Phương pháp cọc kháng trượt ổn định mái taluy.

Cọc kháng trượt là một giải pháp kết cấu bảo đảm ổn định cho mái taluy hiện được sử dụng nhiều, có diện tích chiếm đất thi công nhỏ so với giải pháp tường chắn, ít ảnh hưởng phá vỡ môi trường, tốc độ thi công xây dựng nhanh, công nghệ thi công không quá phức tạp. Cọc kháng trượt là một giải pháp có nhiều ưu thế và hiện nay đang được sử dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới như Nhật Bản, Trung Quốc, các nước châu Âu… Nghiên cứu lý thuyết tính toán cọc kháng trượt và khả năng ứng dụng giải pháp cọc kháng trượt trong ổn định mái taluy là một trong những đề tài thiết thực quan trọng để qua đó phát triển thành quy trình quy phạm đưa vào trong hệ thống các tiêu chuẩn ngành hiện nay...

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP CỌC KHÁNG TRƯỢT

TRONG ỔN ĐỊNH MÁI TALUY

A PRELIMINARY STUDY OF ANTI-SLIDING PILE SOLUTIONS

IN THE STABILITY MAINTENANCE OF THE ROOF OF THE TALUS

Lê Nguyễn Quốc Việt

Công ty Cổ phần Tư vấn và

Xây dựng Q.E.S

Đỗ Hữu Đạo

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

Bùi Phú Doanh

Trường Đại học Xây dựng

TÓM TẮT

Ổn định nền đường luôn là vấn đề khó khăn khi thiết kế các tuyến đường vùng núi, trong

đó đặc biệt là vấn đề bảo đảm ổn định chống sụt trượt cho mái taluy Ở Việt Nam, các giải pháp thường sử dụng trong thiết kế như: Đào giật bậc, tường chắn rọ đá, tường chắn trọng lực bê tông cốt thép (BTCT), và các giải pháp gia cố mái taluy bằng neo trong đất, neo ứng suất trước Tuy nhiên, các giải pháp này vẫn chưa phát huy được hiệu quả, vẫn xuất hiện các hiện tượng sụt trượt trên các tuyến đường đã thi công xong như QL7, QL8 đặc biệt là Đường Hồ Chí Minh đoạn qua địa phận Miền Trung Phương pháp dùng cọc kháng trượt để xử lý ổn định mái taluy đã và đang được ứng dụng thiết kế cho nhiều tuyến đường ô tô cao tốc, đường sắt cao tốc tại Trung Quốc với các ưu điểm: Công nghệ thi công đơn giản, kiểm soát được chất lượng công trình, chiếm ít diện tích và không phá vỡ cảnh quan môi trường Nghiên cứu áp dụng phương pháp cọc kháng trượt trong ổn định mái taluy ở điều kiện địa chất Việt Nam là nội dung chính của bài báo

ABSTRACT

Road bed foundation stabilization is always a difficult issue in the construction of roads

in mountainous areas, especially how to stabilize the foundation and prevent the slipperiness of slope paving In Vietnam, there are some engineering solutions such as step-leveling, building rocky wall, concrete wall, and reinforcement by anchor or pre-tention However, these solutions are not so efficient There are still some slipperiness and over-settlement on the constructed roads such as the International Road No 7 and No 8, and especially the Ho Chi Minh Highway

in the Highlands The method of using anti-sliding pile to stabilize the slope paving has currently been applied in the engineering for highways and express railways in China with such advantages as simple construction technology, controllability of quality, occupation of less space and fewer impacts on the environment This article focuses on the study of the anti-slipperiness piles method for the stabilization of the talus

