BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƢỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

NGUYỄN HÀO

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP NEO TRONG ĐẤT TĂNG
CƢỜNG ỔN ĐỊNH MÁI DỐC CỬA HẦM THUỶ LỢI, THUỶ ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƢỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

NGUYỄN HÀO

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP NEO TRONG ĐẤT TĂNG
CƢỜNG ỔN ĐỊNH MÁI DỐC CỬA HẦM THUỶ LỢI, THUỶ ĐIỆN

Chuyên ngành: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY
Mã số

: 60 - 58 - 40

Hà Nội, ngày 10 tháng 02 năm 2014
Tác giả

Nguyễn Hào


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác. Tôi cũng xin cam đoan rằng
mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin
trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả

Nguyễn Hào


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
1. Đặt vấn đề ............................................................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu và đối tƣợng nghiên cứu: ............................................................ 2
a/

Mục đích nghiên cứu ...................................................................................... 2

b/

Đối tượng nghiên cứu..................................................................................... 2

3. Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................................... 3



2.1.1.Phương pháp cân bằng giới hạn ....................................................................... 13
2.1.2. Phương pháp phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng .............................. 22
2.2 Các công nghệ xử lý sụt trƣợt mái dốc (cửa hầm) hiện nay .................................. 24
2.2.1. Biện pháp thiết lập mặt cắt hình học hợp lý..................................................... 25
2.2.2. Biện pháp thoát nước kết hợp bảo vệ mặt mái dốc chống xói lở .................... 25
2.2.3. Biện pháp sử dụng các kết cấu chịu lực gia cường ......................................... 27
2.3. Sơ lƣợc về sự phát triển, cấu tạo và ứng dụng công nghệ neo cố đất ổn định mái
dốc ............................................................................................................................................... 28
2.3.1. Sơ lược về sự phát triển công nghệ neo trong đất ổn định mái dốc................ 28
2.3.2. Cấu tạo chung của neo trong đất ...................................................................... 29
2.3.3. Các loại neo trong đất ứng suất trước .............................................................. 30
2.3.4. Phạm vi ứng dụng ............................................................................................. 33
2.4. Kết luận .............................................................................................................................. 33
2.4.1. Lựa chọn phương pháp tính ổn định mái dốc: ................................................ 33
2.4.2 Lựa chọn giải pháp gia cố neo ổn định mái dốc:.............................................. 34
CHƢƠNG 3: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN NEO ỨNG SUẤT TRƢỚC TĂNG
CƢỜNG ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ......................................................................................... 35
3.1. Bài toán cơ bản ................................................................................................................. 35
3.1.1. Vai trò của lực neo ứng suất trước để cải thiện trạng thái ứng suất trong đất
...................................................................................................................................... 35
3.1.2. Vai trò của lực neo ứng suất trước để ổn định tổng thể mái dốc .................... 36
3.2. Lý thuyết tính toán neo .................................................................................................. 38
3.2.1. Xác định sức chịu tải của neo trong đất theo một số tiêu chuẩn của các nước
trên thế giới .................................................................................................................. 38
3.2.2. Trình tự thiết kế neo tăng cường ổn định mái dốc: ......................................... 58
3.2.3. Sơ đồ tổng quát tính ổn định mái dốc............................................................... 61
3.3. Kết luận chƣơng 3............................................................................................................ 61




2.Kết luận .................................................................................................................................. 86
3.Kiến nghị:............................................................................................................................... 88
4.Những mặt còn tồn tại và định hƣớng nghiên cứu tiếp theo...................................... 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 90
1.Tiếng việt ................................................................................................................................ 90
2.Tiếng anh................................................................................................................................ 91


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ áp lực của phân tố đất

9

Hình 2.1: Sơ đồ các phương pháp tính toán ổn định

12

Hình 2.2: Mô hình bài toán phân tích ổn định mái dốc

13

Hình 2.3: Mô hình phân tích thỏi đất trong bài toán ổn định mái dốc

14

Hình 2.4: Xác định các thành phần lực theo thuyết đơn giản hóa của Janbu

21


31

Hình 3.1: Lực neo làm thay đổi ứng suất trong mái dốc

35

Hình 3.2: Lực neo làm thay đổi ổn định tổng thể của mái dốc

37

Hình 3.3: Ví dụ các thông số tính toán sức chịu tải của neo

40

Hình 3.4: Phân loại các kiểu neo theo hình dáng

41

Hình 3.5: ảnh hưởng của chiều dài bầu neo đến quan hệ tải trọng và chuyển vị

46

Hình 3.6: Quan hệ giữa hệ sô sức chịu tải Nq và góc nội ma sát 

47

Hình 3.7: Cấu tạo loại neo B và các thông số

48

Hình 4.5: Sơ đồ bố trí neo trên mặt bằng và mặt đứng

82

Hình 4.6: Cấu tạo chi tiết neo

83


DANH MỤC BẢNG BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Tổng hợp các thành phần đã biết và chưa biết liên quan đến phân tích ổn định
mái dốc

17

Bảng 2.2: Các phương trình cân bằng

18

Bảng 3.1: Trị số qr

40

Bảng 3.2: Trị số qs

40

Bảng 3.3: Hệ số an toàn K

40

57

Bảng 4.1: Đặc điểm địa chất công trình

65

Bảng 4.2: Đặc điểm địa chất các hố khoan

66

Bảng 4.3: Thông số các hạng mục chính dự án cấp nước khu kinh tế Vũng Áng 70
Bảng 4.4: Kết quả thiết kế neo trong đất cửa hầm Rào Trổ

72

Bảng 4.5: Tổng hợp các lực phân mảnh trong chương trình Geo – Slpope trước khi gia cố
neo

77

Bảng 4.6: Tổng hợp các chỉ tiêu chính ứng với 2 giải pháp thiết kế

84


-1-

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Trong công cuộc đổi mới, hiện đại hoá và công nghiệp đất nước, nhà nước ta

Hầm thuỷ điện Hoà Bình, hầm đường bộ qua đèo Hải Vân. Gần đây, công nghệ neo
trong đất được ứng dụng để bảo vệ mái dốc cửa hầm Ngàn Trươi (Hà Tĩnh), hầm A
Roàng, mái dốc đường Hồ Chí Minh, cảng Tiên Sa ( Thành Phố Đà Nẵng).v.v...
Hầu hết các công trình này đều do Tư vấn nước ngoài thực hiện dựa trên cơ sở kinh
nghiệm và thí nghiệm kéo thử tại hiện trường.
Qua thực tế xử lý chống sụt trượt mái dốc cửa hầm Hải Vân, giải pháp neo
trong đất tỏ ra là một giải pháp kỹ thuật có nhiều ưu điểm cần được nghiên cứu và
ứng dụng rộng rãi.
Do vậy, đề tài "Nghiên cứu ứng dụng giải pháp neo trong đất tăng cường
ổn định mái dốc cửa hầm thuỷ lợi, thuỷ điện" có ý nghĩa thực tiễn trong sản xuất
và góp phần nhỏ vào việc phổ biến ứng dụng neo trong đất nói chung và trong xây
dựng thuỷ lợi thuỷ điện nói riêng.
Phạm vi ứng dụng của neo trong đất rất rộng, trong luận văn này tác giả chỉ
đi sâu nghiên cứu và ứng dụng công nghệ neo trong đất để tăng cường ổn định mái
dốc chống sụt trượt mái dốc.
2. Mục đích nghiên cứu và đối tƣợng nghiên cứu:
a. Mục đích nghiên cứu
- Tổng quan hiện tượng sụt trượt.
- Tổng quan lý thuyết về ổn định mái dôc, các biện pháp xử lý ở Việt Nam
và trên Thế giới.
- Nghiên cứu lý thuyết tính toán neo và tổng quan các quy trình thiết kế neo
cố tăng cường ổn định mái dốc của một số nước trên thế giới.
- Vận dụng kết quả nghiên cứu vào việc thiết kế tăng cường ổn định bằng
neo ứng suất trước trên cửa hầm công trình thuỷ lợi Rào Trổ.
b. Đối tượng nghiên cứu


-3-

- Lý thuyết ổn định mái dôc.

nghiêng và cùng bị di chuyển với khối trượt. Trên bề mặt địa hình sẽ để lại một
vách trượt hay bậc trượt rõ rệt kèm theo vết nứt của vách trượt. Theo phân loại của
Giáo sư N.N.Maxlốp loại trượt đất này gần tương đương với dạng “sập đổ, vừa cắt,
vừa quay” . Tùy thuộc vào một vài dấu hiệu khác trong cơ chế trượt mà còn có các
phụ hạng như trượt cổ, trượt sâu, trượt nông, trượt phẳng (trượt tầng phủ), trượt
theo mặt đá gốc, trượt dòng…
Trong số các loại trượt đất, dạng trượt sâu tuy không phổ biến, nhưng nếu đã
xảy ra thì rất nguy hiểm. Khối lượng đất trượt và hậu quả thường gây ra rất lớn.
Nhiều chỗ mất đi nửa quả núi, làm mất hoặc xê dịch một đoạn nền đường dài hàng
trăm mét. Ví dụ như trượt cổ ở Km 112 và 119 trên quốc lộ 4D (Lào Cai – Sa Pa),
Km 27 trên quốc lộ 37 (thị xã Yên Bái) …
Khi xuất hiện hầu hết các loại trượt đất này thường gây nên những hậu quả
nghiêm trọng, làm đổ vỡ nhiều nhà cửa của dân trong khu vực ảnh hưởng, thậm chí


-5-

có thể gây thiệt mạng cho người và hủy hoại các phương tiện giao thông khi qua
đường.
1.1.2. Dạng 2: Xói sụt
Xói sụt đất là hiện tượng biến dạng cục bộ của mái dốc dưới tác động trực tiếp
của dòng chảy mưa rào từ lưu vực phía trên đổ về hoặc kết hợp với tác động của
dòng chảy ngầm, lúc đầu xuất hiện hiện tượng xói đất và đất bị bong tróc từng
mảng ở phía đỉnh mái dốc, sau đó phát triển mạnh dần xuống phía dưới dọc theo
chiều dòng chảy và tỷ lệ với lưu tốc dòng chảy. Mức độ hoạt động gây xói thường
chậm, có thể sau hàng giờ, hàng ngày, hàng tuần mới hoàn thành một quá trình xói
sụt. Khối lượng xói sụt thường không lớn và tùy thuộc vào mức độ phong hóa của
đất đá, độ dốc của mái dốc, lượng nước ngầm, nước mặt. Hậu quả cuối cùng của
hiện tượng này thường để lại trên mặt mái dốc những rãnh xói, mương xói hoặc
những hang hốc. Sản vật của xói sụt đất thường là những đống đất chất đống ở chân

Hoạt động mãnh liệt của kiến tạo, tính đa dạng của thạch học, quá trình ngoại
lực phức tạp và lâu đời, mà đặc biệt là hoạt động xâm thực đã để lại trên mặt đất của
toàn lãnh thổ một địa hình rất phức tạp. Đặc điểm đó ảnh hưởng trực tiếp đến quá
trình địa chất động lực mà trước hết là trượt đất.
Khi mức độ phân cắt mạnh (khe xói nhiều, độ dốc núi lớn) thì số lượng và khối
lượng sụt trượt càng nhiều. Khe xói, eo núi, thung lũng cũng là kết quả của sự xâm
thực bóc mòn. Cho nên vùng nào đồi núi cấu tạo từ đá gốc có thành phần thạch học
và cấu trúc đồng nhất như Granit, Rhyolit, Bazan,…thường tròn trĩnh với địa hình
“bát úp”, sườn thoải, đỉnh tròn và tương đối phẳng, ít bị chia căt. Tùy thuộc mức độ
phong hóa của đất đá và chiều cao, độ dốc mặt đất mà ở loại hình này thường ít bị
sụt trượt. Trong đó sườn núi là đất đá không đồng nhất về thành phần và cấu trúc
như đá trầm tích, cát kết, sét kết, …thì mặt địa hình gồ ghề, nhiều khe xói với địa
hình chân chim và bị chia cắt mạnh. Đối với loại địa hình này, hiện tượng đất sụt
bao gồm 4 dạng cơ bản nêu trên phát triển với mức độ mạnh. Nếu như mức độ phân
cách sâu càng lớn thì khối lượng đất sụt càng nhiều.


