Bài giảng Cơ học đất (Bộ môn Địa kỹ thuật) - Chương 7: Ổn định mái dốc. Chương 7 gồm có những nội dung chính sau: Vấn đề chung về ổn định bờ dốc, ổn định mái đất dính (phương pháp giả thiết trước dạng mặt trượt), ổn định mái đất rời.
Trang 1chương 7
ổn định mái dốc
IV các phương pháp tính toán ổn định bờ dốc
1 Phương pháp giả thiết trước hình dạng mặt trượt:
Đặc điểm của phươgn pháp nμy lμ xuất phát từ các kết quả quan trắc lâu dμi các mái đất thực tế mμ đưa ra một số giả thiết đơn giản hoá về hình dạng mặt trượt vμ
từ đó nêu lên phương pháp tính gần đúng
Nhược điểm chủ yếu của các phương pháp nμy lμ coi khối đất bị phá hoại như một
cố thể, giới hạn bởi mặt trượt vμ mặt dốc, đồng thời xem trạng thái ứng suất giới hạn như chỉ xảy ra trên mặt trượt mμ thôi
Thuộc nhóm phương pháp nμy bao gồm:
a) Phương pháp mặt trượt có dạng gãy khúc:
Chỉ thích hợp cho trường hợp khi đã biết phương của mặt yếu trong khối đất, hoặc đã biết phương mặt đá gốc trên đó mái đất tựa vμo Phương pháp nμy còn
được dùng trong trường hợp mái đất rời không đồng nhất
b) Phương pháp mặt trượt có dạng xoắn lôgarit:
Chỉ dùng được khi mái đất đồng nhất
c) Phương pháp mặt trượt có dạng trụ tròn:
Phương pháp mặt tru tròn có thể giải quyết nhiều trường hợp phức tạp cuả mái
đất Hiện nay được áp dụng rộng rãi trong thực tế
2 Phương pháp dựa trên lý luận cân bằng của đất:
Phương pháp nμy cho rằng khi mái đatá mất ổn định thì trạng thái cân bằng giới hạn không phải chỉ xảy ra trên mặt trượt mμ cả trong toμn bộ khối đất bị trượt Các phương pháp nμy dựa trên lời giải chặt chẽ của bμi toán cân bằng giới hạn của Xôcôlovxki vμ phản ánh tương đối đúng đắn khối đất bị phá hoại
Nhược điểm của phương pháp nμy lμ tính toán rất phức tạp, tốn nhiều công sức
Trang 2Bμi 2 ổn định mái đất dính
(phương pháp giả thiết trước dạng mặt trượt)
I nguyên lý cơ bản
1 Hệ số ổn định
Α
0
W
d
S
L
R
R
α
Hình 7-1 : Sơ đồ xác định hệ số ổn định K
Để đánh giá ổn định của mái đất dính, thường thông qua hệ số ổn định:
d F
R L S d W
R L S K
truot gay Momen
truot chong Momen K
)
(
)
(
)
(
γ
=
=
=
Trong đó:
K: hệ số an toμn về ổn định
S: cường độ chống cắt trung bình của đất trên cung trượt
L: chiều dμi cung trượt
( )
0
180
R
(73-1a)
(73-1b)
Trang 3R: bán kính cung trượt
α : Góc chắn cung trượt
W: trọng lượng lăng thể trượt ABC (tính cho 1m dμi)
F : Diện tích mặt ABC của lăng thể trượt
γ : trọng lượng đơn vị trung bình của khối đất trượt
d : Khoảng cách từ phương lực W đến tâm trượt
Từ biểu thức (73-1), có thể suy ra:
- Khi K = 1 : mái đất ở trạng thái cân bằng giới hạn
- Khi K > 1 : mái đất ổn định
- Khi K < 1 : mái đất mất ổn định
Tuỳ thuộc vμo tình hình công trình cụ thể cũng như phương pháp tính, trị số ổn định
K có thể lấy từ 1.1 ặ 1.5
