Một số vấn đề ứng dụng cốt địa kỹ thuật khi thiết kế mái dốc đứng - Nguyễn Mai Chi

Nội dung text: Một số vấn đề ứng dụng cốt địa kỹ thuật khi thiết kế mái dốc đứng - Nguyễn Mai Chi

1. MỘT SỐ VẤN ĐỀ ỨNG DỤNG CỐT ĐỊA KỸ THUẬT KHI THIẾT KẾ MÁI DỐC ĐỨNG ThS. NguyÔn Mai Chi Bộ môn Thuỷ công-Đại học Thuỷ lợi. Tóm tắt: Khi thiết kế mái đất cho các công trình, mái đất càng dốc thì càng kinh tế nhưng có một vấn đề đặt ra là sự ổn định mái dốc. Để đảm bảo sự an toàn cần thiết cho mái, một trong những giải pháp được áp dụng là dùng cốt địa kỹ thuật (Vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật) làm hệ thống cốt trong đất để tăng góc mái dốc hoặc tăng ổn định mái chịu tải trọng. Bài báo tổng hợp các giải pháp kết cấu khi sử dụng cốt địa kỹ thuật với các lợi ích về kinh tế, kỹ thuật và môi trường. Đồng thời giới thiệu với bạn đọc phần mềm ReSlope(4.0) là phần mềm chuyên dụng của công ty ADAMA-Engineering-Hoa Kỳ dùng tính toán kết cấu mái dốc có sử dụng cốt địa kỹ thuật. Từ khoá: Vải địa kỹ thuật (Geotextiles); Lưới địa kỹ thuật (Geogrid);Mái dốc đứng có cốt (Reinforced Steep Slope) 1. Đặt vấn đề thường bỏ qua sự làm việc của các vật liệu này. Khi thiết kế mái đất cho các công trình, thì sự Qua thống kê một số công trình tại Việt ổn định của mái dốc được quan tâm hàng đầu. Nam, ví dụ hệ thống mái ta luy dọc theo đường Mái đất càng xoải, hay nói cách khác góc mái Hồ Chí Minh đoạn chạy qua Quảng Trị. Nhận dốc nhỏ thì độ ổn định của mái càng đảm bảo. thấy phần lớn các mái dốc đều bị sạt lở nghiêm Nhưng có trường hợp do điều kiện địa hình mà trọng vào mùa mưa. Khi bị sạt lở thì các đơn vị không cho phép thiết kế mái đất xoải mà chỉ có thường, một mặt xúc chuyển phần sạt, một mặt thể thiết kế mái dốc đứng. Hoặc để tận dụng tiếp tục bạt mái, như vậy sẽ phải chuyển một khoảng diện tích trên đỉnh mái cũng phải thiết lượng đất rất lớn ra khỏi hiện trường. Mặt khác kế mái dốc đứng. Mái dốc đứng là các mái dốc các mái dốc thường để trần không có thực vật có góc dốc 450 ≤ β ≤ 900 . Nếu mái dốc đứng có bao phủ trông rất mất mỹ quan. Vì vậy để tiết kèm theo tải trọng tác dụng lên mái, trên đỉnh kiệm thời gian và ngân sách, cần gia cố mái mái thì càng dễ mất ổn định. Vì vậy để đảm bảo taluy dốc hơn tự nhiên và trồng cỏ trên mặt mái sự an toàn cần thiết cho mái, một trong những dốc tạo mỹ quan tự nhiên. giải pháp được áp dụng là dùng cốt địa kỹ thuật 2. Nguyên tắc tính toán mái dốc có cốt địa để làm hệ thống cốt trong đất nhằm tăng góc kỹ thuật-Bài toán về lực neo lớn nhất mái dốc hoặc tăng ổn định mái chịu tải trọng. Sự phá hỏng khối đất nói chung và khối đất Ở nước ta, một số đơn vị tư vấn có sử dụng có cốt nói riêng đều có cơ chế trượt của khối hai phương pháp thường dùng để thiết kế mái trượt theo mặt trượt (còn gọi là mặt phá hoại). đất có cốt địa kỹ thuật. Đó là phương pháp dùng Mặt