CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TRƯỢT CỦA CÔNG TRÌNH. Giới thiệu Vấn đề sạt lở và mất ổn định mái dốc đã được nhiều tác giả nghiên cứu từ rất lâu bởi tính chất quan trọng của nó. Trong những năm gần đây, dưới tác động của việc biến đổi khí hậu, tình hình sạt lở diễn ra với tần suất nhiều hơn và kéo dài trên diện rộng không chỉ nước ta mà trên toàn thế giới. Sạt lở có thể cướp đi sinh mạng của nhiều người, đất đai, nhà cửa.
Nguyên nhân dẫn đến sạt lở có thể là do mái dốc quá dốc, do sự tăng mực nước ngầm, đường thấm trong đất hay do xói ở chân taluy, giảm cường độ của đất quá lâu do sạt lở hay bị phong hóa. Đối với những nền đất ở ven sông chủ yếu là đất yếu có chiều dày lớn, là nơi bồi lắng phù sa, chịu ảnh hưởng trực tiếp của thủy triều tạo ra dòng thấm của nước triều bên trong nền đất làm thay đổi các đặc trưng cơ lý và khả năng chịu lực của đất nền dưới đường, làm giảm độ ổn định của nền đắp, nguy cơ xảy ra sạt lở là rất lớn. Khi sạt lở xảy ra thường có nhiều hơn một nguyên nhân, trong nhiều trường hợp, một vài nguyên nhân tồn tại cùng một lúc.Lomtađze [5], có năm nguyên nhân gây trượt lở : - Tăng cao độ dốc của sườn, của mái dốc khi cắt xén, khai đào hoặc xói lở khi thi công mái quá dốc. - Làm giảm độ bền của đất đá do biến đổi trạng thái vật lý khi tẩm ướt, trương nở, giảm độ chặt, phong hóa, phá hủy kết cấu tự nhiên …hoặc do phát triển các hiện tượng từ biến trong đất đá.
- Tác động của áp lực thủy tĩnh và thủy động lên đất đá, gây nên biến dạng thấm ( xói ngầm, chảy trôi, biến thành trạng thái cát chảy…) - Biến đổi trạng tháo ứng suất của đất đá ở trong đới hình thành sườn dốc và thi công mái dốc - Tác động bên ngoài : chất tải trên sườn dốc, mái dốc, kể cả những khu kế cận của đỉnh dốc, dao động địa chấn và vi địa chấn… -5- Hình 1.1 Sạt lở tại km 88+937 Quốc lộ, huyện Châu Phú, tỉnh An Giang 1. Tổng quan về đất yếu Đất yếu là loại đất không có khả năng tiếp nhận trực tiếp tải trọng từ công trình. Hiện nay, không có định nghĩa rõ ràng về đất yếu và phần lớn các nước trên thế giới thường thống nhất định nghĩa về nền đất như sau: e>1 c ≤ 5 KN/m² W(%) > 60% ≤ 10o IL > 1 E ≤ 5000 KN/m² Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCXD 9355:2012 Gia cố đất yếu bằng bất thấm thoát nước, đất yếu được định nghĩa như sau: “đất phải xử lí, gia cố mới có thể dùng làm nền cho móng công trình. Các loại đất yếu thường gặp là bùn, đất loại sét (sét, sét pha, cát pha) ở trạng thái dẻo nhão.
Những loại đất này thường có độ sệt lớn (IL>1), có hệ số rống (e>1), có góc ma sát trong nhỏ (<100), có lực dính theo kết quả cắt nhanh không thoát nước C<15 kPa, có lực dính theo kết quả cắt cánh hiện trường là Cu < 35 kPa, có sức chống mũi xuyên tĩnh qc < 0.1 Mpa, có chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT là N<5. Cơ chế gây sạt lở và các yếu tố gây ảnh hưởng Hiện tượng sạt lở xảy ra ở rất nhiều nơi trên thế giới và Việt Nam. Đặc biệt ở những công trình nằm trên mái dốc, công trình chạy dọc theo các hệ sống sông rạch. Những mái dốc tự nhiên đã ổn định trong nhiều năm có thể bất ngờ bị phá hoại hay sạt lở bởi những thay đổi của địa hình, địa chấn, sự suy giảm cường độ, thay đổi ứng suất, sự dao động của mực nước sông có chu kỳ [11], địa chất yếu cũng được xem là nhân tố quan trọng góp phần gây sạt lở những tuyến dường ven sông ở đồng bằng sông Cửu Long nói chung và ở tỉnh An Giang nói riêng, chiều dày tầng đất yếu nơi đây tương đối lớn, thường trên 20 m, hệ số thấm nhỏ và thường xuyên ngập chìm trong nước.
