Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Phương pháp chống sạt lở các tuyến bờ sông ở Thành phố Cần Thơ

Trong luận văn này tác giả sẽ nghiên cứu ưu khuyết điểm của từng phương pháp có khả năng áp dụng để xử lý sạt lở cho vị trí nghiên cứu và từ đó đưa ra giải pháp cừ ván bêtông cốt thép dự

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

CHÂU THỊ THU ANH

PHƯƠNG PHÁP CHỐNG SẠT LỞ CÁC TUYẾN BỜ SÔNG

Ở THÀNH PHỐ CẦN THƠ MEASURES TO PREVENT LANDSLIDES ALONG THE

RIVERBANKS IN CAN THO CITY

Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng

Mã số ngành : 60580211

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2021

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Lê Trọng Nghĩa

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Bùi Trường Sơn

5 TS Lại Văn Quí

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: CHÂU THỊ THU ANH MSHV: 1770434

Ngày, tháng, năm sinh: 06/04/1981 Nơi sinh: Cần Thơ

Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số : 60.58.0211

I TÊN ĐỀ TÀI : PHƯƠNG PHÁP CHỐNG SẠT LỞ CÁC TUYẾN BỜ

SÔNG Ở THÀNH PHỐ CẦN THƠ

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

Mở đầu

Chương 1 : Tổng quan về tính toán ổn định trượt của công trình

Chương 2 : Cơ sở lý thuyếtvề tính toán ổn định mái dốc và nghiên cứu giải

pháp chống sạt lở

Chương 3 : Phân tích, tính toán, đánh giá đoạn kè sông Cần Thơ

Kết luận và kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ngày 21 tháng 9 năm 2020

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 03 tháng 01 năm 2021

Tp HCM, ngày tháng 01 năm 2020

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS LÊ TRỌNG NGHĨA

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐỊA CƠ NỀN MÓNG

PGS.TS LÊ BÁ VINH TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS LÊ ANH TUẤN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp

“Phương pháp chống sạt lở các tuyến bờ sông ở thành phố Cần Thơ” là trung

thực và không có bất kỳ sự sao chép hay sử dụng để bảo vệ một học vị nào Tất cả những sự giúp đỡ cho việc xây dựng cơ sở lý luận cho bài luận đều được trích dẫn đầy đủ và ghi rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố

Cần Thơ, ngày tháng 01 năm 2021 Học viên thực hiện

Châu Thị Thu Anh

Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong bộ môn địa cơ nền móng, quý Thầy Cô đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong ba học kỳ qua Hôm nay, với những dòng chữ này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất

Em xin chân thành cám ơn Thầy TS Lê Trọng Nghĩa, người Thầy đã tận

tình hướng dẫn, giúp em đưa ra hướng nghiên cứu cụ thể, hỗ trợ nhiều tài liệu, kiến thức quý báu trong quá trình học tập và nghiên cứu

Em xin chân thành cám ơn các Thầy PGS.TS Võ Phán, PSG.TS Bùi Trường Sơn, PGS.TS Lê Bá Vinh và các thầy cô trong bộ môn đầy nhiệt huyết và

lòng yêu nghề, đã tạo điều kiện tốt nhất cho em học tập và nghiên cứu khoa học, luôn tận tâm giảng dạy và cung cấp cho em nhiều tư liệu cần thiết

Xin chân thành cám ơn các Ban chủ nhiệm khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Phòng Đào tạo Sau Đại học đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em

trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng xin cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã giúp đỡ để luận văn được hoàn thành

Một lần nữa xin gửi đến Quý Thầy, Cô và Gia đình lòng biết ơn sâu sắc

TP Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 01 năm 2021

Học viên

CHÂU THỊ THU ANH

lý vẫn chưa được nghiên cứu và hệ thống hóa đầy đủ một cách khoa học Trong luận văn này tác giả sẽ nghiên cứu ưu khuyết điểm của từng phương pháp có khả năng áp dụng để xử lý sạt lở cho vị trí nghiên cứu và từ đó đưa ra giải pháp cừ ván bêtông cốt thép dự ứng lực và cọc xi măng đất để gia cố bờ sông, đồng thời so sánh với giải pháp cọc bêtông cốt thép truyền thống đang sử dụng tại vị trái này

Quá trình nghiên cứu sẽ sử dụng phần mềm mô phỏng Plaxis và Geo-Slope

để tính toán cho công trình thực tế ở khu vực sạt lở bờ sông thuộc quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ Kết quả cho thấy giải pháp có tính khả thi tại vị trí nghiên cứu

và từ đó có thể nghiên cứu áp dụng rộng rãi cho những vị trí khác, mang lại hiệu quả chống sạt lở cao mà vẫn giữ nguyên trạng lòng sông

Research process will use simulation software Plaxis and Geo-Slope to calculate the actual work in the landslide area at Ninh Kiều District, Cần Thơ city The results show that the solution is feasible in the studying location and this research can also widely applied for other positions, which brings high effects for preventing the banks of river from sliding but still maintains good state of river-bed

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 4

MỤC LỤC HÌNH 8

MỤC LỤC BẢNG 11

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề nghiên cứu 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài 2

