Chương 8 – Đánh giá dự án mái dốc đất có cốt

(nguồn)

Publication No. FHWA-NHI-10-025
FHWA GEC 011 – Volume II
November 2009

NHI Courses No. 132042 and 132043

Design and Construction of Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes – Volume II

8.1 Giới thiệu

Khi hành lang tuyến cho phép và chi phí của tường MSE lớn, cần xem xét phương án mái đắp dốc hơn. Trong chương này sẽ điểm lại các cơ sở và yêu cầu thiết kế để đánh giá phương án mái đắp đất có cốt (reinforced soil slope – RSS). Quy trình thiết kế từng bước được trình bày trong Chương 9. Mục 8.2 xem xét các loại hệ thống và vật liệu dùng trong thi công. Mục 8.3 thảo luận phương pháp thiết kế ổn định nội tại khi dùng cốt gia cường làm trợ giúp đầm chặt, làm dốc taluy và sửa chữa taluy. Các chương trình thiết kế hỗ trợ bằng máy tính cũng được điểm qua. Mục này kết thúc bằng phần thảo luận về các yêu cầu ổn định ngoài khối (external stability). Mục 8.4 xem xét trình tự thi công. Mục 8.5 trình bày xử lý mặt ngoài của taluy để ngăn xói mòn. Mục 8.6 trình bày chi tiết thiết kế các hạng mục phụ trợ, bao gồm dải phân cách giao thông và yêu cầu thoát nước. Cuối cùng, Mục 8.7 đưa ra một số ví dụ thực tế để minh họa khả năng tiết kiệm chi phí.

8.2 Hệ thống mái dốc đất có cốt

8.2.1 Các loại hệ thống

Các hệ thống đất có cốt gồm những lớp cốt phẳng bố trí gần như nằm ngang trong khối đất đắp gia cường (reinforced fill mass), nhằm chống lại chuyển dịch ra ngoài của khối đất đắp có cốt. Lớp mặt (facing) có thể được xử lý từ trồng cỏ, cây phủ đến các hệ thống bảo vệ mặt linh hoạt để ngăn hiện tượng bong tróc và sạt lở mặt taluy. Các hệ thống này mang tính tổng quát, có thể kết hợp nhiều loại cốt và hệ mặt khác nhau. Hỗ trợ thiết kế thường được cung cấp thông qua nhiều nhà cung cấp cốt gia cường, vốn thường có các chương trình máy tính độc quyền.

Tài liệu này không đề cập đến việc gia cường phần chân nền đắp khi thi công trên nền đất yếu, đây là một dạng ứng dụng cốt khác. Người sử dụng được giới thiệu sang tài liệu FHWA Geosynthetics Design and Construction Guidelines (Holtz và các cộng sự, 2008) cho dạng ứng dụng đó. Một mở rộng của dạng ứng dụng này là kéo dài cốt tại chân nền đắp để cải thiện ổn định tổng thể của taluy đất có cốt. Dạng ứng dụng này sẽ được trình bày; tuy nhiên, việc làm dốc taluy đáng kể làm tăng mạnh khả năng xảy ra phá hoại sức chịu tải trên nền đất yếu, do đó cần có khảo sát địa kỹ thuật chi tiết kèm theo phân tích nghiêm ngặt.

Một kỹ thuật gia cường taluy khác, gọi là phương pháp “Deep Patch”, được dùng để ổn định và có thể sửa chữa các taluy đắp đường trên các tuyến đường cấp thấp, nơi việc đào bỏ và thay thế không khả thi (ví dụ ở vùng núi). Trong phương pháp này, các lớp cốt (thường là geogrid) được đặt ở phần phía trên của taluy để “neo kéo” taluy trở lại. Một phương pháp thiết kế thực nghiệm đã được phát triển bởi Cục Lâm nghiệp thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA Forest Service) phối hợp với FHWA Federal Lands Highway (Musser và Denning, 2005). Phương pháp này không được trình bày chi tiết trong các mục thiết kế của Chương 8 và 9 vì thường được xem như giải pháp sửa chữa tạm thời nhằm làm chậm chuyển vị taluy cho đến khi có thể áp dụng một giải pháp lâu dài hơn; tuy nhiên, mô tả tóm tắt về phương pháp này được nêu trong Phụ lục F.

8.2.2 Vật liệu xây dựng

Các loại cốt. Taluy đất có cốt có thể được xây dựng với bất kỳ loại cốt nào đã trình bày trong Chương 2. Mặc dù có thể dùng các phần tử cốt rời dạng dải, phần lớn hệ thống được xây dựng bằng các tấm geosynthetic liên tục (tức geotextile hoặc geogrid) hoặc lưới thép. Các phần tử vi cốt rời nhỏ như sợi, sợi chỉ, và microgrid bố trí rất gần nhau cũng đã được sử dụng. Tuy nhiên, việc thiết kế dựa trên dạng thiết kế truyền thống cho đất không cốt, trong đó lực dính được “bổ sung” bởi cốt (dạng này không được đề cập trong tài liệu này).

Yêu cầu đối với đất đắp có cốt. Các yêu cầu đối với đất đắp cho taluy đất có cốt được bàn trong Chương 3. Do thông thường sử dụng hệ mặt mềm (ví dụ mặt quấn), các biến dạng nhỏ của mặt có thể xảy ra do lún của khối đất đắp có cốt, do đóng băng – tan băng, hoặc do ướt – khô luân phiên đều có thể chấp nhận được. Vì vậy có thể dùng đất đắp chất lượng thấp hơn so với đất đắp khuyến nghị cho tường MSE. Đất đắp khuyến nghị được giới hạn trong vật liệu hạt, có tính dẻo thấp (tức là PI ≤ 20 và ≤ 50 % lọt qua sàng No. 200 của Mỹ {0.075 mm}). Tuy nhiên, với điều kiện thoát nước tốt, đánh giá cẩn thận đặc tính đất và tương tác đất–cốt, kiểm soát thi công hiện trường và theo dõi ứng xử công trình (xem Chương 11), đa số đất tại chỗ vẫn có thể được xem xét sử dụng.

8.3 Phương pháp thiết kế

8.3.1 Các lưu ý về ứng dụng

Như đã trình bày trong Chương 2, có hai mục đích chính khi sử dụng cốt cho taluy:

• Cải thiện ổn định cho các taluy dốc hơn bình thường và để sửa chữa taluy.
• Hỗ trợ đầm nén, nhằm tạo điều kiện cho thiết bị thi công và ổn định taluy trong quá trình thi công.

Thiết kế cốt cho các taluy dốc và an toàn đòi hỏi phân tích nghiêm ngặt. Thiết kế cốt cho ứng dụng này là tối quan trọng, vì nếu cốt bị phá hoại thì taluy cũng sẽ bị phá hoại.

Các yêu cầu thiết kế tổng thể cho taluy có cốt tương tự như đối với taluy không cốt: sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn với ứng suất cho phép, và hệ số an toàn phải đủ cho cả điều kiện ngắn hạn và dài hạn, cũng như cho tất cả các dạng phá hoại có thể xảy ra. Các phương pháp LRFD hiện chưa được phát triển đầy đủ cho cả taluy không cốt và taluy có cốt, do đó không được đưa vào tài liệu này.

Như minh họa ở Hình 8-1, có ba dạng phá hoại đối với taluy có cốt:

• Phá hoại nội tại, trong đó mặt trượt đi qua các phần tử cốt.
• Phá hoại ngoài khối, trong đó mặt trượt đi phía sau và bên dưới vùng đất có cốt.
• Phá hoại hỗn hợp (compound), trong đó mặt trượt đi phía sau và xuyên qua vùng đất có cốt.

Trong một số trường hợp, hệ số an toàn ổn định tính toán có thể xấp xỉ bằng nhau cho hai hoặc cả ba dạng phá hoại, nếu cường độ, chiều dài và khoảng cách đứng giữa các lớp cốt được tối ưu hóa (Berg và các cộng sự, 1989).

8.3.2 Thiết kế cốt để hỗ trợ đầm nén

Đối với việc sử dụng vật liệu địa kỹ thuật trợ giúp đầm nén, việc thiết kế tương đối đơn giản. Giả sử mái dốc an toàn ngay cả khi không có cốt, thì không cần thiết kế cốt. Đặt bất kỳ loại geotextile hoặc geogrid nào có thể chịu được trong quá trình thi công tại mỗi lớp đất đắp hoặc cách một lớp, trong một mặt phẳng liên tục dọc theo mép mái dốc. Chỉ cần các dải hẹp, rộng khoảng 4 đến 6 ft (1.2 đến 1.8 m), với khoảng cách đứng từ 8 đến 18 in (200 đến 500 mm). Khi góc dốc tiến gần đến góc nghỉ của đất, khuyến nghị thực hiện phân tích ổn định mặt mái bằng phương pháp được trình bày trong mục thiết kế cốt của Chương 9. Khi phân tích cho thấy cần bố trí cốt, các dải cốt hẹp này có thể được coi là cốt thứ cấp dùng để cải thiện đầm nén và ổn định mặt mái giữa các lớp cốt chính.

8.3.3 Thiết kế cốt cho mái dốc hơn và sửa chữa mái dốc

Đối với các mái dốc có cốt được làm dốc hơn (góc nghiêng mặt mái đến 70°) và sửa chữa mái dốc, việc thiết kế dựa trên các phiên bản điều chỉnh của các phương pháp ổn định mái dốc theo trạng thái giới hạn cân bằng cổ điển như trình bày trên Hình 8-2:

• Giả thiết mặt trượt tiềm năng dạng tròn hoặc dạng nêm.
• Quan hệ giữa các lực (hoặc mô men) gây trượt và chống trượt quyết định hệ số an toàn mái dốc.
• Các lớp cốt cắt qua mặt trượt tiềm năng được xem là làm tăng lực hoặc mô men chống trượt dựa trên sức chịu kéo và hướng bố trí của chúng. (Thông thường, không xét đến sức kháng cắt và uốn của các loại cốt cứng.)
• Sức chịu kéo của một lớp cốt được lấy bằng giá trị nhỏ hơn giữa sức kháng kéo tuột cho phép phía sau (hoặc phía trước) mặt trượt tiềm năng và sức bền thiết kế cho phép dài hạn, \(T_{al}\).

Như thể hiện trong Hình 8-1, cần xem xét nhiều dạng mặt trượt tiềm năng, bao gồm cả mặt trượt sâu đi xuyên qua hoặc nằm phía sau vùng được gia cường.
Đối với phân tích ổn định nội tại, hệ số an toàn ổn định mái dốc tới hạn được lấy theo mặt phá hoại (mặt trượt) không gia cường bên trong mà đòi hỏi mức gia cường lớn nhất. Đây là mặt trượt có tỷ số giữa mômen gây trượt (mômen dẫn động) chưa cân bằng lớn nhất và mômen chống trượt là lớn nhất, không phải là mặt trượt cho ra hệ số an toàn không gia cường nhỏ nhất.
Mặt trượt phá hoại này tương đương với mặt phá hoại tới hạn của vùng gia cường có hệ số an toàn nhỏ nhất.
Thiết kế chi tiết vùng gia cường được thực hiện bằng cách tính hệ số an toàn cho các phương án bố trí cốt gia cường và lần lượt điều chỉnh chúng cho đến khi đạt hệ số an toàn mục tiêu. Sau đó, sẽ đánh giá ổn định ngoài và ổn định hỗn hợp (compound stability) của vùng gia cường.

