Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng bentonite đến ứng suất, biến dạng của tường hào xi măng bentonite áp dụng cho đập vũ quang tỉnh hà tĩnh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu độc lập của bản thân với sự giúp đỡcủa giáo viên hướng dẫn Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưađược công bố trong các công trình khác Những số liệu thu thập và tổng hợp của cánhân đảm bảo tính khách quan và trung thực Nếu không đúng như trên tôi xin hoàntoàn chịu trách nhiệm về đề tài của mình.

Tác giả

Hà Văn Hạnh

LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Nguyễn Cảnh Tháilà người hướng dẫn trực tiếp tác giả thực hiện luận văn Xin cảm ơn thầy đã dànhnhiều công sức, trí tuệ và thời gian hướng dẫn để tác giả hoàn thành luận văn nghiêncứu Tác giả xin cảm ơn Th.S Phạm Huy Dũng đã hướng dẫn và tạo điều kiện trongthời gian thí nghiệm tại phòng thí nghiệm Địa Kỹ Thuật trường Đại học Thủy Lợi.Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đã giảng dạy trong thời gian học caohọc tại Trường Đại học Thuỷ lợi, các thầy cô giáo trong Khoa Công trình Trường Đạihọc Thuỷ lợi Hà Nội, phòng Đào tạo đại học và sau đại học đã tận tình giúp đỡ vàtruyền đạt kiến thức để tôi có thể hoàn thành được luận văn này.

Cuối cùng tác giả xin chân thành cảm ơn bạn bè và gia đình đã động viên, khuyếnkhích để tác giả hoàn thiện luận văn nghiên cứu.

Tác giả

Hà Văn Hạnh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀTƯỜNG HÀO XI MĂNG – BENTONITE .3

1.1.Tổng quan về đập vật liệu địa phương 3

1.2 Các sự cố công trình do dòng thấm gây ra và các biện pháp xử lý 4

1.4.1 Một số công trình chống thấm bằng tường hào Bentonite ở Việt Nam 14

1.4.2 Những nghiên cứu đã có liên quan đến tính ứng suất, biến dạng của tường hào.151.5 Giới thiệu chi tiết tường chống thấm bằng xi măng-bentonite 16

1.5.1 Công dụng của tường hào xi măng – bentonite 16

1.5.2 Các yêu cầu của tường hào xi măng – bentonite 17

1.5.3 Cấp phối vật liệu của xi măng - bentonite 17

1.5.4 Kích thước tường hào 18

1.5.5 Quy trình thi công hào xi măng - bentonite 18

2.2 Phân tích các phương pháp tính toán trạng thái ứng suất biến dạng 31

2.2.1 Các phương pháp tính toán ứng suất biến dạng (ƯSBD) 31

2.2.2 Nội dung phương pháp phần tử hữu hạn 31

2.2.3 Giải bài toán ứng xuất biến dạng và cố kết bằng phương pháp PTHH 32

2.3 Lựa chọn phần mềm tính toán 41

Kết luận chương 2 42

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CỦA TƯỜNG HÀO XI MĂNG – BENTONITE 43

3.1 Đặc điểm,tính chất và thành phần của xi măng, bentonite, tro bay 43

3.1.1 Đặc điểm ,tính chất và thành phần của bentonite 43

3.1.2 Đặc điểm ,tính chất và thành phần của xi măng 46

3.1.3 Đặc điểm ,tính chất và thành phần của tro bay 47

3.2 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu về cường độ của tường hào ứng với các hàm lượng khác nhau 51

3.2.1 Trộn hỗn hợp vật liệu và tạo mẫu thí nghiệm 51

3.3 Kết quả thí nghiệm và đánh giá, nhận xét 62

3.3.1 Kết quả thí nghiệm 62

3.3.2 Đánh giá, nhận xét kết quả thí nghiệm 68

Kết luận chương 3 70

CHƯƠNG 4 ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO ĐẬP VŨ QUANG TỈNH HÀ TĨNH 71

4.1 Giới thiệu về công trình 71

4.2 Quá trình xử lý và thi công tường hào xi măng bentonite chống thấm 73

4.3 Phân tích ứng suất, biến dạng hào Xi măng – Bentonite đập Vũ Quang 74

4.3.1 Tài liệu cho trước 74

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Nước thấm qua thân đập ở hồ Nao Kon Đơi huyện Đác Glong tỉnh Đắc

Nông gây sạt lở mái đập hạ lưu .5

Hình 1 2: Đập có tường nghiêng mềm 6

Hình 1 3: Đập có tường lõi mềm 7

Hình 1 4: Đập đất đồng chất có tường răng .7

Hình 1 5: Đập có tường lõi chân răng .8

Hình 1 6: Đập có tường nghiêng chân răng .8

Hình 1 7: Chống thấm cho nền bằng bản cọc 8

Hình 1 8: Chống thấm bằng tường nghiêng, sân phủ 9

Hình 1 9: Quá trình thi công chống thấm bằng vải địa kỹ thuật cho đập 10

Hình 1 10: Sơ đồ bố trí thiết bị thi công công nghệ Jet Grouting .11

Hình 1 11: Tường chống thấm bằng xi măng – bentonite 12

Hình 1 12: Quá trình thi công tường hào xi măng – bentonite 13

Hình 1 13: Hệ thống ủ vật liệu .20

Hình 1 14: Mô hình tường dẫn .21

Hình 1 15: Thi công theo thứ tự từ panel có số thứ tự bé đến panel có thứ tự lớn 22

Hình 2 1: Thiết bị đo cắt trực tiếp .25

Hình 2 2: Máy nén 3 trục 26

Hình 2 3: Máy nén 3 trục ELE 25-3518/01 28

Hình 2 4: Máy thí nghiệm nén một trục .30

Hình 2 5: Các điều kiện biên .35

Hình 2 6: Sơ đồ xác định lượng nước thấm qua biên 40

Hình 3.1: Khuôn mẫu thí nghiệm 52

Hình 3.2: Dung dịch bentonite khi ở trạng thái huyền phù 55

Hình 3.3: Quá trình dùng sàng mắt nhỏ để trộn vật liệu 55

Hình 3.4: Đổ hỗn hợp vật liệu vào khuôn 56

Hình 3.5: Mẫu đã đông kết 56

Hình 3.6: Kết quả co ngót của vật liệu sau 1 ngày 57

Hình 3.7: Kết quả co ngót của vật liệu sau 14 ngày 58

Hình 3.8 : Cắt gọt mẫu theo tiêu chuẩn trước khi đo cường độ 59

Hình 4 3: Các điểm bị chảy dẻo (ô vuông màu đen) sau khi tích nước .76

Hình 4 4: Phân bố ứng suất hiệu quả σx sau khi xây dựng đập 76

Hình 4 5: Phân bố ứng suất hiệu quả σy sau khi xây dựng đập và tích nước 77

Hình 4 6: Phân bố ứng suất hiệu quả σxy sau khi xây dựng đập .77

Hình 4 7: Biến dạng tổng của nền dập Vũ Quang khi xây dựng xong đập và tích nước 78

