Nghiên cứu lựa chọn giải pháp xử lý nền đất cho đập bãi thải xỉ công trình nhiệt điện mông dương 2 tỉnh quảng ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG I HC THU LI

INH VN THI

Nghiên cứu lựa chọn giải pháp xử lý nền cho Đập bÃi thải xỉ Công trình
Nhiệt điện Mông Dương 2 Tỉnh Quảng Ninh

LUN VĂN THẠC SỸ

Hà Nội – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG I HC THU LI

INH VN THI

Nghiên cứu lựa chọn giải pháp xử lý nền cho Đập bÃi thải xỉ Công trình
Nhiệt điện Mông Dương 2 Tỉnh Quảng Ninh
Chuyờn ngành: Cơng trình thủy lợi
Mã số: 128605840047

LUẬN VĂN THẠC SỸ
Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái

Hà Nội – 2016


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Cảnh Thái,
người đã trực tiếp hướng dẫn và vạch ra những định hướng cho tác giả trong
suốt trình làm luận văn.
Tác giả cũng xin cảm ơn Nhà trường, các thầy cô giáo trong Trường Đại
học Thủy Lợi, Phòng đào tạo Đại học và sau Đại học về sự giúp đỡ trong thời
gian tác giả học tập và nghiên cứu.
Tác giả cũng xin cảm ơn Ban lãnh đạo cơng ty cùng tồn thể anh em đồng
nghiệp đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình làm luận văn.
Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, các chị em
trong gia đình, vợ và con gái đã động viên, tạo điều kiện cho tác giả hồn
thành q trình học tập và viết luận văn.
Hà Nội, ngày tháng

năm 2016.

Tác giả

Đinh Văn Thái

Luận văn Thạc sĩ


BẢN CAM KẾT
Tên đề tài luận văn: “ Nghiên cứu giải pháp xử lý nền cho Đập bãi xỉ Công trình Nhiệt điện Mơng Dương 2 – Tỉnh Quảng Ninh ”

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hồn tồn là do tơi làm. Những
kết quả nghiên cứu không sao chép từ bất kỳ nguồn thông tin nào khác. Nếu
vi phạm tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm, chịu bất kỳ các hình thức kỷ luật
nào của Nhà trường.
Học viên

Đinh Văn Thái

Luận văn Thạc sĩ


MỤC LỤC
Mở đầu
1. Tính cấp thiết của đề tài…………………………………………….……1
2. Mục đích của đề tài………………………………………………………1
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu………….………….…....2
3.1.

Hướng tiếp cận………………………………………...………….2

3.2.

Phương pháp nghiên cứu……………………………………….2

4. Kết quả đạt được………………………………………………..…….…3
Chương 1: Tổng quan
1.1.

Giới thiệu về bãi thải xỉ nhà máy Nhiệt điện……………………4

1.2.

Khái niệm nền đất yếu……………………………………….…...…7

1.3.

Các giải pháp xử lý nền đất yếu……………………………..……..7

1.3.1. Các biện pháp xử lý về kết cấu cơng trình………………….……….8
1.3.2. Các biện pháp xử lý về móng………………………………..……….9
1.3.3. Các biện pháp xử lý nền…………………………………………..…..9
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
2.1.

Lý thuyết ổn định mái dốc…………………………………………………17
2.1.1. Lý thuyết cân bằng giới hạn……………………………………….17
2.1.2. Phương pháp phân tích giới hạn………………………………….19

2.2.

Lý thuyết ứng suất, biến dạng và độ lún của nền đất…………….……20
2.2.1. Ứng suất trong đất…………………………………………..……….22
2.2.2. Biến dạng và độ lún của nền đất…………………….……………24
2.2.3. Quan hệ ứng suất, biến dạng……………………………………….25
2.2.4. Cơ sở lý thuyết cố kết thấm………………………………….……..29

Luận văn Thạc sĩ


2.3.

Giải pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất
2.4.1. Giới thiệu chung………………………………….………………….36
2.4.2. Các kiểu bố trí cọc xi măng đất…………………………………..36
2.4.3. Các phương pháp tính tốn thiết kế………….……….……..….37

2.4.

Phần mềm sử dụng…………………………………………………………..38

Chương III: Tính tốn xử lý nền đất yếu cho Đập bãi thải xỉ - Cơng trình
Nhiệt điện Mông Dương 2 – Tỉnh Quảng Ninh
3.1. Giới thiệu chung về cơng trình…………………………...……47
3.1.1. Vị trí cơng trình………………………………………...………47
3.1.2. Đặc điểm địa hình, địa chất cơng trình……………………50
3.1.3. Điều kiện khí tượng, thủy hải văn……………………………53
3.2. Lựa chọn giải pháp xử lý nền tối ưu……………….…………54
3.2.1. Giải pháp thay nền……………………………….……………54
3.2.2. Phương pháp cơ học…………………………………..………55
3.2.3. Các giải pháp khác……………………………………………55
3.3. Tinh toán xử lý nền cho phương án chọn………….……..…56
3.3.1. Giải pháp cọc xi măng đất……………………………………56
3.3.2. Tính tốn ổn định………………………………………………66
3.3.3. Tính tốn lún, ứng suất biến dạng………………………….68
Kết luận, kiến nghị
1. Những kết quả đạt được……………………………………......71
2. Những vấn đề còn tồn tại………………………………..…….71
3. Hướng nghiên cứu tiếp theo của luận văn………………....71

