NGHIÊN CỨU CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN BỐ TRÍ HỢP LÍ HỆ ĐINH ĐẤT ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH MÁI DỐC

Kỹ Thuật - Công Nghệ - Kỹ thuật - Kỹ thuật ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 202236 NGHIÊN CỨU CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN BỐ TRÍ HỢP LÍ HỆ ĐINH ĐẤT ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH MÁI DỐC ĐỖ MINH NGỌC , HOÀNG NGỌC PHONG , ĐỖ MINH TÍNH Soil nailing technology is currently being applied quite widely in stabilizing slopes Abstract: However, the design is mostly based on empirical formulas, often failing to consider the factors of inclination angle, length, distance and diameter of nails, etc. affecting the reasonable arrangement of soil nailing. Therefore, the article uses Plaxis 2D software, combined with the slope project in Tam Duong district - Vinh Phuc as an example to design and survey these factors to the stability of the roof. slopes, thereby proposing value ranges for design optimization. Key words: Soil nailing, Plaxis, slope, stability 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Do đặc điểm địa hình nên các công trình đường giao thông khi thi công tại các khu vực miền núi thường xảy ra hiện tượng mất ổn định mái dốc, đặc biệt là vào mưa lũ. Để hạn chế sự mất ổn định này, các biện pháp thường dùng hiện nay như sử dụng kết cấu tường chắn, neo,...để chịu áp lực bên của đất hay hạn chế sự chuyển dịch của đất đá, đây là những kết cấu chịu áp lực bị động của đất. Khác với các kết cấu này, đinh đất được cắm vào trong các lớp đất một chiều sâu và mật độ nhất định tạo thành một hệ neo rắn chắc. Các đinh này được gắn kết chặt và cùng làm việc với đất đá tăng khả năng tự ổn định của đất đá. Do vậy, hệ kết cấu chống đỡ đinh đất lại làm việc theo một cơ chế chủ động. Hình 1: Cấu tạo chi tiết của hệ đinh đất1 Từ những năm 701 các nước như: Đức, Pháp và Mỹ đã đi đầu nghiên cứu ứng dụng Bộ môn Địa kỹ thuật - Khoa Công trình - Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải Bộ môn Địa kỹ thuật - Khoa Xây dựng- Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội công nghệ đinh đất. Sự xuất hiện và phát triển của công nghệ đinh đất với công nghệ neo có quan hệ mật thiết. Năm 19591 , người Đức đã dùng nhựa thông để gắn kết toàn thân neo trong xây dựng. Đến đầu những năm 60 sự phát triển của kỹ thuật thi công hầm NATM đã lợi dụng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2022 37 việc khoan phụt vữa xi măng gắn kết với hệ neo để gia cố ổn định đá trong thi công hầm, ban đầu mới chỉ gia cố cho những loại đá cứng, sau đó là cho các loại đá yếu hơn. Ngoài ra, trong những năm này công nghệ đất có cốt cũng được phát triển, đây cũng chính là cơ sở bước đầu cho sự phát triển công nghệ đinh đất. Năm 1972 3 Bouygues và Soletanch đã gia cố thành công cho mái dốc ở Versailles cao 14m, góc dốc 70 o , chiều dài 965m, diện tích gia cố 12000m2 , tổng cộng bao gồm 25000 thanh neo 4m và 6m được thi công bằng phương pháp khoan tạo lỗ sau đó đặt cốt thép và phun vữa vào trong. Công trình này được coi là ví dụ điển hình đầu tiên sử dụng công nghệ đinh đất trong xử lý ổn định mái dốc. Khác với các kết cấu tường chắn, neo,…làm việc theo một cơ chế bị động, thì đinh đất được cắm vào trong các lớp đất một chiều sâu và với mật độ nhất định tạo thành một hệ neo rắn chắc làm việc theo một cơ chế chủ động. Các đinh này được gắn kết chặt và cùng làm việc với đất đá tăng khả năng tự ổn định của đất đá. Chính vì vậy, khi bị phá hoại của mái dốc diễn ra một cách từ từ, không xảy ra đột ngột, ngay cả khi có tải trọng động đất. Điển hình như các nghiên cứu của Loma Prieta (1989), Vueetic (1993), Collin, Hanna, Coton cho thấy đinh đất sử dụng trong điều kiện động đất là khá hiệu quả 10 . Mặc dù trên thế giới công nghệ đinh đất đã được nghiên cứu khá nhiều, nhưng ở nước ta số lượng các công trình sử dụng công nghệ này còn khá ít, các số liệu thí nghiệm và quan trắc còn khá hạn chế. Chính vì đó, đối với công nghệ đinh đất hiện nay vẫn cần phải tiến hành có thêm những nghiên cứu. Điển hình trong thiết kế và thi công đinh đất chiều dài đinh, góc nghiêng, đường kính tạo lỗ đinh,… được lựa chọn bằng kinh nghiệm. Việc