Đối với một loại đất nhất định thì giá trị của K tuỳ thuộc vμo vị trí của mặt trượt Mặt trượt ứng với giá trị Kmin lμ mặt trượt nguy hiểm nhất Do đó, tính ổn định bờ dốc chính lμ đi xác định mặt trượt có K nhỏ nhất
2 Xác định tâm trượt nguy hiểm nhất
a) Đối với đất dính có tính dẻo cao:
- Mặt trượt nguy hiểm nhất lμ mặt trượt đi qua chân mái, có tâm lμ giao điểm của hai đường thẳng OA vμ OB
- Đường OA lμm với mặt mái dốc một góc β1, còn đường OB thì lμm với phương ngang đỉnh mái một góc lμ β2
- Các góc β1, β2 thay đổi theo góc mái dốc β, theo bảng (73-1) dưới đây:
Bảng 73-1 : Bảng trị số β1 ; β 2 theo giá trị góc mái dốc β
1 : 0.5
1 : 1
1 : 1.5
1 : 2
1 : 3
1 : 5
600
450
33047’
26034’
18026’
11019’
200
280
260
250
250
250
400
370
350
350
350
370
Trang 4b) Đối với đất dính có ϕ > 0:
- Tâm trượt nguy hiểm nhất nằm trên đường thẳng OE kéo dμi Điểm O được xác định như trên, điểm E cách chân mái một đoạn 4.5H vμ cách đỉnh mái một
đoạn 2H (H : chiều cao mái dốc)
- Cách xác định tâm trượt nguy hiểm nhất theo trình tự sau:
R
C
Β
Α
4.5H
E
0 1
0 2
0 3
0 i
0 n
0*
1 2 3 M
i n
β 2
β 1
β
k 3
k 1
k 2
k m
k i
k n
Hình 7-2 : Sơ đồ xác định tâm trượt nguy hiểm nhất Kmin
(1) Xây dựng đường cong O~K:
- Giả sử tâm trượt lμ O1 , ta xác định được hệ số ổn định lμ K1 ; Từ điểm O1 kẻ
đường thẳng vuông góc với OE ; vμ trên đường thẳng nμy lấy theo tỷ lệ định trước một đoạn có giá trị lμ K1 được điểm (1)
- Tương tự như vậy, giả sử lần lượt tâm trượt thay đổi đến các điểm O2, O3 On ;
ta cũng tính được lần lượt các giá trị hệ số ổn định tương ứng lμ K2, K3, Kn ;
vμ trên các đường vuông góc với OE tại các điểm O2, O3 Onlấytheo tỷ lệ lần lượt các đoạn K2, K3, Kn được các điểm (2) , (3) , (n)
- Nối các điểm (1), (2) , (3) , (n) được đường cong quan hệ O~K(đường biểu diễn giá trị K thay đổi khi tâm trượt thay đổi)
(2) Xác định tâm trượt nguy hiểm nhất vμ giá trị Kmin:
- Kẻ đường thẳng song song với OE tiếp xúc với đường cong O~K tại điểm M
Từ điểm M hạ đường vuông góc với OE tại O* Vμ O* chính lμ tâm trượt nguy hiểm nhất
Trang 5- Độ dμi đoạn thẳng O*M theo tỷ lệ chính lμ giá trị Kmin
II Phương pháp phân mảnh của fellenius
1 Giả thiết của phương pháp
- Mặt trượt lμ trụ tròn
- Khối đất trượt lμ một cố thể
- Trạng thái ứng suất giới hạn chỉ xảy ra trên mặt trượt
2 Nguyên lý của phương pháp:
R
R
0
C Β
Α
W i
W
N i
T i
T
c i
c i
b i
Fi = N i tgαi
Hình 7-3 : Phương pháp Fellenius xác định hệ số ổn định K
- Dùng các mặt phẳng thẳng đứng song song chia khối trượt thμnh (n) mảnh có bề rộng lμ (b) bằng nhau (b =
20
1
101 ữ ) bán kính cung trượt
- Xét các lực trên từng mảnh trượt, sau đó lấy tổng các lực trên các mảnh để tính hệ
số ổn định
3 Tính hệ số ổn định:
Xét tất cả các lực tác dụng lên mảnh thứ (i) (mảnh gạch chéo), gồm:
(1) Wi : Trọng lượng của mảnh thứ (i)
