Luận văn thạc sĩ cầu đường Nghiên cứu các phần mềm tính toán nền đất để đề xuất các ứng dụng hữu ích cho tính toán thiết kế nền đường trong điều kiện Việt Nam

ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NỀN ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ CÁC PHẦN MỀM ĐƯỢC SỬ DỤNG HIỆN NAY ĐỂ TÍNH TOÁN NỀN ĐƯỜNG 1.1 - Tổng quan về nền đường ô tô và thiết kế nền đường 1.2 - Các

Để hoàn thành được luận án này, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của các thầy cô 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 qúa trình học tập và nghiên cứu

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Cô giáo hướng dẫn TS Trần Thị

Kim Đăng – Bộ môn Đường bộ Trường Đại học Giao thông Vận tải, là cô giáo đã

tận tình giúp đỡ tôi trong qúa 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 12 tháng 10 năm 2008

Tác giả

ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NỀN ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ CÁC PHẦN MỀM ĐƯỢC SỬ DỤNG HIỆN NAY ĐỂ TÍNH TOÁN NỀN ĐƯỜNG

1.1 - Tổng quan về nền đường ô tô và thiết kế nền đường

1.2 - Các bài toán điển hình trong tính toán thiết kế nền đường ô tô

1.3 - Đánh giá việc sử dụng các phần mềm tính toán nền đường trong thực tế công tác thiết kế đường ô tô ở Việt Nam hiện nay

1.4 - Kết luận về các phần mềm được chọn lựa trong nghiên cứu đề tài

CHƯƠNG 2: CHƯƠNG TRÌNH SLOPE TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH BỜ DỐC

2.1 - Sơ lược cơ sở lý thuyết & phạm vi áp dụng chương trình

2.2 – Trình tự mô hình hóa tính toán

2.3 – Trình tự thực hiện phần mềm Slope

2.4 – Đề xuất việc áp dụng Slope trong tính toán thiết kế nền đường

CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH SIGMA TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐƯỜNG

3.1 - Sơ lược cơ sở lý thuyết & phạm vi áp dụng chương trình

3.2 – Trình tự mô hình hóa tính toán

3.3 – Trình tự thực hiện phần mềm Sigma

3.4 – Đề xuất việc áp dụng Sigma trong tính toán thiết kế nền đường

CHƯƠNG 4: MỘT SỐ CHƯƠNG TRÌNH KHÁC

4.1 – Chương trình Bishop – các ứng dụng trong thiết kế nền đường

4.2 – Chương trình Plaxis – các ứng dụng trong thiết kế nền đường

CHƯƠNG 5: ĐỀ XUẤT CÁC ỨNG DỤNG VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA CÁC PHẦN MỀM TRONG MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP BÀI TOÁN ĐIỂN HÌNH THIẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

T V N NGHIÊN C U

Nền đường là bộ phận chủ yếu của công trình đường, có tác dụng khắc phục địa hình thiên nhiên, nhằm tạo nên một tuyến đường có các tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp với một cấp hạng đường nhất định Nhiệm vụ của nó là đảm bảo cường độ và

độ ổn định của bản thân và của kết cấu áo đường Nó là nền tảng của áo đường, tham gia chịu lực cùng kết cấu áo đường Cường độ, tuổi thọ và chất lượng sử dụng đường và của kết cấu áo đường phụ thuộc rất lớn vào cường độ và độ ổn định của nền đường

Nền đường yếu, áo đường sẽ rạn nứt và hư hỏng nhanh chóng Do đó nền đường cần phải được thiết kế đảm bảo các yêu cầu sau:

- Đảm bảo ổn định toàn khối, nghĩa là kích thước hình học và hình dạng của nền đường không bị phá hoại hoặc biến dạng gây bất lợi cho việc thông xe

- Nền đường phải đảm bảo cường độ nhất định, tức là đủ độ bền khi chịu cắt trượt và không được biến dạng quá nhiều( hay không được tích lũy biến dạng) dưới tác dụng của tải trọng bánh xe

- Đảm bảo ổn định cường độ trong suốt thời kỳ khai thác, nghĩa là cường độ của nền đường không được thay đổi theo thời gian, theo điều kiện khí hậu, thời tiết một cách bất lợi

Trong từng điều kiện cụ thể, có thể xảy ra các điều kiện hư hỏng sau đối với nền đường như: Nền đường bị lún, nền đường bị trượt, nền đường bị nứt, sụt lở mái ta luy

