nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ chống cắt đất không bão hòa đến sự ổn định đập đất tóm tắt luận án

Bộ Giáo dục và đào tạo Bộ Nông nghiệp và PTNT Trờng đại học Thuỷ lợi Nguyễn Thị Ngọc Hơng Nghiên cứu ảnh hởng của cờng độ chống cắt đất không bão hòa đến sự ổn định đập đất Chuyên ngành: Địa kỹ thuật Xây dựng Mã số: 62 - 58 - 60 - 01 tóm tắt Luận án tiến sĩ kỹ thuật Hà Nội, 2013 Công trình đợc hoàn thành tại: Trờng đại học Thuỷ lợi Ngời hớng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Trịnh Minh Thụ 2. GS. Nguyễn Công Mẫn Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án đợc bảo vệ trớc hội đồng chấm luận án cấp trờng họp tại: Trờng Đại học Thủy lợi 175 Tây Sơn - Đống Đa Hà Nội vào hồi giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu Luận án tại: Th viện Quốc gia hoặc Th viện Đại học Thủy lợi 175 Tây Sơn - Đống Đa Hà Nội - 1 - Mở đầu I. TíNH CấP THIếT CủA Đề TàI Đất không bão hòa thờng có các đặc tính về ứng suất - biến dạng, biến thiên áp lực nớc lỗ rỗng, cờng độ chống cắt, hệ số thấm không tuân theo các lý thuyết của cơ học đất bão hòa. Trên thực tế khối đất trong tự nhiên (tàn tích) hay nhân tạo (các đập vật liệu địa phơng) thờng là một hệ đất bão hòa/không bão hòa do đó các lý thuyết của cơ học đất bão hòa không còn áp dụng để tính toán một cách đầy đủ, toàn diện và chính xác cho môi trờng đất bão hòa/không bão hòa. ở Việt Nam, đập đất đợc xây dựng rất phổ biến và vật liệu đắp đập thờng là đất tại chỗ có hàm lợng hạt sét thấp (đặc biệt là các đập khu vực miền Trung). Các kiến thức, kinh nghiệm, lý thuyết tính toán, thiết bị thí nghiệm cho đất không bão hòa ở Việt Nam còn nhiều hạn chế. ở nớc ta, một số công trình vẫn làm việc tốt đến thời điểm hiện tại nhng trớc đó tính toán kiểm tra thấy mất ổn định, điều này liên quan đến việc trong quá trình tính toán đã không xét ảnh hởng của các thông số đất không bão hòa. Trong một công trình nghiên cứu các mái dốc đứng ở Hồng Kông, một số nghiên cứu cũng cho thấy kết quả tơng tự. Nh vậy, ngoài phơng pháp tính toán thông thờng, việc xem xét thêm ảnh hởng của các thông số đất không bão hòa khi tính toán ổn định công trình đất cũng rất quan trọng và cần thiết, thể hiện một phơng pháp tính toán đầy đủ và toàn diện cho môi trờng đất bão hòa/không bão hòa. Cho đến nay nớc ta cha có nhiều nghiên cứu về các đặc tính cơ lý của đất không bão hòa, đặc biệt là nghiên cứu ảnh hởng của cờng độ chống cắt của đất không bão hòa tới ổn định công trình đất. Mặt khác, hiện nay ở Việt Nam, hầu nh cha có thiết bị thí nghiệm xác định các thông số cơ học đất không bão hoà. Để tiếp cận với các nớc tiên tiến trên thế giới thì việc xây dựng và thiết lập các thiết bị thí nghiệm để xác định các đặc tính của đất không bão hòa cũng là một vấn đề quan trọng ở nớc ta. Do vậy đề tài Nghiên cứu ảnh hởng của cờng độ chống cắt đất không bão hòa đến sự ổn định đập đất có tính cấp bách, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn lớn. II. MụC ĐíCH NGHIÊN CứU Mục đích chính của đề tài luận án là: 1. Làm sáng tỏ bản chất mô hình đất không bão hòa và các đặc trng của đất không bão hòa xuất phát từ các quan niệm truyền thống với đất bão hòa. 2. Thiết lập các mối quan hệ giữa các chỉ tiêu của đất không bão hòa với nhau và với đất bão hòa cũng nh giữa các phơng pháp thí nghiệm khác nhau. Lập quan hệ để tính toán các hàm của các đặc trng đất không bão hòa phù hợp với đất thực tế của Việt Nam. 3. Làm rõ khả năng và điều kiện áp dụng các kết quả nghiên cứu thu đợc nhằm làm tăng tính kinh tế, giảm chi phí xây dựng công trình thủy lợi khi ứng dụng các thông số đất không bão hòa trong thiết kế và tính toán ổn định mái đập đất. iii. Đối tợng nghiên cứu và PHạM VI NGHIÊN CứU Đề tài luận án tiến hành nghiên cứu một số