Trang 6Trong đó:
b: chiều rộng của phân mảnh (i)
hi: chiều cao của mảnh thức (i)
γ: trọng lượng thể tích của đất
(73-2)
Chuyển điểm đặt của Wi xuống phía dưới theo phương thẳng đứng đến điểm giữa trong cung trượt của mảnh (i), rồi phân tích ra thμnh hai thμnh phần
- Thμnh phần pháp tuyến (N i) ặ sinh ra lực ma sát (F i) ặ thμnh phần chống trượt
- Thμnh phần tiếp tuyến (Ti) ặ thμnh phần gây trượt (nhưng còn tuỳ thuộc vμo vị trí của mảnh trượt mμ Ti lμ nhân tố gây trượt hay không gây trượt)
i i i
i i
i i
i i
i i i
h b W
T
tg N F
h b W
N
α γ
α ϕ
α γ
α
sin )
( sin
cos )
( cos
=
=
=
=
=
Trong đó: ϕ : góc nội ma sát của đất
αi: góc tạo bởi đường thẳng đứng đi qua tâm trượt O vμ đường thẳng
nối O với điểm đặt lực Wi(điểm giữa cung trượt thứ (i) )
(73-3) (73-4) (73-5)
(2) Ci : Lực dính tác dụng trên mặt trượt của mảnh thứ (i)
i i
i c l
Trong đó: ci: cường độ lực dính trên cung trượt mảnh thứ(i)
(73-6)
(3) Ei : áp lực tác dụng từ hai mảnh phía bên mảnh thứ (i)
Vì giả thiết các lực giã các mảnh bằng nhau vμ ngược chiều nên triệt tiêu nhau, có nghĩa lμ E1 = E2
* Hệ số ổn định được tính theo công thức sau:
∑
∑
=
= =
=
= =
+
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
i i
n i
n i i i
n i i
n i
n i i i
T
tg N C
R T
R F C
K
1
1 1
1
1 1
∑
∑
∑
=
=
=
+
=
+
i
i i
n i
i i n
i
i i
n i
n i
i i i
i
h b
h tg b L c h
b
h tg b l c K
1
1
1
sin
cos
sin
cos
α γ
α ϕ
γ α
γ
α ϕ
γ
Trong đó: c : cường độ lực dính (khi mái đất đồng nhất)
L : Tổng chiều dμi cung trượt của tất cả các mảnh ∑
=
= n
i i
l L
1
(73-8)
Trang 7Bμi 4 ổn định mái đất rời
I mái đất rời đồng nhất
1.Hệ số ổn định trường hợp
mái đất không có nước
ngầm
Trong trường hợp mái đất rời,
tính ổn định của mái đất dược
quyết định bởi sự ổn định của
hạt đất trên mặt mái đất
W
N T
F
β
Hình 7-7 : Sơ đồ xác định hệ số ổn định K cho
mái đất rời
Xét điều kiện cân bằng của một phân tố đất trên mặt của mái đất Gọi:
- W : trọng lượng của phân tố đất
- ϕ : góc nội ma sát của đất
- β : góc mái đất so với phương nằm ngang
Phân lực W ra thμnh 2 thμnh phần:
• N : thμnh phần pháp tuyến ặ sinh ra lực ma sát F ặ chống trượt
• T : thμnh phần tiếp tuyến ặ gây trượt
Các trị số của các lực trên được tính theo công thức sau:
β
ϕ β ϕ
β
sin
cos
cos
W T
tg W
tg N F
W N
=
=
=
(74-1b) (74-1c)
Hệ số ổn định được tính theo công thức:
truot gay Luc
truot chong Luc K
=
β
ϕ β
ϕ β ϕ
tg
tg W
tg W
T
tg N T
F
sin
cos
Trang 8• Như vậy, sự ổn định của mái đất rời không phụ thuộc vμo chiều cao mái đất,
mμ chỉ phụ thuộc vμo giá trị góc mái dốc (β) vμ góc nội ma sát của đất (ϕ)
- Khi β = ϕ thì K = 1 : mái đất ở trạng thái cân bằng giới hạn
- Khi β < ϕ thì K > 1 : mái đất ổn định
- Khi β > ϕ thì K < 1 : mái đất mất ổn định
2 Hệ số ổn định trường hợp mái đất có nước ngầm
dn
tg
tg tg
tg K
β
ϕ α β γ γ
ϕ γ
.
