Nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc đất không bão hòa

Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của nhiều nhà khoa học đã chứng minh sựgia tăng của cường độ kháng cắt trong đất không bão hòa là do tác dụng của áp lựcnước lỗ rỗng âm [1], [2]; tức là làm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

PHẠM HUY DŨNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA ĐẾN ỔN ĐỊNH

MÁI DỐC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

PHẠM HUY DŨNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA ĐẾN ỔN ĐỊNH

MÁI DỐC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA

Ngành: Địa kỹ thuật xây dựng

Mã số: 9580211

2 GS NGUYỄN CÔNG MẪN

HÀ NỘI, NĂM 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quảnghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ mộtnguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đãđược thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Phạm Huy Dũng

LỜI CÁM ƠN

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và trân trọng nhất đến PGS.TS HoàngViệt Hùng và GS.Nguyễn Công Mẫn là hai Thầy hướng dẫn trực tiếp đã tận tình chỉbảo, giúp đỡ và động viên tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án Xin cảm ơnhai Thầy đã dành nhiều công sức, trí tuệ giúp tác giả hoàn thành luận án

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới GS.TS Trịnh Minh Thụ, xin cảm ơn những ý kiếnđóng góp quý báu của Giáo sư cho ý tưởng luận án của tác giả

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, khoa Công trình, phòng Đào tạo-TrườngĐại học Thủy lợi đã tạo điều kiện thuận lợi, hỗ trợ tác giả trong suốt thời gian thựchiện luận án Đặc biệt, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các nhà khoa học, cácThầy/Cô giáo bộ môn Địa kỹ thuật, Phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật – Trường Đại họcThủy lợi đã tạo điều kiện và đóng góp những ý kiến quý báu cho tác giả trong quátrình thực hiện luận án

Tác giả xin trân trọng cảm ơn đề tài “Nghiên cứu đánh giá các tai biến địa chất và môitrường nghiêm trọng trong khai thác, chế biến một số khoáng sản chính ở Việt Nam;

đề xuất các giải pháp giảm thiểu thiệt hại và phòng chống tai biến, mã số 20” do PGS.TS.NCVCC Nguyễn Văn Hoàng làm chủ nhiệm đã hỗ trợ kịp thời một sốtài liệu bổ ích và phương pháp luận nghiên cứu khoa học

KC.08.23/16-Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã độngviên, khuyến khích để tác giả hoàn thành luận án

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ xiii

DANH MỤC KÝ HIỆU xiv

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Nội dung nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

7 Cấu trúc của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 5

1.1 Tổng quan về phân tích ổn định mái dốc 5

1.1.1 Các phương pháp phân tích ổn định mái dốc 5

1.1.2 Phân tích ổn định mái dốc trên cơ sở khoa học đất không bão hòa 7

1.2 Tầm quan trọng của cơ học đất không bão hòa 8

1.2.1 Môi trường đất không bão hòa 8

1.2.2 Các trường hợp điển hình liên quan đến cơ học đất không bão hòa 9

1.3 Tổng quan nghiên về cứu cường độ kháng cắt đất không bão hòa 12

1.3.1 Khái niệm đường cong đặc trưng đất-nước 12

1.3.2 Cường độ kháng cắt của đất không bão hòa 13

1.3.3 Tình hình nghiên cứu về SWCC và cường độ kháng cắt của đất không bão hòa trên thế giới 14

1.3.4 Tình hình nghiên cứu về SWCC và cường độ kháng cắt của đất không bão hòa ở Việt Nam 17

1.4 Tổng quan nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc đất không bão hòa 19

1.4.1 Ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc 19

1.4.2 Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc đất không

bão hòa trên thế giới 23

1.4.3 Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc đất không bão hòa ở Việt Nam 25

1.5 Kết luận chương 1 27

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 29

2.1 Các biến trạng thái ứng suất của đất không bão hòa 29

2.2 Lực hút dính của đất không bão hòa và cách xác định 31

2.2.1 Khái niệm lực hút dính 31

2.2.2 Đo trực tiếp lực hút dính bằng căng kế 32

2.2.3 Đo gián tiếp lực hút dính 33

2.3 Xác định đường cong đặc trưng đất-nước 33

2.3.1 Đặc điểm SWCC 33

2.3.2 Thí nghiệm xác định SWCC 34

2.3.3 Phương trình SWCC 37

2.3.4 Ước lượng SWCC 39

2.4 Dòng thấm trong đất không bão hòa 41

2.4.1 Định luật thấm của Darcy cho đất không bão hòa 41

2.4.2 Các tương quan phụ thuộc của hệ số thấm 42

2.4.3 Xác định hệ số thấm của đất không bão hòa 42

2.5 Xác định cường độ kháng cắt của đất không bão hòa 44

2.5.1 Phương trình cường độ kháng cắt của đất không bão hòa 44

2.5.2 Thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt của đất không bão hòa 47

2.5.3 Một số kết quả xác định cường độ kháng cắt của đất không bão hòa 48

2.6 Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát trong phân tích ổn định mái dốc đẩt không bão hòa 50

2.7 Kết luận chương 2 51

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 53

3.1 Đặt vấn đề 53

3.2 Xác định lực hút dính của đất 53

3.2.2 Nguyên lý hoạt động của căng kế 54

3.2.3 Quy trình thí nghiệm xác định lực hút dính bằng căng kế 2725ARL 54

3.2.4 Lựa chọn vị trí thí nghiệm xác định lực hút dính 56

3.2.5 Kết quả thí nghiệm xác định lực hút dính 57

3.3 Xác định SWCC bằng bình áp lực và đĩa tiếp nhận khí cao 63

3.3.1 Vị trí lấy mẫu thí nghiệm xác định SWCC 63

3.3.2 Thiết bị thí nghiệm xác định SWCC 64

3.3.3 Nguyên lý hoạt động của bình áp lực 64

3.3.4 Trình tự thí nghiệm xác định SWCC 65

3.3.5 Các đặc trưng của đất dùng trong thí nghiệm 67

3.3.6 Kết quả thí nghiệm xác định SWCC 68

3.3.7 Ước lượng SWCC theo mô hình MK 69

3.3.8 Xác định hàm thấm từ SWCC 71

3.4 Xác định cường độ kháng cắt của đất bằng máy ba trục 73

3.4.1 Máy thí nghiệm ba trục 73

3.4.2 Trình tự thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt bằng máy ba trục 73

3.4.3 Kết quả thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt bằng máy ba trục 75

3.5 Xác định cường độ kháng cắt của đất bằng máy cắt trực tiếp 77

3.5.1 Máy thí nghiệm cắt trực tiếp 77

3.5.2 Trình tự thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt bằng máy cắt trực tiếp77 3.5.3 Kết quả thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt bằng máy cắt trực tiếp 78 3.6 Kết luận chương 3 86

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA LÊN MÁI DỐC ĐẤT ĐẮP 88

4.1 Đặt vấn đề 88

4.2 Nghiên cứu chế tạo máng thí nghiệm 89

4.3 Nghiên cứu chế tạo dàn tạo mưa 90

4.4 Đo lường và thu thập dữ liệu lực hút dính 90

4.4.1 Thiết bị thí nghiệm đo lực hút dính kiểu 2100F-Remote Tensometer 90

4.4.2 Thiết bị thu thập dữ liệu lực hút dính 91

4.4.3 Quy trình thí nghiệm xác định lực hút dính bằng căng kế 2100F 92

4.5 Chỉ tiêu cơ lý của đất dùng trong thí nghiệm 92

4.6 Trình tự thí nghiệm 94

4.6.1 Chuẩn bị thí nghiệm 94

4.6.2 Lựa chọn các thông số về mưa dùng trong thí nghiệm 96

4.6.3 Tiến hành thí nghiệm 96

4.7 Phân tích, đánh giá kết quả thí nghiệm 97

4.7.1 Ảnh hưởng của độ chặt đất đắp đến cường độ tràn 98

4.7.2 Ảnh hưởng của độ dốc mái đến cường độ tràn 99

4.7.3 Sự thay đổi của lực hút dính trong quá trình mưa và sau khi mưa 100

4.8 Kết luận chương 4 102

CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CHO MỘT SỐ MÁI DỐC CÔNG TRÌNH THỦY LỢI 104