trượt khả dĩ hay còn gọi là mặt phá hoại của biểu đồ của Schmertman và nnk với sự chỉ dẫn khối đất có cốt xảy ra khi hệ thống cốt neo bị tụt của FHWA (Federal Highway Administration hoặc khi hệ thống cốt neo bị đứt. USA ) và phương pháp dùng mặt trượt khả dĩ Dù do tụt neo hay do đứt neo thì sự phá hoại của Culmann. Những phương pháp này thường khối đất vẫn theo cơ chế trượt khối đất trên mặt hạn chế các điều kiện biên khi tính toán, bởi vì phá hoại có dạng cong Logarit. Khối đất có đặt nếu chỉ có mái dốc đơn thuần thì việc tính toán cốt nằm ngang bằng vải địa kỹ thuật hay lưới là khá dễ dàng. Nhưng khi mái dốc có bố trí địa kỹ thuật có thể coi như một chỉnh thể. Do thêm thiết bị tiêu nước, hay vật liệu thoát nước vậy khi phân tích có thể coi khối đất trượt ứng tốt ở mặt mái dốc thì việc tính toán bằng tay xử như một chỉnh thể. Vấn đề đặt ra ở đây là 71
2. xác định lực neo cần thiết để neo giữ khối đất ở trạng thái cân bằng giới hạn trên mặt trượt. 1.1. Sơ đồ xác định vị trí mặt trượt khả dĩ Hình 1: Sơ đồ lực tác dụng lên khối trượt ABC theo mô hình tính toán hệ thống neo Tách một mét dài công trình đất có cốt để xét 1 T T H 2 K q (5) sự cân bằng giới hạn của khối đất ABC ứng xử  i 2 như một vật thể hoàn chỉnh. Hình 1.a là mô hình K K tgq K tg 2q K q 0 1 2 (6) tính toán và hình 1.b là sơ đồ lực tính toán. tg tgq Trong hình 1.b các đại lượng được xác định lần Trong đó: lượt như sau : 2c Ti và T là lực neo (hoặc lực kéo) của mỗi lớp K 0 tg K1 1 tg (7) cốt và tổng lực neo được xác định theo công H thức: 2c K 2 tg T=Ti (i=1,2,3, ,n) (1) H R-phản lực của vùng neo lên khối đất ABC Từ các biểu thức vừa nêu trên, nhận thấy C-lực dính tác dụng lên mặt BC, xác định rằng trị số tổng lực neo T là hàm của góc q, tức theo công thức: quan hệ với vị trí của mặt trượt khả dĩ cần thiết. c.H C c.BC C (2) Trị số góc q xác định vị trí mặt trượt khả dĩ cosq được xác định theo điều kiện có lực neo T là lớn G-Trọng lượng của khối trượt ABC, xác định nhất, tức tính theo công thức: dT q 1 0 ( 8) G H 2 tgq tg (3) dq 2 với T(q) xác định theo biểu thức (5) Để xác định lực neo T (công thức 1), chiếu Từ phương trình (8) có công thức tính trị số hệ lực tác dụng vào khối đất ABC lên phương U góc q để xác định vị trí mặt trượt khả dĩ cho 3 vuông góc với phản lực R. trường hợp: tường đất có cốt, tường mái đất có U = -Gsin(q- ) + Tcos(q- ) + C.cos = 0 (4) cốt và mái đất có cốt Từ các biểu thức 2-3-4 suy ra được biểu thức q 450 (9) tính tổng lực neo T 2 72