mẫu đất thuộc loại đất sét và đất sét pha lẫn dăm sạn. Ngoài các tính chất vật lý cơ học thông thờng, luận án tập trung chủ yếu nghiên cứu các đặc trng quan trọng của đất không bão hòa gắn liền với ổn định mái dốc đó là: quan hệ độ chứa nớc thể tích, hệ số thấm và cờng độ chống cắt. áp dụng tính toán cho các công trình đập vật liệu địa phơng và mái dốc tự nhiên: đại diện cho đất đắp đập Miền Đông Bắc là công trình đập đất hồ chứa nớc Khe Cát (tỉnh Quảng Ninh), các loại đất đắp đập thuộc công trình đập đất hồ chứa nớc Sông Sắt (tỉnh Ninh Thuận) đặc trng cho đất đắp đập miền Trung và đất vùng Tây Bắc Việt Nam (tỉnh Yên Bái). - 2 - Iv. nI DUNG NGHIÊN CứU Nội dung chính của luận án giải quyết những vấn đề sau: (1) Nghiên cứu tổng quan về đập đất nói chung và các vấn đề về mất ổn định mái đất, môi trờng đất bão hòa-không bão hòa, tình hình nghiên cứu và ứng dụng các đặc trng cơ lý của đất không bão hòa trong nớc và trên thế giới. (2) Nghiên cứu đi sâu về lý thuyết và các phơng pháp xác định các thông số của đất không bão hòa nh: đờng đặc trng quan hệ đất - nớc, hệ số thấm và cờng độ chống cắt. (3) Thông qua những kết quả nghiên cứu thu đợc, đề xuất qui trình thí nghiệm ba trục đất không bão hòa, đặc biệt trên thiết bị ba trục cải tiến, phù hợp với đất Việt Nam. (4) Nghiên cứu thực nghiệm xác định đờng cong đặc trng đất - nớc của các loại đất đắp khác nhau dùng trong công trình thực tế và cờng độ chống cắt của đất ứng với các lực hút dính khác nhau, xác định đờng quan hệ giữa cờng độ chống cắt t và lực hút dính (u a -u w ). (5) Nghiên cứu quan hệ giữa SWCC với cờng độ chống cắt và hệ số thấm của đất không bão hòa, tính toán xác định hệ số thấm của đất trong môi trờng bão hoà - không bão hoà. (6) Đề xuất phơng trình thực nghiệm biểu diễn đờng cong đặc trng đất-nớc và quan hệ giữa cờng độ chống cắt với lực hút dính của các mẫu đất dùng trong nghiên cứu phu hợp với đất của Việt Nam. (7) So sánh, đối chiếu kết quả tính toán từ các phơng trình đề xuất với kết quả thực nghiệm. Từ kết quả thu đợc kiến nghị về khả năng ứng dụng của các phơng trình đề xuất trong tính toán hệ số thấm và cờng độ chống cắt của đất không bão hòa tại Việt Nam. (7) ứng dụng kết quả nghiên cứu phân tích, đánh giá trạng thái ổn định của công trình thực tế (đập đất hồ chứa nớc Khe Cát và đập đất hồ chứa nớc Sông Sắt) và mái dốc tự nhiên ở Yên Bái. v. PHƯƠNG PHáP NGHIÊN CứU Các phơng pháp đợc áp dụng trong luận án: + Phơng pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu lý thuyết về đờng đặc trng quan hệ đất - nớc, cờng độ chống cắt của đất không bão hòa và hệ số thấm trong môi trờng đất bão hòa - không bão hòa. + Phơng pháp phần tử hữu hạn: mô phỏng và phân tích bài toán thấm cho đập đất trong môi trờng bão hòa, không bão hòa. + Phơng pháp phân tích ổn định mái dốc: tính toán ổn định mái dốc của đập đất khi xét thông số đất trong điều kiện bão hòa, không bão hòa. + Phơng pháp thực nghiệm: thí nghiệm xác định các chỉ tiêu tính chất của đất không bão hòa; thí nghiệm xác lập đờng cong đặc trng quan hệ đất-nớc của đất thí nghiệm; thí nghiệm xác định quan hệ giữa cờng độ chống cắt của đất không bão hòa với các lực hút dính khác nhau. VI. ý NGHĩA KHOA HọC Và THựC TIễN CủA LUậN áN Đề tài đợc nghiên cứu sẽ đóng góp các hiểu biết có cơ sở khoa học hơn về các thông số của đất không bão hòa và ảnh hởng của chúng đến trạng thái ổn định của mái đất. Nghiên cứu các kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên đất Việt Nam về đờng cong đặc trng đất - nớc, cờng độ chống cắt và hệ số thấm theo lực hút dính, đề xuất các phơng trình thực nghiệm cho phép tính toán đợc các dạng đờng quan hệ phù hợp với các kết quả thí nghiệm trên đất Việt Nam. Từ các kết quả rút ra trong nghiên cứu thực nghiệm, đề tài sẽ ứng dụng nghiên cứu trạng thái ổn định của đập đất để chỉ ra đợc mức độ ảnh hởng của cờng độ chống cắt của đất không bão hòa đến hệ số ổn định mái đất. Luận án đóng góp việc ứng dụng phơng trình thực nghiệm trong mô phỏng các đặc tính đất không bão hòa tại Việt Nam, xem xét ảnh hởng của các thông số đất không bão hòa trong tính toán và thiết kế đập đất nhằm chọn đợc kích thớc mặt cắt hợp lý đập bảo đảm tính khoa học và tính kinh tế, đóng góp trong việc ứng dụng một tiến bộ khoa học trong thực tế xây dựng công trình thủy lợi ở Việt Nam. - 3 - VIi. NhữNG ĐóNG GóP MớI CủA LUậN áN Luận án đã có những đóng góp về khoa học và thực tiễn cho Việt Nam nh sau: (1) Thiết bị nén 3 trục cho đất không bão hòa đợc cải tiến từ thiết bị thí nghiệm nén 3 trục của đất bão hòa tại phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật trờng Đại học Thủy lợi dựa trên nguyên lý đề xuất của Fredlund and Rahardjo 1993. (2) Xây dựng đợc đờng quan hệ cho tính toán các đờng cong đặc trng đất - nớc, hệ số thấm và cờng độ chống cắt cho một số loại đất ở Việt Nam. Xây dựng đợc biểu đồ hệ số hiệu chỉnh theo chỉ số dẻo I p cho các loại đất (từ sét pha nhẹ, sét pha, sét pha nặng đến sét) ở nớc ta. Kết quả nghiên cứu cờng độ chống cắt cho thấy các thông số cờng độ chống cắt (, c và b ) của cùng loại đất theo các sơ đồ cắt khác nhau (cắt trực tiếp, cắt cố kết thoát nớc và cắt với độ ẩm không đổi) cho giá trị tơng đối gần nhau, kiến nghị trong điều kiện không có thiết bị thí nghiệm nén ba trục cho đất không bão hòa thì có thể dùng thiết bị cắt phẳng để thí nghiệm xác định sơ bộ các thông số cờng độ chống cắt của đất không bão hòa. (3) Khi lực hút dính thay đổi thì lực dính c thay đổi, nhng hầu nh không đổi cho một số loại đất của Việt Nam. (4) Thí nghiệm đợc bộ thông số đặc trng cho một số loại đất ở Việt Nam cũng nh minh chứng đợc ảnh hởng của đặc tính không bão hòa đối với ổn định mái cho đất của nớc ta. Đề xuất phơng pháp ứng dụng các thông số đặc trng đất không bão hòa trong tính toán ổn định mái dốc đảm bảo an toàn và kinh tế cho đất của Việt Nam. VIiI. Bố CụC CủA LUậN áN Mở đầu Chơng 1: Tổng quan về đập đất và đất không bão hoà. Chơng 2: Cơ sở lý thuyết. Chơng 3: Nghiên cứu thực nghiệm. Chơng 4: ứng dụng tính toán ổn định mái dốc cho công trình thực tế (công trình đập đất hồ chứa nớc Sông Sắt và công trình đập đất hồ chứa nớc Khe Cát) và mái dốc tự nhiên. Kết luận và kiến nghị. Chơng 1 Tổng quan các nghiên cứu về đập đất và đất không bão hòa 1.1. tổng quan về đập đất 1.1.1. Khái quát chung về đập đất Đập đất là một loại công trình dâng nớc rất phổ biến. Đập đất có thể đợc phân loại dựa vào cấu tạo thân đập nh sau: 1) Đập đồng chất: Thân đập đợc đắp bằng một loại đất 2) Đập đất không đồng chất: Đập đợc đắp bằng nhiều loại đất 3) Đập có tờng nghiêng mềm hoặc cứng 4) Đập có tờng lõi mềm hoặc cứng 5) Đập hỗn hợp: Phần thân đập thợng lu đắp bằng một hoặc nhiều loại đất, phần thân đập hạ lu là khối đá. 1.1.2. Các vấn đề về mất ổn định mái đất Những sự cố trợt lở lớn mái dốc trên thế giới và ở Việt Nam phần lớn có liên quan đến trạng thái không bão hòa của đất. Các đất có vấn đề về trợt lở này thờng có nguồn gốc tàn tích và mực nớc ngầm ở sâu. Hiện nay hầu hết các phơng pháp phân tích sự ổn định của mái dốc đều giả thiết mặt trợt có dạng mặt trụ tròn xoay do việc dùng mặt trụ tròn xoay với mặt cắt ngang là - 4 - cung tròn sẽ cho kết quả thỏa mãn độ chính xác mà không cần tính toán quá phức tạp. Nói chung, các thông số cờng độ chống cắt hiệu quả (tức là c và ) đợc dùng khi tiến hành phân tích ổn định mái dốc trên đất bão hòa. Có thể chấp nhận giả thiết bỏ qua áp lực nớc lỗ rỗng âm đối với những trờng hợp mà phần lớn mặt trợt nằm dới mặt nớc ngầm. Tuy nhiên, trong những trờng hợp mặt nớc ngầm sâu