MỘT SỐ VẤN ĐỀ ỨNG DỤNG CỐT ĐỊA KỸ THUẬT KHI THIẾT KẾ MÁI DỐC ĐỨNG ThS NguyÔn Mai Chi Bộ môn Thuỷ công-Đại học Thuỷ lợi Tóm tắt: Khi thiết kế mái đất cho công trình, mái đất dốc kinh tế có vấn đề đặt ổn định mái dốc Để đảm bảo an toàn cần thiết cho mái, giải pháp áp dụng dùng cốt địa kỹ thuật (Vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật) làm hệ thống cốt đất để tăng góc mái dốc tăng ổn định mái chịu tải trọng Bài báo tổng hợp giải pháp kết cấu sử dụng cốt địa kỹ thuật với lợi ích kinh tế, kỹ thuật môi trường Đồng thời giới thiệu với bạn đọc phần mềm ReSlope(4.0) phần mềm chuyên dụng công ty ADAMA-Engineering-Hoa Kỳ dùng tính toán kết cấu mái dốc có sử dụng cốt địa kỹ thuật Từ khoá: Vải địa kỹ thuật (Geotextiles); Lưới địa kỹ thuật (Geogrid);Mái dốc đứng có cốt (Reinforced Steep Slope) Đặt vấn đề Khi thiết kế mái đất cho công trình, ổn định mái dốc quan tâm hàng đầu Mái đất xoải, hay nói cách khác góc mái dốc nhỏ độ ổn định mái đảm bảo Nhưng có trường hợp điều kiện địa hình mà không cho phép thiết kế mái đất xoải mà thiết kế mái dốc đứng Hoặc để tận dụng khoảng diện tích đỉnh mái phải thiết kế mái dốc đứng Mái dốc đứng mái dốc có góc dốc 450 ≤ β ≤ 900 Nếu mái dốc đứng có kèm theo tải trọng tác dụng lên mái, đỉnh mái dễ ổn định Vì để đảm bảo an toàn cần thiết cho mái, giải pháp áp dụng dùng cốt địa kỹ thuật để làm hệ thống cốt đất nhằm tăng góc mái dốc tăng ổn định mái chịu tải trọng Ở nước ta, số đơn vị tư vấn có sử dụng hai phương pháp thường dùng để thiết kế mái đất có cốt địa kỹ thuật Đó phương pháp dùng biểu đồ Schmertman nnk với dẫn FHWA (Federal Highway Administration USA ) phương pháp dùng mặt trượt Culmann Những phương pháp thường hạn chế điều kiện biên tính toán, có mái dốc đơn việc tính toán dễ dàng Nhưng mái dốc có bố trí thêm thiết bị tiêu nước, hay vật liệu thoát nước tốt mặt mái dốc việc tính toán tay thường bỏ qua làm việc vật liệu Qua thống kê số công trình Việt Nam, ví dụ hệ thống mái ta luy dọc theo đường Hồ Chí Minh đoạn chạy qua Quảng Trị Nhận thấy phần lớn mái dốc bị sạt lở nghiêm trọng vào mùa mưa Khi bị sạt lở đơn vị thường, mặt xúc chuyển phần sạt, mặt tiếp tục bạt mái, phải chuyển lượng đất lớn khỏi trường Mặt khác mái dốc thường để trần thực vật bao phủ trông mỹ quan Vì để tiết kiệm thời gian ngân sách, cần gia cố mái taluy dốc tự nhiên trồng cỏ mặt mái dốc tạo mỹ quan tự nhiên Nguyên tắc tính toán mái dốc có cốt địa kỹ thuật-Bài toán lực neo lớn Sự phá hỏng khối đất nói chung khối đất có cốt nói riêng có chế trượt khối trượt theo mặt trượt (còn gọi mặt phá hoại) Mặt trượt hay gọi mặt phá hoại khối đất có cốt xảy hệ thống cốt neo bị tụt hệ thống cốt neo bị đứt Dù tụt neo hay đứt neo phá hoại khối đất theo chế trượt khối đất mặt phá hoại có dạng cong Logarit Khối đất có đặt cốt nằm ngang vải địa kỹ thuật hay lưới địa kỹ thuật coi chỉnh thể Do phân tích coi khối đất trượt ứng xử chỉnh thể Vấn đề đặt 71 xác định lực neo cần thiết để neo giữ khối đất 1.1 Sơ đồ xác định vị trí mặt trượt