Đất sụt là hiện tượng mất ổn định của khối đất đá trên sườn dốc, trượt xuống theo một mặt phá hoại nào đó. Căn cứ vào một số đặc điểm của khối trượt, người ta chia ra các dạng: trượt cổ, trượt sâu, trượt nông, trượt theo mặt đá gốc, trượt dòng. Các loại sụt trượt sâu ít phổ biến nhưng rất nguy hiểm, có thể phát hiện được qua tính toán hoặc qua quan sát các dấu hiệu trên sườn dốc như hiện tượng cây cối bị đổ nghiêng, hoặc trên mặt đất xuất hiện vết nứt. Khi trượt, toàn bộ khối đất đá cùng di chuyển một lúc, đất đá trong khối sụt ít bị xáo trộn, khối lượng đất sụt thường rất lớn, tốc độ trượt nhanh nên sức công phá rất mạnh, có khi làm mất đi hoặc xê dịch cả một đoạn nền đường dài hàng trăm mét. Hiện tượng đất sụt trượt xảy ra rất phổ biến trên các tuyến đường miền núi nước ta. Khi đất sụt thường gây chấn động mạnh làm cho khối đất đá xung quanh bị biến dạng, khối lượng sụt loại này cũng khá lớn, tuy khối lượng so với loại trượt sâu có ít hơn nhưng lại xảy ra nhiều hơn nên tác hại của nó cũng rất nguy hiểm, có thể làm tắc đường dài ngày hơn, việc xử lý có khi còn tốn kém và khó khăn hơn.
Khi vạch tuyến, nên tận lượng đi tránh khu vực có đất sụt, đặc biệt là không cho tuyến đi qua khu vực có đất sụt lớn. Khi thiết kế tuyến qua vùng đất sụt cổ đã ổn định, không nên đi nền đào sâu làm thay đổi tính ổn định của nó. Việc xử lý đất sụt nên đảm bảo các yêu cầu sau:
1) Nên xử lý sớm và triệt để tận gốc, không để hậu quả về sau đối với đất sụt có phạm vi sụt trượt tương đối nhỏ, việc điều tra, thiết kế và thi công tương đối đơn giản.
2) Khi phạm vi đất sụt tương đối lớn, tính chất tương đối phức tạp, nếu không thể gây hậu quả nghiêm trọng mang tính tai hoạ, nên xem xét qui hoạch toàn diện, phân kỳ xử lý và làm tốt việc kiểm tra đo đạc khối đất trượt và hiệu qủa công trình.
3) Đối với các trường hợp sườn dốc bị đào hẫng hoặc bị xói ở chân dốc, nên căn cứ vào điều kiện cụ thể để chọn biện pháp xử lý tổng hợp. Có thể xây dựng tường chắn hoặc kết hợp giữa biện pháp bạt dốc, giảm trọng lượng khối trượt và xây tường chắn.
4) Khi vùng đất sụt có nước ngầm hoạt động, nên dùng biện pháp cắt thoát nước hoặc hạ thấp mực nước ngầm là chính, tường chắn là phụ để có thể nâng cao cường độ chống cắt của đất sụt.
5) Đối với trường hợp đất sụt loại lớn hoặc khu vực có đất sụt liên tục phát triển trên một đoạn dài, nên cho tuyến đi tránh là chính. Đối với đất sụt loại lớn mới
Nđs.291 phát sinh trong thời kỳ thi công hoặc trong thời kỳ khai thác đường, hoặc là đối với khu vực liên tục xảy ra đất sụt loại trung bình, nên đề xuất phương án đi tránh và các phương án xử lý để lựa chọn.
6) Với loại đất sụt có tính cấp bách, có thể gây tai hoạ, nên dùng các biện pháp khắc phục nhanh chóng và hiệu qủa.
6.1. Phân tích tính ổn định đất sụt
6.1.1. Phân tích tính ổn định của đất sụt
Có nhiều yếu tố gây ra hiện tượng đất sụt. Trong đó, các yếu tố khách quan như: điều kiện địa hình, địa mạo, điều kiện khí hậu thời tiết và các điều kiện địa chất công trình. Tuy nhiên, các yếu tố tác động trực tiếp dẫn đến sự mất cân bằng và di chuyển của khối đất sụt lại thường do sự hoạt động của nước và tác động của con người.
