Ngoài các tính chất vật lý cơ học thông thường, luận án tập trung chủ yếu nghiên cứu các đặc trưng quan trọng của đất không bão hòa gắn liền với ổn định mái dốc đó là: quan hệ độ chứa nư
Trang 1Bộ Giáo dục và đào tạo Bộ Nông nghiệp và PTNT
Trường đại học Thuỷ lợi
Trang 2Công trình được hoàn thành tại:
Trường đại học Thuỷ lợi
Người hướng dẫn khoa học: 1 PGS.TS Trịnh Minh Thụ
2 GS Nguyễn Công Mẫn
Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp trường họp tại: Trường Đại học Thủy lợi – 175 Tây Sơn - Đống Đa – Hà Nội
vào hồi giờ ngày tháng năm
Có thể tìm hiểu Luận án tại: Thư viện Quốc gia hoặc Thư viện Đại học Thủy lợi – 175 Tây Sơn - Đống Đa – Hà Nội
Trang 3Mở đầu
I TíNH CấP THIếT CủA Đề TàI
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 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 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) Các kiến thức, kinh nghiệm, lý thuyết tính toán, thiết bị thí nghiệm… cho đất không bão hòa ở Việt Nam còn nhiều hạn chế
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 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 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 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
iii Đối tượng nghiên cứu và PHạM VI NGHIÊN CứU
Đề tài luận án tiến hành nghiên cứu một số mẫu đất thuộc loại đất sét và đất sét pha lẫn dăm sạn Ngoài các tính chất vật lý cơ học thông thường, luận án tập trung chủ yếu nghiên cứu các đặc trưng quan trọng của đất không bão hòa gắn liền với ổn định mái dốc
đó là: quan hệ độ chứa nước thể tích, hệ số thấm và cường độ chống cắt áp dụng tính toán cho các công trình đập vật liệu địa phương và mái dốc tự nhiên: đại diện cho đất đắp
đập Miền Đông Bắc là công trình đập đất hồ chứa nước Khe Cát (tỉnh Quảng Ninh), các loại đất đắp đập thuộc công trình đập đất hồ chứa nước Sông Sắt (tỉnh Ninh Thuận) đặc trưng cho đất đắp đập miền Trung và đất vùng Tây Bắc Việt Nam (tỉnh Yên Bái)
Trang 4Iv nỘI DUNG NGHIÊN CứU
Nội dung chính của luận án giải quyết những vấn đề sau:
(1) Nghiên cứu tổng quan về đập đất nói chung và các vấn đề về mất ổn định mái
đất, môi trường đất bão hòa-không bão hòa, tình hình nghiên cứu và ứng dụng các đặc trưng cơ lý của đất không bão hòa trong nước và trên thế giới (2) Nghiên cứu đi sâu về lý thuyết và các phương pháp xác định các thông số của đất không bão hòa như: đường đặc trưng quan hệ đất - nước, hệ số thấm và cường độ chống cắt (3) Thông qua những kết quả nghiên cứu thu được, 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 (4) Nghiên cứu thực nghiệm xác định
đường cong đặc trưng đất - nước của các loại đất đắp khác nhau dùng trong công trình thực tế và cường độ chống cắt của đất ứng với các lực hút dính khác nhau, xác định đường
SWCC với cường độ chống cắt và hệ số thấm của đất không bão hòa, tính toán xác định hệ
số thấm của đất trong môi trường bão hoà - không bão hoà (6) Đề xuất phương trình thực nghiệm biểu diễn đường cong đặc trưng đất-nước và quan hệ giữa cường độ chống cắt với lực hút dính của các mẫu đất dùng trong nghiên cứu phu hợp với đất của Việt Nam (7) So sánh, đối chiếu kết quả tính toán từ các phương trình đề xuất với kết quả thực nghiệm Từ kết quả thu được kiến nghị về khả năng ứng dụng của các phương trình đề xuất trong tính toán hệ số thấm và cường độ chống cắt của đất không bão hòa tại Việt Nam (7) ứng dụng kết quả nghiên cứu phân tích, đánh giá trạng thái ổn định của công trình thực tế (đập đất