trạng thái cân giới hạn mặt trượt Hình 1: Sơ đồ lực tác dụng lên khối trượt ABC theo mô hình tính toán hệ thống neo Tách mét dài công trình đất có cốt để xét cân giới hạn khối đất ABC ứng xử vật thể hoàn chỉnh Hình 1.a mô hình tính toán hình 1.b sơ đồ lực tính toán Trong hình 1.b đại lượng xác định sau : Ti T lực neo (hoặc lực kéo) lớp cốt tổng lực neo xác định theo công thức: T=Ti (i=1,2,3, ,n) (1) R-phản lực vùng neo lên khối đất ABC C-lực dính tác dụng lên mặt BC, xác định theo công thức: c.H C (2) C c.BC cos q G-Trọng lượng khối trượt ABC, xác định theo công thức: (3) G H tgq tg Để xác định lực neo T (công thức 1), chiếu hệ lực tác dụng vào khối đất ABC lên phương U vuông góc với phản lực R U = -Gsin(q-) + Tcos(q-) + C.cos = (4) Từ biểu thức 2-3-4 suy biểu thức tính tổng lực neo T 72 H K q K K1tgq K tg 2q K q tg tgq Trong đó: 2c K1 tg K tg H T Ti (5) (6) (7) 2c K tg H Từ biểu thức vừa nêu trên, nhận thấy trị số tổng lực neo T hàm góc q, tức quan hệ với vị trí mặt trượt cần thiết Trị số góc q xác định vị trí mặt trượt xác định theo điều kiện có lực neo T lớn nhất, tức tính dT q ( 8) 0 dq với T(q) xác định theo biểu thức (5) Từ phương trình (8) có công thức tính trị số góc q để xác định vị trí mặt trượt cho trường hợp: tường đất có cốt, tường mái đất có cốt mái đất có cốt q 45 (9) Bảng 1: Trị số góc q để xác định mặt trượt trường hợp góc mái dốc khác Với trị số q cho bảng xác định vị trí mặt trượt từ xác định miền neo chiều dài vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật cần chôn vào miền neo để neo khối trượt ABC trạng thái cân giới hạn mặt trượt BC 1.2 Xác định lực kéo neo Tk Mặt trượt xác định góc q bảng cho phép xác định miền neo khối đất trượt Cốt vải địa kỹ thuật lưới địa kỹ thuật có hai tác dụng khối đất có cốt - Tạo khối đất có cốt ứng xử chỉnh thể sử dụng khối trượt trường hợp tụt cốt hay đứt cốt ứng xử chỉnh thể - Neo khối đất trượt vào miền neo, chiều dài cốt phải đủ dài để chống lại lực kéo neo Tkéo Vì phải xác định lực kéo neo gọi tắt lực kéo Ở trạng thái cân giới hạn, lực kéo neo khối đất trượt gây nên có trị số lực neo Tmax có chiều ngược lại Hình 2: Sơ đồ xác định lực kéo neo Tkéo 73 Do lực kéo neo, ký hiệu Tkéo làm hệ thống neo có nguy bị tụt, xác định theo công thức: (10) Tkeo a H K k Trong đó: K k tg 45 tg cos (11) cos cos (12) 2 cos 45 Nếu đất đắp sau tường đất rời, tức có c=0 trị số a= với trọng lượng riêng đất đắp Trị số KK công thức 6-11 ứng với loại công trình đất có cốt trình bày bảng a 2c H Bảng : Xác định trị số KK với trường hợp góc dốc Thiết kế mái dốc có cốt sử dụng phần mềm ReSlope(4.0) 3.1 Giới thiệu phần mềm ReSlope(4.0) Phần mềm ReSlope(4.0) – Reinforced Steep Slope(4.0) phần mềm chuyên dụng công ty ADAMA-Engineering –Hoa Kỳ dùng để thiết kế mái dốc đứng công trình đất, có sử dụng cốt địa kỹ thuật để tăng ổn định cho công trình Chương trình có khả mô mái dốc công trình đất chịu tải trọng mái, hay đỉnh mái xét tới tải trọng động đất Vật liệu cốt sử dụng vải địa kỹ thuật, lưới nhựa địa kỹ thuật hay lưới thép địa kỹ thuật Chương trình ứng dụng lý thuyết ổn định mái dốc Bishop (Phương pháp trượt cung tròn) lý thuyết Spencer (Trượt nêm) Kết tính toán cho phép xác định ổn định tổng thể mái dốc, ổn định cục (kéo tụt cốt đứt cốt), lựa chọn khoảng cách đặt cốt tối ưu cho lớp cốt, tính tổng khối lượng cốt sử dụng giá thành 3.2 Phân tích toán ứng dụng Cần thiết kế mái dốc với góc mái dốc =750, chiều cao từ chân mái đến 6m Tải trọng phân bố 2KN/m2, tải trọng đỉnh mái 4KN/m2 Các tiêu lý đất cho bảng Yêu cầu tính toán bố trí cốt cách hợp lý để đảm bảo an toàn cho mái dốc Sử dụng phần mềm ReSlope(4.0) để tính toán Cốt sử dụng chọn loại cốt vải địa kỹ thuật chịu kéo (Woven Geotextiles Strength)-HS100/50 loại vải có thông số chịu kéo nhỏ nhóm vải địa kỹ thuật hãng UCOGEOTEXTILES Bảng 3: Các tiêu lý đất dùng tính toán Tên đất Trọng lượng riêng tự nhiên (KN/m3) 19 Góc ma sát (độ) 30 Lực dính đơn vị C(KN/m2) Đất đắp trở lại (Backfill Soil) 18 20 12 Đất (Foundation Soil) 19 22 10 Đất phạm vi cốt (Reinforced Soil) 74 Kết tính toán cho phép đặt 10 lớp cốt với khoảng cách chiều dài cốt thống kê bảng Bảng : Cao độ, chiều dài cốt hệ số an toàn ổn định cục bộ( đứt cốt, tụt cốt) lớp cốt bố trí mái dốc Khoảng cách gần lớp cốt 30cm, xa 60cm, chiều dài cốt lớn 6.98m ngắn 4,64m Hệ số ổn định đứt cốt lớn 1.3( Mode of Failure: Compound), hệ số ổn định tụt cốt 1.81( Mode of Failure: Tieback) Hình : Kết tính toán bố trí cốt mái dốc 75 Hình : Kết tính ổn định mái dốc bố trí cốt – Fs(min-min)=1.61 Hiệu giải pháp kết cấu đất có cốt thiết kế mái dốc đứng Một công ty đầu việc áp dụng công nghệ vật liệu đất có cốt để gia cố công trình công ty Tensar (Tensar International Company) Khi sử dụng cốt địa kỹ thuật, giải pháp Tensar cho phép thi công mái taluy dốc đến 900 Việc lựa chọn thiết kế bề mặt mềm cho mái taluy phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn nhu cầu hoàn thiện bề mặt, hạn chế tình cụ thể môi trường địa phương quan trọng yếu tố góc nghiêng mái taluy Tensar cung cấp hàng loạt kỹ thuật thi công phổ biến ứng dụng lưới địa kỹ thuật bó uốn sử dụng panel lưới thép phía bề mặt mái taluy Với phương án hoàn thiện sử dụng phương pháp bó uốn Tensar, bề mặt mái taluy hình thành cách trải lưới địa kỹ thuật 76 vòng qua bề mặt neo lại đất đắp Trong qua trình bó uốn cần dùng bao đất hỗ trợ tạm thời để tạo bề mặt kiểm soát hướng tuyến, cần thiết cho việc đầm nén chắn Một mái taluy mềm mang lại nhiều lợi ích kinh tế cho phép khách hàng lựa chọn nhiều bề mặt hấp dẫn Các lợi ích từ việc thi công mái taluy dốc có gia cố giảm thiểu đất sử dụng, giới hạn việc lấy đất khu vực nhạy cảm môi trường, giảm khối lượng đất đắp theo yêu cầu giải pháp tường mềm thay tường chắn bề mặt cứng nơi nhạy cảm môi trường Khi sửa chữa mái sạt lở, nên dùng cốt địa kỹ thuật để sử dụng lại đất sạt xuống đất đào mở móng, giảm chi phí vận chuyển đất sạt lở khỏi khu vực, giảm ách tắc giao thông Hình mặt cắt ngang đắp tiêu chuẩn sau sửa chữa Hình 