2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.4. Kiểm toán ổn định một số mái dốc điền hình trong các điều kiện
Phƣơng pháp kiểm toán ổn định trƣợt sƣờn dốc bằng lý thuyết ổn định mái dốc để đánh giá nguy cơ xảy ra mất ổn định của sƣờn dốc: bằng những số liệu địa chất thu thập đƣợc, sử dụng phần mềm GEO-SLOPE của hãng Geo-Slope International, Canada tiến hành kiểm toán ổn định một số mặt cắt đặc trƣng dọc theo tuyến quốc lộ 6 đoạn Yên Châu, qua đó đánh gía và nhận định về khả năng, nguy cơ, và các yếu tố ảnh hƣởng đến tai biến trƣợt lở đất.
2.1.4.1. Tổng quan về lý thuyết tính ổn định mái dốc
Mái dốc là khối đất có mặt giới hạn là mặt dốc (hình 2.2).
Hình 2.2. Mặt cắt ngang mái dốc
Mái dốc đƣợc hình thành hoặc do tác nhân tự nhiên (sƣờn núi,bờ sông .v.v..) hoặc do tác động nhân tạo (ví dụ : taluy nền đƣờng đào, nền đắp, hố móng, thân đập đất, đê.v.v..). Tất cả các mái dốc đều có xu hƣớng giảm độ dốc đến một dạng ổn định hơn, cuối cùng chuyển sang nằm ngang và trong bối cảnh này, mất ổn định đƣợc quan niệm là khi có xu hƣớng di chuyển và phá hoại. Đối với nền đƣờng đào là do khi chọn kích thƣớc, hình dạng của mái dốc chƣa hợp lý. 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 kháng 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.
Nhƣ chúng ta đã biết mái dốc càng thoải thì độ ổn định sẽ càng cao, nhƣng khối lƣợng công tác đất, diện tích chiếm dụng sẽ càng lớn, điều này sẽ dẫn đến trái với quan điểm kinh tế hiện nay. Vì vậy, mục tiêu cuối cùng của việc tính toán ổn định mái dốc là xác định đƣợc độ dốc mái taluy thoã mãn yêu cầu kinh tế và kỹ thuật.
Để đánh giá ổn định của mái dốc, về mặt lý thuyết hiện nay tồn tại nhiều phƣơng pháp tính, nhƣng có thể gộp chúng thành hai nhóm phƣơng pháp chính nhƣ sau:
+ Nhóm phương pháp theo lý thuyết cân bằng giới hạn của khối rắn (giả thiết trước hình dạng của mặt trượt):
Đặc điểm của nhóm phƣơng pháp dùng mặt trƣợt giả định là không căn cứ trực tiếp vào tình hình cụ thể của tải trọng và tính chất cơ lý của đất đắp để quy định mặt trƣợt cho mái dốc, mà xuất phát từ kết quả quan trắc lâu dài các mặt trƣợt của mái dốc trong thực tế để đƣa ra giả thiết đơn giản hoá về hình dạng mặt trƣợt rồi từ đó nêu lên phƣơng pháp tính toán, đồng thời xem khối trƣợt nhƣ là một vật thể rắn ở trạng thái
+ Nhóm phương pháp dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn thuần tuý:
Nhóm lý thuyết này dựa trên giả thuyết chính cho rằng, tại mỗi điểm trong khối đắp đất đều thoả mãn điều kiện cân bằng giới hạn. Việc một điểm mất ổn định đƣợc giải thích là do sự xuất hiện biến dạng trƣợt tại điểm đó. Còn mái đất mất ổn định là do sự phát triển của biến dạng trƣợt trong một vùng rộng lớn giới hạn của khối đất đắp.
