Nước dưới đất là một trong những nguyên nhân cơ bản gây nên sự trượt và những biến dạng khác của mái dốc. Nước dưới đất làm thay đổi tính chất cơ học, trạng thái ứng suất của đất đá, góc nội ma sát của đất đá ở sườn, mái dốc và cuối cùng làm phát triển xói ngầm, chảy sạt, moi chuyển cơ học (được gọi là biến dạng thấm) và tính ổn định chung của mái dốc.

1. Sự thay đổi tính chất cơ học của đất đá ở mái dốc do tác động của nước dưới đất và nước mặtđối với nhóm đá rắn chắc:

Bao gồm đá cứng và đá nửa cứng: bao gồm đá magma, đá biến chất, đá trầm tích hoá học, trầm tích gắn kết chắc chưa bị phong hoá – đá cứng và các của nhóm đá cứng bị phong hoá nứt nẻ mạnh – đá nửa cứng. Dưới tác dụng của nước sẽ làm thay đổi tính bền của đá chủ yếu là do quá trình phong hoá vật lý và hoá học, các quá trình này tác dụng mãnh liệt đến đá khi chúng bị đào lộ ra.

a. Phong hoá vật lý

             Phong hoá vật lý là hình thức phân huỷ đất đá dưới tác động vật lý, đá bị phân vụn ra nhưng không thay đổi thành phần khoáng hoá.

            Tác dụng phong hoá vật lý sinh ra chủ yếu do dao động nhiệt độ, sự phá huỷ đá xảy ra rất mãnh liệt trong miền thể hiện rõ khí hậu lục địa, ở đó có sự khác biệt về nhiệt độ giữa các mùa, đặc biệt là nhiệt độ ngày và đêm.

            Khả năng hấp thụ nhiệt mặt trời của đá giảm theo chiều sâu và tuỳ thuộc vào từng loại khoáng vật. Tất cả các khoáng vật khi nung nóng đều giãn ra và lạnh đi thì co lại. Hệ số giãn nở thể tích của các loại khoáng vật thường không giống nhau, chẳng hạn hệ số giản nở của thạch anh lớn hơn octocla 2 lần. Sự nung nóng không đồng đều của đá, cũng như khả năng thay đổi thể tích của các khoáng vật không giống nhau, dẫn tới xuất hiện ứng suất ở chổ tiếp xúc giữa các hạt. Sau nhiều lần co, nở mối liên kết giữa các hạt bị phá huỷ. Đá xuất hiện khe nứt và tách ra thành những khối có hình dạng và kích thước khác nhau. Các khối đá này có độ bền không lớn và dễ bị phá huỷ tiếp tục cả khi lực tác dụng không lớn. Đá sẽ vỡ vụn thành dăm, sạn, cát…đây là nguyên nhân chủ yếu hình thành sa mạc.

            Quá trình phong hoá vật lý phát triển nơi đá có sẵn nhiều khe nứt. Các tảng đá đầu tiên do các khối đá lớn vỡ ra trong đa số trường hợp trùng với các khe nứt nguyên sinh và kiến tạo. Tốc độ phá huỷ còn phụ thuộc nhiều vào đặc tính của đá. Khi tất cả các điều kiện khác như nhau thì đá có kiến trúc hạt lớn, chứa nhiều khoáng vật và có màu thẫm bị phá huỷ nhanh hơn.

            Những khe nứt được thành tạo trong quá trình phong hoá vật lý có thể chứa đầy nước. Khi đóng băng thể tích của nó tăng, tạo ra áp lực lên vách khe nứt. Do vậy, khe nứt có xu hướng mở rộng và ăn sâu thêm.

            Tác dụng phong hoá vật lý còn có thể sinh ra do sự tẩm ướt, khô đi nhiều lần của đá. Hiện tượng này thấy rõ ở các vùng bờ biển lộ ra các loại đá sét vôi. Sóng biển tràn lên làm cho đá bị tẩm ướt, sau đó dưới ánh sáng mặt trời đá lại được sấy khô rất nhanh. Quá trình xảy ra liên tục làm cho đá bị nứt vỡ, tan rã.

b. Phong hoá hoá học

Phong hoá hoá học là quá trình phá hủy các đá do tác dụng của các tác nhân khí quyển (khí, nước…) trong đó nước chứa các thành phần hoá học là tác nhân quan trọng nhất.