Cơ chế sạt lở Cơ chế sạt lở đất rất phức tạp. Sạt lở đất được giải thích là sự mất cân bằng giữa thành phần kháng trượt và thành phần gây trượt. Khi mái dốc ổn định sự cân bằng này được duy trì. Tuy nhiên, trong một trường hợp nào đó, điều kiện cân bằng này không còn tồn tại.
Sự phá vỡ cân bằng có thể do giảm thành phần kháng trượt hoặc tăng thành phần gây trượt hoặc cả hai. Cơ chế mất ổn định tổng thể của công trình trên đất yếu và đất sét thường xuất hiện dưới dạng khối trượt cung tròn [17]. Các yếu tố ảnh hưởng 1. Ảnh hưởng của yếu tố dòng chảy Vào mùa lũ lưu lượng, lưu tốc dòng chảy lớn lại trùng vào mùa gió có triều cường gây ra sóng lớn tác động vào bờ.
Dòng chảy chịu ảnh hưởng của thủy triều, nhất là khi triều rút, sự thoát nước nhanh tạo ra lưu tốc lớn. Ảnh hưởng của vật liệu dòng chảy Kết cấu trầm tích ven bờ yếu, kém chặt sít do chưa qua quá trình nén chặt tự nhiên, đất luôn bị bão hòa nước, độ gắn kết thấp dễ bị dòng chảy làm xói mòn gây sạt lở. Tương tác giữa dòng chảy – lòng dẫn và quá trình xói lở Quá trình phát triển của xói lở hoặc bồi là sự tương tác liên tục của dòng chảy đối với lòng dẫn. Dòng chảy có lưu tốc (cục bộ) cao hơn khả năng kháng xói -7- của lòng dẫn tất yếu gây xói lòng dẫn.
Biến đổi của lòng dẫn lại tạo nên những thay đổi về cấu trúc của dòng chảy. Tác động của áp lực thủy tĩnh: Vào các thời kỳ mùa lũ hoặc khi triều dâng, phần đất đá ngập nước nằm trong trạng thái bị đẩy nổi và trọng lượng của nó không đủ để giữ yên các khối đất đá nằm ở phía trên. Đất đá ở phía trên gần như mất điểm tựa bắt đầu dịch chuyển và làm cho phần đất đá trong trạng thái bị đẩy nổi bên dưới bị trượt. Ngoài ra, đất đá ở trạng thái đẩy nổi cũng làm giảm ứng suất pháp có hiệu ở tại mặt trượt đã xác định hoặc đang dự đoán, do đó sức chống cắt của đất đá giảm xuống và có thể phát sinh trượt.
Tác động của áp lực nước thủy động: Nước mưa, nước mặt ngấm xuống đất theo các lỗ hổng, khoảng trống có trong đất đá và tạo ra dòng thấm lưu thông trong đất đá. Sự vận động thấm của nước dưới đất gây ra áp lực thủy động có ảnh hưởng đến sự biến đổi trạng thái ứng suất của đất đá cấu tạo bờ và gây ra biến dạng thấm.2 Sơ đồ lực tác động lên mái dốc khi có áp lực thủy động Từ sơ đồ trên cho thấy áp lực thủy động hướng theo phương dòng thấm và có giá trị càng lớn khi độ thấm nước của đất đá càng bé. Trong những thời gian biến đổi đột ngột gradien áp lực, áp lực thủy động sẽ tác động vào đất đá ở bờ và gây trượt lở bờ. Các điều kiện đặc trưng của từng công trình Bên cạnh nhưng ảnh hưởng của yếu tố chung, mỗi công trình đều có đặc trưng khác biệt như : tải trọng công trình trên bề mặt, (công trình giao thông, nhà ở), giao thông thủy, khai thác cát trái phép, xây nhà lấn chiếm bờ sông, hoạt động lấn bờ đào ao nuôi cá, neo đậu bè cá… -8- Những hoạt động kinh tế xây dựng ảnh hưởng rất lớn đến hiện tượng trượt lở bờ sông Hậu, có thể kể như sau: - Phá hủy lớp phủ thực vật tạo mặt bằng xây dựng, làm mất ổn định bờ.
