LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH GEOSLOPE ĐỂ KIỂM TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC TA LUY NỀN TRÊN ĐƯỜNG HỒ CHÍ MINH

ở nước ta hiện rất nhiều phần mềm tính toán ổn định được sử dụng: bộ phần mềm Geo-Slope, Plaxis, STAB 95, và nhiều phần mềm do các tác giả trong nước xây dựng Phổ biến nhất là việc sử dụ

-aúb -

Nguyễn minh nhật

Cơ sở lý thuyết và ứng dụng

chương trình Geo-Slope để kiểm toán ổn định mái dốc ta luy nền

Lời cảm ơn

Để hoàn thành được luận án này, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của các thày giáo hướng dẫn, các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp, và các cơ quan liên quan

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học – Trường Đại học Giao thông Vận tải đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn các bạn đồng nghiệp trong Bộ môn

Đường bộ và Khoa Công trình – Trường Đại học Giao thông Vận tải đã

đóng góp những ý kiến thiết thực và quý báu

Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo hướng dẫn TS Lã Văn Chăm, thầy giáo Th.S Nguyễn Quang Phúc – Bộ môn

Đường bộ Trường Đại học Giao thông Vận tải, là những người thầy đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu và hoàn thành luận án

Trong khuôn khổ một luận án Thạc sỹ khoa học kỹ thuật, chắc chắn chưa đáp ứng được một cách đầy đủ những vấn đề đã đặt ra, mặt khác do trình độ bản thân còn nhiều hạn chế Tác giả xin chân thành cảm ơn và tiếp thu nghiêm túc những ý kiến đóng góp của các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp

Hà nội, ngày tháng năm 2006

Tác giả

Mục Lục

i

Lời cảm ơn 1

Mục Lục 2

Mở đầu 4

Chương i 8

Tổng quan về tính toán ổn định bờ dốc 8

1.1 ổn định bờ dốc 8

1.1.1 Các hiện tượng chuyển dịch đất đá trên bờ dốc 8

1.1.2 Vấn đề ổn định bờ dốc 9

1.1 các yếu tố ảnh hưởng tới sự ổn định bờ dốc 10

1.2.1 Các yếu tố tự nhiên 10

1.2 tính toán ổn định bờ dốc 14

1.3.1 Tính toán ổn định với mặt trượt phẳng 15

1.3 các giải pháp bảo vệ và gia cố mái dốc 22

1.4.1 Thiết kế mặt cắt hình học hợp lý cho mái dốc 23

1.4.2 Hạn chế ảnh hưởng của nước mặt và nước ngầm 26

1.4.3 Dùng kết cấu gia cường, kết cấu chống đỡ chịu lực 28

1.4.4 Giảm bớt ảnh hưởng của hiện tượng mất ổn định mái dốc đối với công trình 28

Chương ii 30

CHƯƠNG TRìNH SLOPE/W TíNH TOáN ổn định bờ dốc 30

2.1.Giới thiệu chung 30

2.1.1 Tính toán ổn định bờ dốc ở Việt Nam 30

2.1.2 Giới thiệu một số phần mềm tính ổn định bờ dốc 31

2.2 giới thiệu chương trình 33

2.2.1 Đặc điểm chương trình Slope/W 33

2.2.2 Sơ đồ tính toán 33

2.2.3 Phương pháp cân bằng giới hạn 35

2.2.4 Các bước tính toán hệ số an toàn 37

2.2.5 Các phương pháp tính ổn định mái dốc sử dụng trong Slope/W 40

2.3 sử dụng chương trình 41

2.3.1 Nhập số liệu - Define 42

2.3.2 Tính toán - Solve 47

2.3.3 Hiển thị kết quả tính toán - Contour 48

2.4 Các dạng bài toán 49

2.4.1 Các dạng mặt trượt 49

2.4.2 Các dạng tải trọng 53

2.4.3 Tính toán xác suất ổn định mái dốc 56

2.5 Những nhận xét về sử dụng Slope 56

2.5.1 Lựa chọn các thông số tính toán 56

2.5.2 Lựa chọn phương pháp tính toán và các dạng mặt trượt 57

2.5.3 Một số vấn đề khi tính toán thiết kế tường chắn 58

Chương iii 59

ứng dụng CHƯƠNG TRìNH SLOPE/W TíNH TOáN ổn định bờ dốc trên đường Hồ chí minh 60

3.1.Giới thiệu đường Hồ Chí Minh 60

3.2 sụt trượt trên đường Hồ Chí Minh 63

3.2.1 Tình hình chung 63

3.2.2 Tình trạng sụt trượt trên đường Hồ Chí Minh 65

3.2.3 Các biện pháp xử lý sụt trượt trên đường Hồ Chí Minh 66

3.3 sử dụng slope tính ổn định mái dốc trên đường 69

Hồ Chí Minh 69

Kết luận kiến nghị 76

Mở đầu

Một trong những yêu cầu cơ bản đối với nền đường là sự ổn định toàn khối Sự ổn định này không những phải đảm bảo trong quá trình thi công mà còn cả trong quá trình khai thác Với một số tuyến đường thì công tác thiết

kế đảm bảo ổn định chiếm một vai trò lớn, khối lượng công việc lớn và do vậy chi phí cho công tác này thường lớn Đặc biệt khi xây dựng những tuyến

đường qua vùng đất yếu, vùng đồi núi có địa chất không ổn định

Hiện tượng sụt trượt ta luy nền đường được con người biết đến từ rất lâu, các giải pháp phòng chống đảm bảo ổn định cho các công trình cũng rất đa dạng Tuy nhiên hiện tượng này luôn mang tính thời sự bởi tính bất ngờ cùng với những hậu quả nghiêm trọng khi nó xẩy ra Hàng năm có rất nhiều vụ sụt trượt xảy ra và hậu quả do chúng để lại thường gây ra tổn thất lớn: thiệt hại

về người, gây hư hỏng các công trình, đình trệ các quá trình sản xuất, lưu thông và do vậy gây lãng phí về thời gian tiền của

Nước ta thuộc miền khí hậu nhiệt đới gió mùa, sự chênh lệch về nhiệt độ, lượng mưa và khí hậu trong năm là khá đáng kể Đặc biệt một số vùng có lượng mưa lớn và không đều trong năm (khu vực miền Trung, Tây Nguyên) Nước ta lại là một nước có phần lớn diện tích là đồi núi, các tuyến đường

được xây dựng thường đi qua khu vực đồi núi có địa hình phức tạp Những nguyên nhân trên khiến cho các công trình đường ở nước ta phải đối mặt thường xuyên với những hiện tượng sụt trượt: đường Hồ Chí Minh, quốc lộ 4D – Lào Cai, quốc lộ 37 – Yên Bái, ga đường sắt trên đèo Hải Vân Chính vì vậy công tác thiết kế ổn định, kiên cố hóa các tuyến đường được chú trọng

Tuyến đường Hồ Chí Minh là một trong những công trình trọng điểm của

đất nước ta nhằm thực hiện nhiều sứ mệnh quan trọng Quyết tâm xây dựng con đường hiện đại, đảm bảo được những mục đích đề ra được Đảng, Nhà nước, nhân dân hết sức quan tâm Đây là tuyến đường có chiều dài lớn (3.129Km), đi qua nhiều vùng địa hình khí hậu khác nhau: từ miền Bắc, miền Trung đến khu vực Tây Nguyên, Nam Bộ Những điều kiện khó khăn về điều kiện tự nhiên đã dẫn đến sự phức tạp trong thiết kế, thi công, khai thác tuyến

đường Cũng như nhiều tuyến đường khác vấn đề sụt trượt là một trong những vấn đề đáng quan tấm nhất hiện nay trên tuyến đường này Hiện tượng tắc đường đã từng xảy ra trên tuyến đường này mặc dù thời gian đưa vào sử dụng chưa lâu Bên cạnh xuất hiện các điểm sụt trượt mới, một số điểm sụt trượt cũ tái phát gây khó khăn cho công tác xây dựng tuyến đường này (đèo