Sự hoạt động của nước mặt, nước mưa và nước ngầm, gây ra xói lở các bờ sông, suối, chân dốc, bào xói mặt đất, dẫn đến hiện tượng sụt trượt lớn. Mật độ phân bố dòng chảy ở nước ta khá lớn, vùng Đông Bắc và Tây Bắc là 0,6 0,75 km/km2, vùng đông bắc Trường Sơn là 0,45 0,6 km/km2, độ dốc dòng chảy lại lớn (khoảng từ 0,05 0,25), do đó, vào mùa mưa lũ thường gây ra sự xói mòn đất đá mãnh liệt ở các bờ sông, suối và sườn núi, hiện tượng đất sụt thường xuyên xảy ra trên các đoạn nền đào tuyến đường sắt Yên Bái - Lào Cai bên tả ngạn sông Hồng (đoạn km 299), trượt cổ ở Km 2 đường 10 gần thị xã Lào Cai, trượt ở Km 266 đường 42 Điện Biên - Tuần Giáo, sụt trượt lớn ở đường sắt và đường bộ đèo Hải Vân mùa mưa năm 1999 v.v…
Nước ngầm làm tăng trọng lượng khối trượt, làm giảm cường độ chống cắt của đất và có thể gây ra áp lực thuỷ động hoặc xói ngầm, những yếu tố này góp phần làm tăng mô men trượt và làm thay đổi điều kiện cân bằng giới hạn của khối trượt.
Khi lực gây trượt của mỗi bộ phận đất đá trên sườn dốc vượt quá lực chống trượt thì sẽ có chuyển vị và bắt đầu hình thành đất sụt. Nếu lực ngoài tác động trong thời gian ngắn, không liên tục thì trong khối trượt sẽ có sự phân bố lại ứng suất, nếu ứng suất này nhỏ hơn cường độ lâu dài lớn nhất của đất sụt thì biến dạng của khối sụt rất nhanh ổn định lại, nếu không thì khối đất sẽ phát sinh di động. Khi lực đẩy trượt lớn hơn lực chống trượt, khối đất đá sẽ bị trượt xuống.
Quá trình phát triển của đất sụt tương đối phức tạp, nói chung, có thể phân thành giai đoạn chuyển động, giai đoạn nén chặt, giai đoạn trượt, giai đoạn tăng trượt và giai đoạn cố kết (tương ứng với giai đoạn ổn định). Đặc điểm bên ngoài nói chung là xuất hiện vết nứt ở mép sau dốc trượt. Mặt trượt thường có quan hệ với mặt lớp đất yếu trong tầng đất tự nhiên, đường thấm xuống của nước mặt và tầng hoạt động của nước ngầm. Mặt trượt thường có dạng gãy khúc, chỉ trong trường hợp đất sụt là loại tương đối đồng nhất thì mặt trượt mới có dạng mặt trụ tròn.
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến mức độ ổn định của đất sụt: Lượng mưa tích luỹ, cường độ mưa, sự thay đổi của cường độ chống cắt theo thời gian và tốc độ chuyển vị của khối trượt. Để đánh giá mức độ ổn định của đất sụt, đầu tiên phải xác định vị trí mặt trượt và chỉ tiêu cường độ chống cắt phù hợp với thực tế, sau đó căn cứ vào kết quả tính toán lực đẩy trượt để phán đoán mức độ ổn định.
Nđs.292
6.1.2. Tính lực đẩy trượt
Việc tính toán lực đẩy trượt được tiến hành trên cơ sở khi đã biết vị trí, hình dạng mặt trượt và chỉ tiêu cường độ chống cắt của đất. Lực đẩy trượt được tính theo phương pháp hệ số truyền và dựa trên các giả thiết sau:
- Khối trượt là một khối thống nhất, trượt cả khối trên mặt trượt có dạng gãy khúc là mặt tiếp xúc với lớp đất đá thiên nhiên.
