3. Các phương pháp phân tích

3.1 MỤC TIÊU VÀ CÁCH TIẾP CẬN

Một phần đáng kể của dự án này là thực hiện nghiên cứu phân tích nhằm đánh giá các đặc điểm được cho là có ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc và thiết kế của giải pháp sửa chữa mái dốc mất ổn định bằng deep patch, với mục tiêu cuối cùng là đưa các kết quả nghiên cứu vào phương pháp thiết kế. Các đặc điểm này bao gồm:

1. khoảng cách đứng giữa các lớp gia cường,
2. chiều sâu của khối đất deep patch được gia cường,
3. cường độ/độ cứng của vật liệu gia cường,
4. dạng phá hoại, bao gồm phá hoại xoay và phá hoại dạng nêm,
5. neo giữ tại hai đầu bên của patch,
6. vật liệu gia cường một trục so với hai trục, và
7. hình học của mặt cắt deep patch tại mặt mái dốc.

Các đặc điểm này được xem xét bằng hai phương pháp phân tích: chương trình ổn định mái dốc theo cân bằng giới hạn cho mái dốc gia cường, và phương pháp sai phân hữu hạn cho bài toán mái dốc hai chiều và ba chiều. Tổng quan về các phương pháp này được trình bày ở Mục 3.2, đồng thời giải thích cơ sở lựa chọn các chương trình thương mại sử dụng trong dự án này. Các chương trình này được giới thiệu và so sánh ở Mục 3.4.

Đánh giá chi tiết phương pháp cân bằng giới hạn dùng để phân tích mái dốc được sửa chữa bằng deep patch được trình bày ở Chương 4, cho thấy cần có các phương pháp phân tích nâng cao hơn, tức là các phương pháp số, để xét đến các đặc điểm nêu trên. Trong dự án này, phương pháp số sai phân hữu hạn được sử dụng để kiểm tra các đặc điểm này. Chi tiết phân tích được trình bày trong Chương 5 đến Chương 8. Từ các phân tích đó, một phương pháp thiết kế có xét đến các đặc điểm này đã được xây dựng và trình bày ở Chương 9.

Hình học của giải pháp sửa chữa deep patch được mô hình hóa bằng cách giả định một vùng đất dạng nêm, nơi phá hoại mái dốc đã xảy ra. Vùng đất này có thể là đất đắp tạo thành do thao tác đào và đổ đất, hoặc là một phần đất tự nhiên yếu hơn đất tự nhiên bên dưới và bên cạnh. Trong cả hai trường hợp, nêm đất được giả định nằm trên một mái dốc có độ dốc lớn, gồm các lớp đất có cường độ lớn hơn vật liệu bên trong nêm.

Hai dạng phá hoại được xem xét gồm:

• 1) chuyển động xoay trong nêm đất yếu, và
• 2) trượt dọc theo mặt tiếp xúc giữa đất yếu và đất khỏe hơn, tức phá hoại dạng nêm.
  Thuật ngữ và các tham số dùng để xác định hình học của mái dốc được sửa chữa bằng phương pháp deep patch được trình bày ở Mục 3.3.

3.2 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

Mục đích của phần này là tổng quan các phương pháp phân tích ổn định mái dốc có độ dốc lớn, có bố trí cốt gia cường địa kỹ thuật, đồng thời đưa ra khuyến nghị về các phương pháp sẽ được sử dụng trong phần phân tích của dự án này. Các phương pháp này được xem xét dựa trên các đặc điểm quan trọng đối với sửa chữa mái dốc bằng deep patch, như đã thảo luận ở Mục 3.1.

Hai nhóm phương pháp chính dùng để phân tích ổn định mái dốc gia cường gồm phương pháp cân bằng giới hạn và phương pháp cơ học môi trường liên tục bằng mô hình số. Phương pháp cân bằng giới hạn từ trước đến nay được sử dụng phổ biến nhất vì yêu cầu ít công sức và chuyên môn nhất. Các phương pháp cơ học môi trường liên tục bằng mô hình số thường là phương pháp phần tử hữu hạn hoặc sai phân hữu hạn. Phương pháp cân bằng giới hạn thường là phương pháp hạn chế nhất do các giả thiết vốn có trong phương pháp. Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn đang và sẽ tiếp tục được sử dụng rộng rãi nhất, và được xem là đáng tin cậy nếu đã được kiểm chứng với các phương pháp phức tạp hơn, có đối chiếu với dữ liệu quan trắc thực tế hiện trường.

Các phương pháp số cho phép linh hoạt hơn trong việc mô hình hóa cơ chế làm việc của các thành phần trong hệ thống, nhờ đó cung cấp cái nhìn sâu hơn về tầm quan trọng của các vấn đề nêu trên. Điều này đặc biệt quan trọng trong dự án này vì cơ chế phá hoại có thể khá khác so với cơ chế phá hoại xoay hoặc trượt bên trong thường gặp ở mái dốc gia cường thông thường. Các phương pháp số cũng có thể được mở rộng một cách đáng tin cậy sang bài toán ba chiều, điều này quan trọng khi xem xét loại vật liệu gia cường địa kỹ thuật, gồm loại hai trục hoặc một trục, và khả năng neo giữ của vật liệu địa kỹ thuật. Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp này được trình bày chi tiết dưới đây.