= +
=
Trong đó:
( + )≈0.5
=
n dn
dn
γ γ
γ
(74-3)
Nếu cho giá trị K trong hai biểu thức (74-2) = (74-3) ta được:
β α
Như vậy từ biểu thức (74-4) ta thấy rằng áp lực thuỷ động có tác dụng lμm nhỏ gấp
đôi góc mái ổn định của đất so với trường hợp không có áp lực thuỷ động
Trang 9Bμi 1 Vấn đề chung về ổn định bờ dốc
II nguyên nhân chung lμm mất ổn định bờ dốc
• Các nguyên nhân chung dẫn đến các hiện tượng mất ổn định bờ dốc bao giờ cũng gồm các yếu tố lμm giảm yếu cường độ liên kết kiến trúc, giảm yếu sức chống trượt (chống cắt) của đất đá vμ các yếu tố lμm tăng khối lượng bản thân của chúng, tăng lực gây trượt (lực cắt)
• Đó thường lμ các yếu tố thiên nhiên như điều kiện cấu trúc địa chất,, điều kiện
địa hình, thuỷ văn, địa mạo, các hoạt động địa chất động lực vμ các yếu tố do hoạt động của con người lμm biến đổi điều kiện thiên nhiên vốn có
1 Các nguyên nhân lμm giảm yếu cường độ đất đá
a) Các nguyên nhân thuộc bản chất đất đá
Đất đá thuộc loại yếu, dễ phong hoá, dễ hoá mềm khi gặp nước như đất sét, đá phiến sét, các loại đá macma vμ trầm tích bị phong hoá mạnh, các loại đất đá có kết cấu rời rạc…Các đá bị cμ nát, bị phá huỷ kiến tạo, đá có cấu tạo phân lớp vμ cấu tạo xen kẽ các lớp yếu, có thể nằm dốc ra phái ngoμi sườn dốc đều dễ gây trượt lở
khiến đất đá bị giảm yếu cường độ
- Sự phá vỡ vật lý của các loại đá có cấu trúc hạt (như đá granite, cát kết…) dưới tác dụng của dao động nhiệt độ
- Sự thuỷ hoá, sự hấp phụ nước của các khoáng vật sét khi tăng độ ẩm; quá trình trương nở vμ quá trình trao đổi ion của đất sét cũng có thể dẫn đến hậu quả như vậy Khi bị khô hạn đất sét sẽ nứt nẻ, đá phiến sét bị vỡ vụn vμ nước cμng dễ thấm vμo chúng qua khe nứt
- Nước ngầm hoμ tan vμ mang đi các thμnh phần dễ hoμ tan có trong đất đá (như các muối cacbonat, sunfat, clorua…); nước dưới đất hoμ tan đá vôi tạo nên các hang động Karst… (nói chung, nước ngầm lμ một nguyên nhân chủ yếu gây
Trang 10c) Các nguyên nhân về điều kiện địa hình, địa mạo
- Độ dốc của sườn hoặc mái dốc cμng lớn, mặt sườn dốc cμng trơ trụi, ít cây cỏ thì
đất đá cμng dễ bị xói mòn, dễ bị phong hoá, do đó sườn dốc hoặc mái dốc cμng
dễ mất ổn định
2 Các nguyên nhân tăng lực gây trượt (lực cắt)
a) Các nguyên nhân lμm tăng tải trọng trên sườn dốc
- Nước mặt vμ nước ngầm thấm đầy lỗ rỗng đất đá
- Đất đá trượt, sụt lở từ phía trên xuống rồi tích lại trên sườn dốc
- Đổ đất đá đμo ra trên sườn dốc
- Đắp nền đường hoặc xây dựng các công trình khác trên sườn dốc, nhất lμ trên các sườn tích tụ đá mảnh