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Thông số áp dụng xây dựng tường hào ở Việt Nam 15

Bảng 3.1: Hàm lượng vật liệu theo các tỷ lệ .53

Biểu đồ 3.1: Biểu đồ quan hệ ứng suất và thời gian 63

Biểu đồ 3.2: Biểu đồ quan hệ ứng với 53 Kg bentonite/m3 65

Biểu đồ 3.3: Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và hàm lượng cát 66

Biểu đồ 3.4: Biểu đồ quan hệ biến dạng lún và thời gian .66

Bảng 4 1: Bảng thông số kỹ thuật đập dâng Vũ Quang 72

Bảng 4 2: Bảng thông số cống lấy nước Vũ Quang 73

Bảng 4 3 Tài liệu tính toán cho trước 74

2 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng xi măng, Bentonite đến ứng suất, biến dạngcủa tường hào Xi măng – Bentonite Qua đó ứng dụng tính toán cho công trình đậpVũ Quang tỉnh Hà Tĩnh.

3 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu chi tiết về tường hào xi măng – bentonite- Ứng dụng tính toán cho đập Vũ Quang tỉnh Hà Tĩnh

4 Phương pháp nghiên cứu

- Điều tra ,thống kê và tổng hợp tài liệu nghiên cứu có liên quan đến đề tài.

- Nghiên cứu cở sở lý thuyết

- Tiến hành thí nghiệm trong phòng thí nghiệm

- Lựa chọn các phương pháp tính toán và phần mềm hợp lý để tính toán ứng suất biến dạng của tường hào.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG GIỚITHIỆU VỀ TƯỜNG HÀO XI MĂNG – BENTONITE.

1.1 Tổng quan về đập vật liệu địa phương.

Đập vật liệu địa phương được hiểu một cách đơn giản là đập được xây dựng từ các vậtliệu lấy ngay tại địa phương có công trình xây dựng, không phải vận chuyển xa,không qua công nghệ chế biến phức tạp Vì vậy đập vật liệu địa phương còn được gọilà đập vật liệu tại chỗ (các tên gọi này được sử dụng khá phổ biến trong các tài liệuchuyên môn của Liên Xô cũ và của CHLB Nga ngày nay) Tuy nhiên về mặt cơ họcđất, đá đập vật liệu địa phương được hiểu là đập đuợc xây dựng trực tiếp từ các sảnphẩm phong hoá (các loại đất, cát, sỏi) và chưa phong hoá (đá đổ, đá dăm) của vỏ tráiđất Về nguyên tắc bất cứ loại vật liệu gì là sản phẩm phong hoá của vỏ trái đất đều cóthể dùng để xây dựng đập Tuy nhiên trong thực tế xây dựng phổ biến hơn cả vẫn làđập đất – đá Ngay cả khi xây dựng đập đất đồng chất thì bắt buộc vẫn phải có thiết bịtiêu nước (hoặc lăng trụ hoặc lát mái) bằng đá đổ, đá dăm và cát Như vậy xét về tổngthể nó không còn là đồng chất nữa nên đập vật liệu địa phương, đập vật liệu tại chỗ,đập đá đổ lõi giữa, đập đá đổ tường nghiêng, đập đất đá hỗn hợp (không chọn lọc),đập đất đồng chất v.v đều gọi chung là đập đất - đá.[1]

Đập đất đá có cấu tạo đơn giản, vững chắc, có khả năng cơ giới hóa cao khi thi côngvà trong đa số trường hợp có giá thành hạ nên là loại đập được ứng dụng rộng rãi nhấttrong hầu hết các nước Đập đất đá là loại đập không tràn có nhiệm vụ dâng nước vàgiữ nước trong các hồ chứa hoặc cùng với các loại đập và công trình khác tham gianhiệm vụ dâng nước trong các hệ thống thủy lợi hay xây dựng nhằm mục đích chỉnhtrị dòng sông Từ mấy nghìn năm trước công nguyên, đập đất đá đã được xây dựngnhiều ở Ai cập, Ấn độ, Trung quốc và các nước Trung Á của Liên xô với mục đíchdâng và giữ nước để tưới hoặc phòng lũ Về sau, đập đất ngày càng đóng vai trò quantrọng trong các hệ thống thủy lợi nhằm lợi dụng tổng hợp tài nguyên dòng nước Ngàynay, nhờ sự phát triển của các ngành khoa học như cơ học đất, địa chất thuỷ văn, địachất công trình, lý luận thấm v.v… cũng như ứng dụng rộng rãi cơ giới hoá trong thicông nên đập đất đá càng có xu hướng phát triển mạnh mẽ.

Tính đến nay các nước đã xây dựng hàng nghìn đập đất – đá (riêng Nhật đã có 1281đập cao trên 15m) trong đó có trên 70 đập cao hơn 75m Ở Mỹ, nếu tính từ 1963 trởlại đây thì đập vật liệu địa phương mà chủ yếu là đập đất chiếm 75% trong toàn bộ sốđập đã xây dựng Cũng trong thời gian đó ở Canada chỉ xây duy nhất 1 đập bê tôngcòn lại đều là đập vật liệu đại phương Ở Anh, trước 1964 đập đất – đá chỉ chiếm 45%tổng số các loại đập mà sau 1964 trở lại đây đã nâng lên 67% Đặc biệt các nước nhưTrung Quốc, Nga hiện đang phát triển rất mạnh mẽ loại đập này.

Đối với nước ta, đập đất – đá là công trình dâng nước phổ biến nhất khi xây dựngnhững hồ chứa Do đặc điểm về địa hình, địa chất, vật liệu xây dựng, phương tiện thicông, giá thành… của nước ta nên ngoài rất nhiều những công trình lớn đã được xâydựng như Hoà Bình, Dầu Tiếng, Trị An… trong tương lai đập vật liệu địa phương còncó triển vọng phát triển hơn nữa.

