Độ ổn định của mái dốc đất

Nội dung chuyên gia lưu trữ và rủi ro nghiêm trọng: bài viết lưu giữ tài liệu lịch sử về độ ổn định của mái dốc, ký hiệu, công thức và sơ đồ từ văn bản gốc. Đây không phải là một dự án nghiên cứu địa kỹ thuật, đào hoặc đắp, tính toán độ ổn định, kế hoạch thoát nước, đánh giá lở đất hoặc hướng dẫn công việc. Độ dốc không ổn định có thể bất ngờ chôn vùi người, nhà cửa, đường sá; các vết nứt, chỗ phình ra, nước đục, sụt lún hoặc dịch chuyển đột ngột phải được coi là lý do để di chuyển khỏi khu vực nguy hiểm và đánh giá chuyên môn khẩn cấp.

Savo Kusić ngày nay tập trung vào cửa sổ gỗ, cửa sổ nhôm-gỗ, cửa sổ tùy chỉnh, cửa ra vào và yêu cầu báo giá. Bài viết này vẫn là một kho lưu trữ kỹ thuật và không đại diện cho việc cung cấp thiết kế địa kỹ thuật, giám sát hoặc thi công công trình đất.

Trong trường hợp các công trình đất được xây dựng như đào, đắp và kênh, các mái dốc cuối cùng đôi khi bị sập. Và con dốc tự nhiên, không có công trình nhân tạo, có thể chuyển động đột ngột với lực lớn hoặc rất chậm. Những hiện tượng này từ lâu đã là chủ đề của các nghiên cứu địa chất và địa cơ học, với mục đích đánh giá tính ổn định từ các đặc tính vật lý của đất và các điều kiện của từng trường hợp riêng lẻ.

Nguyên nhân chuyển động của khối lượng trái đất

Điều kiện ổn định của bất kỳ loại đất nào, dù là đất nhân tạo hay đất tự nhiên, là phải có sự cân bằng giữa ngoại lực và nội trở của đất. Ngoại lực chủ yếu là trọng lượng của đất, thường là ngoại lực duy nhất, tiếp theo là bất kỳ tải trọng bên ngoài nào khác tác dụng lên mái dốc, thường xuyên hoặc chuyển động. Lực cản trong bao gồm lực dính và ma sát trong đất dính và chỉ ma sát trong đất không dính.

Hình. 1. Độ dốc nền đắp đất rời

Nếu quan sát thấy một nền đường có chiều cao h làm bằng đất rời hoàn toàn, ví dụ như cát nén khô, chúng ta sẽ xác định được rằng mái dốc của nền đường đó nghiêng một góc β so với phương ngang (hình 1). Kích thước của góc β phụ thuộc vào một số yếu tố như kích thước hạt, hình dạng hạt và độ nén. Nếu chúng ta tăng chiều cao nền đắp h lên h1, h2, v.v. với cùng một loại vật liệu không liên kết có cùng độ nén thì góc β sẽ không thay đổi, độ dốc của nền đắp sẽ giữ nguyên độ dốc cho đến độ cao không giới hạn h. Đối với đất rời cho trước, góc dốc tự nhiên β không phụ thuộc vào chiều cao mái dốc h. Kích thước của góc β đối với đất không liên kết phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất φ và được coi là nhỏ hơn nó một chút hoặc bằng nó, β ≤ φ.

Hình. 2. Cắt mái dốc trong đất bị ràng buộc

Nếu quan sát vết cắt được thực hiện trên đất liên kết, chúng ta sẽ thấy rằng độ dốc của vết cắt được giữ ở độ dốc mạnh hơn 1:m, tức là ở góc lớn hơn β do nội trở của đất liên kết tăng lên nhờ lực dính, lực dính không tồn tại trong cát khô (hình 2). Ở một số loại đất nhất định, chẳng hạn như đất hoàng thổ khô, lực dính có thể làm tăng nội trở đến mức đất có thể được giữ bằng một mặt cắt thẳng đứng, tức là ở một góc β = 90°. Tuy nhiên, nếu chúng ta tăng chiều cao cắt h trong đất liên kết lên h1, h2, v.v., thì góc nghiêng của độ dốc của vết cắt β phải giảm xuống để duy trì độ dốc ổn định. Đối với mỗi góc dốc β của độ dốc của vết cắt trong đất giới hạn cho trước có một độ cao tới hạn hc. Nếu chúng ta vượt quá độ cao này, độ dốc AB sẽ không được giữ cân bằng và nó sẽ trượt trên mặt trượt CD (hình 3). Trượt xảy ra do sự mất cân bằng giữa ngoại lực, trọng lượng bản thân của khối đất và nội trở không còn đủ để chống lại lực bên ngoài tăng lên, tức là trọng lượng của khối đất tăng lên do độ cao của mái dốc h.

