Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc đất không bão hòa - Phạm Huy Dũng

Phân tích ổn định mái dốc sử dụng nhiều phương pháp khác nhau. Phương pháp cân bằng giới hạn được áp dụng rộng rãi. Phân tích Bishop, Janbu và Morgenstern-Price là phổ biến. Các phương pháp truyền thống giả định đất bão hòa. Điều này không chính xác cho mái dốc thực tế. Đất tự nhiên thường ở trạng thái không bão hòa. Cần áp dụng phương pháp mở rộng cho đất không bão hòa. Mô hình Fredlund và Morgenstern được sử dụng rộng rãi. Mô hình này sử dụng hai biến ứng suất độc lập. Ứng suất mạng và ứng suất suction được xét riêng biệt.

Cơ học đất không bão hòa là lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Lý thuyết kinh điển của Terzaghi chỉ áp dụng cho đất bão hòa. Fredlund và Rahardjo phát triển lý thuyết cho đất không bão hòa. Lý thuyết này mở rộng phương trình cường độ kháng cắt. Suction mao quản đóng vai trò quan trọng trong cường độ cắt. Hàm lưu giữ nước (WRC) mô tả quan hệ nước-đất. Đường đặc trưng đất-nước (SWCC) là công cụ thiết yếu. SWCC cho biết khả năng giữ nước của đất theo áp suất. Nghiên cứu tại Việt Nam còn hạn chế về lĩnh vực này. Cần đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng thực tế.

Trượt lở đất do mưa là vấn đề toàn cầu. Nghiên cứu quốc tế đã đạt nhiều tiến bộ. Ngưỡng mưa gây trượt lở được xác định cho nhiều vùng. Mô hình thấm nước mưa vào đất được phát triển đa dạng. Phần mềm phân tích số tiến bộ vượt bậc. FLAC, ABAQUS và GeoStudio được sử dụng phổ biến. Nghiên cứu thực nghiệm về SWCC ngày càng chính xác. Phương pháp đo suction cải tiến liên tục. Tuy nhiên, ứng dụng tại Việt Nam còn hạn chế. Cần nghiên cứu đặc thù cho điều kiện khí hậu nhiệt đới.

Trạng thái ứng suất đất không bão hòa thay đổi phức tạp. Áp lực nước lỗ rỗng có thể dương hoặc âm. Áp suất âm tạo ra lực hút trong đất. Suction mao quản phụ thuộc kích thước lỗ rỗng. Đất mịn có suction cao hơn đất thô. Ứng suất hiệu dụng được tính theo công thức mở rộng. σ' = (σ - ua) + (ua - uw) × tan(φb)/tan(φ'). Trong đó ua là áp suất khí, uw là áp suất nước. Biến (ua - uw) gọi là matric suction. Tổng suction bao gồm matric và osmotic suction.

SWCC mô tả quan hệ giữa độ ẩm và suction. Đường cong có dạng sigmoid đặc trưng. Điểm vào khí (AEP) đánh dấu bắt đầu thoát nước. Độ ẩm dư là độ ẩm tối thiểu khi suction vô hạn. Thí nghiệm áp lực nén và đĩa tiếp nhận khí xác định SWCC. Phương trình Van Genuchten và Fredlund-Xing được sử dụng rộng rãi. SWCC phụ thuộc thành phần hạt và mật độ đất. Đất sít có đường cong dốc hơn đất cát. SWCC là đầu vào thiết yếu cho mô hình thấm không bão hòa. Đường cong giúp dự đoán biến đổi độ ẩm theo thời gian.

Cường độ kháng cắt đất không bão hòa vượt trội hơn đất bão hòa. Công thức Fredlund mở rộng Mohr-Coulomb: τf = c' + (σn - ua)tan(φ') + (ua - uw)tan(φb). Góc φb luôn nhỏ hơn hoặc bằng φ'. Khi đất bão hòa hoàn toàn, φb = φ'. Suction tăng làm tăng cường độ kháng cắt. Thí nghiệm cắt trực tiếp và ba trục xác định φb. Hàm φb thay đổi phi tuyến theo suction. Mô hình Vanapalli tính toán φb dựa trên SWCC. Đây là công cụ quan trọng cho phân tích ổn định mái dốc. Cần xác định chính xác tham số từ thí nghiệm.