3. Bảng 1: Trị số góc q để xác định mặt trượt khả dĩ trong các trường hợp góc mái dốc khác nhau Với các trị số q cho ở bảng 1 sẽ xác định - Tạo khối đất có cốt ứng xử như một chỉnh được vị trí mặt trượt khả dĩ và từ đó xác định thể khi sử dụng và do đó khối trượt trong trường được miền neo và chiều dài của vải địa kỹ thuật, hợp tụt cốt hay đứt cốt cũng ứng xử như một lưới địa kỹ thuật cần chôn vào miền neo để neo chỉnh thể. khối trượt ABC ở trạng thái cân bằng giới hạn - Neo khối đất trượt vào miền neo, chiều dài trên mặt trượt khả dĩ BC cốt phải đủ dài để chống lại lực kéo neo Tkéo. Vì 1.2. Xác định lực kéo neo Tk vậy phải xác định lực kéo neo gọi tắt là lực kéo. Mặt trượt khả dĩ xác định bằng góc q ở bảng Ở trạng thái cân bằng giới hạn, lực kéo neo 1 cho phép xác định được miền neo và khối đất do khối đất trượt gây nên có trị số bằng lực neo trượt. Cốt vải địa kỹ thuật và lưới địa kỹ thuật Tmax nhưng có chiều ngược lại. có hai tác dụng cơ bản trong khối đất có cốt. Hình 2: Sơ đồ xác định lực kéo neo Tkéo 73
4. Do vậy lực kéo neo, ký hiệu là T làm hệ 2c cos cos kéo   (12) thống neo có nguy cơ bị tụt, được xác định theo a H cos 2 450 công thức: 2 1 T  H 2 K (10) Nếu đất đắp sau tường là đất rời, tức là có keo 2 a k c=0 thì trị số của a= với  là trọng lượng riêng Trong đó: của đất đắp. Trị số KK trong công thức 6-11 ứng 2 0 với các loại công trình đất có cốt được trình bày K k tg 45 tg cos (11) 2 trong bảng 2 Bảng 2 : Xác định trị số KK với các trường hợp góc dốc 3. Thiết kế mái dốc có cốt khi sử dụng định tổng thể của mái dốc, ổn định cục bộ (kéo phần mềm ReSlope(4.0) tụt cốt hoặc đứt cốt), lựa chọn khoảng cách đặt 3.1. Giới thiệu về phần mềm ReSlope(4.0) cốt tối ưu cho từng lớp cốt, tính tổng khối lượng Phần mềm ReSlope(4.0) – Reinforced Steep cốt đã sử dụng và giá thành của nó. Slope(4.0) là phần mềm chuyên dụng của công 3.2. Phân tích bài toán ứng dụng ty ADAMA-Engineering –Hoa Kỳ dùng để thiết Cần thiết kế một mái dốc với góc mái dốc kế mái dốc đứng công trình đất, khi có sử dụng =750, chiều cao từ chân mái đến cơ là 6m. Tải cốt địa kỹ thuật để tăng ổn định cho công trình. trọng phân bố trên cơ là 2KN/m2, tải trọng trên Chương trình có khả năng mô phỏng mái dốc đỉnh mái là 4KN/m2. Các chỉ tiêu cơ lý của đất công trình đất khi chịu tải trọng trên mái, trên cho ở bảng 3. Yêu cầu tính toán bố trí cốt một cơ hay trên đỉnh mái và cũng xét tới tải trọng cách hợp lý để đảm bảo an toàn cho mái dốc. Sử động đất. Vật liệu cốt sử dụng có thể là vải địa dụng phần mềm ReSlope(4.0) để tính toán. Cốt kỹ thuật, lưới nhựa địa kỹ thuật hay lưới thép được sử dụng chọn loại cốt vải địa kỹ thuật chịu địa kỹ thuật. Chương trình ứng dụng lý thuyết kéo (Woven Geotextiles Strength)-HS100/50 là ổn định mái dốc của Bishop (Phương pháp trượt loại vải có thông số chịu kéo nhỏ nhất trong cung tròn) và lý thuyết của Spencer (Trượt nhóm vải địa kỹ thuật của hãng UCO- nêm). Kết quả tính toán cho phép xác định ổn GEOTEXTILES Bảng 3: Các chỉ tiêu cơ lý đất dùng trong tính toán Tên đất Trọng lượng riêng tự Góc ma sát Lực dính đơn vị nhiên (KN/m3) trong (độ) C(KN/m2) Đất trong phạm vi cốt (Reinforced Soil) 19 30 0 Đất đắp trở lại (Backfill Soil) 18 20 12 Đất nền (Foundation Soil) 19 22 10 74