1 Đặt vấn đề

Với diện tích đồi núi chiếm 70% và khí hậu vùng nhiệt đới gió mùa, hệ thống đường giao thông của Việt Nam xuất hiện phổ biến hiện tượng trượt mái taluy của các tuyến đường vùng núi, đặc biệt vào mùa mưa lũ Hiện tượng này gây ra nhiều thiệt hại như: tăng giá thành công trình, làm chậm tiến độ thi công; mất an toàn lao động dễ gây thiệt hại về người; nguy hiểm cho phương tiện tham gia lưu thông, thiệt hại kinh tế và kéo theo một loạt hậu quả xấu về mặt xã hội

n t n

Các giải pháp thiết kế đã và đang áp dụng hiện nay trong vấn đề xử lý ổn định

taluy vẫn thực sự chưa phát huy hết hiệu quả, vẫn xuất hiện nhiều hiện tượng sụt trượt

trên các tuyến đường giao thông Nhằm từng bước giải quyết và tiến tới đảm bảo xử lý

triệt để ổn định cho các mái taluy đường miền núi chúng ta cần phải tiến hành nghiên

cứu lý thuyết, thực nghiệm, các giải pháp mới trong vấn đề xử lý ổn định, đánh giá và

so sánh để chọn ra một giải pháp hợp lý, đảm bảo ổn định lâu dài, có giá thành hợp lý

để xây dựng công trình

Nghiên cứu lý thuyết tính toán cọc kháng trượt và khả năng ứng dụng giải pháp

cọc kháng trượt trong ổn định mái taluy là một trong những đề tài thiết thực cần được

đưa vào trong hệ thống các tiêu chuẩn thiết kế hiện nay Các tác giả bài báo dựa trên kết

quả nghiên cứu của Trung Quốc [6] hệ thống lại lý thuyết tính toán và bằng phương

pháp phần tử hữu hạn – FEM [9] – thông qua phần mềm địa kỹ thuật Plaxis để tính toán

cụ thể cho một số mặt cắt nền đường thực tế Qua đó có những khuyến nghị khi áp dụng

giải pháp này tại Việt Nam

2 Nội dung và kết quả nghiên cứu

2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán cọc kháng trượt trong ổn định mái taluy: Bao gồm các

bước sau:

- Kiểm toán ổn định trượt mái taluy;

- Tính toán sức kháng trượt của cọc kháng trượt theo giả thiết cọc đơn;

- Tính ổn định mái taluy khi có cọc kháng trượt

Hình 1 Mặt cắt ngang mái taluy ban đầu Hình 2 Mặt cắt ngang mái taluy có cọc kháng trượt

2.1.1 Biểu thức tổng quát tính lực kháng trượt của cọc:

dz C K Ka

K b

P ( O opt apt c )

1

0

+ +

Với: Ko, Ka, Kc là các hệ số ảnh hưởng của áp lực đất tĩnh, áp lực đất chủ động

và lực dính của khối trượt được xác định theo hình dạng tiết diện cọc, cách bố trí cọc và

chỉ tiêu cơ lý của nền đất; b: đường kính qui ước của cọc (cọc tiết diện chữ nhật lấy

cạnh lớn)

Ta có σ, σ0 pt,σapt tại lớp đất thứ j được xác định như sau:

σ0j, σaj là thành phần nằm ngang của cường độ áp lực đất tĩnh và áp lực đất chủ

động tại lớp đất thứ j (hình 1), tính σ0j, σaj theo công thức:

Cọc kháng trượt

1

1

oj j

i

j i i

oj γ h γ z λ

σ =⎜⎜⎝⎛∑− + ⎟⎟⎠⎞

=

(2.3)

acj j aj i

i

j i i

aj γ h γ z λ C λ

1

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+

= ∑−

=

Trong đó: γ,h: Trọng lượng riêng (có xét tới lực đẩy nổi) và chiều dày lớp đất

thứ i hoặc thứ j z = (0, hj); ∑h j = t, j = (1÷n), i = (l÷j); n là số lớp đất của khối trượt

mà cọc đi qua; l: là tổng chiều dày các lớp đất của khối trượt mà khối trượt đi qua

λ0j, λaj, λacj: Các hệ số thành phần nằm ngang của áp lực đất tĩnh, áp lực đất chủ

động và áp lực đất chủ động do lực dính của lớp đất thứ j

ϕj, Cj: Góc ma sát trong và lực dính đơn vị của lớp đất thứ j

Từ biểu thức tổng quát, ta có:

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+ +

=D ∫K σ dz ∫K σ dz ∫K C dz

1

0

1

0

1

0

(2.5) Viết dưới dạng giải tích như sau:

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

+

=

=

1

1

2 1

5 , 0 ) (

i

j j j

i i aj n

j

Cos

Cos K

D

ϕ ε ϕ

∑

∑

∑

=

−

=

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

+

j j Cj acj

j j aj i

i

j j aj

j i i

j n

aj

ε Cos

h C K λ

h C λ h γ λ

h h γ ε

Cos

Cos ε

Cos

K

1

1

1

2 0

1

5 , 0 ) (

2.1.2 Tính ổn định tổng thể mái taluy có kể đến lực kháng trượt cọc:

Biểu thức tổng quát xác định hệ số an toàn ổn định là:

t

gc gd

R R

Trong đó: Rgd: lực giữ do nền đất; Rgc: lực giữ do nền cọc; Rt: lực gây trượt

Hình 3 Biểu đồ thành phần nằm ngang của áp lực đất và lực dính

tác dụng lên cọc

Nếu gọi F0 là hệ số an toàn ổn định do nền đất tạo ra, Fc là hệ số an toàn do nền

cọc tạo ra, ta có:

t

gd R

R

F0 =

t

gc c R

R

Hệ số an toàn ổn định tổng thể của công trình:

2.2 Các kết quả nghiên cứu

Dựa trên cơ sở của phương pháp PTHH với sự trợ giúp của phần mềm Địa kỹ

thuật Plaxis, các tác giả nghiên cứu giải pháp cọc kháng trượt để gia cố ổn định mái

taluy chống trượt sườn và trượt khối nền đường cho dự án đường cao tốc Nội Bài – Lào

Cai, đoạn Km218+300 – Km222+00 [2]

Nguyên lý tính toán ổn định mái taluy của phần mềm Plaxis[9] là sử dụng

phương pháp tính theo mức độ giảm dần cường độ chống cắt τ = σtgϕ + c tại mặt phá

hoại trong nền giữa các lớp địa chất

Hệ số an toàn của mái taluy khi gia cố cọc kháng trượt được xác định theo công

thức:

φ tg

φ tg c

c

Trong đó:

ϕ, c - góc nội ma sát và lực dính của các lớp đất

ϕ*, c* - góc nội ma sát, lực dính của các lớp đất tại thời điểm mái taluy bị mất ổn định

Đồng thời từ kết quả phân tích để xác định các cung trượt cục bộ và trạng thái

ứng suất, biến dạng, nội lực trong cọc kháng trượt để tính toán cốt thép

2.2.1 Giới thiệu về dự án

+ Tuyến đường đi qua vùng sườn núi có độ cao lớn, mái dốc đào sâu, giật nhiều cơ

+ Địa chất gồm các lớp đất sét và thổ nhưỡng dễ gây mất ổn định trượt sườn và

trượt khối trong quá trình thi công đào nền và khai thác sử dụng

* Đặc trưng về nền đất:

Bảng 01 Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất

Mođun biến dạng

Hệ số poisson υ 0,35 Hệ số poisson υ 0.35

Mođun biến dạng

Mođun biến dạng

* Đặc trưng cọc kháng trượt:

- Cấu tạo cọc:

Theo các nghiên cứu của Trung Quốc cọc kháng trượt thường có các thông số thiết kế như sau:

Kích thước hình học: Tiết diện hình chữ nhật b=(1.5-2.5)m, h=(2.5-4.0)m

Trường hợp không xác định được hướng khối trượt thì chọn tiết diện tròn

Chiều dài cọc ≤ 35m Mũi cọc cắm sâu vào tầng đá gốc từ (1/3-2/5) chiều dài cọc

Cách bố trí cọc: Cọc kháng trượt được bố trí một hàng đơn hoặc nhiều hàng tùy

theo kích thước khối trượt, khoảng cách tim giữa các cọc (5-10)m

Vật liệu sử dụng: Bê tông xi măng cốt thép thường M20-M30

Để đất không trượt qua khoảng trống giữa các cọc, thường phụt vữa xi măng hoặc đá tảng chèn giữa Đối với các công trình quan trọng thì nên đặt thêm bản BTCT thành các dầm hoặc tường ngang đảm bảo ổn định toàn khối

