Mục đích của phần này là nghiên cứu sâu hơn việc áp dụng phương pháp ổn định mái dốc theo cân bằng giới hạn để đánh giá các mái dốc phù hợp cho sửa chữa bằng phương pháp deep patch. Như đã giải thích trong Mục 3.2, chương trình thương mại ReSSA đã được sử dụng. Chương trình này được dùng để đánh giá cả mái dốc không gia cường và mái dốc có gia cường.
Các mái dốc không gia cường đã được phân tích cho nhiều trường hợp với các tổ hợp hình học mái dốc khác nhau. Các giá trị tham số hình học mái dốc (Bảng 15) được lựa chọn để đại diện cho phạm vi điều kiện điển hình của các mái dốc bị phá hoại phù hợp để sửa chữa bằng deep patch, và được chọn thông qua tham vấn với đơn vị tài trợ dự án. Các tham số trình bày trong Bảng 15 tương ứng với các tham số được định nghĩa và minh họa trong Hình 48.
Bảng 15: Phạm vi giá trị của các tham số hình học mái dốc
| Tham số hình học mái dốc |
Phạm vi giá trị |
|---|---|
| β | 34° và 39° |
| α | 20 – 38° |
| H | 10 – 60 ft |
| X | 3 – 30 ft |
Các mái dốc không gia cường được đánh giá nhằm xem xét các điều kiện xảy ra phá hoại. Cụ thể, các đặc trưng cường độ của đất yếu đối với phá hoại xoay, hoặc của đất tại mặt trượt đối với phá hoại kiểu nêm, cần thiết để đạt hệ số an toàn bằng 1.0, đã được xác định. Đối với phá hoại xoay, nhiều tổ hợp góc ma sát và lực dính của đất yếu tạo ra hệ số an toàn bằng 1.0 đã được sử dụng. Với mỗi trường hợp, các giá trị Xc được ghi nhận cho cung trượt tới hạn. Các giá trị Xc thu được được vẽ theo khoảng cách X của mái dốc. Các giá trị Xc lớn tương ứng với các trường hợp trong đó một khối lượng đất lớn tham gia vào quá trình phá hoại. Trong các chương sau sẽ thấy rằng giá trị Xc của mái dốc không gia cường càng lớn thì yêu cầu gia cường cho sửa chữa deep patch càng lớn. Ngoài ra, các giá trị Xc lớn đối với phá hoại xoay chỉ có thể xảy ra khi kết hợp các giá trị góc ma sát thấp đến mức không thực tế với các giá trị lực dính trung bình tương ứng. Hầu hết các ứng dụng deep patch hiện nay không được sử dụng cho phá hoại trong các loại đất như vậy. Tuy nhiên, các giá trị Xc lớn có thể xuất hiện do phá hoại kiểu nêm. Điều này cho thấy cần phân tích phương pháp deep patch cho cả phá hoại xoay và phá hoại kiểu nêm, đồng thời củng cố các lập luận đã nêu trong Mục 3.3 về việc xem xét cả hai dạng phá hoại.
Phương pháp cân bằng giới hạn cũng được sử dụng để đánh giá các mái dốc đã bị phá hoại được gia cố bằng phương pháp deep patch và đưa đến hai phát hiện chính. Thứ nhất, lớp gia cố được bổ sung vào các lớp trên cùng của mái dốc có thể làm tăng hệ số an toàn lên mức chấp nhận được khi các cung trượt cần thiết bắt đầu dọc theo roadway bench và do đó cắt qua lớp gia cố. Tuy nhiên, điều này không ngăn được các cung trượt có hệ số an toàn không chấp nhận được phát triển bên dưới lớp gia cố thấp nhất. Điều này ủng hộ triết lý thiết kế cho rằng vai trò của deep patch là giới hạn phá hoại ở mặt ngoài của mái dốc đất yếu, và ngăn phá hoại lan lên roadway bench.
Phát hiện chính thứ hai là, trong bối cảnh các phân tích cân bằng giới hạn, yêu cầu trên có thể đạt được bằng một lớp gia cố cường độ cao duy nhất đặt gần đỉnh mái dốc. Kết quả này là một hệ quả của cơ học liên quan đến các phân tích ổn định mái dốc theo cân bằng giới hạn và trái với nhận định kỹ thuật hợp lý.