(momen gây trượt chưa cân bằng lớn nhất)

Vì trong ổn định mái dốc, “unbalanced driving moment” nghĩa là phần mômen gây trượt còn dư sau khi đã trừ đi mômen chống trượt trên một mặt trượt giả định.

• Mômen gây trượt: (M_d)
• Mômen chống trượt: (M_r)
• Mômen gây trượt “chưa cân bằng”: (;M_{ub}=M_d – M_r)

Nếu \(M_{ub}\) càng lớn → “dư lực gây trượt” càng nhiều → mặt trượt đó bất lợi hơn và sẽ đòi hỏi gia cường nhiều hơn để kéo hệ số an toàn lên mức mục tiêu.

Vậy họ nói “chưa cân bằng lớn nhất” để chỉ: trong rất nhiều mặt trượt có thể, họ chọn mặt trượt mà khoảng chênh \(M_d – M_r\) lớn nhất (tức “thiếu ổn định” nặng nhất theo tiêu chí mômen), chứ không chọn mặt trượt có FS không gia cường nhỏ nhất. Hai tiêu chí này có thể không trùng nhau vì:

• FS là tỷ số \(FS = \dfrac{M_r}{M_d}\) (hoặc dạng lực)
• còn “unbalanced moment” là hiệu \(M_d – M_r\)

Một mặt trượt có thể có tỷ số (FS) nhỏ nhưng tổng mômen nhỏ; trong khi mặt khác có thể có hiệu \(M_d – M_r\) rất lớn nên cần gia cường lớn hơn.

Đối với các ứng dụng sửa chữa mái dốc, việc xác định nguyên nhân phá hoại ban đầu cũng rất quan trọng để bảo đảm rằng mái dốc đất có cốt mới sẽ không gặp lại các vấn đề tương tự. Nếu tồn tại mực nước ngầm hoặc dòng chảy nước không ổn định, cần đặc biệt chú ý đến việc thoát nước. Đối với đất tự nhiên, cũng cần nhận diện bất kỳ lớp yếu nào có thể ảnh hưởng đến ổn định.

Phương pháp trình bày trong tài liệu này sử dụng bất kỳ chương trình máy tính phân tích ổn định mái dốc thông thường nào, kèm theo các bước cần thiết để tính toán thủ công nhu cầu cốt cho hầu như mọi điều kiện. Hình 8-2 thể hiện phương pháp mặt trượt quay thông thường được dùng trong phân tích. Có thể xét đến các điều kiện khá phức tạp tùy thuộc phương pháp phân tích được sử dụng (ví dụ: Modified Bishop, Spencer). Chương trình máy tính ReSSA (ADAMA, 2001) được FHWA phát triển đặc biệt để thực hiện dạng phân tích này.

Phương pháp mặt trượt quay được dùng cho các mái dốc có góc dốc đến 70°, mặc dù về mặt kỹ thuật, đây cũng là phương pháp phù hợp để đánh giá các mái dốc dốc hơn. Các mái dốc dốc hơn 70° được xem như tường và áp dụng các quy trình áp lực đất ngang được nêu trong Chương 4.

Hướng của lực kéo trong cốt giả định sẽ ảnh hưởng đến hệ số an toàn mái dốc được tính toán. Với cách tiếp cận bảo toàn, biến dạng của cốt không được xét đến, do đó lực kéo trên một đơn vị bề rộng cốt, \(T_r\), được giả thiết luôn nằm theo phương ngang của cốt. Tuy nhiên, khi gần trạng thái phá hoại, cốt có thể giãn dọc theo mặt trượt, và khi đó có thể xét đến một góc nghiêng so với phương ngang.

Các hướng cốt nêu trên là một giả thiết đơn giản hóa, trong đó cốt không được đưa trực tiếp vào phân tích mái dốc. Nếu thực hiện một đánh giá chặt chẽ hơn, trong đó cả thành phần đứng và ngang của lực kéo được đưa vào các phương trình cân bằng, có thể chứng minh rằng ứng suất pháp sẽ tăng lên đối với các thanh cốt có hướng không trùng với tiếp tuyến của mặt trượt (Wright và Duncan, 1990). Về thực chất, sự tăng ứng suất pháp này dẫn đến ảnh hưởng của cốt lên hệ số an toàn gần như giống nhau, dù giả thiết lực cốt tác dụng theo phương tiếp tuyến hay phương ngang. Mặc dù các lập luận cân bằng này có thể cho thấy giả thiết phương ngang là bảo toàn đối với cốt dạng dải không liên tục, cần nhận thức rằng phân bố ứng suất gần điểm giao nhau giữa cốt và mặt trượt là phức tạp. Kết luận về sự tăng ứng suất pháp chỉ nên được xét cho các loại cốt liên tục và bố trí dày; kết luận này là đáng nghi ngờ và không nên áp dụng cho các mái dốc có cốt bố trí thưa và/hoặc cốt dạng dải rời rạc.

Vì vậy, hướng của lực kéo phụ thuộc vào khả năng kéo dãn và tính liên tục của loại cốt sử dụng, và góc nghiêng sau đây được khuyến nghị:

• Cốt dạng dải rời rạc: T song song với cốt.
• Cốt dạng tấm liên tục: T tiếp tuyến với mặt trượt.

8.3.4 Thiết kế có trợ giúp máy tính

Phương pháp lý tưởng để thiết kế mái dốc có cốt là sử dụng một chương trình máy tính phân tích ổn định mái dốc thông thường đã được hiệu chỉnh để tính đến tác dụng ổn định của cốt. Các chương trình như vậy cần xét đến cường độ cốt và sức kháng nhổ, tự động tính hệ số an toàn cho trường hợp có cốt và không có cốt, đồng thời có thuật toán tìm kiếm để xác định các mặt trượt nguy hiểm. Phương pháp này cũng có thể xét đến hiệu ứng bao giữ của cốt đối với sức kháng cắt của đất trong vùng lân cận cốt.

Có một số chương trình phân tích mái dốc có cốt được thương mại hóa, trong đó có vài chương trình tuân theo phương pháp thiết kế được trình bày chi tiết trong Chương 9 của tài liệu này. Như đã nêu trước đó, việc phát triển chương trình ReSSA ban đầu do FHWA tài trợ. ReSSA hàm chứa phương pháp thiết kế trong tài liệu này, được ký hiệu là FHWA Bishop Method trong phần phân tích ổn định trượt quay của chương trình, và còn bao gồm cả phiên bản trước của tài liệu này trong phần trợ giúp. ReSSA cũng cung cấp các phương pháp phân tích thay thế, và các màn hình trợ giúp mô tả chi tiết những phương pháp đó, bao gồm cả phần thảo luận lý thuyết về các cách tiếp cận.

FHWA không loại trừ việc sử dụng các phương pháp phân tích khác, đặc biệt là các phương pháp toàn diện hơn. Tuy nhiên, người sử dụng phải nắm chắc những phương pháp thiết kế nào đang được dùng và các thuật toán mô hình hóa cốt trong phân tích ổn định như thế nào; một số chương trình dùng các giả thiết đơn giản hóa, trong khi các chương trình khác sử dụng các dạng công thức đầy đủ hơn kèm theo các phép tính phức tạp tương ứng. Cần áp dụng các hệ số an toàn thích hợp để xét đến các bất định của phương pháp phân tích cũng như của vật liệu đất và vật liệu cốt.

Một số chương trình kém tinh vi hơn không trực tiếp thiết kế cốt mà chỉ cho phép đánh giá một sơ đồ bố trí cốt cho trước. Sau đó áp dụng một quy trình lặp để tối ưu hoặc cường độ cốt, hoặc sơ đồ bố trí cốt. Nhiều chương trình trong số này chỉ áp dụng cho các mặt cắt đất đơn giản và, trong một số trường hợp, sơ đồ cốt cũng đơn giản. Ngoài ra, việc đánh giá ổn định bên ngoài có thể bị giới hạn ở những điều kiện đất và cốt nhất định và chỉ xét một dạng phá hoại. Trong một số trường hợp, các chương trình này chỉ áp dụng cho những loại cốt cụ thể.

Khi phân tích bằng máy tính, giá trị thực tế của hệ số an toàn (FS) phụ thuộc vào cách chương trình cụ thể xét đến lực kéo trong cốt trong phương trình cân bằng mô men. Phương pháp phân tích trong Chương 9 và phương pháp FHWA Bishop trong ReSSA, cũng như nhiều phương pháp khác, đều giả thiết lực cốt tham gia vào mô men chống trượt, tức là:

\[
FS_R = \frac{M_R + T_S \ R}{M_D} \tag{8-1}
\]

trong đó:

• \(FS_R\) = hệ số an toàn ổn định yêu cầu
• \(M_R\) = mô men chống trượt do sức kháng của đất cung cấp
• \(M_D\) = mô men gây trượt quanh tâm vòng trượt
• \(T_S\) = tổng lực kéo trên một đơn vị bề rộng cốt (kể cả đứt cốt và bị kéo tuột) trong tất cả các lớp cốt cắt qua mặt trượt
• \(R\) = cánh tay đòn của lực \(T_S\) đối với tâm vòng trượt, như minh họa trên Hình 8-2.

Với giả thiết này, \(FS_R\) được áp dụng cho cả đất và cốt trong quá trình phân tích. Do đó, ổn định đối với trường hợp cốt bị đứt yêu cầu rằng sức kháng cho phép của cốt \(T_{al}\) trong Chương 3, phương trình 3-12 phải lớn hơn hoặc bằng lực kéo thiết kế lớn nhất yêu cầu \(T_{max}\) cho từng lớp cốt.

Một số chương trình máy tính lại giả thiết lực do cốt tạo ra là một thành phần gây trượt (âm), do đó hệ số an toàn FS được tính như sau:

\[
FS = \frac{M_R}{M_D – T_S R} \tag{8-2}
\]

Với giả thiết này, hệ số an toàn ổn định không được áp dụng cho \(T_S\). Vì vậy, sức bền thiết kế cho phép \(T_{al}\) phải được tính bằng cường độ kéo tới hạn \(T_{ULT}\) chia cho hệ số an toàn yêu cầu (tức là hệ số an toàn ổn định mục tiêu) cùng với các hệ số giảm thích hợp (RF) trong phương trình 8-12; nghĩa là \(T_{al} = T_{ULT} / (FS_R \times RF)\). Cách tính này cho một hệ số an toàn tương đương với phương trình 8-1, phù hợp để xét đến các bất định về cường độ vật liệu và các hệ số giảm. Phương pháp được sử dụng để xây dựng các biểu đồ thiết kế cũng cần được đánh giá cẩn thận nhằm xác định giá trị FS dùng để suy ra sức bền cốt cho phép.

