CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH MÁI DỐC BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 1.1 Tổng quan về mái dốc và sự mất ổn định của mái dốc Mái dốc của khối đất đá có thể được hình thành do tác nhân tự nhiên hay nhân tạo. Tất cả các mái dốc đều có xu hướng giảm độ dốc đến một dạng ổn định hơn, cuối cùng chuyển sang nằm ngang và trong bối cảnh này, mất ổn định được quan niệm là khi có xu hướng di chuyển và phá hoại. Các lực gây mất ổn định liên quan chủ yếu với trọng lực và thấm trong khi sức chống phá hoại cơ bản là do hình dạng mái dốc kết hợp với bản thân độ bền kháng cắt của đất và đá tạo nên, do đó khi tính toán ổn định của mái dốc cần phải xét đến đầy đủ các nội lực và ngoại lực[1]. 1:Các loại mái dốc tự nhiên và nhân tạo Sự di chuyển của khối đất đá có thể xảy ra do phá hoại cắt dọc theo một mặt ở bên trong khối hay do ứng suất hiệu quả giữa các hạt giảm tạo nên sự hóa hỏng một phần hay toàn bộ.
Người ta đã quan sát được nhiều dạng di chuyển ( phá hoại) khác nhau, có 3 dạng di chuyển thường xảy ra nhiều hơn [1]: a) Sụt lở: đất đá di chuyển rời xa khỏi chỗ bị gián đoạn: các thớ nứt, khe nứt, -4- mặt phẳng phân lớp dốc, mặt đứt gãy, … và điều kiện phá hoại có thể được hỗ trợ hay thúc đẩy do tác động của áp lực nước ở trong các gián đoạn đó. b) Trượt : khối đất đá cơ bản không bị xáo động trong khi trượt theo một mặt xác định. Xét về kết cấu, có 2 dạng trượt sau: + Trượt tịnh tiến: sự di chuyển tuyến tính của khối đá dọc theo mặt phẳng phân lớp hoặc sự di chuyển của lớp đất nằm gần mặt đất dốc. Sự di chuyển như thế thường khá nông và song song với mặt đất + Trượt xoay: sự di chuyển dọc theo mặt cắt cong bằng cách là khối trượt tụt xuống ở gần đỉnh mái dốc và đẩy trồi ở gần chân dốc (Hình 1-2).
2 : Mô hình mái dốc điển hình cho trượt xoay c) Trượt dòng : bản thân khối trượt cũng bị sáo động và di chuyển một phần hay toàn bộ như một chất lỏng. Trượt dòng thường xảy ra trong đất yếu bão hòa nước khi áp lực nước lỗ rỗng tăng đủ để làm mất toàn bộ độ bền chống cắt. Mặt trượt thực hầu như không có hay chỉ biểu hiện từng lúc. Đối tượng nghiên cứu trong luận văn là mái dốc tự nhiên do xói mòn hoặc chia cắt, tại sười đồi hoặc thung lũng.
Dạng mái dốc này có thể tồn tại hàng năm ở trạng thái bắt đầu phá hoại, ở trạng thái tới hạn, nhưng khi có sự thay đổi các điều kiện tự nhiên (như mưa, thoát nước, …) hay có sự can thiệp của con người ( chất tải, bóc lớp phủ bề mặt, đào chân mái dốc,…) sẽ thúc đẩy sự phá hoại mái dốc theo mặt trượt đã tồn tại trước hay tạo ra mặt trượt mới. Những sự cố trượt lở lớn mái dốc trên thế giới và ở Việt Nam phần lớn có liên quan đến trạng thái không bão hòa của đất. Các đất có vấn đề về trượt lở này thường có nguồn gốc tàn tích và mực nước ngầm ở sâu. Các lớp đất trên mặt có áp lực nước lỗ rỗng âm, đóng vai trò quan trọng trong sự ổn định của mái dốc.
