9 chuong 7 on dinh bo doc

Chơng 7: mái dốc ổn định chơng ổn định mái dốc Đ1 Vấn đề chung ổn định bờ dốc I phân loại tợng ổn định bờ dốc Khái niệm ổn định bờ dốc bị phá hoại trợt Nguyên nhân thay đổi trạng thái ứng suất thiên mặt bất lợi mái đất ổn định đợc hiểu tất tợng di động dới hình thức sờn dốc tự nhiên mái dốc nhân tạo (taluy) theo hớng phía xuống dới dẫn tới phá hoại đờng ổn định toàn khối nh kích thớc hình học vốn có Mức độ tác hại tợng phá hoại nh gây trớc hết phụ thuộc vào đặc điểm, phơng thức quy mô chuyển dịch đất đá Các biện pháp phòng chống thích hợp đơng nhiên phụ thuộc vào yếu tố Các tợng gây ổn định bờ dốc mái dốc, theo GS TS Dơng Học Hải TS Hồ Chất, nói chung đợc phân làm ba loại lớn: sụt lở, trợt, trôi Sụt lở Sụt lở tợng đất đá sờn dốc mái dốc chuyển dịch phía dới không theo mặt tựa rõ rệt (hoặc mặt trợt) không trì nguyên khối; đất đá rơi tự do, lăn, đổ cách đột ngột, tức thời, nhng lở, tróc dần, tích tụ lại phía dới chân dốc Sụt lở nh bao gồm trờng hợp khác dới đây: Sụt lở tảng, khối đá cứng (đá đổ, đá lăn): tợng chủ yếu giảm yếu cờng độ liên kết mặt cấu tạo đá khiến cho tảng, khối đá tách khỏi đá gốc rơi xuống Hiện tợng phổ biến tác hại trầm trọng mặt cấu tạo đá nằm theo hớng gần thẳng đứng, mặt tầng đá có xen kẽ lớp đất dễ thấm nớc có nhiều mọc từ khe nứt, vùng núi tuyến đờng qua có nhiều đoạn tầng, nhiều vách đá cheo leo phong hoá nặng nề, kễ nứt phát triển Đá đổ, đá lăn làm đờng, tắc đờng đe doạ phơng tiện giao thông, đặc biệt nguy hiểm chỗ chúng thờng xảy đột ngột, nhanh tạo động lớn 35 Chơng 7: mái dốc ổn định Sụt lở đất đất lẫn đá hay đá rời rạc: thờng xảy sờn dốc mái dốc có độ dốc lớn, tầng sờn tích bị xói khoét chân gây sụt lở đột ngột Tróc lở đất đá: khác với hai trờng hợp trên, nguyên nhân gây phá hoại thân cấu tạo địa chất bất lợi mà chủ yếu tác dụng phong hoá bề mặt, tác dụng nớc mặt bào mòn tác dụng nớc ngầm chảy lộ mặt sờn dốc mái dốc Kết đất đá bị tróc lở tích tụ lại dới chân dốc mặt dốc ngày bị phá hoại trầm trọng (mặc dù không xảy đột ngột không nguy hiểm tức thời nhng lâu dài dẫn tới sụt lở lớn) Trờng hợp hoàn toàn xảy sờn mái dốc thoải Trợt Trợt tợng đất đá sờn dốc mái dốc chuyển dịch xuống phía dới chân dốc theo vài mặt trợt rệt, thờng với tốc độ chậm (1-2 m/hàng tháng, có 1~2 m/hàng năm); giai đoạn cuối đột ngột di chuyển nhanh Hiện tợng trợt xảy thờng nhiều nguyên nhân phức tạp, hậu phá hoại ổn định sờn dốc phạm vi định làm cho đất đá bị nứt nẻ, đùn đống, tạo nên bậc cấp mặt sờn dốc, khiến cho đờng bị phá hoại bị dịch chuyển đoạn dài Những trờng hợp trợt sờn dốc tự nhiên với quy mô lớn nh thờng đợc coi trợt sờn Tuỳ theo chế trợt, ngời ta thờng phân biệt hai trờng hợp: trợt nguyên khối trợt không nguyên khối Mỗi trờng hợp lại phân thành loại hình trợt khác Trợt nguyên khối trờng hợp toàn trình trợt, khối đất đá trợt trì nguyên khối (hoặc tách thành vài khối lớn) Loại trợt thờng xảy cấu tạo sờn dốc có mặt yếu (nh mặt đứt gãy, lớp kẹp mềm yếu, mặt lớp trầm tích), đồng thời đất đá khối trợt tơng đối vững Tuỳ theo dạng mặt trợt, trợt nguyên khối trợt quay (mặt trợt cong), trợt phẳng (mặt trợt tơng đối phẳng) Trợt phẳng thờng xảy theo mặt đất đá, ví dụ lớp đá cứng trợt mặt lớp sét sét kẹp mềm yếu nằm phía dới Trợt không nguyên khối trờng hợp khối đất đá di chuyển mặt trợt bị biến dạng, xáo động đáng kể; khối trợt bị vỡ thành nhiều phần nhỏ thành mảnh vụn Nh loại trợt khác với sụt lở chỗ đất đá di chuyển theo mặt trợt rõ rệt với tốc độ chậm không đột ngột Trợt không nguyên khối xảy trớc hết phụ thuộc vào đặc điểm cấu trúc địa chất sờn dốc, nh tầng phủ đá gốc Trôi 36 Chơng 7: mái dốc ổn định Trôi tợng đất đá chảy