4 Ý nghĩa khoa học của đề tài và giá trị thực tiễn của đề tài 2

5 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 3

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TRƯỢT CỦA CÔNG TRÌNH 4

1.1 Giới thiệu 4

1.2 Tổng quan về đất yếu 5

1.3 Cơ chế gây sạt lở và các yếu tố gây ảnh hưởng 6

1.3.1.Cơ chế sạt lở 6

1.3.2.Các yếu tố ảnh hưởng 6

1.3.2.1.Ảnh hưởng của yếu tố dòng chảy 6

1.3.2.2.Ảnh hưởng của vật liệu dòng chảy 6

1.3.2.3.Tương tác giữa dòng chảy – lòng dẫn và quá trình xói lở 6

1.3.2.4.Các điều kiện đặc trưng của từng công trình 7

1.4 Các dạng mặt trượt tự nhiên trong tính toán ổn định trượt sâu công trình 8

1.4.1.Mặt trượt cung tròn 8

1.4.2.Mặt trượt gẫy khúc 9

1.4.3.Mặt trượt khả thực 9

1.6 Các dạng mặt trượt sau khi đã xử lý, gia cố trong tính toán ổn định trượt sâu

công trình [15][21][23] 11

1.6.1.Mặt trượt sau khi xử lý bằng vải địa kỹ thuật 11

1.6.2.Mặt trượt sau khi xử lý bằng cọc bêtông, cừ bản 11

1.6.3.Mặt trượt sau khi xử lý bằng cọc xi măng đất 12

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN 13

ỔN ĐỊNH MÁI DỐC VÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CHỐNG SẠT LỞ 13

2.1 Phương pháp tính toán ổn định mái dốc căn cứ trên cơ sở trạng thái cân bằng giới hạn trong phần mền Geo - Slope [5] 13

2.2 Mô hình nền Mohr – Coulomb trong Plaxis 15

2.2.1 Công thức tính toán của mô hình Mohr – Coulomb 15

2.2.2 Các thông số cơ bản của mô hình Mohr 17

2.3 Xác định hệ số ổn định bằng phương pháp phần tử hữu hạn 19

2.4 Giải pháp giảm lực gây trượt [17] 19

2.4.1 Làm thoải mái dốc 19

2.4.2 Bảo vệ bề mặt mái dốc 20

2.4.3 Giải pháp tăng lực kháng trượt 21

2.4.3.1 Thoát nước 21

2.4.3.2 Tường chắn trọng lực 22

2.4.3.3 Tường chắn bán trọng lực 22

2.4.3.4 Tường ổn định cơ học (MSE) 23

2.4.3.5 Điện thẩm thấu 23

2.4.3.6Giải pháp nhiệt 23

2.5 Giải pháp sử dụng tường cọc bản 26

2.5.2 Tường cọc bản bằng thép 27

2.5.3 Tường cọc bản bêtông cốt thép dự ứng lực 28

2.5.4 Các công trình áp dụng công nghệ cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực 31

2.5.5 Các dạng neo trong tường cọc bản 32

2.5.6 Ổn định của tường cọc bản ven sông 33

2.6 Giải pháp sử dụng bằng cọc xi măng đất [1] [3] [4] [8] [10][12][14] 35

2.6.1 Tổng quan về công nghệ gia cố cọc xi măng đất 35

2.6.2 Tình hình ứng dụng công nghệ trộn sâu ở Việt Nam 36

2.6.3 Ưu điểm của cọc xi măng đất 37

CHƯƠNG 3 : PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ 39

CÁC GIẢI PHÁP CHỒNG SẠT LỞ ĐOẠN KÈ SÔNG CẦN THƠ 39

3.1Mô tả công trình 39

3.1.1 Mặt bằng công trình 39

3.1.2 Đặc điểm địa chất của vùng sạt lở 41

3.1.3 Đặt điểm thủy văn 42

3.2Thông số tính toán trong mô hình 43

3.2.1 Thông số đất 43

3.2.2 Thông số cọc xi măng đất 44

3.3 Mô hình mô phỏng 46

3.3.1 Mô hình tính toán mô phỏng bằng Plaxis 49

3.3.2Mô hình tính toán mô phỏng bằng Geo Slope 53

3.4 Kết quả tính toán mô phỏng bằng Plaxis 55

3.5 Kết quả tính toán mô phỏng bằng phần mềm Geo Slope 57

3.6 Tổng hợp, phân tích kết quả tính toán 59

II Kiến nghị 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

Eo Module đàn hồi Young

E50 Module đàn hồi cát tuyến

Eoed Module tổng biến dạng

f Hàm hiệu suất/Hàm giới hạn ứng suất chính

Q Vectơ dòng chảy tại nút

Hình 1.1 Sạt lở tại km 88+937 Quốc lộ, huyện Châu Phú, tỉnh An Giang 5

Hình 1.2 Sơ đồ lực tác động lên mái dốc khi có áp lực thủy động 7

Hình 1.3 Mặt trượt công trình theo giả thiết mặt trượt trụ tròn 9

Hình 1.4 Mặt trượt công trình theo mặt trượt giả định gãy khúc 9

Hình 1.5 Mặt trượt công trình theo mặt trượt khả thực 10

Hình 1.6 Lực tác dụng lên mái dốc 10

Hình 1.7 Mặt trượt công trình khi xử lý bằng vải địa kỹ thuật 11

Hình 1.8 Mặt trượt công trình khi xử lý bằng cọc 11

Hình 1.9 Mặt trượt trước và sau khi xử lý bằng cọc xi măng đất 12

Hình 2.1 Mặt trượt thử tính toán trong phương pháp Bishop 14

Hình 2.2 Phương pháp phân mảnh đơn giản hóa của Bishop 14

Hình 2.3 Mặt dẻo trong mô hình Mohr – Coulomb 15

Hình 2.4 Mô hình mặt dẻo Mohr – Coulomb với ứng suất chính 16

Hình 2.5 Xác định Eo hoặc E50 qua thí nghiệm nén 3 trục thoát nước 18

Hình 2.6 Xác định Eoed qua thí nghiệm nén cố kết 18

Hình 2.7 Phương pháp giảm tải trọng tác dụng 20

Hình 2.8 Bảo vệ bề mặt cỏ Vetiver 20

Hình 2.9 Bảo vệ bề mặt mái dốc bằng thảm cát 21

Hình 2.10 Hệ thống thoát nước ngang kết hợp với giếng để ổn định mái dốc [17] 21 Hình 2.11 Tường chắn trọng lực 22

