LA-Slope (7): Mưa kéo dài và mái dốc vùng núi – lực hút dính, mặt thấm ướt và vì sao thiết kế nên bỏ qua hút dính
Vì sao mái dốc đất tàn tích đứng vững trong mùa khô với góc dốc lớn hơn góc ma sát, rồi trượt sau những đợt mưa dài. Ví dụ mái cao 15 m trên đất tàn tích: không kể hút dính F = 1,09; kể hút dính với φ^b = φ′ (cận trên) F = 2,65 khi khô và giảm còn 2,11; với φ^b = φ′/2 F = 1,85 giảm còn 1,62 sau đợt mưa 3 ngày 100 mm/ngày. Bài giải thích cơ chế, cách mô hình trong LA-Slope và giới hạn của phương pháp.
Các bài trong Module Địa kỹ thuật
Mục lục bài viết
Trượt lở mái dốc vùng núi phía Bắc và miền Trung thường xảy ra sau những đợt mưa kéo dài nhiều ngày, nhiều khi khi mực nước ngầm vẫn còn ở sâu. Cơ chế chính không phải mực nước ngầm dâng lên, mà là mất lực hút dính trong lớp đất không bão hòa gần mặt.
1. Lực hút dính là gì#
Phía trên mực nước ngầm, nước trong lỗ rỗng chịu áp lực âm (u < 0): các màng nước giữa hạt đất kéo các hạt lại gần nhau. Theo khái niệm ứng suất hữu hiệu mở rộng (Bishop 1959, Fredlund & Rahardjo 1993), cường độ chống cắt của đất không bão hòa:
τ = c′ + (σ − u_a)·tanφ′ + (u_a − u_w)·tanφ^b
trong đó (u_a − u_w) là lực hút dính (suction), φ^b là góc thể hiện mức tăng cường độ theo lực hút. Thực nghiệm cho thấy φ^b thường nhỏ hơn φ′ và giảm dần khi lực hút tăng (đất khô dần).
Lực hút dính giải thích vì sao mái đất tàn tích đứng được với góc dốc lớn hơn φ′ trong mùa khô. Khi mưa ngấm xuống, độ ẩm tăng, lực hút giảm về 0, phần cường độ thêm này mất đi.
2. Mô hình trong LA-Slope#
- Phân tích thấm không ổn định (phương trình Richards) với biên Mưa trên mặt đất: lưu lượng mưa đi vào đất; khi đất không thấm kịp, nước đọng và biên tự chuyển sang áp lực bằng 0 (chảy tràn).
- Đường cong giữ nước van Genuchten cho mỗi lớp: độ ẩm và hệ số thấm giảm khi lực hút tăng.
- Áp lực nước ở đáy từng lát lấy từ lời giải thấm tại thời điểm chọn. Tùy chọn "Kể đến áp lực âm (hút dính)":
- Tắt (mặc định): u < 0 lấy bằng 0. Bỏ qua phần cường độ do hút dính.
- Bật: phần áp lực âm làm tăng sức kháng theo tanφ^b. Mỗi vật liệu có ô φb (°) (trang Thấm → Thông số thấm của vật liệu): để trống thì φ^b = φ′, tức dùng trực tiếp u < 0 trong σ′ = σ − u, là cận trên của ảnh hưởng hút dính; nhập φ^b < φ′ thì phần mềm quy đổi u_tđ = u·tanφ^b/tanφ′ ở đáy lát. φ^b = 0 cho kết quả trùng với khi tắt tùy chọn. Thuyết minh ghi rõ φ^b của từng vật liệu.
3. Ví dụ: mái đất tàn tích cao 15 m#
| Số liệu | Giá trị |
|---|---|
| Mái | Cao 15 m, từ +30 xuống +15, dốc 1:1,33 (37°) |
| Lớp 1 – đất tàn tích sét pha | Dày 5 m: γ = 18 kN/m³, c′ = 8 kPa, φ′ = 26°; k = 0,1 m/ngày (≈ 1,2·10⁻⁶ m/s); van Genuchten θ_s = 0,42, θ_r = 0,08, α = 1,0 m⁻¹, n = 1,5 |
| Lớp 2 – đá phong hóa mạnh | c′ = 30 kPa, φ′ = 32°; k = 0,01 m/ngày |
| Mực nước ngầm ban đầu | Sâu, từ +18 (đỉnh mái) xuống +8 (chân mái) |
| Mưa | 100 mm/ngày trong 3 ngày, sau đó tạnh; theo dõi đến ngày thứ 7 |
| Phân tích | Bishop, mặt tròn tối ưu tại mỗi thời điểm (lưới thấm 2 m, 1 120 phần tử) |
(Số liệu minh họa.)