hay khi ngời ta quan tâm tới khả năng xuất hiện mặt phá hoại nông, thì không thể bỏ qua áp lực nớc lỗ rỗng âm đợc. 1.2. tổng quan về môi trờng đất bão hòa, không bão hoà Đất bão hòa là loại đất gồm hai pha (pha rắn và pha lỏng) và có áp lực nớc lỗ rỗng dơng. Đất không bão hoà là loại đất có nhiều hơn hai pha và có áp lực nớc lỗ rỗng âm, liên quan với áp lực khí lỗ rỗng. Lambe và Whitman (1979) định nghĩa đất không bão hoà là hệ ba pha bao gồm pha rắn, pha nớc và pha khí. Theo Fredlund và Morgensten (1977), khi phân tích ứng suất của môi trờng liên tục nhiều pha, cần nhận thức pha trung gian khí - nớc ứng xử nh một pha độc lập, khi đó đất không bão hoà là hệ bốn pha: pha rắn, pha khí, pha nớc và mặt ngoài căng hay mặt phân cách khí - nớc. Lực hút dính, đờng cong đặc trng đất-nớc, hệ số thấm và cờng độ chống cắt là các đặc trng cơ bản của đất không bão hòa. Cờng độ chống cắt của đất không bão hòa khác đất bão hòa ở chỗ có thêm lực dính do lực hút dính gây ra. Lực dính thêm này phụ thuộc vào (u a - u w ), giá trị b . 1.3. Tình hình nghiên cứu các đặc trng cơ lý đất không bão hoà trên thế giới và ở việt nam 1.3.1. Tình hình nghiên cứu các đặc trng cơ lý đất không bão hòa trên thế giới Lý thuyết về Cơ học đất không bão hoà đợc thiết lập từ nhiều thập kỷ trớc. Trớc năm 1950, các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu đặc tính của đất không bão hòa; tuy nhiên, hầu hết các mối quan tâm chỉ dừng lại ở dòng mao dẫn. Vào cuối những năm 50, những thúc đẩy mới đã bắt đầu bằng việc nghiên cứu biến thiên thể tích và cờng độ chống cắt của đất không bão hoà. Việc nghiên cứu trên dẫn đến các đề nghị về một số phơng trình ứng suất, đợc gọi là ứng suất hiệu quả cho đất không bão hòa. Về sau có sự thay đổi chậm chạp theo hớng chấp nhận hai biến trạng thái ứng suất độc lập (Fredlund và Mongensten (1977), ). Cho đến hiện nay đã có một nền tảng khá vững chắc về lý thuyết cho Cơ học đất không bão hòa. 1.3.2. Tổng quan các nghiên cứu về cờng độ chống cắt của đất Terzaghi (1936) dùng tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb và khái niệm ứng suất hiệu quả để mô tả cờng độ chống cắt của đất bão hòa. Để xác định trạng thái ứng suất cho đất không bão hòa, nhiều nghiên cứu ngày càng ủng hộ việc dùng hai biến trạng thái ứng suất độc lập (Fredlund và Morgenstern, 1977). 1.3.3. Tình hình nghiên cứu các đặc trng cơ lý đất không bão hòa nói chung và cờng độ chống cắt của đất không bão hòa nói riêng ở nớc ta ở nớc ta, các bài toán về Cơ học đất không bão hoà mới bắt đầu đợc quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây. Một số ít bài báo và nghiên cứu khoa học về đất không bão hòa đã đợc công bố. Các bài toán thấm, ổn định mái dốc, ứng suất biến dạng đã đợc ứng dụng lý thuyết của Cơ học đất không bão hòa để tính toán ổn định công trình. Hiện nay, các thiết bị thí nghiệm về đất không bão hòa bắt đầu đợc du nhập vào Việt Nam. Đặc biệt, phòng Thí nghiệm Địa kỹ thuật trờng Đại học Thủy lợi đã có thiết bị xác định đờng cong SWCC và cờng độ chống cắt của đất không bão hòa, góp phần phục vụ cho các nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số đất không bão hòa của Việt Nam. - 5 - 1.4. kết luận chơng i Vấn đề nghiên cứu sử dụng các thiết bị thí nghiệm, các qui trình thí nghiệm xác định các thông số đất không bão hòa cho đất Việt Nam và ứng dụng các thông số đó trong tính toán ổn định công trình đất có ý nghĩa quan trọng và cần thiết, mở ra hớng nghiên cứu mới cho các nhà khoa học Việt Nam, cùng với các nhà khoa học trên thế giới góp phần phát triển và hoàn thiện lý thuyết Cơ học đất không bão hòa. Trong luận án này, tác giả đề xuất nghiên cứu xác định các thông số đất không bão hòa của một số loại đất tại Việt Nam và ứng dụng các thông số đó trong tính toán