3.2.1 Các phương pháp cân bằng giới hạn

Các phương pháp cân bằng giới hạn đã được thiết lập vững chắc cho các mái dốc đất không gia cường và đã phát triển cùng với sự gia tăng của năng lực tính toán. Trong lịch sử, các phương pháp dựa trên phân tích một nêm trượt đơn, như phương pháp Culmann, và phá hoại theo cung tròn trong đất đồng nhất, như phương pháp biểu đồ ổn định Taylor, đã được sử dụng để xác định hệ số an toàn chống phá hoại mái dốc.

Các phương pháp này đơn giản về mặt tính toán nhưng bị hạn chế về hình học mái dốc, phân lớp đất và điều kiện nước ngầm. Phương pháp lát cắt được đưa ra nhằm khắc phục một số hạn chế này. Phương pháp này yêu cầu một tập hợp các giả thiết liên quan đến cân bằng lực giữa các lát cắt, từ đó hình thành nhiều phương pháp khác nhau trong nhóm phân tích này.

Các phương pháp cân bằng giới hạn đã được mở rộng áp dụng cho mái dốc gia cường vào giữa thập niên 1980. Khối đất gia cường tạo ra một số dạng phá hoại có thể xảy ra, bao gồm: 1) phá hoại nội bộ, trong đó mặt phá hoại đi xuyên qua các phần tử gia cường; 2) phá hoại bên ngoài, trong đó mặt phá hoại đi phía sau và bên dưới khối đất gia cường; và 3) phá hoại hỗn hợp, trong đó mặt phá hoại đi qua cả khối đất không gia cường và khối đất gia cường (Elias và nnk., 2001).

Mất ổn định nội bộ thường chi phối trong các trường hợp khoảng cách đứng giữa các lớp geosynthetic lớn và/hoặc chiều dài gia cường ngắn. Phá hoại liên quan đến khối đất gia cường, tức phá hoại nội bộ và phá hoại hỗn hợp, thường được phân tích bằng mặt phá hoại dạng nêm, vì phá hoại được giả định phát triển dọc theo các khối có dạng gần như khối hộp. Ổn định bên ngoài được phân tích bằng cơ chế phá hoại xoay giả định và một trong các phương pháp lát cắt.

Kết quả phân tích ổn định mái dốc theo phương pháp cân bằng giới hạn thường được biểu diễn dưới dạng hệ số an toàn, là tỷ số giữa tổng lực kháng hiện có và các lực gây phá hoại. Lực gây phá hoại chủ yếu phát sinh từ trọng lượng đất trong khối trượt. Các lực do tải trọng phụ thêm và dòng thấm nước ngầm cũng góp phần tạo ra lực gây phá hoại. Lực kháng gồm sức kháng cắt dọc theo các mặt phá hoại và lực neo giữ phát sinh trong các lớp gia cường khi mặt phá hoại cắt qua các lớp này. Gia cường geosynthetic bổ sung lực kéo tác dụng quanh tâm quay, tạo ra mô men phục hồi để tăng hệ số an toàn, hoặc buộc mặt phá hoại chuyển sang một cung trượt nguy hiểm hơn nằm ngoài vùng gia cường.

FHWA đã tài trợ phát triển một chương trình máy tính để phân tích và thiết kế mái dốc gia cường, dựa trên tài liệu hướng dẫn của Christopher và nnk. (1989). Chương trình này được phát triển trên cơ sở chương trình STABL. Chương trình RSS ở định dạng MS-DOS và được FHWA phân phối miễn phí. Sau đó, chương trình này được cập nhật thành chương trình chạy trên Windows, gọi là ReSSA 1.0, và sử dụng giao diện chương trình dựa trên MSEW dành cho tường gia cường. FHWA phân phối một số lượng bản sao hạn chế cho các cơ quan liên bang và các Sở Giao thông tiểu bang. Phiên bản tiếp tục được cập nhật hiện có bán thương mại thông qua ADAMA Engineering dưới tên ReSSA 3.0. Chương trình sử dụng phương pháp Bishop (Bishop, 1955) cho mặt phá hoại tròn và phương pháp Spencer (Spencer, 1967) cho mặt phá hoại dạng nêm. Một nêm hai phần được sử dụng để đánh giá khả năng trượt dọc theo từng lớp gia cường.

Có nhiều chương trình phân tích ổn định mái dốc theo cân bằng giới hạn khác dành cho mái dốc gia cường, và nhiều khả năng cũng phù hợp tương đương cho các bài toán này. Tuy nhiên, xét đến lịch sử phát triển của ReSSA cũng như việc chương trình này được FHWA chấp nhận sử dụng và hỗ trợ, ReSSA đã được sử dụng trong dự án này.

