Tổng quan về gia cố mái dốc

 Xử lý sạt lở / gia cố mái dốc là bài toán địa kỹ thuật có tính chuyên môn sâu, liên quan tới các ngành xây dựng khác. Do đó, các kỹ sư thiết kế và thi công gia cố mái dốc cần có kiến thức nền tảng, liên ngành và đặc biệt là kinh nghiệm.

Để đánh giá và giữ ổn định mái dốc, việc khảo sát thu thập đầy đủ thông tin và phân tích đánh giá toàn diện là điều bắt buộc. Cần xem xét mái dốc trong các tình huống bất lợi nhất để đánh giá ổn định của mái dốc và đưa ra các giải pháp hợp lý đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật và kinh tế.

Hiện tại, công ty cung cấp nhiều giải pháp gia cố cho mái taluy âm và dương phù hợp với sự đa dạng và phức tạp của thực tế, với đặc thù của khu vực xây dựng. Công ty có các giải pháp cho cả gia cố sâu và gia cố bề mặt cho các loại mái không chỉ là nền đất mà cả mái đá, và cho các trường hợp địa chất đất đá xen kẽ phức tạp. Một số giải pháp chính có thể kể ra như ở dưới đây.

Đinh Đất

Công nghệ đinh đất được sử dụng rất phổ biến hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới về tính thích ứng trong nhiều điều kiện thi công khác nhau và đinh đất tỏ rõ hiệu quả về kỹ thuật và kinh tế so với các phương pháp khác. Công nghệ đinh đất được sử dụng để gia cường sự ổn định của mái dốc, tường chắn và hố đào sâu ở trong hầu hết các dự án: dự án giao thông; dự án dân dụng và công nghiệp; dự án thủy lợi … Điều đặc biệt, công nghệ đinh đất có thể sử dụng cho mái dốc hiện trạng, mái dốc đào, và cả mái dốc đắp. Đinh đất có ưu điểm:

• Có thể áp dụng với thi công trong điều kiện chật hẹp khó khăn do máy móc thi công kích thước nhỏ và đơn giản.
• Thích ứng tốt với điều kiện địa chất thay đổi; dễ dàng thay đổi chiều dài, vị trí để phù hợp với thực tế nhờ việc chế tạo đinh đơn giản có thể nối ghép.
• Hiệu quả kinh tế so với các phương pháp truyền thống;
• Ít tác động tới khu vực xung quanh và tác động tới môi trường.

Lịch sử phát triển của đinh đất có thể bắt nguồn từ công nghệ đinh đá sử dụng trong việc đào hầm (Geoguide 7). Ở phương Tây, công nghệ đinh đất đã được áp dụng vào việc gia cố mái dốc, hố đào và tường chắn từ những năm 1970s; ở Nhật Bản và Hồng Kong là năm 1980s (Geoguide 7, M. Hirano). Tại Việt Nam, trong phạm vi tìm hiểu của tác giả, chưa có tài liệu nào nói về lần đầu đinh đất được áp dụng. Theo ghi nhận của tác giả, khoảng từ những năm 2016-2018 trở đi, việc áp dụng đinh đất bắt đầu được phổ cập vào trong các dự án xây dựng ở Việt Nam. Tính tới nay, đinh đất là công nghệ được áp dụng rất rộng rãi ở hầu hết các dự án về gia cố mái dốc ở Việt Nam và đinh đất đã thể hiện được hiệu quả trong nhiều dự án.

Nguyên lý gia cố mái đất của đinh đất: tại bề mặt xung quanh đinh đất sẽ có lực tương tác giữa phần đinh và khối đất, sự tương tác này tạo ra lực chống sự trượt của khối đất. Các tương tác này hình thành chỉ khi mái dốc có chuyển vị, do đó đinh đất được gọi là kết cấu gia cố bị động. Cụ thể các lực tương tác thể hiện ở hình vẽ dưới đây. Lực tương tác giữa đinh và đất nền hình thành ở hai phần: phần trong khối trượt và phần đất ổn định sau cung trượt. Dựa vào đặc điểm của khối trượt (lớn hay nhỏ, nông hay sâu), việc tính toán đinh đất sẽ phải đảm bảo ví dụ như số lượng, chiều sâu đinh đất là bao nhiêu để đảm bảo biến dạng và ổn định của mái dốc với hệ số ổn định yêu cầu.

