Bài giảng Geoslope

- Xác định phạm vi vùng làm việc : Set\Page - Xác định tỷ lệ vẽ : Set\Scale - Xác định l-ới vẽ : Set\Grid - L-u dữ liệu vào tệp : File\ Save B-ớc 2: Phác thảo bài toán - Xác định ph-ơng

Bài 1: Giới thiệu về phần mềm Slope/W và bộ ch-ơng trình Geo-slope

1 Cài đặt ch-ơng trình SLOPE/W

(Theo h-ớng dẫn của giáo viên trên lớp)

2 Giới thiệu một số phần mềm tính ổn định mái dốc hiện nay

- Phần mềm tổng hợp Plaxis (Hà Lan) : Dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn thuần tuý, giải quyết bài toán bằng ph-ơng pháp phần tử hữu hạn -mô hình chuyển vị Phần mềm tính toán ổn

định mái dốc, t-ờng chắn gia c-ờng neo thép, l-ới vải địa kỹ thuật, l-ới cốt thép,

-Bộ phần mềm Geo - Slope (Canada) : đ-ợc nhiều n-ớc trên thế giới đánh giá là bộ ch-ơng trình mạnh nhất, đ-ợc dùng phổ biến nhất hiện nay, gồm có 6 Modul sau :

SEEP/W : Phân tích thấm

SIGMA/W : Phân tích ứng suất biến dạng

SLOPE/W : Phân tích ổn định mái dốc, mái dốc có gia c-ờng neo

CTRAIN/W : Phân tích ô nhiễm trong giao thông

TEMP/W : Phân tích địa nhiệt

QUAKE/W : Phân tích đồng thời các thành phần trên

3 Giới thiệu phần mềm SLOPE/W

Trong phần này chỉ giới thiệu một số vấn đề chính của phần mềm Slope/w version 4.2, có thể xem thêm h-ớng dẫn chi tiết các lệnh bằng menu Help trong ch-ơng trình

3.1 Màn hình làm việc của phần mềm Slope/w

-Cửa sổ chính ( main window ) : Giống nh- bất kỳ ch-ơng trình chạy trong môi tr-ờng

windows khác, cửa sổ chính của Slope/w cũng bao gồm các thành phần sau : thanh tiêu đề chứa tên ch-ơng trình và tên tệp đang mở, các nút điều khiển maximize, minimize, close, menu bar, các thanh công cụ, thanh trạng thái, vùng đồ hoạ, có tên là DEFINE

Từ cửa sổ chính mở đến 2 cửa sổ con thể hiện kết quả tính toán có tên là CONTOUR và SOLVE -Thanh menu bar ( Bar menu ): Chứa tất cả các lệnh có thể thực hiện với Slope/w : các thanh công cụ

ThS Đặng Hồng Lam Trang 2

Cöa sæ chÝnh ch-¬ng tr×nh

Cöa sæ kÕt qu¶ ch-¬ng tr×nh

-Thanh công cụ chuẩn ( Standard toolbar ) : Cung cấp nhanh các lệnh cơ bản, thao tác vào, ra,

quan sát mô hình

-Các thanh công cụ nổi ( floalting toolbar ) : Cung cấp nhanh các lệnh tạo mô hình, thay đổi mô

hình, chọn ph-ơng pháp phân tích, chỉnh sửa và xem kết quả

-Cửa sổ hiển thị mô hình ( Dislay window ) : Dùng để đồ hoạ các sơ đồ hình học, hiện thị kết

quả phân tích, gồm có 2 cửa sổ Define và Contour ở mỗi thời điểm chỉ có một cửa sổ hoạt động

-Thanh trạng thái ( Status bar ) : Thể hiện thông tin hiện thời của mô hình nh− vị trí trỏ chuột

trên màn hình hiển thị, lệnh đang thực thi

7 Sketch MENU

ThS Đặng Hồng Lam Trang 6

Bài 2: ứng dụng slope/w để giải quyết bài toán đơn giản về

ổn định bờ dốc Các b-ớc sử dụng ch-ơng trình để tính ổn định bờ dốc sau:

B-ớc 1 Các b-ớc thiết lập cơ bản

- Xác định phạm vi vùng làm việc : Set\Page

- Xác định tỷ lệ vẽ : Set\Scale

- Xác định l-ới vẽ : Set\Grid

- L-u dữ liệu vào tệp : File\ Save

B-ớc 2: Phác thảo bài toán

- Xác định ph-ơng pháp tính: KeyIn\Analysis Method

- Xác định các tùy chọn khi phân tích: KeyIn\Analysis Control

- Nhập các thông số cho nền đất: KeyIn\Material properties

- Vẽ các đ-ờng phân cách giữa các lớp đất trên bản vẽ phác thảo: Draw\Regions

- Vẽ đ-ờng phân bố áp lực n-ớc lỗ rỗng: Draw\Pore water pressure

- Xác định bán kính mặt tr-ợt và tâm tr-ợt: Draw\Slip surface\Radius và Draw\Slip

surface\Grid

B-ớc 3: Một số tùy chọn khi phác thảo bài toán

- Khai báo tải trọng tập trung: Draw\Line loads

- Khai báo tải trọng phân bố: Draw\Pressure lines

- Để tắt các điểm hoặc số hiệu các điểm: View\ Preferences

- Vẽ trục tọa độ: Sketch\axis

- Hiển thị đặc tính của đất: View\Soil properties

- Gán nhãn tên gọi cho các lớp đất: Sketch\Text

- Bổ sung các thông tin về bài toán: KeyIn\Project ID

ThS Đặng Hồng Lam Trang 8

- Chèn ảnh vào bản vẽ: File\Import picture

- Thay đổi vị trí ảnh và các đối t-ợng khác: Modify\Objects

B-ớc 4: Phân tích bài toán:

- Kiểm tra dữ liệu đã nhập: Tools\Verify

- Phân tích bài toán: SOLVE

B-ớc 5: Xem kết quả tính

- Xem kết quả phân tích: COUNTOUR

- Vẽ một mặt tr-ợt bất kỳ: Draw\Slip surfaces

- Hiển thị kết quả theo các ph-ơng pháp khác nhau: View\Method

- Hiển thị lực tác dụng lên từng phân tố: View\ Slice information

- Vẽ đ-ơng đồng mức của các hệ số an toàn: Draw\Contours

- Biểu diễn kết quả trên đồ thị: Draw\Graph

- In bản vẽ: Print

Bài 3: lý thuyết về ổn định bờ dốc và các vấn đề chú ý

và đá tạo nên, do đó khi tính toán ổn định của mái dốc cần phải xét đến đầy đủ các nội lực và ngoại lực

Nh- chúng ta đã biết mái dốc càng thoải thì độ ổn định sẽ càng cao, nh-ng khối l-ợng công tác

đất, diện tích chiếm dụng sẽ càng lớn, điều này sẽ dẫn đến trái với quan điểm kinh tế hiện nay Vì vậy, mục tiêu cuối cùng của việc tính toán ổn định mái dốc là xác định đ-ợc độ dốc mái taluy thoã mãn yêu cầu kinh tế và kỹ thuật

Để đánh giá ổn định của mái dốc, về mặt lý thuyết hiện nay tồn tại nhiều ph-ơng pháp tính, nh-ng có thể gộp chúng thành hai nhóm ph-ơng pháp chính nh- sau:

+ Nhóm ph-ơng pháp theo lý thuyết cân bằng giới hạn của khối rắn ( giả thiết tr-ớc hình dạng của mặt tr-ợt ) :

Đặc điểm của nhóm ph-ơng pháp dùng mặt tr-ợt giả định là không căn cứ trực tiếp vào tình hình cụ thể của tải trọng và tính chất cơ lý của đất đắp để quy định mặt tr-ợt cho mái dốc, mà xuất phát từ kết quả quan trắc lâu dài các mặt tr-ợt của mái dốc trong thực tế để đ-a ra giả thiết

