Bùi Mạnh Cường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

*
LUẬN VĂN THẠC SỸ

Bùi Mạnh Cường

NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG TRƯỢT CỦA MÁI ĐÁ, KIỂM

*

CHỨNG VỚI NỘI DUNG CỦA PHƯƠNG PHÁP SỐ, ĐỀ

Ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình Ngầm

XUẤT PHƯƠNG HƯỚNG GIỮ ỔN ĐỊNH CHỐNG TRƯỢT

LUẬN VĂN THẠC SỸ
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình Ngầm
Chuyên ngành ghi tên chuyên ngành đào tạo

*
Năm - 2014

Hà Nội - 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO


LỜI CẢM ƠN
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng Công trình Ngầm
với đề tài “Nghiên cứu hiện tượng trượt của mái đá, kiểm chứng với nội dung của
phương pháp số, đề xuất phương hướng giữ ổn định chống trượt” là sự thể hiện
những kiến thức đã thu nhận được của tác giả trong những năm học tại Trường đại
học Xây dựng dưới sự chỉ dẫn tận tình của các thầy cô trong trường và đặc biệt là
các thầy cô trong bộ môn Cơ đất – Nền móng. Tác giả luận văn xin được bày tỏ
lòng biết ơn sâu sắc đến:
TS. Lê Thiết Trung, trưởng bộ môn Cơ đất – Nền móng trường đại học Xây
dựng Hà Nội, người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình trong suốt thời gian
nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
TS. Vũ Minh Tân, bộ môn Cơ đất – Nền móng trường đại học Xây dựng Hà
Nội, người đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu, giúp em sửa chữa những thiếu sót
của luận văn. Cùng toàn thể các thầy cô thuộc bộ môn Cơ đất – Nền móng, những
người đã giúp đỡ cổ vũ và tạo mọi điều kiện cho học viên trong suốt quá trình học
tập, định hướng nghiên cứu cũng như thực hiện luận văn.
Cuối cùng xin gửi lời biết ơn đến những người thân trong gia đình, bạn bè,
đồng nghiệp đã cổ vũ, động viên trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và hoàn
thành luận văn của mình.

Hà Nội, ngày 19 tháng 3 năm 2014
Học viên

Bùi Mạnh Cường


iii

MỤC LỤC

1.1.1. Khái niệm ........................................................................................................ 3
1.1.2. Các loại hình mất ổn định của mái dốc............................................................. 4
1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới sự ổn định của mái dốc............................................. 7
1.1.4. Vấn đề mất ổn định mái dốc đá trong xây dựng.............................................. 12
1.2. Các phương pháp tính toán ổn định mái dốc đá ..................................................... 16
1.2.1. Khái niệm ...................................................................................................... 16
1.2.2. Các phương pháp tính toán ổn định bờ dốc..................................................... 17
1.3. Các phương pháp giữ ổn định ............................................................................... 25
1.3.1. Sửa mặt bờ dốc .............................................................................................. 25
1.3.2. Gia cố bờ dốc, chống phong hóa mái dốc ....................................................... 26
1.3.3. Làm chắc đất đá ............................................................................................. 27
1.3.4. Xây dựng các công trình chống trượt.............................................................. 27
1.3.5. Xây dựng các công trình thoát nước ............................................................... 29
1.4. Kết luận................................................................................................................ 30
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM SLIDE V6 ............................................. 31
2.1. Tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn......................................................... 31
2.1.1. Tổng quan...................................................................................................... 31
2.1.2. Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn........................................................ 32
2.2. Tổng quan về phần mềm SLIDE V6 ..................................................................... 33
2.2.1. Tổng quan...................................................................................................... 33
2.2.2. Các modul chính của phần mềm SLIDE......................................................... 34


iv

2.2.3. Các dạng bài toán của SLIDE......................................................................... 36
2.2.4. Ưu và nhược điểm của phần mềm .................................................................. 37
2.2.5. Các ứng dụng của phần mềm SLIDE.............................................................. 38
2.2.6. Các bước mô phỏng hóa................................................................................. 38
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TRƯỢT MÁI DỐC TỰ NHIÊN ......................... 46

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
c

Lực dính của khối đá

G (W)

Khối lượng của khối trượt

n (FS)