3.2.2 Các phương pháp số: phần tử hữu hạn / sai phân hữu hạn

Các phương pháp số, gồm phần tử hữu hạn (FE) và sai phân hữu hạn (FD), cho phép mô hình hóa từng thành phần của hệ mái dốc gia cường. Vật liệu geosynthetic được mô hình hóa như một thành phần riêng biệt, trong đó có thể quy định độ cứng và cường độ của vật liệu.

Tương tác giữa geosynthetic và đất xung quanh được mô hình hóa thông qua các mặt tiếp xúc phát triển sức kháng ma sát. Các lớp đất được mô tả bằng các mô hình vật liệu có xét đến cả độ cứng và cường độ.

Ưu điểm của các phương pháp số so với phương pháp cân bằng giới hạn bao gồm:

• 1) không cần giả định trước hình dạng và vị trí của mặt phá hoại; mô hình FE/FD xác định các vùng trong khối đất nơi ứng suất cắt tác dụng vượt quá cường độ cắt của vật liệu, các vùng này cuối cùng liên kết lại để hình thành mặt phá hoại;
• 2) không cần các giả thiết vốn có trong các phương pháp cân bằng giới hạn thông dụng, cụ thể là giả thiết cân bằng lực giữa các lát cắt trong các kỹ thuật sử dụng phương pháp lát cắt;
• 3) mô hình FE/FD cung cấp thông tin về biến dạng dưới điều kiện ứng suất làm việc; và 4) các phương pháp FE/FD có thể cung cấp thông tin khi phá hoại tiến triển trong mái dốc (Griffiths và Lane, 1999).

Việc xác định hệ số an toàn thường được thực hiện bằng cách giảm dần các đặc trưng cường độ của đất, gồm lực dính và góc ma sát, theo một hệ số giảm cường độ, được lấy là hệ số an toàn, cho đến khi xảy ra phá hoại. Trong mô hình FE/FD, phá hoại thường được định nghĩa theo ba cách:

• 1) đạt đến một mức độ phình trồi quá mức nào đó của mái dốc;
• 2) vượt quá một mức ứng suất cắt nào đó trên mặt phá hoại; và
• 3) nghiệm không hội tụ.

Mặc dù chưa có sự thống nhất về định nghĩa nào là phù hợp nhất, định nghĩa thứ ba có vẻ được sử dụng phổ biến nhất. Việc nghiệm không hội tụ hàm ý rằng không thể đạt được cân bằng tổng thể trong khi vẫn thỏa mãn tiêu chí phá hoại của đất; nói cách khác, khối đất mái dốc đang trượt quá mức dọc theo mặt phá hoại, đến mức không thể khôi phục cân bằng.

San và nnk. (1994) đã so sánh phương pháp FE và phương pháp cân bằng giới hạn cho các mái dốc gia cường đơn giản. Việc so sánh được thực hiện giữa mặt phá hoại dự báo và lực kéo lớn nhất phát triển trong vật liệu geosynthetic. Hai phương pháp cho kết quả tương đối phù hợp.

Vulova và Leshchinsky (2003) đã nghiên cứu tường đất ổn định cơ học có mặt tường bằng khối lắp ghép và cốt gia cường địa tổng hợp. Phá hoại xảy ra do tải trọng bản thân khi chiều cao tường được tăng lên trong mô hình. Chương trình sai phân hữu hạn FLAC phiên bản 3.4, là chương trình hai chiều (2D), được sử dụng để mô hình hóa. Các thông số vật liệu dùng trong mô hình được lấy theo các giá trị thiết kế điển hình trong tài liệu.

Các biến được nghiên cứu bao gồm: khoảng cách giữa các lớp geosynthetic, cường độ đất, độ cứng gia cường, cường độ liên kết, các lớp gia cường phụ, độ cứng nền móng và chiều dài gia cường. Các dự báo bằng FLAC được so sánh với phương pháp AASHTO dành cho tường đất ổn định cơ học (MSEW). Trong MSEW, ba phương pháp được dùng để so sánh, gồm phương pháp L, phương pháp Demo 82 và phương pháp Bishop.

Khoảng cách gia cường dao động từ 8 in. đến 3.3 ft. (203 mm đến 1.0 m). Bốn dạng phá hoại được xác định: phá hoại bên ngoài, phá hoại sâu, phá hoại hỗn hợp và phá hoại liên kết. Khoảng cách gia cường là yếu tố chính chi phối dạng phá hoại phát triển. Khi tăng khoảng cách, dạng phá hoại chuyển từ phá hoại bên ngoài hoặc phá hoại sâu sang phá hoại hỗn hợp và phá hoại liên kết. Các biến khác, gồm cường độ đất, độ cứng gia cường và độ cứng nền móng, cũng ảnh hưởng đến dạng phá hoại. Gia cường phụ chỉ cải thiện hiệu quả làm việc khi khoảng cách gia cường lớn. Kết quả so sánh khá phù hợp với phương pháp AASHTO.