ổn định đập đất. Chơng 2 Cơ sở lý thuyết đất không bão hòa 2.1. Các biến trạng thái ứng suất trong môi trờng đất Bishop (1959) đã đề nghị một biểu thức thực nghiệm cho ứng suất hiệu quả và đã đợc tham khảo rộng rãi (ví dụ các bài giảng ở Oslo, Nauy, 1955): s = (s - u a ) + (u a - u w ) (2.2) trong đó: u a - áp lực khí lỗ rỗng; - thông số liên quan đến độ bão hoà của đất. Năm 1977, Fredlund và Morgenstern đã nghiên cứu và kết luận là bất kỳ hai trong ba biến ứng suất pháp (ứng suất tổng s, áp lực nớc lỗ rỗng u w và áp lực khí lỗ rỗng u a ) đều có thể dùng để mô tả trạng thái ứng suất của đất không bão hoà. Nói cách khác, có ba tổ hợp có thể đợc dùng làm các biến trạng thái ứng suất mô tả đặc tính cờng độ chống cắt và biến thiên thể tích của đất không bão hoà, thích hợp cho cấu trúc đất và mặt ngoài căng trong đất không bão hòa: (s-u a ) và (u a -u w ); (s-u w ) và (u a -u w ); (s-u a ) và (s-u w ), trong đó: s - ứng suất tổng; u a - áp lực khí lỗ rỗng; u w - áp lực nớc lỗ rỗng. 2.2. đờng cong đặc trng đất - nớc Trong Cơ học đất không bão hòa, đờng cong quan hệ giữa độ ẩm và lực hút gọi là đờng cong đặc trng đất-nớc, đóng vai trò rất quan trọng giải quyết các bài toán thấm trong đất không bão hòa, khống chế các đặc tính của đất không bão hoà nh hệ số thấm, cờng độ chống cắt và biến thiên thể tích của đất. Các phơng trình đờng cong đặc trng đất - nớc Nhiều dạng phơng trình theo kinh nghiệm đợc đề nghị để biểu diễn đờng cong đặc trng đất - nớc. Các phơng trình đợc đề nghị để mô phỏng SWCC đều dựa trên sự giả định rằng hình dạng của SWCC phụ thuộc vào sự phân bố kích cỡ lỗ rỗng trong đất. Dạng phơng trình biểu thị mối quan hệ giữa lực hút và độ ẩm chuẩn hoá thờng đợc sử dụng là phơng trình của Fredlund & Xing (1994). Fredlund và Xing: = m n a e C ln 1 (2.8) trong đó: , a, n, m - các hằng số (các thông số khác nhau của đất), - lực hút dính, - độ ẩm thể tích chuẩn hoá, = (q - q r ) / (q s q r ) (q s là độ ẩm thể tích bão hoà, q r là độ ẩm thể tích d, và q là độ ẩm thể tích tại một giá trị lực hút dính xác định), e - cơ số tự nhiên, và C() - hệ số hiệu chỉnh. Xác định đờng cong đặc trng đất - nớc bằng thực nghiệm Đờng cong đặc trng đất-nớc có thể đợc xác định bằng phơng pháp thí nghiệm tấm áp suất trong phòng thí nghiệm. Trong phòng thí nghiệm, lực hút dính có thể đặt vào mẫu đất bằng cách giữ để áp lực nớc lỗ rỗng bằng không và đặt vào mẫu một áp lực khí - 6 - lỗ rỗng dơng. Do đó có thể làm biến đổi lực hút dính trong mẫu đất [(u a - u w ) trong đó u w giữ bằng không] bằng cách tác dụng các áp lực khí khác nhau vào mẫu. Phơng pháp này thuộc loại kỹ thuật tịnh tiến trục. 2.3. cờng độ chống cắt của đất không bão hoà 2.3.1. Phơng trình cờng độ chống cắt của đất bão hòa Terzaghi (1936) dùng tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb và khái niệm ứng suất hiệu quả để mô tả cờng độ chống cắt của đất bão hòa: t ff = c + (s f - u w ) f tan (2.11) trong đó: t ff - ứng suất cắt trên mặt phá hoại lúc phá hoại; c - lực dính hiệu quả; (s f - u w ) f - ứng suất pháp hiệu quả trên mặt phẳng phá hoại lúc phá hoại; - góc ma sát trong hiệu quả. 2.3.2. Phơng trình cờng độ chống cắt của đất không bão hòa Bishop (1959) đề xuất phơng trình cờng độ chống cắt nh sau: t = c + [(s - u a ) + (u a - u w )] tan (2.12) trong đó: c - lực dính hiệu quả của đất bão hoà, - góc ma sát trong hiệu quả của đất bão hoà, s - ứng suất pháp tổng, u a - áp lực khí lỗ rỗng, u w - áp lực nớc lỗ rỗng, và - thông số liên quan đến độ bão hoà của đất, giá trị thay đổi từ 0 đến 1. Fredlund và nnk. (1978) kiến nghị phơng trình cờng độ chống cắt cho đất không bão hoà bằng việc dùng các biến trạng thái ứng suất (s-u a ) và (u a -u w ) nh sau: b f wa f afff uuuc st tan'tan' (2.13) trong đó: t ff - ứng suất