Lò Xo, đèo Đá Đẽo, đoạn A Đớt – A Tép ) Công tác kiên cố hóa đường

Hồ Chí Minh đã và đang được triển khai nhằm đảm bảo cho tuyến đường này

có thể được khai thác hiệu quả phát huy được ý nghĩa to lớn của nó

Vấn đề giải quyết sụt trượt từ lâu được nhiều nhà khoa học và các kỹ sư quan tâm giải quyết Bằng chứng là có rất nhiều nhà khoa học lớn đã từng

đưa ra những phương pháp tính toán ổn định được thế giới công nhận: Fellenius, Bishop, Janbu, Spencer Bài toán tính ổn định mái ta luy thường phải thực hiện với khối lượng tính toán lớn Ngày nay khi máy tính trở thành công cụ tính toán hữu hiệu thì việc sử dụng các phần mềm khi tính toán ổn

định mái ta luy trở nên phổ biến

ở nước ta hiện rất nhiều phần mềm tính toán ổn định được sử dụng: bộ phần mềm Geo-Slope, Plaxis, STAB 95, và nhiều phần mềm do các tác giả trong nước xây dựng Phổ biến nhất là việc sử dụng phần mềm Slope (Canada) để tính ổn định mái dốc, một số đơn vị tư vấn đã sử dụng phần mềm này để tính toán ổn định cho tuyến đường Hồ Chí Minh: Viện khoa học công nghệ GTVT, công ty tư vấn và KSTK xây dựng – Bộ quốc phòng, công ty cổ phần tư vấn XDCT giao thông 5 Trong khi đó các tài liệu

về sử dụng phần mềm Slope còn thiếu nên gây khó khăn cho sử dụng, ảnh hưởng đến kết quả tính toán thiết kế

Phần mềm Slope của Canada được xây dựng chủ yếu dựa trên lý thuyết “ Cơ học đất không bão hòa”, đây là một vấn đề khó khăn cho người dùng bởi

từ lâu chúng ta thường làm quen với “ Cơ học đất bão hòa” Khi sử dụng phần mềm này người dùng có thể gặp phải một số vấn đề mà việc giải quyết các vấn đề đó có ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả tính toán:

- Phần mềm được xây dựng trên cơ sở “ Cơ học đất không bão hòa”, với việc đưa vào các thông số tính toán mới lạ, vậy ở nước ta có dùng được không và phải có những chú ý gì

- Có rất nhiều phương pháp tính toán, lựa chọn phương pháp nào để cho kết quả chính xác nhất

- Slope có thể giải được nhiều dạng khác nhau của bài toán ổn định, áp dụng cụ thể cho từng loại bài toán có những điểm gì đáng lưu ý

Chúng ta biết rằng chi phí cho công tác phòng chống sụt trượt nhiều khi

là rất lớn, đặc biệt đối với các tuyến đường đi qua vùng đồi núi như đường

Hồ Chí Minh (chi phí kiên cố hóa đường Hồ Chí Minh vượt quá 1.000 tỷ) Chính vì vậy việc lựa chọn hợp lý các giải pháp xử lý cũng như việc tính toán chính xác sẽ góp phần làm giảm chi phí xây dựng, vận hành công trình Để

có được giải pháp xử lý hợp lý và kết quả chính xác đòi hỏi rất nhiều yếu tố,

trong đó việc khai thác tốt phần mềm tính toán, vận dụng hợp lý điều kiện tính toán cũng là một yếu tố quan trọng

Sử dụng phần mềm Slope để giải bài toán ổn định trên đường Hồ Chí Minh đã được thực hiện Việc khai thác phần mềm có hiệu quả để đưa ra kết quả có độ tin cậy hơn, từ đó có những giải pháp xử lý đảm bảo hợp lý cho tuyến đường này là cần thiết

Đó là lý do tôi chọn đề tài: “ Cơ sở lý thuyết và ứng dụng chương trình

Geo-Slope để kiểm toán ổn định mái dốc ta luy nền trên đường

Hồ Chí Minh

sự cần thiết của đề tài

Qua những vấn đề ở trên chúng ta thấy rằng:

- Nắm vững cơ sở lý thuyết (liên quan đến cơ học đất không bão hòa) cũng như sử dụng phần mềm Slope là một vấn đề cần thiết để có được sự hiểu biết sâu về phần mềm này

- Chứng tỏ được tính đa năng của chương trình để thấy rằng việc sử dụng phổ biến phần mềm này ở Việt Nam là đúng đắn và những lưu ý khi sử dụng

- Tuyến đường Hồ Chí Minh đang trong giai đoạn kiên cố hóa, việc sử dụng phần mềm Slope để tính toán để tìm ra những giải pháp xử lý hợp lý là cần thiết

Mục đích và phương pháp nghiên cứu

Thông qua việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết và sử dụng chương trình Slope

từ đó có những nhận xét đánh giá để đảm bảo kết quả tính toán chính xác, phù hợp với điều kiện Việt Nam Trên cơ sở đó sử dụng tính toán thiết kế cho một số đoạn trên đường Hồ Chí Minh nhằm tìm ra giải pháp xử lý hợp lý

Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết là chủ yếu kết hợp với thực tiễn thiết kế, thi công xử lý sụt trượt trên đường Hồ Chí Minh để có được những nhận xét bổ ích

nội dung và kết quả nghiên cứu.

♦ Nội dung nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu một số vấn đề sau:

- Tổng quan về vấn đề ổn định mái dốc

- Cơ sở lý thuyết của chương trình Slope cùng với cách khai thác sử dụng

- Vấn đề sụt trượt trên đường Hồ Chí Minh, ứng dụng phần mềm Slope phục vụ kế hoạch kiên cố hóa

- Kết quả tính toán xử lý sụt trượt một số đoạn trên đường Hồ Chí Minh, lựa chọn giải pháp xử lý trên cơ sở tính toán bằng Slope

Chương i

Tổng quan về tính toán ổn định bờ dốc

1.1 ổn định bờ dốc 1.1.1 Các hiện tượng chuyển dịch đất đá trên bờ dốc

Dưới tác dụng của trọng lượng bản thân khối đất đá trong bờ dốc, đồng thời do tác động của các yếu tố tự nhiên, các hoạt động của con người mà có thể làm đất đá trên bờ dốc bị dịch chuyển với các cơ chế và tốc độ khác nhau Cho tới nay vẫn chưa có một sự phân loại thống nhất các loại chuyển dịch của đất đá, mặc dù vấn đề này được nghiên cứu từ rất lâu

- Có thể phân loại theo cơ chế và tốc độ dịch chuyển của đất đá trên bờ dốc như cách phân loại của A.Nemcok, J Pasek, J Rybar; có 4 loại chuyển dịch: trượt chậm, trượt, trượt dòng, đất đá đổ

- Theo D.J Varnes có thể phân loại theo các dạng chuyển dịch đất đá, có thể chia thành: trượt, trượt trôi và sụt đổ Nếu dựa vào loại vật liệu trong khối trượt thì chia thành: trượt đất và trượt đá

- Theo Hồ Chất, Doãn Minh Tâm (Viện khoa học và công nghệ GTVT) thì các dạng cơ bản của hiện tượng chuyển dịch đất đá trên bờ dốc gồm 4 loại:

+ Trượt đất: là hiện tượng di chuyển của khối đất theo một mặt nhất định,

thường có dạng trụ tròn xoay (khi đất trong khối trượt tương đối đồng nhất) hoặc trượt theo bề mặt tầng đá gốc

Đất đá trong khối trượt ít bị xáo trộn, mặt địa hình để lại vách trượt hay mặt trượt rõ rệt Tùy theo các dấu hiệu khác mà người ta lại có thể chia thành: trượt cổ, trượt sâu, trượt nông, trượt theo mặt đá gốc, trượt dòng

+ Xói sụt: là hiện tượng biến dạng cục bộ, lúc đầu bóc từng mảng ở chân

hoặc đỉnh dốc đào, sau phát triển dần lên trên, hiện tượng này xảy ra chậm

Khối lượng xói sụt không lớn, phụ thuộc vào mức độ phong hóa của

đất đá Sản vật của xói sụt thường chất đống ở chân bờ dốc và khi xói sụt càng phát triển lên cao sẽ tạo thành sụt trượt