1.2 Các sự cố công trình do dòng thấm gây ra và các biện pháp xử lý.

1.2.1 Thấm qua đập đất đá

Các công trình đập vật liệu địa phương đã xây dựng trước đây yếu dựa khá nhiều vàokinh nghiệm có sẵn nên đã có nhiều sự cố công trình xảy ra gây thiệt hại không nhỏcho vùng phạm vi ảnh hưởng của hồ đập Ngày nay với sự phát triển của các ngànhđịa kỹ thuật, thuỷ văn công trình làm cơ sở để hoàn thiện các lý thuyết khi tiến hànhthiết kế, xây dựng đập đất đá Các sự cố công trình xảy ra do một số nguyên nhân nhưsức chịu tải của nền không đủ dẫn đến trượt, lật hoặc sai sót trong thi công, thiết kếnhưng những trường hợp này chiếm tỷ lệ không nhiều Sự cố công trình chủ yếu dodòng thấm gây ra, chiếm tỷ lệ cao hơn tới 3/4 các công trình bị hỏng Một số đập bịhỏng ở nước ta cũng do dòng thấm gây ra như đập Am Chúa, Dầu Tiếng

Thấm là tình trạng xảy ra rất phổ biến ở các đập đất, nhiều hồ chứa bị thấm rấtnghiêm trọng mà việc xử lý lại rất tốn kém khó khăn và gây tổn thất lớn vê kinh tế Sựcố về thấm rất muôn hình muôn vẻ, nó có thể xảy ra khi công trình mới thi công xong,điển hình như hồ chứa nước Nam Du – tỉnh Kiên Giang: thi công xong hồ cạn hếtnước phải xử lý chống thấm rất tốn kém, hay đập Cà Giây – Bình Thuận khi chưahoàn công (1988) đã xuất hiện thấm ở chân mái hạ lưu với lưu lượng 5 ÷ 7 (l/phút),

sau đó lưu lượng tăng nhanh dần có nguy cơ vỡ đập Hoặc nhiều công trình sau mộtvài năm hiện tượng thấm mới xảy ra mãnh liệt gây tổn hại rất lớn đến công trình như:sự cố thấm gây vỡ đập đất của hồ chứa Suối Hành, Suối Trầu, Am Chúa – KhánhHoà, đập Vực Tròn – Quảng Bình là một trong những ví dụ điển hình Còn nhữngđập chưa vỡ nhưng phải xử lý rất tốn kém như Dầu Tiếng – Tây Ninh, EasoupThượng – Đắc Lắc

Hình 1.1: Nước thấm qua thân đập ở hồ Nao Kon Đơi huyện Đác Glong tỉnh ĐắcNông gây sạt lở mái đập hạ lưu.

Hiện tượng thấm xảy ra do rất nhiều nguyên nhân khác nhau: do địa chất nền côngtrình, do thi công phần tiếp giáp với bê tông kém, do nén lún không đều,do đặc trưngcấu tạo của thân và nền có tính chất cơ lý khác nhau như hệ số thấm, cấp phối hạt, độchặt nên khi đắp đập không tốt dòng thấm sẽ xuất hiện chảy theo thân và nền đập.Ngoài ra, còn có thể do khi thiết kế chưa đưa ra biện pháp xử lý tối ưu đối với hiệntượng thấm qua thân và nền đập hoặc nhà thầu thi công không tuân thủ nghiêm ngặtkỹ thuật cũng như quy trình thi công như đầm sót, đầm dối gây ra các vùng thấmtrong thân đập.

Sau nhiều sự cố đối với đập đất ở một số công trình hồ chứa thì vấn đề nghiên cứugiải pháp chống thấm thích hợp nhất cho mỗi loại công trình là vô cùng quan trọng

đảm bảo cho công trình làm việc bình thường trong quá trình khai thác Với tình hìnhlàm việc của đập như vậy, hiện nay trong quá trình thiết kế mới và sửa chữa nâng cấpcác đập đất đã áp dụng khá nhiều phương án và các giải pháp kỹ thuật để xử lý chốngthấm cho thân đập và nền nhằm tránh các thiệt hại do dòng thấm gây ra.[2]

Hình 1.2: Đập có tường nghiêng mềm- Tường lõi mềm

Lõi giữa thân đập có dạng thẳng đứng, làm bằng đất sét có hệ số thấm nhỏ Độ dàycủa đỉnh tường lõi không nhỏ hơn 0,8m, độ dày chân tường không nhỏ hơn 1/10 cộtnước nhưng phải đảm bảo ≥2m Đỉnh tường lõi phải cao hơn mực nước thượng lưu vàmực nước mao dẫn trong đất với độ vượt cao δ=0,3÷0,6m tuỳ theo cấp công trình Độ

cắm sâu của tường lõi vào nền đất chặt, lớn hơn 0,5 ÷ 1,25m Bộ phận nối tường lõi vànền đá phải làm rất cẩn thận với các hình thức như đế răng, tường răng bê tông cắmsâu vào khối đá tốt 0,6÷1,2m.

Hình 1.3: Đập có tường lõi mềm.

b Chống thấm cho nền đập

Chống thấm cho nền đập cũng rất quan trọng Khi mực nước thượng lưu dâng caotrong thân đập sẽ hình thành dòng thấm nên đập đất xây dựng trên nền thấm nước cầnphải có những biện pháp chống thấm cho nền nhằm hạn chế sự mất nước, tránh biếndạng thấm trong nền đập Hình thức chống thấm cho nền đập còn phụ thuộc vào loạiđập, chiều dày và địa chất của nền.

Đối với đập đồng chất xây trên nền thấm nước thì thông thường chọn hình thức chốngthấm cho nền là tường răng, bản cọc hoặc tường xi măng Tường răng áp dụng với nềnthấm không sâu lắm (T≤5m), vật liệu làm tường răng có thể lấy chính bằng vật liệulàm thân đập nếu có hệ số thấm nhỏ hoặc một số vật liệu chống thấm tốt như đất sét, ásét Nếu tầng thấm nước lớn không xây dựng được tường răng thì cần phải dùng bảncọc hoặc phun màng chống thấm xuống tận tầng không thấm nước Nếu tầng thấmquá sâu thì bản cọc hoặc xi măng chỉ cắm xuống 1 đoạn trong đất nền.[3]

Hình 1.4: Đập đất đồng chất có tường răng.

Đối với đập không đồng chất (có lõi giữa hoặc tường nghiêng) thì phần chống thấmcho nền thường nối tiếp với chống thấm cho đập Dùng hình thức nào phụ thuộc vàochiều sâu tầng nền, tính chất đất nền và kỹ thuật thi công Khi tầng thấm T ≤ 5m dùngtường răng làm vật chống thấm cho nền và nối tiếp với vật chống thấm cho thân nhưtường nghiêng, tường lõi Tường răng cần cắm sâu xuống một đoạn ≥ 0,5m.

Hình 1.5: Đập có tường lõi chân răng.

Hình 1.6: Đập có tường nghiêng chân răng.

Khi tầng thấm tương đối sâu thì có thể chống thấm bằng hình thức bản cọc Bản cọccắm sâu vào lõi giữa hoạc tường nghiêng và tầng không thấm một độ dài nhất định đểtránh không sinh ra xói ngầm cục bộ tại đầu mút bản cọc.

Hình 1.7: Chống thấm cho nền bằng bản cọc.

Khi tầng thấm quá dày hoặc vô hạn thì nên dùng hình thức sân phủ chống thấm Sântrước được kéo dài ra phía thượng lưu và được làm bằng vật liệu chống thấm nên

giảm lưu lượng thấm qua nền và giúp tăng ổn định thấm cho nền Theo điều kiện thicông chiều dày sân trước ≥0,5m đối với đập thấp và ≥1m đối với đập cao Mặt trêncủa sân trước phủ một lớp dày 1,5 ÷ 2,5m bằng các vật liệu hạt lớn như cuội, sỏi, cátđể tránh hư hỏng do nhiệt độ thay đổi và tác dụng của sóng khi tháo cạn hồ chứa.

Hình 1.8: Chống thấm bằng tường nghiêng, sân phủ.

1.2.2.2 Chống thấm cho các công trình đã xây dựng trước đây

Một số biện pháp điển hình thường được sử dụng để xử lý chống thấm cho đập đã chohiệu quả rất tốt như:

- Công nghệ chống thấm bằng vải địa kỹ thuật (Geomembrane)

Vải địa kỹ thật là loại vải có tính thấm, được sử dụng để lót trong đất nên có khả năngphân cách lớp đất, lọc thấm thoát nước, giữ các hạt đất có kích thước nhỏ, bảo vệ vàgia cường các tính năng cơ lý của đất mà đặc biệt là tính chịu kéo để phân bố lại lựcgia tải, có hệ số thấm rất thấp K = 10-12 ÷ 10-16 cm/s, có khả năng chịu lực, bền trongcác điều kiện bất lợi của môi trường Công nghệ được áp dụng theo nguyên lý: sửdụng chống thấm kiểu tường nghiêng cho mái đập thượng lưu rải một lớp vải địa kỹthuật có khả năng chống thấm tốt, hạn chế tối đa lưu lượng thấm qua bản thân đập Đểbảo vệ cho lớp vải không bị ô xi hoá, hư hỏng do tác động của môi trường cần phảiphủ lên lớp vải này một lớp đất tương đối dày, có hệ thống cọc neo giữ cho vải đượcđúng vị trí khi công trình được đưa vào vận hành.[4]

Hình 1.9: Quá trình thi công chống thấm bằng vải địa kỹ thuật cho đập

Sử dụng công nghệ này có ưu điểm là chống thấm tốt, độ bền cơ học cao, dễ thi công,sửa chữa, giá thành rẻ Tuy nhiên nhược điểm của công nghệ này là phải kết hợp vớivật liệu khác mới phát huy được hiệu quả và độ bền, không thi công được trong nước,mặt vải trơn nên vật liệu phủ bên trên dễ bị xô trượt, phải có biện pháp chống ráchcũng như vải lão hoá, thời gian sử dụng ngắn.

- Công nghệ khoan phụt cao áp Jet – Grouting

Phương pháp này dựa vào nguyên lý cắt nham thạch bằng dòng nước áp lực Khi thicông, trước hết dùng máy khoan để đưa ống bơm có vòi phun bằng hợp kim vào tớiđộ sâu phải gia cố (nước + XM) với áp lực khoảng 20 MPa từ vòi bơm phun xả phávỡ tầng đất Với lực xung kích của dòng phun và lực li tâm, trọng lực sẽ trộn lẫndung dịch vữa, rồi sẽ được sắp xếp lại theo một tỉ lệ có qui luật giữa đất và vữa theokhối lượng hạt Sau khi vữa cứng lại sẽ thành một khối xi măng đất đồng nhất.

Hình 1.10: Sơ đồ bố trí thiết bị thi công công nghệ Jet Grouting.

Ưu điểm của công nghệ này là phạm vi áp dụng rộng, thích hợp mọi loại đất, xử lýdưới móng hoặc kết cấu hiện có mà không cần ảnh hưởng đến công trình, mặt bằng thicông nhỏ, ít chấn động, ít tiếng ồn, hạn chế tối đa ảnh hưởng đến các công trình lâncận, thiết bị nhỏ gọn có thể thi công trong không gian có chiều cao hạn chế và chướngngại vật, khả năng xử lý linh hoạt trong những điều kiện khó khăn: dưới đáy côngtrình, cục bộ dưới sâu, đặc biệt thích hợp cho các công trình có kết cấu lớn.

Nhược điểm của công nghệ này là thiết bị thi công hoạt động ở chế độ áp lực cao đòihỏi công nghệ thiết bị phức tạp, đặc biệt là bơm cao áp.[5]

- Công nghệ chống thấm bằng tường hào xi măng – bentonite.

Công nghệ chống thấm bằng tường hào xi măng – bentonite áp dụng cho đập đất khiđã làm việc trong thời một khoảng thời gian từ 5 năm trở lên mà công trình bị thấmmạnh cần được xử lý Đây là công nghệ có giá thành cao nhưng hiệu quả chống thấmtốt và lâu dài, qua trình thi công không mấy khó khăn, mặt bằng thi công khá gọn.

Hình 1.11: Tường chống thấm bằng xi măng – bentonite.

Tuy nhiên, vấn đề là sử dụng biện pháp, công nghệ nào thích hợp để đạt hiệu quả caotrong thi công, rút ngắn thời gian thi công cũng như đảm bảo giá thành hợp lý còn tuỳthuộc vào mỗi công trình cần xử lý Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này tácgiả chỉ đi sâu nghiên cứu công nghệ chống thấm cho đập và nền bằng tường hào ximăng – bentonite.

1.3 Công nghệ chống thấm bằng tường hào xi măng-bentonite cho đập vật liệuđịa phương.

- Nguyên lý của công nghệ:

Tường hào xi măng – bentonite là loại tường chống thấm được thi công bằng biệnpháp đào hào trong dung dịch bentonite, sau đó sử dụng hỗn hợp vật liệu ximăng +bentonite + phụ gia + nước, sau một khoảng thồi gian nhất định đông cứng tạo thànhtường chống thấm cho thân đập và nền đập Hào thường có chiều rộng từ 0,5 ÷ 1,2m,nhưng thực tế những công trình nước ta thi công gần đây như: Dầu Tiếng – Tây Ninh,Dương Đông- Phú Quốc bề rộng hào thường là 0,6m do trong quá trình thi công bềrộng hào phụ thuộc vào thiết bị thi công là gầu đào Hiện nay với công nghệ kỹ thuậttiên tiến, chúng ta có thể thi công những hào có chiều sâu từ 5 ÷ 120m Ví dụ như đậpđất của nhà máy thuỷ điện Kureika của Nga có hào bentonite sâu 120m.

Khi thi công hào cần phải duy trì liên tục hỗn hợp bentonie đầy trong hào để giữ chovách hào luôn được ổn định vì hào có chiều sâu là rất lớn Khi tường hào đông kết hệsố thấm của tường khá nhỏ (K = 10-5 ÷ 10-7 cm/s) nên có tác dụng chống thấm rất tốt.

Hình 1.12: Quá trình thi công tường hào xi măng – bentonite.- Đối tượng áp dụng:

+ Đối với nền đập: Nền cát hay cát cuội sỏi, không áp dụng với nền đá nứt nẻ

+ Đối với thân đập: áp dụng cho các đập thi công chất lượng không tốt như đầmkhông đều, hoặc vật liệu đắp đập cấp phối chưa hợp lý, khi thi công tường hào ở trạngthái lỏng sẽ nhét đầy vào các lỗ rỗng, kẽ hở.

- Ưu điểm:

+ Có tác dụng chống thấm đạt hiệu quả cao(hệ số thấm nhỏ K = 10-5 ÷ 10-7 cm/s)+ Dung dịch xi măng – bentonite được trộn theo dây chuyền công nghệ theo tiêuchuẩn thống nhất nên thuận tiện trong thiết kế, thi công, vận chuyển và kiểm soát chấtlượng

+ Áp dụng được cả với những nền cát có hệ số thấm lớn và tầng thấm nằm rất sâu.- Nhược điểm:

1.4.1 Một số công trình chống thấm bằng tường hào Bentonite ở Việt Nam

Tường chống thấm bằng vữa xi măng - bentonite là một trong những giải pháp chốngthấm rất hiệu quả, ở Việt Nam đã áp dụng cho một số công trình lớn như: Dầu Tiếng –Tây Ninh, Am chúa – Khánh Hoà, Dương Đông – Phú Quốc sau đây là một sốthông số đã được áp dụng để xây dựng tường chống thấm cho một số công trình ởnước ta.

Bảng 1.1: Thông số áp dụng xây dựng tường hào ở Việt Nam

Dầu Am

EasoupH H S

m 162

m 3

3 39 25 21 21 20C

m 0.6

1.4.2 Những nghiên cứu đã có liên quan đến tính ứng suất, biến dạng của tườnghào.

Phương pháp xử lý chống thấm cho đập và nền ở Việt Nam vẫn còn khá mới và chưađược sử sụng phổ biến nên cho đến hiện tại có rất ít những nghiên cứu liên quan đếntính ứng suất biến dạng của tường hào.

Năm 2011, PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái cùng Ths Bùi Thị Thu Hà đã nghiên cứu ảnhhưởng của thời điểm thi công tường hào chống thấm đến trạng thái ứng suất trongthân hào, các tác giả đã nghiên cứu về một số trường hợp:

- Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng của tường hào với các độ cứng khácnhau.

- Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng của tường hào tại các thời điểm khácnhau trong quá trình làm việc của tường hào.

- Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng của tường hào với các thời gian cố kếtkhác nhau.

Qua nghiên cứu tính toán thông qua các trường hợp, các tác giả đã phân tích, đánh giávà đưa ra một số kết luận quan trọng về ảnh hưởng của quá trình xây dựng hào, vậtliệu làm hào tới ứng suất biến dạng, khả năng làm việc của tường hào xi măngbentonite.[6]

Tuy nhiên cho đến nay vẫn còn quá ít các nghiên cứu như trên, phần lớn các tườnghào được thiết kế và thi công dựa theo kinh nghiệm và dựa theo một số tài liệu ở nướcngoài nên có rất ít các nghiên cứu về khả năng chống thấm cũng như ứng suất biếndạng của tường hào ở Việt Nam Vì thế, trong phạm vi luận văn này, tác giả sẽ nghiêncứu về một số yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất, biến dạng của tường hào bằng phươngpháp thí nghiệm để từ đó làm tài liệu tham khảo phục vụ cho việc xây dựng các côngtrình sau này.

1.5.Giới thiệu chi tiết tường chống thấm bằng xi măng-bentonite.

1.5.1 Công dụng của tường hào xi măng – bentonite

- Chống thấm cho thân và nền đập, khả năng chống thấm của tường hào phụ thuộc vàocác yếu tố như: vật liệu làm tường, do các màng ngăn hình thành trong quá trình thicông, do độ lưu động, độ mịn của các hạt bentonite khi xâm nhập vào các lỗ rỗng củađất làm tăng khả năng chống thấm.

- Tăng khả năng chịu lực cho đập đất: vì tường hào có cường độ khá cao nên rất thíchhợp với những công trình có yêu cầu cao về khả năng chịu lực, giúp ổn định về cườngđộ cho công trình.

1.5.2 Các yêu cầu của tường hào xi măng – bentonite

+ Phù hợp với kỹ thuật và máy móc, thiết bị hiện nay

+ Cường độ vữa xi măng - bentonite sau 28 ngày R > 1,5 kg/cm2.

- Yêu cầu về kinh tế:

Vì giá thành để thi công tường hào không rẻ nên phương án tối ưu nhất trên cơ sởphân tích so sánh cả về kinh tế và kỹ thuật, chất lượng.

1.5.3 Cấp phối vật liệu của xi măng - bentonite.

Đối với yêu cầu kỹ thuật của tường chống thấm, đặc tính lý hoá và tính chất cơ họccủa vữa xi măng - bentonite cần phải lựa chọn vật liệu và tỷ lệ pha trộn hỗn hợp vậtliệu hợp lý Hỗn hợp vật liệu gồm có xi măng + bentonite + phụ gia + nước Xi mănglà cốt liệu chính để nâng cao cường độ của tường hào, bentonite vừa có tác dụngchống thấm vừa có tác dụng tạo hiệu quả cơ học giữ vách hào không bị sạt lở trongquá trình thi công Phụ gia làm chậm thời gian đông kết của xi măng, duy trì độ nhớtthấp trong thời gian dài để phục vụ cho việc vận chuyển vật liệu thi công dễ dàng.Hỗn hợp cần phải có tỷ lệ bentonite phù hợp để khi trương nở có thể chui vào lấp đầycác lỗ rỗng nhằm đáp ứng yêu cầu chống thấm và giữ ổn định thành vách hào trongquá trình thi công Hàm lượng thành phần không chỉ liên quá đến yếu tố kỹ thuật mà

còn ảnh hưởng đến giá thành công trình Thông thường quy định dung trọng, độ nhớt, độ tách nước và cường độ của vật liệu làm tường như sau:

- Độ nhớt 28’’ ÷ 30’’- Độ tách nước: 4%

- Dung trọng của hỗn hợp: 1.13 ÷ 1.15 (T/m3)- Cường độ sau 28 ngày: R > 1.5(kg/cm2)

Trên cơ sở tài liệu và kinh nghiệm đưa ra tỷ lệ pha trộn trên 1m3 hỗn hợp như sau:- Xi măng: 300÷400(kg)

- Bentonite: 45÷55 (kg)

- Phụ gia đông kết chậm Sika: 1.5 (kg)- Nước: 910 (Lít)