Hệ số ổn đinh, hệ số an toàn

MCE

"Maximum Credible Earthquake" Động đất cực đại có thể

OBE

"Operating Basis Earthquake" Động đất vận hành cơ sở

PGA

Gia tốc cực đại nền



Góc nghiêng của mặt trượt so với phương ngang

Hình 1.10: Mặt trượt song song bờ dốc............................................................................ 18
Hình 1.11: Mặt trượt không song song bờ dốc ................................................................. 19
Hình 1.12: Bờ dốc có 2 mặt trượt .................................................................................... 21
Hình 1.13: Phương pháp tải trọng thừa ............................................................................ 22
Hình 1.14: Bờ dốc có nhiều mặt trượt.............................................................................. 22
Hình 1.15: Phương pháp vòng tròn lớn ............................................................................ 23
Hình 1.16: Gia cố mái .................................................................................................... 26
Hình 1.17: Bơm keo PUR gia cố mái đá .......................................................................... 27
Hình 1.18: Tường chắn kết hợp neo tại Ruzbakhi ............................................................ 28
Hình 1.19: Dùng cọc bê tông và neo ổn định mái đường tại San Remo ............................ 28
Hình 2.1: Phần mềm SLIDE V6 ...................................................................................... 33
Hình 2.2: Modul MODEL ............................................................................................... 34
Hình 2.3: Modul Groundwater compute .......................................................................... 35
Hình 2.4: Modul Slope Stability Compute ....................................................................... 35
Hình 2.5: Modul INTERPRET ........................................................................................ 36
Hình 2.6: Điều kiện ban đầu ............................................................................................ 39
Hình 2.7: Các mô hình tính toán ...................................................................................... 39
Hình 2.8: Khai báo vật liệu cho lớp EDQ + IA1 .............................................................. 41
Hình 2.9: Tải trọng phân bố đều ...................................................................................... 41
Hình 2.10: Tải trọng động đất.......................................................................................... 42
Hình 2.11: Dạng mặt trượt gãy khúc................................................................................ 42


vii

Hình 2.12: Định vị khu vực nguy hiểm cần tính............................................................... 43
Hình 2.13: Khai báo phương pháp gia cố......................................................................... 44
Hình 2.14: Bố trí neo....................................................................................................... 44
Hình 2.15: Kết quả tính toán hệ số ổn định ...................................................................... 45
Hình 2.16: Biểu đồ lực cắt ............................................................................................... 45


Hình 4.6: Mặt trượt nguy hiểm ........................................................................................ 79
Hình 4.7: Mô hình mái gia cố bằng phương pháp neo...................................................... 80
Hình 4.8: Kết quả tính toán mặt trượt khi  3  20o ......................................................... 82
Hình 4.9: Hệ số an toàn nhỏ nhất FSmin = 1.316 ............................................................. 83
Hình 4.10: Kết quả tính toán mặt trượt khi  6  50o ........................................................ 83
Hình 4.11 Hệ số an toàn nhỏ nhất FSmin = 1.216 ............................................................ 84
Hình 4.12: Biểu đồ quan hệ góc nghiêng - hệ số ổn đinh.................................................. 85
Hình 4.13: Kết quả tính toán mặt trượt khi Lf1 = 12 m...................................................... 86
Hình 4.14: Hệ số an toàn nhỏ nhất FSmin = 1.200 ........................................................... 86
Hình 4.15: Kết quả tính toán mặt trượt khi Lf1 = 18 m ..................................................... 87
Hình 4.16: Hệ số an toàn nhỏ nhất FSmin = 1.424 ........................................................... 87
Hình 4.17: Biểu đồ quan hệ chiều dài tự do - hệ số an toàn.............................................. 88
Hình 4.18: Kết quả tính toán mặt trượt khi axb = 2x3m ................................................... 89
Hình 4.19: Hệ số an toàn nhỏ nhất FSmin = 1.221 ........................................................... 90
Hình 4.20: Kết quả tính toán mặt trượt khi axb = 3x3 m .................................................. 90
Hình 4.21: Hệ số an toàn nhỏ nhất FSmin = 1.111 ........................................................... 91
Hình 4.22: Biểu đồ quan hệ khoảng cách neo - hệ số ổn định........................................... 92


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Phân loại chuyển động mái dốc ......................................................................... 5
Bảng 2.1: Bộ số liệu đầu vào SLIDE ............................................................................... 38
Bảng 3.1: Trụ địa chất ..................................................................................................... 47
Bảng 3.2: Số liệu địa chất lớp edQ + IA1......................................................................... 48
Bảng 3.3: Số liệu địa chất lớp IA2 ................................................................................... 48
Bảng 3.4: Số liệu địa chất lớp IB ..................................................................................... 49
Bảng 3.5: Số liệu địa chất lớp IIA.................................................................................... 49