Luận văn Thạc sĩ

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU
HÌnh 1.1: Hình ảnh vỡ đập bãi xỉ đêm 26/7/2015 của Công ty Than tại
phường Mơng Dương tỉnh Quảng Ninh;
HÌnh 1.2: Hình ảnh lũ bùn đỏ ở Tây Nguyên gây thiệt hại lớn về người và tải
sản, ảnh hưởng đến mơi trường nghiêm trọng.
Hình 1.3. Sự cố vỡ đập bùn đỏ ở Brazil gây hậu quả nghiêm trọng về người
và tài sản, đặc biệt là vấn đề mơi trường bị ơ nhiễm.
Hình 1.4. Sự cố vỡ đập ở một Bang của Mỹ ngày 30/12/2008
Hình 2.1. Xác định mômen chống trượt, gây trượt với mặt trượt trụ trịn.
Hình 2.2. Xác định góc ma sát và lực dính huy động.
Hình 2.3.: Quan hê ứng st – biến dạng (đàn - dẻo)
Hình 2.4 : Đường bao cực hạn
Hình 2.5: Lý thuyết phá hoại Mohr – Coulomb
Hình 2.6: Mơ hình thí nghiệm và Sơ đồ tính tốn cố kết thấm trong
trường hợp bài toán cố kết thấm 1 chiều
Hình 2.7: Hình thức bố trí trụ trùng nhau theo khối
Hình 2.8: Các kiểu bố trí trụ trộn ướt trên mặt đất
Hình 2.9: Sơ đồ phá hoại của đất dính gia cố bằng cọc xi măng-đất
Hình 2.10: Phá hoại khối
Hình 2.11: Phá hoại cắt cục bộ
Hình 2.12: Sơ đồ tính tốn biến dạng
Hình 3.1: Vị trí cơng trình
Hình 3.2: Vị trí cơng trình ( chụp từ Google earth)
Hình 3.3: Tổng mặt bằng cơng trình
Hình 3.4: Mặt cắt địa chất

Luận văn Thạc sĩ

Hình 3.4: Mặt cắt địa chất
Hình 3.5: Giải pháp đào bóc bỏ tồn bộ lớp yếu
Hình 3.6: Giải pháp bố trí cọc xi măng đất dạng hoa mai
Hình 3.7: Mơ hình tính tốn
Hình 3.8: Kết quả chuyển `vị thẳng đứng sau khi đắp xong đợt 1
Hình 3.9: Kết quả chuyển vị ngang sau khi đắp xong đợt 1
HÌnh 3.10. Kết quả tính tốn chuyển vị thẳng đứng sau khi đắp xong đợt 2
Hình 3.11: Kết quả tính tốn chuyển vị ngang sau khi đắp xong đợt 2
Hình 3.12: Kết quả tính tốn chuyển vị thẳng đứng sau khi đắp xỉ than
Hình 3.13: Kết quả tính tốn chuyển vị thẳng đứng sau khi đắp xong xi than
Hình 3.14: Chuyển vị của khối trượt khi đắp xong đợt 1,
hệ số an toàn Msf = 1.62
Hình 3.15: Chuyển vị của khối trượt khi đắp xong đợt 2,
hệ số an tồn Msf = 1.40
Hình 3.16: Chuyển vị của khối trượt khi đắp xong xỉ than,
hệ số an tồn Msf = 1.41
Hình 3.17: Giải pháp bố trí cọc xi măng đất dạng tường
Hình 3.18: Mơ hình tính tốn
Hình 3.19 : Kết quả chuyển vị thẳng đứng sau khi đắp xong đợt 1
Hình 3.20: Kết quả chuyển vị ngang sau khi đắp xong đợt 1
Hình 3.21. Chuyển vị của khối trượt khi đắp xong đợt 1,
hệ số an tồn Msf = 1.62
Hình 3.22: Kết quả tính toán chuyển vị thẳng đứng sau khi đắp xong đợt 2
Hình 3.23: Kết quả tính tốn chuyển vị ngang sau khi đắp xong đợt 2
Hình 3.24: Chuyển vị của khối trượt khi đắp xong đợt 1,
hệ số Msf = 1.37

Luận văn Thạc sĩ

Hình 3.25: Kết quả tính tốn chuyển vị thẳng đứng sau khi đắp xỉ than
Hình 3.26: Kết quả tính tốn chuyển vị ngang sau khi đắp xỉ than
Hình 3.27: Chuyển vị của khối trượt khi đắp xỉ than,
hệ số an toàn Msf = 1.38
Bảng 3.1: Mực nước đỉnh triều lớn nhất năm và mùa lũ trạm Cửa Ông
Bảng 3.2: Mực nước chân triều thấp nhất năm và mùa lũ trạm Cửa Ông
Bảng 3.3: Chỉ tiêu cơ lý của nền và vật liệu đắp đập
Bảng 3.4: Chỉ tiêu cơ lý của cọc đất xi măng
Bảng 3.5: Chỉ tiêu cơ lý tương đương của khối hỗn hợp
Bảng 3.6: Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất đá
Bảng 3.7: Bảng so sánh lựa chọn phương án tối ưu

Luận văn Thạc sĩ


1

Mở đầu
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, cùng với sự phát triển của Thủy điện, các ngành năng lượng
điện khác cũng ngày càng phát triển và ngày càng chiếm tỉ trọng lớn hơn
trong cơ cấu nguồn điện. Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia mới nhất cho
giai đoạn 2010-2020 có xét đến năm 2030 (gọi tắt là Tổng sơ đồ - TSĐVII) đã
được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt theo quyết định số 1208/QĐ-TTg ngày
21/07/2011. TSĐVII nhấn mạnh đến việc đảm bảo năng lượng điện, nâng cao
hiệu quả cung cấp điện, phát triển các nguồn năng lượng tái tạo và mở rộng tự
do của thị trường. Theo TSĐVII, tỷ trọng nguồn nhiệt điện bao gồm nhiệt
điện than và khí sẽ tăng nhanh từ 16,5% lên 48% tổng công suất hệ thống vào
năm 2020.

