Chương 4: Các quá trình và hiện tượng địa chất động lực công trình
4.4. Quá trình tác dụng của trọng lực
Trượt là hiện tượng di chuyển của khối đất đá xuống phía dưới mái dốc (sườn dốc, bờ dốc) theo bề mặt nhất định nào đó dưới tác dụng của trọng lực, áp lực thuỷ động, lực địa chấn hay một số lực khác. Tr−ợt có thể xảy ra trong đá cứng, đá nửa cứng hay
đất dính, đất rời, có thể xẩy ra nhanh hay chậm với quy mô lớn hay nhỏ, do các nguyên nhân tác dụng vào khối tr−ợt khác nhau và ảnh h−ởng của chúng cũng khác nhau.
Trượt xảy ra gây phá huỷ sườn dốc, bờ dốc, làm thay đổi hình dạng địa hình, cản trở, phá huỷ đường giao thông, làm mất ổn định công trình xây dựng, có khi gây sập đổ nhà cửa, ảnh hưởng rất lớn tới hoạt động kinh tế và cuộc sống của con người. Ngoài ra, tr−ợt còn là tiền đề cho các hiện t−ợng địa chất khác phát sinh, phát triển.
Hình 33: Biện pháp xây kè bảo vệ bờ
93 1. Những nguyên nhân làm phát sinh tr−ợt
Tất cả những tác động làm phá huỷ trạng thái cân bằng của mái dốc đều là nguyên nhân gây tr−ợt. Trong thực tế, có rất nhiều nguyên nhân gây tr−ợt.
∗ Tăng cao độ dốc do đào, xói chân mái dốc: Tác động làm tăng cao độ dốc, tức là làm tăng thành phần lực gây tr−ợt và làm giảm hệ số ổn định của khối tr−ợt trên mái dốc. Những tác động này có thể do con người khi xây dựng các công trình như đường giao thông, khai thác mỏ, đập ngăn n−ớc, ….
∗ Độ bền của đất đá giảm do bị biến đổi trạng thái vật lý khi bị ẩm −ớt, phong hoá, phá huỷ kết cấu tự nhiên: Khi độ ẩm của đất đá tăng lên, nhất là đất dính, dẫn tới hai yếu tố thúc đẩy quá trình tr−ợt phát triển:
- Độ ẩm của đất đá tăng làm cho độ bền liên kết kiến trúc bên trong đất đá giảm, kết quả là độ bền kháng cắt của đất đá giảm;
- Quá trình tăng độ ẩm làm cho trọng l−ợng bản thân khối đất đá tăng lên.
Tác dụng của phong hoá, phá huỷ kết cấu tự nhiên nh− đã biết, đều làm giảm độ bền, ổn định của khối đất đá và tr−ợt có thể phát sinh.
∗ Tác dụng của áp lực thuỷ tĩnh, thuỷ động: áp lực thuỷ tĩnh, thuỷ động làm biến
đổi trạng thái ứng suất trong đất đá theo hướng bất lợi cho ổn định mái dốc.
Đất đá ở điều kiện bão hoà nước luôn chịu tác dụng của lực đẩy nổi thủy tĩnh, khối l−ợng thể tích giảm đi. Trong điều kiện đó, đất đá ở chân mái dốc có thể không giữ yên đ−ợc khối đất đá nằm trên và có thể xẩy ra tr−ợt. Ngoài ra, trong đất đá bão hoà nước, ứng suất pháp có hiệu giảm, nghĩa là cường độ chống cắt của đất đá giảm và do đó tr−ợt có thể xẩy ra.
áp lực thuỷ động cũng có ảnh hưởng đáng kể tới quá trình trượt. áp lực thuỷ
động hướng theo chiều dòng thấm thoát ra ở mái dốc, cùng hướng với lực gây trượt làm cho lực gây tr−ợt tác dụng vào khối tr−ợt tăng lên (hình 34). áp lực thuỷ động có giá trị càng lớn khi độ thấm nước của đất đá càng nhỏ.
Khi có áp lực thuỷ động, hệ số ổn định của khối tr−ợt đ−ợc xác định:
Dtd
T L c N f
+
= . + .
η (79) Trong đó: Dtđ - áp lực thuỷ động,
Dt® = (γs -1)(1- n) (80)
Sự có mặt của áp lực thuỷ động hướng xuống phía dưới mái dốc (cùng chiều với lực gây tr−ợt) có thể làm giảm đáng kể hệ số ổn định của khối tr−ợt trên mái dốc.
