7. Cấu trúc của luận văn
2.4. Động lực của quá trình trượt
Động lực của quá trình trượt được đặc trưng bởi quy luật phát triển trượt theo thời gian nhất định. Nếu các điều kiện địa chất tự nhiên thuận lợi và hình thể tác dụng
d dt o d dt
của các ứng lực cắt được được tạo lập, thì việc chuẩn bị phá huỷ cân bằng của các khối đất đá sẽ được bắt đầu. Trong thời gian đó có thể phát sinh nhiều hiện tượng như tăng mức độ phong hóa của đất đá, biến đổi độ ẩm và trạng thái vật lý của nó, giảm độ bền của đất đá, biến đổi độ dốc của sườn do xói lở, các chuyển dịch nhỏ, biến dạng dẻo ( từ biến)... Các hiện tượng đó cuối cùng sẽ dẫn tới việc làm giảm độ ổn định của đất đá trên sườn dốc và mái dốc, làm cho dịch chuyển của đất đá khơng sao tránh khỏi. Sau đó trạng thái cân bằng mới lại xuất hiện. Bản chất của quá trình trượt được quyết định bởi mối liên quan giữa những điều kiện môi trường xung quanh và sự thành tạo trượt, giữa những sự biến đổi định lượng từ từ của độ ổn định và trạng thái cân bằng mới của đất đá, giữa quá trình trượt và các quá trình địa chất khác đi kèm và quyết định nó [8].
Tóm lại, động lực của q trình trượt có thể phân chia ra 3 thời kỳ: 1) thời kỳ chuẩn bị trượt là thời kỳ làm giảm dần độ ổn định của các khối đất đá; 2) thời kỳ thành tạo trượt thực thụ, thường độ ổn định của của đất mất đi tương đối nhanh hoặc rất đột ngột; 3) thời kỳ tồn tại – thời kỳ ổn định trượt, lập lại độ ổn định của các khối đất đá ( hình 2.4).
Hình 2.4. Sơ đồ tổng quát động lực phát triển quá trình trượt ( theo Lomtađze V.Đ). ( theo Lomtađze V.Đ). 70 Dịch chuyển lớn 1 2 0 10 20 30 40 50 60 Hệ số ổn định ổn định Dịch chuyển đất đá
2.5. Đánh giá địa chất cơng trình độ ổn định trượt
Khi đánh giá độ ổn định trượt, cần xét tới tất cả sự đa dạng của nguyên nhân thành tạo và những điều kiện hỗ trợ cho nó. Mỗi khối trượt tuỳ theo trạng thái cân bằng của đất đá cấu tạo nó mà có mức độ dịch động nhất định. Mức độ dịch động đó được thể hiện qua đặc điểm địa hình khu vực trượt, sự biến đổi cấu trúc bên trong của nó và sự phá huỷ ổn định khu vực và cơng trình. Tất cả những điều đó cho phép đánh giá định tính và định lượng độ ổn định trượt.
Vì vậy, đánh giá địa chất cơng trình độ ổn định trượt phải là sự đánh giá tổng hợp ( định tính và cuối cùng nhất thiết phải định lượng). Việc đánh giá phải dựa trên tài liệu nghiên cứu : 1) hình thái, cấu tạo khối trượt, độ sũng nước của đất đá, tính chất cơ lý của chúng và các q trình, hiện tượng địa chất kèm theo; 2) động lực phát triển của hiện tượng trượt; 3) tương quan của các lực ( làm dịch chuyển và giữ lại) quyết định sự cân bằng các khối đất đá cấu tạo nên khối trượt [8].
Với nhóm tài liệu thứ nhất để đánh giá độ ổn định trượt, phải xét tới một số điểm sau:
Với khối trượt đang dịch chuyển, dịch chuyển mạnh thường có nhiều dấu vết mới của sự dịch chuyển: địa hình mặt đất có nhiều hình dạng tương phản, gị đống, thềm dốc, thảm cỏ bị xé nát, khe nứt hở thấy khắp nơi, cây nghiêng ngả, quan sát thấy nhiều vết lộ nước. Những cơng trình xây dựng trên những khu vực trượt đó bị biến dạng liên tục và đổ vỡ. Khi phân tích cấu trúc trượt, có thể phát hiện được các mặt và đới yếu định hướng bất lợi của đất đá và nhiều dấu hiệu khác biểu thị mức độ hoạt động của quá trình trượt, sự mất ổn định rõ ràng của khối trượt. Khi đánh giá mức độ đe doạ của các khối trượt, cần chú ý đến quy mơ của hiện tượng: diện tích do trượt chiếm, kích thước của nó.