Trong hai nhóm phƣơng pháp nêu trên, "nhóm phƣơng pháp dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn thuần tuý "vẫn mô phỏng đƣợc gần đúng trạng thái ứng suất trong khối đất bị phá hoại, về mặt toán học mang tính logic cao, nhƣng điểm hạn chế là chƣa xét đƣợc biến dạng thể tích của khối đất, đồng thời là giải bài toán ổn định của mái dốc theo phƣơng pháp này chƣa đƣợc áp dụng rộng rãi trong thực tế. Nhóm phƣơng pháp "dùng mặt trƣợt giả định" tuy có nhƣợc điểm là xem khối trƣợt nhƣ là một cố thể và đƣợc giới hạn bởi mặt trƣợt và mặt mái dốc, đồng thời xem trạng thái ứng suất giới hạn chỉ xảy ra trên mặt trƣợt mà thôi, thực tế thì mặt trƣợt xảy ra rất phức tạp, phụ thuộc vào sự tác dụng của tải trọng ngoài, vào tính chất của các địa tầng và vào các yếu tố khác. Tuy vậy tuỳ theo tình hình cụ thể của từng công trình, mà việc giả định trƣớc các mặt trƣợt cho phù hợp, đồng thời nhóm phƣơng pháp này tính toán đơn giản hơn và thiên về an toàn hơn so với nhóm phƣơng pháp lý luận cân bằng giới hạn. Chính vì thế thực tế hiện nay sử dụng phƣơng pháp này để tính toán ổn định mái dốc đƣợc áp dụng rộng rãi hơn.
2.1.4.2. Các giả thiết tính toán
Phƣơng trình cân bằng giới hạn của khối đất trƣợt đƣợc dựa vào công thức nổi tiếng của A.C. Coulomb (Định luật Mohr – Coulomb) để xác định ứng suất cắt :
s = c+ σn tg φ (2.1)
Hoặc
s = c+ (σn- u)tg φ (2.2)
Trong đó :
s - ứng suất cắt giới hạn tại điểm bất kỳ trên mặt trƣợt ở trạng thái cân bằng giới hạn.
σn- ứng suất pháp giới hạn (vuông góc với mặt trƣợt) ở trạng thái cân bằng giới hạn .
c - Lực dính đơn vị của đất ở trạng thái giới hạn ứng với hệ số ổn định của mái dốc.
φ- Góc ma sát trong của đất ứng với trạng thái giới hạn của đất. u - áp lực nƣớc lỗ rỗng.
Khi tính toán độ ổn định, mặt trƣợt giả định trƣớc có thể là tròn, hỗn hợp (tổ hợp các cung trƣợt tròn và thẳng) hoặc hình dạng bất kỳ đƣợc xác định bởi hàng loạt những đƣờng thẳng. Chia khối đất trƣợt ra thành nhiều cột thẳng đứng, mỗi cột đất đƣợc giới hạn bởi hai mặt phẳng thẳng đứng và đƣợc xem nhƣ một vật rắn nguyên khối tựa lên trên cung trƣợt. Điểm khác nhau cơ bản giữa các phƣơng pháp của các tác giả nêu trên chính là việc giả thiết phƣơng, vị trí tác dụng và giá trị của các lực tác dụng tƣơng hỗ giữa các mảnh trƣợt bao gồm lực cắt và lực xô ngang giữa các mảnh.
Phƣơng trình cân bằng giới hạn đƣợc xác định dựa trên các giả thiết : + Đất đƣợc xem nhƣ vật liệu tuân theo định luật Mohr - Coulomb.
+ Hệ số ổn định (hệ số an toàn) nhƣ nhau cho tất cả các điểm trên mặt trƣợt. + Trạng thái cân bằng giới hạn chỉ xảy ra trên mặt trƣợt.
Hình 2.4. Lực tác dụng lên phân tố đất trong trường hợp mặt trượt tổ hợp
Các giá trị đƣợc định nghĩa nhƣ sau :
W - Trọng lƣợng của mảnh trƣợt với bề rộng b và chiều cao trung bình h. N - Tổng lực pháp tuyến tại đáy mặt trƣợt của phân tố đất.