hồ chứa nước Khe Cát và đập đất hồ chứa nước Sông Sắt) và mái dốc tự nhiên ở Yên Bái
v PHƯƠNG PHáP NGHIÊN CứU
Các phương pháp được áp dụng trong luận án:
+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu lý thuyết về đường đặc trưng quan
hệ đất - nước, cường độ chống cắt của đất không bão hòa và hệ số thấm trong môi trường
đất bão hòa - không bão hòa
+ Phương pháp phần tử hữu hạn: mô phỏng và phân tích bài toán thấm cho đập đất trong môi trường bão hòa, không bão hòa
+ Phương 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
+ Phương pháp thực nghiệm: thí nghiệm xác định các chỉ tiêu tính chất của đất không bão hòa; thí nghiệm xác lập đường cong đặc trưng quan hệ đất-nước của đất thí nghiệm; thí nghiệm xác định quan hệ giữa cường 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 được 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 hưởng của chúng đến trạng thái ổn định của mái
đất Nghiên cứu các kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên đất Việt Nam về đường cong đặc trưng đất - nước, cường độ chống cắt và hệ số thấm theo lực hút dính, đề xuất các phương trình thực nghiệm cho phép tính toán được các dạng đường quan hệ phù hợp với các kết quả thí nghiệm trên 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 được mức độ ảnh hưởng của cường độ chống cắt của đất không bão hòa đến hệ số ổn định mái đất
Luận án đóng góp việc ứng dụng phương trình thực nghiệm trong mô phỏng các
đặc tính đất không bão hòa tại Việt Nam, xem xét ảnh hưởng của các thông số đất không bão hòa trong tính toán và thiết kế đập đất nhằm chọn được kích thước 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
Trang 5VIi NhữNG ĐóNG GóP MớI CủA LUậN áN
Luận án đã có những đóng góp về khoa học và thực tiễn cho Việt Nam như sau: (1) Thiết bị nén 3 trục cho đất không bão hòa được cải tiến từ thiết bị thí nghiệm nén 3 trục của đất bão hòa tại phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật – trường Đại học Thủy lợi dựa trên nguyên lý đề xuất của Fredlund and Rahardjo 1993
(2) Xây dựng được đường quan hệ cho tính toán các đường cong đặc trưng đất - nước,
hệ số thấm và cường độ chống cắt cho một số loại đất ở Việt Nam Xây dựng được biểu đồ
đến sét) ở nước ta Kết quả nghiên cứu cường độ chống cắt cho thấy các thông số cường
cố kết thoát nước và cắt với độ ẩm không đổi) cho giá trị tương 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 cường độ chống cắt của
đất không bão hòa
(3) Khi lực hút dính thay đổi thì lực dính c thay đổi, nhưng ’ hầu như không đổi cho một số loại đất của Việt Nam
(4) Thí nghiệm được bộ thông số đặc trưng cho một số loại đất ở Việt Nam cũng như minh chứng được ảnh hưởng của đặc tính không bão hòa đối với ổn định mái cho đất của nước ta Đề xuất phương pháp ứng dụng các thông số đặc trưng 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
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về đập đất và đất không bão hoà
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm
Chương 4: ứng dụng tính toán ổn định mái dốc cho công trình thực tế (công trình
đập đất hồ chứa nước Sông Sắt và công trình đập đất hồ chứa nước Khe Cát) và mái dốc tự nhiên
Kết luận và kiến nghị
