Tài liệu LUẬN VĂN THẠC SĨ CẦU ĐƯỜNG NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG TRÌNH PHÒNG HỘ NỀN ĐƯỜNG CHO QL15 ĐOẠN HÒA BÌNH THANH HÓA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ---------------— – --------------- NGUYỄN NHƯ LINH NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG TRÌNH PHÒNG HỘ NỀN ĐƯỜNG CHO QUỐC LỘ 15 ĐOẠN HÒA BÌNH – THANH HÓA CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG ĐƯỜNG ÔTÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ Mà SỐ : 60 58 30 LUẬN ÁN THẠC SỸ KỸ THUẬT GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS Là VĂN CHĂM HÀ NỘI - 2012 Nghiên cứu lựa chọn công trình phòng hộ nền đường cho Quốc lộ 15 đoạn Hòa Bình – Thanh Hóa LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận đượt rất nhiều sự giúp đỡ đóng góp ý kiến của các thầy cô ở khoa Công trình và phòng sau đại học Trường Đại học Giao thông Vận tải, các bạn đồng nghiệp cùng tập thể lớp cao học khóa 18 – Ngành Xây dựng đường ô tô và đường thành phố đã cung cấp kiến thức, tài liệu và các thông tin có liên quan đến đề tài này. Đặc biệt tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn PGS,TS Lã Văn Chăm – Bộ môn Đường Bộ, trường Đại học Giao thông Vận tải, là người thầy đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thiện luận văn này. Cuối cùng, tôi muốn gửi niềm biết ơn vô hạn đến bố mẹ và gia đình tôi, những người luôn ở bên cạnh an ủi và là nguồn động viên to lớn cho tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành khóa học này. Trong khuôn khổ một luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật, chắc chắn chưa đáp ứng được một cách đầy đủ những vấn đề đã nêu ra, mặt khác do trình độ bản thân còn nhiều hạn chế. Tôi xin chân thành cảm ơn và tiếp thu nghiêm túc những ý kiến đóng góp của các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp. Hà Nội, ngày tháng Tác giả năm 2012 Nguyễn Như Linh Nguyễn Như Linh – Luận Án Thạc sỹ Trang 1 Nghiên cứu lựa chọn công trình phòng hộ nền đường cho Quốc lộ 15 đoạn Hòa Bình – Thanh Hóa MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN.....................................................................................................1 PHẦN MỞ ĐẦU.................................................................................................5 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH PHÒNG HỘ NỀN ĐƯỜNG.................................................7 1. 1. Tổng quan về ổn định nền đường:.........................................................7 1.1.1. Mất ổn định nền đường tại Việt Nam và trên thế giới :...............7 1.1.1.1. Vấn đề ổn định mái dốc ở Việt Nam:......................................7 1.1.1.1.1. Tuyến đường sắt Hà Nội – Lào Cai:.................................8 1.1.1.1.2. Sụt trượt kéo dài nhiều năm ở Km29 quốc lộ 4D:........10 1.1.1.1.3. Trên Quốc Lộ 1A:............................................................11 1.1.1.1.4. Tuyến đường Hồ Chí Minh:............................................12 1.1.1.2. Vấn đề ổn định mái dốc trên thế giới:...................................14 1.1.2 . Tính toán ổn định nền đường:......................................................15 1.1.2.1. Phương pháp phân mảnh tính toán ổn định nền đường.......16 1.1.2.1.1. Phương pháp phân mảnh giản đơn: ( Còn gọi là phương pháp phân mảnh cổ điển, phương pháp theo W.Fellenius)..........18 1.1.2.1.2. Phương pháp của Bishop.................................................19 1.1.2.2. Các phương pháp khác:...........................................................21 1.1.2.3. Một số vấn đề về tính toán ổn định nền đường tại Việt Nam .................................................................................................................21 1.1.2.3.1. Phương pháp của giáo sư Dương Học Hải....................21 1.1.2.3.2. Phương pháp đẳng  a của giáo sư Đặng Hữu..............22 1.1.3. Kết luận:..........................................................................................23 1.2. Các loại công trình phòng hộ được sử dụng ở Việt Nam và trên thế giới:.................................................................................................................23 1.2.1. Tường chắn đất:..............................................................................23 1.2.1.1. Tường chắn xây đá kiểu trọng lực.........................................23 1.2.1.2. Tường chắn mỏng bê tông cốt