Tiến Sĩ Nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ chống cắt đất không bão hòa đến sự ổn định đập đất

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NĂM 2013

Mục lục
Lời cam đoan . i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các bảng biểu . ix
Danh mục các hình vẽ, đồ thị x
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt xvii
Mở đầu .1
I. Tính cấp thiết của đề tài .1
II. Mục đích nghiên cứu 3
III. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 3
IV. Nội dung nghiên cứu .4
V. Phương pháp nghiên cứu 5
VI. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .5
VII. Những đóng góp mới của luận án 6
VIII. Bố cục của luận án .7

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ ĐẬP ĐẤT VÀ ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA .8
1.1. Tổng quan về đập đất .8
1.1.1. Khái quát chung về đập đất 8
1.1.2. Các vấn đề về mất ổn định mái đất .9
1.2. Tổng quan về môi trường đất bão hòa, không bão hoà 12
1.3. Tình hình nghiên cứu các đặc trưng cơ lý đất không bão hoà trên thế giới và ở
Việt Nam .15
1.3.1. Tình hình nghiên cứu các đặc trưng cơ lý đất không bão hòa trên thế giới
15
1.3.2. Tổng quan các nghiên cứu về cường độ chống cắt của đất .17
1.3.3. Tình hình nghiên cứu các đặc trưng cơ lý đất không bão hòa nói chung
và cường độ chống cắt của đất không bão hòa nói riêng ở nước ta 19
1.4. Kết luận chương 1 21

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA. 22
2.1. Các biến trạng thái ứng suất trong môi trường đất .22
2.2. Đường cong đặc trưng đất - nước .24
2.3. Cường độ chống cắt của đất không bão hoà 31
2.3.1. Phương trình cường độ chống cắt của đất bão hòa .31
2.3.2. Phương trình cường độ chống cắt của đất không bão hòa 32
2.4. Phương pháp phân tích thấm trong môi trường bão hòa, không bão hòa .43
2.5. Phương pháp phân tích ổn định mái dốc 44
2.6. Kết luận chương 2 47

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CƯỜNG ĐỘ CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA .49
3.1. Tính chất cơ bản của đất dùng trong thí nghiệm 49
3.2. Thí nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất - nước .51
3.2.1. Thiết bị thí nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất – nước .51
3.2.2. Chuẩn bị mẫu 51
3.2.3. Bão hoà mẫu và đĩa gốm .52
3.2.4. Thí nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất - nước 54
3.2.5. Kết quả thí nghiệm .55
3.2.6. Tính toán hệ số thấm từ đường cong đặc trưng đất - nước .57
3.2.6.1. Tính toán đường cong SWCC bằng phương trình của Fredlund và
Xing (1994) 57
3.2.6.2. Xác định hệ số thấm của đất từ SWCC .60
3.3. Xác định cường độ chống cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm cắt trực
tiếp .63
3.3.1. Thiết bị thí nghiệm cắt trực tiếp 63
3.3.2. Qui trình thí nghiệm .63
3.3.3. Chương trình thí nghiệm .64
3.3.4. Kết quả thí nghiệm .65
3.3.4.1. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Khe Cát .65
3.3.4.2. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Sông Sắt 2 .68
3.3.4.3. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Sông Sắt 3 .70
3.4. Xác định cường độ chống cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm nén ba
trục 72
3.4.1. Thiết bị ba trục cải tiến để thí nghiệm đất không bão hòa .73
3.4.2. Qui trình thí nghiệm .77
3.4.3. Chương trình thí nghiệm .82
3.4.4. Kết quả thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước (CD) .83
3.4.4.1. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Khe Cát .83
3.4.4.1.1. Các đặc tính cường độ chống cắt của các mẫu đất thí nghiệm 83
3.4.4.1.2. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng .86
3.4.4.1.3. Các đường ứng suất trong thí nghiệm CD mẫu Khe Cát 90
3.4.4.2. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Sông Sắt 3 .92
3.4.4.2.1. Các đặc tính cường độ chống cắt của các mẫu đất thí nghiệm 92
3.4.4.2.2. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng .94
3.4.4.2.3. Các đường ứng suất trong thí nghiệm CD mẫu Sông Sắt .98
3.4.5. Kết quả thí nghiệm nén ba trục với độ ẩm không đổi (CW) 100
3.4.5.1. Các đặc tính cường độ chống cắt của các mẫu đất thí nghiệm 100
3.4.5.2. áp lực nước lỗ rỗng dư 102
3.4.5.3. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng .104
3.4.5.4. Các đường ứng suất trong thí nghiệm CW mẫu Sông Sắt .109
3.5. Phân tích kết quả thí nghiệm 110
3.5.1. So sánh các kết quả thí nghiệm .110
3.5.2. So sánh giữa kết quả thí nghiệm với kết quả tính từ công thức thực
nghiệm được đề xuất bởi Fredlund và Vanapalli, 1996 113
3.6. Kết luận chương 3 118

CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CHO MỘT SỐ MÁI DỐC Ở VIỆT NAM 121
4.1. Giới thiệu chung về công trình .121
4.1.1. Công trình hồ chứa nước Sông Sắt 121
4.1.2. Công trình hồ chứa nước Khe Cát .122
4.1.3. Mái dốc tự nhiên ở Yên Bái 122
4.2. Giới thiệu phần mềm ứng dụng 123
4.3. Phân tích ổn định mái đập đất công trình Sông Sắt 124
4.3.1. Tính toán thấm 125
4.3.2. Phân tích ổn định mái dốc 126
4.3.2.1. Phân tích ổn định theo phương pháp giả thiết không xét đến b .126
4.3.2.2. Phân tích ổn định theo phương pháp giả thiết b = 1/2 ’ .127
4.3.2.3. Phân tích ổn định theo phương pháp lực dính toàn phần .127
4.4. Phân tích ổn định mái đập đất công trình Khe Cát 128
4.4.1. Tính toán thấm 130
4.4.2. Phân tích ổn định mái dốc 130
4.4.2.1. Phân tích ổn định theo phương pháp giả thiết không xét đến b .131
4.4.2.2. Phân tích ổn định theo phương pháp giả thiết b = 1/2 ’ .131
4.4.2.3. Phân tích ổn định theo phương pháp lực dính toàn phần .131
4.5. Phân tích ổn định mái dốc tự nhiên ở Yên Bái .132
4.5.1. Tính toán thấm 133
4.5.2. Phân tích ổn định mái dốc 134
4.5.2.1. Phân tích ổn định theo phương pháp giả thiết không xét đến b .134
4.5.2.2. Phân tích ổn định theo phương pháp giả thiết b = 1/2 ’ .134
4.5.2.3. Phân tích ổn định theo phương pháp lực dính toàn phần .135
4.6. Phân tích kết quả tính toán ổn định mái đất công trình thực tế .135
4.6.1. Phân tích kết quả tính toán công trình Sông Sắt .135
4.6.2. Phân tích kết quả tính toán công trình Khe Cát 137
4.6.3. Phân tích kết quả tính toán mái dốc tự nhiên ở Yên Bái .138
4.7. Kết luận chương 4 140

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 141
I. Kết luận 141
II. Tồn tại và kiến nghị 143
Danh mục công trình khoa học đã công bố .144
Tài liệu tham khảo .145
Phụ lục .152
Phụ lục I. Hiệu chuẩn các thiết bị đo lực và đo áp lực nước lỗ rỗng trong luận
án 153
Phụ lục II. Kết quả thí nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất - nước cho các
mẫu đất thí nghiệm 157
Phụ lục III. Kết quả phân tích hệ số thấm và cường độ chống cắt của các mẫu đất
thí nghiệm gián tiếp từ đường cong đặc trưng đất - nước .163
Phụ lục IV. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng lập từ các kết quả thí
nghiệm theo các phương pháp thí nghiệm khác nhau .191
Phụ lục V. Kết quả phân tích ổn định mái dốc bằng bộ phần mềm GeoStudio
2004 .197

