Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu thực nghiệm xác định giá trị ứng suất tiếp giới hạn của vật liệu đất dính trong tính toán xói lở

Huế Chuyên ngành: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY MSSV: 10200394 I – TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ ỨNG SUẤT TIẾP GIỚI HẠN CỦA VẬT LIỆU ĐẤT DÍNH TRONG TÍNH TOÁN XÓI LỞ I

Tớnh cấp thiết của ủề tài

Tỡnh hỡnh sạt lở và biến ủổi lũng dẫn trong sụng là một vấn ủề xảy ra phổ biến trờn khắp thế giới Nú ảnh hưởng rất lớn ủến rất nhiều lĩnh vực kinh tế, xó hội, môi sinh, môi trường…

Hệ thống sụng ngũi kờnh rạch chằng chịt là một trong những ủặc trưng nổi bật nhất của Đồng bằng sông Cửu long (ĐBSCL) Kênh rạch không chỉ làm nhiệm vụ tưới, tiờu, thoỏt lũ cho nụng nghiệp mà cũn là hệ thống giao thụng thủy ủặc biệt quan trọng ủối với mọi họat ủộng kinh tế - xó hội trong vựng Dọc theo cỏc dũng sông, các con kênh là cư trú, sinh họat “trên bến, dưới thuyền” của hàng triệu người dõn vựng ủồng băng Ngày nay cỏc vựng dõn cư dọc theo cỏc tuyến kờnh ủó và ủang trở nờn trự phỳ, hiện ủại Cỏc ủụ thị, thị trấn, thị tứ cũng hỡnh thành và phỏt triển sỏt khu vực bờ sụng Tuy nhiờn, ĐBSCL lại là vựng ủất mới phỏt triển nhờ sự bồi ủắp phù sa của sông Mekong chừng vài trăm năm Những con sông chính vẫn trong thời kỳ biến ủổi lũng dẫn Cỏc kờnh rạch mới ủược ủào trong vũng vài chục năm ủến nay cũng khụng ngừng bị biến thỏi do sự tương tỏc giữa dũng chảy luụn thay ủổi (theo năm/theo mựa và thậm chớ trong ngày) và lũng dẫn vốn là ủất mềm yếu phõn bố hầu hết ở ĐBSCL Hệ quả của sự thay ủổi lũng dẫn là sự sạt lở bờ sụng, kờnh rạch Hàng trăm ủiểm sạt lở thường xuyờn ủó ủược xỏc ủịnh trờn cỏc tuyến sụng chớnh như sụng Tiền, sụng Hậu và cỏc chi lưu Cũn nhiều hơn thế cỏc ủiểm sạt lở cục bộ trờn cỏc kờnh rạch nhỏ hơn khụng cú ủiều kiện ủược khảo sỏt và ủưa vào cỏc ghi chép nghiên cứu Sạt lở trên các tuyến kênh rạch ở ĐBSCL ngày càng trở nên nghiờm trọng do con người tỏc ủộng ngày càng nhiều hơn vào thiờn nhiờn trong quỏ trình sản xuất và phát triển Thiệt hại do sạt lở cũng ngày một lớn hơn do quy mô, mức ủộ sạt lở và ủời sống kinh tế xó hội dõn cư ven sụng cao hơn Khụng chỉ cú thiệt hại về tài sản, nhiều cư dõn vựng ven sụng ủó bị thiệt mạng do khụng kịp ủối phú, di dời trỏnh sạt lở ủất Một số thị trấn, thị tứ ủang bị ủe dọa, thậm chớ tỉnh lỵ Sa

10 ủộc ủó phải di dời khỏi khu vực bị sạt lở

Ngay tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh (TPHCM) sạt lở bờ sông xảy ra tại rất nhiều ủịa ủiểm dọc theo sụng Sài gũn và cỏc kờnh rạch khỏc, trong ủú sự cố sạt lở tại bỏn ủảo Thanh ủa từng gõy thiệt hại về tài sản và sinh mạng

Nghiờn cứu ủỏnh giỏ khả năng khỏng xúi của cỏc loại vật liệu bờ sụng khỏc nhau, cũng như các giảp pháp phòng tránh những rủi ro xảy ra do sạt lở bờ sông ở khu vực ĐBSCL luôn luôn là mối quan tâm của các nhà khoa học và các cấp chính quyền từ Trung ương tới ủịa phương Cỏc biện phỏp “cụng trỡnh” và “phi cụng trỡnh” (cảnh bỏo, di dời…) cũng ủó ủược ỏp dụng nhằm giảm thiểu những thiệt hại do tình trạng sạt lở bờ sông gây ra

Tuy vậy, do sạt lở xảy ra trờn phạm vi toàn bộ hệ thống kờnh rạch vựng ủồng bằng mà kinh phí khắc phục từ nguồn vốn ngân sách cũng như của người dân còn ở mức rất hạn chế Cho nên nghiên cứu những giải pháp có chi phí thấp luôn là thách thức ủối với cụng tỏc phũng chống, giảm nhẹ thiờn tai vỡ nú khụng chỉ cú ý nghĩa kinh tế thuần tỳy mà cũn tạo nờn khả năng bảo vệ ủược nhiều người, nhiều ủất ủai trong giới hạn của ngân sách

Cũng ủó cú nhiều ủề xuất giải phỏp vật liệu mới, cụng nghệ mới ủó ủưa ra ủể giải quyết cho vấn ủề xúi lở bờ sụng ở ĐBSCL như là: thảm bờ tụng FS, thảm bờ tông tự chèn lưới thép P.Đ.TAC-M, mảng mềm bê tông tự chèn P.Đ.TAC-178 và thảm ủỏ reno mattress, vải ủịa kỹ thuật, cừ bản bờ tụng ứng suất trước, cừ bản nhựa vinyl, khối Tetrapod, cỏ chống xói mòn Vetiver…Nhưng hầu hết các giải pháp chi phi vẫn ủang cũn cao và chưa thõn thiện về mụi trường

Giải phỏp gia cố bờ sụng bằng vật liệu ủịa phương, tại chỗ, giỏ thành rẻ, cũng nên xem xét góp phần cho nhiều sự lựa chọn trong bài toán nghiên cứu những giải pháp gia cố bờ sông có chi phí thấp và thân thiện môi trường

Vấn ủề ủặt ra ở ủõy làm sao sử dụng hiệu quả vật liệu ủịa phương vào trong gia cố bờ sụng trỏnh sạt lở, xỏc ủịnh khả năng khỏng xúi τc vật liệu ủịa phương và vật liệu gia cố giỳp cho cụng tỏc tớnh toỏn ủỏnh giỏ xúi lở bờ sụng

Phương pháp thử nghiệm bằng thiết bị phun tia nước ngầm của Hanson được sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng suất tiếp giới hạn của vật liệu đất dẻo trong tính toán độ nhạy xói lở Phương pháp này có ưu điểm là quy trình thử nghiệm đơn giản, nhanh chóng và không tốn kém Các thông số thu được từ kết quả thử nghiệm có thể được sử dụng để tính toán và dự đoán sự xói mòn.

Mục ủớch và vấn ủề nghiờn cứu của ủề tài

Nhiệm vụ chớnh của ủề tài ““Nghiờn cứu thực nghiệm xỏc ủịnh ứng suất tiếp giới hạn của vật liệu ủất dớnh trong tớnh toỏn ủỏnh giỏ xúi lở”

Nghiên cứu phương pháp xói cọ rửa ứng suất tiếp giới hạn, hệ số xói phản ánh sự gia tăng ứng suất tiếp giới hạn, tương quan chặt chẽ giữa ứng suất tiếp giới hạn, hệ số xói với các tính chất vật liệu bờ sông.

- Ứng dụng phương phỏp ủỏnh giỏ khả năng xúi lở của vật liệu bờ sụng cũng như trong vật liệu gia cố bờ sông

Phương pháp nghiên cứu

3.1 Phương pháp lý thuyết - Cơ sở lý thuyết phương phỏp thực nghiệm ủỏnh giỏ khả năng xúi mũn 3.2 Phương pháp thực nghiệm

- Thực nghiệm xỏc ủịnh ứng suất tiếp giới hạn trong tớnh toỏn xúi lở bờ sụng bằng các thí nghiệm

- Xây dựng mô hình nghiên cứu

- Thu thập số liệu từ thí nghiệm

- Phõn tớch ủỏnh giỏ cỏc số liệu thớ nghiệm

í nghĩa khoa học và thực tiển của ủề tài

- Xõy dựng ủược phương phỏp ủỏnh giỏ và mụ phỏng xúi mũn trong vật liệu ủất dớnh

- Đỏnh giỏ ủược mức ủộ xúi mũn trong vật liệu ủất dớnh và vật liệu gia cố bờ

- So sánh được với các phương pháp dự đốn xĩi mịn bờ sơng trước đây.