thành dòng sờn dốc xuống phía dới Dòng đất đá bao gồm đá tảng, đá hòn, cuội sỏi, cát đất Tuỳ theo mức độ chứa lẫn nớc trôi, thờng phân biệt hai trờng hợp dòng khô dòng ớt Dòng khô: thờng sản phẩm phong hoá vật lý rời rạc (hàng triệu mét khối) từ vách núi cao di chuyển liên tục thời gian định xuống phía dới sờn dốc tạo nên khối tích tụ đá mảnh (khác với tợng đá đổ chỗ đá mảnh di chuyển liên tục thành đợt thời gian định) Trong trình di chuyển, sản phẩm rời rạc thờng tự phân chuyển theo kích cỡ, khiến cho khối tích tụ đá có đặc trng dễ thấy, mảnh đá to thờng nằm phía dới cùng, đến mảnh vừa, mảnh nhỏ tập trung phía Các khối tích tụ đá mảnh nh đợc tạo kết trợt sụt lở lớn từ núi cao Khi tuyến đờng qua sờn dốc có khối tích tụ đá mảnh phải khảo sát, thiết kế tỉ mỉ Các sờn tích tụ đá dễ ổn định độ dốc chúng thờng trạng thái cân giới hạn Nếu đờng thiết kế không thích hợp, làm chân khối tích tụ đá gây tải khối thiết đờng bị phá hoại, khiến cho đất đá lại tiếp tục chảy, gây nên hậu không lờng trớc đợc Dòng ớt: trờng hợp sản phẩm phong hoá, sụt lở trợt lu vực dốc trơ trụi, cỏ, gặp điều kiện ma lũ lớn tạo thành dòng đất đá lẫn bùn chảy ạt xuống khe suối, dồn cửa khe tạo nên bãi lũ tích Trờng hợp thờng đợc gọi tợng dòng lũ bùn đá Dòng lũ bùn đá tràn lấp cầu đờng thung lũng đoạn thung lũng hẹp, bùn đá bị ứ tắc gây nớc dềnh làm ngập đờng, kết công trình cầu, cống đờng bị phá hoại II nguyên nhân chung làm ổn định bờ dốc Các nguyên nhân chung dẫn đến tợng ổn định bờ dốc gồm yếu tố làm giảm yếu cờng độ liên kết kiến trúc, giảm yếu sức chống trợt (chống cắt) đất đá yếu tố làm tăng khối lợng thân chúng, tăng lực gây trợt (lực cắt) Đó thờng yếu tố thiên nhiên nh điều kiện cấu trúc địa chất, điều kiện địa hình, thuỷ văn, địa mạo, hoạt động địa chất động lực yếu tố hoạt động ngời làm biến đổi điều kiện thiên nhiên vốn có Các nguyên nhân làm giảm yếu cờng độ đất đá a) Các nguyên nhân thuộc chất đất đá 37 Chơng 7: mái dốc ổn định Đất đá thuộc loại yếu, dễ phong hoá, dễ hoá mềm gặp nớc nh đất sét, đá phiến sét, loại đá macma trầm tích bị phong hoá mạnh, loại đất đá có kết cấu rời rạcCác đá bị cà nát, bị phá huỷ kiến tạo, đá có cấu tạo phân lớp cấu tạo xen kẽ lớp yếu, nằm dốc phái sờn dốc dễ gây trợt lở b) Các yếu tố thúc đẩy trình phong hoá trình biến đổi hoá lý khác khiến đất đá bị giảm yếu cờng độ Sự phá vỡ vật lý loại đá có cấu trúc hạt (nh đá granite, cát kết) dới tác dụng dao động nhiệt độ Sự thuỷ hoá, hấp phụ nớc khoáng vật sét tăng độ ẩm; trình trơng nở trình trao đổi ion đất sét dẫn đến hậu nh Khi bị khô hạn, đất sét nứt nẻ, đá phiến sét bị vỡ vụn nớc dễ thấm vào chúng qua khe nứt Nớc ngầm hoà tan mang thành phần dễ hoà tan có đất đá (nh muối cacbonat, sunfat, clorua); nớc dới đất hoà tan đá vôi tạo nên hang động Karst (nói chung, nớc ngầm nguyên nhân chủ yếu gây trợt, sụt lở) c) Các nguyên nhân điều kiện địa hình, địa mạo Độ dốc sờn mái dốc lớn, mặt sờn dốc trơ trụi, cỏ đất đá dễ bị xói mòn, dễ bị phong hoá, sờn dốc mái dốc dễ ổn định Các nguyên nhân tăng lực gây trợt a) Các nguyên nhân làm tăng tải trọng sờn dốc - Nớc mặt nớc ngầm thấm đầy lỗ rỗng đất đá - Đất đá trợt, sụt lở từ phía xuống tích lại sờn dốc - Đổ đất đá đào sờn dốc - Đắp đờng xây dựng công trình khác sờn dốc, sờn tích tụ đá mảnh b) Các nguyên nhân gây phá hoại chân sờn dốc 38 Chơng 7: mái dốc ổn định - Sông, suối chảy xói mòn chân sờn dốc thiên nhiên; rãnh biên dốc lại không đợc gia cố tạo điều kiện cho nớc chảy với tốc độ lớn gây xói chân mái dốc đờng - Sóng vỗ phá hoại chân dốc chân vách đá ven biển - Hạ mực nớc dới chân dốc cách đột ngột; sau trận lũ mực nớc sông suối, hồ chứa nớc hạ đột ngột, làm