Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI LƯƠNG NGUYỄN HỒNG PHƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC ĐẾN ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA ĐẤT KHƠNG BÃO HỒ ÁP DỤNG CHO NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TẠI KHU VỰC DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG Ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình đặc biệt Mã số: 95.80.206 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Đình Nghiên TS Tống Anh Tuấn HÀ NỘI – 2023 Cơng trình hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Đình Nghiên TS Tống Anh Tuấn Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện Luận án bảo vệ Hội đồng chấm Luận án tiến sĩ họp Trường Đại học Giao thông vận tải vào hồi ngày tháng năm 2023 Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Trung tâm Thông tin – Thư viện, trường Đại học Giao thơng Vận tải MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Miền Trung - Việt Nam nơi có điều kiện địa hình khí hậu khác biệt so với khu vực khác nước Theo thống kê tổ chức khí hậu nước giới, lượng mưa trung bình năm Miền Trung lớn nước (>2800mm), dẫn đến tuyến đường ven sông, đặc biệt tuyến cao tốc qua địa hình đắp cao xây dựng có nguy bị ngập cục gây sụt trượt ổn định nhiều đoạn Hiện chưa có đánh giá mức vấn đề này, cần có thực nghiệm tìm đặc trưng học khu vực nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng nước đến đặc trưng này, sở kết hợp mơ hình số FEM để phân tích ổn định tổng thể mơ hình số DEM–PFV việc phân tích tương tác học cấu trúc hạt tỉ lệ vi mô Xuất phát từ yêu cầu thực tế việc mở rộng hệ thống giao thơng tồn quốc khu vực duyên hải Miền Trung, xuất phát từ ảnh hưởng BĐKH, cấp thiết tốn an tồn đường đắp, đề tài ‘Nghiên cứu ảnh hưởng nước đến đặc trưng học đất không bão hòa áp dụng cho đường đắp khu vực duyên hải miền Trung’ lựa chọn để nghiên cứu nhằm giải phần toán ổn định đường đắp tồn Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm nhằm xác định thông số (các đặc trưng học) đất khơng bão hịa thuộc khu vực duyên hải miền Trung làm sở phân tích ổn định tổng thể cục đường đắp khu vực nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đất khơng bão hịa 3.2 Phạm vi nghiên cứu Nền đường đắp khu vực duyên hải miền Trung Ý nghĩa khoa học thực tiễn 4.1 Ý nghĩa khoa học - Kết nghiên cứu luận án góp phần làm rõ chất ứng xử học đất khơng bão hịa - Xác định thông số đất khu vực duyên hải miền Trung gồm đường cong đặc trưng đất – nước; quan hệ hệ số thấm cường độ chống cắt với lực hút dính làm sở phân tích đánh giá ảnh hưởng nước đến thay đổi đặc trưng - Kết hợp mơ hình số FEM để phân tích ổn định tổng thể mơ hình số DEMPFV để mơ cục vị trí bên đường đắp nhằm giải vấn đề tồn nghiên cứu ổn định đường 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Nghiên cứu ảnh hưởng thông số (Các đặc trưng học) đất khơng bão hịa đến ổn định đường đắp cho phép lựa chọn mặt cắt, kích thước hợp lý kỹ thuật kinh tế tính tốn thiết kế cơng trình giao thơng khu vực duyên hải miền Trung Bố cục luận án Mở đầu Chương 1: Tổng quan ảnh hưởng nước đến đặc trưng học công trình đường đắp điều kiện khơng bão hồ Chương 2: Cơ sở lý thuyết nghiên cứu đặc trưng học đất khơng bão hịa Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định đặc trưng học đất khơng bão hịa Chương 4: Phân tích ảnh hưởng đặc trưng học đất khơng bão hồ đến ổn định khối đắp đường Kết luận – Kiến nghị Tài liệu tham khảo danh mục công bố tác giả CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC ĐẾN CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRONG ĐIỀU KIỆN KHƠNG BÃO HỊA 1.1 