5.1 Đặt vấn đề 104

5.2 Phương pháp tính toán 104

5.3 Mái dốc đất đắp đê hữu Cầu 105

5.3.1 Giới thiệu về đê hữu Cầu 105

5.3.2 Trường hợp tính toán ổn định mái dốc đê hữu Cầu 106

5.3.3 Chỉ tiêu cơ lý của đất trong tính toán ổn định mái dốc đê hữu Cầu 107

5.3.4 Kết quả tính toán ổn định mái dốc đê hữu Cầu 108

5.4 Mái dốc đất đắp đập Khau Piều 112

5.4.1 Giới thiệu về hồ chứa nước Khau Piều 112

5.4.2 Trường hợp tính toán ổn định mái dốc đập Khau Piều 113

5.4.3 Chỉ tiêu cơ lý của đất trong tính toán ổn định mái dốc đập Khau Piều 113

5.4.4 Kết quả tính toán ổn định mái dốc đập Khau Piều 114

5.5 Mái dốc đất đắp đập Chúc Bài Sơn 118

5.5.1 Giới thiệu về hồ chứa nước Chúc Bài Sơn 118

5.5.2 Trường hợp tính toán ổn định mái dốc đập Chúc Bài Sơn 119

5.5.3 Chỉ tiêu cơ lý của đất tính toán ổn định mái dốc đập Chúc Bài Sơn 120

5.5.4 Kết quả tính toán ổn định mái dốc đập Chúc Bài Sơn 121

5.6 Kết luận chương 5 125

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 127

1.Các kết quả đạt được của luận án 127

2.Những đóng góp mới của luận án 128

3 Những tồn tại và hướng phát triển 128

3.1 Những tồn tại 128

3.2 Hướng phát triển 129

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 130

TÀI LIỆU THAM KHẢO 131

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong đới không bão hòa [1] 9

Hình 1.2 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng (hình a) và áp lực khí lỗ rỗng (hình b) ngay sau khi thi công một lớp đắp thân đập [1] 10

Hình 1.3 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng (hình a) và áp lực khí lỗ rỗng (hình b) trong quá trình vận hành của đập [1] 10

Hình 1.4 Mái dốc tự nhiên (a) và mái dốc hố móng (b) chịu tác động của mưa [1] 11

Hình 1.5 Đường cong đặc trưng đất- nước điển hình [1] 12

Hình 1.6 Đường bao phá hoại Mohr-Coulomb của đất bão hòa 13

Hình 1.7 SWCC của một số loại đất điển hình [28] 15

Hình 1.8 Kết quả thí nghiệm cho đất sét Dhanauri thực hiện bởi Satija với đất có khối lượng riêng khô nhỏ [9] 15

Hình 1.9 Quan hệ phụ thuộc của  b với (u -u w) và (  -u ) [29] 17

a 3 a Hình 1.10 Quan hệ giữa lực hút dính và độ ẩm thể tích của các loại đất có cùng trọng lượng riêng 15 kN/m3 [30] 18

Hình 1.11 SWCC của vật liệu đất đắp đập Khe Cát [31] 19

Hình 1.12 Hình ảnh một trận trượt lở đất do mưa, (a) ở Mỹ [32] ; (b) ở Ý [33] 19

Hình 1.13 Hình ảnh hiện trạng sau khi trượt lở đất tại Yabakei, tỉnh Oita, Nhật Bản 20

Hình 1.14 Hình ảnh trượt lở đất, (a) ở lòng hồ Đăk Lông Thượng [36]; (b) ở hạ lưu Thủy điện Trung Sơn [37] 21

Hình 1.15 Hình ảnh hiện trạng sau khi xảy ra trượt lở đất, (a) đê tả sông Chu K24+710-:-K24+820; (b) cầu Mống Sến 22

Hình 1.16 Hình ảnh trượt lở đất ở ga Lâm Giang, tỉnh Yên Bái [40] 22

Hình 1.17 Quan hệ giữa cường độ mưa xâm nhập với hệ số thấm [41] 23

Hình 1.18 Sự thay đổi của hệ số ổn định mái dốc theo thời gian đối với các mái dốc có chiều cao khác nhau [42] 24

Hình 1.19 Sự thay đổi của hệ số ổn định mái dốc theo thời gian đối với các kiểu mưa khác nhau [43] 25

Hình 1.20 Thay đổi của mực nước sông, lượng mưa và hệ số ổn định [45] 26

Hình 1.21 Sự thay đổi của hệ số ổn định mái dốc theo thời gian [46] 27

Hình 2.1 Sự thay đổi của lực tác dụng: (a) đất bão hòa và (b) đất không bão hòa [60] 31 Hình 2.2 Căng kế chế tạo bởi công ty Soilmoisture Equipment Corp [61] 32

Hình 2.3 Hiện tượng trễ của SWCC [1] 34

Hình 2.4 Nguyên lý làm việc của đĩa tiếp nhận khí cao [1] 35

Hình 2.5 SWCC theo phương trình của Fredlund và Xing (1994) 38

Hình 2.6 Kết quả thực nghiệm của định luật thấm Darcy cho đất không bão hòa [68] 41 Hình 2.7 Đường bao phá hoại mở rộng Mohr-Coulomb của đất không bão hòa [1] 45

Hình 2.8 Kết quả thí nghiệm cho đất sét Dhanauri [9] , (a) đất có khối lượng riêng khô nhỏ; (b) đất có khối lượng riêng khô lớn 49

Hình 2.9 Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp cho đất sét Madrid được thực hiện bởi

Escario và Sasez (1986), (a) Quan hệ  và (  a-ua); (b) Quan hệ  và (ua-uw) 49

Hình 2.10 Sơ đồ lực tác dụng trong phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát [89] 50

Hình 3.1 Cấu tạo căng kế kiểu 2725ARL-Jet fill [61] 54

Hình 3.2 Hình ảnh minh họa quá trình lắp đặt căng kế ở hiện trường [61] 55

Hình 3.3 Vị trí xác định lực hút dính ở trong các mái dốc 56

Hình 3.4 Hình ảnh minh họa đo lực hút dính ở hiện trường 57

Hình 3.5 Lực hút dính trong mái dốc đập Khau Piều đợt 2 năm 2017 60

Hình 3.6 Lực hút dính trong mái dốc đập Bầu Lầy đợt 2 năm 2017 60

Hình 3.7 Lực hút dính trong mái dốc đập Chúc Bài Sơn đợt 2 năm 2017 61

Hình 3.8 Quan hệ tương quan giữa lực hút dính và độ bão hòa trong mái dốc công trình thủy lợi 62

Hình 3.9 Đường cong đặc trưng đất nước của đất trong mái dốc công trình thủy lợi 63

Hình 3.10 Bình chiết áp lực cao để xác định SWCC [31] 64

Hình 3.11 Hình ảnh lấy mẫu thí nghiệm ở hiện trường, (a) Khoan khảo sát tại đập Chúc Bài Sơn; (b) Ảnh nõn khoan của đập Chúc Bài Sơn; (c) Khoan khảo sát tại đập Khau Piều; (d) Ảnh nõn khoan của đập Khe Chão 65

Hình 3.12 Hình ảnh bão hòa mẫu thí nghiệm 66

Hình 3.13 Hình ảnh mẫu đất trong bình áp lực khí cao 66

Hình 3.14 Kết quả thí nghiệm xác định SWCC của đất đắp đê hữu Cầu 68

Hình 3.15 Kết quả thí nghiệm xác định SWCC của đất đắp đập Khau Piều 69

Hình 3.16 Kết quả thí nghiệm xác định SWCC của đất đắp đập Chúc Bài Sơn 69

Hình 3.17 Ước lượng SWCC của đất đắp đê hữu Cầu 70

Hình 3.18 Ước lượng SWCC của đất đắp đập Khau Piều 71

Hình 3.19 Ước lượng SWCC của đất đắp đập Chúc Bài Sơn 71

Hình 3.20 Hàm thấm của đất đắp đê hữu Cầu 72

Hình 3.21 Hàm thấm của đất đắp đập Khau Piều 72

Hình 3.22 Hàm thấm của đất đắp đập Chúc Bài Sơn 72

Hình 3.23 Hình ảnh chuẩn bị mẫu thí nghiệm ba trục 73

Hình 3.24 Sơ đồ nguyên lý của máy ba trục 74

Hình 3.25 Máy nén ba trục TRIAX50 tại phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật 75

Hình 3.26 Quan hệ ứng suất biến dạng mẫu đất đắp đập Khau Piều 76

Hình 3.27 Đường bao Coulomb mẫu đất đắp đập Khau Piều 76

Hình 3.28 Sơ đồ nguyên lý của máy cắt trực tiếp 77

Hình 3.29 Máy cắt trực tiếp EDJ-2 tại phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật 78

Hình 3.30 Mặt bao phá hoại của đất đắp đê hữu Cầu 79

Hình 3.31 Quan hệ cường độ kháng cắt và ứng suất pháp thực tương ứng với lực hút dính khác của đất đắp đê hữu Cầu 79