+ Sụt trượt: là giai đoạn cuối cùng của hiện tượng xói sụt Thực tế thường

khó xác định được vách sụt, mặt trượt nhưng đôi khi cũng thấy ở dạng cung tròn Sản vật trong khối trượt dịch chuyển hẳn xuống chân bờ dốc hay sườn dốc Đất đá bị xáo trộn, cây cối đổ ngổn ngang

Hiện tượng sụt trượt xảy ra với tốc độ nhanh và gây chấn động, làm

ảnh hưởng đến các công trình lân cận Đây là loại chuyển dịch đất đá trên bờ dốc rất phổ biến trên các tuyến đường giao thông miền núi

+ Đất đổ, đá đổ: là hiện tượng văng từng mảng đất hoặc khối đá từ đỉnh dốc

hoặc núi dốc xuống chân dốc Tùy theo địa hình và loại đá mà hiện tượng đá

đổ có thể xảy ra với những quỹ đạo và tốc độ khác nhau Khối lượng đất đá

đổ thường không lớn

1.1.2 Vấn đề ổn định bờ dốc

Các chuyển dịch bờ dốc thường gây ra nhiều tác động xấu, gây tác hại lớn cho nền kinh tế quốc dân: phá hủy đất trồng, rừng cây, nhà cửa, xưởng máy, các công trình giao thông công cộng, mạng sống con người

Vì vậy khi thiết kế, xây dựng hay khai thác một bờ dốc, vấn đề ổn định của nó là hết sức quan trọng Nền đường với các mái ta luy đào, đắp là các dạng cụ thể của bờ dốc, sự ổn định của các mái ta luy sẽ đảm bảo tính ổn

định về khai thác cho các tuyến đường

Một bờ dốc bất kỳ sẽ chịu tác dụng đồng thời của mômen giữ (do các lực giữ cho đất đá không bị dịch chuyển như lực ma sát, lực dính ) và mômen trượt (do các lực gây trượt như trọng lượng của đất đá, áp lực thủy

động ) Ngoài ra còn có các lực bổ sung do các yếu tố tự nhiên hay hoạt

động của con người mà góp phần làm thay đổi tương quan giữa hai loại mômen trên

Một bờ dốc được coi là mất ổn định khi đất đá trên bờ dốc có xu hướng chuyển dịch xuống chân bờ dốc Sau đó đất đá bắt đầu bị dịch chuyển, trạng thái này có thể tồn tại khá lâu và khi khối đất đá thực sự di chuyển thì

Trong đó:

n : hệ số ổn định

∑Mg: tổng mô men giữ

∑Mt : tổng mô men gây trượt

Khi n>1 thì bờ dốc ổn định, khi n<1 bờ dốc mất ổn định

Việc xác định hệ số ổn định n là một bài toán phức tạp vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố: các nhân tố ảnh hưởng tới sự ổn định bờ dốc, các đặc trưng vật lý của đất đá trên bờ dốc, áp dụng đúng các điều kiện cụ thể của bờ dốc

vào các mô hình, các phương pháp tính toán Thực tế nhiều khi không đáp ứng được các yêu cầu trên nên bài toán tính toán ổn định mái dốc thường có kết quả gần đúng

1.1.các yếu tố ảnh hưởng tới sự ổn định bờ dốc

Sự ổn định của bờ dốc phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, tuy nhiên có thể chia thành hai nhóm: nhóm các yếu tố tự nhiên và nhóm các yếu tố con người

Nước mưa làm giảm độ bền của đất đá (do góc nội ma sát, lực dính

đều giảm), làm tăng mực nước ngầm, tăng áp lực thủy động, tăng trọng lượng khối trượt dẫn đến làm giảm độ ổn định bờ dốc

Thực tế đã cho thấy số vụ sụt trượt, mất ổn định mái dốc chủ yếu xảy

ra vào mùa mưa Sự có mặt của nước mưa nhiều khi là nguyên nhân chính trong các hiện tượng mất ổn định bờ dốc

Sự dao động về nhiệt độ giữa ngày và đêm cũng gây ra các khe nứt trong đất đá Nước thấm vào làm các khe này càng phát triển sâu và rộng hơn làm cho đất đá dễ trượt hơn

1.2.1.3 Phong hóa

Phong hóa là những quá trình vật lý, sinh hóa làm thay đổi thành phần, trạng thái và tính chất của đất đá ở phần trên của vỏ trái đất do tác động của

sự dao động nhiệt độ, nước lẫn các chất hòa tan và hoạt động của sinh vật

Tùy theo tác nhân gây phong hóa mà người ta chia thành 3 kiểu phong hóa là: Vật lý, hóa học và sinh vật Quá trình phong hóa làm giảm độ bền của

đất đá, nguy cơ xảy ra sụt trượt tăng lên

1.2.1.4 Động đất

Động đất là một dạng thiên tai đặc biệt nguy hiểm, xảy ra tại nhiều nơi trong vỏ trái đất Trên đất liền, động đất gây trượt lở ở vùng núi, gây biến dạng mặt đất ở vùng đồng bằng, làm biến mất hay tạo thành các hồ, đầm lầy, làm biến đổi dòng chảy các con sông Ngoài biển khơi, động đất làm thay đổi

địa hình đáy biển, gây ra sóng thần tàn phá các vùng ven bờ

Những rung động do động đất gây ra đã phá hủy nhà cửa và các công trình, tàn phá các làng mạc, thành phố và cướp đi mạng sống của rất nhiều người

Động đất ảnh hưởng tới sự ổn định bờ dốc, mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào dạng bờ dốc và tính chất đất đá trong bờ dốc

Nếu bờ dốc có trọng lượng là Q, khi xảy ra động đất, lực do động đất gây ra tác dụng lên bờ dốc sẽ được tính theo công thức:

Lực động đất góp phần làm đất đá trên bờ dốc bị dịch chuyển Bờ dốc càng cao và góc nghiêng càng lớn thì khi động đất, biên độ dao động và thời gian dao động càng lớn làm bờ dốc càng dễ trượt Ngoài ra ảnh hưởng của

động đất còn phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của đất đá Khi động đất vùng

đất đá vụn rời có phạm vi ảnh hưởng nhỏ nhưng mức độ ảnh hưởng lại lớn, còn vùng đất đá rắn chắc thì ngược lại

1.2.1.5 Nước mặt và nước ngầm

ảnh hưởng của nước mặt và nước ngầm tới sự ổn định bờ dốc được giải thích qua việc nước làm tăng trọng lượng của khối trượt, làm tăng độ ẩm

và giảm các đặc trưng cơ học của đất đá

Nhiều thí nghiệm đã chứng tỏ được nước làm giảm góc nội ma sát và cường độ lực dính của đất đá Với đất sét ở trạng thái tự nhiên có góc ma sát trong là ϕ=250 và cường độ lực dính C=0.6 MPa, nhưng khi bị no nước ϕ

giảm xuống chỉ còn 6-90 và C chỉ còn là 0.01MPa (Maxlov,1977) (ổn định bờ dốc – Nguyễn Sỹ Ngọc)

Khi chịu ảnh hưởng của nước, góc ma sát trong ϕ và lực dính C đều giảm làm cho độ bền cắt của đất đá giảm đi Điều này dễ dàng thấy được qua

điều kiện bền Coulomb – Navier

C

tgϕ+σ

=

Trong đó: τ và σ là ứng suất tiếp và ứng suất pháp

Ngoài ra nước ngầm còn gây ra áp lực thủy tĩnh (nước trong các lỗ rỗng, khe nứt) hay áp lực thủy động (trên các bờ dốc ngập nước) chúng đều làm giảm khả năng chống trượt của bờ dốc Việc thay đổi động thái của nước ngầm đôi khi cũng làm tăng nguy cơ mất ổn định của bờ dốc