Hatami và Bathurst (2005) đã sử dụng chương trình FLAC 2D để mô hình hóa một loạt tường đất ổn định cơ học quy mô lớn trong phòng thí nghiệm. Nghiên cứu tập trung vào dự báo biến dạng dưới các mức ứng suất làm việc. Các chi tiết liên quan đến việc triển khai FLAC cũng được trình bày. Kết quả cho thấy mô hình FLAC phù hợp tốt với các số đo từ tường thí nghiệm.

Huang và nnk. (2009) đã xem xét ảnh hưởng của mô hình ứng xử đất đắp và kết luận rằng mô hình hyperbol Duncan-Chang tương đối đơn giản có sẵn trong FLAC cho kết quả dự báo nằm trong mức độ chính xác đo đạc, đồng thời không nhất thiết cần các mô hình đất phức tạp hơn.

Tanchaisawat và nnk. (2009) đã mô hình hóa một nền đắp thí nghiệm gia cường toàn tỷ lệ, được xây dựng trên đất nền mềm. Mô hình FE 2D bằng Plaxis và mô hình FD 3D bằng FLAC được sử dụng để phân tích nền đắp. Việc so sánh được thực hiện đối với biến dạng đứng và ngang, áp lực nước lỗ rỗng dư và ứng suất kéo trong cốt gia cường. Phân tích 3D cho giá trị các đại lượng này thấp hơn một chút, trong khi cả hai mô hình đều dự báo hợp lý các ứng xử quan sát được.

Các ví dụ nêu trên cho thấy tính khả thi của việc sử dụng FE/FD để dự báo chuyển vị và phá hoại của mái dốc gia cường. Các chương trình thương mại hiện có đã được sử dụng thành công cho các phân tích này. Đối với dự án này, khả năng sử dụng mã tính 3D là quan trọng. FLAC cung cấp cả mã tính 2D chuyên dùng cho mái dốc và mã tính 3D tổng quát. Với việc FLAC trước đây đã được sử dụng thành công cho đất và tường gia cường, đồng thời có sẵn ở cả 2D và 3D, chương trình này đã được sử dụng trong dự án này.

3.3 HÌNH HỌC MÁI DỐC VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN GIẢ ĐỊNH

Một dạng hình học đơn giản hóa của các mái dốc đã được sửa chữa hoặc cần sửa chữa bằng phương pháp deep patch được giả định nhằm thực hiện nghiên cứu tham số với số lượng biến tối thiểu, từ đó có thể xây dựng phương pháp thiết kế cho sửa chữa bằng deep patch.

Hình học thể hiện trong Hình 48 biểu diễn một mái dốc hình thành từ phương pháp thi công đào và đổ đất (cut-and-cast), nhưng ở phần sau của mục này sẽ được chứng minh là cũng áp dụng được cho mái dốc tự nhiên có một vùng đất yếu dọc theo mặt mái dốc.

Trong thực tế, hình học của kỹ thuật thi công cut-and-cast phụ thuộc vào địa hình và địa chất của khu vực được phát triển. Các khối đá lộ thiên lớn, địa hình dốc và các chướng ngại tự nhiên khác, hệ thống thoát nước, v.v. tạo ra rất nhiều mặt cắt ngang có thể xảy ra.

Để rút ra các kết luận có ý nghĩa, vô số cấu hình mái dốc có thể có đã được lý tưởng hóa thành một dạng hình học duy nhất, tương ứng với trường hợp vật liệu từ mái đào được đổ trực tiếp sang phía đắp.

Trong Hình 48, cao độ ban đầu và tự nhiên của mái dốc được thể hiện bằng góc mái dốc α. Mặt đường được tạo ra bằng hoạt động đào và đắp có mái dốc nền đắp được xác định bởi góc β, góc này dốc hơn α. Chiều cao mái dốc được ký hiệu là H. Tham số X xác định khoảng cách từ đỉnh mái dốc đến mặt tiếp xúc giữa đất đắp và đất tự nhiên. Tham số X_c là khoảng cách từ đỉnh mái dốc đến mặt trượt quan sát được (thể hiện bằng vết nứt trong Hình 48) khởi phát trên đỉnh mái dốc. Phương pháp thiết kế được phát triển cho sửa chữa deep patch trong báo cáo này dựa trên việc đo cả X và \(X_c\). Tham số \(X_c\) là khoảng cách có thể đo trực tiếp ngoài hiện trường đối với mái dốc đã bị phá hoại trước khi thiết kế và thi công sửa chữa deep patch, như đã minh họa trong Chương 2 đối với các trường hợp hiện trường được khảo sát trong dự án này. Tuy nhiên, tham số X khó đo hơn ngoài hiện trường, như đã thảo luận trước đây trong Chương 2. Các phương pháp ước tính X được thảo luận trong Chương 9.