Trình tự thi công đinh đất

Đinh đất thông thường được thi công từ trên xuống. Ở Việt Nam, việc thi công lỗ khoan thường được thực hiện bằng cách: sử dụng việc khoan đập kết hợp, sau đó thổi mùn đất đá ra ngoài. Sau khi lỗ khoan thực hiện xong, thanh thép đinh đất được đưa vào lỗ theo và bơm vữa tự chảy để điền đầy lỗ khoan.

Phạm vi áp dụng phổ biến của đinh đất: đinh đất được áp dụng vào gia cố các mái đào, mái tự nhiên, hồ đào tạm thời, tường chắn đất hiện hữu, …

Neo đất

Neo đất có nhiều loại, có thể phân chia thành 2 loại sau:

• Neo vĩnh cửu
• Neo tạm thời

Loại neo tạm thời thường được dùng trong công trình tạm thời như đào hố móng. Sau khi thi công xong thì neo sẽ được tháo dỡ hoặc cắt bỏ đi. Trong thi công gia cố giữ ổn định mái dốc, sau khi gia cố công trình sẽ tồn tại nhiều năm, và neo phải đảm bảo phục vụ trong cả vòng đời đó. Như vậy, neo vĩnh cửu được sử dụng trong các dự án gia cố mái dốc. Nguyên lý làm việc của hai neo này khá tương đồng. Tuy nhiên đi vào chi tiết tính toán, có một số khác biệt, ví dụ: hệ số an toàn, yêu cầu cấu tạo. So với đinh đá và đinh đất, neo đất có khả năng chịu tải lớn hơn và do đó thường được sử dụng với khối trượt lớn hơn.

Neo là cấu kiện rất quan trọng, và chi phí lớn. Nếu hỏng hoặc thiết kế sai thì có thể ảnh hưởng tới độ an toàn và sự ổn định tổng thể của mái dốc và tường chắn. Tất cả các chiều dài, mật độ, … đều cần được tính toán cẩn thận đảm bảo tuân thủ theo yêu cầu.

Loại neo vĩnh cửu thông dụng có cấu tạo như sau: gồm 3 phần chính: bầu neo, phần tự do và đầu neo. Cáp neo là loại thép cường độ cao. Với neo vĩnh cửu chiều dày bảo vệ được yêu cầu lớn hơn. 

Nguyên lý làm việc + hình vẽ: Sau khi thi công xong neo, và đảm bảo thời gian để các thành phần đạt cường độ, neo sẽ được căng kéo để tạo ra lực trong neo. Lực này được cân bằng với lực tương tác giữa bầu neo và nền đất xung quanh, phần bầu neo cần được thiết kế đảm bảo nằm ngoài cung trượt nguy hiểm. Lực căng tác dụng vào bản bề mặt cứng để truyền lực vào khối đất nhằm chống lại sự trượt của khối đất. Hình minh họa như dưới đây:

Trình tự thi công neo:

Ứng dụng phổ biến của neo đất dự ứng lực:

Tường Có Cốt

Đây có thể coi là giải pháp xanh, vừa thân thiện môi trường lại đảm bảo yêu cầu kinh tế, kỹ thuật đặt ra. Tương tụ như vật liệu bê tông cần có cốt (thường làm bằng thép, nên gọi là cốt thép), đất là vật liệu chịu kéo rất kém nên cần có cốt gia cường để tăng cường khả năng chịu lực khác nhau.

Nguyên lý làm việc của tường có cốt (Mechanically Stabilized Earth – MSE wall) dựa trên sự kết hợp giữa vật liệu đắp và các lớp cốt gia cường để tạo thành một khối đất ổn định như một “khối đất – kết cấu” thống nhất.

1. Nguyên lý chung

• Đất thông thường chịu nén tốt nhưng chịu kéo rất kém → khi đất dốc đứng hoặc gần thẳng đứng, phần phía sau tường có xu hướng trượt/đổ do ứng suất kéo vượt quá khả năng chịu của đất.
• Các lớp cốt gia cường (thường là geogrid, geotextile, thép dẹt hoặc băng composite) được chèn ngang trong khối đất đắp, giúp truyền và chịu lực kéo thay cho đất.
• Khi đất và cốt được chèn chặt, chúng tạo thành một khối liên kết có khả năng chịu lực nén, kéo và cắt tốt hơn nhiều so với đất nguyên trạng.