5. Kết quả tính toán cho phép đặt 10 lớp cốt với khoảng cách và chiều dài cốt như thống kê ở bảng 4 Bảng 4 : Cao độ, chiều dài cốt và hệ số an toàn ổn định cục bộ( đứt cốt, tụt cốt) của các lớp cốt bố trí trong mái dốc Khoảng cách gần nhất của 2 lớp cốt là 30cm, Hệ số ổn định đứt cốt là lớn hơn 1.3( Mode xa nhất là 60cm, chiều dài cốt lớn nhất là 6.98m of Failure: Compound), hệ số ổn định tụt cốt là và ngắn nhất là 4,64m. 1.81( Mode of Failure: Tieback) Hình 3 : Kết quả tính toán bố trí cốt trong mái dốc 75
6. Hình 4 : Kết quả tính ổn định mái dốc khi đã bố trí cốt – Fs(min-min)=1.61 4. Hiệu quả của giải pháp kết cấu đất có vòng qua bề mặt rồi neo lại trong nền đất đắp. cốt khi thiết kế mái dốc đứng Trong qua trình bó uốn cần dùng các bao đất Một trong những công ty đi đầu trong việc áp hoặc hỗ trợ tạm thời để tạo bề mặt và kiểm soát dụng công nghệ vật liệu đất có cốt để gia cố hướng tuyến, cần thiết cho việc đầm nén được công trình là công ty Tensar (Tensar chắc chắn. Một mái taluy mềm sẽ mang lại International Company). Khi sử dụng cốt địa kỹ nhiều lợi ích về kinh tế và cho phép khách hàng thuật, giải pháp của Tensar cho phép thi công lựa chọn nhiều bề mặt hấp dẫn. Các lợi ích từ mái taluy dốc đến 900. Việc lựa chọn thiết kế bề việc thi công mái taluy dốc có gia cố như giảm mặt mềm cho mái taluy có thể phụ thuộc vào thiểu đất sử dụng, giới hạn việc lấy đất ở những nhiều yếu tố, chẳng hạn như nhu cầu hoàn thiện khu vực nhạy cảm về môi trường, giảm khối bề mặt, những hạn chế và tình huống cụ thể của lượng đất đắp theo yêu cầu và là giải pháp môi trường địa phương và quan trọng hơn nữa tường mềm thay thế tường chắn bề mặt cứng ở là yếu tố góc nghiêng của mái taluy. Tensar những nơi nhạy cảm về môi trường cung cấp hàng loạt các kỹ thuật thi công nhưng Khi sửa chữa mái sạt lở, nên dùng cốt địa kỹ phổ biến hơn cả vẫn là ứng dụng lưới địa kỹ thuật để sử dụng lại đất sạt xuống hoặc đất đào thuật bó uốn hoặc sử dụng panel lưới thép phía mở móng, như vậy sẽ giảm được chi phí vận bề mặt mái taluy. chuyển đất sạt lở ra khỏi khu vực, giảm ách tắc Với phương án hoàn thiện sử dụng phương giao thông. Hình 5 là mặt cắt ngang nền đắp tiêu pháp bó uốn Tensar, bề mặt mái taluy được hình chuẩn sau khi sửa chữa. thành bằng cách trải và cuốn lưới địa kỹ thuật 76
7. Hình 5: Mặt cắt ngang nền đắp tiêu chuẩn sau khi sửa chữa. Với mái dốc có góc dốc lớn hơn 450 khi xây pháp làm tường chắn vì nó mềm mại và thi công dựng mới: Giải pháp sử dụng cốt địa kỹ thuật trong đơn giảm. Đảm bảo độ ổn định tổng thể của hệ trường hợp này cho phép giảm thiểu được đất sử thống. Hình 6 là một ví dụ thực tế cho mái dốc dụng, giảm khối lượng đất đắp yêu cầu, lợi hơn giải đứng vừa tiết kiệm, vừa kỹ thuật và vừa mỹ quan. Hình 6: Mái dốc đứng của một bãi đỗ trực thăng. 