Hơn nữa, kết quả cho thấy cân bằng giới hạn không thể phân biệt giữa một lớp gia cố cường độ cao duy nhất đặt gần đỉnh mái dốc và các lớp gia cố yếu hơn bố trí dày hơn trong một vùng chiều sâu ở phía trên của mái dốc. Trong cả hai trường hợp, hệ số an toàn đạt yêu cầu được xác định cho các cung trượt kéo dài đến roadway bench, còn các hệ số an toàn không đạt yêu cầu xuất hiện đối với các cung trượt bắt đầu dọc theo mặt mái dốc. Không có thông tin nào về chuyển vị của đất trong vùng gia cố và bên dưới roadway bench.
Phương pháp cân bằng giới hạn không cung cấp thông tin về chuyển vị của đất khi phá hoại xảy ra và không thể dùng để xác định liệu đất trong khu vực roadway bench có bị chuyển vị quá mức đối với một cấu hình gia cố nhất định hay không. Do đó, phương pháp cân bằng giới hạn bị hạn chế về khả năng xác định ảnh hưởng của chiều sâu và khoảng cách lớp gia cố. Các phát hiện và kết luận này được trình bày chi tiết trong các phần sau của chương này.
4.1 MÁI DỐC KHÔNG GIA CỐ
Các thông số hình học X và H (như định nghĩa trong Hình 48) được thay đổi để tạo ra các mặt cắt ngang đại diện có giá trị α nằm trong khoảng nêu ở Bảng 15. Các trường hợp được xây dựng cho mái dốc có giá trị β bằng 34° và 39°. Dung trọng của đất đắp cũng được thay đổi trong khoảng từ 115 đến 135 lb/ft³. Đối với mỗi cấu hình mái dốc, các tổ hợp khác nhau của các đặc tính cường độ đất yếu \(\phi\) và c được chọn để tạo ra các cung trượt tới hạn đối với phá hoại xoay có FS = 1.0. Đối với một cấu hình mái dốc cho trước, điều này tạo ra các cung trượt tới hạn có các điểm vào khác nhau, được biểu thị bằng khoảng cách Xc. Tất cả các mặt trượt đều tương ứng với các cung tròn nằm trong vùng đất yếu. Tổng cộng, 277 trường hợp đã được xem xét.
Các giá trị X và Xc được chọn là các thông số phù hợp nhất để thể hiện mối quan hệ giữa hình học của một cấu hình mái dốc cụ thể (được biểu thị bằng X) và phạm vi hoặc kích thước của khối trượt (được biểu thị bằng Xc). Với các giá trị X và Xc lớn hơn, khối lượng đất yếu tham gia vào quá trình phá hoại nhiều hơn. Ở phần sau sẽ cho thấy rằng các tổ hợp này đặt ra yêu cầu gia cố lớn hơn đối với việc sửa chữa bằng deep patch. Đồ thị X theo Xc cho tất cả các trường hợp được xem xét với β = 34° và 39° được trình bày trong Hình 55. Chỉ các trường hợp tương ứng với X và Xc lớn hơn 3 ft mới được quan tâm, được thể hiện trong các hình này bằng các đường chấm ngang và dọc. Đường gạch nghiêng biểu thị một ranh giới được vẽ để bao chứa các điểm thu được trong quá trình phân tích.
Nhìn chung, đối với các điểm tiến gần đến đường giới hạn nghiêng (đường gạch), các mái dốc không gia cố bị phá hoại dưới tổ hợp \(\phi\) giảm và c tăng. Các điểm nằm ở phía trên bên phải của các biểu đồ chỉ có thể xảy ra với các giá trị \(\phi\) bằng hoặc gần bằng 0 và với các giá trị c trung bình. Đối với phá hoại xoay, các giá trị Xc lớn chỉ có thể xảy ra khi \(\phi\) bằng hoặc gần bằng 0 và c được điều chỉnh tương ứng để tạo ra FS = 1.0. Tổ hợp đặc tính cường độ này được xem là không thực tế đối với hầu hết các mái dốc có thể áp dụng sửa chữa bằng deep patch. Kinh nghiệm hiện nay chưa mở rộng đến các sửa chữa deep patch dùng cho các mái dốc thuần dính. Sửa chữa bằng deep patch thường được sử dụng trong các tình huống mà đất yếu chứa đủ đất hạt để có góc ma sát hữu hiệu không nhỏ hơn khoảng 15°.