- Mọi điểm trên mặt trượt đều đạt tới trạng thái ứng suất tới hạn, không xét ứng suất cục bộ phát sinh trong khối trượt.
- Giữa các mảnh chỉ truyền lực đẩy, không truyền lực kéo.
Khi tính toán, ta phân khối trượt làm nhiều mảnh bởi các đường thẳng đứng qua các điểm gãy khúc của mặt trượt. Lực đẩy Ei được biểu thị bằng lực tập trung, đi qua trọng tâm mảnh i và song song với mặt trượt mảnh i (hình 6-1).
Hình 6-1. Phương pháp hệ số truyền.
Như vậy, hệ lực cơ bản tác dụng trên mảnh thứ i gồm: Trọng lượng mảnh Wi(nếu trên đất sụt có tải trọng phụ thì cũng tính vào Wi); lực đẩy trượt Ei-1 của mảnh trên nó; Lực dính Cili (với Ci là lực dính đơn vị , li là chiều dài mặt trượt mảnh i); Phản lực Si có hướng lệch với đường vuông góc của mặt trượt một góc i với i
là góc ma sát trong của đất trượt. Trong đó: ; cos 1 2 i i i i i R tg R S
Chiếu các lực lên mặt phẳng vuông góc với mặt trượt và viết phương trình cân bằng lực, ta có:
Ri = Wicosi + Ei-1 sin (i-1-i)
Tương tự như vậy, khi chiếu các lực tác dụng lên mặt trượt mảnh i, viết phương trình cân bằng lực ta được:
Nđs.293 Ei = Wisini + Ei-1 cos (i-1-i) - Ritgi - Cili
= Wisini- Wicositgi - Cili + Ei-1i; (6-1) Trong đó:
i gọi là hệ số truyền, tức là lực đẩy Ei-1 của mảnh trước, thông qua hệ số này, chuyển đổi thành một bộ phận của lực đẩy Ei của mảnh sau:
i = cos (i-1-i) - sin (i-1-i) tgi
Khi Ei > 0 biểu thị mảnh i có lực đẩy truyền cho mảnh sau, nếu Ei 0 thì mảnh i ở trạng thái ổn định và không thể đẩy truyền cho mảnh sau.
Trong tính toán, để đảm bảo khối trượt có lượng dự trữ an toàn nhất định, thường dùng hệ số an toàn K >1 để tăng lực trượt, tức là dùng K.Wi. sini để tính Ei. Lực đẩy trượt khi đó được gọi là lực đẩy tính toán, ta có:
Ei = K.Wisini- Wicositgi- Cili + Ei-1i; (6-2) Khi mặt trượt có dốc ngược, thành phần Wisini là lực chống trượt nên trong công thức (6-2), Wisini không nhân với hệ số an toàn K. Tính Ei của từng mảnh từ trên xuống. Nếu E cuối có giá trị âm hoặc bằng 0 thì sườn dốc ổn định, nếu E cuối > 0 thì sườn dốc có khả năng bị trượt, phải tìm biện pháp tăng ổn định của dốc trượt.
Trong tính toán, dùng dung trọng đất khi bất lợi nhất vào mùa mưa, tuỳ trường hợp cụ thể, có thể xét ảnh hưởng của áp lực thuỷ động hoặc lực đẩy nổi do hoạt động của nước mặt, nước ngầm. ở khu vực có động đất mạnh, nên xét cả ảnh hưởng của lực địa chấn tác dụng theo phương nằm ngang tại trọng tâm mỗi mảnh.
Phương pháp hệ số truyền chỉ xem xét cân bằng lực mà không xem xét về cân bằng mô men, tuy có sai số, nhưng việc tính toán đơn giản nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi.
Hình 6-2.
Ví dụ 6-1: Đất móng của nền đường có mặt cắt như hình 6-2: Giả sử mặt trượt là mặt tầng đá gốc có dạng gãy khúc như hình vẽ, trọng lượng của từng mảnh và các
Nđs.294
thông số tính toán như trong bảng 6-1, trong đó Wi bao gồm cả tải trọng của đoàn tàu và kết cấu tầng trên. Tính lực đẩy trượt và phán đoán tính ổn định của nền đường.
