Nội dung nghiên cứu bao gồm: Nghiên cứu tổng quan về ổn định mái dốc đất không bão hòa ở trên thế giới và Việt Nam; nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cơ học đất không bão hòa liên quan đến tính toán ổn định mái dốc; nghiên cứu thực nghiệm xác định các đặc trưng của đất không bão hòa; nghiên cứu chế tạo máng thí nghiệm và dàn tạo mưa; nghiên cứu thực nghiệm quá trình nước mưa xâm nhập vào mái dốc; nghiên cứu thực nghiệm cơ chế biến thiên áp lực nước lỗ rỗng trong mái dốc trong quá trình mưa và sau khi dừng mưa;
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI PHẠM HUY DŨNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA ĐẾN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ĐẤT KHƠNG BÃO HỊA Ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số: 9580211 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2020 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Hoàng Việt Hùng Người hướng dẫn khoa học 2: GS Nguyễn Công Mẫn Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Huy Phương - Trường Đại học Mỏ - Địa chất Phản biện 2: PGS.TSKH Trần Mạnh Liểu - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Phản biện 3: PGS.TS Đoàn Thế Tường - Viện Địa kỹ thuật Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp Room - K1, trường Đại học Thủy lợi, 175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội vào lúc 30 ngày 23 tháng 12 năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia; - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong năm vừa qua, nước ta xảy hàng loạt cố cơng trình liên quan đến tượng trượt lở mái dốc gây thiệt hại lớn người tài sản Hiện tượng trượt lở không xảy mái dốc tự nhiên, mà cố thường xuyên mái dốc đất đắp đường, đê, đập, hố móng Một tác nhân dẫn đến ổn định mái dốc mưa Gần vào tháng 10 năm 2020, loạt cố trượt lở đất liên tiếp xảy miền Trung Việt Nam để lại hậu thảm khốc Áp lực nước lỗ rỗng cường độ kháng cắt đất yếu tố quan trọng đánh giá ổn định mái dốc Các quan niệm truyền thống học đất giả thiết đất bão hịa hồn tồn nằm mực nước ngầm khơ hồn tồn nằm mực nước ngầm Tuy nhiên, kết nghiên cứu nhiều nhà khoa học chứng minh gia tăng cường độ kháng cắt đất không bão hòa (KBH) tác dụng áp lực nước lỗ rỗng âm [1], [2]; tức làm tăng hệ số ổn định mái dốc Vì vậy, cần thiết phải áp dụng ngun lý tính tốn học đất KBH phân tích ổn định mái dốc, đặc biệt nơi có mực nước ngầm sâu Đối với đất KBH, đường cong đặc trưng đất nước (SWCC) coi thông số quan trọng, thường dùng để xác định đặc tính đất KBH hệ số thấm, cường độ kháng cắt biến thiên thể tích đất [3], [4] Phương trình SWCC chứa tham số hiệu chỉnh giá trị tham số tùy thuộc đặc điểm riêng biệt loại đất vùng miền khác Tuy nhiên, số liệu SWCC loại đất Việt Nam hạn chế Vì vậy, cần thiết bổ sung nghiên cứu đất KBH để cung cấp thêm liệu, làm sở xây dựng SWCC cách phù hợp cho loại đất Việt Nam Khi nghiên cứu tác động mưa đến ổn định mái dốc, nhiều tác giả giới Việt Nam sử dụng mơ hình số để nghiên cứu quy luật biến đổi áp lực nước lỗ rỗng (lực hút dính) hệ số ổn định mái dốc theo thời gian trình mưa Tuy nhiên, số liệu thực nghiệm lượng mưa xâm nhập vào mái dốc, thay đổi áp lực nước lỗ rỗng trình mưa sau dừng mưa chưa thực rõ ràng Vì vậy, cần có nghiên cứu khoa học cụ thể, nhằm làm sáng tỏ chất, trình tác động mưa đến ổn định mái dốc đất KBH để có giải pháp cơng trình phù hợp hiệu Với lý nêu trên, đề tài ‘Nghiên cứu ảnh hưởng mưa đến ổn định mái dốc đất khơng bão hịa’ thực cần thiết mang nhiều ý nghĩa khoa học thực tế Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu đề tài nghiên cứu thay đổi hệ số ổn định mái dốc đất khơng bão hịa tác động mưa Phạm vi đối tượng nghiên cứu 3.1 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu đề tài nghiên cứu trình biến đổi áp lực nước lỗ rỗng mái dốc dẫn đến thay đổi cường độ kháng cắt đất hệ số ổn định mái dốc loại mái dốc đất đắp cơng trình thủy lợi đê, đập 3.