i
LỜI CẢM ƠN
Xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS Phạm Văn Song, người đã dành nhiều thời
gian hướng dẫn và vạch ra những định hướng khoa học cho luận văn.
Tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Lê Trung Thành, người đã có
nhiều ý kiến đóng góp quan trọng cho luận văn.
Tác giả xin cảm ơn các thầy, cô giáo bộ môn Thủy công , các thầy cô giáo ở khoa
Sau đại học - Trường đại học Thủy Lợi đã tận tình giúp đỡ và truyền đạt kiến thức
trong suốt thời gian tác giả học tập cũng như trong quá trình thực hiện luận văn này.
Tác giả chân thành cám ơn lãnh đạo cùng đồng nghiệp trong công ty cổ phần
Đồng Tiến đã hết sức tạo điều kiện và giúp đỡ tận tình trong suốt thời gian học và
hoàn thành luận văn.
Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Gia đình và những người
thân, đã luôn ủng hộ và động viên tác giả hoàn thành luận văn này.
HCM, ngày tháng năm 2018
Tác giả
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các nội dung và kết
quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, chưa từng được người nào công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
TÁC GIẢ
iii
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ................................................................... 1
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ............................................................................ 3
3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU............................................................................... 3
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................... 3
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ..................................................................................... 4
1.1. TỔNG QUAN TÌNH HÍNH SẠT TRƯỢT ĐÃ XẢY RA TRÊN THẾ GIỚ
VÀ VIỆT NAM ....................................................................................................... 4
1.1.1. Một số sự cố sạt trượt mái đập đã xảy ra trên thế giới. ........................... 4
a. Đập OTAKI ( Nhật Bản). ................................................................................ 4
b. Đập đất Teton (Mỹ). ........................................................................................ 5
1.1.2. Một số sự cố sạt trượt mái đập đã xảy ra ở Việt Nam. ............................. 7
a. Thuỷ điện Buon Kuop ( tỉnh Đắk lắk). ........................................................... 7
b. Thuỷ điện Hủa Na ( tỉnh Nghệ An). ................................................................ 7
c. Thuỷ điện Đắk Mi 4 ( tỉnh Quảng Nam).......................................................... 8
1.2. CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY RA MẤT ỔN ĐINH MÁI ĐÀO. ..................... 8
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ......................... 10
1.3.1. Phương pháp cân bằng giới hạn (LEM) ................................................. 10
1.3.2. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) ................................................... 17
1.3.3. Phương pháp tính toán ổn định mái dốc thường dùng hiện nay ............ 20
1.4. CÁC BIỆN PHÁP ĐẢM BẢO ỔN ĐỊNH HỐ MÓNG TRÀN ...................... 27
1.5. KẾT LUẬN .................................................................................................... 27
CHƯƠNG II. PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH MÁI DỐC .............................................. 29
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ................... 29
2.1.1. Xây dựng lưới phần tử ............................................................................ 29
2.1.2. Xấp xỉ chuyển vị ...................................................................................... 30
2.1.3. Các phương trình cơ bản cho phần tử .................................................... 30
2.1.4. Tính toán chuyển vị ................................................................................. 30
iv
2.1.5. Điều kiện tương thích .............................................................................. 31
2.1.6. Hành vi ứng xử của vật liệu .................................................................... 31
2.1.7. Điều kiện cân bằng cho phần tử ............................................................. 32
2.1.8. Thiết lập phương trình tổng thể cho cả hệ .............................................. 32
2.1.9. Xác định điều kiện biên ........................................................................... 33
2.1.10. Giải phương trình tổng thể ................................................................... 33
2.2. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ................... 33
2.2.1. Mô hình vật liệu ...................................................................................... 35
2.2.2. Mô hình tiếp xúc ...................................................................................... 38
2.3. XÂY DỰNG BÀI TOÁN MẪU ..................................................................... 40
2.3.1. Mô hình nghiên cứu ................................................................................ 40
2.3.2. Kết quả nghiên cứu mô hình ................................................................... 41
2.3.3. Lực kéo huy động T trong neo ................................................................ 45
2.4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NEO ..................................................... 48
2.4.1. Ảnh hưởng của chiều cao mái dốc .......................................................... 48
2.4.2. Ảnh hưởng của độ cứng neo ................................................................... 49
2.4.3. Ảnh hưởng của khoảng cách đặt neo ...................................................... 50
2.4.4. Ảnh hưởng của cường độ đất đắp ........................................................... 51
2.4.5. Ảnh hưởng của chiều dài neo .................................................................. 53
2.4.6. Ảnh hưởng của đất nền ........................................................................... 54
2.5. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC CÓ NEO BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN .......................................................................................... 55
2.5.1. Mặt phá hoại ........................................................................................... 55
2.5.2. Hệ số an toàn .......................................................................................... 56
2.6. KẾT LUẬN .................................................................................................... 62
CHƯƠNG III. ỨNG DỤNG XỬ LÝ CHỐNG SẠT TRƯỢT CHO MÁI ĐÀO
ĐẬP TRÀN THỦY ĐIỆN SÔNG BUNG 2 ........................................................... 64
3.1. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TRÌNH ................................................................... 64
3.2. LỊCH SỬ HIỆN TƯỢNG PHÁ HOẠI MÁI DỐC.......................................... 64
v
3.3. CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ CẦN THỰC HIỆN ............................................... 68
3.3.1. Nguyên nhân trượt lở mái dốc ................................................................ 68
3.3.2. Các giải pháp xử lý cần thực hiện .......................................................... 71
3.4. PHƯƠNG ÁN 1 – ĐÀO KẾT HỢP NEO GIA CỐ GIỮ ỔN ĐỊNH................................ 71
3.5. PHƯƠNG ÁN 2 – ĐÀO TOÀN BỘ KHÔNG NEO GIA CỐ ....................................... 72
3.6. CHỈ TIÊU CƠ LÝ KIẾN NGHỊ TÍNH TOÁN ............................................................ 72
3.7. BẢNG TỔNG HỢP KHỐI LƯỢNG VÀ GIÁ THÀNH CÁC PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ.......... 73
3.8. THIẾT KẾ BẢO VỆ MÁI TALUY ................................................................ 73
3.8.1. Mặt cắt 2-2 .............................................................................................. 74
3.8.2. Mặt cắt 4-4 .............................................................................................. 75
3.8.3. Mặt cắt 6-6 .............................................................................................. 75
3.8.4. Phương pháp tính toán ............................................................................ 76
3.9. CÁC TRƯỜNG HỢP TÍNH TOÁN VÀ TỔ HỢP TÍNH TOÁN .................................... 76
3.9.1. Các trường hợp tính toán ........................................................................ 76
3.9.2. Tổ hợp tính toán ...................................................................................... 76
3.10. HỆ SỐ AN TOÀN ............................................................................................. 77
3.11. THÔNG SỐ THÉP NEO ..................................................................................... 77
3.12. KẾT QUẢ TINH TOAN ..................................................................................... 79
3.12.1. Độ bền ổn định tổng thể mái đào .......................................................... 79
3.13. KẾT LUẬN .................................................................................................. 81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 82
1. NHỮNG KẾT QUẢ ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN VĂN ........................... 82
2. NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI ............................................................... 82
3. KIẾN NGHỊ .................................................................................................. 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 84
PHỤ LỤC TÍNH TOÁN ......................................................................................... 85
vi
THÔNG KÊ HÌNH VẼ
Hình I-1. Sơ đồ cung trượt và lực tác dụng lên thỏi đất thứ i _______________________ 11
Hình I-2. Sơ đồ lực theo PP Fellenius ______________________________________________ 13
Hình I-3. Sơ đồ lực tính toán theo PP Bishop đơn giản _____________________________ 13
Hình I-4. Sơ đồ lực tính toán theo PP Spencer _____________________________________ 14
Hình I-5. Hàm biến thiên của hướng lực tương tác của PP GLE ___________________ 15
Hình I-6. Sơ đồ lực tính toán theo phương pháp Janbu _____________________________ 16
Hình I-7. Sơ đồ lực tính toán theo phương pháp Janbu _____________________________ 19
Hình I-8. Tính toán ổn định nội bộ dốc đắp có neo theo phương pháp “ khối nêm
hai phần”. ___________________________________________________________________________ 23
Hình I-9. Các phương pháp khác nhau để dùng kiểm tra ổn định nội bộ của mái dôc
đắp có neo ___________________________________________________________________________ 25
Hình II-1. Phần tử tam giác biến dạng tuyến tính loại 1 ____________________________ 35
Hình II-2. Phần tử tam giác biến dạng tuyến tính loại 2 ___________________________ 35
Hình II-3. Phần tử tam giác biến dạng khối loại 1 __________________________________ 36
Hình II-4. Phần tử tam giác biến dạng khối loại 2 __________________________________ 36
Hình II-5. Quan hệ ứng suất – biến dạng của mô hình đàn dẻo ____________________ 37
Hình II-6. Mô hình phần tử tiếp xúc phẳng _________________________________________ 38
Hình II-7. Mô hình mái dốc không neo và có neo ___________________________________ 40
Hình II-8. Lưới phần tử của mái dốc có neo ________________________________________ 41
Hình II-9. Các giai đoạn thi công mái dốc có neo có chiều cao Hmax =18m ______ 41
Hình II-10. Phổ mức độ ứng suất đất huy động trong mái dốc cao 18m (%) _______ 42
Hình II-11. Phổ biến dạng góc xy trong mái dốc cao 18m (%) ____________________ 43
Hình II-12. Phổ biến dạng ngang x trong mái dốc cao 18m (%) __________________ 43
Hình II-13. Phổ biến dạng đứng y trong mái dốc cao 18m (%) ____________________ 44
Hình II-14. Phương biến dạng cắt lớn nhất max trong mái dốc ___________________ 44
Hình II-15. Lưới biến dạng mái dốc ________________________________________________ 45
Hình II-16. Vector chuyển vị toàn phần mái dốc cao 18m __________________________ 45
Hình II-17. Phân bố lực kéo huy động dọc theo chiều dài neo thứ nhất ____________ 46
vii
Hình II-18. Thông số mô tả các quan hệ ____________________________________________ 46
Hình II-19. Quan hệ hi/H với Ti/Tmax ______________________________________________ 47
Hình II-20. Quan hệ Di/hi với Ti/Tmax _____________________________________________ 48
Hình II-21. Quan hệ giữa hệ số an toàn Fs, lực kéo Tmax với chiều cao mái dốc __ 49
Hình II-22. Ảnh hưởng của độ cứng neo EA (mái dốc cao 18m) ___________________ 50
Hình II-23. Ảnh hưởng của bước neo b (mái dốc cao 18m) _________________________ 51
Hình II-24. Ảnh hưởng của cường độ đất đắp (mái dốc cao 18m) __________________ 52
Hình II-25. Ảnh hưởng của chiều dài neo L (mái dốc cao 15m) ____________________ 53
Hình II-26. Ảnh hưởng của nền yếu (mái dốc cao 18m) _____________________ 54
Hình II-27. Quan hệ hi/H với Ti/Tmax (trường hợp đất nền tốt) _______________ 55
Hình II-28. Mặt phá hoại của mái dốc cao 18m tính theo phương pháp PTHH ___ 56
Hình II-29. Mặt phá hoại của mái dốc cao 18m tính theo phương pháp CBGH __ 56
Hình II-30. Phân phối lực cắt Tmax dọc theo chiều cao mái để tính Fr1 ________ 58
Hình II-31. Phân phối lực cắt Tmax dọc theo chiều cao mái để tính Fr2 ________ 58
Hình II-32.Quan hệ giữa hệ số an toàn Fs với chiều cao mái dốc H của mái dốc
không neo _________________________________________________________ 59
Hình II-33. Quan hệ giữa hệ số an toàn Fs với chiều cao mái dốc H của mái dốc có
neo ______________________________________________________________ 60
Hình II-34. Quan hệ giữa Ir (%) với chiều cao mái dốc H (m) ________________ 61
Hình II-35. Quan hệ giữa hệ số an toàn Fr1 và Fr2 với chiều cao mái dốc H (m) _ 62
Hình III-1. Hiện trạng sụt lở mái dốc taluy dương _________________________ 68
viii
THỐNG KẾ BẢNG BIỂU
Bảng I-1 Tổng số đại lượng các lực tác dụng lên khối trượt gồm n thỏi đất _____ 12
Bảng II-1. Thông số mô hình vật liệu ____________________________________ 39
Bảng II-2. Kết quả tính toán ổn định theo hai phương pháp __________________ 59
1
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Hiện nay Việt Nam đang là nước đang phát triển, các công trình xây dựng hạ tầng,
giao thông, thủy lợi, dân dụng, thủy điện đang được triển khai xây dựng ở khắp nơi
trên cả nước.
Các công trình thế kỷ có kích thước đồ sộ kéo theo hố móng của chúng cũng có
kích thước rất lớn, từ đó mà yêu cầu về tính ổn đinh mái hố móng là cần thiết để đảm
bảo an toàn thi công.
Công trình thủy điện Sông Bung 2 nằm ở thượng lưu Sông Bung, tỉnh Quảng Nam
thuộc miền Trung Việt Nam. Vị trí của tuyến đập nằm trên địa bàn xã Laêê huyện
Nam Giang tỉnh Quảng Nam, cách thành phố Đà Nẵng theo đường quốc lộ 14D
khoảng 165km về hướng Tây Nam. Tọa độ địa lý tuyến đập dự kiến là 1541’45’’ vĩ
Bắc, 10724’00’’ kinh Đông. Nhà máy nằm trên địa phận xã ZuôiH huyện Nam Giang
tỉnh Quảng Nam, có tọa độ là 107o29’31” kinh Đông; 15o42’57” vĩ Bắc. Nhà máy
nằm trong bậc thang thủy điện thuộc hệ thống sông Vu Gia- Thu Bồn, có công suất lắp
đặt 100 MW, sản lượng điện trung bình hàng năm là 425,57 triệu kWh; các hạng mục
công trình chủ yếu gồm đập chính, đập tràn, cửa nhận nước, hầm nhận nước, tháp điều
áp, đường ống áp lực, nhà máy thủy điện với 2 tổ máy. Khi đi vào vận hành, thủy điện
Sông Bung 2 sẽ cung cấp điện cho hệ thống điện quốc gia và khu vực miền Trung, góp
phần thúc đẩy phát triển cơ sở hạ tầng, phát triển kinh tế tại các bản làng dân tộc thiểu
số miền núi của tỉnh Quảng Nam.
Việc khởi công xây dựng nhà máy thủy điện Sông Bung 2 có ý nghĩa đặc biệt quan
trọng trong việc giải quyết các nhu cầu cấp thiết về điện năng và phát triển kinh tế xã
hội, xóa đói giảm nghèo cho tỉnh Quảng Nam. Nhưng trong quá trình thi công đào hố
móng, công trình đã xuất hiện các vết nứt và xảy ra sạt trượt lớn .
2
Sạt trượt vai phải đập tràn bao gồm 3 khu vực như sau: khu vực 1: cửa vào đập tràn,
khu vực 2: dốc nước đập tràn, khu vực 3: mũi phun hố xói đập tràn. Chi tiết vết nứt tại
các khu vực sạt trượt đập tràn như bên dưới.
3
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Tổng kết, đánh giá hiện trạng khu vực xảy ra sự cố
Xác định nguyên nhân, cơ chế sạt trượt và các nhân tố ảnh hưởng ổn định mái đập.
Đề xuất và chọn phương án thiết kế xử lý và biện pháp thi công hợp lý để đảm bảo
an toàn cho công trình.
3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu mái dốc có neo trên nền tốt với các chiều cao khác nhau. Ứng xử của
đất và neo theo quan hệ đàn – dẻo Mohr-Coloumb.
Lời giải là của bài toán ứng suất tổng, không xét tới áp lực nước lỗ rỗng. Gia tải
ngắn hạn, không xét cố kết.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp thu thập thông tin : Thu thập tài liệu hiện có liên quan đến thiết kế mái
dốc có neo.
Phương pháp nghiên cứu trên mô hình số: Nghiên cứu sử dụng các phần mềm địa
kỹ thuật có khả năng giải quyết các bài toán liên quan đến đất có neo như : Plaxis,
GeoStudio 2007.
4
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN TÌNH HÍNH SẠT TRƯỢT ĐÃ XẢY RA TRÊN THẾ GIỚ VÀ
VIỆT NAM
Trong những thập kỷ gần đây, các dự án công trình thuỷ điện phát triển rất
mạnh mẽ và đã đóng góp một phần rất đáng kể vào sản xuất điện ở Việt Nam. Tuy
nhiên trong quá trình thi công xây dựng và khai thác cũng có một số công trình bị sự
cố sạt trượt mái đào đập tràn làm mất an toàn, ảnh hướng tới chất lượng công trình
cũng như trong quá trình vận hành khai thác của các nhà máy thuỷ điện. Những sự cố
thường xảy ra trong thời gian thi công hay công trình vừa mới xây dựng xong. Nguyên
nhân sự cố chủ yếu là do sạt trượt đất hố móng, tạo mái…
Việc nghiên cứu giải pháp gia cường, xử lý chống sạt trượt cho mái đào sẽ đem
lại nhiều lợi ích lớn. Về kỹ thuật, sẽ làm tăng cường độ cho khối đất (đặc biệt là đối
với khối đất phải gia cố lại sau khi bị sạt lở) dẫn đến đảm bảo mái dốc ổn định trong
các điều kiện tính toán và làm việc. Về kinh tế, sẽ giảm khối lượng đào đắp cho các
công trình, tiết kiệm được chi phí xây dựng, tiết kiệm được vật liệu bảo vệ bề mặt mái
và tiêu thoát nước bề mặt nhanh hơn.