5: Mặt cắt ngang đắp tiêu chuẩn sau sửa chữa Với mái dốc có góc dốc lớn 450 xây dựng mới: Giải pháp sử dụng cốt địa kỹ thuật trường hợp cho phép giảm thiểu đất sử dụng, giảm khối lượng đất đắp yêu cầu, lợi giải pháp làm tường chắn mềm mại thi công đơn giảm Đảm bảo độ ổn định tổng thể hệ thống Hình ví dụ thực tế cho mái dốc đứng vừa tiết kiệm, vừa kỹ thuật vừa mỹ quan Hình 6: Mái dốc đứng bãi đỗ trực thăng Kết luận Khi thiết kế mái dốc đứng công trình, giải pháp kết cấu đất có cốt đem lại nhiều hiệu kinh tế, kỹ thuật môi trường Việc tính toán phần mềm chuyên dụng ReSlope(4.0) cho phép đặt tải linh hoạt vị trí mái dốc Vật liệu đất bố trí thành phần riêng biệt: phần đất với cốt, phần đất đắp trở lại, phần đất nền, chọn loại vật liệu thoát nước tốt đặt cốt để làm nhiệm vụ thoát nước ngầm cho mái Hoặc tận dụng vật liệu sạt lở đặt cốt, giảm khối lượng san gạt vận chuyển đất nơi khác mà đảm bảo an toàn cho công 77 trình Phần mềm cho phép chọn lựa nhiều phương án đặt cốt, nhiều loại cốt, bố trí cốt với khoảng cách chiều dài cốt nhau, lựa chọn tối ưu chỗ cần bố trí dày, chỗ tải trọng nhỏ bố trí có xét tải trọng động đất Ngoài ReSlope(4.0) chạy tích hợp với số Modun khác phần mềm để phân tích cố kết, phân tích ổn định tường đất có cốt, phân tích ổn định mái dốc có cốt Kết tính toán với mái dốc đứng nêu trên, cần phải bố trí 10 lớp cốt vải địa kỹ thuật cao trình với chiều dài cốt bảng Hệ số an toàn ổn định đứt cốt lớn 1.3, hệ số an toàn ổn định tụt cốt lớn 1.8, hệ số ổn định trượt tổng thể Fs=1.61 Như kết luận mái dốc đứng làm việc an toàn chịu tải trọng đỉnh mái DANH MỤC SÁCH THAM KHẢO [1] GS.TSKH Cao Văn Chí, PGS.TS.Trịnh Văn Cương – Cơ học đất- Nhà xuất xây dựng 2003 [2] GS.TS Phan Trường Phiệt - Sản phẩm địa kỹ thuật Polime compozít xây dựng dân dụng giao thông thuỷ lợi – NXB xây dựng – 2007 [3] Nguyễn Mai Chi- Nghiên cứu kích thước hợp lý thiết bị tiêu nước đến ổn định mái dốc công trình đất- Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật-2005 [4] Tensar International Limited - Giải pháp kết cấu Tensar [5] Krytian W.pilarczyk – Geosynthetics and Geosystems in Hydraulic and Coastal Engineering.- A.A.BANKEMA/ROTTERDAM/BROOKFIELD/2000 [6] LEE W.ABRAMSON, THOMAS S LEE, SUNIL SHARMA, GLENN M.BOY – Slope Stability and Stabilization Methods- John Wiley & Sons, Inc-New York-2002 Abstract THE APPLICATION OF REINFORCED EARTH STRUCTURE TO STEEP SLOPE DESIGN In the consideration of slope design, the slope has been designed more steep, it brings more benefit, but should be considered about stabilization of slope In order to stabilise slope, one of the ways are applied to use Geotextiles or geogrid as a anchor This solution helps to increase angle of slope or to make more stabilization for slope with surcharge This paper was summaried some solutions of reinforced earth structure for economical, technological, environmental benefit and introduced ReSlope(4.0) sofware of ADAMA-Engineering Company for Reinforced Steep Slope Design 78