4.4.1. Hiện t−ợng tr−ợt
Tr−ợt là hiện t−ợng di chuyển của khối đất đá xuống phía d−ới mái dốc (s−ờn dốc, bờ dốc) theo bề mặt nhất định nào đó d−ới 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. Tr−ợt xảy ra gây phá huỷ s−ờn dốc, bờ dốc, làm thay đổi hình dạng địa hình, cản trở, phá huỷ đ−ờng giao thông, làm mất ổn định công trình xây dựng, có khi gây sập đổ nhà cửa, ảnh h−ởng rất lớn tới hoạt động kinh tế và cuộc sống của con ng−ời. Ngoài ra, tr−ợt còn là tiền đề cho các hiện t−ợng địa chất khác phát sinh, phát triển.
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 ng−ời khi xây dựng các công trình nh− đ−ờng 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 h−ớng bất lợi cho ổn định mái dốc.
Đất đá ở điều kiện bão hoà n−ớc 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 n−ớc, ứng suất pháp có hiệu giảm, nghĩa là c−ờng độ chống cắt của đất đá giảm và do đó tr−ợt có thể xẩy ra.
áp lực thuỷ động cũng có ảnh h−ởng đáng kể tới quá trình tr−ợt. áp lực thuỷ động h−ớng theo chiều dòng thấm thoát ra ở mái dốc, cùng h−ớng với lực gây tr−ợt 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 n−ớc của đất đá càng nhỏ.
Khi có áp lực thuỷ động, hệ số ổn định của khối tr−ợt đ−ợc xác định:
td D T L c N f + + = . . η (79) Trong đó: Dtđ - áp lực thuỷ động, Dtđ = (γs -1)(1- n) (80)
Sự có mặt của áp lực thuỷ động h−ớng xuống phía d−ới 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 Dtđ 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 th−ờng kèm theo hiện t−ợng 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 tr−ờng hợp cụ thể mà nguyên nhân này hay nguyên nhân khác đóng vai trò chủ yếu.
2. Những yếu tố ảnh h−ởng đến quá trình phát sinh, phát triển tr−ợt
- Đặc điểm khí hậu khu vực: Tr−ợt th−ờng xảy ra vào mùa m−a, nhất là thời kỳ m−a nhiều và kéo dài, vì n−ớc m−a 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 th−ờng tạo nên những dòng chảy mặt có tốc độ, l−u l−ợng 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 c−ờng lực gây tr−ợt làm cho tr−ợt 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 th−ờng 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.
H−ớng cắm t−ơng đối của các lớp đất đá hay mặt đới yếu so với h−ớng mái dốc đóng vai trò rất quan trọng đối với sự ổn định của mái dốc. Nếu h−ớng cắm của các lớp đất đá thuận chiều với h−ớng mái dốc và góc dốc lớn thì mái dốc kém ổn định và ng−ợc lại, h−ớng cắm của các lớp đất đá ng−ợc chiều với h−ớng mái dốc và góc dốc nhỏ thì mái dốc ổn định.
- Đặc điểm địa chất thuỷ văn: Hoạt động của n−ớc d−ới 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 t−ợng địa chất khác nh− phong hoá, xói ngầm, cát chảy, m−ơng xói, lũ bùn đá, ... phát triển làm giảm độ bền của đất đá, thúc đẩy hình thành mặt, đới yếu, tăng c−ờng 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 c−ờng 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 tr−ơng nở, độ háo n−ớc, độ hoá mềm của đất đá cũng có ảnh h−ởng tới sự ổn định của mái dốc.
- Hoạt động kinh tế của con ng−ời: Hoạt động của con ng−ời nh− cắt xén s−ờn 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- Tr−ợt cắt là dạng tr−ợt mà những khối đất đá dịch chuyển xuống phía d−ới s−ờn 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 tr−ợt theo các mặt, đới yếu mang tính dứt khoát, rõ ràng, sự di chuyển th−ờng xẩy ra nhanh, mang tính đột ngột, có thể xác định đ−ợc chính xác vị trí mặt tr−ợt. Tr−ợt cắt th−ờng xảy ra trong đá cứng, đá nửa cứng, theo các bề mặt phân lớp hay theo các khe nứt trong đá.
2- Tr−ợt dẻolà dạng tr−ợt mà sự di chuyển của đất đá xuống d−ới s−ờn dốc d−ới dạng chảy giống nh− một chất lỏng nhớt. Sự chảy nhớt của đất đá bị tr−ợt th−ờng không đồng nhất và có tính chất t−ơng tự nh− 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.
Tr−ợt dẻo th−ờng xảy ra trong đất dính hay đới đất đá vỡ vụn. Trong thực tế, tr−ợt 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 tr−ợt cắt, bị vụn nát và tiếp tục dịch chuyển xuống phía d−ới nh− một chất lỏng nhớt.
4. Ph−ơng pháp đánh giá ổn định mái dốc
Để đánh giá ổn định của mái dốc, có thể sử dụng nhiều ph−ơng pháp khác nhau, tuỳ theo các tr−ờng hợp cụ thể.
a. Ph−ơng pháp đánh giá định tính
Ph−ơng 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 tr−ợt, quy mô tr−ợt. Ph−ơng pháp này không cho kết luận chính xác để dự báo tr−ợt mà chỉ là cơ sở để đánh giá định l−ợng.
Thực chất của ph−ơng pháp này là dùng các số liệu kinh nghiệm đã thống kê đ−ợc khi thiết kế bờ dốc, hay dựa vào các s−ờn dốc tồn tại trong khu vực đã đ−ợc nghiên cứu kỹ để thiết kế hay so sánh, đánh giá ổn định s−ờn dốc, bờ dốc khác có điều kiện địa chất công trình t−ơng tự.
96
b. Ph−ơng pháp xác định hệ số ổn định
Đây là ph−ơng pháp tính toán định l−ợng cho phép đánh giá t−ơng đối chính xác khả năng ổn định của mái dốc. Việc xác định chính xác hệ số ổn địnhη, tr−ớc 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 tr−ợt phẳng nghiêng: Tr−ờng hợp tr−ợt theo mặt phẳng th−ờng 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 α η 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 ph−ơng thẳng đứng để tính trọng l−ợng khối tr−ợt 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 tr−ợt bậc thang: Mặt tr−ợt bậc thang th−ờng phát sinh trong tr−ờng 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 t−ơng tự nh− trên, ta có hệ số ổn định:
Hình 35: Sơ đồ kiểm toán mái dốc có mặt tr−ợt phẳng nghiêng N T α I 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 dính, mặt tr−ợt th−ờng có dạng cong lõm, vì vậy khi kiểm toán ổn định khối tr−ợt, 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 tr−ợt t−ơng ứng với mỗi cung tr−ợt, từ đó xác định đ−ợc 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 tr−ợt đ−ợc xác định t−ơng tự nh− tr−ờng hợp sơ đồ mặt tr−ợt bậc thang.
5. Các biện pháp phòng chống tr−ợt
Để giữ ổn định mái dốc, khi thực hiện các biện phápphòng 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
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 s−ờn, 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 n−ớc: Tr−ợt khó có thể phát sinh nếu không có sự tham