Các dự án Nhiệt điện đã và đang xây dựng trên khắp cả nước như: Vĩnh
Tân 1,2,3; Duyên Hải 1,2,3; Sông Hậu 1,2; Mông Dương 1,2; Dung Quất;
Mạo Khê; Nghi Sơn 1,2; Long Phú, Vũng Áng 1,2,3,..Nhiệt điện phát triển
kèm theo đó là các vấn đề về môi trường phát sinh. Than xỉ thải thuộc loại
chất thải độc hại vì vậy sự làm việc an tồn của các đập chứa xỉ có ý nghĩa vơ
cùng to lớn đến vấn đề mơi trường. Do đó, các vấn đề liên quan đến ổn định,
lún, ứng suất biến dạng của đập bãi xỉ ảnh hưởng trực tiếp đến sự làm việc
bình thường của đập, đặc biệt là đập xây dựng trên vùng đất yếu ngày càng
được quan tâm đúng mức.
2. Mục đích của đề tài
Mục đích đề tài là làm cơ sở khoa học để lựa chọn giải pháp kỹ thuật tối
ưu trong công tác thiết kế xử lý nền đất yếu. Áp dụng thực tế cho việc xây
dựng các đập bãi xỉ của các nhà máy nhiệt điện trên nền đất yếu, đảm bảo yêu
cầu kinh tế - kỹ thuật. Qua đó:
- Xác định phương án bố trí hợp lý khi dùng cọc ximăng - đất để gia cố
nền;

Luận văn Thạc sĩ


2

- Tìm được được phương pháp tính tốn gia cố nền đất yếu thích hợp và
kinh tế;
- Nghiên cứu, phân tích phương pháp đánh giá chất lượng cọc ximăng đất
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
3.1. Hướng tiếp cận
Tiếp cận các cơ sở khoa học, các cơng trình thực tế đã và đang thiết kế,
thi công, các tài liệu đo đạc làm cơ sở cho việc tính tốn.
Trên cơ sở các tài liệu khảo sát về địa hình, địa chất, thủy hải văn…tiến

hành đưa ra các giải pháp cơng trình chủ đạo, phân tích so sánh lựa chọn giải
pháp tối ưu, đảm bảo cơng trình an tồn và kinh tế.
a.

Tiếp cận trên cơ sở đánh giá nhu cầu:

Nhu cầu xử lý nền để đảm bảo ổn định tổng thể (ổn định mái) các cơng
trình nói chung và cơng trình Thuỷ lợi nói riêng trên nền đất yếu là rất lớn.
Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới nhằm giải quyết vấn đề trên và
khắc phục được nhược điểm của các phương pháp cũ là rất cần thiết.
b.

Tiếp cận trên cơ sở đảm bảo các tiêu chuẩn hiện hành:

- Các tiêu chuẩn về thiết kế cơng trình trên nền đất yếu;
- Các tiêu chuẩn về ứng suất, biến dạng...
- Tiêu chuẩn về vật liệu.
c.

Tiếp cận với thực tiễn công trình:

Các cơng trình đập chắn trên nền đất yếu ứng dụng cọc ximăng - đất để
xử lý nền hiện nay khá nhiều, việc tính tốn nền cơng trình là khơng thể thiếu
trong q trình tính tốn thiết kế.
3.2 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp đánh giá chất lượng cọc hiện nay chủ yếu là lấy cọc đã thi
cơng ngồi hiện trường về thí nghiệm trong phịng, nhưng việc khoan lấy

Luận văn Thạc sĩ

3

mẫu, vận chuyển đôi khi làm ảnh hưởng đến mẫu làm kết quả khơng chính
xác
Phương pháp thu thập thơng tin:
+ Thu thập từ các đề tài, Dự án liên quan đến xử lý nền đất yếu.
+ Điều tra, khảo sát, tổng hợp số liệu, thu thập tài liệu thực tế, tài liệu
tham khảo, phân tích, xử lý số liệu;
+ Thu thập từ mạng Internet và các nguồn khác.
- Phương pháp chuyên gia: Tranh thủ ý kiến và kiến thức của các chuyên
gia trong các lĩnh vực.
- Phương pháp nghiên cứu trên mơ hình tốn: Sử dụng các phần mềm
tính tốn hiện đại để mơ phỏng bài tốn nghiên cứu.
4. Kết quả đạt được
Xác định được các giải pháp thiết kế tương ứng với các điều kiện cụ thể.
Kết quả nghiên cứu làm cơ sở để đánh giá hiệu quả của giải pháp nghiên cứu
và làm cơ sở để đưa ra các biệm pháp tiếp theo để đạt được các yêu cầu kỹ
thuật cơng trình.