Hình 3.32 Cường độ kháng cắt và lực hút dính tại giá trị ứng suất pháp thực bằng không của đất đắp đê hữu Cầu 80

Hình 3.33 Quan hệ giữa góc ma sát biểu kiến và lực hút dính của đất đắp đê hữu Cầu 80

Hình 3.34 Mặt bao phá hoại của đất đắp đập Khau Piều 81

Hình 3.35 Quan hệ cường độ kháng cắt và ứng suất pháp thực tương ứng với lực hút dính khác nhau của đất đắp đập Khau Piều 81

Hình 3.36 Cường độ kháng cắt và lực hút dính tại giá trị ứng suất pháp thực bằng không của đất đắp đập Khau Piều 82

Hình 3.37 Quan hệ giữa góc ma sát biểu kiến và lực hút dính của đất đắp đập Khau Piều 83

Hình 3.38 Mặt bao phá hoại của đất đắp đập Chúc Bài Sơn 83

Hình 3.39 Quan hệ cường độ kháng cắt và ứng suất pháp thực tương ứng với lực hút dính khác của đất đắp đập Chúc Bài Sơn 84

Hình 3.40 Cường độ kháng cắt và lực hút dính ứng với ứng suất pháp thực khác nhau của đất đắp đập Chúc Bài Sơn 84

Hình 3.41 Quan hệ giữa góc ma sát biểu kiến và lực hút dính của đất đắp đập Chúc Bài Sơn 85

Hình 4.1 Cấu tạo máng thí nghiệm, (a) Trục quay tự do; (b) Thiết bị đo lưu lượng nước tràn; (c) Máng thí nghiệm; (d) Sơ đồ hoàn chỉnh của máng thí nghiệm 89

Hình 4.2 Cấu tạo của dàn tạo mưa 90

Hình 4.3 Cấu tạo căng kế kiểu 2100F-Remote Tensometer 91

Hình 4.4 Hình ảnh bộ kết nối và truyền dẫn dữ liệu lực hút dính 91

Hình 4.5 Hình ảnh giao diện phần mềm ICT 92

Hình 4.6 Đường cong SWCC của vật liệu đất mỏ Đại Phong ở độ chặt K = 0,97 93

Hình 4.7 Hàm thấm của vật liệu đất mỏ Đại Phong ở độ chặt K = 0,97 94

Hình 4.8 Chuẩn bị thí nghiệm, (a) Sơ đồ đắp đất); (b) Đầm đất trong máng thí nghiệm; (c) Lắp đặt căng kế trong đất 95

Hình 4.9 Mô hình thí nghiệm mưa lên mái dốc, (a) Sơ đồ thực tế; (b) Sơ đồ mô phỏng 96 Hình 4.10 Sự thay đổi của cường độ tràn khi hệ số mái m = 1 98

Hình 4.11 Sự thay đổi của cường độ tràn khi hệ số mái m = 2 98

Hình 4.12 Sự thay đổi của cường độ tràn khi hệ số mái m = 4 99

Hình 4.13 Sự thay đổi của cường độ tràn khi hệ số đầm chặt K = 0,70 99

Hình 4.14 Sự thay đổi của cường độ tràn khi hệ số đầm chặt K = 0,95 100

Hình 4.15 Sự thay đổi của lực hút dính trong mái dốc sau thời gian mưa 1 ngày 100

Hình 4.16 Sự thay đổi của lực hút dính trong mái dốc sau thời gian mưa 3 ngày 101

Hình 5.1 Mặt cắt tính toán ổn định đê hữu Cầu 107

Hình 5.2 Phân bố cột nước áp lực trong thân và nền đê hữu Cầu 108 Hình 5.3 Hệ số ổn định mái dốc đê hữu Cầu tính toán trên cơ sở khoa học đất bão hòa 108

Hình 5.4 Hệ số ổn định mái dốc đê hữu Cầu tính toán trên cơ sở khoa học đất KBH 109

Hình 5.5 Sự thay đổi cột nước áp lực tại A của đê hữu Cầu với kiểu mưa HI 109

Hình 5.6 Hệ số ổn định mái dốc đê hữu Cầu khi dừng mưa với kiểu mưa HI 110

Hình 5.7 Sự thay đổi của hệ số ổn định mái dốc đê hữu Cầu với kiểu mưa HI 110

Hình 5.8 Sự thay đổi cột nước áp lực tại A của đê hữu Cầu với kiểu mưa LD 111

Hình 5.9 Hệ số ổn định mái dốc đê hữu Cầu khi dừng mưa với kiểu mưa LD 111

Hình 5.10 Sự thay đổi của hệ số ổn định mái dốc đê hữu Cầu với kiểu mưa LD 111

Hình 5.11 Mặt cắt tính toán ổn định đập Khau Piều 113

Hình 5.12 Phân bố cột nước áp lực trong thân và nền đập Khau Piều 114

Hình 5.13 Hệ số ổn định đập Khau Piều tính toán trên cơ sở khoa học đất bão hòa 115

Hình 5.14 Hệ số ổn định đập Khau Piều tính toán trên cơ sở khoa học đất KBH 115

Hình 5.15 Sự thay đổi cột nước áp lực tại A của đập Khau Piều với kiểu mưa HI 115

Hình 5.16 Hệ số ổn định đập Khau Piều khi dừng mưa với kiểu mưa HI 116

Hình 5.17 Sự thay đổi của hệ số ổn định đập Khau Piều với kiểu mưa HI 116

Hình 5.18 Sự thay đổi cột nước áp lực tại A của đập Khau Piều với kiểu mưa LD 117

Hình 5.19 Hệ số ổn định đập Khau Piều khi dừng mưa với kiểu mưa LD 117

Hình 5.20 Sự thay đổi của hệ số ổn định đập Khau Piều với kiểu mưa LD 118

Hình 5.21 Mặt cắt tính toán ổn định đập Chúc Bài Sơn 120

Hình 5.22 Phân bố cột nước áp lực trong thân và nền đập Chúc Bài Sơn 121

Hình 5.23 Hệ số ổn định đập Chúc Bài Sơn tính toán trên cơ sở khoa học đất bão hòa 121 Hình 5.24 Hệ số ổn định đập Chúc Bài Sơn tính toán trên cơ sở khoa học đất KBH 122 Hình 5.25 Sự thay đổi cột nước áp lực tại A của đập Chúc Bài Sơn với kiểu mưa HI 122 Hình 5.26 Hệ số ổn định đập Chúc Bài Sơn khi dừng mưa với kiểu mưa HI 123

Hình 5.27 Sự thay đổi của hệ số ổn định đập Chúc Bài Sơn với kiểu mưa HI 123

Hình 5.28 Sự thay đổi cột nước áp lực tại A của đập Chúc Bài Sơn với kiểu mưa LD 123 Hình 5.29 Hệ số ổn định đập Chúc Bài Sơn khi dừng mưa với kiểu mưa LD 124

Hình 5.30 Sự thay đổi của hệ số ổn định đập Chúc Bài Sơn với kiểu mưa LD 124

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phương trình cân bằng tĩnh học trong các PP phân mảnh [5] 5

Bảng 1.2 Mối quan hệ các lực tương tác giữa các mảnh [5] 6

Bảng 1.3 Một số kết quả thí nghiệm xác định tham số kháng cắt của đất không bão hòa 16 Bảng 2.1 Các phương pháp thí nghiệm ba trục cho đất không bão hòa 48

Bảng 3.1 Kết quả đo lực hút dính (kPa) ở đỉnh mái dốc đợt 1 năm 2017 57

Bảng 3.2 Kết quả đo lực hút dính (kPa) ở giữa và chân mái dốc đợt 1 năm 2017 58

Bảng 3.3 Kết quả đo lực hút dính (kPa) ở đỉnh mái dốc đợt 2 năm 2017 58

Bảng 3.4 Kết quả đo lực hút dính (kPa) ở giữa và chân mái dốc đợt 2 năm 2017 59

Bảng 3.5 Kết quả xác định độ bão hòa S (%) ở đỉnh mái dốc đợt 2 năm 2017 61

Bảng 3.6 Kết quả xác định độ bão hòa S (%) ở đỉnh mái dốc đợt 1 năm 2017 62

Bảng 3.7 Bảng tổng hợp các đặc trưng cơ bản của ba loại đất thí nghiệm 67

Bảng 3.8 Kết quả tổng hợp thí nghiệm ba trục 76

Bảng 3.9 Kết quả tổng hợp thí nghiệm cắt trực tiếp 85

Bảng 4.1 Thành phần hạt của mỏ đất Đại Phong 93

Bảng 4.2 Chỉ tiêu tính chất vật lý, cơ học của mỏ đất Đại Phong 93

Bảng 4.3 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm tác động của mưa lên mái dốc 97