Giới hạn của ủề tài

Do hạn chế về thời gian và thiết bị thử nghiệm nờn giới hạn trong ủề tài này:

- Chỉ nghiờn cứu ủất trong một khu vực ở Thành phố Hồ Chớ Minh

- Chưa cú sự so sỏnh với cỏc thiết bị thực nghiệm xỏc ủinh ứng suất giới hạn khác

- Chưa nghiờn cứu ảnh hưởng của cỏc tớnh chất ủất khỏc nhau vào kết quả thử nghiệm tia nước ngầm (JT)

- Chỉ thực nghiệm phương phỏp lờn vật liệu gia cố là xi măng ủất, chưa thực nghiệm phương pháp lên các giải pháp gia cố bờ sông bằng vật liệu gia cố khác

Quy luật cơ bản của xói mòn

Xói lở bờ sông là hiện tượng địa chất được đề cập trong nhiều tài liệu tham khảo và sách chuyên ngành về địa chất, địa chất công trình cũng như địa chất môi trường Giáo sư V.D.Luntagzờ trong quyển "Địa chất động lực công trình" chỉ ra rằng, năng lượng P do dòng chảy tạo ra là yếu tố quyết định hoạt động xói lở của sông.

Trong ủú, m là khối lượng nước; v là tốc ủộ dũng chảy

Xúi lở sụng xảy ra khi ủộng năng dũng chảy P vượt quỏ hoặc ngang bằng với tĩnh năng của trọng lượng các vật liệu rắn do dòng chảy mang tải Động năng dũng chảy trờn một ủoạn sụng phụ thuộc vào cỏc yếu tố như ủặc ủiểm của chế ủộ thủy văn, cấu trỳc của thung lũng sụng, tức là cỏc ủặc ủiểm ủịa mạo của thung lũng, thành phần và tớnh chất của ủất ủỏ tạo nờn lũng và bờ sụng, hoạt ủộng của cỏc quỏ trỡnh ủịa chất kộo theo và cỏc hoạt ủộng kinh tế của con người Quan hệ phụ thuộc này ủược lượng húa qua cụng thức tớnh tốc ủộ dũng chảy của sụng do Chezy ủề ra:

Trong ủú R là bỏn kớnh thủy lực và S là ủộ dốc mặt nước; C là một hằng số phụ thuộc vào cỏc ủặc trưng của lũng dẫn

Theo giỏo sư V.D.Lomtadze [22] thỡ ủể ủỏnh giỏ và dự bỏo hiện tượng xúi lở bờ sụng cần phải xột ủến cỏc yếu tố khu vực và cỏc yếu tố ủịa phương

Các yếu tố khu vực cần xem xét bao gồm đặc điểm thủy văn của sông, cấu trúc địa chất của thung lũng sông và đặc điểm địa chất khu vực Thông qua phân tích các yếu tố này, thường có thể xác định được các đoạn bờ sông có khả năng xảy ra xói lở với các mức độ nghiêm trọng khác nhau.

Peter Doyle [23] ủó cụ thể húa ý kiến trờn của giỏo sư V.D.Lomtadze bằng một sơ ủồ núi rừ quan hệ quỏ trỡnh bồi tụ trầm tớch, sự ổn ủịnh của lũng dẫn và hỡnh dạng của lòng dẫn như sau (hình vẽ 1.1)

Hỡnh 1.1 - quan hệ quỏ trỡnh bồi tụ trầm tớch, sự ổn ủịnh của lũng dẫn và hỡnh dạng của lòng dẫn

Những nghiên cứu dự báo phòng chống xói lở bờ sông Cửu Long do các nhà khoa học thuộc Viện Nghiờn cứu Thủy lợi Miền Nam [4] thực hiện năm 2000 ủó cho ra kết quả hoàn toàn phự hợp với sơ ủồ quan hệ núi trờn của Matthew R.Bennett và Peter Doyle

Trong cỏc yếu tố ủịa phương thỡ quan trọng là phải xột ủến thành phần và trạng thỏi của ủất - ủỏ tạo nờn lũng sụng và bờ sụng (tức là lũng dẫn) Những ủoạn sụng uốn khỳc thường bị xúi lở nghiờm trọng, chỳng thường lừm vào và ủược cấu tạo bởi cỏc loại ủất kộm chịu nước, dễ tan ró và dễ bị rửa xúi Đặc biệt chỳ ý ủến thành phần và bề dày của bồi tớch cấu tạo nờn bờ sụng và phải xỏc ủịnh tốc ủộ dũng chảy cho phộp (hoặc gõy xúi lở) ủối với ủất bồi tớch và so sỏnh với tốc ủộ dũng chảy

F.G Bell đã đưa ra một đồ thị quan hệ cho phép xác định tốc độ gõy xói của dòng chảy đối với các loại đất khác nhau.

Hỡnh 1.2 – Tương quan giữa tốc ủộ gõy xúi lở của dũng chảy ủối với cỏc loại ủất khác nhau

Cơ sở khoa học công nghệ chống xói lở bờ sông

Để chống xúi lở giữ ổn ủịnh bờ sụng người ta ỏp dụng cỏc giải phỏp phũng tránh và các giải pháp xây dựng công trình chống xói lở

Cỏc giải phỏp phũng trỏnh mang tớnh chất bị ủộng, tiến hành dự bỏo những nơi có nguy cơ xói lở, dự báo qui mô xói lở v.v

Các giải pháp công trình nhằm bảo vệ trực tiếp bờ sông tránh xói lở, như xây kố, ủặt rọ ủỏ, lỏt tấm bờ tụng; ủồng thời ủiều chỉnh dũng chảy trong lũng sụng, nhằm thay ủổi hướng chảy, giảm ủộ dốc, giảm tốc ủộ và lưu lượng dũng chảy

Hiện tượng xúi lở thường xảy ra ở những ủoạn sụng uốn khỳc, ngay tại bờ

16 lừm Tại ủõy dũng chảy cú dạng xoắn ốc chảy rối, là sự kết hợp dũng hướng ngang và dũng hướng dọc Trờn bề mặt dũng chảy, dũng hướng ngang ủi từ bờ lồi sang bờ lừm, sau ủú nú ngoặc xuống và ủi từ bờ lừm sang bờ lồi Hỡnh vẽ (1.3) minh họa cho hiện tượng này

Hỡnh 1.3 – Hiện tượng xúi lở bờ sụng ở ủoạn sụng uốn khỳc

Khi lao tới bờ lừm rồi chui xuống ủỏy, dũng nước sẽ tấn cụng vào cỏc lớp ủất bồi tớch, trực tiếp phần dưới sõu gõy xúi lở ủất, làm cho bờ sụng bị phỏ hoại mất ổn ủịnh Thườngcú 2 dạng phỏ hoại mất ổn ủịnh: dạng trượt lở và dạng sập lở (hỡnh vẽ 1.4)

Hỡnh 1.4 – Dạng phỏ hủy mất ổn ủịnh bờ song

Dạng trượt lở thường xảy ra ở những ủoạn bờ sụng ủược cấu tạo bởi cỏc ủất cú lực dớnh kết lớn, cường ủộ chịu lực cao Dạng sập lở thường xảy ra ở những ủoạn bờ sụng ủược cấu tạo bởi cỏc ủất mềm yếu, kộm chịu nước, dễ tan ró

Dòng nước chảy ngang trực tiếp vào bờ sông có tốc độ vượt quá giới hạn gây xói lở sẽ tạo ra một lực tác dụng trực tiếp vào bờ Bờ sông được cấu tạo bởi các hạt đất có thành phần và trạng thái nhất định, khả năng chịu tác dụng của dòng chảy cũng nhất định Do đó, bờ chỉ có một khả năng ổn định nhất định, tương ứng với một sức đề kháng nhất định.

Khả năng xói lở bờ sông phụ thuộc vào trạng thái cân bằng giữa lực tác dụng của dòng chảy đối với bờ sông và sức đề kháng của các vật liệu cấu tạo nên bờ sông.

Khi áp lực tác động của dòng chảy vượt quá khả năng chịu tải của các hạt đất tạo thành bờ thì hiện tượng xói lở sẽ xảy ra, khiến bờ sông mất ổn định Bên cạnh đó, tác động của dòng chảy nước ngầm gây nên hiện tượng xói ngầm cũng góp phần hình thành nên tình trạng xói lở.

Cụng nghệ chống xúi lở giữ ổn ủịnh bờ sụng phải ủạt ủược cỏc yếu tố sau ủõy:

- Yếu tố thứ nhất là tăng sức ủề khỏng của ủất tạo bờ, bản thõn chỳng cú khả năng chịu ủược sức cụng phỏ mạnh của dũng chảy Đồng thời làm giảm hệ số thấm trong nền ủất, triệt tiờu hiện tượng xúi ngầm

- Yếu tố thứ hai là giảm lực tỏc dụng trực tiếp của dũng chảy ủối với cỏc ủất tạo bờ, làm cho dũng chảy khụng ủủ lực ủể gõy xúi lở

- Yếu tố thứ ba là ủồng thời với 2 yếu tố trờn, lũng dẫn khụng biến dạng, ủường bờ khụng thay ủổi, do ủú dũng chảy tự nhiờn khụng bị can thiệp, cỏc ủoạn sụng khỏc sẽ khụng bị biến ủổi, tức là mụi trường ủịa chất gần như khụng biến ủổi do sự can thiệp bởi cụng trỡnh chống xúi lở

Sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ về vật liệu và kỹ thuật thi công đã mở ra nhiều giải pháp thiết kế và xây dựng các công trình nhằm ngăn chặn xói lở bờ sông.

