Đề tài Nghiên cứu sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng của đất cấu tạo mái taluy do mưa lớn và dòng thấm

ấm không ổn định trong môi trường đất không bão hòa bằng mô hình SEEP/W được tích hợp vào mô hình SLOPE/W để phân tích sự ổn định của mái taluy theo thời gian. Hệ số ổn định mái taluy thay đổi theo thời gian mưa được phân tích và thảo luận. Từ khóa: Áp lực nước lỗ rỗng, dòng thấm, đất không bão hòa, sự ổn định, mái taluy 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Mới đây, mưa lũ sau cơn bão số 12 năm 2017 đã làm ngập, lụt và sụt hạ tầng nền/mặt đường giao thông tỉnh lộ và quốc lộ 1, gây hư hỏng nặng nề và tiềm ẩn nguy cơ xảy ra sự cố đối với một số công trình thủy lợi khu vực các tỉnh Miền Trung và Nam Trung Bộ. Số liệu thống kê của Ban Chỉ đạo Trung ương về phòng chống thiên tai bão, lũ năm 2017 ước tính cả nước thiệt hại gần 60.000 tỷ đồng. Các sự cố nêu trên có nguyên nhân từ tác động của nước mưa hình thành dòng thấm không ổn định gây ra biến dạng lún, sụt lún đối với mái taluy đường/nền đường. Mưa thấm vào trong cấu trúc vật liệu của mái taluy đường/nền đường tạo nên dòng thấm không ổn định, tăng áp lực nước lỗ rỗng và giảm khả năng chịu lực của nền đắp dẫn đến nguy cơ mất ổn định (lún, sụt lún) đối với mái taluy đường/nền đường. Lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi chỉ áp dụng trong phân tích lún cố kết đối với vật liệu bão hòa. Trong thực tế, mái taluy đường chịu mưa lớn hoặc nền đường bị ngập thường tồn tại các khu vực bão hòa và không bão hòa. Vì vậy, việc áp dụng lý thuyết cơ học đất không bão hòa vào phân tích sự thay đổi áp lực nước lỗ rống của đất và sự ổn định cho kết cấu mái taluy đường/nền đường khu vực không bão hòa là cần thiết. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 309 Với các lý do nêu trên, đề tài sử dụng kết hợp các module SEEP/W và SLOPE/W được tích hợp trong phần mềm GeoStudio để nghiên cứu sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng do mưa và dòng thấm không ổn định làm cơ sở cho phân tích sự ổn định của mái taluy đường/nền đường bão hòa/không bão hòa do mưa lớn. Do vậy, đề tài “Nghiên cứu sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng của đất cấu tạo mái taluy do mưa lớn và dòng thấm” là cần thiết và có ý nghĩa trong việc phân tích sự ổn định của mái taluy đường/nền đường trong điều kiện mưa lớn. 2. CÁC NỘI DUNG CHÍNH 2.1. Phân tích dòng thấm không bão hòa Xuất phát từ định luật Darcy, chuyển động của dòng thấm (2D) không ổn định trong đất không bão hòa và đẳng hướng được mô tả theo phương trình (1-1) biểu thị sự cân bằng giữa chênh lệch thể tích dòng chảy vào và ra một phân tố với tốc độ thay đổi hàm lượng thể tích nước theo thời gian: t H gmq y H k yx H k x wwyx   =+          +           (1-1) trong đó: g u yH w w  += là tổng cột áp, wu là áp lực nước lỗ rỗng, w là khối lượng riêng của nước, g là gia tốc trọng trường; xk và yk là các hệ số thấm theo