giới. Các khu vực có nguy cơ tương đối cao bao gồm khoảng 820.000 km2 với dân
số thiệt hại ước tính là 66 triệu người.
Qua tham khảo và tìm hiểu, hiện nay ở Việt Nam đã có nhiều các công trình
nghiên cứu về sự trượt, sạt lở của mái dốc. Các nghiên cứu này đã làm rõ được một
phần các vấn đề của hiện tượng trượt mái dốc nói chung và mái dốc đá nói riêng.
Tuy nhiên, các vấn đề về mái dốc đá vẫn còn nhiều và chưa được nghiên cứu kĩ. Vì
vậy, việc nghiên cứu sự ổn định trượt của mái đá là cần thiết và quan trọng trong
vấn đề đảm bảo an toàn trong thi công các công trình có mái dốc bằng dá.
2. Mục tiêu của luận văn


Thu thập số liệu thực tế liên quan đến địa chất của một khu vực sườn dốc đá;



Nghiên cứu chuyển vị mái đá theo công thức lý thuyết và sử dụng phần mềm
chuyên dụng để mô phỏng số hóa;



Đề xuất một giải pháp chống trượt cho mái đá. Đánh giá hiệu quả của biện
pháp thông qua mô phỏng bằng phần mềm trên.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn


Đối tượng nghiên cứu: Mái dốc taluy đá.




Kết luận
6. Đóng góp của luận văn


Trình bày nguyên lý tính toán ổn định theo mặt trượt phẳng của mái dốc đá;



Đề xuất và đánh giá được hiệu quả của biện pháp neo gia cố thông qua kết quả
tính toán bằng phần mềm địa kĩ thuật;



Tìm ra mối liên hệ giữa các điều kiện tự nhiên, địa chất thủy văn tới độ ổn
định của mái dốc đá.


3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH MÁI DÔC ĐÁ
1.1. Tổng quan về ổn định mái dốc đá
1.1.1. Khái niệm
1.1.1.1 Khái niệm chung
Mái dốc của khối đất đá có thể được hình thành do tác nhân tự nhiên hoặc
nhân tạo. Tất cả các mái dốc có xu hướng giảm độ dốc tới dạng ổn định. Mất ổn
định được quan niệm là khi có xu hướng di chuyển và phá hoại. Khi đó các lực gây
mất ổn định lớn hơn các lực giữ ổn định. [9, tr 266]
MÁI DỐC
MÁI DỐC TỰ NHIÊN



Hình 1.1: Các loại mái dốc
Có nhiều dạng di chuyển của sự mất ổn định trong đó tiêu biểu là sụt lở và
trượt. Đối với các mái dốc đá, hiện tượng này tương ứng với đá rơi và trượt.
1.1.1.2 Mái dốc đất
Sự mất ổn định của mái dốc đất thể hiện chủ yếu qua hai dạng:
Sụt lở là đất đá di chuyển rời xa khỏi chỗ bị gián đoạn: các thớt nứt, đứt gẫy,
mặt phân lớp… và điều kiện phá hoại hay thúc đẩy do tác động của áp lực nước hay
áp lực băng.


4

Trượt là dạng di chuyển mà trong đó khối đất đá cơ bản không bị xáo trộn
trong khi trượt dọc theo một mặt xác định. [10, tr180]
1.1.1.3 Mái dốc đá
Mất ổn định mái đá là hiện tượng dưới tác dụng của trọng lượng bản thân khối
đá trong bờ dốc, đồng thời do tác dụng của các yếu tố bên ngoài như ngoại lực, các
hoạt động địa chất hay các tác động của nước ngầm và nước mặt…mà có thể làm bờ
dốc bị dịch chuyển [7, Tr 266].
Từ quan sát dịch chuyển và nghiên cứu trạng thái ứng suất của khối đá trên bờ
dốc sẽ đánh giá được sự ổn định của bờ dốc. Nói chung, một bờ dốc sẽ ổn định khi
ΣSi > ΣTi

(1-1)

Trong đó:


ΣSi là tổng các lực giữ bờ dốc không bị trượt theo mặt yếu nhất trong khối đá.

cắt nhau, mặt trượt có thể là một mặt gẫy khúc hay có thể cắt khe nứt ở một phần
nào đó của mặt trượt.