Bảng 5.1 Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất đê hữu Cầu 107

Bảng 5.2 Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất đập Khau Piều 113

Bảng 5.3 Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất đập Chúc Bài Sơn 120

DANH MỤC CÁC TỪVIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

: Mô hình Modified Kovacs: Thí nghiệm ba trục cố kết không thoát nước: Thí nghiệm ba trục cố kết thoát nước

Thí nghiệm ba trục độ ẩm không đổi: Mưa thời gian ngắn và cường độ lớn: Mưa kéo dài và cường độ nhỏ: Mực nước dâng bình thường: Tiêu chuẩn Quốc gia

2 Giải thích thuật ngữ

- Đường cong đặc trưng đất nước

Đường cong đặc trưng đất nước là biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa lượng chứa nướctrong đất và lực hút của đất Lượng chứa nước trong đất có thể biểu diễn bằng nhiềucách như độ ẩm khối lượng w, độ ẩm thể tích , độ bão hòa Lực hút của đất có thể làlực hút dính, lực hút thẩm thấu hoặc là lực hút tổng

- Lực hút dính

Lực hút dính (ua - uw) là hiệu số của áp lực khí lỗ rỗng ua, thường là áp lực khí quyển

ở ngoài trời và áp lực nước lỗ rỗng uw

- Góc ma sát biểu kiến

Là góc biểu thị lượng tăng của cường độ kháng cắt của đất không bão hòa theo lực hút dính

W kNTrọng lượng thỏi đất

E kNLực tương tác pháp tuyến giữa các thỏi

X kNLực tương tác tiếp tuyến giữa các thỏi

f mKhoảng cách từ tâm quay đến lực thẳng đứng N

x mKhoảng cách nằm ngang từ tâm thỏi đến tâm quay

a mKhoảng cách từ tổng áp lực nước đến tâm quay

α Độ Góc giữa tiếp tuyến qua tâm đáy thỏi với phương ngang

β mChiều rộng đáy thỏi theo phương góc α

-Tỷ trọng

Hệ số rỗng

Hệ số thấm của đất theo phương x

Hệ số thấm của đất theo phương y

Q m3/sĐiều kiện biên của dòng chảy tác dụng lên bề mặt mái dốc

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm vừa qua, ở nước ta đã xảy ra hàng loạt sự cố công trình liên quanđến hiện tượng trượt lở mái dốc gây thiệt hại lớn về người và tài sản Hiện tượng trượt

lở không chỉ xảy ra đối với các mái dốc tự nhiên, mà còn là sự cố thường xuyên đốivới mái dốc đất đắp như đường, đê, đập, hố móng Một trong những tác nhân chínhdẫn đến mất ổn định mái dốc là do mưa Gần đây nhất vào tháng 10 năm 2020, mộtloạt các sự cố trượt lở đất liên tiếp xảy ra ở miền Trung Việt Nam đã để lại những hậuquả thảm khốc

Áp lực nước lỗ rỗng và cường độ kháng cắt của đất là những yếu tố quan trọng khiđánh giá ổn định mái dốc Các quan niệm truyền thống của cơ học đất đều giả thiết đấtbão hòa hoàn toàn khi nằm dưới mực nước ngầm và khô hoàn toàn khi nằm trên mựcnước ngầm Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của nhiều nhà khoa học đã chứng minh sựgia tăng của cường độ kháng cắt trong đất không bão hòa là do tác dụng của áp lựcnước lỗ rỗng âm [1], [2]; tức là làm tăng hệ số ổn định của mái dốc Vì vậy, cần thiếtphải áp dụng các nguyên lý tính toán của cơ học đất không bão hòa trong phân tích ổnđịnh mái dốc, đặc biệt là những nơi có mực nước ngầm ở dưới sâu

Đối với đất không bão hòa, đường cong đặc trưng đất nước (SWCC) được coi là thông

số quan trọng, nó thường được dùng để xác định các đặc tính của đất không bão hoànhư hệ số thấm, cường độ kháng cắt và biến thiên thể tích của đất [3], [4] Phươngtrình SWCC đều chứa các tham số hiệu chỉnh và giá trị của các tham số này tùy thuộc

và đặc điểm riêng biệt của từng loại đất ở các vùng miền khác nhau Tuy nhiên, các sốliệu về SWCC của các loại đất ở Việt Nam còn rất hạn chế Vì vậy, cần thiết bổ sungcác nghiên cứu về đất không bão hòa để cung cấp thêm dữ liệu, làm cơ sở xây dựngSWCC một cách phù hợp hơn cho các loại đất ở Việt Nam

Khi nghiên cứu các tác động của mưa đến ổn định mái dốc, nhiều tác giả trên thế giới

và Việt Nam đã sử dụng mô hình số để nghiên cứu quy luật biến đổi áp lực nước lỗ

rỗng (lực hút dính) và hệ số ổn định mái dốc theo thời gian trong quá trình mưa Tuynhiên, các số liệu thực nghiệm về lượng mưa xâm nhập vào mái dốc, sự thay đổi của

áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình mưa và sau khi dừng mưa vẫn chưa thực sự rõràng Vì vậy, cần có những nghiên cứu khoa học cụ thể, nhằm làm sáng tỏ bản chất,quá trình tác động của mưa đên sự ổn định mái dốc của đất không bão hòa để có nhữnggiải pháp công trình phù hợp và hiệu quả

Với những lý do nêu trên, đề tài „Nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái

dốc đất không bão hòa‟ là thực sự cần thiết và mang nhiều ý nghĩa khoa học thực tế

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu sự thay đổi của hệ số ổn định mái dốc đất không bãohòa dưới tác động của mưa

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là mái dốc đất không bão hòa đắp đắp bằng đất đanguồn gốc phân bố ở miền Bắc Việt Nam

Phạm vi nghiên cứu của đề tài của đề tài là nghiên cứu quá trình biến đổi áp lực nước

lỗ rỗng trong mái dốc dẫn đến thay đổi cường độ kháng cắt của đất và hệ số ổn địnhmái dốc của các loại mái dốc đất đắp công trình thủy lợi như đê, đập

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về ổn định mái dốc đất không bão hòa ở trên thế giới và Việt Nam, từ đó đánh giá những vấn đề tồn tại và định hướng cho nghiên cứu;

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cơ học đất không bão hòa liên quan đến tính toán

ổn định mái dốc;

bao gồm lực hút dính, đường cong đặc trưng đất nước, hàm thấm và cường độ khángcắt;

- Nghiên cứu chế tạo máng thí nghiệm và dàn tạo mưa;

- Nghiên cứu thực nghiệm quá trình nước mưa xâm nhập vào mái dốc đất đắp vớicác mái dốc có độ dốc mái và độ chặt đất đắp khác nhau;

- Nghiên cứu thực nghiệm cơ chế của sự biến thiên áp lực nước lỗ rỗng trong máidốc đất đắp trong quá trình mưa và sau khi dừng mưa;

- Ứng dụng kết quả nghiên cứu để phân tích, đánh giá ảnh hưởng của mưa đến ổnđịnh mái dốc đất đắp không bão hòa cho một số công trình thực tế

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp lý thuyết: nghiên cứu lý thuyết các nội dung liên quan đến cơ học

đất không bão hòa và phân tích ổn định mái dốc;

- Phương pháp thực nghiệm: thực hiện các thí nghiệm trong phòng và hiện

trường xác định các đặc trưng của đất không bão hòa, tiến hành thí nghiệm mẫu lớnphân tích quá trình nước mưa xâm nhập vào mái dốc, cơ chế của sự biến thiên áp lựcnước lỗ rỗng trong mái dốc đất trong quá trình mưa và sau khi dừng mưa;

- Phương pháp mô hình số: mô phỏng, phân tích và đánh giá ổn định mái dốc đất

không bão hòa dưới tác động của mưa;

- Phương pháp chuyên gia: Tổ chức hội thảo, thu thập ý kiến của các chuyên gia,

các nhà khoa học ở một số chuyên ngành liên quan để hoàn thiện nội dung nghiên cứu

đề ra trong luận án

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Đóng góp bộ cơ sở dữ liệu về các đặc trưng của đất không bão hòa ở Việt Nam;

thay đổi áp lực nước lỗ rỗng trong mái dốc trong quá trình mưa và sau khi dừng mưa

6.2 Ý nghĩa thực tiễn:

- Đề xuất công cụ ước lượng SWCC cho một số loại đất dính ở miền Bắc Việt Nam khi không có kết quả thực nghiệm xác định SWCC;