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài mái dốc đất khơng bão hịa đắp đất đa nguồn gốc phân bố phía Bắc Việt Nam Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu bao gồm: Nghiên cứu tổng quan ổn định mái dốc đất khơng bão hịa giới Việt Nam; nghiên cứu sở lý thuyết học đất khơng bão hịa liên quan đến tính tốn ổn định mái dốc; nghiên cứu thực nghiệm xác định đặc trưng đất khơng bão hịa; nghiên cứu chế tạo máng thí nghiệm dàn tạo mưa; nghiên cứu thực nghiệm trình nước mưa xâm nhập vào mái dốc; nghiên cứu thực nghiệm chế biến thiên áp lực nước lỗ rỗng mái dốc trình mưa sau dừng mưa; ứng dụng kết nghiên cứu để phân tích, đánh giá ảnh hưởng mưa đến ổn định mái dốc đất đắp không bão hịa cho số cơng trình thực tế Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp áp dụng đề tài: Phương pháp lý thuyết; phương pháp thực nghiệm phòng trường xác định đặc trưng đất khơng bão hịa; phương pháp mơ hình số phương pháp chuyên gia Ý nghĩa khoa học thực tiễn 6.1 Ý nghĩa khoa học: - Đóng góp sở liệu đặc trưng đất KBH Việt Nam - Thực nghiệm xác định lượng nước mưa xâm nhập vào mái dốc chế biến thiên áp lực nước lỗ rỗng mái dốc trình mưa sau dừng mưa 6.2 Ý nghĩa thực tiễn: - Đề xuất công cụ ước lượng SWCC cho số loại đất dính miền Bắc Việt Nam khơng có kết thực nghiệm xác định SWCC - Đề xuất bổ sung đánh giá ảnh hưởng mưa kéo dài đến ổn định mái dốc công tác thiết kế cơng trình thủy lợi đê đập quy định tiêu chuẩn thiết kế TCVN 9902:2016 TCVN 8216:2018 - Góp phần xác hóa tính tốn, phân tích ổn định mái dốc sở khoa học đất khơng bão hịa Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận kiến nghị, luận án trình bày chương bao gồm: Chương 1: Tổng quan nghiên cứu ổn định mái dốc đất khơng bão hịa; Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn ổn định mái dốc đất khơng bão hòa; Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định đặc trưng đất khơng bão hịa; Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng mưa lên mái dốc đất đắp; Chương 5: Ứng dụng kết nghiên cứu tính tốn cho số mái dốc cơng trình thủy lợi CHƯƠNG 1.1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ĐẤT KHƠNG BÃO HỊA Tổng quan phân tích ổn định mái dốc 1.1.1 Các phương pháp phân tích ổn định mái dốc Hiện có nhiều phương pháp (PP) để phân tích ổn định mái dốc, PP phân thành ba nhóm PP cân giới hạn, PP phân tích giới hạn PP số 1.1.2 Phân tích ổn định mái dốc sở khoa học đất không bão hịa Có PP để xét ảnh hưởng áp lực nước lỗ rỗng âm phân tích ổn định mái dốc đất khơng bão hịa PP “lực dính toàn phần” PP “cường độ kháng cắt mở rộng” 1.2 Tầm quan trọng học đất không bão hịa 1.2.1 Mơi trường đất khơng bão hịa Fredlund Rahardjo (1993) đưa trình thay đổi áp lực nước lỗ rỗng vùng đất nằm đường bão hịa có mưa bốc Hình 1.1 [1] 1.2.2 Các trường hợp điển hình liên quan đến học đất khơng bão hịa Trong thực tế xây dựng, có nhiều loại cơng trình làm việc liên quan đến học đất khơng bão hịa Chẳng hạn q trình thi cơng vận hành đập đất, mái dốc tự nhiên mái hố móng chịu tác động mưa Ở trường hợp này, rõ ràng xuất hai vùng đất riêng biệt bên bên đường bão hòa 1.3 Tổng quan nghiên cứu cường độ kháng cắt đất khơng bão hịa 1.3.1 Khái niệm đường cong đặc trưng đất-nước Đường cong đặc trưng đất- nước (SWCC) mối quan hệ lượng chứa nước đất lực hút đất SWCC coi thông số trung tâm đất khơng bão hịa, dùng để xác định đặc tính đất khơng bão hoà hệ số thấm, cường độ chống cắt biến thiên thể tích (Hình 1.5) Độ ẩm trọng lượng (%) Vùng chuyển tiếp Dòng thấm hướng lên ổn định Giá trị khí vào Điểm uốn Biên ảnh hưởng Vùng tàng dư Lực hút dính dư Lực hút dính (kPa) Hình 1.1 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng đới khơng bão hịa [1] Hình 1.5 Đường cong đặc trưng đất nước điển hình [1] 1.3.2 Cường độ kháng cắt đất khơng bão hịa Đối với đất bão hòa, Tezaghi (1936) sử dụng tiêu chuẩn phá hoại MohrCoulomb biểu diễn phương trình cường độ kháng cắt phương trình (1-1) Đối với đất khơng bão