Tổng quan mơi trường đất bão hịa khơng bão hịa Đất bão hòa trạng thái đất lỗ rỗng bị lấp đầy nước, đất khơng bão hịa mà nước lấp đầy phần lỗ rỗng có thêm tham gia khí Đất chuyển trạng thái từ bão hịa sang trạng thái khơng bão hịa xảy q trình bốc hơi, ngược lại đất chuyển từ trạng thái khơng bão hồ sang trạng thái bão hoà điều kiện chịu tác động mưa mực nước ngầm dâng cao Nước bổ sung vào đất mưa từ đất bốc làm thay đổi độ ẩm đất Nước mưa thấm vào đất làm thay đổi thể tích pha nước đất, làm thay đổi dòng thấm trọng lực thấm chênh lệch gradient thuỷ lực, áp suất nước lỗ rỗng tăng theo chiều dương, từ làm giảm cường độ chống cắt đất kết dẫn đến nguy ổn định mái dốc đường 1.2 Tổng quan vấn đề đặc trưng học đất không bão hịa Đất khơng bão hịa khác biệt đặc trưng học so với đất bão hịa Lực hút dính, đường cong đặc trưng đất – nước, hệ số thấm cường độ chống cắt đặc trưng đất khơng bão hịa 1.3 Ảnh hưởng nước đến đặc trưng học đường đắp Việt Nam khu vực duyên hải miền Trung Với điều kiện biến đổi bất thường khí hậu, với đặc trưng khác biệt địa hình Miền Trung, thời gian mưa kéo dài, nước mưa thấm sâu vào đất làm mở rộng vùng bão hòa giảm cường độ chống cắt đất làm giảm hệ số ổn định mái dốc đường dẫn đến nguy ổn định 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu đặc trưng học đất khơng bão hịa giới Việt Nam 1.4.1 Nghiên cứu đặc trưng học đất khơng bão hịa giới Các phương trình biểu diễn thay đổi thể tích, cường độ chống cắt thấm đất không bão hoà ngày quan tâm nghiên cứu Các nghiên cứu thực nghiệm đất khơng bão hịa nhằm xây dựng quan hệ độ ẩm với lực hút dính lớp đất khơng bão hịa bề mặt (Thấm, cường độ chống cắt biến thiên thể tích) Đã có nghiên cứu phân tích ảnh hưởng thấm ổn định tổng thể mái dốc, tác động thấm ảnh hưởng độ rỗng, ảnh hưởng đến lún độ bền chống cắt tổng thể đất đắp Tuy nhiên thay đổi đặc trưng học đất khơng bão hồ vị trí cục xói ngầm gây nguyên nhân gây ổn tổng thể từ vị trí cục phần lớn chưa giải 1.4.2 Nghiên cứu đặc trưng học đất khơng bão hịa Việt Nam Nghiên cứu học đất khơng bão hồ công bố (PQ Hưng (2012) [12], NTN Hương (2013) [9], PH Dũng (2020) [11]) Các lý thuyết thấm, ổn định mái dốc, quan hệ ứng suất – biến dạng ứng dụng vào phân tích ổn định cơng trình đường/mái dốc 1.5 Vấn đề tồn nghiên cứu giới Việt Nam Vẫn chưa có đánh giá mức vị trí cục hay kết hợp nhiều mơ hình nhằm mô tả chất học xảy q trình mơi trường đất khơng bão hịa Đề tài tiến hành phân tích khó khăn nghiên cứu đất khơng bão hịa, sở kết hợp thực nghiệm phân tích hai mơ hình số DEM-PFV để mô tả chất học vị trí cục phân tích ổn định tổng thể đường đắp phương pháp số FEM CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU VỀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA ĐẤT KHƠNG BÃO HỊA 2.1 Cơ sở lý thuyết xác định đặc trưng học đất khơng bão hịa 2.1.1 Các biến trạng thái ứng suất đất đường cong đặc trưng đất nước Đường cong biểu diễn phụ thuộc sức hút dính vào độ ẩm gọi đường cong đặc trưng đất – nước Khi sức hút dính thay đổi ảnh hưởng đến thay đổi dịng thấm mơi trường rỗng Hình dạng đường cong đặc trưng đất – nước, tham số đất kiểm sốt phân bố kích thước hạt loại đất Giá trị khơng khí vào tăng lên hạt đất mịn hơn, tăng theo độ dẻo đất Độ dốc vùng chuyển tiếp dốc vật liệu thơ lực hút dính cịn lại thấp so với đất hạt mịn 2.1.2 Cường độ chống cắt đất không bão hịa Fredlund (1978) kiến nghị phương trình cường độ chống cắt (2.10) f c f ua tan ua uw tan b Trong q trình thi cơng, lớp đất đắp trước cố kết dẫn đến khơng bão hịa, áp suất khí lỗ rỗng dư áp suất nước lỗ rỗng dư tiêu tan hết Như vậy, dùng sơ đồ cắt cố kết nước + khí (CD) để