| Thời điểm | Không kể hút dính (hoặc φ^b = 0) | φ^b = φ′/2 (13° và 16°) | φ^b = φ′ (cận trên) |
|---|---|---|---|
| 0 ngày (trước mưa) | 1,090 | 1,845 | 2,646 |
| 1 ngày | 1,090 | 1,773 | 2,601 |
| 2 ngày | 1,090 | 1,712 | 2,428 |
| 3 ngày (hết mưa) | 1,091 | 1,655 | 2,154 |
| 4 ngày | 1,090 | 1,654 | 2,127 |
| 5 ngày | 1,090 | 1,635 | 2,117 |
| 7 ngày | 1,090 | 1,618 | 2,109 |
Cột φ^b = 0 cho đúng 1,090 như khi tắt tùy chọn hút dính: đây là phép kiểm tra nhất quán của cách quy đổi.
Sau 3 ngày mưa, lớp đất mặt dày khoảng 1–2 m đã gần bão hòa (màu nhạt, hp gần 0), trong khi phần giữa lớp đất tàn tích vẫn còn lực hút lớn (màu cam đậm). Mực nước ngầm chính gần như chưa dâng. Mặt thấm ướt này chính là phần lực hút dính bị mất đi theo thời gian mưa: khi tính có kể hút dính, F giảm dần theo bề dày lớp đất đã bị làm ướt.
4. Đọc kết quả#
Khi không kể hút dính#
F = 1,09 không đổi trong suốt đợt mưa. Mực nước ngầm ở sâu và không dâng tới mặt trượt trong 7 ngày, còn phần áp lực âm bị lấy bằng 0. Con số 1,09 tương ứng với trạng thái đã mất hoàn toàn lực hút dính, tức trạng thái bất lợi nhất mà mưa có thể đưa tới (khi chưa có áp lực nước dương).
Khi kể hút dính#
Trước mưa, F = 2,65: lực hút dính làm F tăng hơn gấp đôi. Đây là lý do mái này đứng vững trong mùa khô dù F "bão hòa" chỉ 1,09. Trong 3 ngày mưa, mặt thấm ướt tiến xuống, lực hút giảm dần, F giảm 19 % còn 2,15. Sau khi mưa tạnh, F tiếp tục giảm (2,11 ở ngày 7) vì nước đã ngấm vẫn tiếp tục đi xuống, làm ướt thêm phần đất sâu hơn trên mặt trượt.
Với φ^b = φ′/2, phần tăng do hút dính còn khoảng một nửa (F trước mưa 1,85 thay vì 2,65) và F giảm 12 % đến ngày 7 (1,62). Phần tăng ΔF = F − 1,09 tỉ lệ gần đúng với tanφ^b: (1,845 − 1,090)/(2,646 − 1,090) = 0,49, xấp xỉ tan13°/tan26° = 0,47. Vì vậy chọn φ^b ảnh hưởng trực tiếp tới kết luận, và giá trị cận trên φ^b = φ′ có thể đánh giá quá cao mức dự trữ của mái.
5. Ý nghĩa thực hành#
- Mái đất tàn tích "đứng được nhiều năm" không có nghĩa là an toàn: nó có thể đang dựa vào lực hút dính.
- F giảm cả sau khi mưa tạnh: thời điểm nguy hiểm có thể muộn hơn đỉnh mưa vài ngày, phù hợp với nhiều sự cố trượt xảy ra khi trời đã tạnh.
- Biện pháp hiệu quả là giảm lượng nước ngấm: rãnh đỉnh, rãnh cơ, phủ mặt mái, trồng cỏ; và thoát nước trong mái.
- Khi có số liệu thí nghiệm đất không bão hòa (đường cong giữ nước, φ^b), có thể đánh giá cụ thể hơn; nếu không, coi hút dính bằng 0.
6. Thông số thấm tham khảo#
| Đất | k (m/s) | α van Genuchten (m⁻¹) | n |
|---|---|---|---|
| Cát | 10⁻⁵ – 10⁻³ | 14,5 | 2,68 |
| Cát pha | 10⁻⁶ – 10⁻⁵ | 7,5 | 1,89 |
| Sét pha | 10⁻⁸ – 10⁻⁶ | 1,9 | 1,31 |
| Sét | 10⁻¹⁰ – 10⁻⁸ | 0,8 | 1,09 |
Tham số α, n theo Carsel & Parrish (1988). Hệ số thấm hiện trường của lớp đất mặt có khe nứt, rễ cây có thể lớn hơn mẫu thí nghiệm 1–2 bậc.