Nước trong khí quyển rơi xuống mặt đất ở dạng mưa, tuyết không phải là tinh khiết. Nó luôn chứa các dạng hoà tan các lượng oxy và các axit khác. Nước mưa ngoài oxi, axit cácbonic, nitơ còn hoà tan HCl, SO₂, SO₃, N₂O₃, N₂O₅, H₂S, NH₃, NaCl, KCl và những hợp chất hoá học khác có trong không khí. Trong các chất hoá học đó tác dụng mạnh nhất là các axit và kiềm. Nó làm tăng khả năng hoà tan của nước đối với các khoáng vật tạo đá.

Khi ngấm qua các lớp phủ thực vật, thổ nhưỡng nước còn được làm giàu thêm axit cácbonic và axit hữu cơ dễ hoà tan (axit humic…). Bởi vậy, nước này là tác nhân hoá học rất mạnh khi tiếp xúc với đá. Kết quả làm cho thành phần khoáng vật của đá biến đổi. Các khoáng vật có xu hướng biến thành loại khoáng vật có tính ổn định hơn đối với tác dụng phong hoá.

Tác dụng phong hoá diễn ra dưới các hình thức: hoà tan, oxi hoá, thuỷ phân và thuỷ hoá…

            * Tác dụng hoà tan

            Xảy ra do nước có tính xâm thực mạnh hoà tan các khoáng vật dễ tan, còn gọi là quá trình rữa trôi. Các khoáng vật còn lại – khoáng vật tàn dư lại tiếp tục chịu tác dụng khác của quá trình phong hoá.

            * Tác dụng oxi hoá            

            Tác dụng oxi hoá là phản ứng hoá học tạo thành các oxit sắt, mangan, magiê. Quá trình này có thể xảy ra ở độ sâu hàng trăm mét, quyết định bởi độ rỗng và độ nứt nẻ của đất đá, mức độ phân cắt của địa hình và điều kiện khí hậu...Tác dụng oxi hoá làm thay đổi thành phần hoá học của nhiều loại khoáng vật thuộc lớp sunfua, oxit, silicát, hợp chất hữu cơ. Đá sau khi bị oxi hoá thường có màu vàng, nâu hoặc đỏ.

            Ví dụ pyrit bị oxi hóa chuyển thành limonit theo sơ đồ sau:

                        (Pyrit) FeS₂ + nH₂O →H₂SO₄ +FeSO₄

                         FeSO₄  → Fe­₂(SO_4­)₃ → Fe₂O₃.nH₂O (Limonit)

            Sản phẩm đáng chú ý ở đây là axit H₂SO₄, nó gây tác dụng phá huỷ đá cũng như ăn mòn các kết cấu thép, gỗ, bêtông.

            * Tác dụng thuỷ phân

            Thường thấy trong các khoáng vật thuộc lớp silicat và alumosilicat. Dưới tác dụng phân giải của nước, các khoáng vật mới được thành tạo thường có cường độ thấp, nhưng có tính ổn định đối với phong hoá tốt hơn. Ví dụ quá trình thuỷ phân của octocla để thành kaolinit.

K[AlSi₃O₈] + CO₂ + nH₂O →Al₄(OH)₈[Si₄O₁₀] + SiO₂nH₂O + K₂CO₃

                        Octocla                                  kaolinit                      opan

            Kaolinit có độ cứng nhỏ hơn octocla rất nhiều

            * Tác dụng thuỷ hoá

            Là quá trình thành tạo các hợp chất chứa nước bằng phương thức hấp thụ. Ta có thể lấy ví dụ  về sự thuỷ hoá của thạch cao khan để biến thành thạch cao

            Đó là sự tham gia theo 1 tỷ lệ nhất định của nước vào ô mạng tinh thể khoáng vật để hình thành khoáng vật mới

              CaSO₄ +2H₂O = CaSO₄ 2H₂O

Khi ngậm nước, thạch cao sẽ tăng thể tích lên 33%, lớp đất đá nằm trên nó sẽ chịu lực đẩy trồi lên và xuất hiện các khe nứt. Còn đối với các kết cấu của bêtông ngập nước khi bị sunfat hoá và thuỷ hoá, sự tăng thể tích cũng gây ra những khe nứt nhỏ bé, làm vỡ bêtông và oxi hoá cốt sắt bên trong.