Tuy nhiên, lượng mưa nhiều, liên tục có thể làm giảm áp lực lỗ rỗng âm của khối đất phía trên đường bão hòa, do đó cường độ chống cắt giảm dẫn đến mái dốc mất ổn định. Phương pháp thường dùng nhất để phân tích sự ổn định của mái dốc trong đất dính là dựa trên việc xem xét cân bằng dẻo giới hạn. Về căn bản, điều kiện cân bằng -5- dẻo giới hạn tồn tại từ thời điểm mà dịch chuyển trượt cắt bắt đầu và biến dạng cứ tiếp diễn mà ứng suất không đổi [1]. Trong thực tế, khi mái dốc bị mất ổn định, mặt trượt có thể có nhiều hình dạng khác nhau.
Sự trượt có thể xảy ra cục bộ hoặc phổ biến trên một chiều dài nhất định; mặt trượt có dạng của mặt cầu (bài toán không gian 3 chiều) hoặc mặt trụ (bài toán phẳng 2 chiều). Dạng đơn giản nhất, do Cullmann đưa ra vào năm 1866, là một mặt phẳng dài vô hạn đi qua chân mái dốc. Phương pháp này cho hệ số chảy an toàn nên đã đánh giá quá cao điều kiện ổn định thực. Khi lựa chọn mặt trượt phức tạp hơn như mặt cong xoắn logarit hay có dạng không theo quy tắc có thể cho kết quả gần với giá trị thực, nhưng việc phân tích dài dòng và kém hấp dẫn.
Việc dùng mặt trụ tròn xoay với mặt cắt ngang là cung tròn sẽ cho kết quả thỏa mãn độ chính xác mà không cần tính toán quá phức tạp. Hiện nay hầu hết các phương pháp đều giả thiết mặt trượt có dạng mặt trụ tròn xoay. Trường hợp tồn tại lớp đá cứng dưới nền hoặc lớp đất mềm yếu trong nền, mặt trượt có dạng phức tạp [1]. 3 :Các dạng mặt phá hoại: a) mặt phẳng; b) cung tròn; c) không theo quy tắc; d) hỗn hợp Sự ổn định của mái dốc phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi của động thái áp lực nước lỗ rỗng.
Độ bền chống cắt thường quan hệ nghịch với áp lực nước lỗ rỗng.2 Tổng quan về gia cố đất bằng xi măng Cọc xi măng đất (hay còn gọi là cột xi măng đất, trụ xi măng đất) -(Deep soil mixing columns, soil mixing pile) Cọc xi măng đất là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố và xi măng được phun xuống nền đất bởi thiết bị khoan phun. Công nghệ này cọc này đã xuất hiện từ những năm 1960 bắt đầu từ Thụy Điển và Nhật Bản sau đó áp dụng rộng rãi trên thế giới. Tại Việt Nam, công nghệ cọc đất –vôi hay xi măng bắt đầu nghiên cứu vào năm 1980 với sự giúp đỡ của Viện địa Kỹ thuật Thụy Điển (SGI). Có rất nhiều nghiên cứu đã cho thấy rằng cường độ cọc xi măng đất chủ yếu quyết định bới tỉ lệ đất-xi măng.
Tỷ lệ xi măng với đất (aw) được tính theo % khối lượng xi măng so với khối lượng đất khô. Để chọn tỷ lệ pha trộn các hỗn hợp gia cố theo phương pháp thí nghiệm trong phòng xác định sức kháng nén của mẫu xi măng-đất. Theo thống kê, tỷ lệ xi măng với đất thích hợp thay đổi theo từng loại đất và có giá trị biến đổi trong phạm vi nhất định. Trong xi măng-đất thường dùng xi măng silicát phổ thông hoặc xi măng xỉ quặng.
Lượng xi măng trộn vào là 7% ÷ 15% trọng lượng khô của đất cần gia cố hoặc lượng xi măng từ 180 ÷ 250 kg/m3 đất gia cố. Thông thường, khi hàm lượng hạt sét trong đất yếu tăng thì lượng xi măng yêu cầu cũng tăng (Bell, 1993). Theo nghiên cứu của Lan Wang [2]: “Tính ổn định của vật liệu xi măng-đất trong môi trường có sunfat” lượng xi măng thay đổi trong phạm vi từ 4% đến 16% trọng lượng khô của đất cần gia cố. Qua nghiên cứu so sánh, Shiells và các cộng sự (2003) kết luận: thông thường phương pháp trộn ướt sử dụng tỷ lệ xi măng với đất cao hơn so với phương pháp trộn khô.