Hình. 3. Sườn dốc trượt trong đất dính

Theo quy định trên, góc dốc tự nhiên của đất không thể được coi là giá trị không đổi đối với loại đất nhất định, vì giá trị của nó trong tất cả các điều kiện khác phụ thuộc vào độ cao của độ dốc và giảm khi độ cao này tăng. Tuy nhiên, nó thường được áp dụng cho các mái dốc có độ cao nhỏ như một giá trị không đổi, phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất φ.

Sự mất cân bằng cũng có thể xảy ra khi không tăng chiều cao cắt h, ví dụ khi nội trở của đất giảm. Các yếu tố nội trở của đất liên kết, lực dính và ma sát, rất khác nhau và phụ thuộc vào lượng nước trong đất. Do đó, trong nhiều trường hợp, nguyên nhân trượt là do đất chứa nước quá bão hòa, có thể lớn đến mức đất không còn khả năng tự chống đỡ dưới bất kỳ độ dốc nào mà trượt do trọng lượng của chính nó.

Sl. 4. Đất trượt do hình thành các mặt trượt

Có nhiều trường hợp đất trượt do giảm điện trở trong, sau đây chúng tôi sẽ đề cập đến một số trường hợp đặc trưng.

Sự hình thành các bề mặt trượt

Nếu có một lớp đất sét không thấm nước trên sườn dốc bên dưới lớp đất thấm nước bề mặt (hình 4a) hoặc nếu có một lớp cát nghiêng trong lớp đất sét (hình 4b), nơi nước trong khí quyển hoặc bề mặt có thể lọt vào (ví dụ từ mương thoát nước bị bỏ quên), thì lở đất có thể xảy ra. Một lượng nước lớn hơn đi qua lớp thấm đến lớp đất sét, khiến nó làm ướt rất nhiều, làm giảm sức cản trên bề mặt, nơi lớp trên trượt đi.

Xáo trộn sự cân bằng do cắt vết cắt

Bằng cách cắt mặt cắt trong quá trình xây dựng đường sắt và đường bộ, trạng thái cân bằng trước đó bị xáo trộn, bởi vì trong mặt cắt đất không được hỗ trợ và có xu hướng di chuyển xuống dưới do trọng lực. Trạng thái cân bằng có thể được duy trì nếu nội trở của đất đủ lớn để chống lại xu hướng này, điều này cũng có thể thực hiện được khi đất cắt bao gồm các lớp nghiêng mạnh về phía vết cắt.

Sl. 5. Trượt địa hình do cắt đất nhiều lớp

Tuy nhiên, nếu cắt xen kẽ các lớp đất không thấm và đất thấm (hình 5) thì có khả năng đất thấm nước bị rửa trôi và làm ướt lớp đất không thấm nước, có thể xảy ra hiện tượng trượt.

Độ không đồng nhất của đất

Gọi là các lớp mỏng vật liệu không thấm nước trong nền đắp làm bằng đất thấm nước. thấu kính bằng đất sét (hình 6), cũng có thể gây trượt nếu một lượng lớn nước chạm tới chúng và tạo thành bề mặt trượt.

Sl. 6. Trường hợp nền đắp bị trượt do thành phần không đồng nhất

Ảnh hưởng của sương giá

Dưới ảnh hưởng của sương giá, nước tích tụ ở lớp bề mặt dưới dạng thấu kính băng. Trong quá trình tan băng, các thấu kính băng biến thành nước, làm bão hòa đất đến độ sâu do sương giá tác động, do đó nó trở thành một khối chất lỏng và mất đi tính ổn định.

Trường hợp này chỉ xảy ra với đất có sương giá nguy hiểm và thời gian sương giá kéo dài hơn, vì cần nhiều thời gian để hình thành thấu kính băng.

Hạ thấp mực nước ngầm

Khi mực nước ngầm bị hạ xuống vĩnh viễn, chẳng hạn như do công việc làm trong lòng đất, đất sẽ bị khô và nếu là đất sét có độ trương nở lớn thì các vết nứt sẽ xuất hiện. Nước bề mặt và khí quyển xâm nhập vào chúng với số lượng lớn hơn, làm ẩm đất và giảm sức cản bên trong của nó, điều này cũng có thể dẫn đến lở đất.

Có nhiều trường hợp trượt địa hình khác nên có thể coi bất kỳ mặt đất cố kết nào, trong những trường hợp nhất định, đều có thể mất đi lực cản bên trong ở mức độ lớn hơn hoặc nhỏ hơn và dưới tác dụng của ngoại lực, sẽ chuyển động.