Tốc độ và hình thức chủ yếu của phong hoá hoá học phụ thuộc rất lớn vào thành phần khoáng vật của đá, nhân tố gây phong hoá và diện tích tiếp xúc của nó đối với đá. Chính sự phân vụn đá trong phong hoá vật lý đã làm tăng thêm phong hoá này.

Thường thì quá trình phong hoá vật lý và hoá học diễn ra song song và hỗ trợ cho nhau. Ở vùng khí hậu khô, lạnh thì phong hoá vật lý là chủ yếu, còn ở vùng nóng ẩm như nước ta phong hoá hoá học đóng vai trò quan trọng hơn cả.

            Do kết quả của quá trình phong hoá các đá bị vỡ vụn ra làm cho liên kết giữa các thành phần của đá kém dẫn đến tính bền của đá giảm. Đá cứng biến thành đá nữa cứng và nếu tiếp tục bị phá huỷ thì thành đất rời xốp hoặc đất loại sét mềm dính.

            Tuy nhiên sản phẩm phong hoá không ngừng bị mang đị khỏi mặt mái dốc, do tác dụng của trọng lực và sự rửa trôi bề mặt, làm cho hình dáng mái dốc ban đầu này bị xói mòn hoàn toàn và sự phong hoá hay sự thay đổi tính chất cơ học mới lại bắt đầu.

2. Đối với nhóm đất không dính (nhóm đất rời rạc): (bao gồm cát, cuội, sỏi)

            Sự thay đổi tính chất cơ học hay các thông số độ bền của đất không dính như trầm tích cát, cuội, sỏi không chứa nhiều hạt bụi và hạt sét thì hầu như không xảy ra dưới tác dụng của nước dưới đất và nước mặt. Nhưng ở đây chúng ta đặc biệt lưu ý đến sự thay đổi trạng thái ứng suất của chúng. Cụ thể là khi đất cát bão hoà nước chúng giảm trọng lượng do hiện tượng đẩy nổi đất đá {g_đn = (g_s – g_n)*(1-n)}. Lúc này trọng lượng bản thân đất đá bị giảm đi một đại lượng, lúc này đất cát bị đẩy nổi và lơ lững. Hơn nữa khi bị ngập nước đất cát bị giảm hệ số ma sát trong cùng với áp lực thuỷ động tức áp lực dòng thấm nước dưới đất chúng bị mang đi khỏi vị trí ban đầu gây ra hiện tượng cát chảy, xói ngầm. Để xảy ra quá trình này thì áp lực thuỷ động phải thắng được trọng lượng bản thân các hạt cát. Người ta thường xét đến gradien thấm tới hạn so với gradien thấm thực tế.

Trong đó áp lực thuỷ động:

 P_tđ = I_th.

            Mà gradien thấm tới hạn I_th bằng dung trọng đẩy nổi g_đn = (g_s – g_n)*(1-n).

Đối với đất cát không đồng nhất thì g_đn = (g_s –g_n )*(1-n) + 0,5n

Trong đó:

            g_s: dung trọng hạt, T/m³

            g_đn: dung trọng đẩy nổi, T/m³

            g_n : khối lượng riêng của nước =1T/m³

            n: độ rỗng đất đá, %

Ngoài ra, hiện tượng cát chảy (cát chảy giả - cát chảy do thấm), xói ngầm còn liên quan đến tốc độ thấm tới hạn của dòng thấm nước dưới đất.