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 nước rất phổ biến Đập đất có thể được phân loại dựa vào cấu tạo thân đập như sau:
1) Đập đồng chất: Thân đập được đắp bằng một loại đất
2) Đập đất không đồng chất: Đập được đắp bằng nhiều loại đất
3) Đập có tường nghiêng mềm hoặc cứng
4) Đập có tường lõi mềm hoặc cứng
5) Đập hỗn hợp: Phần thân đập thượng lưu đắp bằng một hoặc nhiều loại đất, phần thân đập hạ lưu là khối đá
1.1.2 Các vấn đề về mất ổn định mái đất
Những sự cố trượt 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 trượt lở này thường có nguồn gốc tàn tích và mực nước ngầm ở sâu
Hiện nay hầu hết các phương pháp phân tích sự ổn định của mái dốc đều giả thiết mặt trượt có dạng mặt trụ tròn xoay do việc dùng mặt trụ tròn xoay với mặt cắt ngang là
Trang 6cung tròn sẽ cho kết quả thỏa mãn độ chính xác mà không cần tính toán quá phức tạp Nói chung, các thông số cường độ chống cắt hiệu quả (tức là c’ và ’) được dùng khi tiến hành phân tích ổn định mái dốc trên đất bão hòa Có thể chấp nhận giả thiết bỏ qua áp lực nước
lỗ rỗng âm đối với những trường hợp mà phần lớn mặt trượt nằm dưới mặt nước ngầm Tuy nhiên, trong những trường hợp mặt nước ngầm sâu hay khi người ta quan tâm tới khả năng xuất hiện mặt phá hoại nông, thì không thể bỏ qua áp lực nước lỗ rỗng âm được 1.2 tổng quan về môi trường đất bão hòa, không bão hoà
Đất bão hòa là loại đất gồm hai pha (pha rắn và pha lỏng) và có áp lực nước lỗ rỗng dương Đất không bão hoà là loại đất có nhiều hơn hai pha và có áp lực nước 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 nước và pha khí Theo Fredlund và Morgensten (1977), khi phân tích ứng suất của môi trường liên tục nhiều pha, cần nhận thức pha trung gian khí
- nước ứng xử như một pha độc lập, khi đó đất không bão hoà là hệ bốn pha: pha rắn, pha khí, pha nước và mặt ngoài căng hay mặt phân cách khí - nước
Lực hút dính, đường cong đặc trưng đất-nước, hệ số thấm và cường độ chống cắt là các đặc trưng cơ bản của đất không bão hòa Cường 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
1.3 Tình hình nghiên cứu các đặc trưng cơ lý đất không bão hoà trên thế giới và ở việt nam
1.3.1 Tình hình nghiên cứu các đặc trưng cơ lý đất không bão hòa trên thế giới
Lý thuyết về Cơ học đất không bão hoà được thiết lập từ nhiều thập kỷ trước Trước năm 1950, các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu đặc tính của đất không bão hòa; tuy nhiên, hầu hết các mối quan tâm chỉ dừng lại ở dòng mao dẫn Vào cuối những năm 50, những thúc đẩy mới đã bắt đầu bằng việc nghiên cứu biến thiên thể tích và cường độ chống cắt của đất không bão hoà Việc nghiên cứu trên dẫn đến các đề nghị về một số phương trình ứng suất, được gọi là ứng suất hiệu quả cho đất không bão hòa Về sau có sự thay đổi chậm chạp theo hướng chấp nhận hai biến trạng thái ứng suất độc lập (Fredlund
và Mongensten (1977), ) Cho đến hiện nay đã có một nền tảng khá vững chắc về lý thuyết cho Cơ học đất không bão hòa
1.3.2 Tổng quan các nghiên cứu về cường độ chống cắt của đất
Terzaghi (1936) dùng tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb và khái niệm ứng suất hiệu quả để mô tả cường độ chống cắt của đất bão hòa Để xác định trạng thái ứng suất cho đất không bão hòa, nhiều nghiên cứu ngày càng ủng hộ việc dùng hai biến trạng thái ứng suất độc lập (Fredlund và Morgenstern, 1977)
