VIII. Bố cục của luận án
1.1.2. Các vấn đề về mất ổn định mái đất
3) Đập có t−ờng nghiêng mềm hoặc cứng (hình 1.1d và e)
Hình 1.1. Phân loại đập đất theo cấu tạo thân đập 4) Đập có t−ờng lõi mềm hoặc cứng (hình 1.1f và g)
5) Đập hỗn hợp: Phần thân đập th−ợng l−u đắp bằng một hoặc nhiều loại đất, phần thân đập hạ l−u là khối đá (hình 1.1h).
Khi đập xây dựng trên nền thấm, có thể dùng các hình thức t−ờng nghiêng, t−ờng lõi cắm xuống nền, hoặc t−ờng nghiêng và sân tr−ớc.
Tất cả các mái dốc nói chung đều có xu h−ớng giảm độ dốc đến một dạng ổn định hơn, cuối cùng chuyển sang nằm ngang và trong bối cảnh này, mất ổn định
đ−ợc quan niệm là khi có xu h−ớng di chuyển và phá hoại là khi khối đất đá thực sự di chuyển. Các lực gây mất ổn định liên quan chủ yếu với trọng lực và thấm trong khi sức chống phá hoại cơ bản là do hình dạng mái dốc kết hợp với bản thân độ bền chống cắt của đất và đá tạo nên, do đó khi tính toán ổn định của mái dốc cần phải xét đến đầy đủ các nội lực và ngoại lực [22]. Sự di chuyển của khối đất đá có thể xảy ra do phá hoại cắt dọc theo một mặt ở bên trong khối hay do ứng suất hiệu quả giữa các hạt giảm tạo nên sự hóa hỏng một phần hay toàn bộ.
Những sự cố tr−ợt lở lớn mái dốc trên thế giới và ở Việt Nam phần lớn có liên quan đến trạng thái không bão hòa của đất. Các đất có vấn đề về tr−ợt lở này th−ờng có nguồn gốc tàn tích và mực n−ớc ngầm ở sâu. Các lớp đất trên mặt có áp lực n−ớc lỗ rỗng âm, đóng vai trò quan trọng trong sự ổn định của mái dốc. Tuy nhiên, l−ợng m−a nhiều, liên tục có thể làm giảm áp lực lỗ rỗng âm của khối đất phía trên đ−ờng bão hòa, do đó c−ờng độ chống cắt giảm dẫn đến mái dốc mất ổn định.
Ph−ơng pháp th−ờng dùng nhất để phân tích sự ổn định của mái dốc trong đất dính là dựa trên việc xem xét cân bằng dẻo giới hạn. Về căn bản, điều kiện cân bằng dẻo giới hạn tồn tại từ thời điểm mà dịch chuyển tr−ợt cắt bắt đầu và biến dạng cứ tiếp diễn mà ứng suất không đổi.
Trong thực tế, khi mái dốc bị mất ổn định, mặt tr−ợt có thể có nhiều hình dạng khác nhau. Sự tr−ợt có thể xảy ra cục bộ hoặc phổ biến trên một chiều dài nhất định; mặt tr−ợt có dạng của mặt cầu (bài toán không gian 3 chiều) hoặc mặt trụ (bài toán phẳng 2 chiều). Để đơn giản tính toán mà thiên về an toàn, sự phân tích ổn định của mái dốc th−ờng đ−ợc xét nh− bài toán phẳng, mặt tr−ợt là mặt phẳng, mặt trụ hoặc mặt hỗn hợp (phẳng + trụ) (Hình 1.2) [22].
Dạng đơn giản nhất, do Cullmann đ−a ra vào năm 1866, là một mặt phẳng dài vô hạn đi qua chân mái dốc. Ph−ơng pháp này cho hệ số chảy an toàn nên đã đánh giá quá cao điều kiện ổn định thực. Khi lựa chọn mặt tr−ợt phức tạp hơn nh− mặt cong xoắn logarit hay có dạng không theo quy tắc có thể cho kết quả gần với giá trị
thực, nh−ng việc phân tích dài dòng và kém hấp dẫn. Việc dùng mặt trụ tròn xoay với mặt cắt ngang là cung tròn sẽ cho kết quả thỏa mãn độ chính xác mà không cần tính toán quá phức tạp. Hiện nay hầu hết các ph−ơng pháp đều giả thiết mặt tr−ợt có dạng mặt trụ tròn xoay. Tr−ờng hợp tồn tại lớp đá cứng d−ới nền hoặc lớp đất mềm yếu trong nền, mặt tr−ợt có dạng phức tạp.