Hình 2.12 Tường chắn bán trọng lực 22

Hình 2.13 Vật liệu địa kỹ thuật gia cố mái dốc [17] 23

Hình 2.14 Giải pháp nhiệt luyện cho ổn định 1 mái dốc [17] 24

Hình 2.17 Một loại tường cọc bản nhựa theo tiêu chuẩn ASTM(đơn vị inches) 26

Hình 2.18 Cừ thép dùng làm tường cọc bản 27

Hình 2.19 Một số giải pháp ứng dụng tường cọc bản BTCT dự ứng lực 29

Hình 2.20 Tường cọc bản bêtông cốt thép dự ứng lực 30

Hình 2.21 Tường cọc bản có neo và không neo 30

Hình 2.22 Bờ kè Thị xã Thủ Dầu Một - tỉnh Bình Dương 31

Hình 2.23 Công trình nhà máy nhiệt điện Kiên Lương - tỉnh Kiên Giang 31

Hình 2.24 Bờ kè cảng Holcim - tỉnh Bà Rỉa Vũng Tàu 32

Hình 2.25 Các dạng neo trong tường cọc bản 33

Hình 2.26 Tường cọc bản bị mất ổn định do bị trượt sâu 33

Hình 2.27 Tường cọc bản mất ổn định do chiều sâu ngàm không đủ 34

Hình 2.28 Tường cọc bản bị phá hoại do bị gãy 34

Hình 2.29 Tường cọc bản bị phá hoại do neo 35

Hình 2.30 Biểu đồ nguyên lý gia cố đất nền bằng CDM 36

Hình 2.31 Các ứng dụng của cọc xi măng đất 37

Hình 2.32 Mặt cắt ngang của mái dốc bờ đường sắt được gia cố ở Bungari 38

Hình 2.33 Ổn định mái bờ sông ở Nhật 38

Hình 3.1 Hình ảnh công trình sạt lở 40

Hình 3.2 Mặt bằng công trình 40

Hình 3.3 Cọc xi măng đất chưa quy đổi 45

Hình 3.4 Tường xi măng đất quy đổi 45

Hình 3.5 Mặt cắt ngang tính toán ban đầu công trình (Phương án 1) 47

Hình 3.6 Mặt cắt ngang tính toán thiết kế khắc phục (Phương án 2) 47

Hình 3.9 Mô hình 2D mô phỏng bằng Plaxis - Phương án 1 49

Hình 3.10 Mô hình 3D mô phỏng bằng Plaxis - Phương án 1 49

Hình 3.11 Mô hình 2D mô phỏng bằng Plaxis - Phương án 2 50

Hình 3.12 Mô hình 3D mô phỏng bằng Plaxis - Phương án 2 50

Hình 3.13 Mô hình 2D mô phỏng bằng Plaxis - Phương án 3 51

Hình 3.14 Mô hình 3D mô phỏng bằng Plaxis - Phương án 3 51

Hình 3.15 Mô hình 2D mô phỏng bằng Plaxis - Phương án 4 52

Hình 3.16 Mô hình 3D mô phỏng bằng Plaxis - Phương án 4 52

Hình 3.17 Mô hình mô phỏng bằng Geo-Slope - Phương án 1 53

Hình 3.18 Mô hình mô phỏng bằng Geo-Slope - Phương án 2 53

Hình 3.19 Mô hình mô phỏng bằng Geo-Slope - Phương án 3 54

Hình 3.20 Mô hình mô phỏng bằng Geo-Slope - Phương án 4 54

Hình 3.21 Sơ đồ tính toán ổn định và chuyển vị (Msf =0,998) 55

Hình 3.22 Sơ đồ tính toán ổn định và chuyển vị (Msf =1,240) 55

Hình 3.23 Sơ đồ tính toán ổn định và chuyển vị (Msf =1,230) 56

Hình 3.24 Sơ đồ tính toán ổn định và chuyển vị (Msf =1,152) 56

Hình 3.25 Kết quả tính toán cung trượt và hệ số ổn định bằng Geo-Slope 57

Hình 3.26 Kết quả tính toán bằng Geo-Slope - Phương án 2 57

Hình 3.27 Kết quả tính toán bằng Geo-Slope - Phương án 3 58

Hình 3.28 Kết quả tính toán bằng Geo-Slope - Phương án 4 58

Bảng 3.1 Tổng hợp các thông số đất phục vụ quá trình mô phỏng 43

Bảng 3.2 Tổng hợp các thông số vật liệu phục vụ quá trình mô phỏng 44

Bảng 3.3 Thông số các vật liệu gia cường, tăng khả năng chống trượt 45

Bảng 3.4 Tổng hợp kết quả phân tích hệ số ổn định tại vị trí sạt lở 59

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề nghiên cứu

“Dòng sông bên lở bên bồi” là quy luật tự nhiên của một dòng chảy Đồng bằng Sông Cửu Long là vùng châu thổ có hệ thống kênh rạch chằng chịt, vùng đồng bằng phù sa màu mỡ, trù phú và là một trong những vùng kinh tế trọng điểm của nước ta Hiện tượng mất ổn định bờ kè bảo vệ kênh đào hay ven sông vẫn xảy ra thường xuyên do nhiều nguyên nhân, đã gây ra những thiệt hại nghiêm trọng về người v của, ảnh hưởng đến sản xuất và cuộc song đồng bào ở khu vực vốn đã gặp nhiều khó khăn Đặc biệt là ở khu vực tập trung nhiều kênh rạch, sông ngòi chằng chịt, những khu vực giáp với bờ sông thường tập trung lượng dân cư đông, là nơi giao dịch buôn bán, vận chuyển hàng hóa đường thủy đến các vùng

Cùng với hiện tượng sạt lở bờ sông liên tiếp xảy ra khi lũ về, khiến cho người dân ở vùng ven sông luôn luôn lo sợ mối nguy hiểm đến tính mạng và thiệt hại về tài sản và phải di dời đi nơi khác Những tổn thất về hiện tượng sạt lở bờ sông đã xảy ra trong những thập niên quả là nặng nề và thực sự là lực cản lớn nhất đến quá trình công nghịệp hóa hiện đại hóa đất nước ta ngày nay

Để khắc phục hiện tượng sạt lở, tuỳ theo địa chất, địa hình, đặt điểm dòng chảy và tải trọng tác dụng mà nhiều giải pháp tường chắn được thực hiện như: tường chắn bêtông cốt thép, tường chắn đất trọng lực thấp, tường bán trọng lực, tường bản góc bêtông cốt thép, bờ kè bằng rọ đá, bờ kè bằng thép hình, đê đập …

Hiện tượng sạt lở bờ sông có nhiều nguyên nhân riêng lẻ hay kết hợp với nhau gây ra Tuy nhiên về cơ bản có thể phân chia làm 2 hình thức sạt lở sau:

Sạt lở nông: gây sạt lở bờ trong phạm vi từ khoảng cách vài mét dưới mặt nước trở lên Loại sạt lở này gây thiệt hại lớn nhất tại các khu vực có cao trình mặt đất thiên nhiên lớn hơn nhiều so với mực nước sông, bao gồm các nguyên nhân : tác động của sóng do gió, do các phương tiện giao thông thủy gây nên sạt lở mái bờ sông; mực nước sông thay đổi theo chế độ thủy triều làm thay đổi đường bảo hòa thấm, áp lực thấm, trọng lượng khối đất mép bờ sông, điều này có tác dụng bất lợi cho ổn định mái bờ

Sạt lở sâu: gây trượt sâu dưới chân mái dốc, mặt trượt cách mặt nước có khi đến hàng chục mét Loại phá hoại này gây thiệt hại trên phạm vi lớn hơn, mức độ nghiêm trọng hơn hẳn so với sạt lở nông, biện pháp khắc phục cũng phức tạp, tốn kém hơn Các nguyên nhân chủ yếu là: do dòng chảy có lưu tốc cao, hình thái lòng sông khúc khuỷa hình thành những hố xói làm sạt lở mái bờ, do các công trình thủy lợi làm thay đổi dòng chảy, tải trọng các công trình đặt trên bờ sông cũng là một trong những nguyên nhân quan trọng gây sạt lở

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu ứng xử của đất, khả năng ổn định của các công trình ven sông trên nền đất yếu dưới các loại tải trọng tác động khác nhau, từ đó đề xuất ra một hệ thống các giải pháp chống sạt lở công trình ven sông trên đất yếu

Đánh giá các giải pháp sử dụng cọc BTCT áp dụng tại vị trí sạt lở

Nghiên cứu giải pháp dùng cừ ván dự ứng lực để gia cố công trình trên đất yếu ven sông

Nghiên cứu giải pháp dùng cọc xi măng đất để gia cố công trình trên đất yếu ven sông

3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Giới thiệu, phân tích cơ sở lý thuyết về việc kiểm tra ổn định mái dốc trước đây

Giới thiệu hệ thống hóa các giải pháp thường dùng để xử lý nền đất yếu ven kênh rạch

Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis và GeoStudio giải pháp chống sạt lở để phân tích đánh giá ứng xử của đất và sự hình thành cung trượt trong quá trình sử dụng và khai thác công trình

4 Ý nghĩa khoa học của đề tài và giá trị thực tiễn của đề tài

Đưa ra một hệ thống giải pháp giúp đánh giá một cách tổng quan về nguyên nhân hình thành sạt lở dưới các nguyên nhân khác nhau, nghiên cứu ứng xử của cọc BTCT đối với các giải pháp ổn định mái dốc và đưa ra một số phương pháp khác nhằm so sánh ưu nhược điểm

Giải quyết vấn đề mất ổn định tại vị trí công trình và vùng lân cận đang diễn

ra ngày càng nhiều và phức tạp trong những năm gần đây bằng giải pháp hợp lý mang lại hiệu quả kinh tế cao và thân thiện môi trường

Vì vậy việc nghiên cứu, đánh giá lại việc sử dụng cọc BTCT áp dụng tại vị trí sạt lở; đồng thời ứng dụng các giải pháp gia cố cừ ván dự ứng lực SW-600 hay gia cố bằng cọc xi măng đất để chống sạt lở cho tuyến kè sông Cần Thơ là một công trình tiêu biểu thể hiện được tính khoa học và thực tiễn

5 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Do thời gian nghiên cứu có hạn, nên đề tài có một số hạn chế sau :

+ Chỉ mới tính toán và mô phỏng vị trí sạt lở tại đoạn kè sông Cần Thơ thuộc quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ

+ Chưa xét ảnh hưởng của tải trọng động của dòng chảy lên công trình + Chưa xét bài toán thủy lực của dòng chảy tại khu vực bị sạt lở

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TRƯỢT CỦA

CÔNG TRÌNH

1.1 Giới thiệu

Vấn đề sạt lở và mất ổn định mái dốc đã được nhiều tác giả nghiên cứu từ rất lâu bởi tính chất quan trọng của nó Trong những năm gần đây, dưới tác động của việc biến đổi khí hậu, tình hình sạt lở diễn ra với tần suất nhiều hơn và kéo dài trên diện rộng không chỉ nước ta mà trên toàn thế giới Sạt lở có thể cướp đi sinh mạng của nhiều người, đất đai, nhà cửa Nguyên nhân dẫn đến sạt lở có thể là do mái dốc quá dốc, do sự tăng mực nước ngầm, đường thấm trong đất hay do xói ở chân taluy, giảm cường độ của đất quá lâu do sạt lở hay bị phong hóa Đối với những nền đất ở ven sông chủ yếu là đất yếu có chiều dày lớn, là nơi bồi lắng phù sa, chịu ảnh hưởng trực tiếp của thủy triều tạo ra dòng thấm của nước triều bên trong nền đất làm thay đổi các đặc trưng cơ lý và khả năng chịu lực của đất nền dưới đường, làm giảm độ ổn định của nền đắp, nguy cơ xảy ra sạt lở là rất lớn Khi sạt lở xảy ra thường có nhiều hơn một nguyên nhân, trong nhiều trường hợp, một vài nguyên nhân tồn tại cùng một lúc