1.1.1. Một số sự cố sạt trượt mái đập đã xảy ra trên thế giới.
a. Đập OTAKI ( Nhật Bản).
Đập được xây dựng trên sông Kino. Chiều dài sông tính đến vị trí xây dựng đập
là 100km.
Diện tích lưu vực tính đến tuyến đập là 258km2.
Nhiệm vụ chủ yếu của hồ là giảm lũ cho khu vực hạ du, phát điện và cấp nước
sinh hoạt.
Đập là trọng thực bằng bê tông truyền thống với 4 khoang tràn xả mặt, 3 cửa
tràn xả sâu.
- Tổng dung tích của lòng hồ 84 triệu m3. Dung tích hữu ích 76 triệu m3.
- Cao trình đỉnh đập +326,0m. Chiều dài đập 315m.
- Cao trình mực nước dâng gia cường + 323,0m.
5
- Cao trình mực nước dâng bình thường là + 321,0m.
- Chiều cao đập tại mặt cắt lớn nhất là H = 100m,
Cũng như nhiều đập lớn khác ở Nhật Bản, khu vực xây dựng đập thường xuất
hiện hiện tượng trượt mái dốc ( landslide). Theo đơn vị quản lý, các sạt lở đó đều phải
xử lý vì lòng hồ rất hẹp và dọc theo suối, rất dễ gây tắc nghẹn dòng chảy và gây hiện
tượng vỡ đập.
Xử lý trượt mái dốc trong lòng hồ tại vị trí cách đập 4km. Kinh phí xử lý theo
thời giá 2009 là 7 tỷ yên (khoảng 70 triệu USD). Vật liệu làm “bệ phản áp” bằng bê
tông RCC.
b. Đập đất Teton (Mỹ).
Đập Teton được xây dựng trên sông Teton, bang Idaho, tây bắc nước Mỹ. Đập
có chiều cao 93m, chiều dài ở đỉnh là 940m, đáy rộng 520m, tạo hồ chứa có dung tích
289 triệu m3.
Đập được khởi công năm 1975 và hoàn thành sau hơn 1 năm. Khi hồ đầy nước,
lũ lớn về và ngày 5/6/1976, đập bị vỡ. 7h30 sáng hôm đó, dòng thấm chảy tràn trên
phần dưới mái hạ lưu bên vai phải. Xe máy được huy động đến để khắc phục nhưng
bất lực. Đập đã bị xói ngầm rất mạnh và bị vỡ lúc 11h30. Đến 20h cùng ngày, hoàn
toàn hết nước trong hồ. Các thị trấn Rexburg, Sugar City, Madison,.. dưới hạ lưu bị
ngập nặng.
6
11 người chết. Thiệt hại lên tới 2 tỷ USD (trong khi chi phí xây dựng đập chỉ
100 triệu USD). Nguyên nhân được xác định là nền rhyolite có nhiều nứt nẻ nhưng
7
khoan phụt không đạt yêu cầu, nước hồ dâng cao tạo thành dòng thấm mạnh, đập bị
xói ngầm nghiêm trọng rồi bị vỡ....
1.1.2. Một số sự cố sạt trượt mái đập đã xảy ra ở Việt Nam.
a. Thuỷ điện Buon Kuop ( tỉnh Đắk lắk).
Nhà máy Thủy điện Buôn Kuốp là một công trình thủy điện của tỉnh Đăk Lăk
được xây dựng trên sông Serepôk. Công trình nằm trong địa phận các xã Hòa Phú
(huyện Cư Jút), Nam Đà (huyện Krông Nô) và Ea Na (huyện Krông Ana).
Công suất : 280 MW,
Đập đồng chất, hmax = 28,5m. + Hồ có dung tích : 45,65 triệu m3.
Cao trình đỉnh đập : + 72,20m. + MNDBT : + 68,60m.
Sửa chữa nâng cấp: năm 2000 2001: Tường nghiêng thượng lưu có chân khay
chống thấm đặt đến nền không thấm, bổ sung gia tải mái hạ lưu. Cải tạo tràn tự do
thành tràn có cửa. Làm cống lấy nước mới thay cống cũ.
b. Thuỷ điện Hủa Na ( tỉnh Nghệ An).
Nhà máy Thủy điện Hủa Na là một công trình thủy điện của tỉnh Nghệ An được
xây dựng trên sông Chu, phía thượng nguồn công trình Cửa Đạt ( Thanh Hoá) . Công
trình nằm trong địa phận xã Đồng Văn, Huyện Quế Phong, Tỉnh Nghệ An. Công suất :
180 MW. Đập đồng chất, hmax = 28,5m. + Hồ có dung tích : 45,65 triệu m3.Cao
trình đỉnh đập : + 72,20m. + MNDBT : + 68,60m.
8
Sửa chữa nâng cấp: năm 2000 2001: Tường nghiêng thượng lưu có chân khay
chống thấm đặt đến nền không thấm, bổ sung gia tải mái hạ lưu. Cải tạo tràn tự do
thành tràn có cửa. Làm cống lấy nước mới thay cống cũ.
c. Thuỷ điện Đắk Mi 4 ( tỉnh Quảng Nam).
Nhà máy Thủy điện Hủa Na là một công trình thủy điện của tỉnh Quảng Nam
được xây dựng trên sông Vu Gia. Công trình nằm trong địa phận huộc xã Phước Xuân,
huyện Phước Sơn, tỉnh Quảng NamCông suất : 190 MW gồm 02 bậc, bậc trên Đak Mi
4a công suất 148MW và bậc dưới Đak Mi 4b công suất 42MW
1.2. CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY RA MẤT ỔN ĐINH MÁI ĐÀO.
Nước ta là một nước thuộc nhóm các nước đang phát triển, vì vậy việc thiết kế, thi
công các công trình xây dựng, giao thông đặc biệt là các công trình thuỷ lợi vẫn còn
9
nhiều vấn đề tồn tại cần phải giải quyết. Việc xử lý chống sạt lở bờ sông cũng không
tránh khỏi những sai sót nhất định trong quá trình khảo sát, thiết kế, thi công, giám sát
công trình.
- Về khảo sát:
Tài liệu khảo sát ở hiện trường là căn cứ quan trọng để thiết kế tính toán công trình
bảo vệ bờ. Sai sót trong công tác khảo sát tất sẽ để lại ẩn hoạ sự cố cho công trình.
Những vấn đề tồn tại trong khảo sát biểu hiện ở các mặt sau đây:
+ Không khảo sát thực địa một cách cẩn trọng tỉ mỉ, mà là lợi dụng một cách cầu
may, sử dụng tài liệu khảo sát của các công trình cũ ở lân cận để thiết kế thi công công
trình, dẫn đến mất độ chính xác của tài liệu.
+ Tài liệu khảo sát không chi tiết, chỉ đưa ra các thông số chung chung.
+ Xử lý số liệu khảo sát của các đơn vị khảo sát có sai số không phát hiện ra.
- Về thiết kế:
+ Các nhà tư vấn thiết kế không đúng chuyên ngành, năng lực thiết kế kém.
+ Thiết kế không có tài liệu khảo sát địa chất, không có điều tra môi trường xung
quanh, không tuân thủ những quy trình quy phạm.
+ Lựa chọn phương án chắn giữ thiếu luận chứng kỹ thuật.
+ Ngoài ra việc áp dụng các công nghệ, phần mềm tiến bộ vào trong quá trình thiết
kế còn hạn chế.
- Về thi công:
+ Nhân lực: Trình độ thi công còn non kém, đội ngũ công nhân chủ yếu là công
nhân chưa được đào tạo qua trường lớp, nếu có chỉ là đào tạo rất sơ lược hoặc vừa làm
vừa đào tạo. Vì vậy dễ dẫn đến sai sót trong quá trình thi công, sản phẩm tạo ra thường
chưa được như mong muốn.
+ Không tuân thủ nghiêm ngặt quy trình thi công.
+ Xử lý không thoả đáng các quan hệ phối hợp với nhau, không coi trọng thông tin.
+ Tuỳ tiện thay đổi thiết kế. Thời gian vận chuyển quản lý không tốt.
+ Không có phương án xử lý tình huống hợp lý khi thi công.
10
- Về giám sát:
+ Giám sát thi công không đủ năng lực như người về hưu, hoặc bị thải hồi, làm việc
kiêm nhiệm; do già yếu thiếu sức khoẻ, hoặc là kinh nghiệm ít, hoặc là bận nhiều việc
khác, hoặc chủ quan, vô trách nhiệm với công việc không thể kịp thời phát hiện vấn
đề, không kịp thời cung cấp thông tin cho chủ công trình, khiến chủ công trình không
kịp thời nắm bắt được tình hình, bỏ qua mất cơ hội đề ra quyết sách.
+ Không kịp thời ngăn cản những hành vi của đơn vị thi công (như không giảm tải
ở phía sau cọc, đào mất phần đất phản áp lực ở phía trong của kết cấu chắn giữ, đào
trước chống sau, đào sâu quá thiết kế, quan trắc không kịp thời,...) từ đó ủ thành mầm
gây ra sự cố sau này.
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC
Phân tích ổn định mái dốc là một công việc rất quan trọng đối với các kỹ sư địa kỹ
thuật. Có rất nhiều phương pháp có thể sử dụng cho công việc này. Một nhiệm vụ cơ
bản của việc phân tích ổn định mái dốc, đó là xác định hệ số an toàn cho mái dốc. Đây
là hệ số để đánh giá công trình ổn định hay mất an toàn. Có rất nhiều phương pháp,
trong đó, hai phương pháp chính thường được sử dụng đó là phương pháp cân bằng
giới hạn (Limit Equilibrium Method – LEM) và phương pháp phân tử hữu hạn (Finite
Element Method-FEM).
1.3.1. Phương pháp cân bằng giới hạn (LEM)
Dựa trên cơ sở giả định trước mặt trượt (mặt trượt có thể là trụ tròn, hỗn hợp hoặc
bất kỳ), coi khối trượt như một cố thể, tiến hành phân tích trạng thái cân bằng tới hạn
của các phân tố đất trên mặt trượt đã giả định trước. Sự ổn định được đánh giá bằng tỷ
số giữa thành phần kháng trượt (lực ma sát, lực dính) huy động trên toàn mặt trượt với
thành phần lực gây trượt (trọng lượng, áp lực nước, áp lực thấm, động đất,...).
Phương pháp cân bằng giới hạn với mặt trượt giả định trước, tính toán dựa trên
nguyên lý chung:
- Chỉ những điểm dọc theo mặt trượt nằm trong trạng thái cân bằng giới hạn, khối
trượt xem như một khối thể.
- Dạng mặt trượt được chọn tuỳ theo từng phương pháp cụ thể.
11
- Dựa trên cơ sở các phương trình cân bằng tĩnh học đối với toàn khối đất và đối với
từng thỏi được phân nhỏ để tìm hệ số an toàn (Fs). Mặt trượt nguy hiểm nhất sẽ là mặt
trượt giả định nào cho hệ số an toàn nhỏ nhất, sẽ tính được bằng cách thử dần.
Phương pháp phân thỏi được dùng phổ biến để tính toán ổn định đập đất và nền đất
từ những năm 1930. Hiện nay đã có nhiều phần mềm tính toán ổn định mái dốc được
lập theo phương pháp phân mảnh như chương trình của Viện kỹ thuật Châu á (AIT),
chương trình Slope/W của Geostudio (Canada).
Hình I-1. Sơ đồ cung trượt và lực tác dụng lên thỏi đất thứ i Xét một thỏi đất được tách ra từ cung trượt tâm O, bán kính R (hình I-13), các lực
tác dụng lên thỏi đất gồm:
- Lực ngoài tác động lên đỉnh thỏi đất Qi;
- Các lực thể tích: Wi (trọng lượng thỏi đất), Fdi (lực động đất tác dụng lên thỏi đất);
- Các lực tương tác giữa các thỏi đất Ei-1, Ei (thành phần lực nằm ngang phía trái và
phải của thỏi đất); Xi-1, Xi (thành phần lực thẳng đứng bên phía trái và phải của thỏi
đất);
- Các phản lực Ni, Ti của đất dưới mặt trượt giả định tác dụng vào đáy thỏi đất.
Ở một trường hợp tính toán cụ thể, về lý thuyết các lực Wi, Fdi, Qi là xác định được
và còn lại các đại lượng chưa xác định được ứng với mỗi thỏi đất theo phương pháp
tính dồn từ thỏi đất ở đỉnh xuống thỏi đất ở chân gồm các lực: Ei, Xi, Ni, Ti (4 đại
lượng) và tham số xác định điểm đặt của Ei, Ni (2 đại lượng).
12
Như vậy trong một bài toán phân tích tính ổn định của mái dốc theo phương pháp
phân thỏi (ví dụ có n thỏi), số lượng các đại lượng chưa biết là (6n – 2) đại lượng
(Bảng I-1)
Bảng I-1 Tổng số đại lượng các lực tác dụng lên khối trượt gồm n thỏi đất
Đại lượng Số đại lượng
Các lực Ei: n-1
n-1 Các lực Xi:
n Các lực Ni:
n Các lực Ti:
n - 1 Tham số điểm đặt của Ei:
n Tham số điểm đặt của Ni:
Hệ số an toàn chung Fs: 1
Cộng 6n - 2
Theo lý thuyết phân thỏi, bài toán tính ổn định mái dốc là bài toán siêu tĩnh (thiếu
2n – 2 phương trình). Do vậy để giải bài toán, phải vận dụng một số thủ thuật: (i) bỏ
lực tương tác giữa các thỏi khi tách riêng thành từng thỏi; (ii) Giả thiết đường tương
tác – quỹ tích của điểm đặt lực tương tác; (iii) Giả thiết góc nghiêng của lực tương tác.
Việc xét đầy đủ lực tương tác giữa các thỏi là yêu cầu phát triển lý thuyết cơ học đất
và nhiều phương pháp tính đã được đề xuất. Trong số các phương pháp này Janbu đã
dùng thủ thuật giả thiết đường đặt lực tương tác, các phương pháp khác như Spencer,
Mogenstern – Price, GLE Canada,..., giả thiết góc nghiêng lực tương tác.
Các phương pháp tính hệ số an toàn ổn định mái dốc theo lý thuyết phân thỏi
Như trên đã phân tích, bài toán tính hệ số an toàn ổn định mái dốc theo lý thuyết
phân thỏi là bài toán siêu tĩnh bậc cao. Hiện nay nhiều nhà khoa học đã đề ra nhiều các
giải khác nhau như: bỏ bớt lực tương tác trên các thỏi đất; giả thiết hướng tác dụng của
lực tương tác; giả thiết vị trí điểm đặt của các lực tương tác trên một đường cong nhất
định,...
1. Các phương pháp bỏ bớt lực
13
a. Phương pháp Fellenius
- Các giả thiết
+ Mặt trượt là mặt trụ tròn tâm 0, bán kính R.
+ Bỏ qua các lực tương tác giữa các thỏi, tức có Ei = Xi = 0 (hình I-14)
+ Điểm đặt của Ni tại trung điểm của đáy thỏi.
- Hệ phương trình cơ bản
+ Cân bằng hình chiếu theo phương vuông góc với
đáy thỏi.
+ Điều kiện Mohr – Coulomb cho hai lực Ni và Ti.
- Nhận xét: Hiện nay phương pháp Fellenius chỉ có
giá trị về mặt lịch sử vì không xét đến lực tương tác Hình I-2. Sơ đồ lực theo PP Fellenius giữa hai thỏi.
b. Phương pháp Bishop đơn giản
- Các giả thiết:
+ Mặt trượt là mặt trụ tròn tâm O, bán kính R.
+ Bỏ qua thành phần đứng (Xi) của lực tương tác (hình I-15)
+ Điểm đặt của Ni trùng với trung điểm của
đáy thỏi.
+ Hệ số huy động Fs là như nhau đối với các
thỏi và coi là hệ số an toàn ổn định.
- Hệ phương trình cơ bản
+ Cân bằng hình chiếu theo phương vuông góc
với đáy thỏi. Hình I-3. Sơ đồ lực tính toán theo PP Bishop đơn giản
+ Cân bằng lực theo phương đứng
+ Điều kiện Mohr – Coulomb cho hai lực Ni và Ti.
14
- Nhận xét: hiện nay, phương pháp Bishop đơn giản vẫn được sử dụng rộng rãi và cho
kết quả khá tin cậy.
2. Các phương pháp dùng giả thiết hướng tác dụng của lực tương tác
a. Phương pháp Spencer
- Giả thiết
+ Mặt trượt trụ tròn, tâm O, bán kính R.
+ Độ nghiêng của lực tương tác không đổi
( ) với Ei-1, Xi-1, Xi, Ei là hai
thành phần của Ri-1 và Ri
+ Điểm đặt N trùng với trung điểm của đáy thỏi
+ Hệ số huy động Fs là như nhau đối với các thỏi và
lấy làm hệ số an toàn ổn định của mái dốc. Hình I-4. Sơ đồ lực tính toán theo PP Spencer
- Hệ phương trình cơ bản
+ Phương trình hình chiếu lên hướng vuông góc với hướng tác dụng của lực tương tác
(1.6) Ri (để loại trừ Ri): Nicos( - ) – Wicos + Tisin( - ) =0
+ Điều kiện bền Mohr - Coulomb: (1.7)
+ Phương trình cân bằng mô men: Trường hợp không có ngoại lực là:
(1.8) M/0 = Wi.xi - Ti.R = 0
- Nhận xét:
+ Trong công thức tính hệ số ổn định, nếu = 0, ta có biểu thức tính Fs trong phương
pháp Bishop đơn giản.