mơ điều kiện làm việc đường 2.1.3 Dòng thấm khơng ổn định đất khơng bão hồ 2.1.3.1 Định luật thấm Darcy cho đất khơng bão hồ Tổng tổn thất xác định theo phương trình Bernoulli: ht p v2 h w g g e (2.12) dh dl (2.15) Định luật Darcy: Q K A 2.1.3.2 Cơ sở lý thuyết dịng thấm khơng bão hồ - mơ hình SEEP/W Chuyển động dịng thấm (2D) khơng ổn định đất khơng bão hịa đẳng hướng mơ tả theo phương trình (2.16) H kx x x H ky y y H q mw w g t (2.16) 2.2 Mơ hình số mơ đất khơng bão hịa-phương pháp phần tử hữu hạn Phương trình tổng quát phương pháp phần tử hữu hạn sau: m m (2.18) K d R K d F e i i1 e i i1 Phương pháp FEM chưa cho phép hiểu rõ chất ứng xử học đất khơng bão hịa tỷ lệ vi mơ/cục Vì vậy, địi hỏi nghiên cứu tìm phương pháp nghiên cứu ứng xử học đất không bão hòa tỷ lệ cục điều cần thiết 2.3 Mơ hình số mơ đất khơng bão hòa - phương pháp phần tử rời rạc kết hợp với thể tích lỗ rỗng hữu hạn (DEM – PFV) Mơ hình thuật tốn DEMPFV giới thiệu hình 2.1 2.4 Ổn định mái dốc Hệ số ổn định mái dốc đất khơng bão hịa xác định theo Bishop c ' n ua tan ' ua uw w r tan ' s r Fs s gzs sin cos (2.52) 2.5 Kết luận chương Chương trình bày sở lý thuyết để xác định đặc trưng học đất khơng bão hịa SWCC, hệ số thấm, cường độ chống cắt Cường độ chống cắt đất khơng bão hồ nội dung luận án xác định từ thí nghiệm cắt cố kết nước (CD) Khi phân tích ổn định mái dốc áp dụng phương pháp lực dính tồn phần để xem xét ảnh hưởng thông số đất không bão hoà đến hệ số an toàn (FOS) Nghiên cứu sở lý thuyết mơ hình số kết hợp DEM – PFV ứng dụng vào nghiên cứu biến dạng lún cố kết thấm cục chịu tác dụng mưa cấu trúc đường đắp thực chương Hình Sơ đồ thuật tốn mơ hình DEM – PFV CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA ĐẤT KHƠNG BÃO HỊA 3.1 Tính chất đất dùng thí nghiệm Bảng Tính chất lý mẫu vật liệu đầm nén mỏ đất Các tiêu Ký hiệu Đơn vị Dương Cấm Cồn Lê Tỷ trọng GS 2,702 2,721 Giới hạn chảy WL % 38,4 41,65 Giới hạn dẻo WP % 22,8 25,68 Chỉ số dẻo IP % 15,6 15,97 Dung trọng khô lớn dmax g/cm3 1,921 1,88 Độ ẩm tốt Wopt % 12,9 13,37 3.2 Thí nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất-nước 3.2.1 Kết thí nghiệm đường cong đặc trưng đất-nước 3.2.1.1 Xác định hệ số thấm đất từ đường cong SWCC Hệ số thấm xác định theo phương trình Leong Rahardjo 3.2.1.2 So sánh kết đường cong quan hệ hệ số thấm sức hút dính khu vực nghiên cứu với tác giả khác 3.3 Xác định cường độ chống cắt () đất khơng bão hịa thí nghiệm cắt trực tiếp 3.3.1 Chương trình thí nghiệm Bảng Chương trình thí nghiệm cắt trực tiếp Ứng suất pháp Lực hút dính, (kPa) thực,(kPa) 20 50 100 200 DST100-20 DST100-50 DST100-100 DST100-200 100 DST200-20 DST200-50 DST200-100 DST200-200 200 DST300-20 DST300-50 DST300-100 DST300-200 300 3.3.2 Kết thí nghiệm mặt bao phá hoại 3.3.2.1 Kết thí nghiệm cho mẫu đầm nén Dương Cấm Hình Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng Đất thí nghiệm có góc ma sát ϕ’= 14° lực dính kết đơn vị c’= 13,57 kPa Khi lực hút dính tăng, góc ma sát gần tăng mẫu tăng lên đáng kể, góc ϕb giảm, ϕb = ϕ’ lực hút dính nhỏ giá trị khí vào tới hạn Hình Quan hệ cường độ chống cắt ứng suất pháp thực, cắt trực tiếp Hình 3 Quan hệ cường độ chống cắt lực hút dính ứng suất pháp thực kPa 3.3.2.2 Kết thí nghiệm cho mẫu đầm nén Cồn Lê Với lực hút dính kPa, nhỏ 14,83 kPa ứng suất pháp thực kPa, lớn 53,73 kPa 200 kPa Với lực hút dính 300 kPa, nhỏ đạt 153,6 kPa ứng suất pháp thực kPa, giá trị lớn đạt 210,9 kPa 300 kPa Kết thí nghiệm đất Cồn Lê có ϕ’= 13,91° c’= 14,83 kPa Lực hút dính tăng, góc ma sát thay đổi gần ϕ’= 13,91°, mẫu tăng lên, góc ϕb giảm Hình Mặt bao phá hoại MohrCoulomb mở rộng lập Hình