Theo V.Đ.Lomtađze [5], có năm nguyên nhân gây trượt lở :

- Tăng cao độ dốc của sườn, của mái dốc khi cắt xén, khai đào hoặc xói lở khi thi công mái quá dốc

- Làm giảm độ bền của đất đá do biến đổi trạng thái vật lý khi tẩm ướt, trương nở, giảm độ chặt, phong hóa, phá hủy kết cấu tự nhiên …hoặc do phát triển các hiện tượng từ biến trong đất đá

- Tác động của áp lực thủy tĩnh và thủy động lên đất đá, gây nên biến dạng thấm ( xói ngầm, chảy trôi, biến thành trạng thái cát chảy…)

- Biến đổi trạng tháo ứng suất của đất đá ở trong đới hình thành sườn dốc và thi công mái dốc

- Tác động bên ngoài : chất tải trên sườn dốc, mái dốc, kể cả những khu kế cận của đỉnh dốc, dao động địa chấn và vi địa chấn…

Hình 1.1 Sạt lở tại km 88+937 Quốc lộ, huyện Châu Phú, tỉnh An Giang 1.2 Tổng quan về đất yếu

Đất yếu là loại đất không có khả năng tiếp nhận trực tiếp tải trọng từ công trình Hiện nay, không có định nghĩa rõ ràng về đất yếu và phần lớn các nước trên thế giới thường thống nhất định nghĩa về nền đất như sau:

e > 1 c ≤ 5 KN/m²

W(%) > 60%  ≤ 10o

IL > 1 E ≤ 5000 KN/m²

Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCXD 9355:2012 Gia cố đất yếu bằng bất thấm

thoát nước, đất yếu được định nghĩa như sau: “đất phải xử lí, gia cố mới có thể dùng làm nền cho móng công trình Các loại đất yếu thường gặp là bùn, đất loại sét (sét, sét pha, cát pha) ở trạng thái dẻo nhão Những loại đất này thường có độ sệt lớn (IL>1), có hệ số rống (e>1), có góc ma sát trong nhỏ (<10 0 ), có lực dính theo kết quả cắt nhanh không thoát nước C<15 kPa, có lực dính theo kết quả cắt cánh hiện trường là C u < 35 kPa, có sức chống mũi xuyên tĩnh q c < 0.1 Mpa, có chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT là N<5.”

1.3 Cơ chế gây sạt lở và các yếu tố gây ảnh hưởng

Hiện tượng sạt lở xảy ra ở rất nhiều nơi trên thế giới và Việt Nam Đặc biệt ở những công trình nằm trên mái dốc, công trình chạy dọc theo các hệ sống sông rạch Những mái dốc tự nhiên đã ổn định trong nhiều năm có thể bất ngờ bị phá hoại hay sạt lở bởi những thay đổi của địa hình, địa chấn, sự suy giảm cường độ, thay đổi ứng suất, sự dao động của mực nước sông có chu kỳ [11], địa chất yếu cũng được xem là nhân tố quan trọng góp phần gây sạt lở những tuyến dường ven sông ở đồng bằng sông Cửu Long nói chung và ở tỉnh An Giang nói riêng, chiều dày tầng đất yếu nơi đây tương đối lớn, thường trên 20 m, hệ số thấm nhỏ và thường xuyên ngập chìm trong nước

1.3.1 Cơ chế sạt lở

Cơ chế sạt lở đất rất phức tạp Sạt lở đất được giải thích là sự mất cân bằng giữa thành phần kháng trượt và thành phần gây trượt Khi mái dốc ổn định sự cân bằng này được duy trì Tuy nhiên, trong một trường hợp nào đó, điều kiện cân bằng này không còn tồn tại Sự phá vỡ cân bằng có thể do giảm thành phần kháng trượt hoặc tăng thành phần gây trượt hoặc cả hai

Cơ chế mất ổn định tổng thể của công trình trên đất yếu và đất sét thường xuất hiện dưới dạng khối trượt cung tròn [17]

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng

1.3.2.1 Ảnh hưởng của yếu tố dòng chảy

Vào mùa lũ lưu lượng, lưu tốc dòng chảy lớn lại trùng vào mùa gió có triều cường gây ra sóng lớn tác động vào bờ Dòng chảy chịu ảnh hưởng của thủy triều, nhất là khi triều rút, sự thoát nước nhanh tạo ra lưu tốc lớn

1.3.2.2 Ảnh hưởng của vật liệu dòng chảy

Kết cấu trầm tích ven bờ yếu, kém chặt sít do chưa qua quá trình nén chặt tự nhiên, đất luôn bị bão hòa nước, độ gắn kết thấp dễ bị dòng chảy làm xói mòn gây sạt lở

1.3.2.3 Tương tác giữa dòng chảy – lòng dẫn và quá trình xói lở

Quá trình phát triển của xói lở hoặc bồi là sự tương tác liên tục của dòng chảy đối với lòng dẫn Dòng chảy có lưu tốc (cục bộ) cao hơn khả năng kháng xói

của lòng dẫn tất yếu gây xói lòng dẫn Biến đổi của lòng dẫn lại tạo nên những thay đổi về cấu trúc của dòng chảy

Tác động của áp lực thủy tĩnh: Vào các thời kỳ mùa lũ hoặc khi triều dâng, phần đất đá ngập nước nằm trong trạng thái bị đẩy nổi và trọng lượng của nó không

đủ để giữ yên các khối đất đá nằm ở phía trên Đất đá ở phía trên gần như mất điểm tựa bắt đầu dịch chuyển và làm cho phần đất đá trong trạng thái bị đẩy nổi bên dưới

bị trượt Ngoài ra, đất đá ở trạng thái đẩy nổi cũng làm giảm ứng suất pháp có hiệu