- Đề xuất bổ sung đánh giá ảnh hưởng của mưa kéo dài đến ổn định mái dốc trong công tác thiết kế công trình thủy lợi như đê và đập;

- Góp phần chính xác hóa trong tính toán phân tích ổn định mái dốc trên cơ sở khoa học đất không bão hòa

7 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 5 chươngbao gồm:

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu về ổn định mái dốc đất không bão hòa

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định mái dốc đất không bão hòa

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định các đặc trưng của đất không bão hòaChương 4: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của mưa lên mái dốc đất đắp

Chương 5: Ứng dụng kết quả nghiên cứu tính toán cho một số mái dốc công trình thủy lợi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC

ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA

1.1 Tổng quan về phân tích ổn định mái dốc

1.1.1 Các phương pháp phân tích ổn định mái dốc

Hiện nay có nhiều phương pháp (PP) để phân tích ổn định mái dốc, các PP này được phân thành ba nhóm chính là PP cân bằng giới hạn, PP phân tích giới hạn và PP số

PP cân bằng giới hạn đánh giá trạng thái cân bằng của một khối trượt dưới tác dụngcủa trọng lực Chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay được xem xét trên mộtmặt trượt tiềm năng giả định hoặc đã biết phía dưới khối đất hoặc đá Đối với PP cânbằng giới hạn, kỹ thuật phân mảnh được sử dụng phổ biến nhất Theo trường phái này,khối trượt được chia thành các mảnh như của Taylor (1937), Bishop (1955) và Spencer(1967) Các PP này đều dựa trên nguyên lý cân bằng tĩnh học (tức là cân bằng tĩnh củalực và/hoặc momen), mà không xét đến dịch chuyển trong khối đất Mức độ an toàncủa mái dốc được đánh giá bằng hệ số ổn định mái dốc FS (là tỷ số giữa lực/mô menchống trượt với lực/mô men gây trượt) Các PP phân mảnh khác nhau thì cho kết quảkhác nhau do khác nhau về giả thiết các lực tương tác giữa các mảnh Giả thiết về lựctương tác giữa các mảnh và mối liên hệ giữa chúng của các PP khác nhau được tổnghợp trong Bảng 1.1 Điều kiện cân bằng tĩnh học cần được thỏa mãn của các PP phânthỏi khác nhau được nêu trong Bảng 1.2

Bảng 1.1 Phương trình cân bằng tĩnh học trong các PP phân mảnh[5]

Phương pháp Cân bằng mô men Cân bằng lực

Bảng 1.2 Mối quan hệ các lực tương tác giữa các mảnh[5]

mái dốc

của thỏi đất

mái dốc và đáy thỏi

Đối với PP phân tích giới hạn thì đất được coi như là một vật liệu dẻo tuyệt đối và thỏamãn đồng thời hai định lý giới hạn trên và giới hạn dưới Theo nguyên lý giới hạn trên,nếu các tải trọng ngoài tác dụng lên một khối trượt và công sinh ra bởi các tải trọngngoài gây gia tăng chuyển vị cân bằng với công sinh ra bởi nội lực thì giá trị tải trọngngoài không nhỏ hơn tải trọng phá hủy Còn theo nguyên lý giới hạn dưới, nếu trườngứng suất được tìm thấy cân bằng với tải trọng ngoài không vượt qua điều kiện phá hoạithì tải trọng ngoài không lớn hơn tải trọng phá hủy [6]

Đối với PP số như phần tử hữu hạn thì khối đất được rời rạc hóa thành các phần tử liên kếtvới nhau tại các điểm nút Mỗi nút phần tử là một tập hợp các bậc tự do có thể thay đổidựa theo điều kiện biên của bài toán Tất cả các điều kiện của phần tử được tập hợp lạithành ma trận tổng thể Giải phương trình ma trận tổng thể sẽ tìm được nghiệm của bàitoán Griffiths và Lane (1999) cho rằng PP phần tử hữu hạn có những ưu điểm so với PPkhác như sau: (1) Không cần giả thiết hình dạng hoặc vị trí của mặt trượt, sự “trượt” xảy

ra một cách tự nhiên ở những vùng mà cường độ kháng cắt của đất không thỏa mãn điềukiện cân bằng giới hạn; (2) Không cần giả thiết về lực tương tác giữa các mảnh vì khôngcần phân chia khối trượt thành các mảnh, PP phần tử hữu hạn duy trì trạng thái cân bằngtổng thể cho đến khi phá hoại; (3) Nếu có các thông số về đặc

trưng biến dạng thì sẽ tìm được biến dạng của khối đất; (4) PP phần tử hữu hạn có khảnăng mô phỏng quá trình dẫn đến trạng thái phá hoại [7].

Trong các PP trên thì PP cân bằng giới hạn được sử dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giớicũng như ở Việt Nam trong các phân tích tính toán và thiết kế mái dốc Các phân tích nàyđược hỗ trợ tích cực bởi các phần mềm thương mại nổi tiếng trên thế giới như GeoStudiocủa Canada hay Geo5 của Cộng hòa Séc [5], [8] Các bộ phần mềm có giao diện đẹp, dễ

sử dụng và có thể tính toán được nhiều PP khác nhau như PP của Janbu (1954), Bishop(1955), Morgenstern-Price (1965), Spencer (1967) và Sarma (1973)

1.1.2 Phân tích ổn định mái dốc trên cơ sở khoa học đất không bão hòa

Các tham số cường độ kháng cắt góc ma sát trong ‟ và lực dính đơn vị c‟) thườngđược sử dụng khi thực hiện phân tích ổn định mái dốc đất bão hòa Tuy nhiên, nhữngnghiên cứu gần đây đã làm sáng tỏ sự gia tăng của cường độ kháng cắt do áp lực nước

lỗ rỗng âm (lực hút dính) dẫn tới tăng hệ số ổn định mái dốc [1], [9]

Để xét ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng âm khi phân tích ổn định mái dốc đất khôngbão hòa thì có thể sử dụng PP đưa lực hút dính vào lực dính của đất theo cách thức củaChing và cộng sự, đây được gọi là PP “lực dính toàn phần” [10] Theo PP này thì lực dínhcủa đất được xem là tăng lên khi lực hút dính của đất tăng lên Độ tăng của lực dính từ lựchút dính là (ua - uw)tgb, cường độ kháng cắt của đất do lực dính đảm nhận được gộp vàothành phần lực hút dính của đất là c = c‟+(ua - uw)tgb PP thứ hai để xét ảnh hưởng của

áp lực nước lỗ rỗng âm gọi là “cường độ kháng cắt mở rộng” Quan hệ giữa cường độkháng cắt với lực hút dính có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến

Fredlund và Rahardjo (1993) đã sử dụng PP “lực dính toàn phần” để đánh giá ổn định chomột mái dốc đứng ở Hong Kong Trong tính toán, các tham số cường độ kháng cắt (‟, c‟

và b) được các tác giả xác định từ thí nghiệm trong phòng Áp lực nước lỗ rỗng âm đượcxác định bằng các căng kế ở hiện trường Trong chuỗi phân tích thứ nhất, khi bỏ qua ảnhhưởng của lực hút dính thì hệ số ổn định mái dốc của các mặt cắt tính toán đều nhỏ hơn1,0 tức là mái dốc không ổn định Tuy nhiên, trong thực tế các mái dốc vẫn ổn định, điều

đó chứng tỏ lực hút dính góp phần gia tăng cường độ kháng cắt và đã đảm bảo mái dốc ổnđịnh Trong chuỗi phân tích thứ hai, dựa theo kết quả đo đạc

lực hút dính ở hiện trường các tác giả đã phân chia thành các lớp mỏng có chiều dày5,0 m Mỗi lớp này có một giá trị “lực dính toàn phần” độc lập, lượng tăng của lực hútdính đối với mỗi lớp là (ua - uw)tgb Kết quả tính toán đã cho thấy, hệ số ổn định máidốc đều lớn hơn 1,0 khi dựa và giá trị lực hút dính đo ngày 29/11/1980 và ngày27/10/1981 [1].