S - Lực cắt di chuyển (lực cắt hoạt động) tại đáy mặt trƣợt của phân tố đất, hoặc là Sm khi mặt trƣợt có hình dạng bất kỳ.
EL, ER- Lực pháp tuyến bên trái và bên phải của mỗi phân tố đất. XL, XR- Lực cắt bên trái và bên phải của mỗi phân tố đất.
D - Ngoại lực tác dụng.
kW - Tải trọng động đất theo phƣơng ngang tác dụng đi qua trọng tâm mỗi phân tố đất.
R - Bán kính mặt trƣợt tròn hay cánh tay đòn của lực cắt di chuyển, Sm khi mặt trƣợt có hình dạng bất kỳ.
f - khoảng cách từ tâm quay đến phƣơng của lực pháp tuyến N.
x - Khoảng cách theo phƣơng ngang từ đƣờng trọng tâm của mỗi phân tố đất đến tâm cung trƣợt tròn hay tâm mômen (khi cung trƣợt có hình dạng bất kỳ).
e - Khoảng cách theo phƣơng đứng từ tâm của mỗi phân tố đất đến tâm cung trƣợt tròn hay tâm mômen (khi cung trƣợt có hình dạng bất kỳ).
d - Khoảng cách vuông góc từ đƣờng tác dụng của tải trọng ngoài đến tâm cung trƣợt tròn hay tâm mômen.
b - Chiều rộng theo phƣơng ngang của mỗi phân tố đất. β- Chiều dài đáy mặt trƣợt.
a - Khoảng cách từ hợp lực nƣớc bên ngoài (nƣớc ngập hai bên taluy ) tới tâm quay hay tâm mômen.
AL, AR- Hợp lực tác dụng của nƣớc.
ω- góc nghiêng của đƣờng tải trọng ngoài so với phƣơng ngang.
α- Góc hợp giữa tiếp tuyến tại đáy mỗi mặt trƣợt với phƣơng nằm ngang. Hệ số ổn định của mái dốc có thể đƣợc xác định từ điều kiện cân bằng mômen hoặc cân bằng lực hoặc điều kiện cân bằng giới hạn tổng quát
2.1.4.3. Phương trình cân bằng mômen
Điều kiện cân bằng giới hạn về mômen là tổng mômen của các lực đối với tâm trƣợt phải bằng không (2.3) Hay: (2.4) Trong đó: (2.5) Với: σn = N
ứng suất pháp trung bình tại đáy mặt trƣợt
Km - hệ số ổn định trƣợt xác định theo điều kiện cân bằng về mômen.
2.1.4.4. Phương trình cân bằng lực
Điều kiện cân bằng lực theo phƣơng ngang cho tất cả các mảnh trƣợt: (2.6) Hay:
(2.7)
2.1.4.5. Phương trình cân bằng giới hạn tổng quát
Trong thực tế, tình hình phân bố địa chất, thuỷ văn rất phức tạp ở các mái dốc nền đào, nên mặt trwợt cũng thwờng có hình dạng rất phức tạp: có thể là hỗn hợp các cung tròn và các đoạn thẳng hoặc các đoạn thẳng gãy khúc. Do vậy tồn tại tâm trwợt ảo, số lƣợng ẩn lớn hơn số các phƣơng trình đƣợc lập, bài toán trở nên vô định. Nếu giả thiết một tâm trƣợt để thoả mãn điều kiện cân bằng mômen, thì không thoả mãn điều kiện cân bằng về lực theo một phƣơng nào đó, hoặc ngƣợc lại. Do vậy, một số tác giả kết hợp các điều kiện cân bằng trên để giải quyết bài toán - Đƣợc gọi là phƣơng pháp cân bằng giới hạn tổng quát (General Limit Equilibrium - GLE), sử dụng các phƣơng trình cân bằng tĩnh học sau đây để tìm hệ số an toàn :
Tổng các lực theo phƣơng đứng đối với phân tố đất đƣợc giả định để tìm lực pháp tuyến N tại đáy mặt trƣợt.