tăng áp lực thuỷ động, giảm áp lực ngang nới dới chân dốc - Xây dựng đào, kênh, mỏ đá, thùng đấu c) Các nguyên nhân gây chấn động đất đá Động đất, nổ mìn khai thác đá xây dựng đờng gây chấn động bờ dốc Khi xem nguyên nhân nói cần ý có nguyên nhân tiềm tàng có nguyên nhân gây phá hoại đột biến Do trình phá hoại (trợt, sụt lở, trôi) gồm trình tiềm tàng trình đột biến kể từ phát sinh nguyên nhân hậu cuối Những nguyên nhân tiềm tàng nhiều khó phát khó có biện pháp loại trừ Tuy nhiên, để có biện pháp phòng chống thích hợp cần trọng nghiên cứu, điều tra nguyên nhân đột biến, mà tuỳ theo ý nghĩa công trình đờng cần xem xét, xử lý nguyên nhân tiếm tàng cách thích đáng Các tợng phá hoại có khả gây hậu nặng cần sâu điều tra nghiên cứu kỹ nguyên nhân gây chúng Các tợng trợt, sụt lở trôi thờng phát sinh phát triển tổng hợp nhiều nguyên nhân, nhiều nhân tố tác dụng, thấy trờng hợp nguyên nhân gây Thực tế, có nguyên nhân lại nguyên nhân nguyên nhân khác Do đó, nghiên cứu xử lý trợt, sụt lở cần ý xem xét phân tích trình ý riêng tợng, kiện xảy đất đá ổn định; cần ý điều tra môi trờng xung quanh (bao gồm yếu tố nh cấu trúc địa chất, địa chất thuỷ văn, địa hình, địa mạo, khí hậu chung vùng) ý đến điều kiện riêng chỗ sờn dốc bị phá hoại Mặc dù có nguyên nhân chung giống nhng tổ hợp nguyên nhân loại trợt, sụt lở trôi thờng có nét khác nhau, dẫn đến phơng thức trình di động đất đá sờn dốc khác nh nêu Đây quan hệ nguyên nhân tợng, việc phân loại tợng tách rời việc phân tích nguyên nhân để tới biện pháp phòng chống thích hợp III biện pháp nâng cao ổn định bờ dốc 39 Chơng 7: mái dốc ổn định Để nâng cao ổn định bờ dốc sử dụng biện pháp công trình công trình Biện pháp công trình biện pháp nâng cao độ tin cậy khảo sát, thiết kế bờ dốc, nâng cao lực thi công công trình, điều khiển ổn định bờ dốc Các biện pháp công trình có nguyên lý chung dùng công trình gia cố để hạn chế đến mức khắc phục đợc nguyên nhân gây trợt, tăng khả chống trợt khối đất đá Các biện pháp công trình a Nâng cao chất lợng khảo sát, thiết kế, thi công Bờ dốc nhân tạo đợc hình thành ngời, thông qua khảo sát thiết kế, khai đào ngời Có thể phân hai nhóm yếu tố ảnh hởng tới biến dạng trợt lở bờ dốc: yếu tố tự nhiên yếu tố công nghệ Các yếu tố công nghệ độ tin cậy cao khảo sát, thiết kế, phơng án công nghệ khai đào biện pháp xử lý kỹ thuật đắn, có khả hạn chế ảnh hởng xấu tận dụng nhân tố thuận lợi yếu tố tự nhiên, từ góp phần nâng cao ổn định bờ dốc Nếu làm ngợc lại, yếu tố chủ quan thúc đẩy ổn định bờ dốc Do yếu tố tự nhiên ảnh hởng nhiều đến ổn định bờ dốc, nhng yếu tố công nghệ điều khiển đắn hạn chế bớt bất lợi nâng cao độ ổn định bờ dốc b Dự báo biến dạng Đối với bờ dốc cao, phức tạp nằm mặt yếu cắm vào không gian bờ, nơi xảy trợt lở, cần phải dự báo mức độ ổn định bờ dốc Để dự báo, thờng sử dụng hệ thống quan trắc di động bờ dốc Các mốc quan trắc mặt cho phép đánh giá tốc độ, hớng biến dạng, từ đánh giá đợc mức độ ổn định bờ dốc Các quan trắc sâu cho phép đánh giá, xác định mặt trợt bờ dốc Dựa vào mức độ ổn định bờ dốc đề giải pháp phòng ngừa, cảnh báo xử lý thích hợp Các biện pháp công trình a Giảm lực gây trợt cách điều chỉnh góc nghiêng giảm tải bờ dốc Trong trờng hợp bờ dốc bị trợt thờng phải xử lý khối trợt phơng pháp hạ thấp góc dốc bờ Thực chất phơng pháp giảm bớt tải trọng gây trợt Góc nghiêng bờ dốc đợc tính toán cho trọng lợng thân khối đất đá bờ dốc tạo đợc cân lực 40 Chơng 7: mái dốc ổn định gây trợt lực chống trợt Phơng pháp đợc sử dụng rộng rãi để xử lý khối trợt công trình thuỷ điện giao thông Khi xử lý thờng xúc phần hay toàn khối trợt, tạo nên ổn định tạm thời Giảm tải phía sờn dốc phải