T N Dt®
α P
Hình 34: Tác dụng của áp lực thuỷ động làm giảm hệ số ổn định mái dốc
α
94
∗ Sự biến đổi trạng thái ứng suất đất đá trong đới hình thành mái dốc: Đất đá
trong điều kiện tự nhiên, luôn tồn tại ở trạng thái ứng suất cân bằng với các lực bên trong của nó. Khi có sự thay đổi lực tác dụng lên đất đá nh− dỡ tải thì ứng suất trong
đất đá bị giảm xuống và phân tán (giải thoát ứng suất). Trong đá cứng và đá nửa cứng, các khe nứt sẵn có mở rộng và xuất hiện các khe nứt giảm tải mới. Càng gần mặt đất các khe nứt này càng nhiều, độ mở khe nứt càng lớn và độ bền kháng cắt của đất đá
càng giảm theo h−ớng phát triển của khe nứt. Chúng phát triển gần song song với mặt mái dốc tạo nên các mặt, đới yếu và hình thành nên các mặt tr−ợt. Đối với đất mềm dính và một phần đá nửa cứng, sự giảm tải thường kèm theo hiện tượng hyđrat hoá làm giảm độ bền của đất đá gây mất ổn định mái dốc.
∗ Do tác dụng của các lực bên ngoài nh− tải trọng công trình, nổ mìn, động đất, ...: Những tác động này đều làm tăng lực gây tr−ợt, giảm η.
Trong thực tế, tr−ợt th−ờng xảy ra không phải chỉ do một nguyên nhân mà do nhiều nguyên nhân tác động đồng thời. Tuỳ từng trường hợp cụ thể mà nguyên nhân này hay nguyên nhân khác đóng vai trò chủ yếu.
2. Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phát sinh, phát triển trượt
- Đặc điểm khí hậu khu vực: Tr−ợt th−ờng xảy ra vào mùa m−a, nhất là thời kỳ mưa nhiều và kéo dài, vì nước mưa không những làm giảm độ bền kháng cắt của đất đá
mà còn làm cho các quá trình và hiện t−ợng địa chất khác phát triển nh− phong hoá, m−ơng xói, xói ngầm, cát chảy, cactơ hoá, ....
- Chế độ thuỷ văn: Chế độ thuỷ văn ở một vùng nào đó không ổn định thường tạo nên những dòng chảy mặt có tốc độ, lưu lượng lớn, gây xâm thực, bào xói chân các mái dốc, thúc đẩy quá trình tr−ợt.
- Địa hình khu vực: Địa hình cao, phân cắt mạnh tạo nên dự trữ thế năng lớn, tăng cường lực gây trượt làm cho trượt dễ phát sinh, phát triển. Ngoài ra, đặc điểm địa hình này còn tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình rửa trôi, bào xói, thoát n−ớc ngầm, ... phát triển, gây mất ổn định mái dốc.
- Cấu trúc địa chất: Đất đá cấu tạo nên mái dốc thường không đồng nhất về thành phần và đặc điểm cấu trúc. Trong chúng có thể hình thành những mặt yếu, đới yếu do
đặc tính phân lớp, uốn nếp hay nứt nẻ, phá huỷ kiến tạo. Các yếu tố này tồn tại trong những điều kiện nhất định đều có thể tạo nên các mặt, đới yếu để hình thành mặt tr−ợt và làm cho tr−ợt xẩy ra.
Hướng cắm tương đối của các lớp đất đá hay mặt đới yếu so với hướng mái dốc
đóng vai trò rất quan trọng đối với sự ổn định của mái dốc. Nếu hướng cắm của các lớp
đất đá thuận chiều với hướng mái dốc và góc dốc lớn thì mái dốc kém ổn định và ngược lại, hướng cắm của các lớp đất đá ngược chiều với hướng mái dốc và góc dốc nhỏ thì mái dốc ổn định.
- Đặc điểm địa chất thuỷ văn: Hoạt động của nước dưới đất làm giảm độ bền kháng cắt, tăng khối l−ợng thể tích của đất đá, tạo ra áp lực thuỷ tĩnh, áp lực thuỷ động.
Những yếu tố đó đều có thể tác động làm mất ổn định mái dốc.
