Nghiên cứu sự thay đổi tính chất cơ lý của đất đắp đập do ảnh hưởng của dòng thấm theo thời gian

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THANH QUANG NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT ĐẮP ĐẬP DO ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG THẤM THEO THỜI GIAN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - 2021 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THANH QUANG NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT ĐẮP ĐẬP DO ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG THẤM THEO THỜI GIAN Chuyên ngành: Mã số: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy 958.02.02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học 1.GS TS Nguyễn Thế Hùng 2.PGS TS Châu Trường Linh Đà Nẵng - 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi Nguyễn Thanh Quang Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các nội dung kết nghiên cứu Luận án trung thực chưa công bố cơng trình khoa học Tác giả Nguyễn Thanh Quang ii LỜI CÁM ƠN Đầu tiên Tác giả xin trân trọng tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Giáo sư, Tiến sĩ Nguyễn Thế Hùng Phó giáo sư, Tiến sĩ Châu Trường Linh, người Thầy tâm huyết tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ, dành nhiều thời gian trao đổi định hướng cho Tác giả trình thực luận án Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn Ban Giám hiệu nhà trường, Khoa Xây dựng Thủy Lợi-Thủy Điện, Khoa Xây dựng Cầu Đường, Phòng Đào tạo Đại học Sau đại học, thuộc Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng giúp đỡ tạo điều kiện cho Tác giả tiến hành nghiên cứu Cuối Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn tới gia đình ln sát cánh, động viên Tác giả vượt qua khó khăn để thực luận án Tác giả Nguyễn Thanh Quang iii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan i Lời cám ơn ii Mục lục iii Danh mục bảng biểu .vii Danh mục hình vẽ đồ thị ix Danh mục ký hiệu chữ viết tắt xv MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài .1 Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu .3 Phương pháp nghiên cứu Bố cục luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan đặc điểm địa chất cơng trình khu vực miền Trung 1.2 Tổng hợp loại đất thường sử dụng đắp đập khu vực miền Trung 1.2.1 Aluvi cổ 1.2.2 Đất sườn tàn tích – tàn tích đá trầm tích lục nguyên sét bội kết cát bội kết 10 1.2.3 Đất sườn tàn tích – tàn tích bazan cổ 11 1.2.4 Đất sườn tàn tích – tàn tích đá xâm nhập sâu 12 1.3 Tổng quan ảnh hưởng dòng thấm đến ổn định đập đất .13 1.3.1 Tình hình ổn định đập đất 13 1.3.2 Các cố ảnh hưởng dòng thấm qua đập 15 1.4 Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng dịng thấm đến thay đổi tính chất lý đất đắp đập 20 iv 1.4.1 Nghiên cứu giới 20 1.4.2 Nghiên cứu Việt Nam 24 1.5 Những vấn đề nghiên cứu luận án 30 CHƯƠNG THIẾT LẬP THIẾT BỊ MƠ PHỎNG SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ LÝ ĐẤT ĐẮP ĐẬP DO TÁC ĐỘNG DÒNG THẤM THEO THỜI GIAN 31 2.1 Đặt vấn đề 31 2.2 Giới thiệu chung 32 2.2.1 Thí nghiệm nén ba trục 32 2.2.2 Thiết bị mơ thay đổi tính chất lý đất đắp đập tác động dòng thấm theo thời gian 36 2.3 Thiết lập điều kiện thí nghiệm 42 2.3.1 Xác định đường kính mẫu chế bị 42 2.3.2 Xác định khối lượng đất mẫu chế bị 43 2.3.3 Xác định áp lực buồng 44 2.3.4 Xác định áp lực dòng