+ Khác với phương pháp Bishop đơn giản hoá (có = 0), theo phương pháp Spencer
trị số Fm nhận trị số như một tham số tính toán cần xác định. Như vậy cần có thêm
một phương trình để xác định . Spencer dùng điều kiện cân bằng của các lực tác dụng
lên khối đất trượt (n thỏi) theo phương song song với phương tác dụng của các lực
tương tác:
15
(1.9) // = Wi.sin - Ni.sin( - ) - Ti.cos( - ) = 0
b. Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát GLE (General Limit Equilibrium):
Phương pháp này được coi là dạng cải tiến của phương pháp Spencer nên được xếp
vào loại phương pháp dùng giả thiết về hướng tác dụng của lực tương tác giữa các
thỏi. Sau đây trình bày phương pháp GLE.
- Giả thiết
+ Mặt trượt dạng trụ tròn, tâm 0, bán kính R.
+ Độ nghiêng của lực tương tác được xác định theo biểu thức , với f(x) là
hàm xác định, được gọi là hàm biến thiên của hướng tác dụng của lực tương tác (hình
I-14).
Hình I-5. Hàm biến thiên của hướng lực tương tác của PP GLE + Hệ số huy động Fs là như nhau đối với các thỏi và lấy là hệ số an toàn ổn định của
mái dốc.
+ Điểm đặt của Ni trùng với trung điểm của đáy thỏi.
Trong phương pháp GLE, hàm f(x) = sinx với 0 x L (0,L là toạ độ hai điểm
chiếu của điểm đỉnh và chân của khối đất trượt lên phương x nằm ngang, là một
hằng số, đóng vai trò tham số của bài toán cần phải tính toán. Phương pháp GLE được
coi là phương pháp cải tiến của phương pháp Spencer về góc nghiêng thay đổi của Q,
nhưng về thuật toán giữa của Spencer và của GLE là như nhau
- Hệ phương trình cơ bản:
16
+ Chiếu các lực tác dụng vào thỏi theo phương đứng:
(1.10) y = Wi + (Xi-1 - Xi) - Ni.cos - Ti.sin = 0
+ Phương trình trạng thái: (1.11)
(1.12) + Phương trình cân bằng mô men: M/0 = Wi.x - Ti.R = 0
- Chiếu các lực tác dụng vào khối đất trượt (gồm n thỏi) theo phương ngang và coi các
lực tương tác giữa các thỏi là nội lực:
(1.13) Fx = Ni.sin - Ti.cos = 0
- Nhận xét: Phương pháp này chưa tĩnh định được hệ phương trình cơ bản, phải giải
bằng cách tính thử dần, quá trình tính toán thử dần là rất dài và phức tạp, nếu như
người sử dụng thiếu kinh nghiệm khi tính toán, bài toán có thể sẽ không hội tụ
3 Các phương pháp dùng giả thiết điểm đặt của lực tương tác
a. Phương pháp Janbu tổng quát
- Giả thiết:
+ Mặt trượt dạng trụ tròn, tâm 0, bán kính R
+ Hệ số huy động Fs là như nhau đối với các thỏi.
+ Các điểm đặt của các lực tương tác giữa các thỏi nằm trên một đường tương tác
+ Điểm đặt của lực N ở giữa đáy thỏi.
Hình I-6. Sơ đồ lực tính toán theo phương pháp Janbu
- Các phương trình cơ bản:
17
+ Từ các điều kiện cân bằng của thỏi theo phương đứng có:
(1.14) Wi + Xi-1 – Xi – Nicosi - Ti.sini = 0
+ Từ các điều kiện cân bằng của thỏi theo phương ngang có:
(1.15) Ei-1 – Ei + Ti.sini - Ni.cosi = 0
+ Từ các điều kiện cân bằng Momen lấy với trung điểm của đáy mỗi thỏi có:
(1.16)
(1.17) + Phương trình trạng thái:
- Nhận xét: Phương pháp Janbu tổng quát, có hệ 5 phương trình chứa 6 đại lượng cần
tìm: Ei, Xi, hi, Ni, Ti, Fs. Bài toán là siêu tĩnh. Để giải được bài toán, Janbu giả thiết
đường tương tác, tức giả thiết các đại lượng hi.
Theo nghiên cứu của G.Fredlund [13] thì phương pháp Janbu tổng quát đẹp về mặt lý
thuyết nhưng khó có lời giải thực tế vì bài toán rất khó hội tụ với giả thiết một đường
tương tác lực.
b. Phương pháp Janbu đơn giản hóa: Khác với phương pháp Janbu tổng quát, phương
pháp Janbu đơn giản hóa chấp nhận sơ đồ lực của Bishop (tức bỏ thành phần lực tương
tác tiếp tuyến với mặt phân thỏi) nhưng vẫn đảm bảo hệ lực đồng quy và đa giác lực
khép kín.
Để làm chính xác hóa trị số hệ số an toàn tính được theo các bước tính toán như đã nêu
ở phương pháp Janbu tổng quát với Xi = 0; hệ số an toàn được hiệu chỉnh bằng hệ số f0
xác định theo biểu đồ.
(1.18) F = f0F(Xi = 0)
Trong đó: fo là hệ số xác định theo biểu đồ phụ thuộc tỷ số B/C của mái dốc.
F(Xi = 0) – trị số an toàn tính toán.
1.3.2. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)
Khác với LEM, các phương pháp số cho phép phân tích bài toán mái dốc một cách
linh hoạt hơn cả về phương diện hình học của mái dốc cũng như tính dị hướng và ứng
18
xử phi tuyến của vật liệu. Các phương pháp số đã và đang được đưa ra, thiết lập, hoàn
thiện và áp dụng vào tính toán phân tích bài toán địa kỹ thuật nói chung và bài toán ổn
định mái dốc nói riêng. Nổi bật lên trong phương pháp số, có thể nói đến phương pháp
phần tử hữu hạn (FEM).
Dựa trên cơ sở phân tích ứng suất trong toàn miền của công trình. Dùng các thuyết
bền như: Morh - Coulomb, Hill-Tresca, Nises-Shleiker,..., kiểm tra ổn định cục bộ tại
mỗi điểm trong toàn miền. Công trình sẽ mất ổn định tổng thể khi tập hợp các điểm
cục bộ bị mất ổn định làm thành một mặt liên tục.
Theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), hệ số an toàn được xác định theo
phương pháp triết giảm cường độ kháng cắt. Theo phương pháp này, các thông số
cường độ của đất được giảm dần cho tới khi mô hình mái dốc mất ổn định. Hệ số an
toàn chính là tỷ số giữa cường độ kháng cắt của đất và cường độ kháng cắt tối thiểu
mà tại đó mái dốc ổn định. Hay nói cách khác, hệ số an toàn là hệ số mà cường độ
kháng cắt của đất cần phải giảm để mái dốc đạt tới trạng thái tới hạn.
Phương pháp triết giảm cường độ kháng cắt :
Xét một diện tích đơn vị (ví dụ 1m2) trong khối đất nghiêng góc α đang ở trạng thái
cân bằng bền, chịu tác dụng của lực cắt τ (kN/m2), lực nén vuông góc σ (kN/m2) và áp
lực nước lỗ rỗng là u (kN/m2), (hình dưới). Có thể tính được cường độ chống cắt trên
đơn vị diện tích ấy theo chỉ tiêu chông cắt của đất theo định luật Coulomb.
(1.19)
Đối với một loại đất, đường Coulomb không đổi do các trị số φ’ và c’ không đổi.
τ
19
σ
1
Ðường Coulomb
α
τ τ 0 u
2
Vòng Mohr ứng suất
τ
φ '
φ ' m
c '
σ
c ' m
σ1
σ3
σ
Δ σ
Hình I-7. Sơ đồ lực tính toán theo phương pháp Janbu
Vì khối đất được thiết kế ở trạng thái cân bằng bền nên trên một đơn vị diện tích có
bất đẳng thức:
(1.20) τ < τ0
Để diện tích đơn vị đang xét là một mảnh của mặt trượt thực (tức ở trạng thái cân
bằng giới hạn), người ta thường giữ nguyên trạng thái ứng suất (tức là giữ nguyên trị
số τ) và giảm trị số của các chỉ tiêu cường độ chông cắt của đất, ví dụ giảm trị số τ0
xuống số τ0m, tức giảm độ nghiêng của đường Coulomb. Như vậy sẽ có công thức
tính lực chống cắt huy động của đất:
(1.21)
Trong đó F là trị số lơn hơn hoặc bằng 1, được gọi là hệ số huy động cường độ
chống cắt của đất, trị số của F được xác định theo công thức:
(1.22)
τ0m gọi là phần cường độ chống cắt của đất đã được huy động đủ đảm bảo sự câm
bằng giới hạn, được gọi là cường độ chông cắt huy động và F là hệ số huy động cường
độ chống cắt của đất, được coi là hệ số an toàn ổn định trượt tại nơi đang xét.
Theo định luật Coulomb, cường độ chống cắt trên diện tích đơn vị tính theo công
thức (1.21).
20
Theo quan điểm này, trị số τ0 tính theo công thức này được coi là cường độ chống
cắt vốn có của đất và đường Coulomb là đường (1) trong hình I-19 trên.
Có thể viết:
(1.23)
Trong đó: , là trị số giảm nhỏ của hệ số ma sát và lực
dính của đất ứng với hệ số an toàn F và đường cong Coulomb của đất là đường số (2)
trong hình 2-2.
Như vậy, khi F=1 (tức đã huy động hết khả năng chống cắt của đất) thì đất tại nơi
đang xét thực sự ở trạng thái câng bằng giới hạn, diện tích đơn vị đang xét thuộc về
mặt trượt thực. Đường Coulomb (2) trùng với đường Coulomb (1).
Nếu F >1 thì diện tích đơn vị đang xét còn ở trạng thái cân bằng bền với hệ số an
toàn F tính theo công thức:
với τ0m= τ ( 1.24)
τ,σ là hai thành phần ứng suất (ứng suất tiếp và ứng suất pháp) trên diện tích đơn vị
đang xét.
Trên mặt trượt giả thiết (tức mặt trượt nguy hiểm nhất) cường độ chống cắt của đất
được huy động ở các mức độ khác nhau và thường xác định trị số trung bình của mức
độ huy động (F) tại các nơi trên mặt trượt giả định để làm hệ số an toàn ổn định trượt
của mái đất ứng với mặt trượt đang xét.
Như vậy, theo quan điểm này, hệ số an toàn được định nghĩa như là một hệ số mà
với nó sức chịu cắt của đất bị giảm để chịu khối lượng đất trong trạng thái cân bằng
dọc theo toàn bộ mặt trượt đã chọn.
1.3.3. Phương pháp tính toán ổn định mái dốc thường dùng hiện nay
1.3.3.1. Phương pháp “Phân tích khối nêm hai phần”
Phương pháp này giả thiết xảy ra một mặt phá hoại gãy khúc (hình I-20).
21
Giả thiết này đã đưa ra được một mặt phá hoại tiêu biểu và hợp lí đối với việc tính
toán các mái dốc [13], [14]. Đó là một sự mở rộng logic của phương pháp khối nêm
Culông vốn áp dụng cho tường thẳng đứng. Khi góc mặt tường từ thẳng đứng giảm
dần thì cơ chế cân bằng giới hạn sẽ xảy ra trên một khối nêm.
Khi phân tích ổn định cần phải thử với các mặt phá hoại khác nhau, rồi đánh giá sự
cân bằng của khối đất phía trên các mặt phá hoại đã thiết đó. Có thể thực hiện việc
phân tích ổn định như vậy bằng một cách nào đó tùy thuộc vào điều kiện được giả thiết
tại mặt ranh giới giữa hai phần của khối đất hình nêm. Trên mặt phá hoại giới hạn có
thể xảy ra sẽ sinh ra lực gây trượt lớn nhất và để bảo đảm trạng thái giới hạn không
xảy ra thì phải chống lại được lực gây xáo động lớn nhất đó (hình I-20a).
Đối với trường hợp mái dốc có lớp đắp cuối cùng nằm ngang thì lực trượt có thể
được xem là hợp lực của các áp lực đất phía hông; lực này tăng dần gần đúng theo tỉ lệ
bậc nhất với độ sâu trong phạm vi chiều cao mái dốc (hình I-20b). Như vậy, lực gây
trượt trong trường hợp một mái dốc không chịu thêm ngoại tải sẽ được xác định theo
biểu thức sau:
.H2 ( 1.25) Rh = 0,5ffs.K.
Trong đó:
Rh – lực gây trượt đối với 1m dài dọc theo mặt mái dốc (hình I-20a);
Ffs – hệ số riêng phần áp dụng cho trọng lượng đơn vị của đất
K – tỉ số giữa ứng suất (áp lực) nằm ngang và ứng suất thẳng đứng;
- trọng lượng đơn vị của đất;
H – chiều cao của mái dốc theo phương thẳng đứng.
Khoảng cách thực tế tối thiểu của neo theo phương thẳng đứng phải trùng với bội số
bề dày lớp đắp (thông thường bề dày lớp đắp được quyết định bởi điều kiện đầm nén).
Bề dày lớp đắp điển hình thường trong khoảng 150mm đến 300mm. Khoảng cách neo
tối đa theo phương thẳng đứng phải hạn chế dưới 1,0m. Yêu cầu này xuất phát từ lí do
thực tế vì nếu bố trí khoảng cách các lớp neo quá lớn sẽ khó bảo đảm sự ổn định của
mặt mái dốc. Trong phạm vi giữa trị số trên và trị số dưới nói trên, để đề phòng neo
22
khỏi bị kéo đứt, khoảng cách neo theo phương thẳng đứng nên dùng Svj có thể được
xác định theo biểu thức sau (hình I-20b);
( 1.26)
Trong đó:
Svj – khoảng cách neo theo phương thẳng đứng ở mức j trong mái dốc;
Tj – lực kéo lớn nhất trong neo cho 1m dài ở mức j trong mái dốc;
Ffs – hệ số tải trọng riêng phần áp dụng cho trọng lượng đơn vị của đất
Hj – chiều cao đắp trên mức j trong mái dốc (hình I-20b);
Fq – hệ số tải trọng riêng phần áp dụng cho ngoại tải
s – ngoại tải do tĩnh và hoạt tải.
a)
b)
23
Hình I-8. Tính toán ổn định nội bộ dốc đắp có neo theo phương pháp “ khối nêm hai phần”.
a. Phương pháp “ khối nêm hai phần” dùng cho mái dốc có neo b. Sự phân bố ứng suất gần đúng ứng suất gây trượt mỗi lớp neo
Để đảm bảo không xảy ra trạng thái giới hạn phá hoại về neo bám gây tuột neo,
chiều dài neo neo Lej phải thỏa mãn điều kiện sau (hình I-20b)
(1.27)
Trong đó:
Lẹj – chiều dài neo bám neo tối thiểu tính toán ở mức j trong mái dốc;
fp – hệ số riêng phần để khống chế hiện tượng neo bị kéo tuột
fn – hệ số riêng phần để khống chế hậu quả kinh tế do việc công trình bị pháp hoại gây
ra
fms – hệ số riêng phần áp dụng cho tg ’p và c’
s – ngoại tải (chỉ do tĩnh tải);
α' – hệ số tương tác biểu thị mối liên hệ giữa sức neo bám neo và đất với tg ’p;
- hệ số dính bám biểu thị liên hệ giữa sức neo bám đất – neo với c’;
c’ – lực dính hữu hiệu của vật liệu đắp.
1.3.3.2. Phương pháp phân mảnh để tính toán mặt trượt tròn
Phương pháp phân mảnh đã được lập ra để phân tích, tính toán ổn định các mái dốc
có neo hoặc không có neo đối với phần lớn các trường hợp mái dốc thông thường có
dạng hình học khác nhau và có nhiều tầng đất khác nhau (hình I-21). Trong trường hợp
mái dốc có neo, người ta giả thiết rằng lực tương tác giữa các mảnh được bỏ qua vì sự
có mặt của neo có ảnh hưởng phức tạp đến các lực đó và vì sự có mặt của neo khiến
cho khối đất trung ít bị xáo động. Người ta cũng giả thiết rằng các lớp neo đều nằm
ngang và chỉ được xét đến ở những chỗ chúng giao cắt với mặt trượt giả thiết tại mỗi
mảnh riêng. Mômen chống trượt do các tác động tổ hợp của đất và neo phải không
24
được nhỏ hơn mômen gây trượt do trọng lượng đất gây ra. Các mômen này đều phải
được tính với tâm quay của khối trượt.
Để cân bằng, cần phải thỏa mãn điều kiện:
(1.28) MD ≤ MRS + MRR
Trong đó:
MD – mômen gây trượt do trọng lượng bản thân của đất và do ngoại tải;
MRS – mômen chống trượt do cường độ chống cắt của đất;
MRR - mômen chống trượt do sự có mặt của neo trong mái dốc.