giảm chỗ, nh biết, đào đất tuỳ tiện không chỗ sờn dốc dẫn đến kết ngợc lại: làm chân, giảm sức chống đỡ đỡ, dẫn đến hậu tai hại Do đó, biện pháp thờng đợc áp dụng điều kiện sau: - Khối trợt có mặt trợt không sâu; mặt trợt có dạng dốc dới thoải - Phía trên, phạm vi khối trợt gần tới đỉnh phân thủy, thấy rõ vách đá ổn định, tức khối trợt khả tiếp tục phát triển lên phía - Bạt thoải mái đờng dốc biện pháp giảm tải, tơng tự nh trên, áp dụng mà không phân tích kỹ lợi mà gây hậu đáng tiếc Đặc biệt, trờng hợp trợt có mặt trợt rõ rệt đờng đặt phía dới khối trợt, bạt thoải mái dốc đờng dẫn đến giảm sức chống trợt nghiêm trọng sờn dốc Do biện pháp bạt thoải mái dốc đờng thờng áp dụng trờng hợp mái dốc gây nên tợng trợt lở cục vùng lân cận mái dốc Để có đợc ổn định lâu dài, cần khảo sát, tính toán, thiết kế lại bờ dốc Nếu bờ làm việc lâu dài, nên lu ý tới yếu tố giảm độ bền khối đất đá nh thay đổi trờng ứng suất thuỷ lực, yếu tố phong hoá, độ bền lâu dàiVới trờng hợp bờ dốc tiếp tục tăng chiều cao phơng pháp thụ động tạo ổn định tơng đối b Tăng sức chống trợt giải pháp thoát nớc Hạn chế ảnh hởng nớc mặt nh san lấp kẽ nứt, làm đầm nén chặt chẽ bề mặt sờn dốc để hạn chế thấm nớc Gia cố bề mặt (xây lát đá bề mặt mái dốc, trồng cỏ mái dốc, trồng sờn dốc) đặc biệt gia cố chân dốc để chống xói Giải pháp đợc áp dụng hầu hết bờ dốc nhân tạo: bờ dốc làm rãnh thoát nớc, đa nớc mặt hố từ nớc đợc thoát tự chảy bơm khỏi hố đào Mục đích biện pháp xử lý nớc mặt là: Không cho nớc từ phía sờn dốc chảy vào vùng trợt, chặn đa nớc mặt chảy phạm vi cần trì ổn định Thoát nhanh nớc ma vùng trợt, hạn chế đến mức thấp lợng ma thấm vào khối trợt làm khô khối trợt Hạn chế ảnh hởng nớc dới đất Phơng pháp nhằm làm giảm áp lực thuỷ tĩnh, thuỷ động khối đất đá, nhờ lực chống trợt đợc tăng lên tăng ứng suất hữu hiệu, tăng lực liên kết tăng hệ số ma sát.Trong trờng hợp cần thiết phải cách ly bờ dốc với nguồn cấp nớc dới đất phơng pháp tạo màng chống thấm c Tăng cờng sức chống trợt giải pháp gia cờng 41 Chơng 7: mái dốc ổn định Để tăng khả chống trợt tăng hệ số ma sát lực liên kết, là: (1) Khoan vữa xi măng vào khe nứt để tăng lực liên kết góc nội ma sát khối đất, đá (2) Neo ứng suất trớc để tăng lực ma sát mặt trợt Khi làm việc, sức căng neo tạo ứng suất nén vùng khe nứt phát triển, mặt làm đá bị nén lại, tăng thêm hệ số ma sát, mặt khác tăng thêm ứng suất pháp tác dụng mặt trợt (3) Dùng cọc để tăng lực liên kết khối đất, muốn trợt đợc khối đất phải cắt uốn đợc cọc (4) Xây dựng tờng chống, tờng chắn, kè để tăng lực giữ cho khối đất đá: trọng lợng thân hệ số ma sát nền, chúng tạo nên lực bổ sung cho thành phần lực giữ Ví dụ nh loại tờng trọng lực, tờng đá xếp khan, đá xây, đất có cốt bê tông Các loại tờng chắn có tác dụng móng chúng đặt phần đất đá ổn định (phía dới mặt trợt trờng hợp trợt lở) Đ3 tính toán ổn định mái đất (phơng pháp giả thiết trớc dạng mặt trợt) I Giới thiệu Mái đất tự nhiên, nh mái đất đào, mái đắp hay đập đất thờng bị ổn định trọng lực hay áp lực dòng thấm Các kiểu phá hoại mái dốc thờng gập đợc minh hoạ hình 7-1, gồm: mặt trợt mặt cong, mặt phẳng dạng tổ hợp Với mặt trợt mặt cong mặt phá hoại cung tròn hay cung tròn Nói chung mặt trợt cung tròn thờng xảy với mái đất đồng nhất, cung tròn phù hợp với mái đất không đồng Với dạng mặt trợt mặt phẳng hay tổ hợp thờng xảy mái đất bị ảnh hởng tầng đất gần kề khác đáng kể cờng độ Mặt trợt phẳng thờng xảy tầng đất cứng gần kề có chiều sâu nhỏ, bên dới mái đất, mặt phá hoại có xu hớng mặt phẳng song song với mái đất Mặt trợt dạng tổ hợp thờng xảy tầng cứng gần kề có chiều sâu lớn hơn, mặt phá hoại bao gồm mặt phẳng mặt cong Trong