Bài giảng Cơ học đất (Bộ môn Địa kỹ thuật) - Chương 7: Ổn định mái dốc

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.

Chơng : ổn định bờ dốc học đất chơng ổn định mái dốc Bi Vấn đề chung ổn định bờ dốc IV phơng pháp tính toán ổn định bờ dốc Phơng pháp giả thiết trớc hình dạng mặt trợt: Đặc điểm phơgn pháp ny l xuất phát từ kết quan trắc lâu di mái đất thực tế m đa số giả thiết đơn giản hoá hình dạng mặt trợt v từ nêu lên phơng pháp tính gần Nhợc điểm chủ yếu phơng pháp ny l coi khối đất bị phá hoại nh cố thể, giới hạn mặt trợt v mặt dốc, đồng thời xem trạng thái ứng suất giới hạn nh xảy mặt trợt m Thuộc nhóm phơng pháp ny bao gồm: a) Phơng pháp mặt trợt có dạng gãy khúc: Chỉ thích hợp cho trờng hợp biết phơng mặt yếu khối đất, biết phơng mặt đá gốc mái đất tựa vo Phơng pháp ny đợc dùng trờng hợp mái đất rời không đồng b) Phơng pháp mặt trợt có dạng xoắn lôgarit: Chỉ dùng đợc mái đất đồng c) Phơng pháp mặt trợt có dạng trụ tròn: Phơng pháp mặt tru tròn giải nhiều trờng hợp phức tạp cuả mái đất Hiện đợc áp dụng rộng rãi thực tế Phơng pháp dựa lý luận cân đất: Phơng pháp ny cho mái đatá ổn định trạng thái cân giới hạn xảy mặt trợt m ton khối đất bị trợt Các phơng pháp ny dựa lời giải chặt chẽ bi toán cân giới hạn Xôcôlovxki v phản ánh tơng đối đắn khối đất bị phá hoại Nhợc điểm phơng pháp ny l tính toán phức tạp, tốn nhiều công sức Chơng : ổn định bờ dốc học đất Bi ổn định mái đất dính (phơng pháp giả thiết trớc dạng mặt trợt) I nguyên lý Hệ số ổn định d R α Β R C W S Α L Hình 7-1 : Sơ đồ xác định hệ số ổn định K Để đánh giá ổn định mái đất dính, thờng thông qua hệ số ổn định: Momen.chong.truot Momen.gay.truot ( S L).R ( S L).R = K= W d (γ F ).d K= Trong ®ã: K: hƯ sè an ton ổn định S: cờng độ chống cắt trung bình đất cung trợt L: chiều di cung trợt L= ( ).R 1800 (73-1a) (73-1b) Chơng : ổn định bờ dốc học đất R: bán kính cung trợt : Góc chắn cung trợt W: trọng lợng lăng thể trợt ABC (tính cho 1m di) F : 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 (73-1), suy ra: - Khi K = : mái đất trạng thái cân giới hạn - Khi K > : mái đất ổn định - Khi K < : mái đất ổn định Tuỳ thuộc vo tình hình công trình cụ thể nh phơng pháp tính, trị số ổn định K lấy từ 1.1 ặ 1.5 Đối với loại đất định giá trị K tuỳ thuộc vo vị trí mặt trợt Mặt trợt ứng với giá trị Kmin l mặt trợt nguy hiểm Do đó, tính ổn định bờ dốc l xác định mặt trợt có K nhỏ Xác định tâm trợt nguy hiểm a) Đối với đất dính có tính dẻo cao: - Mặt trợt nguy hiểm l mặt trợt qua chân mái, có tâm l giao điểm hai đờng thẳng OA v OB - Đờng OA lm với mặt mái dốc góc 1, đờng OB lm với phơng ngang đỉnh mái góc l - Các góc 1, thay đổi theo góc mái dốc , theo bảng (73-1) dới đây: Bảng 73-1 : Bảng trị số ; theo giá trị góc mái dốc 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 Độ dốc mái Góc mái : 0.5 Chơng : ổn định bờ dốc học ®Êt b) §èi víi ®Êt dÝnh cã ϕ > 0: - Tâm trợt nguy hiểm nằm đờng thẳng OE kéo di Điểm O đợc xác định nh trên, điểm E cách chân mái đoạn 4.5H v cách đỉnh mái đoạn 2H (H : chiều cao mái dốc) - Cách xác định tâm trợt nguy hiểm theo tr×nh tù sau: k1 k2 01 02 k3 M km 03 i n ki 0* kn 0i β2 0n Β R C β Α 2H β1 4.5H E Hình 7-2 : Sơ đồ xác định tâm trợt nguy hiểm Kmin (1) Xây dựng