Theo hình I-21a, có:
(1.29)
Và:
(1.30)
Và: (1.31)
Trong đó:
Ffs - hệ số riêng phần áp dụng cho trọng lượng đơn vị của đất
xj - ngoại tải tác dụng lên mảnh i;
Fq - hệ số tải trọng riêng phần áp dụng cho ngoại tải
c’ - lực dính của vật liệu đắp được xác định trong điều kiện ứng suất hữu hiệu;
ui – áp lực nước lỗ rỗng tác dụng trên mặt trượt ở mảnh i;
’p – góc kháng cắt lớn nhất của vật liệu đắp;
fms – các hệ số vật liệu riêng phần áp dụng cho tg ’p và c’
- hệ số hiệu chỉnh mômen; = 1,25 khi tính theo trạng thái giới hạn phá hoại và
25
= 1,0 khi tính theo trạng thái giới hạn sử dụng.
a) b) Hình I-9. Các phương pháp khác nhau để dùng kiểm tra ổn định nội bộ của mái dôc đắp có neo
a) Tính toán trượt tròn theo phương pháp phân mảnh.
b) Tính toán theo mặt trượt xoắn ốc logarit.
Để bảo đảm không đạt đến trạng thái giới hạn về phá hoại tuột neo, chiều dài neo neo
bám cột có thể được xác định bằng cách sử dụng biểu thức ở 1.3.3.1
1.3.3.3. Tính toán theo mặt trượt xoắn ốc logarit
Tính toán cũng dựa trên mặt trượt có dạng xoắn ốc logarit (hình I-21b). Việc tính
toán cân bằng mômen với mặt trượt như vậy đã được Bridle và Barr nghiên cứu ở [12],
được Leschinsky và Boedecker nghiên cứu ở [16].
Việc sử dụng phương pháp mặt trượt xoắn ốc logarit đã đơn giản hóa được trình tự
tính toán; ví dụ như có thể xác định trực tiếp ra trị số mômen gây trượt. Mômen chống
trượt do sự có mặt của neo phải lớn hơn hoặc bằng mômen gây mất cân bằng, tức là:
(1.32) MRR ≥ Mo
Trong đó:
MRR – mômen chống trượt do sự có mặt của neo trong mái dốc;
Mo – mômen gây trượt của mái dốc.
Sử dụng hình I-21b có:
26
(1.33)
Trong đó:
ffs - hệ số riêng phần áp dụng cho trọng lượng đơn vị của đất
si - ngoại tải tác dụng trên mải i;
fq - hệ số tải trọng riêng phần áp dụng cho ngoại tải
ui – áp lực nước lỗ rỗng tác dụng trên mặt truowtj của mảnh i;
- hệ số hiệu chỉnh mômen; = 1,25 khi tính theo trạng thái giới hạn phá hoại và
= 1,0 khi tính theo trạng thái giới hạn sử dụng
1.3.3.4. Nhận xét
Theo lý thuyết phân thỏi, bài toán tính ổn định mái dốc là bài toán siêu tĩnh (thiếu
2n – 2 phương trình). Do đó cần phải bổ sung một số điều kiện để có thể giải bài toán
siêu tĩnh này theo phương pháp phân thỏi. Mặc dù vậy, khi áp dụng phương pháp tính
toán này đối với mái dốc được gia cường bằng neo thì vẫn chưa thật phù hợp. Thật
vậy, các phương pháp phân tích ổn định mái dốc theo phương pháp cân bằng giới hạn
(LEM) hiện nay hoặc là không xét đến lực tương tác ngang hoặc không xét được đầy
đủ lực tương tác giữa các thỏi đất do đó không xét được ảnh hưởng của lực neo đến
trạng thái ứng suất của từng thỏi đất; lực neo của neo chỉ được xét đến thông qua mô
men chống trượt của khối đất trượt.
Phương pháp cân bằng giới hạn chỉ giải quyết tốt bài toán mái dốc có hình dạng
thông thường, mặt trượt tròn, gãy khúc giả thiết dựa trên trạng thái cân bằng giới hạn,
tính toán có xét đến cường độ neo nhưng chưa xét đến môdun đàn hồi E của đất, của
vật liệu gia cường và độ cứng EA của vật liệu gia cường; thì phương pháp PTHH
(FEM) tính toán được cho tất cả các loại mái dốc có hình dạng khác nhau, có địa chất
nền gồm nhiều lớp tính chất phức tạp, hệ số an toàn ổn định được xác định là duy nhất
và mặt trượt duy nhất trên cơ sở xét chuyển vị tại các nút phần tử. Mặt khác, phương
pháp PTHH còn kể đến nhiều ảnh hưởng như môdun đàn hồi của đất nền; môdun đàn
hồi, độ cứng của vật liệu gia cường trong đất.
27
1.4. CÁC BIỆN PHÁP ĐẢM BẢO ỔN ĐỊNH HỐ MÓNG TRÀN
Hạng mục tràn là hạng mục rất quan trọng của công trình thủy lợi- thủy điện.
Không những phải đảm bảo các điều kiện về kết cấu, ổn định hố móng còn phải đảm
bảo khả năng chống thấm tối đa cho hồ chứa, tránh mất nước cũng như giảm gradien
thấm, tránh xảy ra xói ngầm. Chính vì vậy hố móng tràn yêu cầu phải được đào đến
lớp địa chất tốt đảm bảo khả năng chịu lực và chống thấm tương đối tốt, dẫn đến các
hố móng tràn thường có mái dốc có độ chênh cao lớn vì vậy một số biện pháp tăng ổn
định mái dốc phù hợp như sau:
- Đào bạt mái, giảm độ dốc mái, hạ độ cao từng mái dốc bằng cách tạo các cơ.
- Đào bạt mái kết hợp xây dựng tầng phản áp ở chân mái dốc.
- Xây dựng các mái , tường đất có neo.
- …..
Trong các phương án trên mỗi phương án có ưu nhược điểm riêng xong với mái dốc
tràn có độ cao lớn thì biện pháp đào bạt mái và giật cơ yêu cầu một khối lượng đào,
bạt mái rất lớn dẫn đến không mang lại hiệu quả kinh tế cao và kéo dài thời gian thi
công.
Biện pháp bạt mái kết hợp tầng phản áp tại chân mái dốc yêu cầu mặt bằng rộng
đủ để xây dựng tầng phản áp đủ dài để đảm bảo ổn định, trong trường hợp trường hợp
đập tràn thủy điện song bung 2 do địa thế chật hẹp, tràn nằm tự trên vai đồi nên
phương án chưa phải phương án tối ưu.
Phương án mái đất có neo là phương án có ưu điểm hơn cả do khối lượng đào bạt
mái không quá lớn, diện tích chiếm chỗ để xử lý mái dốc không yêu cầu phải rộng,
phù hợp với diện tích công trình.
1.5. KẾT LUẬN
Nội dung chương I về mặt cơ sở lý tuyết đã nêu rõ tính toán ổn đinh mái dốc, phân
tích cơ chế phá hoại của mái dốc ; các phương pháp tính toán ổn định mái dốc có gia
cường. Hai phương pháp chủ yếu là phương pháp cân bằng giới hạn và phương pháp
phần tử hữu hạn.
28
Về mặt nguyên nhân gây mất ổn định mái dốc đã nêu ra một số nguyên nhân chủ
quan và khách quan dẫn đến gây mất ổn định mái dốc và đề xuất một số giải pháp
công trình để nâng cao trạng thái ổn định mái dốc.
29
CHƯƠNG II. PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH MÁI DỐC
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để nghiên cứu hành vi của một
mái dốc có neo đặt trên nền cứng. Phân tích phần tử hữu hạn cho phép xem xét đầy đủ
các đặc điểm về cường độ- biến dạng của các thành phần mái dốc: đất và neo. Không
giống như các phương pháp cân bằng giới hạn - không thể cung cấp một người kỹ sư
các thông tin về biến dạng, ứng suất huy động trong mái dốc hoặc cường độ neo phát
triển trong mỗi lớp neo, phương pháp phần tử hữu hạn cung cấp các thông số đó thông
qua đường đặc tính ứng suất -biến dạng của đất và đường tải trọng – biến dạng của
neo.
Các bước cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn bao gồm:
- Chia lưới phần tử hữu hạn.
- Chuyển vị tại các nút là các ẩn số
- Chuyển vị bên trong phần tử nội suy từ các giá trị của chuyển vị nút
- Thiết lập mô hình vật liệu (quan hệ giữa ứng suất và biến dạng)
- Điều kiện biên về chuyển vị, lực
- Giải hệ phương trình tổng thể cân bằng lực cho kết quả chuyển vị nút
- Tính các đại lượng khác (biến dạng, ứng suất)
Chi tiết thực hiện giải bài tóan PTHH như sau.
2.1.1. Xây dựng lưới phần tử
Bước đầu tiên của việc phân tích bằng FEM là xây dựng các yếu tố hình học và xác
định điều kiện biên của cơ hệ. Sau đó, cơ hệ liên tục được thay thế bằng lưới phần tử
hữu hạn tương đương bao gồm các phần nhỏ gọi là phần tử hữu hạn. Thông thường
với các bài toán 2 chiều chúng có dạng tam giác hoặc tứ giác. Đặc trưng hình học của
chúng được định nghĩa bằng toạ độ tại các điểm nút. Các phần tử hữu hạn được nối với
nhau tại các nút trên cạnh.
30
2.1.2. Xấp xỉ chuyển vị
Trong FEM với mô hình chuyển vị, biến số chính là trường chuyển vị cho khắp
phạm vi bài toán. Ứng suất – Biến dạng được xem xét như là các biến số thứ cấp và nó
được tính toán từ trường các véc tơ chuyển vị. Với bài toán biến dạng phẳng hoặc đối
xứng trục, trường véc tơ chuyển vị được nhận dạng bằng 2 biến chuyển vị tổng quát u
và v trong hệ tọa độ Đề các.
Giả thiết được đưa về dạng các biến chuyển vị cho toàn bộ phạm vi bài toán. Độ
chính xác của việc phân tích bằng FEM phụ thuộc vào kích thước của phần tử và việc
xấp xỉ các chuyển vị. Điều này được đặt ra nhằm mục đích thỏa mãn các điều kiện
tương thích. Giả thiết được đặt ra cho mỗi phần tử là các thành phần chuyển vị có dạng
đa thức. Các thành phần chuyển vị được biểu diễn qua các giá trị chuyển vị nút :
(2.1)
Trong đó:
[N] ma trận hàm dạng
i là chỉ số nút của phần tử
Bằng việc mô tả các chuyển vị chưa biết trong phần tử là một hàm số của các chuyển
vị nút, vấn đề xác định trường chuyển vị cho khắp lưới phần tử hữu hạn được quy về
việc xác định các thành phần chuyển vị của các nút. Các ẩn số chuyển vị được xem
như là bậc tự do chưa biết.
2.1.3. Các phương trình cơ bản cho phần tử
Các phương trình cơ bản cho phần tử quy định ứng xử biến dạng cho mỗi phần tử.
Chúng kết hợp điều kiện tương thích, điều kiện cân bằng và ứng xử cơ bản.
2.1.4. Tính toán chuyển vị
Các chuyển vị được tính toán bởi phương trình sau:
d= (2.2)
31
2.1.5. Điều kiện tương thích
Để thỏa mãn điều kiện tương thích, các biến dạng tương ứng với các chuyển vị ở
trên cho bài toán biến dạng phẳng được tính toán bởi:
; (2.3) x = ; y = ; xy=
z =yz =xz =0.
Kết hợp (2.2) và (2.3) cho phép mô tả các biến dạng qua chuyển vị của các nút. Đối
với 1 phần tử có n nút:
(2.4)
Trong đó ma trận [B] chứa các đạo hàm trong hệ toạ độ chung của các hàm dạng
Ni/x, Ni/y, và ma trận dn chứa các chuyển vị nút của phần tử. Đạo hàm trong
hệ toạ độ chung của các hàm dạng được tính toán từ các đạo hàm trong hệ toạ độ riêng
như sau:
(2.5)
[J] là định thức của ma trận Jacobian, được xác định bởi hệ thức:
[J] = (2.6)
2.1.6. Hành vi ứng xử của vật liệu
Đối với vật liệu đàn hồi tuyến tính và đẳng hướng, hành vi ứng xử cơ bản được biểu
thị bằng hệ thức:
=[D (2.7)
Trong đó: [D] là ma trận đàn hồi cơ bản
Trong bài toán biến dạng phẳng (2.7) được viết như sau:
32
(2.8)
Với : là hệ số poission
E là mô đun đàn hồi Young
2.1.7. Điều kiện cân bằng cho phần tử
Phương trình cơ bản cho phần tử được xác định dựa trên nguyên lý năng lượng tối
thiểu. Nguyên lý này phát biểu rằng, vị trí cân bằng tĩnh của một phần tử chịu tải trọng
là vị trí mà nó có tổng năng lượng thấp nhất. Để cân bằng đạt được thì:
E = W-L=0 (2.9)
Trong đó: W là năng lượng biến dạng
L là công của tải trọng tác dụng
Như vậy phưong trình cân bằng cho mỗi phần tử có dạng:
(2.10) KEdn =RE
Trong đó:
là ma trận cứng của phần tử [KE] =
là ma trận vector tải trọng [RE] =
F là vector trọng lượng bản thân
T là véc tơ tải trọng trên biên
V. là thể tích của phần tử
S. là phần của biên nơi mà tải trọng trên biên tác dụng
2.1.8. Thiết lập phương trình tổng thể cho cả hệ
Bước tiếp theo là kết hợp các phương trình cân bằng cho từng phần tử riêng biệt vào
1 hệ phương trình tổng thể:
(2.11) KGdnG = RG
33
Trong đó:
[KG] ma trận độ cứng của cả hệ
dnG là véctơ các chuyển vị nút của cả lưới phần tử hữu hạn
RG là véctơ tải trọng tác dụng, gồm trọng lượng bản thân , lực trên biên.
Ma trận độ cứng của cả hệ nhận được từ việc kết hợp các ma trận độ cứng của từng
phần tử riêng biệt bằng phương pháp kết hợp độ cứng trực tiếp (Potts và Zdavkovic
1999).
2.1.9. Xác định điều kiện biên
Bước cuối cùng trong việc thiết lập hệ phương trình tổng quát là việc áp dụng các
điều kiện biên. Chúng bao gồm các điều kiện biên về chuyển vị và tải trọng.
Điều kiện biên về tải trọng ảnh hưởng đến vế phải của phương trình tổng quát
RG. Ví dụ cho điều kiện biên về tải trọng là tải trọng tập trung theo đường ứng suất
trên biên, biến thiên áp lực nước lỗ rỗng, trọng lượng bản thân, lực tác dụng từ việc
. Điều kiện biên này cần được
thêm hoặc bớt phần tử.
Điều kiện biên về chuyển vị ảnh hưởng đến dnG
thực hiện nhằm đảm bảo không xảy ra sự xoay hoặc chuyển dịch của toàn bộ lưới phần
tử hữu hạn.
2.1.10. Giải phương trình tổng thể
Với việc thiết lập ma trận độ cứng của cả hệ và các điều kiện biên ở phần trên, bước
cuối cùng là giải hệ phương trình tổng thể. Thông thường, hệ phương trình nhận được
có rất nhiều phương trình với số ẩn tương ứng. Có nhiều thuật toán để giải hệ phương
trình nhiều ẩn số. Thuật toán được Plaxis sử dụng khi lập trình là thuật toán Gauss.
2.2. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC
Trong luận văn này tác giả không đi vào nghiên cứu lý thuyết phương pháp PTHH
mà chỉ áp dụng phần mềm tính toán trên cơ sở lý thuyết của phương pháp này trong
việc tính toán ổn định mái dốc . Hiện nay trên thị trường xuất hiện nhiều phần mềm
tính toán địa kỹ thuật có chức năng tính toán gia cố đất như: Sted ver 6.0, Talren 97
ver 2.1, ReSlope ver 4.0, GeoStudio (2004, 2007, 2012), Plaxis (ver 7.2, ver 8.5 )...
34
Tuy nhiên, để rút ngắn được thời gian và công sức và điều quan trọng là lựa chọn tối
ưu của kết cấu thì nên sử dụng các phần mềm có tính tổng hợp cho công trình đất có
neo gia cố. Ở Việt Nam hiện nay, phần mềm được sử dụng có chức năng tính toán gia
cố tổng hợp nhất đó là phần mềm Plaxis của Hà Lan, Geo studio của Canada. Vì vậy
trong chương này, tác giả sử dụng phần mềm Plaxis để tính toán theo phương pháp
phần tử hữu hạn (FEM) và phần mềm GeoStudio 2007 tính toán theo phương pháp cân
bằng giới hạn (LEM) để làm cơ sở đánh giá.
Chương trình PLAXIS đã được xây dựng và đưa vào sử dụng bởi trường tổng hợp
Deft Hà Lan. Do đặc tính ưu việt của chương trình nên đến nay đã có hơn 1500 công
ty trên thế giới sử dụng cho việc tính toán, thiết kế phục vụ công tác nghiên cứu và xây
dựng. Chương trình PLAXIS được xây dựng trên cơ sở của phương pháp chuyển vị, sử
dụng phần tử hữu hạn tam giác 6 nút hoặc 15 nút để tính toán.
Trình tự các bước mô hình hóa trong Plaxis:
- Lập mô hình hình học.
- Gán các điều kiện biên.
- Gán các đặc trưng vật liệu.
- Tạo lưới phần tử.
- Xác định điều kiện ban đầu.
- Xác định các giai đoạn tính toán.
- Tính toán.
- Hiển thị kết quả phân tích.
Sử dụng phần mềm này cho ta các kết quả thiết kế cuối cùng bao gồm:
- Biến dạng: biến dạng tổng U, biến dạng theo các phương Ux, Uy ;
- Ứng suất: ứng suất tổng , ứng suất theo các trục x , y, điểm và vùng
chảy dẻo (nếu có);
- Xác định các thông số của neo: cường độ kéo phân bố trên neo Tkeo, phương
chiều dịch chuyển của neo theo các phương, biến dạng ;
- Hệ số ổn định công trình;
35
- Tính toán các thông số trên có thể được thực hiện theo mặt cắt thiết kế, từng
giai đoạn thi công và khi xây dựng xong.