8.3.5 Đánh giá ổn định bên ngoài

Ổn định bên ngoài của mái đất có cốt phụ thuộc vào khả năng vùng có cốt hoạt động như một khối ổn định và chịu được mọi tải trọng ngoài mà không bị phá hoại. Các khả năng phá hoại thể hiện trên hình 8-3 bao gồm trượt dạng nêm và dạng khối, mất ổn định tổng thể có mặt trượt sâu, phá hoại sức chịu tải cục bộ ở chân (phá hoại dạng ép trồi), cũng như lún quá mức trong cả điều kiện ngắn hạn và dài hạn.

Vùng có cốt phải đủ bề rộng tại mọi cao độ để chống lại trượt dạng nêm và dạng khối. Để đánh giá ổn định trượt, có thể phân tích mặt trượt dạng nêm được xác định bởi giới hạn của vùng có cốt bằng phương pháp khối trượt thông thường, như trình bày chi tiết trong FHWA Soils and Foundations Reference Manual (Samtani và Nowatzki, 2006). Chương trình máy tính ReSSA có tích hợp phân tích dạng nêm cho hệ có cốt, sử dụng điều kiện cân bằng lực để phân tích trượt cả bên ngoài và xuyên qua đoạn có cốt.

Các phương pháp ổn định trong cơ học đất thông thường cũng nên được dùng để đánh giá ổn định tổng thể của vùng đất có cốt. Cần xét đến cả các mặt trượt quay và mặt trượt dạng nêm kéo dài ra phía sau và phía dưới công trình. Cần chú ý nhận diện mọi lớp đất yếu trong phần đất đắp giữ lại và đất tự nhiên phía sau và/hoặc đất nền phía dưới vùng đất có cốt. Việc đánh giá các lực thấm tiềm năng đặc biệt quan trọng đối với phân tích ổn định tổng thể. Các mặt trượt dạng hỗn hợp khởi đầu bên ngoài rồi đi xuyên qua hoặc giữa các đoạn có cốt cũng cần được đánh giá, đặc biệt đối với mái dốc hoặc điều kiện đất phức tạp. Việc kéo dài các lớp cốt ở những cao độ thấp hơn có thể cải thiện ổn định tổng thể, tuy nhiên cần xem xét riêng về hướng bố trí cốt trong phân tích, tùy theo điều kiện nền móng, như trình bày chi tiết trong Chương 9.

Việc đánh giá phá hoại có mặt trượt sâu không tự động kiểm tra sức chịu tải của nền hoặc phá hoại tại chân mái dốc. Ứng suất ngang lớn trong một lớp đất mềm bị kẹp dưới nền đắp có thể dẫn đến phá hoại dạng ép ngang. Lực cắt phát sinh dưới nền đắp cần được so sánh với sức kháng cắt tương ứng của đất. Các phương pháp do Jurgenson (1934), Silvestri (1983), Bonaparte và cộng sự (1987), và Holtz và cộng sự (2008) trình bày đều phù hợp. Cách tiếp cận của Silvestri được minh họa trong bài toán ví dụ E.10 ở Phụ lục E.

Lún cần được đánh giá cho cả chuyển vị tổng cộng và chuyển vị chênh lệch. Mặc dù lún của chính mái dốc có cốt có thể không đáng lo ngại, các công trình lân cận hoặc các công trình được đỡ bởi mái dốc có thể không chịu được các chuyển vị như vậy. Chuyển vị chênh lệch cũng có thể ảnh hưởng đến quyết định lựa chọn kết cấu mặt tường như đã thảo luận ở Mục 8.4.

Ở các khu vực có khả năng xảy ra động đất, nên thực hiện một phân tích kiểu giả tĩnh đơn giản, sử dụng hệ số động đất lấy từ Phần 1A của AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges (AASHTO, 2002), AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (AASHTO, 2007) hoặc theo thông lệ địa phương. Các mái dốc có cốt là hệ linh hoạt và, trừ khi dùng làm mố cầu, chúng không bị khống chế ngang. Đối với các mố độc lập có thể chấp nhận chuyển vị ngang đến 10A in., Phần 1A – Seismic Design, Điều 6.4.3 Abutments (AASHTO, 2002) và Phụ lục A11.1.1.2 (AASHTO, 2007) đều hàm ý rằng có thể dùng gia tốc thiết kế do động đất \(A_m = A/2\) và hệ số động đất ngang tương ứng \(K_h = A/2\) cho thiết kế động đất. Do đó, khuyến nghị dùng gia tốc thiết kế do động đất bằng (A/2) cho các mái dốc đất có cốt, trừ khi mái dốc đỡ các công trình không thể chịu được các chuyển vị như vậy.

Nếu bất kỳ hệ số an toàn ổn định bên ngoài nào nhỏ hơn hệ số an toàn yêu cầu, có thể xem xét các biện pháp gia cố nền sau:

• Đào bỏ và thay thế lớp đất mềm.
• Làm thoải mái dốc.
• Đắp gờ (berm) ở chân mái dốc để tạo mái dốc tương đương thoải hơn. Gờ này có thể được đắp như tải trọng gia thêm ở chân và dỡ bỏ sau khi đất đã cố kết.
• Thi công mái dốc theo từng giai đoạn để cho phép đất nền cố kết theo thời gian.
• Chôn chân mái dốc thấp hơn mặt đất tự nhiên (> 3 ft), hoặc làm khóa chống trượt (shear key) ở chân mái dốc (đánh giá dựa trên sức kháng chủ động–bị động).
• Sử dụng các kỹ thuật gia cố nền (ví dụ: bấc thấm, cọc đá, v.v.).

Thông tin bổ sung về các kỹ thuật gia cố nền có thể tìm thấy trong các sổ tay tham khảo FHWA Ground Improvement Methods NHI-06-019 và NHI-06-020 (Elias và cộng sự, 2006).

8.4 Trình tự thi công

Vì các lớp cốt có thể dễ dàng được đặt xen giữa các lớp đất đắp đã đầm chặt nên việc thi công mái dốc có cốt rất giống với thi công mái dốc thông thường. Các bước cơ bản gồm:

1. Đắp đất
2. Đặt cốt
3. Thi công mặt mái

Trình tự thi công thông thường được nêu dưới đây, như trên Hình 8-4:

* Chuẩn bị mặt bằng

– Phát quang và dọn dẹp hiện trường.
– Dọn bỏ toàn bộ vật liệu trượt (đối với các dự án khôi phục mái dốc).
– Chuẩn bị lớp nền phẳng để đặt lớp cốt thứ nhất.
– Lu kiểm tra lớp nền ở chân mái dốc bằng xe lu hoặc xe bánh lốp.
– Kiểm tra và nghiệm thu nền móng trước khi đắp đất.
– Bố trí các hạng mục thoát nước (ví dụ: basedrain và/hoặc backdrain) khi cần.

* Đặt lớp cốt (Reinforcing Layer Placement)

– Đặt cốt sao cho hướng cường độ chính vuông góc với mặt mái dốc.
– Cố định cốt bằng các chốt neo giữ để tránh dịch chuyển trong quá trình đắp đất.
– Khuyến nghị chồng mí tối thiểu 6 in (150 mm) dọc theo các mép vuông góc với mái dốc đối với các kết cấu mặt bọc cuốn. Với cốt dạng lưới, các mép có thể được cắt và/hoặc buộc nối với nhau. Khi cốt không cần tham gia chịu lực mặt mái, không cần chồng mí và các mép chỉ cần ép sát nhau.

* Đắp đất có cốt (Reinforced fill Placement)

– Đắp đất đến chiều dày lớp yêu cầu lên trên cốt bằng máy xúc lật hoặc máy ủi chạy trên lớp đất đắp trước đó hoặc trên nền tự nhiên.
– Bảo đảm tối thiểu 6 in (150 mm) đất phủ giữa cốt và bánh xe hoặc xích của thiết bị thi công.
– Đầm chặt bằng lu rung hoặc đầm bàn đối với vật liệu hạt rời, hoặc bằng lu bánh lốp hay lu trống nhẵn đối với vật liệu dính.
– Khi rải và đầm chặt đất đắp có cốt, cần chú ý tránh mọi biến dạng hoặc dịch chuyển của lớp cốt.
– Gần mặt mái dốc, với các hệ lưới thép hàn, nên dùng thiết bị đầm nhẹ để giúp giữ đúng hình dáng mặt mái.

* Kiểm soát đầm

– Kiểm soát chặt chẽ độ ẩm và khối lượng thể tích của đất đắp có cốt. Đất phải được đầm đến tối thiểu 95% khối lượng thể tích khô lớn nhất theo thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn AASHTO T99, với độ ẩm nằm trong khoảng ±2% độ ẩm tối ưu.
– Nếu đất đắp có cốt là cốt liệu thô, thì nên quy định theo độ chặt tương đối hoặc theo dạng quy trình đầm chặt.

* Thi công kết cấu mặt

– Yêu cầu về kết cấu mặt mái dốc sẽ phụ thuộc vào loại đất, góc dốc và khoảng cách giữa các lớp cốt như trình bày trong bảng 8-1.

Nếu cần kết cấu mặt để ngăn trượt mặt (tức là góc mái dốc β lớn hơn \(ϕ_{soil}\)) hoặc xói mòn, có thể lựa chọn một số giải pháp khác nhau. Có thể bố trí chiều dài cốt đủ lớn để tạo kết cấu mặt bọc cuốn. Không nhất thiết phải bọc mặt đối với các mái dốc đến khoảng 1H:1V như chỉ ra trên Hình 8-4. Trong trường hợp này, các lớp cốt (chính và phụ) chỉ cần kéo dài ra đến tận mặt dốc. Với phương án này, nên áp dụng các biện pháp xử lý mặt ngoài, như trình bày trong Mục 8.5 Xử lý mặt ngoài, tại các cao độ thích hợp trong quá trình thi công để ngăn xói mòn mặt. Đối với kết cấu mặt bọc cuốn hoặc không bọc, các lớp cốt nên được bố trí với khoảng cách nhỏ (tức là mỗi lớp đất đắp hoặc cách một lớp, nhưng không lớn hơn 16 in {400 mm}). Đối với các hệ có mặt ngoài gia cường cứng (armored, hard-faced systems), khoảng cách tối đa không được lớn hơn 32 in (800 mm). Cần bố trí liên kết ma sát tích cực hoặc liên kết cơ học giữa cốt và hệ kết cấu mặt kiểu “armored”.

Các bước sau được khuyến nghị khi bọc cuốn mặt dốc:
 * Bẻ dựng lớp cốt ở mặt mái dốc và trả lại vào trong thân đắp tối thiểu 3 ft (1 m) phía dưới lớp cốt tiếp theo (xem Hình 8-4).
 * Với mái dốc dốc, có thể cần dùng ván khuôn để chống đỡ mặt trong quá trình thi công, giúp đầm chặt tốt hơn vùng mặt và tạo bề mặt phẳng đẹp hơn. Lưới thép hàn thường được dùng làm khuôn mặt (xem Hình 8-5). Lưới thép hàn ở mặt được để lại, trong đó thép không mạ kẽm dùng cho chống đỡ tạm và thép mạ kẽm dùng cho chống đỡ vĩnh viễn. Đối với cốt dạng lưới (grid reinforcements), có thể cần lưới mịn hoặc geotextile ở mặt để giữ vật liệu đất đắp có cốt.