đơn giản hoá về hình dạng mặt tr-ợt rồi từ đó nêu lên ph-ơng pháp tính toán, đồng thời xem khối tr-ợt nh- là một vật thể rắn ở trạng thái cân bằng giới hạn

+ Nhóm ph-ơng pháp dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn thuần tuý :

Nhóm lý thuyết này dựa trên giả thuyết chính cho rằng, tại mỗi điểm trong khối đắp đất đều thoả mãn điều kiện cân bằng giới hạn Việc một điểm mất ổn định đ-ợc giải thích là do sự xuất hiện biến dạng tr-ợt tại điểm đó Còn mái đất mất ổn định là do sự phát triển của biến dạng tr-ợt trong một vùng rộng lớn giới hạn của khối đất đắp

ThS Đặng Hồng Lam Trang 10

Trong hai nhóm ph-ơng pháp nêu trên, "nhóm ph-ơng pháp dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn thuần tuý " vẫn mô phỏng đ-ợc gần đúng trạng thái ứng suất trong khối đất bị phá hoại, về mặt toán học mang tính logic cao, nh-ng điểm hạn chế là ch-a xét đ-ợc biến dạng thể tích của khối đất, đồng thời là giải bài toán ổn định của mái dốc theo ph-ơng pháp này ch-a đ-ợc áp dụng rộng rãi trong thực tế Nhóm ph-ơng pháp "dùng mặt tr-ợt giả định " tuy có nh-ợc điểm

là xem khối tr-ợt nh- là một cố thể và đ-ợc giới hạn bởi mặt tr-ợt và mặt mái dốc, đồng thời xem trạng thái ứng suất giới hạn chỉ xảy ra trên mặt tr-ợt mà thôi, thực tế thì mặt tr-ợt xảy ra rất phức tạp, phụ thuộc vào sự tác dụng của tải trọng ngoài, vào tính chất của các địa tầng và vào các yếu tố khác Tuy vậy tuỳ theo tình hình cụ thể của từng công trình, mà việc giả định tr-ớc các mặt tr-ợt cho phù hợp, đồng thời nhóm ph-ơng pháp này tính toán đơn giản hơn và

thiên về an toàn hơn so với nhóm ph-ơng pháp lý luận cân bằng giới hạn Chính vì thế thực tế hiện nay sử dụng ph-ơng pháp cân bằng giới hạn của khối rắn (giả thiết tr-ớc hình dáng mặt tr-ợt) để tính toán ổn định mái dốc đ-ợc áp dụng rộng rãi hơn

2 Ph-ơng trình cân bằng của khối đất tr-ợt

Để lập ph-ơng trình cân bằng giới hạn của khối đất tr-ợt các tác giả nh- K.E.Pettecxơn, W Fellenius, Bishop, Sokolovski, K Terzaghi đều dựa vào công thức nổi tiếng của A.C Coulomb (

Định luật Mohr - Coulomb - xem Cơ học đất ) để xác định ứng suất cắt :

s = c +ntg (1.1) Hoặc s = c + (n – u)tg (1.2)

Trong đó :

s -ứng suất cắt giới hạn tại điểm bất kỳ trên mặt tr-ợt ở trạng thái cân bằng giới hạn

n-ứng suất pháp giới hạn ( vuông góc với mặt tr-ợt ) ở trạng thái cân bằng giới hạn

c - Lực dính đơn vị của đất ở trạng thái giới hạn ứng với hệ số ổn định của mái dốc