thấm 45 2.3.5 Lựa chọn hình thức thí nghiệm 46 2.4 Quy trình thí nghiệm định hướng kết thí nghiệm 46 2.4.1 Quy trình thí nghiệm 46 2.4.2 Định hướng kết thí nghiệm 48 2.5 Mơ thuật tốn xây dựng đồ thị thay đổi tính chất lý đất đắp ảnh hưởng dòng thấm theo thời gian 49 2.6 Kết luận chương 51 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ LÝ ĐẤT ĐẮP DO ẢNH HƯỞNG DÒNG THẤM THEO THỜI GIAN 52 3.1 Vật liệu thí nghiệm 52 3.1.1 Chọn loại đất để nghiên cứu 52 3.1.2 Cơng tác lấy mẫu đất thí nghiệm 53 3.1.3 Các kết thí nghiệm vật liệu 54 v 3.2 Quy hoạch thực nghiệm 57 3.3 Một số điều kiện thí nghiệm thiết bị mơ thay đổi tính chất lý đất đắp ảnh hưởng dòng thấm theo thời gian 61 3.3.1 Quá trình chế bị mẫu thí nghiệm 61 3.3.2 Q trình bão hịa mẫu 61 3.3.3 Q trình thay đổi dịng thấm theo thời gian 65 3.4 Kết thí nghiệm 69 3.4.1 Dung trọng đất đắp thay đổi theo thời gian 69 3.4.2 Cường độ sức chống cắt đất đắp thay đổi theo thời gian 72 3.4.3 Hệ số thấm đất đắp thay đổi theo thời gian 75 3.5 Đối sánh kết thí nghiệm 76 3.5.1 Cơng trình hồ chứa nước Liên Trì – Bình Sơn – Quảng Ngãi 76 3.5.2 Cơng trình hồ chứa nước Hố Hiểu – Sơn Tịnh – Quảng Ngãi .79 3.5.3 Cơng trình hồ chứa nước Đập Làng – Nghĩa Hành – Quảng Ngãi .81 3.6 Kết luận chương 84 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐẬP CHÍNH HỒ CHỨA NƯỚC TẢ TRẠCH THEO THỜI GIAN KHAI THÁC 85 4.1 Đặt vấn đề 85 4.2 Lựa chọn phương pháp tính ổn định đập đất theo thời gian khai thác 85 4.2.1 Lý thuyết tính tốn ổn định đập đất 85 4.2.2 Phần mềm địa kỹ thuật tính tốn ổn định đập đất 87 4.2.3 Lựa chọn cơng cụ tính tốn ổn định đập đất theo thời gian khai thác 88 4.3 Đánh giá ổn định đập đất hồ chứa Tả Trạch theo thời gian khai thác 89 4.3.1 Giới thiệu 89 4.3.2 Những để tính tốn ổn định đập theo thời gian khai thác 90 4.3.3 Kết tính toán 93 4.4 Kết luận chương 96 KẾT LUẬN 97 Kết đạt luận án 97 vi Những đóng góp luận án 98 Tồn hướng nghiên cứu 98 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 PHẦN PHỤ LỤC .108 [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Số hiệu Bảng 1.1 T Bảng 1.2 Bảng 1.3 T Bảng 1.4 Bảng 1.5 Đ Bảng 1.6 S Bảng 1.7 Bảng 1.8 Bảng 1.9 Bảng 2.1 Bảng 2.2 Bảng 2.3 X Bảng 2.4 B Bảng 3.1 Q Bảng 3.2 K Bảng 3.3 43 Mẫu 13: Tuổi mẫu – T= 60 (ngày) Ngày thí nghiệm: 29/10/2018 Kiểu mẫu: chế bị, độ chặt K = 0,97 Mô tả: Á sét nặng nâu, nâu vàng, trạng thái dẻo cứng, có chỗ dẻo mềm, kết cấu chặt vừa - chặt Kết thí nghiệm: Thơng số ban đầu Chiều cao mẫu Đường kính mẫu Thể tích mẫu Dữ liệu thí nghiệm Loại thí nghiệm: Màng cao su: Áp lực buồng Áp lực đứng Áp lực thấm KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ THẤM (TCVN 8723:2012) Ngày, giờ, phút bắt đầu N kết 9h - 28/10 28 14h - 28/10 28 16h - 28/10 28 44 Mẫu 14: Tuổi mẫu – T= 90 (ngày) Ngày thí nghiệm: 16/01/2019 Kiểu mẫu: chế bị, độ chặt K = 0,97 Mô tả: Á sét nặng nâu, nâu vàng, trạng thái dẻo cứng, có chỗ dẻo mềm, kết cấu chặt vừa - chặt Kết thí nghiệm: Thơng số ban đầu Chiều cao mẫu Đường kính mẫu Thể tích mẫu Dữ liệu thí nghiệm Loại thí nghiệm: Màng cao su: Áp lực buồng Áp lực đứng Áp lực thấm KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ THẤM (TCVN 8723:2012) Ngày, giờ, phút bắt đầu N kết 9h - 15/01 15 14h - 15/01 15 16h - 15/01 15 45 Phụ lục C Biểu đồ biểu diễn đường quan hệ tính chất lý đất đắp theo thời gian