Nói chung, các thông số c−ờng độ chống cắt hiệu quả (tức là c’ và ’) đ−ợc
dùng khi tiến hành phân tích ổn định mái dốc trên đất bão hòa. Thành phần c−ờng độ chống cắt do áp lực n−ớc lỗ rỗng âm phía trên mặt n−ớc ngầm th−ờng đ−ợc bỏ qua, bằng cách đặt độ lớn của chúng bằng không là do những khó khăn để đo đ−ợc áp lực n−ớc lỗ rỗng âm và cách đ−a nó vào phân tích ổn định mái dốc. Có thể chấp nhận giả thiết bỏ qua áp lực n−ớc lỗ rỗng âm đối với những tr−ờng hợp mà phần lớn mặt tr−ợt nằm d−ới mặt n−ớc ngầm. Tuy nhiên, trong những tr−ờng hợp mặt n−ớc ngầm sâu hay khi ng−ời ta quan tâm tới khả năng xuất hiện mặt phá hoại nông, thì không thể bỏ qua áp lực n−ớc lỗ rỗng âm đ−ợc [2, 8].
Hình 1.2. Các dạng mặt phá hoại: a) mặt phẳng; b) cung tròn; c) không theo quy tắc; d) hỗn hợp
Vậy, vấn đề mất ổn định trong vùng đất không bão hòa rất cần đ−ợc quan tâm nghiên cứu, các thông số đất không bão hòa nên đ−ợc đề cập đến trong phân tích ổn định mái đất.
1.2. tổng quan về môi trường đất bão hòa, không bão hoà
Một diện tích lớn mặt đất trên thế giới đ−ợc xếp là vùng khô hạn. L−ợng bốc hơi hàng năm từ mặt đất của các miền này lớn hơn l−ợng m−a hàng năm. Các vùng khô hạn và bán khô hạn th−ờng có mực n−ớc ngầm sâu. Đất nằm từ mặt n−ớc ngầm xuống d−ới mực n−ớc ngầm có áp lực n−ớc lỗ rỗng d−ơng và đ−ợc gọi là đất bão hòa. Đất không bão hòa nằm trên mực n−ớc ngầm có áp lực n−ớc lỗ rỗng âm. Đất mất bão hòa do bốc hơi và thoát-bốc hơi n−ớc quá lớn. Sự thay đổi khí hậu có ảnh h−ởng lớn đến độ ẩm của đất ở gần mặt đất. Khi bị ẩm, áp lực n−ớc lỗ rỗng tăng, có xu h−ớng về giá trị d−ơng. Kết quả làm thay đổi thể tích và c−ờng độ chống cắt của đất. Nhiều đất có tính tr−ơng nở lớn khi bị làm ẩm. Nhiều loại đất khác nhau cho thấy c−ờng độ chống cắt giảm nhiều khi bị làm ẩm. Các thay đổi về áp lực n−ớc lỗ rỗng âm do m−a lớn là nguyên nhân phá hoại nhiều mái dốc. Sự giảm sức chịu tải và môđun đàn hồi của đất cũng liên quan đến sự tăng áp lực n−ớc lỗ rỗng. Các hiện t−ợng này cho thấy vai trò quan trọng của áp lực n−ớc lỗ rỗng âm trong việc chi phối đặc tính cơ học của đất không bão hòa [2, 32, 35, 38].
