L ời cám ơn
6. Bốc ục của luận án
2.2.1. Thí nghiệm nén ba trục
2.2.1.1. Giới thiệu
Thí nghiệm nén ba trục (Triaxial compression test - TCT) là phương pháp kiểm tra cường độ chống cắt của đất được sử dụng phổ biến trong cơ học đất. Thí nghiệm có thểđược thực hiện cho nhiều sơ đồkhác nhau, phù hợp với các điều kiện làm việc thực tế của đất đắp (đất nền) dưới tải trọng tác động. Việc lựa chọn sơ đồthí nghiệm phụ thuộc các điều kiện chất tải, thoát nước và phương pháp phân tích nền móng. Thí nghiệm TCT có thể tham khảo tiêu chuẩn ASTM D2850 [31], BS 1377 [37], TCVN 8868:2011 [26].
Một sốưu điểm của thí nghiệm TCT:
- Có khả năng tái tạo, mô phỏng trạng thái ban đầu cho mẫu như ởđiều kiện tựnhiên, cũng như các điều kiện làm việc, lộtrình ứng suất khác nhau.
- Có thể kiểm soát hoàn toàn quá trình thoát nước hoặc không thoát nước. Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với sức chống cắt của đất loại sét.
- Sựthay đổi thểtích mẫu có thểđo được chính xác trong thí nghiệm ba trục. - Mặt trượt của đất không được qui định trước, do đó sựphá hoại của mẫu đất và ứng xử của đất gần với thực tếhơn.
2.2.1.2. Cơ sởlý thuyết của thí nghiệm TCT tiêu chuẩn
Áp lực từ mọi hướng tác dụng lên mẫu trong quá trình thí nghiệm áp lực buồng được giữkhông đổi. Sau đó, áp lực dọc trục được tăng lên dần, hình thành ứng suất lệch P/A. Sự nén đất đồng thời với sự phát triển biến dạng dọc trục và biến dạng ngang của mẫu đất. Đểđo được các thay đổi về thểtích, mẫu đất thí nghiệm phải bão hòa cưỡng bức và thể tích đo bằng lượng thoát nước ra ở mẫu.
Hình 2.1. Sơ đồ quá trình thí nghiệm TCT tiêu chuẩn
2.2.1.3. Cơ sở lý thuyết của thí nghiệm TCT có xét đến ảnh hưởng dòng thấm theo thời gian
Các nghiên cứu thực nghiệm xét đến ảnh hưởng dòng thấm theo thời gian để hiểu rõ hơn cơ chế xảy ra và diễn biến của xói trong đã được thực hiện trong nhiều thập kỷ qua. Fannin và cộng cự (2018) đã chia các thí nghiệm trong phòng xét đến ảnh hưởng dòng thấm theo thời gian thành ba giai đoạn [45]:
- Giai đoạn 1: Tính nhạy xói của vật liệu với hiện tượng xói trong do ảnh hưởng dòng thấm được thí nghiệm bằng thiết bị“Rigid wall permeameter“đơn giản với dòng thấm được kiểm soát. Độ nhạy xói của đất được xác định dựa trên quá trình hạt cốt liệu bị tách rời, cuốn trôi và phân bốđường cong phân bố thành phần hạt sau thí nghiệm, các thông số không xét đến gồm: dòng thấm ra, áp lực nước lỗ rỗng và biến dạng của mẫu chế bị.
Hình 2.2. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm xói trong của Kenney và Lau (1985) [57] Lắp đặt Bão hòa mẫu Tạo áp lực
buồng
Tạo áp lực dọc trục
Xác định kết quả thí nghiệm
Trên cơ sở lý thuyết này, Sherman (1953) [76], Kenney và Lau (1985) [57] đã thực hiện thí nghiệm xói trong trên đất hạt thô với dòng thấm đi từ trên xuống, trên hai kính thước mẫulà 245x450mm và 580x860mm (Hình 2.2).
- Giai đoạn 2: Thí nghiệm xói ở giai đoạn này được thực hiện bằng thiết bị “Rigid wall permeameter“ với hệ thống kiểm soát dòng thấm cải tiến. Độ nhạy xói của đất được xác địnhdựa trên khối lượng vật liệu xói tích lũy, lưu lượng dòng thấm nhằm xác định hệ số thấm và phân bố đường cong thành phần hạt sau thí nghiệm. Trong một vài thí nghiệm, giá trị áp lực nước lỗ rỗng được kiểm soát bởi các ống nước đứng. Hầu hết các thí nghiệm đều không áp dụng tải trọng dọc trụclênmẫu chế bị. Trên cơ sở lý thuyết này, Rochim và cộng sự (2017) [75] đã thực hiện một vài thí nghiệm với dòng thấm từ trên xuống (Hình 2.3).
Hình 2.3. Mô hình thí nghiệm của Rochim và cộng sự (2017) [75]
- Giai đoạn 3: Thiết bịthí nghiệm ởgiai đoạn này được cải tiến từ thiết bịnén ba trục, cho phép kiểm soát ứng suất hữu hiệu tác dụng lên mẫu chế bị. Thiết bị bao gồm hệ thống kiểm soát dòng thấm kết hợp hệ thống gia tải dọc trục. Thông qua hệ thống thiết bị đo lường trên thiết bị sẽxác định tính nhạy xói của vật liệu, gradient thủy lực của dòng chảy và trạng thái ứng suất giới hạn gây xói. Trên cơ sở này, Bendahmane và cộng sự (2008) [32], Marot và cộng sự (2009) [66], Nguyen và cộng sự (2019) [70] đã xây dựng thiết bị để kiểm tra ảnh hưởng một số thông số như gradient thủy lực, hàm lượng hạt mịn ban đầu,… đến cơ chế xói. Chang và Zhang (2011) [40] cũng đã phát triển một thiết bị kiểm soátứng suất gây xói có thểáp dụng với các đường ứng suất hiệu quảkhác nhau trong quá trình xói và sau xói(Hình 2.4).
Một thiết bịtương tựđược Lin Ke và Akihiro Takahashi (2014) [62] xây dựng nhằm xác định đặc điểm của hiện tượng xói ngầm và tác động cơ học đối với đất bão hòa với các thành phần hạt mịn ban đầu ởcác trạng thái ứng suất khác nhau (Hình 1.11).
Hình 2.4. Mô hình thí nghiệm của Chang and Zhang (2011) [40]
Trong trường hợp chỉ xảy ra hiện tượng xói của các hạt sét, nếu sử dụng phương pháp cân hoặc quan sát bằng mắt sẽ không nhận dạng chính xác được hiện tượng xói. Để dễ dàng nhận biết hiện tượng này, Nguyen và cộng sự (2019) [70] đã đặt mộtcảm biến quang học đa kênhởcuối đường ống thoát nước cho phép xác định nồng độ hạt sét (tỷ lệ khối lượng giữa các hạt bị xóivà cuốn trôi với khối lượng nước) có trong dung dịch chất lỏng thoát ra từ mẫu thí nghiệm(Hình 2.5).
Hình 2.5. Mô hình thí nghiệm của Nguyen và cộng sự (2019) [70]
Trong việc giải quyết các bài toán ổn định đập đất hiện nay ở Việt Nam, đã sử dụng các thí nghiệm hiện đại đểxác định các đặc trưngcơ lýđất nền và đã đạt được một số kết quả nhất định. Tuy nhiên, trong trường hợp xét đến ảnh hưởng dòng thấm qua đập theo thời gian thì kết quả thí nghiệm này đều không mô tả chính xác đặc trưng quan hệ ứng suất biến dạng của vật liệu đắp đập. Do đó, để thực nghiệm xác
định sựthay đổi tính chất cơ lý đất đắp đập do ảnh hưởng dòng thấm đềtài thiết lập thiết bị mô phỏng sựthay đổi đặc trưng quan hệứng suất biến dạng của vật liệu đắp đập vàcó xétđến ảnh hưởng dòng thấm theo thời gian khai thác hồ chứa.
Hình 2.6. Sơ đồ quá trình thí nghiệm TCT xét ảnh hưởng dòng thấm theo thời gian Ưu điểm của thí nghiệm TCT cóxét ảnh hưởng dòng thấm theo thời gian: - Mô tả được chính xác trạng thái của đất đắp trong thân đập là vừa chịu ảnh hưởng ứng suất thẳng đứng và ứng suất ngang của khối đất đắp, mực nước trong hồ chứa, đồng thời chịu ảnh hưởng áp lực thấm theo thời gian khai thác hồ chứa.
- Gắn đồng hồđo áp lực buồng, áp lực thấm có độchính xác cao, áp lực được duy trì ởgiá trịkhông đổi theo giá trịtính toán.
Sơ đồthí nghiệm được lựa chọn sẽlà thí nghiệm trên mẫu chế bịđược bão hòa cưỡng bức, đồng thời nén với tải trọng không đổi đến biến dạng dọc không đổi và thoát nước tựnhiên.