1.5.4 Kích thước tường hào

Theo kinh nghiệm hào bentonite thường có bề rộng từ 0,5 ÷ 1,2m, bề rộng của hàophụ thuộc vào cột nước trước hào, hệ số thấm của đất hào và bản thân hào Đối vớimỗi công trình khác nhau thì bề rộng hào cũng khác nhau, tuy nhiên trong thực tế cáccông trình ở nước ta chủ yếu lấy bề rộng hào b = 0,6m để phù hợp với điều kiện củamáy thi công đặc biệt là dung tích của gầu đào (thường sử dụng cẩu nặng 60 tấn cógầu đào loại cáp treo kích thước 2,8*0,6*6m nặng 7,5 tấn) Hào đào càng sâu càng dễmất ổn định đặc biệt là khi trong nền xuất hiện mực nước ngầm Ở Việt Nam hàođược thi công sâu nhất là 39m của đập Dầu Tiếng Hệ số thấm yêu cầu từ 10-5 ÷ 10-7(cm/s) hệ số thấm càng nhỏ sẽ ảnh hưởng nhiều đến chất lượng thi công và giá thànhcông trình, hầu hết các tường xi măng - bentonite ở nước ta đều có K = 10-5 (cm/s).[7]

1.5.5 Quy trình thi công hào xi măng - bentonite

Một trong những khâu quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của công nghệ là quy trình đào hào khi thi công Các yếu tố ảnh hưởng đến quy trình đào hào là: lựa chọn

thiết bị đào, bố trí sơ đồ đào, tường dẫn, mặt bằng thi công, thiết bị thí nghiệm và antoàn lao động.

- Bentonite và nước được trộn với nhau nhờ máy trộn với tốc độ cao, thời gian trộnvữa ≥ 10 phút.

- Vữa bentonite và nước được đưa lên silô ủ vữa ≥ 6giờ, cứ 1 giờ quấy vữa ít nhất 1lần.

- Vữa bentonite + nước trộn với xi măng và phụ gia bằng máy trộn tốc độ cao, thờigian trộn ≥ 10 phút.

- Sau đó hỗn hợp được đưa vào bể chứa và bơm vào hào.

Quy trình kiểm tra hỗn hợp vữa trên mỗi mẻ trộn và lấy mẫu kiểm tra vữa tại hàochống thấm được thực hiện theo đúng quy định của thiết kế và các quy định khác củachủ đầu tư.

- Mặt bằng của máy đào : Do sử dụng máy đào có tải trọng lớn nên đường di chuyểncủa máy phải được tính toán gia cố sao cho không bị lún, đảm bảo bằng phẳng, antoàn cho máy hoạt động.

1.5.5.2 Lựa chọn bố trí thiết bị, dụng cụ kiểm tra, thí nghiệm.

- Lựa chọn máy trộn vữa, máy bơm theo quy trình sản xuất vữa phù hợp với yêu cầucủa từng công trình.

Hình 1.13: Hệ thống ủ vật liệu.

- Do tính chất của công nghệ và kích thước từng panel nên máy đào là loại thiệt bịnặng, yêu cầu là loại gầu chuyên dùng Máy đào dùng cần cẩu có sức nặng 60 tấn, gầuđào có kích thước : 2,8m×0,6×6m , nặng 7,5 tấn.

- Trong điều kiện bề rộng khoang đào hẹp (b = 0,6m), hào lại được đào ở những độsâu khác nhau, địa chất thay đổi, đôi khi có thể gặp tầng đất cứng, gặp đá mồ côi nênphải dùng gầu đào có sức nặng lớn.

- Thước thủy: để kiểm tra độ thẳng đứng của vách hào.

- Dụng cụ để kiểm tra dung trọng , độ nhớt và độ cách nước của dung dịch.

1.5.5.3 Bố trí tường dẫn.

Do thiết bị thi công là cần cẩu nặng có lắp gầu kích thước lớn đồng thời lại thi côngđào hào có bề dày mỏng, cho nên việc thi công sẽ khó khăn, tiến độ đào chậm, hào dễbị cong, bị lệch Để khăc phục khó khăn này cần phải thiết kế bổ sung tường dẫn bằngBTCT có kích thước như sau: Tường dẫn hướng gồm hai tường bằng bê tông cốt thépM200, mỗi tường có tiết diện hình thang chiều rộng 30cm ở trên, 22cm ở dưới, cao80cm, hai tường cách nhau 63cm.

Nếu tường yêu cầu hệ số nhỏ hơn nữa khoảng K = 10-6 ÷ 10-7 (cm/s) thì tiến hành hútvữa đã dùng trong quá trình đào ra ngoài và bơm lượng vữa có chất lượng tốt hơn vàohào tạo thành tường chông thấm Hầu hết các tường bentonite ở nước ta trong thờigian qua được thi công theo hình thức đầu tiên để giảm giá thành công trình nhưngvẫn bảo đảm yêu cầu chống thấm.

Như vậy dựa vào đặc tính của bentonite và xi măng người ta đã nghiên cứu sản xuất ravữa xi măng – bentonite dùng để xây dựng tường chống thấm Trong công nghệ nàyvữa xi măng – bentonite vừa có tác dụng chống giữ thành hào vừa được giữ lại làmvật liệu chống thấm lâu dài cho công trình Chất lượng, hiệu quả của tường chốngthấm phụ thuộc rất lớn vào chất lượng vật liệu,tỷ lệ pha trộn, quy trình chế tạo vữa ximăng – bentonite và quy trình đào hào Vì vậy khi thi công phải lựa chọn vật liệu đảmbảo yêu cầu kỹ thuật, tỷ lệ pha trộn chính xác, tuân thủ nghiêm ngặt quy trình sản xuấtvữa và quy trình đào hào.

Hình 1.15: Thi công theo thứ tự từ panel có số thứ tự bé đến panel có thứ tự lớn Qua thực tiễn xây dựng và nâng cấp đập đất thời gian qua nhận thấy rằng : Khó khănlớn nhất là chống thấm cho nền đập có lớp cát – cuội – sỏi dày không thể bóc vỏ được,vùng xây dựng công trình lại khan hiếm đất sét làm vật liệu chống thấm, nếu sử dụngkhoan phụt cao áp hoặc tải vải địa kỹ thuật thì hiệu quả chống thấm không cao Trongtrường hợp này giải pháp chống thấm thích hợp nhất là làm tường hào xi măng –bentonite, đây là một trong những giải pháp chống thấm rất hiệu quả nhưng còn khámới mẻ ở Việt Nam.[8]