Tổng quan về lịch sử nghiờn cứu về phương phỏp thực nghiệm xỏc ủịnh ứng suất tiếp giới hạn

Đặc ủiểm của bựn cỏt dớnh ủú là nú phõn ró từ bựn cỏt khụng dớnh cú thành phần hạt sột cao và lực giữa cỏc hạt lớn Cường ủộ cao của lực dớnh là một kết quả của ủiện tớch ion bề mặt Lực dớnh trở thành yếu tố chủ yếu ảnh hưởng ủến trạng thái của bùn cát chứ không phải là trọng lực như kích thước hạt giảm vì diện tích bề mặt riờng tăng (tức là diện tớch bề mặt trờn một ủơn vị khối lượng) Ranh giới rừ ràng giữa ủất dớnh và khụng dớnh là khụng tồn tại, nhưng kớch thước hạt nhỏ hơn 2 micromet thường ủược dỏn nhón ủất sột dớnh Cỏc hạt lớn hơn 60 micromet là ớt dớnh hạt thụ và trầm tớch ở giữa 2 àm và 60 àm ủược phõn loại là bựn Đỏng chỳ ý, bựn nằm giữa ủất dớnh và ớt dớnh (Huang và cộng sự.2006) [33]

Kể từ khi sự hiện diện của sột chủ yếu là ủại diện cho cỏc thuộc tớnh ủất dớnh, thực tiển xem xột cả bựn và ủất sột làm nguyờn liệu ủất dớnh ( Huang và cộng sự 2006) [33] Bao gồm trong phần này là một nghiên cứu chi tiết các phương pháp ủể xỏc ủịnh thụng số xúi mũn của ủất dớnh và khụng dớnh bao gồm: Shields tham số, thiết bị tia nước ngầm, và quan hệ thực nghiệm

Hầu hết cỏc thớ nghiệm xúi mũn ủó ủược hỡnh thành trờn cỏt khụng dớnh, ủỏy dòng chảy trong lòng dẫn và phương pháp hiện trường là rõ ràng (Haan năm 1994 [34]; Huang và cộng sự 2006 [33]) Từ kinh nghiệm Shields ủưa ra tỷ lệ của ứng suất cắt và trọng lượng hạt trờn ủơn vị diện tớch hạt ngập nước ở ủiều kiện tới hạn, là một cụng cụ ủỏng tin cậy ủể cung cấp một chớnh xỏc ước tớnh của ứng suất cắt tới hạn cho vật liệu không dính (Shields 1936 [31]; Haan 1994 [34]) Như mô tả dưới ủõy, trạng thỏi xúi mũn của bựn cỏt khụng dớnh ủược xỏc ủịnh rỏ ràng và cỏc mụ hình tiên đốn từ những dữ liệu đầu vào này được cho là đáng tin cậy Vì vậy, biểu ủồ Shields thường ủược sử dụng ủể xỏc ủịnh ứng suất cắt giới hạn của ủất khụng dớnh trong thực tế Đầu tiờn là giỏn tiếp và sau ủú một trong những phương phỏp

19 trực tiếp xỏc ủịnh ứng suất cắt giới hạn bằng cỏch sử dụng của biểu số Shield ủược trình bày trong phần này a Biểu ủồ Shields

Sức khỏng của ủất khụng dớnh ủể ủạt ứng suất tiếp giới hạn gõy ra bởi một tập trung dũng chảy của nước ủó ủược nghiờn cứu rộng rói trong hiện trường và phũng thớ nghiệm Như một vài kết quả, ứng suất tiếp giới hạn của một ủất khụng dớnh cú thể ủược xỏc ủịnh từ một vài loại ủất ủất và dũng chảy khỏc nhau Bởi vỡ trọng lượng riêng bùn cát ngập trong nước, kích thước hạt, dung trọng chất lỏng và ủộ nhớt ủộng lực ủó ủược tỡm thấy ủể kiểm soỏt xúi mũn của ủất khụng dớnh, tham số Shields (τ * c ) cú thể ủược sử dụng ủể xỏc ủịnh ứng suất tiếp giới hạn (Sturm 2001)[35] Tham số là không thứ nguyên và phát triển từ các thí nghiệm máng nước khác nhau trên một loạt các kích cỡ hạt (Shields 1936)[31]

Shields thu thập, phát triển, và trình bày kết quả ứng suất tiếp tới hạn cho các kớch cỡ hạt khỏc nhau, kết luận rằng cỏc hạt khụng dớnh bắt ủầu lăn và trượt tại cỏc ủịa ủiểm khỏc nhau dọc theo bề mặt ủất, ngưỡng của sự di chuyển là sự vượt quỏ (Sturm 2001) [35] Minh họa trong hỡnh 5, ụng ủó tạo ra biểu ủồ Shields mà kết quả trỡnh bày thu ủược trong thớ nghiệm Trong bản gốc sơ ủồ khụng cú phần ủối với cỏc hạt cú trọng lượng riờng thấp và hạt ủường kớnh nhỏ, Mantz (1977) [36] thay ủổi biểu ủồ bao gồm kớch thước hạt nhỏ hơn Cỏc thụng tin cần thiết ủể xỏc ủịnh tham số Shields cú thể ủược tỡm thấy từ vật liệu ủất và nước

Hỡnh 1.5 - Biểu ủồ Shields như cập nhật Yalin và Karahan (1979)

Theo Sturm (2001)[35], một ủiểm yếu của sơ ủồ Shields là bắt ủầu chuyển ủộng ủược xỏc ủịnh bởi của Shield ủể tớnh toỏn ứng suất tiếp giới hạn ủược xỏc ủịnh như thế nào là khụng biết Hai cỏch xỏc ủịnh giỏ trị là: (1) quan sỏt của sự bắt ủầu khởi ủộng, hoặc (2) ngoại suy của ủo lường tỷ lệ vận chuyển bựn cỏt ủến khụng (Sturm 2001)[35] Ngoài ra khụng chắc chắn sử dụng ủược phương phỏp Shield, tranh cãi khác nhau trong việc sử dụng Shields tham số (τ * c ) là sử dụng các kích cỡ hạt danh nghĩa và kớch thước hạt trung bỡnh, sự hiện diện của hỡnh dạng ủỏy trong một phần của dữ liệu (Sturm 2001)[35] Sơ ủồ này dựa trờn ủường kớnh hạt ủại diện và giả ủịnh khụng ảnh hưởng giữa cỏc hạt riờng rẻ Kể từ khi thay ủổi trong kớch thước hạt là lớn, tồn tại tương tỏc giữa cỏc hạt và bao gồm hỡnh dạng ủỏy cú thể dẫn ủến vượt quỏ của τ c , biểu ủồ Shields ủược coi là rất tổng quỏt cho sự bắt ủầu chuyển ủộng (Clark và Wynn 2007) [15] b Thay thế Hỡnh thức Sơ ủồ Shields

Julien (1995) [26] ủề xuất một hỡnh thức thay thế của biểu ủồ Shields ủể trực tiếp tính toán ứng suất tiếp giới hạn Thay vì phải lặp giữa quan hệ giữa ứng suất tiếp giới hạn và số Reynolds mà cả hai có chứa tham số Shields, bổ sung tham số khụng thứ nguyờn như ủó ủược giới thiệu Đầu tiờn ủể tớnh toỏn ứng suất tiếp giới hạn, một thụng số hạt khụng thứ nguyờn phải ủược tớnh toỏn sử dụng phương trỡnh 3:

= ν gd d SG (3) trong ủú d * = kớch thước hạt khụng thứ nguyờn SG = trọng lượng riờng bựn cỏt, g = gia tốc trọng trường, d 50 = kớch thước hạt với 50% lọt sàng, và ν = ủộ nhớt ủộng học của chất lỏng

Sau ủú, tỷ lệ ứng suất tiếp với trọng lượng hạt dỡm trờn một ủơn vị diện tớch bề mặt ở ủiều kiện tới hạn, τ c * , thu ủược từ biểu ủồ trỡnh bày trong hỡnh 1.6 Và, ứng suất cắt giới hạn tương ứng sử dụng tham số Shields, trọng lượng ủơn vị ủất, trọng

21 lượng ủơn vị của chất lỏng, và ủường kớnh với D50, cú thể ủược tỡm thấy bằng cỏch sử dụng quan hệ trong công thức 4 (Sturm 2001)[35]:

( s c c γ γ d τ τ = − (4) nơi τ c = ứng suất tiếp tới hạn, γ s = trọng lượng riêng của bùn cát, γ = trọng lượng riờng của chất lỏng, d 50 = ủường kớnh 50% hạt lọt sàng, và

* τ c = ứng suất tiếp tới hạn không thứ nguyên

Thậm chớ hỡnh thức thay thế rừ ràng cho những hạn chế của biểu ủồ Shields, mối quan hệ giữa trọng lượng riờng ủơn vị và kớch thước hạt này ủó trở thành một phương phỏp sử dụng rộng rói thực hành ủể xỏc ủịnh sự ứng suất tiếp tới hạn trong vật liệu không dính (Haan 1994)[34]