Hiện tượng hoá lỏng đất đá là do tác dụng của tải trọng động gây ra, không liên quan đến sự thay đổi góc nội ma sát.

Còn đối với “đất chảy thật” là đất cát bụi, cát pha sét có chứa hàm lượng khoáng vật sét montmorilonit từ 8 đến 13% và hàm lượng các chất hữu cơ (các chất keo do vi sinh vật tiết ra và các chất mùn hữu cơ) thì tính chảy của nó không phụ thuộc vào áp lực thuỷ động mà chỉ phụ thuộc vào thành phần của chúng.

Khi hàm lượng hạt sét chứa trong đất càng cao thì tính chất cơ học của đất rời rạc lúc này càng phụ thuộc nhiều vào nước lỗ rỗng, lúc này chúng có tính chất gần giông với đất mềm dính

3. Đối với nhóm đất mềm dính: (bao gồm đất loại sét: sét, sét pha)

Đối với nhóm đất mềm dính nhất là đất loại sét thì khi có sự tác dụng của nước làm ẩm ướt thì sẽ làm tăng khối lượng và thể tích. Khi tăng khối lượng do tăng độ ẩm tương ứng sẽ gây nên tác động trọng lực lên đất đá ở sườn dốc.

* Về tăng khối lượng:

Khối đất ở trạng thái khô khi chịu tác dụng của nước sẽ làm tăng độ ẩm của đất do nước lien kết bám vào hạt rắn, nếu lượng nước tiếp tục tăng thì chúng sẽ lấp đầy các lỗ rỗng đất đá tạo nên khối lượng thể tích bão hoà, nghĩa là lúc này ngoài khối lượng các hạt đất thì khối đất còn có thêm khối lượng nước lien kết hoặc cả nước lấp đầy lỗ rỗng của đất đá, chính vì vậy làm tăng khối lượng khối đất.

Khi tăng khối lượng do tăng độ ẩm tương ứng sẽ gây nên tác động trọng lực lên đất đá ở sườn dốc.

Ví dụ: Ở sườn dốc vùng núi cấu tạo từ đất sét, vào mùa khô đất có độ ẩm bé, dung trọng khô của mẫu đất là 1,4 T/m³ và hệ số rỗng e = 1, vào mùa mưa khi đất bị bão hoà nước thì khối lượng mẫu đất sẽ thay đổi như sau:

g_bh = g_k + g_n*n

Với hay n = 50%

Với: g_bh,  g_n, g_k, n, e: lần lượt là dung trọng bão hoà, khối lượng riêng của nước, dung trọng khô, độ rỗng n và hệ số rỗng .

Suy ra g_bh = g_k + g_n*n = 1,4 + 1*0,5 = 1,9 T/m³

Vậy với dung trọng khô g_k = 1,4T/m³ nhưng khi bão hòa nước hoàn toàn với độ rỗng n = 50% thì dung trọng bão hoà của đất tăng lên là g = 1,9T/m³

Sự tăng như vậy của tác động trọng lực lên đất đá trong khi ẩm ướt sẽ kèm theo sự giảm độ bền các liên kết kiến trúc, sự biến đổi độ sệt cho đến trạng thái dẻo, hoặc thậm chí đến trạng thái chảy và do đó làm giảm độ bền (lực ma sát và lực dính) của đất đá.

* Về sự tăng thể tích:

Ngoài sự tăng khối lượng thì khi tiếp xúc với nước, các loại đất mềm dính còn xảy ra sự trương nở, tăng thể tích đến 25 - 30%. Chính sự trương nở này làm giảm yếu hơn mối liên kết trong đất đá do tăng độ dày màng nước liên kết chặt (nước hấp phụ) hay màng nước liên kết yếu (nước màng mỏng) bao quanh hạt mịn dẫn đến chuyển nhanh vào độ sệt không ổn định và giảm đột ngột độ bền, sức chống cắt của chúng.