Hình 56 trình bày các đồ thị tương tự nhưng cho các trường hợp \(\phi\) lớn hơn 15°. Từ các biểu đồ này có thể thấy rằng các trường hợp phá hoại xoay có xu hướng bị giới hạn ở các giá trị Xc nhỏ hơn khoảng 6 đến 7 ft. Trong Mục 3.3, đã chỉ ra rằng phá hoại dạng nêm tạo ra các giá trị Xc lớn hơn so với phá hoại xoay; do đó, các phá hoại có giá trị Xc lớn hơn khoảng 6 đến 7 ft nhiều khả năng là do phá hoại dạng nêm chứ không phải phá hoại xoay. Tuy nhiên, hỗn hợp giữa phá hoại dạng nêm và phá hoại xoay có thể xuất hiện ở các vùng khác của biểu đồ. Cả hai cơ chế phá hoại này đều được đánh giá bằng phương pháp số FLAC/Slope để mô phỏng mái dốc. Thông tin này được sử dụng để xây dựng phương pháp thiết kế nhằm xác định chiều sâu khối gia cố, khoảng cách lớp gia cố và cường độ gia cố.
4.2 MÁI DỐC GIA CỐ
Chương trình phân tích ổn định mái dốc theo cân bằng giới hạn ReSSA đã được đánh giá nhằm xác định liệu nó có phải là công cụ phù hợp để phân tích phương pháp sửa chữa deep patch hay không, dựa trên khả năng phân biệt giữa các chiều sâu gia cố và cấu hình khoảng cách lớp gia cố khác nhau của phương pháp deep patch.
Các chương trình cân bằng giới hạn có xét đến gia cố thể hiện hiệu quả nhờ mô men khôi phục được tạo ra do tấm gia cố được neo vào vùng đất ổn định và lực kéo sinh ra tác dụng quanh tâm xoay, như minh họa trong Hình 57. Mô men gây trượt (MD) do khối đất trượt tạo ra được chống lại một phần bởi mô men kháng sinh ra từ tích của lực kéo trong lớp gia cố (FR) và cánh tay đòn mô men (HR).
Để minh họa các cơ chế này, Mái dốc I (hình học được định nghĩa trong Mục 3.4, Bảng 12) được mô hình hóa bằng ReSSA với một lớp gia cố duy nhất đặt ở độ sâu 1 ft bên dưới roadway bench. Các đặc tính đất yếu (được định nghĩa trong Bảng 13 cho Mái dốc I) được sử dụng trong phân tích này, tạo ra Xc = 5.43 ft. Với các điều kiện này, mái dốc không gia cố có FS = 1.0 và được xem là mái dốc đã phá hoại cần sửa chữa.
Chiều dài lớp gia cố đủ lớn để ngăn kéo tuột. Mái dốc được phân tích với một phạm vi rộng các giới hạn bắt đầu và kết thúc của cung trượt. Kết quả là FS = 1.04, trong đó cung trượt tới hạn nằm trong đất yếu bên dưới lớp gia cố duy nhất, như thể hiện trong Hình 58.
Phân tích này được lặp lại với các giới hạn bắt đầu cung trượt được giới hạn tại road bench, qua đó buộc cung trượt tới hạn phải cắt qua lớp gia cố. Kết quả là FS = 1.30, với cung trượt tới hạn được thể hiện trong Hình 59. Nhiều lần chạy mô hình được sử dụng để xác định cường độ kéo của lớp gia cố (10,000 lb/ft) cần thiết để đạt FS = 1.30 cho phân tích này. FS = 1.30 được xem là đạt yêu cầu đối với thiết kế sửa chữa bằng deep patch.
Các phân tích bổ sung được thực hiện với cấu hình mái dốc này, sử dụng các cấu hình chiều sâu và khoảng cách lớp gia cố được trình bày trong Bảng 16, nhằm kiểm tra mức độ phù hợp của cân bằng giới hạn cho ứng dụng này.