 - Góc ma sát trong của đất ứng với trạng thái giới hạn của đất

u - áp lực n-ớc lỗ rỗng

Khi tính toán độ ổn định, mặt tr-ợt giả định tr-ớc có thể là tròn, hỗn hợp ( tổ hợp các cung tr-ợt tròn và thẳng ) hoặc hình dạng bất kỳ đ-ợc xác định bởi hàng loạt những đ-ờng thẳng Chia khối đất tr-ợt ra thành nhiều cột thẳng đứng, mỗi cột đất đ-ợc giới hạn bởi hai mặt phẳng thẳng đứng và đ-ợc xem nh- một vật rắn nguyên khối tựa lên trên cung tr-ợt Điểm khác nhau cơ bản giữa các ph-ơng pháp của các tác giả nêu trên chính là việc giả thiết ph-ơng, vị trí tác dụng và giá trị của các lực tác dụng t-ơng hỗ giữa các các mảnh tr-ợt bao gồm lực cắt và lực xô ngang giữa các các mảnh

2.1 Các giả thiết tính toán

+ Đất đ-ợc xem nh- vật liệu tuân theo định luật Mohr - Coulomb

+ Hệ số ổn định ( hệ số an toàn ) nh- nhau cho tất cả các điểm trên mặt tr-ợt

+ Trạng thái cân bằng giới hạn chỉ xảy ra trên mặt tr-ợt

Hình 3.2 : Lực tác dụng lên phân tố đất trong tr-ờng hợp mặt tr-ợt tròn

Hình 3.3 : Lực tác dụng lên phân tố đất trong tr-ờng hợp mặt tr-ợt tổ hợp

Hình 3.4 : Lực tác dụng lên phân tố đất trong tr-ờng hợp mặt tr-ợt gãy khúc

Hình (3.2), (3.3) và (3.4) thể hiện các hình dáng mặt tr-ợt Các giá trị đ-ợc định nghĩa nh- sau :

W - Trọng l-ợng của các mảnh tr-ợt với bề rộng b và chiều cao trung bình h

ThS Đặng Hồng Lam Trang 12

N - Tổng lực pháp tuyến tại đáy mặt tr-ợt của phân tố đất

S - Lực cắt di chuyển ( lực cắt hoạt động ) tại đáy mặt tr-ợt của phân tố đất, hoặc là Sm khi mặt tr-ợt có hình dạng bất kỳ

EL, ER - Lực pháp tuyến bên trái và bên phải của mỗi phân tố đất

XL, XR - Lực cắt bên trái và bên phải của mỗi phân tố đất

D - Ngoại lực tác dụng

kW - Tải trọng động đất theo ph-ơng ngang tác dụng đi qua trọng tâm mỗi phân tố đất

R - Bán kính mặt tr-ợt tròn hay cánh tay đòn của lực cắt di chuyển, Sm khi mặt tr-ợt có hình dạng bất kỳ

f - khoảng cách từ tâm quay đến ph-ơng của lực pháp tuyến N

x - Khoảng cách theo ph-ơng ngang từ đ-ờng trọng tâm của mỗi phân tố đất đến tâm cung tr-ợt tròn hay tâm mômen ( khi cung tr-ợt có hình dạng bất kỳ )

e - Khoảng cách theo ph-ơng đứng từ tâm của mỗi phân tố đất đến tâm cung tr-ợt tròn hay tâm mômen ( khi cung tr-ợt có hình dạng bất kỳ )

d - Khoảng cách vuông góc từ đ-ờng tác dụng của tải trọng ngoài đến tâm cung tr-ợt tròn hay tâm mômen

h - Chiều cao trung bình của mỗi phân tố đất

b - Chiều rộng theo ph-ơng ngang của mỗi phân tố đất

 - Chiều dài đáy mặt tr-ợt

a - Khoảng cách từ hợp lực n-ớc bên ngoài ( n-ớc ngập hai bên taluy ) tới tâm quay hay tâm mômen

AL, AR - Hợp lực tác dụng của n-ớc

 - góc nghiêng của đ-ờng tải trọng ngoài so với ph-ơng ngang

 - Góc hợp giữa tiếp tuyến tại đáy mỗi mặt tr-ợt với ph-ơng nằm ngang Hệ số ổn định của mái dốc có thể đ-ợc xác định từ điều kiện cân bằng mômen hoặc cân bằng lực hoặc điều kiện cân bằng giới hạn tổng quát