thực tế, phơng pháp cân giới hạn thờng đợc sử dụng để phân tích ổn định mái dốc, với giả định mặt phá hoại xảy theo mặt giả định hay mặt trợt biết Việc xem xét ổn định mái đất thông qua hệ số an toàn, cờng độ chống cắt trạng thái cân giới hạn 42 Chơng 7: mái dốc ổn định (f) so với cờng độ chịu cắt khối đất (m) Bài toán ổn định mái đất thờng đợc xem toán phẳng Mặt truợ t cung tròn Mặt truợ t cung tròn a) Mặt truợ t đuờng cong b) Mặt truợ t phẳng c) Mặt truợ t tổhợ p Hình 7-1: Các kiểu phá hoại mái dốc Hệ số ổn định (hệ số an toàn) d R C R W S L Hình 7-2: Sơ đồ xác định hệ số ổn định K Để đánh giá ổn định mái đất dính, thờng thông qua hệ số an toàn (hay hệ số ổn định): F= Momen.chong.truot ( SLa ) R ( SL ) R = = Momen.gay.truot Wd (A)d 43 (7-1) Chơng 7: mái dốc ổn định Trong đó: F - hệ số an toàn ổn định S - cờng độ chống cắt trung bình đất cung trợt La - chiều dài cung trợt La = ( ).R 180 R - bán kính cung trợt - Góc chắn cung trợt W - trọng lợng lăng thể trợt ABC (tính cho 1m dài) A - Diện tích mặt ABC lăng thể trợt - trọng lợng đơn vị trung bình khối đất trợt d - Khoảng cách từ phơng lực W đến tâm trợt Từ biểu thức (7-1), suy ra: - Khi F = : mái đất trạng thái cân giới hạn - Khi F > : mái đất ổn định - Khi F < : mái đất ổn định Tuỳ thuộc vào tình hình công trình cụ thể nh phơng pháp tính, trị số ổn định F lấy từ 1.2 1.5 Đối với loại đất định giá trị F tuỳ thuộc vào vị trí mặt trợt Mặt trợt ứng với giá trị Fmin mặt trợt nguy hiểm Do đó, tính ổn định bờ dốc xác định mặt trợt có F nhỏ Xác định tâm trợt nguy hiểm a) Đối với đất dính có tính dẻo cao Mặt trợt nguy hiểm mặt trợt qua chân mái, có tâm giao điểm hai đờng thẳng OA OB: Đờng OA làm với mặt mái dốc góc 1, đờng OB làm với phơng ngang đỉnh mái góc Các góc 1, thay đổi theo góc mái dốc , theo bảng (7-1) dới đây: b) Đối với đất dính có > Tâm trợt nguy hiểm nằm đờng thẳng OE kéo dài (hình 7-3) Điểm O đợc xác định nh trên, điểm E cách chân mái đoạn 4.5H cách đỉnh mái đoạn 2H (H : chiều cao mái dốc) Cách xác định tâm trợt nguy hiểm theo trình tự sau: (1) Xây dựng đờng cong O~F: 44 Chơng 7: mái dốc k1 01 02 k2 ổn định k3 km 03 M i n ki 0* kn 0i 0n C R 2H 4.5H E Hình 7-3: Sơ đồ xác định tâm trợt nguy hiểm Fmin Giả sử tâm trợt O1 , ta xác định đợc hệ số an toàn F1; Từ điểm O1 kẻ đờng thẳng vuông góc với OE ; đờng thẳng lấy theo tỷ lệ định trớc đoạn có giá trị F1 đợc điểm Tơng tự nh vậy, giả sử lần lợt tâm trợt thay đổi đến điểm O2, O3 On ; ta tính đợc lần lợt giá trị hệ số ổn định tơng ứng F2, F3, Fn ; đờng vuông góc với OE điểm O 2, O3 On lấy theo tỷ lệ lần lợt đoạn F2, F3, Fn đợc điểm , , n Nối điểm 1, , n đợc đờng cong quan hệ O~F (đờng biểu diễn giá trị F thay đổi tâm trợt O thay đổi) Bảng 7-1 : Bảng trị số ; theo giá trị góc mái dốc Độ dốc mái Góc mái : 0.5 600 200 400 1:1 450 280 370 : 1.5 33047 260 350 1:2 26034 250 350 1:3 18026 250 350 1:5 11019 250 370 45 Chơng 7: mái dốc ổn định (2) Xác định tâm trợt nguy hiểm giá trị Fmin: Kẻ đờng thẳng song song với OE tiếp xúc với đờng cong O~F điểm M Từ điểm M hạ đờng vuông góc với OE O* Và O* tâm trợt nguy hiểm Độ dài đoạn thẳng O*M theo tỷ lệ giá trị Fmin II Phân tích cho trờng hợp đất có u= Phân tích dựa vào ứng suất tổng, cho đất mái dốc đất sét bão hoà nớc điều kiện không thoát nớc, ví dụ nh điều kiện sau thi công Phân tích dựa vào cân mômen Mặt trợt đợc giả định cung tròn (tâm trợt O, bán kính R chiều dài cung trợt La) nh hình 7-4 Nguyên nhân gây ổn định trọng lợng khối trợt phía mặt trợt Sức chống trợt dọc theo mặt trợt đợc tính theo công thức sau: m = f cu = F F (7-2) Trong đó: F - hệ số an toàn cờng độ chịu cắt cu La R F Lấy cân mômen tâm O ta có: W d = m La R = R R Vết nứt C B d 2cu Pn W A cu Hình 7-4: Phân tích ổn định mái dốc trờng hợp u=0 Và đó: F= c u La R W d (7-3) Trờng hợp có khe nứt chịu kéo phát triển (hình 7-4), chiều dài cung trợt La giảm xuất áp lực thuỷ tĩnh vết nứt chứa đầy n46 Chơng 7: mái dốc ổn định ớc Cần thiết phải phân tích mái dốc với số mặt trợt để xác định đợc hệ số an toàn nhỏ H 45 DH Đ ịa tầng NS 0.30 0.25 0.20 0.18 4.0 0.15 2.0 1.2 1.5 1.0 0.10 0.05 00 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Hình 7-5: Biểu đồ Taylor với giá trị NS Dựa vào điều kiện hình học tơng tự, Taylor đa hệ số ổn định cho mái đất đồng với ứng suất tổng Với mái dốc có chiều cao (H) hệ số ổn định nhỏ (Ns) tính nh sau: NS = cu cu F= N S H FH (7-4) Trờng hợp u=0, giá trị Ns tra hình 7-5 Giá trị Ns phụ thuộc DH vào góc mái dốc hệ số chiều sâu D = , DH chiều H sâu địa tầng Gibson Morgenstern đa hệ số ổn định cho mái dốc đất sét cố kết thông thờng thay đổi tuyến tính theo chiều sâu ví dụ minh hoạ 47 Chơng 7: mái dốc ổn định Ví dụ 55 Một mái đất đào có góc nghiêng 45 0, chiều cao mái đất H=8m Đất mái dốc đất sét bão hoà có trọng lợng thể tích =19kN/m3 Cờng độ sức chống cắt không thoát nớc cu=65kN/m2 u=0 Hãy xác định hệ số an toàn mái đất 4.5m 89 3.5m R=1 2.1m C D R 8m W 45 A B Hình VD55 Bài giải: Theo hình VD55: - Diện tích mặt cắt ngang lăng thể trợt ABCD = 70m2 - Trọng lợng khối đăt: W = 70*19 = 1330kN/m Trọng tâm khối đất cách tâm trợt O d= 4.5m Góc AOC = 89.5 bán kính cung trợt R= 12.1m Chiều dài cung ABC tính đợc La= 18.9m Vởy hệ số an toàn là: F= cu La R 65 *18.9 *12.1 = = 2.48 W d 1330 * 4.5 Đây hệ số an toàn với mặt trợt giả định cha phải mặt trợt có hệ số an toàn nhỏ Hệ số an toàn nhỏ đợc xác định phơng trình 7-4 Từ hình 7-5, biết =450, giả thiết chiều sâu địa tầng lớn, tra đợc giá trị NS = 0.18 Do đó: F= cu 65 = = 2.37 N S H 0.18 * 19 * 48 Chơng 7: mái dốc ổn định III Phơng pháp phân mảnh Giới thiệu chung Trong phơng pháp giả định mặt trợt có dạng cung tròn với tâm trợt O bán kính cung trợt R Sử dụng mặt phẳng phân chia khối đất (ABCD) phía cung trợt (AC) thành phân mảnh trợt có bề rộng b (hình 7-6) Cung trợt dới đáy mảnh trợt đợc coi nh thẳng Với mảnh trợt xác định đợc góc chiều cao h xác định theo đờng tim mảnh R.sin i R b C B R X2 H E2 h i X1 W E1 A T N' D L uL N '+ N= u.L Hình 7-6: Phơng pháp phân mảnh Hệ số an toàn dợc xác định tỉ số khả chống cắt f cờng độ lực cắt m nh sau: F= f m (7-5) Hệ số an toàn mảnh trợt giống nhau, mảnh trợt chịu tác động lẫn Các lực tác động lên mảnh trợt (tính cho 1m chiều dài) gồm có: Trọng lợng mảnh trợt: W = bh (có thể bh) Tổng phản lực dới phân mảnh trợt N ( N = L ) Trong gồm hai thành phần: phản lực thành phần có hiệu N ' = ' L áp lực nớc 49 Chơng 7: mái dốc ổn định U = uL , với u - áp lực nớc lỗ rỗng tác động tâm đáy mảnh L chiều dài cung trợt phạm vi mảnh Lực cắt dới đáy mảnh: T = m L Lực ngang tác động mảnh trợt lân cận E1 E2 Lực cắt mảnh trợt lân cận: X1 X2 Khi có ngoại lực phải đợc phân tích tính toán Giả định bỏ qua tác động lực E X Lấy mômen với tâm O, tổng mômen lực cắt T cung trợt AC phải với mômen với trọng lợng khối trợt ABCD Với mảnh trợt W có cánh tay đòn R.sin, đó: TR = W R sin Ta lại có: T = m L = f F L f F L = W sin F= L W sin f (7-6) Khi xem xét với ứng suất có hiệu thì: ( c'+ '.tg ') L W sin c' L + tg ' N ' F= W sin F= (7-7a) (7-7b) a Trong đó: La chiều dài cung AC Phơng pháp Fellenius (hoặc Swedish) Trong phơng pháp giả định tơng tác mảnh trợt lân cận cân Do phản lực có hiệu dới đáy mảnh trợt đợc tính nh sau: N ' = W cos uL (7-8) Do hệ số an toàn tính với ứng suất có hiệu là: F= c' La + tg ' (W cos uL ) (7-9) W sin Các