Sự trương nở xảy ra mãnh liệt nhất dọc theo các khe nứt và nhất là dọc theo mặt phân vỉa: sự trương nở mạnh thường chỉ xảy ra ở chỗ tiếp xúc của vỉa sét với đất đá chứa nước và giảm đi nhanh chóng khi ra xa chỗ tiếp xúc ấy. Một trong những nguyên nhân của hiện tượng trên là trong nhiều trường hợp (nhất là trong đất sét chặt có lực dính kết chắc) vùng tiếp xúc của vỉa sét có nhiều vi khe nứt phá hoại, dọc theo chúng nước xâm nhập vào đất. Ngoài ra, gradien thẩm thấu là cực đại chính tại chỗ tiếp xúc giữa đất loại sét với các loại đất đá chứa nước. Cuối cùng, ở lớp tiếp xúc biến trương nở hết, xảy ra sự tách khí hòa tan trong nước lỗ rỗng, kết quả là nước xâm nhập vào vùng trong của vỉa rất khó khăn. Do sự trương nở như vậy, nên ở vùng tiếp xúc của vỉa sét thường ở trạng thái dẻo mềm nên đó là một trong những nguyên nhân xảy ra sự “trượt tiếp xúc”.

Quá trình trương nở của đất ở mặt mái dốc có nước thấm thường kết thúc khi đất mất hết tính dính và chuyển sang trạng thái chảy, điều đó dẫn đến sự trượt của đất bị phình nở từng lớp dày 15 - 20cm ngay cả khi mái dốc có góc dốc nhỏ (khoảng từ 18 - 20⁰).

Đối với đất loại sét nằm cao hơn mực nước ngầm (trong đới thông khí) thì sự ẩm ướt thêm hầu như luôn luôn làm cho tính chất bền xấu đi do chiều dày vỏ hydrat tăng lên thêm. Qua kết quả nghiên cứu một số công trình đã chứng tỏ rằng sự tăng ẩm phân tử cực đại. Khi độ ẩm tăng lên thì sự thay đổi nhiều của độ bền chỉ nhận thấy khi đạt trạng thái bão hòa nước - khi có khả năng trương nở.

Có một số loại đất đá, đặc biệt là sét, khi tiếp xúc với nước thì hấp phụ thêm nước để tăng bề dày màng nước liên kết và trương nở thể tích.

Đất có thành phần khoáng vật càng không ổn định với nước, càng phân tán nhỏ thì tính trương nở khi tương tác với nước càng cao. Qua thực nghiệm cho thấy, đất sét có thành phần khoáng vật là monmorilonit có khả năng trương nở hơn nhiều lần (có khi hơn vài chục lần) so với sét có thành phần là khoáng vật caolinit. Khả năng trương nở của khoáng vật sét xếp theo thứ tự từ nhỏ đến lớn như sau : Monmorilonit > Hydromica > Caolinit.

            Đất có kết cấu tự nhiên bị phá hủy thì có tính trương nở cao hơn đất có kết cấu nguyên dạng.

            Tính trương nở của đất còn phụ thuộc vào thành phần hóa học và tính chất của nước . Ảnh hưởng này biểu hiện ở quá trình trao đổi cation và cân bằng nồng độ giữa nước trong lổ rỗng với nước liên kết yếu của hạt.

            Tính trương nở được thể hiện qua áp lực trương nở và độ trương nở. Đất trương nở đặc biệt là trương nở không đều, quá trình trương nở đôi khi không những làm giảm mối liên kết giữa các hạt đất đá mà còn có thể phát sinh thêm khe nứt trong quá trình trương nở.

            Có thể đánh giá mức độ trương nở của đất thông qua tỷ lệ nở khối hoặc độ trương nở theo chiều cao của mẫu đất (Rh). Khi trương nở, đất có thể tạo ra 1 áp lực trương nở.

Áp lực trương nở có thể làm ảnh hưởng đến độ bền, tính ổn định, tính biến dạng của nền đất, gây khó khăn cho công tác đầm chặt, lu lèn nền đất

Phong hóa hóa học có giống với karst không nhỉ? Hình như không có bạn nào thích học địa chất công trình nên không thất các bạn có thắc mắc gì?