ở những khối trượt đã kết thúc ( đã ổn định), tác động của nguyên nhân gây ra dịch chuyển đã được loại trừ. Trên địa hình mặt đất, những hình dạng tương phản biến mất. Địa hình ít mấp mơ hơn, gị đống mềm mại hơn, đại bộ phân bề mặt đều có cỏ mọc, thậm chí có cả thực vật thân bụi, thân gỗ. Dấu vết khe nứt khơng cịn. Đại bộ phận các mạch nước bị khơ. Cơng trình ổn định. Sự phát triển của biến dạng ngừng
hẳn. Điển hình là trọng tâm của các khối trượt đó thường chiếm vị trí tương đối thấp trong địa hình của sườn dốc và mái dốc.
Đối với trượt gần ổn định tạm thời và ổn định tạm thời, các nguyên nhân gây ra dịch chuyển có lúc cân bằng với các yếu tố ổn định, hoặc có lúc được loại trừ. Trên bề mặt địa hình quan sát thấy sự bắt đầu, hoặc tiếp tục xoá mờ mức độ gồ gề và các dấu hiệu biến đổi bên ngoài khác. Sự chuyển dịch đất đá, cũng như sự phát triển biến dạng cơng trình bị chậm lại, hoặc ngừng nghỉ tạm thời.
Những tiêu chuẩn trên có tính chất ví dụ để đặc trưng và đánh giá độ ổn định trượt dựa trên việc mô tả địa chất. Cơ sở của phương pháp này là đo vẽ địa chất cơng trình các lãnh thổ, các khu vực, hoặc đoạn trượt lở, kèm theo sự mô tả chi tiết.
Nhằm nghiên cứu động lực phát triển trượt, trên các khu vực trượt người ta chôn hệ thống mốc cố định và tiến hành quan trắc tồn bộ sự biến đổi địa hình, cũng như lớp phủ thực vật ở trên đó. Từ kết quả quan trắc, có thể rút ra những hiểu biết nhất định về khuynh hướng và mức độ hoạt động của quá trình: tăng tiến, tắt dần, gần ổn định tạm thời, đã kết thúc... Những quan trắc lâu dài cho phép suy đoán về tốc độ, mức độ đồng đều và quy mơ dịch chuyển tuyệt đối, tương đối của tồn bộ khối trượt, hay một số bộ phận của nó.
Giải thích các ngun nhân biến đổi của q trình tuỳ thuộc vào các yếu tố tự nhiên ( khí hậu, thuỷ văn, địa chất...) và nhân tạo ( cắt xén chân sườn dốc, nổ mìn...) và xét tới kích thước trượt ( quy mơ của hiện tượng), có thể rút ra kết luận về độ ổn định và mức độ đe dọa của nó.
Để nghiên cứu cơ chế và quy luật phát triển quá trình trượt, các phương pháp mơ hình cũng giúp ích được rất nhiều. Sự phát triển của máy tính và các ứng dụng của nó đã tạo điều kiện phát triển phương pháp mơ hình ảo mà trong đó, cấu trúc trượt và tác động của các ứng lực quyết định độ ổn định trượt được đưa vào gần giống như trên thực tế.
Sự đánh giá cuối cùng độ ổn định trượt cần phải dựa trên các phương pháp nghiên cứu trạng thái cân bằng của các khối đất đá tạo nên nó. Các phương pháp đó được quy ước gọi là phương pháp kiểm toán độ ổn định của trượt. Phương pháp kiểm
tốn ln được kết hợp với các phương pháp dựa trên sự mô tả địa chất hiện tượng trượt, sự nghiên cứu và phân tích động lực phát triển của nó [5].
Cơ sở của các phương pháp kiểm toán để đánh giá độ ổn định trượt là nghiên cứu tỉ số giữa ứng lực gây ra dịch chuyển và ứng lực giữ lại tác dụng giữ lại khối đất khỏi trượt. Tỷ số đó thường được biểu thị bằng hệ số ổn định :
giữ
dịch chuyển
Trong đó:
giữ- Tổng sức chống cắt của đất đá ở mặt trượt đã có, hoặc đang được dự kiến; dịch chuyển - Tổng ứng lực gây ra dịch chuyển, cũng ở tại mặt đó.
Khi sử dụngphương pháp kiểm tốn, cần có các tài liệu sau:
- Sơ đồ kiểm toán thực tế, tức là mặt cắt địa chất cơng trình chi tiết, dọc theo trục của khối trượt hoặc theo khoảnh đặc trưng của nó. Trên mặt cắt đó cần thể hiện cấu trúc khối trượt cùng với những mặt và đới yếu đã được xác định, hoặc đang dự kiến; chiều sâu, thế nằm của các tầng chứa nước và mực nước của chúng. Địa hình mặt đất trên mặt cắt phải được thể hiện đủ mọi chi tiết, đặc biệt là những chỗ mặt trượt xuất lộ ở đỉnh trượt và chân trượt.