Đất bão hòa và không bão hòa khác nhau cơ bản về bản chất và đặc tính kỹ thuật. Đất bão hòa là loại đất gồm hai pha (pha rắn và pha lỏng) và có áp lực n−ớc lỗ rỗng d−ơng. Đất không bão hoà là loại đất có nhiều hơn hai pha và có áp lực n−ớc lỗ rỗng âm, liên quan với áp lực khí lỗ rỗng. Lambe và Whitman (1979) định nghĩa đất không bão hoà là hệ ba pha bao gồm pha rắn, pha n−ớc và pha khí. Theo Fredlund và Morgensten (1977), khi phân tích ứng suất của môi tr−ờng liên tục nhiều pha, cần nhận thức pha trung gian khí - n−ớc ứng xử nh− một pha độc lập, khi đó đất không bão hoà là hệ bốn pha: pha rắn, pha khí, pha n−ớc và mặt ngoài căng hay mặt phân cách khí - n−ớc [2, 61]. Sơ đồ biểu thị mối quan hệ giữa thể tích - khối l−ợng của đất đ−ợc thể hiện ở hình 1.3.
Lực hút dính, đ−ờng cong đặc tr−ng đất-n−ớc, hệ số thấm và c−ờng độ chống cắt là các đặc tr−ng cơ bản của đất không bão hòa. C−ờng độ chống cắt của đất không bão hòa khác đất bão hòa ở chỗ có thêm lực dính do lực hút dính gây ra. Lực dính thêm này phụ thuộc vào (ua - uw), giá trị b [2, 8, 36, 37, 39].
Đ−ờng cong đặc tr−ng đất - n−ớc (SWCC) là thông số trung tâm của cơ học đất cho đất không bão hòa. Nó khống chế các đặc tính của đất không bão hoà nh− hệ số thấm, c−ờng độ chống cắt và biến thiên thể tích của đất. Đ−ờng cong đặc tr−ng đất - n−ớc và hệ số thấm là các thông số cần thiết đối với phân tích bài toán n−ớc m−a thấm vào trong mái dốc [2, 8, 36, 37, 39].
C−ờng độ chống cắt của đất đóng vai trò quan trọng trong tính toán ổn định khối đất. Nhiều bài toán địa kỹ thuật nh− sức chịu tải và ổn định mái dốc có liên quan đến c−ờng độ chống cắt của đất. Hàm thấm và ph−ơng trình c−ờng độ chống cắt cho phép phân tích chính xác các bài toán thấm không ổn định, thấm do m−a, ổn định mái dốc theo thời gian khi có sự thay đổi về độ ẩm, áp lực n−ớc lỗ rỗng, đ−ờng bão hòa trong môi tr−ờng đất [2, 8, 36, 37, 39].
Hình 1.3. Sơ đồ pha chính xác và đơn giản hoá của đất không bão hoà. a) Hệ đất không bão hoà bốn pha chính xác; b) Sơ đồ 3 pha đơn giản hoá
Khí hậu đóng vai trò quan trọng dù đất là bão hòa hay không bão hòa. N−ớc bị lấy đi khỏi đất hoặc do bốc hơi từ mặt đất hoặc do thoát – bốc hơi từ lớp phủ thực vật. Các quá trình này tạo nên một dòng n−ớc h−ớng lên, ra khỏi đất. Mặt khác, n−ớc m−a và các dạng n−ớc khác tạo dòng n−ớc h−ớng xuống đi vào trong đất.
Dòng h−ớng lên thực làm khối đất khô dần, nứt nẻ, trong khi dòng h−ớng xuống cuối cùng làm bão hòa khối đất. Cùng với các điều kiện khác, dòng mặt có thực ảnh h−ởng đến chiều sâu mực n−ớc ngầm. Một đ−ờng thủy tĩnh liên quan với mực n−ớc ngầm biểu thị một điều kiện cân bằng ở nơi không có dòng chảy tại mặt đất. Trong thời kỳ khô, áp lực n−ớc lỗ rỗng trở nên âm hơn so với áp lực n−ớc lỗ rỗng biểu thị bằng đ−ờng thủy tĩnh. Điều kiện ng−ợc lại xảy ra trong thời kỳ ẩm.
Fredlund và Rahardjo (1993) đã đ−a ra quá trình thay đổi áp lực n−ớc lỗ rỗng trong vùng đất nằm trên đ−ờng bão hòa khi có quá trình m−a và bốc hơi [2, 32, 35, 38, 69]. Quá trình đó đ−ợc biểu diễn bằng hình vẽ 1.4.