ở tại mặt trượt đã xác định hoặc đang dự đoán, do đó sức chống cắt của đất đá giảm xuống và có thể phát sinh trượt

Tác động của áp lực nước thủy động: Nước mưa, nước mặt ngấm xuống đất theo các lỗ hổng, khoảng trống có trong đất đá và tạo ra dòng thấm lưu thông trong đất đá Sự vận động thấm của nước dưới đất gây ra áp lực thủy động có ảnh hưởng đến sự biến đổi trạng thái ứng suất của đất đá cấu tạo bờ và gây ra biến dạng thấm

Hình 1.2 Sơ đồ lực tác động lên mái dốc khi có áp lực thủy động

Từ sơ đồ trên cho thấy áp lực thủy động hướng theo phương dòng thấm và

có giá trị càng lớn khi độ thấm nước của đất đá càng bé Trong những thời gian biến đổi đột ngột gradien áp lực, áp lực thủy động sẽ tác động vào đất đá ở bờ và gây trượt lở bờ

1.3.2.4 Các điều kiện đặc trưng của từng công trình

Bên cạnh nhưng ảnh hưởng của yếu tố chung, mỗi công trình đều có đặc trưng khác biệt như : tải trọng công trình trên bề mặt, (công trình giao thông, nhà ở), giao thông thủy, khai thác cát trái phép, xây nhà lấn chiếm bờ sông, hoạt động lấn

bờ đào ao nuôi cá, neo đậu bè cá…

Những hoạt động kinh tế xây dựng ảnh hưởng rất lớn đến hiện tượng trượt lở

bờ sông Hậu, có thể kể như sau:

- Phá hủy lớp phủ thực vật tạo mặt bằng xây dựng, làm mất ổn định bờ

- Xây dựng công trình nằm sát mép bờ sông thậm chí lấn chiếm ra phía sông làm thay đổi chế độ dòng chảy, cấu tạo địa chất không thuận lợi (đất yếu)… gây bất lợi cho sự ổn định bờ

- Tàu thuyền có tải trọng lớn đi lại gây nên sóng lớn tác dụng trực tiếp vào

bờ, gây xói lở bờ

- Các bãi, bến ghe, thuyền neo đậu không hợp lý tạo ra mặt cắt ướt lòng sông

co hẹp dẫn đến dòng chảy thay đổi, gây xói lở bờ

- Quá trình khai thác cát bừa bãi với qui mô lớn ở vùng và phụ cận làm thay đổi chế độ dòng chảy của sông dẫn đến quá trình lở bờ xảy ra

- Sử dụng không đúng, không hợp lý về các giải pháp và kết cấu của các công trình bảo vệ bờ do không nắm chắc số liệu về dòng chảy và sự biến đổi của dòng chảy, cũng như các số liệu về địa chất, về cấu tạo vùng bờ

1.4 Các dạng mặt trượt tự nhiên trong tính toán ổn định trượt sâu công trình

Trên cơ sở phân tích ổn định mái dốc và nghiên cứu các dạng mặt trượt từ đó

có thể đề ra những giải pháp phòng ngừa an toàn và kinh tế trong công tác xử lý và phòng chống sạt lở Những phương pháp làm ổn định mái dốc bao gồm phương pháp về cấu trúc để gia tăng mức độ ổn định và cả phương pháp quản lý nhằm phục hồi và tăng cường sự ổn định của mái dốc Phương pháp kết cấu được thực hiện trên một vị trí cụ thể và phương pháp không dùng kết cấu cho những quy hoạch tổng quát trên diện rộng Hiện nay có rất nhiều phương pháp chống sạt lở, tuy nhiên không phải tất cả những phương pháp đều thích hợp với mỗi dạng phá hoại trong tự nhiên, việc lựa chọn giải pháp thích hợp nó còn phụ thuộc vào các yêu cầu về kỹ thuật như khả năng chịu lực của kết cấu, độ bền của đất, điều kiện thi công tại công trường, mỹ quan, mục tiêu và giá thành xây dựng

1.4.1 Mặt trượt cung tròn

Kết quả quan trắc thực tế cho thấy mặt trượt của các mái đất có dạng liên tục gần như một cung tròn, từ đó giả thiết mặt trượt có dạng cung tròn bán kính R để

tính toán tìm ra cung trượt nguy hiểm nhất tương ứng với hệ số an toàn ổn định

Hình 1.4 Mặt trượt công trình theo mặt trượt giả định gãy khúc

1.4.3 Mặt trượt khả thực

Phương pháp này được áp dụng tính toán trong trường hợp nền đất có kẹp lớp đất yếu nằm gần đáy công trình, phía dưới là lớp đất tốt Mặt trượt lúc này có dạng là một đường liên tục và nằm gọn trong lớp đất yếu

Hình 1.5 Mặt trượt cơng trình theo mặt trượt khả thực

1.5 Các quan điểm thiết kế ổn định mái dốc

Nhìn chung những giải pháp làm ổn định mái dốc thường là giảm lực gây trượt, tăng lực chống trượt hay đạt cả hai trong cùng một phương pháp (Hình 1.2) Theo [17] lực gây trượt cĩ thể được giảm bớt bằng cách đào bỏ một phần vật liệu thích hợp từ vùng đất khơng ổn định và tạo sự thốt nước để làm giảm áp lực thủy tĩnh tác động lên vùng mất ổn định, lực chống trượt cĩ thể được tăng lên chẳng hạn như thốt nước để làm tăng cường độ kháng cắt của đất, loại bỏ địa chất yếu hoặc ở những vùng cĩ nguy cơ trượt, xây dựng những kết cấu chống đỡ, gia cố đất tại chỗ hay xử lý hĩa chất (làm cứng đất) để tăng cường độ kháng cắt của đất