- Các số liệu kiểm toán đáng tin cậy đặc trưng cho độ chặt của đất đá cấu tạo nên khối trượt; sức chống cắt của đất đá ở ngay tại các mặt, đới yếu đã xác định được hay đang dự kiến; trị số gradien áp lực của nước dưới đất.
- Các số liệu về những thời điểm đặc trưng về động lực phát triển và chế độ tồn tại của khối trượt – những thời điểm hình thành dần tình thế bất lợi nhất đối với sự ổn định trượt.
- Phương pháp kiểm toán được sử dụng cho những điều kiện địa chất cụ thể của khu trượt.
Đánh giá độ ổn định trượt theo địa chất cơng trình cần xét tới nhiều yếu tố tự nhiên và nhân tạo cùng các hiện tượng kèm theo. Nghiên cứu tương quan giữa các ứng lực đang tác dụng và quyết định trạng thái cân bằng của khối trượt – cho phép ta
đề xuất nên áp dụng những biện pháp cơng trình nào để giảm tác dụng của ứng lực gây dịch chuyển và tăng tác dụng của lực giữ [5].
2.6. Các phương pháp kiểm toán độ ổn định trượt
Nhiệm vụ đánh giá ổn định trượt là xác định độ ổn định, mức độ đe doạ của các dịch chuyển trượt đối với các cơng trình hiện có và mức độ bảo tồn địa hình, cũng như xác định phương hướng các biện pháp cơng trình để ngăn ngừa tác động phá hoại của trượt. Đề xuất nhiệm vụ đánh giá dộ ổn định của sườn dốc có nghĩa là dự báo khả năng thành tạo trượt, luận chứng độ dốc của mái và sự cần thiết phải thi công các biện pháp khác nhằm đảm bảo độ ổn định của nó.
Do cấu trúc của các khối trượt, nguyên nhân thành tạo của chúng và những điều kiện hỗ trợ cho chúng phát triển rất đa dạng nên các phương pháp kiểm toán độ ổn định trượt cũng khác nhau.Việc lựa chọn các phương pháp đó do các yếu tố sau quyết định: 1) cấu trúc khối trượt, hình dạng mặt trượt đã được phát hiện được, hoặc đang dự kiến, có nghĩa là sơ đồ kiểm toán đã được xác định; 2) khả năng xét tới toàn bộ tác động của các lực quyết định mức độ ổn định trượt: trạng thái cân bằng của các khối đất đá tạo nên khối trượt, tải trọng thường xuyên, hoặc tạm thời, áp lực thuỷ động, sự đẩy nổi thuỷ tĩnh , gia tốc rơi tự do khi có pha dao động địa chấn...; 3) mức độ thuận lợi trong sử dụng thực tiễn, với số lượng các phép tính, các biểu đồ ít nhất, khả năng dùng máy tính, biểu bảng...
Để kiểm tốn độ ổn định trượt, thường người ta dùng hai phương pháp cơ bản: 1) Phương pháp kiểm toán độ ổn định của những khối trượt có mặt trượt nằm nghiêng; 2) Phương pháp kiểm tốn dộ ổn định của những khối trượt có mặt trượt lõm ( cung trịn hình trụ) [5].
2.6.1. Phương pháp kiểm toán độ ổn định của các khối trượt có mặt trượt nằm nghiêng nghiêng
Phương pháp này kiểm toán độ ổn định của các khối trượt kiến trúc theo bề mặt có sẵn. Khối trượt kiểu này có mặt trượt phẳng, bậc thang – phẳng, hoặc nằm nghiêng hơi gợn sóng. Sơ đồ kiểm tốn ví dụ của những khối trượt đó được minh họa ở hình 2.5.
Điều kiện cân bằng của khối trượt dọc theo mặt trượt I-I sẽ được xác định theo phương trình:
T = Ntg + CL trong đó:
T: thành phần của trọng lực P ( trọng lượng chung P của đất đá cấu tạo nên khối trượt), có khuynh hướng làm dịch chuyển khối trượt, T=Psin;
N: thành phần trọng lực P có khuynh hướng giữ cho khối trượt ở trạng thái cân bằng, N=Pcos;
tg =f: hệ số ma sát trong dùng cho kiểm toán của đất đá tạo nên mặt trượt, hoặc đới kế cận mặt trượt đó;
C: lực dính dùng cho kiểm toán của đất đá tạo nên mặt trượt, hoặc đới kế cận mặt trượt đó;
L: chiều dài của mặt trượt I-I; : góc nghiêng của mặt trượt.
a
b
Hình 2.5. Sơ đồ kiểm tốn ví dụ của khối trượt có mặt trượt nằm nghiêng
a- Mặt cắt địa chất kiểm toán; b – mặt bằng khu trượt
Thường không tiến hành kiểm tốn cho tồn bộ khối trượt mà chỉ cho một khối đất đá có chiều rộng 1m, được tách ra theo mặt cắt kiểm toán. Khi đã xác định được
I I T P N 1m (2.9)
diện tích S(m2) theo mặt cắt địa chất và thể tích V(m3) của khối đất đá được tách ra, ta xác định được trọng lượng P của nó: P=V.