- Sông, suối chảy xói mòn mất chân sườn dốc thiên nhiên; rãnh biên quá dốc lại không được gia cố tạo điều kiện cho nước chảy với tốc độ lớn gây xói chân mái dốc nền đường
- Sóng vỗ phá hoại chân dốc vμ chân các vách đá ven biển
- Hạ mực nước dưới chân dốc một cách đột ngột; sau trận lũ mực nước sông suối,
hồ chứa nước hạ đột ngột, lμm tăng áp lực thuỷ động, giảm áp lực ngang của nưới dưới chân dốc
- Xây dựng nền đμo, kênh, mỏ đá, thùng đấu…
- Động đất
- Nổ mình khai thác đá hoặc xây dựng đường
Khi xem các nguyên nhân nói trên cần chú ý
- Có những nguyên nhân tiềm tμng vμ có những nguyên nhân gaya phá hoại đột biến Do đó quá trình phá hoại (trượt., sụt lở, trôi) cũng gồm quá trình tiềm tμng vμ quá trình đột biến kể từ khi phát sinh nguyên nhân cho đến hậu quả cuối cùng Những nguyên nhân tiềm tμng nhiều khi rất khó phát hiện vμ khó có biện pháp loại trừ Tuy nhiên, để có biện pháp phòng chống thích hợp
Trang 11không những cần chú trọng nghiên cứu, điều tra các nguyên nhân đột biến, mμ còn tuỳ theo ý nghiã của các công trình đường còn cần xem xét, xử lý cả nguyên nhân tiếm tμng một cách thích
đáng Các hiện tượng phá hoại cμng có khả năng gây hậu quả nặng thì cμng cần đi sâu điều tra nghiên cứu kỹ các nguyên nhân gây ra chúng
- Các hiện tượng trượt, sụt lở vμ trôi thường phát sinh vμ phát triển do tổng hợp nhieuè nguyên nhân, nhiều nhân tố tác dụng, rất hiếm thấy một trường hợp nμo chỉ do một nguyên nhân duy nhất gây ra Thực tế, có những nguyên nhân lại chính lμ nguyên nhân của những nguyên nhân khác Do đó, khi nghiên cứu xử lý trượt, sụt lở… cần chú ý xem xét phân tích cả quá trình chứ không phải chỉ chú ý riêng các hiện tượng, các sự kiện xảy ra khi đất đá mất ổn định; cần chú ý
điều tra cả môi trường xung quanh (bao gồm cả các yếu tố như cấu trúc địa chất, địa chất thuỷ văn, địa hình, địa mạo, khí hậu chung của cả vùng…) chứ không phải chỉ chú ý đến điều kiện tại riêng chỗ sườn dốc bị phá hoại
- Mặc dù có những nguyên nhân chung giống nhau nhưng tổ hợp các nguyên nhân đối với mỗi loại trượt, sụt lở vμ trôi thường có những nét khác nhau, dẫn đến phương thức vμ quá trình di
động của đất đá trên sườn dốc cũng khác nhau như trên đã nếu Đây chính lμ quan hệ giữa nguyên nhân vμ hiện tượng, do đó việc phân loại các hiện tượng không thể tách rời việc phân tích các nguyên nhân để đi tới các biện pháp phòng chống thích hợp
III các biện pháp phòng chống mất ổn định bờ dốc