đờng cong O~K: - Giả sử tâm trợt l O1 , ta xác định đợc hệ số ổn định l K1 ; Từ điểm O1 kẻ đờng thẳng vuông góc với OE ; v đờng thẳng ny lấy theo tỷ lệ định trớc đoạn có giá trị l K1 đợc điểm (1) - 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 l K2, K3, Kn ; v đờng vuông góc với OE điểm O2, O3 On lấy theo tỷ lệ lần lợt đoạn K2, K3, Kn đợc điểm (2) , (3) , (n) - Nối điểm (1), (2) , (3) , (n) đợc đờng cong quan hệ O~K (đờng biểu diễn giá trị K thay đổi tâm trợt thay đổi) (2) Xác định tâm trợt nguy hiểm v giá trị Kmin: - Kẻ đờng thẳng song song víi OE tiÕp xóc víi ®−êng cong O~K điểm M Từ điểm M hạ đờng vuông góc với OE O* V O* l tâm trợt nguy hiểm Chơng : ổn định bờ dốc học đất - Độ di đoạn thẳng O*M theo tỷ lệ l giá trị Kmin II Phơng pháp phân mảnh fellenius Giả thiết phơng pháp - Mặt trợt l trụ tròn - Khối đất trợt l cố thể - Trạng thái ứng suất giới hạn xảy mặt trợt Nguyên lý phơng pháp: bi R C hi R ci Fi = Ni.tgαi ci Ti Α T Ni Wi W Hình 7-3 : Phơng pháp Fellenius xác định hệ số ổn định K - Dùng mặt phẳng thẳng đứng song song chia khối trợt thnh (n) mảnh có bÒ 1 réng lμ (b) b»ng (b = ữ ) bán kính cung trợt 10 20 - Xét lực mảnh trợt, sau lấy tổng lực mảnh để tính hệ số ổn định Tính hệ số ổn định: Xét tất lực tác dụng lên mảnh thứ (i) (mảnh gạch chéo), gồm: (1) Wi : Trọng lợng mảnh thứ (i) Chơng : ổn định bờ dốc học ®Êt Wi = γ b.hi (73-2) Trong ®ã: b: chiÒu rộng phân mảnh (i) hi: chiều cao mảnh thức (i) : trọng lợng thể tích đất Chuyển điểm đặt Wi xuống phía dới theo phơng thẳng đứng đến điểm cung trợt mảnh (i), phân tích thnh hai thnh phần - Thnh phần pháp tuyến (Ni) ặ sinh lực ma sát (Fi) ặ thnh phần chống trợt - Thnh phần tiếp tuyến (Ti) ặ thnh phần gây trợt (nhng tuỳ thuộc vo vị trí mảnh trợt m Ti l nhân tố gây trợt hay không gây trợt) N i = Wi cos α i = (γ b.hi ) cos α i (73-3) Fi = N i tgϕ (73-4) Ti = Wi sin α i = (γ b.hi ) sin α i (73-5) Trong ®ã: ϕ : gãc nội ma sát đất i: góc tạo đờng thẳng đứng qua tâm trợt O v đờng thẳng nối O với điểm đặt lực Wi (điểm cung trợt thứ (i) ) (2) Ci : Lực dính tác dụng mặt trợt mảnh thứ (i) Ci = ci li (73-6) Trong ®ã: ci: c−êng ®é lùc dÝnh cung trợt mảnh thứ(i) (3) Ei : áp lực tác dụng từ hai mảnh phía bên mảnh thứ (i) Vì giả thiết lực giã mảnh v ngợc chiều nên triệt tiêu nhau, có nghĩa l E1 = E2 * Hệ số ổn định đợc tính theo c«ng thøc sau: n ⎛ n ⎞ ⎜ ∑ Ci + ∑ Fi ⎟.R K = ⎝ i =1 n i =1 ⎠ = ⎛ ⎞ ⎜ ∑ Ti ⎟.R ⎝ i =1 ⎠ n K= ∑ c l i =1 i n n ∑ Ci + ∑ Ni tgϕ i =1 ∑T i =1 + γ b.tgϕ ∑ hi cos α i i =1 n γ b.∑ hi sin α i i n n i (73-7) i =1 n = c.L + γ b.tgϕ ∑ hi cos α i i =1 i =1 n γ b.∑ hi sin α i i =1 Trong ®ã: c : cờng độ lực dính (khi mái đất đồng nhÊt) n L : Tỉng chiỊu dμi cung tr−ỵt cđa tất mảnh L = l i i =1 (73-8) Chơng : ổn định bờ dốc học đất Bi ổn định mái đất rời I mái đất rời đồng 1.Hệ số ổn định trờng hợp mái đất nớc ngầm F N T W Trong trờng hợp mái đất rời, tính ổn định mái đất dợc định ổn định hạt đất mặt mái đất Hình 7-7 : Sơ đồ xác định hệ số ổn định K cho mái đất rời Xét điều kiện cân phân tố đất mặt mái đất Gọi: - W : trọng lợng phân tố đất - : góc nội ma sát đất - : góc mái đất so với phơng nằm ngang Phân lực W thnh thnh phần: N : thnh phần pháp tuyến ặ sinh lực ma sát F ặ chống trợt T : thnh