thép.......................................24 1.2.1.3. Tường chắn kiểu neo...............................................................25 1.2.1.4. Tường chắn kiểu chồng nề.....................................................26 1.2.1.5. Đất có cốt.................................................................................26 1.2.1.6. Tường chắn bằng rọ đá...........................................................27 1.2.1.7. Sử dụng các loại vải địa – kỹ thuật và lưới địa kỹ thuật.....29 1.2.1.8. Tường chắn bê tông cốt thép:.................................................29 1.2.2. Cầu cạn vượt vùng đất yếu:...........................................................31 1.2.3. Hầm đường bộ:...............................................................................32 1.2.3.1. Hầm Hải Vân...........................................................................32 1.2.3.2. Hầm đường bộ Đèo Ngang.....................................................33 1.2.3.3. Đường hầm Seikan của Nhật Bản..........................................34 Nguyễn Như Linh – Luận Án Thạc sỹ Trang 2 Nghiên cứu lựa chọn công trình phòng hộ nền đường cho Quốc lộ 15 đoạn Hòa Bình – Thanh Hóa 1.2.3.4. Đường hầm Channel (nối liền Anh và Pháp).......................35 1.2.4. Kết luận...........................................................................................36 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN TƯỜNG CHẮN ĐẤT....................................................................................................................37 2.1. Áp lực đất lên tường chắn và các giả thiết, phương pháp tính áp lực đất lên tường chắn.........................................................................................37 2.1.1. Áp lực đất chủ động, bị động và tĩnh...........................................37 2.1.2. Lý luận áp lực đất của Coulomb:..................................................39 2.1.3. Lý thuyết áp lực đất của Rankine:................................................42 2.1.4. Áp lực đất theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN - 272 – 05.......43 2.1.4.1. Áp lực đất cơ bản....................................................................43 2.1.4.2. Hệ số áp lực tĩnh (ở trạng thái nghỉ), k 0................................44 2.1.4.4. Hệ số áp lực bị động k p...........................................................47 2.2.1 Kiểm toán ổn định trượt..................................................................50 2.2.2 Kiểm toán ổn định lật......................................................................52 2.2.3 Kiểm toán độ lệch tâm....................................................................52 2.2.4 Kiểm toán ứng suất đáy móng........................................................53 CHƯƠNG III : HIỆN TRẠNG ĐOẠN TUYẾN QUỐC LỘ 15..............55 3.1 Đặc điểm về điều kiện tự nhiên khu vực tuyến đi qua:.....................55 3.1.1.Vị trí địa lý:......................................................................................55 3.1.2. Đặc điểm địa hình, địa mạo địa chất khu vực.............................55 3.1.3. Đặc điểm địa chất khu vực............................................................56 3.1.4. Điều kiện khí hậu............................................................................60 3.1.5 Điều kiện thuỷ văn.........................................................................65 3.1.6 Vật liệu xây dựng...........................................................................66 3.2. Tổng quan về dự án:..............................................................................68 3.2.1. Giới thiệu dự án..............................................................................69 3.2.2. Hiện trạng tuyến cũ........................................................................70 3.2.2.1. Hiện trạng tuyến :....................................................................70 3.2.2.2. Đặc điểm địa hình tuyến:........................................................70 3.2.2.3. Tiêu chuẩn kỹ thuật đường hiện tại.......................................71 3.2.2.4. Hiện trạng công trình phòng hộ trên tuyến...........................72 3.2.3. Kết luận:..........................................................................................72 CHƯƠNG IV : NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VÀ THIẾT KẾ TƯỜNG CHẮN CHO QUỐC LỘ 15............................................................................73 