Các mái dốc dốc hơn khoảng 1:1 thường cần kết cấu chống đỡ mặt trong quá trình thi công. Góc mái cụ thể sẽ thay đổi theo loại đất, tức là mức độ liên kết của đất. Thường sử dụng các kết cấu chống đỡ mặt tháo dỡ được (ví dụ: ván khuôn gỗ) hoặc khuôn lưới thép hàn để lại. Kết cấu chống đỡ mặt cũng có thể đóng vai trò bảo vệ chống xói mòn tạm thời hoặc vĩnh viễn, tùy theo yêu cầu của mái dốc.

Các vật liệu gia cường bổ sung và việc đắp/thi công Retained backfill
Nếu cần các lớp thoát nước, chúng phải được thi công ngay phía sau hoặc ở hai bên của phần (vùng) được gia cường.

Bảng 8-1. Các lựa chọn kết cấu mặt cho mái dốc đất có cốt (RSS) (theo Collin, 1996).

Góc mặt mái và loại đất	Loại kết cấu mặt
	Khi geosynthetic không bọc mặt		Khi geosynthetic bọc mặt
	Mặt phủ thực vật1	Mặt cứng1	Mặt phủ thực vật1	Mặt cứng1
> 50° (> ≈0.9H:1V) Tất cả các loại đất	Không khuyến nghị	Rọ đá (gabion)	Thảm cỏ (sod), thảm chống xói mòn vĩnh cửu có gieo hạt	Rổ lưới thép3, đá, bê tông phun (shotcrete)
35° đến 50° (≈1.4H:1V đến 0.9H:1V) Cát sạch (SP)4 Sỏi tròn (GP)	Không khuyến nghị	Rọ đá (gabion), đất – xi măng	Thảm cỏ (sod), thảm chống xói mòn vĩnh cửu có gieo hạt	Rổ lưới thép3, đá, bê tông phun (shotcrete)
35° đến 50° (≈1.4H:1V đến 0.9H:1V) Bùn (silt, ML) Bùn cát (sandy silt, ML)	Cốt sinh học trong đất, lớp composite thoát nước5	Rọ đá (gabion), đất – xi măng, ốp đá mỏng	Thảm cỏ (sod), thảm chống xói mòn vĩnh cửu có gieo hạt	Rổ lưới thép3, đá, bê tông phun (shotcrete)
35° đến 50° (≈1.4H:1V đến 0.9H:1V) Cát pha bùn (SM), cát pha sét (SC), cát và sỏi được phân loại tốt (SW & GW)	Thảm chống xói mòn tạm thời có gieo hạt hoặc thảm cỏ, thảm chống xói mòn vĩnh cửu có gieo hạt hoặc thảm cỏ	Không cần mặt cứng	Không cần bọc geosynthetic	Không cần bọc geosynthetic
25° đến 35° (≈2H:1V đến 1.4H:1V) Tất cả các loại đất	Thảm chống xói mòn tạm thời có gieo hạt hoặc thảm cỏ, thảm chống xói mòn vĩnh cửu có gieo hạt hoặc thảm cỏ	Không cần mặt cứng	Không cần bọc geosynthetic	Không cần bọc geosynthetic
Ghi chú: 1. Khoảng cách đứng giữa các lớp cốt (chính/phụ) không được lớn hơn 16 in (400 mm) khi có dùng cốt phụ, với khoảng cách giữa các lớp cốt chính không lớn hơn 32 in (800 mm). 2. Khoảng cách đứng giữa các lớp cốt chính không được lớn hơn 32 in (800 mm). 3. Khuyến nghị dùng rổ lưới thép cao 18 in (450 mm). 4. Phân loại đất theo hệ thống phân loại đất thống nhất (Unified Soil Classification). 5. Các lớp geosynthetic hoặc lớp thoát nước nằm ngang tự nhiên để chặn và thoát nước bão hòa tại mặt mái dốc.

8.5 Xử lý mặt ngoài

8.5.1 Thảm thực vật dạng cỏ

Ổn định của mái dốc có thể bị đe dọa bởi xói mòn do dòng chảy mặt. Vì vậy, các biện pháp kiểm soát xói mòn và trồng lại thảm thực vật phải là một phần không thể thiếu trong mọi thiết kế và chỉ dẫn kỹ thuật của hệ mái dốc có cốt. Nếu không được bảo vệ bằng biện pháp khác, mái dốc có cốt cần được phủ thực vật sau khi thi công để ngăn ngừa hoặc giảm thiểu xói mòn do mưa và dòng chảy trên mặt dốc. Yêu cầu về thảm thực vật sẽ thay đổi theo điều kiện địa lý và khí hậu, do đó mang tính đặc thù cho từng dự án.

Đối với mặt không bọc (lộ bề mặt đất), cần có các biện pháp kiểm soát xói mòn để ngăn hiện tượng đất rời rạc và bong trượt lớp mặt. Mặt bọc cuốn giúp giảm vấn đề xói mòn; tuy nhiên vẫn phải xử lý mặt ngoài để che chắn lớp cốt đất geosynthetic và ngăn bức xạ tử ngoại làm suy giảm geosynthetic theo thời gian. Trong cả hai trường hợp, các biện pháp xử lý mặt có phủ thực vật thông thường chủ yếu dựa vào thảm thực vật dạng cỏ thấp, thỉnh thoảng kết hợp với lớp bảo vệ mềm, có giá thành cao hơn, tại những nơi không thể gây trồng thực vật. Do mái dốc đất có cốt có thể đạt độ dốc lớn, việc gây trồng và duy trì lớp phủ thực vật dạng cỏ có thể gặp khó khăn. Độ dốc lớn làm giảm lượng nước đất có thể hút trước khi xảy ra dòng chảy mặt. Mặc dù rễ xuyên sâu không nên ảnh hưởng đến cốt, nhưng bản thân lớp cốt có thể hạn chế sự phát triển của rễ, tùy thuộc loại cốt, và điều này có thể gây tác động bất lợi đến sinh trưởng của một số loài cây. Cỏ cũng thường kém hiệu quả tại những mái dốc nằm trong vùng chịu tác động của dòng nước mặt.

Thông thường, một loại thảm kiểm soát xói mòn tổng hợp (vĩnh cửu) được sử dụng để cải thiện hiệu quả của lớp phủ cỏ. Thảm này cũng phải được ổn định chống tia tử ngoại và trơ với các hóa chất và vi khuẩn tự nhiên trong đất. Thảm kiểm soát xói mòn có các chức năng:

1. Bảo vệ bề mặt đất trần khỏi bị xói mòn cho đến khi thảm thực vật được hình thành;
2. Hỗ trợ giảm vận tốc dòng chảy mặt để tăng lượng nước đất hấp thụ, nhờ đó thúc đẩy khả năng tồn tại lâu dài của lớp phủ thực vật; và
3. Gia cường hệ rễ nông của lớp phủ thực vật.

Khi thảm thực vật đã hình thành trên mặt dốc, cần được bảo vệ để đảm bảo tồn tại lâu dài. Các vấn đề bảo dưỡng như cắt cỏ (nếu áp dụng) cũng phải được xem xét cẩn thận. Hệ rễ ngắn và yếu của đa số loài cỏ có thể không cung cấp đủ khả năng gia cường và bảo vệ chống xói mòn. Cỏ rất dễ bị cháy, điều này cũng có thể phá hủy thảm kiểm soát xói mòn tổng hợp. Tải tuyết trượt xuống hoặc các trận trượt đất từ sườn cao hơn cũng có thể kéo tuột thảm và thảm thực vật khỏi mặt dốc. Khả năng chịu xói mòn thấp, kết hợp với các yếu tố vừa nêu, làm nảy sinh nhu cầu đánh giá các biện pháp trồng lại thảm thực vật như một phần không thể tách rời của thiết kế. Việc bảo vệ mặt mái dốc không nên phó mặc cho nhà thầu thi công hoặc nhà cung cấp tự quyết. Cần tham khảo ý kiến của bộ phận bảo trì và các đơn vị cảnh quan trong vùng để lựa chọn loại thảm thực vật ít phải bảo dưỡng phù hợp nhất.

8.5.2 Công nghệ sinh học đất (thảm thực vật thân gỗ)

Một giải pháp thay thế cho thảm thực vật dạng cỏ thấp là sử dụng các phương pháp soil bioengineering để tạo lớp thực vật thân gỗ bền vững hơn trên mặt mái dốc (Sotir và Christopher, 2000). Công nghệ sinh học đất sử dụng thực vật sống được bố trí có chủ đích và cấy vào trong đất nhằm ngăn ngừa chuyển vị khối nông và xói mòn bề mặt. Tuy nhiên, việc chỉ sử dụng công nghệ sinh học đất thường chỉ thích hợp cho các khối mái dốc ổn định. Kết hợp hệ thống có xu hướng dễ bị xói mòn này với cốt geosynthetic sẽ tạo nên một kết cấu rất bền vững, ít bảo dưỡng với chất lượng thẩm mỹ và môi trường đặc biệt tốt.

Khi được áp dụng đúng cách, công nghệ sinh học đất là một phương pháp hiệu quả về chi phí và có tính thẩm mỹ cao để ổn định mái dốc chống lại xói mòn và chuyển vị khối nông, tận dụng các lợi ích và ưu điểm mà thảm thực vật mang lại. Giá trị của thảm thực vật trong kỹ thuật công trình và vai trò của thảm thực vật thân gỗ trong ổn định mái dốc đã được ghi nhận đáng kể trong những năm gần đây (Gray và Sotir, 1995). Thực vật thân gỗ cải thiện ổn định thủy lực và cơ học của mái dốc thông qua cơ chế gia cường bằng rễ và bảo vệ bề mặt. Việc sử dụng các loại cây thân gỗ có rễ ăn sâu, được trồng và cấy cố định trong quá trình xây dựng mái dốc mang lại các lợi ích:

• Kiểm soát xói mòn tức thời cho mái dốc, bờ sông và bờ hồ.
• Tăng ổn định mặt dốc nhờ gia cường cơ học bằng hệ rễ.
• Giảm chi phí bảo dưỡng, ít phải trồng lại hoặc cắt tỉa cỏ.
• Điều chỉnh chế độ ẩm của đất thông qua cải thiện thoát nước, làm giảm ẩm độ đất và tăng lực hút của đất nhờ quá trình hút nước và thoát hơi của rễ.
• Tăng cường môi trường sống cho động vật hoang dã và đa dạng sinh thái.
• Cải thiện chất lượng thẩm mỹ và mức độ “tự nhiên hóa” của công trình.

Các yếu tố sinh học và cơ học phải được phân tích và thiết kế để hoạt động cùng nhau theo một cách tích hợp và bổ trợ, nhằm đạt được các mục tiêu đặt ra cho dự án. Bên cạnh việc sử dụng các nguyên lý kỹ thuật để phân tích và thiết kế hệ ổn định mái dốc, cần có kiến thức về khoa học cây trồng và nghệ thuật làm vườn để lựa chọn và xây dựng hệ thực vật phù hợp cho mục đích gia cường bằng rễ, kiểm soát xói mòn, tạo cảnh quan và bảo vệ môi trường. Nhiều lĩnh vực chuyên môn khác nhau phải phối hợp để cung cấp kiến thức và nhận thức cần thiết cho sự thành công.