Quan hệ cường độ chống cắt ứng suất pháp thực cắt trực tiếp Hình Quan hệ cường độ chống cắt lực hút dính ứng suất pháp thực kPa 11 Đường bao phá hoại Mohr-Coulomb cho mẫu đất đầm nén Cồn Lê ứng với lực hút dính 100 kPa hình 3.11b, lực dính mẫu c = 40,24 kPa Góc ma sát mẫu 13,810 Tại cấp lực hút dính 200 kPa, lực dính tồn phần mẫu c = 67,17 kPa Xu hướng giảm ϕb lực hút dính tăng ϕ’ khơng đổi, ϕb = ϕ’ lực hút dính nhỏ giá trị khí vào tới hạn hình 3.12 Hình 12 Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng Khoảng chặn lực dính trở thành lực dính hiệu c’ = 15,2 kPa lực hút dính tiến tới khơng Tất đường lực hút dính có góc dốc ϕ’ = 13,81º Hình 13 Hình chiếu ngang Hình 14 Hình chiếu ngang mặt bao phá hoại τ ~ (σ - ua) mặt bao phá hoại τ ~ (ua – uw) Giao tuyến biểu thị lượng tăng cường độ chống cắt lực hút dính tăng có tính phi tuyến Cùng lực hút dính, áp suất hơng thực lớn cường độ chống cắt tăng 12 3.5 Phân tích kết thí nghiệm 3.5.1 So sánh kết thí nghiệm Hình 15 Đường quan hệ ứng Hình 16 Đường quan hệ ứng suất cắt lực hút dính mẫu suất cắt lực hút dính mẫu Dương Cấm từ TN nén ba trục Cồn Lê từ TN nén ba trục cắt cắt trực tiếp trực tiếp Chênh lệch cường độ chống cắt trung bình theo hai phương pháp 2,8% mỏ Dương Cấm 3,6% mỏ Cồn Lê Bảng So sánh thông số cường độ chống cắt hiệu Thông số τ hiệu ϕ' (độ) c' (kPa) Lực hút dính b (kPa) - ϕ (độ) 20 50 100 200 Mỏ Dương Cấm Cắt trực tiếp Ba trục 140 13,930 13,57 14,4 14,23 14,21 14,11 13,87 7,63 6,85 6,21 6,12 Mỏ Cồn Lê Cắt trực tiếp Ba trục 13,910 13,810 14,83 15,2 14,13 14,12 13,88 12,49 6,11 5,45 4,76 4,83 Từ bảng 3.4 ta thấy kết cắt trực tiếp tương thích với thí nghiệm nén ba trục, điều kiện khó khăn thí nghiệm ba trục ta sử dụng cắt cực tiếp cho kết nhanh chóng với độ xác cao 3.5.2 So sánh kết thí nghiệm với kết tính từ cơng thức thực nghiệm đề xuất Fredlund Vanapalli, 1996 Hình 17 Đường quan hệ τ (ua – uw) mẫu Dương Cấm từ TN cắt trực tiếp FredlundVanapalli Hình 18 Đường quan hệ τ (ua – uw) mẫu Cồn Lê từ TN cắt trực tiếp Fredlund-Vanapalli 13 Các đường quan hệ cường độ chống cắt τ lực hút dính (ua – uw) mẫu đất đầm nén khu vực mỏ đất Dương Cấm Cồn Lê xác định từ thí nghiệm cắt trực tiếp cho giá trị tiệm cận với công thức thực nghiệm đề xuất Fredlund Vanapalli (1996) Chênh lệch trung bình cường độ chống cắt so sánh 3,56% mỏ Dương Cấm 4,4% mẫu Cồn Lê Hình 19 Đường quan hệ τ Hình 20 Đường quan hệ τ (ua – uw) mẫu Dương Cấm từ TN (ua – uw) mẫu Cồn Lê từ TN nén nén ba trục Fredlund-Vanapalli ba trục Fredlund-Vanapalli Hình 3.19 3.20 biểu diễn kết cường độ chống cắt xác định từ thí nghiệm nén ba trục cố kết nước có giá trị tiệm cận với cơng thức thực nghiệm đề xuất Fredlund Vanapalli (1996) mẫu đất đầm nén mỏ đất Dương Cấm Cồn Lê Chênh lệch trung bình cường độ chống cắt so sánh 2,5% 3,8% 3.6 Kết luận chương Từ kết thí nghiệm cho thấy trình thay đổi lượng nước với sức hút dính hay lực mao dẫn phi tuyến Mặc dù trị số có khác mẫu song xu đường cong phù hợp với kết thí nghiệm tác giả thực nước giới Kết cắt trực tiếp với cắt cố kết thoát nước thiết bị ba trục cho giá trị tương đối gần nhau, điều kiện khó khăn dùng thiết bị cắt trực tiếp để thí nghiệm thơng số chống cắt Từ đường cong SWCC thực nghiệm cho thấy ảnh hưởng nước đến ửng xử đất khơng bão hồ thơng qua tính nén lún, cường độ chống cắt, quan hệ hệ số thấm lực hút dính 14 CHƯƠNG PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC ĐẤT KHƠNG BÃO HỒ ĐẾN ỔN ĐỊNH KHỐI ĐẮP NỀN ĐƯỜNG 4.1 Nghiên cứu ổn định tổng thể đường đắp mơ hình phần tử hữu hạn 4.1.1 Giới thiệu chung cơng trình Điểm đầu tuyến thơn Túy Loan, huyện Hịa Vang, thành phố Đà