phần tiếp tuyến ặ gây trợt Các trị số lực đợc tính theo công thức sau: N = W cos β (74-1a) F = N tgϕ = W cos β tgϕ T = W sin β (74-1b) (74-1c) Hệ số ổn định đợc tính theo công thøc: K= Luc.chong.truot Luc.gay.truot K= F N tgϕ W cos β tgϕ tgϕ = = = T T W sin tg (74-2) Chơng : ổn định bờ dốc học đất Nh vậy, ổn định mái đất rời không phụ thuộc vo chiều cao mái đất, m phụ thuộc vo giá trị gãc m¸i dèc (β) vμ gãc néi ma s¸t cđa ®Êt (ϕ) - Khi β = ϕ th× K = : mái đất trạng thái cân giới hạn - Khi < K > : mái đất ổn định - Khi > K < : mái đất ổn định Hệ số ổn định trờng hợp mái đất có n−íc ngÇm K = γ dn tg ϕ tg ϕ = α (γ dn + γ n )tg β t tg β t (74-3) Trong ®ã: α= γ dn (γ dn + γ n ) ≈ : NÕu cho giá trị K hai biểu thức (74-2) = (74-3) ta đợc: tg t = tg (74-4) Nh vËy tõ biĨu thøc (74-4) ta thÊy r»ng ¸p lùc thuỷ động có tác dụng lm nhỏ gấp đôi góc mái ổn định đất so với trờng hợp áp lực thuỷ động Chơng : ổn định bờ dốc học đất Bi Vấn đề chung ổn định bờ dốc II nguyên nhân chung lm ổn định bờ dốc Các nguyên nhân chung dẫn đến tợng ổn định bờ dốc gồm yếu tố lm giảm yếu cờng độ liên kết kiến trúc, giảm yếu sức chống trợt (chống cắt) đất đá v yếu tố lm tăng khối lợng thân chúng, tăng lực gây trợt (lực cắt) Đó thờng l 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 v yếu tố hoạt động ngời lm biến đổi điều kiện thiên nhiên vốn có Các nguyên nhân lm giảm yếu cờng độ đất đá a) Các nguyên nhân thuộc chất đất đá Đất đá thuộc loại yếu, dễ phong hoá, dễ hoá mềm gặp nớc nh đất sét, đá phiến sét, loại đá macma v trầm tích bị phong hoá mạnh, loại đất đá có kết cấu rời rạcCác đá bị c nát, bị phá huỷ kiến tạo, đá có cấu tạo phân lớp v cấu tạo xen kẽ lớp yếu, nằm dốc phái ngoi sờn dốc dễ gây trợt lở b) Các yếu tố thúc đẩy trình phong hoá v 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 v trình trao đổi ion cđa ®Êt sÐt còng cã thĨ dÉn ®Õn hËu nh Khi bị khô hạn đất sét nứt nẻ, đá phiến sét bị vỡ vụn v nớc cμng dƠ thÊm vμo chóng qua khe nøt - N−íc ngầm ho tan v mang thnh phần dễ ho tan có đất đá (nh muối cacbonat, sunfat, clorua); nớc dới đất ho tan đá vôi tạo nên hang động Karst (nói chung, nớc ngầm l nguyên nhân chủ yếu gây trợt, sụt lở) cơ học đất Chơng : ổn định bờ dốc c) Các nguyên nhân điều kiện địa hình, địa mạo - Độ dốc sờn mái dốc cng lớn, mặt sờn dốc cng trơ trụi, cỏ đất đá cng dễ bị xói mòn, dễ bị phong hoá, sờn dốc mái dốc cng dễ ổn định Các nguyên nhân tăng lực gây trợt (lực cắt) a) Các nguyên nhân lm tăng tải trọng sờn dốc - Nớc mặt v nớc ngầm thấm đầy lỗ rỗng đất đá - Đất đá trợt, sụt lở từ phía xuống tích lại sờn dốc - Đổ đất đá đo sờn dốc - Đắp đờng xây dựng công trình khác sờn dốc, l sờn tích tụ đá mảnh b) Các nguyên nhân gây phá hoại chân sờn dốc - 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 v 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, lm tăng áp lực thuỷ động, giảm áp lực ngang nới dới chân dốc - Xây dựng đo, kênh, mỏ đá, thùng đấu c) Các nguyên nhân gây chấn động đất đá - Động đất - Nổ khai thác đá xây dựng đờng Khi xem nguyên nhân nói cần ý - Có nguyên nhân tiềm tng v có nguyên nhân gaya phá hoại đột biến Do trình phá hoại (trợt., sụt lở, trôi) gồm trình tiềm tng v trình đột biến kể từ phát sinh nguyên nhân hậu cuối Những