Đất yếu thể hiện trong Hình 48 được giả định có các đặc trưng cường độ khác với và thấp hơn nền đất tự nhiên xung quanh, làm cho phá hoại bị giới hạn trong vùng đất yếu. Đối với các trường hợp mái dốc hoàn toàn gồm đất tự nhiên, hình học thể hiện trong Hình 48 vẫn có thể được sử dụng. Trong trường hợp này, giả định rằng vùng đất yếu chỉ đơn giản là các trầm tích tự nhiên có đặc trưng cường độ yếu hơn so với nền đất tự nhiên nằm bên dưới và lân cận. Đối với trường hợp này, tham số \(X_c\) vẫn có thể được xác định dễ dàng từ các quan sát hiện trường, tuy nhiên khoảng cách X khó xác định hơn. Các hệ quả của sự không chắc chắn liên quan đến việc xác định X được thảo luận trong Chương 9.

Để đơn giản hóa, nước ngầm không được đưa vào mái dốc và không được xét đến trong các mô hình phân tích cũng như phương pháp thiết kế được trình bày ở các chương sau. Điều này là cần thiết nhằm giới hạn số lượng biến liên quan đến mái dốc và giúp nghiên cứu tham số cũng như phương pháp thiết kế thu được trở nên khả thi hơn. Nước ngầm là một tác nhân quan trọng trong phá hoại ban đầu của mái dốc, và các phân tích riêng cho từng mái dốc nên xét đến điều kiện này. Tuy nhiên, mục đích của nghiên cứu này là phát triển các khuyến nghị chung và một phương pháp thiết kế đơn giản hóa, phù hợp để các kỹ sư thiết kế và cơ quan quản lý đường bộ sử dụng, chứ không phải là một công cụ phân tích riêng cho từng vị trí. Như được trình bày trong các chương sau, phá hoại của các mái dốc không gia cường khi không xét đến ảnh hưởng của nước ngầm được “mô phỏng” bằng cách giảm các đặc trưng cường độ của vùng đất yếu. Vì ảnh hưởng của sửa chữa deep patch được phân tích đối với điều kiện khi phá hoại xảy ra trong vùng đất yếu không gia cường, nên các tác nhân dẫn đến phá hoại, bao gồm cả nước ngầm, về cơ bản đã được xét ngầm trong các kết quả thu được.

(giải thích thêm)

Đoạn này ý chính là:

• Trong nghiên cứu này, tác giả cố tình bỏ qua nước ngầm khi phân tích mái dốc.
• Không phải vì nước ngầm không quan trọng, mà vì:
  • nếu đưa nước ngầm vào thì bài toán sẽ rất phức tạp,
  • có quá nhiều biến số (mực nước, áp lực nước lỗ rỗng, mùa mưa, dòng thấm…),
  • khó xây dựng một phương pháp thiết kế đơn giản dùng chung.

Tác giả muốn tạo ra một phương pháp deep patch:

• đơn giản,
• dễ áp dụng,
• dùng được cho nhiều trường hợp,
• phù hợp cho kỹ sư thiết kế và cơ quan quản lý đường bộ.

Nhưng thực tế:

• nước ngầm là nguyên nhân rất quan trọng gây trượt mái dốc.
• Vì vậy tác giả phải “giả lập” ảnh hưởng của nước ngầm bằng cách khác.

Cách họ làm là:

thay vì mô hình hóa nước ngầm trực tiếp,
họ làm cho vùng đất yếu có cường độ thấp hơn.

Tức là:

• đáng lẽ nước ngầm làm đất yếu đi → gây trượt,
• thì trong mô hình họ:
  • không đưa nước ngầm vào,
  • nhưng giảm lực kháng của đất yếu,
  • để mái dốc vẫn bị phá hoại giống ngoài thực tế.

Nói đơn giản:

Ngoài thực tế	Trong mô hình nghiên cứu
Nước ngầm làm đất yếu → trượt	Giảm cường độ đất yếu → trượt

nên ảnh hưởng của nước ngầm được “xét gián tiếp”.

Câu cuối khó hiểu nhất thực ra muốn nói:

Vì nghiên cứu chỉ quan tâm trạng thái “mái dốc đã bị trượt”, nên nguyên nhân gây trượt (nước ngầm hay nguyên nhân khác) không quá quan trọng nữa.

Họ chỉ cần:

• mô phỏng được một mái dốc đã phá hoại,
• rồi nghiên cứu xem sửa chữa deep patch có hiệu quả hay không.