- Chọn tiết diện và tính toán các đặc trưng hình học cọc như sau:

Hình 5 Mặt cắt ngang cọc

Bảng 02 Đặc trưng cơ lý cọc thiết kế

Cọc ngàm vào tầng đá gốc tn=2m (hình 1)

* Tổ hợp tải trọng tác dụng:

- Tải trọng bản thân đất;

- Áp lực thủy tĩnh của nước;

- Tải trọng ngoài

2.2.2 Tính toán 02 mặt cắt đặc trưng trên tuyến, các kết quả thu được như sau:

a Mặt cắt lý trình Km218+820:

Hình 6 Sơ đồ tính toán mái dốc Hình 7 Sơ đồ ổn định trượt của mái taluy

Từ sơ đồ làm việc (hình 6), ta nhận thấy mái taluy sau khi đào bạt tạo cơ sinh ra

cung trượt nguy hiểm (hình 9) Vì vậy cần có giải pháp xử lý cung trượt để mái taluy

đảm bảo ổn định

Dùng 02 hàng cọc kháng trượt L = 7m và L = 5m để gia cố ổn định cho mái taluy:

Hình 8 Sơ đồ tính toán mái dốc có 02 hàng cọc Hình 9 Sơ đồ ổn định trượt của mái taluy

Hàng cọc 2 – L =5m, a=8m Hàng cọc 1 – L =7m, a=8m

514.85 -488.77 452.04 -368.05

Hình 10 Biểu đồ nội lực cọc L=7m và cọc L=5m Hình 11 Biểu đồ hệ số an toàn Msf

* Nhận xét:

- Khi gia cố 02 hàng cọc kháng trượt như sơ đồ tính (hình 8), kết quả chạy

chương trình (hình 9) ta nhận thấy mái taluy không hình thành cung trượt nguy hiểm mà

chỉ xuất hiện trượt cục bộ so với trạng thái ban đầu (hình 7); hệ số an toàn Msf tăng (20÷25)% (hình 11) Biểu đồ nội lực: lực cắt (Q), moment (M) trong các hàng cọc như

(hình 10)

- Để giải quyết dứt điểm mất ổn định cho phần trượt cục bộ này, có thể kết hợp dùng tường chắn rọ đá nổi gia cố đỉnh cơ hoặc tường trọng lực kết cấu đơn giản

b Mặt cắt lý trình Km219+20:

Hình 12 Sơ đồ tính toán mái taluy Hình 13 Sơ đồ ổn định trượt của mái taluy

* Nhận xét:

Từ sơ đồ làm việc (hình 12) , ta nhận thấy mái taluy sau khi đào bạt tạo cơ sinh

ra cung trượt nguy hiểm (hình 13) Vì vậy cần có giải pháp xử lý cung trượt để mái

taluy đảm bảo ổn định

* Bố trí 02 hàng cọc kháng trượt L = 16m và L=11m:

Hình 14 Sơ đồ tính toán mái dốc Hình 15 Sơ đồ ổn định trượt của mái dốc

Hàng cọc 1 – L =16m, a=8m Hàng cọc 2 – L =11m, a=8m

Đường Msf trước ố

Đường Msf sau gia ố

(Q) (M) (Q) (M)

1620 -4.040 757,18 -1.920

Hình 16 Biểu đồ nội lực cọc L=16m và L=11m Hình 17 Biểu đồ hệ số an toàn Msf

* Nhận xét:

- Khi gia cố 02 hàng cọc kháng trượt như sơ đồ tính (hình 14), kết quả chạy

chương trình (hình 15) ta nhận thấy mái taluy không hình thành cung trượt nguy hiểm

mà chỉ xuất hiện trượt cục bộ so với trạng thái ban đầu (hình 13); hệ số an toàn Msf tăng

(20÷25)% (hình 17) Biểu đồ nội lực: lực cắt (Q), moment (M) trong các hàng cọc như

(hình 16)