Mặt trượt phẳng

Mặt trượt cung tròn

Mặt trượt bất kì

Hình 1.2: Các dạng mặt trượt khi trượt theo một mặt trượt
Theo D.J. Varnes ta có thể phân loại các loại chuyển động khi mái dốc mất ổn
định như bảng 1.1.
Bảng 1.1: Phân loại chuyển động mái dốc
Loại vật liệu
Loại chuyển động

Đá gốc

Đất xây dựng
Chủ yếu hạt thô

Chủ yếu hạt mịn

Rơi (lở)

Rơi đá

Rơi mảnh vụn

Rơi đất

vụn

Trượt lở đất

Trượt khối đất

Trượt đá

Trượt mảnh vụn

Trượt đất

Tản ngang

Tản đá

Tản mảnh vụn

Tản đất

Dòng

Dòng đá

Dòng mảnh vụn

Dòng đất

Phức hợp


1.1.3.1 Yếu tố tự nhiên

a) Dạng hình học của bờ dốc:
Bề ngoài bờ dốc được quyết định bằng chiều cao và góc nghiêng của bờ dốc.
Nói chung chiều cao càng lớn, góc nghiêng càng nhiều thì độ ổn định của bờ dốc
càng kém. (Hình 1.5)

Hình 1.5: Mất ổn định mái dốc tự nhiên

b) Tính chất của đá trên bờ dốc:
Khi bờ dốc bị chuyển dịch, lực gây trượt đã lớn hơn lực chống trượt và góc
nâng ban đầu khi trượt của đá trên mặt trượt. Trong các chỉ tiêu cơ lý của khối đá
thì thông số góc ma sát trong  và cường độ lực liên kết c của đá là những đặc trưng
rất quan trọng khi nghiên cứu về trượt, nhất là các giá trị của  và c xác định được
bằng phương pháp hiện trường. Khi các điều kiện khác như nhau, độ bền của đá
càng cao thì góc nghiêng ổn định của bờ dốc càng lớn. Với bờ dốc đá cao 300m khi
tăng góc nghiêng bờ dốc từ 30o đến 34o thì đã giảm được việc phá huỷ và vận
chuyển 10,8 triệu m3 đá trên 1 km dài của bờ dốc. Mặt khác, do mặt trượt chủ yếu


8

trong đá là trượt trên mặt các khe nứt nên tính chất nứt nẻ của khối đá ảnh hưởng rất
lớn đến sự ổn định của bờ dốc.

c) Mức độ phong hoá:
Ảnh hưởng của mức độ phong hoá đến độ ổn định bờ dốc thể hiện ở việc làm
giảm độ bền của khối đá. Tuỳ theo thành phần khoáng vật, cấu trúc của đá và môi
trường bên ngoài mà đá có thể bị phong hoá bề mặt hay vào sâu bên trong khối đá với
các tốc độ khác nhau. Mức độ phong hoá càng tăng thì độ ổn định bờ dốc càng giảm.

của tính chất đàn hồi của đá. Khi động đất, vùng đất đá vụn rời có phạm vi ảnh
hưởng nhỏ nhưng mức độ ảnh hưởng lại lớn, còn trong vùng đá rắn chắc thì ngược
lại. Thực tế, biên độ dao động của sóng động đất trong đá cứng là khoảng 2.5mm;
nhưng trong đá rời rạc lại có thể lớn hơn hay bằng 100mm. Người ta cũng đã tổng
kết ở Nhật, khi có động đất, tỷ lệ nhà xây trên đá gốc bị phá huỷ chỉ chiếm khoảng
1,4% trong khi ở vùng trầm tích rời rạc, có tới 75-100% nhà cửa xây dựng ở đấy đã
bị phá hoại.

g) Thời gian
Yếu tố thời gian luôn luôn ảnh hưởng tới độ ổn định của bờ dốc vì khi thời
gian dài các yếu tố trên đều xảy ra. Thời gian còn trực tiếp làm thay đổi tính chất
của đá trên bờ dốc. Khi thiết kế cần chú ý tới quá trình tư biến làm giảm độ bền của
đá theo thời gian.
1.1.3.2 Yếu tố con người
Hoạt động của con người trong thế giới hiện đại ảnh hưởng rất lớn đến môi
trường thiên nhiên, tạo điều kiện chuyển dịch các bờ dốc đá .
Ảnh hưởng của yếu tố con người tới độ ổn định và gây chuyển dịch bờ dốc rất
đa dạng, bao gồm cả những ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp. Theo thống kê có đến
80-90% nguyên nhân của các vụ trượt là đều do hoạt động của con người gây ra với
khoảng hơn 50 loại hoạt động khác nhau.
Yếu tố con người có thể chia thành một số nhóm sau:
. Tất cả các hoạt động vô tình hay cố ý của con người làm tăng ảnh hưởng của
nước đến bờ dốc như: đọng nước trên mặt bờ dốc, không thoát nước cho bờ dốc, để
nước thấm sâu vào trong đá sẽ làm giảm độ bền của đá, dần dần dẫn tới sự dịch
chuyển của đá trên bờ dốc.
Làm thay đổi địa hình bờ dốc do các hoạt động của khai thác mỏ, của việc thi
công các công trình xây dựng, giao thông, thuỷ lợi...Việc khai thác mỏ thường dẫn