Hỡnh 1.6.Một hỡnh thức thay thế của biểu ủồ Shields ủể xỏc ủịnh trực tiếp của ứng suất tiếp giới hạn (Sturm 2001) 1.3.2 Vật liệu dính

Giỏ trị của ứng suất tiếp giới hạn và tỷ lệ xúi mũn là phức tạp hơn cho ủất

22 dớnh hơn so với ủất khụng dớnh bởi vỡ cỏc lực ủiện tớch bề mặt ( Huang và cộng sự 2006) [33] Do ảnh hưởng của cường ủộ cắt ủất, ủộ mặn, ủộ ẩm, tỷ lệ phần trăm của ủất sột, kớch thước hạt và cỏc thụng số liờn quan khỏc về sức khỏng lực cắt, phương phỏp ủược sử dụng ủể phõn tớch cỏc thuộc tớnh xúi mũn bựn cỏt dớnh kết hợp ủất và ủiều kiện nước (Wynn và Mostaghimi 2006a) [27] Đỏnh giỏ từ cỏc phương phỏp trỡnh bày dưới ủõy, cỏc thớ nghiệm mỏng nước và thớ nghiệm hiện trường sử dụng trong phỏt triển của tham số Shields khụng ỏp dụng ủối với bựn cỏt mịn và khỏi niệm của ứng suất tiếp giới hạn tạo tiền ủề cho thiết kế thớ nghiệm liờn quan ủến bựn cỏt dớnh (Shields 1936) [31] Vỡ vậy, trong ủề tài nghiờn cứu hỡnh thành các thuộc tính xói mòn của bùn cát dính, lưu ý không phải lúc nào cũng thực hiện cho cả 28 thụng số trong Bảng 1 ủặc trưng cho ủất dớnh ( Winterwerp và cộng sự 1990) [28] Với ứng xử xúi mũn của ủất khụng dớnh trước ủõy, cỏc phương phỏp sau ủõy ủược phỏt triển ủể xỏc ủịnh cỏc thụng số xúi mũn của ủất hạt mịn

Bảng 1.1- Danh sỏch cỏc tham số ủược sử dụng ủể mụ tả vật liệu dớnh khụng bao gồm các ảnh hưởng sinh học (Winterwerp và cộng sự 1990)

Thí nghiệm máng nước trong phòng thí nghiệm có thể giúp xác định ứng suất tiếp xúc quan trọng và tỷ lệ xói mòn đất dính bằng cách đặt mẫu đất vào máng nước Sau khi chuẩn bị và kiểm tra ban đầu, có thể xác định ứng suất tiếp xúc quan trọng bằng quan sát trực tiếp hoặc phân tích đồ họa (Clark và Wynn, 2007) Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế vì điểm phá hủy được xác định bằng quan sát, gây khó khăn cho việc xác định chính xác định nghĩa điểm phá hủy riêng biệt Quan sát trực tiếp có thể có tính chủ quan.

Hỡnh 1 7.Mẫu lừi bựn cỏt bị tỏc dụng của dũng chảy trong sơ ủồ thớ nghiệm mỏng nước trong phòng thử nghiệm (Julien 1998)

Ngoài ra, Smerdon và Beasley (1961) [29] quan sát thấy ứng suất cắt giới hạn khi "Sự di chuyển chung của ủất tạo ra dưới ủỏy kờnh ủược quan sỏt thấy."

Nhiều năm sau ủú, Kamphuis và Hall (1983) bỏo cỏo rằng giỏ trị tới hạn này ủó ủạt ủược tại "rỗ bề mặt " trong cỏc quan sỏt mỏng nước của họ Khi ủú, Clark và Wynn (2007) [27] xỏc ủịnh nú là tốt nhất bằng ủồ họa miờu tả tỉ lệ xúi mũn so với ứng suất cắt Đồ họa miờu tả tỉ lệ xúi mũn so với ứng suất cắt, cỏc biến ủể nhận ủược cỏc thụng số từ cỏc phương phỏp mỏng nước trong phũng thớ nghiệm phải ủược xỏc ủịnh Độ sõu của mẫu bị xúi mũn và thời gian từ ủầu ủến kết thỳc của giai ủoạn xúi mũn là cần thiết ủể xỏc ủịnh tỷ lệ xúi mũn Bằng cỏch sử dụng cỏc phộp ủo vận tốc và ủộ cao tương ứng, hỡnh dạng vận tốc thẳng ủứng cú thể ủược phỏt triển Hỡnh dạng vận tốc ủược sử dụng như là một thành phần chớnh của việc tớnh toỏn ứng suất tiếp tới hạn (Briaud và cộng sự 2004 ) [32] Thông qua việc bổ sung một dòng tốt nhất, phự hợp với, một giỏ trị bằng ứng suất tiếp tới hạn cú thể ủược tỡm thấy nơi ủường thẳng ủi qua trục X (Clark và Wynn 2007)[27]

Nhìn chung, các thí nghiệm máng nước trong phòng thử nghiệm cho phép cỏc nhà nghiờn cứu kiểm soỏt mụi trường và ủiều kiện dũng chảy dễ dàng hơn so với các thử nghiệm hiện trường; tuy nhiên, nó không thể vận chuyển vật liệu vào máng mà không gây xáo trộn (Hanson và cộng sự 1999; Hanson và Cook 2004) [8] Ngoài ra, kiểm tra xúi mũn trờn vật liệu dớnh mà khụng kết hợp ủất và ảnh hưởng húa học của nước là vấn ủề trong cỏch thức xúi mũn trong ủất dớnh (Clark và Wynn năm 2007)[27] Trong quỏ trỡnh thử nghiệm tại chỗ khụng ủũi hỏi phải xỏo trộn của ủất hạt mịn và kết hợp chớnh xỏc vật lý, húa học và sinh học của hiện trường, dễ dàng và miờu tả thỏa ủỏng cho ứng suất cắt giới hạn và tỷ lệ xúi mũn bựn cát dính (Krishnappan và Droppo 2006) [37] o Trong thí nghiệm máng nước tại hiện trường Sinh vật ủỏy trong mỏng nước tại hiện trường ủược thiết lập trờn dũng chảy bựn cỏt ủể ủo lường ủặc tớnh xúi mũn của ủất dớnh Quy trỡnh cũng tương tự như thớ nghiệm trong phòng thử nghiệm, nhưng các mẫu bùn cát không yêu cầu vận chuyển (Black và Paterson 1997) Mặc dù trong thử nghiệm máng nước tại hiện trường là một cỏch tiếp cận tốt, nhiều ảnh hưởng khụng kiểm soỏt ủược cú thể dẫn ủến sự

25 khụng chắc chắn trong xỏc ủịnh tham số ủất (Julian và Torres năm 2006) Cụng bố năm 2006 của Geomorphology, Julian và Torres (2006) [19] xử lý thiếu ủiều khiển bằng cỏch chọn ủịa ủiểm nghiờn cứu dựa trờn vị trớ của nước ngầm, ủất với hàm lượng bựn sột thấp và ủoạn kờnh cong hẹp, thành phần thảm thực vật thấp, và khu vực khớ hậu ấm ỏp mà khụng cú thành phần ủụng - tan băng Trong nghiờn cứu mỏng hiện trường, ủo xúi lở bờ ủó ủược thu thập từ cỏc bờ sụng bằng ủất dớnh hơn 14 tháng (Julian và Torres năm 2006) [19] Từ những nghiên cứu xói mòn bờ sông bằng ủất dớnh trước ủõy, một mụ hỡnh khỏi niệm ủó ủược phỏt triển ủể xỏc ủịnh ba loại Khi cỏc bờ kờnh chứa hàm lượng lớn hơn 40% bựn sột, sự xúi mũn ủó ủược kiểm soỏt bằng xúi mũn gần mặt ủất và lực cắt thủy lực ủược coi là khụng ủỏng kể Khi tỷ lệ phần trăm bùn cát giữa 20% và 40%, một sự kết hợp của xói mòn gần mặt ủất và lực cắt thủy lực ủó tỏc ủộng ủến sự xúi mũn của bờ kờnh Cuối cựng, ứng suất cắt thủy lực ủó trở thành quỏ trỡnh kiểm soỏt xúi mũn ủất cú ớt hơn 20% hạt mịn Bằng cách sử dụng mô hình khái niệm với ba loại ảnh hưởng xói mòn và các thu thập dữ liệu bằng cách sử dụng máng nước tại chỗ, Julian và Torres (2006) [19] tỡm thấy τ c vừa phải (1.93- 4,08 N / m 2 ), ủiểm cao nhất là liờn quan mạnh mẽ ủến xói mòn bờ, trong khi τ c thấp (0,95 N / m 2 ) giá trị chỉ ra một sự tương quan mạnh mẽ hơn của biến ủộng với sự xúi mũn bờ

Phương pháp thí nghiệm

2.1.1 Chuẩn bị mẫu ủất (ASTM D421-85)

Hong khụ mẫu ở nhiệt ủộ phũng ủến khi khụ hoàn toàn Làm tơi vụn cốt liệu trong cối sứ bằng chày bọc cao su