Thiết bị đo suction sử dụng căng kế kỹ thuật số. Căng kế loại 2725ARL-JetfII có độ chính xác cao. Nguyên lý hoạt động dựa trên đo áp suất hơi nước cân bằng. Mẫu đất được đặt trong buồng kín. Thời gian cân bằng phụ thuộc loại đất và suction. Đất sít cần thời gian dài hơn đất cát. Thí nghiệm SWCC sử dụng bình áp lực ký sinh. Đĩa tiếp nhận khí áp dụng áp suất khí tăng dần. Nước thoát ra được đo theo thời gian. Dữ liệu được xử lý để xây dựng đường cong SWCC.

Kết quả thí nghiệm cho thấy suction thay đổi theo độ sâu. Lớp đất mặt có suction cao do bay hơi. Suction giảm dần theo độ sâu. Mùa khô suction cao hơn mùa mưa rõ rệt. SWCC cho thấy đất sít có AEP lớn hơn đất cát. Độ ẩm dư của đất sít cao hơn đất cát. Tham số n của Van Genuchten phản ánh độ dốc đường cong. Giá trị n nhỏ cho đường cong dốc hơn. Kết quả phù hợp với lý thuyết và nghiên cứu trước. Dữ liệu là đầu vào cho phân tích số.

Thí nghiệm ba trục xác định tham số cường độ cắt. Mẫu đất được bão hòa rồi hút nước ra ngoài. Áp suất khí và nước được kiểm soát độc lập. Ứng suất mạng và suction thay đổi theo thiết kế. Kết quả cho thấy cường độ tăng theo suction. Góc φb xác định từ đồ thị quan hệ τ - (ua - uw). Giá trị φb thay đổi theo khoảng suction. Ở suction thấp, φb gần bằng φ'. Ở suction cao, φb giảm dần. Mô hình Vanapalli phù hợp với kết quả thực nghiệm.

Mô hình thấm nước sử dụng phương trình Richard. Phương trình kết hợp định luật Darcy và bảo toàn khối lượng. Hệ số thấm là hàm của độ ẩm hoặc suction. Hàm thấm k(θ) hoặc k(ψ) được xác định từ SWCC. Mô hình Van Genuchten-Mualem tính toán hệ số thấm. Điều kiện biên phản ánh thực tế mưa rơi. Dòng mưa nhỏ hơn khả năng thấm sẽ vào hết đất. Dòng mưa lớn tạo dòng chảy bề ngoài. Mô hình số giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Phần mềm GeoStudio/SEEP/W được sử dụng rộng rãi.

Áp suất nước lỗ rỗng thay đổi đáng kể khi mưa. Ban đầu áp suất âm do suction mao quản. Mưa thấm làm áp suất tăng dần từ âm sang dương. Ở lớp đất mặt, áp suất đạt giá trị dương nhanh. Độ sâu ảnh hưởng bởi mưa tăng theo thời gian. Cường độ mưa lớn làm áp suất tăng nhanh hơn. Mưa liên tục kéo dài gây tăng áp suất sâu vào đất. Khi mưa dừng, áp suất giảm dần do thoát nước. Quá trình giảm áp suất chậm hơn quá trình tăng. Biến đổi áp suất ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định mái dốc.

Tính chất đất quyết định quá trình thấm nước mưa. Đất sít có hệ số thấm thấp, nước thấm chậm. Đất cát có hệ số thấm cao, nước thấm nhanh. Thành phần hạt ảnh hưởng đến SWCC và WRC. Đất sít giữ nước tốt hơn, độ ẩm dư cao hơn. Độ chặt ảnh hưởng đến độ rỗng và khả năng thấm. Đất lỏng thấm nhanh hơn đất chặt. Cấu trúc đất tạo kênh dẫn nước ưu tiên. Nứt nẻ tăng khả năng thấm đột ngột. Cần khảo sát kỹ tính chất đất trước khi phân tích.

Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát xét đầy đủ lực. Mô hình Bishop đơn giản hóa được mở rộng cho đất không bão hòa. Lực hút mao quản được đưa vào phương trình cân bằng. Hệ số an toàn Fs tính theo tỷ lệ kháng cắt/kích cắt. Ứng suất suction ảnh hưởng đến thành phần kháng cắt. Mô hình Janbu và Morgenstern-Price cũng được mở rộng. So sánh kết quả các phương pháp cho thấy tương đồng. Mô hình trượt tròn áp dụng cho mái dốc đồng chất. Mô hình trượt phi tròn cho mái dốc phức tạp hơn. Phần mềm SLOPE/W thực hiện tính toán hiệu quả.

Hệ số an toàn giảm rõ rệt khi mưa thấm vào đất. Giảm suction làm giảm thành phần kháng cắt. Độ dốc mái và chiều cao ảnh hưởng đến mức giảm. Mái dốc cao và dốc bị ảnh hưởng mạnh hơn. Cường độ mưa và thời gian mưa là yếu tố quyết định. Mưa lớn kéo dài gây giảm Fs nghiêm trọng. Ngưỡng mưa gây Fs < 1.0 được xác định cho từng trường hợp. Mưa ngắn, cường độ thấp ít ảnh hưởng đến ổn định. Cần xây dựng đồ thị mối quan hệ mưa-Fs. Kết quả hỗ trợ cảnh báo trượt lở đất do mưa.

Ngưỡng mưa là công cụ cảnh báo trượt lở hiệu quả. Đồ thị cường độ-thời gian mưa (I-D) được xây dựng. Mỗi mái dốc có ngưỡng mưa riêng biệt. Tính chất đất và hình học mái dốc quyết định ngưỡng. SWCC và hệ số thấm là tham số quan trọng. Mô hình số cho phép mô phỏng nhiều kịch bản mưa. Ngưỡng mưa phân biệt theo mùa khô và mùa mưa. Mùa khô đất khô, cần mưa lớn hơn để gây trượt. Mùa mưa đất ẩm sẵn, mưa nhỏ hơn gây mất ổn định. Kết quả áp dụng cho hệ thống cảnh báo sớm.

Nghiên cứu đóng góp quan trọng vào cơ học đất không bão hòa. Dữ liệu SWCC cho đất Việt Nam được bổ sung. Tham số cường độ kháng cắt không bão hòa được xác định. Mô hình tính toán được kiểm chứng với kết quả thực nghiệm. Mối quan hệ suction-thời gian mưa được xây dựng. Ngưỡng mưa gây trượt lở cho mái dốc cụ thể được xác định. Phương pháp luận nghiên cứu có thể áp dụng rộng rãi. Kết quả bổ sung tài liệu tham khảo quý giá. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển tiếp theo. Đóng góp vào nền tảng khoa học địa kỹ thuật Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu áp dụng trực tiếp vào thực tế. Thiết kế mái dốc cần xét đất không bão hòa. Không nên chỉ phân tích theo đất bão hòa truyền thống. Hệ số an toàn thực tế cao hơn khi xét suction. Điều này giúp tối ưu hóa thiết kế kinh tế hơn. Cảnh báo sớm trượt lở dựa trên ngưỡng mưa. Hệ thống giám sát áp suất lỗ rỗng cần được lắp đặt. Quy hoạch xây dựng cần tránh mái dốc nguy hiểm. Xử lý mái dốc cần kiểm soát nước mưa thấm. Giáo dục cộng đồng về nguy cơ trượt lở do mưa.

Nghiên cứu còn một số hạn chế cần khắc phục. Mẫu đất nghiên cứu chưa đa dạng các loại đất. Điều kiện mưa thực tế phức tạp hơn mô hình. Tác động của cây cối và nứt nẻ chưa xét đầy đủ. Mô hình 3D chưa được áp dụng rộng rãi. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm nhiều nội dung. Mở rộng nghiên cứu cho các loại đất khác nhau. Nghiên cứu mái dốc có kết cấu gia cường. Phát triển hệ thống cảnh báo sớm tự động. Ứng dụng trí tuệ nhân tạo vào dự báo. Hợp tác quốc tế để nâng cao chất lượng nghiên cứu.