5. Kết luận 3 phần riêng biệt: phần đất cùng với cốt, phần Khi thiết kế mái dốc đứng của công trình, đất đắp trở lại, và phần đất nền, vì vậy có thể giải pháp kết cấu đất có cốt đem lại nhiều hiệu chọn những loại vật liệu thoát nước tốt đặt cùng quả về kinh tế, kỹ thuật và môi trường. Việc cốt để làm nhiệm vụ thoát nước ngầm cho mái. tính toán bằng phần mềm chuyên dụng Hoặc tận dụng vật liệu sạt lở đặt cùng cốt, như ReSlope(4.0) cho phép đặt tải linh hoạt tại các vậy sẽ giảm khối lượng san gạt vận chuyển đất vị trí của mái dốc. Vật liệu đất được bố trí thành đi nơi khác mà vẫn đảm bảo an toàn cho công 77
8. trình. Phần mềm cho phép chọn lựa nhiều phân tích ổn định mái dốc có cốt. phương án đặt cốt, nhiều loại cốt, có thể bố trí Kết quả tính toán với mái dốc đứng như đã cốt với khoảng cách đều và chiều dài cốt như nêu ở trên, cần phải bố trí 10 lớp cốt vải địa kỹ nhau, hoặc có thể lựa chọn tối ưu chỗ nào cần thuật tại các cao trình với chiều dài cốt như ở thì bố trí dày, chỗ nào tải trọng nhỏ thì bố trí ít bảng 4. Hệ số an toàn ổn định đứt cốt lớn hơn và có xét tải trọng động đất. Ngoài ra 1.3, hệ số an toàn ổn định tụt cốt lớn hơn 1.8, hệ ReSlope(4.0) còn chạy tích hợp với một số số ổn định trượt tổng thể Fs=1.61. Như vậy có Modun khác cùng trong bộ phần mềm để phân thể kết luận mái dốc đứng làm việc an toàn khi tích cố kết, phân tích ổn định tường đất có cốt, chịu tải trọng trên cơ và trên đỉnh mái. DANH MỤC SÁCH THAM KHẢO. [1] GS.TSKH. Cao Văn Chí, PGS.TS.Trịnh Văn Cương – Cơ học đất- Nhà xuất bản xây dựng - 2003 [2] GS.TS Phan Trường Phiệt - Sản phẩm địa kỹ thuật Polime và compozít trong xây dựng dân dụng giao thông thuỷ lợi – NXB xây dựng – 2007. [3]. Nguyễn Mai Chi- Nghiên cứu kích thước hợp lý của thiết bị tiêu nước đến ổn định mái dốc công trình đất- Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật-2005 [4]. Tensar International Limited - Giải pháp kết cấu Tensar. [5] Krytian W.pilarczyk – Geosynthetics and Geosystems in Hydraulic and Coastal Engineering.- A.A.BANKEMA/ROTTERDAM/BROOKFIELD/2000. [6] LEE W.ABRAMSON, THOMAS. S. LEE, SUNIL SHARMA, GLENN M.BOY – Slope Stability and Stabilization Methods- John Wiley & Sons, Inc-New York-2002. Abstract THE APPLICATION OF REINFORCED EARTH STRUCTURE TO STEEP SLOPE DESIGN. In the consideration of slope design, the slope has been designed more steep, it brings more benefit, but should be considered about stabilization of slope. In order to stabilise slope, one of the ways are applied to use Geotextiles or geogrid as a anchor. This solution helps to increase angle of slope or to make more stabilization for slope with surcharge. This paper was summaried some solutions of reinforced earth structure for economical, technological, environmental benefit and introduced ReSlope(4.0) sofware of ADAMA-Engineering Company for Reinforced Steep Slope Design. 78