- Sự phát triển của các quá trình và hiện t−ợng địa chất khác: Các quá trình và hiện tượng địa chất khác như phong hoá, xói ngầm, cát chảy, mương xói, lũ bùn đá, ...
phát triển làm giảm độ bền của đất đá, thúc đẩy hình thành mặt, đới yếu, tăng cường lực gây tr−ợt, tạo điều kiện thuận lợi cho tr−ợt xẩy ra.
95
- Đặc điểm tính chất cơ lý của đất đá: Đất đá ở mái dốc có cường độ chống cắt càng cao, độ ổn định càng lớn thì mái dốc càng khó xẩy ra tr−ợt, ngoài ra còn phải kể
đến đặc điểm thành phần hạt, trạng thái vật lý, độ tan rã, độ trương nở, độ háo nước, độ hoá mềm của đất đá cũng có ảnh hưởng tới sự ổn định của mái dốc.
- Hoạt động kinh tế của con người: Hoạt động của con người như cắt xén sườn dốc, thay đổi chế độ dòng mặt, tạo ra dòng chảy mặt và ngầm, thi công mái dốc có góc dốc, chiều cao lớn, ... đều làm tăng khả năng phát sinh tr−ợt.
3. Cơ chế của quá trình tr−ợt
Tr−ợt có thể xẩy ra trong các loại đất đá khác nhau với những cơ chế khác nhau.
Theo đặc điểm dịch chuyển của quá trình dịch chuyển, có thể phân biệt: Tr−ợt cắt, tr−ợt dẻo và tr−ợt hỗn hợp.
1- Trượt cắt là dạng trượt mà những khối đất đá dịch chuyển xuống phía dưới sườn dốc theo một hay nhiều mặt, đới yếu, do độ bền chống cắt của đất đá ở vị trí mặt,
đới yếu không thắng đ−ợc lực gây tr−ợt.
Đặc điểm cơ bản của tr−ợt cắt là sự dịch chuyển các khối tr−ợt hay giữa các phần của khối trượt theo cỏc mặt, đới yếu mang tớnh dứt khoỏt, rừ ràng, sự di chuyển thường xẩy ra nhanh, mang tính đột ngột, có thể xác định đ−ợc chính xác vị trí mặt tr−ợt.
Trượt cắt thường xảy ra trong đá cứng, đá nửa cứng, theo các bề mặt phân lớp hay theo các khe nứt trong đá.
2- Trượt dẻo là dạng trượt mà sự di chuyển của đất đá xuống dưới sườn dốc dưới dạng chảy giống như một chất lỏng nhớt. Sự chảy nhớt của đất đá bị trượt thường không đồng nhất và có tính chất tương tự như chảy rối trong chất lỏng. Các hạt đất đá
cấu tạo nên thân tr−ợt ngoài h−ớng dịch chuyển chủ yếu (theo h−ớng mái dốc) còn có thể bị dịch chuyển ngang. Các mặt, đới tr−ợt bên trong khối đất đá dịch chuyển rất khó nhận biết, phân biệt. Chúng chỉ đ−ợc phân biệt nhờ sự khác nhau về tốc độ dịch chuyển giữa các phần khối tr−ợt. Đó là những đặc điểm cơ bản của tr−ợt dẻo.
Trượt dẻo thường xảy ra trong đất dính hay đới đất đá vỡ vụn. Trong thực tế, trượt dẻo th−ờng ít phổ biến hơn so với tr−ợt cắt.
3- Tr−ợt hỗn hợp là dạng tr−ợt vừa mang đặc tr−ng của tr−ợt cắt vừa mang đặc tr−ng của tr−ợt dẻo trong quá xảy ra trình tr−ợt. Cơ chế tr−ợt này xảy ra trong tr−ờng hợp khối đất đá sau khi bị trượt cắt, bị vụn nát và tiếp tục dịch chuyển xuống phía dưới nh− mét chÊt láng nhít.
4. Phương pháp đánh giá ổn định mái dốc
Để đánh giá ổn định của mái dốc, có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, tuỳ theo các tr−ờng hợp cụ thể.
a. Phương pháp đánh giá định tính
Phương pháp đánh giá định tính dựa vào việc phân tích các đặc điểm địa mạo, cấu trúc địa chất, đặc điểm thạch học, địa chất thuỷ văn, ... để đánh giá khả năng xảy ra trượt, quy mô trượt. Phương pháp này không cho kết luận chính xác để dự báo trượt mà chỉ là cơ sở để đánh giá định l−ợng.