(2.8)
(2.9) - Tổng các lực theo phƣơng ngang đối với mỗi mặt trƣợt đƣợc sử dụng để tính toán lực tƣơng hỗ E. Phƣơng trình đƣợc áp dụng khi tính tích phân toàn bộ khối lƣợng khối trƣợt từ trái sang phải.
- Tổng momen đối với một điểm chung cho tất cả các phân tố đất, dùng để tính hệ số ổn định momen Km.
- Tổng các lực theo phƣơng ngang đối với tất cả các lát cắt, dùng để tính hệ số ổn định Kf.
Kết quả là hệ số ổn định chung K đƣợc tính trên các hệ số ổn định Kmvà Kf, tức là thoả mãn cả điều kiện cân bằng lực và cân bằng momen, và đƣợc xem là hệ số ổn định (hệ số an toàn) hội tụ của phƣơng pháp cân bằng giới hạn tổng quát.
2.2.5. Phương pháp dự báo nguy cơ trượt bằng thạch cấu trúc
Một trong những khâu quan trọng nhất của công tác phân tích nguy cơ trƣợt đá là tập hợp có hệ thống và trình diễn các số liệu địa chất theo cách nào đó thuận tiện nhất cho việc đánh giá và dễ dàng truy nhập trong khâu phân tích [19].
Các mạng lập thể cho phép phân tích ba chiều các mặt gián đoạn trong khối đá. Điều này giúp nhận dạng các mặt gián đoạn có định hƣớng không thuận lợi cho sự ổn định của sƣờn dốc. Phân tích lƣới lập thể thƣờng đƣợc coi là phân tích động hình học. Các phá huỷ tiềm ẩn dạng mặt (plane failure), dạng nêm (wedge failure) hay đổ lở (toppling failure) ở sƣờn dốc có thể đƣợc nhận dạng về mặt động hình học thông qua phân tích mạng lập thể [19,20].
Phép chiếu lƣới lập thể
Có nhiều loại phép chiếu, trong đó có hai loại phổ biến nhất là phép chiếu bảo toàn góc hay lƣới Wulf và phép chiếu bảo toàn diện tích hay lƣới Schmidt. Khi phân tích và dự báo nguy cơ trƣợt đá, ngƣời ta thƣờng dùng phép chiếu bảo toàn diện tích, sử dụng bán cầu chiếu dƣới.
Trong phân tích lƣới lập thể, các mặt gián đoạn đƣợc coi là phẳng. Có ba cách thể hiện một mặt phẳng trong không gian trên mạng lập thể, đó là cực (pole), vector độ dốc (dip vector) và vòng tròn lớn (great circle).
Mỗi cách thể hiện có ƣu điểm và đối tƣợng áp dụng riêng. Cực và vector độ dốc thể hiện các gián đoạn riêng lẻ là một điểm duy nhất, khiến lƣới lập thể trở nên không bị phân tán giống nhƣ khi phải thể hiện các số liệu tƣơng tự bằng các vòng tròn lớn. Vòng tròn lớn đƣợc sử dụng để thể hiện các mặt dốc, giúp cho ngƣời ta có thể hình dung một cách rõ ràng mối quan hệ giữa chúng với các mặt gián đoạn riêng lẻ. Vòng tròn lớn cũng đƣợc sử dụng khi thể hiện các tập hợp số liệu trong việc phân tích nêm trƣợt.
Các kiểu phá hủy trƣợt đá chính
Hình 2.5 thể hiện bốn kiểu phá huỷ chính và hình thái trên lƣới chiếu cực đặc trƣng của các điều kiện cấu trúc địa chất có thể dẫn đến phá huỷ tƣơng ứng. Thông thƣờng trƣợt đá thƣờng gặp ba kiểu đầu tiên: kiểu A – trƣợt phẳng, kiểu B – trƣợt dạng nêm và kiểu C – đổ lở. Kiểu D thƣờng chỉ gặp trong vỏ phong hóa [19].