Lấy phần mẫu ủại diện cho từng phương phỏp thử, ghi khối lượng mẫu thử chưa ủược hiệu chỉnh ủộ ẩm

Sàng mẫu qua sàng No10 (2,00 mm) Phần vật liệu trên sàng No10 (2,00 mm) ủược nghiền trong cối sứ bằng chày bọc cao su cho ủến khi cỏc hạt ủược tỏch riêng ra

Tiềp tục sàng qua sàng No10 (2,00 mm) ủể tỏch từng phần riờng biệt Rửa phần hạt cũn sút lại trờn sàng No10 (2,00 mm), ủể khụ và cõn khối lượng Đõy là phần khối lượng của hạt thụ Sàng phần vật liệu này qua sàng 4,75 mm ủể xỏc ủịnh lượng hạt còn lại trên sàng 4,75 mm

Lấy mẫu ủại diện bằng phương phỏp chia tư cho ủến khi lấy ủược lượng mẫu cần thiết, khối lượng mẫu thử ủược quy ủịnh cho từng phộp thử như sau: a) Để phõn tớch thành phần hạt của ủất: Vật liệu cũn lại trờn sàng 2,00 mm o Đất sỏi sạn : 4000 g ủến 10000 g o Đất cát : 1500 g o Đất sét : 400 g b) Để phõn tớch thành phần hạt của ủất: Vật liệu lọt qua sàng 2,00 mm o Đất cát : 115 g o Đất sét : 65 g c) Để xỏc ủịnh cỏc chỉ số của ủất: Sử dụng phần vật liệu lọt sàng 425 àm o Giới hạn chảy : 100 g o Giới hạn dẻo : 15 g 2.1.2 Thành phần hạt ( ASTM D422-63)

Lấy mẫu ủất như ủó chuẩn bị ở mục 1 Phõn tớch thành phần hạt của ủất: Vật liệu cũn lại trờn sàng 2,00 mm

Phân chia các hạt qua hệ thống sàng 3 in (75mm); 2 in (50mm); 1 1/2 in (37,5mm); 1 in (25mm); ắ in (19mm); 3/8 in (9,5mm); No 4 (4,75mm) và No 10 (2,00mm)

Tiến hành sàng mẫu bằng mỏy rung hoặc bằng tay cho ủến khi khối lượng lọt qua sàng trong 1 phút không lớn hơn 1% khối lượng của phần còn lại trên sàng

Xỏc ủịnh khối lượng cỏc hạt trờn từng sàng Để phõn tớch thành phần hạt của ủất: Vật liệu lọt qua sàng 2,00 mm Sữ dụng hóa chất phân tách thành phần hạt bằng tỷ trọng kế

Sau khi kết thúc quá trình phân tách , chuyển chất huyền phù qua sàng No 200 (0,075 mm) và rửa với nước Sau ủú sấy khụ xỏc ủịnh khối lượng hạt trờn sàng No 200

2.1.3 Xỏc ủịnh giới hạn chảy dẻo Atterberg (ASTM D4318-00)

Hạ độ ẩm của mẫu vật (nếu cần) cho đến khi mẫu vật không dính vào tay khi vo tròn Có thể thực hiện bằng cách trải mẫu vật ra tay hoặc trộn liên tục trên tấm kính, hong khô trong không khí hoặc dùng quạt máy.

Lấy khoảng 2g đất, vo tròn mẫu thử trong lòng bàn tay và dùng các ngón tay lăn mẫu trên tấm kính với lực vừa đủ để mẫu thành que tròn đều có đường kính khoảng 3mm trong thời gian không quá 2 phút.

Giới hạn dẻo của mẫu thử là ủộ ẩm ứng với trạng thỏi khi lăn thành que trũn cú ủường kớnh khoảng 3 mm thỡ bị ủứt ra thành từng ủoạn nhỏ Nếu mẫu chưa cú dấu hiệu nứt thì nhào các mẫu nhỏ lại với nhau, vo tròn và lăn lại Tiếp tục lăn cho ủến khi mẫu ủất xuất hiện vết nứt vỡ vụn khi ủú ủường kớnh que ủất khoảng 3 mm thỡ xem như ủạt yờu cầu

Tập trung cỏc phần của que ủất bị ủứt lại, cho vào hộp nhụm ủó xỏc ủịnh khối lượng trước, ủậy nắp cẩn thận ủể trỏnh giảm ủộ ẩm của mẫu

Lặp lại cỏc bước từ c ủến e cho ủến khi khối lượng ủất trong hộp nhụm tối thiểu khoảng 6 g

Tiến hành tương tự cho mẫu thử thứ hai

Xỏc ủịnh ủộ ẩm của mẫu trong cỏc hộp nhụm, chớnh xỏc ủến 0,1%

Giới hạn dẻo (PL) là ủộ ẩm trung bỡnh của 2 mẫu thử song song Nếu kết quả ủộ ẩm trong 2 lần thử vượt quỏ 1 % thỡ phải tiến hành thử nghiệm lại

Giới hạn chảy (LL) Lấy khoảng 100 g ủất ủó ủược chuẩn bị sẵn, cho vào ủĩa ủồng của dụng cụ xỏc ủịnh giới hạn chảy Gạt ủều ủất trong ủĩa ủồng sao cho chiều dày lớn nhất khoảng 10 mm, tránh bọt khí lưu giữ trong mẫu (khi tạo mẫu có thể gõ nhẹ một vài lần) Để 1 khoảng trống ở phần trờn chỗ tiếp xỳc của chộn ủồng với múc treo xấp xỉ 1/ 3 ủường kớnh ủĩa

Dụng cụ tạo rãnh được thiết kế để tạo rãnh đất từ điểm cao nhất đến điểm thấp nhất của vành chậu trồng hình vuông với trục quay Khi tạo rãnh, cần giữ cho dụng cụ luôn vuông góc với trục đĩa và miết sát dọc theo đĩa.

Kiểm tra dưới ủĩa ủồng hoặc ủế cao su, ủảm bảo khụng cú ủất hoặc nuớc

Quay ủập với tốc ủộ 2 vũng/giõy, ủếm số lần ủập cần thiết ủể phần dưới của rónh ủất khộp lại cú chiều dài khoảng 13 mm Theo quy ủịnh ủất thớ nghiệm chuyển từ trạng thỏi dẻo sang lỏng Đem ủất ủi xỏc ủịnh ủộ ẩm chớnh là giới hạn chảy

Giới hạn chảy là giá trị trung bình của 2 lần thử Nếu khác biệt giới hạn chảy giữa hai lần thử lớn hơn 1,0 % thì tiến hành thử nghiệm lại

2.1.4 Xỏc ủịnh ủộ ẩm ủất (ASTM D2216)

Lấy khoảng 20 g mẫu ủất cho vào cốc nhỏ bằng thủy tinh hoặc bằng nhụm cú nắp ủó ủược ủỏnh số, sấy khụ và biết khối lượng (m) Sau ủú nhanh chúng ủậy nắp và ủem cõn trờn cõn kỹ thuật ủể xỏc ủịnh khối lượng bao gồm cả cốc hoặc hộp

(m 1 ) và ủem làm khụ trong tủ sấy ở nhiệt ủộ 110 o C ±5 o C Sấy trong thời gian 24 h

Phương pháp chuẩn bị mẫu

Hỡnh 2.4 - Sơ ủồ quỏ trỡnh thực hiện

(2) thử nghiệm tớnh chất ủất

(3) Vật liệu và tỉ lệ pha trộn

(7) Nén nở hông 7 ngày, 28 ngày

(6) Bảo dưỡng ở nhiệt ủộ 20± 3trong 7 ngày

47 1) Lấy mẫu ủất Đất nghiờn cứu là ủất yếu ủược lấy ở gần cầu Nam Lý thuộc bờ sụng rạch chiếc Phường An phú, Quận 2, Tp Hồ Chí Minh

Hình 2.5 Vị trí lấy mẫu thử nghiệm Đất nghiờn cứu là ủất yếu ủược lấy ở gần cầu Nam Lý thuộc bờ sụng rạch chiếc Phường An phú, Quận 2, Tp Hồ Chí Minh

Mẫu ủất ủược lấy ở ủõy bao gồm 2 loại: nguyờn dạng và khụng nguyờn dạng

Mẫu ủất nguyờn dạng ủược lấy bằng cỏch dựng ống nhựa PVC ủường kớnh Dpmm ủược mài mỏng mộp ống ủể hạn chế ảnh hưởng ủến tớnh nguyờn hạng của

48 mẫu, sau khi lấy ủược bảo quan trong bao ni lụng ủem về phũng thử nghiệm ủể làm các thí nghiệm trong phòng

Mẫu ủất khụng nguyờn dạng ủược lấy bằng phương phỏp ủào thụng thường, mẫu ủấy ủược ủem về phũng thử nghiệm ủể chế bị mẫu thử nghiệm ủất gia cố xi măng

2) Thớ nghiệm tớnh chất của ủất

Sau khi lấy mẫu ủất từ hiện trường, cỏc thử nghiệm tớnh chất cơ lý của ủất khỏc nhau sẽ ủược tiến hành như sau:

- Giới hạn chảy, giới hạn dẽo - Khối lượng thể tớch và ủộ ẩm mẫu - Khối lượng riêng

- Phân tích cỡ hạt qua sàng - Thí nghiệm nén nở hông 3) Vật liệu và tỉ lệ phối trộn

Sử dụng vật ủất tự nhiờn ủược lấy ở trờn

Chất kết dính là xi măng Holcim Ready Flow PCB 40 có chỉ tiêu cơ lý và hóa học cho như bảng sau:

Bảng 2.1 Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng

Tên chỉ tiêu Kết quả thử nghiệm

155 185 4 Độ ổn ủịnh thể tớch(xỏc ủịnh theo phương phỏp

Tên chỉ tiêu Kết quả thử nghiệm

• Phần còn lại trên sàng 0,09 mm, %

7 Hàm lượng anhydric sunfuric (SO 3 ) , % 2,6

Tỉ lệ phối trộn ủất gia cố xi măng:

Bergado và nnk (1996) ủó ủưa ra mối liờn hệ giữa cường ủộ nộn nở hụng q u và hàm lượng xi măng a w có thể chia ra 3 vùng: vùng “kém hiệu quả” (Inactive Zone) có a w từ 0%-5%, ‘vùng hiệu quả” (Active Zone) có a w từ 5%-25%, và vùng phát triển chậm chạp ( Inert zone) có a w >25% như hình 2.6a

Tuy nhiên Lin (2000) cho thấy rằng mối tương quan giữa q u và a w như hình 2.6 b cho thấy rằng q u tăng khi a w tăng và có xu hướng tiếp tục tăng khi a w >20%

Miura và nnk (2002) [41] ủó ủưa ra mối liờn hệ giữa tỷ lệ nước/ xi măng và cường ủộ nộn nở hụng của ủất gia cố xi măng như hỡnh 2.7 a) Theo Bergado và nnk (1996) b) Theo Lin (2000) Hỡnh 2.6 Tương quan giữa hàm lượng xi măng và cường ủộ của ủất gia cố xi măng theo Bergado và nnk (1996) và Lin (2000)

Hỡnh 2.7 Tương quan giữa tỷ lệ nước/ xi măng và cường ủộ nộn nở hụng của ủất gia cố xi măng theo Miura và nnk (2002) [41]

Hàm lượng xi măng ủược chọn ở ủõy là 1%, 2%, 5% và 9% nhằm xỏc ủịnh quy luật phỏt triển cường ủộ và ứng suất tiếp giới hạn ủối với ủất nghiờn cứu

Bảng 2.2 Thành phần cấp phối trộn ủất gia cố xi măng

Vật liệu Đơn vị 15 kg ( 1% xi măng)

150 kg ( 9% xi măng) Đất kg 1650 1650 1650 1650

Hàm lượng nước sau khi phối trộn % 41,5 42,6 43,0 40,2

4) Phương pháp chuẩn bị mẫu Sử dụng máy trôn 10 L HOBART tiến hành trôn mẫu - Cho hỗn hợp mẫu vào;

- Sau ủú tiến hành trụn trong vũng 10 phỳt - Lấy mẫu ủể xỏc ủịnh ủộ ẩm

Hỡnh 2.8 Thiệt bị trộn mẫu xi măng ủất 5) Phương pháp tạo mẫu

Cỏc mẫu thử ủược ủỳc trong khuụn cú ủường kớnh 5cm và cao 10cm cho thử nghiệm nén nở hông;

Hỡnh 2.9 Khuụn tạo mẫu xi măng ủất thử nghiệm cường ủộ nộn nở hụng h0m m

Cỏc mẫu thử ủược ủỳc trong khuụn ủường kớnh 22cm và cao 5cm cho thử nghiệm tia nước ngầm

Hỡnh 2.10 Khuụn tạo mẫu ủất thử nghiệm tia nước ngầm (JT)

Hỗn hợp ủất trộn ủược ủổ vào khuụn Bờn trong khuụn ủược bụi dầu ủể giảm bám dính

Hỗn hợp đất trộn được chia thành nhiều lớp mỏng để dễ dàng cho vào khuôn Sau khi đổ mỗi lớp hỗn hợp, nên lắc, rung hoặc gõ nhẹ để loại bỏ các bọt khí có thể bị giữ lại trong quá trình trộn Việc này giúp tạo độ kết dính tốt hơn và ngăn ngừa sự hình thành các lỗ hổng trong hỗn hợp đất.

6) Phương pháp bảo dưỡng mẫu

Sau khi ủậy mẫu vật bằng một tấm nhựa mỏng, mẫu vật sẽ ủược bảo dưỡng trong ủiều kiện nhiệt ủộ (20±3) 0 C và ủộ ẩm tương ủối khụng nhỏ hơn 90%

Sau vài ngày bảo dưỡng, mẫu vật sẽ ủược lấy ra khỏi khuụn và bảo dưỡng trong ủiều kiện tương tự ủến thời hạn quy ủịnh

Hình 2.11 Thiết bị bảo dưỡng mẫu 7) Thử nghiệm nén nở hông

Kiểm tra cường ủộ ở những ủộ tuổi khỏc nhau: 7 ngày và 28 ngày

Thớ nghiệm cường ủộ khỏng nộn: Đặt mẫu vào giữa tõm bàn nộn dưới của mỏy nộn Khi bàn nộn trờn tiếp xỳc gần mẫu, ủiều chỉnh bệ hỡnh cầu cho tiếp xỳc ủều

Gia tải với tốc ủộ từ (1 - 2)mm/phỳt ủến khi mẫu bị phỏ hoại

Hình 2.12 Thiết bị nén nở hông

Cụng thức tớnh cường ủộ nộn nở hụng qu với ủơn vị Mpa, Kpa, KN/m 2 q u = P/A Trong ủú:

P: Tải trọng phá hoại, KN;

A: Diện tích chịu nén của mẫu, mm 2 Xỏc ủịnh ủộ ẩm của mẫu thử sau khi phỏ hoại

Kết quả thử nghiệm là trung bỡnh cộng của cường ủộ ba lần nộn

55 8) Thử nghiệm tia nước ngầm

Hình 2.13 Thiết bị thử nghiệm tia nước ngầm (JT) Đồng hồ ủo ỏp Kim ủo

Van xã khí Bể dìm Ống tạo cột nước chênh áp

Thử nghiệm tớnh chất cơ lý mẫu ủất

Bảng 3.1 – Cỏc chỉ tiờu cơ lý của mẫu ủất tự nhiờn

TT Tên chỉ tiêu Kết quả thử nghiệm

4 Thành phần cỡ hạt, Xem bảng 1.1

( Phụ lục kết quả thử nghiệm)

Biểu ủồ thành phần cở hạt Xem biểu ủồ 1.1

( Phụ lục kết quả thử nghiệm)

7 Khối lượng thể tích ướt, g/cm 3 1,650

9 Cường ủộ nộn nở hụng, Mpa 0,06

Thử nghiệm cường ủộ nộn nở hụng

Bảng 3.2 – Kết quả thử nghiệm cường ủộ nộn nở hụng

Lượng xi măng cho 1m 3 ủất, kg γ, g/cm 3 q u , Mpa

Lượng xi măng cho 1m 3 ủất, kg γ, g/cm 3 q u , Mpa

W : Độ ẩm γ : Khối lượng thể tích ẩm q u : Cường ủộ nộn nở hụng

3.2.1 Tương quan giữa cường ủộ nộn nở hụng và ngày tuổi thử nghiệm:

C ư ờ n g ủ ộ n ộn n ở h ụ n g , M P a case 0 (Đất tự nhiờn) case 1 (15 kg xi măng) case 2 (30 kg xi măng) case 3 (80 kg xi măng) case 4 (150 kg xi măng)

Hỡnh 3.1 - Tương quan giữa cường ủộ nộn nở hụng và ngày tuổi thử nghiệm

58 3.2.2 Tương quan giữa cường ủộ nộn nở hụng và hàm lượng xi măng:

Hàm lượng xi măng, kg

Hỡnh 3.2- Tương quan giữa cường ủộ nộn nở hụng và hàm lượng xi măng

3.2.3 Tương quan phần trăm phỏt triển cường ủộ nộn nở hụng với hàm lượng xi măng và ngày tuổi thử nghiệm:

Hàm lượng xi măng, kg

P h ầ n t r ă m p h ỏ t c ư ờ n g ủ ộ n ở h ụ n g , % case 0 (Đất tự nhiên) 100 100 case 1 (15 kg xi măng) 81 162 case 2 (30 kg xi măng) 90 202 case 3 (80 kg xi măng) 119 448 case 4 (150 kg xi măng) 235 884

Hỡnh 3.3 - Tương quan phần trăm phỏt triển cường ủộ nộn nở hụng với hàm lượng xi măng và ngày tuổi thử nghiệm

59 3.2.4 Tương quan giữa cường ủộ nộn nở hụng và biến dạng dọc trục

C ư ờ n g ủ ộ n ộ n n ở h ụ n g , M P a a) Case1 - 15 kg xi măng (1%) b) Case2 - 30 kg xi măng (2%)