2.2.1. Mô hình vật liệu
2.2.1.1. Đất đắp
a. Phần tử :
Trong phương pháp PTHH môi trường đất được mô phỏng dưới dạng các phần tử
cho cả bài toán thoát nước (drained), không thoát nước (undrained) và bài toán cố kết
(consolidation). Tuỳ theo mô hình tính và điều kiện của bài toán mà có thể sử dụng các
dạng phần tử khác nhau cũng như sử dụng hỗn hợp các phần tử.
Đối với mô hình tính phẳng, đất được mô tả dưới các dạng phần tử sau:
- Phần tử tam giác đơn giản (3 nút).
- Phần tử tam giác biến dạng tuyến tính loại 1: Phần tử có 6 nút, 12 bậc tự do dùng
cho bài toán thoát nước và không thoát nước (hình II-1).
- Phần tử tam giác biến dạng tuyến tính loại 2: Phần tử có 6 nút, 15 bậc tự do dùng
cho bài toán cố kết (hình II-2).
O : ẩn chuyển vị ; D : ẩn áp lực nước
Hình II-1. Phần tử tam giác biến dạng tuyến tính loại 1 Hình II-2. Phần tử tam giác biến dạng tuyến tính loại 2
- Phần tử tam giác biến dạng khối loại 1: Phần tử có 15 nút, 30 bậc tự do dùng cho
bài toán thoát nước và không thoát nước (hình II-3).
36
- Phần tử tam giác biến dạng khối loại 2: Phần tử có 22 nút, 40 bậc tự do dùng cho
bài toán cố kết (hình II-4).
Hình II-3. Phần tử tam giác biến dạng khối loại 1 Hình II-4. Phần tử tam giác biến dạng khối loại 2
b. Mô hình ứng suất- biến dạng:
Đất là loại vật liệu có ứng xử phức tạp dưới điều kiện ứng suất, quan hệ giữa ứng
suất – biến dạng thường có dạng phi tuyến. Trong cơ học đất và địa kỹ thuật, để
nghiên cứu ứng xử của đất thường sử dụng quan hệ giữa ứng suất và biến dạng và đặc
điểm cơ chế phá hoại của đất. Các quan hệ này được biểu diễn bằng các công thức
toán. Đó là các mô hình biểu diễn ứng xử của vật liệu (đất). Việc xây dựng các mô
hình đất nhằm phản ánh sát thực nhất ứng xử của đất theo điều tải trọng. Thực tế đã có
rất nhiều mô hình khác nhau. Mỗi mô hình có ưu điểm và hạn chế của nó về bản chất
lý thuyết mô hình, về khả năng xác định các thông số cho mô hình từ các thí nghiệm
để phục vụ tính toán và cả khả năng đưa các mô hình đó vào các công cụ tính/các phần
mềm máy tính.
Mô hình đàn dẻo Mohr-Colomb thường được sử dụng rộng rãi trong các bài toán
địa kỹ thuật. Quan hệ ứng suất-biến dạng được thể hiện trong hình II-8. Cơ chế làm
việc của mô hình này cũng khá đơn giản, nếu ứng suất trong môi trường không vượt
quá mức giới hạn đã cho thì ứng suất và biến dạng tuân theo định luật Hooke (môi
37
trường là đàn hồi). Khi ứng suất đạt đến mức giới hạn thì khi đó biến dạng tăng còn
ứng suất không thay đổi. Mô hình đàn-dẻo lý tưởng là mô hình tương đối phù hợp với
điều kiện làm việc của đất nền, nó không đòi hỏi các thí nghiệm địa kỹ thuật trong
phòng quá phức tạp, có thể được đáp ứng ở các phòng thí nghiệm cơ đất thông thường.
Mô hình này có thể áp dụng phù hợp cho hầu hết các loại đất. Do đó trong nghiên cứu
này lựa chọn mô hình đàn dẻo để mô hình hóa đất đắp cho mái dốc .
Mô hình Mohr-Colomb gồm 5 thông số : E-môdun đàn hồi, - hệ số poisson, c- lực
dính đơn vị, - góc ma sát trong, - góc giãn nở. Thông số của mô hình vật liệu sử
dụng trong nghiên cứu được thể hiện trong bảng II-1.
Hình II-5. Quan hệ ứng suất – biến dạng của mô hình đàn dẻo
2.2.1.2. Neo gia cường
a. Phần tử:
Xem neo trong nghiên cứu này khi làm việc chỉ có lực kéo dọc trục nên phần tử neo
gia cường trong mái dốc được mô hình hóa bằng phần tử thanh có các đặc trưng đàn
hồi là độ cứng kéo .
Khi những phần tử đất có 6 nút được dùng thì mỗi phần tử thanh được định nghĩa
bởi 3 nút, phần tử thanh 5 nút được sử dụng kết hợp với phần tử đất 15 nút.
b. Mô hình ứng suất- biến dạng:
Xem ứng xử của neo trong nghiên cứu này là đàn hồi tuyến tính. Do chấp nhận tính
đàn hồi tuyến tính nên có thể áp dụng định luật Hooke. Thông số của mô hình là EA-
độ cứng đàn hồi (theo trục) của vật liệu.
Trong nghiên cứu này sử dụng lưới địa kỹ thuật 1 trục để làm neo gia cường cho
mái dốc. Lưới một trục là loại vật liệu có sức kéo theo hướng dọc trục, thường dùng để
38
gia cố mái dốc, tường chắn. Thông số của loại vật liệu này được thể hiện trong bảng
II-1.
2.2.2. Mô hình tiếp xúc
a. Phần tử:
Phần tử tiếp xúc được sử dụng để mô tả hiện tượng trượt giữa hai vật liệu có sự
khác nhau lớn về độ cứng. Phần tử này có tác dụng điều chỉnh sự tiếp xúc giữa neo và
đất khi làm việc và đảm bảo tính liên tục của mô hình tính. Ví dụ như sự tiếp xúc giữa
lưới địa kỹ thuật và đất. Ứng suất trượt lớn nhất thường giới hạn bởi tiêu chuẩn dẻo
Mohr-Coulomb. Mô hình phần tử tiếp xúc được thể hiện ở hình II-6.
Hình II-6. Mô hình phần tử tiếp xúc phẳng Phần tử tiếp xúc được đặc trưng bởi ứng suất pháp và ứng suất tiếp và hai thành
phần này có quan hệ với biến dạng pháp tuyến và biến dạng trượt như sau :
(2.12)
Trong đó :
(2.13)
D được gọi là ma trận đàn hồi; kn và ks là độ cứng pháp tuyến và tiếp tuyến
Ma trận độ cứng của phần tử tiếp xúc:
(2.14)
39
Trong đó : [B] là ma trận liên hệ giữa biến dạng và chuyển vị; [D] là ma trận đàn
hồi như trên; |J| là định thức ma trận Jacobi và t là chiều dày của phần tử.
Khi chuyển vị của hệ được xác định thì biến dạng cũng được xác định Biểu thức
(2.12) dùng để tính toán xác định ứng suất từ biến dạng.
Ứng suất tiếp lớn nhất có giá trị như sau :
(2.15) = ntan +c
Trong đó : , c là góc ma sát trong và lực dính đơn vị của đất xung quanh.
b. Mô hình ứng suất biến dạng:
Quan hệ ứng suất biến dạng của phần tử tiếp xúc thường được giả thiết là đàn hồi
dẻo lý tưởng Mohr- Coulomb. Đặc trưng cường độ của phần tử tiếp xúc liên quan tới
đặc trưng của phần tử đất. Mọi dữ liệu thiết lập liên quan làm giảm hệ số cường độ của
lớp phân giới (Rinter). Đặc tính của phần tử tiếp xúc được tính từ đặc tính của đất liên
quan đến dữ liệu được thiết lập và làm giảm hệ số cường độ, áp dụng theo công thức:
+ Cinter = Rinter. Csoil
+ taninter = Rinter. tanđất.
Trong đó: Rinter được gọi là hệ số tương tác giữa các môi trường vật liệu và được
xác định thông qua các thí nghiệm. Khi không có thí nghiệm, có thể tham khảo sổ tay
của Plaxis [8] :
+ Tương tác của đất cát/thép Rinter 2/3.
+ Tương tác của đất sét/thép Rinter 0,50.
+ Tương tác của đất cát/bê tông Rinter 1,0 0,80.
+ Tương tác của đất sét/bê tông Rinter 1,0 0,70.
+ Tương tác của đất /lưới địa kỹ thuật Rinter 1.
+ Tương tác của đất /vải địa kỹ thuật Rinter 0,9 0,50.
Bảng II-1. Thông số mô hình vật liệu
Thông số Ký hiệu Chỉ tiêu
Đơn vị tính
1. Đất đắp Mô hình vật liêu đất đắp. Loại vật liệu Mode Type Mohr- Coulomb Drained - -
40
-
E C
Độ
20 20 10000 0.4 33 170 3000 Dung trọng khô Dung trọng tự nhiên Modun đàn hồi vật liệu Hệ số nở hông. Lực dính Góc ma sát trong 2. Neo Độ cứng EA
2.3. XÂY DỰNG BÀI TOÁN MẪU
2.3.1. Mô hình nghiên cứu
Các mô hình mái dốc được phân tích trong nghiên cứu này được minh họa trong
hình II-7. Mái dốc có chiều cao lớn nhất là Hmax = 18m với độ đốc của mái là 1:1. Các
lớp neo được đặt ngang với khoảng cách theo phương đứng mái dốc là 1m. Chiều dài
của mỗi lớp neo được xác định là đủ dài để không làm cho neo tuột khỏi khối đất khi
phát sinh lực kéo trong neo. Đất nền được giả định là nền tốt.
a) Mái dốc không neo b) Mái dốc có neo
Hình II-7. Mô hình mái dốc không neo và có neo Mô hình phân tích trên sẽ được mô hình hóa trong phần mềm Plaxis để nghiên cứu.
Lưới phần tử hữu hạn được minh họa trong hình II-8. Số phần tử trong mô hình trên là
1002 phần tử. Các giai đoạn thi công mái dốc có neo có chiều cao Hmax =18m được
minh họa trong hình II-9.
41
a) Mái dốc không neo b) Mái dốc có neo
Hình II-8. Lưới phần tử của mái dốc có neo
Hình II-9. Các giai đoạn thi công mái dốc có neo có chiều cao Hmax =18m
2.3.2. Kết quả nghiên cứu mô hình
Để đánh giá hiệu quả của việc có neo gia cường trong mái dốc về ứng xử ứng suất-
biến dạng trong mái dốc có neo, thì cũng cần thiết phải hiểu ứng xử trong mái dốc
không có neo. Phần này trình bày các kết quả phân tích ứng suất, biến dạng tại thời
điểm cuối giai đoạn thi công cho mái dốc không neo và có neo với chiều cao lớn nhất
Hmax = 18 m. Kết quả cho chiều cao mái dốc H= 5 m, 10 m và 15 m được thể hiện
trong Phụ lục A.
42
2.3.2.1. Ứng suất
Khi mái dốc có neo, ứng suất trong mái dốc thay đổi rõ rệt. Vì có neo gia cường
thêm nên đất huy động ít ứng suất hơn so với mái không có neo.
a, Mái dốc không neo b, Mái dốc có neo
Hình II-10. Phổ mức độ ứng suất đất huy động trong mái dốc cao 18m (%)
Hình II-10 thể hiện phổ mức độ ứng suất đất huy động trong mái dốc không neo và
có neo tại thời điểm vừa thi công xong. Theo hình II-10 ta thấy với mái dốc không
neo, cường độ đất được huy động nhiều hơn, cụ thể phổ mức độ ứng suất đất huy động
tối đa 100% của mái dốc không neo rộng hơn phổ của mái dốc có neo. Điều này cũng
đã được lý giải ở chương I, khi có neo, ứng suất chính 3 của đất tăng lên 1 lượng 3
do tương tác giữa đất và neo tạo ra. Sự bổ sung này làm giảm độ lệch ứng suất nén của
đất hay cường độ huy động của đất giảm đi. Phổ cường độ huy động này cũng cho
thấy khả năng hình thành một mặt phá hoại đi qua chân mái dốc.
2.3.2.2. Biến dạng
Việc đưa neo vào mái dốc làm thay đổi ứng suất trong mái nên làm giảm các biến
dạng trong mái dốc.
43
a, Mái dốc không neo
b, Mái dốc có neo Hình II-11. Phổ biến dạng góc xy trong mái dốc cao 18m (%) Hình II-11 thể hiện phổ biến dạng góc xy trong mái dốc không neo và có neo với
chiều cao 18m, do có thêm neo biến dạng này giảm đi đáng kể, cụ thể ở mái dốc không
neo biến dạng góc lớn nhất xy = 7,78% còn với mái dốc biến dạng này giảm còn xy =
5,36% . Biến dạng góc lớn nhất xy ở cả 2 mô hình đều xuất hiện ở chân dốc cho thấy
khả năng mặt phá hoại sẽ đi qua điểm này. Kết quả với chiều cao mái dốc 5m, 10m
,15m cũng cho kết quả tương tự.
b, Mái dốc có neo
a, Mái dốc không neo Hình II-12. Phổ biến dạng ngang x trong mái dốc cao 18m (%) Hình II-12 thể hiện phổ biến dạng ngang x của mái dốc cao 18m. Do đưa neo vào
nên biến dạng ngang của mái có neo giảm so với mái không neo, cụ thể là với mái
không neo biến dạng ngang lớn nhất x = 0,707% còn mái dốc có neo x = 0,417%. Ở
hình II-12 ta thấy biến dạng ngang lớn nhất của cả mái không neo và có neo đều xuất
hiện ở vùng giữa mái dốc. Với mái có neo, giá trị này giảm đi do ảnh hưởng của neo
44
đã nêu ở trên. Kết quả với chiều cao mái dốc 5m, 10m, 15m cũng cho kết quả tương
tự.
a, Mái dốc không neo
b, Mái dốc có neo Hình II-13. Phổ biến dạng đứng y trong mái dốc cao 18m (%) Biến dạng đứng y gần như không thay đổi khi đặt thêm neo vào, phổ biến dạng của
đứng y được thể hiện ở hình II-13. Ở cả mái dốc không neo và có neo biến dạng đứng
lớn nhất y = 1,63%. Kết quả với chiều cao mái dốc 5m, 10m ,18m cũng cho kết quả
tương tự.
a, Mái dốc không neo
b, Mái dốc có neo Hình II-14. Phương biến dạng cắt lớn nhất max trong mái dốc Để mái dốc có sức chống trượt lớn nhất từ việc đưa thêm neo vào thì nên đặt neo
theo phương biến dạng cắt lớn nhất max phát sinh trong mái dốc. Hình II-14a thể hiện
mức độ và phương của biến dạng cắt lớn nhất trong mái dốc không neo. Tuy nhiên
theo thực tế thi công, việc đặt neo theo phương của biến dạng cắt lớn nhất sẽ rất khó,
vì vậy thực tiễn vẫn đặt neo theo phương ngang. Và biến dạng cắt lớn nhất max trong
mái dốc có neo vẫn có phương như mái dốc không neo, thể hiện ở hình II-14b.
45
2.3.2.3. Chuyển vị
Hình II-15 và II-16 thể hiện lưới và vector chuyển vị toàn phần tại thời điểm cuối
giai đoạn thi công của mái dốc có neo và không neo. Theo xu hướng của các vector
chuyển vị này có thể phán đoán ra dạng mặt phá hoại của mái dốc giống như một cung
tròn. Ở mái dốc cao 5m cho thấy rất ít chuyển vị trong mái dốc. Chuyển vị bắt đầu
tăng lên khi tăng chiều cao mái dốc, cụ thể có thể thấy ở mô hình mái dốc cao 10m,
15m, 18m. Kết quả tính toán các mái dốc xem phụ lục A.
a, Mái dốc không neo b, Mái dốc có neo
Hình II-15. Lưới biến dạng mái dốc
a, Mái dốc không neo b, Mái dốc có neo
Hình II-16. Vector chuyển vị toàn phần mái dốc cao 18m
2.3.3. Lực kéo huy động T trong neo
Do xem neo trong nghiên cứu này khi làm việc chỉ có lực kéo dọc trục T, vì vậy để
xem xét độ bền của neo cần phải xác định được lực kéo lớn nhất được huy động trong
neo. Trường hợp neo có lực kéo bằng với lực kéo giới hạn của neo, có thể kết luận là
neo đã huy động hết khả năng làm việc. Trong trường hợp lực kéo lớn nhất trong neo
46
nhỏ hơn lực kéo giới hạn của neo thì cần phải bố trí lại neo cho hợp lý hay chọn lại
neo để sử dụng tối đa khả năng làm việc của neo và tiết kiệm vật liệu. Đấy là bài toán
tối ưu, tuy nhiên trong phạm vi của luận văn, tác giả chỉ nghiên cứu các yếu tố ảnh
hưởng đến neo để đưa ra các đánh giá về neo góp phần hiểu rõ vai trò của neo trong
tính toán ổn định mái dốc có neo.
Hình II-17 thể hiện sự phân bố lực kéo được huy động dọc theo chiều dài của neo
tại vị trí neo thứ nhất. Sự phát triển của lực kéo ở đầu bên trái của neo là do không có
chuyển vị tương đối giữa đất và neo, tương tự như việc neo bị ngàm với đất. Còn đầu
phía bên phải, lực neo bằng “0” do bên trái là mái dốc, có sự chuyển dịch, biến dạng,
coi như là biên tự do.