Đối với PP “cường độ kháng cắt mở rộng”, Fredlund và Rahardjo (1993) cũng đã áp dụngtính toán cho một mái dốc tàn tích cao 38,0 m với góc dốc 60o ở Hong Kong [1] Phươngtrình cường độ kháng cắt được sử dụng theo đề xuất của của Fredlund và cộng sự Sự khácbiệt của phương trình này so với phương trình cường độ kháng cắt của đất bão hòa là xuấthiện thành phần (ua - uw)tgb, tức là cường độ kháng cắt của đất không bão hòa tăng tuyếntính theo giá trị lực hút dính [11] Kết quả phân tích cho thấy, khi bỏ qua áp lực nước lỗrỗng âm (tức là b/‟ = 0) thì hệ số ổn định mái dốc bằng 0,9 Tuy nhiên, không tìm thấybất cứ dấu hiệu nào của sự mất ổn định mái dốc, chứng tỏ hệ số ổn định mái dốc phải lớnhơn 1,0 Điều này giải thích áp lực nước lỗ rỗng âm đã góp phần tăng thêm cường độkháng cắt của đất và làm tăng thêm hệ số ổn định Khi thay đổi tỷ số b/‟ từ 0,25 đến 1,0thì hệ số ổn định mái dốc thay đổi từ 1,0 đến 1,4

1.2 Tầm quan trọng của cơ học đất không bão hòa

1.2.1 Môi trường đất không bão hòa

Môi trường đất chịu ảnh hưởng lớn tác động của khí hậu thông qua quá trình bốc hơi

và thẩm thấu Theo nghiên cứu của Dregne (1976), có tới 33% bề mặt trái đất được coi

là khô hạn và bán khô hạn [12] Trong khi đó, ở Việt Nam có đến 74,3% diện tích làvùng đồi núi và trung du [13], những vùng đất này thường có mực nước ngầm ở khásâu Vùng đất nằm dưới đường bão hòa thì có áp lực nước lỗ rỗng dương, trong khivùng đất không bão hòa có áp lực nước lỗ rỗng âm Quá trình nước trong lỗ rỗng đi rakhỏi vùng đất bề mặt bởi quá trình bốc hơi sẽ làm cho đất tiếp tục khô hơn và làm tăng

áp lực nước lỗ rỗng âm Ngược lại, nước mưa và dòng chảy mặt tạo thành dòng thấmhướng vào đất thì làm đất tăng ẩm và giảm áp lực nước lỗ rỗng âm

Fredlund và Rahardjo (1993) đã đưa ra quá trình thay đổi áp lực nước lỗ rỗng trongvùng đất nằm trên đường bão hòa khi có quá trình mưa và bốc hơi như ở Hình 1.1 [1]

Khi bề mặt đất được che phủ kín, không có quá trình mưa và bốc hơi tác động thì áplực lỗ rỗng có dạng đường thẳng giống như áp lực thuỷ tĩnh (đường 1) Khi không cóquá trình nước mưa cung cấp, thường sẽ xuất hiện quá trình bốc hơi nước từ trong đất

đi ra, làm độ ẩm giảm dẫn tới đường áp lực nước lỗ rỗng dịch chuyển về phía trái(đường 2), cường độ kháng cắt tăng lên làm cho hệ số ổn định mái dốc tăng Vùngthay đổi lớn nhất nằm ở vùng gần bề mặt đất Thời gian bốc hơi càng dài thì đường áplực lỗ rỗng càng dịch về bên trái, và dần dần mực nước ngầm hạ thấp Khi có mưa thìlượng nước mưa sẽ thấm vào trong đất, làm cho đường áp lực nước lỗ rỗng dịchchuyển về bên phải (đường 3) Quá trình này sẽ làm cho vùng không bão hoà thu hẹp,cường độ kháng cắt giảm dẫn đến mất ổn định mái dốc

Dòng thấm hướng lên

ổn định

Hình 1.1 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong đới không bão hòa [1]

1.2.2 Các trường hợp điển hình liên quan đến cơ học đất không bão hòa

1.2.2.1 Quá trình thi công và vận hành của đập đất

Khi thi công đập đất, đất thường được rải thành từng lớp và đầm chặt, chiều dày mỗilớp khoảng từ 25†30 cm đối với đất dính Đất đầm chặt thường có độ bão hòa khoảng70% đến 80% Khi được đầm chặt, thì áp lực khí lỗ rỗng trong đất xấp xỉ áp lực khí

quyển, còn áp lực nước lỗ rỗng có giá trị âm Khi chiều dày khối đắp tăng lên, các lớpđất phía trên sẽ gây lực nén truyền xuống lớp dưới và làm tăng ứng suất lên khối đắp.

Sự nén chặt này làm thay đổi áp lực khí lỗ rỗng và áp lực nước lỗ rỗng Quá trình thicông thường diễn ra nhanh chóng nên sự thay đổi thể tích của đất xảy ra trong điềukiện không thoát nước Tại thời điểm bất kỳ trong quá trình thi công, áp lực khí lỗ rỗng

và áp lực nước lỗ rỗng theo Fredlund và Rahardjo (1993) có thể được biểu diễn thànhcác đường đẳng trị như trên Hình 1.2 [1]

Đống đá

a) Áp lực nước lỗ rỗng (kPa)

Đống đá

b) Áp lực khí lỗ rỗng (kPa)

Hình 1.2 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng (hình a) và áp lực khí lỗ rỗng (hình b) ngay sau

khi thi công một lớp đắp thân đập [1]

Đống đá Mực nước

đến khi hình thành trạng thái làm việc ổn định Thậm chí, dưới tác động của môitrường như mưa, bốc hơi thì cũng tiếp tục làm thay đổi áp lực nước lỗ rỗng và áp lựckhí lỗ rỗng Đất bão hòa không thể xem xét quá trình thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng

âm, do đó cần thiết phải coi đất là môi trường không bão hòa

1.2.2.2 Mái dốc tự nhiên và mái dốc hố móng chịu tác động của mưa

Mái dốc tự nhiên và mái dốc hố móng luôn chịu tác động của biến đổi môi trường (Hình1.4) Khi có mưa, nước mưa xâm nhập vào mái dốc làm tăng độ ẩm của đất, giảm lực hútdính, giảm cường độ kháng cắt và giảm hệ số ổn định mái dốc Trong điều kiện khô hạn,nước bốc hơi từ bề mặt mái dốc sẽ làm giảm độ ẩm của đất, tăng lực hút dính, tăng cường

độ kháng cắt và tăng hệ số ổn định mái dốc Để đánh giá mức độ ổn định của mái dốc, cầntiến hành khảo sát địa hình và địa chất để xác định chính xác hình dạng mái dốc và chỉtiêu cơ lý của các lớp đất Trong nhiều trường hợp xảy ra trong thực tế, mặt trượt thườngkhá nông và hầu như ở phía trên mực nước ngầm [1]

Hình 1.4 Mái dốc tự nhiên (a) và mái dốc hố móng (b) chịu tác động của mưa [1]

Các vấn đề được đặt ra có thể là: (1) sự thay đổi của hình dạng mái dốc có ảnh hưởng

gì đến điều kiện áp lực nước lỗ rỗng? (2) Áp lực nước lỗ rỗng thay đổi như thế nàotrong quá trình mưa? (3) vị trí mặt trượt nguy hiểm có bị thay đổi do mưa hay không?(4) hệ số ổn định mái dốc có thay đổi theo thời gian mưa hay không? Tương tự nhưtrên, vấn đề này chỉ có thể được giải quyết khi coi đất là môi trường không bão hòa

1.3 Tổng quan nghiên về cứu cường độ kháng cắt đất không bão hòa

1.3.1 Khái niệm đường cong đặc trưng đất-nước

Đường cong đặc trưng đất- nước (SWCC) được định nghĩa là mối quan hệ giữa lượngchứa nước trong đất và lực hút của đất SWCC được coi là thông số trung tâm của đấtkhông bão hòa, nó được dùng để xác định các đặc tính của đất không bão hoà như hệ

số thấm, cường độ chống cắt và biến thiên thể tích của đất [3], [4]

SWCC thường được phân chia thành 3 vùng là vùng bão hòa, vùng chuyển tiếp vàvùng tàng dư với hai giá trị biên là giá trị khí vào (AEV) và lực hút dính dư Hình 1.5

biểu diễn quan hệ giữa độ ẩm trọng lượng, w, là tỷ số giữa khối lượng (hoặc trọnglượng) nước trong đất với khối lượng (hoặc trọng lượng) hạt đất

SWCC có thể xác định trực tiếp bằng thí nghiệm Tuy nhiên, các thí nghiệm đối với đấtkhông bão hòa thường khá tốn kém và mất rất nhiều thời gian Vì vậy, nhiều nhà khoa học

đã tìm cách thiết lập các phương trình SWCC Các phương trình thực nghiệm có thể đượcphân thành hai dạng đó là phương trình SWCC có hai tham số hiệu chỉnh [14], [15], [16]

hoặc phương trình SWCC có ba tham số hiệu chỉnh [17] [18], [19] Để xác định được cáctham số hiệu chỉnh, cần phải tiến hành thí nghiệm xác định mối quan hệ giữa lượng chứanước và lực hút dính tại một số điểm nhất định

Độ ẩm trọng lượng (%)