4.1 Nghiên cứu lựa chọn loại tường chắn cho Quốc Lộ 15.....................73 4.1.1. Một vài vị trí đặt biệt tham khảo và minh chứng cho luận án.. .75 4.1.2 Địa chất chi tiết vị trí nghiên cứu.................................................77 4.2. Tường chắn bê tông cốt thép móng nông trên nền đá:.......................78 4.2.1: Dữ liệu chung..................................................................................78 4.2.2: Phân tích tải trọng tác dụng lên tường chắn................................79 Nguyễn Như Linh – Luận Án Thạc sỹ Trang 3 Nghiên cứu lựa chọn công trình phòng hộ nền đường cho Quốc lộ 15 đoạn Hòa Bình – Thanh Hóa 4.2.3: Tổ hợp tải trọng và kiểm toán các mặt cắt bất lợi của tường chắn .....................................................................................................................82 4.2.4: Kiểm toán móng nông....................................................................83 4.3. Tường chắn Bê tông cốt thép móng cọc khoan nhồi..........................85 4.3.1. Ưu, nhược điểm và những vấn đề cần lưu ý trong khảo sát, thiết kế và thi công tường chắn móng cọc khoan nhồi...................................85 4.3.2. Kiểm toán tường chắn Bê Tông Cốt Thép móng cọc khoan nhồi .....................................................................................................................92 4.3.2.1. Dữ liệu tường chắn:.................................................................92 4.3.2.2: Phân tích tải trọng tác dụng lên tường chắn.........................93 4.3.2.3. Tổ hợp tải trọng và kiểm toán các mặt cắt bất lợi của tường chắn.........................................................................................................97 4.3.2.4. Sức chịu tải của cọc theo đất nền và theo vật liệu...............98 4.4. Kết luận chương 4:..............................................................................105 CHƯƠNG V : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................106 5.1. Kết luận:...............................................................................................106 5.2. Những tồn tại và hướng phát triển:....................................................106 5.3. Kiến nghị:................................................................................................107 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................108 PHẦN PHỤ LỤC...........................................................................................109 PHỤ LỤC 1..................................................................................................111 PHỤ LỤC 2..................................................................................................112 PHỤ LỤC 3..................................................................................................130 Nguyễn Như Linh – Luận Án Thạc sỹ Trang 4 Nghiên cứu lựa chọn công trình phòng hộ nền đường cho Quốc lộ 15 đoạn Hòa Bình – Thanh Hóa PHẦN MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT ĐỀ TÀI Giao thông vận tải là một bộ phận quan trọng trong kết cấu hạ tầng kinh tế – xã hội, vì vậy cần ưu tiên đầu tư phát triển. Việc xây dựng cơ sở hạ tầng tạo tiền đề cho phát triển kinh tế xã hội, củng cố an ninh quốc phòng, phục vụ sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Nắm bắt được tầm quan trọng đó, những năm qua Nhà nước ta rất chú trọng đầu tư cho phát triển giao thông vận tải, đặc biệt là giao thông đường bộ. Với nhu cầu phát triển của ngành giao thông ngày càng cao đòi hỏi chúng ta không ngừng học hỏi nâng cao trình độ, tiếp thu các công nghệ hiện đại của các nước tiên tiến trên thế giới. Hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật ngành cũng không ngừng điều chỉnh, cập nhật để hoàn thiện phù hợp với tình hình thực tế trong nước. Trong xây đường bộ, nền đường ôtô là bộ phận đóng vai trò vô cùng quan trọng, khắc phục địa hình thiên nhiên tạo nên tuyến đường đảm bảo các tiêu chuẩn về bình đồ, trắc dọc ..., đáp ứng điều kiện chạy xe an toàn. Bên cạnh đó, nền đường còn làm cơ sở cho áo đường, lớp phía trên của nền đường cùng với áo đường chịu đựng tác dụng của tải trọng xe cộ, do đó có ảnh hưởng rất lớn đến cường độ và tình trạng khai thác của cả kết cấu áo đường. Để đảm bảo các yêu cầu trên, thiết kế và xây dựng nền đường phải đảm bảo luôn phải ổn định toàn khối, ổn định về cường độ. Việc thiết kế và thi