Hình II-17. Phân bố lực kéo huy động dọc theo chiều dài neo thứ nhất Quan sát sự phân bố lực trong các neo ta thấy có hai mối quan hệ sau. Hình II-18
thể hiện các thông số để mô tả các mối quan hệ.
Hình II-18. Thông số mô tả các quan hệ
47
Thứ nhất có một mối tương quan giữa tỷ số hi/H- đại diện cho mức độ tăng cường
neo so với chiều cao mái dốc, và Ti/Tmax – đại diện cho lực kéo neo lớn nhất trong
một neo so với kéo lớn nhất được huy động trong tất cả các neo. Hình II-19 thể hiện
mối quan hệ hi/H và Ti/Tmax cho mái dốc cao 5m, 10m, 15m, 18m. Qua phân tích 4
mô hình mái dốc với 4 chiều cao khác nhau, biểu đồ này cho thấy ở bất kể chiều cao
nào, quan hệ mô tả phân bố kéo lớn nhất của neo dọc theo chiều cao mái dốc là không
đổi. Và lực kéo được huy động nhiều nhất ở vị trí 0,4 lần chiều cao H.
Hình II-19. Quan hệ hi/H với Ti/Tmax Mối quan hệ thứ hai liên quan đến vị trí và giá trị lớn nhất của lực kéo trong một lớp
neo. Hình II-20 thể hiện sự tương quan giữa Di/hi và Ti/Tmax. Biểu đồ này cho thấy vị
trí của lực kéo lớn nhất trong neo không phụ thuộc vào chiều cao của mái dốc mà phụ
thuộc vào vị trí đặt neo.
48
Hình II-20. Quan hệ Di/hi với Ti/Tmax Các mối quan hệ thể hiện trong hình II-19, II-20 cung cấp cho ta đầy đủ thông tin để
xác định vị trí và độ lớn của lực kéo lớn nhất được huy động trong mỗi neo. Bằng cách
cho Tmax bằng cường độ kéo cho phép của neo thì lực kéo ở mỗi lớp neo tại vị trí giao
với mặt trượt hoàn toàn có thể xác định, khi phá hoại tại vị trí giao giữa mặt phá hoại
và neo có lực kéo lớn nhất. Một khi tỷ số Ti/Tmax được xác định thì vị trí của Ti dọc
theo mỗi lớp neo sẽ được xác định nhờ sử dụng biểu đồ hình II-19 . Điều này cung cấp
các thông tin cần thiết để thực hiện phân tích ổn định hoặc để xác định chiều dài của
mỗi lớp neo.
2.4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NEO
Như đã phân tích chương I, việc đưa neo vào làm neo đất sẽ cải thiện sức kháng cắt
của đất, tức sẽ làm tăng thêm ổn định cho mái dốc có neo. Do vậy, cần nắm vững quan
hệ của các yếu tố, đánh giá tác động qua lại và ảnh hưởng của chúng tới neo.
2.4.1. Ảnh hưởng của chiều cao mái dốc
Như ở mục 2.3.3 đã phân tích, phân bố lực kéo huy động lớn nhất trong neo không
ảnh hưởng bởi chiều cao mái dốc, được thể hiện ở hình II-19. Qua phân tích 4 mô hình
mái dốc có chiều cao thay đổi (H= 5, 10, 15, 18 m) thấy lực kéo huy động nhiều nhất ở
vị trí 0,4 lần chiều cao mái dốc.
Và với mái dốc càng cao thì càng dễ mất ổn định nên hệ số an toàn sẽ giảm dần khi
tăng chiều cao mái dốc. Khi đó để duy trì ổn định cho mái dốc thì lực kéo trong neo
49
được huy động nhiều khi chiều cao mái dốc lớn. Tức là mối quan hệ giữa lực kéo huy
động trong neo và hệ số an toàn là tỷ lệ nghịch với nhau. Cụ thể được thể hiện ở hình
II-21.
Hình II-21. Quan hệ giữa hệ số an toàn Fs, lực kéo Tmax với chiều cao mái dốc 2.4.2. Ảnh hưởng của độ cứng neo
Qua một số tài liệu nghiên cứu cho thấy độ cứng EA và cường độ neo (lực kéo)
Tmax quan hệ với nhau thông qua đặc trưng biến dạng đàn hồi giới hạn như sau:
(2.16)
Theo quan hệ này với một biến dạng nhất định thì độ cứng tăng thì cường độ neo
cũng tăng. Do vậy cần xem xét ảnh hưởng của độ cứng neo EA tới cường độ Tmax của
neo. Để nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng neo EA, thay đổi độ cứng từ 500 KN/m÷
6000 KN/m với mái dốc cao 18m, ta thiết lập được mối quan hệ như hình II-22.
50
a) Tmax huy động theo chiều cao mái b) Quan hệ giữa hệ số an toàn Fs với độ cứng EA
Hình II-22. Ảnh hưởng của độ cứng neo EA (mái dốc cao 18m) Nhận thấy cường độ neo EA tăng thì lực kéo Tmax cũng tăng đúng như mối quan
hệ trên, và giá trị Tmax trong các lớp neo dọc chiều cao luôn đạt giá trị lớn nhất tại
0,4H, H- chiều cao mái dốc khi neo có độ cứng từ 2000 KN/m; những giá trị độ cứng
nhỏ hơn 2000 KN/m thì giá trị Tmax đạt được ở gần chân dốc. Điều này là do neo có
độ cứng nhỏ, khi đưa vào mái dốc không phát huy hết khả năng của neo. Biến dạng cắt
tăng dần, và phát triển từ chân dốc. Biến dạng của đất tăng kéo theo biến dạng của neo
tăng, dẫn đến lực kéo của neo được huy động nhiều ở neo gần chân dốc.
Ở biều đồ thứ hai cho quan hệ giữa độ cứng và hệ số an toàn, độ cứng neo tăng thì
hệ số an toàn của mái dốc tăng nhanh ở những giá trị đầu, còn những giá trị sau tăng
chậm và có xu hướng ổn định ở một giá trị. Điều này có thể hiểu là do độ cứng càng
lớn thì lực kéo được huy động gần như tối đa giá trị cường độ tới hạn của nó, và khi đó
yếu tố chống trượt do neo gây ra không tăng lên nữa như vậy hệ số an toàn ổn định của
mái có neo cũng không tăng lên.
2.4.3. Ảnh hưởng của khoảng cách đặt neo
Để xem xét ảnh hưởng của khoảng cách đặt neo tới lực kéo Tmax được huy động
trong neo, ta tăng khoảng cách đặt neo theo chiều cao mái dốc từ 0,5m đến 4m. Khi
khoảng cách giữa các neo giảm thì lực kéo Tmax huy động trong neo cũng giảm theo,
51
có thể nhìn thấy trong hình . Bước neo giảm tức số lượng neo tăng lên, ví dụ như
bước neo của mái dốc cao 18m là 0,5m thì số neo trong mái là 35 neo, khi bước neo là
1m thì số lượng là 17 neo . . . Số lượng neo tăng thì lực kéo huy động sẽ được dàn đều
ra mỗi neo, làm cho lực kéo huy động trong mỗi neo giảm đi. Khi số lượng neo giảm
thì điều ngược lại xảy ra.
a) Tmax huy động theo chiều cao mái b) Quan hệ giữa hệ số an toàn Fs, lực kéo Tmax với bước neo b
Hình II-23. Ảnh hưởng của bước neo b (mái dốc cao 18m) Ở hình II-23 ta thấy khi bước neo tăng thì hệ số an toàn giảm, ngược với quan hệ
bước neo với lực kéo Tmax của neo. Điểm giao của 2 đường quan hệ trên cho ta bước
neo hợp lý- đó là bước neo cho hệ số an toàn cao đồng thời huy động được lực kéo
trong neo nhiều nhất. Biểu đồ trên cho thấy điểm giao tại điểm có bước neo xấp xỉ 1m
là bước neo hợp lý của mái dốc có chiều cao 10m. Với các mái dốc có chiều cao khác
5m, 15m, 18m cũng cho điều tương tự.
2.4.4. Ảnh hưởng của cường độ đất đắp
Việc đưa neo vào đất như trên đã phân tích sẽ làm thay đổi trạng thái ứng suất, biến
dạng của đất trong mái dốc. Theo một số tài liệu nghiên cứu thì việc đưa neo vào sẽ
làm cho cường độ của đất: lực dính và góc ma sát trong của đất tăng lên. Để xem xét
vấn đề này ta nghiên cứu thay đổi cường độ của đất như sau: lực dính C thay đổi từ 10
KN/m2 đến 30 KN/m2, với mỗi giá trị lực dính C ta thay đổi góc ma sát trong từ 10o
÷ 40 o. Kết quả được thể hiện ở hình II-23 là của mái dốc có chiều cao 18m.
52
a) Tmax huy động theo chiều cao mái b) Tmax huy động theo chiều cao mái
c) Tmax huy động theo chiều cao mái d) Quan hệ giữ hệ số an toàn Fs, lực kéo Tmax với cường độ đất
Hình II-24. Ảnh hưởng của cường độ đất đắp (mái dốc cao 18m) Theo hình II-24 a,b,c nhận thấy lực cắt lớn nhất Tmax huy động trong neo luôn đạt
giá trị lớn nhất ở khoảng 0,4 lần chiều cao mái dốc. Điều này lại khẳng định lần nữa độ
chính xác của biều đồ quan hệ hi/H và Ti/Tmax . Tuy nhiên ở các hình trên vẫn xuất
hiện dạng khác, đó là Tmax đạt giá trị lớn nhất tại điểm gần chân dốc ở những giá trị
cường độ : lực dính c và góc ma sát trong của đất nhỏ. Điều này là do cường độ của
đất nhỏ không đủ để đảm bảo ổn định cho mái dốc có chiều cao lớn, khi đó xuất hiện
các vùng phá hoại, cường độ của đất được huy động để chống lại sự mất ổn định mái
do ứng suất cắt gây ra.
Hình II-24d thể hiện quan hệ giữa hệ số an toàn, lực kéo huy động Tmax trong neo
với cường độ của đất. Ta thấy với cùng một lực dính c, thay đổi góc ma sát trong :
tăng thì hệ số an toàn Fs tăng, điều này là đúng đắn do cường độ chống cắt của đất
tăng lên thì hệ số an toàn sẽ tăng lên. Tuy nhiên khi tăng góc ma sát trong với lực
dính c không đổi thì lực kéo huy động Tmax lại giảm, ta thấy quan hệ này với quan hệ
53
của hệ số an toàn là đối nghịch nhau. Khi tăng góc ma sát trong thì hệ số ổn định
tăng, mái đất càng ổn định nên vai trò của neo không có nhiều, cụ thể là lực kéo Tmax
huy động ít để duy trì ổn định cho mái dốc.Với biểu đồ quan hệ này ta cũng dễ dàng
tìm được cường độ đất hay chỉ tiêu lực dính c, góc ma sát trong hợp lý, làm cơ sở để
lựa chọn loại đất đắp có chỉ tiêu phù hợp.
2.4.5. Ảnh hưởng của chiều dài neo
Lực kéo của neo được huy động dọc theo chiều dài neo, do vậy chiều dài của neo sẽ
ảnh hưởng nhất định tới sự phân bố và vị trí của lực kéo huy động lớn nhất Tmax dọc
theo neo. Để hiểu rõ ảnh hưởng của neo tới lực kéo Tmax với mỗi mô hình mái dốc có
chiều cao khác nhau ta thay đổi chiều dài của mỗi lớp neo. Hình II-25 thể hiện kết quả
của mái dốc có chiều cao 15m.
a) Tmax huy động theo chiều cao mái b) Quan hệ giữa hệ số an toàn Fs, lực kéo Tmax với chiều dài neo L
Hình II-25. Ảnh hưởng của chiều dài neo L (mái dốc cao 15m) Cả 4 mô hình mái dốc có chiều cao khác nhau đều cho thấy giá trị Tmax vẫn đạt ở
chiều cao bằng 0,4 lần chiều cao của mái dốc. Với mái dốc có chiều cao lớn: 15m,
18m khi chiều dài neo bằng (15, 20, 25, 30) m (lớn hơn 0,8 lần chiều cao mái dốc) thì
giá trị Tmax tăng lên không nhiều. Còn với mái dốc thấp hơn thì chiều dài neo phải
lớn hơn 1 lần chiều cao mái dốc thì giá trị Tmax gần như không đổi, do lực kéo được
huy động tốt đa gần tới giá trị tới hạn.
54
Khi chiều dài neo tăng thì hệ số an toàn tăng nhưng với chiều dài neo lớn hơn 2 lần
chiều cao mái dốc thì hệ số an toàn tăng chậm và dần đạt tới giá trị không đổi khi
chiều dài neo rất lớn.
2.4.6. Ảnh hưởng của đất nền
Bài toán mẫu nghiên cứu ở những phần trên là xét với đất nền tốt (độ cứng lớn) Để
xem xét ảnh hưởng của đất nền tới sự phân bố lực kéo Tmax huy động trong mỗi neo
ta thay đổi loại đất nền, xét với đất nền yếu hơn. Nghiên cứu với 4 chiều cao mái dốc
khác nhau (H=5, 10, 15, 18m). Ta thấy cũng tương tự như nền tốt, với nền yếu hơn,
quan hệ giữa lực kéo Tmax trong neo và hệ số an toàn là tỷ lệ nghịch như trên hình II-
26b. Tuy nhiên giá trị lực Tmax trong trường hợp đất yếu hơn có giá trị lớn hơn trường
hợp đất nền tốt, và ngược lại hệ số an toàn thì nhỏ hơn.
a) Tmax huy động theo chiều cao mái b) Quan hệ giữa hệ số an toàn Fs, lực kéo Tmax với chiều cao mái dốc
Hình II-26. Ảnh hưởng của nền yếu (mái dốc cao 18m) Hình II-26a thể hiện phân bố lực kéo huy động Tmax trong neo theo chiều cao mái
dốc. Theo hình này ta thấy với chiều cao mái dốc lớn (H=15,18m), phân bố lực kéo
giống với trường hợp đất nền tốt nhưng vị trí lực kéo huy động nhiều nhất là 0,2 lần
chiều cao mái dốc. Còn với chiều cao mái dốc thấp hơn (H=5,10m), phân bố lực kéo
gần như tuyến tính, có giá trị lớn nhất ở đáy khác với trường hợp đất tốt có dạng phân
bố như hình II-27.
55
Hình II-27. Quan hệ hi/H với Ti/Tmax (trường hợp đất nền tốt) Như vậy với nền đất yếu và chiều cao mái dốc thấp, phân bố lực kéo huy động
Tmax có dạng tuyến tính và giá trị lớn nhất ở đáy. Đó cũng là quan điểm khi tính toán
neo ở các phương pháp cân bằng giới hạn. Tuy nhiên khi nghiên cứu bằng phương
pháp phần tử hữu hạn ta thấy với đất nền tốt và chiều cao mái dốc lớn thì phân bố lực
kéo Tmax lại không tuân theo quy luật tuyến tính mà có giá trị lớn nhất trong khoảng
(0,2÷0,4) lần chiều cao mái dốc.
2.5. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC CÓ NEO BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN
Để nghiên cứu đánh giá ổn định mái dốc có neo bằng phương pháp phần tử hữu hạn
ta so sánh kết quả với phương pháp cân bằng giới hạn để có cơ sở tin cậy đối chiếu, do
phương pháp cân bằng giới hạn là phương pháp được dùng phổ biến hiện nay để tính
toán ổn định mái dốc. Và để hiểu rõ về ảnh hưởng của neo tới sự ổn định của mái dốc
có neo ta cũng so sánh kết quả với mái không đặt neo.
2.5.1. Mặt phá hoại
Như đã phân tích ứng suất – biến dạng của mái dốc có neo ở phần 2.2.4, ta thấy cơ
chế phá hoại sẽ xuất phát từ điểm chân dốc. Sau đó phát triển ra vùng phá hoại, vùng
này như đã nói có dạng hình cung tròn. Thật vậy, tính toán bằng phương pháp phần tử
hữu hạn ở giai đoạn mô hình mái dốc bị phá hoại ta sẽ thấy rõ vùng phá hoại và dạng
56
vùng này là một cung tròn như hình II-28. Điều này phù hợp với giả định mặt phá hoại
của phương pháp cân bằng giới hạn là dạng cung tròn, hình II-29.
Hình II-28. Mặt phá hoại của mái dốc cao 18m tính theo phương pháp PTHH
Hình II-29. Mặt phá hoại của mái dốc cao 18m tính theo phương pháp CBGH
2.5.2. Hệ số an toàn
57
So sánh hai phương pháp cân bằng giới hạn và phần tử hữu hạn sẽ được dựa trên
các hệ số an toàn. Cách tính toán hệ số an toàn của hai phương pháp là khác nhau.
Phương pháp cân bằng giới hạn dựa vào cân bằng lực, mômen để tính toán hệ số an
toàn, còn phương pháp phần tử hữu hạn tính toán hệ số an toàn bằng cách giảm các
cường độ chống cắt của đất cho tới khi mô hình mái dốc bị mất ổn định.
- Với mái dốc không neo, gọi hệ số an toàn của mái dốc không neo theo phương
pháp cân bằng giới hạn là Fle , theo phương pháp phần tử hữu hạn là Ffe.