nguyên nhân tiềm tng nhiều khó phát v khó có biện pháp loại trừ Tuy nhiên, để có biện pháp phòng chống thích hợp học đất Chơng : ổn định bờ dốc cần trọng nghiên cứu, điều tra nguyên nhân đột biến, m tuỳ theo ý nghiã công trình đờng cần xem xét, xử lý nguyên nhân tiếm tng cách thích đáng Các tợng phá hoại cng có khả gây hậu nặng cng cần sâu điều tra nghiên cứu kỹ nguyên nhân gây chúng - Các tợng trợt, sụt lở v trôi thờng phát sinh v phát triển tổng hợp nhieuè nguyên nhân, nhiều nhân tố tác dơng, rÊt hiÕm thÊy mét tr−êng hỵp nμo chØ nguyên nhân gây Thực tế, có nguyên nhân lại l 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 v trôi thờng có nét khác nhau, dẫn đến phơng thức v trình di động đất đá sờn dốc khác nh Đây l quan hệ nguyên nhân v tợng, việc phân loại tợng tách rời việc phân tích nguyên nhân để tới biện pháp phòng chống thích hợp III biện pháp phòng chống ổn định bờ dốc Các biện pháp thoát nớc mặt, nớc ngầm v hạn chế đến mức tối đa ảnh hởng xấu nớc nh: - Xây dựng hệ thống chắn thoát nớc ngầm theo nguyên tắc tầng lọc ngợc; - San lấp kẽ nứt, lm v đầm nén chặt chẽ bề mặt sờn dốc để hạn chế thấm nớc - Gia cố bề mặt v đặc biệt l gia cố chân dốc để chống xói Mục đích biện pháp xử lý nớc mặt l: ắ Không cho nớc từ phía sờn dốc chảy vo vùng trợt, chặn v đa nớc mặt chảy ngoi phạm vi cần trì ổn định ắ Thoát nhanh nớc ma vùng trợt, hạn chế đến mức thấp lợng ma thấm vo khối trợt v lm khô khối trợt Các biện pháp chống đỡ kè chân dốc, kè vai đờng với kiểu tờng chắn khác : - 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) cơ học đất Chơng : ổn định bờ dốc Các biện pháp nhằm giảm tải trọng phía đỉnh sờn dốc v tăng khối lợng phía dới chân dốc : Giảm tải phía sờn dốcl đo bỏ phần khối lợng đất đá phạm vi khối trợt cho có lợi mặt cân tĩnh học, để nhờ giảm lực gây trợt v tăng hệ số ổn định Muốn phải giảm chỗ, nh biết, đo đất tuỳ tiện v không chỗ, nh biết, đo đatá tuỳ tiện v không chỗ sờn dốc trợt dẫn đến kết ngợc lại: lm chân, giảm sức chống đỡ đỡ, dẫn đến hậu tai hại Do đó, biện pháp ny thờng đợc áp dụng điều kiện sau: - Khối trợt có mặt trợt không sâu; mặt trợt có dạng dốc dới thoải - Phía trên, ngoi phạm vi khối trợt gần tới đỉnh phân thuỷ, thấy rõ vách đá ổn định, tc l khối trợt khả tiếp tục phát triển lên phía - Bạt thoải mái đờng dốc l biện pháp giảm tải, tơng tự nh trên, áp dụng m không phân tích kỹ lợi m gây hậu đáng tiếc Đặc biệt, trờng hợp trợt có mặt trợt rõ rệt v 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 Các biện pháp gia cố bề mặt chống phong hoá v chống sụt lở cục nh: - Xây lát đá bề mặt mái dốc - Trồng cỏ mái dốc, trồng sờn dốc - Xây tờng phßng hé… ... : ổn định bờ dốc học đất Bi ổn định mái đất rời I mái đất rời đồng 1.Hệ số ổn định trờng hợp mái đất nớc ngầm F N T W Trong trờng hợp mái đất rời, tính ổn định mái đất dợc định ổn định hạt đất. .. đất mặt mái đất Hình 7-7 : Sơ đồ xác định hệ số ổn định K cho mái đất rời Xét điều kiện cân phân tố đất mặt mái đất Gọi: - W : trọng lợng phân tố đất - : góc nội ma sát đất - : góc mái đất so... : ổn định bờ dốc học đất Bi ổn định mái đất dính (phơng pháp giả thiết trớc dạng mặt trợt) I nguyên lý Hệ số ổn định d R R C W S L Hình 7-1 : Sơ đồ xác định hệ số ổn định K Để đánh giá ổn định