Dòng thấm ổn định Bốc hơi ở trạng thái ổn định Mặt đất Dòng thấm hướng xuống Tấm phủ Dòng chảy ổn định Cột nước trọng lực Mực nước y x z Mặt chuẩn (-) + qwy 2 1 3 qwy hướng lên (+) qwy Cân bằng tĩnh với mực nước ngầm (q = 0)wy ổn định - qwy (-) (+) 0
Hình 1.4. Mặt cắt phân bố áp lực lỗ rỗng trong vùng đất không bão hoà (Fredlund và Rahardjo, 1993)
Hình 1.4 biểu diễn quá trình thay đổi áp lực lỗ rỗng vùng đất nằm trên đ−ờng bão hoà khi có quá trình m−a và bốc hơi. Khi bề mặt đất đ−ợc che phủ kín, không có quá trình m−a và bốc hơi tác động thì áp lực lỗ rỗng có dạng đ−ờng thẳng giống nh− áp lực thuỷ tĩnh (đ−ờng 1). Khi vùng đất không có quá trình n−ớc m−a cung cấp từ trên xuống, th−ờng sẽ xuất hiện quá trình bốc hơi n−ớc từ trong đất đi ra, làm độ ẩm giảm (hay lực hút dính tăng lên) dẫn tới đ−ờng áp lực lỗ rỗng dịch chuyển về phía
trái (đ−ờng 2), c−ờng độ chống cắt tăng lên làm cho hệ số ổn định mái dốc tăng. Vùng thay đổi lớn nhất nằm ở vùng gần bề mặt đất. Thời gian bốc hơi càng dài thì đ−ờng áp lực lỗ rỗng càng dịch về bên trái, và dần dần mực n−ớc ngầm hạ thấp. Khi có m−a thì l−ợng n−ớc m−a sẽ thấm vào trong đất, làm cho đ−ờng áp lực lỗ rỗng dịch chuyển về bên phải (đ−ờng 3). Quá trình này sẽ làm cho vùng không bão hoà thu hẹp, c−ờng độ chống cắt giảm dẫn đến mất ổn định mái dốc.
Trong những năm gần đây, ng−ời ta đã hiểu rõ hơn về vai trò của áp lực n−ớc lỗ rỗng âm (hoặc lực hút dính) trong việc làm tăng c−ờng độ chống cắt của đất. Những phát triển gần đây đã đ−a ra một vài thiết bị có thể dùng đo áp lực n−ớc lỗ rỗng âm tốt hơn. Khi phân tích ổn định mái dốc cần xem xét các thành phần c−ờng độ chống cắt sinh ra do áp lực n−ớc lỗ rỗng âm. Loại phân tích này là sự mở rộng phân tích cân bằng giới hạn th−ờng dùng.
Một số khía cạnh trong nghiên cứu ổn định mái dốc vẫn giữ nguyên không đổi đối với đất có áp lực n−ớc lỗ rỗng d−ơng (đất bão hòa) và đất có áp lực n−ớc lỗ rỗng âm (đất không bão hòa) nh−: bản chất của khảo sát hiện tr−ờng, nhận dạng địa tầng và đo trọng l−ợng đơn vị tổng. Mặt khác, cần mở rộng các ph−ơng pháp thí nghiệm truyền thống để đặc tr−ng hóa các đặc tính c−ờng độ chống cắt của đất, cũng cần mở rộng công cụ giải tích dùng để đ−a áp lực n−ớc lỗ rỗng vào và tính hệ số an toàn [2, 8].