công nền ở khu vự miền núi điều kiện địa hình và thủy văn phức tạp, tuyến đường thường gặp những đoạn đào sâu, đắp cao, nên thường xảy ra hiện tượng sụt trượt gây phá hoại nghiêm trọng sự ổn định toàn khối của nền đường. Vì thế, việc xây dựng các công trình phòng hộ trên tuyến là việc làm cần thiết. Hiện nay, có rất nhiều biện pháp xây dựng công trình phòng hộ trên đường, mỗi phương pháp có những ưu và nhược điểm khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn của tuyến. Việc áp dụng biện pháp nào ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng khai thác nền mặt đường. Tuy nhiên việc kiểm toán các công trình phòng hộ lại làm các kỹ sư giao thông rất e ngại. Nguyễn Như Linh – Luận Án Thạc sỹ Trang 5 Nghiên cứu lựa chọn công trình phòng hộ nền đường cho Quốc lộ 15 đoạn Hòa Bình – Thanh Hóa Quốc Lộ 15 (QL15) đoạn qua tỉnh Hòa Bình và Thanh Hóa hiện nay đang được cấp có thẩm quyền phê duyệt đầu tư. Là tuyến đường đi qua khu vực đồi núi có điều kiện địa hình, địa chất rất phức tạp. Vì thế tác giả xin đi sâu vào nghiên cứu lựa chọn các công trình phòng hộ áp dụng cho đoạn tuyến QL15. Thông qua đó rút ra được phạm vi áp dụng cho từng loại công trình và áp dụng cho các tuyến đường có điều kiện tương tự khác. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Nghiên cứu sử dụng tường chắn bê tông cốt thép móng nông và tường chắn bê tông cốt thép móng cọc khoan nhồi áp dụng cho một số vị trí trên đoạn tuyến QL15. 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp việc thu thập số liệu và sử dụng các phần mềm tính toán để có thể rút ra những kết luận cho đề tài nghiên cứu. 4. KẾT CẤU LUẬN VĂN Chương I : Tổng quan về ổn định nền đường và các công trình phòng hộ nền đường. Chương II : Cơ sở lý thuyết về tính toán tường chắn đất. Chương III : Hiện trạng đoạn tuyến QL15 Chương IV : Nghiên cứu lựa chọn và thiết kế tường chắn cho QL15 Chương V : Kết luận và kiến nghị Nguyễn Như Linh – Luận Án Thạc sỹ Trang 6 Nghiên cứu lựa chọn công trình phòng hộ nền đường cho Quốc lộ 15 đoạn Hòa Bình – Thanh Hóa CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH PHÒNG HỘ NỀN ĐƯỜNG. 1. 1. Tổng quan về ổn định nền đường: 1.1.1. Mất ổn định nền đường tại Việt Nam và trên thế giới : 1.1.1.1. Vấn đề ổn định mái dốc ở Việt Nam: Mất ổn định nền đường là một trong những vấn đề thường gặp trong thiết kế, thi công, khai thác công trình giao thông. Hiện tượng này thường gặp trong mùa mưa bão trên các tuyến đường, qua vùng khí hậu khắc nghiệt, những vùng địa hình có độ dốc lớn, tính phân cắt cao, thành phần và cấu trúc địa chất phức tạp, nền đất yếu. Những tai biến này không chỉ ảnh hưởng nặng nề đến việc xây dựng các dự án kết cấu hạ tầng giao thông mà còn đe dọa đến an toàn của người dân trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Để giảm thiểu ảnh hưởng xấu cho con người và môi trường cũng như hạn chế về tài chính cho công tác xử lý tai biến môi trường trong phát triển xây dựng các dự án giao thông đường bộ, ngành giao thông vận tải (GTVT) đã phối hợp với các bộ, ngành, tăng cường nghiên cứu và thực hiện thêm một số nội dung như: Tăng cường áp dụng, thử nghiệm công nghệ mới về phòng chống đất sụt, lở thích hợp với điều kiện địa chất, địa hình tại Việt Nam như: công nghệ theo dõi, quan trắc dự báo trượt lở đất; công nghệ theo dõi động thái và kiểm soát nước ngầm; công nghệ trong khảo sát thiết kế xử lý sụt, trượt đất; hoàn thiện hơn nữa hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật, tiêu chuẩn thí nghiệm trong thiết kế xử lý trượt đất; xây dựng và hoàn thiện bản đồ điện tử về hiện tượng tai biến môi trường. Theo thống kê sơ bộ, trên toàn lãnh thổ Việt Nam có 90 quốc lộ với chiều dài khoảng hơn 15.000km, trong đó có hơn 4000 cầu lớn nhỏ. Hiện tượng sạt lở đất xảy ra thường xuyên trên các tuyến đường QL 1A, QL12, 4D, 4C, 4D, 4E, QL6, đường Hồ Chí Minh, đường sắt... Trên các tuyến đường trên, hàng năm, Bộ GTVT đã phải chi hàng ngàn tỷ đồng để khắc phục các sự cố này. Sạt lở đất xảy ra khiến giao thông tắc nghẽn, một số công trình trên tuyến như cống thoát nước, rãnh dọc, tường chắn... bị hư hỏng không thể sử dụng được. Một số điểm sụt, sụt lở với quy mô lớn khối lượng đất sạt lở lên tới hàng ngàn mét khối khiến Nguyễn Như Linh – Luận Án Thạc sỹ Trang 7 Nghiên cứu lựa chọn công trình phòng hộ nền đường cho Quốc lộ 15 đoạn Hòa Bình – Thanh Hóa cho công tác xử lý gặp rất nhiều khó khăn và tốn rất nhiều thời gian. Ở nhiều