cắt trên mặt trợt ở trạng thái phá hoại, c - lực dính hiệu quả, (s f - u a ) f - ứng suất pháp thực trên mặt trợt ở trạng thái phá hoại, - góc ma sát trong ứng với ứng suất pháp thực (s f -u a ) f , (u a -u w ) f - lực hút dính ở trạng thái phá hoại, và b - góc biểu thị tốc độ tăng về cờng độ chống cắt ứng với sự tăng lên của lực hút dính (u a -u w ) f ở trạng thái phá hoại. Cờng độ chống cắt của đất không bão hoà thờng đợc xác định từ các thí nghiệm cắt cố kết thoát nớc (thí nghiệm CD) hoặc thí nghiệm cắt với độ ẩm không đổi (thí nghiệm CW). Vanapalli & nnk. (1996) và Fredlund & nnk. (1996) kiến nghị một hàm dự đoán cờng độ chống cắt của đất không bão hoà từ SWCC và các thông số cờng độ chống cắt hiệu quả (c và ) nh sau: 'tan'tan' st waan uuuc (2.15) trong đó: - tham số hiệu chỉnh để tìm các giá trị tính toán sao cho phù hợp với các giá trị đo đợc; - độ ẩm thể tích chuẩn hoá ( = q w /q s ); q w - độ ẩm thể tích; q s - độ ẩm thể tích bão hoà. 2.4. phơng pháp phân tích thấm trong môi trờng bão hòa, không bão hòa Hệ số thấm nớc của đất có thể đợc xác định bằng các phơng pháp gián tiếp từ SWCC hoặc trực tiếp (thí nghiệm thấm). Leong và Rahardjo (1997) đã kiến nghị phơng trình dự đoán hệ số thấm dựa trên hệ số thấm bão hòa và đờng cong đặc trng đất nớc nh sau: p s w s p sw kkk q q (2.19) trong đó: p là một hằng số. Fredlund và những ngời khác (2001) đã tiến hành xác định giá trị của hằng số p cho rất nhiều cặp số liệu và đã tìm ra p biến đổi từ 2,4 đến 5,6 cho các loại đất khác nhau. Giá trị trung bình của p cho tất cả các loại đất là 3,29. - 7 - 2.5. phơng pháp phân tích ổn định đập đất Các phơng pháp cân bằng giới hạn phân thỏi sử dụng ứng suất hiệu quả và áp lực nớc lỗ rỗng trong việc xác định hệ số an toàn ổn định mái dốc đợc dùng rộng rãi trong thực tiễn để phân tích đánh giá ổn định đập đất. Khi tính ổn định mái dốc có xét áp lực nớc lỗ rỗng âm có thể dùng các phơng pháp lực dính toàn phần - đa lực hút dính vào lực dính của đất (Ching và các cộng sự, 1984), tìm phơng trình hệ số an toàn đáp ứng cả áp lực nớc lỗ rỗng dơng lẫn áp lực nớc lỗ rỗng âm (Fredlund, 1989, 1995; Rahardjo và Fredlund, 1993) hoặc theo quan hệ phi tuyến cờng độ chống cắt - lực hút dính (Rahardjo, Fredlund và Vanapali, 1992). Trong phơng pháp lực dính toàn phần, đất không bão hòa đợc coi là đất có lực dính toàn phần bao gồm lực dính hiệu quả và lực hút dính. 2.6. Kết luận chơng 2 Các thông số đặc trng cho đất không bão hòa là SWCC, hệ số thấm và cờng độ chống cắt. SWCC đợc xác định thông qua phơng pháp thực nghiệm và các công thức tính toán. Hệ số thấm và cờng độ chống cắt của đất không bão hòa có thể đợc xác định gián tiếp qua SWCC hay đợc xác định trực tiếp bằng thí nghiệm. Khi phân tích ổn định mái dốc có thể áp dụng phơng pháp lực dính toàn phần để xem xét ảnh hởng của các thông số đất không bão hòa đến hệ số an toàn. Chơng 3 Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số đặc trng cờng độ chống cắt của đất không bão hòa 3.1. tính chất cơ bản của đất dùng trong thí nghiệm Luận án tập trung nghiên cứu một số loại đất thuộc ba khu vực: Đông Bắc Bộ, Tây Bắc Bộ và Nam Trung Bộ. Loại đất thứ nhất dùng trong nghiên cứu thuộc mỏ vật liệu đất đắp đập dâng nớc trong hệ thống công trình đầu mối hồ chứa nớc Sông Sắt nằm trên địa phận xã Phớc Thắng, huyện Bác ái, tỉnh Ninh Thuận (khu vực Nam Trung Bộ). Loại đất thứ hai dùng trong nghiên cứu là mỏ vật liệu đất đắp thuộc khu vực công trình hồ chứa nớc Khe Cát (trong giai đoạn lập dự án đầu t xây dựng) nằm trên thợng nguồn suối Khe Cát, thuộc xã Hải Lạng, huyn Tiên Yên, tỉnh Quảng Ninh (khu vực Đông Bắc Bộ). Loại đất thứ ba trong nghiên cứu này là các mẫu đất nguyên dạng đợc lấy tại nhiều vị trí khác nhau trên một mái dốc tự nhiên thuộc thành phố Yên Bái tỉnh Yên Bái (khu vực Tây Bắc Bộ). Tính chất cơ lý của đất đợc xác định theo qui trình thí nghiệm TCVN (1995) và đợc nêu trong bảng 3.1a và 3.1b. Bảng 3.1a. Tính chất cơ lý của các mẫu vật liệu đầm nén Các chỉ tiêu Ký hiệu Đơn vị Vật liệu Sông Sắt 1 Vật liệu Sông Sắt 2 Vật liệu Sông Sắt 3 Vật liệu Khe Cát Thành phần hạt >10.000 mm % 0,00 0,21 2,59 0,00 5,000 - 10,000 mm % 0,00 2,08 2,41 0,00 Sạn sỏi 2,000 - 5,000 mm % 0,00 4,89 6,25 9,00 Cát 0,500 - 2,000 mm % 0,00 11,19 10,30 7,00 0,250 - 0,500 mm % 15,34 5,80 5,54 6,00 0,100 - 0,250 mm % 15,11 9,69 10,30 13,00 0,050 - 0,100 mm % 33,28 30,17 29,69 8,00 Bụi 0,010 - 0,050 mm % 12,22 9,68 8,93 15,00 0,005 - 0,010 mm % 0,97 1,29 1,22 11,00 - 8 - Sét <0,005 mm % 23,07 25,00 22,78 31,00 Tỷ trọng G s 2,680 2,725 2,731 2,710 Giới hạn chảy W l % 24,83 23,83 24,08 52,60 Giới hạn dẻo W p % 14,99 13,20 15,16 34,47 Chỉ số dẻo I p % 9,84 10,62 8,91 18,13 Khối lợng đơn vị khô lớn nhất dmax g/cm 3 1,867 2,024 1,997 1,550 Độ ẩm tốt nhất W opt % 12,73 11,06 10,97 24,50 Bảng 3.1b. Tính chất cơ lý của các mẫu đất nguyên dạng tại Yên Bái Các chỉ tiêu Ký hiệu Đơn vị Yên Bái 1 Yên Bái 2 Yên Bái 3 Yên Bái 4 Yên Bái 5 Thành phần hạt >10.000 mm % 6,08 0,00 0,00 0,00 0,00 5,000 - 10,000 mm % 8,08 8,23 0,85 0,17 2,49 Sỏi 2,000 - 5,000 mm % 24,62 21,64 1,60 3,29 5,46 Cát 0,500 - 2,000 mm % 6,22 7,52 3,62 9,74 6,10 0,250 - 0,500 mm % 3,81 4,71 4,70 3,68 4,23 0,100 - 0,250 mm % 4,97 5,11 6,20 5,52 5,33 0,050 - 0,100 mm % 8,67 13,02 20,34 17,48 17,21 Bụi 0,010 - 0,050 mm % 8,17 9,34 29,43 28,42 25,57 0,005 - 0,010 mm % 2,12 2,99 6,47 5,46 6,94 Sét <0,005 mm % 27,25 27,44 26,79 26,23 26,67 Tỷ trọng G s 2,730 2,730 2,720 2,720 2,720 Giới hạn chảy W l % 51,14 50,73 53,05 55,64 51,52 Giới hạn dẻo W p % 34,60 34,12 37,10 40,60 35,70 Chỉ số dẻo I p % 16,54 16,61 15,95 15,04 15,82 3.2. thí nghiệm xác định đờng cong đặc trng đất - nớc 3.2.1. Thiết bị thí nghiệm xác định đờng cong đặc trng đất nớc Sơ đồ thiết bị thí nghiệm xác định đờng cong đặc trng đất-nớc đợc trình bày trong hình 3.1. Đĩa gốm trong luận án là loại 5 bar. 3.2.2. Chuẩn bị mẫu Chế bị 12 mẫu đất theo phơng pháp đầm nén có khối lợng đơn vị khô bằng 95 % khối lợng đơn vị khô lớn nhất và độ ẩm là độ ẩm tốt nhất. Mẫu đất chế bị có chiều dày 20 mm, đờng kính 62 mm, thể tích 60 cm 3 . Các mẫu nguyên dạng Yên Bái đợc cắt gọt vào các dao vòng có chiều cao 20 mm, thể tích 60 cm 3 . 3.2.3. Bão hoà mẫu và đĩa gốm Các mẫu đất đợc bão hoà nhằm đa chúng đồng nhất về độ ẩm hay độ bão hoà. Bão hòa đĩa gốm nhằm mục đích tạo mặt căng để ngăn cách pha khí và pha nớc. Tính chất cơ lý của mẫu đất thí nghiệm đợc thống kê trong bảng 3.2a và 3.2b. Hình 3.1. Bình chiết suất xác định SWCC [...]... Nam cũng nh minh chứng đợc ảnh hởng của đặc tính không bão hòa đối với ổn định mái cho đất của nớc ta Kết quả nghiên cứu cho thấy cờng độ chống cắt của đất không bão hòa ảnh hởng đáng kể đến trạng thái ổn định của đập đất Khi đất càng không bão hòa với lực hút dính càng tăng thì hệ số thấm của đất giảm, cờng độ chống cắt của đất tăng dẫn đến tăng hệ số an toàn ổn định của khối đất Điều này có ý nghĩa... hệ số ổn định mái dốc theo phơng pháp lực dính toàn phần với các thông số đặc trng đất không bão hòa tính toán theo quan hệ của các tác giả trên thế giới Kết luận và kiến nghị I KếT LUậN 1 Luận án đã nghiên cứu cơ sở lý thuyết về môi trờng đất bão hòa -không bão hoà, các thông số đặc trng đất không bão hòa Phân tích và đánh giá tình hình nghiên cứu và ứng dụng các thông số đặc trng đất không bão hòa trên... và thiết bị cắt phẳng trong điều kiện Việt Nam hoàn toàn có thể xác định đợc các thông số đặc trng cờng độ chống cắt của đất cho thiết kế đập đất dựa trên tính toán theo mô hình đất bão hòa -không bão hòa 6 