1.2.1.6 Thời gian

Ngoài việc làm thay đổi tất cả các yếu tố ảnh hưởng tới sự ổn định của

bờ dốc, thời gian còn trực tiếp làm thay đổi tính chất của đất đá thể hiện qua

ba hiện tượng: từ biến, chùng ứng suất, độ bền lâu dài của đất đá

Hiện tượng từ biến làm cho biến dạng của đất đá tăng theo thời gian trong khi ứng suất không đổi Mặt khác khi chịu tác dụng lâu dài của tải trọng độ bền của đất đá giảm đi và thực nghiệm đã thấy là nó sẽ tiệm cận với một giá trị gọi là độ bền lâu dài của đất đá Những hiện tượng này chứng tỏ theo thời gian đất đá trên bờ dốc ngày càng dễ dịch chuyển

1.2.2 Yếu tố con người

Theo thống kê trên thế giới có đến 80% các vụ sụt trượt xảy ra đều có nguyên nhân là các hoạt động của con người Các ảnh hưởng do con người gây ra rất đa dạng bao gồm cả các ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp, nhiều khi không thể hiện chúng bằng các công thức rõ ràng được

1.2.2.3 Làm thay đổi địa hình bờ dốc

Các hoạt động khai thác mỏ, xây dựng các công trình giao thông, thủy lợi nhiều khi làm thay đổi địa hình bờ dốc theo hướng bất lợi

Việc khai thác các mỏ bằng đường hầm nhiều khi làm cho mặt đất bị lún sụt Khi thi công các hố móng trong các công trình xây dựng cũng dễ dẫn

đến sự dịch chuyển của đất đá Xây dựng các kênh mương nhiều khi cũng gây sụt lở bờ dốc

Có lẽ làm thay đổi địa hình bờ dốc nhiều nhất là việc xây dựng các công trình giao thông Các tuyến đường với các điều kiện riêng của nó đã biến mặt đất tự nhiên thành các chỗ đào đắp khác nhau, đặc biệt là các tuyến

đường vùng núi Việc đào bớt đất ở chân bờ dốc hay đắp thêm đất trên đỉnh

bờ dốc đều làm tương quan giữa lực gây trượt và lực giữ thay đổi theo hướng bất lợi Chính vì điều này trong quá trình thiết kế, thi công và khai thác các công trình giao thông luôn phải đối mặt với tình trạng mất ổn định bờ dốc

1.2.2.4 Làm thay đổi trạng thái ứng suất trên bờ dốc

Khi bờ dốc ổn định, trạng thái ứng suất tại các điểm trên mặt nghiêng

bờ dốc đều ở trạng thái cân bằng, tương quan giữa mô men giữ và mô men gây trượt với một điểm nào đó ít nhất cũng phải ngang nhau

Tất cả những tác động làm tương quan này thay đổi theo hướng tăng mô men gây trượt như: chất tải trên bề mặt sườn dốc, làm mất chân bờ dốc

đều làm cho bờ dốc có nguy cơ mất ổn định

1.2.2.5 Làm xuất hiện các chấn động lớn do các hoạt động quân sự, sản xuất

Những chấn động lớn do các hoạt động nổ mìn để khai thác đá hoặc bom mìn trong các hoạt động quân sự, phần lớn làm cho bờ dốc càng mất ổn

- Làm tăng độ ẩm của đất đá, tăng trọng lượng khối trượt

- Làm giảm các đặc trưng cơ học, làm giảm độ bền (cắt) của đất đá

- Làm giảm thành phần lực giữ ổn định bờ dốc do lực đẩy Acsimet

Có thể phân loại các phương pháp tính toán ổn định bờ dốc thành 2 nhóm chính: nhóm thứ nhất đánh giá sự ổn định dựa trên sự phân tích trạng thái cân bằng giới hạn các lực tác dụng lên bờ dốc theo một mặt trượt nào đó, nhóm thứ hai dựa trên sự phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của khối trượt Hiện nay người ta thường sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn để tính toán ổn định của bờ dốc Trong phương pháp này bài toán phẳng lại thường

được sử dụng hơn so với bài toán không gian Tùy theo dạng mặt trượt là thẳng, trụ tròn hay các dạng bất kỳ khác mà chúng ta có các phương pháp tính khác nhau

Trạng thái cân bằng giới hạn thường được biểu thị qua các phương trình cân bằng là tổng các lực theo phương ngang, phương đứng và tổng các mô men lực đối với 1 điểm đều bằng 0, nghĩa là:

k ϕ +

σ

= τ

Nếu kể đến áp lực nước lỗ rỗng, điều kiện cân bằng này được viết dưới

k

' C ' tg k

) u (

+ ϕ

− σ

= τ

1.3.1 Tính toán ổn định với mặt trượt phẳng

Các mặt trượt thẳng hay gãy khúc thường xuất hiện với các bờ dốc đất

đá rời rạc hoặc các bờ dốc đất đá phân lớp

h

1

Hình 1.1 Mặt trượt phẳng

Trình tự tính toán như sau:

- Tại các chỗ thay đổi dốc của mặt trượt, kẻ các đường thẳng đứng phân khối trượt thành các đoạn như hình vẽ Trên mỗi đoạn tính toán trọng lượng bản thân khối trượt Qi và chiều dài mặt trượt tương ứng Li

F sin Q

L c tan cos Q F

F K

1 i i 1 i i i

i i i i i tr

g i

−

+ α

+ ϕ α

=

=

với Fi-1 là lực đẩy của khối thứ (i-1) vào khối i

- Qua các trị số Ki của các đoạn khối trượt đánh giá sự ổn định của từng đoạn, nếu Ki < 1 thì khối có khả năng bị đẩy trôi xuống phía dưới, nhưng bị khối thứ (i+1) giữ nên tại các mặt tiếp xúc sẽ phát sinh các vết nứt Cũng có thể tính toán theo hệ số truyền như sau:

- Lần lượt tính toán lực gây trượt Fi do mảnh thứ i tác dụng vào mảnh i+1

Fi = Qi(sinαi - cosαi.tgϕi) + Fi-1.cos(αi - αi-1) – c.LiTrong đó:

αi – độ dốc nghiêng của mặt trượt đoạn i

c, ϕ - lực dính và góc nội ma sát của khối trượt

- Cuối cùng tính được lực gây trượt của đoạn khối trượt dưới chân dốc

Fi Nếu Fi≤ 0 thì khối trượt ổn định trên sườn dốc và ngược lại

1.3.2 Tính toán ổn định với mặt trượt trụ tròn

Đối với đất dính đồng nhất, người ta coi mặt trượt có dạng trụ tròn, trên mặt cắt là một cung tròn Mặt trượt này có thể đi qua mặt nghiêng, qua chân hay hạ thấp xuống dưới chân bờ dốc

Với loại bài toán này có thể sử dụng các phương pháp sau: Phương pháp toàn khối, phương pháp phân mảnh, phương pháp biểu đồ và tra bảng Hiện nay phương pháp phân mảnh được sử dụng phổ biến hơn cả

Nền đường là một kết cấu trải dài theo tuyến, nên thường cắt 1m dài theo dọc tuyến để phân tích tính toán ổn định mà không xét đến lực trên hai mặt cắt thẳng đứng trước và sau (như vậy là thiên về an toàn)

i

D

A B

thành n mảnh (hình a) Vì chiều rộng mảnh tương đối nhỏ nên xem đáy mỗi

mảnh là phẳng, góc nghiêng giữa đáy mỗi mảnh với mặt nằm ngang là αi

Các lực tác dụng lên mảnh thứ i gồm có:

- Lực thẳng đứng đã biết Qi: Trọng lượng bản thân của phân mảnh và tải trọng xe

- Lực nằm ngang Wi : Lực quán tính động đất

- Lực tương hỗ giữa các mảnh chưa biết có thể phân thành lực đẩy ngang Ei

và lực cắt thẳng đứng Ti

- Phản lực ở đáy của phân mảnh: Phản lực pháp tuyển Ni và phản lực chống trượt Si với giả thiết là tác dụng của Ni là điểm giữa của mặt đáy phân mảnh