địa điểm, các đơn vị thi công phải xử lý bằng cách làm cầu tạm dùng dầm Bailey để đảm bảo an toàn giao thông (ATGT) trên tuyến. Hiện tượng sạt lở không những xảy ra ở đoạn tuyến có taluy dương do tác động dòng chảy tạm thời trên mặt gây sạt lở mà còn ở taluy âm gây ra tắc nghẽn dòng chảy tự nhiên làm ô nhiễm môi trường ở sông, suối đặc biệt là ở vùng núi cao, nơi người dân vẫn còn thói quen dùng nước sông suối để sinh hoạt. Nhiều giải pháp thiết kế về phòng chống sụt trượt đã được các công ty tư vấn thiết kế công trình giao thông áp dụng như việc thiết kế cơ, tường chắn, rọ đá và mới đây là công nghệ neo đất (công nghệ VOM); cỏ chống xói, thiết kế hệ thống rãnh thoát nước từ trên đỉnh taluy... Ở một số điểm sụt trượt, các giải pháp này đạt được những hiệu quả nhất định. Tuy nhiên ở nhiều đoạn tuyến, những giải pháp trên hầu như không có hiệu quả vì khi mặt nước ngầm hoạt động và điều kiện địa chất xảy ra quá phức tạp, tuyến đường đi qua khu vực địa hình phức tạp bắt buộc phải đào sâu, đắp cao thì các biện pháp xử lý cục bộ hầu như không giải quyết được tình trạng trên. Trước tình hình thực tế, Bộ GTVT đã nghiên cứu và duyệt giải pháp xây dựng cầu cạn. Giải pháp thiết kế này nhằm xây dựng đoạn tuyến tránh hẳn những vị trí có nguy cơ sạt lở cao, tránh không đào phá đến môi trường thiên nhiên. Và biện pháp xây dựng tường chắn bê tông cốt thép (BTCT) móng cọc khoan nhồi cũng là một trong những biện pháp mới có hiệu quả rất cao trong việc tăng cường tính ổn định cho nền đường qua những vị trí có địa hình phức tạp, tuyến đắp quá cao mà tường chắn trọng lực bình thường không thể đảm bảo được ổn định cho tuyến. Sau đây là một số đoạn tuyến tiêu biểu mất ổn định nền đường và biện pháp xử lý: 1.1.1.1.1. Tuyến đường sắt Hà Nội – Lào Cai: Là tuyến đường nối các tỉnh biên giới miền núi phía Tây Bắc với vùng trung du và đồng bằng phía Bắc sông Hồng, tuyến giao thông chủ lực tiếp nối với tuyến đường sắt Hà Nội – Hải Phòng và Hà Nội – Cái Lân, hình Nguyễn Như Linh – Luận Án Thạc sỹ Trang 8 Nghiên cứu lựa chọn công trình phòng hộ nền đường cho Quốc lộ 15 đoạn Hòa Bình – Thanh Hóa thành một hành lang giao thông Đông – Tây. Đây là tuyến đường sắt quan trọng thứ hai sau tuyến đường sắt Thống Nhất. Tuy nhiên, do được xây dựng từ đầu thế kỷ 20 trên địa hình hiểm trở, một bên là núi cao, một bên là sông Hồng, tuyến đường sắt dài 296 km này nhiều năm qua đã vào thời kỳ rệu rã. Toàn tuyến dài 296 Km trong đó 111 km là những đoạn đường cong bán kính nhỏ. Dự án cải tạo nâng cấp tuyến đường sắt Yên Viên – Lào Cai lẽ ra được triển khai từ năm 2008 và đưa vào sử dụng vào cuối năm 2011, để góp phần nâng cao năng lực vận tải trên tuyến lên 5 triệu khách/năm và 7,5 triệu tấn hàng hóa/năm vào 2020. Dự án sẽ được thực hiện chủ yếu bằng vống của ADB bao gồm nâng cấp, cải tạo 73 cầu yếu, nhà ga, bãi hàng, gia cố nền đường ở các điểm xung yếu và mở thêm một số ga mới ... Trong khi chờ triển khai dự án, trước thực trạng sụt trượt nghiêm trọng tại km 242+200 - km243+300 và km 245+000 – km 245+700, năm 2010, Chính phủ đã cho phép đầu tư sửa chữa khẩn cấp để đảm bảo an toàn. Công trình được triển khai thi công từ tháng 7/2010 và đã hoàn thành vào tháng 1/2011 với kinh phí xấp xỉ 62 tỷ đồng. Hình 1.1 Sụt trượt đường sắt Hà Nội – Lào Cai ngày 6/9/2010 tại Yên Bái. Nguyên nhân được xác định là do mưa lớn lâu ngày trên địa bàn huyện Văn Yên, tỉnh Yên Bái dẫn đến các lớp đất đá trên các ngọn đồi và dọc theo đường sắt ngấm nước và trơn trượt, dẫn đến nhiều khối đất đổ xuống đường sắt (taluy dương) tại Km195+000 khu gian Mậu Đông - Trái Hút, Nguyễn Như Linh – Luận Án Thạc sỹ Trang 9 Nghiên cứu lựa chọn công trình phòng hộ nền đường cho Quốc lộ 15 đoạn Hòa Bình – Thanh Hóa tuyến đường sắt Hà Nội – Lào Cai, không những thế kể cả phía taluy âm của đoạn đường sắt này cũng bị sụt trượt nghiêm trọng, do trên một nền đất yếu, hậu quả dẫn đến tàu LC1 chạy qua, đã gặp đất sụt gây tai nạn chạy tàu, làm đổ 01 đầu máy và 02 toa xe liền kể xuống phía taluy âm thuộc địa phận xã Đông Cuông. 