Có hai cơ chế chung mà theo quan sát trước đây, mái dốc thường bị phá hoại. Phá hoại có thể xảy ra dưới dạng phá hoại xoay trong thân vùng đất yếu (được xác định là đất đắp hoặc nền đất tự nhiên yếu), hoặc dưới dạng trượt dọc theo mặt tiếp xúc giữa vùng đất này và nền đất tự nhiên cứng chắc lân cận (tức là dọc theo đường nét đứt màu đỏ kéo dài lên đến roadway bench). Trước đây, các phương pháp phân tích đã được phát triển theo hai nhóm rộng này. Phá hoại xoay tương ứng với mặt trượt tròn cổ điển và thường xảy ra trong các trường hợp đất trong vùng đất yếu, là đất đắp hoặc đất tự nhiên yếu, có tính đồng nhất và mặt tiếp xúc giữa các vùng đất yếu và đất cứng tương đối chắc. Phá hoại xoay, như được trình bày trong chương này, dẫn đến các giá trị X_c nhỏ hơn. Phá hoại dọc theo mặt tiếp xúc giữa vùng đất yếu và vùng đất cứng chắc (sau đây gọi là phá hoại kiểu nêm) có nhiều khả năng xảy ra nhất khi đất đắp được đặt trực tiếp lên mái dốc tự nhiên có thảm thực vật, nơi vật chất hữu cơ bị phân hủy tạo thành một lớp yếu. Phá hoại kiểu nêm cũng có thể xảy ra trong các mái dốc hoàn toàn tự nhiên khi tồn tại một lớp đất yếu tự nhiên. Như được trình bày trong chương này, phá hoại kiểu nêm thường dẫn đến các giá trị X_c lớn hơn.

Đối với hầu hết các vị trí mái dốc bị phá hoại được khảo sát ngoài hiện trường trong nghiên cứu này, không thể phân biệt trực tiếp và chắc chắn giữa phá hoại xoay và phá hoại kiểu nêm. Điều này chủ yếu là do thảm thực vật dày, địa hình không bằng phẳng và không có dấu hiệu phình trồi rõ ràng. Trong một số trường hợp, tuy nhiên, nhiều vết nứt dạng cung tiến triển được quan sát tại một vị trí, cho thấy khả năng cao hơn là các phá hoại xoay đang xảy ra đồng thời trong vật liệu mái dốc yếu hơn. Ngược lại, các vị trí có vết nứt tuyến tính hơn theo hướng giao thông cho thấy khả năng cao hơn là phá hoại kiểu nêm. Tuy nhiên, ngoài các trường hợp hiếm này, cả giá trị lớn và nhỏ của X_c đều được quan sát; điều này, cùng với kiến thức hiện có và kết quả từ các phân tích được thảo luận trong các chương sau, dẫn đến nhu cầu phải xem xét cả phá hoại xoay và phá hoại kiểu nêm. Phương pháp thiết kế thu được từ các phân tích này bao gồm kết quả từ cả hai cơ chế phá hoại. Việc biết khoảng cách Xc đóng vai trò như một chỉ số khả dĩ để nhận diện dạng phá hoại, nghĩa là người thiết kế không bắt buộc phải xác định dạng phá hoại thực tế ngoài hiện trường.

3.4 SO SÁNH MÔ HÌNH CÂN BẰNG GIỚI HẠN VÀ SAI PHÂN HỮU HẠN

Mục đích của phần này là so sánh hai phương pháp phân tích đối với các mái dốc bị phá hoại, phù hợp để sửa chữa bằng deep patch. Hai phương pháp phân tích này tương ứng với phương pháp cân bằng giới hạn sử dụng chương trình ổn định mái dốc ReSSA và phương pháp số sai phân hữu hạn sử dụng chương trình FLAC/Slope.

Các chương trình được sử dụng cho hai cấu hình mái dốc, Slope I và Slope II, có hình học cơ bản được minh họa trong Mục 3.3, Hình 48. Giá trị của các tham số thể hiện trong hình này được trình bày trong Bảng 12 cho hai mái dốc này. Hai cấu hình này được chọn để phù hợp với các mái dốc bị phá hoại thường gặp có thể sửa chữa bằng deep patch. Đối với hai cấu hình mái dốc này, cả phá hoại xoay và phá hoại kiểu nêm đều được phân tích. Đối với phá hoại xoay, ReSSA được so sánh với FLAC/Slope và cho các hệ số an toàn giống hệt nhau. Kết quả cho thấy FLAC/Slope có xu hướng tạo ra mặt trượt hơi khác, với các giá trị X_c lớn hơn.

FLAC/Slope được sử dụng để mô hình hóa phá hoại kiểu nêm và cho các hệ số an toàn nhỏ hơn nhưng tương tự so với phương trình trượt của một nêm dọc theo mặt phá hoại phẳng. Hệ số an toàn nhỏ hơn là do mặt phá hoại tới hạn hơn, có xét đến sự phát triển của vết nứt kéo, điều không được tính đến trong phương trình trượt nêm. Giá trị X_c đối với phá hoại kiểu nêm lớn hơn so với phá hoại xoay.