Trong xây dựng đường, chờ đợi quá trình nén chặt tự nhiên của đất nền đường là không hợp lý Trong khi đó lại không được phép để nền đường biến dạng trong quá trình khai thác để đảm bảo độ bằng phẳng của mặt đường Khi đắp nền đường đất phải được nén chặt thì cường độ và độ ổn định nước càng cao Độ nén chặt cần thiết để đảm bảo nền đường không tiếp tục biến dạng sau khi thi công là phụ thuộc vào ứng suất phát sinh trong nền đường Ứng suất ấy bao gồm ứng suất

do trọng lượng bản thân của áo đường và nền đường phía trên và ứng suất do tải trọng giao thông Trong các trường hợp thiết kế nền đường ứng với cấp đường, với mỗi dự án cụ thể, việc tính toán phải đảm bảo cho trong đất nền chỉ xuất hiện biến dạng đàn hồi mà không có biến dạng dẻo, hoặc có thể cho phép có biến dạng dẻo nhưng vẫn phải đảm bảo sự ổn định toàn khối của nền Hiện nay có rất nhiều tuyến đường đã hoàn thành mà giải pháp kỹ thuật và quản lý cho vấn đề biến dạng lún

của nền đường vẫn còn rất nan giải như tuyến đường Pháp Vân – Cầu Giẽ, Láng - Hòa Lạc, một số đoạn đường đắp cao đầu cầu trên các tuyến quốc lộ Ngoài ra hiện tượng sụt trượt ta luy nền đường cũngg là một vấn đề luôn mang tính thời sự do tính bất ngờ cùng với những hậu quả nghiêm trọng khi nó xảy ra như tuyến đường

Hồ Chí Minh và một số tuyến quốc lộ ở vùng nói phía Bắc Việc nghiên cứu các giải pháp trong thiết kế và các phương pháp tính toán để đảm bảo các yêu cầu của nền đường luôn là việc hết sức cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao

Hiện nay, khi máy tính là công cụ tính toán hữu hiệu thì việc sử dụng các phần mềm tính toán trở nên phổ biến hơn Đã có một số phần mềm để tính toán nền đường đã được sử dụng ở nước ta Phổ biến nhất thời điểm hiện nay là bộ phần mềm Geo – Office ( Canada) bao gồm một số phần mềm khác nhau, giải quyết nhiều bài toán ứng dụng trong các ngành xây dựng dân dụng, giao thông thủy lợi

Bộ phần mềm này có nhiều chức năng và trong lĩnh vực đường bộ được ứng dụng

để giải quyết được các bài toán phân tích ứng suất và biến dạng của nền, kiểm toán

ổn định mái ta luy…Từ mục đích khai thác bộ phần mềm một cách hiệu quả, để đưa ra những giải pháp hợp lý, thỏa mãn các yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế ứng dụng cho các bài toán cụ thể tính toán nền đường của ngành đường bộ, tác giả đã

lựa chọn đề tài: “ Nghiên cứu các phần mềm tính toán nền đất để đề xuất các

ứng dụng hữu ích cho tính toán thiết kế nền đường trong điều kiện Việt Nam”

CH NG 1:

T NG QUAN V N N NG Ô TÔ VÀ CÁC PH N M M C S D NG HI N NAY

TÍNH TOÁN N N NG

1.1 - Tổng quan về nền đường ô tô và thiết kế nền đường

1.1.1 Những yêu cầu chung đối với nền đường

Nền đường ô tô là một công trình bằng đất (đá) có tác dụng:

- Khắc phục địa hình thiên nhiên nhằm tạo nên một dải đất đủ rộng dọc theo tuyến đường có các tiêu chuẩn về bình đồ, trắc dọc, trắc ngang đáp ứng được điều kiện chạy xe an toàn, êm thuận và kinh tế

- Làm cơ sở cho áo đường: lớp phía trên của nền đường cùng với áo đường chịu tác dụng của tải trọng xe cộ và của các nhân tố thiên nhiên do đó có ảnh hưởng rất lớn đến cường độ và tình trạng khai thác của cả công trình đường

Để đảm bảo các yêu cầu nói trên, khi thiết kế và xây dựng nền đường cần phải đáp ứng được các yêu cầu sau đây:

1 Nền đường phải đảm bảo luôn ổn định toàn khối, nghĩa là kích thước hình học

và hình dạng của nền đường không bị phá hoại hoặc biến dạng gây bất lợi cho việc thông xe

b)

f)

d) c)

e)

Hình 1.1 Các hiện tượng nền đường mất ổn định toàn khối

a) Trượt ta luy đắp; b) Trượt nền đường đắp trên sườn dốc; c) Lún sụt trên đất yếu d) Trượt trồi trên đất yếu e) Sụt lở ta luy đào; f) Trượt ta luy đào

Các hiện tượng mất ổn định toàn khối đối với nền đường thường là: trượt lở mái ta luy nền đường đào hoặc đắp, trượt nền đường đắp trên sườn dốc, trượt trồi và lún nền đất đắp trên đất yếu,… (Hình 1.1)