Lấy cùng một hệ số an toàn K giống nhau cho các phân mảnh, tức là giả

định cường độ kháng cắt ở đáy các phân mảnh đều đạt tới trạng thái cân bằng giới hạn Từ điều kiện cân bằng giới hạn (định nghĩa của hệ số an toàn) ta

được

i C l N tg K

mảnh cổ điển; phương pháp theo Fellenius, phương pháp Thuỵ Điển hoặc Ordinary Method)

Phương pháp này do W.Fellenius người Thụy Điển đề xuất từ năm

1926 với giả thiết khối đất trên ta luy khi mất ổn định sẽ trượt theo mặt trượt hình trụ tròn nhưng không xét đến tác dụng của các lực giữa các phân mảnh Như vậy n phân mảnh có 2n đại lượng chưa biết (Ni và Si) và một hệ số an toàn K, cộng lại có 2n+1 đại lượng chưa biết

Xét bài toán phẳng như hình bên, phân khối đất trượt hình trụ tròn thành các mảnh

Căn cứ vào giả thiết là các phân mảnh đồng thời đạt tới sự cân bằng giới hạn (trượt tổng thể) có thể chỉ cần xét tới điều kiện cân bằng mômen của toàn khối trượt quanh tâm trượt O, bán kính R, tức là ΣM=0

Ta có ΣSi.R = ΣQi.xi + ΣWi.zi (2) Với xi và zi là cánh tay đòn của Qi và Wi (chú ý là dấu của xi có thể “+” hoặc

“-”

Thay Si từ (1) vào (2) và rút gọn ta có công thức tính hệ số an toàn của mái

=

R

Z W sin

Q

tg N l C K

i i i i

i i i

− α +

=

R

Z W sin

Q

tg sin W cos

Q l C K

i i i i

i i i i i i

α

ϕ α

− α +

=

i i i i

i i i i i i i

cos W sin

Q

tg sin W cos

Q l C

=

i i

i i i i i

sin Q

l C tg cos Q

và trường hợp nếu đất đồng nhất có c, ϕ và γ như nhau, ta có

) sin Q (

L c ) cos Q ( tg

K

i i

i i

∑

∑

α

+ α ϕ

với L=∑li – chiều dài cung trượt của cả khối trượt

Nếu kể đến cả hiện tượng xuất hiện các vết nứt thẳng đứng trên mặt

đỉnh bờ dốc thì chiều dài cung trượt sẽ bị giảm đi và chỉ còn bằng 0.8L

Khi tính đến ảnh hưởng của nước dưới đất trong bờ dốc, do có lực đẩy Arcsimet của nước, hệ số ổn định của bờ dốc sẽ giảm đi và được tính theo công thức:

− α

=

i i

i i i i i i i

sin Q

l ' C ' tg ).

d u cos Q ( K

Trong đó:

ui: là áp lực của nước dưới đất tại mảnh thứ i, được tính theo công thức:

ui= γwhi

Với: hi là chiều cao cột nước áp lực tại mảnh thứ i

ϕ’, C’ là góc ma sát trong và cường độ lực dính của đất khi chịu ảnh hưởng của nước

Phương pháp này hoàn toàn không xét đến ảnh hưởng của các lực giữa các phân mảnh, về mặt lý thuyết đó là điều chưa hoàn chỉnh, sai số của kết quả tính toán vào khoảng 10-20% Nhưng việc tính toán bằng số đơn giản, sai số của K không lớn, do đó vẫn được sử dụng rộng rãi

1.3.2.2 Phương pháp Bishop (1955)

Giả sử bờ dốc có mặt trượt trụ tròn, cung trượt CD tâm O, bán kính R Các lực tác dụng lên mảnh thứ i của bờ dốc được thể hiện trên hình vẽ 1.4

Xét cân bằng mảnh thứ i

Giả sử trong mảnh có các lực tác dụng tương hỗ theo phương thẳng

đứng và nằm ngang với ∆E= Ei – Ei+1 và ∆T= Ti – Ti+1

Như vậy mảnh thứ i chịu tác dụng của các lực:

Qi + ∆T = Ni cosαi + (C i l i N i tg i)

K

1

ϕ + sinαi

Suy ra:

k

sin tg cos

k

sin cl T Q N

i i

i i i

i α + ϕ α

α

−

∆ +

Từ điều kiện cân bằng mô men với điểm O cho cả khối trượt ABC, người ta sẽ tính được hệ số ổn định bờ dốc

) R / Z ( W sin

Q

T Z

W sin

R Q

R T k

i i i i

i i

i i i

i

Σ + α Σ

Σ

= Σ

+ α Σ

+ ϕ

∆ + ϕ Σ

=

m

1

* )) R / Z ( W sin

Q

(

) c d Ttg tg

Q ( k

i i i i

tg sin cos

+ ϕ Σ

=

m

1

* )) R / Z ( W sin

Q

(

) c d tg Q ( k

i i i i

i

Nếu kể đến cả ảnh hưởng của nước dưới đất với áp lực tại mảnh thứ i là

ui thì hệ số ổn định trong trường hợp này được tính theo công thức sau:

α

Σ + α Σ

+ ϕ

− Σ

=

m

1

* )) R / Z ( W sin

Q

(

) ' c d ' tg ) d u Q ( k

i i i i

i i

i

Vì trong công thức tính k lại có mặt của k nên để tìm được hệ số ổn

định bờ dốc phải dùng phương pháp thử nhiều lần

Hệ số ổn định bờ dốc tính theo phương pháp này có thể là hơi thấp, nhưng sai số không quá 3%, trừ trường hợp đáy cung trượt ở rất sâu

Ngoài 2 phương pháp phổ biến được trình bày ở trên còn có nhiều phương pháp khác: Phương pháp Spencer; Morgenstern-Price; Corps of Engineers 1&2; Lowe-Karafiath (theo SlopeW Engineering book)

Có thể tóm tắt các giai đoạn phát triển lời giải của bài toán tính ổn

định bờ dốc:

- Giả thiết giữa các mảnh không có lực tương tác (X=E=0), tính trực tiếp phản lực pháp tuyến N rồi tính ∑M=0 ta suy ra hệ số an toàn F Tương ứng với lời giải này là phương pháp thông thường hay Fellenius

- Xem giữa các mảnh chỉ có một thành phần lực tương tác là E (X=0), tính phản lực pháp tuyến N sau đó:

+) tính ∑M=0 ta suy ra hệ số an toàn F thông qua cách tính thử đúng dần Tương ứng với cách giải này ta có phương pháp Bishop

+) tính ∑X=0 ta cũng suy ra hệ số an toàn F thông qua cách tính thử

đúng dần Tương ứng với cách giải này ta có phương pháp Janbu đơn giản hóa (chưa có hệ số điều chỉnh f0)

- Xem giữa các mảnh có các lực tương tác E và X Tính phản lực pháp tuyến N sau đó:

+) tính ∑M=0 ta suy ra hệ số an toàn F thông qua cách tính thử đúng dần Đây là cách giải của Spencer; Morgenstern-Price

+) tính ∑X=0 ta cũng suy ra hệ số an toàn F thông qua cách tính thử

đúng dần Tương ứng với cách giải này ta có phương pháp Corps of Engineers 1&2 ; Lowe-Karafiath (theo SlopeW Engineering book)

Nhìn chung càng về sau các phương pháp càng xét bài toán kỹ càng hơn, các giả thiết làm đơn giản bài toán càng ít được sử dụng do vậy bài toán phức tạp hơn Tuy nhiên khi kết hợp với máy tính thì mọi việc tính toán đều

được giải quyết chính xác và nhanh gọn Các hệ số an toàn tính theo các phương pháp khác nhau cho kết quả cũng lệch nhau Thường thì phương pháp Fellenius cho hệ số an toàn thấp nhất vì vậy tính theo phương pháp này thì sẽ

an toàn hơn

1.3 các giải pháp bảo vệ và gia cố mái dốc

Một trong những yêu cầu cơ bản đối với nền đường là phải đảm bảo tính ổn định Các giải pháp bảo vệ, tăng cường ổn định đối với mái dốc đều nhằm đạt được các mục đích như: giảm ảnh hưởng của các nguyên nhân gây mất ổn định mái dốc, tăng cường khả năng chống phá hoại của bờ dốc, giảm thiểu những tác hại do hiện tượng mất ổn định bờ dốc gây ra