C ư ờ n g ủ ộ n ộ n n ở h ụ n g , M P a c) Case3 - 80 kg xi măng (5%) d) Case3 - 80 kg xi măng (9%) Hỡnh 3.4 - Tương quan giữa cường ủộ nộn nở hụng và biến dạng dọc trục

60 3.2.5 Tương quan giữa cường ủộ nộn nở hụng với tỷ lệ nước trờn xi măng:

Tỷ lệ nước trên xi măng, wc/c

Miura và nnk 2002 Dữ liệu thí nghiệm Case1 - 15 kg xi măng Case2 - 30 kg xi măng Case3 - 80 kg xi măng Case4 - 150 kg xi măng q u (28 ngày)$61/1,22 (wc/c) q u (28 ngày)v2,03/1,0971 (wc/c)

Hỡnh 3.5 - Tương quan giữa cường ủộ nộn nở hụng với tỷ lệ nước trờn xi măng

3.2.6 Nhận xột và ủỏnh giỏ:

- Cường ủộ nộn nở hụng ở 7 ngày tuổi của cỏc mẫu ủất gia cố xi măng 15kg, 30 kg, 80 kg so với mẫu ủất tự nhiờn (0,06 Mpa) là tương ủương nhau hầu như chưa cú tỏc dụng của xi măng ủối với cường ủộ nộn nở hụng cửa mẫu ủất tự nhiờn; Chỉ cú cường ủộ nộn nở hụng ở 7 ngày tuổi của mẫu ủất gia cố xi măng 150 kg (0,14 Mpa) là bắt ủầu cú sự gia tăng nhẹ

- Cường ủộ nộn nở hụng ở 28 ngày tuổi của cỏc mẫu ủất gia cú ủó cú sự gia tăng rừ rệt Mẫu 15 kg, và 30 kg xi măng ủó cú sự gia tăng nhưng khụng ủỏng kể, bắt ủầu từ mẫu 80 kg thỡ ủó cú sự gia tăng rừ rệt Cụ thể hàm lượng xi măng tăng từ (30 ữ150 kg) thỡ cường ủộ nộn nở hụng ở 28 ngày tuổi tăng từ (0,12 ÷ 0,52 Mpa)

- Từ kết quả trên cho ta thấy khi hàm lượng xi măng nhỏ hơn 80 kg (5%) thì

61 sự phỏt triển cường ủộ mẫu xi măng ủất hầu như rất chậm và khụng ủỏng kể

Sự gia tăng cường ủộ xi măng kộo theo sự phỏt triển cường ủộ xi măng ủất nhanh hơn từ 80 kg (5%) trở lên Điều này phù hợp với nghiên cứu của Bergado và nnk (1996); Lin (2000)

- Từ hỡnh 3.5 tương quan giữa cường ủộ nộn nở hụng với tỷ lệ nước trờn xi măng cho ta thấy khi tỷ lệ nước trờn xi măng tăng thỡ cường ủộ nộn nở hụng giảm ủiều này cũng phự hợp với nghiờn cứu của Miura và nnk (2002) [41]

Chỉ khỏc là trong ủề tài này nghiờn cứu với hàm lượng nước trờn xi măng lớn hơn ( 5 ủến 46 so với 2 ủến 10 của Miura và nnk (2002)) ủể nghiờn cứu cựng với ảnh hưởng của ứng suất tiếp giới hạn và hệ số xói mòn

Thử nghiệm ứng suất tiếp giới hạn và hệ số xói mòn

3.3.1 Thiết bị thử nghiệm và ủiều kiện thử nghiệm:

Thiết bị thử nghiệm tia nước ngầm sữ dụng một tia nước trong một bể dìm, thí nghiệm này ủể xỏc ủịnh ứng suất tiếp giới hạn cần thiết ủể xúi mũn bắt ủầu và một hệ số xúi mũn ủược ủịnh nghĩa là tỉ lệ xúi mũn trờn một ủơn vị ứng suất tiếp giới hạn Sơ ủồ của thiết bị thử nghiệm như trong hình 3.6, bao gồm: bể dìm, vòi phun, ống tạo tia nước, kim ủo, ống nhựa tạo cột nước ủo ỏp Bể dỡm ủường kớnh D = 300 mm, chiều cao h 300; mũi phun cú ủường kớnh 6 mm; ống tạo tia nước cú ủường kớnh D = 70 mm, chiều dài L = 600 mm và ống nhựa tạo cột nước chờnh ỏp cú ủường kớnh D = 70 mm, chiều dài L = 1 m mẫu ủất ủược chế bị trong khuụn D = 220 mm, h = 50 mm

Ji beồ dỡm kim ủo muõi phun Ống tạo tia nước ống nhựa L`0 mm, D= 70 mm chiều cao tia nước nước chảy tràn tự do qua góc trên bề mặt bể dìm ống nhựa tạo cột nước chênh áp Đường nước ra ống đưa nước vào

L=1 m, Dp mm mẫu đất chế bị h ( c he õn h c o ọt a ựp )

Hỡnh 3.6 – Sơ ủồ thiết bị thử nghiệm tia nước ngầm (JT)

- Chuẩn bị mẫu thử - Đặt mẫu thử vào trong bể dỡm và luụn luụn ủể bể dỡm ủầy nước

- Đặt chiều cao ban ủầu mũi phun (từ 6 ủến 35 lần ủường kớnh mũi phun) - Đặt chiều cao cột nước ban ủầu

- Dựng thước ủo (point gage) ủể ủo chiều cao của mũi phun và giỏ trị ủọc chiều sõu xúi ban ủầu tại thời ủiểm zero

- Sau ủú cỏch khoảng 5 phỳt hoặc 10 phỳt tiến hành ủo chiều sõu xúi 1 lần

- Mẫu ủất ủược ủầm chặt và bảo dưỡng trong phũng thử nghiệm ở nhiệt ủộ 20ữ3 oC trong vũng 7 ngày rồi ủem ra thử nghiệm

- Mẫu thử ủược cho vào trong bể dỡm và làm ủầy nước bể dỡm

- Chiều cao cột nước chênh áp ( 1,995 m) - Mũi phun cú ủường kớnh d 0 =6 mm - Chiều cao ban ủầu mũi phun J i là từ 12 ủến 14 lần d 0

3.3.2 Phân tích kết quả thử nghiệm:

3.3.2.1 Thử nghiệm mẫu ủất tự nhiờn (Case 0) a) Bắt ủầu thử nghiệm b) Sau 10 phỳt c) Sau 20 phút d) Sau 40 phút

Hỡnh 3.7 – Quỏ trỡnh phỏt triển hố xúi của mẫu ủất tự nhiờn (Case 0)

Bán kính ảnh hưởng xói D ≈ 40 mm

Bán kính ảnh hưởng xói D ≈ 180 mm Bán kính ảnh hưởng xói D ≈ 50 mm

Bảng 3.3 Kết quả phõn tớch thử nghiệm tia nước ngầm (JT) mẫu ủất tự nhiờn (Case0) Giỏ trị ủọc trờn thước ủo tại thời ủiểm ban ủầu, mm 421,2

Chênh cột áp, h mm 1995 Đường kính vòi phun, d 0 mm 6

Chiều cao ban ủầu vũi phun, J i mm 71

Giỏ trị ủọc chiều sõu xúi Thời gian ủọc, min

Thời gian theo dõi, min

Giỏ trị ủọc trờn thước ủo, mm

Chiều sâu xói lớn nhất, mm

Ghi chỳ: Số liệu ủó tớnh toỏn ở bảng trờn ủược phõn tớch và tớnh toỏn như mục 2.1.7.2 ủề tài này

(f-fo)^2-x^2=A^2 Experi ment Data f=(-x) Asymptote

Hỡnh 3.8 - Đường cong hyperbolic của kết quả thử nghiệm ủất tự nhiờn (Case 0) ủể xỏc ủịnh ứng suất tiếp giới hạn τ c

Dimensionless time function Scour data

Hình 3.9 thể hiện kết quả tối ưu hóa ước tính thời gian xói không thứ nguyên và chiều sâu xói không thứ nguyên nhằm xác định hệ số xói Kd của đất tự nhiên (Trường hợp 0).

67 3.3.2.2 Thử nghiệm mẫu ủất gia cố 15 kg xi măng (Case1) a) Bắt ủầu thử nghiệm b) Sau 10 phỳt

Hỡnh 3.10 – Quỏ trỡnh phỏt triển hố xúi của mẫu ủất gia cố xi măng 15 kg (Case1)

Bán kính ảnh hưởng xói D ≈ 200 mm

Bán kính ảnh hưởng xói D ≈ 50 mm

Bán kính ảnh hưởng xói D ≈ 70 mm

Bảng 3.4 Kết quả phõn tớch thử nghiệm tia nước ngầm (JT) mẫu ủất gia cố 15 kg xi măng (Case 1) Giỏ trị ủọc trờn thước ủo tại thời ủiểm ban ủầu, mm 433,2

Chênh cột áp, h mm 1995 Đường kính vòi phun, d 0 mm 6

Chiều cao ban ủầu vũi phun, J i mm 83

Giỏ trị ủọc chiều sõu xúi Thời gian ủọc, min

Thời gian theo dõi, min

Giỏ trị ủọc trờn thước ủo, mm

Chiều sâu xói lớn nhất, mm

Ghi chỳ: Số liệu ủó tớnh toỏn ở bảng trờn ủược phõn tớch và tớnh toỏn như mục 2.1.7.2 ủề tài này

Hỡnh 3.11 - Đường cong hyperbolic của kết quả thử nghiệm ủất gia cố 15 kg xi măng

(Case1) ủể xỏc ủịnh ứng suất tiếp giới hạn τ c

Dimensionless time function Scour data

Hình 3.12 - Đồ thị tối ưu hóa ước tính của thời gian xói không thứ nguyên và chiều sâu xúi khụng thứ nguyờn ủể xỏc ủịnh hệ số xúi kd của ủất gia cố 15 kg xi măng (Case1)

70 3.3.2.3 Thử nghiệm mẫu ủất ia cố 30 kg xi măng (Case2) a) Sau 10 phút b) Sau 20 phút c) Sau 40 phút d) Sau 70 phút

Hỡnh 3.13 – Quỏ trỡnh phỏt triển hố xúi của mẫu ủất gia cố xi măng 30 kg (Case2) Bảng 3.5 Kết quả phõn tớch thử nghiệm tia nước ngầm (JT) mẫu ủất gia cố 30 kg xi măng (Case2)

Bán kính ảnh hưởng xói D ≈ 30 mm

Bán kính ảnh hưởng xói D ≈ 60 mm

Bán kính ảnh hưởng xói D ≈ 80 mm Bán kính ảnh hưởng xói

Giỏ trị ủọc trờn thước ủo tại thời ủiểm ban ủầu, mm 423,5

Chênh cột áp, h mm 1995 Đường kính vòi phun, d 0 mm 6

Chiều cao ban ủầu vũi phun, J i mm 74

Giỏ trị ủọc chiều sõu xúi Thời gian ủọc, min

Thời gian theo dõi, min

Giỏ trị ủọc trờn thước ủo, mm

Chiều sâu xói lớn nhất, mm

Ghi chỳ: Số liệu ủó tớnh toỏn ở bảng trờn ủược phõn tớch và tớnh toỏn như mục 2.1.7.2 ủề tài này

Hỡnh 3.14 - Đường cong hyperbolic của kết quả thử nghiệm ủất gia cố 30 kg xi măng

(Case2) ủể xỏc ủịnh ứng suất tiếp giới hạn τ c

Dimensionless time function Scour data

Hình 3.15 - Đồ thị tối ưu hóa ước tính của thời gian xói không thứ nguyên và chiều sâu xúi khụng thứ nguyờn ủể xỏc ủịnh hệ số xúi kd của ủất gia cố 30 kg xi măng (Case2) 3.3.2.4 Thử nghiệm mẫu ủất gia cố 80 kg xi măng (Case3)

73 a) Sau 20 phút b) Sau 60 phút c) Sau 120 phút d) Sau 180 phút

Hỡnh 3.16 – Quỏ trỡnh phỏt triển hố xúi của mẫu ủất gia cố xi măng 80 kg (Case3)

Bảng 3.6 Kết quả phõn tớch thử nghiệm tia nước ngầm (JT) mẫu ủất gia cố 80 kg xi măng (Case3)

Bán kính ảnh hưởng xói D ≈ 15 mm

Bán kính ảnh hưởng xói D ≈ 25 mm Bán kính ảnh hưởng xói D ≈ 10 mm

Bán kính ảnh hưởng xói D ≈ 15 mm

Giỏ trị ủọc trờn thước ủo tại thời ủiểm ban ủầu, mm 423,5

Chênh cột áp, h mm 1995 Đường kính vòi phun, d 0 mm 6

Chiều cao ban ủầu vũi phun, J i mm 74

Giỏ trị ủọc chiều sõu xúi Thời gian ủọc, min

Thời gian theo dõi, min

Giỏ trị ủọc trờn thước ủo, mm

Chiều sâu xói lớn nhất, mm

Ghi chỳ: Số liệu ủó tớnh toỏn ở bảng trờn ủược phõn tớch và tớnh toỏn như mục 2.1.7.2 ủề tài này

Hỡnh 3.17 - Đường cong hyperbolic của kết quả thử nghiệm ủất gia cố 80 kg xi măng

(Case3) ủể xỏc ủịnh ứng suất tiếp giới hạn τ c

Dimensionless time function Scour data

Hình 3.18 - Đồ thị tối ưu hóa ước tính của thời gian xói không thứ nguyên và chiều sâu xúi khụng thứ nguyờn ủể xỏc ủịnh hệ số xúi kd của ủất gia cố 80 kg xi măng (Case3)

76 3.3.2.5 Thử nghiệm mẫu ủất gia cố 150 kg xi măng (Case4) a) Bắt ủầu thử nghiệm b) Sau 180 phỳt

Mẫu đất gia cố xi măng 150kg không thể tiến hành thử nghiệm xói tụa nước ngầm được do không đủ điều kiện.

3.3.3 Kết quả so sỏnh và ủỏnh giỏ:

3.3.3.1 Kết quả thử nghiệm ứng suất tiếp giới hạn và hệ số xói mòn bằng thiết bị tia nước ngầm trờn mẫu ủất tự nhiờn và ủất gia cố xi măng

Bảng 3.7 – Kết quả thử nghiệm tia nước ngầm trờn mẫu ủất gia cố xi măng τ c , k d ,

Case 4 - 150 kg ( 9% xi măng) Khụng thớ nghiệm xúi ủược

Hình 3.20 - Mẫu thử sau khi thử nghiệm tia nước ngầm (JT) - Như kết quả thử nghiệm cường ủộ nộn nở hụng ở trờn ta cú tại thời ủiểm 7 ngày tuổi của cỏc mẫu ủất gia cố xi măng 15 kg, 30 kg, 80 kg hầu như chưa cú tỏc dụng ủối với cường ủộ nộn nở hụng so với mẫu ủất tự nhiờn Nhưng theo kết quả thử nghiệm tia nước ngầm (JT) thỡ ủó cú sự khỏc biệt Mẫu 15kg hầu như chưa có sự tác dụng τ c (0,44 Pa) so với τ c (0,52 Pa), nhưng mẫu 30 kg và 80 kg ủó cú sự gia tăng ủỏng kể tưng ứng với (5,65 Pa) và (23,37 Pa)

Thậm chớ ủến 150 kg thỡ ủó khụng thể thử nghiệm tia nước ngầm (JT) do

78 mẫu quá cứng không thể tiến hành xói mẫu trong thời gian ngắn

- Điều này cũng ủược thấy rừ trong quỏ trỡnh phỏt triển hố xúi với thới gian xúi Hỡnh 3.7 và hỡnh 3.10 cho ta thấy quỏ trỡnh phỏt triển hố xúi của mẫu ủất tự nhiờn và mẫu ủất gia cố xi măng 15 kg là khỏ tương ủồng, quỏ trỡnh phỏt triển hố xúi là khỏ nhanh chỉ trong 20 phỳt và hầu như mất ổn ủịnh tổng thể chỉ trong 40 phút xói

- Hỡnh 3.13 và 3.16 cho ta thấy quỏ trớnh phỏt triển xúi của mẫu ủất gia cố xi măng 30 kg và 80 kg Chiều sâu xói là tăng dần theo thời gian xói và chiều sõu xúi là 14,5 mm sau 70 phỳt xúi ( Đối với mẫu ủất gia cố xi măng 30 kg) là 4,1 mm sau 180 phỳt ( Đối với mẫu ủất gia cố xi măng 80 kg)

- Hỡnh 3.19 cho ta thấy quỏ trớnh phỏt triển xúi của mẫu ủất gia cố xi măng 150 kg Mẫu hầu như khụng cú thay ủổi gỡ về chiều sõu xúi sau 180 phỳt xúi

3.3.3.2 Tương quan giữa ứng suất tiếp giới hạn τ c và tỉ lệ xói mòn k d

- Biểu ủồ 3.21 cho ta thấy tương quan giữa ứng suất tiếp giới hạn τ c và tỉ lệ xói mòn k d , ứng suất tiếp giới hạn càng tăng thì tỉ lệ xói mòn càng giảm y = 0.3385x -0.7121 R 2 = 0.9793

Power (Dữ liệu thí nghiệm)

Power (Tương quan của hanson và simon (2001))

Hình 3.21 Biểu thị Tương quan giữa ứng suất tiếp giới hạn τ c và tỉ lệ xói mòn k d

3.3.3.3 Nhận xột và ủỏnh giỏ: a) Thí nghiệm tia nước ngầm (JT) và các phương pháp ước tính ứng suất cắt giới hạn trước ủõy

Phương trình ước tính kinh nghiệm:

+ Cỏc phương trỡnh ước tớnh ủược phỏt triển bởi Smerdon và Beasley (1961)

0 w c = I τ liờn quan ủến chỉ số dẻo I w

3 D c × − τ = liờn quan ủến kớch thước hạt danh nghĩa D 50 (mm)

+ Phương trình ước tính của (Julian và Torres 2006)