2 Nền đường phải đảm bảo có đủ cường độ nhất định, tức là đủ độ bền khi chịu cắt trượt và không được biến dạng quá nhiều (hay không được tích luỹ biến dạng) dưới tác dụng của tải trọng bánh xe

3 Nền đường phải luôn đảm bảo ổn định về mặt cường độ, nghĩa là cường độ của nền đường không được thay đổi theo thời gian, theo điều kiện khí hậu, thời tiết một cách bất lợi

Nền đường thường bị phá hoại do các nguyên nhân sau đây:

- Sự phá hoại của thiên nhiên như mưa làm tích nước hai bên đường, làm giảm cường độ của đất nền đường, gây sạt lở mái dốc ta luy

- Điều kiện địa chất thủy văn tại chỗ không tốt về cấu tạo tầng lớp và mức độ phong hoá đất đá, đặc biệt là sự phá hoại của nước ngầm (nước ngầm chảy lôi theo đất gây hiện tượng xói ngầm và giảm cường độ của đất)

- Do tác dụng của tải trọng xe chạy

- Do tác dụng của tải trọng bản thân nền đường khi nền đường đắp quá cao hoặc đào quá sâu, ta luy quá dốc thường hay bị sạt lở

- Do thi công không đảm bảo chất lượng: đắp không đóng quy cách, loại đất đắp,

lu lèn không chặt,…

Trong số các nguyên nhân nói trên, tác dụng phá hoại của nước đối với nền đường

là chủ yếu nhất (gồm nước mặt, nước ngầm và cả hơi nước)

1.1.2 Chiều sâu hoạt động của đất nền đường

Cường độ và độ ổn định của nền đường chủ yếu là do các lớp đất tầng trên quyết định, như vậy cần phải xác định chiều sâu hoạt động của tải trọng

M r

Hình 1.2 Sơ đồ xác định chiều sâu khu vực tác dụng của nền đường

Chiều sâu hoạt động của đất nền đường hay phạm vi hoạt động của đất nền đường

là khu vực chịu tác dụng của tải trọng động (tải trọng xe cộ đi trên đường truyền xuống) Phạm vi này được xác định bằng chiều sâu za ở hình 1.2

Trên hình vẽ, ứng suất tại mỗi điểm trong đất do trọng lượng bản thân nền đắp gây nên là: (xét trường hợp đất đồng nhất)

σγ = γ.z

γ - dung trọng của đất đắp (t/m3); z – chiều sâu tính ứng suất, m

Ứng suất thẳng đứng do tải trọng động của bánh xe P gây ra sẽ phân bố tắt dần theo chiều sâu theo công thức của Bussinet:

2 z

z

P.k

=σ

k – hệ số Bussinet

2

5 2 1

1

2 3

=

Z r

P.n.kz

z

Pnkz

γ

=

⇒

=γ

Thường giả thiết n = 5 – 10 và với các tải trọng bánh xe thông thường sẽ tính được

za = 0,9 – 1,5m

Như vậy, để nền đường có cường độ và độ ổn định nhất định cần đầm nén chặt đất nền đường bằng các phương tiện đầm nén

Đầm nén chặt đất nền đường: là một biện pháp tăng được cường độ và cải thiện

được chế độ thủy nhiệt của nền đường tương đối đơn giản, phổ biến và có hiệu quả cao

Hiện nay người ta thường dùng đại lượng dung trọng khô γ (g/cm3) của đất để đặc trưng cho độ chặt của đất được đầm nén thông qua hệ số đầm nén:

K = γ/γ0

Trong đó γ - là dung trọng khô của đất sau khi được nén chặt trên thực tế và γ0 là dung trọng khô của loại đất đó nhưng được nén chặt trong điều kiện tiêu chuẩn (độ chặt lớn nhất – xác định bằng cối Proctor)

1.1.3 Nguyên tắc thiết kế nền đường

1 Phải đảm bảo khu vực tác dụng của nền đường (khi không có tính toán đặc biệt, khu vực này có thể lấy tới 80 cm kể từ dưới đáy áo đường trở xuống ) luôn đạt được các yêu cầu sau:

ÿ Không bị quá ẩm (độ ẩm không lớn hơn 0,6 giới hạn nhão) và không chịu ảnh hưởng các nguồn ẩm bên ngoài (nước mưa, nước ngầm, nước bên cạnh nền đường)

ÿ 30 cm trên cùng phải đảm bảo sức chịu tải CBR tối thiểu bằng 8 đối với đường cấp I, cấp II và bằng 6 đối với đường các cấp khác

ÿ 50 cm tiếp theo phải đảm bảo sức chịu tải CBR tối thiểu bằng 5 đối với đường cấp I, cấp II và bằng 4 với đường các cấp khác

Ghi chú: CBR xác định theo điều kiện mẫu đất ở độ chặt đầm nén thiết kế và được ngâm bão hòa