Một bờ dốc có thể mất ổn định khi đang ở trạng thái tự nhiên, trong quá trình thi công, quá trình khai thác Chính vì điều này, các biện pháp phòng hộ và gia cố bờ dốc được chia thành: biện pháp kết cấu, biện pháp công nghệ, biện pháp khai thác

- Nhóm các biện pháp kết cấu bao gồm tất cả những giải pháp kết cấu

được thiết kế nhằm đảm bảo ổn định cho bờ dốc Đây là nhóm biện pháp chủ yếu được thực hiện trong quá trình tính toán thiết kế đảm bảo ổn định cho bờ dốc

- Nhóm các biện pháp công nghệ bao gồm tất cả những giải pháp được thực hiện trong quá trình tổ chức thi công công trình Việc thực hiện tốt quá trình thi công sẽ phát huy được tác dụng của những giải pháp được thiết kế từ trước

- Nhóm các biện pháp khai thác bao gồm những giải pháp nhằm đảm bảo các kết cấu, công trình đã thi công, xây dựng hoạt động có hiệu quả, an toàn Ngăn ngừa, cảnh báo về sự xuất hiện của các hiện tượng mất ổn định có thể xảy ra

Các biện pháp kết cấu rất đa dạng, tùy vào từng điều kiện cụ thể mà có những sự áp dụng khác nhau Rất nhiều trường hợp phương án đưa ra để xử

lý là tổ hợp của nhiều biện pháp Sau đây chúng ta sẽ đi sâu vào nghiên cứu các biện pháp kết cấu thường gặp

1.4.1 Thiết kế mặt cắt hình học hợp lý cho mái dốc

Như đã phân tích ở trên một trong những nguyên nhân khiến cho mái dốc mất ổn định là do mái dốc có hình dạng bất lợi Nhiệm vụ của người thiết

kế là phải thay đổi hình dạng theo chiều hướng đảm bảo ổn định Đây là một biện pháp hiệu quả nhất về mặt kinh tế, kỹ thuật

Chúng ta biết rằng một mái dốc càng thấp, càng thoải thì càng ổn định

Để chứng minh cho điều đó chúng ta xét bài toán sau:

Xét một vách đất thẳng đứng, khối đất trên nó sẽ bị mất ổn định và trượt theo một mặt trượt nào đó (Hình 1.5)

Chia khối đất trượt thành nhiều mảnh nhỏ 1,2, i (mảnh có chiều rộng 1-2m) Xét điều kiện cân bằng cơ học mảnh thứ i bất kỳ có chiều cao hi và rộng di

Hình 1.5 Đánh giá ổn định của mái dốc thẳng đứng

i i

cos

dCtg.cosQN

α+

ϕα

=

trong đó: Qi – trọng lượng mảnh đất i, Qi = di.hi.1.g

g C, ϕ - dung trọng, lực dính và góc nội ma sát của đất

Khi Ti > Ni thì vách đất mất ổn định và ngược lại

ở trạng thái cân bằng giới hạn, ta có Ti = Ni

Tức là:

i

i i

i i i

cos

dCtgcosQsin

Q

α+

ϕα

=

Chia hai vế cho Qi.cosαi, ta có:

i 2 i i

cosh

Ctg

tg

αγ

+ϕ

=

α (*) hay α=f(h) (18)

Nếu ta luy nền đường đảm bảo cho góc mái αi của nó thay đổi theo hi và luôn luôn phù hợp với điều kiện (*) thì về mặt cơ học, ta luy nền đường sẽ ổn định toàn khối

Phân tích từ điều kiện (*)

- Với đất cát có C = 0, muốn ổn định thì ta luy phải có góc dốc bằng góc nghỉ

tự nhiên (α = ϕ), điều này hoàn toàn được chứng thực trên thực tế

- Với đất dính có C ≠ 0: điều kiện ổn định cơ học của mái dốc phụ thuộc vào chiều cao mái ta luy h, khi h → 0 thì α → 90o, khi hi →∞ thì α →ϕ

(16)

Như vậy với đất dính cấu tạo mái ta luy nên có dạng trên dốc dưới thoải

Từ điều kiện (*) Maslop đơn giản hoá và thêm vào hệ số an toàn K (1-1,5), ta

=

i i

h

C tg K

tg

γ ϕ

Độ dốc mái đường đào

Loại và tình trạng đất đá <=12m Chiều cao mái dốc (m) > 12m

- Đất loại dính hoặc kém dính nhưng ở

Khi mái dốc qua các tầng, lớp đất đá khác nhau thì phải thiết kế có độ dốc khác nhau tương ứng, tạo thành mái dốc đào kiểu mặt gẫy hoặc tại chỗ thay đổi độ dốc bố trí thêm một bậc thềm rộng 1 ữ 3,0 m có độ dốc 5 – 10

% nghiêng về phía trong rãnh; trên bậc thềm phải xây rãnh thoát nước có tiết diện chữ nhật, tam giác đảm bảo đủ thoát nước đủ thoát nước từ tầng ta luy phía trên

Khi mái dốc đào không có các tầng lớp đất, đá khác nhau nhưng chiều cao lớn thì cũng nên thiết kế bậc thềm như trên với khoảng chiều cao giữa các bậc thềm từ 6 – 12m

- Nền đường đắp:

Tuỳ theo độ cao của mái đắp và loại vật liệu đắp, độ dốc mái đắp theo qui

định trong bảng sau

Độ dốc mái đường đắp

Loại đất đá Chiều cao mái dốc nền đắp dưới 6m

Chiều cao mái dốc nền đắp từ 6

Cát to và cát vừa, đất sét và cát pha, đá

Khi mái dốc nền đắp đất tương đối cao thì cứ 8 – 10m cao phải tạo một bậc thềm rộng 1 ữ 3,0m Trên bậc thềm cũng có cấu tạo dốc ngang và rãnh như đối với trường hợp nền đường đào

Với nền đường đắp cao, nền đường đắp trên đất yếu có thể tăng bề rộng bậc thềm để biến thành bệ phản áp

- Khi nền tự nhiên dốc ngang trên 50% phải thiết kế công trình chống

đỡ (tường chân, tường chắn, đắp đá, cầu cạn, cầu kiểu ban công )

1.4.2 Hạn chế ảnh hưởng của nước mặt và nước ngầm

Phần lớn các vụ sụt trượt xảy ra với sự tham gia của nước, chính vì

điều này việc đưa ra các giải pháp nhằm hạn chế ảnh hưởng của các nguồn nước là không thể thiếu trong mọi trường hợp tính toán thiết kế

Kết cấu mương thấm thường được thiết kế theo kiểu tầng lọc ngược

Đáy của mương thấm thường đặt ở tầng không thấm nước, hoặc được gia cường bằng bê tông hoặc đá hộc xây Trong đa số các trường hợp mương thấm phải đặt ở dưới mặt trượt

1.4.2.2 Thoát nước mặt và chống xói

Khi làm tốt công tác điều chỉnh và dẫn thoát nước mặt thì sẽ hạn chế

được rất nhiều khả năng phát sinh và khả năng phát triển các hiện tượng biến dạng nền đường Để thiết kế công trình thoát nước mặt có thể sử dụng một hoặc tổ hợp một số trong các biện pháp sau:

- Rãnh dọc theo nền đường, rãnh đỉnh trên các sườn dốc

an toàn cho công trình nền đường

Hiện tượng sụt trượt thường xảy ra ở những đoạn nền đường đào với sườn dốc ta luy dương lớn Trong trường hợp đó việc xây dựng hệ thống rãnh