Luận văn Thạc sĩ


4

Chương 1: Tổng quan
Giới thiệu về Đập bãi thải xỉ của nhà máy Nhiệt điện

1.1

Đập thải xỉ là hạng mục khơng thể thiếu của Nhà máy Nhiệt điện than.
Đập có nhiệm vụ chứa xỉ thải trong suốt quá trình vận hành của Nhà máy và
đóng bãi ( đóng vai trị như kho chứa chất thải) khi nhà máy ngừng hoạt động.
Đập thường có kết cấu là đập vật liệu địa phương, tận dụng đất đá đào
lòng bãi hoặc khai thác vật liệu tại chỗ.
Nhiệt điện than thường được xây dựng ở vùng đồng bằng, giáp biển và
cửa sông để thuận tiện cho việc xây dựng các cảng than, hệ thống lấy và thải
nước làm mát…Vị trí đập thải xỉ thường được bố trí sao cho thuận tiện trong
việc thải xỉ và là nơi có địa hình, địa chất thuận lợi. Trong nhiều trường hợp
bất khả kháng, đập phải đi qua khu vực nền đất yếu thì việc tính tốn xử lý
nền có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đến sự an toàn của đập.
Xỉ thải là một loại chất thải độc hại, do vậy vấn đề môi trường trong thiết
kế bãi thải xỉ đặc biệt quan trọng. Việc nước thải ra ngồi mơi trường do thấm
hay vỡ đập sẽ đem lại hậu quả vô cùng to lớn đối với môi trường sống xung
quanh. Vì vậy, vấn đề thiết kế, thi công đập đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật
ngày càng được quan tâm đúng mức.
Dưới đây là một số hình ảnh về sự cố đập chứa xỉ hoặc các chất độc hại
khác gây thiệt hại lớn về kinh tế và các vấn đề về mơi trường.
• Ở Việt Nam,
-

Đập bãi xỉ của công ty Than ở phường Mông Dương, tỉnh Quảng Ninh
bị vỡ tháng 7/2015 vùi lấp hàng trăm hộ dân và ảnh hưởng nghiêm
trọng đến mơi trường. (Hình 1.1).

Luận văn Thạc sĩ


5

HÌnh 1.1: Hình ảnh vỡ đập bãi xỉ đêm 26/7/2015 của Công ty Than tại
phường Mông Dương tỉnh Quảng Ninh
Đập chính bị vỡ vùi lấp hàng trăm hộ dân và nước thải xỉ độc hại ra môi
trường gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
Nguyên nhân dẫn đến sự cố vỡ đập này là do mưa liên tục trong nhiều ngày
với lưu lượng lớn (kỷ lục trong vòng 40 năm qua) vượt quá công suất bơm
của hệ thống bơm xử lý nước dẫn đến nước tràn qua đỉnh đập gây vỡ đập.
- Lũ bùn đỏ ở Tây ngun.

HÌnh 1.2: Hình ảnh lũ bùn đỏ ở Tây Nguyên gây thiệt hại lớn về người và
tải sản, ảnh hưởng đến môi trường nghiêm trọng.
Nguyên nhân dẫn đến sự cố này là do mưa lũ với cường độ cao xảy ra
trong nhiều ngày, nước tràn qua đỉnh đập gây vỡ đập.
• Trên thế giới,

Luận văn Thạc sĩ


6

Sự cố vỡ đê, đập chứa xỉ than hay các chất độc hại cũng đã xảy ra nhiều với
các mức độ nghiệm trọng khác nhau.
-

Sự cố vỡ đập bùn đỏ ở Brazil ngày 4/10/2010 gây thảm hại môi trường
tồi tệ nhất Châu Âu trong vịng 30 năm qua.

Hình 1.3. Sự cố vỡ đập bùn đỏ ở Brazil gây hậu quả nghiêm trọng về
người và tài sản, đặc biệt là vấn đề môi trường bị ô nhiễm.
- Một sự cố khác vỡ đập khác diễn ra ngày 30/12/2008, gần nhà máy

Tennessee Valley Authrity Kingston (Mỹ) gây thiệt hại lớn về con
người, tài sản và mơi trường.

Hình 1.4. Sự cố vỡ một con đập khác gân nhà máy Tennessee Valley
Authrity Kingston (Mỹ).
Như vậy, với tính chất đặc biệt quan trọng này, nên tất cả các bước từ khảo
sát, thiết kế và thi công vận hành đều phải được thực hiện nghiêm túc, có sự

Luận văn Thạc sĩ


7

giám sát chặt chẽ, sự quan tâm đúng mức của xã hội trước những nguy cơ có
thể xảy ra sự cố.
1.2

Khái niệm về nền đất yếu

Đất yếu là đất có khả năng chịu tải nhỏ (khoảng 0,5-1,0 daN/cm2) có tính
nén lún lớn, hầu như bão hịa nước, có hệ số rỗng lớn (e>1), mô đun biến
dạng thấp (thường E 0 =50 daN/cm2), lực chống cắt nhỏ…Nếu khơng có biện
pháp xử lý đúng đắn thì việc xây dựng cơng trình trên nền đất yếu này sẽ rất
khó khăn hoặc khơng sử dụng được.
Xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải
thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính
nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăng cường độ chống cắt
của đất...Đối với cơng trình thủy lợi, việc xử lý nền đất yếu cịn làm giảm tính
thấm của đất, đảm bảo ổn định cho khối đất đắp.
Các vấn đề khi xây dựng cơng trình trên nền đất yếu