4 ngày đêm

2 Để hạn chế tác hại xấu đến môi trường và cảnh quan, cần chú trọng các nguyên tắc:

- Hạn chế phá hoại thảm thực vật Khi có thể nên gom đất hữu cơ trong nền đào

để phủ xanh lại các hố đất mượn, các sườn taluy

- Hạn chế phá hoại cân bằng tự nhiên Đào đắp vừa phải Chú ý cân bằng đào đắp Gặp địa hình hiểm trở nên so sánh nền đường với các phương án cầu cạn, hầm, nền ban công Chiều cao mái dốc nền đường không nên cao quá 20 m

- Trên sườn dốc quá 50% nên xét phương án tách thành hai nền đường độc lập

- Nền đào và nền đắp thấp nên có phương án làm thoải (1:3 ~ 1:6) và gọt tròn để phù hợp địa hình và an toàn giao thông

- Hạn chế các tác dụng xấu đến đời sống kinh tế và xã hội của cư dân như gây ngập lụt ruộng đất, nhà cửa Các vị trí và khẩu độ công trình thoát nước phải đủ

để không chặn dòng lũ và gây phá nền ở chỗ khác, tránh cản trở lưu thông nội

bộ của địa phương, tôn trọng quy hoạch thoát nước của địa phương

1.2 - Các bài toán điển hình trong tính toán thiết kế nền đường

Bộ phần mềm này có nhiều chức năng và trong lĩnh vực đường bộ được ứng dụng

để giải quyết được các bài toán phân tích ứng suất và biến dạng của nền, kiểm toán

ổn định mái ta luy…

1.4 - Kết luận về các phần mềm được chọn lựa trong nghiên cứu đề tài

Qua quá trính nghiên cứu thực tế, tác giả đã lựa chọn một số phần mềm đặc trưng cho công tác thiết kế nền đường như:

- Phần mềm Slope: ứng dụng trong các bài toán phân tínc ổn định mái dốc,

ổn định chống trượt sâu…

- Phần mềm Sigma: ứng dụng trong các bài toán phân tínc ứng suất và biến dạng của nền móng

CHƯƠNG 2:

CH NG TRÌNH SLOPE TÍNH TOÁN N NH B D C

2.1 - Sơ lược cơ sở lý thuyết & phạm vi áp dụng chương trình

2.1.1 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 mômen) 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 đỏ không đồng nhất và mặt trượt là bất

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

- Cụ 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 đất + Hệ số an toàn là như nhau cho tất cả các mảnh

2.1.2 Sơ đồ tính toán

Sơ đồ tính toán cho trường hợp mặt trượt trụ tròn, mặt trượt hỗn hợp

Trong đó:

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

- N: tổng lực pháp tuyến tại đáy mảnh trượt

Lớp đá cứng

Vùng nứt do kéo

- S: Tổng lực cắt tại đỏy mảnh trượt

- E: Lực tương tỏc theo phương ngang giữa cỏc mảnh trượt (L chỉ bờn trỏi,

- R: bỏn kớnh của mặt trượt trụ trũn hay cỏnh tay đũn của lực cắt S

- f: khoảng cỏch từ tõm quay đến phương của phỏp tuyến N

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

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

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

- 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 mômen

- 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

2.1.3 Phương pháp cân bằng giới hạn

Đối với bài toán phẳng Có thể sử dụng các phương trình cân bằng tĩnh học sau đây để tìm hệ số an toàn:

(1) ∑ X = 0 : Tổng các lực theo phương ngang

(2) ∑Y = 0 : Tổng các lực theo phương đứng

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

(4) Sm= S = C′+ (σn - u )tgϕ’ : Tiờu chuẩn phỏ hủy của Mohr-Coulomb Trong đó:

=> 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 lực cắt Phương này được môtả bằng một hàm lực trong lực cắt

1: hàm hằng số 2: hàm nửa sin 3: hàm đường sin bị chặn 4: hàm hình thang

Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (General Limit Equilibrium – GLE) sử dụng những phương trình cân bằng tĩnh học sau đây để tìm hệ số an toàn

- Tổng các lực theo phương đứng đối với mỗi lực cắt được giả định để tìm lực pháp tuyến tại đáy của mặt trượt N

- 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)

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

β

λ f x tg E

- Tổng các lực theo phương ngang đối với tất cả các lực cắt để tìm hệ số an toàn cân bằng lực Ff

Hệ số an toàn thỏa món cả cân bằng lực và cân bằng mômen được xem là hệ

số an toàn hội tụ của phương pháp GLE

2.1.4 Các bước tính toán hệ số an toàn

2.1.4.1 Đối với đất bão hòa

1 Độ lớn lực chống cắt tại mặt đáy mảnh được huy động để thỏa 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 mômen 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 nhiờn theo (5) N lại phụ thuộc vào F