Cường độ kéo của lớp gia cố trong mỗi trường hợp được thiết lập sao cho tạo ra tổng lực gia cố tương đương với trường hợp một lớp gia cố duy nhất. Hệ số an toàn được xác định cho:
- 1) tìm kiếm cung trượt không giới hạn, luôn cho ra các cung trượt tới hạn nằm bên dưới cao độ thấp nhất của lớp gia cố; và
- 2) tìm kiếm giới hạn, trong đó yêu cầu điểm bắt đầu của cung trượt phải nằm dọc theo roadway bench.
Mức tăng FS khi “tìm kiếm giới hạn” đối với các lớp gia cố sâu hơn và nhiều lớp hơn là do cánh tay đòn mô men tăng lên khi có nhiều lớp được bố trí ở các độ sâu lớn hơn, như được giải thích dưới đây.
Bảng 16: Tóm tắt FS cho các phân tích ReSSA của Slope I gia cường
| Số lớp gia cường và độ sâu bên dưới đỉnh mái dốc |
Cường độ kéo của một lớp riêng lẻ (lb/ft) |
FS tìm kiếm không giới hạn |
FS tìm kiếm giới hạn |
|---|---|---|---|
| 1 @ 1 ft | 10,000 | 1.04 | 1.30 |
| 2 @ 1 và 2 ft | 5,000 | 1.04 | 1.30 |
| 4 @ 1, 2, 3, 4 ft | 2,500 | 1.06 | 1.31 |
| 6 @ 1, 2, 3, 4, 5, 6 ft | 1,667 | 1.07 | 1.31 |
| 1 @ 6 ft | 10,000 | 1.08 | 1.32 |
Các kết quả này minh họa một số điểm quan trọng. Phương pháp sửa chữa deep patch không tạo ra một hệ số an toàn tổng thể đạt yêu cầu đối với dạng phá hoại mái dốc khởi phát dọc theo mặt mái dốc và thường nằm bên dưới lớp gia cường thấp nhất. Các hệ số an toàn được cải thiện và đạt yêu cầu chỉ đạt được đối với các cung trượt kéo dài tới roadway bench. Điều này phù hợp với mục đích của phương pháp sửa chữa deep patch, vốn nhằm cải thiện ổn định của bề mặt đường chứ không nhất thiết là ổn định của toàn bộ mái dốc. Về mặt phân tích, do đó mục tiêu nên là giới hạn khả năng phá hoại mái dốc trong phạm vi mặt mái dốc đất yếu và ngăn không cho phá hoại lan lên tới roadway bench. Trong bối cảnh sử dụng cân bằng giới hạn làm công cụ phân tích/thiết kế, điều này đòi hỏi phải sử dụng thông tin từ “tìm kiếm giới hạn” để đánh giá hiệu quả của deep patch.
Hơn nữa, các kết quả trong Bảng 16 cho thấy rằng khi tổng lực gia cường được giữ không đổi, việc tăng số lớp gia cường và bố trí gia cường ở độ sâu lớn hơn chỉ mang lại lợi ích khiêm tốn. Nhận xét này là do cơ chế liên quan đến cánh tay đòn lớn hơn để lực gia cường phát huy tác dụng. Do đó, trong bối cảnh các phương pháp cân bằng giới hạn, một lớp gia cường có cường độ cao cũng phù hợp không kém so với nhiều lớp gia cường yếu hơn được bố trí sát nhau.
Không thể thu được thông tin để đánh giá lợi ích của việc tăng độ sâu gia cường và khoảng cách của khối gia cường. Phương pháp cân bằng giới hạn không cung cấp thông tin về chuyển vị vật liệu ở trạng thái phá hoại, mà chỉ cho biết hệ số an toàn tại thời điểm phá hoại. Đây là một hạn chế đáng kể khi sử dụng các phương pháp cân bằng giới hạn để đánh giá cấu hình gia cường tốt nhất cho các phương pháp sửa chữa deep patch.
Chương tiếp theo xem xét ổn định của các mái dốc này bằng phương pháp sai phân hữu hạn (FLAC/Slope). Đánh giá này cho thấy phương pháp này cung cấp thông tin về các vùng đất dịch chuyển tại thời điểm phá hoại và có thể phân biệt giữa các cấu hình gia cường deep patch khác nhau.
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.