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
ở nước ta, các bài toán về Cơ học đất không bão hoà mới bắt đầu được quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây Một số ít bài báo và nghiên cứu khoa học về đất không bão hòa đã được công bố Các bài toán thấm, ổn định mái dốc, ứng suất – biến dạng
đã được ứng dụng lý thuyết của Cơ học đất không bão hòa để tính toán ổn định công trình Hiện nay, các thiết bị thí nghiệm về đất không bão hòa bắt đầu được du nhập vào Việt Nam Đặc biệt, phòng Thí nghiệm Địa kỹ thuật trường Đại học Thủy lợi đã có thiết bị xác
định đường cong SWCC và cường độ chống cắt của đất không bão hòa, góp phần phục vụ cho các nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số đất không bão hòa của Việt Nam
Trang 71.4 kết luận chương i
Vấn đề nghiên cứu sử dụng các thiết bị thí nghiệm, các qui trình thí nghiệm xác
định các thông số đất không bão hòa cho đất Việt Nam và ứng dụng các thông số đó trong tính toán ổn định công trình đất có ý nghĩa quan trọng và cần thiết, mở ra hướng nghiên cứu mới cho các nhà khoa học Việt Nam, cùng với các nhà khoa học trên thế giới góp phần phát triển và hoàn thiện lý thuyết Cơ học đất không bão hòa Trong luận án này, tác giả đề xuất nghiên cứu xác định các thông số đất không bão hòa của một số loại đất tại Việt Nam và ứng dụng các thông số đó trong tính toán ổn định đập đất
Chương 2 Cơ sở lý thuyết đất không bão hòa
2.1 Các biến trạng thái ứng suất trong môi trường đất
Bishop (1959) đã đề nghị một biểu thức thực nghiệm cho ứng suất hiệu quả và đã
được tham khảo rộng rãi (ví dụ các bài giảng ở Oslo, Nauy, 1955):
Năm 1977, Fredlund và Morgenstern đã nghiên cứu và kết luận là bất kỳ hai trong
đều có thể dùng để mô tả trạng thái ứng suất của đất không bão hoà Nói cách khác, có ba
tổ hợp có thể được dùng làm các biến trạng thái ứng suất mô tả đặc tính cường độ chống cắt và biến thiên thể tích của đất không bão hoà, thích hợp cho cấu trúc đất và mặt ngoài
2.2 đường cong đặc trưng đất - nước
Trong Cơ học đất không bão hòa, đường cong quan hệ giữa độ ẩm và lực hút gọi là
đường cong đặc trưng đất-nước, đóng vai trò rất quan trọng giải quyết các bài toán thấm trong đất không bão hòa, khống chế các đặc tính của đất không bão hoà như hệ số thấm, cường độ chống cắt và biến thiên thể tích của đất
Các phương trình đường cong đặc trưng đất - nước
Nhiều dạng phương trình theo kinh nghiệm được đề nghị để biểu diễn đường cong
đặc trưng đất - nước Các phương trình được đề nghị để mô phỏng SWCC đều dựa trên sự giả định rằng hình dạng của SWCC phụ thuộc vào sự phân bố kích cỡ lỗ rỗng trong đất Dạng phương trình biểu thị mối quan hệ giữa lực hút và độ ẩm chuẩn hoá thường được sử dụng là phương trình của Fredlund & Xing (1994)
m
n
a e
trong đó: , a, n, m - các hằng số (các thông số khác nhau của đất), - lực hút dính, -
thể tích dư, và q là độ ẩm thể tích tại một giá trị lực hút dính xác định), e - cơ số tự nhiên,
và C() - hệ số hiệu chỉnh
Xác định đường cong đặc trưng đất - nước bằng thực nghiệm
Đường cong đặc trưng đất-nước có thể được xác định bằng phương pháp thí nghiệm tấm áp suất trong phòng thí nghiệm Trong phòng thí nghiệm, lực hút dính có thể đặt vào mẫu đất bằng cách giữ để áp lực nước lỗ rỗng bằng không và đặt vào mẫu một áp lực khí