hợp lí lựa chọn các tham số này ảnh hưởng khá nhiều đến tính kinh tế. Trong nghiên cứu của tác giả Zhao GuoYing cho thấy, đinh đất càng dài thì ổn định tổng thể của mái dốc càng cao, nhưng chỉ đến một chiều dài nhất định thì hệ số này không tăng nữa. Khoảng cách các hàng đinh cũng ảnh hưởng khá nhiều đến hệ số ổn định của mái dốc. Cũng trong nghiên cứu của ông góc nghiêng của đinh thích hợp nhất là từ 10~ 15 o , nếu chiều góc nghiêng này nhỏ hơn hoặc lớn hơn thì đối với hệ gia cố đinh đất không có lợi và nếu đường kính đinh đất tăng lên thì hệ số ổn định tăng lên đáng kể8 .Tác giả Li Yinbang chỉ ra trong nghiên cứu của mình cho công trình hố móng sâu khoảng cách, góc nghiêng và chiều dài của đinh đất nếu tăng lên đến một giá trị nào đó không đáng kể, ông cũng chỉ ra rằng góc nghiêng của đinh thích hợp nhất là từ 5 ~ 15o9 . Xiao ShangQing tiến hành nghiên cứu với mái dốc gồm 4 cấp, trung bình mỗi mái dốc khoảng 13m. Kết quả nghiên cứu cho thấy với chiều dài đinh đất tăng thì hệ số ổn định tăng lên một cách đáng kể, nhưng khi chiều dài đinh đất lớn quá thì hệ số ổn định tăng lên không đáng kể. Ngoài ra, khoảng cách giữa hàng đinh ảnh hưởng đến hệ số an toàn của mái dốc rõ rệt nhất 10 . Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu trên còn chưa làm rõ đặc điểm nội lực thân đinh, đây là cở sở để tối ưu hóa thiết kế. Chính vì vậy, bài báo thông qua mô hình Plaxis 2D, đồng thời kết hợp mái dốc thuộc huyện Tam Dương - Vĩnh Phúc làm ví dụ tiến hành phân tích nội lực thân đinh và khảo sát các yếu tố góc nghiêng, đường kính, khoảng cách, chiều dài đinh từ đó đề xuất các giá trị hợp lý trong thiết kế tường đinh đất gia cố mái dốc. 2. KHÁI QUÁT KHU VỰC NGHIÊN CỨU Huyện Tam Dương là một huyện nằm ở phía Đông Bắc của tỉnh Vĩnh Phúc, có địa hình bán sơn địa, nằm ở vùng miền núi, trung du nối tiếp với đồng bằng. Do vậy, địa hình tương đối phức tạp và đa dạng, thấp dần từ Bắc xuống Nam. Vùng núi cao chủ yếu nằm ở các xã sát dãy núi Tam Đảo. Huyện Tam Dương nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, có 2 mùa rõ rệt là mùa đông và mùa hạ. Ngoài ra, còn mùa xuân và mùa thu là 2 mùa chuyển tiếp với thời gian không dài. Lượng mưa bình quân hàng năm là ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 202238 1.348,87mm, nhất là vào các tháng từ tháng 6 đến tháng 9 hàng năm. Mái dốc nằm trên tuyến đường 36 đi qua địa phận xã Hoàng Hoa - huyện Tam Dương - tỉnh Vĩnh Phúc có cao độ đỉnh dốc +18,76m, chân dốc +8,76m và góc dốc tự nhiên 68 o . Là một trong những xã thuộc trung du của huyện và sát với Tam Đảo. Đất khu vực này chủ yếu là đất tàn tích, sườn tích phong hóa mạnh, cộng với địa hình tương đối cao nên nguy cơ sạt lở đất luôn tiềm ẩn và có thể xảy ra bất cứ lúc nào. Đặc biệt do ảnh hưởng của dãy núi Tam Đảo chắn hướng gió mùa Đông Bắc nên khu vực này lượng mưa tương đối nhiều là một trong những tác nhân chính gây ra mất ổn định mái dốc. Căn cứ vào kết quả khảo sát cấu tạo địa chất gồm 3 lớp đất chính: + Lớp 1: Đất sét pha lẫn ít rễ cây, trạng thái dẻo cứng, bề dày 4,3m; + Lớp 2: Sét pha, trạng thái dẻo cứng, bề dày 8,7m; + Lớp 3: Sét pha, lẫn dăm sạn, trạng thái nửa cứng, bề dày 7.0m. Bảng 1: Bảng chỉ tiêu cơ lý các lớp đất TT Chỉ tiêu cơ lý Ký hiệu Đơn vị Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 1 Độ ẩm tự nhiên W 38,62 31,00 28,3 2 Độ ẩm giới hạn chảy WL 47,06 39,10 37,80 3 Độ ẩm giới hạn dẻo Wp 33,63 28,40 25,90 4 Chỉ số dẻo I P 13,43 10,10 11,90 5 Độ sệt I L - 0,37 0,33 0,20 6 Trọng lượng thể tích tự nhiên  kNm3 18,0 18,60 19,0 7 Trọng lượng thể tích khô  k kNm3 12,98 14,10 14,7 8 Trọng lượng riêng  kNm3 27,10 27,1 27,3 9 Độ lỗ rỗng n 52,1 47,90 46,00 10 Hệ số rỗng e - 1,088 0,921 0,854 11 Độ bão hòa G 95,84 92,45 92,8 12 Lực dính kết C kNm2 18,1 23,9 26,2 13 Góc ma sát trong  độ 13,5 0 18,10 19,8 0 14 Sức chịu tải quy ước Ro kNm2 140 180 236 15 Mô đun tổng biến dạng E 0 kNm2 6524 9570 16300 3. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN BỐ TRÍ HỆ ĐINH ĐẤT 3.1. Phương pháp thiết kế 3.1.1. Áp lực đất lên đinh + Cường độ áp lực đất chủ động được tính như sau67 :  a a aP q h K 2 c K    (1) trong đó: P a – là áp lực đất chủ động, (kPa); q – là tải trọng phân bố đều trên đỉnh mái dốc, (kPa); Ka – hệ số áp lực đất chủ động; – là trọng lượng thể tích của đất, (kNm3 ); c – là lực dính đơn vị của đất, (kPa); h – là bề dày lớp đất đang xét, (m). + Áp lực đất tác dụng lên đinh đất: E i = Pai .S x .S y cos  (2) trong đó: Ei – áp lực đất tại vị trí hàng đinh đất thứ i, (kN); Sx ,S y – lần lượt là khoảng cách giữa các đinh đất theo phương bố trí trục x và y, (m); Pai – áp lực đất tại vị trí hàng đinh thứ i (kPa); ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2022 39 – là góc nghiêng của đinh đất so với phương nằm ngang, ( o );  hệ số chiết giảm được xác định theo công thức sau:                         2 45 tan tan 1 2 tan 1 2 tan        (3)  góc nghiêng của mái dốc, ( o );  góc ma sát trong trung bình các lớp đất, xác định bằng phương pháp trọng số, ( o ). 3.1.2. Khoảng cách đinh Đinh đất thường được bố trí đều, khoảng cách từ 1 ~ 2m. Đối với đinh thi công theo phương pháp đóng thì khoảng cách thường từ 0,5 ~ 1,5m. Đối với đinh thi công theo phương pháp phụt vữa thì có thể dựa theo nguyên tắc từ 6 ~ 12 lần đường kính D của đinh để lựa chọn khoảng cách giữa các đinh theo phương ngang S x và phương thẳng đứng S y , đồng thời thỏa mãn4 : S xS y = kDL (4) Trong đó: L – là chiều dài của đinh đất, (m); k – là hệ số công nghệ phụt vữa, khi sử dụng công nghệ phụt vữa áp lực 1 lần thì lấy k = 1,5 ~ 2,5; khi dùng phương pháp khoan tạo lỗ phụt vữa xi măng trên mái dốc đứng thì lấy k = 0,3 ~ 0,6; đối với công nghệ thi công đóng đinh vào đất lấy k = 0,6 ~ 1,1. 3.1.3. Chiều dài đinh đất Chiều dài đinh đất cũng được lấy tương tự như trong neo gồm chiều dài neo gia cố và chiều dài tự do. Chiều dài neo gia cố của đinh đất là đoạn đinh phía sau cung trượt, còn đoạn tự do được tính là đoạn phía trước cung trượt hoặc có thể sơ bộ chọn bằng 0.5~0.7H (với H là chiều cao mái dốc). Như vậy, chiều dài đinh đất thiết kế chính là tổng chiều dài hai đoạn này. + Chiều dài hữu hiệu ui i hi fi T l d    (5) Với T ui là nội lực thiết kế của hàng đinh đất thứ i, (kN). Để đảm bảo khả năng chịu lực của đinh đất, thì nội lực thiết kế phải lấy lớn hơn áp lực đất tại vị trí đinh, để an toàn thí giá trị nội lực thiết kế nên lớn hơn 1,25 lần áp lực đất tại vị trí đó, tức là4 : T ui = 1,25.Pai (6) dhi – đường kính đinh đất thứ i, (m); fi – là giá trị tiêu chuẩn cường độ kháng nhổ giữa đất và đinh đất (kNm2 ). + Chiều dài đoạn tự do: i fi o sin H Z 2 l sin cos 90 2                     (7) Trong đó: H – chiều cao mái dốc (m); Zi – chiều sâu vị trí đinh đất thứ i (m);  – góc nghiêng của mái dốc so với phương nằm ngang ( o );  – góc nghiêng của đinh đất so với phương nằm ngang ( o ). + Chiều dài toàn bộ đinh đất: lei = li + lfi (8) 3.1.4. Đường kính cốt thép sử dụng làm đinh Đường kính cốt thép sử dụng làm đinh được xác định như sau: ax s . A m y K T f  (9) trong đó: As – là diện tích tiết diện cốt thép (m); K – hệ số an toàn chống nhổ, lấy bằng 1,3; T max – giá trị nội lực thiết kế lớn nhất, (kN); f y – cường độ kháng kéo của thép, (kPa). 3.1.5. Kiểm tra điều kiện ổn định bên trong hệ đinh đất (1) Kiểm tra khả năng chịu kéo của đinh đất Dưới tác dụng của áp lực đất, đinh đất chịu một ứng suất kéo, để đảm bảo cốt thép sử dụng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 202240 làm đinh không biến dạng quá lớn thì phải thỏa mãn điều kiện sau: 2 1.5 4 b y K i d f F E    (10) Trong đó: db – là đường kính cốt thép làm đinh đất (m); E i – nội lực đinh đất i, (kN). (2) Tính toán kiểm tra lực nhổ của đinh đất Thực tế, trạng thái chịu lực của đinh đất là rất phức tạp, thông thường nó thường chịu ứng suất kéo, ứng suất cắt và mô men uốn. Các thí nghiệm cho thấy lực cắt chỉ đóng vai trò thứ yếu, khi thiết kế chỉ xét tác dụng chịu kéo mặc dù chưa sát thực tế nhưng nó giúp vấn đề cần giải quyết đơn giản hơn rất nhiều. + Sau khi lược giản, lực nhổ F của thể đinh đất ở vị trí giao nhau giữa đinh đất và mặt tiếp xúc được tính theo công thức sau: Fi1 = dh lei f (11) Trong đó: dh - là đường kính lỗ khoan nếu thi công bằng phương pháp khoan tạo lỗ, là đường kính của đinh khi thi công bằng phương pháp đóng (m); lei - là chiều dài của đinh đất (m); f - là giá trị tiêu chuẩn cường độ kháng nhổ giữa đất và đinh đất (kNm2 ), thường do thí nghiệm tại