Đề xuất phơng pháp ứng dụng các thông số đặc trng đất không bão hòa trong tính toán ổn định mái dốc đảm bảo an toàn và kinh tế cho đất của Việt Nam Thiết kế đập đất dựa theo tính toán ổn định mái dốc... mẫu đất không bão hòa là mặt cong theo trục lực hút dính Cờng độ chống cắt (, c và b) của cùng loại đất theo các sơ đồ cắt khác nhau (cắt trực tiếp, cắt cố kết thoát nớc và cắt với độ ẩm không đổi) cho giá trị gần nhau, kiến nghị trong điều kiện không có thiết bị thí nghiệm nén ba trục cho đất không bão hòa thì có thể dùng thiết bị cắt phẳng để thí nghiệm các thông số chống cắt của đất không bão hòa. .. Phân tích ổn định mái Hình 4.2 Đờng phân bố áp lực nớc lỗ rỗng dốc trong thân và nền đập (MC5A) Để nghiên cứu ảnh hởng của lực hút dính đến ổn định công trình đắp, luận án đã phân tích dựa trên 3 phơng pháp sau: Phơng pháp giả thiết không xét đến b: phơng pháp này đợc áp dụng khi không xét đến ảnh hởng của phần đất không bão hòa phía trên đờng bão hòa Phơng pháp giả thiết b = 1/2 : áp dụng khi không. .. thái làm việc thực tế của đập 4.3.2.1 Phân tích ổn định theo phương pháp giả thiết không xét đến b Kết quả phân tích ổn định mái hạ lu theo giả thiết không xét đến b cho hệ số ổn định mái hạ lu nhỏ nhất là: Fs = 1,195 4.3.2.2 Phân tích ổn định theo phương pháp giả thiết b = 1/2 Kết quả tính toán ổn định mái dốc hạ lu đập cho hệ số ổn định nhỏ nhất là Fs = 1,307 4.3.2.3 Phân tích ổn định theo phương pháp... tích ổn định mái đất theo 3 phơng pháp cho thấy trong khối đất không bão hòa, cờng độ chống cắt tăng theo lực hút dính do lực dính trong đất tăng làm tăng tính ổn định của khối đất, dẫn đến làm tăng hệ số an toàn ổn định Sử dụng các đờng quan hệ của tác giả để tính toán ổn định đập đất theo phơng pháp lực dính toàn phần cho kết quả hệ số ổn định mái dốc tăng 4,67% (công trình Sông Sắt), 0,47% (công trình... dính của mẫu đầm nén Sông Sắt 2 lực hút dính của mẫu đầm nén Sông Sắt 3 Kết quả tính toán hệ số thấm theo quan hệ giữa độ ẩm thể tích và lực hút dính do tác giả đề xuất cho giá trị phù hợp với các mẫu đất dùng trong nghiên cứu này hơn do đợc xây dựng trên cơ sở các kết quả thí nghiệm xác định SWCC của các mẫu đất mà tác giả đã thực hiện trong luận án 3.3 xác định cường độ chống cắt của đất không bão hòa. .. thiết của việc nghiên cứu xác định và ứng dụng các thông số đất không bão hòa trong quá trình thiết kế và thi công các công trình đất tại Việt Nam 2 Tác giả luận án đã cải tiến thiết bị nén 3 trục cho đất không bão hòa từ thiết bị thí nghiệm nén 3 trục của đất bão hòa tại phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật trờng Đại học Thủy lợi dựa trên nguyên lý đề xuất của Fredlund and Rahardjo 1993 để phục vụ cho nghiên. .. Ngọc Hương, Trịnh Minh Thụ (2013), Xác định cường độ chống cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm nén ba trục cải tiến với độ ẩm không đổi, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường, trường Đại học Thủy lợi, số 40, trang 8793 2 Nguyễn Thị Ngọc Hương, Trịnh Minh Thụ (2013), Xác định cường độ chống cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm cắt trực tiếp, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và . trong nghiên cứu thực nghiệm, đề tài sẽ ứng dụng nghiên cứu trạng thái ổn định của đập đất để chỉ ra đợc mức độ ảnh hởng của cờng độ chống cắt của đất không bão hòa đến hệ số ổn định mái đất. Luận. để xác định các đặc tính của đất không bão hòa cũng là một vấn đề quan trọng ở nớc ta. Do vậy đề tài Nghiên cứu ảnh hởng của cờng độ chống cắt đất không bão hòa đến sự ổn định đập đất có tính. (1) Nghiên cứu tổng quan về đập đất nói chung và các vấn đề về mất ổn định mái đất, môi trờng đất bão hòa -không bão hòa, tình hình nghiên cứu và ứng dụng các đặc trng cơ lý của đất không bão hòa