Nẵng điểm cuối nút giao thông đường vành đai quy hoạch thành phố Quảng Ngãi thuộc xã Nghĩa Kỳ, huyện Tư Nghĩa, tỉnh Quảng Ngãi 4.1.2 Mơ hình phân tích ổn định đường cao đoạn cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi 4.1.2.1 Đặc trưng đất kích thước hình học mơ hình Bảng Đặc trưng đất Dương Cấm lớp địa chất tự nhiên Các tiêu Lớp đắp Lớp1 Lớp2 Lớp Lớp4 Dung trọng khô [kN/m3] 18,25 20 22 23 24 Lực dính đơn vị [kPa] 14,4 10 10 10 Góc ma sát [độ] 13,93 22 24 25 25 Góc ma sát biểu kiến 6,12 10 10 [độ] Hệ số thấm bão hòa [m/hr] 0,075 0,04 0,03 0,025 0,02 Hàm lượng nước bão hòa 0,45 0,35 0,35 0,30 0,25 [m3/m3] Hàm lượng nước dư [m3/m3] 0,05 0,04 0,05 0,05 0,05 Đường cong SWCC xây dựng cho lớp sét pha cát (lớp đất đắp nền) hình 4.1a, hàm thấm lớp hình 4.1b Hình Đường cong đặc trưng đất – nước (a), khả thấm (b) lớp đất đắp mỏ Dương Cấm (Lớp sét pha cát) 15 Bảng Các kịch nghiên cứu ổn định đường Kịch Cường độ Các điều kiện tính tốn mưa (mm/h) KB1 Phân phối đều; mưa 24h 0,12 Phân phối pp chuẩn; mưa KB2 0,12 72h Phân phối pp chuẩn; xét đến KB3 0,144 BĐKH; mưa 72h 4.1.2.2 Kết mơ số kết hợp mơ hình SEEP/W SLOPE/W cho kịch a Sự thay đổi áp suất nước lỗ rỗng Ở thời điểm 0h áp suất nước lỗ rỗng thuỷ tĩnh tất vị trí mặt cắt Phân bố áp suất nước lỗ rỗng theo chiều sâu phân chia thành hai vùng: vùng có giá trị (+) thay đổi từ đến 185,055 kPa (tim đường), từ đến 165,24 kPa (vai đường trái), từ đến 185,05 kPa (vai đường phải), từ đến 155,55 kPa (chân taluy trái) Khi chưa có mưa áp suất nước lỗ rỗng đất có giá trị điểm thuộc đường bão hồ có độ cao tính từ đáy lớp thứ 4: 19,01m (tim đường), 16,98m (vai đường trái), 19,04m (vai đường phải), 15,55m (chân taluy trái) TT Hình Phân bố áp suất nước lỗ rỗng kết cấu đường đắp:(a) tim đường, (b) vai đường trái, (c) Vai đường phải, (d) Chân taluy đường trái – kịch 16 b Sự thay đổi cột nước gây dòng thấm đất Khi có bổ sung nước mưa, tăng cường hàm lượng nước đất làm dâng mực nước ngầm đáng kể theo thời gian Kết cấu đường đắp liên tục bổ sung nước tạo nên dịng thấm khơng ổn định (hình 4.3) Hình Phân bố cột nước Hình 4 Thay đổi hệ số kết cấu đường đắp, KB ổn định theo thời gian, KB c Sự thay đổi hệ số ổn định đường đắp chịu tác động kết hợp dòng thấm bổ sung nước mưa Hệ số ổn định (k) giảm từ 1,86 đến 1,67 (giảm 10,75%) so với chưa có mưa (hình 4.4) Hệ số k giảm nhanh sau 2h đầu từ có mưa (từ 1,86 đến 1,805 – giảm 2,96%) Từ thứ đến hết 24h, k giảm dần từ 1,77 đến 1,66, giá trị trung 0,83% 22h, kết cho thấy hệ số ổn định tổng thể đường đắp giảm dần theo thời gian mưa (nhanh 2h đầu giảm dần theo thời gian 24h) d Sự thay đổi hệ số thấm đất sức hút dính Kết phân tích hệ số thấm (kw) đất hình 4.5 cho thấy sức hút dính tăng, kw giảm Với vật liệu đường khác nhau, giảm kw theo sức hút dính khác cụ thể: (i) vật liệu đắp đường, kw từ 0,04 mm/h đến 0,004mm/h ứng với sức hút dính tăng từ 0,05 kPa đến kPa; (ii) vật liệu đường, kw từ 0,0027 mm/h đến 0,0006 mm/h ứng với sức hút dính tăng từ 0,04 kPa đến 40 kPa Với cấp sức hút dính, kw phụ thuộc vào loại vật liệu đường Sức hút dính tham số ảnh hưởng trực tiếp đến ứng suất cắt 17 Hình Thay đổi hệ số thấm phụ thuộc sức hút dính – kịch 4.1.2.3 Kết mô số kết hợp mô hình SEEP/W SLOPE/W KB2 Hình Thay đổi hệ số ổn định mái dốc theo thời gian – kịch 2: (a) phân phối mưa đều, (b) phân phối mưa chuẩn Đối với mơ hình phân phối mưa (hình 4.6a) hệ số ổn định giảm từ k =1,758 k = 1,127 tương đương giá trị tương đối 35,88% so với chưa có mưa, cụ thể sau: (i) Hệ số ổn định giảm nhanh sau 20h đầu kể từ có mưa (từ 1,758 đến 1,315) giá trị tương đối 25,87%, (ii) Kể từ thời điểm thứ 21 đến