các hướng x và y ; q là điều kiện biên lưu lượng do mưa; wm là hệ số thay đổi thể tích nước phụ thuộc độ hút dính )( wa uu − , au là áp suất pha khí; và t là thời gian. Nước mưa thấm vào đất kéo theo hàm lượng nước trong đất thay đổi và hình thành dòng thấm không ổn định trong đất không bão hòa. Các hệ số xk và yk không là hằng số mà phụ thuộc vào độ hút dính. Module SEEP/W cho phép phân tích dòng thấm ổn định/không ổn định trong đất bão hòa/không bão hòa. Mái taluy được rời rạc dạng lưới phi cấu trúc trong đó ứng suất của đất, áp suất và lưu tốc thấm được định nghĩa tại các nút ở mỗi bước thời gian. Với dòng thấm không ổn định, SEEP/W giả thiết áp suất pha khí au trong đất không đổi và bằng áp suất không khí. Khi không có tải trọng ngoài, ứng suất  của đất không đổi dẫn đến chên lệch )( au− là hằng số, do đó sự thay đổi hàm lượng nước trong đất không phụ thuộc vào )( au− mà phụ thuộc vào độ hút dính )( wa uu − hay áp suất lực nước lỗ rỗng wu . Sau mỗi bước thời gian, biến thiên hàm lượng nước ở vế phải của phương trình (1-1) được tính toán, áp lực nước lỗ rỗng wu được cập nhật cho phép xác TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 310 định hàm lượng nước cho bước thời gian tiếp theo. SEEP/W cho phép lựa chọn thuật toán giải trực tiếp phương trình (1-1) tại mỗi bước thời gian hoặc tính toán song song tại các nút. Kết quả phân bố áp suất nước lỗ rỗng của dòng thấm không ổn định nhận được từ SEEP/W làm đầu vào cho SLOPE/W phân tích ổn định mái taluy theo thời gian bằng phương pháp cân bằng giới hạn. 2.2. Áp lực nước lỗ rỗng trong đất gây bởi dòng thấm Đối với vùng bão hòa: Khi ứng suất bên ngoài truyền lên khối đất bão hòa nước, áp lực nước lỗ rỗng sẽ tăng tức thời. Điều đó làm cho nước lỗ rỗng có xu hướng chảy thoá khỏi hệ lỗ rỗng, áp lực nước lỗ rỗng sẽ giảm đi. Áp lực nước lỗ rỗng wu là áp lực gây ra trong chất lỏng (nước/hơi nước) chứa đầy lỗ rỗng. Ứng suất có hiệu là ứng suất truyền cho kết cấu đất qua tiếp xúc giữa các hạt. Chính thành phần ứng suất này ảnh hưởng đến biến dạng đổi thể tích và sức chống cắt của đất vì ứng suất pháp và ứng suất tiếp truyền qua được chỗ tiếp xúc hạt với hạt. Terzaghi (1943) chỉ ra rằng, với đất bão hòa, ứng suất có hiệu được xác định theo sự chênh lệch giữa ứng suất tổng và áp lực nước lỗ rỗng )( au− . Trong điều kiện hiện trường tự nhiên không có dòng thấm, áp lực nước lỗ rỗng thủy tĩnh được đặc trưng bởi mực nước ngầm. Nếu mực nước ngầm nằm sâu dưới mặt đất một khoảng wh , tại độ sâu z , áp lực nước lỗ rỗng thủy tĩnh ).