Giải:
Theo công thức 6-1, tính lực đẩy trượt '
i
E ở trạng thái giới hạn khi K=1. Theo công thức 6-2, tính lực đẩy trượt tính toán Ei khi K = 1,25. Căn cứ vào kết quả tính toán, vẽ đường cong lực đẩy (hình 6-2).
Kết quả tính toán trong bảng 6-1.
Theo kết quả tính toán ta có: E1-3 = 824,3 KN > E3 = 428,9 KN, vì vậy sẽ có khả năng phát sinh mặt trượt phụ 1-3 (đường nét đứt trên hình 6-2).
Ta thấy rằng khối trượt này có lượng dự trữ an toàn nhất định (vì ' 4
E =-142,3KN) nhưng chưa thoả mãn hệ số an toàn thiết kế (K = 1,25) tức E4=265,1KN, 142,3KN) nhưng chưa thoả mãn hệ số an toàn thiết kế (K = 1,25) tức E4=265,1KN, do vậy nền đường có thể không ổn định, phải áp dụng biện pháp làm tăng thêm ổn định của nền đường. Cần chú ý, khi tính lực đẩy Ei, nếu có vết nứt xuất hiện thì có thể lấy lực dính trên mặt trượt đó bằng không.
6.2. Xác định chỉ tiêu tính toán khi phân tích ổn định đất sụt
Khi phân tích ổn định đất sụt, ngoài việc cần biết vị trí mặt trượt, còn phải biết dung trọng đất trượt , chỉ tiêu cường độ chống cắt C, và hệ số ổn định yêu cầu K. Dung trọng đất được xác định bằng thí nghiệm, còn các chỉ tiêu cường độ C, và hệ số ổn định K sẽ được xác định như sau:
Bảng tính lực đẩy trượt E'ivà Ei Bảng 6-1 Wi (kN) i Ci kPa li m Cili i tgi Ni= Wicosi Nitgi Ti= Wisini K.Ti i-1-i M ảnh 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 1500 400 0 15 0 150 0,268 1149,1 308,0 964,2 1205,2 - 2 2600 200 5,0 15 75 150 0,268 2443,2 654,8 889,3 1111,6 200 3 1600 -50 5,0 10 50 150 0,268 1593,9 427,2 -139,4 - 250 4 2000 100 5,0 17 85 150 0,268 1969,6 527,9 347,3 434,1 -150 1-3 3600 150 5,0 24 120 230 0,424 3477,3 1474,4 931,7 1164,7 250 M ản
h i=Cos(i-1-i)- sin(i- 1-i)tgi i. Ei-1 (kN) ' i E (kN) i . Ei-1 (kN) Ei (kN)
Nđs.295 13 14 =1 3x 15 15 =1 0+ 14 -9 -5 16 =1 3x 17 17 =1 1+ 16 -9 -5 1 - - 656,2 - 897,2 2 0,848 556,5 716,0 760,8 1142,6 3 0,793 567,8 -48,8 906,1 428,9 4 1,035 - -265,6 443,9 265,1 1-3 0,793 520,4 -142,3 711,5 824,3 6.2.1. Xác định chỉ tiêu cường độ chống cắt
Chỉ tiêu cường động chống cắt C, của đất ở mặt trượt có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả kiểm toán ổn định. Trong tính toán, dù chỉ có sự sai sót rất nhỏ khi chọn dùng C, cũng đều dẫn đến sự sai lệch rất lớn, bởi vậy, việc xác định chỉ tiêu này là mấu chốt cho việc tính toán thành công.
Chỉ tiêu cường độ chống cắt của đất ở mặt trượt nói chung có thể xác định thông qua thí nghiệm cắt, căn cứ vào trạng thái hiện tại hoặc trạng thái trước đây của khối trượt để tiến hành tính ngược, tìm C, , sau đó so sánh với các số liệu được tích luỹ bằng kinh nghiệm để chọn chỉ tiêu cần dùng.