2.4 Ph-ơng trình cân bằng giới hạn tổng quát (GLE)

Trong thực tế, tình hình phân bố địa chất, thuỷ văn rất phức tạp ở các mái dốc nền đào, nên mặt tr-ợt cũng th-ờng có hình dạng rất phức tạp : có thể là hỗn hợp các cung tròn và các

đoạn thẳng hoặc các đoạn thẳng gãy khúc Do vậy tồn tại tâm tr-ợt ảo, số l-ợng ẩn lớn hơn số các ph-ơng trình đ-ợc lập, bài toán trở nên vô định Nếu giả thiết một tâm tr-ợt để thoả mãn

điều kiện cân bằng mômen, thì không thoả mãn điều kiện cân bằng về lực theo một ph-ơng nào

đó, hoặc ng-ợc lại Do vậy, một số tác giả kết hợp các điều kiện cân bằng trên để giải quyết bài toán - Đ-ợc gọi là ph-ơng pháp cân bằng giới hạn tổng quát ( General Limit Equilibrium - GLE), sử dụng các ph-ơng trình cân bằng tĩnh học sau đây để tìm hệ số an toàn :

1- Tổng các lực theo ph-ơng đứng đối với phân tố đất đ-ợc giả định để tìm lực pháp tuyến N tại đáy mặt tr-ợt

2- Tổng các lực theo ph-ơng ngang đối với mỗi mặt tr-ợt đ-ợc sử dụng để tính toán lực t-ơng

hỗ E Ph-ơng trình đ-ợc áp dụng khi tính tích phân toàn bộ khối l-ợng khối tr-ợt từ trái sang phải

3- Tổng momen đối với một điểm chung cho tất cả các phân tố đất, dùng để tính hệ số ổn định momen Km

4- Tổng các lực theo ph-ơng ngang đối với tất cả các lát cắt, dùng để tính hệ số ổn định Kf Kết quả là hệ số ổn định chung K đ-ợc tính trên các hệ số ổn định Km và Kf, tức là thoả mãn cả

điều kiện cân bằng lực và cân bằng momen, và đ-ợc xem là hệ số ổn định ( hệ số an toàn ) hội

tụ của ph-ơng pháp cân bằng giới hạn tổng quát

3 Các giai đoạn phát triển của lời giải

- Giai đoạn 1: Giả thiết E=X=0, => giải trực tiếp N => Fm - đây là ph-ơng pháp thông th-ờng hay Fellenius

- Giai đoạn 2: Chỉ xét E và giả thiết =0 (X=0), giải N bằng cách thử dần

Cho kết quả Fm – ph-ơng pháp Bishop đơn giản hóa

Cho kết quả Ff – ph-ơng pháp Janbu đơn giản hóa

- Giai đoạn 3: Xét cả E, , X khác 0, giải ra N bằng cách thử dần

Cho kết quả Fm – ph-ơng pháp Spencer, Morgenstern –Price, giới hạn tổng quát (GLE) Cho kết quả Ff – ph-ơng pháp Corps of Engineers 1 & 2, Low - Karafiath

Ph-ơng pháp trong tiêu chuẩn SNiP 2.06.05-84 t-ơng tự Spencer

Các giả thiết dùng trong các ph-ơng pháp khác nhau:

Fellenius thông th-ờng Bỏ qua lực giữa các các mảnh

Bishop đơn giản hóa Tổng lực giữa các mảnh nằm ngang (Không có lực cắt giữa các mảnh) Janbu đơn giản hóa Tổng lực giữa các mảnh nằm ngang Dùng hệ số hiệu chỉnh kinh

nghiệm f để xét tới các lực cắt giữa các mảnh Janbu tổng quát hóa –

Spencer

Giả thiết tổng lực giữa các các mảnh có góc nghiêng không đổi trên toàn khối tr-ợt (t-ơng tự ph-ơng pháp SNiP 2.06.05-84)