hịa, Fredlund cộng (1978) sử dụng tổ hợp biến trạng thái ứng suất ứng suất pháp thực (- ua) lực hút dính (ua-uw) để biểu thị cường độ kháng cắt, phương trình (1-2) có dạng: f = c’+(-uw ) tg ’ (1-1) f= c’+( – ua) tg’+(ua – uw) tgb (1-2) 1.3.3 Tình hình nghiên cứu SWCC cường độ kháng cắt đất không bão hòa giới Các nghiên cứu xu hướng biến thiên giá trị khí vào (AEV) lực hút dính dư tăng dần thay đổi từ đất cát đến đất bụi, đất sét đất sét 1.3.4 Tình hình nghiên cứu SWCC cường độ kháng cắt đất khơng bão hịa Việt Nam Các nghiên cứu thực nghiệm SWCC cường độ kháng cắt đất khơng khơng bão hịa Việt Nam hạn chế thiếu thiết bị thí nghiệm liên quan Toan (2016) nghiên cứu ảnh hưởng thành phần hạt trọng lượng riêng đất đến AEV lực hút dính dư cho số loại đất dọc bờ sông Hồng khu vực Hà Nội Tuy nhiên thiết bị thí nghiệm hỗ trợ trường đại học Ibaraki, Nhật Bản Hương (2013), tiến hành thí nghiệm xác định SWCC cường độ kháng cắt loại đất địa phương khác Việt Nam Quảng Ninh, Yên Bái Ninh Thuận 1.4 Tổng quan nghiên cứu ảnh hưởng mưa đến ổn định mái dốc đất khơng bão hịa 1.4.1 Ảnh hưởng mưa đến ổn định mái dốc Mưa tác nhân chủ yếu dẫn đến ổn định mái dốc Khi có mưa, nước mưa xâm nhập vào mái dốc làm tăng độ ẩm, tăng trọng lượng, tăng áp lực nước lỗ rỗng, giảm cường độ kháng cắt, dâng cao mực nước ngầm dẫn đến giảm hệ số ổn định mái dốc Các cố trượt lở đất liên quan đến mưa xảy nhiều nơi giới Việt Nam, gây tổn thất lớn tài sản người 1.4.2 Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng mưa đến ổn định mái dốc đất không bão hòa giới Việt Nam Nhiều tác giả giới Việt Nam sử dụng mô hình số để nghiên cứu ảnh hưởng mưa đến ổn định mái dốc Các quy luật nghiên cứu cho thấy trình gia tăng áp lực nước lỗ rỗng dẫn đến giảm cường độ kháng cắt giảm hệ số ổn định mái dốc trình mưa Một số tác giả thiết lập biểu đồ tương quan hệ số ổn định mái dốc thời điểm khác trận mưa có thời gian kéo dài khác 1.5 Kết luận chương Đối với đất khơng bão hịa, SWCC coi thông số quan trọng Tuy nhiên, việc xác định SWCC thực nghiệm thường tốn nhiều thời gian Trong đó, Việt Nam thiết bị thí nghiệm để xác định SWCC cịn hạn chế Vì vậy, việc xác định SWCC phương trình thực nghiệm có sử dụng tham số hiệu chỉnh phù hợp với đặc tính đất Việt Nam có giá trị thực tế Trong thực tế, cố cơng trình ổn định mái dốc phần lớn liên quan đến mưa Tuy nhiên, điều kiện biên lượng mưa xâm nhập vào mái dốc, chế biến thiên áp lực nước lỗ rỗng trình mưa sau dừng mưa chưa thực sáng tỏ Vì vậy, nghiên cứu thực nghiệm điều kiện Việt Nam tiến hành nhằm đánh giá ảnh hưởng mưa lên mái dốc ứng dụng vào toán thực tế CHƯƠNG 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ĐẤT KHƠNG BÃO HỊA Các biến trạng thái ứng suất đất khơng bão hịa Đối với đất khơng bão hịa, có ba tổ hợp dùng làm biến trạng thái ứng suất ( - ua) (ua - uw); ( - uw) (ua - uw); ( - ua) ( - uw) Trong tổ hợp trên, tổ hợp biến trạng thái ứng suất ( - ua) (ua - uw) chấp nhận rộng rãi đất khơng bão hịa 2.2 Lực hút dính đất khơng bão hịa cách xác định Lực hút dính (ua - uw) hiệu số áp lực khí lỗ rỗng, ua, thường áp lực khí ngồi trời áp lực nước lỗ rỗng, uw Hiện đo lực hút dính phương pháp đo trực tiếp phương pháp đo gián tiếp Căng kế (Tensometer) loại thiết bị để đo trực tiếp lực hút dính đất Tuy nhiên, nhược điểm căng kế đo giá trị lực hút dính dải thấp Phương pháp đo lực hút dính gián tiếp cảm biến cho phép xác định lực hút dính dải cao 2.3 Xác định đường cong đặc trưng đất-nước 2.3.1 Thí nghiệm xác định SWCC Ở phịng thí nghiệm, phương pháp sử dụng đĩa gốm bình áp lực cao thường sử dụng rộng rãi Kỹ thuật tịnh tiến trục sử dụng để tạo lực hút dính khác cho mẫu đất q trình thí nghiệm 2.3.2 Phương trình SWCC Các phương trình SWCC chứa tham số liên quan đến AEV tham số liên quan đến tốc độ thoát nước Một số phương trình sử dụng tham số thứ ba để phân biệt đường cong giá trị lực hút dính nhỏ so với phạm vi lực hút dính lớn Việc sử dụng tham số thứ ba cho phép linh hoạt hiệu chỉnh với kết thí nghiệm Mỗi phương trình thực nghiệm phù hợp với nhánh tăng ẩm giảm ẩm Trong thực tế, phương trình Fredlund Xing (1994) thường lựa chọn để biểu diễn SWCC 2.3.3 Ước lượng SWCC Hiện có ba cách phổ biến để ước lượng SWCC bao gồm: (1) sử dụng chuỗi liệu sẵn có loại đất tương tự; (2) sử dụng đường cong cấp phối hạt; (3) so sánh tương quan tiêu lý đất tham số SWCC Trong ba cách này, hai cách sử dụng phổ biến dễ dàng sử dụng tính phổ biến liệu đầu vào Nhiều mơ hình đề xuất để ước lượng SWCC từ đường cong cấp phối hạt, mơ hình Modified Kovacs (2003) (mơ hình MK) biết đến rộng rãi phù hợp với nhiều loại đất bao gồm đất rời đất dính 2.4 Dịng thấm đất khơng bão hịa Đối với đất khơng bão hịa, Leong Rahardjo (1997) sử dụng tiêu phân loại đất để xác định hàm thấm có dạng: 𝑘 = 𝑘𝑠 p (2-15) Trong đó: p hệ số tùy thuộc vào loại đất Công thức thường lựa chọn sử dụng tính chất đơn giản, đồng thời dễ dàng thấy liên hệ hàm thấm SWCC 2.5 Xác định cường độ kháng cắt đất không bão hịa 2.5.1 Phương trình cường độ kháng cắt đất khơng bão hịa Có nhiều tác giả phát triển phương trình cường độ kháng cắt đất khơng bão hịa Các phương trình liên quan đến tham số đặc trưng cho đất khơng bão hịa lực hút dính, độ ẩm thể tích Trong phương trình nêu trên, phương trình (1-2) Fredlund cộng (1978) đề xuất phương trình Vanapalli cộng (1996) đề xuất sử dụng rộng rãi Phương trình Vanapalli cộng (1996) đề xuất có dạng: θ-θr f = c’+( – ua) tan’+(ua – uw) [tan' ( )] θs -θr (2-16) Với: độ ẩm thể tích; s độ ẩm thể tích bão hịa; r độ ẩm thể tích dư thống kê theo phương pháp bình phương nhỏ quy luật có dạng hàm số mũ với mức độ tương quan chặt chẽ theo sau: (ua-uw)= 255,80e-0,0228S; R2=0,92 (3-1) Trong đó: S độ bão hịa (%); (ua – uw) lực hút dính Hình 3.8 Quan hệ tương quan lực hút dính độ bão hịa mái dốc cơng trình thủy lợi 3.2 Xác định SWCC bình áp lực đĩa tiếp nhận khí cao 3.2.1 Vị trí lấy mẫu thí nghiệm xác định SWCC Các mẫu đất để thí nghiệm xác định SWCC mẫu nguyên dạng lấy độ sâu từ 1,0÷2,0 m cơng trình đê hữu Cầu - Bắc Ninh, đập Khau Piều Lạng Sơn đập Chúc Bài Sơn - Quảng Ninh 3.2.2 Thí nghiệm xác định SWCC Hình 3.17 Đê hữu Cầu Hình 3.18 Đập Khau Piều Hình 3.19 Đập Chúc Bài Sơn Ước lượng SWCC loại đất thí nghiệm Thí nghiệm xác định SWCC thực Phịng thí nghiệm Địa kỹ thuật, Trường Đại học Thủy lợi theo bước sau: (1) Bão hịa đĩa tiếp nhận khí cao; (2) Đưa mẫu vào dao vịng có chiều cao 2,0 cm thể tích 60 cm3; (3) 11 Đặt mẫu thí nghiệm vào bình áp lực, tăng áp lực khí buồng lên 10 kPa, đo lường khối lượng mẫu không đổi; (4) Tăng áp lực khí lên cấp áp lực cần thiết, đo lường khối lượng mẫu không đổi 3.2.3 Xác định hàm thấm từ SWCC Từ kết ước lượng SWCC, sử dụng phương trình hàm thấm Leong Rahardjo (1997) để xác định hệ số thấm giá trị lực hút dính khác nhau: Hình 3.20 Đê hữu Cầu Hình 3.21 Đập Khau Piều Hình 3.22 Đập Chúc Bài Sơn Hàm thấm loại đất thí nghiệm 3.3 Xác định cường độ kháng cắt đất Cường độ kháng cắt đất xác định theo phương pháp sử dụng máy nén ba trục TRIAX50 hãng Wykeham Farrance máy cắt trực tiếp kiểu ứng biến EDJ-2 hãng ZheJiang TuGong Phịng thí nghiệm Địa kỹ thuật Kết tổng hợp bảng biểu đồ sau: Hình 3.30 Đê hữu Cầu Hình 3.34 Đập Khau Piều Hình 3.38 Đập Chúc Bài Sơn Mặt bao phá hoại loại đất thí nghiệm Hình 3.33 Đê hữu Cầu Hình 3.37 Đập Khau Piều Hình 3.41 Đập Chúc Bài Sơn Góc ma sát biểu kiến loại đất thí nghiệm b 12 Bảng 3.9 Bảng tổng hợp cường độ kháng cắt loại đất thí nghiệm STT Loại đất Thí nghiệm cắt phẳng Thí nghiệm nén trục ’ (độ) C’ (kN/m2) ’ (độ) C’ (kN/m2) Đê hữu Cầu 16,2 17,8 14,6 16,9 Đập Khau Piều 18,8 14,3 20,1 8,1 Đập Chúc Bài Sơn 23,5 20,2 26,7 14,5 3.4 Kết luận chương Chương luận án trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm xác định đặc trưng đất khơng bão hịa số loại đất đắp miền Bắc Việt Nam Tác giả cập nhật, bổ sung quy trình xác định lực hút dính đất khơng bão hịa căng kế Từ kết thực nghiệm, tác giả đề xuất phương trình tương quan lực hút dính (ua-uw) độ bão hịa S Tác giả sử dụng bình áp lực khí cao kỹ thuật tịnh tiến trục để thí nghiệm xác định SWCC, đồng thời kiến nghị sử dụng hai tham số phương trình MK ac =0,0005 m=0,00002 để ước lượng SWCC cho số loại đất dính khu vực nghiên cứu trường hợp khơng có số liệu thí nghiệm xác định SWCC Từ kết ước lượng SWCC, tác giả sử dụng phương trình hàm thấm Leong Rahardjo (1997) để xác định hệ số thấm giá trị lực hút dính khác Ngồi ra, tác giả tiến hành thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt cho ba loại đất Kết thí nghiệm cho thấy gia tăng cường độ kháng cắt theo lực hút dính Góc ma sát biểu kiến b loại đất đắp đê hữu Cầu, đập Khau Piều đập Chúc Bài Sơn giá trị lực hút dính lớn 8,2o; 9,5 o 9,4 o Quy luật biến đổi b theo lực hút dính đất đắp đập Chúc Bài Sơn Khau Piều tương đồng đất đắp đê hữu Cầu, nhiên so với đất đắp đê hữu Cầu đất đắp đập Khau Piều mức độ giảm b đất đắp đập Chúc Bài Sơn nhiều biên độ giảm nhanh 13 CHƯƠNG 4.1 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA LÊN MÁI DỐC ĐẤT ĐẮP Nghiên cứu chế tạo máng thí nghiệm Trên sở kế thừa nghiên cứu trước đây, máng thí nghiệm lựa chọn cấu tạo dạng hình hộp chữ nhật với kích thước 150x50x70 cm Máng thí nghiệm đặt trục quay tự máng kết hợp với bệ đỡ hai bên máng, đồng thời bố trí van xả mặt đồng hồ đo lưu lượng (Hình 4.1) b) Sơ đồ a) Hình ảnh thực tế Hình 4.1 Cấu tạo máng thí nghiệm 4.2 Nghiên cứu chế tạo dàn tạo mưa Dàn tạo mưa chế tạo máng nhựa mica dạng hình hộp chữ nhật với kích thước 150x50x20 cm Đáy máng khoan tạo mặt khum lõm với đường kính mũi khoan mm, sau sử dụng mũi khoan đường kính 0,5 mm khoan xuyên qua đáy máng Ngoài ra, đồng hồ đo lưu lượng gắn vào đầu cấp nước vào đầu nước máng (Hình 4.2) a) Hình ảnh thực tế b) Sơ đồ Hình 4.2 Cấu tạo dàn tạo mưa 14 4.3 Đo lường thu thập liệu lực hút dính Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng căng kế 2100F-Remote Tensometer để đo trực tiếp lực hút dính mơi trường đất Thiết bị thương mại hóa chế tạo Cơng ty Soilmoisture Equipment Corp (Hình 4.3) Căng kế kết nối với cảm biến ứng suất liên kết với thiết bị ghi đọc liệu Dataloger, cho phép thu thập liên tục giá trị lực hút dính (Hình 4.4) Hình 4.3 Căng kế 2100F-Remote Tensometer Hình 4.4 Dataloger Thiết bị đo thu thập lực hút dính 4.4 Trình tự thí nghiệm 4.4.1 Chuẩn bị thí nghiệm a) Hình ảnh thực tế b) Sơ đồ Hình 4.9 Mơ hình thí nghiệm mưa lên mái dốc Ban đầu, điều chỉnh máng thí nghiệm trạng thái cân Sau đó, phủ lớp dăm lọc dày 10 cm phủ lớp vải địa kỹ thuật lên lớp dăm lọc Tiếp đó, trộn đất độ ẩm tối ưu w = 10,85%, san thành lớp mỏng tiến hành 15 đầm nén để đạt độ chặt yêu cầu Sau sử dụng kích thủy lực để điều chỉnh máng thí nghiệm độ dốc thiết kế Trong nghiên cứu này, độ dốc mái thay đổi trường hợp ứng với hệ số mái m = 1,0; m = 2,0 m = 4,0 Độ chặt đất đắp thay đổi trường hợp ứng với hệ số đầm chặt K = 0,70; K = 0,90; K = 0,95 K=0,97 (Hình 4.9) 4.4.2 Thơng số mưa dùng thí nghiệm Ở nghiên cứu này, tác giả lựa chọn kiểu mưa ngắn với cường độ lớn (HI) để tiến hành thí nghiệm Căn theo liệu thống kê QCVN 02:2009/BXD trạm quan trắc khí tượng khu vực nghiên cứu, trận mưa điển hình sử dụng thí nghiệm có cường độ mưa 105 mm/giờ diễn liên tục thời gian 2,0 4.4.3 Tiến hành thí nghiệm Ban đầu, mở van cấp nước vào dàn tạo mưa, chờ đến tạo thành dòng chảy tràn ổn định bắt đầu cho nước mưa rơi lên mái dốc Quá trình mưa tiến hành liên tục thời gian với cường độ mưa 105 mm/giờ cho tất chuỗi thí nghiệm Trong q trình thí nghiệm, tiến hành ghi chép đo đạc lượng nước mưa chảy tràn bề mặt mái dốc QT (lít/phút) sau đoạn thời gian phút 1,0 mưa 10 phút 1,0 mưa 4.5 Phân tích, đánh giá kết thí nghiệm Từ kết đo QT, tính tốn cường độ tràn RR RR tỷ Bảng 4.3 Bảng tổng hợp kết thí nghiệm tác động mưa lên mái dốc số lượng nước chảy tràn QT chia cho diện tích bề mặt tràn (m2) Tỷ lệ chảy tràn RC (%) tính tỷ số tổng lượng nước tràn chia cho tổng lượng mưa trận mưa Tỷ lệ thâm nhập RI (%) hiệu số 100% RC Kết tổng hợp Bảng 4.3 16 4.5.1 Ảnh hưởng độ chặt đất đắp đến cường độ tràn Kết thí nghiệm cho thấy quy luật chung độ chặt đất đắp cường độ tràn cường độ tràn giảm (hay cường độ mưa xâm nhập tăng) độ chặt đất đắp giảm Ảnh hưởng mức độ lớn độ chặt đất đắp thấp (K = 0,70) giảm dần độ chặt đất đắp tăng dần Khi mái dốc thoải độ chặt thấp (m = K = 0,70) tỷ lệ chảy tràn có giá trị thấp 68% tăng lên tới 95% mái dốc dốc độ chặt cao (m = K = 0,97) Hình 4.10 Sự thay đổi cường độ tràn hệ số mái m = Hình 4.14 Sự thay đổi cường độ tràn hệ số đầm chặt K =0,95 4.5.2 Ảnh hưởng độ dốc mái đến cường độ tràn Khi độ dốc mái tăng cường độ tràn tăng (hay cường độ mưa thâm nhập giảm dần) Tuy nhiên ảnh hưởng không lớn so sánh với độ chặt đất đắp 4.5.3 Sự thay đổi lực hút dính q trình mưa sau mưa Để đánh giá thay đổi lực hút dính mái dốc, tác giả lắp đặt căng kế vị trí độ sâu 10 cm 35 cm tính từ bề mặt mái dốc Kết thí nghiệm cho thấy, ban đầu lực hút dính độ sâu 10 cm lớn lực hút dính độ sâu 35 cm với khoảng chênh lệch 2,8 kPa Trong thời gian mưa liên tục lực hút dính điểm đo không thay đổi Tuy nhiên, độ sâu 10 cm lực hút dính bắt đầu giảm mạnh sau dừng mưa khoảng 0,5 giờ, trình giảm liên tục sau dừng mưa khoảng 5,0 giữ ổn định giá trị 16,5kPa ngày sau dừng mưa Sau lực hút dính độ sâu 10 cm có xu tăng ngược trở lại, nguyên nhân tượng bốc gần bề mặt mái dốc 17 Hình 4.15 Sự thay đổi lực hút dính sau thời gian mưa ngày Hình 4.16 Sự thay đổi lực hút dính sau thời gian mưa ngày Trong đó, suy giảm lực hút dính độ sâu 35 cm diễn chậm nhiều so với độ sâu 10 cm Sau dừng mưa khoảng 1,0 lực hút dính độ sâu 35 cm bắt đầu suy giảm dần từ giá trị ban đầu 22,5 kPa, sau dừng mưa khoảng 5,0 giảm xuống cịn 20,5 kPa Sau đó, lực hút dính độ sâu khơng tăng ngược trở lại giống độ sâu 10 cm mà tiếp tục giảm xuống với tốc độc chậm, ngày sau mưa lực hút dính vị trí đạt giá trị 19,5 kPa 4.6 Kết luận chương Kết nghiên cứu cho thấy tượng nước chảy tràn mái dốc bắt đầu sau khoảng thời gian mưa định Kết thực nghiệm cho thấy độ chặt đất đắp có mức độ ảnh hưởng tới cường độ tràn lớn so với độ dốc mái Mặt khác, lượng nước mưa chảy tràn chiếm tỷ lệ lớn thay đổi từ 68% (ứng với độ chặt đất đắp K=0,70 hệ số mái dốc m=4) đến 95% (ứng với độ chặt đất đắp K=0,97 hệ số mái dốc m=1) Như vậy, lượng nước mưa thâm nhập vào mái dốc nhỏ chiếm tỷ lệ từ 5% đến 32% Do mưa xâm nhập vào mái dốc, làm cho áp lực nước lỗ rỗng tăng tức lực hút dính đất giảm Trong thời gian mưa, lực hút dính mái dốc có độ chặt đất đắp lớn khơng thay đổi, nhiên giảm nhanh kết thúc mưa từ 0,5 đến 1,0 Sau lực hút dính có xu hồi phục trở lại tốc độ tăng chậm 18 CHƯƠNG ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN CHO MỘT SỐ MÁI DỐC CƠNG TRÌNH THỦY LỢI 5.1 Đặt vấn đề Ở chương này, tác giả tập trung vào việc ứng dụng kết nghiên cứu từ chương trước để tính toán ổn định cho số mái dốc đất đắp KBH ảnh hưởng mưa Các cơng trình thực tế vận dụng tính tốn chương mái dốc đất đắp đê hữu Cầu, đập Khau Piều đập Chúc Bài Sơn 5.2 Mái dốc đất đắp đê hữu Cầu 5.2.1 Kết tính tốn ổn định mái dốc đê hữu Cầu khơng có mưa Khi tính tốn dựa sở khoa học đất bão hịa hệ số ổn định mái dốc hạ lưu đê hữu Cầu Kmin = 1,281 (Hình 5.3) Nếu tính tốn dựa sở khoa học đất KBH giá trị tăng 1,9%, đạt Kmin = 1,305 (Hình 5.4) Khi điều kiện ổn định mái dốc thỏa mãn theo TCVN 9902: 2016 với yêu cầu hệ số ổn định mái đê [K] = 1,30 Hình 5.3 Trên sở khoa học đất bão hịa Hình 5.4 Trên sở khoa học đất KBH Hệ số ổn định mái dốc đê hữu Cầu khơng có mưa 5.2.2 Ảnh hưởng mưa đến ổn định mái dốc đê hữu Cầu Dưới tác động kiểu mưa HI dẫn đến giảm hệ số ổn định mái dốc hạ lưu Hệ số ổn định mái dốc giảm từ ngưỡng an tồn Kmin = 1,305 ngưỡng khơng an tồn Kmin = 1,293 kết thúc mưa Sau hồi phục trở lại mức độ hồi phục không đáng kể sau dừng mưa 8,0 (Hình 5.7) Cũng giống kiểu mưa HI, kiểu mưa LD dẫn đến giảm hệ số ổn