Các hệ mái dốc đất có cốt (RSS) đòi hỏi phải hiểu rõ các cơ chế liên quan đến ổn định khối và ổn định bề mặt của mái dốc. Tương tự, khi các thành phần thảm thực vật được dùng như cốt và như hệ thoát nước, cần hiểu rõ các tác động thủy lực và cơ học của thảm thực vật trên mái dốc. Hình 8-6 thể hiện mặt cắt các thành phần của một hệ mái dốc có cốt phủ thực vật (VRSS). Các chi tiết thiết kế cho kết cấu mặt bao gồm việc lựa chọn, bố trí và phát triển thảm thực vật, cũng như một số vấn đề thiết kế nông học và địa kỹ thuật khác (Sotir và Christopher, 2000).

• Lựa chọn thảm thực vật
Thảm thực vật dùng trong hệ VRSS thường ở dạng cành thân gỗ còn sống được giâm từ các loài có khả năng ra rễ phụ, hoặc từ cây rễ trần và/hoặc cây trồng trong bầu. Vật liệu cây có thể được lựa chọn theo nhiều khả năng chịu đựng khác nhau, gồm: hạn, mặn, ngập úng, cháy, bồi lắng và bóng râm. Chúng cũng có thể được chọn theo giá trị môi trường đối với động vật hoang dã, khả năng làm sạch nước, hoa, màu sắc cành và lá hoặc quả. Các tiêu chí khác có thể bao gồm kích thước, dạng tán, tốc độ sinh trưởng, đặc điểm ra rễ và mức độ dễ nhân giống. Thời điểm trong năm thi công hệ VRSS cũng đóng vai trò rất quan trọng trong việc lựa chọn loài cây.

• Bố trí thảm thực vật
Quyết định sử dụng loài bản địa, đã thuần hóa hay loài cây cảnh cũng là một cân nhắc quan trọng. Vật liệu cây được bố trí trên phần phía trước của các bậc mái dốc đã tạo hình. Thông thường 6 đến 12 in (150 đến 300 mm) nhô ra ngoài mép bậc hoặc mặt hoàn thiện, và 1.5 đến 10 ft (0.5 đến 3 m) phần cành thân gỗ sống (khi dùng) được cắm vào vùng đất có cốt phía sau, hoặc trong trường hợp cây có bộ rễ hoàn chỉnh thì được trồng sâu 1 đến 3 ft (0.3 đến 1 m) vào vùng đất có cốt. Quá trình trồng cây là tốt nhất và rẻ nhất khi được thực hiện đồng thời với các hoạt động xây dựng thông thường, nhưng nếu cần vẫn có thể tiến hành sau đó.

• Phát triển thảm thực vật
Thông thường, các hệ VRSS ứng dụng công nghệ sinh học đất cho kết quả tức thời về mặt kiểm soát xói mòn bề mặt xét dưới góc độ kết cấu/cơ học và thủy lực. Theo thời gian (thường trong năm đầu tiên), chúng phát triển mạnh cả phần thân trên và hệ rễ, từ đó tăng cường hơn nữa các lợi ích này, đồng thời mang lại giá trị thẩm mỹ và môi trường.

• Các vấn đề thiết kế
Có một số vấn đề thiết kế nông học và địa kỹ thuật cần xem xét, đặc biệt liên quan đến việc lựa chọn loại cốt geosynthetic và loại thảm thực vật. Các cân nhắc bao gồm tiềm năng phát triển của hệ rễ và phần thân trên. Tiềm năng phát triển rễ là yếu tố quan trọng khi cần tăng cường cốt cho mặt mái dốc. Điều này đòi hỏi phải xem xét lại khoảng cách đứng giữa các lớp cốt dựa trên mức độ phát triển rễ dự kiến đối với từng loại cây cụ thể. Ngoài khoảng cách, loại cốt cũng rất quan trọng. Ví dụ, các loại cốt geogrid mắt mở rất tốt vì rễ có thể mọc xuyên qua lưới và “đan kết” hệ thống lại với nhau. Ngược lại, các dạng geocomposite vừa cung cấp chức năng cốt vừa tạo thoát nước ngang, giúp tăng khả năng cung cấp nước và ôxy cho sự phát triển khỏe mạnh của thực vật thân gỗ. Tùy thuộc loài cây, hướng sườn dốc, điều kiện khí hậu, đất, v.v., lớp thực vật thân gỗ dày có thể tạo bảo vệ chống tia cực tím ngay trong mùa sinh trưởng đầu tiên và duy trì lớp phủ về sau.

Ở các vùng khô hạn, có thể ưu tiên dùng các loại geosynthetic thúc đẩy chuyển động ẩm vào trong mái dốc như geotextile không dệt hoặc geocomposite. Đồng thời, nhu cầu nước và dinh dưỡng trong mái dốc để duy trì và thúc đẩy sinh trưởng thảm thực vật phải được cân bằng với yêu cầu rút bớt nước nhằm giảm áp lực nước lỗ rỗng. Có thể trồng cây để hướng dòng thoát nước về các lớp geosynthetic thoát nước dạng lưới được bố trí phía sau vùng đất có cốt.

Không nhất thiết phải có nhiều chất hữu cơ; tuy nhiên cần có một môi trường cung cấp dinh dưỡng cho sinh trưởng và phát triển của cây. Như đã đề cập, nhu cầu nông học phải được cân bằng với yêu cầu địa kỹ thuật, nhưng thường hai yếu tố này tương thích với nhau. Đối với cả hai, cần lớp đất đắp có cốt được thoát nước tốt. Cây cũng cần đủ thành phần hạt mịn để giữ ẩm và cung cấp dinh dưỡng. Mặc dù điều này có thể là một hạn chế, nhưng trong đa số trường hợp, có thể giải quyết bằng cách điều chỉnh nhẹ các chỉ tiêu, cho phép một lượng hạt mịn không dẻo nhất định trong vùng đất có cốt ở khu vực mặt trước được chọn.

Mặc dù có thể trồng nhiều loại cây quanh năm, thời điểm hiệu quả nhất về chi phí, tỷ lệ sống cao nhất và hiệu quả tổng thể tốt nhất đạt được khi kế hoạch thi công được bố trí trùng với mùa cây ngủ nghỉ hoặc ngay trước mùa mưa. Điều này có thể đòi hỏi điều phối thi công riêng liên quan tới việc đắp đất, và trong một số trường hợp, có thể làm cho việc sử dụng kết cấu VRSS không còn thích hợp.

8.5.3 Mặt bảo vệ cứng (Armored)

Có thể áp dụng một lớp kết cấu mặt vĩnh viễn như bê tông phun (gunite) hoặc nhựa đường nhũ tương lên mặt mái dốc RSS có cốt geosynthetic để cung cấp khả năng bảo vệ lâu dài chống tia tử ngoại, nếu khả năng kháng UV của geosynthetic không đủ cho tuổi thọ công trình. Lưới thép hàn mạ kẽm dùng làm cốt hoặc kết cấu mặt, hoặc rọ đá cũng có thể được sử dụng để thuận tiện cho việc thi công mặt và tạo hệ kết cấu mặt vĩnh viễn.

• Các dạng kết cấu mặt bảo vệ cứng khác có thể bao gồm kè đá hộc (riprap), ốp đá mỏng, các khối modul liên kết, hoặc bê tông tạo hình bằng vải.
• Các phần tử kết cấu.

Các phần tử kết cấu mặt (xem MSE walls) cũng có thể được sử dụng, đặc biệt khi dùng các phần tử cốt rời như dải thép. Các loại kết cấu mặt này có thể bao gồm bản bê tông đúc sẵn, khối bê tông đúc sẵn dạng modul, hoặc các tấm bê tông đúc sẵn.

8.6 Các chi tiết thiết kế

Tương tự như các dự án tường MSE, trong các dự án mái dốc có cốt cũng thường phải xem xét một số chi tiết thiết kế không liên quan trực tiếp đến việc đánh giá ổn định nội tại hoặc ổn định ngoài khối. Các chi tiết quan trọng này bao gồm:

• Lan can phòng hộ và rào chắn giao thông.
• Các vấn đề thoát nước.
• Vật cản.

8.6.1 Lan can phòng hộ và rào chắn giao thông

Lan can phòng hộ thường cần thiết đối với các mái dốc nền đường đắp cao, dốc hơn. Các trụ lan can thường có thể được lắp đặt theo cách thức tiêu chuẩn của chúng (tức là khoan hoặc đóng xuyên qua các lớp cốt geosynthetic). Có thể sử dụng các “giày” hình nêm đặc biệt để hỗ trợ lắp đặt. Việc này không làm giảm đáng kể sức chịu lực tổng thể của geosynthetic nên không cần điều chỉnh thiết kế. Ngoài ra, có thể bố trí sẵn vị trí trụ bằng các cọc hoặc ống khuôn bê tông trong quá trình thi công. Bất kỳ một trong hai cách trên hoặc các hệ lan can kiểu công-xôn tương tự thường được dùng cho hệ cốt kim loại.

Tải trọng va chạm giao thông lên các rào chắn được xây dựng tại mặt mái dốc đất có cốt được thiết kế trên cùng cơ sở như đối với mái dốc không có cốt. Rào chắn giao thông có thể được thiết kế để chống lại mô men lật theo Điều 2.7, Phần I của AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges (AASHTO, 2002), Mục 13 của AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (AASHTO, 2007) hoặc theo AASHTO Roadside Design Guide 2006, và sẽ được trình bày chi tiết trong Chương 9.

8.6.2 Các vấn đề thoát nước

Dòng thấm nước ngầm không được kiểm soát có thể làm giảm ổn định mái dốc và cuối cùng dẫn đến phá hoại mái dốc.

• Lực thủy tĩnh tác dụng lên phía sau vùng đất có cốt sẽ làm giảm ổn định chống trượt.
• Nước thấm không kiểm soát vào vùng đất có cốt sẽ làm tăng trọng lượng khối đất có cốt và có thể làm giảm sức kháng cắt của đất, do đó làm giảm ổn định.
• Dòng thấm xuyên qua vùng đất có cốt có thể làm giảm sức kháng nhổ của cốt tại mặt ngoài và làm tăng trọng lượng đất, gây ra các vấn đề xói mòn và bong trượt mặt mái.

Như một biện pháp phòng ngừa, nên bố trí các hạng mục thoát nước trừ khi phân tích chi tiết chứng minh rằng không cần thoát nước. Các rãnh hoặc lớp thoát nước thường được đặt ở phía sau vùng đất có cốt để kiểm soát dòng thấm nước ngầm, như trình bày trong Chương 9. Dòng chảy mặt cũng nên được chuyển hướng ngay từ đỉnh mái dốc để không chảy tràn xuống mặt mái.

8.6.3 Vật cản

Nếu gặp vật cản trong quá trình thiết kế, cần áp dụng các hướng dẫn đã nêu trong Chương 5.