-7-

Mặt khác khi con người tác động vào thiên nhiên sẽ làm ảnh hưởng đến ổn định
mái dốc, biểu hiện ở một số mặt như sau:
+ Đào núi làm đường hầm thủy lợi, thủy điện, làm đường giao thông, phá vỡ
thế ổn định tự nhiên của sườn đồi thiên nhiên. Đặc biệt là những đoạn đào sâu
tạo nên những vách mái dốc nguy hiểm có độ cao từ 10m trở lên.
+ Đào núi làm đường hầm thủy lợi, thủy điện, làm đường giao thông, khai thác
mỏ với độ dốc mái dốc không hợp lý, không xét đến những yếu tố có ảnh hưởng
đến độ bền và độ ổn định của khối đất đá;
+ Sử dụng mìn quá tiêu chuẩn để nổ phá, gây chấn động làm phá vỡ kết cấu
nguyên dạng của khối đất đá;
+ Khai thác, canh tác đốt rẫy, làm mương, phá rừng,… làm thay đổi chế độ nước

hủy và làm xói mòn đất đá ở hai bên dòng suối và chân dốc, cuối cùng cả khối núi
mất ổn định trầm trọng.
Nước mưa: Nước mưa không những là nguồn cung cấp cho nước mặt mà còn
tạo thành dòng chảy trên bề mặt địa hình, làm bào xới, cuốn trôi đất đá, những sản
vật phong hóa và cả những mãnh núi lớn. Kết quả tạo ra những hiện tượng xói sụt
và sụt trượt, hoặc hình thành lúc đầu là các mương xói, rãnh xói và về sau là những
sụt trượt lớn. Ngoài ra nước mưa còn là nguồn cung cấp cho nước ngầm nhất là
những nơi đất đá có hệ số lớn.
Nước ngầm: Ngoài biểu hiện làm biến đổi lâu dài độ bền của đất đá theo một cơ
chế giống như quá trình phong hóa vỏ trái đất. Nước ngầm ở thời điểm bất lợi có tác
động tức thời ở các mặt:
+ Làm tăng trọng lượng thể tích của đất đá
+ Làm giảm sức kháng cắt mà chủ yếu là lực dính kết
+Tăng áp lực thủy động
+Xói ngầm,….
Những yếu tố lực học mà địa chất vật lý này góp phần tăng thêm lực gây trượt,
momen trượt và làm thay đổi điều kiện cân bằng giới hạn của khối đất đá.


-9-

1.3. Những nguyên nhân dẫn đến hiện tƣợng sụt trƣợt mái dốc (cửa hầm)
Thực tế cho thấy hiện tượng sụt trượt do tác động đồng thời của cả hai quá trình
cơ học và hóa lý. Để hiểu được bản chất của quá trình sụt trượt chúng ta nghiên cứu
hiện tượng chảy dẻo cơ học và chảy dẻo hóa lý của đất loại sét.
1.3.1. Nguyên nhân do quá trình tác động cơ học
Quá trình nén chặt đất trong thiên nhiên khi địa hình nằm ngang là quá trình nén
không nở hông. Điều kiện đó có thể thực hiện được trong phòng thí nghiệm bằng
cách tạo ra áp lực hông bằng áp lực thẳng đứng, tức là khi 1=2=3 (hình 1.1).
Trạng thái ứng suất đó gọi là trạng thái ứng suất thủy tĩnh.

Hình 1.1 : a) Sơ đồ áp lực của phân tố đất; b) đường cong biến dạng
Cường độ biến dạng với sự tăng ứng suất thủy tĩnh sẽ dần dần giảm xuống. Vì
vậy, quan hệ giữa biến dạng tương đối (giả sử là biến dạng thẳng đứng) của mẫu đất
với áp lực  là đường cong thoải dần (đường 1 trong hình 1.1). Trong trường hợp
2=3 =0, biến dạng tương đối sẽ tăng hơn nhiều khi 1 tăng (đường cong 2 trong
hình 1.1). Sau khi áp lực 1 đạt tới trị số giới hạn th biến dạng tăng lên đột ngột và
khi áp lực cố định ở đó (th ), biến dạng vấn tiếp tục tăng. Trị số th đặc trưng cho
giới hạn bền của mẫu đất khi bị nén. Biến dạng của mẫu đất tại áp lực này gọi là
biến dạng chảy.