định mái dốc hạ lưu Hệ số ổn định mái dốc giảm từ ngưỡng an toàn Kmin = 19 1,305 ngưỡng khơng an tồn Kmin = 1,262 kết thúc mưa, tức giảm 3,4% Khi dừng mưa, hệ số ổn định mái dốc tăng ngược trở lại, tốc độ chậm Sau ngừng mưa tuần, hệ số ổn định mái dốc chưa trở lại ngưỡng an tồn (Hình 5.10) Hình 5.7 Kiểu mưa HI Hình 5.10 Kiểu mưa LD Sự thay đổi hệ số ổn định mái dốc đê hữu Cầu có mưa 5.3 Mái dốc đất đắp đập Khau Piều 5.3.1 Kết tính tốn ổn định mái dốc đập Khau Piều khơng có mưa Khi tính tốn dựa sở khoa học đất bão hịa hệ số ổn định mái hạ lưu đập Khau Piều Kmin = 1,289 (Hình 5.11) Nếu tính tốn dựa sở khoa học đất KBH giá trị tăng 2,7%, đạt Kmin = 1,324 (Hình 5.14) Khi điều kiện ổn định mái dốc thỏa mãn theo TCVN 8216: 2018 với yêu cầu hệ số ổn định mái đập [K] = 1,30 Hình 5.11 Trên sở khoa học đất bão hịa Hình 5.14 Trên sở khoa học đất KBH Hệ số ổn định mái dốc đập Khau Piều khơng có mưa 5.3.2 Ảnh hưởng mưa đến ổn định mái dốc đập Khau Piều Đối với kiểu mưa HI, hệ số ổn định mái dốc giảm từ ngưỡng an toàn Kmin = 1,324 ngưỡng khơng an tồn Kmin = 1,280 (giảm 3,4%) kết thúc mưa, 20 sau hồi phục dần trở lại Đặc biệt sau dừng mưa 3,0 hệ số ổn định mái dốc vượt ngưỡng an tồn (Hình 5.17) Với kiểu mưa LD, hệ số ổn định mái dốc giảm nhanh khoảng 30 đầu tiên, sau trì Kmin = 1,117 (giảm 18,5%) dừng mưa Tiếp đó, hệ số ổn định mái dốc hồi phục trở lại nhanh khoảng 10 đầu tiên, sau tốc độ giảm dần Sau ngừng mưa tuần, hệ số ổn định mái dốc chưa đạt ngưỡng an tồn (Hình 5.20) Hình 5.17 Kiểu mưa HI Hình 5.20 Kiểu mưa LD Sự thay đổi hệ số ổn định mái dốc đập Khau Piều có mưa 5.4 Mái dốc đất đắp đập Chúc Bài Sơn 5.4.1 Kết tính tốn ổn định mái đập Chúc Bài Sơn khơng có mưa [m] 1.633 81 75 69 63 57 51 45 MNDBT = 75.27 m Hình 5.23 Trên sở khoa học đất bão hòa 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 [m] Hình 5.24 Trên sở khoa học đất KBH Hệ số ổn định mái dốc đập Chúc Bài Sơn khơng có mưa Khi tính tốn dựa sở khoa học đất bão hịa hệ số ổn định mái hạ lưu đập Chúc Bài Sơn Kmin = 1,505 (Hình 5.23) Khi tính tốn sở khoa học đất KBH hệ số hệ số ổn định mái hạ lưu đập tăng 8,5% đạt tới K = 1,633 (Hình 5.24) Mức độ chênh lệch hệ số ổn định mái dốc hai trường hợp lớn phạm vi khối trượt vùng đất KBH có tỷ lệ diện tích tương đối lớn so với vùng đất bão hịa 21 5.4.2 Ảnh hưởng mưa đến ổn định mái dốc đập Chúc Bài Sơn Dưới tác động kiểu mưa HI, hệ số ổn định mái dốc đập Chúc Bài Sơn giảm từ Kmin = 1,633 Kmin = 1,545 (giảm 5,7%) kết thúc mưa Sau ngừng mưa, hệ số ổn định mái dốc tăng ngược trở lại đạt giá trị Kmin = 1,59 sau ngừng mưa 8,0 (Hình 5.27) Với kiểu mưa LD, hệ số ổn định mái dốc giảm nhanh từ Kmin = 1,633 khoảng 70 đầu tiên, sau trì Kmin = 1,304 (giảm 20,1%) dừng mưa Tiếp đó, hệ số ổn định mái dốc hồi phục trở lại nhanh khoảng 20 đầu tiên, sau tốc độ hồi phục giảm dần Sau ngừng mưa tuần, hệ số ổn định mái dốc đạt giá trị Kmin = 1,51 (Hình 5.30) Hình 5.30 Kiểu mưa LD Hình 5.27 Kiểu mưa HI Sự thay đổi hệ số ổn định mái dốc đập Chúc Bài Sơn có mưa 5.5 Kết luận chương Kết nghiên cứu cho thấy, tính tốn sở khoa học đất KBH hệ số ổn định mái dốc hạ lưu đê hữu Cầu, đập Khau Piều đập Chúc Bài Sơn tăng 1,9% ; 2,7% 8,5% so với tính tốn sở khoa học đất bão hịa Cả hai kiểu mưa HI LD có xu chung làm giảm hệ số ổn định mái dốc Tuy nhiên, kiểu mưa HI làm giảm hệ số ổn định mái dốc ba cơng trình đê hữu Cầu, đập Khau Piều đập Chúc Bài Sơn 1%; 3,4% 5,7% kiểu mưa LD làm giảm hệ số ổn định mái dốc lớn nhiều với giá trị 3,4%; 18,5% 20,1% Vì vậy, kiểu mưa LD có xu gây ổn định mái dốc lớn so với kiểu mưa HI 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Các kết đạt luận án (1) Luận án phân tích tổng quan nghiên cứu ổn định mái dốc đất không bão hòa giới Việt Nam (2) Tác giả luận án cải tiến quy trình đo đạc xác định lực hút dính đất trường phương pháp sử dụng căng kế Đã tiến hành thực nghiệm xác định giá trị lực hút dính mái dốc số cơng trình thủy lợi miền Bắc Việt