Kết luận chương 1

Qua các tài liệu trước đây về tường hào xi măng - bentonite, có nhiều nghiên cứu vềhệ số thấm của tường hào nhưng có rất ít tài liệu nghiên cứu về cường độ Có nhữngcông trình ngoài yêu cầu về hệ số thấm còn rất cần yêu cầu về cường độ để tăng tínhổn định Như một số công trình tường hào đã xây dựng tại nước ngoài, họ có thể thicông tường hào với hệ số thấm giảm bớt đi nhưng cường độ lại gia tăng lên, khi đótường hào còn có thể làm tường chắn mà vẫn đảm bảo tính ổn định cho công trình Vìthế trong phạm vi luận văn này, tác giả đi sâu vào thí nghiệm nghiên cứu các yếu tốảnh hưởng đến cường độ của tường hào xi măng – bentonite để đưa ra nhận xét cũngnhư để làm tài liệu tham khảo để xây dựng các công trình sau này.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁNTƯỜNG HÀO BENTONITE

Trong hỗn hợp vật liệu để tạo thành tường hào xi măng - Bentonite, mỗi loại vật liệucó một chức năng, công dụng riêng Tính chất thuỷ hoá của xi măng tạo nên chất kếtdính liên kết tất cả các thành phần cấu thành khác, chính vì thế xi măng là vật liệu cóảnh hưởng lớn đến giá trị ứng suất, biến dạng của tường hào Thông thường hàmlượng xi măng trong hỗn hợp vật liệu càng lớn thì khả năng kết dính vật liệu sẽ càngcao nên giá trị ứng suất đo được cũng sẽ cao vì thế tường hào xi măng - bentonite sẽcó khả năng chịu lực cao hơn, biến dạng ít hơn Tuy nhiên cho nhiều hàm lượng ximăng sẽ làm ảnh hưởng tới hệ số thấm cũng như tăng giá thành xây dựng nên cầnphải lựa chọn hàm lượng xi măng phù hợp Đối với bentonite có thành phần chính làmontmorillonite nên nó cũng có một số đặc tính của sét như trương nở, co ngót, ép covà biến dạng, vì thế độ biến dạng của tường hào bị ảnh hưởng khá nhiều bởi các đặctính này của bentonite Trong quá trình thi công tường hào, Bentonite vừa có tác dụngchống thấm vừa có tác dụng tạo hiệu quả cơ học giữ vách hào không bị sạt lở trongquá trình thi công, khi bentonite trương nở có thể chui vào lấp đầy các lỗ rỗng nhằmđáp ứng yêu cầu chống thấm và giữ ổn định thành vách hào trong quá trình thi công.Trạng thái phân bố ứng suất ở tường hào ít được biết đến nhưng lại có vai trò kháquan trọng, có ảnh hưởng đến hệ số thấm: cố kết tường hào càng chặt chẽ thì hệ sốthấm càng nhỏ Ứng suất tại vị trí càng cao thì khả năng chống chịu của tường hàotrước các vết nứt thủy lực và sự tác động của hóa chất càng cao(Filz 1995) Đối vớitường hào khi xây dựng để chống thấm cho đập và nền càng xuống sâu thì phân bốứng suất càng cao nên phần phía dưới của tường hào sẽ đỏi hỏi yêu cầu về cường độcao hơn phần đỉnh tường hào.[9]

Ngoài ra, còn một số yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất, biến dạng của tường hào nhưthời gian đông kết của vật liệu hay điều kiện dưỡng hộ tường hào nên để biết được kếtquả chi tiết cần phải thí nghiệm kiểm tra, dưới đây là một số phương pháp thí nghiệmkiểm tra giá trị ứng suất, biến dạng của tường hào xi măng – bentonite.

2.1 Các phương pháp thí nghiệm ảnh hưởng của hàm lượng bentonite tới trạngthái ứng suất biến dạng.

Để xác định các thông số về ứng suất, biến dạng của mẫu vật liệu trong phòng thínghiệm có thể xác định bằng các phương pháp: thí nghiệm cắt trực tiếp, thí nghiệmnén 3 trục, thí nghiệm nén 1 trục.

2.1.1 Thí nghiệm cắt trực tiếp

-Thí nghiệm cắt trực tiếp là thí nghiệm cổ nhất và đơn giản nhất để xác định các thôngsố sức chống cắt của mẫu thí nghiệm Thí nghiệm được tiến hành với mẫu hình lăngtrụ tròn hoặc vuông được giữ và cắt theo mặt phẳng nằm ngang trong khi một áp lựctác dụng thẳng góc với mặt phẳng đó Sức kháng cắt gây ra bởi mẫu thí nghiệm khicho một phần của mẫu trượt lên phần khác được đo sau từng phần dịch chuyển đềuđặn Sự phá hoại mẫu xảy ra khi sức kháng cắt của mẫu đạt gia trị cực đại mà mẫu cóthể chịu được Nhờ tiến hành trên một tập hợp mẫu thí nghiệm tương tự của cùng mộtloại vật liệu thí nghiệm dưới những giá trị áp lực nén khác nhau, ta thu nhận đượctương quan ứng suất cắt và ứng suất nén tác dụng từ đó tìm ra được lực dính C và gócma sát ϕ.

Hình 2.1: Thiết bị đo cắt trực tiếp.- Ưu điểm của phương pháp:

+ Chuẩn bị mẫu đơn giản đặc biệt là các mẫu rời, ở trạng thái hữu hiệu+ Có thể cắt trực tiếp với đất sạn sỏi.

Hình 2.2: Máy nén 3 trục.

Mô tả và thực hiện

Thông thường trong thí nghiệm nén 3 trục, mẫu thí nghiệm hình trụ phải chịu lực nénvà áp lực dọc trục (áp nhốt) đến khi mẫu bị phá hủy Mẫu hình trụ thường có chiềudài gấp 2 đến 2,5 lần đường kính và thường sử dụng là 100 mm đường kính và 200mm chiều cao Các mẫu được bọc trong một lớp màng mỏng Việc chuẩn bị mẫu vậtphụ thuộc vào từng loại đất và mục đích nghiên cứu Mẫu có thể được chuẩn bị từmẫu cố kết hoặc mẫu không cố kết Đối với mẫu không cố kết, mẫu trụ được hìnhthành bởi khuôn để duy trì hình dạng yêu cầu.

Dọc theo mẫu là một màng mỏng và mẫu được đặt giữa hai đầu cứng bên trong mộtkhoang áp suất Tấm ép trên có thể di chuyển theo chiều dọc và tạo áp lực dọc trục vớimẫu Lực ép được kiểm soát thông qua sự chuyển động của trục dọc này Ngoài ra, áplực xung quanh được kiểm soát bởi các áp lực nước xung quanh trong buồng áp lực.Sự thay đổi thể tích của mẫu cũng được kiểm soát bằng cách đo thể tích chính xác củanước Quy trình kiểm tra hoàn toàn có thể thực hiện bởi máy nén 3 trục ELE theo cáctiêu chuẩn quốc tế

+ Thay đổ áp lực dư và những thay đổi thể tích có thể được đo trực tiếp

+ Các quá trình nén ép ở tất cả các giai đoạn từ trung gian đến khi phá hủy đều được điều khiển Các vòng Mohr có thể được rút ra ở bất kỳ giai đoạn cắt

+ Thí nghiệm nén 3 trục thích hợp cho công việc nghiên cứu đòi hỏi độ chính xác vàcác yêu cầu đặc biệt như kiểm tra mở rộng và kiểm tra nén khác.