8.7 Các trường hợp điển hình

Các ví dụ điển hình sau được trình bày nhằm cung cấp những minh họa tiêu biểu về các dự án mái dốc có cốt thành công và hiệu quả về chi phí. Trong một số trường hợp, đã sử dụng thiết bị quan trắc để kiểm chứng khả năng làm việc của công trình. Tất cả thông tin về dự án được lấy từ các tài liệu tham khảo được nêu, trong hầu hết các trường hợp có bổ sung thêm các chi tiết.

8.7.1 Dự án cải thiện độ dốc nền đường tại Dickey Lake
(Yarger và Barnes, 1993)

Dickey Lake nằm ở phía bắc bang Montana, cách biên giới Canada khoảng 25 dặm (40 km) về phía nam. Việc cải tạo một đoạn của tuyến U.S. 93 dọc theo bờ Dickey Lake đòi hỏi phải sử dụng một hệ thống giữ đất để duy trì cao độ và hướng tuyến. Đất đắp tại khu vực này chủ yếu là đất băng tích (glacial till). Nước ngầm hoạt động mạnh trong vùng. Tiêu chuẩn hệ số an toàn ổn định mái dốc là 1.5 được đặt ra cho các nền đắp. Phân tích ổn định tổng thể đối với các tường chắn bê tông cốt thép dùng để chống đỡ nền đắp đề xuất cho thấy hệ số an toàn nhỏ hơn yêu cầu. Phân tích một tường hoặc mái dốc đất có cốt lại cho giá trị hệ số an toàn cao hơn. Dựa trên việc đánh giá một số hệ thống cốt khác nhau, đã quyết định sử dụng mái dốc đất có cốt để xây dựng nền đắp. Sở Giao thông bang Montana (MDT) quyết định rằng nền đắp sẽ không được thiết kế “nội bộ” do kinh nghiệm hạn chế của họ với loại kết cấu này.

(glacial till)

Glacial till là vật liệu đất–đá do băng hà vận chuyển rồi lắng đọng trực tiếp khi băng tan/rút, không qua quá trình sàng lọc bởi nước.

Đặc trưng của glacial till:

• Hỗn hợp rất “lẫn lộn” (poorly sorted): từ hạt sét/bột đến cát, sỏi, cuội, thậm chí tảng đá trong cùng một khối.
• Không phân lớp rõ ràng, cấu trúc không đồng nhất theo không gian.
• Tính chất cơ học biến thiên mạnh: có thể rất chặt và “cứng” (do bị nén bởi băng) nhưng cũng có thể có khu vực yếu/ẩm.
• Thấm nước thường thấp nếu nhiều hạt mịn, nên dễ có nước ngầm hoạt động và áp lực nước lỗ rỗng trong một số điều kiện.

Các đề xuất được lấy từ nhiều nhà cung cấp khác nhau, những đơn vị được yêu cầu thiết kế nền đắp. Một tư vấn độc lập có kinh nghiệm trong thiết kế cốt geosynthetic được thuê để rà soát tất cả hồ sơ nộp. Các bản vẽ và chỉ dẫn kỹ thuật cho nền đắp có cốt geosynthetic được MDT lập, trong đó bản vẽ thể hiện hình dạng hoàn thiện yêu cầu. Chiều cao nền đắp nói chung từ 30 đến 60 ft (9 đến 18.3 m). Góc mặt dốc thay đổi từ 1.5H:1V đến 0.84H:1V với góc điển hình là 1H:1V. Hệ thống được chọn cung cấp một thiết kế sử dụng cả geogrid cường độ một trục và hai trục. Thiết kế cuối cùng yêu cầu dùng geogrid cốt chính dài từ 15 đến 60 ft (4.6 đến 18.3 m) và bố trí cách nhau 2 đến 4 ft (0.6 đến 1.2 m) theo phương đứng trong toàn bộ chiều cao nền đắp có cốt. Cường độ kéo tới hạn của cốt chính vào khoảng 6850 lb/ft (100 kN/m). Chiều dài cốt chính một phần được quyết định bởi các yêu cầu về ổn định tổng thể. Ngoài ra, cốt trung gian gồm geogrid hai trục cường độ trung bình được bố trí với chiều dài 5 ft (1.5 m) và khoảng cách đứng 1 ft (0.3 m) tại mặt các mái dốc 1H:1V hoặc thoải hơn. Bảo vệ chống xói trên những đoạn có dốc 1H:1V hoặc thoải hơn được thực hiện bằng thảm chống xói hữu cơ. Các đoạn dốc hơn (max 0.84H:1V) sử dụng ván khuôn chữ L bằng lưới thép hàn với lớp bọc geogrid hai trục phía sau. Phần đánh giá thiết kế của dự án này được trình bày trong Chương 9.

Thiết kế cũng bao gồm hệ thống thoát nước ngầm. Hệ thống thoát nước này được đánh giá là đặc biệt quan trọng do có các mạch nước hoặc nước rò rỉ dọc theo taluy dương (taluy phía núi). Thiết kế sử dụng các ống thoát nước geocomposite đặt dọc theo taluy dương, dẫn nước vào một rãnh ngầm kiểu “French drain” ở chân taluy dương. Các nhánh ngang kéo dài dưới nền đắp được dùng để dẫn nước từ rãnh ngầm ra ngoài mặt đất.

(French drain)

French drain là rãnh thoát nước ngầm kiểu “rãnh sỏi” (còn gọi là rãnh thấm, rãnh tiêu nước ngầm): một mương/rãnh đào được lót vải lọc (geotextile), đổ sỏi/đá dăm, thường có ống nhựa đục lỗ bên trong, để thu nước thấm/nước ngầm rồi dẫn về điểm xả.

Cấu tạo điển hình

• Rãnh đào (theo tuyến cần tiêu nước)
• Vải lọc bọc quanh để ngăn đất mịn chui vào làm tắc
• Lớp sỏi/đá dăm (tạo rỗng cho nước chảy)
• Ống đục lỗ (tùy thiết kế) để thu và dẫn nước
• Đầu ra “daylight” (xả lộ thiên) hoặc nối vào hệ thống cống/rãnh

Mục đích

• Giảm nước rỉ, giảm áp lực nước lỗ rỗng
• Bảo vệ ổn định mái dốc/nền đắp, chống ẩm ướt và phá hoại do nước

French drain = rãnh thoát nước ngầm kiểu rãnh sỏi (rãnh thấm).

Công trình được xây dựng năm 1989 với chi phí xấp xỉ 17 USD/ft² (180 USD/m²) diện tích mặt đứng và được giám sát định kỳ bằng quan sát trực quan và đo nghiêng mái dốc. Hình ảnh công trình được thể hiện ở Hình 8-7. Cho đến nay, khả năng làm việc của nền đắp được đánh giá là thỏa đáng, không ghi nhận vấn đề nghiêm trọng nào. Một vài vấn đề nhỏ đã được báo cáo liên quan đến các biện pháp kiểm soát xói mòn và một số biến dạng không đều (differential movement) nhỏ tại một trong những đoạn thấp của nền đắp.

8.7.2 Dự án mở rộng tuyến đường Salmon–Lost Trail
(Zornberg và cộng sự, 1995)

Trong khuôn khổ một dự án mở rộng đường bộ tại Idaho, FHWA Western Federal Lands Highway Division đã thiết kế và giám sát thi công một mái dốc gia cường bằng geosynthetic lâu dài, dài 565 ft (172 m) và cao 50 ft (15.3 m), nhằm so sánh hiệu quả làm việc của nó với các kết cấu tường chắn dọc theo cùng một tuyến. Việc mở rộng tuyến đường hiện hữu được thực hiện bằng cách chuyển mái dốc không gia cường 2H:1V ban đầu thành mái dốc gia cường 1H:1V.

Yếu tố mỹ quan là một cân nhắc quan trọng khi lựa chọn các kết cấu tường chắn dọc theo tuyến đường cảnh quan Highway 93, tuyến đường này đã được các bài viết trên National Geographic ghi nhận. Vì vậy, một lớp mặt phủ có trồng cây đã được sử dụng cho đoạn mái dốc gia cường. Đất đắp tại chỗ gồm đá granite phong hóa (decomposed granite) được dùng làm vật liệu đắp gia cường. Một yếu tố quan trọng trong thiết kế là xử lý nước thấm từ mái dốc hiện hữu. Các lớp gia cường bằng geotextile có khả năng truyền nước trong mặt phẳng (in-plane transmissivity) đã được lựa chọn để đánh giá khả năng điều chỉnh chế độ thấm trong mái dốc.

Mái dốc có cốt geotextile được thiết kế phù hợp với các chỉ dẫn trình bày ở Chương 8 và 9 của tài liệu này. Thiết kế cuối cùng gồm hai vùng có cốt với khoảng cách đứng giữa các lớp cốt không đổi là 1 ft (0.3 m). Cốt ở vùng thấp hơn có cường độ kéo tới hạn 6 850 lb/ft (100 kN/m), còn cốt ở vùng phía trên có cường độ 1 370 lb/ft (20 kN/m). Cường độ thiết kế của cốt được giảm dựa trên các hệ số giảm một phần, được xem xét trong Chương 3. Các thí nghiệm hiện trường được sử dụng để giảm bớt hệ số giảm do hư hại trong quá trình thi công từ giá trị giả định 2.0 xuống giá trị thử nghiệm 1.1, mang lại khoản tiết kiệm đáng kể cho dự án (giảm 40% lượng cốt).

Việc thi công hoàn thành năm 1993 (xem Hình 8-8 đối với ảnh dự án). Công trình được xây dựng như một hạng mục có tính thử nghiệm và được lắp đặt các thiết bị đo nghiêng trong vùng có cốt, biến dạng kế trên cốt và piezometer trong và phía sau vùng đất có cốt. Việc quan trắc lún bề mặt cũng được thực hiện trong quá trình thi công. Tổng chuyển vị ngang ghi nhận trong quá trình thi công vào khoảng 0.1 đến 0.2 phần trăm chiều cao mái dốc, với biến dạng lớn nhất trong cốt đo được chỉ 0.2 phần trăm. Sau khi thi công, không ghi nhận chuyển vị đáng kể nào vượt quá độ chính xác của thiết bị đo. Các số liệu này cho thấy khả năng làm việc rất tốt của kết cấu cũng như mức độ an toàn của thiết kế. Công tác quan trắc dài hạn vẫn đang tiếp tục.

Mái dốc được làm dốc hơn này được thi công nhanh hơn và kinh tế hơn so với các kết cấu chắn đất khác được xây dựng dọc cùng hướng tuyến. Chi phí xây dựng mái dốc có cốt geotextile vào khoảng 15 USD/ft² (160 USD/m²) diện tích mặt đứng. Trong khi đó, chi phí tường MSE dùng lưới thép (metallic grid) tại các khu vực khác của công trường vào khoảng 22 USD/ft² (240 USD/m²) diện tích mặt đứng, với chiều cao tương tự hoặc thấp hơn.

