Chương 7 — Phân tích ổn định mái dốc¶
Chương VII bàn về ổn định mái dốc — cả mái dốc tự nhiên lẫn mái dốc nhân tạo. Trượt mái dốc có thể gây hậu quả rất nghiêm trọng về tài sản, công trình và con người, nên chương trước hết phân chia các kiểu chuyển động của mái dốc, rồi trình bày các phương pháp đánh giá một mái dốc có ổn định hay không.
Sách nói rõ một hạn chế: xác định chính xác hệ số an toàn của một mái dốc là khó. Nó đòi hỏi nghiên cứu công phu và toàn diện về điều kiện đất, cơ lý và địa hình, để nhận diện nguyên nhân và điều kiện chi phối, lựa chọn thông số đại diện, và chọn được hệ số an toàn có thể biện luận được.
7.1 Phân chia các loại chuyển động mái dốc¶
Hai yếu tố quyết định một mái dốc đứng được hay không: góc dốc và sức kháng của vật liệu trên đó. Cả hai lại bị chi phối bởi nước và bởi phương của các mặt yếu — mặt phân lớp, mặt phiến hay khe nứt — so với mặt mái dốc. Khi các mặt yếu song song với mái dốc thì mái dốc bất lợi nhất; khi vuông góc thì thuận lợi nhất.
Hình. Độ ổn định tương đối của mái dốc theo phương của mặt yếu (ở đây là mặt phân lớp) so với mái dốc. A và B — mặt phân lớp gần vuông góc với mái — ổn định; D — gần song song với mái — mất ổn định; C ở mức trung gian. © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2nd ed., Hình 15.1.2.
7.1.1 Chuyển động của mái dốc tự nhiên¶
7.1.2 Chuyển động của mái dốc nhân tạo¶
7.2 Các loại chuyển động chính¶
7.2.1 Lăn rơi các khối đá¶
Lăn rơi do nêm băng và giảm tải trong đá dốc, nứt nẻ. Vật liệu phong hoá tích lại thành nón taluy ở chân dốc — loại đất rời, chọn lọc kém, thường không bền, và bản thân nó cũng là mối nguy nếu sau này bị đào xén hoặc gia tải.
Hình. Trái: một mái taluy gần Keremeos, B.C. Phải: kết quả một vụ rơi đá xuống đường phía tây Keremeos tháng 12/2014 — đúng loại mối nguy mà quan trắc rơi đá nhằm phát hiện. © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2nd ed., Hình 15.2.2.
7.2.2 Trượt¶
Trượt được chia theo hình dạng mặt trượt:
- Trượt mặt phẳng
- Trượt vòng cung đơn giản
- Trượt vòng cung phức hợp
7.2.3 Trồi xệ dưới tải trọng¶
7.2.4 Chuyển động do dòng nước chảy cuốn trôi¶
7.2.5 Mái dốc đào và mái dốc đắp trên nền không chịu nén¶
7.2.6 Mái dốc đắp trên nền đất yếu chịu nén¶
7.2.7 Ổn định dưới tường chắn¶
7.2.8 Trượt từ từ và dòng bùn đá¶
Trượt từ từ (creep) là chuyển động xuống dốc rất chậm, khó nhận ra, của đất và mảnh vụn đá. Nó không phá hoại đột ngột nhưng tích luỹ, và đọc được qua thực vật: thân cây bị nghiêng rồi lại vươn thẳng lên — cây "chân súng" — ghi lại nhiều năm trượt từ từ.
Dòng bùn đá thì ngược lại — nhanh, no nước và tàn phá. Nó di chuyển trong lòng dẫn dốc như một hỗn hợp nước, bùn, đá và thực vật, và chính nó biến một vụ trượt nhỏ thành mối nguy cho mọi thứ ở phía dưới.
Hình. Cây "chân súng" trên một mái dốc đang trượt từ từ — một thiết bị đo nghiêng tự nhiên. Độ nghiêng của thực vật là một trong những chỉ báo rẻ nhất mà khảo sát đi bộ có thể đọc. © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2nd ed., Hình 15.2.7.