gồm γ = f(t), C = f(t), φ = f(t) xác định từ kết thí nghiệm thiết bị mơ thay đổi tính chất lý đất đắp đập tác động dòng thấm theo thời gian Các bước xây dựng biểu đồ quan hệ cụ thể sau: - Bước 1: Nhập kết thí nghiệm Bước 2: Xây dựng phương trình hồi quy phi tuyến g(t) theo kết mơ hình vật lý (có xét đến tăng tốc) Thời điểm xây dựng thời điểm tính tốn ban đầu t = đến thời điểm kết thúc thí nghiệm t - Bước 3: Xây dựng phương trình hồi quy phi tuyến f’(t) theo kết mơ hình vật lý Thời điểm xây dựng thời điểm tính tốn ban đầu t = đến thời điểm xác định kết thúc thí nghiệm t (5, 15, 30 ngày) - Bước 4: Xây dựng hàm hồi quy tổng thể f(t) từ mối quan hệ hai hàm hồi quy f’(t) g(t) - Bước 5: Kiểm tra hàm hồi quy tổng thể f(t) từ kết thí nghiệm bổ sung mơ hình vật lý Các hàm hồi quy phi tuyến tác giả phân tích phần mềm thống kê SPSS (Statistical Package for the Social Sciences) Phần mềm SPSS hỗ trợ xử lý phân tích liệu sơ cấp - thông tin thu thập trực tiếp từ đối tượng nghiên cứu, thường sử dụng rộng rãi phân tích liệu nghiên cứu Tác giả sử dụng tính SPSS để phân tích gồm: xây dựng hàm hồi quy phi tuyến dạng đa thức, xây dựng hàm hồi quy phi tuyến dạng logistic xây dựng hàm tương quan hệ phương trình hồi quy phi tuyến [9] Bước 1: Với giá trị thực nghiệm Bảng kết thí nghiệm, tác giả xây dựng hàm hồi quy phi tuyến g1(t), g2(t) f(t) - Bước 2: Xây dựng mối tương quan hàm g1(t) f(t) có dạng hàm hồi quy phi tuyến logistic f’(t) Bước 3: Dựa mối tương quan trên, tác giả điều chỉnh xây dựng lại hàm hồi quy phi tuyến f(t) 46 C1 Kết phân tích dung trọng đất đắp thay đổi theo thời gian Bảng 3.3 Kết thí nghiệm dung trọng đất đắp (γ t) thay đổi theo thời gian (đơn vị: kN/m ) Thời gian (ngày) Điều kiện thực tế Điều kiện tăng áp - lực thấm Bước 1: Với giá trị thực nghiệm Bảng 3.3, tác giả xây dựng hàm hồi quy phi tuyến γt1 (hàm F1) γt2 (hàm F2) Hàm hồi quy F1: Hàm hồi quy F2: Bước 2: Xây dựng mối tương quan có dạng hàm hồi quy phi tuyến logistic 47 Bước 3: Dựa mối tương quan trên, tác giả điều chỉnh xây dựng lại hàm hồi quy phi tuyến γt (hàm F3) Kết thí nghiệm Bảng 3.3 biểu diễn Hình 3.19 Hình 3.19 Biểu đồ biểu diễn kết thay đổi dung trọng theo thời gian 48 C2 Kết phân tích lực dính thay đổi theo thời gian Bảng 3.4 Kết thí nghiệm lực dính đất đắp (Ct) thay đổi theo thời gian (đơn vị: kN/m ) Thời gian (ngày) Điều kiện thực tế Điều kiện tăng áp - lực thấm Bước 1: Với giá trị thực nghiệm Bảng 3.4, tác giả xây dựng hàm hồi quy phi tuyến Ct1 (hàm F1) Ct2 (hàm F2) Hàm hồi quy F1: Hàm hồi quy F2: Bước 2: Xây dựng mối tương quan có dạng hàm hồi quy phi tuyến logistic 49 Bước 3: Dựa mối tương quan trên, tác giả điều chỉnh xây dựng lại hàm hồi quy phi tuyến γt (hàm F3) Kết thí nghiệm Bảng 3.4 biểu diễn Hình 3.21 Hình 3.21 Biểu đồ biểu diễn kết thay đổi lực dính theo thời gian 50 C3 Kết phân tích góc ma sát thay đổi theo thời gian Bảng 3.5 Kết thí nghiệm góc ma sát đất đắp (φ t) thay đổi theo thời gian (đơn vị: độ) Thời gian (ngày) Điều kiện thực tế Điều kiện tăng áp - lực thấm Bước 1: Với giá trị thực nghiệm Bảng 3.4, tác giả xây dựng hàm hồi quy phi tuyến φt1 (hàm F1) φt2 (hàm F2) Hàm hồi quy F1: Hàm hồi quy F2: Bước 2: Xây dựng mối tương quan có dạng hàm hồi quy phi tuyến logistic 51 Bước 3: Dựa mối tương quan trên, tác giả điều chỉnh xây dựng lại hàm hồi quy phi tuyến γt (hàm