Trong khi đánh giá độ ổn định của sƣờn dốc, mặt bị cắt bạt của sƣờn dốc cũng đƣợc thể hiện trên lƣới chiếu do dịch trƣợt có thể chỉ xảy ra do kết quả của dịch chuyển về phía bề mặt tự do đƣợc tạo ra bởi vết cắt bạt [20].
A
B
C
D
Hình 2.5. Các kiểu trượt thường gặp và hình thái trên lưới chiếu cực đặc trưng (vẽ lại theo [19, 20]) A- Trượt phẳng B- Trượt dạng nêm C - Đổ lở D - Trượt trong vỏ
2.2.6. Nghiên cứu về sự biến đổi lượng mưa và nhiệt độ và mối liên quan của nó đến trượt lở đất đến trượt lở đất
Có nhiều các nhân tố ảnh hƣởng đến quá trình trƣợt lở đất, bao gồm các đặc điểm khí hậu, các yếu tố địa chấn, các hoạt động của con ngƣời và cả các yếu tố phức hợp khác. Kết quả là, quan hệ giữa khí hậu và trƣợt lở đất chƣa bao giờ là đơn giản và là vấn đề còn phải bàn của nhiều nhà nghiên cứu, đặc biệt là trong điều kiện phân bố về không gian và thời gian. Khí hậu có ảnh hƣởng nhƣ một tác nhân phức tạp đến mức độ và tần suất của trƣợt lở đất qua đƣờng phi tuyến hệ thống đất nƣớc. Bởi vậy việc kết hợp phân tích giữa vùng và khu vực là cần thiết để giảm thiểu tác động đƣa đến từ các nhân tố nhƣ địa chất, địa mạo và làm sáng tỏ mối quan hệ giữa nhân tố khí hậu và trƣợt lở. Hơn nữa việc nắm vững cơ chế thủy động và cơ học là cơ sở cho việc đánh giá một cách định lƣợng về tác động, ảnh hƣởng của sự thay đổi khí hậu đến ổn định mái dốc.
Quan hệ giữa khí hậu - trƣợt lở đƣợc phân tích cho khoảng thời gian nào đó và tại một vài khoảng thời gian sẽ cố gắng xác định điều kiện khí hậu gây ra trƣợt lở. Qua những ngiên cứu, quan sát ở các nhiều nơi, có thể thấy mƣa là một yếu tố làm gia tăng hoặc gây nên trƣợt lở đất cùng với một số yếu tố khác nhƣ: sử dụng đất, các hoạt động kiến tạo [55].
Sự thay đổi nhiệt độ có thể tác động đến quá trình trƣợt lở đất ở vài khía cạnh. Thứ nhất, sự thay đổi nhiệt độ có thể là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi thảm thực vật, các thảm thực vật che phủ xanh tốt trƣớc đây có thể bị hủy hoại và chết. Thứ hai, sự thay đổi nhiệt độ có thể ảnh hƣởng tới mức nƣớc ngầm, bởi vì nƣớc ngầm có thể phải trải qua quá trình dãn nở nhiệt và chính quá trình dãn nở nhiệt này có thể làm cao độ nƣớc ngầm tăng lên. Nhƣ vậy, nhiệt độ tăng sẽ làm giảm độ ổn định của mái dốc và có thể là nguyên nhân gây trƣợt lở. Thứ ba, nhiệt độ tăng có thể là nhân tố làm cho đất bị khô hơn. Trong một vài trƣờng hợp độ ẩm tự nhiên thấp sẽ làm tăng sức kháng cắt của đất và là điều kiện tốt cho sự hút dính, ngƣợc lại nó làm giảm lực dính kết của đất, ví dụ nó gây ra sự rạn nứt đối với đất sét trầm tích. Các vết nứt này sẽ là điều kiện để nƣớc ngấm qua dễ dàng và sẽ làm suy giảm nhanh chóng độ ổn định của mái dốc.