1.1.1.1.2. Sụt trượt kéo dài nhiều năm ở Km29 quốc lộ 4D: Từ hàng chục năm nay, đoạn đường này bị sụt trượt nghiêm trọng kéo dài và rất khó khắc phục; cứ sửa một thời gian lại hỏng. Đặc biệt từ sau trận mưa lớn tháng 7/2006, mặt đường nơi đây bị lún sụt tới 1,2 mét và bị dịch chuyển sang taluy âm từ 0,3 – 0,5 mét, ảnh hưởng lớn tới việc lưu thông, nguy cơ gây mất an toàn cho người và phương tiện. Hình 1.2 Vị trí sụt trượt kéo dài nhiều năm ở Km29 quốc lộ 4D do đặc điểm địa chất đặc biệt ở nơi này. Nguyên nhân sụt lún đoạn đường kể trên được xác định là do nền đường nằm trong vùng có thành tạo địa chất đá gốc là đá Gơ nai, đá phiến Mica, tầng chủ yếu là sét pha cát nên rất dễ bị mất ổn định khi bão hòa nước... Do đó các nhà kỹ thuật ngành giao thông vận tải đã phải dùng giải pháp tối ưu là cho bắc cầu bê tông vượt qua các điểm sụt trượt. Sau khi đưa vào sử dụng chính thức cầu cạn SaPa từ tháng 8/2010, xe vận tải hàng hóa và hành khách qua lại trên quốc lộ 4D Lào Cai – Sa Pa – Lai Châu được đảm bảo thuận lợi, nhanh chóng, an toàn hơn. Nguyễn Như Linh – Luận Án Thạc sỹ Trang 10 Nghiên cứu lựa chọn công trình phòng hộ nền đường cho Quốc lộ 15 đoạn Hòa Bình – Thanh Hóa Hình 1.3 Cầu cạn Sa Pa được xây dựng và đưa vào sử dụng vượt qua điểm sụt trượt Cầu cạn Sa Pa có 4 nhịp, dài gần 80 mét, mặt cầu rộng 8 mét, đạt tiêu chuẩn kỹ thuật HL93 của Mỹ và đảm bảo tải trọng xe 30 tấn lưu thông qua cầu trong mọi điều kiện. Cầu có tổng giá trị xây lắp là 14 tỷ đồng, được thi công trong vòng 7 tháng. Cầu cạn Sa Pa là công trình kiên cố hóa các điểm sụt trượt thuộc tiểu dự án 2 nằm trong tổng dự án cải tạo nâng cấp quốc lộ 4D đoạn Trạm Tôn – Sa Pa. 1.1.1.1.3. Trên Quốc Lộ 1A: Hiện tượng này xảy ra chủ yếu ở những đoạn qua đèo Ngang ( Quảng Bình), đèo Phước Tượng, đèo Phú Gia (Thừa Thiên - Huế), đèo Hải Vân (Thừa Thiên – Huế - Đà Nẵng), đèo Cù Mông (Phú Yên), đèo Cả (Khánh Hòa) và trên một số đoạn tuyến ở những vị trí có mái taluy dương cao. Tại Km1294+820 trên quốc lộ 1A bị lún sụt sâu hơn 3m công ty TNHH một thành viên quản lý và sửa chữa đường bộ Phú Yên (Cục Đường Bộ Việt Nam) phải tập trung nhân lực, phương tiện để sửa chữa, khắc phục một đoạn đường dài 80m trên quốc lộ 1A bị lún sụt rất nặng. Đoạn bị lún sụt nằm ở vị trí Km 1294+820 thuộc địa bàn thôn Cần Lương, xã An Dân, huyện Tuy An (Phú Yên). Do mưa liên tục nhiều, nước Nguyễn Như Linh – Luận Án Thạc sỹ Trang 11 Nghiên cứu lựa chọn công trình phòng hộ nền đường cho Quốc lộ 15 đoạn Hòa Bình – Thanh Hóa tràn qua đường, dẫn đến nước thấm vào nền phái taluy âm làm mặt đường bị lún sụt với chiều dài gần 40m với chiều sâu hơn 3m nên rất nguy hiểm cho người và phương tiện tham gia giao thông qua đoạn đường này. Hình 1.4 Vết nứt lớn tại Km1294+820.00 trên Quốc lộ 1A Ngay từ chiều 9/11/2010, công ty TNHH một thành viên quản lý và sửa chữa đường bộ Phú Yên đã cử lực lượng túc trực 24/24 giờ để điều hành xe cộ qua lại một chiều và điều động phương tiện cùng công nhân khắc phục. Công ty đã sử dụng gần 1.100 m3 đá lấp tạm thời phần bị lún sụt, đồng thời mở rộng mặt đường thêm 2m về phía taluy dương bằng cấp phối đá dăm. 1.1.1.1.4. Tuyến đường Hồ Chí Minh: Kể từ ngày triển khai thi công tuyến đường Hồ Chí Minh đến nay, trên tuyến đường này đã xuất hiện rất nhiều điểm sụt trượt. Kinh phí để phòng chống, khắc phục các hiện tượng sụt trượt đã vượt quá 1.000 tỷ đồng. Theo thống kê của Bộ GTVT, có đến 818 điểm sụt trượt phát sinh, trong đó một số điểm sụt trượt cần nhiều thời gian và kinh phí để khắc phục như các điểm sụt trượt tại đèo Đá Đẽo, đèo Sa Mù, một số điểm sụt trượt ở nhánh Tây... Công tác khảo sát địa chất, địa hình, địa chất thủy văn cũng như giải pháp thiết kế tuyến đường của tư vấn còn những thiếu sót, bất hợp lý dẫn Nguyễn Như Linh – Luận Án Thạc sỹ Trang 12 Nghiên cứu lựa chọn công trình phòng hộ nền đường cho Quốc lộ 15 đoạn Hòa Bình – Thanh Hóa tới nhiều đoạn phải thiết kế lại, thay đổi giải pháp thiết kế làm chậm tiến độ hoàn thành công trình và tăng chi phí đầu tư. Ngoài nguyên nhân khách quan là những khó khăn do điều kiện tự nhiên của công trình, những bất cập về công tác thiết kế đã ảnh hưởng đến chất lượng công trình cho đến nay vẫn cần phải khắc phục. Hiện tượng khá phổ biến là tình trạng sụt trượt taluy trên đường Hồ Chí Minh. Hình 1.5 Cầu Đăk Trát (Kontum) thuộc tuyến đường Hồ Chí Minh bị lũ cắt đứt. Những tồn tại trên đã dẫn tới việc chủ đầu tư phải trình Thủ tướng bổ sung hạng mục “ bền vững hóa” để khắc phục. Báo cáo của Bộ Xây Dựng cũng chỉ ra rằng: Căn cứ kết quả thực hiện dự án đường Hồ Chí Minh, giai đoạn 1, Hội đồng nghiệm thu nhà nước các công trình xây dựng (HĐNTNN) lưu ý chủ đầu tư cần tuyệt đối tránh lặp lại việc xây dựng công trình xong lại bổ sung hạng mục “ bền vững hóa” một cách tràn lan. Đây là một tiền lệ xấu trong đầu tư xây dựng công trình. Nguyễn Như Linh – Luận Án Thạc sỹ Trang 13 Nghiên cứu lựa chọn công trình phòng hộ nền đường cho Quốc lộ 15 đoạn Hòa Bình – Thanh Hóa Hình 1.6 Tường rọ đá neo chống sụt trượt trên đường Hồ Chí Minh Trong giai đoạn 2 thực hiện dự án (2007-2010), Bộ Xây dựng cũng đề nghị chủ đầu tư cần đặc biệt lưu ý công tác quản lý chất lượng công trình đối với các đoạn tuyến thuộc vùng đồng bằng sông Cửu Long do các đoạn này đi qua vùng đất yếu, có điều kiện địa chất phức tạp và các đoạn tuyến có nguy cơ sạt trượt lớn trên địa bàn các tỉnh miền núi, trung du phía Bắc. Hình 1.7 Khắc phục hậu quả sụt trượt trên đường Hồ Chí Minh 1.1.1.2. Vấn đề ổn định mái dốc trên thế giới: Sụt trượt cũng là một vấn đề nhức nhối và đã gây ra nhiều tai nạn nghiêm trọng trên thế giới. 1. Trượt ở nhà ga Shigeto, Nhật Bản năm 1972. Năm 1972 nhà ga Shigeto ở Nhật Bản đã bị trượt mái dốc sau một trận mưa lớn làm 59 người chết, phá hủy 11 ngôi nhà và đầu máy, đẩy 2 toa tàu xuống sông. Nguyễn Như Linh – Luận Án Thạc sỹ Trang 14 Nghiên cứu lựa chọn công trình phòng hộ nền đường cho Quốc lộ 15 đoạn Hòa Bình – Thanh Hóa 2. Trượt ở bờ hồ Loe, Na Uy. Năm 1936, bờ hồ Loe (phía tây nam Na Uy) đã bị trượt sau một trận mưa rào mạnh, gần 1 triệu m3 đá ở phần đá có khe nứt thẳng đứng sập xuống hồ, làm dâng lên cột nước cao 74m, phá hủy làng xóm và làm 73 người thiệt mạng. 3. Trượt ở Handlova, Tiệp Khắc (cũ). Năm 1961 ở Handlova (Tiệp Khắc) đã xảy ra hiện tượng trượt với thể tích khoảng 20 triệu m3 đất kéo dài 1630m với chiều rộng ở phần tách rời 80m-100m và ở phần tích tụ trải rộng ra tới 1200m. Với tốc độ dịch chuyển là 6,3m/ngày đêm, trượt đã phá hủy 150 ngôi nhà, 2km đường kênh dẫn là đường cao áp. 1.1.2 . Tính toán ổn định nền đường: Để đánh giá ổn định nền đường phải xác định được mức độ ổn định của nó. Mức độ ổn định nền đường nói riêng hay bờ dốc nói chung lại được xác định qua hệ số an toàn ổn định hay thường gọi tắt là hệ số ổn định. Hệ số này thường được tính toán theo tương quan qua các lực hay mômen lực có xu hướng làm bờ dốc không bị dịch chuyển, cũng được gọi là các lực bị động như độ bền của đất đá, lực ma sát tạo thành trên mặt trượt, các lực bổ sung khác có tác dụng giữ bờ dốc không bị dịch chuyển hay các lực hay mô men lực gây trượt có xu hướng làm dịch chuyển bờ dốc, cũng được gọi là các lực chủ động như trọng lực, áp lực thủy động, các lực bổ sung khác làm tăng cường sự chuyển dịch của bờ dốc. Điều kiện ổn định sườn dốc về mặt cơ học được xác định: i f  Trong đó: c  h cos  i – Độ dốc của sườn dốc. f – hệ số ma sát giữa khối trượt trên mặt trượt. γ – Dung trọng đất khối trượt ở trạng thái chứa ẩm lớn nhất, kN/m 3. h – Chiều dày giữa khối trượt và mặt trượt, kPa. α - Góc nghiêng của mặt trượt so với mặt phẳng nằm ngang. Nguyễn Như Linh – Luận Án Thạc sỹ Trang 15 Nghiên cứu lựa chọn công trình phòng hộ nền đường cho Quốc lộ 15 đoạn Hòa Bình – Thanh Hóa Khi tính toán ổn định nền đường phải có được một số thông tin cơ bản sau: - Hình dạng bên ngoài và cấu tạo bên trong của nền đường như trạng thái, cấu trúc, tính phân lớp của đất đá, dạng hình học của nền đường cũng như mặt trượt, mặt không liên tục gây ra sự dịch chuyển nền đường. Những đặc trưng này đều phụ thuộc vào tính chất đất đá và các điều kiện xung quanh. Người ta có thể coi mặt trượt là thằng, cong (dạng cung tròn hình trụ, dạng xoắn logarit...) hay bất kỳ và điều kiện này sẽ ảnh hưởng đến phương pháp tính ổn định mái dốc. - Các đặc trưng cơ lý của các lớp đất đá nằm dưới nền đường. Vì hiện tượng chuyển dịch của các lớp đất đá xảy ra chủ yếu do tác động của ứng suất tiếp nên đặc trưng sức chống cắt của đất đá rất được quan tâm. Mặt khác người ta cũng cần biết những chỉ tiêu đặc trưng cho độ chặt của đất đá vì chúng sẽ liên quan đến trọng lượng của khối đất đá có thể bị chuyển dịch. - Sự xuất hiện và trị số của áp lực nước trong đất đá như độ sâu mực nước ngầm, áp lực thủy tĩnh hay thủy động và ảnh hưởng của lượng mưa tới chúng trong các mùa. Những số liệu này rất cần thiết cho tính toán, làm tăng mức độ chính xác của phương pháp tính. - Trạng thái ứng suất ban đầu của đất đá trên bờ dốc và những ảnh hưởng của địa hình, địa chất, kiến tạo các yếu tố tự nhiên và nhất là hoạt động của con người tới chúng. Những hiểu biết này rất cần thiết cho việc đề xuất các biện pháp làm ổn định bờ dốc sau này. Các thông tin trên chỉ có được trên cơ sở của các kết quả khảo sát địa chất công trình tại hiện trường, kết hợp với các kết quả