1.3. Tình hình nghiên cứu các đặc trưng cơ lý đất không bão
hoà trên thế giới và ở Việt Nam
1.3.1. Tình hình nghiên cứu các đặc trưng cơ lý đất không bão hòa trên thế giới
Cơ chế tính chất của đất không bão hoà đã đ−ợc quan tâm nh−ng những công trình nghiên cứu về nó phát triển không nhiều. Lý thuyết về Cơ học đất không bão hoà đ−ợc thiết lập từ nhiều thập kỷ tr−ớc. Tr−ớc năm 1950, các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu đặc tính của đất không bão hòa; tuy nhiên, hầu hết các mối quan tâm chỉ dừng lại ở dòng mao dẫn và sử dụng các mô hình dâng cao trong ống mao dẫn để giải thích hiện t−ợng quan sát đ−ợc [2]. Trên thực tế, những cố gắng dựa hoàn toàn
vào mô hình dâng ống mao dẫn d−ờng nh− là yếu tố quan trọng làm chậm sự phát triển của Cơ học đất không bão hòa. Vào cuối những năm 50, những thúc đẩy mới đã bắt đầu bằng việc nghiên cứu biến thiên thể tích và c−ờng độ chống cắt của đất không bão hoà [2]. Việc nghiên cứu trên dẫn đến các đề nghị về một số ph−ơng trình ứng suất, đ−ợc gọi là ứng suất hiệu quả cho đất không bão hòa. Về sau có sự thay đổi chậm chạp theo h−ớng chấp nhận hai biến trạng thái ứng suất độc lập (Fredlund và Mongensten (1977),...) [2, 33]. Các ph−ơng trình cơ bản của sự thay đổi thể tích, c−ờng độ chống cắt và dòng thấm qua đất không bão hoà ngày càng đ−ợc chấp nhận trong khoa học Địa kỹ thuật (Fredlund và Rahardjo, 1993) [48]. Việc xác định các thông số đất của các mô hình đất không bão hoà cơ bản đòi hỏi một qui trình thí nghiệm khắt khe, tỉ mỉ [2, 36, 37, 39].
Các lý thuyết thực nghiệm về đất không bão hòa b−ớc đầu đ−ợc nghiên cứu từ các nhà thổ nh−ỡng. Tuy nghiên các nhà thổ nh−ỡng chỉ quan tâm chính đến các quan hệ về độ ẩm với lực hút dính trong các lớp đất gần mặt đất. Trên cơ sở đó, các nhà địa kỹ thuật, địa kỹ thuật môi tr−ờng đã ứng dụng, mở rộng và phát triển mạnh mẽ cho các lĩnh vực Cơ học đất và Địa kỹ thuật môi tr−ờng. Cho đến hiện nay đã có một nền tảng khá vững chắc về lý thuyết cho Cơ học đất không bão hòa. Dựa trên nền tảng đó, các bài toán với các điều kiện biên phức tạp đã đ−ợc giải quyết. Lý thuyết thấm, c−ờng độ chống cắt và biến thiên thể tích của đất không bão hòa phát triển và trở thành nền tảng cho Cơ học đất không bão hòa. Lý thuyết Cơ học đất không bão hòa đã giải quyết đ−ợc các bài toán về thấm và c−ờng độ chống cắt cho vùng đất bên trên đ−ờng bão hòa. Việc tính toán dựa trên lý thuyết Cơ học đất không bão hòa sẽ cho kết quả chính xác và phù hợp với thực tế hơn.
Nhiều nhà nghiên cứu đã tập hợp các kết quả nghiên cứu và viết thành sách về cơ học đất nói chung và Cơ học đất không bão hòa nói riêng (Lambe, T.W. và
Whitman, R.V. (1979), D. G. Fredlund và H. Rahardjo (1993), Karl Terzaghi,
Ralph Brazelton Peck và Gholamreza Mesri (1996), Budhu, M. (2000), Ning Lu và William J. Likos (2004),...) [28, 48, 59, 61, 63]. Giáo trình ”Cơ học đất không bão hòa” của D. G. Fredlund và H. Rahardjo (1993) là cuốn sách đầu tiên trên thế giới
trình bày có hệ thống các vấn đề về Cơ học đất không bão hòa và hiện nay đ−ợc dùng nh− một cuốn sách giáo khoa chuyên đề ở bậc đại học và cao học.
Gần đây nhiều các phần mềm tính toán địa kỹ thuật đã đ−ợc xây dựng cho cả môi tr−ờng đất đá bão hòa và không bão hòa nhằm mục đích mô phỏng nhiều kịch bản mất ổn định của khối đất cùng các kết cấu và tác động ngoài đặt trên và trong nó, cho phép khảo sát nhanh chóng và có độ tin cậy cao các bài toán địa kỹ thuật th−ờng gặp qua các sơ đồ trực quan hiển thị trên màn hình, do vậy có thể giúp các