Mở đầu
I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong thực tế đất ở trạng thái không bão hòa chiếm diện tích khá lớn trên bề mặt Trái Đất. Đất không bão hòa thường có các đặc tính về ứng suất - biến dạng, biến thiên áp lực nước lỗ rỗng, cường độ chống cắt, hệ số thấm, . không tuân theo các lý thuyết của cơ học đất bão hòa. Trước đây các công trình đất thường được thiết kế trên cơ sở lý thuyết của Cơ học đất bão hòa cổ điển. Hầu hết các nghiên cứu trong lĩnh vực Cơ học đất đều tập trung chủ yếu vào môi trường đất bão hòa. Sự thành công trong thực tế của lĩnh vực cơ học đất trong những thập kỷ qua là dựa trên các lý thuyết về cơ học đất bão hòa. Các thiết bị khảo sát, sơ đồ thí nghiệm, thiết bị thí nghiệm đã đạt được những bước tiến đáng kể, các kết quả thí nghiệm có độ chính xác cao. Các nhà địa kỹ thuật, bằng các kiến thức và kinh nghiệm có thể dự đoán được ứng xử của các đặc tính đất bão hòa trong phòng hay ngoài hiện trường khá chính xác và tin cậy. Các lý thuyết, kết quả tính toán, kinh nghiệm về cơ học đất bão hòa được chuyển giao và áp dụng trong thực tế sản xuất đã đạt được những thành công khá lớn. Tuy nhiên các kiến thức, kinh nghiệm, lý thuyết tính toán, thiết bị thí nghiệm cho đất không bão hòa cũng còn nhiều hạn chế.
Khoảng đầu thế kỷ trước, K. Terzaghi đã xuất bản cuốn sách Cơ học đất (1925) đầu tiên, trong đó lý thuyết ứng suất có hiệu quả là một sáng tạo mới giúp tiếp cận hợp lý các bài toán phân tích lún và ổn định của khối đất bão hòa chịu tác dụng của tải trọng ngoài khi thiết kế các công trình đặt trên nền đất. Tuy nhiên trên thực tế khối đất trong tự nhiên (tàn tích) hay nhân tạo (các đập vật liệu địa phương) thường là một hệ đất bão hòa/không bão hòa do đó các lý thuyết của cơ học đất bão hòa không còn áp dụng để tính toán một cách đầy đủ, toàn diện và chính xác cho môi trường đất bão hòa/không bão hòa. Đến cuối thế kỷ đã xuất hiện nhiều nghiên cứu về Cơ học đất không bão hòa, tiêu biểu nhất là cuốn sách Cơ học đất không bão hòa của D.G Fredlund và H. Rahardjo (1993), trong đó đã mở rộng các lý thuyết về
đất bão hòa của Terzaghi cho đất không bão hòa.
Ở Việt Nam, đập đất được xây dựng rất phổ biến và vật liệu đắp đập thường là đất tại chỗ có hàm lượng hạt sét thấp (đặc biệt là các đập khu vực miền Trung). Để đảm bảo an toàn và tận dụng được vật liệu tại chỗ, đập đất thường được thiết kế có dạng cấu tạo phức tạp nhiều khối. Mặt cắt thiết kế đặc trưng của đập thường có lõi đất có hệ số thấm nhỏ để chống thấm, khối thượng và hạ lưu thường có hệ số
thấm lớn hơn, kết hợp với các ống khói thu và dải thoát nước nhằm làm cho khối gia tải hạ lưu thường tồn tại ở dạng môi trường không bão hoà với diện tích khá lớn. Các đặc tính về hệ số thấm, biến dạng, đặc biệt là cường độ chống cắt và ổn định mái dốc luôn biến đổi phụ thuộc vào lực hút dính hay độ ẩm. ở nước ta, một số công trình vẫn làm việc tốt đến thời điểm hiện tại nhưng trước đó tính toán kiểm tra thấy mất ổn định, điều này liên quan đến việc trong quá trình tính toán đã không xét ảnh hưởng của các thông số đất không bão hòa. Trong một công trình nghiên cứu các mái dốc đứng ở Hồng Kông, một số nghiên cứu cũng cho thấy kết quả tương tự [2].