hiện trường xác định hoặc có thể tra theo bảng sau: Bảng 2: Giá trị tiêu chuẩn cường độ kháng nhổ giữa đất và đinh đất 4 STT Loại đất Cường độ kháng nhổ giữa đất và đinh đất (kPa) 1 Đất lấp 30 ~ 60 2 Đất dính: Dẻo mềm Dẻo cứng Nửa cứng Cứng 15 ~ 30 30 ~ 50 50 ~ 70 70 ~ 90 3 Đất cát: Xốp Chặt vừa Chặt Rất chặt 70 ~ 90 90 ~ 120 120 ~ 160 160 ~ 200 Tính toán lực kháng nhổ của vật liệu làm đinh và lớp vữa phụt: Fi2 = db lei g (12) trong đó: Fi2 –lực kháng nhổ giữa đinh và lớp phụt vữa, (kN); db – là đường kính cốt thép làm đinh đất, (m); g – là giá trị tiêu chuẩn cường độ dính kết giữa thép làm đinh và lớp vữa phụt, (kPa). Giá trị này thông qua thí nghiệm hiện trường để xác định, trong trường hợp không có thí nghiệm hiện trường có thể lấy bằng 10 cường độ kháng nén của vữa phụt. Sau khi tính xong các giá trị từ công thức (11), (12) lấy giá trị nhỏ nhất làm giá trị tiêu chuẩn về khả năng kháng kéo của đinh đất. Để đinh không bị nhổ ra hoặc bị đứt, do vậy nó cần thỏa mãn điều kiện sau11 : i N i F K E  (13) trong đó: Fi - là lực kéo nhổ kháng nhổ của đinh đất, kN; Ei - nội lực tính toán đinh đất, kN. Với K là hệ số an toàn chống nhổ của đinh đất, KN = 1,5 ~ 1,8. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2022 41 3.1.6. Tính toán tính ổn định bên ngoài tường đinh đất Sau khi thành hố móng được gia cường bằng hệ thống đinh đất, có thể coi đây là một thể thống nhất, do đó phân tích tính ổn định bên ngoài của nó có thể dựa trên các lý thuyết về tường chắn đất trọng lực để tính toán. Hay nói một cách khác hệ tường đinh đất phải thỏa mãn điều kiện về lật, trượt. Dựa theo phương pháp tính toán của tường chắn đất trọng lực lần lượt tính toán tính ổn định trượt, tính ổn định chống lật và sức chịu tải của đất dưới chân tường. (1) Tính toán ổn định trượt: t T x F K 1.3 E   (14) trong đó: KT - là hệ số an toàn chống trượt; Ft - là hợp lực chống trượt giả thiết gây ra tại chân tường, (kN); Ft = (W + qB0 ).S y.tan +cB0 S y (15) E x, E y - là thành phần lực đứng, ngang của áp lực đất chủ động sau tường, (kN); W - trọng lượng của đất sau lưng tường trên đoạn dài đơn vị, (kNm); q - tải trọng rải đều trên đỉnh mái dốc, (kNm2 ); B 0 - bề rộng tính toán của tường đinh đất, (m). L W   E x E y B 0 H q Hình 2: Sơ đồ tính toán tường đinh đất (2) Tính toán tính ổn định chống lật w L e M K 1.5 M   (16) trong đó: KL - là hệ số an toàn chống lật; M w - là mô men chống lật, (kN.m);  w 0 y H M W qB S . 3   (17) Me – là mô men lật do áp lực đất gây ra, (kN.m); e i i i ai x y H M (q .h ) 2c K S .S . 3        (18) 3.2. Phương pháp khảo sát các tham số ảnh hưởng đến bố trí hợp lí đinh đất Thông qua một số nghiên cứu cho thấy các yếu tố như khoảng cách đinh đất, góc nghiêng, đường kính đinh, chiều dài đinh ảnh hưởng khá nhiều đến hệ số ổn định của mái dốc. Trong đó, một số tham số của đinh đất khi tăng lên thì hệ số ổn định cũng tăng lên không đáng kể. Do vậy, cần phải làm rõ được đặc điểm chịu lực của đinh đất khi gia cố, sau đó đi khảo sát sự ảnh hưởng của các tham số này đến sự ổn định của mái dốc, đây cũng chính là cơ sở để đi tối ưu hóa nhằm hợp lí hóa thiết kế, nâng cao hiệu quả kinh tế. Hiện nay, có nhiều phương pháp như: Cân bằng giới hạn, phân tích cực hạn, phân tích mặt trượt và phần tử hữu hạn để đi khảo sát ảnh hưởng các tham số đinh đất đến sự ổn định của mái dốc. Trong đó, các phương pháp cân bằng giới hạn, phân tích cực hạn, phân tích mặt trượt dựa vào lí luận cân bằng giới hạn để phân tích. Lí luận cân bằng giới hạn giả định mái dốc là thể cứng không có biến dạng, khi sắp phát sinh phá hoại, các điểm trên mặt trượt bắt đầu bị phá hoại dẻo và hệ số an toàn được tính theo công thức sau10 : (19) Tại thời điểm mái dốc bắt đầu bị phá hoại FS=1. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 202242 Cùng với sự phát triển của khoa học máy tính, phương pháp mô hình phần tử hữu hạn được sử dụng rỗng rãi hơn cả. Phương pháp này có thể cho phép xem xét đồng thời các yếu tố về lực, biến dạng và các loại vật liệu khác nhau Do đó, trong phạm vi đề tài sẽ sử dụng phương pháp mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 2D tiến hành khảo sát bằng cách thay đổi chiều dài, góc nghiêng, đường kính đinh đất từ đó xét sự ảnh hư...