Nền móng của các cơng trình xây dựng nhà ở, đường sá, đê điều, đập
chắn nước và một số cơng trình khác trên nền đất yếu thường đặt ra hàng loạt
các vấn đề phải giải quyết như sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn và độ ổn
định của cả diện tích lớn do nền đất chịu sức ép lớn.
Việt Nam được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, đặc biệt lưu vực sông
Hồng và sông Mê Kông. Nhiều thành phố và thị trấn quan trọng được hình
thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của
đất nền, dọc theo các dịng sơng và bờ biển. Thực tế này đã địi hỏi phải hình
thành và phát triển các cơng nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu.
1.3

Các phương pháp xử lý nền đất yếu

Các phương pháp xử lý nền đất yếu gồm nhiều loại, căn cứ vào điều kiện
địa chất, nguyên nhân và địi hỏi với cơng nghệ khắc phục. Kỹ thuật cải tạo
nền đất yếu thuộc lĩnh vực địa kỹ thuật, nhằm đưa ra các cơ sở lý thuyết và
phương pháp thực tế để cải thiện khả năng chịu tải của đất sao cho phù hợp
với yêu cầu của từng loại cơng trình khác nhau.

Luận văn Thạc sĩ


8

Với các đặc điểm của đất yếu như trên, muốn đặt móng cơng trình xây
dựng trên nền đất này thì phải có các biện pháp kỹ thuật để cải tạo tính năng
chịu lực của nó. Nền đất sau khi xử lý gọi là nền nhân tạo.
Việc xử lý khi xây dựng cơng trình trên nền đất yếu phụ thuộc vào điều
kiện như: Đặc điểm cơng trình, đặc điểm của nền đất... Với từng điều kiện cụ
thể mà người thiết kế đưa ra các biện pháp xử lý hợp lý. Có nhiều biện pháp

xử lý cụ thể khi gặp nền đất yếu như:
- Các biện pháp xử lý về kết cấu cơng trình
- Các biện pháp xử lý về móng
- Các biện pháp xử lý nền
1.3.1 Các biện pháp xử lý về kết cấu cơng trình
Kết cấu cơng trình có thể bị phá hỏng cục bộ hoặc hoàn toàn do các điều
kiện biến dạng không thỏa mãn: Lún hoặc lún lệch quá lớn do nền đất yếu,
sức chịu tải bé.
Các biện pháp về kết cấu cơng trình nhằm giảm áp lực tác dụng lên mặt
nền hoặc làm tăng khả năng chịu lực của kết cấu cơng trình. Người ta thường
dùng các biện pháp sau:
Dùng vật liệu nhẹ và kết cấu nhẹ, thanh mảnh, nhưng phải đảm bảo khả
năng chịu lực của cơng trình nhằm mục đích làm giảm trọng lượng bản thân
cơng trình, tức là giảm được tĩnh tải tác dụng lên móng.
Làm tăng sự linh hoạt của kết cấu cơng trình kể cả móng bằng cách dùng
kết cấu tĩnh định hoặc phân cắt các bộ phận của cơng trình bằng các khe lún
để khử được ứng suất phụ phát sinh trong kết cấu khi xảy ra lún lệch hoặc lún
không đều.
Làm tăng khả năng chịu lực cho kết cấu công trình để đủ sức chịu các ứng
lực sinh ra do lún lệch và lún không đều bằng các đai bê tông cốt thép để tăng
khả năng chịu ứng suất kéo khi chịu uốn, đồng thời có thể gia cố tại các vị trí
dự đốn xuất hiện ứng suất cục bộ lớn.

Luận văn Thạc sĩ


9

1.3.2 Các biện pháp xử lý về móng
Khi xây dựng cơng trình trên nền đất yếu, ta có thể sử dụng một số

phương pháp xử lý về móng thường dùng như:
Thay đổi chiều sâu chơn móng nhằm giải quyết sự lún và khả năng chịu
tải của nền; Khi tăng chiều sâu chơn móng sẽ làm tăng trị số sức chịu tải của
nền đồng thời làm giảm ứng suất gây lún cho móng nên giảm được độ lún của
móng; Đồng thời tăng độ sâu chơn móng, có thể đặt móng xuống các tầng đất
phía dưới chặt hơn, ổn định hơn. Tuy nhiên việc tăng chiều sâu chơn móng
phải cân nhắc giữa 2 yếu tố kinh tế và kỹ thuật.
Thay đổi kích thước và hình dáng móng sẽ có tác dụng thay đổi trực tiếp
áp lực tác dụng lên mặt nền, và do đó cũng cải thiện được điều kiện chịu tải
cũng như điều kiện biến dạng của nền. Khi tăng diện tích đáy móng thường
làm giảm được áp lực tác dụng lên mặt nền và làm giảm độ lún của cơng
trình. Tuy nhiên đất có tính nén lún tăng dần theo chiều sâu thì biện pháp này
khơng hồn tồn phù hợp.
Thay đổi loại móng và độ cứng của móng cho phù hợp với điều kiện địa
chất cơng trình: Có thể thay móng đơn bằng móng băng, móng băng giao
thoa, móng bè hoặc móng hộp; trường hợp sử dụng móng băng mà biến dạng
vẫn lớn thì cần tăng thêm khả năng chịu lực cho móng; Độ cứng của móng
bản, móng băng càng lớn thì biến dạng bé và độ lún sẽ bé. Có thể sử dụng
biện pháp tăng chiều dày móng, tăng cốt thép dọc chịu lực, tăng độ cứng kết
cấu bên trên, bố trí các sườn tăng cường khi móng bản có kích thước lớn.
Ngồi ra cịn có các phương pháp mới được nghiên cứu như rung hỗn
hợp, đâm xuyên, bơm cát…
1.3.3 Các biện pháp xử lý nền
Đây là giải pháp nằm trong phạm vi luận văn mà tác giả quan tâm nên sẽ
được giới thiệu chi tiết hơn nội dung của từng phương pháp.
Phương pháp thay nền: Đây là một phương pháp ít được sử dụng, để
khắc phục vướng mắc do đất yếu, cơng trình xây dựng được thay một phần
hoặc toàn bộ nền đất yếu trong phạm vi chịu lực cơng trình bằng nền đất mới
có tính bền cơ học cao, như làm gối cát, đệm cát, đất đá tận dụng…Phương