thu được khi thí nghiệm trong phòng, các tài liệu lưu trữ khác. Để tính toán ổn định mái dốc, từ hàng trăm năm nay người ta có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau. Sau đây là một số phương pháp tiêu biểu: 1.1.2.1. Phương pháp phân mảnh tính toán ổn định nền đường. Nền đường là một kết cấu trải dài theo tuyến, nên thường cắt 1m dài theo dọc tuyến để phân tích tính toán ổn định mà không xét đến lực trên hai mặt cắt thẳng đứng trước và sau (như vậy là thiên về an toàn). Nguyễn Như Linh – Luận Án Thạc sỹ Trang 16 Nghiên cứu lựa chọn công trình phòng hộ nền đường cho Quốc lộ 15 đoạn Hòa Bình – Thanh Hóa Phương pháp phân mảnh là dùng n-1 mặt thẳng đứng cắt khối đất trượt thành n mảnh (hình 1.8a). Các lực tác dụng lên mảnh thứ i (hình 1.8b) gồm có: + Lực thẳng đứng đã biết Q i: Trọng lượng bản thân của phân mảnh và tải trọng xe + Lực nằm ngang W i : Lực quán tính động đất. + Lực tương hỗ giữa các mảnh chưa biết có thể phân thành lực đẩy ngang E i và lực thẳng đứng T 1. + Phản lực ở đáy của phân mảnh: Phản lực pháp tuyến N i và phản lực chống trượt Si với giả thiết là tác dụng của Ni là điểm giữa của mặt đáy phân mảnh. Lấy cùng một hệ số an toàn K giống nhau cho các phân mảnh, tức là giả định cường độ kháng cắt ở đáy các phân mảnh đều đạt tới trạng thái cân bằng giới hạn. Ta có Si  1 (Ci .li  N i .tgi ) K (1) Trong đó: C i , φ i là lực dính và góc nội ma sát của mảnh thứ i; l i là chiều dài mặt trượt; K là hệ số an toàn cần tìm. Hình 1.8 Phương pháp phân mảnh a) Cách phân mảnh b) Tình hình chịu lực Đồng thời mỗi phân mảnh có ba điều kiện cân bằng ( lực và mô men). Tùy theo sự khác nhau của giả thiết và phương pháp xử lý mà dẫn đến các phương pháp khác nhau. Nguyễn Như Linh – Luận Án Thạc sỹ Trang 17 Nghiên cứu lựa chọn công trình phòng hộ nền đường cho Quốc lộ 15 đoạn Hòa Bình – Thanh Hóa 1.1.2.1.1. Phương pháp phân mảnh giản đơn: ( Còn gọi là phương pháp phân mảnh cổ điển, phương pháp theo W.Fellenius) Phương pháp này do W.Fellenius người Thụy Điển đề xuất từ năm 1926 với giả thiết khối đất trên taluy khi mất ổn định sẽ trượt theo mặt trượt hình trụ tròn nhưng không xét đến tác dụng của các lực giữa các phân mảnh. Như vậy n phân mảnh có 2n đại lượng chưa biết (Ni và Si) và một hệ số an toàn K, cộng lại có 2n+1 đại lượng chưa biết. Xét bài toán phằng như hình 1.8, phân khối đất trượt hình trụ tròn thành các mảnh. Căn cứ vào giả thiết là các phân mảnh đồng thời đạt tới sự cân bằng giới hạn ( trượt tổng thể) có thể chỉ cần xét tới điều kiện cân bằng Mô men của toàn khối trượt quanh tâm trượt O, bán kính R, tức là Ta có  Si.R   Qi.xi   Wi.zi  M  0. (2) Với x i và z i là cánh tay đòn của Q i và Wi (Chú ý là dấu của x i có thể “+” hoặc “-“) Hình 1.9 Phương pháp phân mảnh theo Fellenius Thay Si từ (1) vào (2) và rút gọn ta có công thức tính hệ số an toàn của mái đất. K   (C .l  N .tg ) Z  (Q .sin   W R ) i i i i i i i i (3) Trong đó α i=arcsin(x i /R) là góc nghiêng của mặt trượt của phân mảnh tức là góc kẹp giữa phản lực pháp tuyến với trục tung y. Nguyễn Như Linh – Luận Án Thạc sỹ Trang 18 Nghiên cứu lựa chọn công trình phòng hộ nền đường cho Quốc lộ 15 đoạn Hòa Bình – Thanh Hóa Thay N i =Q1. cosα i – W1. sin α i vào (3) ta được K  (Ci .li  (Qi cos  i  Wi.sin  i ).tgi ) Z  (Qi .sin i  Wi Ri ) (4) Trong nhiều trường hợp W i rất bé so với Q i hoặc chênh lệch giữa zi và yi là không lớn do đó có thể coi gần đúng (z i/R≈y i /R≈cosα i) và có thể sửa lại (4) là K  (Ci .li  (Qi cos  i  Wi.sin  i ).tgi )  (5) (Qi .sin  i  Wi cos  i ) Nếu không xét đến lực quán tính động đất W i thì ta có công thức K  (Qi cos  i .tgi  ci .li )  (Qi .sin  i ) (6) Và trường hợp nếu đất đồng nhất có c,φ và γ như nhau, ta có K tgi . (Qi cos  i )  ci .li  (Qi .sin  i ) (7) Với L   li - Chiều dài cung trượt của cả khối trượt. Phương pháp này hoàn toàn không xét đến ảnh hưởng của các lực giữa các phân mảnh, về mặt lý thuyết đó là điều chưa hoàn chỉnh, sai số của kết quả tính toán vào khoảng 10-20%. Nhưng việc tính toán bằng số đơn giản, sai số của K không lớn, do đó vẫn được sử dụng rộng rãi, nhưng chỉ thích hợp trong trường hợp mặt trượt là một cung tròn. 1.1.2.1.2. Phương pháp của Bishop. Theo phương pháp này, việc tính toán ổn định cũng giống như phương pháp Fellenius chỉ khác là ở mỗi mảnh trượt Bishop có xét đến lực đẩy ngang E i và E i-1 tác dụng từ hai phía ( không quan tâm đến điểm đặt lực) hình 1.9. Nguyễn Như Linh – Luận Án Thạc sỹ Trang 19