Trong nghiên cứu đó, người ta tiến hành tính toán ổn định mái dốc đứng sau một dãy nhà. Khi tính toán ổn định bỏ qua ảnh hưởng của lực hút dính thì được hệ số an toàn tới hạn nhỏ hơn 1,0 tức mái dốc không ổn định, song thực tế mái dốc vẫn ổn định. Khi xem lực hút dính là một thành phần của lực dính trong cường độ chống cắt, hệ số an toàn tăng lên đáng kể (Fs > 1), mái dốc ổn định. Như vậy, ngoài
phương pháp tính toán thông thường, việc xem xét thêm ảnh hưởng của các thông số đất không bão hòa khi tính toán ổn định công trình đất cũng rất quan trọng và cần thiết, thể hiện một phương pháp tính toán đầy đủ và toàn diện cho môi trường đất bão hòa/không bão hòa.
Cho đến nay nước ta chưa có nhiều nghiên cứu về các đặc tính cơ lý của đất không bão hòa, đặc biệt là nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ chống cắt của đất không bão hòa tới ổn định công trình đất. Vì vậy, cường độ chống cắt của đất không bão hòa và ảnh hưởng của nó đến ổn định mái đất là các vấn đề quan trọng nhất của nghiên cứu này. Mặt khác, hiện nay ở Việt Nam, hầu như chưa có thiết bị thí nghiệm xác định các thông số cơ học đất không bão hoà. Các quan hệ độ ẩm, hệ số thấm, cường độ chống cắt . là một hàm của lực hút dính. Thông thường các hàm này được lấy dựa vào các hàm nằm trong ngân hàng dữ liệu có sẵn. Các hàm này chủ yếu được xây dựng trên kết quả thí nghiệm của các loại đất chủ yếu ở Mỹ và Canada. Các loại đất của Việt Nam có những nguồn gốc thành tạo, điều kiện tồn tại và biến đổi cũng như điều kiện khí hậu . khác nhau, do đó các tính chất vật lý cơ học có những giá trị riêng, đặc biệt là các đặc tính của đất không bão hòa. Vì vậy, việc sử dụng hoàn toàn dữ liệu sắn có của các thông số đất không bão hòa của các nước trên thế giới khó đáp ứng độ chính xác phù hợp với các số liệu tính toán từ đất Việt Nam. Để tiếp cận với các nước tiên tiến trên thế giới thì việc xây dựng và thiết lập các thiết bị thí nghiệm để xác định các đặc tính của đất không bão hòa cũng là một vấn đề quan trọng ở nước ta. Do vậy đề tài ‘Nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ chống cắt đất không bão hòa đến sự ổn định đập đất’ có tính cấp bách, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn lớn.
II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Mục đích chính của đề tài luận án là:
1. Làm sáng tỏ bản chất mô hình đất không bão hòa và các đặc trưng của đất không bão hòa xuất phát từ các quan niệm truyền thống với đất bão hòa.
2. Thiết lập các mối quan hệ giữa các chỉ tiêu của đất không bão hòa với nhau và với đất bão hòa cũng như giữa các phương pháp thí nghiệm khác nhau. Lập quan hệ để tính toán các hàm của các đặc trưng đất không bão hòa phù hợp với đất thực tế của Việt Nam.
3. Làm rõ khả năng và điều kiện áp dụng các kết quả nghiên cứu thu được nhằm làm tăng tính kinh tế, giảm chi phí xây dựng công trình thủy lợi khi ứng dụng các thông số đất không bão hòa trong thiết kế và tính toán ổn định mái đập đất.