Nội dung chính của luận án giải quyết những vấn đề sau:
+ Nghiên cứu tổng quan về đập đất nói chung và các vấn đề về mất ổn định mái đất, môi tr−ờng đất bão hòa-không bão hòa, tình hình nghiên cứu và ứng dụng các đặc tr−ng cơ lý của đất không bão hòa trong n−ớc và trên thế giới.
+ Nghiên cứu đi sâu về lý thuyết và các ph−ơng pháp xác định các thông số của đất không bão hòa nh−: đ−ờng đặc tr−ng quan hệ đất - n−ớc, hệ số thấm và c−ờng độ chống cắt.
+ Thông qua những kết quả nghiên cứu thu đ−ợc, đề xuất qui trình thí nghiệm ba trục đất không bão hòa, đặc biệt trên thiết bị ba trục cải tiến, phù hợp với đất Việt Nam.
+ Nghiên cứu thực nghiệm xác định đ−ờng cong đặc tr−ng đất - n−ớc của các loại đất đắp khác nhau dùng trong công trình thực tế và c−ờng độ chống cắt của đất ứng với các lực hút dính khác nhau, xác định đ−ờng quan hệ giữa c−ờng độ chống cắt t và lực hút dính (ua-uw).
+ Nghiên cứu quan hệ giữa SWCC với c−ờng độ chống cắt và hệ số thấm của đất không bão hòa, tính toán xác định hệ số thấm của đất trong môi tr−ờng bão hoà - không bão hoà.
+ Đề xuất ph−ơng trình thực nghiệm biểu diễn đ−ờng cong đặc tr−ng đất- n−ớc và quan hệ giữa c−ờng độ chống cắt với lực hút dính của các mẫu đất dùng trong nghiên cứu phù hợp với một số loại đất của Việt Nam.
+ So sánh, đối chiếu kết quả tính toán từ các ph−ơng trình đề xuất với kết quả thực nghiệm. Từ kết quả thu đ−ợc kiến nghị về khả năng ứng dụng của các ph−ơng trình đề xuất trong tính toán hệ số thấm và c−ờng độ chống cắt của đất không bão hòa tại Việt Nam.
+ ứng dụng kết quả nghiên cứu phân tích, đánh giá trạng thái ổn định của công trình thực tế (đập đất hồ chứa n−ớc Khe Cát và đập đất hồ chứa n−ớc Sông Sắt) và mái dốc tự nhiên ở Yên Bái.
v. PHƯƠNG PHáP NGHIÊN CứU
Các ph−ơng pháp đ−ợc áp dụng trong luận án:
+ Ph−ơng pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu lý thuyết về đ−ờng đặc tr−ng quan hệ đất - n−ớc, c−ờng độ chống cắt của đất không bão hòa và hệ số thấm trong môi tr−ờng đất bão hòa - không bão hòa.
+ Ph−ơng pháp phần tử hữu hạn: mô phỏng và phân tích bài toán thấm cho đập đất trong môi tr−ờng bão hòa, không bão hòa.
+ Ph−ơng pháp phân tích ổn định mái dốc: tính toán ổn định mái dốc của đập đất khi xét thông số đất trong điều kiện bão hòa, không bão hòa.
+ Ph−ơng pháp thực nghiệm: thí nghiệm xác định các chỉ tiêu tính chất của đất không bão hòa; thí nghiệm xác lập đ−ờng cong đặc tr−ng quan hệ đất-n−ớc của đất thí nghiệm; thí nghiệm xác định quan hệ giữa c−ờng độ chống cắt của đất không bão hòa với các lực hút dính khác nhau.
VI. ý NGHĩA KHOA HọC Và THựC TIễN CủA LUậN áN
Đề tài đ−ợc nghiên cứu sẽ đóng góp các hiểu biết có cơ sở khoa học hơn về các thông số của đất không bão hòa và ảnh h−ởng của chúng đến trạng thái ổn định của mái đất. Nghiên cứu các kết quả thực nghiệm trên một số loại đất Việt Nam về đ−ờng cong đặc tr−ng đất - n−ớc, c−ờng độ chống cắt và hệ số thấm theo lực hút dính, đề xuất các ph−ơng trình thực nghiệm cho phép tính toán đ−ợc các dạng đ−ờng quan hệ phù hợp với các kết quả thí nghiệm trên một số loại đất Việt Nam. Từ các
kết quả rút ra trong nghiên cứu thực nghiệm, đề tài sẽ ứng dụng nghiên cứu trạng thái ổn định của đập đất để chỉ ra đ−ợc mức độ ảnh h−ởng của c−ờng độ chống cắt của đất không bão hòa đến hệ số ổn định mái đất.
Luận án đóng góp việc ứng dụng ph−ơng trình thực nghiệm trong mô phỏng các đặc tính đất không bão hòa tại Việt Nam, xem xét ảnh h−ởng của các thông số đất không bão hòa trong tính toán và thiết kế đập đất nhằm chọn đ−ợc kích th−ớc mặt cắt hợp lý đập bảo đảm tính khoa học và tính kinh tế, đóng góp trong việc ứng dụng một tiến bộ khoa học trong thực tế xây dựng công trình thủy lợi ở Việt Nam.
VIi. NhữNG ĐóNG GóP MớI CủA LUậN áN
Luận án đã có những đóng góp về khoa học và thực tiễn cho Việt Nam nh− sau:
(1)Thiết bị nén 3 trục cho đất không bão hòa đ−ợc cải tiến từ thiết bị thí nghiệm
nén 3 trục của đất bão hòa tại phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật – tr−ờng Đại học Thủy lợi dựa trên nguyên lý đề xuất của Fredlund and Rahardjo 1993.
(2) Xây dựng đ−ợc đ−ờng quan hệ cho tính toán các đ−ờng cong đặc tr−ng đất -
n−ớc, hệ số thấm và c−ờng độ chống cắt cho một số loại đất ở Việt Nam. Xây dựng
đ−ợc biểu đồ hệ số hiệu chỉnh theo chỉ số dẻo Ip cho các loại đất (từ sét pha nhẹ,
sét pha, sét pha nặng đến sét) ở n−ớc ta. Kết quả nghiên cứu c−ờng độ chống cắt cho
thấy các thông số c−ờng độ chống cắt (’, c’ và b) của cùng loại đất theo các sơ đồ
cắt khác nhau (cắt trực tiếp, cắt cố kết thoát n−ớc và cắt với độ ẩm không đổi) cho giá trị t−ơng đối gần nhau, kiến nghị trong điều kiện không có thiết bị thí nghiệm nén ba trục cho đất không bão hòa thì có thể dùng thiết bị cắt phẳng để thí nghiệm xác định sơ bộ các thông số c−ờng độ chống cắt của đất không bão hòa.
(3) Khi lực hút dính thay đổi thì lực dính c thay đổi, nh−ng ’ hầu nh− không đổi
cho một số loại đất của Việt Nam. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(4) Thí nghiệm đ−ợc bộ thông số đặc tr−ng cho một số loại đất ở Việt Nam cũng nh− minh chứng đ−ợc ảnh h−ởng của đặc tính không bão hòa đối với ổn định mái cho đất của n−ớc ta. Đề xuất ph−ơng pháp ứng dụng các thông số đặc tr−ng đất
không bão hòa trong tính toán ổn định mái dốc đảm bảo an toàn và kinh tế cho đất của Việt Nam.
VIiI. Bố CụC CủA LUậN áN
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) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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