8.7.3 Dự án xây dựng nền đắp thay thế tại Cannon Creek
(Hayden và cộng sự, 1991)

Một nền đắp lớn được lên kế hoạch để mang tuyến Arkansas State Highway 16 vượt qua Cannon Creek. Nền đắp dung tích ước tính 100 000 yd³ (77 000 m³) này có chiều cao lớn nhất 75 ft (23 m) và dự kiến được thi công bằng đất sét tại chỗ với mái dốc bên 2H:1V (ổn định còn đáng ngờ). Trước tiên, một cống hộp bê tông đổ tại chỗ được xây dựng để dẫn dòng suối đi dưới nền đắp. Việc thi công nền đắp bắt đầu nhưng nhanh chóng phải dừng lại khi xảy ra vài phá hoại mái dốc nhỏ. Khi đó mới rõ ràng là không thể thi công nền đắp an toàn với mái dốc 2H:1V.

Khi cống hộp đã hoàn thành, có hai phương án để tiếp tục thi công nền đắp. Một là dùng đất sỏi sạn làm vật liệu đắp nền, hai là dùng đất tại chỗ kết hợp với cốt geosynthetic. Cả hai phương án đều được đưa ra đấu thầu như các phương án thay thế và phương án dùng geosynthetic đã được chọn để thi công (xem Hình 8-9). Cốt sử dụng là geogrid polyetylen tỷ trọng cao với cường độ kéo rộng bản báo cáo là 6 850 lb/ft (100 kN/m). Phương án gia cường bằng geogrid được ước tính rẻ hơn khoảng 200 000 USD so với phương án dùng đất sỏi sạn để đắp nền.

8.7.4 Dự án sửa chữa tuyến đường bang SR 54, Pennsylvania
(Wayne và Wilcosky, 1995)

Trong mùa đông 1993–1994, một hố sụt (sinkhole) đã xuất hiện trên một đoạn của State Route 54 ở Pennsylvania. Điều tra sau đó cho thấy một hầm đường sắt bỏ hoang bên dưới đã bị sập. Phương án sửa chữa truyền thống sẽ bao gồm việc dỡ bỏ và xây lại nền đắp cao 50 ft (15 m). Đất tự nhiên tại chỗ là đất sét pha cát, được đánh giá là không phù hợp làm đất đắp gia cường vì tính ướt và khả năng gây mất ổn định cũng như lún cho nền đắp. Chi phí ước tính để thay thế đất tự nhiên bằng vật liệu hạt rời nhập về là 21 USD/yd³ (16 USD/m³). Do chi phí thay thế vật liệu cao, Sở Giao thông Pennsylvania quyết định sử dụng geosynthetics để thoát nước cho đất tự nhiên và gia cường mái dốc. Một loại geotextile không dệt kim châm bằng polypropylene được lựa chọn để cho phép tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng trong đất tự nhiên trong quá trình đầm nén, nhờ đó đẩy nhanh quá trình cố kết và cải thiện cường độ đất. Thí nghiệm hiện trường được dùng để kiểm chứng phản ứng áp lực nước lỗ rỗng.

Khi geotextile được đặt với khoảng cách đứng giữa các lớp đắp đầm chặt là 1 ft (0.3 m), việc tiêu tán hoàn toàn áp lực nước lỗ rỗng đạt được trong khoảng 4 ngày, so với mức tiêu tán tối thiểu (khoảng 25 %) nếu không dùng geosynthetic trong cùng khoảng thời gian. Bằng cách đặt các lớp geotextile cách nhau 1 ft (0.3 m), chiều cao thoát nước hiệu dụng giảm từ toàn bộ chiều cao mái dốc 50 ft (15 m) xuống còn 0.5 ft (0.15 m), tức giảm hơn 100 lần. Điều này có nghĩa là quá trình cố kết của nền đắp về cơ bản sẽ hoàn thành vào cuối giai đoạn thi công, thay vì phải chờ gần một năm để lún cố kết hoàn tất nếu không có geosynthetic.

Geotextile, với cường độ kéo tới hạn 1 100 lb/ft (16 kN/m) và được bố trí tại mỗi lớp đất dày 12 in (0.3 m), cũng cung cấp đủ khả năng gia cường để thi công an toàn mái dốc 1.5H:1V. Các piezometer đặt tại chân và giữa mái dốc trong quá trình xây dựng đã xác nhận kết quả thí nghiệm nén thử. Biến dạng của geotextile trong mái dốc cũng được theo dõi và không vượt quá độ chính xác của thiết bị đo (±1 % biến dạng). Ảnh dự án được trình bày trong Hình 8-10 cùng với các số liệu đo quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng trong thi công.

Nhà thầu được thanh toán theo cơ sở thời gian và vật liệu, với geotextile do cơ quan quản lý mua và cung cấp cho nhà thầu để lắp đặt. Chi phí geotextile khoảng 1 USD/yd² (1.2 USD/m²). Chi phí tại chỗ của geotextile, cộng với chi phí đắp đất tại chỗ, trung bình chỉ hơn 3 USD/yd³ (4 USD/m³) với tổng chi phí 70 000 USD, mang lại mức tiết kiệm khoảng 200 000 USD so với phương án dùng đất chọn lọc. Ngoài ra còn tiết kiệm được chi phí do không phải dỡ bỏ đất tại chỗ ra khỏi công trường.

8.7.5 Đường cao tốc Massachusetts Turnpike – Ứng dụng công nghệ sinh học đất
(Sotir và cộng sự, 1998; Sotir và Stulgis, 1999)

Massachusetts Turnpike tại Charlton, bang Massachusetts là một ví dụ trong đó hệ mái dốc đất có cốt phủ thực vật (VRSS) được sử dụng để xây dựng các mái dốc 1H:4V nhằm thay thế các mái dốc 1.5H:1V không ổn định trên một đoạn dài 500 ft (150 m) của tuyến cao tốc. Mái dốc này đã bị xói mòn trong nhiều năm. Vùng xói mòn ngày càng mở rộng và đe dọa tiến vào phần đất tư nhân nằm ngoài phạm vi hành lang đường. Cuối cùng, chi phí bảo trì tăng cao để dọn dẹp đất trượt, vết sẹo cảnh quan nhìn thấy rõ và nguy cơ mất đất tư đã khiến Cơ quan quản lý Turnpike phải tìm giải pháp. Phương án kết hợp giữa công nghệ sinh học đất và cốt geosynthetic được lựa chọn nhằm đáp ứng yêu cầu hành lang đường hẹp, hỗ trợ kiểm soát thoát nước trong thân dốc, đồng thời xây dựng lại một hệ thống có tính thẩm mỹ, thân thiện với môi trường và hòa nhập với cảnh quan tự nhiên. Mái dốc cao 10 đến 60 ft (3 đến 18 m) với độ dốc 1H:4V được ổn định bằng các lớp geogrid chính và phụ, thảm chống xói mòn, các lớp cành cây (brushlayers) ở phần mặt bọc geogrid phía trước, và các biện pháp công nghệ sinh học đất bổ sung phía trên mái dốc đã xây dựng.

Thiết kế về cơ bản giống với mặt cắt công nghệ sinh học đất thể hiện ở Hình 8-6. Geogrid chính được thiết kế để cung cấp ổn định tổng thể, ổn định nội tại và ổn định dạng hỗn hợp cho mái dốc. Lưới này kéo dài khoảng 20 ft (6.1 m) từ mặt đến phía sau mái dốc. Khoảng cách đứng giữa các lớp geogrid chính là 2 ft (0.6 m) ở nửa dưới mái dốc và 4 ft (1.2 m) ở nửa trên. Lớp bọc mặt kéo sâu khoảng 3 ft (0.9 m) vào mái dốc tại chân mỗi lớp đắp đứng và 5 ft (1.5 m) ở đỉnh để tạo thành các bậc đất dày 3 ft (0.9 m). Các lớp cành cây (brushlayers) gồm cành liễu (Salix sp.) và dogwood (Cornus sp.) còn sống, dài 8 đến 10 ft (2.4 đến 3 m), được đặt trên mỗi đoạn bọc cuốn đã thi công, với khoảng cách đứng 1 ft (0.3 m), kéo lùi vào đến khoảng giữa chiều cao mái dốc. Các cành cây và geogrid được bố trí nghiêng về phía sau để dẫn nước về các lớp thoát nước đặt trong mái dốc, đồng thời cung cấp độ ẩm cho cây. Các bó cành sống (live fascine bundles, xem Hình 8-11) được lắp đặt phía trên mái dốc có cốt tại phần đào dốc 3H:1V nhằm ngăn xói mòn bề mặt và hỗ trợ trồng lại thảm thực vật cho đoạn mái này.

Hệ thống thoát nước phía sau gồm các tấm geocomposite rộng 3.3 ft (1 m), đặt cách nhau 15 ft (4.6 m) theo tim. Việc thiết kế kích thước và khoảng cách các tấm dựa trên điều kiện dòng nước ngầm dự kiến và thấm nước mặt. Các tấm được nối với một lớp thoát nước bằng đá dăm dày 1 ft (0.3 m) ở chân mái dốc, kéo dài suốt chiều dài và bề rộng mái dốc. Đất đắp có cốt gồm đất hạt rời mượn, đất mượn thông thường, hỗn hợp 50/50 giữa đất đắp hạt rời thông thường và đất đắp “chỉ định”. Ba loại vật liệu đầu tạo thành lõi chịu lực, trong khi phần đất đắp “chỉ định” được bố trí ở mặt dốc để tạo môi trường thuận lợi cho cây sinh trưởng. Đất đắp “chỉ định” bao gồm phân bón và hỗn hợp theo thể tích bốn phần đất mượn thông thường với một phần đất mùn hữu cơ, được dùng ở dải mặt trước rộng 10 ft (3 m) của mỗi lớp đắp để tối ưu điều kiện sinh trưởng cho các lớp cành cây đã trồng. Đây là một điều chỉnh so với các chỉ tiêu địa kỹ thuật thông thường nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ sinh học đất.

Mái dốc VRSS được xây dựng vào mùa đông/xuân năm 1995/96 với chi phí khoảng 25 USD/ft² (270 USD/m²) diện tích mặt đứng. Sau mùa sinh trưởng thứ tư, mặt mái phủ thực vật được đánh giá và cho thấy làm việc đúng như dự kiến: ban đầu bảo vệ bề mặt khỏi xói mòn, đồng thời tạo hình thức thẩm mỹ dễ chịu (xem Hình 8-11). Sự xâm nhập tự nhiên của quần thể thực vật xung quanh đã xảy ra, khiến hệ thống hòa nhập với khung cảnh rừng tự nhiên của khu vực và đạt được các mục tiêu thẩm mỹ và sinh thái lâu dài.

Bài học kinh nghiệm: Trong tương lai, với các dự án tương tự, khuyến nghị sử dụng nhiều cây có bộ rễ hoàn chỉnh hơn, thay vì chỉ dùng toàn cành cây sống, để tăng đa dạng sinh học và cải thiện hiệu quả thi công. Việc giảm chiều cao các bậc đất bọc cuốn sẽ cho phép thảm thực vật phân bố đều hơn với mật độ nhỏ hơn, và có thể dùng thêm khuôn lưới thép định hình sẵn ở phía trước. Các yếu tố này đều giúp giảm chi phí thi công bằng cách nâng cao hiệu quả.