Trang 8lỗ rỗng dương Do đó có thể làm biến đổi lực hút dính trong mẫu đất [(ua - uw) trong đó uwgiữ bằng không] bằng cách tác dụng các áp lực khí khác nhau vào mẫu Phương pháp này thuộc loại kỹ thuật tịnh tiến trục
2.3 cường độ chống cắt của đất không bão hoà
2.3.1 Phương trình cường độ chống cắt của đất bão hòa
Terzaghi (1936) dùng tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb và khái niệm ứng suất hiệu quả để mô tả cường độ chống cắt của đất bão hòa:
- ứng suất pháp hiệu quả trên mặt phẳng phá hoại lúc phá hoại; ’ - góc ma sát trong hiệu quả
2.3.2 Phương trình cường độ chống cắt của đất không bão hòa
Bishop (1959) đề xuất phương trình cường độ chống cắt như sau:
trong đó: c’ - lực dính hiệu quả của đất bão hoà, ’ - góc ma sát trong hiệu quả của đất bão
số liên quan đến độ bão hoà của đất, giá trị thay đổi từ 0 đến 1
Fredlund và nnk (1978) kiến nghị phương trình cường độ chống cắt cho đất không
f w a f
a f
phá hoại
Cường độ chống cắt của đất không bão hoà thường được xác định từ các thí nghiệm cắt cố kết thoát nước (thí nghiệm CD) hoặc thí nghiệm cắt với độ ẩm không đổi (thí nghiệm CW) Vanapalli & nnk (1996) và Fredlund & nnk (1996) kiến nghị một hàm dự
đoán cường độ chống cắt của đất không bão hoà từ SWCC và các thông số cường độ chống cắt hiệu quả (c’ và ’) như sau:
trong đó: - tham số hiệu chỉnh để tìm các giá trị tính toán sao cho phù hợp với các giá trị
p
s
w s
p s
Trang 92.5 phương pháp phân tích ổn định đập đất
Các phương pháp cân bằng giới hạn phân thỏi sử dụng ứng suất hiệu quả và áp lực nước lỗ rỗng trong việc xác định hệ số an toàn ổn định mái dốc được dùng rộng rãi trong thực tiễn để phân tích đánh giá ổn định đập đất Khi tính ổn định mái dốc có xét áp lực nước lỗ rỗng âm có thể dùng các phương pháp “lực dính toàn phần” - đưa lực hút dính vào lực dính của đất (Ching và các cộng sự, 1984), tìm phương trình hệ số an toàn đáp ứng cả
áp lực nước lỗ rỗng dương lẫn áp lực nước lỗ rỗng âm (Fredlund, 1989, 1995; Rahardjo và Fredlund, 1993) hoặc theo quan hệ phi tuyến cường độ chống cắt - lực hút dính (Rahardjo, Fredlund và Vanapali, 1992) Trong phương pháp “lực dính toàn phần”, đất không bão hòa
được coi là đất có lực dính toàn phần bao gồm lực dính hiệu quả và lực hút dính
2.6 Kết luận chương 2
Các thông số đặc trưng cho đất không bão hòa là SWCC, hệ số thấm và cường độ chống cắt SWCC được xác định thông qua phương pháp thực nghiệm và các công thức tính toán Hệ số thấm và cường độ chống cắt của đất không bão hòa có thể được xác định gián tiếp qua SWCC hay được xác định trực tiếp bằng thí nghiệm Khi phân tích ổn định mái dốc có thể áp dụng phương pháp “lực dính toàn phần” để xem xét ảnh hưởng của các thông số đất không bão hòa đến hệ số an toàn
Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số đặc trưng cường độ chống cắt của đất không bão hòa
3.1 tính chất cơ bản của đất dùng trong thí nghiệm
Luận án tập trung nghiên cứu một số loại đất thuộc ba khu vực: Đông Bắc Bộ, Tây Bắc Bộ và Nam Trung Bộ Loại đất thứ nhất dùng trong nghiên cứu thuộc mỏ vật liệu đất
đắp đập dâng nước trong hệ thống công trình đầu mối hồ chứa nước Sông Sắt nằm trên địa phận xã Phước Thắng, huyện Bác ái, tỉnh Ninh Thuận (khu vực Nam Trung Bộ) Loại đất thứ hai dùng trong nghiên cứu là mỏ vật liệu đất đắp thuộc khu vực công trình hồ chứa nước Khe Cát (trong giai đoạn lập dự án đầu tư xây dựng) nằm trên thượng nguồn suối Khe Cát, thuộc xã Hải Lạng, huyện Tiên Yên, tỉnh Quảng Ninh (khu vực Đông Bắc Bộ) Loại đất thứ ba trong nghiên cứu này là các mẫu đất nguyên dạng được lấy tại nhiều vị trí khác nhau trên một mái dốc tự nhiên thuộc thành phố Yên Bái tỉnh Yên Bái (khu vực Tây Bắc Bộ) Tính chất cơ lý của đất được xác định theo qui trình thí nghiệm TCVN (1995) và
được nêu trong bảng 3.1a và 3.1b
Bảng 3.1a Tính chất cơ lý của các mẫu vật liệu đầm nén
Vật liệu Sông Sắt 2
Vật liệu Sông Sắt 3
Vật liệu Khe Cát Thành phần hạt
Trang 103.2 thí nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất - nước
3.2.1 Thiết bị thí nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất – nước
Sơ đồ thiết bị thí nghiệm xác định
đường cong đặc trưng đất-nước được trình bày trong hình 3.1 Đĩa gốm trong luận án là loại 5 bar
3.2.2 Chuẩn bị mẫu Chế bị 12 mẫu đất theo phương pháp đầm nén có khối lượng đơn vị khô bằng 95 % khối lượng đơn vị khô lớn nhất và độ ẩm là độ ẩm tốt nhất Mẫu đất chế bị có chiều dày 20 mm, đường kính
3.2.3 Bão hoà mẫu và đĩa gốm
Các mẫu đất được bão hoà nhằm đưa chúng đồng nhất về độ ẩm hay độ bão hoà Bão hòa đĩa gốm nhằm mục đích tạo mặt căng để ngăn cách pha khí và pha nước Tính chất cơ lý của mẫu đất thí nghiệm được thống kê trong bảng 3.2a và 3.2b
Hình 3.1 Bình chiết suất xác định SWCC
Trang 11Bảng 3.2a Tính chất cơ lý của các mẫu đất chế bị
Vật liệu Sông Sắt 2
Vật liệu Sông Sắt 3
Vật liệu Khe Cát
Bảng 3.2b Tính chất cơ lý của các mẫu đất nguyên dạng Yên Bái
3.2.4 Thí nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất - nước
Trong thí nghiệm này, các mẫu đất chịu các áp lực khí bên ngoài khác nhau áp lực
đổi bằng 0 kPa, do đó lực hút dính của đất sẽ thay đổi theo áp lực khí tác dụng ngoài Thí nghiệm xác định SWCC với các cấp lực hút dính là 10 kPa, 20 kPa, 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa và 400 kPa
3.2.5 Kết quả thí nghiệm
Hình 3.3a và 3.3b biểu diễn các đường cong đặc trưng đất-nước của 9 loại mẫu đất
Ta có thể thấy trên hình 3.3a, độ ẩm thể tích của mẫu giảm đáng kể khi lực hút dính trong mẫu vượt quá giá trị khí vào Đường cong đặc trưng đất - nước của mẫu đất đầm nén công trình Khe Cát cho ta giá trị khí vào của mẫu sét pha đầm nén là 40 kPa Từ đường cong SWCC của các mẫu đầm nén công trình Sông Sắt ta được giá trị khí vào của mẫu đầm nén Sông Sắt 1, 2, 3 lần lượt bằng 20.04 kPa, 20.08 kPa và 11.8 kPa Hình 3.3b cho kết quả SWCC của các mẫu Yên Bái, từ hình vẽ ta được giá trị khí vào của mẫu đất Yên Bái 1, 2,
3, 4 và 5 lần lượt bằng 31 kPa, 32 kPa, 30 kPa, 28 kPa và 29 kPa Các kết quả thí nghiệm
Vật liệu Sụng Sắt 3
0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55
Hình 3.3a Xác định SWCC bằng thực
nghiệm cho các mẫu đầm nén
Hình 3.3b Xác định SWCC bằng thực nghiệm cho các mẫu nguyên dạng
Giá trị khí vào = 29 kPa Giá trị khí vào = 32 kPa
Giá trị khí vào = 31 kPa
Giá trị khí vào = 40 kPa Giá trị khí vào = 11,8 kPa
Giá trị khí
vào = 20,04 kPa
Giá trị khí vào = 20,08 kPa
Trang 123.2.6 Tính toán hệ số thấm từ đường cong đặc trưng đất - nước
3.2.6.1 Tính toán đường cong SWCC bằng phương trình của Fredlund và Xing (1994)
Phương trình của Fredlund và Xing (1994) đã được dùng khá phổ biến Tuy nhiên công thức của Fredlund và Xing (1994) được lập theo phương pháp lý thuyết trên cơ sở thí nghiệm các loại đất chủ yếu ở Bắc Mỹ, có các đặc tính khác với tính chất của đất Việt Nam, nên tác giả đã đề xuất công thức xác định m, n sao cho biểu diễn sát đúng hơn dãy
số liệu thí nghiệm tác giả đã thực hiện trong phòng thí nghiệm, cụ thể như sau:
(3.2) n =
31,
Kết quả tớnh toỏn (PT của Fredlund và Xing, 1994)
Kết quả tớnh toỏn theo đề xuất của tỏc giả
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Hình 3.4 Đường cong đặc trưng đất -
nước của mẫu đất đầm nén Khe Cát
Hình 3.5 Đường cong đặc trưng đất - nước của mẫu đất đầm nén Sông Sắt 1
Kết quả tớnh toỏn (PT của Fredlund và Xing, 1994)
Kết quả tớnh toỏn theo đề xuất của tỏc giả
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Hình 3.6 Đường cong đặc trưng đất -
nước của mẫu đất đầm nén Sông Sắt 2
Hình 3.7 Đường cong đặc trưng đất - nước của mẫu đất đầm nén Sông Sắt 3 Các kết quả so sánh tính toán cho các mẫu Yên Bái được trình bày trong phụ lục III của luận án Từ các kết quả thí nghiệm và tính toán xác định đường cong SWCC cho các mẫu đất nghiên cứu ta thấy đường cong được tính toán theo phương trình đề xuất của tác giả biểu diễn sát hơn các kết quả thực nghiệm
3.2.6.2 Xác định hệ số thấm của đất từ SWCC
Tác giả đã tiến hành tính toán hệ số thấm k tại các độ ẩm thể tích khác nhau theo công thức (2.10) và theo công thức hiểu chỉnh của tác giả [công thức (2.10) với m và n tính theo công thức (3.2) và (3.3)] với mục đích so sánh kết quả tính toán theo hai phương pháp Kết quả tính toán xác định hệ số thấm từ SWCC cho các mẫu đất được cho trong các hình 3.8, 3.9, 3.10 và 3.11
Trang 13Kết quả tớnh toỏn theo SWCC của Fredlund và Xing (1994)
Kết quả tớnh toỏn theo SWCC do tỏc giả đề xuất
1,0E-21 1,2E-08 2,4E-08 3,6E-08 4,8E-08 6,0E-08 7,2E-08
Hình 3.8 Quan hệ giữa hệ số thấm và
lực hút dính của mẫu đầm nén Khe Cát
Hình 3.9 Quan hệ giữa hệ số thấm và lực hút dính của mẫu đầm nén Sông Sắt 1
Kết quả tớnh toỏn theo SWCC của Fredlund và Xing (1994)
Kết quả tớnh toỏn theo SWCC do tỏc giả đề xuất
1,0E-21 5,0E-08 1,0E-07 1,5E-07 2,0E-07 2,5E-07 3,0E-07
được xây dựng trên cơ sở các kết quả thí nghiệm xác định SWCC của các mẫu đất mà tác giả đã thực hiện trong luận án
3.3 xác định cường độ chống cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm cắt trực tiếp
3.3.1 Thiết bị thí nghiệm cắt trực tiếp
Sơ đồ thiết bị thí nghiệm cắt trực tiếp như trong hình 3.12
3.3.2 Qui trình thí nghiệm Sau khi kết thúc giai đoạn cân bằng lực hút dính ứng với mỗi cấp lực hút dính trong thí nghiệm xác định SWCC lần lượt cắt trực tiếp ba mẫu đất ứng với ba cấp áp lực thẳng đứng tương ứng là 100 kPa, 200 kPa và 300 kPa Các mẫu đất được lấy ra khỏi bình áp lực và đem cắt ngay để đảm bảo độ ẩm ban đầu trước khi cắt biến đổi ít Thí nghiệm được tiến hành với tốc độ cắt chậm để đảm bảo áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình cắt hầu như không đổi Trong nghiên cứu này, tác giả chọn tốc độ cắt là 0,02 mm/phút Việc cắt kết thúc khi sức kháng ứng suất cắt đạt giá trị đỉnh
3.3.3 Chương trình thí nghiệm
Tác giả thực hiện thí nghiệm cắt trực tiếp với các mẫu đất đầm nén Khe Cát đại diện cho khu vực đất đắp miền Bắc, đặc trưng cho miền Trung là đất Sông Sắt 2 và Sông Sắt 3 Số lượng mẫu thí nghiệm với mỗi loại đất là 12 mẫu
Hình 3.12 Sơ đồ thiết bị cắt trực tiếp