Đất rời rạc ổn định miễn là góc dốc nhỏ hơn góc ma sát trong của đất. Với loại đất này, trượt chỉ xảy ra khi góc nghiêng lớn hơn góc ma sát trong. Tuy nhiên, nếu nền đắp làm bằng vật liệu rời trên nền đất sét thì đất sét có thể bị trượt và sập nền đắp nên cần phải kiểm tra độ ổn định.

Kiểm tra ổn định của mái dốc đất

Hình dạng của mặt trượt

Điều kiện cân bằng giữa ngoại lực và sức cản bên trong của đất được Coulomb thiết lập bằng phương trình

τ ≤ c + σ tgϕ

trong đó τ là ứng suất cắt của đất, c là lực dính, σ là ứng suất pháp trên mặt trượt, ϕ là góc ma sát trong.

Nếu nội trở, lực dính c và ma sát σ tgϕ của đất không đủ để chống lại ứng suất cắt của đất thì hiện tượng trượt xảy ra trên bề mặt trượt bên trong đất. Có nhiều dạng bề mặt trượt khác nhau, phụ thuộc vào tính chất vật lý của đất, lớp, độ ẩm, tải trọng bên ngoài và các yếu tố khác.

Tùy theo vị trí, người ta phân biệt các trường hợp trượt điển hình sau:

Sl. 7. Những vụ lở đất điển hình

a) Trượt các cạnh thẳng đứng của vết cắt. Trong trường hợp kênh cấp nước, thoát nước, v.v. được đào có cạnh thẳng đứng (hình 7a), nếu vượt quá độ cao tới hạn hc, phụ thuộc vào tính chất vật lý của đất, sẽ xảy ra hiện tượng trượt trên bề mặt ADC. Những vết trượt này thường không dọc theo toàn bộ chiều dài của kênh mà có tính chất cục bộ, điều này được giải thích là do độ bền cắt không đồng đều của đất.

b) Trượt dốc một phần (hình 7b). Những vết trượt này thường xuất hiện vào mùa xuân trên các đoạn đường ray và đường bộ và là kết quả của việc đất quá bão hòa với nước.

c) Trượt dốc (hình 7c). Là sự trượt toàn bộ mái dốc của nền đào hoặc nền đắp đến chân C.

d) Dốc trượt ở chân dốc (hình 7d). Đó là hiện tượng trượt toàn bộ mái dốc của nền đào hoặc nền đắp và lớp đất dưới chân. Sự trượt này còn được gọi là đứt gãy nền đường hoặc đứt gãy Thụy Điển, theo tên người Thụy Điển lần đầu tiên mô tả nó.

Về hình dạng của mặt trượt, chỉ có thể tranh luận rằng mặt trượt trong đất dính không phải là mặt phẳng mà là mặt cong. Một số tác giả sử dụng cung tròn (Fellenius), đường xoắn ốc logarit (Rendulić) hoặc sự kết hợp của các đường cong này (Brinch Hansen) làm hình dạng của bề mặt trượt.

Ảnh hưởng của lọc nước đến ổn định mái dốc

Nếu có nước bên ngoài có mức N1 (hình 8) ở phía trước mái dốc, dòng nước xảy ra trong đất phía sau mái dốc, gây ra áp suất bên trong của nước trong các lỗ rỗng, do đó ma sát giữa các hạt rắn giảm và ứng suất cắt trong đất tăng lên.

Nếu mực nước N1 trước sườn dốc không đổi thì cột nước H*γW gây ra áp lực nước trong các lỗ rỗng của đất, làm giảm ma sát giữa các hạt rắn, từ đó làm tăng nguy cơ trượt dốc. Tuy nhiên, khi mực N1 không đổi, áp lực của cột nước H*γW sẽ đẩy các hạt rắn về phía bên trong đất, nhờ đó nguy cơ trượt dốc giảm đi ở một mức độ nào đó. Trong trường hợp này, với mực nước không đổi N1 ở phía trước sườn dốc, có nguy cơ trượt dốc hạ lưu, do tác động lọc nước trong đất khiến các hạt rắn bị đẩy ra phía ngoài sườn dốc hạ lưu.

Hình. 8. Ảnh hưởng của quá trình lọc đến độ ổn định của mái dốc

Nếu mực nước bên ngoài giảm mạnh từ mức N1 xuống N2 thì sự ổn định của mái thượng lưu bị đe dọa. Trong trường hợp đó, nước bên trong chảy trong các lỗ về phía bên ngoài của sườn dốc thượng nguồn, đẩy các hạt rắn về phía đó.