ThS Đặng Hồng Lam Trang 14

Morgenstern – Price Dùng một hàm tùy ý để xác định tổng lực giữa các mảnh Phần trăm

của hàm đó, , thỏa mãn cân bằng moomen và cân bằng lực, đ-ợc tính nhờ SOLVE

GLE Dùng một hàm tùy ý để xác định ph-ơng của tổng lực giữa các mảnh

Phần trăm của hàm đó, l, cần thỏa mãn cân bằng mô men và cân bằng lực, đ-ợc tính bằng cách tìm giao điểm trên đ-ờng quan hệ hệ số an toàn

Corps of Engineers Ph-ơng của tổng lực giữa các mảnh phải:

- Bằng góc nghiêng trung bình của mặt tr-ợt đầu tiên và cuối cùng

- Song song với mặt đất Lowe- Karafiath Ph-ơng của tổng lực giữa các mảnh bằng trung bình giữa mặt đất và

góc nghiêng của đáy mỗi mảnh

4 Sử dụng vải địa kỹ thuật (Geogrid) trong gia cố mái đất

- Lực tuyến (lệnh – Draw reinforcement loads) theo cơ chế làm việc nh- sau:

Chiều dài hiệu quả

Chiều dài liên kết Xem gia cố vải địa kĩ thuật (Geofabric) nh- tải trọng neo, liên kết hoàn toàn, không có áp lực n-ớc lỗ rỗng, tính theo ph-ơng pháp GLE

Tổng sức chống lý thuyết đ-ợc xác định theo chỉ tiêu kỹ thuật của vải địa kỹ thuật (Theo

Bảng tham khảo lực kéo lý thuyết của một số loại vải địa kỹ thuật

(Nguồn: Bài giảng thiết kế T-ờng chắn đất có cốt bằng l-ới địa kỹ thuật của GV Nguyễn Thanh Danh- Tr-ờng Cao đẳng Xây dựng số 3)

(Nguồn: công ty ANA Industries & trading)

5 Sử dụng neo ứng suất tr-ớc trong việc nâng cao ổn định của bờ dốc

Sức chịu tải của neo là chỉ tiêu quan trọng nhất trong tính toán thiết kế neo Đây cũng chính là căn cứ để quyết định độ lớn lực căng neo - một yếu tố có vai trò quyết định đến việc ổn định bờ dốc Sức chịu tải của neo đ-ợc xác định dựa theo 3 trạng thái phá hoại sau đây:

- Dây neo bị đứt, gãy hoặc biến dạng v-ợt quá giới hạn cho phép

- Dây neo bị kéo tụt khỏi vữa neo hay sự mất neo bám tại chỗ tiếp xúc giữa vữa neo và dây neo

ở bầu neo

- Dây neo và bầu neo bị nhổ khỏi đất nền hay sự mất dính bám bầu neo và đất đá xung quanh Hiện nay, trên thế giới có nhiều tiêu chuẩn để tính toán sức chịu tải của neo, nh-ng chủ yếu vẫn

là tính theo ph-ơng pháp thực nghiệm Có thể tham khảo cách tính của Anh, Mỹ Trung

Quốc phần d-ới đây nêu cách tính toán neo theo tiêu chuẩn BS 8081-1989 của Anh

Sức chịu tải của neo chủ yếu dựa trên hai cơ chế truyền tải trọng, đó là sự cản trở của đất hình thành cục bộ khi bầu neo chịu nhổ, bao gồm sức chịu tải ở đầu bầu neo và sức chịu cắt thành bên xung quanh neo Tùy theo loại neo nào và đất đá xung quanh mà sức chịu tải của neo đ-ợc tính toán theo các công thức khác nhau

5.1 Tính toán sức chịu tải của neo trong đá

 là dính bám giới hạn hay ma sát bên tại giao diện đá/vữa, kN/m2

D là đ-ờng kính bầu neo, m

L là chiều dài bầu neo, m

Công thức tính trên có đ-ợc là dựa trên các giả thiết quan trọng sau: