Nghiên cứu sự thay đổi sức chống cắt và hệ số nhớt (n) của đất loại sét theo thời gian và áp dụng tính toán ổn định đê ở Đồng bằng sông Cửu Long

Nghiên cứu sự thay đổi sức chống cắt và hệ số nhớt (n) của đất loại sét theo thời gian và áp dụng tính toán ổn định đê ở Đồng bằng sông Cửu Long

Viện khoa học thủy lợi miền nam

NGUYEÃN VIEÄT TUAÁN

đề tài Nghiên cứu sự thay đổi sức chống cắt và

hệ số nhớt (ηηηη) của đất loại sét theo thời gian và áp dụng tính toán ổn định đê ở

Viện khoa học thủy lợi miền nam

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Trần Thị Thanh – Viện KHTL miền Nam

2 GS TSKH Lê Bá Lương – Trường Đại học Bách khoa

Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh

Phản biện 1: GS TSKH Phạm Văn Tỵ

Trường Đại học Mõ -Địa chất

Phản biện 2: PGS TS Đoàn Thế Tường

Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng

Phản biện 3: TSKH Vũ Cao Minh

Viện Địa chất

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước họp tại: Vào lúc: giờ ngày tháng năm 2008

Có thể tìm hiểu Luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Thư viện Viện Khoa học thủy lợi miền Nam

Mở ĐầU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Dưới tác dụng của tải trọng công trình, đặc trưng cơ lí của đất nền

có thể thay đổi đến độ sâu khá lớn mà tại đó có ứng suất do tải trọng công trình truyền đến Sự thay đổi độ bền của đất nền trong trường hợp này có thể ảnh hưởng tốt hoặc xấu đến khả năng chịu tải của đất nền và

sự an toàn ổn định của công trình theo thời gian

Một số tác giả phương Tây như Skempton A.W [11], Henkel D.T (1957) đã nghiên cứu sự sụp đổ một số tường chắn sau 30ữ40 năm xây dựng trên nền đất sét cứng nứt nẻ ở Luân Đôn đi đến kết luận: Sự giảm

độ bền của đất theo thời gian là do sự giảm lực dính của đất C→ 0, còn

Độ bền lâu dài của đất nhỏ hơn độ bền ban đầu Í.Í èàủởợõ và những người học trò của ông [6], [8], [32], [34], trên cơ sở chia lực dính

đổi theo trạng thái độ chặt - độ ẩm tùy theo loại đất Giáo sư Í.Í èàủởợõ đã viết cuốn sách “ Lý thuyết vật lý kỹ thuật về từ biến của đất loại sét trong thực tế xây dựng” [8]

Lý thuyết này được áp dụng rộng rãi ở Liên Xô trước đây và ở nước Nga hiện nay Để tính toán độ bền lâu dài của đất loại sét cần có các chỉ

theo thời gian của công trình còn cần cả đến hệ số nhớt động (η) của đất nền

Đối với đất dính ở Việt Nam nói chung và ở ĐBSCL nói riêng,

“Nghiên cứu sự thay đổi sức chống cắt và hệ số nhớt (η) của đất loại sét

theo thời gian và áp dụng tính toán ổn định đê ở Đồng bằng sông Cửu Long”

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu sự thay

(η) của đất loại sét ở ĐBSCL theo thời gian phục vụ cho việc tính toán

ổn định và thi công đê trên nền đất yếu ở ĐBSCL

3 Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết, kết quả nghiên cứu của những tác giả trong

và ngoài nước có liên quan đến nội dung đề tài

- Tiến hành các thí nghiệm chuyên môn ở trong phòng và khảo sát thực nghiệm ngoài hiện trường trên nhiều công trình thực tế ở ĐBSCL

- Tham gia các hội thảo khoa học, viết báo thông tin kết quả nghiên cứu trên các tạp chí khoa học

4 Những đóng góp mới của luận án:

4.1 Nghiên cứu sử dụng phương pháp nén cố kết trên máy nén đơn không nở hông theo phương pháp Casagrande để xác định mô đun lún

bước đầu của giai đoạn từ biến phục vụ tính toán ổn định đê trên nền đất yếu ở ĐBSCL

4.2 Nghiên cứu được đặc điểm biến đổi hệ số nhớt (η) của đất dính ở

ĐBSCL theo thời gian (t), độ sệt (B) của đất trong giai đoạn nén cố kết thấm và bước đầu của giai đoạn từ biến Xác lập được giá trị hệ số nhớt

đất dính ở ĐBSCL

4.4 Đề nghị công thức dự tính độ lún tổng hợp (do cố kết thấm và bước

đầu của giai đoạn từ biến) của đất dính dưới nền đê ở ĐBSCL Đề xuất

công thức thực nghiệm dự tính độ lún bước đầu của giai đoạn từ biến

4.5 Từ kết quả thí nghiệm nghiên cứu đặc điểm tăng sức chống cắt của

đất dính mềm yếu trong quá trình cố kết thấm, đã áp dụng vào việc

phân đoạn đắp đê theo chiều cao trên nền đất yếu ở một số tuyến đê

thực tế ở ĐBSCL

5 Cấu trúc của luận án: Luận án gồm 2 phần:

- Phần thuyết minh: Gồm 163 trang (trong đó có 31 bảng số và 65

hình vẽ), ngoài phần mở đầu, luận án còn có 6 chương và phần kết luận

đề nghị chung Cuối phần thuyết minh có 05 trang liệt kê danh mục 51

tài liệu tham khảo của các tác giả trong và ngoài nước và 02 trang liệt

kê các công trình nghiên cứu của nghiên cứu sinh

- Phần phụ lục (được đóng cuốn riêng): Các phụ lục kết quả thí

nghiệm ở trong phòng

Chương I: Tổng quan những kết quả nghiên cứu về sự thay đổi

sức chống cắt của đất dính theo thời gian và lựa chọn các đặc trưng

chống cắt của đất dính để tính toán ổn định công trình trong những

điều kiện khác nhau

Đối với đất dính, tại một điểm ở độ sâu Z kể từ mặt đất, điều kiện

cân bằng giới hạn được xác định theo công thức: (1-1)

chủ yếu phụ thuộc vào tải trọng công trình; các đặc trưng γ, C, ϕ của

đất sẽ thay đổi khi chịu tác động của môi trường, hoặc chịu tác dụng

thay đổi theo thời gian Sự thay đổi này có thể theo hướng làm tăng

hoặc giảm sự ổn định của công trình trong quá trình sử dụng Trong

chương I tóm tắt giới thiệu một số kết quả nghiên cứu của các tác giả

trong và ngoài nước có liên quan đến các vấn đề sau đây:

σ ư σ

1 2 max

1 2

sin

2 z 2C cot g

- Sự thay đổi sức chống cắt của đất dính trong quá trình cố kết thấm

- Sự thay đổi sức chống cắt của đất dính trong quá trình biến dạng lâu dài (từ biến)

- Lựa chọn đặc trưng chống cắt của đất dính trong tính toán ổn định lâu dài công trình

- Dự tính chuyển vị lâu dài của công trình chịu lực ngang

- Những nội dung chính cần nghiên cứu trong luận án:

1 Nghiên cứu lựa chọn phương pháp thí nghiệm và tiến hành thí

2 Nghiên cứu lựa chọn phương pháp thí nghiệm thích hợp để phân

đất dính ở ĐBSCL

3 Thí nghiệm, nghiên cứu đặc điểm tăng sức chống cắt của đất dính mềm yếu ở ĐBSCL theo thời gian trong quá trình cố kết thấm

4 Tìm công thức dự tính độ lún của nền đê có xét đến từ biến áp dụng kết quả nghiên cứu, thí nghiệm vào việc thi công và tính toán ổn

2.1.2 Phương trình biểu thị định luật của chất lỏng – định luật

2.1.3 Phương trình biểu thị định luật của các thể dẻo nhớt (phần lớn

đất loại sét thuộc thể này) – định luật Bingham – Svedov:

loại sét

Đã có một số tác giả đề ra những phương pháp thí nghiệm xác

định hệ số nhớt (η) được trình bày trong luận án

2.2.1 Xác định hệ số nhớt bằng phương pháp cắt - cho mẫu đất biến dạng trượt ngang với vận tốc V không đổi [6], [8]

p t H h

dưới áp lực nén P của công trình phụ thuộc vào hệ số nhớt η của đất:

e•p= p/η (2ư5) Nếu mẫu đất có chiều cao chịu nén là h, dưới cấp áp lực nén P sau

Từ công thức (2-5) và (2-18) rút ra:

2-5b được vẽ theo kết quả nén một chiều, người ta chia quá trình nén lún

của đất dính bão hòa nước ra làm hai giai đoạn chính:

Giai đoạn cố kết thấm (còn gọi là cố kết sơ cấp): Độ lún của mẫu

Dựa vào đường cong thay đổi độ lún của mẫu đất ứng với các thời

thấm và bước đầu của giai đoạn từ biến

2.2.3 So sánh kết quả thí nghiệm xác định hệ số nhớt (η) của cùng một mẫu đất theo hai phương pháp thí nghiệm khác nhau: Cắt trượt ngang với V= const và nén cố kết trên thiết bị nén đơn không nở hông Trên hình 2-8 trong luận án biểu diễn quan hệ η = f(t) của cùng mẫu đất theo kết quả của hai phương pháp thí nghiệm trên Các điểm thí nghiệm cùng nằm trên một đường cong phụ thuộc vào thời gian t tương đối phù hợp nhau

đất loại sét thuộc trầm tích ở ĐBSCL

2.3.1 Các loại đất được dùng trong thí nghiệm: Các mẫu đất được lấy

tại nhiều công trình thực tế thuộc các tỉnh Long An, Tiền Giang, Đồng Tháp, Cần Thơ, Cà Mau Chỉ tiêu tính chất vật lý của các mẫu đất dùng

trong thí nghiệm được ghi ở bảng 2-3 trong luận án

thời gian (t) và độ sệt (B) của đất:

cấp tải trọng (P) khác nhau Ví dụ trên hình 2-10 biểu diễn sự thay đổi

hệ số nhớt (η) theo thời gian (t) trong quá trình cố kết thấm và từ biến dưới các cấp áp lực (P) khác nhau của nhóm sét dẻo cứng Từ những biểu đồ nêu trên có thể rút ra nhận xét sau đây:

- Trong cùng một thời đoạn gia tải 24 giờ (1440phút) cho từng cấp

áp lực P khác nhau ta thấy, giai đoạn cố kết thấm đạt mức độ cố kết U = 100% sau khoảng thời gian từ 3 - 5 giờ và chuyển sang giai đoạn từ biến

- Dưới các cấp áp lực P khác nhau, hệ số nhớt (η) đều tăng theo thời gian t Hệ số nhớt tăng nhanh trong giai đoạn cố kết thấm, khi đất đạt

độ cố kết U = 100%, bắt đầu giai đoạn từ biến hệ số nhớt (η) có xu hướng tăng chậm

- Sau cùng một khoảng thời gian (t), hệ số nhớt (η) tăng theo áp lực

P, nhưng mức độ tăng không nhiều

Sự thay đổi hệ số nhớt (η) theo độ sệt (B) của đất dưới áp lực nén P

2-13, 2-14, 2-15 Từ đồ thị ở các hình vẽ nói trên, có thể rút ra những nhận xét sau:

- ở mỗi cấp áp lực nén, hệ số nhớt (η) tăng lên do giảm độ sệt (B) của đất

- Đối với mẫu bùn sét độ sệt (B) biến đổi trong phạm vi rộng Đối với các mẫu sét dẻo cứng và nửa cứng, độ sệt (B) thay đổi trong phạm vi hẹp hơn Đặc biệt trạng thái độ sệt (B) của mẫu ở cuối giai đoạn cố kết thấm (U = 100%) chuyển sang giai đoạn từ biến sau 24 giờ sai khác nhau không nhiều

- Trong giai đoạn cố kết thấm, sự tăng hệ số nhớt (η) gần như có quan hệ đường thẳng với sự giảm độ sệt (B) Nhưng khi kết thúc giai

đoạn cố kết thấm (U=100%) chuyển sang giai đoạn từ biến trong cùng cấp áp lực, độ sệt (B) giảm không đáng kể, nhưng hệ số nhớt tăng lớn rất nhiều lần

khác nhau Nếu xem hệ số nhớt ở cuối giai đoạn cố kết thấm

0.72 0.74 0.76 0.78 0.80 0.82 0.84 0.86 0.88 0.90

0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28

Hệ số 0 < a < 10

2.4 Nhận xét và kết luận rút ra từ chương II

Đối với đất ở trạng thái chảy và dẻo thường gặp ở ĐBSCL thì kết quả hệ

số nhớt thí nghiệm đuợc tương đối phù hợp với kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả nước ngoài Có thể sử dụng số liệu ban đầu này để tính toán ổn định đê trên nền đất yếu ở ĐBSCL Sau này cần nghiên cứu ảnh hưởng môi trường nước đến sự biến đổi hệ số nhớt (η) của đất phèn, đất mặn thường gặp ở ĐBSCL

Hình 2-12: Sự thay đổi hệ số nhớt (η) theo độ sệt

(B) của đất trong giai đoạn nén cố kết và từ biến

dưới áp lực P = 0.50 kG/ cm 2 - mẫu bùn sét

Hình 2-13: Sự thay đổi hệ số nhớt (η) theo độ sệt (B) của đất trong giai đoạn nén cố kết và từ biến dưới áp lực P = 0.50 kG/ cm 2 – mẫu sét chảy

Hình 2-14: Sự thay đổi hệ số nhớt (η) theo độ sệt

(B) của đất trong giai đoạn nén cố kết và từ biến

dưới áp lực P = 0.50 kG/ cm 2 – mẫu sét dẻo cứng

Hình 2-15: Sự thay đổi hệ số nhớt (η) theo độ sệt (B) của đất trong giai đoạn nén cố kết và từ biến dưới áp lực P = 0.50 kG/ cm 2 – mẫu sét nửa cứng

(1) §−íng c¾t mĨu nguyªn d¹ng

CHÖÔNG III: Thí nghieôm nghieđn cöùu möùc ñoô theơ hieôn cụa löïc

thuoôc traăm tích ôû ®bscl

3.1 B¶n chÍt c¸c thµnh phÌn cña lùc dÝnh trong ®Ít lo¹i sÐt: Trong môc 3.1 cña luỊn ¸n tr×nh bµy b¶n chÍt cña lùc dÝnh kÕt cÍu

3.2 Chôn ph−¬ng ph¸p thÝ nghiÖm x¸c ®Þnh lùc dÝnh kÕt cÍu cøng

Cê nhiÒu t¸c gi¶ ®Ò xuÍt nh÷ng ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau ®Ó x¸c ®Þnh

tr×nh bµy trong luỊn ¸n

3.2.1 NÐn ®¬n trôc (§ỉi víi ®Ít sÐt cøng)

3.2.2 Ph−¬ng ph¸p c¾t nhiÒu mĨu ®Ít cê ®ĩ Ỉm (W) t¨ng dÌn vµ lỊp

3.2.3 Ph−¬ng ph¸p so s¸nh lùc dÝnh trong thÝ nghiÖm c¾t c¸c mĨu ®Ít

3.2.4 Ph−¬ng ph¸p c¾t "tr−ît trïng lƯp"

3.2.5 Ph−¬ng ph¸p c¾t "tr−ît c¸c tÍm ph¼ng" Ph−¬ng ph¸p thÝ nghiÖm nµy do Ì.Ì Íăðẳịîđă vµ NguyÔn V¨n Th¬ thö nghiÖm [34] ThÝ nghiÖm cê thÓ thùc hiÖn trªn m¸y c¾t ph¼ng, kiÓu øng lùc hoƯc øng biÕn Qu¸ tr×nh thÝ nghiÖm thùc hiÖn theo hai b−íc nh− s¬ ®ơ trªn h×nh 3-4 T¸c gi¶ ¸p dông ph−¬ng ph¸p c¾t "tr−ît c¸c tÍm ph¼ng" ®Ó nghiªn

lo¹i sÐt ị ®BSCL

H×nh 3-4: S¬ ®ơ c¾t tr−ît theo tÍm ph¼ng

3.3 Thí nghiệm nghiên cứu mức độ thể hiện của lực dính nhớt (ΣΣw)

đBSCL

3.3.1 Các loại đất được dùng trong thí nghiệm: lấy ở độ sâu khác nhau của những hố khoan từ nhiều công trình thực tế thuộc ĐBSCL

trạng thái độ sệt (B) khác nhau Tổng hợp kết quả thí nghiệm được liệt

kê ở bảng 3-1 trong luận án và thể hiện trên hình 3-5

trong khối đất đắp ở thân đê, nền đường sau nhiều năm sử dụng ở

ĐBSCL Tác giả khoan lấy mẫu đất trong thân và nền đê Gò Công sau

15 năm xây dựng ở Tiền Giang; khoan lấy mẫu đất trong thân và nền

đường Tỉnh lộ 845 sau 10 năm khai thác ở Thanh Bình - Đồng Tháp, để thí nghiệm xem xét mức độ hình thành và phát triển lực dính kết cấu

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng, tùy theo vị trí khác nhau trong khối

đất đắp cũng như đất nền (ở độ sâu 4m kể từ mặt nền) độ sệt B của đất

và đất nền được tăng theo thời gian

3.5 Một số kết luận rút ra từ chương III: Được ghi ở kết luận 1.3 và 1.4 phần kết luận chung cuối luận án

CHƯƠNG IV: Thí nghiệm nghiên cứu đặc điểm tăng sức chống cắt theo mức độ cố kết khác nhau của đất dính mềm yếu phục vụ cho việc đắp đê ở đồng bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL)

4.1 Giới thiệu những đề nghị khác nhau về biểu thức sức chống cắt của đất

4.2 Giới thiệu các phương pháp thí nghiệm xác định sức chống cắt của đất

4.3 Giới thiệu các sơ đồ thí nghiệm cắt

4.4 Chọn sơ đồ thí nghiệm sức chống cắt phục vụ tính toán ổn định

đê trên nền đất yếu ở ĐBSCL

4.4.1 Đối với đất đắp ở thân đê: Trường hợp nguy hiểm đối với sự ổn

định của đê là: khi đê bị rút nước đột ngột trong trường hợp đang ngập nước và bão hòa hoàn toàn Do vậy nên chọn sơ đồ cắt nhanh UU đối với các mẫu được chế bị theo các điều kiện (4-7) đến (4-10) trong luận

án (tùy theo phương pháp thi công) ở trạng thái hoàn toàn bão hòa nước Trong trường hợp phải đắp nâng cao dần, trong nhiều năm để cho

đất nền cũng như khối đất đã đắp đạt được một mức độ cố kết nào đó, thì phải nén cho mẫu đất đạt được một độ cố kết yêu cầu đã chọn rồi cắt nhanh (sơ đồ CU)

4.4.2 Đối với đất nền đê: Nếu đê đặt trực tiếp lên nền đất thiên nhiên

và hoàn thành việc đắp đê trong một mùa thi công (trừ mùa nước lũ) thì nên chọn sơ đồ không nén cố kết - cắt nhanh (sơ đồ UU) Nếu đê được

phân đoạn theo chiều cao đê qua nhiều năm, thì sức chống cắt của đất nền nên thí nghiệm theo sơ đồ nén cố kết - cắt nhanh (sơ đồ CU) 4.5 Đặc điểm tăng sức chống cắt theo mức độ cố kết khác nhau của

kể

CHƯƠNG V: Khảo sát vùng chịu nén trong nền đất yếu bão hòa nước dưới khối đất đắp của đê ở đồng bằng Sông Cửu Long Dự tính độ lún của đê đắp trên nền đất yếu ở ĐBSCL

5.1 Xác định vùng chịu nén trong nền đất yếu bão hòa nước dưới khối đất đắp của đê ở ĐBSCL

w p

e

η z p

5.2 Dự tính độ lún của nền đất dính bão hòa nước dưới đê ở

đê (Stđ) và độ lún của nền đê (Snđ): Sđ = Stđ + Snđ (5-10)

tiêu chuẩn thiết kế 22 TCN 262 – 2000 của Bộ Giao thông vận tải [51],

Ngành Thủy lợi chưa có số liệu quan trắc tổng kết độ lún tức thời

ĐBSCL, tạm thời chọn :

, - mô đun lún ở cuối giai đoạn cố kết thấm và trong giai

5.3 áp dụng tính toán kiểm tra độ lún của đoạn đê thực tế ở

Gò Công, tại vị trí K10 + 963 Đoạn đê ở Gò Công, tại vị trí K10 +

963 được thi công và hoàn thiện đến cao trình đỉnh thiết kế (+4,00) vào năm 1984 Kích thước mặt cắt ngang đê như hình 5-7 Chỉ tiêu vật lý của đất nền tự nhiên ban đầu được ghi ở bảng 5-3 trong luận án Đất đắp

khoan được trình bày trên hình 5-4 b trong luận án Dung trọng khô của

đất nền đê theo trục z đi qua tâm đáy đê biến đổi lớn hơn so với dung

Mẫu đất dùng để thí nghiệm nén cố kết được lấy ở độ sâu (3,4 ữ

được biểu diễn bằng đồ thị trên hình 5-6

Tính toán lún của đê: Sơ đồ tính toán trình bày trên hình 5-7