( - khối lượng thể tích dùng cho kiểm tốn đất đá tạo nên khối trượt).
Sau đó tính các đại lượng thành phần lực T và N, rồi lập phương trình cân bằng, xác định hệ số ổn định của khối trượt
N tg + CL T
Nếu khối trượt nằm trong cân bằng giới hạn, hệ số ổn định bằng 1. Nếu lực giữ vượt quá lực cắt, khối trượt sẽ có dự trữ ổn định và hệ số ổn định trong trường hợp này sẽ lớn hơn 1.
Việc kiểm toán độ ổn định của khối trượt sẽ phức tạp, nếu mặt trượt có độ nghiêng khơng đồng đều, có nghĩa là dạng bậc thang-phẳng. Dạng mặt trượt này phát sinh trong những trường hợp mà một phần của mặt trượt cắt theo mặt phân lớp, cịn phần khác thì đi theo mặt khe nứt hoặc mặt tiếp xúc lớp phủ. Trong đá cứng và một số loại đá nửa cứng, mặt trượt thường cắt toàn bộ theo mặt khe nứt hay mặt tiếp xúc( mặt này chia tách khối trượt khỏi sườn của đá gốc). Sơ đồ kiểm tốn ví dụ của những khối trượt như vậy được biểu thị ở hình 2.6.
Hình 2.6. Sơ đồ kiểm tốn ví dụ của một khối trượt có mặt trượt nghiêng khơng đồng nhất ( bậc thang phẳng). = 2 1 3 4 5 6 7 8 9 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 (2.10)
Khi độ nghiêng của mặt trượt I-I không đều, ta chia khối đất đá trượt đã được tách ra ở mặt cắt địa chất thành nhiều khối nhỏ 1,2,3,...,i sao cho trong phạm vi một khối nhỏ đó, độ nghiêng của mặt trượt là đồng nhất. Sau đó, ta xác định trọng lượng của từng khối P1, P2,P3...,Pi và tính tốn giá trị mỗi thành phần:
N=f(P1cos1+ P2cos2+ P3cos3+...+ Picosi); T= P1sin1+ P2sin2+ P3sin3+...+ Pisini;
Từ đó tính hệ số ổn định của khối trượt được tính gần đúng f Ni + CL
Ti
Nếu như phần dưới của khối trượt bị chìm ngập và chịu tác động của lực đẩy nổi thủy tĩnh, khi xác định trọng lượng các khối đất đá tương ứng ở dưới nước, cần thay bằng ’, trong đó ’= (r – 1)(1-n).
Nếu khối truợt bị tác động của áp lực thuỷ động do dịng thấm thì độ ổn định của nó cịn thấp hơn nữa. Tổng thành phần trọng lực được tăng thêm đại lượng áp lực thủy động. Lực thấm trong trường hợp này phân bố vng góc với mặt trượt trong phạm vi khối kiểm toán và sẽ làm giảm tương ứng áp lực pháp tuyến. Trong phương trình xác định hệ số ổn định của khối trượt, thành phần pháp tuyến được viết dưới dạng có xét đến lực thuỷ động. Lực thuỷ động là:
ai cos i trong đó:
n - mật độ của nước;
hi - cột nước tác dụng trong phạm vi khối kiểm toán; i - diện tích đáy khối kiểm tốn, bằng ai/cos i;
Hi – cột nước trung bình trong phạm vi khối kiểm tốn, được tính từ mặt đường thẳng nằm ngang tuỳ ý A-A;
Yi - tung độ trung bình của đường cong trượt trong phạm vi khối kiểm tốn, được tính từ mặt A-A;
ai - chiều rộng của khối; =
Dtđ = nhii = n (Hi - Yi)
(2.13) (2.11) (2.12)
i - góc nghiêng của tiếp tuyến với mặt trượt ở trung điểm cạnh đáy của khối kiểm toán.
Từ đó, hệ số ổn định của khối trượt có xét tới áp lực thuỷ động : f (Ni – Dtđ i ) + CL
Ti
Hình 2.7. Sơ đồ kiểm tốn đại lượng áp lực thuỷ động tác dụng lên khối trượt (theo G.N. Fixenko) (theo G.N. Fixenko)
ở những vùng địa chấn, khi kiểm toán độ ổn định trượt cần xét tới mức độ địa chấn. Người ta thường coi tác động của các lực địa chấn sẽ xảy ra theo phương bất lợi