4 Cũngg 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

tg sin cos

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 húa (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 nhiờn

+ 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 dõy 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 mômen nằm trong sai số cho phép Fm

≈ Ff (Tính các hệ số an toàn Fm và Ff theo các giá trị của λ cho tới khi Fm ≈ Ff )

Có thể dựng bất kỳ một hàm nội lực nào để tìm hệ số an toàn Cách giải này tương ứng với phương pháp của Spencer, Morgenstern-Price

[ ]

( ) 8 F

tg sin cos

sin D F

tg sin u sin

c W

, ,

ϕ α +

α

ω +

ϕ α β + α β

sinN

cos 'tgu-N+cos'c

=

Ff

±ωα

αϕ

βα

β

∑

∑ ∑

+ Sử dụng các giá trị khác nhau của λ để tính các hệ số an toàn Fm và Ff Giá trị

Fm ≈ Ff (ứng với trị số λ nào đó) thu được tương ứng với phương pháp Corps of Engineers 1&2, Lowe-Karafiath

2.1.4.2 Đối với đất không bão hòa

Khác với đất bão hòa chỉ có 2 pha (nước và hạt đất), đất không bão hòa Có thêm pha khí (trong một số trường hợp có xét thêm pha thứ tư là mặt phân cách giữa khí và nước Ngoài áp lực nước lỗ rỗng trong đất cũng có thêm áp lực khí lỗ rỗng Phớa trờn mặt nước ngầm áp lực nước lỗ rỗng trong một vài lớp đất Có thể là

âm và đất có thể không bão hòa Khi đất bị ẩm áp lực nước lỗ rỗng tăng, Có xu hướng về giá trị dương Điều này làm thay đổi thể tích và độ bền chống cắt của đất (giảm độ bền chống cắt)

Trong thực tế, cường độ chống cắt cho lớp đất không bão hòa (đất có áp lực nước lỗ rỗng âm) được mô tả bằng phương trình Mohr-Coulomb sau đây:

Trong đó:

ua: áp lực khí lỗ rỗng

uw: áp lực nước lỗ rỗng

ϕb

: góc của cường độ lực cắt khi sức hạt tăng (ua-uw)

Như vậy khác với đất bão hòa, sức chống cắt của đất không bão hòa được xem gồm 3 thành phần: thành phần lực dính c’; thành phần ma sát ϕ’; thành phần hạt do ϕb

Lực cắt tại đáy mỗi lực cắt Sm, Có thể được viết:

Trờn mỗi mảnh xét ∑Y = 0, kết hợp với (10) sẽ suy ra:

Khi áp lực khí lỗ rỗng bộ có thể xem bằng 0 thớ phương trình (11) trở thành:

) 9 ( tg

) u u ( ' tg ) u (

' c

s = + σn − a ϕ + a − w ϕb

) 10 ( ) tg ) u u ( ' tg ) u (

' c ( F

Sm = β + σn − a ϕ + a − w ϕb

( )11F

tgsincos

F

tgsinuF

)tgtg

(sinuF

sin.cXX

W

b w

b ,

a ,

L R

ϕα+α

ϕαβ+ϕ

−ϕαβ+αβ

tgsincos

F

tgsinu

F

sin.cXXW

b w

, L R

ϕα+α

ϕαβ+αβ

−

−+

=

Khi lớp đất bão hòa thớ ϕb

Có thể bằng ϕ,

, lỳc này cựng một phương trình (12) Có thể dựng cho cả đất bão hòa và không bão hòa Slope/W dựng ϕb

bất cứ khi nào áp lực nước lỗ rỗng âm và dựng ϕ,

bất cứ khi nào áp lực nước lỗ rỗng dương Từ đó Có thể suy ra các hệ số an toàn

Lấy tổng mômen của tất cả các lực đối với 1 điểm ∑M = 0, kết hợp với (10)

sẽ suy ra hệ số ổn định Fm phụ thuộc vào N

Cũngg Có thể xét ∑X = 0 với điều kiện và kết hợp với (10) Có thể suy ra Ff

phụ thuộc vào N

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

Có thể dựng Slope/W để tính ổn định mái dốc theo nhiều phương pháp khác nhau Có thể tóm tắt các phương pháp tính toán theo các bảng sau:

Các giả thiết dựng trong các phương pháp khác nhau

Thông thường

hay Fellenius

Bishop đơn giản hóa

Janbu đơn giản hóa

Janbu tổng quát hóa

Spencer

Bỏ qua lực tương tác giữa các mảnh

Tổng lực giữa các mảnh nằm ngang (Không có lực cắt giữa mảnh)

Tổng lực giữa các mảnh nằm ngang Dựng hệ số hiệu chỉnh kinh nghiệm f 0 để xét tới các lực cắt giữa mảnh