đỉnh để tập trung và thu nước trên sườn dốc là một biện pháp rất hữu hiệu Ngay cả khi đã xuất hiện mặt trượt thì việc ngăn không cho nước mặt chảy từ trên sườn dốc xuống và thấm vào mặt trượt không thể thiếu hệ thống rãnh

đỉnh Ngoài ra có thể dùng các loại vật liệu không thấm nước (đất sét) để ngăn không cho nước thấm xuống các khe nứt

Nước trên bề mặt sườn dốc được tập trung vào hệ thống rãnh đỉnh và rãnh biên Để dẫn nguồn nước trong rãnh về các khu vực trũng không ảnh hưởng đến nền đường không thể thiếu các công trình như: cống, dốc nước, bậc nước, hố tiêu năng đặc biệt ở những khu vực sườn có độ dốc và độ cao lớn

Để chống xói cho bề mặt sườn dốc người ta thường sử dụng biện pháp trồng cỏ Đây là biện pháp đơn giản nhất và thích hợp với những mái dốc thoải và cỏ có thể mọc tại mái dốc đó

Ngoài ra tại những vị trí mái dốc nền đường thường phải chịu sự tác

động của dòng nước chảy hoặc nước dao động dạng sóng như nền đường ven

sông, biển, suối, ao hồ có thể dùng biện pháp lát đá hộc, dùng cành cây, rọ

đá, gia cố mái ta luy bằng đá hộc xây, tấm bê tông xi măng

1.4.3 Dùng kết cấu gia cường, kết cấu chống đỡ chịu lực

1.4.3.1 Dùng kết cấu gia cường

Nhóm biện pháp này bao gồm các giải pháp tăng cường khả năng chống trượt của đất đá trên bờ dốc, bằng cách giữ cho đất đá trên mái dốc ít thay đổi các đặc trưng cơ học, tăng khả năng chịu cắt cho đất đá

Biện pháp thông dụng giữ cho đất đá ít bị phong hóa là sử dụng các lớp phủ: trồng cỏ, gia cố mái ta luy bằng đá hộc xây, bê tông xi măng Với mái dốc bằng đá có bề mặt ghồ ghề thường dùng giải pháp phun vữa xi măng

Để tăng khả năng chịu cắt trượt cho đất đá người ta thường dùng các loại vật liệu có tính gắn kết (vữa xi măng) để bơm vào các lỗ khoan trên mái dốc xuyên qua các lớp đất đá, mặt trượt Giải pháp này thích hợp với những mái dốc có đất đá phân lớp, mặt trượt không sâu lắm

1.4.4 Giảm bớt ảnh hưởng của hiện tượng mất ổn định mái dốc đối với công trình

Đối với những khu vực phức tạp, khi sử dụng những giải pháp trên hoặc không đem lại hiệu quả hoặc quá khó khăn tốn kém thì chúng ta phải nghĩ tới những giải pháp làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng mất ổn định mái dốc

- An toàn nhất là nên tránh những vùng có nguy cơ sụt trượt cao

- Làm các công trình cầu vượt, hầm chui qua vùng nguy hiểm

- Tạo các dải cách ly tăng an toàn cho các phương tiện đi qua khu vực

- Xây dựng các công trình ngăn chặn, giảm ảnh hưởng của hiện tượng sụt trượt đối với tuyến đường như: hệ thống lưới, hàng rào ngăn đá rơi, xây dựng các tường chờ, đê hoặc hào để ngăn chặn và tập trung khối đất đá trượt

Trên đây tác giả đã tóm tắt nghiên cứu lý thuyết về nguyên nhân các hiện tượng mất ổn định bờ dốc, các phương pháp tính toán ổn định, các giải pháp kỹ thuật mà chúng ta đã và đang sử dụng nhằm tăng ổn định cho các công trình nền đường đào và đắp

Một vấn đề có tính quyết định ngay từ khâu tính toán thiết kế nhằm ổn

định cho công trình nền là lựa chọn phương pháp tính toán thích hợp

Nội dung chương 2 tác giả trình bày chương trình Slope trong tính toán ổn định bờ dốc

Chương ii

CHƯƠNG TRìNH SLOPE/W TíNH TOáN ổn định bờ dốc

2.1.Giới thiệu chung 2.1.1 Tính toán ổn định bờ dốc ở Việt Nam

Chúng ta biết rằng tính toán ổn định bờ dốc là một bài toán phức tạp Giải bài toán này thường đòi hỏi khối lượng tính toán rất lớn Trước đây khi công nghệ máy tính chưa phát triển người ta cũng đã có một vài phương pháp kinh nghiệm để xác định nhanh tâm trượt nguy hiểm nhất (có hệ số ổn định

Kmin) như phương pháp của W.Fellenius:

Đối với bờ dốc đồng nhất có ϕ>0 tâm trượt nguy hiểm nhất sẽ nằm trên đường thẳng AB kéo dài (trị số α, β tra bảng phụ thuộc vào độ dốc mái

ta luy)

β α

Hoặc theo 22 TCN 262-2000 “Quy trình khảo sát thiết kế nền đường

ôtô đắp trên đất yếu”: đối với các bờ dốc đắp trên nền đất yếu, tâm trượt nguy hiểm nhất sẽ nằm trong vùng giới hạn: DCEF (với M là trung điểm của AB)

Ngày nay khi công nghệ máy tính đã phát triển, việc sử dụng máy tính

để giải quyết các bài toán ổn định là rất phổ biến Kèm theo đó là các phần mềm tính toán ổn định bờ dốc Hiện nay ở nước ta có rất nhiều phần mềm

được sử dụng để tính ổn định bờ dốc như: Slope/w; Plaxis và một số các phần mềm của các tác giả trong nước Chính vì vậy việc giải quyết các bài toán tính ổn định bờ dốc được thực hiện nhanh hơn và kết quả chính xác hơn Các phần mềm được xây dựng dựa trên các lý thuyết tính toán quen thuộc như: PP Fellenius, PP BiShop; PP Jabu, PP Spencer

2.1.2 Giới thiệu một số phần mềm tính ổn định bờ dốc

- Output: Xuất kết quả: ứng suất, chuyển vị

- Curves: Vẽ đồ thị kết quả tại các điểm lựa chọn

O

(Hình 2-2) Phương pháp kinh nghiệm tìm tâm trượt nguy hiểm nhất

Quỹ tích tâm trượt

Chuơng trình Plaxis sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán kết cấu, đây là công cụ mạnh để phân tích ứng suất cũng như chuyển vị tại các điểm trong kết cấu để từ đó ta có thể xem xét các trạng thái cũng như xu hướng biến đổi của kết cấu dưới các điều kiện bất lợi để đề ra cách khắc phục

có hiệu quả

Trong việc tính toán ổn định nền đường, Plaxis không phải là phần mềm chuyên dụng như Slope nhưng cũng cho ta những công cụ đắc lực để phân tích và từ đó hiểu hơn về cơ chế hoạt động của nền đường

+ SIGMA/W: Phân tích ứng suất, biến dạng

+ QUAKE/W: Phân tích các vấn đề có xét tới động đất

+ TEMP/W: Phân tích địa nhiệt

+ CTRAN/W: Phân tích dịch chuyển ô nhiễm

+ VADOSE/W: Phân tích một số vấn đề khác

SLOPE/W là một trong những chương trình chuyên về tính ổn định của mái dốc (tự nhiên và nhân tạo) Chương trình Slope được xây dựng dựa trên một số lý thuyết tính ổn định mái dốc như : Bishop, Janbu, Ordinary, Spencer, Finite element stress Chương trình Slope cho phép tính toán mái dốc trong mọi điều kiện có thể xảy ra trong thực tế như xét đến áp lực nước

lỗ rỗng, xét đến neo trong đất, tải trọng ngoài, vải địa kỹ thuật, đất bão hoà nước và không bão hoà nước

ở nước ta hiện nay rất nhiều các đơn vị tư vấn trong nước đều đã và

đang sử dụng bộ phần mềm SLOPE/W để tính toán ổn định cho các công trình Nhiều công trình được tính toán thiết kế dựa trên việc áp dụng chương trình này trong đó có tuyến đường Hồ Chí Minh