Nam Đồng thời đề xuất biểu thức thực nghiệm tương quan lực hút dính độ bão hịa (3) Tác giả tiến hành thực nghiệm bổ sung nguồn sở liệu đặc trưng đất không bão hòa cho số loại đất miền Bắc Việt Nam bao gồm đường cong SWCC, hàm thấm cường độ kháng cắt Từ kết thực nghiệm ban đầu, tác giả đề xuất công cụ ước lượng SWCC khơng có kết thí nghiệm xác định SWCC (4) Đã nghiên cứu chế tạo ứng dụng thành cơng máng thí nghiệm dàn tạo mưa cơng tác thực nghiệm Máng thí nghiệm dàn tạo mưa có cấu tạo đơn giản, thuận tiện sử dụng khắc phục số nhược điểm thiết bị tương đồng (5) Đã tiến hành thực nghiệm xác định chế nước mưa xâm nhập vào mái dốc Xác định quy luật ảnh hưởng độ chặt đất đắp độ dốc mái đến lượng nước lượng nước chảy tràn mái dốc cho loại đất cụ thể (6) Đã tiến hành thực nghiệm xác định chế biến thiên áp lực nước lỗ rỗng mái dốc đất đắp trình mưa sau dừng mưa cho loại đất cụ thể (7) Đã vận dụng kết nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với mô hình số để phân tích, đánh giá ảnh hưởng mưa đến ổn định mái dốc đất khơng bão hịa cho số cơng trình thủy lợi thực tế 23 Những tồn hướng phát triển 2.1 Những tồn (1) Do thời gian kinh phí hạn chế, nên nghiên cứu tập trung cho số loại đất phân bố miền Bắc Việt Nam (2) Kết đánh giá ảnh hưởng mưa đến ổn định mái dốc xét biến đổi áp lực nước lỗ rỗng kéo theo thay đổi cường độ kháng cắt hệ số ổn định mái dốc nước mưa xâm nhập vào mái dốc, mà chưa nghiên cứu tác động khác bốc hơi, xói mịn (3) Nghiên cứu tiến hành thực nghiệm mô cho kiểu mưa có cường độ khơng đổi mà chưa thực kiểu mưa có cường độ thay đổi theo thời gian 2.2 Hướng phát triển (1) Bổ sung kết nghiên cứu cho loại đất vùng khác để có số liệu đầy đủ hồn chỉnh đặc tính khơng bão hịa đất Việt Nam (2) Bổ sung nghiên cứu ảnh hưởng kiểu mưa, kiểu bảo vệ mái dốc, độ dốc độ chặt đất đắp để thiết lập mối tương quan lượng nước mưa xâm nhập vào mái dốc yếu tố liên quan 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ P.H Dũng, H.V Hùng, N.C Mẫn, “Nghiên cứu ảnh hưởng mưa đến ổn định đập đất sở khoa học đất khơng bão hịa,” Tạp chí Địa kỹ thuật, Số 4, tr 12-19, 2020 T.T Viet, H.V Hung, P.H Dung and G.Sato, “Use of Scoops3D and GIS for the Assessment of Slope Stability in ThreeDimensional: A Case Study in Sapa, Vietnam,” ProcProeedings of the International Conference on Innovations for Sustainable and Responsible Mining, ISRM 2020 - Volume 2, 2020 P.H Dũng, “Nghiên cứu ảnh hưởng lực hút dính đến cường độ kháng cắt đất khơng bão hịa mái dốc cơng trình thủy lợi,” Tuyển tập hội nghị khoa học thường niên trường Đại học Thủy lợi, 2018 T.T Viet, P.H Dung, H.V Hung, T.M Thu, “Soil type, rainfall infiltration and the stability of unsaturated soil slopes,” International Symposium on Lowland Technology, Hanoi, Vietnam, 2018 P.H Dũng, H.V Hùng, N.C Mẫn, “Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng mưa lên mái dốc đất đắp khơng bão hịa,” Tạp chí Địa kỹ thuật, Số 2+3, tr 50-58, 2018 P.H Dũng, H.V Hùng, N.C Mẫn, “Nghiên cứu ảnh hưởng mưa tới lực hút dính đất khơng bão hịa mái dốc đắp,” Tuyển tập hội nghị khoa học thường niên trường Đại học Thủy lợi, 2017 P.H Dũng, P.V Tuấn, N.H Huế, “Nghiên cứu đánh giá nguyên nhân sạt lở mái đê Thanh Hương K3+00-K6+500, Nam Định,” Tuyển tập hội nghị khoa học thường niên trường Đại học Thủy lợi, 2016 ... kháng cắt loại đất địa phương khác Việt Nam Quảng Ninh, Yên Bái Ninh Thuận 1.4 Tổng quan nghiên cứu ảnh hưởng mưa đến ổn định mái dốc đất khơng bão hịa 1.4.1 Ảnh hưởng mưa đến ổn định mái dốc Mưa. .. dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu bao gồm: Nghiên cứu tổng quan ổn định mái dốc đất khơng bão hịa giới Việt Nam; nghiên cứu sở lý thuyết học đất khơng bão hịa liên quan đến tính tốn ổn định mái. .. đổi cường độ kháng cắt đất hệ số ổn định mái dốc loại mái dốc đất đắp cơng trình thủy lợi đê, đập 3.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài mái dốc đất không bão hòa đắp đất đa nguồn