(81,9 ww hzu −= . Do vậy, áp lực nước lỗ rỗng có giá trị dương đối với vùng dưới mực nước ngầm )( whz  ; và có giá trị âm đối với vùng dưới mực nước ngầm hoặc khi có nước mao dẫn )( whz  . Đối với vùng không bão hòa: Trường hợp đất không bão hòa, dung dịch lỗ rỗng sẽ bao gồm nước lỏng thực tế không ép co và không khí/hơi nước ép co mạnh. Hai thành phần của áp lực nước lỗ rỗng là: áp lực nước lỗ rỗng wu và áp lực khí lỗ rỗng au . Do sức căng bề mặt sự của không khí làm giảm áp lực nước lỗ rỗng. Bishop (1955) đã đề nghị quan hệ: )( waa uuuu −−=  , trong đó  là thông số phụ thuộc chủ yếu vào độ bão hòa, ảnh hưởng của kết cấu đất đến  là nhỏ. Có thể xác định  bằng thực nghiệm với độ bão hòa từ 0 (đất khô) với 1=rS (đất bão hòa). Tuy nhiên, với đất ẩm ướt hơn độ ẩm tốt nhất, 9,0=rS hay lớn hơn và rất gần 1. Trong trường hợp này, lượng nhỏ không khí có mặt sẽ tồn tại ở dạng bọt kín ảnh hưởng đến tínnh ép co của dung dịch lỗ rỗng, mà không làm giảm nhiều áp lực nước lỗ rỗng. 2.3. Phân tích sự ổn định của mái taluy nền đường Mưa đóng vai trò tác nhân kích hoạt nguy cơ trượt mái taluy. Dòng thấm do mưa làm mở rộng vùng từ không bão hòa đến bão hòa, gia tăng áp suất nước lỗ rỗng và giảm độ hút dính. Khi cường độ mưa hoặc/và thời gian mưa vượt quá một giới hạn nhất định, sức kháng cắt của đất giảm và trượt mái taluy sẽ xảy ra. Sức kháng cắt tới hạn Mohr – Coulomb của TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 311 đất không bão hòa có thể xác định theo Bishop hoặc Fredlund. Hệ số ổn định mái dốc của đất không bão hòa có thể xác định theo Bishop: ( ) ( )      cossin 'tan'tan' ss rs rw waan s gz uuuc F       − − −+−+ = (1-2) trong đó: sF là hệ số ổn định;  là góc nghiêng của mái dốc; sz là chiều cao của khối đất; s là khối lượng riêng của đất. Bài toán phân tích sự ổn định mái taluy trong điều kiện mưa kéo dài trên cơ sở ứng dụng kết hợp các module SEEP/W và SLOPE/W. Các trường dữ liệu của dòng thấm không ổn định nhận được từ SEEP/W được đưa vào SLOPE/W để phân tích ổn định mái taluy theo thời gian. Với một mặt trượt giả định, lực tác dụng lên mỗi phân tố được tính toán bao gdồm: trọng lượng bản thân, áp lực lên các mặt bên và đáy, trong đó áp lực nước lên đáy được tính toán từ trường dữ liệu cột nước nhận được từ SEEP/W. SLOPE/W tìm kiếm mặt trượt và tính toán hệ số ổn định theo phương pháp cân bằng giới hạn của Bishop. 2.4. Ảnh hưởng của mưa kéo dài đến sự ổn định mái taluy Thông số đầu vào của mô hình: Các số liệu khảo sát địa chất và thủy văn sử dựa vào “Hồ sơ khảo sát, bổ sung xử lý sụt trượt từ Km13+640 đến Km13+840” được lập 08/2017 bởi tư vấn thiết kế dự án “Đường cao tốc Hạ Long – Vân Đồn và cải tạo, nâng cấp QL18, đoạn Hà Long – Mông Dương theo hình thức BOT”. Vị trí mái taluy nghiên cứu tại Km13+640 thuộc dự án đường cao tốc Hạ Long – Vân Đồn với tỷ lệ mô hình 1:1. Các lớp vật liệu được giả thiết là đồng nhất và ở các trạng thái không bão hòa với các đặc trưng được thống kê trong Bảng 1. Bảng 8. Đặc trưng của các lớp đất Lớp 1 (Sét pha cát) Lớp 2 (Sét lẫn sạn sỏi) Lớp 3 (Đá sét kết) )/( 3mkN 19 20.5 27.3 )(' kPac 30.9 20.1 50 )(' 0 11.07 10.27 28 )/( 33 mms 0.50 0.55 0.60 )/( 33 mmr 0.050 0.045 0.04 )/( smksat 610− 61085.0 −x 61075.0 −x )( 1−kPamw 0.00050 0.00045 0.00040 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 312 Đường cong mẫu SWCC được