Hình. Phần dưới của một dòng bùn đá trong lòng dẫn dốc gần Buttle Lake, B.C., tháng 11/2006. © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2nd ed., Hình 15.2.11.
7.2.9 Hai ví dụ điển hình¶
Hình. Vị trí vụ trượt đá năm 2008 tại Porteau Cove, B.C. — mái dốc đá trong một hành lang giao thông, nơi hậu quả của phá hoại là tức thời và trực tiếp. © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2nd ed., Hình 15.2.4.
Hình. Vụ lở đá núi lửa Mount Meager tháng 8/2010. Sườn núi lửa sụp và chảy xuống một thung lũng hẹp, dốc — cực đoan nhất của phổ phá hoại mái dốc, và là lời nhắc rằng ổn định mái dốc không chỉ là bài toán cơ đất. "2010 Mt. Meager rock avalanche" © Isaac Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2nd ed., Hình 15.2.5.
7.3 Phân tích ổn định mái dốc¶
Mọi phân tích ổn định đều quy về cùng một phép so sánh. Trọng lực kéo khối đất thẳng đứng xuống; lực đó phân thành lực gây trượt đẩy khối xuống theo mái dốc và lực pháp tuyến đẩy khối vào trong mái dốc. Mái dốc đứng được nếu sức kháng cắt dọc mặt trượt lớn hơn lực gây trượt.
Hình. Thành phần gây trượt và thành phần pháp tuyến của trọng lực trên các mái dốc dốc dần. Trọng lực như nhau trong cả ba trường hợp; chỉ cách phân thành phần thay đổi. (a) lực gây trượt \(\ll\) sức kháng cắt — ổn định; (b) hai giá trị xấp xỉ nhau — biên; © lực gây trượt \(\gg\) sức kháng cắt — phá hoại. © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2nd ed., Hình 15.1.1.
7.3.1 Phân tích ổn định trượt mặt phẳng¶
7.3.2 Phân tích ổn định cho những lời giải đơn giản¶
Một họ lời giải đơn giản (dạng bảng tra hoặc dạng kín) cho các trường hợp thông thường.
7.3.3 Phân tích ổn định trượt cung tròn¶
Phương pháp cung tròn (Thụy Điển / Fellenius), trong đó hệ số an toàn là tỷ số giữa mômen chống trượt và mômen gây trượt quanh tâm vòng tròn thử. Đây là phương pháp được Bishop mở rộng ở Chương 9 cho thi công đắp theo giai đoạn.
Hình. Phân tích ổn định mái dốc theo cung tròn.
7.4 Thuật ngữ¶
| Tiếng Anh | Tiếng Việt (sách dùng) |
|---|---|
| natural / man-made slope | mái dốc tự nhiên / nhân tạo |
| slope stability | ổn định mái dốc |
| rockfall | lăn rơi khối đá |
| sliding | trượt |
| plane sliding | trượt mặt phẳng |
| circular-arc sliding | trượt cung tròn |
| heave / lateral squeeze | trồi xệ |
| creep | trượt từ từ |
| debris flow | dòng bùn đá |
| cut slope | mái dốc đào |
| fill slope | mái dốc đắp |
| factor of safety | hệ số an toàn |
| failure surface | mặt trượt |
7.5 Các điểm then chốt¶
- Mái dốc tự nhiên và nhân tạo có cơ chế phá hoại khác nhau.
- Độ ổn định phụ thuộc góc dốc, sức kháng vật liệu và phương của mặt yếu.
- Chuyển động gồm lăn rơi, trượt, trồi xệ, trượt từ từ và dòng bùn đá.
- Trượt phân loại theo hình dạng mặt trượt — mặt phẳng hay cung tròn.
- Xác định chính xác hệ số an toàn là khó; công việc nằm ở khảo sát đất và chọn thông số, không chỉ ở phép tính.
- Phương pháp cung tròn là phương pháp chủ lực và dẫn tới phương pháp Bishop dùng cho đắp theo giai đoạn ở Chương 9.