Bề mặt trươ

ït Bề mặt đất

Lực gây

trượt Lực khán

g trượt

Trọng lượng

Hình 1.6 Lực tác dụng lên mái dốc

1.6 Các dạng mặt trượt sau khi đã xử lý, gia cố trong tính toán ổn định trượt sâu công trình [15][21][23]

1.6.1 Mặt trượt sau khi xử lý bằng vải địa kỹ thuật

Khi có gia cường các lớp vải địa kỹ thuật, các lớp vải địa kỹ thuật được gia cường theo phương nằm ngang vì trong trường hợp mái dốc khối đất có phương dãn

nở theo phương ngang như hình 1.7, mặt trượt chỉ có thể xảy ra khi phải cắt đứt hoặc kéo tuột (ra khỏi khối đất trượt hoặc khối đất ổn định) các lớp vải chắn ngang

nó

Hình 1.7 Mặt trượt công trình khi xử lý bằng vải địa kỹ thuật

1.6.2 Mặt trượt sau khi xử lý bằng cọc bêtông, cừ bản

Mặt trượt khi xử lý bằng cọc, cừ cắm vào nền đất cắt ngang cung trượt sẽ có khuynh hướng làm cung trượt phát triển lớn hơn hoặc hướng mất ổn định giữa hai hàng cọc đối với cọc bêtông hoặc có thể cắt ngang cừ bản làm biến dạng (hình 1.8)

Hình 1.8 Mặt trượt công trình khi xử lý bằng cọc

1.6.3 Mặt trượt sau khi xử lý bằng cọc xi măng đất

Mặt trượt sau khi xử lý bằng cọc xi măng đất cũng có khuynh hướng làm cung trượt phát triển sâu hơn để vượt qua chân cọc hoặc có thể cắt ngang qua cọc

Hình 1.9 Mặt trượt trước và sau khi xử lý bằng cọc xi măng đất

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN

ỔN ĐỊNH MÁI DỐC VÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CHỐNG SẠT LỞ

2.1 Phương pháp tính toán ổn định mái dốc căn cứ trên cơ sở trạng thái cân bằng giới hạn trong phần mền Geo - Slope [5]

Các công thức cân bằng giới hạn có các giả thiết sau :

1 Đất được xem như vật liệu tuân theo nguyên lý Morh-Coulomb

2 Hệ số an toàn độ bền của thành phần cố kết và thành phần ma sát là bằng nhau cho cả khối trượt

3 Hệ số an toàn như nhau cho tất cả mặt trượt

Năm 1995, Bishop đề nghị một giải pháp cải tiến hơn so với phương pháp phân mảnh cổ điển Trong phương pháp này, lực tương tác giữa các mảnh được xem xét đến ở một mức độ nhất định Chúng ta cũng có thể nghiên cứu phương pháp này thông qua hình 2.1 Những lực tác dụng trên mảnh thứ n được thể hiện ở hình 2.2 Đặt Pn – Pn+1 = P và Tn – Tn+1 = P Chúng ta cũng có thể viết :

s n s

r n d d r r

F

L c F N L c N

)

tan ( )

(2.1) Hình 2.2b thể hiện tứ giác lực cho cân bằng của mảnh thứ n Tổng những lực theo phương đứng là :

n s

n s

r n r n

F

L c F

N N

n n

n n

r

F

F

L c T W



sin tan cos

 sin  (2.4) Trong đó :

) tan (

1 )

tan (

F L c

F

Thay công thức 2.3 vào công thức 2.5 ta được :





n n

n n

n s

W

m T

W cb F

(

) (

(2.6) Trong đó :

n F

n n

(n)

 cos tan sin (2.7) Một quá trình thử sai để tìm giá trị của Fs Giống như phương pháp phân mảnh cổ điển, một số mặt trượt phải được khảo sát để có thể tìm mặt trượt tới hạn ứng với hệ số an toàn nhỏ nhất

Hình 2.1 Mặt trượt thử tính toán trong phương pháp Bishop

(a) (b)

(a) Lực tác dụng lên mảnh thứ n, (b) Đa giác lực cho cân bằng

Hình 2.2 Phương pháp phân mảnh đơn giản hóa của Bishop

2.2 Mô hình nền Mohr – Coulomb trong Plaxis

Trong Plaxis, ứng xử cơ học của đất có thể mô phỏng ở các mức độ chính xác khác nhau bằng cách ứng dụng các mô hình đất nền với mức độ phức tạp khác nhau Các mô hình nền như : Linear Elastic, Mohr-Coulomb, Soft-Soil, Hardening Soil, Modified Cam-Clay v.v… là những mô hình nền đã được phát triển và ứng dụng trong nhiều phần mềm địa kỹ thuật và trong Plaxis Trong đó mô hình Mohr-Coulomb là mô hình cơ bản, thông thường được sử dụng nhất và được xem là gần đúng với ứng xử thực của đất Trong luận văn, mô hình này được áp dụng cho việc

mô phỏng tính toán Mô hình Mohr-Coulomb dựa trên lý thuyết đàn hồi dẻo thuần túy và có các thông số cơ bản sau: Modul đàn hồi Eo (hoặc E50), hệ số Poisson , lực dính c, góc nội ma sát  và góc giãn 

Hình 2.3 Mặt dẻo trong mô hình Mohr – Coulomb 2.2.1 Công thức tính toán của mô hình Mohr – Coulomb

Tính dẻo thường kết hợp với sự phát triển của biến dạng không hồi phục được Để dự đoán sự xuất hiện của tính dẻo, trong tính toán người ta đưa ra khái niệm hàm giới hạn dẻo f như là một hàm của ứng suất và biến dạng Một hàm giới hạn dẻo thường được biểu diễn như là một mô hình được tạo thành bởi mặt phẳng dẻo giới hạn cố định

Điều kiện giới hạn đầy đủ của Morh – Coulomb bao gồm 6 hàm giới hạn và

là hàm của các ứng suất chính :

0cos.sin)