- Xây dựng công trình nằm sát mép bờ sông thậm chí lấn chiếm ra phía sông làm thay đổi chế độ dòng chảy, cấu tạo địa chất không thuận lợi (đất yếu)… gây bất lợi cho sự ổn định bờ. - Tàu thuyền có tải trọng lớn đi lại gây nên sóng lớn tác dụng trực tiếp vào bờ, gây xói lở bờ. - Các bãi, bến ghe, thuyền neo đậu không hợp lý tạo ra mặt cắt ướt lòng sông co hẹp dẫn đến dòng chảy thay đổi, gây xói lở bờ. - Quá trình khai thác cát bừa bãi với qui mô lớn ở vùng và phụ cận làm thay đổi chế độ dòng chảy của sông dẫn đến quá trình lở bờ xảy ra.
- Sử dụng không đúng, không hợp lý về các giải pháp và kết cấu của các công trình bảo vệ bờ do không nắm chắc số liệu về dòng chảy và sự biến đổi của dòng chảy, cũng như các số liệu về địa chất, về cấu tạo vùng bờ. Các dạng mặt trượt tự nhiên trong tính toán ổn định trượt sâu công trình Trên cơ sở phân tích ổn định mái dốc và nghiên cứu các dạng mặt trượt từ đó có thể đề ra những giải pháp phòng ngừa an toàn và kinh tế trong công tác xử lý và phòng chống sạt lở. Những phương pháp làm ổn định mái dốc bao gồm phương pháp về cấu trúc để gia tăng mức độ ổn định và cả phương pháp quản lý nhằm phục hồi và tăng cường sự ổn định của mái dốc. Phương pháp kết cấu được thực hiện trên một vị trí cụ thể và phương pháp không dùng kết cấu cho những quy hoạch tổng quát trên diện rộng.
Hiện nay có rất nhiều phương pháp chống sạt lở, tuy nhiên không phải tất cả những phương pháp đều thích hợp với mỗi dạng phá hoại trong tự nhiên, việc lựa chọn giải pháp thích hợp nó còn phụ thuộc vào các yêu cầu về kỹ thuật như khả năng chịu lực của kết cấu, độ bền của đất, điều kiện thi công tại công trường, mỹ quan, mục tiêu và giá thành xây dựng. Mặt trượt cung tròn Kết quả quan trắc thực tế cho thấy mặt trượt của các mái đất có dạng liên tục gần như một cung tròn, từ đó giả thiết mặt trượt có dạng cung tròn bán kính R để -9- tính toán tìm ra cung trượt nguy hiểm nhất tương ứng với hệ số an toàn ổn định Fsmin.3 Mặt trượt công trình theo giả thiết mặt trượt trụ tròn 1. Mặt trượt gẫy khúc Việc xác định mặt trượt được dựa trên cấu trúc địa tầng của nền đất. Mặt trượt khả dĩ có thể xảy ra là mặt trượt gãy khúc theo bề mặt lớp đất yếu khi nền có nhiều lớp.4 Mặt trượt công trình theo mặt trượt giả định gãy khúc 1.
Mặt trượt khả thực Phương pháp này được áp dụng tính toán trong trường hợp nền đất có kẹp lớp đất yếu nằm gần đáy công trình, phía dưới là lớp đất tốt.