thành phần W.cos W.sin đợc xác định theo dạng hình học mảnh Giá trị góc xác định tính toán đo trực tiếp Có thể tính toán với loạt mặt trợt giả định để tìm 50 Chơng 7: mái dốc ổn định mặt trợt có hệ số an toàn nhỏ Phơng pháp cho kết sai số với phơng pháp khác khoảng 5~20% Khi tính với ứng suất tổng, tham số cu u phải đợc sử dụng giá trị áp lực nớc lỗ rỗng u phơng trình (7-9) phải Nếu u = 0, phơng trình có dạng: F= c u La W sin (7-10) Phơng pháp Bishop thông thờng Trong phơng pháp giả định lực cắt mảnh lân cận cân nhau, có nghĩa X1 X2 = Lực cắt dới đáy mảnh trợt là: T= ( c' L + N ' tg ') F Chiếu lực theo phơng thẳng đứng: W = N ' cos + uL cos + T sin W = N ' cos + uL cos + ( c' L + N ' tg ') sin F c' L sin uL cos W F N'= sin tg ' cos + F (7-11) Chú ý L = b.sec thay vào phơng trình 7-9, ta có: sec ( ) F= [ c ' b + W u b tg ' ] tg tg ' W sin 1+ F (7-12) Nếu gọi tỉ số áp lực lỗ rỗng ru: ru = u u = h W / b (7-13) Do phơng trình (7-12) đổi thành: sec ( ) F= [ c ' b + W r tg ' ] u tgtg ' W sin 1+ F (7-14) Nh hệ số an toàn nằm cá hai phía phơng trình (7-12), thờng sử dụng phơng pháp thử dần để tìm giá trị F Tính hệ số 51 Chơng 7: mái dốc ổn định an toàn theo phơng pháp mức độ sai số không vợt 7%, có trờng hợp < 2% Phơng trình (7-12) đợc xây dựng bới Bishop Morgenstern Các tác giả cho hệ số an toàn mái dốc thay đổi theo qui luật tuyến tính phụ thuộc vào ru đợc tính nh sau: F = m n.ru (7-15) Trong đó: m n hệ số, phụ thuộc vào góc mái dốc góc ma sát đất , vào tỉ số c ' / H tỉ số chiều sâu D = H / DH Ví dụ minh hoạ Ví dụ 56 Sử dụng phơng pháp phân mảnh Fellenius xác định hệ số an toàn tính với thành phần ứng suất có hiệu, mái dốc cho hình 9-6 Biết trọng lợng thể tích đất phía dới mực nớc ngầm 20kN/m3, sức chống cắt có hiệu c=10kN/m2, góc nội ma sát = 290 Bài giải: R= 9.5 m 3.15m R B 2.5m C (8) 1.5 (7) 1.5m 6m (6) MN MNN N (5) A (1) (2) (3) (4) Zn Ze u =nZn Hình VD56 * Trọng lợng mảnh trợt (tính cho 1m dài): W = b.h = 20 *1.5 * h = 30.h (kN/m) * Chiều cao h đợc xác định theo đờng tim mảnh trợt xác định hình VD2 dựa vào hình học mảnh Do đó: 52 Chơng 7: mái dốc ổn định W cos = 30.h cos W sin = 30.h.sin * áp lực nớc lỗ rỗng tâm mảnh u = n z n , zn khảng cách theo phơng đứng từ MNN đến điểm vị trí đáy mảnh (hình vẽ) Một cáchchính xác áp lực nớc lỗ rỗng đợc tính u = n z e , ze khoảng cách tính đờng vuông góc với cung trợt điẻm tâm (hình vẽ), sai số thiên khía cạnh an toàn * Tổng chiều dài cung trợt đợc tính La=14.35m Kết đợc ghi bảng VD56 Bảng VD56: Kết tính toán h h.cos h.sin u L u.L (0) (m) (m) (m) (kN/m2) (m) (kN/m) 11.31 0.765 0.75 -0.15 5.9 1.55 9.1 3.18 1.80 1.80 -0.10 11.8 1.50 17.7 8.43 2.73 2.70 0.40 16.2 1.55 25.1 17.10 3.40 3.25 1.00 18.1 1.60 29.0 26.90 3.87 3.45 1.75 17.1 1.70 29.1 37.16 3.89 3.10 2.35 11.3 1.95 22.0 49.82 2.94 1.90 2.25 2.35 59.93 1.10 0.55 0.95 2.15 17.5 8.45 Mảnh trợt thứ Tổng 14.35 Từ bảng VD56 ta có: W cos = 30 * h cos = 30 *17.5 = 525 kN/m W sin = 30 * h sin = 30 * 8.45 = 254 kN/m (W cos uL ) = 525 132 = 393 kN/m * Hệ số an toàn đợc tính theo công thức Fellenius: F= c' La + tg ' (W cos uL ) W sin F= 10 *14.35 + 0.554 * ( 393) = 1.42 254 53 132.0 Chơng 7: mái dốc ổn định Một số trờng hợp khác a) Hệ số ổn định trờng hợp mái đất có gia cờng vật liệu địa kỹ thuật S2 Zm S1 Zi C Z2 Z1 Si Sm Hình 7-7: Mái đất có gia cờng vật liệu địa kỹ thuật Hệ số ổn định đợc tính theo công thức sau: n m c' La + tg ' N ' .R + S j Z j i =1 j =1 F= n W sin .R i =1 (7-16) Trong đó: Si - lực kéo vật liệu địa kỹ thuật 1m dài Zi - khoảng cách từ lớp vật liệu địa kỹ thuật thứ (j) đến tâm tr ợt O b) ảnh hởng khe nứt thẳng đứng Đối với đất dính, tợng lúc đất bị