F3) Kết thí nghiệm Bảng 3.5 biểu diễn Hình 3.22 Hình 3.22 Biểu đồ biểu diễn kết thay đổi góc ma sát theo thời gian 52 Từ kết phân tích thay đổi số tính chất lý theo thời gian, Hình 3.22 biểu diễn thay đổi sức chống cắt đất tương ứng với dung trọng đất đắp thay đổi theo hai giai đoạn (a) Biểu đồ biểu diễn kết thay đổi dung trọng theo thời gian (b) Biểu đồ biểu diễn kết thay đổi lực dính theo thời gian (c) Biểu đồ biểu diễn kết thay đổi góc ma sát theo thời gian Hình 3.1 Biểu đồ tương quan thay đổi dung trọng sức chống cắt đất đắp theo thời gian 53 Phụ lục D Kết thay đổi tác giả thể qua đường hồi quy khác (CT 3.1, CT 3.2, CT 3.3), đó: - Hàm hồi quy dung trọng thay đổi theo thời gian (CT 3.1):  - t −0, 0038t18,898 , với R = 0,7619 Hàm hồi quy lực dính thay đổi theo thời gian (CT 3.2): Ct = −1E-07t + 0, 0002t − 0, 0493t + 21,989 , với R = 0,9901 - Hàm hồi quy góc ma sát thay đổi theo thời gian (CT 3.3): t = −3E-06t + 0, 0006t − 0, 0497t +15, 209 , với R = 0,9321 Chỉ tiêu lý đất đắp (X) thời điểm t năm có khoảng dự báo là: (X Trong đó: - Phương sai hàm hồi quy dung trọng là: ˆ var(X) - Độ lệch chuẩn hàm hồi quy dung trọng là: - seXˆ var Xˆ Giá trị C (dò bảng phân phối Student) D1 Khoảng dự báo thay đổi tính chất lý theo thời gian vật liệu đắp đập Liên Trì (Hình 3.26) Với kết hàm hồi quy phi tuyến (3.1), (3.2), (3.3) khoảng dự báo thời điểm t = 37 năm là: Chỉ tiêu dung trọng đất đắp thời điểm t = 37 năm có khoảng dự báo là:       ( t 37)ˆ − C se ˆ ;ˆ C se ˆ  18, 26;19, 25   là: Chỉ tiêu lực dính đất đắp thời điểm t = 37 năm có khoảng dự báo (C t 37) Chỉ tiêu góc ma sát đất đắp thời điểm t = 37 năm có khoảng dự báo là:       ( t 37)ˆ − C se ˆ ;ˆ C se ˆ  9,952;18,128   54 D2 Khoảng dự báo thay đổi tính chất lý theo thời gian vật liệu đắp đập Hồ Hiểu (Hình 3.28) Với kết hàm hồi quy phi tuyến (3.1), (3.2), (3.3) khoảng dự báo thời điểm t = 39 năm là: Chỉ tiêu dung trọng đất đắp thời điểm t = 39 năm có khoảng dự báo là:       ( t 39)ˆ − C se ˆ ;ˆ C se ˆ  18, 26;19, 24   là: Chỉ tiêu lực dính đất đắp thời điểm t = 39 năm có khoảng dự báo (C t 39) Chỉ tiêu góc ma sát đất đắp thời điểm t = 39 năm có khoảng dự báo là:       ( t 39)ˆ − C se ˆ ;ˆ C se ˆ  9,952;18,128   D3 Khoảng dự báo thay đổi tính chất lý theo thời gian vật liệu đất đắp Đập Làng (Hình 3.30) Với kết hàm hồi quy phi tuyến (3.1), (3.2), (3.3) khoảng dự báo thời điểm t = 40 năm là: Chỉ tiêu dung trọng đất đắp thời điểm t = 40 năm có khoảng dự báo là:       ( t 40)ˆ − C se ˆ ;ˆ C se ˆ  18,33;19,16   là: Chỉ tiêu lực dính đất đắp thời điểm t = 40 năm có khoảng dự báo (C t 40) Chỉ tiêu góc ma sát đất đắp thời điểm t = 40 năm có khoảng dự báo là:      ( t 40)ˆ − C se ˆ ;ˆ C se ˆ  10, 728;17, 282    ... thị thay đổi tính chất lý đất đắp ảnh hưởng dòng thấm theo thời gian 49 2.6 Kết luận chương 51 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ LÝ ĐẤT ĐẮP DO ẢNH HƯỞNG DÒNG... ổn định cơng trình theo điều kiện xét đến ảnh hưởng dòng thấm theo thời gian Do vậy, đề tài luận án lựa chọn ? ?Nghiên cứu thay đổi tính chất lý đất đắp đập ảnh hưởng dòng thấm theo thời gian? ??,... nghiên cứu nước ảnh hưởng dòng thấm đến ổn định đập đất theo thời gian; Nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng thiết bị mơ thay đổi tính chất lý đất đắp tác động dòng thấm theo thời gian; Thí nghiệm nghiên