Nghiên cứu ứng dụng phương pháp cọc kháng trượt trong ổn định mái Taluy

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(44).2011 102 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP CỌC KHÁNG TRƯỢT TRONG ỔN ĐỊNH MÁI TALUY A PRELIMINARY STUDY OF ANTI-SLIDING PILE SOLUTIONS IN THE STABILITY MAINTENANCE OF THE ROOF OF THE TALUS Lê Nguyễn Quốc Việt Công ty Cổ phần Tư vấn và Xây dựng Q.E.S Đỗ Hữu Đạo Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Bùi Phú Doanh Trường Đại học Xây dựng TÓM TẮT Ổn định nền đường luôn là vấn đề khó khăn khi thiết kế các tuyến đường vùng núi, trong đó đặc biệt là vấn đề bảo đảm ổn định chống sụt trượt cho mái taluy. Ở Việt Nam, các giải pháp thường sử dụng trong thiết kế như: Đào giật bậc, tường chắn rọ đá, tường chắn trọng lực bê tông cốt thép (BTCT), và các giải pháp gia cố mái taluy bằng neo trong đất, neo ứng suất trước. Tuy nhiên, các giải pháp này vẫn chưa phát huy được hiệu quả, vẫn xuất hiện các hiện tượng sụt trượt trên các tuyến đường đã thi công xong như QL7, QL8 đặc biệt là Đường Hồ Chí Minh đoạn qua địa phận Miền Trung. Phương pháp dùng cọc kháng trượt để xử lý ổn định mái taluy đã và đang được ứng dụng thiết kế cho nhiều tuyến đường ô tô cao tốc, đường sắt cao tốc tại Trung Quốc với các ưu điểm: Công nghệ thi công đơn giản, kiểm soát được chất lượng công trình, chiếm ít diện tích và không phá vỡ cảnh quan môi trường. Nghiên cứu áp dụng phương pháp cọc kháng trượt trong ổn định mái taluy ở điều kiện địa chất Việt Nam là nội dung chính của bài báo. ABSTRACT Road bed foundation stabilization is always a difficult issue in the construction of roads in mountainous areas, especially how to stabilize the foundation and prevent the slipperiness of slope paving. In Vietnam, there are some engineering solutions such as step-leveling, building rocky wall, concrete wall, and reinforcement by anchor or pre-tention. However, these solutions are not so efficient. There are still some slipperiness and over-settlement on the constructed roads such as the International Road No. 7 and No. 8, and especially the Ho Chi Minh Highway in the Highlands. The method of using anti-sliding pile to stabilize the slope paving has currently been applied in the engineering for highways and express railways in China with such advantages as simple construction technology, controllability of quality, occupation of less space and fewer impacts on the environment. This article focuses on the study of the anti- slipperiness piles method for the stabilization of the talus. 1. Đặt vấn đề Với diện tích đồi núi chiếm 70% và khí hậu vùng nhiệt đới gió mùa, hệ thống đường giao thông của Việt Nam xuất hiện phổ biến hiện tượng trượt mái taluy của các tuyến đường vùng núi, đặc biệt vào mùa mưa lũ. Hiện tượng này gây ra nhiều thiệt hại như: tăng giá thành công trình, làm chậm tiến độ thi công; mất an toàn lao động dễ gây thiệt hại về người; nguy hiểm cho phương tiện tham gia lưu thông, thiệt hại kinh tế và kéo theo một loạt hậu quả xấu về mặt xã hội. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(44).2011 103 tn tn Các giải pháp thiết kế đã và đang áp dụng hiện nay trong vấn đề xử lý ổn định taluy vẫn thực sự chưa phát huy hết hiệu quả, vẫn xuất hiện nhiều hiện tượng sụt trượt trên các tuyến đường giao thông. Nhằm từng bước giải quyết và tiến tới đảm bảo xử lý triệt để ổn định cho các mái taluy đường miền núi chúng ta cần phải tiến hành nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm, các giải pháp mới trong vấn đề xử lý ổn định, đánh giá và so sánh để chọn ra một giải pháp hợp lý, đảm bảo ổn định lâu dài, có giá thành hợp lý để xây dựng công trình. Nghiên cứu lý thuyết tính toán cọc kháng trượt và khả năng ứng dụng giải pháp cọc kháng trượt trong ổn định mái taluy là một trong những đề tài thiết thực cần được đưa vào trong hệ thống các tiêu chuẩn thiết kế hiện nay. Các tác giả bài báo dựa trên kết quả nghiên cứu của Trung Quốc [6] hệ thống lại lý thuyết tính toán và bằng phương pháp phần tử hữu hạn – FEM [9] – thông qua phần mềm địa kỹ thuật Plaxis để tính toán cụ thể cho một số mặt cắt nền đường thực tế. Qua đó có những khuyến nghị khi áp dụng giải pháp này tại Việt Nam. 2. Nội dung và kết quả nghiên cứu 2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán cọc kháng trượt trong ổn định mái taluy: Bao gồm các bước sau: - Kiểm toán ổn định trượt mái taluy; - Tính toán sức kháng trượt của cọc kháng trượt theo giả thiết cọc đơn; - Tính ổn định mái taluy khi có cọc kháng trượt. Hình 1. Mặt cắt ngang mái taluy ban đầu Hình 2. Mặt cắt ngang mái taluy có cọc kháng trượt 2.1.1. Biểu thức tổng quát tính lực kháng trượt của cọc: dzCKKaKbP captoptO )....( 1 0 ++= ∫ σσ (2.1) Với: Ko, Ka, Kc là các hệ số ảnh hưởng của áp lực đất tĩnh, áp lực đất chủ động và lực dính của khối trượt được xác định theo hình dạng tiết diện cọc, cách bố trí cọc và chỉ tiêu cơ lý của nền đất; b: đường kính qui ước của cọc (cọc tiết diện chữ nhật lấy cạnh lớn). Ta có σ, σ0pt,σapt tại lớp đất thứ j được xác định như sau: σ0ptj = σ0j (2.2) σ0j, σaj là thành phần nằm ngang của cường độ áp lực đất tĩnh và áp lực đất chủ động tại lớp đất thứ j (hình 1), tính σ0j, σaj theo công thức: Cọc kháng trượt TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(44).2011 104 ... 1 1 oj j i jiioj λzγhγσ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ += ∑− = (2.3) acjjaj i i jiiaj λCλzγhγσ ... 1 1 −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ += ∑− = (2.4) Trong đó: γ,h: Trọng lượng riêng (có xét tới lực đẩy nổi) và chiều dày lớp đất thứ i hoặc thứ j. z = (0, hj); ∑ = th j , j = (1÷n), i = (l÷j); n là số lớp đất của khối trượt mà cọc đi qua; l: là tổng chiều dày các lớp đất của khối trượt mà khối trượt đi qua. λ0j, λaj, λacj: Các hệ số thành phần nằm ngang của áp lực đất tĩnh, áp lực đất chủ động và áp lực đất chủ động do lực dính của lớp đất thứ j. ϕj, Cj: Góc ma sát trong và lực dính đơn vị của lớp đất thứ j. Từ biểu thức tổng quát, ta có: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ++= ∫∫∫ dzCKdzσKdzσKDP captaoptO ...... 1 0 1 0 1 0 (2.5) Viết dưới dạng giải tích như sau: ⎪⎩ ⎪⎨⎧ +⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++= ∑∑ − == 1 1 2 1 ..5,0.... )( . i i jjjiiaj n j jd j oj hhhCos Cos KDP γγλϕε ϕ ∑∑∑ = − == ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −+++ n j n jjCj acjjjaj i i jjajjii j jn jn aj εCos hCK λhCλhγλhhγ εCos CosεCos K 1 1 1 2 0 1 .. ......5,0.... )( . . (2.6) 2.1.2. Tính ổn định tổng thể mái taluy có kể đến lực kháng trượt cọc: Biểu thức tổng quát xác định hệ số an toàn ổn định là: t gcgd s R RR F += (2.7) Trong đó: Rgd: lực giữ do nền đất; Rgc: lực giữ do nền cọc; Rt: lực gây trượt. σoj σaj C jh h1 h 2 hj hn -1 hn z Hình 3. Biểu đồ thành phần nằm ngang của áp lực đất và lực dính tác dụng lên cọc. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(44).2011 105 Nếu gọi F0 là hệ số an toàn ổn định do nền đất tạo ra, Fc là hệ số an toàn do nền cọc tạo ra, ta có: t gd R R F =0 t gc c R R F = (2.8) Hệ số an toàn ổn định tổng thể của công trình: Fs = F0 + Fc (Fs ≥ 1.2) (2.9) 2.2. Các kết quả nghiên cứu Dựa trên cơ sở của phương pháp PTHH với sự trợ giúp của phần mềm Địa kỹ thuật Plaxis, các tác giả nghiên cứu giải pháp cọc kháng trượt để gia cố ổn định mái taluy chống trượt sườn và trượt khối nền đường cho dự án đường cao tốc Nội Bài – Lào Cai, đoạn Km218+300 – Km222+00 [2]. Nguyên lý tính toán ổn định mái taluy của phần mềm Plaxis[9] là sử dụng phương pháp tính theo mức độ giảm dần cường độ chống cắt τ = σtgϕ + c tại mặt phá hoại trong nền giữa các lớp địa chất. Hệ số an toàn của mái taluy khi gia cố cọc kháng trượt được xác định theo công thức: φtg φtg c cM sf ** == (2.10) Trong đó: ϕ, c - góc nội ma sát và lực dính của các lớp đất. ϕ*, c* - góc nội ma sát, lực dính của các lớp đất tại thời điểm mái taluy bị mất ổn định. Đồng thời từ kết quả phân tích để xác định các cung trượt cục bộ và trạng thái ứng suất, biến dạng, nội lực trong cọc kháng trượt để tính toán cốt thép. 2.2.1. Giới thiệu về dự án + Tuyến đường đi qua vùng sườn núi có độ cao lớn, mái dốc đào sâu, giật nhiều cơ. + Địa chất gồm các lớp đất sét và thổ nhưỡng dễ gây mất ổn định trượt sườn và trượt khối trong quá trình thi công đào nền và khai thác sử dụng. * Đặc trưng về nền đất: Bảng 01. Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất Chỉ tiêu cơ lý Đơn vị Trị số Chỉ tiêu cơ lý Đơn vị Trị số LỚP 1 (layer 1a) LỚP 2 (layer 4a) Dung trọng khô gk kN/m3 18 Dung trọng khô gk kN/m3 18,1 Dung trọng ướt gw kN/m3 20,0 Dung trọng ướt gw kN/m3 20,0 Mođun biến dạng Eref kN/m2 10 Mođun biến dạng Eref kN/m2 9,9 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(44).2011 106 Hệ số poisson υ 0,35 Hệ số poisson υ 0.35 Lực dính đơn vị cref kN/m2 14,2 Lực dính đơn vị cref kN/m2 9,9 Góc nội ma sát ϕ độ 10,1 Góc nội ma sát ϕ độ 7,5 LỚP 2 (layer 2a) LỚP 2 (layer 4b) Dung trọng khô gk kN/m3 18,1 Dung trọng khô gk kN/m3 21,4 Dung trọng ướt gw kN/m3 20,0 Dung trọng ướt gw kN/m3 21,4 Mođun biến dạng Eref kN/m2 10 Mođun biến dạng Eref kN/m2 10 Hệ số poisson υ 0,33 Hệ số poisson υ 0,33 Lực dính đơn vị cref kN/m2 11,9 Lực dính đơn vị cref kN/m2 5,3 Góc nội ma sát ϕ độ 10,5 Góc nội ma sát ϕ độ 23,1 LỚP 2 (layer 2b) LỚP 3 (layer 6) Dung trọng khô gk kN/m3 18,2 Dung trọng khô gk kN/m3 26,6 Dung trọng ướt gw kN/m3 20,0 Dung trọng ướt gw kN/m3 26,6 Mođun biến dạng Eref kN/m2 10 Mođun biến dạng Eref kN/m2 20 Hệ số poisson υ 0,33 Hệ số poisson υ 0,35 Lực dính đơn vị cref kN/m2 15,1 Lực dính đơn vị cref kN/m2 57,4 Góc nội ma sát ϕ độ 11,5 Góc nội ma sát ϕ độ 36,1 * Đặc trưng cọc kháng trượt: - Cấu tạo cọc: Theo các nghiên cứu của Trung Quốc cọc kháng trượt thường có các thông số thiết kế như sau: Kích thước hình học: Tiết diện hình chữ nhật b=(1.5-2.5)m, h=(2.5-4.0)m. Trường hợp không xác định được hướng khối trượt thì chọn tiết diện tròn. Chiều dài cọc ≤ 35m. Mũi cọc cắm sâu vào tầng đá gốc từ (1/3-2/5) chiều dài cọc. Cách bố trí cọc: Cọc kháng trượt được bố trí một hàng đơn hoặc nhiều hàng tùy theo kích thước khối trượt, khoảng cách tim giữa các cọc (5-10)m. Vật liệu sử dụng: Bê tông xi măng cốt thép thường M20-M30. Để đất không trượt qua khoảng trống giữa các cọc, thường phụt vữa xi măng hoặc đá tảng chèn giữa. Đối với các công trình quan trọng thì nên đặt thêm bản BTCT thành các dầm hoặc tường ngang đảm bảo ổn định toàn khối. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(44).2011 107 250 15 0 - Chọn tiết diện và tính toán các đặc trưng hình học cọc như sau: Hình 5. Mặt cắt ngang cọc Bảng 02. Đặc trưng cơ lý cọc thiết kế Cọc ngàm vào tầng đá gốc tn=2m (hình 1) * Tổ hợp tải trọng tác dụng: - Tải trọng bản thân đất; - Áp lực thủy tĩnh của nước; - Tải trọng ngoài. 2.2.2. Tính toán 02 mặt cắt đặc trưng trên tuyến, các kết quả thu được như sau: a. Mặt cắt lý trình Km218+820: Hình 6. Sơ đồ tính toán mái dốc Hình 7. Sơ đồ ổn định trượt của mái taluy Từ sơ đồ làm việc (hình 6), ta nhận thấy mái taluy sau khi đào bạt tạo cơ sinh ra cung trượt nguy hiểm (hình 9). Vì vậy cần có giải pháp xử lý cung trượt để mái taluy đảm bảo ổn định. Dùng 02 hàng cọc kháng trượt L = 7m và L = 5m để gia cố ổn định cho mái taluy: Hình 8. Sơ đồ tính toán mái dốc có 02 hàng cọc Hình 9. Sơ đồ ổn định trượt của mái taluy STT Đặc trưng Đơn vị Trị số 1 Moduyn đàn hồi bê tông kN/m2 20x106 2 EA - Độ cứng chịu kéo kN/m 6x107 3 EI - Độ cứng chịu uốn kNm2/m 3.625x107 4 Hệ số poisson 0.3 Hàng cọc 2 – L =5m, a=8m Hàng cọc 1 – L =7m, a=8m TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(44).2011 108 514.85 -488.77 452.04 -368.05 Hình 10. Biểu đồ nội lực cọc L=7m và cọc L=5m Hình 11. Biểu đồ hệ số an toàn Msf * Nhận xét: - Khi gia cố 02 hàng cọc kháng trượt như sơ đồ tính (hình 8), kết quả chạy chương trình (hình 9) ta nhận thấy mái taluy không hình thành cung trượt nguy hiểm mà chỉ xuất hiện trượt cục bộ so với trạng thái ban đầu (hình 7); hệ số an toàn Msf tăng (20÷25)% (hình 11). Biểu đồ nội lực: lực cắt (Q), moment (M) trong các hàng cọc như (hình 10). - Để giải quyết dứt điểm mất ổn định cho phần trượt cục bộ này, có thể kết hợp dùng tường chắn rọ đá nổi gia cố đỉnh cơ hoặc tường trọng lực kết cấu đơn giản. b. Mặt cắt lý trình Km219+20: Hình 12. Sơ đồ tính toán mái taluy Hình 13. Sơ đồ ổn định trượt của mái taluy * Nhận xét: Từ sơ đồ làm việc (hình 12) , ta nhận thấy mái taluy sau khi đào bạt tạo cơ sinh ra cung trượt nguy hiểm (hình 13). Vì vậy cần có giải pháp xử lý cung trượt để mái taluy đảm bảo ổn định. * Bố trí 02 hàng cọc kháng trượt L = 16m và L=11m: Hình 14. Sơ đồ tính toán mái dốc Hình 15. Sơ đồ ổn định trượt của mái dốc Hàng cọc 1 – L =16m, a=8m Hàng cọc 2 – L =11m, a=8m (M) (Q) (M) Cọc L = 7m Cọc L = 5m Đường Msf trước ố Đường Msf sau gia ố Cọc L=7m Cọc L=5m (Q) (M) (Q) (M) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(44).2011 109 ơ 1620 -4.040 757,18 -1.920 Hình 16. Biểu đồ nội lực cọc L=16m và L=11m Hình 17. Biểu đồ hệ số an toàn Msf * Nhận xét: - Khi gia cố 02 hàng cọc kháng trượt như sơ đồ tính (hình 14), kết quả chạy chương trình (hình 15) ta nhận thấy mái taluy không hình thành cung trượt nguy hiểm mà chỉ xuất hiện trượt cục bộ so với trạng thái ban đầu (hình 