khô, đỉnh mái thờng xuất vết nứt gần nh thẳng đứng Trong trờng hợp này, độ dài mặt trợt giảm lại AE, lực chống trợt giảm mặt trợt bị rút ngắn lại Đồng thời lực gây trợt giảm thể tích khối đất trợt giảm ảnh hởng hai tợng trái ngợc cần phải xem xét trờng hợp cụ thể phải cẩn thận Xét mái đất dính, điều kiện cân giới hạn xó khe nứt căng đỉnh mái với chiều sâu hc Sự phát triển cung trợt đợc kết thúc độ sâu khe nứt chiều dài cung trợt thực tế AE Trong khe nứt độ bền kháng cắt nhng chứa đầy nớc, phần mômen phá hoại phải tính thêm lực thuỷ tĩnh Pn tác dụng theo phơng ngang 54 Chơng 7: mái dốc ổn định d R Y C D hc R Pn E W n.hc S L Hình 7-8: ổn định mái đất có vết nứt thẳng đứng Chiều sâu khe nứt lức là: z0 = F= 2cu (7-17) ( cu La ).R (7-18) W d + Pn Y R cu .R cu .R 180 180 F= = W d + Pn Y W d + Pn Y Trong đó: cu - cờng độ lực dính không thoát nớc đất Y - khoảng cách điểm đặt lực Pn đến tâm trợt Mặt trợt mặt phẳng Giả định mặt trợt song song với mặt mái dốc có chiều sâu bé nhiều so với chiều dài mái dốc Mái dốc có góc nghiêng so với phơng ngang chiều dầy so với mặt trợt phẳng z nh hình 7-10 Mực nớc ngầm đợc giả định song song với mặt mái dốc với chiều cao m.z so với phía mặt trợt (0< m < 1) Dòng thấm ổn định có chiều song song với mặt mái dốc Các lực phân mảnh bên cạnh đợc coi nh cân đối xứng cặp, điều kiện ứng suất điểm mặt trợt nh Tính với ứng suất có hiệu, cờng độ chống cắt đất dọc theo mặt trợt là: f = c '+( u ).tg ' 55 Chơng 7: mái dốc Và hệ số an toàn là: F = ổn định f = [ (1 m ) + m. bh ].z cos Trong đó: = [ (1 m ) + m. bh ].z sin cos u = m.z. n cos MN N mz.cos2 i L uớ m thấ W mz Z u T Hình 7-10: Mặt trợt mặt phẳng Nếu c = m = (đất mặt mái dốc mặt trợt không hoàn toàn bão hoà): F= tg ' tg (7-20) Nếu c = m = (Mực nớc ngầm trùng với mặt mái dốc): F= dn tg ' bh tg (7-21) Ví dụ minh hoạ Ví dụ 57 56 Chơng 7: mái dốc (Olympic 2006) Một mái dốc phẳng vô hạn có độ dốc =200 (hình vẽ) Lớp cát chiều dày 3m có =18kN/m3 = 20 a) Hãy kiểm tra ổn định trợt phẳng theo bề mặt lớp sét với hệ số an toàn Fs=1.5 Biết sét có c=10kN/m =200 Lớ p ổn định cát 3m Lớ p sét b) Nếu mái dốc ngập nớc với dòng thấm ổn định song song từ mặt lớp cát mái dốc có ổn định không? Biết cát bão hoà có bh=20.5kN/m3, lớp sét có c=0 =200 Bài giải: a) kiểm tra ổn định trợt phẳng Để xem xét xét ổn định trợt mái dốc phẳng vô hạn, ta xem xét ổn định trợt lăng thể đất có bề rộng b nh hình VD57 b b E2 T N 3m E2 T E1 N W 3m +c.b tg R=N W E1 +c.b tg R=N cos W = s co h.b U= Câ u a) n = os Wc Câu b) Hình VD57 Các lực tác dụng lên lăng thể trợt gồm có: * Trọng lợng lăng thể: W = zb cos Phản lực pháp tuyến lên mặt trợt: N = W cos Lực tiếp tuyến hớng xuống mái dốc: T = W sin * Lực kháng cắt chống lại trợt: R = Ntg + c.b * Các nội lực E1 E2 ngợc chiều nên triệt tiêu 57 Chơng 7: mái dốc Hệ số ổn định trợt: FS = ( ) R Ntg + c.b (W cos ) tg + c.b z cos tg + c = = = T W sin W sin z cos sin Thay số với: =18kN/m3, =200, =200, c=10kN/m2, z=3m, ta có: FS (18 * * cos = ) 20 tg 20 + 10 = 1.576 > [FS] = 1.5 18 * * cos 20 sin 20 Vậy mái dốc ổn định theo yêu cầu b) Kiểm tra ổn định mái dốc có dòng thấm song song Các lực tác dụng lên lăng thể gồm có: * Trọng lợng lăng thể: W = zb cos Phản lực pháp tuyến lên mặt trợt: N = W cos Lực tiếp tuyến hớng xuống mái dốc: T = W sin * áp lực nớc lỗ rỗng lên mặt trợt: U = n zb cos * Lực kháng cắt chống lại trợt: R = '.b = N ' tg '+c'.b Trong đó: c=0; N = N - U R = ( N U ) tg Hệ số ổn định trợt: FS = ( ) R ( N U ) tg ' zb cos n zb cos tg ' = = T T zb cos sin Rút gọn, ta đợc: FS = ( bh n ) bh tg ' tg Thay số với: bh=20.5kN/m3, =200, =200 , ta có: FS = ( 20.5 9.81) tg 20 = 0.521 20.5 tg 20