xây dựng cho từng loại đất, phụ thuộc độ bão hòa và hệ số thay đổi thể tích nước. Hàm thấm được xây dựng cho từng loại đất theo Van Genuchten căn cứ hệ số thấm bão hòa, hàm lượng nước dư và đường cong SWCC của loại đất tương ứng. Đường cong SWCC xây dựng cho lớp sét pha cát (lớp 1) được biểu thị trên Hình 1(a) trong khi hàm thấm của lớp này được chỉ ra trên Hình 1(b). (a) (b) Hình 1. Đường cong đặc trưng đất – nước (a), và khả năng thấm (b) của lớp sét pha cát Mái taluy nghiên cứu có chiều cao m37 với độ dốc taluy thay đổi (phần gần mặt đất là 043 và phần trên là 010 ) (Hình 2). Cao độ mặt đất được giả thiết tại chân của mái taluy và tầng không thấm nước ở độ sâu m10 tính từ cao độ mặt đất. Lưới phi cấu trúc với kích thước tối đa là m5.0 . Điều kiện biên: Ban đầu khi chưa có mưa, mực nước ngầm ở độ sâu m3 kể từ mặt đất. Dòng thấm ổn định được phân tích với điều kiện biên về cột nước mH 7= áp dụng cho các biên 1–7 và 6–8 trong khi các biên còn lại là tự do. Kết quả phân tích ở bước thời gian cuối cùng của dòng thẩm ổn định được sử dụng là điều kiện ban đầu cho SEEP/W tiếp tục phân tích dòng thấm không ổn định khi có mưa kết hợp với mực nước ngầm dâng lên. Lúc này, các biên 1–2 và 5–6 là không thấm nước, trong khi đó các biên 2–3–4–5 là các biên mưa và thấm (Hình 2). WC1 V o l. W a te r C o n te n t (m ³/ m ³) Matric Suction (kPa) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.01 10000.1 1 10 100 HC1 X -C o n d u c ti v it y ( m /d a y s ) Matric Suction (kPa) 1.0e+00 1.0e-08 1.0e-07 1.0e-06 1.0e-05 1.0e-04 1.0e-03 1.0e-02 1.0e-01 0.01 10000.1 1 10 100 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 313 Hình 9. Mô hình mái taluy và các điều kiện biên (Km13+640) Các kết quả thay đổi mực nước ngầm trong 5 ngày mưa ứng với các mô hình phân bố mưa khác nhau được giới thiệu trong các Hình 3 và 4. Với cả 4 mô hình mưa, kết quả đều cho thấy mực nước ngầm dâng lên khi thời gian mưa kéo dài, và mực nước ngầm ở gần chân taluy dâng lên nhanh hơn so với các vị trí khác. Với cùng một mô hình mưa, tốc độ dâng của mực nước ngầm tùy thuộc cường độ mưa, cường độ mưa càng lớn mực nước ngầm dâng càng nhanh. (a) Delayed, hmmi /10= (b) Advanced, ht 120= , hmmi /25= Hình 10. Mực nước ngầm thay đổi theo thời gian (a), Trường vận tốc và áp suất nước lỗ rỗng (b) Các kết quả mô phỏng trường vận tốc và áp suất nước lỗ rỗng tại các thời điểm hhht 72,60,48= và h120 cho các mô hình phân bố mưa và cường độ mưa khác nhau được giới thiệu trong Hình 3(a) và 3(b). Trường vận tốc thấm cho thấy lưu tốc thấm khu vực taluy dưới lớn hơn so với các vị trí khác như taluy phía trên và gần mặt đất. Lưu tốc thấm lớn khu vực taluy dưới do gradient thủy lực khu vực này lớn hơn so với khu vực khác bởi khoảng cách ngắn và độ chênh cao. Trường vận tốc thấm lớn ở khu vực cạnh 3−4 cùng Lop 1 Lop 2 Lop 3 0 sec 1 days 2 days 3 days 4 days 5 days Lop 1 Lop 2 Lop 3 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 