hết 72h, hệ số ổn định biến thiên giảm dần từ 1,311 đến 1,127, giá trị trung 14% 48h, (iii) Thời điểm mái dốc ổn định, hệ số ổn định nhỏ 1,3 thời điểm từ thứ 22 (Hệ số ổn định 1,299) thứ 72 Đối với mơ hình phân phối mưa chuẩn (hình 4.6b) hệ số ổn định giảm từ k =1,8 k = 1,138 (giảm 36,78%) so với chưa có mưa, cụ thể sau: (i) k giảm nhanh sau 20h đầu kể từ có mưa (từ 1,800 đến 1,347, giảm 25,12%), (ii) Từ thứ 21 đến hết 72h, k giảm dần từ 1,311 18 đến 1,127, ( trung bình giảm12,81%) 48h, (iii) Thời điểm mái dốc ổn định, k nhỏ 1,3 thời điểm từ thứ 26 (k 1,297) thứ 72 Như vậy, kết cho thấy hệ số ổn định tổng thể đường đắp giảm dần theo thời gian mưa Xu hướng giảm hệ số ổn định tổng thể nhanh 20h đầu xu hướng giảm dần theo thời gian 72h Hệ số ổn định tổng thể mơ hình phân phối mưa chuẩn có xu hướng giảm muộn theo thời gian phù hợp thực tế so với mơ hình phân phối mưa 4.1.2.4 Kết mô số cho kịch – mơ hình phân phối mưa mơ hình phân phối mưa chuẩn với cường độ mưa 0,144m/h 72h Hình Thay đổi hệ số ổn định mái dốc theo thời gian – kịch 3:(a) phân phối mưa đều,(b) phân phối mưa chuẩn Đối với mô hình phân phối mưa (hình 4.7a), hệ số ổn định giảm từ k =1,749 k = 1,127 (giảm 35,57%) so với chưa có mưa Mức độ giảm hệ số ổn định cụ thể sau: (i) Hệ số ổn định giảm nhanh sau 20h đầu kể từ có mưa (từ 1,758 đến 1,315) tương đương giá trị tương đối 24,93%, (ii) Kể từ thời điểm thứ 21 đến hết 72h, hệ số ổn định biến thiên giảm dần từ 1,305 đến 1,127, giá trị trung 113,63% 48h, (iii) Thời điểm mái dốc ổn định, hệ số ổn định nhỏ 1,3 thời điểm từ thứ 22 (Hệ số ổn định 1,298) thứ 72 Đối với mơ hình phân phối mưa chuẩn (hình 4.7b), hệ số ổn định giảm từ k =1,799 k = 1,134 (giảm 36,96%) Mức độ giảm hệ số ổn định cụ thể sau: (i) Giảm nhanh sau 20h đầu kể từ có mưa (từ 1,799 đến 1,340 tương đương giảm 25,54%), (ii) Kể từ thời điểm thứ 21 đến hết 72h, giảm dần từ 1,331 đến 1,134, giá trị trung bình 14,79% 48h, (iii) Thời điểm mái dốc ổn định, k nhỏ 1,3 từ thứ 19 25 (Hệ số ổn định 1,299) thứ 72 4.1.2.5 So sánh kết kịch Với KB1, mái dốc làm việc ổn định 24h với hệ số ổn định từ 1,86 – 1,67, lớn 1,3 đáp ứng yêu cầu hệ số ổn định tiêu chuẩn đường cao tốc Với KB2 KB3, mưa liên tục với thời gian 72h, hai mơ hình phân phối mưa phân phối mưa chuẩn cho kết tiệm cận Mái dốc làm việc ổn định khoảng thời gian 24h ổn định 48h Tuy nhiên với mơ hình phân phối mưa chuẩn, hệ số ổn định giảm chậm so với mơ hình phân phối mưa phù hợp với điều kiện mưa thực tế Với mơ hình phân phối mưa chuẩn/KB3 (có kết hợp với biến đổi khí hậu) cho ta hệ số ổn định thấp so với KB2 (hình 4.8) Cả hai kịch có quy luật tương đồng với nhau, hệ số ổn định giảm nhanh sau 20h đầu nước mưa liên tục bổ sung vào kết cấu khối đất đắp đường tự nhiên bên dưới, làm giảm sức hút dính đất dẫn đến mái dốc bị ổn định nhanh chóng Trong 72h, nước mưa tiếp tục ngấm xuống đường phần phần tạo thành dòng chảy tràn bề mặt mái dốc, hệ số ổn định giảm tương đối so với giai đoạn 20h đầu Hình So sánh hệ số ổn định mơ hình mưa phân phối chuẩn kịch 4.2 Nghiên cứu ổn định cục đường đắp mơ hình 20 phần tử rời rạc 4.2.1 Mơ lún cố kết cục khu vực bão hòa mơ hình số kết hợp DEM–PFV Các điều kiện biên áp suất; thành bên biên cứng không thấm nước; biểu đồ Voronoi; trường áp suất nhận N 5000 hạt Hình Biểu đồ Voronoi điều kiện biên tải trọng áp suất [137] Bài tốn mơ cho trường hợp N 5000 hạt, tải trọng tương ứng với 5000Pa hệ số thấm k 3x107 m / s , kết mô độ lún tương đối thay đổi theo thông số thời gian nhận từ mơ so sánh với kết phân tích lý thuyết lún cố kết thấm chiều Terzaghi giới thiệu hình 4.10 cho thấy phù hợp mơ hình DEM–PFV mơ lún cố kết, đó: S độ lún theo thời gian, S fin độ lún cuối cùng, Tv thơng số thời gian Hình 10 So sánh kết mơ Hình 11 So sánh áp suất nước lún với lý thuyết lún cố lỗ rỗng mô số với lý kết thấm Terzaghi thuyết Terzaghi Hình 4.11 biểu diễn thay đổi áp suất nước lỗ rỗng phụ thuộc thông số thời gian từ mô số Kết so sánh với áp suất nước lỗ rỗng điểm theo thời gian với kết tính theo lý thuyết cố kết 21 thấm Terzaghi phù hợp mơ hình DEM–PFV mơ trường áp suất dịng chảy mơi trường rỗng Ứng dụng mơ hình số kết hợp DEM–PFV vào nghiên cứu biến dạng lún cố kết chịu tác dụng tải trọng tĩnh giới thiệu Biến dạng lún tương đối áp suất nước lỗ rỗng trình cố kết nghiên cứu Dự báo mơ hình DEM–PFV cho thấy phù hợp tốt với kết lý thuyết cố kết thấm Terzaghi (hình 4.10) 4.2.2 Mơ dòng thấm cục khu vực bão hòa mơ hình số kết hợp DEM–PFV Kết thấm nội tuyệt đối nhận từ mô so sánh với thực nghiệm công thức bán thực nghiệm giới thiệu hình 4.12a Hệ số thấm khơng thứ ngun * chuẩn hóa thơng qua thơng số D * đặc trưng cho bán kính thủy lực giới thiệu hình 4.12b Nhìn chung, xu hướng đường cong mô tương đồng với Giá trị lớn * / D *2 nhận trường hợp hạt Thấm giảm đến giá trị nhỏ M 0.3 cho tất trường hợp Nhìn chung, dạng tổng quát đường cong phù hợp với thay đổi độ rỗng khơng hồn tồn tương tự Cụ thể, * thay đổi không lớn 0.7 M , không tương đồng với thay đổi độ rỗng, xu hướng phản ánh cho mơ số tính theo cơng thức thực nghiệm hay bán thực nghiệm (a) (b) Hình 12 So sánh kết thấm (a): thấm nội tại, (b): thấm khơng thứ ngun chuẩn hóa bán kính thủy lực Về định lượng, quan hệ thực nghiệm có xu hướng dự báo thấm cao giá trị thấm đo đạc phịng thí nghiệm M nhỏ Quan hệ thực nghiệm KozenyCarman chưa phản ánh quan hệ thấm biểu 22 thị tất trường hợp kết thấm cao lần, quan hệ khác ước lượng thấm tương đối tốt 0.2 M 0.9 Quan hệ thực nghiệm K C phù hợp vật liệu hạt có cấp phối đều, kết nghiên cứu quan hệ không phù hợp tốt với trường hợp cấp phối không liên tục đồng Dự báo mơ hình DEMPFV thỏa mãn M 0.5 với sai số 50% Ước lượng thấm 0.7 M 0.9 với sai số 2.5 lần Sai số dự báo mơ hình độ lớn so với thực nghiệm Sai số kết mơ số có trị số so với quan hệ thực nghiệm Terzaghi Slichter nhỏ nhiều so với giá trị nhận từ quan hệ thực nghiệm KozenyCarman 4.3 Kết luận chương - Kết phân tích ổn định tổng thể đường mơ số FEM có xu hướng giảm theo thời gian nước bổ sung liên tục vào kết cấu đường Nhìn chung mơ hình phân phối mưa chuẩn có hệ số ổn định tổng thể giảm muộn theo thời gian so với mơ hình phân phối mưa phù hợp so với điều kiện mưa thực tế - Kết phân tích mơ hình FEM cho thấy với vật liệu hạt khác nhau, sức hút dính tăng hệ số thấm giảm Quá trình thấm kết hợp với bổ sung nước mưa theo thời gian làm cho áp suất nước lỗ rỗng vùng không bão hoà tăng lên làm giảm khả chống cắt đất dẫn đến nguy ổn định tổng thể đường - Mơ hình số kết hợp DEM–PFV mà tác giả nghiên cứu ứng dụng phản ánh cấu trúc nội học vi mô quan hệ hạt đất, nước khơng khí vùng đất khơng bão hồ vai trị lực hút dính Nghiên cứu góp phần mở khả có hiệu việc sử dụng mơ hình hố để đánh giá ứng xử vi mô mà nghiên cứu vĩ mô đặc trưng học đất mơ hình FEM cịn để lại 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I Các kết đạt Luận án - Tổng quan đặc điểm địa hình, khí hậu tính chất lý khu vực nghiên cứu duyên hải miền Trung nghiên cứu giới đất khơng bão hịa, tồn khó khăn lĩnh vực nghiên cứu - Việc nghiên cứu ứng dụng sở lý thuyết phương trình xác định đặc trưng học đất khơng bão hịa, mơ hình phần mềm ứng dụng phân tích tính ổn định đường đắp làm sáng tỏ q trình tính tốn - Kết thực nghiệm dựa hai phương pháp xác định thông số đầu