Giả thiết một đường tác dụng để xác định vị trí lực pháp giữa mảnh

Giả thiết tổng lực giữa mảnh có góc nghiêng không

) 13 ( Nf

Wx

-' tg R ' tg

tg - 1 a u - ' tg

tg w u - N + R ' c

=

m

F

b b

ϕ

ϕ β β

)14(sin

N

cos 'tg'tg

tg-1au-'tg

tgwu-N+cos'c

=

f

F

b b

ϕ

ϕβα

β

Phương của tổng lực giữa mảnh phải:

- bằng độ dốc từ đỉnh đến chân mặt trượt

- song song với mặt đất

Phương của tổng lực giữa mảnh bằng đường trung bình giữa mặt đất và mặt trượt tại đáy mỗi mảnh

Các điều kiện cân bằng tĩnh sử dụng trong các phương pháp

Phương pháp

Cân bằng lực

Cân bằng mômen

Phương thẳng đứng

Phương nằm ngang Thông thường

hay Fellenius

Bishop đơn giản hóa

Janbu đơn giản hóa

Janbu tổng quát hóa

*

Có

Có

Có Không Không

(* Cân bằng mômen được dựng để tính nội lực cắt)

2.1.6 Phạm vi áp dụng của chương trình

Chúng ta biết rằng phần mềm Slope tính cho cả trường hợp đất bão hòa và đất không bão hòa

Theo Slope nếu tính toán ổn định tương ứng với đất không bão hòa (đất có

áp lực nước lỗ rỗng âm) thì phải thực hiện những bước sau:

- Đo đạc mặt cắt tự nhiên của mái dốc

- Khoan một số lỗ khoan để biết được địa tầng và lấy mẫu nguyên dạng

- Thí nghiệm các mẫu đất trong phòng thí nghiệm để có các thông số cần thiết: C’; ϕ’; ϕb

…

- Đo áp lực nước lỗ rỗng âm trên mực nước ngầm

Đây là các bước cung cấp dữ liệu đầu vào để tính toán ổn định mái dốc

Ở Việt Nam, để tính toán ổn định mái dốc chúng ta cũng phải có được các

dữ liệu làm thông số đầu vào để chạy chương trình Tuy nhiên điều kiện thí nghiệm ở nước ta còn hạn chế chủ yếu chỉ xác định được các giá trị C và ϕ của đất trong điều kiện không quan tâm đến áp lực nước lỗ rỗng u (chỉ quan tâm tới ứng suất tổng σ)

Chính vì điều này chúng ta không có điều kiện để giải bài toán ổn định mái dốc theo lý thuyết của “ cơ học đất bão hòa” Chính vì vậy chúng ta chỉ sử dụng phần mềm Slope để giải quyết bài toán theo lý thuyết của “ cơ học đất bão hòa” Khi không có các thông số để giải bài toán ổn định theo lý thuyết của “ cơ học đất không bão hòa”, chương trình Slope tự động giải bài toán theo lý thuyết của “ cơ học đất bão hòa”

Nếu xem đất tuân theo lý thuyết “ cơ học đất bão hòa” thì việc tính toán ổn định trở nên an toàn hơn do bỏ qua thành phần hút dính trong sức chống cắt của đất Chúng ta trở lại với 2 phương trình độ bền chống cắt:

- Với đất không bão hòa:

- Với đất bão hòa:

Khi đất chuyển dần từ không bão hòa sang bão hòa áp lực nước lỗ rỗng uw

tiến dần đến áp lực khí lỗ rỗng ua, và độ hút dính (ua – uw ) tiến tới 0 Thành phần

độ hút dính biến mất phương trình (15) trở về phương trình (16) của đất bão hòa

Như vậy khi sử dụng Slope để tính toán ổn định, các thông số về cường độ chống cắt của đất được đưa vào như sau:

) 15 ( tg

) u u ( ' tg ) u (

' c

' c

S = + σ n − ϕ

+ Đất nằm trên đường áp lực nước: nhập giá trị C và ϕ của đất ở trạng thái

rõ ràng việc phải tính theo phương pháp nào do đó tùy từng trường hợp cụ thể mà lựa chọn phương pháp cho phù hợp

2.2 – Trình tự mô hình hóa tính toán

Slope/W được chia thành 3 module:

- Chương trình nhập số liệu (Define),

- Chương trình tính toán (Solve)

- Chương trình biểu thị kết quả tính (Contour)

Thông thường khi giải một bài toán chúng ta sẽ bắt đầu với module Define sau đó dùng module Solve để tính toán và module Contour để kiểm tra và in kết

Những nội dung cần thực hiện trong bước này bao gồm:

- Xác định phạm vi làm việc

- Lựa chọn tỷ lệ

- Xác định khoảng cách lưới

- Hiển thị trục tọa độ

- Lưu giữ bài toán

- Phác hoạ bài toán

- Vẽ lưới các tâm mặt trượt

- Ghi các thông số lên bản vẽ

- Hiệu chỉnh các đối tượng

- Kiểm tra bài toán

Thứ tự các bước thực hiện trong phần này có thể tóm tắt như sau:

(Hình 2-3 – Khởi động Slope)

1) Để xác định phạm vi làm việc: menu : Set >Page : Trong phần này

người dùng sẽ lựa chọn đơn vị là mm hay inch, lựa chọn kích thước vùng làm việc tùy theo độ lớn mặt cắt và khổ giâý in

2) Để chọn tỷ lệ bản vẽ ta thực hiện: menu : Set > Scale: Người dùng tự

đặt tỷ lệ vẽ (thông thường là 1/200)

3) Để tiện cho quá trình nhập số liệu hay mô tả bài toán ta nên thiết lập hệ thống lưới trợ giúp vẽ (Grid), nó tương tự như ta kẻ ô vuông khi vẽ tay Cách thực

hiện như sau : menu : Set > Grid > Trong phần này chúng ta nhập khoảng cách

giữa các nút lưới, đây chính là đơn vị thật còn khoảng cách thể hiện trên màn hình

do Slope tự tính ra tùy theo tỷ lệ Ta cũng nên chọn phần hiển thị lưới (Display Grid) và bắt dính nút lưới (Snap to Grid)

4) Hiển thị trục tọa độ sẽ làm cho bài toán dễ nhìn hơn: menu : Set > Axes

> Hệ tọa độ ở đây là vuông góc XOY Thông thường ta đặt trục Y theo chiều

đứng còn trục X theo chiều nằm ngang Để tiện cho việc theo dõi chúng ta cũng nên đặt tên cho các trục

Hình dưới thể hiện màn hình làm việc của Slope sau khi đã trải qua các bước

thiết lập ở trên

5) Lưu giữ bài toán: menu : File > Save as > Đặt tên cho file và lưu giữ

vào máy tính

6) Phác họa bài toán: menu: Sketch > Lines > Một bài toán tính ổn định

mái dốc bao giờ cũng gắn liền với hình dạng mặt cắt của nó Hình dạng này thể

(Hình 2-4 – Màn hình làm việc sau khi thiết lập)

hiện cấu tạo địa chất và các điều kiện tác dụng khác nhau của bên ngoài Trong

Slope thì phần này được gọi là vẽ phác hoạ (Sketch) và cách thực hiện là ta sẽ làm

việc với các lệnh trong menu : Sketch

Do phần trước ta đã đặt chế độ bắt dính nút lưới nên việc phác thảo bài toán chủ yếu dựa vào các nút lưới hiển thị Các mặt cắt thực tế sẽ được thể hiện cụ thể thông qua phần phác thảo Lưu ý ở trong Slope việc thể hiện hình dáng mặt cắt chỉ bằng các đường thẳng do vậy để thể hiện chính xác bài toán có thể chọn khoảng cách giữa các nút lưới nhỏ hơn

7) Xác định phương pháp phân tích: Sau khi thiết lập các thông số liên quan đến hình học của bài toán ta cần phải chỉ ra phương pháp tính phù hợp cho bài toán này Mỗi phương pháp khác nhau sẽ cho các kết quả khác nhau chút ít, tùy vào từng bài toán cụ thể mà người dùng có thể lựa chọn các phương pháp khác nhau:

Cách chọn: menu : KeyIn > Analysis Settings > Method > Slope đưa

ra 9 phương pháp tính theo cân bằng giới hạn khác nhau và 3 phương pháp tính theo phần tử hữu hạn cho người dùng lựa chọn

8) Xác định các lựa chọn khác: menu : KeyIn > Analysis Settings > Có

rất nhiều thông số đòi hỏi người dùng phải lựa chọn trong phần này:

- Project ID: Các vấn đề về dự án

- PWB: Các thông số liên quan đến áp lực nước lỗ rỗng

- Slip Surface: Các thông số liên quan đến mặt trượt

- FOS Distribution: Lựa chọn cách tính hệ số an toàn theo xác suất hay không

- Advanced: Một số lựa chọn khác

9) Đây là những số liệu rất quan trọng của bài toán, nó được thu thập từ quá

trình khảo sát địa chất Slope sẽ quản lý các lớp đất theo thứ tự đánh số từ 1 Đơn

vị tính của các đặc trưng của đất cần phải được xác định rõ từ trước, thường trong Slope lấy đơn vị áp lực là KN/m2, đơn vị của trọng lượng là KN/m3

Thực hiện menu : KeyIn > Material Properties > Mỗi lớp đất cần phải

nhập các thông số chủ yếu như: trọng lượng thể tích γ; lực dính đơn vị C; góc ma sát trong ϕ và một số thông số khác dùng trong trường hợp tính cho đất không bão hòa