NGHIÊN CỨU CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN BỐ TRÍ HỢP LÍ HỆ ĐINH ĐẤT ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH MÁI DỐC

ĐỖ MINH NGỌC*, HOÀNG NGỌC PHONG**, ĐỖ MINH TÍNH**

Soil nailing technology is currently being applied quite widely in stabilizing slopes

Abstract: However, the design is mostly based on empirical formulas,

often failing to consider the factors of inclination angle, length, distance and diameter of nails, etc affecting the reasonable arrangement of soil nailing Therefore, the article uses Plaxis 2D software, combined with the slope project in Tam Duong district - Vinh Phuc as an example to design and survey these factors to the stability of the roof slopes, thereby proposing value ranges for design optimization

Key words: Soil nailing, Plaxis, slope, stability

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Do đặc điểm địa hình nên các công trình đường giao thông khi thi công tại các khu vực miền núi thường xảy ra hiện tượng mất ổn định mái dốc, đặc biệt là vào mưa lũ Để hạn chế sự mất ổn định này, các biện pháp thường dùng hiện nay như sử dụng kết cấu tường chắn, neo, để chịu áp lực bên của đất hay hạn chế sự chuyển

dịch của đất đá, đây là những kết cấu chịu áp lực bị động của đất Khác với các kết cấu này, đinh đất được cắm vào trong các lớp đất một chiều sâu và mật độ nhất định tạo thành một hệ neo rắn chắc Các đinh này được gắn kết chặt và cùng làm việc với đất đá tăng khả năng tự ổn định của đất đá Do vậy, hệ kết cấu chống đỡ đinh đất lại làm việc theo một cơ chế chủ động

Hình 1: Cấu tạo chi tiết của hệ đinh đất[1]

Từ* những năm 70[1]các nước như: Đức, Pháp và Mỹ đã đi đầu nghiên cứu ứng dụng

*

Bộ môn Địa kỹ thuật - Khoa Công trình - Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải

**

Bộ môn Địa kỹ thuật - Khoa Xây dựng- Trường Đại học Kiến trúc HàNội

công nghệ đinh đất Sự xuất hiện và phát triển của công nghệ đinh đất với công nghệ neo có quan hệ mật thiết Năm 1959[1], người Đức đã dùng nhựa thông để gắn kết toàn thân neo trong xây dựng Đến đầu những năm 60 sự phát triển của kỹ thuật thi công hầm NATM đã lợi dụng

việc khoan phụt vữa xi măng gắn kết với hệ neo để gia cố ổn định đá trong thi công hầm, ban đầu mới chỉ gia cố cho những loại đá cứng, sau đó là cho các loại đá yếu hơn Ngoài ra, trong những năm này công nghệ đất có cốt cũng được phát triển, đây cũng chính là cơ sở bước đầu cho sự phát triển công nghệ đinh đất Năm 1972[3] Bouygues và Soletanch đã gia cố thành công cho mái dốc ở Versailles cao 14m, góc dốc 70o, chiều dài 965m, diện tích gia cố 12000m2, tổng cộng bao gồm 25000 thanh neo 4m và 6m được thi công bằng phương pháp khoan tạo lỗ sau đó đặt cốt thép và phun vữa vào trong Công trình này được coi là ví dụ điển hình đầu tiên sử dụng công nghệ đinh đất trong xử lý ổn định mái dốc Khác với các kết cấu tường chắn, neo,…làm việc theo một cơ chế bị động, thì đinh đất được cắm vào trong các lớp đất một chiều sâu và với mật độ nhất định tạo thành một hệ neo rắn chắc làm việc theo một cơ chế chủ động Các đinh này được gắn kết chặt và cùng làm việc với đất đá tăng khả năng tự ổn định của đất đá Chính vì vậy, khi bị phá hoại của mái dốc diễn ra một cách từ từ, không xảy ra đột ngột, ngay cả khi có tải trọng động đất Điển hình như các nghiên cứu của Loma Prieta (1989), Vueetic (1993), Collin, Hanna, Coton cho thấy đinh đất sử dụng trong điều kiện động đất là khá hiệu quả[10]

Mặc dù trên thế giới công nghệ đinh đất đã được nghiên cứu khá nhiều, nhưng ở nước ta số lượng các công trình sử dụng công nghệ này còn khá ít, các số liệu thí nghiệm và quan trắc còn khá hạn chế Chính vì đó, đối với công nghệ đinh đất hiện nay vẫn cần phải tiến hành có thêm những nghiên cứu Điển hình trong thiết kế và thi công đinh đất chiều dài đinh, góc nghiêng, đường kính tạo lỗ đinh,… được lựa chọn bằng kinh nghiệm Việc hợp lí lựa chọn các tham số này ảnh hưởng khá nhiều đến tính kinh tế Trong nghiên cứu của tác giả Zhao GuoYing cho thấy, đinh đất càng dài thì ổn định tổng thể của mái dốc càng cao, nhưng chỉ đến một chiều dài nhất định thì hệ số này không

tăng nữa Khoảng cách các hàng đinh cũng ảnh hưởng khá nhiều đến hệ số ổn định của mái dốc Cũng trong nghiên cứu của ông góc nghiêng của đinh thích hợp nhất là từ 10~ 15o,nếu chiều góc nghiêng này nhỏ hơn hoặc lớn hơn thì đối với hệ gia cố đinh đất không có lợi và nếu đường kính đinh đất tăng lên thì hệ số ổn định tăng lên đáng kể[8].Tác giả Li Yinbang chỉ ra trong nghiên cứu của mình cho công trình hố móng sâu khoảng cách, góc nghiêng và chiều dài của đinh đất nếu tăng lên đến một giá trị nào đó không đáng kể, ông cũng chỉ ra rằng góc nghiêng của đinh thích hợp nhất là từ 5 ~ 15o[9] Xiao ShangQing tiến hành nghiên cứu với mái dốc gồm 4 cấp, trung bình mỗi mái dốc khoảng 13m Kết quả nghiên cứu cho thấy với chiều dài đinh đất tăng thì hệ số ổn định tăng lên một cách đáng kể, nhưng khi chiều dài đinh đất lớn quá thì hệ số ổn định tăng lên không đáng kể Ngoài ra, khoảng cách giữa hàng đinh ảnh hưởng đến hệ số an toàn của mái dốc rõ rệt nhất[10] Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu trên còn chưa làm rõ đặc điểm nội lực thân đinh, đây là cở sở để tối ưu hóa thiết kế