2.2 giới thiệu chương trình 2.2.1 Đặc điểm chương trình Slope/W

- Slope/W là phần mềm phân tích ổn định mái dốc theo phương pháp cân bằng giới hạn (cân bằng lực và cân bằng mô men) đối với cả đất bão hòa

và không bão hòa theo 9 lý thuyết tính toán khác nhau: Bishop, Ordinary, Jabu, Spencer, Morgenstern-Price

- Giải quyết được cho bài toán đất đá không đồng nhất và mặt trượt là bất kỳ

- Có xét đến tác dụng của tải trọng ngoài cũng như các loại cốt trong nền đất (neo, vải địa kỹ thuật)

- Có xét đến ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng phức tạp (kết hợp với SEEP/W)

- Có thể giải bài toán ổn định thông qua phương pháp phần tử hữu hạn (kết hợp với SIGMA/W)

- Phân tích ổn định có xét tới lực động đất (kết hợp với QUAKE/W)

- Có thể tính toán ổn định mái dốc theo lý thuyết xác suất – sử dụng

lý thuyết xác suất Monte Carlo

Các giả thiết sử dụng:

+ Đất được xem như vật liệu tuân theo nguyên lý Mohr-Coulomb + Hệ số an toàn đối với lực dính và ma sát là như nhau cho mọi loại

- W: tổng trọng lượng mảnh trượt với bề rộng b và chiều cao h

- N: tổng lực pháp tuyến tại đáy mảnh trượt

- S: Tổng lực cắt tại đáy mảnh trượt

- E: Lực tương tác theo phương ngang giữa các mảnh trượt (L chỉ bên trái, R chỉ bên phải)

- X: Lực tương tác theo phương thẳng đứng giữa các mảnh trượt

Lớp đá cứng

Vùng nứt do kéo

- kW: tải trọng động đất theo phương ngang tác dụng đi qua trọng tâm mỗi mảnh trượt

- R: bán kính của mặt trượt trụ tròn hay cánh tay đòn của lực cắt S

- f: khoảng cách từ tâm quay đến phương của pháp tuyến N

- x: khoảng cách theo phương ngang từ đường thẳng đứng đi qua trọng tâm mảnh trượt đến tâm quay hay tâm mô men

- e: khoảng cách theo phương đứng từ tâm mảnh trượt đến tâm quay hay tâm mô men

- d: khoảng cách vuông góc từ đường tải trọng tới tâm quay hay tâm mô men

- A: Hợp lực của nước bên ngoài

- a: khoảng cách theo phương vuông góc từ hợp lực nước bên ngoài tới tâm quay hay tâm mô men

- ω: góc nghiêng của đường ngoại lực so với phương nằm ngang

- α: góc hợp giữa tiếp tuyến của đáy mặt trượt so với phương nằm ngang

(3) ∑M = 0 : Tổng mô men của các lực đối với một điểm

(4) Sm= S = C′+ (σn - u )tgϕ’ : Tiêu chuẩn phá hủy của Coulomb

Tất cả các phương pháp đều giả thiết điểm tác dụng của lực pháp tuyến tại đáy của mặt trượt là điểm giữa của mặt trượt tại đáy mỗi mảnh Ngoài ra các phương pháp tính toán còn giả thiết vị trí điểm đặt lực nằm ngang giữa các mảnh (Janbu cho rằng điểm đặt của các lực nằm ngang tương tác giữa các mảnh nằm cách đáy mảnh trượt một khoảng bằng 1/3 chiều cao mỗi mảnh)

=> Số ẩn nhiều hơn số phương trình nên bài toán là bất định

Việc tính toán vẫn chưa được xác định nên cần thêm một giả thiết nữa

đối với phương của hợp lực trong lát cắt Phương này được mô tả bằng một hàm lực trong lát cắt

- Tổng các lực theo phương ngang đối với mỗi mặt trượt được sử dụng

để tính toán lực pháp tuyến giữa các mảnh E Phương trình này được áp dụng khi phân tích toàn bộ khối trượt (từ trái sang phải)

β

λ f x tg E

- Tổng mô men đối với một điểm chung cho tất cả các lát cắt Phương trình này được thực hiện để tính hệ số an toàn cân bằng mô men Fm

- Tổng các lực theo phương ngang đối với tất cả các lát cắt để tìm hệ

số an toàn cân bằng lực Ff

Hệ số an toàn thỏa mãn cả cân bằng lực và cân bằng mô men được xem là hệ số an toàn hội tụ của phương pháp GLE

2.2.4 Các bước tính toán hệ số an toàn

2.2.4.1 Đối với đất bão hòa

1 Độ lớn lực chống cắt tại mặt đáy mảnh được huy động để thoả mãn

điều kiện cân bằng giới hạn:

Trong đó:

F: hệ số an toàn (F>1)

β: chiều dài đáy mặt trượt

s: lực cắt đơn vị

2 Trên mỗi mảnh xét ∑Y = 0, kết hợp với (4) sẽ suy ra:

3 Lấy tổng mô men của tất cả các lực đối với 1 điểm ∑M = 0, kết hợp với (4) sẽ suy ra hệ số ổn định Fm phụ thuộc vào N Tuy nhiên theo (5) N lại phụ thuộc vào F

4 Cũng có thể xét ∑X = 0 với điều kiện ∑(EL-ER)=0 và kết hợp với (4)

có thể suy ra Ff phụ thuộc vào N

F

tg u c

F

s S

, n

,

m

ϕ

− σ + β

sin D F

tg sin u sin c X

X W

, ,

L R

ϕ α + α

ω +

ϕ α β + α β

kWe Nf

Wx

' Rtg u

N R

' c

Fm

ϕ β

− + β

=

5 Khi thay N vào các công thức của Fm và Ff ta xét các trường hợp sau:

- Bỏ qua lực tương tác giữa các mảnh lấy cân bằng lực theo phương vuông góc với đáy mỗi mảnh sẽ suy ra N Thay N vào công thức xác định Fm ta sẽ tìm được Fm tương ứng với phương pháp của Fellenius hay phương pháp thông thường

- Giả thiết XR-XL=0 trong biểu thức (5) ta được:

Thay N từ (6) vào các công thức xác định hệ số an toàn Fm và Ff ta sẽ tính

được các hệ số an toàn tương ứng với phương pháp Bishop và phương pháp Janbu đơn giản hóa (chưa có hệ số hiệu chỉnh f0)

- Nếu đặt = λ ( x ) = tg β

E X

Lựa chọn các dạng của hàm f(x) và giá trị của hệ số tỷ lệ λ rồi tính hệ số

an toàn Fm và Ff Thực tế giả thiết dạng của hàm nội lực f(x) chính là giả thiết hướng của hợp nội lực (góc β)

+ Theo phương pháp của Corps of Engineers hướng của hợp nội lực có thể là: đường nối điểm đầu và điểm cuối của mặt trượt hoặc chính là hướng của mái dốc tự nhiên

+ Theo phương pháp Lowe-Karafiath hướng của hợp nội lực được giả thiết bằng giá trị trung bình của góc nghiêng mái dốc và góc nghiêng của mặt trượt

+ Kỹ thuật giải nhanh được sử dụng để tính các hệ số an toàn như sau: Cho giá trị khởi đầu của λ thường bằng 2/3 độ dốc dây cung (độ dốc của

đường nối từ điểm đầu đến điểm cuối của mặt trượt) Sau đó lặp đi lặp lại việc ước lượng giá trị của λ cho tới khi các hệ số an toàn cân bằng lực và mô men nằm trong sai số cho phép Fm ≈ Ff (Tính các hệ số an toàn Fm và Fftheo các giá trị của λ cho tới khi Fm ≈ Ff ) Có thể dùng bất kỳ một hàm nội

F

tg sin cos

sin D F

tg sin u sin c W

, ,

ϕ α + α

ω +

ϕ α β + α β

sin N

cos ' tg u - N + cos ' c

=

Ff

± ω α

α ϕ

β α

β

∑

∑ ∑