Luận văn Thạc sĩ


10

pháp này thích hợp với điều kiện chiều sâu nền thay thế vừa phải và có nguồn
vật liệu thay thế tại chỗ phong phú. Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế
là mức độ rủi ro phụ thuộc vào độ chính xác của tài liệu khảo sát, ảnh hưởng
trực tiếp của các điều kiện khí tượng, thủy hải văn trong q trình thi cơng
cơng trình.
Các phương pháp cơ học: Là một trong những nhóm phương pháp
phổ biến nhất, bao gồm các phương pháp làm chặt bằng sử dụng tải trọng tĩnh
(phương pháp nén trước), sử dụng tải trọng động (đầm chấn động), sử dụng
các cọc không thấm, sử dụng lưới nền cơ học và sử dụng thuốc nổ sâu,
phương pháp làm chặt bằng giếng cát, các loại cọc (cọc cát, cọc xi măng đất,
cọc vôi...), phương pháp vải địa kỹ thuật, phương pháp đệm cát...để gia cố
nền bằng các tác nhân cơ học.
Sử dụng tải trọng động khá phổ biến với điều kiện địa chất đất cát hoặc
đất sỏi như dùng máy đầm rung, đầm lăn. Cọc không thấm như cọc tre, cọc cừ
tràm, cọc gỗ chắc thường được áp dụng với các cơng trình dân dụng. Sử dụng
hệ thống lưới nền cơ học chủ yếu áp dụng để gia cố đất trong các cơng trình
xây mới như đường bộ và đường sắt. Sử dụng thuốc nổ sâu tuy đem lại hiệu
quả cao trong thời gian ngắn, nhưng khơng thích hợp với đất sét và địi hỏi
tính chun nghiệp của nhà xây dựng.
Phương pháp vật lý: Gồm các phương pháp hạ mực nước ngầm,
phương pháp dùng giếng cát, phương pháp bấc thấm, điện thấm...
Phương pháp nhiệt học: Là một phương pháp độc đáo có thể sử dụng
kết hợp với một số phương pháp khác trong điều kiện tự nhiên cho phép. Sử
dụng khí nóng trên 800o để làm biến đổi đặc tính lí hóa của nền đất yếu.
Phương pháp này chủ yếu sử dụng cho điều kiện địa chất đất sét hoặc đất cát

mịn. Phương pháp đòi hỏi một lượng năng lượng không nhỏ, nhưng kết quả
nhanh và tương đối khả quan.
Các phương pháp hóa học: Là một trong các nhóm phương pháp
được chú ý trong vịng 40 năm trở lại đây. Sử dụng hóa chất để tăng cường
liên kết trong đất như xi măng, thủy tinh, phương pháp Silicat hóa…hoặc một
số hóa chất đặc biệt phục vụ mục đích điện hóa. Phương pháp xi măng hóa và
sử dụng cọc xi măng đất tương đối tiện lợi và phổ biến. Trong vòng chưa tới

Luận văn Thạc sĩ


11

20 năm trở lại đây đã có những nghiên cứu tích cực về việc thêm cốt cho cọc
xi măng đất. Sử dụng thủy tinh ít phổ biến hơn do độ bền của phương pháp
khơng thực sự khả quan, cịn điện hóa rất ít dùng do địi hỏi tương đối về công
nghệ.
Phương pháp sinh học: Là một phương pháp mới sử dụng hoạt động
của vi sinh vật để làm thay đổi đặc tính của đất yếu, rút bớt nước úng trong
vùng địa chất cơng trình. Đây là một phương pháp ít được sự quan tâm, do
thời gian thi công tương đối dài, nhưng lại được khá nhiều ủng hộ về phương
diện kinh tế.
Các phương pháp thủy lực: Đây là nhóm phương pháp lớn như là sử
dụng cọc thấm, lưới thấm, sử dụng vật liệu composite thấm, bấc thấm, sử
dụng bơm chân không, sử dụng điện thẩm. Các phương pháp phân làm hai
nhóm chính, nhóm một chủ yếu mang mục đích làm khơ đất, nhóm này
thường địi hỏi một lượng tương đối thời gian và cịn khiêm tốn về tính kinh
tế. Nhóm hai ngồi mục đích trên cịn muốn mượn lực nén thủy lực để gia cố
đất, nhóm này địi hỏi cao về công nghệ, thời gian thi công giảm đi và tính
kinh tế được cải thiện đáng kể.