Chính vì vậy, bài báo thông qua mô hình Plaxis 2D, đồng thời kết hợp mái dốc thuộc huyện Tam Dương - Vĩnh Phúc làm ví dụ tiến hành phân tích nội lực thân đinh và khảo sát các yếu tố góc nghiêng, đường kính, khoảng cách, chiều dài đinh từ đó đề xuất các giá trị hợp lý trong thiết kế tường đinh đất gia cố mái dốc

2 KHÁI QUÁT KHU VỰC NGHIÊN CỨU

Huyện Tam Dương là một huyện nằm ở phía Đông Bắc của tỉnh Vĩnh Phúc, có địa hình bán sơn địa, nằm ở vùng miền núi, trung du nối tiếp với đồng bằng Do vậy, địa hình tương đối phức tạp và đa dạng, thấp dần từ Bắc xuống Nam Vùng núi cao chủ yếu nằm ở các xã sát dãy núi Tam Đảo Huyện Tam Dương nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, có 2 mùa rõ rệt là mùa đông và mùa hạ Ngoài ra, còn mùa xuân và mùa thu là 2 mùa chuyển tiếp với thời gian không dài Lượng mưa bình quân hàng năm là

1.348,87mm, nhất là vào các tháng từ tháng 6 đến tháng 9 hàng năm Mái dốc nằm trên tuyến đường 36 đi qua địa phận xã Hoàng Hoa - huyện Tam Dương - tỉnh Vĩnh Phúc có cao độ đỉnh dốc +18,76m, chân dốc +8,76m và góc dốc tự nhiên 68o Là một trong những xã thuộc trung du của huyện và sát với Tam Đảo Đất khu vực này chủ yếu là đất tàn tích, sườn tích phong hóa mạnh, cộng với địa hình tương đối cao nên nguy cơ sạt lở đất luôn tiềm ẩn và có thể xảy ra bất cứ lúc nào Đặc biệt do ảnh hưởng của dãy núi Tam

Đảo chắn hướng gió mùa Đông Bắc nên khu vực này lượng mưa tương đối nhiều là một trong những tác nhân chính gây ra mất ổn định mái dốc Căn cứ vào kết quả khảo sátcấu tạo địa

– là góc nghiêng của đinh đất so với

Đinh đất thường được bố trí đều, khoảng cách từ 1 ~ 2m Đối với đinh thi công theo phương pháp đóng thì khoảng cách thường từ 0,5 ~ 1,5m Đối với đinh thi công theo phương pháp phụt vữa thì có thể dựa theo nguyên tắc từ 6 ~ 12 lần đường kính D của đinh để lựa chọn khoảng cách giữa các đinh theo phương ngang Sx và phương thẳng đứng Sy, đồng thời thỏa mãn[4]:

SxSy = kDL (4) Trong đó:

L – là chiều dài của đinh đất, (m);

k – là hệ số công nghệ phụt vữa, khi sử dụng công nghệ phụt vữa áp lực 1 lần thì lấy

k = 1,5 ~ 2,5; khi dùng phương pháp khoan tạo lỗ phụt vữa xi măng trên mái dốc đứng thì lấy k = 0,3 ~ 0,6; đối với công nghệ thi công đóng đinh vào đất lấy k = 0,6 ~ 1,1

3.1.3 Chiều dài đinh đất

Chiều dài đinh đất cũng được lấy tương tự như trong neo gồm chiều dài neo gia cố và chiều dài tự do Chiều dài neo gia cố của đinh đất là đoạn đinh phía sau cung trượt, còn đoạn tự do được tính là đoạn phía trước cung trượt hoặc có thể sơ bộ chọn bằng 0.5~0.7H (với H là chiều cao mái dốc) Như vậy, chiều dài đinh đất thiết kế chính là tổng chiều dài hai đoạn này

+ Chiều dài hữu hiệu

Để đảm bảo khả năng chịu lực của đinh đất, thì nội lực thiết kế phải lấy lớn hơn áp lực đất tại vị trí đinh, để an toàn thí giá trị nội lực thiết kế nên lớn hơn 1,25 lần áp lực đất tại vị trí đó,

H – chiều cao mái dốc (m);

Zi – chiều sâu vị trí đinh đất thứ i (m);

– góc nghiêng của mái dốc so với phương Tmax – giá trị nội lực thiết kế lớn nhất, (kN);

fy – cường độ kháng kéo của thép, (kPa)

3.1.5 Kiểm tra điều kiện ổn định bên trong hệ đinh đất

(1) Kiểm tra khả năng chịu kéo của đinh đất Dưới tác dụng của áp lực đất, đinh đất chịu một ứng suất kéo, để đảm bảo cốt thép sử dụng

làm đinh không biến dạng quá lớn thì phải thỏa mãn điều kiện sau:

(2) Tính toán kiểm tra lực nhổ của đinh đất Thực tế, trạng thái chịu lực của đinh đất là rất phức tạp, thông thường nó thường chịu ứng suất kéo, ứng suất cắt và mô men uốn Các thí nghiệm cho thấy lực cắt chỉ đóng vai trò thứ yếu, khi thiết kế chỉ xét tác dụng chịu kéo mặc dù chưa sát thực tế nhưng nó giúp vấn đề cần

giải quyết đơn giản hơn rất nhiều

+ Sau khi lược giản, lực nhổ F của thể đinh đất ở vị trí giao nhau giữa đinh đất và mặt tiếp xúc được tính theo công thức sau:

Fi1 = dhleif (11) Trong đó:

dh - là đường kính lỗ khoan nếu thi công bằng phương pháp khoan tạo lỗ, là đường kính của đinh khi thi công bằng phương pháp đóng (m);

lei - là chiều dài của đinh đất (m);

f - là giá trị tiêu chuẩn cường độ kháng nhổ giữa đất và đinh đất (kN/m2), thường do thí nghiệm tại hiện trường xác định hoặc có thể tra theo bảng sau:

Bảng 2: Giá trị tiêu chuẩn cường độ kháng nhổ giữa đất và đinh đất[4]

STT Loại đất Cường độ kháng nhổ giữa đất và đinh đất (kPa) g – là giá trị tiêu chuẩn cường độ dính kết giữa thép làm đinh và lớp vữa phụt, (kPa)

Giá trị này thông qua thí nghiệm hiện trường để xác định, trong trường hợp không có thí nghiệm hiện trường có thể lấy bằng 10% cường độ kháng nén của vữa phụt

Sau khi tính xong các giá trị từ công thức (11), (12) lấy giá trị nhỏ nhất làm giá trị tiêu chuẩn về khả năng kháng kéo của đinh đất Để đinh không bị nhổ ra hoặc bị đứt, do vậy nó cần thỏa mãn điều kiện sau[11]:

Ei - nội lực tính toán đinh đất, kN

Với K là hệ số an toàn chống nhổ của đinh đất, KN = 1,5 ~ 1,8

3.1.6 Tính toán tính ổn định bên ngoài tường đinh đất

Sau khi thành hố móng được gia cường bằng hệ thống đinh đất, có thể coi đây là một thể thống nhất, do đó phân tích tính ổn định bên ngoài của nó có thể dựa trên các lý thuyết về tường chắn đất trọng lực để tính toán Hay nói một cách khác hệ tường đinh đất phải thỏa mãn điều kiện về lật, trượt Dựa theo phương pháp tính toán của tường chắn đất trọng lực lần lượt

W - trọng lượng của đất sau lưng tường trên đoạn dài đơn vị, (kN/m);

q - tải trọng rải đều trên đỉnh mái dốc,

Thông qua một số nghiên cứu cho thấy các yếu tố như khoảng cách đinh đất, góc nghiêng, đường kính đinh, chiều dài đinh ảnh hưởng khá nhiều đến hệ số ổn định của mái dốc Trong đó, một số tham số của đinh đất khi tăng lên thì hệ số ổn định cũng tăng lên không đáng kể Do vậy, cần phải làm rõ được đặc điểm chịu lực của đinh đất khi gia cố, sau đó đi khảo sát sự ảnh hưởng của các tham số này đến sự ổn định của mái dốc, đây cũng chính là cơ sở để đi tối ưu hóa nhằm hợp lí hóa thiết kế, nâng cao hiệu quả kinh tế

Hiện nay, có nhiều phương pháp như: Cân bằng giới hạn, phân tích cực hạn, phân tích mặt trượt và phần tử hữu hạn để đi khảo sát ảnh hưởng các tham số đinh đất đến sự ổn định của mái dốc Trong đó, các phương pháp cân bằng giới hạn, phân tích cực hạn, phân tích mặt trượt dựa vào lí luận cân bằng giới hạn để phân tích Lí luận cân bằng giới hạn giả định mái dốc là thể cứng không có biến dạng, khi sắp phát sinh phá hoại, các điểm trên mặt trượt bắt đầu bị phá hoại dẻo và hệ số an toàn được tính theo công thức sau[10]:

(19) Tại thời điểm mái dốc bắt đầu bị phá hoại FS=1

Cùng với sự phát triển của khoa học máy tính, phương pháp mô hình phần tử hữu hạn được sử dụng rỗng rãi hơn cả Phương pháp này có thể cho phép xem xét đồng thời các yếu tố về lực, biến dạng và các loại vật liệu khác nhau Do đó, trong phạm vi đề tài sẽ sử dụng phương pháp mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 2D tiến hành khảo sát bằng cách thay đổi chiều dài, góc nghiêng, đường kính đinh đất từ đó xét sự ảnh hưởng của các tham số này đến hệ số an toán của mái dốc

Trong chương trình Plaxis, hệ số an toàn mái dốc thông qua sự chiết giảm tham số cường độ của đất đạt được, căn cứ vào định nghĩa hệ số an

C - lực dính đơn vị của đất, (kPa); - ứng suất chính trong đất, (kPa);  - góc ma sát trong của đất, (o);

 - cường độ kháng cắt giới hạn của đất, (kPa) Chia cả hai vế của công thức (2.27) cho FS

Đầu tiên lựa chọn hệ số chiết giảm, sau đó tiến hành chiết giảm các tham số cường độ của đất, cuối cùng tiến hành nhập các số liệu này trong tính toán Nếu kết quả thu được là hệ số an toàn của mái dốc thỏa mãn, tiếp tục tăng hệ số chiết giảm đến trạng thái cực hạn, đây chính là hệ số an toàn của mái dốc

Trong phần mềm Plaxis mô hình Mohr - Coulomb, phá hoại cắt của đất với các ứng

Khi f < 0 đường phá hoại nằm phía dưới

đường tròn ứng suất, biến dạng lúc này là đàn hồi;

f = 0 đường phá hoại với vòng tròn ứng

suất tiếp xúc với nhau, cường độ phá hoại cắt

đạt đến giá trị giới hạn; f > 0 đường phá hoại

cắt với vòng tròn ứng suất, lúc nay phát sinh phá hoại cắt

4 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 4.1 Kết quả tính toán thiết kế