vào thể vai trị nước thơng qua quan hệ đặc trưng học đường cong đặc trưng đất – nước, đường cong quan hệ hệ số thấm sức hút dính, cường độ chống cắt phụ thuộc vào sức hút dính với mỏ đất thuộc khu vực nghiên cứu - Từ thông số đầu vào, tiến hành phân tích ổn định đánh giá ảnh hưởng nước đến đặc trưng học ổn định tổng thể đường đắp khu vực Đà Nẵng - Quảng Ngãi mơ hình FEM - Mơ hình hình số kết hợp DEM–PFV thuật toán ứng dụng vào nghiên cứu ổn định lún cố kết, dịng thấm vị trí cục Kết mô nhận từ mô hình phân tích, đánh giá so sánh với kết tính tốn tác giả khác xác nhận phù hợp khả dự báo mơ hình DEM để phân tích cấu trúc nội tương tác hạt, nước khí vùng khơng bão hồ đến ổn định cục đường đắp - Kết cho thấy việc ứng dụng mơ hình phân tích ổn định tổng thể (FEM) cục (DEM-PFV) giúp phân tích ổn định giai đoạn thi công khai thác II Những đóng góp Luận án - Nghiên cứu ảnh hưởng nước đến đặc trưng học đất khơng bão hồ thơng qua việc xây dựng đường cong đặc trưng đất – nước, đường cong quan hệ hệ số thấm sức hút dính, cường độ chống cắt phụ thuộc vào sức hút dính hay lực mao dẫn nước mỏ đất thuộc khu vực duyên hải miền Trung - Kết thí nghiệm thơng số cường độ chống cắt đất theo 24 sờ đồ cắt trực tiếp sơ đồ cắt cố kết thoát nước thiết bị nén ba trục, cho khác biệt không đáng kể gợi ý ta dùng phương pháp cắt trực tiếp để xác định ban đầu thông số cường độ chống cắt đất khơng bão hồ điều kiện hạn chế thiết bị thí nghiệm Việt Nam - Nghiên cứu ứng dụng thành công phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích ổn định tổng thể đường đắp mơ hình số kết hợp DEM–PFV để phân tích đánh giá ổn định thấm lún cục có sử dụng kết thí nghiệm III Kiến nghị - Bổ sung thí nghiệm nghiên cứu đặc trưng học đất khơng bão hồ với mẫu đất dọc tuyến khu vực nghiên cứu để mở rộng kết phân tích; - Bổ sung kết quan trắc thực tế đặc trưng học đất để khẳng định vai trị FEM tính tốn ổn định cho đất miền Trung so sánh với kết phân tích phương pháp phần tử hữu hạn làm sở cho việc xác nhận khả dự báo mô hình FEM; - Nghiên cứu kết nối FEM DEM – PFV cho việc mơ hình hóa mơ toán liên quan đến ứng xử vĩ mơ vi mơ đất khơng bão hồ tác dụng tải trọng BĐKH DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Anh Tuan TONG, Nguyen Hoang Phuong LUONG “Numerical model of hydro – mechanical coupling DEM – PFV and application for simulation of settlement of soil saturated in embankments due to static loading” CIGOS 2019 – Hà Nội – Việt Nam Scopus Q4 Page (745-750) Lương Nguyễn Hoàng Phương, Tống Anh Tuấn “Phương pháp phần tử rời rạc ứng dụng học đất khơng bão hịa” Tạp chí cầu đường Việt Nam, số 10-2019, trang (24-29) Lương Nguyễn Hoàng Phương, Tống Anh Tuấn “Tổng quan phương pháp phần tử rời rạc để mơ ứng suất có hiệu đất chưa bão hịa” Tạp chí giao thơng vận tải, Bộ Giao Thông Vận Tải, số 122019, trang (64-67) Lương Nguyễn Hồng Phương, Tống Anh Tuấn “Mơ hình đàn hồi mơ tương tác học vật liệu hạt” Kỹ yếu hội thảo ATIGB2019 - Tạp chí Đại học Đà Nẵng Lương Nguyễn Hoàng Phương, Nguyễn Văn Linh “Tổng quan sử dụng phương pháp phần tử rời rạc mô thí nghiệm ba trục với mơ hình tiếp xúc đàn hồi phi tuyến” Tạp chí cầu đường Việt Nam, số 52021, trang (14-17) Lương Nguyễn Hoàng Phương,Nguyễn Văn Linh, Bùi Thị Thu Vĩ “Nghiên cứu số phương pháp xác định mô đun biến dạng đất” Tạp chí Xây dựng, số 10-2022, trang (105-107) Lương Nguyễn Hồng Phương, Trần Đình Nghiên, Tống Anh Tuấn “Nghiên cứu ảnh hưởng mưa lớn kéo dài có xét đến biến đổi khí hậu đến ổn định mái taluy đường đắp khu vực duyên hải miền trung: mơ số kết hợp mơ hình SEEP/W SLOPE/W” Tạp chí Cầu đường Việt Nam, số 7–2023, trang (15-17)