Bố cục của luận án nh− sau:
Ch−ơng 1: Tổng quan về đập đất và đất không bão hoà. Trình bày tình hình nghiên cứu các đặc tr−ng cơ lý đất không bão hoà trong n−ớc và trên thế giới.
Ch−ơng 2: Cơ sở lý thuyết. Ch−ơng này trình bày lý thuyết về lực hút dính và đ−ờng cong đặc tr−ng đất-n−ớc, lý thuyết cơ bản về hệ số thấm và c−ờng độ chống cắt của đất bão hòa-không bão hòa. Đ−a ra các ph−ơng pháp xác định hệ số thấm và c−ờng độ chống cắt của đất không bão hoà trực tiếp bằng thực nghiệm và gián tiếp thông qua đ−ờng cong đặc tr−ng đất-n−ớc.
Ch−ơng 3: Nghiên cứu thực nghiệm. Ch−ơng này giới thiệu thiết bị thí nghiệm và ph−ơng pháp thí nghiệm xác định các đặc tr−ng của đất không bão hòa: đ−ờng cong đặc tr−ng đất-n−ớc, c−ờng độ chống cắt của đất không bão hòa ứng với các lực hút dính khác nhau. Trình bày các kết quả đạt đ−ợc từ nghiên cứu thực nghiệm: kết quả thí nghiệm xác định SWCC, các thí nghiệm cắt trực tiếp và nén ba trục (CD, CW) xác định c−ờng độ chống cắt của đất không bão hòa ứng với các lực hút dính khác nhau. Tính toán xác định hệ số thấm và c−ờng độ chống cắt của đất không bão hòa gián tiếp qua đ−ờng cong SWCC. So sánh các kết quả đạt đ−ợc.
Ch−ơng 4: ứng dụng tính toán ổn định mái dốc cho công trình thực tế (công trình đập đất hồ chứa n−ớc Sông Sắt và công trình đập đất hồ chứa n−ớc Khe Cát) và mái dốc tự nhiên. Nhập các kết quả thí nghiệm vào phần mềm GeoStudio 2004 để tính toán thấm, tính toán ổn định mái dốc theo các ph−ơng án tính toán.
Kết luận và kiến nghị: Đánh giá các kết quả nghiên cứu. Kiến nghị các biện pháp và h−ớng phát triển của đề tài.
Chương 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 n−ớc rất phổ biến. Nó th−ờng có mặt ở các hệ thống đầu mối thủy lợi - thủy điện với chức năng tạo ra hồ chứa để điều tiết chế độ dòng chảy tự nhiên của sông suối phục vụ các mục đích khác nhau nh− phát điện, chống lũ, cấp n−ớc t−ới, v.v...
Tính phổ biến của đập đất là nhờ những −u điểm sau đây [1, 20, 21]:
- Dùng vật liệu tại chỗ, tiết kiệm đ−ợc các vật liệu quý nh− sắt, thép, xi măng. Công tác chuẩn bị tr−ớc khi xây dựng không tốn nhiều công sức nh− các loại đập khác.
- Cấu tạo đập đất đơn giản, giá thành hạ. - Bền và chống chấn động tốt.
- Dễ quản lý, tôn cao, đắp dầy thêm.
- Yêu cầu về nền không cao nên phạm vi sử dụng rộng rãi.
- Thế giới đã tích luỹ đ−ợc nhiều kinh nghiệm về thiết kế, thi công và quản lý đập.
Đập đất không cho phép n−ớc tràn qua, do vậy còn gọi là đập khô. Tr−ờng hợp cá biệt, ví dụ đập rất thấp ở miền núi, có thể cho n−ớc tràn qua khi tháo lũ, nh−ng phải có các bộ phận gia cố mặt tràn để chống xói lở, đồng thời mái dốc phải đủ thoải.
Chính vì vậy, trong đầu mối thủy lợi đi đôi với đập đất còn có công trình tháo n−ớc bằng bê tông với các hình thức khác nhau nh− tháo mặt (còn gọi là tràn mặt),
tháo d−ới sâu, tháo kết hợp (có cả tràn mặt và xả sâu, có thể là xả nhiều tầng) và xả đáy.