10) Vẽ đường phân chia các lớp đất và gán loại đất cho các vùng khác nhau:

menu : Draw > Regions > Mỗi lớp đất được giới hạn trong một vùng khép kín

Tiếp tục thực hiện gán các loại đất cho mỗi vùng vừa vẽ: menu : KeyIn >

Region Properties > Sau khi thực hiện xong bước này chúng ta có một mô hình

mô tả bài toán thực tế: Một mặt cắt gồm các lớp đất với những thông số cụ thể

11) Khai báo các thông số về đường đo áp, đường tác dụng của lực, các

thông số về neo…

Thực hiện: menu : Draw > Pore-Water Pressure >

menu : Draw > Line Loads >

menu : Draw > Reinforcement Loads >

menu : Draw > Pressure Lines >

Những khai báo này tùy thuộc vào từng bài toán cụ thể mà có thể khác nhau Việc thực hiện các khai báo này phức tạp, đòi hỏi phải chính xác thì mô hình bài toán mới đúng với thực tế

(Hình 2-5 – Các lựa chọn phân tích)

12) Vẽ các bán kính mặt trượt: Bán kính mặt trượt (Slip surface radius) là

một khái niệm do Slope đưa ra và bắt buộc người dùng phải vẽ Yêu cầu ở đây là

người dùng phải chỉ ra một số đường thẳng (tối thiểu là 1 đường và tạm gọi là

"đường bán kính") mà chúng có tính chất là tiếp tuyến của các cung trượt Slope sẽ tính bán kính cung trượt dựa vào các nút lưới tâm trượt (sẽ thực hiện ở bước sau) như là đường vuông góc từ nút lưới đến các đường thẳng này Các đường thẳng này được xây dựng dựa vào một hình tứ giác do người dùng định ra Số lượng các

đường bán kính trong tứ giác này do người dùng định ra và Slope tự vẽ chúng

Các đường bán kính sẽ được tạo ra song song với 2 cạnh của tứ giác

Lựa chọn được 4 điểm hợp lý đòi hỏi người dùng phải có khả năng phán đoán cung trượt sẽ nằm trong khoảng nào và sẽ trượt như thế nào Tốt nhất ta nên chọn sao cho góc nghiêng của các đường bán kính phù hợp với khả năng có thể xảy ra hiện tượng trượt tiềm ẩn Nên lấy các đường bán kính song song với mái

Các ô lưới được dựng lên theo một hình bình hành được xác định bởi 3 điểm Hai điểm đầu sẽ xác định cạnh cơ sở của hình bình hành còn điểm thứ ba sẽ định ra hình dạng cuối cùng của hình bình hành Số lượng các ô lưới trong hình bình hành này do người dùng tuỳ chọn Nếu máy tính mạnh và công trình phức tạp nên chọn mắt lưới dày Tuy nhiên để chọn lưới tâm trượt hợp lý thì phải tính thử vài lần hệ số an toàn để đảm bảo tâm trượt có hệ số an toàn nhỏ nhất nằm giữa lưới tâm trượt

Cách vẽ lưới tâm trượt như sau : menu : Draw > Slip Surface > Grid >

14) Ghi các thông số lên bản vẽ: Thông thường trên bản vẽ ta cần thể hiện các thông tin địa chất của các lớp đất cũng như một số ghi chú quan trọng khác như vị trí vải địa kỹ thuật hay các neo ngầm trong đất, hay các tải trọng khác

Ghi các thông tin lên bản vẽ : menu : Sketch >Text >

Với lệnh này chúng ta có thể ghi bất kỳ thông tin nào lên bản vẽ

15) Hiệu chỉnh các đối tượng: Trong quá trình thực hiện một số bước ở trên

nếu muốn có sự hiệu chỉnh đối tượng ta thực hiện như sau: menu :

Cách làm : menu : Tools > Verify > Chọn nút "Verify" trong cửa sổ

"Verify Data" Nếu Slope không thông báo lỗi thì chúng ta có thể chuyển sang

chương trình tính toán

2.3.2 Tính toán - Solve

Sau khi đã nhập các số liệu và kiểm tra xong chúng ta thực hiện bước giải bài toán

Cách làm : menu : Tools > SOLVE >

Đây là lệnh gọi một chương trình độc lập (module SOLVE), nó sẽ tính ra hệ

số an toàn nhỏ nhất theo các phương pháp khác nhau mà ta đã chọn Thời gian tính toán có thể nhanh hay chậm phụ thuộc vào tốc độ máy tính và số lượng cần tính

của bài toán Nếu thấy Slope tính quá lâu thì ta có thể chọn "Stop" trong hình trên

để kết thúc quá trình tính toán

(Hình 2-6 – Giải bài toán)