trong việc cải thiện sức chịu tải của neo Ngược lại, chiều dài bầu neo lại có ảnh hưởng đáng kể hơn.
Tác giả đề xuất một phương án thiết kế mới, giữ nguyên các yếu tố neo theo thiết kế của nhà thầu nhưng điều chỉnh chiều dài bầu neo Phương án này không chỉ cải thiện đáng kể sức chịu tải của neo mà còn mang lại nhiều lợi ích khác.
Khi chiều dài bầu neo thay đổi, ý nghĩa trong bài toán phân tích kinh tế cũng sẽ thay đổi, dẫn đến sự điều chỉnh về chiều dài cáp neo, số lượng bản chịu tải và vật liệu vữa xi măng Đối với các neo làm việc quá tải, cần phải tăng chiều dài bầu neo, trong khi đối với các neo có tải trọng làm việc thực tế nhỏ hơn sức chịu tải giới hạn, cần điều chỉnh giảm chiều dài bầu neo.
Dựa vào công thức (2.8), tiến hành tính toán để điều chỉnh chiều dài bầu neo phù hợp với tải trọng làm việc thực tế Chi tiết các phép tính được trình bày trong Bảng 4.4.
Bảng 4.4 Tính toán điều chỉnh chiều dài bầu neo theo điều kiện làm việc thực tế
Neo số Đã thiết kế và thi công Thực tế Điều chỉnh chiều dài bầu neo
Tải trọng làm việc (Tấn)
Chiều dài bầu neo cần thiết (m)
Việc thiết kế các neo có chiều dài đoạn neo tự do giống nhau là chưa hợp lý, dẫn đến một số neo và bầu neo ở vị trí quá xa mặt trượt giới hạn Do đó, cần điều chỉnh chiều dài đoạn dây neo tự do để tiết kiệm cáp neo, vữa xi măng và chiều dài lỗ khoan Để xác định các chiều dài đoạn neo tự do hợp lý, cần thực hiện trên bản vẽ, với kết quả thể hiện trong Bảng 4.5.
Bảng 4.5 Thay đổi chiều sâu khoan và chiều dài cáp neo khi điều chỉnh chiều dài đoạn dây neo tự do
Chiều dài đoạn dây neo tự do Thay đổi chiều sâu lỗ khoan Thay đổi chiều dài cáp neo
Thực tế đã thi công PA của tác giả Tăng (m)
Tổng 0.0 63.9 0.0 383.7 Đánh giá Giảm 63.9 m khoan Giảm 383.7 m dây cáp neo
Qua các phân tích, tính toán điều kiện làm việc của neo ở trên, tác giả đưa ra phương án thiết kế neo như ở Bảng 4.6 và Hình 4.3
Bảng 4.6 Yếu tố neo theo phương án thiết kế của tác giả
Chiều dài đoạn neo tự do, (m)
4.4 Đánh giá, so sánh PA thiết kế của tác giả với PA của nhà thầu
Bảng 4.7.Thay đổi KL vật liệu và chiều sâu khoan khi điều chỉnh chiều dài bầu neo
Neo Điều chỉnh chiều dài bầu neo
Thay đổi chiều sâu lỗ khoan
Thay đổi thể tích vữa XM
Thay đổi số bản chịu tải
Tổng 2.1 19.6 2.1 19.6 0.03 0.26 0 8 Đánh giá Giảm 17.5 m khoan Giảm 0.23 m3 vữa XM Giảm 8 bản chịu tải
Bảng 4.8 So sánh yếu tố neo theo PA thiết kế của tác giả và PA của nhà thầu
Chiều dài đoạn neo tự do
Thực tế thi công Điều chỉnh Thực tế thi công PA tác giả Thực tế thi công PA tác giả
Việc điều chỉnh chiều dài bầu neo ảnh hưởng đến khối lượng các vật liệu neo và chiều sâu lỗ khoan, với các chi tiết tính toán được trình bày trong Bảng 4.7.
So sánh yếu tố neo trong thiết kế của tác giả với yếu tố neo trong giải pháp thực tế của nhà thầu được trình bày trong Bảng 4.8 Đánh giá hiệu quả kinh tế của phương án điều chỉnh của tác giả so với phương án thực tế đã thi công cho mặt cắt TC1 được thể hiện ở Bảng 4.9.
Bảng 4.9 Đánh giá hiệu quả kinh tế PA thiết kế của tác giả so với PA của nhà thầu
PA thực tế đã thi công
PA của tác giả Đánh giá hiệu quả kinh tế
Tổng chiều dài cáp neo m 2160 1776.3 0 383.7
Tổng chiều dài lỗ khoan m 360 274.5 0 85.5
Tổng thể tích vữa xi măng m3 4.8 3.66 0 1.14
Tổng số bản chịu tải bản 36 28 0 8
So với phương án thiết kế trước đó, phương án của tác giả đã mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt, đặc biệt là ở mặt cắt TC1, nơi đã giảm được gần
Cáp neo 400m, giảm 90m khoan, và sử dụng 8 bản chịu tải cùng với khối lượng vữa XM, trong khi các yêu cầu kỹ thuật được điều chỉnh hợp lý theo điều kiện thực tế của neo Điều này giúp tránh hiện tượng phá hoại cục bộ, bảo đảm điều kiện làm việc chung của hệ neo và duy trì sự ổn định tổng thể.
So sánh bố trí neo theo PA thực tế đã thi công với PA điều chỉnh của tác giả như trong Hình 4.3 và Hình 4.4 dưới đây:
Hình 4.3 Bố trí neo theo PA thực tế đã thiết kế, thi công tại mặt cắt TC1
Hình 4.4 Bố trí neo theo PA của tác giả tại mặt cắt TC1
Điều kiện làm việc của các neo rất đa dạng, do đó việc thiết kế các neo theo phương án của nhà thầu với cùng một sức chịu tải giới hạn là chưa hợp lý.
Một số neo có thể bị mất ổn định cục bộ, dẫn đến nguy cơ bị nhổ hoặc đứt cáp, trong khi những neo khác lại có sức chịu tải vượt quá tải trọng thực tế Việc điều chỉnh chiều dài bầu neo và chiều dài đoạn dây neo tự do là cần thiết để ngăn chặn mất ổn định cục bộ ở các neo quá tải, đồng thời tiết kiệm vật liệu và giảm số mét khoan cho các neo còn lại Đây chính là hiệu quả kinh tế của phương án điều chỉnh mà tác giả đề xuất.