Bảng 12: Các tham số hình học mái dốc dùng cho phân tích so sánh

Slope Geometry Parameter	Slope I	Slope II
β	34°	39°
α	26.8°	29.8°
H	60 ft	35 ft
X	30 ft	18 ft

Các kết quả này cho thấy có thể sử dụng FLAC/Slope để phân tích hệ số an toàn và cơ chế phá hoại trong các mái dốc không gia cường. Kết quả từ FLAC/Slope, được thể hiện dưới dạng biểu đổ đẳng trị biến dạng cắt (shear strain rate contours) và biểu đồ vectơ chuyển động (velocity vector plots), được trình bày nhằm cung cấp thông tin về dạng chuyển động của mái dốc và vị trí các mặt trượt. Loại thông tin này từ FLAC/Slope được sử dụng sau này để đánh giá hiệu quả của các chiến lược sửa chữa deep patch khác nhau. Chi tiết của phần tóm tắt này được trình bày trong các tiểu mục sau.

3.4.1 Các mặt trượt phá hoại xoay

Slope I và Slope II, được định nghĩa trong Bảng 12, được tạo lập và phân tích để so sánh hệ số an toàn và vị trí mặt trượt được tính bởi ReSSA và FLAC/Slope. Sơ đồ hình học của Slope I được trình bày trong Hình 49 cho các mô hình ReSSA và FLAC/Slope. Đối với các mô hình này, vùng đất tự nhiên cứng chắc được gán các đặc trưng cường độ là \(\phi\) = 50° và c = 0, cùng dung trọng \(\gamma\) = 125 lb/ft³. Giá trị góc ma sát tương đối cao được sử dụng để giới hạn phá hoại trong vùng đất yếu.

ReSSA được sử dụng để phân tích hai mái dốc với giả định rằng vùng đất yếu là đồng nhất và có thể phát triển mặt trượt tròn (xoay). Các đặc trưng cường độ của đất yếu được chọn để tạo ra hệ số an toàn (FS) bằng 1.0 cho mặt trượt tới hạn, đại diện cho một mái dốc đã bị phá hoại cần sửa chữa. Đất yếu trong hai mái dốc được gán lực dính tương đối nhỏ (xem Bảng 13). Giá trị lực dính nhỏ cho phép mặt trượt phát triển bên trong thân khối đất đắp và có giá trị X_c có ý nghĩa. Các mái dốc không có cường độ dính sẽ tạo ra các mặt trượt tới hạn nông và các giá trị X_c nhỏ. Các mái dốc có giá trị X_c nhỏ nhiều khả năng không cần kỹ thuật sửa chữa deep patch. Dựa trên lực dính được chọn cho đất yếu, góc ma sát của loại đất này sau đó được chọn để tạo ra FS = 1.0, với các giá trị thu được được liệt kê trong Bảng 13. Các đặc trưng này cũng được sử dụng trong phân tích FLAC/Slope.

Bảng 13: Các đặc trưng đất mái dốc dùng cho phân tích so sánh phá hoại xoay

Đơn vị đất	Slope I			Slope II
	\(\phi\) (°)	c (lb/ft²)	\(\gamma\) (lb/ft³)	\(\phi\) (°)	c (lb/ft²)	\(\gamma\) (lb/ft³)
Yếu	23.1	116	125	23.0	110	125
Cứng chắc/Tự nhiên	50	0	125	50	0	125

\(\\\)

Vị trí của các mặt trượt tới hạn từ các phân tích ReSSA cho Slope I và II được trình bày trong Hình 50. Các giá trị X_c được xác định từ các phân tích lần lượt là 5.43 ft và 4.77 ft đối với Slope I và II. Kết quả tổng hợp từ các phân tích ReSSA và FLAC/Slope được trình bày trong Hình 51. Các kết quả FLAC/Slope được thể hiện dưới dạng các đường đẳng trị biến dạng cắt, biểu thị sự phát triển biến dạng cắt tại vị trí xảy ra phá hoại trong mái dốc. Các giá trị suất biến dạng cắt lớn nhất minh họa vị trí của mặt trượt xuyên qua vật liệu. Trên các hình này, cung trượt từ các phân tích ReSSA được thể hiện bằng đường màu đen liền để so sánh. Hệ số an toàn từ các phân tích FLAC/Slope cũng bằng 1.0 đối với cả hai mái dốc. Các giá trị X_c được xác định từ các phân tích FLAC/Slope lớn hơn các giá trị từ ReSSA và lần lượt bằng 8.1 ft và 6.5 ft đối với Slope I và II.

Trong phân tích FLAC/Slope, chuyển động được tính tại các điểm nút lưới và được xác định là chuyển vị xảy ra giữa hai bước cuối cùng của sơ đồ tính cân bằng, tương ứng với trạng thái phá hoại khi xảy ra mất ổn định. Cả độ lớn và phương của chuyển động đều được xác định tại các điểm nút lưới này, nhờ đó có thể vẽ các vectơ chuyển động.