2. Cơ chế chịu lực

• Tải trọng ngoài (tự trọng đất, tải xe, gió, động đất…) → gây lực trượt và lực lật trong khối đất sau tường.
• Các lớp cốt neo vào khối đất, truyền ứng suất kéo từ vùng chịu kéo sang vùng ổn định hơn, nhờ ma sát hoặc khóa cơ học giữa đất và cốt.
• Sự kết hợp này: 
• Giảm áp lực đất chủ động lên mặt tường 
• Ngăn chặn biến dạng lớn và phá hoại do trượt 
• Tăng khả năng ổn định tổng thể của tường

3. Các thành phần chính

• Khối đất đắp (reinforced soil mass) – tạo thể tích chịu nén.
• Lớp cốt gia cường – chịu kéo, truyền lực và khóa đất lại. 
• Mặt tường (facing) – bảo vệ đất khỏi xói mòn và giữ hình dạng (có thể cứng: panel bê tông, hoặc mềm: lưới, rọ đá, thảm cỏ…).

Giải pháp gia cố bề mặt

Các mái dốc là những cấu trúc mà, do đặc điểm của chúng như sự cố nền đất, loại đất, độ dốc tự nhiên, mực nước ngầm và khí hậu địa phương, thường có các vấn đề như trượt, phong hoá, xói mòn. Trong số này, việc xói lở bề mặt là luôn hiện hữu dưới tác dụng bên ngoài như mưa, lũ. Việc xói lở bề mặt nếu tiếp diễn liên tục có thể gây là sạt trượt lớn cho mái dốc.

Ngoài ra, đôi lúc, bề mặt mái dốc còn được yêu cầu phủ xanh để đảm bảo thẩm mỹ và thân thiện môi trường tránh bê tông hóa.

Dưới đây là một số yếu tố liên quan đến hiện tượng xói lở mái dốc:

• Nước mưa thấm xuống đất hoặc chảy tràn bề mặt, do đó cần đặc biệt lưu ý yếu tố này ngay từ khi bắt đầu bất kỳ dự án xây dựng nào.
• Độ dốc của mái đất đá.
• Dòng chảy bề mặt.
• Sự hình thành nhiều rãnh và dòng chảy nhỏ.
• Độ rỗng, độ thấm của đất.
• Cường độ bức xạ mặt trời, Sự thay đổi nhiệt độ, Thay đổi theo mùa: mùa khô và mùa mưa.

Để thiết kế các công trình kiểm soát xói lở bề mặt mái dốc, chúng ta cần tiến hành phân tích các điều kiện địa chất, địa kỹ thuật, môi trường và thủy văn nhằm dự đoán cách mái dốc sẽ ứng xử sau khi được xây dựng. Sau đây, giới thiệu hai vật liệu gia cường chính mà công ty đã áp dụng rất thành công trong để chống xói lở mái dốc ở các dự án thực tế. Chúng ta cần nhấn mạnh rằng các vật liệu này phải được xem xét ngay từ khi bắt đầu thi công công trình, chứ không chỉ đơn thuần như các yếu tố khắc phục. Ý nghĩa ở đây là vật liệu gia cường bảo vệ mái dốc phải là một phần trong thiết kế ngay từ đầu, chứ không phải sau khi mái dốc xuất hiện dấu hiệu xói lở hoặc sụp đổ.

1. Ô Địa Kỹ Thuật

Ô địa kỹ thuật là một nhóm các ô ba chiều (3D) bằng nhựa polyethylene mật độ cao (HDPE), được gia cường bằng sợi polyester. Chúng được chế tạo từ các dải HDPE sắp xếp thành nhiều hàng và liên kết với nhau theo dạng so le dọc theo chiều dài, tạo thành một cấu trúc dạng ô khi được kéo giãn theo phương vuông góc với bề mặt. Các ô sẽ được chèn đất và trồng cây cỏ phủ xanh mái dốc. Giải pháp này ngăn chặn hiện tượng xói mòn, thân thiện môi trường, tránh được các vấn đề kết cấu phát sinh do sự xói mòn của lớp đất trần.