Mái dốc có độ dốc ban đầu là 68o, góc đinh đất được chọn sơ bộ 15o, khoảng cách đinh đất theo phương thẳng đứng và phương ngang là 1,5m, đường kính lỗ khoan đinh đất là 130 mm Như vậy, với mái dốc chiều cao 11m theo phương thẳng đứng đinh đất được bố trí thành 6 hàng Căn cứ vào kết quả tính hàng quả áp lực tác dụng lên đinh và áp lực thiết kế như trong bảng sau:

Hình 3: Sơ đồ tính áp lực đất

4.1.2 Lựa chọn đường kính đinh

Áp dụng công thức (9), thép lựa chọn làm

đinh là CB500-V, có cường độ chịu kéo fy = 435MPa, suy raAs = 279mm2 đường kính thép được lựa chọn là có diện tích tiết diện As = 380mm2

4.1.3 Lựa chọn chiều dài đinh đất

Áp dụng các công thức (6), (7), (8) cho ta kết quả trong bảng sau:

Bảng 4: Bảng tính chiều dài đinh đất

Ngoài ra, chiều dài đinh đất cần thỏa mãn điều kiện (0,5~0,7)H, do vậy sơ bộ lựa chọn chiều dài đinh đất là 8,0m

3.2.4 Kiểm tra ổn định bên trong và bên ngoài

Áp dụng các công thức từ (10) đến (18) các hệ số ổn định được tổng hợp như trong bảng:

Bảng 5: Kết quả tính toán kiểm tra ổn định

Nội dung kiểm tra Hệ số an toàn Giá trị Ghi chú

Từ kết quả tính toán ổn định cho thấy với chiều dài đinh 8.0m, đường kính đinh  = 22mm và góc nghiêng 15o đều thỏa mãn

4.2 Thiết lập mô hình tính và khảo sát ảnh hưởng các tham số đến bố trí hợp lí hệ đinh đất

4.2.1 Thông số đầu vào và mô hình tính

Để đề xuất giải pháp thiết kế hợp lí, trong phần này tác giả sử dụng phần mềm Plaxis 2D

tiến hành mô phỏng sự làm việc của đinh đất Mái dốc có góc dốc tự nhiên 68o, chiều cao mái dốc 11m, địa chất gồm 3 lớp đất với các thông số tính toán thể hiện trong bảng dưới Do đối xứng nên bài toán chỉ xét 1/2 mô hình với bề rộng nền đường là 7m, kích thước mô hình tính từ biên đỉnh mái dốc đến biên là 2 lần chiều cao mái dốc, tải trọng phân bố đều trên đỉnh mái dốc q=10kPa bề rộng 5m, được lấy q = 10kPa

Bảng 6: Bảng thông số tính toán của các lớp đất

Đối với các tham số của đinh đất là vô cùng quan trọng, tuy nhiên hiện nay trong phần mềm Plaxis 2d phiên bản 8.2 không có phần tử này và đinh đất được bố trí theo hệ không gian nên cần qui đổi, căn cứ như phần trên phân tích đinh đất lúc này làm việc giống như tường chắn có cốt, nên

Ac - diện tích tiết diện ngang lỗ đinh, m2; S - khoảng cách theo phương ngang của các đinh, m;

Ec - mô đun đàn hồi của bê tông;

fy - cường độ thiết kế của thép làm đinh, Đối với mặt mái dốc thông thường đuợc đổ

một lớp bê tông cốt thép để bảo vệ đinh đất Trong luận văn lớp này được lựa chọn có bề dày là 100mm bê tông mác 200, với lưới cốt thép được bố trí theo cấu tạo đường kính 8mm, khoảng cách 250mm và có các tham số tính toán

Kết quả mô hình cho thấy khối trượt hình thành giới hạn tại vị trí cách đỉnh của mái dốc một khoảng 15m, lan xuống đáy lớp số 2 cách chân dốc một khoảng 2m đẩy khối đất dịch chuyển xuống và ra ngoài Cụ thể chuyển vị ngang và đứng tại vị trí chân dốc lần lượt là

Hình 8: Kết quả phân bố nội lực thân đinh

Từ kết quả biểu đồ nội lực thân đinh cho thấy nội lực của hàng đinh thứ 1 và 2 lần lượt là

20,1kN và 27,6kN tại vị trí khoảng 2,6m, tại vị trí cuối thân đinh khoảng cách 6m đến 8m thì giá trị nội lực là khá bé giá trị nhỏ hơn 10kN và so với giá trị trung bình không đáng kể

Đối với hàng đinh thứ 3 và 4 cả hai phương án biểu đồ nội lực có sự biến đổi mạnh mẽ, hàng đinh thứ 5 và 6 có sự biến đổi lớn nhất Giá trị nội lực lớn nhất của hàng đinh 5 và 6 đều lớn hơn 55 kN xuất hiện tại vị trí cách đỉnh đinh từ 1m đến 2,0m, giá trị nhỏ nhất khoảng từ 14,2 và 12,8 kN xuất hiện ở vị trí cuối đinh

Hình 9: Kết quả mô hình với chiều dài đinh 1 và 2 là 6m

Từ kết quả phân tích trên cho thấy đoạn đinh gần mặt dốc chủ yếu khống chế chuyển vị của mái dốc và chịu một phần ứng suất kéo, đảm bảo cho đỉnh mái dốc không bị phá hoại Phần giữa và cuối đinh chịu ứng cắt đảm bảo mái dốc không bị phá hoại cắt Nhưng chiều dài hiệu quả của đinh là không lớn, do vậy tác giả đề xuất hai hàng đinh đầu bố trí có chiều dài 6m và các hàng đinh còn lại có chiều dài 8m Kết quả mô hình sau điều

chỉnh hàng đinh 1 và 2 được thể hiện như hình 9

Hình 10: Biểu đồ hệ số an toàn FS với chiều dài đinh1 và 2 là 6m