- Với mái dốc có neo, để thấy rõ ảnh hưởng của neo tới ổn định của mái dốc và dễ
so sánh hai phương pháp với nhau ta cũng giả định sự có mặt của neo trong mái dốc
gây ra mômen giữ làm tăng ổn định cho mái dốc. Khi đó hệ số an toàn của mái dốc có
neo được đánh giá như sau :
(2.17)
Trong đó : MS – mômen chống trượt do cường độ chống cắt của đất,
MR – mômen chống trượt do sự có mặt của neo gây ra,
MO – mômen gây trượt do trọng lượng bản thân của đất và do ngoại tải.
Fr là hệ số an toàn tính theo phương pháp phần tử hữu hạn. Để so sánh với phương
pháp cân bằng giới hạn và cung cấp cái nhìn sâu sắc về ảnh hưởng của việc phân phối
lực kéo Tmax của neo theo chiều cao mái dốc, ta tính 2 hệ số an toàn Fr1 và Fr2. Trong
đó Fr1 được tính toán bằng cách phân phối lực kéo Tmax như theo phương pháp phần
tử hữu hạn, để làm cơ sở so sánh với Fr. Còn Fr2 được tính toán bằng cách phân phối
đều lực cắt Tmax dọc theo chiều cao mái. Sự phân phối Tmax của neo để tính toán Fr1,
Fr2 được minh họa trong hình II-30, II-31 cho chiều cao mái dốc 5m, 10m, 15m và
18m tương ứng.
58
a) Mái dốc H=5m b) Mái dốc H=10m
c) Mái dốc H=15m d) Mái dốc H=18m
Hình II-30. Phân phối lực cắt Tmax dọc theo chiều cao mái để tính Fr1
a) Mái dốc H=5m b) Mái dốc H=10m
c) Mái dốc H=15m d) Mái dốc H=18m
Hình II-31. Phân phối lực cắt Tmax dọc theo chiều cao mái để tính Fr2
59
Bảng II-2. Kết quả tính toán ổn định theo hai phương pháp
Mái không neo Mái có neo Số phần tử H (m) Fle Fr Fr1 Fr2 Ffe
5 2.87 626 4.04 2.92 3.37 2.54
10 1.60 792 2.00 1.66 1.84 1.53
15 1.24 928 1.46 1.29 1.42 1.18
18 1.12 1003 1.28 1.19 1.28 1.06
(chi tiết xem phụ lục B)
a)Với mái dốc không neo:
Theo bảng kết quả trên ta thấy với các chiều cao mái dốc, hệ số an toàn tính theo hai
phương pháp gần như tương đương nhau. Phương pháp cân bằng giới hạn luôn cho hệ
số an toàn lớn hơn một chút so với phương pháp phần tử hữu hạn. Xu hướng này có
thể do tính chính xác hơn của phương pháp phần tử hữu hạn tính toán ứng suất dọc
theo mặt phá hoại. Còn phương pháp cân bằng giới hạn (phân thỏi) chỉ cung cấp một
xấp xỉ của trạng thái ứng suất dọc theo mặt phá hoại.
Hình II-32.Quan hệ giữa hệ số an toàn Fs với chiều cao mái dốc H của mái dốc không neo
Theo hình II-32 cho thấy sự hội tụ của hai phương pháp, khi chiều cao mái càng
tăng thì sự sai khác giữa hai phương pháp càng nhỏ. Với quan hệ trên cho thấy hệ số
60
an toàn sẽ bằng 1 khi chiều cao mái dốc khoảng 25m. Sự sai khác nhỏ giữa Fle và Ffe
có thể kết luận rằng sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán ổn định mái
dốc cũng hoàn toàn là phù hợp. Điều này cho thấy độ tin cậy trong cách so sánh các hệ
số an toàn giữa hai phương pháp.
b)Với mái dốc có neo :
So sánh kết quả Fr và Fr1 trong bảng thấy có sự khác biệt. Hai hệ số an toàn này
tính theo 2 phương pháp khác nhau nhưng về cơ chế phân phối lực kéo trong neo là
giống nhau, sự khác biệt được thể hiện trên hình II-33. Đó là sự khác biệt về trạng thái
ứng suất trong mái dốc giữa hai phương pháp. Phương pháp cân bằng giới hạn bỏ qua
cơ chế của neo trong đất, coi lực kéo huy động trong neo như là một lực tự do. Mặt
khác, phương pháp phần tử hữu hạn xét tới cơ chế của neo gây ra trong đất, việc đưa
neo vào làm tăng cường độ chống cắt cho đất. Điều này dẫn đến sự gia tăng tổng thể
trong hệ số an toàn của mái có neo. Hai đường cong trên hình cũng có xu hướng hội tụ
về hệ số an toàn bằng 1 khi chiều cao mái dốc lớn hơn 25m.
Hình II-33. Quan hệ giữa hệ số an toàn Fs với chiều cao mái dốc H của mái dốc có neo Để đánh giá mức độ tăng ổn định khi đưa neo vào mái dốc giữa hai phương pháp ta
so sánh các tỷ lệ của Ffe với Fr (phương pháp phần tử hữu hạn) và tỷ lệ Fle với Fr1
(phương pháp cân bằng giới hạn) :
61
(2.18)
Trong đó : FR – hệ số an toàn của mái có neo
F0 – hệ số an toàn của mái không neo
Hình II-34 cho thấy với phương pháp phần tử hữu hạn mức độ ổn định tăng đáng kể
với chiều cao mái dốc nhỏ, và giảm dần khi chiều cao mái dốc tăng. Ngược lại,
phương pháp cân bằng giới hạn cho thấy mức độ ổn định được gia tăng khi tăng chiều
cao mái dốc. Điều này càng cho thấy rõ sự khác biệt về quan điểm tính toán, cơ sở lý
thuyết giữa hai phương pháp khi tính toán mái dốc có neo. Hai đường cong trên hình
cũng có xu hướng hội tụ tại 1 điểm, cho thấy kết quả của hai phương pháp là phù hợp.
Hình II-34. Quan hệ giữa Ir (%) với chiều cao mái dốc H (m) Một điều quan trọng rút ra được khi nghiên cứu phương pháp phần tử hữu hạn đó là
phân phối lực kéo được huy động lớn nhất Tmax của neo dọc theo chiều cao của mái
dốc. Điều này hoàn toàn khác với quan điểm thiết kế hiện nay cho rằng vùng ở dưới
chân dốc sẽ huy động nhiều lực cắt trong neo hơn. Để đánh giá sự phân phối lực kéo
trong neo tới ổn định mái dốc ta so sánh hai hệ số Fr1 và Fr2. Hình II-35 thể hiện sự
tương quan giữa hai hệ số này với sự gia tăng chiều cao mái dốc. Ta thấy sự khác biệt
giữa hai hệ số là rất nhỏ, và Fr2 lớn hơn Fr1. Điều này có thể giải thích như sau: ở trên
ta đã đưa ra định nghĩa chung cho cả 2 phương pháp về hệ số an toàn khi có neo là Fr,
Fr được xác định theo công thức 2.19 :
62
= Fo + Fr (2.19)
Trong đó : – hệ số an toàn của mái dốc không có neo
- gia số an toàn khi mái dốc có neo
Neo đưa vào mái dốc góp phần làm tăng ổn định, có thể coi hệ số an toàn của
mái sẽ tăng lên một gia số an toàn là FR do neo gây ra. Theo trên phân tích Ir (%) của
phương pháp cân bằng giới hạn thì gia số này tăng chậm nghĩa là MR nhỏ hơn nhiều so
với M0 , do đó khi thay đổi giá trị MR thì FR thay đổi ít hay cách phân phối lực kéo
neo không ảnh hưởng nhiều đến hệ số an toàn của mái dốc có neo khi tính theo
phương pháp cân bằng giới hạn.
Hình II-35. Quan hệ giữa hệ số an toàn Fr1 và Fr2 với chiều cao mái dốc H (m)
2.6. KẾT LUẬN
Trong chương II tác giả đã ứng dụng phần mềm vận dụng cơ sở lý thuyết của
phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu, phân tích ổn định mái dốc có neo. Trên
cơ sở nghiên cứu mô hình mái dốc có neo đặt trên nền tốt với các chiều cao khác nhau,
tác giả có đưa ra một số kết luận sau :
63
1) Khi đưa neo vào mái dốc, đất trong mái dốc sẽ thay đổi ứng xử. Cụ thể: mức độ
huy động ứng suất trong đất giảm; các biến dạng, chuyển vị cũng giảm nhưng
không đáng kể khi mái dốc vẫn còn ở trạng thái cân bằng bền.
2) Phân bố lực kéo huy động trong neo là thay đổi dọc theo chiều dài neo và theo
chiều cao mái dốc. Với đất nền yếu và chiều cao mái dốc thấp thì phân bố lực
kéo Tmax có dạng tuyến tính, giá trị lớn nhất ở vùng chân dốc giống với các
quan điểm thiết kế hiện nay. Nhưng với đất nền tốt qua phân tích thấy, phân bố
lực kéo Tmax không tuân theo quy luật tuyến tính, giá trị lớn nhất ở chiều cao
(0,2÷0,4) lần chiều cao mái dốc. Với loại đất nền này xây dựng được hai mối
quan hệ giữa các tham số không thứ nguyên hi/H với Ti/Tmax và Di/H với
Ti/Tmax.
3) Các yếu tố như chiều cao mái dốc, khoảng cách đặt neo, cường độ đất đắp, độ
cứng, chiều dài của neo ảnh hưởng nhất định tới sự phân bố lực kéo huy động
lớn nhất trong neo cũng như tới hệ số an toàn của mái dốc.
4) Hệ số an toàn tính theo phương pháp phần tử hữu hạn cho giá trị lớn hơn
phương pháp cân bằng giới hạn khi tính toán ổn định mái dốc có neo
5) Hình dạng của mặt phá hoại tính theo phương pháp phần tử hữu hạn có dạng
cung tròn giống như mặt phá hoại được giả định trong phương pháp cân bằng
giới hạn.
64
CHƯƠNG III. ỨNG DỤNG XỬ LÝ CHỐNG SẠT TRƯỢT CHO MÁI ĐÀO ĐẬP
TRÀN THỦY ĐIỆN SÔNG BUNG 2
3.1. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TRÌNH
Công trình thủy điện Sông Bung 2 nằm ở thượng lưu Sông Bung, tỉnh Quảng Nam
thuộc miền Trung Việt Nam. Vị trí của tuyến đập nằm trên địa bàn xã Laêê huyện
Nam Giang tỉnh Quảng Nam, cách thành phố Đà Nẵng theo đường quốc lộ 14D
khoảng 165km về hướng Tây Nam. Tọa độ địa lý tuyến đập dự kiến là 1541’45’’ vĩ
Bắc, 10724’00’’ kinh Đông. Nhà máy nằm trên địa phận xã ZuôiH huyện Nam Giang
tỉnh Quảng Nam, có tọa độ là 107o29’31” kinh Đông; 15o42’57” vĩ Bắc.
Hồ sơ thiết kế kỹ thuật công trình thủy điện Sông Bung 2 do Công ty cổ phần Tư
vấn xây dựng điện 3 (PECC3) lập tháng 07/2009 đã được Hội Đồng Quản Trị Tập
Đoàn Điện Lực Việt Nam (EVN) phê duyệt tại quyết định số 450/QĐ-EVN ngày 26
tháng 08 năm 2009.
3.2. LỊCH SỬ HIỆN TƯỢNG PHÁ HOẠI MÁI DỐC
Công tác đào hố móng đập Tràn bắt đầu từ tháng 2 năm 2011, tới thời điểm đầu
tháng 8/2012 đào đến cao trình 594m thấy mái đào ổn định, không xảy ra sạt trượt,
xem hình bên dưới:
65
654m
639m
624m
609m
Từ đầu tháng 8/2012 tiếp tục đào xuống phía dưới cao trình 594m, các hiện tượng
nứt, sạt bắt đầu xuất hiện, các khu vực sạt lở phân bố như sau:
- Ngày 25/8/2012 bắt đầu xuất hiện vết nứt tại mặt cắt N5, T5 từ cao trình 654
xuống 609m. Đến ngày 9/9/2012 khu vực này tiếp tục bị nứt và kéo lên phía trên
(hình vẽ).
66
654m MCT5 MCN5
639m
624m
609m
- Ngày 25/12/2012 từ mặt cắt T7 đến T11 ở cao trình 594 lên 639m bắt đầu xuất
hiện vết nứt. Đến ngày 21/5/2013 khu vực này tiếp tục xẩy ra hiện tượng nứt, các
vết nứt phát triển nhanh, và mở rộng đến T13. (hình ảnh).
MCT7
654m MCT11
639m
624m
609m
594m
- Ngày 18/3/2013 khu vực mặt cắt T16 đến T18, cao trình từ 564 lên 579m bắt đầu
xuất hiện các vết nứt trên mặt cơ (hình ảnh).
67
MCT18 MCT16
579m
564m
- Ngày 29/3/2013 các vết nứt bắt đầu xuất hiện tại mặt cắt N1 đến N4 phát triển từ
cơ 609 lên 624 trong đới edQ, IA1, IA2 (hình ảnh).
68
Sạt trượt vai phải đập tràn bao gồm 3 khu vực như sau: khu vực 1: cửa vào đập tràn,
khu vực 2: dốc nước đập tràn, khu vực 3: mũi phun hố xói đập tràn. Chi tiết vết nứt tại
các khu vực sạt trượt đập tràn như bên dưới:
Hình III-1. Hiện trạng sụt lở mái dốc taluy dương
3.3. CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ CẦN THỰC HIỆN
3.3.1. Nguyên nhân trượt lở mái dốc
Đánh giá nguyên nhân sạt trượt là điều rất cần thiết, từ đó mới có biện pháp xử lý
phù hợp. Để đánh giá nguyên nhân gây trượt vai phải đập Tràn đã được làm sáng tỏ,
cụ thể như sau:
- Quá trình trượt ở mái dốc đã xẩy ra một cách từ từ. Sau khi đào xong mái dốc thì
đã xuất hiện các vết nứt trong đất sườn tàn tích, đới IA1 và IA2 và một phần IB
song song với mái dốc và cắm thẳng đứng. Sau đó trong mùa mưa, các khe nứt
ngày càng mở rộng tới hàng chục cm và đất đá bị chuyển dịch gây trượt.
- Qua theo dõi hiện tượng sạt trượt tại đây thấy rằng có 2 hệ thống khe nứt gây bất
lợi cho mái dốc và hình thành nên mặt trượt. Hệ thứ nhất là 50-6050-80 làm
tách giãn khối đất đá trong phạm vi khối trượt và hệ thứ 2 50-6020-30 đổ ra
69
ngoài hố móng có góc dốc thoải hình thành nên mặt trượt. Theo quan sát thực tế
bề mặt hệ khe nứt này nhám gồ ghề. Đến thời điểm này toàn bộ khối đất đá bên
vai phải chưa trượt xuống hố móng bởi vì mặt trượt chưa thành một mặt phẳng
liên tục mà còn mấp mô nên có góc ma sát lớn tạm thời giữ lại được trọng lượng
khối đất bên trên.
- Theo kết quả 8 hố khoan từ HKX-1 đến HKX-8 mới thực hiện gần đây phát hiện
các vết nứt, gãy, thành phần đất đá yếu hơn xung quanh. Điều này càng củng cố
thêm rằng có khả năng tạo thành mặt trượt theo bề mặt khe nứt.
Một số hình ảnh mặt trượt phát hiện được
Mặt trượt tại phần tiếp
giáp IB và IA2 tại MC
N3
70
Mặt
trượt
trong
đới IB khu dốc
nước
Mặt trượt tiếp xúc giữa IB
và IA2 khu hố xói
71
Qua thực tế hiện trường và công tác khoan khảo sát bổ sung, phân tích đánh giá của
các chuyên gia địa chất đầu ngành thì cơ chế xẩy ra hiện tượng nứt sạt bề mặt mái dốc
vai phải đập tràn là: Phía dưới trong đới IB và tiếp giáp IB với IA2 đang hình thành
mặt trượt phằng theo mặt khe nứt nhấp nhô, phía trên trong đới IA1 và edQ do sự dịch
chuyển mặt phía dưới dẫn đến trượt theo dạng cung tròn.
Kết quả nhận định này càng được củng cố và khẳng định khi mặt trượt và các chỉ
tiêu mà các chuyên gia phân tích, tổng hợp từ các tài liệu khi đưa vào chương trình
tính toán cho kết quả phù hợp với thực tế.
3.3.2. Các giải pháp xử lý cần thực hiện
Dựa trên nguyên nhân cơ chế sạt trượt, tình hình thực tế tại hiện trường, hầu hết các
khối sạt đã hình thành, đất đá đã bị trượt, phá hoại. Từ các mặt trượt, phân lớp đất đá
khu vực sạt trượt, tư vấn thiết kế phân tích các phương án thiết kế trên nguyên tắc đào
giảm tải kết hợp neo gia cố giữ chân khối sạt sao cho đảm bảo điều kiện mái dốc ổn
định với các hệ số an toàn theo quy định hiện hành. Dựa trên nguyên tắc đó tư vấn
thiết kế đã tổng hợp lựa chọn đưa ra 2 phương án thiết kế xử lý để xem xét như bên
dưới.
3.4. Phương án 1 – Đào kết hợp neo gia cố giữ ổn định
Tại khu vực sạt ngưỡng tràn, dốc nước và mũi phun (khu vực 2 và khu vực 3), khối
sạt nằm trong đới edQ, IA1, IA2, IB, tại chân khối sạt, đá IB bị nứt nẻ rất mạnh. Để
đào bóc bỏ toàn bộ khối sạt đi qua đá IB và đới IA2 thì khối lượng lớn và công tác thi
công đào đá nhiều sẽ làm kéo dài thời gian thi công. Qua tính toán, phương án tối ưu là
đào và neo thép gia cố để giữ ổn định chân mái đào. Neo thép có đường kính D25-
D28, lỗ khoan D76, chiều dài thay đổi từ 11,7m đến 16,5m.
Tại khu vực sạt trượt kênh dẫn vào (khu vực 1) và khu vực sạt trượt khu vực hố xói
(khu vực 3) lớp đất có bề dày lớn, khối sạt chủ yếu nằm trong đới edQ, IA1, một phần
IA2, đất nằm trong mặt trượt đã bị nứt nẻ, tách lớp nên để giữ lại cần phải gia cố bề
mặt và khoan neo sâu. Qua tính toán kinh tế kỹ thuật thì tại khu vực này thì phương án
tối ưu và an toàn hiệu quả là bóc bỏ khối sạt.
72
Phương án 1 có khối lượng đào là 596.000 m3 đất đá đào, trong đó đào 438.000 m3
đất và 158.000 m3 đá. Chi tiết xem bảng tổng hợp khối lượng.
3.5. Phương án 2 – Đào toàn bộ không neo gia cố
Bóc bỏ khối sạt trượt và đào bạt mái đến khi bề mặt xử lý đảm bảo điều kiện ổn
định theo hệ số an toàn lớn hơn cho phép.
Phương án 2 có khối lượng đào là 1.012.000 m3 đất đá đào, trong đó đào 620.000
m3 đất và 392.000 m3 đá. Chi tiết xem bảng tổng hợp khối lượng.
3.6. chỉ tiêu cơ lý kiến nghị tính toán
Chỉ tiêu bình thường
BVTC TKKT
Dung trọng Dung trọng Phi C Phi C Lớp bão hòa bão hòa
độ kG/cm2 độ kG/cm2 bh(g/cm2) bh(g/cm2)
edQ 1,78 16o21' 0,14 0,15 1,75 16
IA1 2,03 18o54' 0,18 0,30 1,89 22
IA2 2,33 24 0,25 0,70 2,50 29
IB 2,75 37 1,50 1,50 2,75 37
IIA 2,80 39 2,50 2,50 2,80 39
Chỉ tiêu lớp đá mềm yếu
IB 2,65 32 0,91
IIA 2,77 36 1,36
Chỉ tiêu khe nứt
Chất nhét BVTC TKKT
Milonit, dăm masat, 24 0,1 24 0,3 clorit
73
3.7. Bảng tổng hợp khối lượng và giá thành các phương án xử lý
Bảng 1: Bảng tổng hợp khối lượng chính và giá thành phương án xử lý
Khối lượng ST Hạng mục Đơn vị T PA1 PA2
m3 1 Khối lượng đào đất đá 596,464.90 1 011 650,06
m3 179,581.38 202 557.69 eQ
m3 182,388.72 278 235.36 IA1
m3 191,815.41 327 729.80 IA2
m3 41,751.40 142 400.40 IB
m3 928.00 60 726.80 IIA
m² 2 Trồng cỏ gia cố mái 25,950.84 37 047.80
Đá xây gia cố mái, rãnh thoát 1,583.02 8 566.30 m³ 3 nước
m2 Phun bêtông lưới thép M200 11,309.24 11 524.90 4
Khoan lỗ khoan để neo gia cố 25,704.00 10 483.20 md 5 mái
Tấn Thép neo Þ25, D28 103.77 41.06 6
kg Phụt vữa gia cố nền 918 720 0 7
Giá trị phương án xử lý sau 103(đồng) 65,079,140 97,209,681 8 thuế (phát sinh)
Qua phân tích so sánh 2 phương án thấy rằng Phương án 1 có giá thành thấp hơn,
kiến nghị chọn phương án 1 là phương án xử lý cho công trình.
3.8. THIẾT KẾ BẢO VỆ MÁI TALUY
Căn cứ vị trí sạt trượt mái đào, tài liệu mô tả địa chất hố móng, độ cao của mái đào.
Với phương án kiến nghị (phương án 1), chọn 3 mặt cắt ( mặt cắt 2-2, 4-4, 6-6) để tính
74
toán. Với phương án so sánh (phương án 2), chọn mặt cắt 4-4 để tính toán. Vị trí của
các mặt cắt tính toán được thể hiện như hình bên dưới đây.
3.8.1. Mặt cắt 2-2
75
3.8.2. Mặt cắt 4-4
3.8.3. Mặt cắt 6-6
76
3.8.4. Phương pháp tính toán
Trong chương này tác giả sử dụng chương trình tính ổn định mái dốc bằng phần
mềm Slope trong bộ phần mềm Geostudio để tính toán.
3.9. Các trường hợp tính toán và tổ hợp tính toán
3.9.1. Các trường hợp tính toán
3.9.1.1. Trường hợp 1: Tính toán ổn định mái đào hiện trạng trước xử lý
Tính toán với mái đào hiện trạng và cập nhật các chỉ tiêu cơ lý theo tình hình
địa chất thực tế và cung trợt hiện trạng.
3.9.1.2. Trường hợp 2: Tính toán ổn định mái đào sau khi xử lý
3.9.2. Tổ hợp tính toán
3.9.2.1. Mặt cắt 2-2
- Tổ hợp cơ bản (THCB1): Tính toán trong điều kiện bình thường (hồ đang
vận hành ở mực nước thấp hơn cao trình kênh dẫn vào).
- Tổ hợp cơ bản (THCB2): tính toán trong điều kiện bình thường (hồ đang vận
hành ở MNDBT)
- Tổ hợp đặc biệt (THĐB1): tính toán có xét đến ảnh hưởng của động đất cấp
7 (hồ đang vận hành ở mực nước thấp hơn cao trình kênh dẫn vào).
- Tổ hợp đặc biệt (THĐB2): tính toán có xét đến ảnh hưởng của động đất cấp
7 (hồ đang vận hành ở MNDBT).
3.9.2.2. Mặt cắt 4-4
- Tổ hợp cơ bản (THCB1): Tính toán trong điều kiện bình thường ứng với mái
đào xử lý, không có neo gia cố.
- Tổ hợp đặc biệt (THĐB1): Tính toán trong điều kiện bình thường ứng với
mái đào xử lý, không có neo gia cố, có xét đến động đất cấp 7.
- Tổ hợp cơ bản (THCB2): Tính toán trong điều kiện bình thường ứng với mái
đào xử lý, có neo gia cố, phương pháp tính theo cung trượt hiện trạng.
77
- Tổ hợp đặc biệt (THĐB2): Tính toán trong điều kiện bình thường ứng với
mái đào xử lý, có neo gia cố, có xét đến động đất cấp 7, phương pháp tính theo
cung trượt hiện trạng.
- Tổ hợp cơ bản (THCB3): Tính toán trong điều kiện bình thường ứng với mái
đào xử lý, có neo gia cố, phương pháp tính theo mặt trượt bất kỳ.
- Tổ hợp đặc biệt (THĐB3): Tính toán trong điều kiện bình thường ứng với
mái đào xử lý, có neo gia cố, có xét đến động đất cấp 7, phương pháp tính theo
mặt trượt bất kỳ.
3.9.2.3. Mặt cắt 6-6:
- Tổ hợp cơ bản (THCB1): Tính toán trong điều kiện bình thường.
- Tổ hợp đặc biệt (THĐB1): tính toán có xét đến ảnh hưởng của động đất cấp
7.
3.10. Hệ số an toàn
Hệ số an toàn theo TCXDVN 04-05:2012:
Trong đó:
nc: hệ số tổ hợp tải trọng, tổ hợp cơ bản: nc = 1 ; tổ hợp đặc biệt : nc = 0,9.
kn: hệ số đảm bảo, công trình cấp II: kn = 1,2.
m: hệ số điều kiện làm việc: m = 1,0.
Vậy ta có hệ số ổn định tổ hợp cơ bản: [K] =
1,2, tổ hợp đặc biệt : [K] = 1,08.
3.11. Thông số thép neo
Sức chịu tải của neo thép phụ thuộc vào các yếu
tố sau:
Chiều dài dính bám giữa thép neo và vữa xi
măng.
Chiều dài dính bám giữa vữa xi măng và thành
78
hố khoan.
Khả năng chịu lực của thép neo.
Theo chiều dài bám dính giữa thép và vữa:
Theo chiều dài bám dính giữa vữa và vách hố khoan:
Theo khả năng chịu tải của thép neo
Pt: sức chịu tải của neo theo điều kiện bám dính giữa thép neo và vữa.
Pb: sức chịu tải của neo theo điều kiện bám dính giữa vữa và vách hố khoan.
Pth: sức chịu tải của thép neo.
Ptt : sức chịu tải tính toán Ptt=min(Pt, Pb, Pth)
Dt: đường kính của thép neo (m).
Dk: đường kính của lỗ khoan (m).
Lb: chiều dài neo thép (m).
a: lực dính bám tại giao diện thép - vữa (a =25 kg/cm2).
b: lực dính bám tại giao diện vữa - đá (b =2 kg/cm2 theo TCVN 4253-1986
Nền các công trình thủy công).
A: Tiết diện thép neo.
m: hệ số an toàn, đối với giao diện vữa-đá và vữa-thép m=2
m1 : hệ số an toàn đối với thép neo, m=1.5
Sử dụng thép CB400-V, Ratt=3400 kg/cm2, thép neo đường kính D=28mm,
với đường kính lỗ khoan Dk=76mm. Thanh thép neo được phủ lớp gia cô
epoxy theo TCVN 7934:2009. Thông số neo như bên dưới.
79
Bảng 2: Bảng thông số neo thép tính toán
STT Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị tính toán
1 Lực neo thiết kế tf kN 139.57
Chiều sâu ngàm của neo qua 2 cm 590 Ln cung trượt.
3 Bước neo thiết kế @ cm 150x150
3.12. Kết quả tính toán
3.12.1. Độ bền ổn định tổng thể mái đào
Bảng 3: Kết quả tính toán ổn định mái đào hiện trạng (Trường hợp 1)
Mặt Tổ hợp cắt Kết STT K [K] Ghi chú Ghi chú tính tính quả toán toán
Tính theo
Không cung 1 2-2 THCB 0,896 1,20 Mái hiện trạng ổn định trượt hiện
trạng
Tính theo
Không cung 2 4-4 THCB 0,923 1,20 Mái hiện trạng ổn định trượt hiện
trạng
Tính theo
Không cung 3 6-6 THCB 0,729 1,20 Mái hiện trạng ổn định trượt hiện
trạng
80
Bảng 4: Kết quả tính toán mái đào sau khi xử lý (trường hợp 2)
Tổ hợp Mặt cắt
STT tính K [K] Ghi chú Kết quả Ghi chú tính
toán toán
THCB1 1,317 1,20
Tính theo THĐB1 1,112 1,08 1 Mái đào xử 2-2 ổn định mặt trượt bất lý THCB2 1,291 1,20 kỳ
THĐB2 1,091 1,08
Mái đào xử Không THCB1 1,040 1,20 lý – không ổn định Tính theo neo cung trượt Mái đào xử hiện trạng Không THĐB1 0,916 1,08 lý – không ổn định neo
Mái đào xử 2 THCB2 1,269 1,20 ổn định 4-4 Xử lý theo lý – có neo cung trượt Mái đào xử hiện trạng THĐB2 1,105 1,20 ổn định lý – có neo
Mái đào xử THCB3 1,273 1,20 ổn định Tính theo lý – có neo mặt trượt bất Mái đào xử kỳ THĐB3 1,090 1,08 ổn định lý – có neo
THCB1 1,277 1,20 ổn định Tính theo Mái đào xử 3 6-6 mặt trượt bất lý THĐB1 1,109 1,08 ổn định kỳ
81
Qua tính toán có nhận xét như sau :
- Mái đào hiện trạng với chỉ tiêu thực tế thì không đảm bảo ổn định. Do vậy
cần phải tiến hành xử lý mái đào để đảm bảo điều kiện ổn định theo quy định.
- Mái đào sau khi xử lý với chỉ tiêu thực tế đảm bảo ổn định theo quy định
hiện hành.
3.13. KẾT LUẬN
Ở chương III đã áp dụng cơ lý thuyết đất có neo áp dụng phần mềm tính toán ổn
định cho mái taluy. Kết quả tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn cho thấy là
phù hợp với các phương pháp tính toán khác như phương pháp cân bằng giới hạn.
Điều đó nói lên độ tin cậy của phương pháp trong việc tính toán ổn định mái dốc có
neo
82
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. NHỮNG KẾT QUẢ ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN VĂN
Luận văn đã tổng quan về biện pháp xử lý mái dốc nói chung và sạt trượt mái dốc
đập tràn thủy điện sông Bung 2.
Thông qua nghiên cứu mô hình mái dốc có neo trên nền tốt (cứng) phân tích được
ứng xử của đất trong mái dốc có neo : ứng suất, biến dạng, chuyển vị. Sự phân bố lực
kéo huy động trong neo theo chiều dài mỗi neo và theo chiều cao mái dốc. Phân tích
các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến lực kéo huy động trong mỗi lớp neo, qua đó đánh giá
ảnh hưởng tới hệ số an toàn – thông số thể hiện mức độ an toàn ổn định của mái dốc.
Cũng qua nghiên cứu mô hình thấy rõ sự khác biệt về kết quả tính toán ổn định giữa
hai phương pháp phần tử hữu hạn và cân bằng giới hạn. Điều khác biệt này là do quan
điểm tính toán của mỗi phương pháp.
Những nghiên cứu trên góp phần hiểu rõ hơn ứng xử của đất khi có neo đặt thêm
vào. Đặc biệt, hiện tại nước ta chưa có một tiêu chuẩn thiết kế cho mái dốc có neo, mọi
tính toán đều tham khảo các tiêu chuẩn nước ngoài, vậy nên những đóng góp của luận
văn cũng có ý nghĩa nhất định trong việc thiết kế tính toán mái dốc có neo vào thời
điểm hiện nay, khi công cụ, phần mềm tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn
càng phát triển.
2. NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI
Để đánh giá ổn định của một mái dốc phải xét đến nhiều yếu tố tuy nhiên trong
phạm vi giới hạn luận văn chỉ nghiên cứu mô hình mái dốc với các điều kiện biên
tương đối đơn giản, chưa bao quát được tổng thể như : ảnh hưởng của áp lực nước lỗ
rỗng, mức độ cố kết, nền đất yếu hơn . . .
3. KIẾN NGHỊ
Bài toán phân tích ổn định mái dốc có neo là một bài toán lớn và phức tạp, luận văn
nghiên cứu tiếp các trường hợp sau đây:
- Nghiên cứu với địa chất nền yếu hơn.
- Xét ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng (bài toán ứng suất hiệu quả).
- Nghiên cứu bài toán cố kết .
83
- Xét bài toán kinh tế, tối ưu trong thiết kế.
- Xây dựng được quy trình tính toán thiết kế mái dốc có neo hoàn thiện và tổng quan
hơn.
84
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Nguyễn Ngọc Bích, 2011 : Các biện pháp cải tạo đất yếu trong xây dựng, Trường
đại học Xây Dựng, Hà Nội, Việt Nam.
[2] Khổng Trung Duân, 2002 : Nghiên cứu ứng dụng địa kỹ thuật để làm neo gia cố bờ
bao vùng đất yếu, Luận văn cao học, Hà Nội, Việt Nam.
[3] Huỳnh Ngọc Hào, 2014: Nghiên cứu phương pháp tính toán nền đắp có gia cường
bằng vải địa kỹ thuật trong các công trình xây dựng đường ôtô ở Việt Nam, Luận án
tiến sỹ, Trường đại học Giao Thông Vận Tải, Hà Nội, Việt Nam.
[4] Liên danh tư vấn ALAI-PTCC-ECC, 2010 : Hồ sơ thiết kế dự án Sửa chữa chống
sạt lở Dốc Kiền, Đà Nẵng, Việt Nam.
[5] Nguyễn Cảnh Thái, 2003: Thiết kế đập vật liệu địa phương, Bài giảng cao học, Hà
Nội, Việt Nam.
[6] Nguyễn Viết Trung và ntg, 1998: Công nghệ mới xử lý nền đất yếu vải địa kỹ thuật
và bấc thấm. NXB Giao thông Vận tải, Hà Nội, Việt Nam.
[7] Phan Trường Phiệt,1997: Sử dụng vải địa kỹ thuật trong xây dựng - Bài giảng cao
học, Hà Nội, Việt Nam.
[8] Tài liệu hướng dẫn sử dụng các phần mềm Plaxis, GeoStudio 2007.
[9] Tiêu chuẩn Anh BS 8006, 1995 : Tiêu chuẩn thực hành Đất và các vật liệu đắp
khác có gia cường (có neo), Nhà xuất bản Xây Dựng, Hà Nội, Việt Nam.
[10] Tiêu chuẩn thiết kế 22 TCN 262, 2000: Quy trình khảo sát, thiết kế nền đường ôtô
đắp trên đất yếu. Bộ Giao Thông Vận Tải, Hà Nội, Việt Nam.
[11] R. Whitlow, 1999: Cơ học đất tập I, II, Nhà xuất bản Giáo Dục, Hà Nội , Việt
Nam.
[12] Báo cáo đánh giá hiện trường của đơn vị tư vấn: Công ty cổ phần tư vấn xây dựng
điện 3.
85