- Để giải quyết mất ổn định cho phần trượt cục bộ này, có thể kết hợp dùng

tường chắn rọ đá nổi gia cố đỉnh cơ hoặc tường trọng lực kết cấu đơn giản

- Để giải quyết dứt điểm hiện tượng mất ổn định cho phần trượt cục bộ giữa hai

hàng cọc có thể dùng tường chắn rọ đá, tường chắn BTCT đơn giản, tấm panel lắp ghép

giữa các cọc hoặc dùng các biện pháp cải thiện đất như: phụt vữa xi măng, chất kết

dính

3 Kết luận và khuyến nghị

Bài báo đã giới thiệu lý thuyết tính toán cọc kháng trượt trong gia cố ổn định

mái taluy nền đường cùng các quy định về cấu tạo cọc dựa trên các tài liệu tham khảo

của Việt Nam, các nước cùng quy trình phòng chống trượt sườn của Trung Quốc

Các tác giả sử dụng phần mềm địa kỹ thuật Plaxis để tính toán cho 02 mặt cắt

của dự án đường cao tốc Nội Bài – Lào Cai, kết quả thu được: biểu đồ hệ số an toàn

Mfs, các biểu đồ nội lực (M,Q)

Với kết quả nghiên cứu của bài báo chúng ta nhận thấy trong trường hợp với các

mái taluy có chiều cao lớn, nguy cơ trượt sườn và trượt khối cao, hoặc các mái taluy dễ

gây mất ổn định trượt sâu mà các giải pháp thông thường gặp nhiều hạn chế thì khuyến

nghị nên sử dụng giải pháp cọc kháng trượt

Nên áp dụng giải pháp cọc kháng trượt gia cố ổn định các mái taluy nền đường

miền núi thường xuyên xảy ra trượt sườn trượt khối như đường Hồ Chí Minh, các dự án

đường cao tốc, các Quốc lộ có tầm quan trọng chiến lược, v.v sẽ đem lại độ ổn định

Đường Msf trước

Đường Msf sau khi

Cọc

L 16

Cọc

L 11

bền vững cho công trình và giá thành xây dựng thấp, thẩm mỹ cao, bảo vệ cảnh quan môi trường ;

Đối với các dự án đi qua vùng đồi núi mái taluy lớn, nguy cơ trượt sườn và trượt khối cao khuyến nghị nên đưa giải pháp cọc kháng trượt vào trong giai đoạn thiết kế ban đầu để tăng tính ổn định bề vững của công trình, giảm giá thành xây dựng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] A.B Fadeev (1995), Phương pháp phần tử hữu hạn trong địa cơ học, Nguyễn Hữu

Thái, Nguyễn Uyên, Phạm Hà dịch, NXB Giáo dục, Hà Nội

[2] Hồ sơ báo cáo kiểm tra thiết kế ổn định mái dốc đào sâu cho đoạn tuyến Km218+300-Km222+000, Dự án Đường cao tốc Nội Bài – Lào Cai, giai đoạn thiết

kế bản vẽ thi công

[3] Joseph E.Bowles - Foundation Analysis and Design-Fifth Edition, McGwaw-Hill,

2007

[4] Lymon C.Reese, William M Isenhower, Shin-Tower Wang - Analysis and design

of Shallow and Deep Foundations, John Wiley & Sons, Inc, 2005

[5] Phan Trường Phiệt (2001), Áp lực đất và tường chắn đất, Nhà xuất bản Xây dựng

[6] Quy phạm thiết kế và thi công phòng chống trượt sườn (DZ0240-2004), Tiêu chuẩn

QG Nước Cộng hoà nhân dân Trung Hoa, Nhà xuất bản XD TQ, 2004

[7] TCVN 205-1998, Tiêu chuẩn thiết kế, thi công và nghiệm thu móng cọc, Nhà Xuất

bản Xây dựng, Hà Nội, 2002

[8] Vũ Công Ngữ - Nguyễn Thái, Móng Cọc – Phân tích và Thiết kế, Nhà Xuất bản

Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004

[9] Vermeer P.A., Brinkgreve R.B.J (Eds.) (1998), PLAXIS - finite element code for soil rock ananyses Plaxis User's Manual v 7 Plaxis B V., Delft – Netherlands

(BBT nhận bài: 09/05/2011, phản biện xong: 17/05/2011)