Vùng chuyển tiếp

Giá trị khí vào

Điểm uốn

Biên ảnh

Vùng tàng dư hưởng

Lực hút dính dư Lực hút dính (kPa)

Hình 1.5 Đường cong đặc trưng đất- nước điển hình [1]

1.3.2 Cường độ kháng cắt của đất không bão hòa

Cường độ kháng cắt của đất là tính chất quan trọng được sử dụng trong các bài toánĐịa kỹ thuật liên quan đến ổn định mái dốc, sức chịu tải của đất nền hoặc áp lực đấtlên tường chắn Cường độ kháng cắt được hiểu là lực chống trượt lớn nhất trên mộtđơn vị diện tích tại mặt trượt giữa hai khối đất

Đối với đất bão hòa, Tezaghi (1936) sử dụng tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb biểudiễn phương trình cường độ kháng cắt [20]:

Đối với đất không bão hòa, Fredlund và cộng sự (1978) đề xuất sử dụng tổhợp biến trạng thái ứng suất là ứng suất pháp thực (- ua) và lực hút dính (ua-

uw) để biểu thị cường độ kháng cắt, phương trình có dạng [11]:

13

    (1-2)

Trong đó: f là cường độ kháng cắt của đất; c’ là lực dính đơn vị; (– ua) là ứng suấtpháp thực; (ua – uw) là lực hút dính; ’ là góc ma sát trong; b là góc má sát biểu thịlượng tăng của cường độ kháng cắt theo lực hút dính (góc ma sát biểu kiến)

So với đất bão hòa, cường độ kháng cắt của đất không bão hòa có thêm thành phần(ua– uw) tgb, đại lượng này thể hiện sự gia tăng cường độ kháng cắt của đất khôngbão hòa so với đất bão hòa là do lực hút dính Như vậy, cường độ kháng cắt đấtkhông bão hòa là sự mở rộng của tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb so với đất bãohòa Những nghiên cứu ban đầu cho thấy góc b hầu như không đổi chứng tỏ quan

hệ tuyến tính của cường độ kháng cắt theo lực hút dính Tuy nhiên, các nghiên cứusau này đã cho thấy sự thay đổi của góc b theo lực hút dính Đây là tiền đề cho sựphát triển của các phương trình cường độ kháng cắt phi tuyến sau này

1.3.3 Tình hình nghiên cứu về SWCC và cường độ kháng cắt của đất không bão

hòa trên thế giới

Các kết quả nghiên cứu về SWCC đã được nhiều nhà khoa học tiến hành cho các loại đất khácnhau ở trên thế giới Các nghiên cứu đều chỉ ra xu hướng biến thiên của AEV và lực hút dính

dư là tăng dần khi thay đổi từ đất cát đến đất bụi, đất á sét và đất sét Theo các kết quả nghiêncủa Sillers (1997) và Pham (2002), đối với đất cát thì SWCC thường có dạng dốc đứng vớiAEV thường nhỏ hơn 5,0 kPa và giá trị lực hút dính dư thường nhỏ hơn 15,0 kPa [21], [22] Đất bụi và đất á sét có AEV khoảng vài chục kPa trong khi lực hút dính dư khoảngvài trăm kPa, đất sét thì có dạng SWCC khá thoải với AEV lên tới hàng nghìn kPa[23], [24] Hình dáng một số SWCC điển hình của một số loại đất được mình họa ở

Hình 1.7 Ở trường hợp này, lượng chứa nước trong đất được tính bằng độ ẩm thểtích, , là tỷ số giữa thể tích nước trong đất và thể tích mẫu đất

Nhiều kết quả nghiên cứu thực nghiệm của các nhà khoa học trên thế giới đã chứng tỏ

sự tồn tại của góc ma sát biểu kiến b [25], [26], [27] Khi giá trị lực hút dính nhỏ, thông thưởng nhỏ hơn 50 ÷ 70 kPa thì góc b có giá trị bằng góc ma sát trong ’, nhưng sau đó giảm dần và duy trì ở giá trị bằng 1/2’ đến 1/3’ khi lực hút dính lớn từ

200 ÷ 300 kPa Một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định tham số kháng cắt của một số loại đất không bão hòa ở trên thế giới được tổng hợp ở Bảng 1.3

Đất bụi

Đất cát

Lực hút dính (kPa)

Hình 1.7 SWCC của một số loại đất điển hình [28]

Sự phi tuyến của góc ma sát biểu kiến b theo lực hút dính (ua-uw) đối với đất khôngbão hòa đã được nhiều nhà khoa học kiểm chứng [1] Bằng cách phân tích lại kếtquả thí nghiệm với đất sét Dhanauri được thực hiện bởi Satija (1978), Fredlund vàcộng sự (1987) đã chỉ rõ quan hệ phi tuyến của cường độ chống cắt với lực hút dính

ở Hình1.8 Kết quả thí nghiệm cho thấy, đối với đất sét Dhanauri có khối lượng riêng

khô nhỏ thì b = ’ = 29o khi lực hút dính nhỏ hơn 50 kPa, sau đó giảm nhanh khi lựchút dính tăng và duy trì ở giá trị b = 16,2o khi lực hút dính vượt qua 150 kPa

Hình 1.8 Kết quả thí nghiệm cho đất sét Dhanauri thực hiện bởi Satija với đất có khối

lượng riêng khô nhỏ [9]

Bảng 1.3 Một số kết quả thí nghiệm xác định tham số kháng cắt của đất không bão hòa

Satyanaga (2019)Thu và cộng sự (2006) đã tiến hành một chuỗi thí nghiệm CW cho đất bụi đầm chặt [29] Kếtquả thí nghiệm đã chứng minh sự phụ thuộc của b theo cả lực hút dính và ứng suất phápthực Tuy nhiên, khi lực hút dính có giá trị nhỏ hơn 50 kPa hoặc lớn hơn 170 kPa thì

b có giá trị không đổi tức là hầu như không phụ thuộc vào lực hút dính và ứng suấtpháp thực Trong phạm vi giá trị của lực hút dính từ 50 đến 170 kPa thì b có xu thếtăng dần theo độ lớn của ứng suất pháp thực Chẳng hạn như, tại giá trị lực hút dínhbằng 100 kPa, b tăng dần từ 17o khi ứng suất pháp thực là 50 kPa lên đến 25o khiứng suất pháp thực là 300 kPa như minh họa ở Hình 1.9

1.3.4 Tình hình nghiên cứu về SWCC và cường độ kháng cắt của đất không bão

hòa ở Việt Nam

Các nghiên cứu thực nghiệm về SWCC và cường độ kháng cắt đất không không bãohòa ở Việt Nam còn rất nhiều hạn chế do thiếu các thiết bị thí nghiệm về cơ học đấtkhông bão hòa Cho đến nay mới chỉ có một số nghiên cứu thực nghiệm được thựchiện bởi Hằng và cộng sự (2010), Nhung và cộng sự (2010), Hương (2013), Toan(2016) và một số tác giả khác Nổi bật trong số đó là các kết quả nghiên cứu củaHương (2013) và Toan (2016)

Toan (2016) đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của thành phần hạt và trọng lượng riêng của đấtđến AEV và lực hút dính dư cho một số loại đất dọc bờ sông Hồng khu vực Hà Nội

[30] Do hạn chế về thiết bị thí nghiệm ở trong nước, tác giả đã sử dụng bình chiết áplực cao tại phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật của đại học Ibaraki, Nhật Bản Kết quả thínghiệm ở Hình 1.10 cho thấy lực hút dính chịu ảnh hưởng rất lớn bởi thành phần hạt

và trọng lượng riêng của đất AEV và lực hút dính dư có xu hướng giảm rõ giữa cácnhóm hạt khác nhau, từ nhóm hạt sét đến nhóm hạt cát khi hàm lượng hạt sét giảm,hàm lượng hạt bột và hạt cát trong đất tăng Với cùng trọng lượng riêng bằng 15 kN/

m3, AEV giảm từ 50 kPa đến 9 kPa, giá trị lực hút dính dư giảm từ 600 kPa đến 25kPa khi hàm lượng hạt mịn trong đất giảm dần AEV và lực hút dính dư có giá trị cao

hơn khi trọng lượng riêng của đất cao hơn Tuy nhiên tác giả chưa thiết lập đượcphương trình thực nghiệm xác định SWCC cho loại đất nghiên cứu.