314 với khoảng cách ngắn từ mực nước ngầm đến mặt đất dẫn đến lưu lượng thấm được bổ sung nhiều hơn ở khu vực này làm cho mực nước ngầm tại đó dâng lên nhanh hơn so với các vị trí khác. (a) Uniform (b) Delayed Hình 11. Hệ số ổn định thay đổi theo cường độ mưa ứng với mô hình phân bố mưa Kết quả phân tích hệ số ổn định của mái taluy với các mô hình mưa khác nhau có cùng cường độ mưa được hiển thị trong Hình 4 (a) và 4 (b). Kết quả cho thấy hệ số ổn định đều có xu hướng giảm trong suốt thời gian mưa là h96 đối với tất cả các mô hình mưa. Hệ số ổn định với các mô hình mưa Central và Advanced có xu hướng tăng dần sau h96 và h108 khi mà cường độ mưa đã giảm hẳn, trong khi hệ số ổn định với các mô hình Uniform và Delayed luôn có xu hướng giảm dần trong suốt h120 . Vì vậy, các mô hình mưa Uniform và Delayed gây bất lợi đối với sự ổn định của mái taluy khi thời gian mưa kéo dài. Kết quả phân tích hệ số ổn định của mái taluy phụ thuộc cường độ mưa ứng với các mô hình mưa hiển thị trong các Hình 4 (a) và 4 (b). Kết quả cho thấy với tất cả các mô hình mưa và trong cùng thời gian mưa, hệ số ổn định càng lớn khi cường độ mưa càng nhỏ. Theo thời gian và với một mô hình mưa, hệ số ổn định giảm nhanh hơn khi cường độ mưa càng lớn. 3. KẾT LUẬN Quá trình mưa kéo theo làm dâng mực nước ngầm, tăng áp suất nước lỗ rỗng, và kết quả làm giảm độ dính hút, sức kháng cắt và hệ số ổn định của mái taluy. Hệ số ổn định càng nhỏ khi cường độ mưa càng lớn và thời gian mưa kéo dài. Hệ số ổn định có xu hướng giảm dần với các mô hình mưa phân bố đều và mưa tăng dần. Hệ số ổn định có xu hướng tăng dần sau một thời gian mưa nhất định khi mà cường độ mưa đã giảm. Các mô hình mưa tăng dần và mưa phân bố đều ảnh hưởng bất lợi nhất đến hệ số ổn định. Kết quả nghiên cứu chỉ ra khả năng kết hợp giữa các mô hình SEEP/W và SLOPE/W vào phân tích sự ổn định của mái taluy xét đến ảnh hưởng của dòng thấm do mưa kéo dài kết hợp với sự thay 1.005 1.015 1.025 1.035 1.045 1.055 1.065 1.075 1.085 1.095 1.105 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 Thời gian mưa [h] H ệ s ố ổ n đ ịn h , F o S [ - ] FoS (i = 5mm/h) FoS (i = 10mm/h) FoS (i = 15mm/h) FoS (i = 20mm/h) FoS (i = 25mm/h) 1.025 1.035 1.045 1.055 1.065 1.075 1.085 1.095 1.105 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 Thời gian mưa [h] H ệ s ố ổ n đ ịn h , F o S [ -] FoS (i = 5mm/h) FoS (i = 10mm/h) FoS (i = 15mm/h) FoS (i = 20mm/h) FoS (i = 25mm/h) TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 315 đổi mực nước ngầm làm cơ sở phân tích cơ chế mất ổn định và đề xuất các giải pháp phòng tránh sạt lở mái taluy. Tài liệu tham khảo [1]. Fredlund D. G, Rahardjo H.: Soil Mechanics for Unsaturated Soils, 1 edition. New York: Wiley-Interscience, 1993. [2]. International G.-S: Seepage Modeling with SEEP/W. GEO-SLOPE International Ltd, 2014. [3]. International G.-S.: Stability Modeling with SLOPE/W. GEO-SLOPE International Ltd, 2015.