- Lượng xi măng từ 180 ÷ 400 kg/m3 đất cần gia cố đối với phương pháp trộn ướt; - Lượng xi măng từ 90 ÷ 180 kg/m3 đất cần gia cố đối với phương pháp trộn khô. Theo nghiên cứu của hai tác giả Mitchell and Freitag, 1959, [3]: (1) Thông thường xi măng-đất chứa từ 5% ÷ 14% xi măng so với trọng lượng của đất cần gia cố và thường sử dụng để ổn định đất có tính dẻo thấp, đất cát; (2) Lượng xi măng yêu cầu phụ thuộc vào loại đất, trạng thái của đất cần gia cố. (3) Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu (so với trọng lượng khô của đất cần gia cố) phụ thuộc vào các loại đất khác nhau như bảng 1, bảng 2: -7- Bảng 1. Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu tương ứng với các loại đất khác nhau(Mitchell and Freitag, 1959) S Loại đất Tỷ lệ xi măng TT với đất % 1 Đất tốt chứa sỏi, cát hạt thô, cát hạt mịn, có hoặc không 5% hoặc ít hơn có lượng nhỏ bùn hay sét 2 Đất cát xấu với lượng nhỏ bùn 9% 3 Loại đất cát còn lại 7% 4 Đất chứa bùn không dẻo hoặc dẻo vừa phải 10% 5 Đất sét dẻo 13% hoặc nhiều hơn Bảng 2.
Tỷ lệ xi măng với đất với các loại đất khác nhau theo hệ thống phân loại Unified (Mitchell and Freitag, 1959) S Tỷ lệ xi măng Loại đất TT với đất % 1 Sỏi có tính chọn lọc kém, cát có tính chọn lọc kém và 6 ÷ 10 cát có tính chọn lọc tốt 2 Sét dẻo thấp, bùn dẻo thấp và bùn dẻo cứng 8 ÷ 12 3 Sét dẻo thấp, dẻo cứng 10 ÷ 14 Ở Viện kĩ thuật Châu Á, Law (1989) đã tiến hành nghiên cứu đưa ra kết luận: trộn 10% xi măng với đất sét yếu Băng Cốc – Thái Lan làm tăng độ bền nén nở hông 10 lần, áp lực cố kết trước tăng 2 ÷ 4 lần. Hệ số cố kết quan sát được tăng 10 ÷ 40 lần [4]. DOH and JICA (1998) kiến nghị: xi măng ảnh hưởng tốt cho việc cải thiện các đặc tính của đất sét ở Băng Cốc, Thái Lan. Phương pháp xử lý nền bằng cọc xi măng-đất thường sử dụng hàm lượng xi măng thích hợp trong khoảng 80 ÷ 200 kg/m3 và chúng được xác định dựa vào cường độ thiết kế của mỗi dự án.
Thông thường, xi măng Portland với hàm lượng vào khoảng 200 kg/m3 được sử dụng trong các nghiên cứu ổn định đất sét biển mềm yếu. Thân Văn Văn (Trường đại học Thủy lợi) đã nghiên cứu lựa chọn tỉ lệ xi măng đất khi chế tạo xử lí nền: Tỷ lệ xi măng với đất, 6 7 9 12 17 aw (%) Cường độ kháng nén 28 ngày, 6,02 6,18 9,13 15,56 17,51 28 ngày 2 qu (kG/cm ) Cường độ kháng nén 90 ngày, qu90 8,13 8,35 12,33 21,01 23,65 ngày (kG/cm2) -8- Cường độ của xi măng-đất tăng lên theo tỉ số tăng lượng xi măng trộn vào (hình 1.1) trong thực tế, tỷ lệ xi măng với đất thường chọn 7% ÷ 15%, trong các trường hợp thông thường thì không nên nhỏ hơn 12%. 4 :Quan hệ giữa tỷ lệ xi măng với đất và cường độ của xi măng-đất (Lin 2000) Tùy thuộc yêu cầu về sức chịu tải của cọc mà lựa chọn tỷ lệ aw để thỏa mãn yêu cầu vật liệu chế tạo cọc.