.(

2

1).(

2

3 ' 2 '

3 ' 2

.(

2

1).(

2

2 ' 3 '

2 ' 3

0cos.sin)

.(

2

1).(

2

1 ' 3 '

1 ' 3

0cos.sin)

.(

2

1).(

2

3 ' 1 '

3 ' 1

0cos.sin)

.(

2

1).(

2

2 ' 1 '

2 ' 1

0cos.sin)

.(

2

1).(

2

1 ' 2 '

1 ' 2

Các hàm này trong không gian ứng suất được biểu diễn bởi 1 hình nón 6 cạnh như sau :

Hình 2.4 Mô hình mặt dẻo Mohr – Coulomb với ứng suất chính

Trên cơ sở các hàm giới hạn, 6 hàm thế năng dẻo được xác định cho mô hình Morh-Coulomb như sau :

2

3 ' 2 '

3 ' 2

2

2 ' 3 '

2 ' 3

2

1 ' 3 '

1 ' 3

2

3 ' 1 '

3 ' 1

2 ' 1 '

2 ' 1

2

1 ' 2 '

1 ' 2

Với  là góc giãn nở

2.2.2 Các thông số cơ bản của mô hình Mohr

Các thông số đầu vào bao gồm :

unsat : dung trọng tự nhiên của đất

sat : dung trọng bão hòa của đất

kx : Hệ số thấm theo phương ngang

ky : hệ số thấm theo phương đứng

c : lực dính của đất

 : góc ma sát trong của đất

 : hệ số poisson

Eo hoặc E50 : Module đàn hồi

Eoed : Module tổng biến dạng

Plaxis dùng module Young Eo như là độ cứng cơ bản của module đàn hồi để

sử dụng trong mô hình đàn hồi và mô hình Mohr-Coulomb, tuy nhiên giá trị Eothường cho giá trị khá lớn cho nên trong cơ học đất sử dụng modul đàn hồi cát tuyến ở 50% độ bền E50 thay thế cho giá trị Eo, giá trị được xác định như hình 2.5 sau :

Hình 2.5 Xác định Eo hoặc E50 qua thí nghiệm nén 3 trục thoát nước

Ngoài ra nếu không có thí nghiệm để xác định module đàn hồi E50 có thể xác định qua module tổng biến dạng Eoed, các xác định thông số Eoed được thể hiện ở hình 2.6 :

Hình 2.6 Xác định Eoed qua thí nghiệm nén cố kết

2.3 Xác định hệ số ổn định bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Hệ số ổn định xác định bằng phương pháp phần tử hữu hạn được định nghĩa dựa trên quan hệ ứng suất tại một điểm, là tỷ số giữa sức chống cắt của đất,f, và ứng suất cắt, , do tải trọng gây ra trong đất tại một điểm

τ f τ sf

sf M

' c sf

M

' tan ' σ sf

M

' c ' tan ' σ sf M f

tanφ  

,

FS

' c r

c  Phần mềm Plaxis xác định hệ số Msfbằng tính lặp thử và sai với thay đổi Msf để đạt được cân bằng ở phương trình (2.20) khi ứng suất do tải trọng gây ra tại một điểm được xác định Trong phương pháp này các thông số tan và c được rút gọn theo công thức :

r c

c r tan

tan sf

Trong đó : c và  là thông số cường độ thực; c r và r là thông số cường độ suy giảm Quá trình rút gọn được kiểm soát bởi thông số Msf Thông số này gia tăng từng bườc cho đến khi phá hoại xảy ra Hệ số an toàn chính là giá trị Msflúc xảy ra phá hoại

2.4 Giải pháp giảm lực gây trượt [17]

2.4.1 Làm thoải mái dốc

Giải pháp làm đánh cấp mái dốc, thoải mái dốc thường được sử dụng để tăng cường sự ổn định cho mái dốc [3] Tuy nhiên giải pháp này chỉ gia cố tạm thời, lấp hố xói và đẩy dòng chảy ra xa bờ hạn chế xói lở mái dốc, nhưng về lâu dài

sẽ làm thu hẹp, thay đổi dòng chảy ảnh hưởng đến giao thông đường thủy cũng như dẫn đến xói lở khu vực lân cận

Hình 2.7 Phương pháp giảm tải trọng tác dụng

2.4.2 Bảo vệ bề mặt mái dốc

Mục đích của sự bảo vệ bề mặt mái dốc là để ngăn chặn thấm do mưa lớn

để cho mái dốc có thể được khô ráo, chống xói do tác động của sóng, dòng chảy Những phương pháp bảo vệ bề mặt mái dốc chẳng hạn như trồng cỏ, đá hộc đổ rối, đá hộc lát khan, đá hộc xây, thảm rọ đá và các tấm bê tông đúc sẵn …

Hình 2.8 Bảo vệ bề mặt cỏ Vetiver

Hình 2.9 Bảo vệ bề mặt mái dốc bằng thảm cát 2.4.3 Giải pháp tăng lực kháng trượt

2.4.3.1 Thoát nước

Theo [17] giải pháp thoát nước là quan trọng nhất trong tất cả các kỹ thuật

ổn định mái dốc được xem xét để xử lý và ngăn chặn sạt lở, thoát nước làm giảm

áp lực thủy tĩnh và lực thấm trong mái dốc Đối với các công trình ven sông như nền đường, kè, đê đập, quá trình giảm đột ngột mực nước sông luôn gây nguy hiểm cho sự ổn định của mái dốc do nước trong các lỗ rỗng của đất không thoát kịp tạo nên lực thấm gây mất ổn định mái dốc

Hình 2.10 Hệ thống thoát nước ngang kết hợp với giếng để ổn định mái dốc

[17]

Độ ổn định của tường được đảm bảo không những chỉ do trọng lượng bản thân tường và bản móng mà còn do trọng lượng của khối đất đắp nằm trên bản móng

Hình 2.12 Tường chắn bán trọng lực