Ngồi ra cịn có các phương pháp mới được nghiên cứu như rung hỗn
hợp, đâm xuyên, bơm cát…

Luận văn Thạc sĩ


12

Chương 2: Cơ sở lý thuyết
2.1.

Lý thuyết ổn định mái đất

Để tính tốn ổn định mái dốc hiện nay thường dùng 2 phương pháp:
phương pháp phân tích giới hạn và phương pháp cân bằng giới hạn.
Phương pháp cân bằng giới hạn (CBGH) dựa trên cơ sở giả định trước mặt
trượt (coi khối trượt như một cố thể) và phân tích trạng thái CBGH của các
phân tố đất trên mặt trượt giả định trước. Mức độ ổn định được đánh giá bằng
tỷ số giữa thành phần lực chống trượt (do lực ma sát và lực dính) của đất nếu
được huy động hết so với thành phần lực gây trượt (do trọng lực, áp lực đất,
áp lực nước, áp lực thấm,...). Hiện đã có kết quả nghiên cứu cho bài tốn ba
chiều (phương pháp Wike, Lone) tuy nhiên trong thực tế nhiều cơng trình có
kích thước một chiều khá lớn như: đê, đập, tường chắn đất,... nên có nhiều
phương pháp giải quyết đối với bài toán phẳng: phương pháp Fellenius,
Bishop, Spencer, Janbu...
Phương pháp phân tích giới hạn (PTGH) dựa trên cơ sở phân tích ứng suất
trong cơng trình (khối đất đắp: đê, đập,...) và nền của chúng. Dùng các thuyết
bền: Morh-Coulumb, Hill – Tresca, Nises – Slieker,... kiểm tra ổn định cho
từng điểm trong tồn miền. Cơng trình được coi là mất ổn định khi tập hợp
các điểm mất ổn định tạo thành mặt trượt liên tục. Giải quyết vấn đề này cần

sử dụng các kiến thức của sức bền vật liệu, lý thuyết đàn hồi và dùng phương
pháp sai phân để tính tốn. Ngày nay, do cơng cụ máy tính phát triển nên
phương pháp phần tử hữu hạn có phần chiếm ưu thế. Những năm gần đây, lý
thuyết phân tích hệ thống đã được ứng dụng để phân tích ổn định mái đất.
2.1.1. Phương pháp cân bằng giới hạn
Lý thuyết phương pháp cân bằng giới hạn
Phương pháp cân bằng giới hạn dựa vào mặt trượt giả định trước (cân
bằng giới hạn cố thể), để phân tích trạng thái cân bằng của các phân tố đất
trên mặt trượt giả định trước. Mức độ ổn định được đánh giá bằng tỷ số giữa
thành phần lực chống trượt (do lực ma sát và lực dính) của nền đất nếu được

Luận văn Thạc sĩ


13

huy động hết so với thành phần lực gây trượt (do trọng lượng, áp lực đất, áp
lực nước, áp lực thấm...).
Mức độ ổn định của mái dốc được đánh giá định lượng qua hệ số an toàn
ổn định, gọi tắt là hệ số an toàn. Và theo quan điểm của phương pháp này gọi
chung là hệ số an toàn.
Hệ số an toàn ổn định K là tỷ số giữa tổng mômen chống trượt của đất dọc
theo mặt trượt với tổng mơmen gây trượt do tải trọng ngồi và trọng lượng đất
của khối lượng đất trượt gây nên:
=
K

M ct
≤ [K ]
M gt

(2-1)

Trong đó:
+ M ct : tổng mơmen chống trượt lấy đối với tâm O, bán kính R mặt
trượt trịn.
+ M gt : tổng mơmen gây trượt do tải trọng ngồi và trọng lượng bản
thân của khối trượt đối với tâm O.
+ [K]: là hệ số an toàn chống trượt cho phép, phụ thuộc cấp cơng trình,
xác định theo quy phạm.
Khi xác định tổng mômen chống trượt, coi đất dọc theo mặt trượt ở trạng
thái cân bằng giới hạn, tức giữa cường độ chống cắt của đất τ 0 và ứng suất
vng góc với mặt trượt σ thỏa mã biểu thức Coulomb:
τ 0 = (σ-u).tgϕ’ +c’

(2-2)

Trong đó:
σ: ứng suất tổng vng góc với mặt trượt
+ u: áp lực nước lỗ rỗng tại điểm mặt trượt đi qua.
ϕ’, c’: góc ma sát trong và lực dính đơn vị của đất.
Trường hợp, với mặt trượt trụ trịn, tâm O, bán kính là R, trị số M ct được
xác định như sau:
M ct = R ∫ τ 0 dl = R ∫ (σ − u ) tgϕ '+ c dl
L

Luận văn Thạc sĩ

L

(2-3)


14

Và trị số M gt được tính theo cơng thức:
M gt = R ∫ τ dl

(2-4)

L

Trong đó: τ là ứng suất cắt dọc mặt trượt.

Hình 2.1. Xác định mơmen chống trượt, gây trượt với mặt trượt trụ tròn.
Hệ số an toàn K xác định theo biểu thức (2-1), sau khi rút gọn T sẽ có:

K=

R ∫ (σ − u ) tgϕ '+ c dl
L

(2-5)

R ∫ τ dl
L

Phương pháp mặt trượt trụ trịn với hệ số an tồn như trên mới được tính
tốn theo phương pháp tất định, nghĩa là coi tải trọng và độ bền tính tốn
được mặc định trong suốt q trình làm việc của cơng trình. Thực tế các tải

trọng và độ bền chịu tác động của nhiều yếu tố khác nhau như: điều kiện làm
việc của công trình, tiếp xúc giữa kết cấu cơng trình và nền đất, độ tin cậy các
số liệu về đất nền, tầm quan trọng của cơng trình, độ tin cậy về tải trọng và tổ
hợp tải trọng...Khi tính tốn thiết kế theo quan điểm vừa nêu trên thì độ tin
cậy của các số liệu tính tốn được tính chung lại trong một hệ số an toàn và cố
định trước các giá trị của chúng trong suốt thời gian làm việc là không thỏa
mãn.

Luận văn Thạc sĩ


15

Vì vậy, cơng thức tính hệ số an tồn chung trên được chuyển sang phương
pháp trạng thái giới hạn, bằng cách thêm các hệ số an toàn cục bộ xác định
bằng xác suất thống kê như sau:
nc N tt ≤

m
Rgh
kn

(2-6)

Trong đó:
N tt - Tổng hợp lực gây trượt tính tốn, đã xét đến hệ số vượt tải hay hệ
số về tải trọng, ở đây là mômen gây trượt.
k n - Hệ số tin cậy tùy thuộc cấp cơng trình
n c - Hệ số tổ hợp tải trọng
+ Tải trọng cơ bản:

n c =1,0

+ Tải trọng đặc biệt:

n c =0,9

+ Tải trọng thi công:

n c =0,95.

m - Hệ số điều kiện làm việc của cơng trình, xét đến điều kiện chịu tải
của đất nền, mức độ tin cậy của phương pháp tính
R gh - Tổng lực chống trượt giới hạn, hay mơmen chống trượt.
Điều kiện để ổn định có thể viết dưới dạng thơng thường với một hệ số
an tồn tổng hợp, trong đó đã tổng hợp đầy đủ các hệ số tin cậy của các đại
lượng hoặc yếu tố ảnh hưởng đến mức độ an toàn:
N tt ≤

Hay:

=
K

Rgh
N tt

Rgh

[K ]

(2-7)

≥ [ K ] = n c k n /m

(2-8)

Giá trị của [K] tính theo cơng thức ở trên theo TCVN được gọi là hệ số an
toàn tổng hợp.
Lịch sử phát triển của phương pháp cân bằng giới hạn.
Lịch sử phát triển các phương pháp tính ổn định mái đất liên quan đến giả
định hình dạng mặt trượt.

Luận văn Thạc sĩ


16

- Culman (1776) giả thiết mặt trượt phẳng qua chân mái dốc, kết quả nhận
được khơng chính xác
- Collin (1860-1890) thực hiện những khảo sát chi tiết ở một số mái dốc bị
phá hoại và kết luận mặt trượt có dạng gần như mặt trụ trờn.
- Khoảng năm 1916, các nhà khoa học Thủy Điện lại phát hiện mặt trượt
xấp xỉ dạng trụ tròn và phát triển phương pháp gọi là phương pháp Thủy
Điển.
- Frontard và Risal (1920) đề nghị dùng mặt trượt dạng xoắn logarit. Dạng
này thích hợp khi mái dốc có độ dốc lớn và chỉ có một loại đất.
- Bishop (1950) sử dụng bề mặt trượt trụ trịn và chỉ áp dụng phương trình
cân bằng mơmen đối với khối trượt và phương trình cân bằng lực theo
phương đứng.

- Janbu (1950-1960) sử dụng bề mặt trượt dạng bất kỳ và chỉ dùng phương
trình cân bằng lực đối với khối trượt.
- Morgensten-Priece(1960) sử dụng bề mặt trượt dạng bất kỳ và áp dụng
cả 2 phương trình cân bằng lực và phương trình cân bằng mơmen.
- Fredlund (1970) sử dụng bề mặt trượt hỗn hợp và áp dụng cả 2 phương
trình cân bằng lực và phương trình cân bằng mơmen.
- Boutrups và Siegel (1970) đề nghị sử dụng lý thuyết xác suất để tìm hình
dạng bề mặt trượt (nghĩa là tìm bề mặt trượt ngẫu nhiên) và chỉ áp dụng
phương trình cân bằng lực.
- Baker và Garber (1977) dùng bề mặt trượt dạng đường cong logarit và áp
dụng cả 2 phương trình cân bằng lực và phương trình cân bằng mômen.
- Celestino và Duncan (1981) đã sử dụng cực tiểu của hàm nhiều biến để
tìm bề mặt trượt nguy hiểm nhất, nó gồm một số các đoạn thẳng.
Nhận xét chung về các phương pháp cân bằng giới hạn
Về mặt lý thuyết việc giải bài toán là chặt chẽ nếu thỏa mãn cả 3 phương
trình cân bằng: 2 phương trình cân bằng lực và 1 phương trình cân bằng
mơmen. Dựa theo việc thỏa mãn một, hai hay ba phương trình nói trên, đến
nay tồn tại 3 nhóm :

Luận văn Thạc sĩ