8.7.6 Mái dốc đất có cốt cao 242 ft (74 m), dốc 1H:1V cho dự án kéo dài đường băng sân bay
(Lostumbo, 2009)

Tại thời điểm viết tài liệu này, đây là mái dốc đất có cốt cao nhất ở Bắc Mỹ, được xây dựng để kéo dài đường băng tại Sân bay Yeager ở Charleston, bang West Virginia. Sân bay Yeager được xây dựng từ những năm 1940 trên địa hình núi. Do điều kiện đồi núi, bề mặt địa hình xung quanh sân bay dốc xuống hơn 300 ft (91 m) về phía các sông Elk và Kanawha, đường giao thông, nhà thờ, nhà ở và các công trình khác. Để đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn mới nhất của FAA, việc nâng cấp đường băng yêu cầu kéo dài Đường băng 5 thêm khoảng 500 ft (150 m) để tạo đoạn dừng khẩn cấp cho máy bay. Các phương án thi công để kéo dài đường băng trên sườn dốc hiện hữu bao gồm xem xét sử dụng cầu, tường chắn và mái dốc có cốt. Đánh giá kỹ thuật cho thấy mái dốc có cốt là phương án hiệu quả nhất về chi phí và dễ thi công nhất. Ngoài ra, mặt mái được phủ thực vật sau khi hoàn thành sẽ tạo nên một kết cấu hòa nhập với các đồi xanh xung quanh của Charleston, WV. Thiết kế cuối cùng là một mái dốc đất có cốt dạng RSS cao 242 ft (74 m), dốc 1H:1V.

Thiết kế sử dụng các lớp cốt geogrid dệt bằng polyester với sức bền thiết kế dài hạn \(T_{al}\) lần lượt là 2 970 lb/ft (43.4 kN/m), 3 720 lb/ft (54.4 kN/m) và 3 860 lb/ft (56.4 kN/m) làm cốt chính. Khoảng cách đứng giữa các lớp cốt chính là 1.5 ft (460 mm) ở phần chân mái và 3 ft (900 mm) ở phần đỉnh. Chiều dài chôn cốt chính trong phần mái dốc cao hơn biến thiên từ 175 ft (53 m) tại chân đến 145 ft (44 m) tại đỉnh. Thiết kế cũng bao gồm các tấm geocomposite thoát nước đặt sau vùng đất có cốt dọc theo mái sau của hố đào để chặn và dẫn nước thấm từ sườn núi hiện hữu ra khỏi vùng đất có cốt. Một lớp vật liệu kiểm soát xói mòn geosynthetic được lắp đặt trên mặt mái dốc với khoảng cách đứng 2 ft (0.6 m), trong đó mỗi tấm cắm sâu 3 ft (0.9 m) vào thân mái và 2.5 ft (0.76 m) xuống dưới mặt mái nhằm đảm bảo ổn định mặt và chống xói. Một loại geosynthetic hai trục dạng lưới hở được thiết kế đặc biệt làm vật liệu bọc mặt cũng được sử dụng trên mặt mái dốc.

Mái dốc RSS mang lại một giải pháp kinh tế và ít phức tạp hơn so với các phương pháp truyền thống khác đã được xem xét. Mái dốc có cốt được thi công thành công và làm việc theo đúng thiết kế. Kết cấu này cho phép sân bay đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn của FAA đồng thời tạo ra một công trình kỹ thuật hòa nhập với cảnh quan đồi núi xanh của vùng Charleston, WV.

a) Giai đoạn thi công ban đầu ở chân mái dốc.
b) Mặt mái dốc trong quá trình thi công.
c) Ảnh chụp trên không của mái dốc trong quá trình thi công, hoàn thành khoảng 80%.
d) Mái dốc ngay sau khi hoàn thành, với thảm thực vật bắt đầu phát triển.

8.8 Các thiết kế RSS tiêu chuẩn

Các kết cấu RSS thông thường được thiết kế theo từng dự án cụ thể. Phần lớn các cơ quan sử dụng phương thức đấu thầu theo tuyến và cao độ (line-and-grade), theo đó nhà cung cấp hệ RSS do nhà thầu lựa chọn sẽ thực hiện thiết kế chi tiết sau khi trúng thầu. Cách làm này hoạt động khá tốt. Tuy nhiên, bên cạnh việc các cơ quan thực hiện thiết kế riêng cho từng dự án, cũng có thể phát triển và áp dụng các thiết kế tiêu chuẩn cho kết cấu RSS.

Việc sử dụng các thiết kế tiêu chuẩn cho kết cấu RSS mang lại các ưu điểm sau so với cách tiếp cận line-and-grade:

• Cơ quan chủ quản chịu trách nhiệm nhiều hơn đối với các chi tiết thiết kế và việc tích hợp thiết kế mái dốc với các bộ phận khác của công trình.
• Vật liệu và các tổ hợp vật liệu được thẩm tra và phê duyệt trước, thay vì chỉ đánh giá hồ sơ của nhà thầu sau đấu thầu.
• Tiết kiệm chi phí thiết kế cho cơ quan so với việc để các nhà cung cấp thiết kế và đóng dấu nhiều mái dốc có cốt nhỏ lẻ.
• Các quyết định thiết kế do cơ quan thực hiện, thay vì do nhà cung cấp.
• Môi trường đấu thầu công bằng hơn vì cơ quan chịu trách nhiệm cho chi tiết thiết kế và các nhà cung cấp không đưa ra những giả định khác nhau.
• Loại bỏ được các phương án thi công, hệ thống và thiết kế kém chất lượng thông qua danh mục sản phẩm được chấp thuận.

Sở Giao thông Minnesota (Mn/DOT) đã xây dựng và áp dụng (nội bộ) các thiết kế RSS tiêu chuẩn (Berg, 2000). Việc sử dụng các thiết kế tiêu chuẩn này bị giới hạn bởi các điều kiện hình học, địa chất và kinh tế. Những kết cấu nằm ngoài các giới hạn này phải được thiết kế riêng theo từng dự án. Cách tiếp cận chung dùng để phát triển các tiêu chuẩn này có thể được các cơ quan khác áp dụng để xây dựng bộ thiết kế RSS tiêu chuẩn riêng của mình.

Các thiết kế tiêu chuẩn yêu cầu dạng thiết kế tổng quát và vật liệu tổng quát. Thiết kế tổng quát đòi hỏi xác định hình học mái dốc và tải trọng phủ, cường độ cốt đất, giới hạn chiều cao công trình và phương án kết cấu mặt mái. Ví dụ, các thiết kế tiêu chuẩn của Mn/DOT giải quyết hai hình dạng mái dốc và tải trọng phủ, hai loại đất đắp có cốt, và có thể dùng cho mái dốc cao đến 26.2 ft (8 m). Ba giá trị cường độ dài hạn của cốt, \(T_{al}\), là 700, 1050 và 1400 lb/ft (10, 15 và 20 kN/m) được sử dụng trong các thiết kế tiêu chuẩn, mặc dù một công trình cụ thể phải sử dụng cùng một loại cốt xuyên suốt toàn bộ chiều cao và chiều dài.

Các đặc trưng vật liệu tổng quát dựa trên các định nghĩa về sức kháng cắt và trọng lượng thể tích của đất đắp có cốt, retained backfill và đất nền sao cho phù hợp với các chỉ dẫn và điều kiện địa chất vùng của cơ quan. Việc xác định các đặc trưng vật liệu tổng quát đòi hỏi phải xây dựng danh mục sản phẩm được chấp thuận cho cốt đất và vật liệu bảo vệ mặt chống xói. Một phương án xử lý mặt tiêu chuẩn được đưa ra; tuy nhiên có kèm ghi chú: Phát triển các khuyến nghị riêng cho khu vực bị che bóng nhiều, các vị trí đô thị dễ nhìn thấy, hoặc khu vực nhạy cảm.

Một ví dụ về mặt cắt thiết kế và bảng sơ đồ bố trí cốt từ bộ thiết kế tiêu chuẩn Mn/DOT được trình bày trong Hình 8-13. Lưu ý rằng các thiết kế tiêu chuẩn của Mn/DOT không áp dụng trực tiếp, và cũng không nên được sử dụng, cho các cơ quan khác.

GHI CHÚ:

1. Kiểm tra mái đào để phát hiện thấm nước đang hoạt động và bố trí thêm rãnh/ống thoát nước tại nơi có thấm, theo chỉ dẫn của Kỹ sư.
2. Thảm kiểm soát xói mòn bằng rơm–xơ dừa (Spec. 3885.2A, loại 41), yêu cầu bảo trì. Tốt nhất là ổn định mái dốc theo từng đoạn vào cuối mỗi ngày. Xem danh mục sản phẩm được chấp thuận tại: www.mrr.dot.state.mn.us/ chọn Materials Engineering, chọn Approved Products List.
3. Gieo hạt và bón phân theo quy định trong bản vẽ.
4. Giới hạn thanh toán cho đào móng kết cấu được lấy bằng với góc mái dốc, tối đa 45°. Góc mái dốc đào thực tế được xác định theo các quy định của OSHA và điều kiện đất tại chỗ; việc đào vượt quá “giới hạn đào móng kết cấu” sẽ do nhà thầu tự chịu chi phí.
5. Các loại cốt đất chính loại I, II và III có trong danh mục sản phẩm được chấp thuận tại www.mrr.dot.state.mn.us/ chọn Geotechnical Engineering Section, chọn Foundations Unit.

REINFORCED SOIL SLOPES

CASE 1A – Góc dốc mái lớn nhất 45°, đất đắp có cốt là vật liệu mượn hạt rời (granular borrow)

Góc dốc mái lớn nhất (độ)	Góc ma sát của đất đắp có cốt (độ)	Chiều dài cốt tối thiểu, L (ft)	Cốt chính trong đất		Chiều cao mái dốc lớn nhất H (ft)	Zone 1		Zone 2
			Loại	Sức kháng dài hạn (Tg1) (plf)		H1 (ft)	S1max (in)	H2 (ft)	S2max (in)
45	30	1.1 H	Type I	700	26.2	11.5	40	14.7	20
					26.2	26.2	24
			Type II	1050	26.2	21.3	40	4.9	20
					26.2	17.7	48	8.5	24
			Type III	1400	26.2	26.2	48

CASE 1B – Góc dốc mái lớn nhất 45°, đất đắp có cốt là vật liệu mượn hạt rời chọn lọc (modified select granular borrow)

Góc dốc mái lớn nhất (độ)	Góc ma sát của đất đắp có cốt (độ)	Chiều dài cốt tối thiểu, L (ft)	Cốt chính trong đất		Chiều cao mái dốc lớn nhất H (ft)	Zone 1		Zone 2
			Loại	Sức kháng dài hạn (Tg1) (plf)		H1 (ft)	S1max (in)	H2 (ft)	S2max (in)
45	35	0.6 H	Type I	700	26.2	26.2	40
					26.2	17.7	48	8.5	24
			Type II	1050	26.2	26.2	48
			Type III	1400	26.2	26.2	48

Ghi chú: Cốt phụ phải có sức kháng dài hạn tối thiểu 400 plf.

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