Thực chất của phương pháp này là dùng các số liệu kinh nghiệm đã thống kê được khi thiết kế bờ dốc, hay dựa vào các sườn dốc tồn tại trong khu vực đã được nghiên cứu kỹ để thiết kế hay so sánh, đánh giá ổn định sườn dốc, bờ dốc khác có điều kiện địa chất công trình t−ơng tự.
96 b. Phương pháp xác định hệ số ổn định
Đây là phương pháp tính toán định lượng cho phép đánh giá tương đối chính xác khả năng ổn định của mái dốc. Việc xác định chính xác hệ số ổn định η, trước hết phụ thuộc vào việc chọn sơ đồ kiểm toán đúng hay không, vì khối tr−ợt đ−ợc hình thành có cấu trúc và cơ chế tr−ợt khác nhau.
∗ Kiểm toán ổn định khối tr−ợt có mặt tr−ợt nằm nghiêng
- Sơ đồ mặt trượt phẳng nghiêng: Trường hợp trượt theo mặt phẳng thường phát sinh trong đá cứng theo mặt phân lớp hay đới yếu (hình 35).
Lực gây tr−ợt: Thành phần song song với mặt tr−ợt của trọng lực P,
T = P.sinα (81) Lực chống tr−ợt: Độ bền kháng cắt của đất đá trên mặt tr−ợt,
T' = N.tgϕ + c.l.b (82) Trong đó: P - trọng l−ợng khối tr−ợt;
N- thành phần vuông góc với mặt tr−ợt của P, N = P.cosα;
α- góc nghiêng mặt tr−ợt;
c- lực dính kết của đất đá;
l và b- chiều dài và chiều rộng mặt tr−ợt;
Hệ số ổn định của khối tr−ợt đ−ợc xác định:
α ϕ η α
sin .
. . .
cos
' .
P
b l c tg P
T
T +
=
= (83) Để tính hệ số ổn định η, cần chia khối tr−ợt thành nhiều phần nhỏ (chiều rộng 1- 2m) theo phương thẳng đứng để tính trọng lượng khối trượt P chính xác.
∑
∑
−
=
+
= n
i i n
i i
P b l c P tg
1 1
. sin
. . .
. cos
α ϕ α
η 84) - Sơ đồ mặt trượt bậc thang: Mặt trượt bậc thang thường phát sinh trong trường hợp khối tr−ợt vừa cắt theo mặt phân lớp, vừa cắt theo mặt khe nứt trong đá cứng và đá
nửa cứng có dạng nh− hình bậc thang (hình 36).
Để tính toán hệ số ổn định, có thể chia khối tr−ợt thành 1, 2, 3, ..., n khối nhỏ sao cho trong mỗi khối, độ nghiêng của mặt tr−ợt đồng nhất. Tính các thành phần lực tương tự như trên, ta có hệ số ổn định:
Hình 35: Sơ đồ kiểm toán mái dốc có mặt tr−ợt phẳng nghiêng
T N
I α
α
T’
P
97
∑
∑
∑
=
=
=
+
= n
i
i i
n
i i n
i
i i
P
l b c P
tg
1
1 1
sin . . cos .
α α ϕ
η (85)
∗ Kiểm toán ổn định khối tr−ợt có mặt tr−ợt quy −ớc cung tròn hình trụ: Trong đất dớnh, mặt trượt thường cú dạng cong lừm, vỡ vậy khi kiểm toỏn ổn định khối trượt, giả
thiết mặt tr−ợt có dạng cung tròn hình trụ (hình 37).
Theo ph−ơng pháp này, vẽ một loạt cung tr−ợt có bán kính R khác nhau qua chân tr−ợt (khe nứt chân tr−ợt) và đỉnh tr−ợt (khe nứt đỉnh tr−ợt), sau đó tính hệ số ổn định của khối trượt tương ứng với mỗi cung trượt, từ đó xác định được hệ số ổn định nhỏ nhất ứng với cung tr−ợt nguy hiểm nhất.
Khi tính hệ số ổn định của khối tr−ợt theo mỗi cung tr−ợt, cần phải chia nhỏ khối tr−ợt thành các lăng thể phân tố, mỗi lăng thể phân tố có chiều rộng khoảng 0,1R và xác định các thành phần lực tác dụng vào từng lăng thể phân tố. Hệ số ổn định của cả
khối trượt được xác định tương tự như trường hợp sơ đồ mặt trượt bậc thang.