1 Các biện pháp thoát nước mặt, nước ngầm vμ hạn chế đến mức tối đa các ảnh hưởng xấu của nước như:
- Xây dựng hệ thống chắn hoặc thoát nước ngầm theo nguyên tắc tầng lọc ngược;
- San lấp kẽ nứt, lμm bằng vμ đầm nén chặt chẽ bề mặt sườn dốc để hạn chế thấm nước
- Gia cố bề mặt vμ đặc biệt lμ gia cố chân dốc để chống xói…
Mục đích chính của các biện pháp xử lý nước mặt lμ:
ắ Không cho nước từ phía trên sườn dốc chảy vμo vùng trượt, chặn vμ đưa nước
mặt chảy ra ngoμi phạm vi cần duy trì ổn định
ắ Thoát nhanh nước mưa trong vùng trượt, hạn chế đến mức thấp nhất lượng mưa thấm vμo khối trượt vμ lμm khô khối trượt
2 Các biện pháp chống đỡ bằng kè chân dốc, kè vai nền đường với các kiểu tường chắn khác nhau :
- Tường trọng lực, tường bằng đá xếp khan, đá xây, đất có cốt hoặc bê tông
- Các loại tường chắn chỉ có tác dụng khi móng của chúng đặt trên phần đất đá
ổn định (phía dưới mặt trượt trong trường hợp trượt lở)
Trang 123 Các biện pháp nhằm giảm tải trọng phía trên đỉnh sườn dốc vμ tăng khối lượng phía dưới chân dốc :
Giảm tải phía trên sườn dốclμ đμo bỏ đi một phần khối lượng đất đá trong phạm
vi khối trượt sao cho có lợi về mặt cân bằng tĩnh học, để nhờ đó giảm lực gây trượt vμ tăng hệ số ổn định Muốn vậy phải giảm đúng chỗ, vì như đã biết, nếu
đμo đất tuỳ tiện vμ không đúng chỗ, vì như đã biết, nếu đμo đatá tuỳ tiện vμ không đúng chỗ trên sườn dốc trượt thì sẽ có thể dẫn đến kết quả ngược lại: lμm
“mất chân”, giảm sức chống đỡ đỡ, dẫn đến các hậu quả tai hại Do đó, biện pháp nμy thường được áp dụng trong các điều kiện sau:
- Khối trượt có mặt trượt không sâu; mặt trượt có dạng trên dốc dưới thoải
- Phía trên, ngoμi phạm vi khối trượt hoặc gần tới đỉnh phân thuỷ, thấy rõ vách
đá ổn định, tưc lμ khối trượt không có khả năng tiếp tục phát triển lên phía trên
- Bạt thoải mái nền đường quá dốc cũng lμ một biện pháp giảm tải, tương tự như trên, nếu áp dụng mμ không phân tích kỹ thì chẳng những không có lợi
mμ còn có thể gây ra những hậu quả đáng tiếc Đặc biệt, trong trường hợp trượt có mặt trượt rõ rệt vμ nền đường đặt ở phía dưới khối trượt, nếu bạt thoải mái dốc nền đường sẽ dẫn đến giảm sức chống trượt nghiêm trọng đối với cả sườn dốc Do đó biện pháp bạt thoải mái dốc nền đường thường chỉ áp dụng đối với trường hợp mái quá dốc gây nên hiện tượng trượt lở cục bộ ở vùng lân cận mái dốc
4 Các biện pháp gia cố bề mặt chống phong hoá vμ chống sụt lở cục bộ như:
- Xây lát đá bề mặt mái dốc
- Trồng cỏ trên mái dốc, hoặc trồng cây trên sườn dốc
- Xây tường phòng hộ…