Vì tất cả những điều đó, nếu độ dốc của đất chìm trong nước thì tác dụng lọc nước cũng cần được tính đến khi kiểm tra độ ổn định của độ dốc.

Hiệu quả của quá trình lọc nước trong đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất là độ thấm của đất, áp suất thủy tĩnh của nước bên ngoài, tốc độ suy giảm mực nước bên ngoài và độ đồng nhất của đất.

Nếu chúng ta giả sử rằng bờ kè trong hình. 8 có khối lượng đẳng hướng đồng nhất, dưới tác dụng của áp suất thủy tĩnh của nước bên ngoài cấp N1, nước sẽ chảy trong các lỗ rỗng của kè theo hướng mái hạ lưu, theo đó mực nước ngầm trong kè sẽ giảm theo chiều dài đoạn đường đi. Nếu ta đưa các ống áp kế AA’, BB’ và CC’ vào nền đắp (hình 9) thì nước lỗ rỗng dưới tác dụng của áp suất thủy tĩnh sẽ đi vào các ống này và dâng lên đến mức N1, mức này có thể giống nhau ở tất cả các ống nếu chọn các điểm A, B và C sao cho chiều cao cột nước trong ống là h1, h2 và h3.

Hình. 9. Đường đẳng thế và dòng điện

Nếu chúng ta biểu thị bằng h độ cao của mực nước N1 liên quan đến một mặt phẳng O-O được chọn tùy ý nào đó, thì thế h cho tất cả các điểm 3, A, B và C là như nhau. Đường nối ba điểm này là đường đẳng thế. Nước ngầm trong đất không thể chảy theo đường đó mà chỉ chảy theo hướng những điểm có điện thế thấp hơn.

Theo cách tương tự, chúng ta có thể chọn các điểm D, E và  F có điện thế h ― Δh trong cùng một khối lượng. Đường nối ba điểm này là đường đẳng thế h ― Δh. Dòng nước từ điểm A của đường đẳng thế ABC đến một điểm gần vô hạn D của đường đẳng thế DEF sẽ tồn tại theo hướng giọt thủy lực lớn nhất imax, tức là theo hướng có khoảng cách nhỏ nhất Δlmin = AD. Điều này có nghĩa là đường AD mà nước chảy dọc theo vuông góc với cả hai đường đẳng thế, bởi vì

imax = Δh / Δlmin

trong đó Δlmin là chuẩn tắc đối với cả hai đường đẳng thế. Các đường chuẩn của đường đẳng thế là hướng của dòng nước trong khối thấm và được gọi là đường dòng. Cộng đồng các đường đẳng thế và dòng điện vuông góc với nhau tạo thành một mạng lưới dòng chảy.

Mạng lưới dòng chảy có hình dạng khác nhau tùy theo độ thấm khối lượng. Trường hợp phổ biến nhất là kè làm bằng khối thấm trên đất không thấm, tức là trên đất có thể không thấm nước (hình 10). Trong trường hợp này, nếu mực nước bên ngoài không đổi thì các đường dòng nằm ở phần giữa của parabol.

Hình. 10. Mạng lưới dòng chảy trong kè thấm trên đất không thấm nước

Ở mái dốc thượng nguồn, các parabol nối với các đường vuông góc với mái dốc tượng trưng cho đường đẳng thế, vì ở mức không đổi N1 nước không chảy xuống mái dốc. Với độ dốc xuôi dòng, các parabol kết thúc tiếp tuyến với độ dốc, đây không phải là đường đẳng thế hay đường dòng điện. Bề mặt đất không thấm phía dưới kè là dạng dòng chảy vì nước ở đáy kè chảy song song với bề mặt này. Ở phần trên, mạng lưới dòng chảy kết thúc bằng một parabol cơ bản được gọi là đường thấm, đại diện cho ranh giới của đất dưới tác động của quá trình lọc. Dưới giới hạn này, đất chịu tác dụng lọc do áp suất thủy tĩnh của nước H*γW bên ngoài, trong khi lớp đất phía trên không có quá trình lọc. Đường thấm còn được gọi là đường bão hòa, vì người ta giả định rằng lớp đất bên dưới đã bão hòa hoàn toàn nước, trong khi phía trên nó bão hòa một phần.

Đánh giá độ dốc thực tế phải bao gồm điều tra, phân tầng, thông số cường độ, nước mặt và nước mặt, thay đổi mực nước, thoát nước, địa chấn, giai đoạn đào hoặc lấp, các công trình lân cận và điều kiện tạm thời. Việc đào mà không có biện pháp bảo vệ thích hợp và đi vào khu vực có thể xảy ra lở đất sẽ không an toàn dựa trên nội dung chung hoặc hình dạng của sườn dốc.