-10-

Có thể tiến hành những thí nghiệm trong điều kiện mẫu đất chịu áp lực bên
(2,3 ) nhỏ hơn 1 và tăng hơn 1. Hiện tượng nén lún sẽ xảy ra như đường cong 3
(hình 1.1), đoạn đầu là tổng hợp kết quả của cả quá trình nén và chảy của đất. Khi
tăng 1 có nghĩa là tăng hiệu ứng suất chính, biến dạng chảy tăng lên.
Kết quả của nhiều thí nghiệm cho thấy th phụ thuộc vào trị số tuyệt đối của 1 3 . Thực nghiệm cũng cho thấy rằng hiệu 1 -3 tăng do 3 giảm sẽ gây biến dạng
chảy mạng mẽ hơn trường hợp tăng 1 lên tới 2,5 lần đến 3,5 lần. Chẳng hạn, có thể
chất tải để tạo nên trị số ∆1 hoặc đào chân mái dốc để tạo trị số ∆3 thì sự phá hủy
như nhau khi:∆3 =∆1

(1.1)

Trong đó:
=0,2-0,4
Một vật thể ở trạng thái chảy, độ bền của nó chủ yếu là do lực dính và được đặc
trưng bằng biểu thức: 1 -3 = 2C

(1.2)

hiệu ứng suất chính gọi là chảy dẻo cơ học.
1.3.2. Nguyên nhân do quá trình hoá lý.
Như đã phân tích ở trên, Kođ phụ thuộc vào hiệu của 1 và 3 , Phụ thuộc vào
lực dính C. Lực dính của đất là do lực Vanđecvan (lực dính nguyên sinh) và lực Ion
(lực gắn kết do các muối thạch cao, canxit, sắt tích đọng, ...). Ảnh hưởng của lực
Vanđecvan sẽ giảm do đất bị nở, còn ảnh hưởng của lực Ion giảm do màng liên kết
ximăng bị phá hủy.
Tóm lại nguyên nhân chung dẫn đến hiện tượng đất đá sụt bao gồm nhiều yếu
tố, trong đó có các yếu tố thiên nhiên và có các yếu tố do chính con người gây ra.
1.4. Kết luận
Từ nghiên cứu các dạng sụt trượt, mỗi loại sụt trượt thường xảy ra bởi điều kiện
nào và nguyên nhân nào dẫn đến sụt trượt. Hiểu dõ được điều đó nhằm giúp cho
người thiết kế:
- Tổng quát được các dạng sụt trượt xảy ra trong thực tế. Mỗi dạng sụt trượt
thường xảy ra với điều kiện địa hình địa mạo, địa chất thủy văn nào, nguyên nhân
nào dẫn đến tình trạng sụt trượt.
- Định hướng áp dụng các phương pháp tính ổn định mái dốc phù hợp
- Đề ra các giải pháp phòng chống sụt trượt một cách có hiệu quả.


-12-

CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC VÀ TỔNG
QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP GIA CỐ MÁI DỐC
2.1. Các phƣơng pháp giải quyết bài toán ổn định mái dốc
Mái dốc bị phá hoại do tải trọng sinh ra tăng lên và vượt quá sức chống trượt của
đất trong một phạm vi thể tích khá lớn. Sụt đất, trượt đất là hiện tượng mất ổn định
và dịch chuyển xuống phía dưới của đất đá theo một hoặc nhiều mặt mà tại đó lực
gây trượt vượt quá lực giữ.
Mỗi khối trượt đều tạo nên một khu trượt mà ranh giới, hình dạng của nó trên

Mô hình hóa bài toán phân tích ổn định mái dốc cần có các thông số đầu vào
như sau:
+ Mô hình địa chất – trong đó toàn thể khối đất được phân tích thành những
phần tử địa chất công trình riêng biệt (các mặt cắt ngang địa chất) là những vật thể
địa chất đồng nhất về thành phần, trạng thái, tính chất vật lý.
+ Các đặc trưng tính toán của sức chống trượt của các phần tử địa chất công
trình
+ Trong lượng thể tích của mỗi phần tử địa chất công trình
+ Các số liệu về địa chấn của vùng
+ Dòng chảy nước mặt, nước ngầm


-14-

mùc n-íc

ER
Kw
EL

G

T
N



Hình 2.2: Mô hình bài toán phân tích ổn định mái dốc
Trong đó:
G: Trọng lực khối trượt