Đập đất có thể đ−ợc phân loại dựa vào cấu tạo thân đập nh− sau:
1) Đập đồng chất: Thân đập đ−ợc đắp bằng một loại đất (hình 1.1a)
2) Đập đất không đồng chất: Đập đ−ợc đắp bằng nhiều loại đất, gồm hai hình thức:
- Phần đập th−ợng l−u đắp bằng loại đất ít thấm n−ớc (hình 1.1b).
- Đập có phần giữa đắp bằng đá ít thấm n−ớc hoặc không thấm n−ớc (hình 1.1c).
3) Đập có t−ờng nghiêng mềm hoặc cứng (hình 1.1d và e)
Hình 1.1. Phân loại đập đất theo cấu tạo thân đập 4) Đập có t−ờng lõi mềm hoặc cứng (hình 1.1f và g) 4) Đập có t−ờng lõi mềm hoặc cứng (hình 1.1f và g)
5) Đập hỗn hợp: Phần thân đập th−ợng l−u đắp bằng một hoặc nhiều loại đất, phần thân đập hạ l−u là khối đá (hình 1.1h).
Khi đập xây dựng trên nền thấm, có thể dùng các hình thức t−ờng nghiêng, t−ờng lõi cắm xuống nền, hoặc t−ờng nghiêng và sân tr−ớc.
Tất cả các mái dốc nói chung đều có xu h−ớng giảm độ dốc đến một dạng ổn định hơn, cuối cùng chuyển sang nằm ngang và trong bối cảnh này, mất ổn định
đ−ợc quan niệm là khi có xu h−ớng di chuyển và phá hoại là khi khối đất đá thực sự di chuyển. Các lực gây mất ổn định liên quan chủ yếu với trọng lực và thấm trong khi sức chống phá hoại cơ bản là do hình dạng mái dốc kết hợp với bản thân độ bền chống cắt của đất và đá tạo nên, do đó khi tính toán ổn định của mái dốc cần phải xét đến đầy đủ các nội lực và ngoại lực [22]. Sự di chuyển của khối đất đá có thể xảy ra do phá hoại cắt dọc theo một mặt ở bên trong khối hay do ứng suất hiệu quả giữa các hạt giảm tạo nên sự hóa hỏng một phần hay toàn bộ.
Những sự cố tr−ợt 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 tr−ợt lở này th−ờng có nguồn gốc tàn tích và mực n−ớc ngầm ở sâu. Các lớp đất trên mặt có áp lực n−ớc lỗ rỗng âm, đóng vai trò quan trọng trong sự ổn định của mái dốc. Tuy nhiên, l−ợng m−a nhiều, liên tục có thể làm giảm áp lực lỗ rỗng âm của khối đất phía trên đ−ờng bão hòa, do đó c−ờng độ chống cắt giảm dẫn đến mái dốc mất ổn định.
Ph−ơng pháp th−ờng dùng nhất để phân tích sự ổn định của mái dốc trong đất dính là dựa trên việc xem xét cân bằng dẻo giới hạn. Về căn bản, điều kiện cân bằng dẻo giới hạn tồn tại từ thời điểm mà dịch chuyển tr−ợt cắt bắt đầu và biến dạng cứ tiếp diễn mà ứng suất không đổi.
Trong thực tế, khi mái dốc bị mất ổn định, mặt tr−ợt có thể có nhiều hình dạng khác nhau. Sự tr−ợt có thể xảy ra cục bộ hoặc phổ biến trên một chiều dài nhất định; mặt tr−ợt có dạng của mặt cầu (bài toán không gian 3 chiều) hoặc mặt trụ (bài toán phẳng 2 chiều). Để đơn giản tính toán mà thiên về an toàn, sự phân tích ổn định của mái dốc th−ờng đ−ợc xét nh− bài toán phẳng, mặt tr−ợt là mặt phẳng, mặt trụ hoặc mặt hỗn hợp (phẳng + trụ) (Hình 1.2) [22].
Dạng đơn giản nhất, do Cullmann đ−a ra vào năm 1866, là một mặt phẳng dài vô hạn đi qua chân mái dốc. Ph−ơng pháp này cho hệ số chảy an toàn nên đã đánh giá quá cao điều kiện ổn định thực. Khi lựa chọn mặt tr−ợt phức tạp hơn nh− mặt cong xoắn logarit hay có dạng không theo quy tắc có thể cho kết quả gần với giá trị
thực, nh−ng việc phân tích dài dòng và kém hấp dẫn. Việc dùng mặt trụ tròn xoay với mặt cắt ngang là cung tròn sẽ cho kết quả thỏa mãn độ chính xác mà không cần tính toán quá phức tạp. Hiện nay hầu hết các ph−ơng pháp đều giả thiết mặt tr−ợt có dạng mặt trụ tròn xoay. Tr−ờng hợp tồn tại lớp đá cứng d−ới nền hoặc lớp đất mềm yếu trong nền, mặt tr−ợt có dạng phức tạp.
Nói chung, các thông số c−ờng độ chống cắt hiệu quả (tức là c’ và ’) đ−ợc
dùng khi tiến hành phân tích ổn định mái dốc trên đất bão hòa. Thành phần c−ờng độ chống cắt do áp lực n−ớc lỗ rỗng âm phía trên mặt n−ớc ngầm th−ờng đ−ợc bỏ qua, bằng cách đặt độ lớn của chúng bằng không là do những khó khăn để đo đ−ợc áp lực n−ớc lỗ rỗng âm và cách đ−a nó vào phân tích ổn định mái dốc. Có thể chấp nhận giả thiết bỏ qua áp lực n−ớc lỗ rỗng âm đối với những tr−ờng hợp mà phần lớn mặt tr−ợt nằm d−ới mặt n−ớc ngầm. Tuy nhiên, trong những tr−ờng hợp mặt n−ớc ngầm sâu hay khi ng−ời ta quan tâm tới khả năng xuất hiện mặt phá hoại nông, thì không thể bỏ qua áp lực n−ớc lỗ rỗng âm đ−ợc [2, 8].
Hình 1.2. Các dạng mặt phá hoại: a) mặt phẳng; b) cung tròn; c) không theo quy tắc; d) hỗn hợp
Vậy, vấn đề mất ổn định trong vùng đất không bão hòa rất cần đ−ợc quan tâm nghiên cứu, các thông số đất không bão hòa nên đ−ợc đề cập đến trong phân tích ổn định mái đất.
1.2. tổng quan về môi trường đất bão hòa, không bão hoà
Một diện tích lớn mặt đất trên thế giới đ−ợc xếp là vùng khô hạn. L−ợng bốc hơi hàng năm từ mặt đất của các miền này lớn hơn l−ợng m−a hàng năm. Các vùng khô hạn và bán khô hạn th−ờng có mực n−ớc ngầm sâu. Đất nằm từ mặt n−ớc ngầm xuống d−ới mực n−ớc ngầm có áp lực n−ớc lỗ rỗng d−ơng và đ−ợc gọi là đất bão hòa. Đất không bão hòa nằm trên mực n−ớc ngầm có áp lực n−ớc lỗ rỗng âm. Đất mất bão hòa do bốc hơi và thoát-bốc hơi n−ớc quá lớn. Sự thay đổi khí hậu có ảnh h−ởng lớn đến độ ẩm của đất ở gần mặt đất. Khi bị ẩm, áp lực n−ớc lỗ rỗng tăng, có xu h−ớng về giá trị d−ơng. Kết quả làm thay đổi thể tích và c−ờng độ chống cắt của đất. Nhiều đất có tính tr−ơng nở lớn khi bị làm ẩm. Nhiều loại đất khác nhau cho thấy c−ờng độ chống cắt giảm nhiều khi bị làm ẩm. Các thay đổi về áp lực n−ớc lỗ rỗng âm do m−a lớn là nguyên nhân phá hoại nhiều mái dốc. Sự giảm sức chịu tải và môđun đàn hồi của đất cũng liên quan đến sự tăng áp lực n−ớc lỗ rỗng. Các hiện t−ợng này cho thấy vai trò quan trọng của áp lực n−ớc lỗ rỗng âm trong việc chi phối đặc tính cơ học của đất không bão hòa [2, 32, 35, 38].
Đất bão hòa và không bão hòa khác nhau cơ bản về bản chất và đặc tính kỹ thuật. Đất bão hòa là loại đất gồm hai pha (pha rắn và pha lỏng) và có áp lực n−ớc lỗ rỗng d−ơng. Đất không bão hoà là loại đất có nhiều hơn hai pha và có áp lực n−ớc 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 n−ớc và pha khí. Theo Fredlund và Morgensten (1977), khi phân tích ứng suất của môi tr−ờng liên tục nhiều pha, cần nhận thức pha trung gian khí - n−ớc ứng xử nh− một pha độc lập, khi đó đất không bão hoà là hệ bốn pha: pha rắn, pha khí, pha n−ớc và mặt ngoài căng hay mặt phân cách khí - n−ớc [2, 61]. Sơ đồ biểu thị mối quan hệ giữa thể tích - khối l−ợng của đất đ−ợc thể hiện ở hình 1.3.
Lực hút dính, đ−ờng cong đặc tr−ng đất-n−ớc, hệ số thấm và c−ờng độ chống cắt là các đặc tr−ng cơ bản của đất không bão hòa. C−ờng 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 (ua - uw), giá trị b [2, 8, 36, 37, 39].
Đ−ờng cong đặc tr−ng đất - n−ớc (SWCC) là thông số trung tâm của cơ học đất cho đất không bão hòa. Nó khống chế các đặc tính của đất không bão hoà nh− hệ số thấm, c−ờng độ chống cắt và biến thiên thể tích của đất. Đ−ờng cong đặc tr−ng đất - n−ớc và hệ số thấm là các thông số cần thiết đối với phân tích bài toán n−ớc m−a thấm vào trong mái dốc [2, 8, 36, 37, 39].
C−ờng độ chống cắt của đất đóng vai trò quan trọng trong tính toán ổn định khối đất. Nhiều bài toán địa kỹ thuật nh− sức chịu tải và ổn định mái dốc có liên quan đến c−ờng độ chống cắt của đất. Hàm thấm và ph−ơng trình c−ờng độ chống cắt cho phép phân tích chính xác các bài toán thấm không ổn định, thấm do m−a, ổn định mái dốc theo thời gian khi có sự thay đổi về độ ẩm, áp lực n−ớc lỗ rỗng, đ−ờng bão hòa trong môi tr−ờng đất [2, 8, 36, 37, 39].
Hình 1.3. Sơ đồ pha chính xác và đơn giản hoá của đất không bão hoà. a) Hệ đất không bão hoà bốn pha chính xác; b) Sơ đồ 3 pha đơn giản hoá
Khí hậu đóng vai trò quan trọng dù đất là bão hòa hay không bão hòa. N−ớc bị lấy đi khỏi đất hoặc do bốc hơi từ mặt đất hoặc do thoát – bốc hơi từ lớp phủ thực vật. Các quá trình này tạo nên một dòng n−ớc h−ớng lên, ra khỏi đất. Mặt khác, n−ớc m−a và các dạng n−ớc khác tạo dòng n−ớc h−ớng xuống đi vào trong đất.
Dòng h−ớng lên thực làm khối đất khô dần, nứt nẻ, trong khi dòng h−ớng xuống cuối cùng làm bão hòa khối đất. Cùng với các điều kiện khác, dòng mặt có thực ảnh h−ởng đến chiều sâu mực n−ớc ngầm. Một đ−ờng thủy tĩnh liên quan với mực n−ớc ngầm biểu thị một điều kiện cân bằng ở nơi không có dòng chảy tại mặt đất. Trong thời kỳ khô, áp lực n−ớc lỗ rỗng trở nên âm hơn so với áp lực n−ớc lỗ rỗng biểu thị bằng đ−ờng thủy tĩnh. Điều kiện ng−ợc lại xảy ra trong thời kỳ ẩm.
Fredlund và Rahardjo (1993) đã đ−a ra quá trình thay đổi áp lực n−ớc lỗ rỗng trong vùng đất nằm trên đ−ờng bão hòa khi có quá trình m−a và bốc hơi [2, 32, 35, 38, 69]. Quá trình đó đ−ợc biểu diễn bằng hình vẽ 1.4.
Dòng thấm ổn định Bốc hơi ở trạng thái ổn định Mặt đất Dòng thấm hướng xuống Tấm phủ Dòng chảy ổn định Cột nước trọng lực Mực nước y x z Mặt chuẩn (-) + qwy 2 1 3 qwy hướng lên (+) qwy Cân bằng tĩnh với mực nước ngầm (q = 0)wy ổn định - qwy (-) (+) 0
Hình 1.4. Mặt cắt phân bố áp lực lỗ rỗng trong vùng đất không bão hoà (Fredlund và Rahardjo, 1993)
Hình 1.4 biểu diễn quá trình thay đổi áp lực lỗ rỗng vùng đất nằm trên đ−ờng bão hoà khi có quá trình m−a và bốc hơi. Khi bề mặt đất đ−ợc che phủ kín, không có quá trình m−a và bốc hơi tác động thì áp lực lỗ rỗng có dạng đ−ờng thẳng giống nh− áp lực thuỷ tĩnh (đ−ờng 1). Khi vùng đất không có quá trình n−ớc m−a cung cấp từ trên xuống, th−ờng sẽ xuất hiện quá trình bốc hơi n−ớc từ trong đất đi ra, làm độ ẩm giảm (hay lực hút dính tăng lên) dẫn tới đ−ờng áp lực lỗ rỗng dịch chuyển về phía
trái (đ−ờng 2), c−ờng độ chống cắt tăng lên làm cho hệ số ổn định mái dốc tăng. Vùng thay đổi lớn nhất nằm ở vùng gần bề mặt đất. Thời gian bốc hơi càng dài thì đ−ờng áp lực lỗ rỗng càng dịch về bên trái, và dần dần mực n−ớc ngầm hạ thấp. Khi có m−a thì l−ợng n−ớc m−a sẽ thấm vào trong đất, làm cho đ−ờng áp lực lỗ rỗng dịch chuyển về bên phải (đ−ờng 3). Quá trình này sẽ làm cho vùng không bão hoà thu hẹp, c−ờng độ chống cắt giảm dẫn đến mất ổn định mái dốc.
Trong những năm gần đây, ng−ời ta đã hiểu rõ hơn về vai trò của áp lực n−ớc lỗ rỗng âm (hoặc lực hút dính) trong việc làm tăng c−ờng độ chống cắt của đất. Những phát triển gần đây đã đ−a ra một vài thiết bị có thể dùng đo áp lực n−ớc lỗ rỗng âm tốt hơn. Khi phân tích ổn định mái dốc cần xem xét các thành phần c−ờng độ chống cắt sinh ra do áp lực n−ớc lỗ rỗng âm. Loại phân tích này là sự mở rộng phân tích cân bằng giới hạn th−ờng dùng.
Một số khía cạnh trong nghiên cứu ổn định mái dốc vẫn giữ nguyên không đổi đối với đất có áp lực n−ớc lỗ rỗng d−ơng (đất bão hòa) và đất có áp lực n−ớc lỗ rỗng âm (đất không bão hòa) nh−: bản chất của khảo sát hiện tr−ờng, nhận dạng địa tầng và đo trọng l−ợng đơn vị tổng. Mặt khác, cần mở rộng các ph−ơng pháp thí nghiệm truyền thống để đặc tr−ng hóa các đặc tính c−ờng độ chống cắt của đất, cũng cần mở rộng công cụ giải tích dùng để đ−a áp lực n−ớc lỗ rỗng vào và tính hệ số an toàn [2, 8].