Ưu điểm của ô địa kỹ thuật:

• Giảm dòng chảy bùn cát và hiện tượng trượt lở ở các nền đường cao tốc, đường bộ và đường sắt.
• Khả năng chịu kéo cao và độ bám dính lớn với bề mặt sườn dốc.
• Được sử dụng như lớp hỗ trợ cho các sườn dốc có mục đích gieo trồng, vì chúng thúc đẩy sự hình thành lớp phủ thực vật.
• Không chỉ là giải pháp tiết kiệm chi phí hơn mà còn giảm tác động đến môi trường nhờ hạn chế sử dụng bê tông và thép khi thay thế cốp pha.
• Thi công nhanh chóng và không cần sử dụng máy móc hạng nặng.
• Được sản xuất từ vật liệu tái chế, không độc hại.
• Có độ bền cao nhờ khả năng chống bức xạ UV và chống oxy hóa của các vật liệu cấu thành lưới địa kỹ thuật.

2. Lưới hoặc thảm chống xói/ thảm sơ dừa

Công dụng của lưới / thảm chống xói:

• Lưới ngăn bề mặt mái dốc khỏi sự xói mòn của gió và mưa, ngăn chặn sự rửa trôi của nước mưa và của dòng chảy.
• Hình thành lớp bảo vệ thảm thực vật.
• Thay thế bê tông, tấm ghép bê tông, cho phép phủ bằng giải pháp xanh và thân thiện môi trường, bền vững…

Cọc micropile

Cọc trong xây dựng có rất nhiều loại, có thể phân loại theo vật liệu làm cọc, hình dáng cọc, hay biện pháp thi công. Mỗi loại cọc đều có đặc điểm riêng và phạm vi áp dụng nhất định. Cọc micropile là loại cọc có đường kính nhỏ thường được áp dụng vào trong gia cố mái dốc và làm móng công trình trên mái dốc khi việc sử dụng móng nông gây ra nhiều rủi ro. Cọc micropile có đặc điểm là:

• Cọc có đường kính nhỏ thường nhỏ hơn 300mm 
• Phù hợp áp dụng trên sườn đồi dốc, địa chất phức tạp, không gian thi công hẹp trong khi đó các loại cọc khác, nhưng cọc đóng ép, cọc khoan nhồi không phù hợp hoặc rất khó áp dụng. Lý do là vì, cọc micropile có đường kính nhỏ nên máy móc thi công không cồng kềnh có thể tiếp cận các khu vực đồi núi dốc để thi công.
• Cọc có thể nghiêng hoặc xiên theo phương bất kỳ.

Cọc micropile cũng có rất nhiều loại khác nhau. Có thể dùng lồng thép và nhồi bê tông khi đường kính cọc đủ lớn, hoặc có thể chỉ là thanh thép rồi bơm vữa khi đường kính cọc nhỏ. Trong thiết kế người kỹ sư sẽ uyển chuyển phối hợp cọc micropile với các loại kết cấu khác như tường, đinh, neo … để tạo ra hệ kết cấu làm việc hiệu quả.

Hệ thống chống đá lở đá rơi

Mọi người thường có nhận định: Mái dốc đá thông thường đã ổn định, không xuất hiện cung trượt sâu. Vậy tại sao cần gia cố mái dốc đá?

Có rất nhiều lý do khác nhau để chúng ta cần quan tâm tới gia cố mái dốc đá, một trong những thứ đó là đá có đặc điểm nứt nẻ, phong hóa đặc biệt là ở bề mặt dưới các tác động bên ngoài (nước, nhiệt độ, hay trong quá trình thi công …) hay phân lớp đá bất lợi. Hãy tưởng tượng xem tuyến đường sắt hoặc đường bộ cao tốc có mái dốc đá, nếu có hòn đá long lở và rơi xuống phạm vi hoạt động của phương tiện thì có được phép xảy ra hay không. Do đó chúng ta cần quan tâm tới ổn định của mái dốc đá, cần đánh giá đầy đủ mái dốc để đảm bảo an toàn theo các yêu cầu.

Các biện pháp phòng chống đá lở đá rơi được thể hiện như hình vẽ dưới đây: 

1. Sơ đồ cấu tạo của hàng rào

 2. Sơ đồ cấu tạo lưới gia cố mái đá