5. Các biện pháp phòng chống tr−ợt
Để giữ ổn định mái dốc, khi thực hiện các biện pháp phòng chống tr−ợt, cần chú ý các nguyên tắc cơ bản sau:
- Biện pháp phòng chống tr−ợt phải xuất phát từ nguyên nhân gây ra tr−ợt và các yếu tố ảnh h−ởng chủ yếu tới quá trình phát triển tr−ợt;
- Phải xác định đ−ợc đặc điểm bên ngoài, cấu trúc khối tr−ợt, vị trí, hình dạng, thế nằm mặt tr−ợt, điều kiện địa chất công trình của khối tr−ợt và quan hệ với đất đá xung
P8
α6
P2
α2 α
Hình 36: Sơ đồ kiểm toán ổn định mái dốc có mặt tr−ợt bậc thang α3
α4α5
α7 α8
P3
P6 P4
P5
α9
O
P4
R P3 α4 P2 α3
P1 α2
Hình 37: Sơ đồ kiểm toán ổn định mái dốc có mặt tr−ợt cung tròn hình trụ α1
α
98
quanh. Trên cơ sở đó, bố trí các công trình phòng chống tr−ợt thích hợp;
- Sử dụng đồng thời nhiều giải pháp phòng chống tr−ợt, sau khi đã luận chứng khả
năng kỹ thuật và kinh tế để chọn giải pháp hợp lý.
D−ới đây là các giải pháp phòng chống tr−ợt th−ờng đ−ợc áp dụng.
∗ Điều tiết dòng mặt: Điều tiết dòng mặt nhằm giảm hay loại trừ quá trình làm −ớt
đất đá trên khu vực sườn, bờ dốc. Để điều tiết dòng mặt, có thể tiến hành bằng cách san phẳng bề mặt khối tr−ợt và vùng xung quanh, làm hệ thống dẫn, thoát n−ớc mặt không cho chảy vào khối tr−ợt.
∗ Tháo khô đất đá bị sũng nước: Trượt khó có thể phát sinh nếu không có sự tham gia của nước dưới đất, cho nên đây là biện pháp được xem là bắt buộc trong tổ hợp các biện pháp thực hiện để phòng chống tr−ợt.
Theo giải pháp này, cần dẫn nước dưới đất ra khỏi phạm vi khối trượt hoặc hạ thấp mực n−ớc hay mực áp lực trong khối tr−ợt và vùng xung quanh khối tr−ợt bằng các công trình tiêu thoát nước, nhằm giữ cho đất đá thuộc phạm vi khối trượt, đặc biệt là vị trí mặt trượt không bị sũng nước, giảm độ bền, hạn chế hoặc loại trừ tác dụng của áp lực thuỷ động, thuỷ tĩnh vào khối tr−ợt.
Các công trình thoát n−ớc ngầm th−ờng đ−ợc bố trí ở phía trên, xung quanh khối trượt theo các tuyến có hướng và độ sâu khác nhau tuỳ theo hướng chảy của dòng ngầm (hình 38).
Tuyến thoát nước đỉnh đầu Tuyến thoát nước vòng
Tuyến thoát n−ớc x−ơng cá Tuyến thoát n−ớc ven bờ Hình 38: Phòng chống tr−ợt bằng công trình thoát n−ớc ngầm
∗ Bảo vệ chân mái dốc khỏi bị rửa xói: Các biện pháp bảo vệ chân mái dốc nh−
lấp các rãnh xói, xây lát đá sườn dốc, làm rọ đá, rồng đá, xây kè, tường chắn, trồng cỏ bảo vệ, ... đều có tác dụng hạn chế, chống lại tác dụng phá hoại của dòng mặt, giữ cho khối tr−ợt ổn định.
∗ Gia cố các khối tr−ợt bằng các công trình neo giữ, chắn đỡ: Các công trình neo giữ, chắn đỡ như tường chắn, bệ phản áp, trụ cọc, chốt chống trượt, cọc neo, ... có tác dụng tăng lực chống tr−ợt (hình 39).
Dòng ngầm Dòng ngầm
Khối tr−ợt Khối tr−ợt
Khối tr−ợt
Khối tr−ợt