minh họa kết quả thí nghiệm xác định SWCC của vật liệu đất đắp đập Khe Cát (QuảngNinh) với độ chặt chế bị K=0,95 Đồng thời tác giả cũng đã đề xuất hiệu chỉnh hai tham sốthực nghiệm là m và n trong phương trình SWCC được đề xuất bởi Fredlund và Xing(1994) nhằm phù hợp hơn với loại đất ở Việt Nam [18] Tác giả cũng đã tiến hành thínghiệm nén 3 trục CD và CW cho các loại đất này, kết quả cho thấy khi lực hút dính tăngthì góc ma sát trong không tăng nhưng lực dính tăng lên Đồng thời góc b =’ khi lựchút dính nhỏ hơn giá trị khí vào, sau đó giảm nhanh khi lực hút dính tăng lên Kếtquả thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt của đất theo phương pháp cắt trựctiếp và cắt ba trục cho cùng loại mẫu thí nghiệm không khác biệt đáng kể Lựcdính từ thí nghiệm ba trục có xu thế thấp hơn lực dính từ thí nghiệm cắt trực tiếpkhi cùng lực hút dính, góc b từ kết quả thí nghiệm ba trục CD lớn hơn góc b từkết quả thí nghiệm ba trục CW

18

Hình 1.11 SWCC của vật liệu đất đắp đập Khe Cát [31]

1.4 Tổng quan nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc đất không bão hòa

1.4.1 Ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc

Mưa là tác nhân chủ yếu dẫn đến mất ổn định mái dốc Khi có mưa, nước mưa xâmnhập vào mái dốc làm tăng độ ẩm, tăng trọng lượng, tăng áp lực nước lỗ rỗng, giảmcường độ kháng cắt, dâng cao mực nước ngầm và dẫn đến giảm hệ số ổn định mái dốc.Nếu cường độ mưa lớn hơn cường độ xâm nhập, sẽ xuất hiện dòng chảy tràn trên bềmặt mái dốc Dòng chảy bề mặt có nguy cơ làm tan rã và xói mòn đất Khi bị xói mòn,mái dốc có nguy cơ xảy ra hiện trượng trượt lở đất

Hình 1.12 Hình ảnh một trận trượt lở đất do mưa, (a) ở Mỹ [32] ; (b) ở Ý [33]

Hiện tượng trượt lở đất xảy ra rộng khắp trên thế giới, gây tổn thất lớn và tài sản vàcon người Ở Mỹ, trung bình mỗi năm trượt lở đất làm 2050 người chết và thiệt hại

hảng tỷ đô la Hình 1.12 cho thấy sự tàn phá khủng khiếp của một vụ trượt lở mái dốcxảy ra ở Mỹ [32] Ở Ý, trượt lở đất cũng đã gây ra sự tàn phá nặng nề (Hình 1.12).Trong khoảng thời gian từ 19542013, đã có 1279 người bị chết và 1731 người bịthương do trượt lở đất [33] Gariano và cộng sự (2015) đã thống kê dữ liệu về các vụtrượt lở đất ở tỉnh Calabria phía nam nước Ý cho thấy có 1466 vụ sạt lở đất xảy ra từnăm 1921 đến 2010 Trong khoảng thời gian từ 1981 đến 2010 các vụ sạt lở đất do cáctrận mưa nhỏ xảy ra với mật độ nhiều hơn ở các giai đoạn trước chứng tỏ nguy cơ vềtrượt lở đất ngày càng gia tăng.

Hình 1.13 Hình ảnh hiện trạng sau khi trượt lở đất tại Yabakei, tỉnh Oita, Nhật Bản

Do đặc điểm về địa chất và khí hậu, Nhật Bản là nơi thường xuyên xảy ra các vụ trượt

lở đất [34] Do đó, hội trượt lở đất Nhật Bản đã được thành lập rất sớm kể từ năm

1963 Mục đích chính của hội là nghiên cứu các nguyên nhân, cơ chế xảy ra trượt lởđất và đề xuất các biện pháp giảm thiểu tác hại của trượt lở đất Gần đây, một khốitrượt có kích thước rất lớn với chiều dài 220 m, chiều rộng 160 m và chiều sâu 35 mxảy ra ngày 11/04/2018 tại Yabakei, tỉnh Oita, Nhật Bản đã làm chết 6 người và nhiềungôi nhà bị đổ sập Để khắc phục sự cố này, các kỹ sư của Nhật Bản đã áp dụng nhiềugiải pháp công trình gồm lưới chắn đá rơi, giếng thu nước, đinh đất, neo và tương chắnđất (Hình 1.13) Chi phí xây dựng của công trình tiêu tốn tới gần 600 tỷ đồng

Việt Nam có trên 70% diện tích là vùng núi và trung du, với trên 6000 hồ đập và hàngchục nghìn kilomet đê và đường giao thông, nên hiện tượng mất ổn định mái dốc xảy

ra thường xuyên, gây thiệt hại lớn về người và của Theo báo cáo của Tổng cục phòngchống thiên tai thì năm 2017 thiên tai đã làm chết và mất tích 400 người, gây thiệt hại

gần 60 ngàn tỷ đồng, năm 2018 giảm xuống còn 224 người chết và mất tích, thiệt hạikinh tế gần 20 ngàn tỷ đồng, trong đó vấn đề trượt lở đất được coi là một trong nhữngtai biến chính [35].

Hình 1.14 Hình ảnh trượt lở đất, (a) ở lòng hồ Đăk Lông Thượng [36]; (b) ở hạ lưu

Thủy điện Trung Sơn [37]

Theo điều tra của Thắng (2016), hiện tượng trượt lở lòng hồ Đăk Lông Thượng, tỉnhLâm Đồng bắt đầu hình thành và mở rộng từ tháng 4 đến tháng 9 năm 2013, trong giaiđoạn mùa mưa ở vùng Tây Nguyên [36] Có tất cả 4 vị trí trượt lở dọc theo tuyếnđường ven lòng hồ Trong đó, vị trí trượt lở số 4 nằm trên tuyến đường ven lòng hồphía bờ trái và cách tràn xả lũ 1500m là có quy mô lớn nhất với chiều dài cung trượt130m, chiều rộng khe nứt từ 60÷70cm và chênh cao tại đỉnh khối trượt lên tới 1,7m

(Hình 1.14) Hiện tượng trượt lở đất còn xảy ra đối với rất nhiều hồ chứa công trìnhthủy lợi-thủy điện khác như sự cố trượt lở mái đào vai phải hố xói Thủy điện TrungSơn, tỉnh Thanh Hóa xảy ra vào ngày 31/08/2018 [37] Hay gần đây nhất là sự cố trượt

lở mái dốc làm vỡ đường ống dẫn nước Thủy điện Đăk Kar, tỉnh Đăk Nông xảy rangày 07/08/2019 [38]

Do ảnh hưởng mưa lũ của hoàn lưu bão số 10, ngày 21/9/2013 trên tuyến đê tả sôngChu (Thanh Hóa) xuất hiện cung trượt ngay trên mái đê phía sông đoạn từ K24+710-:-K24+820 dài 110m (Hình 1.15) Kích thước khối trượt rất lớn, có nguy cơ gây mất antoàn cho dân cư các xã Thọ Trường, huyện Thọ Xuân, xã Thiệu Ngọc, Thiệu Vũ,huyện Thiệu Hóa

a) b)

Hình 1.15 Hình ảnh hiện trạng sau khi xảy ra trượt lở đất, (a) đê tả sông Chu

K24+710-:-K24+820; (b) cầu Mống SếnVào tháng 7/2004, tại khu vực Cầu Mống Sến (Hình 1.15), Quốc lộ 4D (từ Sa Pa điLào Cai), một trận trượt lở đất từ sườn núi đã đổ ập xuống một dãy nhà lán trại tạicông trường của một Công ty xây dựng cầu đường, làm chết 2 người và hư hỏng nhiềutài sản khác Tiếp đó, một trận trượt lở đất kinh hoàng ở thôn Sùng Hoàng, xã PhìnNgan, huyện Bát Xát, tỉnh Lào Cai đã xảy ra vào hồi 21h ngày 13/9/2004 Trên mộtvạn mét khối đất đá từ trên cao đổ ập xuống tạo ra chiều rộng vết trượt 100m, dài400m đã vùi lấp hoàn toàn 4 ngôi nhà của đồng bào dân tộc Dao, 23 người chết và mấttích cùng với nhiều tài sản chôn vùi trong giây lát [39]

Hình 1.16 Hình ảnh trượt lở đất ở ga Lâm Giang, tỉnh Yên Bái [40]

Ngày 09/10/2017 cũng đã xảy ra một trận trượt lở đất quy mô lớn ở ga Lâm Giang, tỉnhYên Bái Khoảng 70.000†100.000m3 đất đá trượt lở từ sườn núi đổ ập xuống giữa gácchắn và nhà ga Chiều rộng khối trượt khoảng 100m đã vùi lấp 7 toa tàu hàng,