10


11

Tuy nhiên, khi xét ảnh hưởng của các sóng chấn động do nổ mìn thì cũng
không phải đơn giản, một chiều, vì ngoài việc phá huỷ đất đá , trong một chừng
mực nào đó ở dưới sâu, đất đá cũng được làm chặt lại. Do vậy, tuỳ điều kiện cụ thể,
ta mới có đánh giá về các ảnh hưởng này cho thích hợp.

a, Sạt taluy dương

b, Sạt mái hố móng thủy điện

c, Sạt mái dốc do quá cao

d, Sạt núi do nổ mìn

Hình 1.6: Một số nguyên nhân sạt trượt do yếu tố con người
Làm thay đổi điều kiện địa chất thuỷ văn do xây dựng đập, hồ chứa nước lớn:
Khi làm thuỷ điện, thuỷ lợi, việc xây dựng các đập, hồ chứa đã ảnh hưởng rất lớn đến
môi trường địa chất tự nhiên, trong đó có ảnh hưởng đến sự chuyển dịch của đất đá
trên bờ dốc (hình 1.7). Ảnh hưởng này có thể được giải thích theo nhiều nguyên nhân:


Khi bị ngập nước, độ ẩm của đá tăng nên trọng lượng khối trượt cũng tăng.
Đồng thời các đặc trưng cơ học của đá đều giảm, làm độ bền và nhất là độ bền


12

chống cắt của đá giảm đi. Do bị ngập nước, khối trượt sẽ chịu sức đẩy

gây ra mất ổn định mái dốc như gây đọng nước trên bề mặt gây các chấn động do
hoạt động nổ mìn, xây hồ chứa.
Thực tế hiện nay, rất nhiều hiện tượng sạt trượt triền đá, lở mái dốc đá trên thế
giới cũng như ở Việt Nam gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản. Việt Nam
đứng thứ 7 trong số 75 quốc gia chịu thiệt hại nặng nề nhất dựa trên GDP. Theo đó
phần trăm tổng diện tích chịu rủi ro là 33.2%, phần trăm dân số trong diện tích chịu
ảnh hưởng của rủi ro là 75.7%, và phần trăm của GDP trong diện tích chịu rủi ro là
89.4%. Cũng theo thống kê, thể tích các khối trượt hàng năm trên đường giao thông
sau mỗi mùa mưa ở Việt Nam lên đến hàng trăm nghìn mét khối, không chỉ phá
hủy đường giao thông mà còn làm chết khoảng 30 người mỗi năm. Một số ví dụ
điển hình như:
1.1.4.1 Sạt lở mái taluy đường
Tại Hòa Bình, trong vụ sạt lở quốc lộ 6 tháng 02/2012 uớc tính khoảng 2 vạn
mét khối đất đá đã vùi lấp 200m đường, làm tê liệt tuyến giao thông huyết mạch nối
Hà Nội với các tỉnh Tây Bắc, 2 người tử nạn, 3 căn nhà của dân bị san phẳng.
Nguyên nhân chính trong sự cố sạt lở này là do mưa lớn tăng độ ẩm của đất đá giảm
khả năng chống cắt của đất cũng như của đá (Hình 1.8 a).
Đường Hồ Chí Minh nhánh phía Tây đoạn Đắk Rông - Thạnh Mỹ từ Km250T
đến Km510T đi qua các tỉnh Quảng Trị, Thừa Thiên-Huế, Quảng Nam dài khoảng
250Km. Sau khi thi công và hoàn thành vào năm 2005 đến nay đã và đang diễn ra
hiện tượng sụt, trượt mái taluy hết sức mãnh liệt và phức tạp. [3]
Theo thống kê của Viện Khoa học và Công nghệ GTVT tháng 11/2007 trên
đoạn có khoảng 140 điểm sụt trượt các loại. (Hình 1.8 c). Trong số140 điểm thống
kê được có 122 điểm sụt lở taluy dương, 13 điểm sụt lở taluy âm, 05 điểm sụt lở cả
taluy dương và taluy âm, có 138 điểm có khối lượng trên 1000m3, 38 điểm có khối
lượng > 10.000 m 3. Hàng năm, trên tuyến xảy ra trung bình khoảng 30 đến 40 điểm
sụt và trượt đất có qui mô vừa và lớn (>10.000 m3), hàng trăm điểm sụt qui mô nhỏ


14