Nhược điểm của thí nghiệm nén 3 trục:+ Máy nén 3 trục khá phức tạp

+ Kiểm tra nén 3 trục để thoát nước mất nhiều thời gian hơn so với không thoát nước.+ Không thể xác định diện tích mặt cắt ngang của mẫu vật nếu buồng chứa không tốt.+ Sự biến dạng trong mẫu là không đồng đều do ma sát bởi tấm ép và đĩa bệ Điều nàydẫn đến sự hình thành của các “vùng chết” ở mỗi đầu của mẫu.

2.1.3 Thí nghiệm nén 1 trục

- Thí nghiệm nén 1 trục là phương pháp được áp dụng khá phổ biến hiện nay để xácđịnh cường độ kháng nén của mẫu Trong thí nghiệm này, mẫu thí nghiệm là một hìnhtrụ tròn có đường kính từ 38 đến 100 mm và chiều cao gấp đôi lần đường kính đượccho vào máy nén 1 lực dọc trục (hay còn gọi là nén nở hông) với tốc độ đều cho đếnkhi mẫu bị phá huỷ Mẫu được làm từ mẫu cố kết có thể làm từ khuôn được chuẩn bịsẵn hoặc cắt gọt theo đúng kích thước tiêu chuẩn trước khi đưa vào thí nghiệm.

Hình 2.4: Máy thí nghiệm nén một trục.- Ưu điểm của thí nghiệm nén 1 trục:

+ Phương pháp thí nghiệm đơn giản, dễ thực hiện

+ Nhanh chóng cho kết quả đo cường độ của mẫu, mất ít thời gian+ Sự phân bố ứng suất trên mặt phá hủy là thống nhất

+ Mẫu sẽ bị phá huỷ ở mặt yếu nhất+ Cho kết quả với độ chính xác cao- Nhược điểm của chí nghiệm nén 1 trục:

+ Hình thành vùng chết ở mỗi đầu của mẫu do ma sát bởi thấm ép và đĩa bệ dẫn đến biến dạng không đều trong mẫu.

+ Khi mẫu bị phá huỷ không đều dẫn đến xác định mặt cắt ngang mẫu sẽ khó chínhxác.

2.2 Phân tích các phương pháp tính toán trạng thái ứng suất biến dạng.

2.2.1 Các phương pháp tính toán ứng suất biến dạng (ƯSBD)

Có nhiều phương thức để nghiên cứu trạng thái ƯSBD của đập và nền như: phươngpháp Sức bền vật liệu, phương pháp Lý thuyết đàn hồi, phương pháp sai phân hữuhạn, phương pháp phần tử hữu hạn, các phương pháp thí nghiệm mô hình

Giới hạn trong luận văn này là sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite ElementMethod-PTHH ) để giải bài toán ƯSBD của đập và nền Phương pháp này có thể giảitới bất kỳ độ chính xác cần thiết nào, đồng thời nó có thể xét đến hình các hình dạngphức tạp, các điều kiện phức tạp và phi tuyến tính của vật liệu Đó là những điều kiệnmà phương pháp giải tính khó có thể xét đến được.

2.2.2 Nội dung phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp PTHH ra đời vào cuối những năm 1950 nhưng nó rất ít được ứng dụngvì công cụ tính toán còn chưa phát triển Vào cuối những năm 1960, phương phápPTHH đặc biệt phát triển nhờ sự phát triển nhanh chóng và sử dụng rộng rãi của máytính điện tử Đến nay có thể coi là phương pháp PTHH là một phương pháp có hiệuquả nhất để giải các bài toán kỹ thuật khác nhau, từ bài toán phân tích trạng thái ứngxuất biến dạng trong kết cấu các công trình thủy lợi, xây dựng dân dụng, giao thôngđến các bài toán trường như : Lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thủy đàn hồi,khí đàn hồi, điện- từ trường.

Nội dung cơ bản của phương pháp PTHH như sau:

Thay thế kết cấu thực tế bằng một mô hình, dung để tính toán bao gồm một số hữuhạn tại điểm nút, tại các điển nút tồn tại các lực tương tác biểu thị tác động qua lại củacác phần tử kề nhau Như vậy có nghĩa là thay bài toán tính hệ liên tục ( hệ thực tế) cóbậc tự do vô hạn bằng bài toán có bậc tự do hữu hạn Chỗ phân cách giữ các phần tửhữu hạn gọi là biên của phần tử hữu hạn Tùy từng trường hợp cụ thể, biên của cácphần tử hữu hạn có thể là các điểm, các đường hoặc các mặt Từ các mô hình đó, tiến

2.2.3.2 Các phương trình cơ bảna Phương trình cân bằng

Trong môi trường liên tục, phương trình được biễu diễn bằng:

LTσ + b =0 (2.1)Trong đó

σ là tensor ứng xuất tổng, σT = (σxx ,σyy, σzz ,σxy, σyz ,σxz).b là vec tơ lực bản thân, bT = (X, Y, Z),

LT là ma trận đảo của toán tử vi phân được định nghĩa là :⎡ 𝜕

𝜕0 0𝜕� � 0𝜕

𝜕𝜕��⎤LT = ⎢ 0 𝜕

𝜕𝑥 𝜕� ⎥ � (2.2)⎢ 𝜕� � 𝜕 𝜕 𝜕 ⎥

⎣ 0 0 𝜕𝑧 0 𝜕𝑦 𝜕��⎦

b Quan hệ ứng xuất – biến dạng:

ε = Lu (2.3)

c Ứng suất hiệu quả

Tất cả các sự thay đổi về trạng thái ứng suất trong đất ( ví dụ nén hay sự thay đổi vềcường độ chống cắt) đều do sự thay đổi của ứng suất hiệu quả Bởi vậy nếu áp lực kherỗng và tổng ứng suất cùng thay đổi một giá trị như nhau thì không gây nên biến dạng.

Tensor ứng xuất hiệu quả cốt đất σ’ được định nghĩa như sau :

σ’ = σ-mpw (2.5)Trong đó: m = [ 1,1,1,0,0,0]T, và pw là áp lực khe rỗng,

d Định luật Darcy

Mức độ nước thấm qua môi trường đất được khống chế bởi hai yếu tố, kích thước củalỗ rỗng và độ dốc thủy lực gây ra dòng thấm Hai yếu tố này được biểu diễn thông quađịnh luật Darcy

v = - k∇h ℎ = ��𝑤

��𝑤 + Z (2.6)Trong đó: