Ch−ơng 2 Cơ sở lý thuyết đất không bão hòa
4.6. Phân tích kết quả tính toán ổn định mái đất công trình thực tế
tế
4.6.1. Phân tích kết quả tính toán công trình Sông Sắt
Kết quả tính toán ổn định mái dốc theo 3 ph−ơng pháp cho trong bảng 4.4 và
hình 4.10. Từ kết quả trên hình 4.10 ta thấy ph−ơng pháp coi b = 1/2 ’cho hệ số
an toàn là Fs = 1,307, nh− vậy cao hơn so với ph−ơng pháp không xét đến b 9,37%
Bảng 4.4. Kết quả tính toán ổn định mái dốc theo 3 ph−ơng pháp
TT Ph−ơng pháp Fs
1 Ph−ơng pháp giả thiết không xét đến b 1,195
2 Ph−ơng pháp giả thiết b = 1/2 ’ 1,307
3
Ph−ơng pháp lực dính toàn phần với hệ số hiệu chỉnh của Fredlund & Vanapalli (2001) trong công thức (2.17) và SWCC
của Fredlund & Xing (công thức 2.10). 1,412
4 Ph−ơng pháp lực dính toàn phần với hệ số hiệu chỉnh của tác
giả trong công thức (2.17) và theo SWCC của tác giả 1,478
1,15 1,21 1,27 1,33 1,39 1,45 1,51 PP 1 PP 2 PP 3 PP 3 Ph−ơng án F s
Hình 4.10. So sánh kết quả tính toán hệ số ổn định mái dốc theo 3 ph−ơng pháp không xét b b = 2 1 ’ c toàn phần theo F - V c toàn phần theo tác giả
Ph−ơng án c toàn phần cho hệ số an toàn cao nhất (Fs = 1,412), tăng 18,16% so với tr−ờng hợp không xét giá trị góc b. Khi tính toán b theo nghiên cứu của tác giả, ta đ−ợc hệ số an toàn cao hơn khoảng 4,67% so với kết quả tính toán theo
nghiên cứu của Fredlund và Vanapalli (Fs = 1,478). Kết quả phân tích cho thấy trong
môi tr−ờng đất không bão hòa, lực hút dính tăng làm tăng lực dính toàn phần của đất và c−ờng độ chống cắt của đất tăng lên, điều này dẫn đến khối đất càng ổn định, tức hệ số an toàn ổn định của khối đất tăng.
4.6.2. Phân tích kết quả tính toán công trình Khe Cát
Kết quả tính toán ổn định mái dốc theo 3 ph−ơng pháp đ−ợc biểu diễn trong bảng 4.5 và hình 4.11.
Bảng 4.5. Kết quả tính toán ổn định mái dốc theo 3 ph−ơng pháp
TT Ph−ơng pháp Fs
1 Ph−ơng pháp giả thiết không xét đến b 2,573
2 Ph−ơng pháp giả thiết b = 1/2 ’ 2,705
3
Ph−ơng pháp lực dính toàn phần với hệ số hiệu chỉnh của Fredlund & Vanapalli (2001) trong công thức (2.17) và SWCC
của Fredlund & Xing (công thức 2.10). 2,781
4 Ph−ơng pháp lực dính toàn phần với hệ số hiệu chỉnh của tác
giả trong công thức (2.17) và theo SWCC của tác giả 2,794
Phân tích ổn định mái dốc cho công trình đập đất Khe Cát theo ba ph−ơng pháp cho kết quả là: ph−ơng pháp coi b = 1/2 ’cho hệ số an toàn ổn định tăng 5,13% so với tr−ờng hợp không xét đến b trong khi ph−ơng pháp “lực dính toàn phần” cho hệ số an toàn ổn định tăng 8,08% (Fs = 2,781). Tính toán ổn định theo
nghiên cứu của tác giả cho Fs cao hơn 0,47% so với kết quả tính toán theo nghiên
2,54 2,59 2,63 2,68 2,72 2,77 2,81 PP 1 PP 2 PP 3 PP 3 Ph−ơng án F s
Hình 4.11. So sánh kết quả tính toán hệ số ổn định mái dốc theo 3 ph−ơng pháp
4.6.3. Phân tích kết quả tính toán mái dốc tự nhiên ở Yên Bái
Kết quả tính toán ổn định mái dốc theo 3 ph−ơng pháp đ−ợc biểu diễn trong bảng 4.6 và hình 4.12. Phân tích ổn định mái dốc theo ba ph−ơng pháp cho kết quả
là: ph−ơng pháp coi b = 1/2 ’cho hệ số an toàn ổn định tăng 22,79% so với tr−ờng
hợp không xét đến b trong khi ph−ơng pháp “lực dính toàn phần” cho hệ số an toàn
ổn định tăng 23,58% (Fs = 1,258). Tính toán ổn định theo nghiên cứu của tác giả cho Fs cao hơn 2,07% so với kết quả tính toán theo nghiên cứu của Fredlund và Vanapalli (Fs = 1,284). không xét b b = 2 1 ’ c toàn phần theo F - V c toàn phần theo tác giả
Bảng 4.6. Kết quả tính toán ổn định mái dốc theo 3 ph−ơng pháp
TT Ph−ơng pháp Fs
1 Ph−ơng pháp giả thiết không xét đến b 1,018
2 Ph−ơng pháp giả thiết b = 1/2 ’ 1,250
3
Ph−ơng pháp lực dính toàn phần với hệ số hiệu chỉnh của Fredlund & Vanapalli (2001) trong công thức (2.17)
và SWCC của Fredlund & Xing (công thức 2.10). 1,258
4
Ph−ơng pháp lực dính toàn phần với hệ số hiệu chỉnh của tác giả trong công thức (2.17) và theo SWCC của tác
giả 1,284 0,98 1,03 1,09 1,14 1,19 1,25 1,30 PP 1 PP 2 PP 3 PP 3 Ph−ơng án F s 8
Hình 4.12. So sánh kết quả tính toán hệ số ổn định mái dốc theo 3 ph−ơng pháp không xét b b = 2 1 ’ c toàn phần theo F - V c toàn phần theo tác giả
4.7. kết luận chương 4
ứng dụng các thông số đặc tr−ng c−ờng độ chống cắt của đất không bão hòa thu đ−ợc từ nghiên cứu thực nghiệm vào tính toán ổn định đập đất hồ chứa n−ớc Khe Cát (tỉnh Quảng Ninh), đập đất hồ chứa n−ớc Sông Sắt (tỉnh Ninh Thuận) và mái dốc
tự nhiên (tỉnh Yên Bái) theo 3 ph−ơng pháp (ph−ơng pháp giả thiết không xét tới b,
ph−ơng pháp coi b = 1/2 ’ và ph−ơng pháp “lực dính toàn phần”) với mục đích xét
ảnh h−ởng của c−ờng độ chống cắt đất không bão hòa đến ổn định đập đất. Kết quả phân tích cho thấy trong khối đất không bão hòa, c−ờng độ chống cắt tăng theo lực hút dính do lực dính trong đất tăng làm tăng tính ổn định của khối đất, dẫn đến làm tăng hệ số an toàn ổn định. Khi càng xét chính xác sự biến thiên lực dính toàn phần theo lực hút dính thì hệ số an toàn ổn định mái đất càng tăng.
Sử dụng đ−ờng quan hệ tính toán các thông số SWCC, hệ số thấm và c−ờng độ chống cắt do tác giả xây dựng để tính toán các thông số đặc tr−ng đất không bão hòa. ứng dụng các thông số đó tính toán ổn định đập đất theo ph−ơng pháp “lực dính toàn phần” bằng phần mềm GeoStudio 2004. Kết quả tính toán cho thấy hệ số ổn định mái dốc tăng 4,67% (công trình Sông Sắt), 0,47% (công trình Khe Cát) và 2,07% (mái dốc tự nhiên ở Yên Bái) so với hệ số ổn định mái dốc theo ph−ơng pháp “lực dính toàn phần” với các thông số đặc tr−ng đất không bão hòa tính toán theo quan hệ của các tác giả trên thế giới.
Căn cứ vào điều kiện địa hình, địa chất và điều kiện thủy văn của từng vùng, tác giả đề xuất ứng dụng các thông số đất không bão hòa trong thiết kế các công trình nằm ở các khu vực có l−ợng m−a hàng năm không lớn nhằm làm giảm kích th−ớc công trình một cách hợp lý và an toàn dẫn đến giảm chi phí xây dựng, với các công trình xây dựng nằm trong khu vực khan hiếm vật liệu địa ph−ơng thì việc ứng dụng đó góp phần làm giảm khối l−ợng đất đắp.
Kết luận và kiến nghị
I. KếT LUậN
Với mục đích nghiên cứu các thông số đặc tr−ng đất không bão hòa cho một số loại đất tại Việt Nam và phân tích ảnh h−ởng của thông số c−ờng độ chống cắt đất không bão hòa đến trạng thái ổn định của đập đất, tác giả tiến hành nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm trên các thiết bị thí nghiệm tiên tiến, xây dựng qui trình thí nghiệm phù hợp với điều kiện trang thiết bị có sẵn, cải tiến các thiết bị hiện có để đảm bảo thí nghiệm theo đúng qui trình, ứng dụng và phát triển các lý thuyết đã có để mô phỏng chính xác hơn dẫy số liệu thí nghiệm trong nghiên cứu, ứng dụng phần mềm GeoStudio 2004 tính toán thấm, phân tích ổn định mái đập đất.
Kết quả đạt đ−ợc của luận án có thể tóm tắt nh− sau:
1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về môi tr−ờng đất bão hòa-không bão hoà, các thông số đặc tr−ng đất không bão hòa nh−: lực hút dính, đ−ờng cong đặc tr−ng đất - n−ớc, hệ số thấm, c−ờng độ chống cắt. Phân tích và đánh giá tình hình nghiên cứu các thông số đặc tr−ng đất không bão hòa trên thế giới, làm rõ tính cấp thiết của việc nghiên cứu xác định và ứng dụng các thông số đất không bão hòa trong quá trình thiết kế và thi công các công trình đất tại Việt Nam.
2. Tác giả luận án đã cải tiến thiết bị nén 3 trục cho đất không bão hòa 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 để phục vụ cho nghiên cứu. Bộ phận đ−ợc cải tiến là đế d−ới của buồng ba trục và hệ thống dẫn khí trên đỉnh mẫu. Đóng góp này nói lên rằng nhiều phòng thí nghiệm trên toàn quốc có trang thiết bị hiện đại hoàn toàn có thể cải tiến, thay đổi một cách hợp lý nhất để có trang thiết bị và qui trình phù hợp với thí nghiệm xác định các đặc tr−ng của đất không bão hòa cho nhiều đối t−ợng với các mục đích khác nhau.
3. Thí nghiệm xác định c−ờng độ chống cắt đất không bão hòa theo các sơ đồ cắt khác nhau cho kết quả là: khi mẫu đất chuyển từ trạng thái bão hòa sang trạng
thái không bão hòa, lực hút dính trong mẫu tăng, góc ma sát trong ’ gần nh− không
thay đổi nh−ng lực dính của mẫu tăng lên. Góc b = ’ khi lực hút dính nhỏ hơn giá
trị khí vào tới hạn. Góc b bắt đầu giảm nhiều tại các giá trị lực hút dính lớn hơn giá trị khí vào tới hạn. Đ−ờng bao c−ờng độ chống cắt ứng với lực hút dính có tính phi tuyến. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng cho các mẫu đất không bão hòa là
mặt cong theo trục lực hút dính. 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 các thông số chống cắt của đất không bão hòa theo qui trình nêu trong luận án.
4. Xây dựng đ−ợc đ−ờng quan hệ tính toán các thông số SWCC, hệ số thấm và c−ờng độ chống cắt cho một số loại đất ở Việt Nam, khi dùng các quan hệ của các n−ớc trên thế giới không phù hợp. 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.
5. 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. Kết quả nghiên cứu cho thấy c−ờng độ chống cắt của đất không bão hòa ảnh h−ởng đáng kể đến trạng thái ổn định của đập đất. Khi đất càng không bão hòa với lực hút dính càng tăng thì hệ số thấm của đất giảm, c−ờng độ chống cắt của đất tăng dẫn đến tăng hệ số an toàn ổn định của khối đất. Điều này có ý nghĩa rằng qui trình thí nghiệm trên thiết bị thí nghiệm ba trục cải tiến và thiết bị cắt phẳng trong điều kiện Việt Nam hoàn toàn có thể xác định đ−ợc các thông số đặc tr−ng c−ờng độ chống cắt của đất cho thiết kế đập đất dựa trên tính toán theo mô hình đất bão hòa-không bão hòa.
6. 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. Thiết kế đập đất dựa theo tính toán ổn định mái dốc bằng mô hình đất bão hòa-
không bão hòa với các thông số vật liệu đ−ợc xác định bằng thí nghiệm đất bão hòa và không bão hòa cho phép giảm độ dốc mái dẫn đến giảm khối l−ợng đất đắp mà không làm giảm độ tin cậy, đó là cơ sở nâng cao chất l−ợng công trình và giảm chi phí đầu t−. Đề xuất này có ý nghĩa để mở rộng phạm vi lựa chọn các giải pháp tính toán thiết kế công trình đất nhằm mục đích thiết kế công trình có kích th−ớc hợp lý, an toàn và kinh tế. Với tính chất khí hậu Việt Nam, tác giả đề xuất các điều kiện áp dụng của ph−ơng pháp tính là: khu vực xây dựng có l−ợng m−a hàng năm không lớn, khu vực xây dựng công trình khan hiếm vật liệu địa ph−ơng, mái đập không đ−ợc thiết kế quá dốc để đảm bảo an toàn cho đập khi m−a nhiều.
II. Tồn tại và KIếN NGHị
1. Kết quả nghiên cứu chỉ tập trung cho 9 loại đất tại ba khu vực của Việt Nam là khu vực miền Đông Bắc, miền Tây Bắc và khu vực miền Trung. Để có đ−ợc những kết luận tổng quát nhất ứng dụng vào thực tế mọi công trình thì cần tiến hành trên nhiều công trình với nhiều loại đất khác nhau.
2. Các thí nghiệm trong luận án đ−ợc thực hiện để kiểm chứng và đề xuất hiệu chỉnh các mô hình lý thuyết đất bão hòa-không bão hòa của các tác giả trên thế giới. Để lập ra các mô hình lý thuyết hoàn toàn theo bài toán thống kê cần tăng số l−ợng mẫu thí nghiệm.
3. Việc ứng dụng các kết quả nghiên cứu thực nghiệm vào tính toán ổn định mái dốc đập đất dựa vào phần mềm GeoStudio2004 có sẵn. Phần mềm Địa kỹ thuật này mới chỉ cho phép nhập các thông số c−ờng độ chống cắt của đất không bão hòa
thay đổi tuyến tính theo lực hút dính với b bằng hằng số. Trên thực tế, mặt bao phá
hoại Mohr-Coulomb mở rộng cho các mẫu đất không bão hòa là mặt cong theo trục
lực hút dính, đ−ờng bao c−ờng độ chống cắt theo lực hút dính có tính phi tuyến (b
không là hằng số), để tăng tính chính xác và tiện lợi hơn khi sử dụng phần mềm cần nghiên cứu lập trình thêm một phần mềm nhỏ để có thể kết hợp với phần mềm GeoStudio2004 đ−a tự động các thông số của đất không bão hòa vào tính toán ổn định mái dốc.
danh mục công trình khoa học đã công bố
1. Nguyễn Thị Ngọc H−ơng, Trịnh Minh Thụ (2013), “Xác định cường độ chống cắt
của đất không bão hòa bằng thí nghiệm nén ba trục cải tiến với độ ẩm không đổi”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi tr−ờng, tr−ờng Đại học Thủy lợi, số 40, trang 87–93.
2. Nguyễn Thị Ngọc H−ơng, Trịnh Minh Thụ (2013), “Xác định cường độ chống cắt
của đất không bão hòa bằng thí nghiệm cắt trực tiếp”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi tr−ờng, tr−ờng Đại học Thủy lợi, số 42, trang 94–99.
3. Nguyễn Thị Ngọc H−ơng, Trịnh Minh Thụ (2013), “Xác định cường độ chống cắt
của đất không bão hòa bằng thí nghiệm nén cố kết thoát nước”, Tạp chí Địa kỹ thuật, năm thứ 17, số 3 năm 2013, trang 3-9, Viện Địa kỹ thuật – VGI (Liên hiệp các Hội KH&KT Việt Nam), Hà Nội.
4. Lã Thị Bích Hằng, Trịnh Minh Thụ, Nguyễn Thị Ngọc H−ơng (2010), “Nghiên
cứu đặc trưng cường độ chống cắt của đất không bão hòa”, Tạp chí Địa kỹ thuật, năm thứ 14, số 2 năm 2010, trang 34-42, Viện Địa kỹ thuật – VGI (Liên hiệp các Hội KH&KT Việt Nam), Hà Nội.
5. Nguyễn Hồng Nhung, Trịnh Minh Thụ, Nguyễn Thị Ngọc H−ơng (2010), “ảnh
hưởng của cường độ chống cắt của đất không bão hòa đến ổn định mái dốc”, Tạp chí Địa kỹ thuật, năm thứ 14, số 2 năm 2010, trang 102-107, Viện Địa kỹ thuật – VGI (Liên hiệp các Hội KH&KT Việt Nam), Hà Nội.
6. Trịnh Minh Thụ, Nguyễn Thị Ngọc H−ơng, Đinh Nhật Quang, D−ơng Minh
Trang, Nguyễn Trung Kiên (2007), “Nghiên cứu cơ chế của quá trình trượt lở mái
dốc do ảnh hưởng của mưa”, Tạp chí Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, số 17, trang 50-55, Hà Nội.
Tài liệu tham khảo Tiếng Việt
1. Bộ môn Thuỷ Công, Tr−ờng Đại học Thủy lợi, "Thuỷ công", tập 1+2, NXB Xây
dựng, Hà Nội.
2. FREDLUND, D.G., RAHARDJO, H. (1998), "Cơ học đất cho đất không bão
hoà" (bản dịch), tập 1+2, NXB Giáo dục.
3. Fadeev, A.B. (1995), "Phương pháp Phần tử hữu hạn trong địa cơ học", Ng−ời dịch: Nguyễn Hữu Thái, Nguyễn Uyên, Phạm Hà, NXB Giáo dục.
4. Nguyễn Thị Ngọc H−ơng (2007), "Nghiên cứu ảnh hưởng của lực hút dính đến