13); hệ số an toàn Msf tăng (20÷25)% (hình 17). Biểu đồ nội lực: lực cắt (Q), moment (M) trong các hàng cọc như (hình 16). - Để giải quyết mất ổn định cho phần trượt cục bộ này, có thể kết hợp dùng tường chắn rọ đá nổi gia cố đỉnh cơ hoặc tường trọng lực kết cấu đơn giản. - Để giải quyết dứt điểm hiện tượng mất ổn định cho phần trượt cục bộ giữa hai hàng cọc có thể dùng tường chắn rọ đá, tường chắn BTCT đơn giản, tấm panel lắp ghép giữa các cọc hoặc dùng các biện pháp cải thiện đất như: phụt vữa xi măng, chất kết dính... 3. Kết luận và khuyến nghị Bài báo đã giới thiệu lý thuyết tính toán cọc kháng trượt trong gia cố ổn định mái taluy nền đường cùng các quy định về cấu tạo cọc dựa trên các tài liệu tham khảo của Việt Nam, các nước cùng quy trình phòng chống trượt sườn của Trung Quốc. Các tác giả sử dụng phần mềm địa kỹ thuật Plaxis để tính toán cho 02 mặt cắt của dự án đường cao tốc Nội Bài – Lào Cai, kết quả thu được: biểu đồ hệ số an toàn Mfs, các biểu đồ nội lực (M,Q). Với kết quả nghiên cứu của bài báo chúng ta nhận thấy trong trường hợp với các mái taluy có chiều cao lớn, nguy cơ trượt sườn và trượt khối cao, hoặc các mái taluy dễ gây mất ổn định trượt sâu mà các giải pháp thông thường gặp nhiều hạn chế thì khuyến nghị nên sử dụng giải pháp cọc kháng trượt. Nên áp dụng giải pháp cọc kháng trượt gia cố ổn định các mái taluy nền đường miền núi thường xuyên xảy ra trượt sườn trượt khối như đường Hồ Chí Minh, các dự án đường cao tốc, các Quốc lộ có tầm quan trọng chiến lược, v.v... sẽ đem lại độ ổn định Đường Msf trước Đường Msf sau khi (Q) (M) (Q) (M) Cọc L 16 Cọc L 11 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(44).2011 110 bền vững cho công trình và giá thành xây dựng thấp, thẩm mỹ cao, bảo vệ cảnh quan môi trường...; Đối với các dự án đi qua vùng đồi núi mái taluy lớn, nguy cơ trượt sườn và trượt khối cao khuyến nghị nên đưa giải pháp cọc kháng trượt vào trong giai đoạn thiết kế ban đầu để tăng tính ổn định bề vững của công trình, giảm giá thành xây dựng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.B. Fadeev (1995), Phương pháp phần tử hữu hạn trong địa cơ học, Nguyễn Hữu Thái, Nguyễn Uyên, Phạm Hà dịch, NXB Giáo dục, Hà Nội. [2] Hồ sơ báo cáo kiểm tra thiết kế ổn định mái dốc đào sâu cho đoạn tuyến Km218+300-Km222+000, Dự án Đường cao tốc Nội Bài – Lào Cai, giai đoạn thiết kế bản vẽ thi công. [3] Joseph E.Bowles - Foundation Analysis and Design-Fifth Edition, McGwaw-Hill, 2007. [4] Lymon C.Reese, William M. Isenhower, Shin-Tower Wang - Analysis and design of Shallow and Deep Foundations, John Wiley & Sons, Inc, 2005. [5] Phan Trường Phiệt (2001), Áp lực đất và tường chắn đất, Nhà xuất bản Xây dựng. [6] Quy phạm thiết kế và thi công phòng chống trượt sườn (DZ0240-2004), Tiêu chuẩn QG Nước Cộng hoà nhân dân Trung Hoa, Nhà xuất bản XD TQ, 2004. [7] TCVN 205-1998, Tiêu chuẩn thiết kế, thi công và nghiệm thu móng cọc, Nhà Xuất bản Xây dựng, Hà Nội, 2002. [8] Vũ Công Ngữ - Nguyễn Thái, Móng Cọc – Phân tích và Thiết kế, Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004. [9] Vermeer P.A., Brinkgreve R.B.J. (Eds.) (1998), PLAXIS - finite element code for soil rock ananyses. Plaxis User's Manual v. 7. Plaxis B. V., Delft – Netherlands. (BBT nhận bài: 09/05/2011, phản biện xong: 17/05/2011)