Khi các vectơ chuyển động tại tất cả các điểm nút lưới được vẽ trên mặt cắt ngang của mái dốc, dạng chuyển động tại thời điểm bắt đầu phá hoại mái dốc được thể hiện, như trình bày trong Hình 51 và Hình 52 đối với Slope I và II.

Vì “chuyển động” ở đây được định nghĩa là chênh lệch chuyển vị giữa hai bước thời gian cân bằng cuối cùng, trong đó thời gian là một đại lượng tùy ý phụ thuộc vào sơ đồ số, nên các vectơ chuyển động không nhằm cung cấp thông tin về độ lớn chuyển động thực tế, mà chủ yếu thể hiện dạng chuyển động. Biểu đồ vectơ chuyển động hữu ích để hình dung chuyển động của vật liệu trong phạm vi mái dốc tham gia vào quá trình phá hoại.

Từ Hình 51 và Hình 52, có thể thấy chuyển động của đất, được biểu thị bằng các vectơ chuyển động, xảy ra trong vùng được giới hạn bởi mặt trượt thể hiện bằng các đường đồng mức tốc độ biến dạng cắt. Vật liệu nằm ngoài vùng này ổn định và không tham gia vào phá hoại mái dốc. Biểu đồ vectơ chuyển động được sử dụng sau này để đánh giá hiệu quả của các mô phỏng sửa chữa mái dốc bằng deep patch khác nhau.

3.4.2 Các mặt trượt phá hoại kiểu nêm

Hệ số an toàn đối với phá hoại kiểu nêm theo phương pháp cân bằng giới hạn được đánh giá dễ dàng nhất bằng phương trình dạng khép kín đơn giản cho trượt của một nêm đất dọc theo một mặt phẳng nghiêng. Theo hình học được định nghĩa trong Hình 48, phương trình này được cho bởi:

\[
FS = \frac{2c \ sin β} {H\gamma \ sin α \ sin(β − α)} \tag{phương trình 1}
\]

trong đó vật liệu dọc theo mặt tiếp xúc giữa đất yếu và nền đất tự nhiên cứng chắc được giả định có góc ma sát bằng 0 và lực dính c. Đối với hình học Slope I và Slope II được định nghĩa trong phần trên, Phương trình 1 được sử dụng để xác định lực dính cần thiết để đạt FS = 1.0. Các giá trị c = 380 và 277 lb/ft² lần lượt được xác định cho Slope I và II.

FLAC/Slope được sử dụng để mô hình hóa phá hoại kiểu nêm bằng cách tạo một lớp đất riêng trong thân vùng đất yếu dọc theo mặt tiếp xúc với đất tự nhiên cứng chắc, như minh họa trong Hình 53 đối với hình học Slope I. Đối với các phân tích này, các lớp đất yếu, mặt trượt và đất tự nhiên cứng chắc được gán các đặc trưng cường độ trình bày trong Bảng 15.

Hình 54 trình bày kết quả phân tích FLAC/Slope dưới dạng biểu đồ đẳng trị suất biến dạng cắt (shear strain rate), và minh họa rằng phá hoại chủ yếu xảy ra trong lớp mặt trượt và kết thúc ở phía trên dưới dạng vết nứt kéo thẳng đứng. Từ các phân tích này, các giá trị X_c lần lượt là 14.0 và 8.1 ft đối với Slope I và II, lớn hơn các giá trị quan sát được đối với phá hoại xoay.

Các hệ số an toàn từ các phân tích này lần lượt là 0.94 và 0.93 đối với Slope I và II. Hệ số an toàn thấp hơn so với phương trình trượt nêm là do FLAC/Slope xác định được mặt trượt tới hạn nhất, khởi đầu dưới dạng vết nứt kéo và tách sớm dọc theo mặt trượt đối với Slope I, và mặt này tới hạn hơn so với trường hợp đi theo toàn bộ ranh giới tiếp xúc.

Bảng 14: Các đặc trưng đất mái dốc dùng cho phân tích so sánh phá hoại kiểu nêm

Đơn vị đất	Slope I			Slope II
	\(\phi\) (°)	c (lb/ft²)	\(\gamma\) (lb/ft³)	\(\phi\) (°)	c (lb/ft²)	\(\gamma\) (lb/ft³)
Yếu	32	200	125	32	200	125
Mặt trượt	0	380	125	0	277	125
Cứng chắc/Tự nhiên	50	0	125	50	0	125

Hỗ trợ duy trì trang:

Tôi xây dựng trang này để chia sẻ các tài liệu kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế hạ tầng giao thông.

Nếu bạn thấy nội dung hữu ích và muốn góp phần duy trì trang hoạt động bền vững, tôi rất trân trọng mọi sự ủng hộ.

Qua USD (Buy Me a Coffee)

BIDV • STK: 3101226659 • HOANG HAI HA