Ảnh hưởng của độ bão hòa trong đất cát pha sét đến độ ổn định của mái dốc

TÓM TẮT LUẬN VĂN Đất không bão hòa thường có các đặc tính về ứng suất – biến dạng, biến thiên áp lực nước lỗ rỗng, cường độ sức chống cắt, hệ số thấm,… không tuân theo các lý thuyết của

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS ĐỖ THANH HẢI

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày … tháng … năm …

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ bao gồm: 1

2

3

4

5 Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận Văn và Trưởng khoa

Nguyễn Minh Tâm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

-

Tp.HCM, ngày 15 tháng 06 năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: PHẠM NGỌC ĐĂNG KHOA MSHV: 13090081

Ngày, tháng, năm sinh: 23-03-1981 Nơi sinh: Đồng Nai

Địa chỉ mail: dangkhoa_cocnhoi@yahoo.com Điện thoại: 0919126625 Chuyên ngành: KT Xây Dựng Công Trình Ngầm MN: 60 58 02 04

- Thiết kế, chế tạo dụng cụ thí nghiệm đường quan hệ Đất – Nước (SWCC) theo nguyên lý bình chiết tấm áp lực Tempe

- Xây dựng đường quan hệ Đất – Nước (SWCC) cho đất cát pha sét

- Tính toán sự ổn định mái đốc bằng mô hình đất bão hòa và mô hình đất không bão hòa Sự thay đổi của hệ số an toàn ổn định mái dốc khi độ bão hòa hay mực nước ngầm thay đổi bằng phần mềm Geoslope

2- NỘI DUNG:

- MỞ ĐẦU

- CHƯƠNG 1: Tổng Quan Nghiên Cứu

- CHƯƠNG 2: Cơ Sở Lý Thuyểt Đất Không Bão Hòa, Sức Chống Cắt Đất Không Bão Hòa Và Mái Dốc

- CHƯƠNG 3: Thí Nghiệm Trong Phòng Xác Định Cường Độ Chống Cắt Và Đường Cong Đất – Nước (SWCC)Trên Mẫu Đất Không Bão Hòa

- CHƯƠNG 4: Ứng Dụng Tính Toán Ổn Định Mái Dốc Thực Tế Bằng Phần Mềm

Geoslope

- Kết Luận Và Kiến Nghị

- Tài Liệu Tham Khảo

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/01/2015

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 15/06/2015

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS ĐỖ THANH HẢI

Ngày 15 tháng 06 năm 2015

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TS NGUYỄN MINH TÂM

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn và gửi đến Thầy TS Đỗ Thanh Hải lời cảm ơn sâu sắc nhất, người đã tạo cho em ý tưởng thực hiện đề tài này và luôn đồng hành, tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức cho em trong suốt quá trình hoàn hiện luận văn

Em xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô trong Bộ môn Địa cơ - Nền móng - Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM đã tận tình dạy bảo trong suốt quá trình học tập

Em xin chân thành cảm ơn cô Đặng Thị Ngọc và các bạn Truyền, bạn Vĩnh,

đã quan tâm giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất trong suốt thời gian em làm thí nghiệm nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của bộ môn Địa Cơ Nền Móng

Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, bạn bè và các thầy cô đã tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn thạc

sĩ này

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2015

Học viên

Phạm Ngọc Đăng Khoa

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đất không bão hòa thường có các đặc tính về ứng suất – biến dạng, biến thiên

áp lực nước lỗ rỗng, cường độ sức chống cắt, hệ số thấm,… không tuân theo các lý thuyết của cơ học đất bão hòa Trong thực tế có nhiều bài toán địa kỹ thuật liên quan tới môi trường đất không bão hoà như đất tàn tích, đất trương nở, đất nén sập

và đất đầm nén… Cường độ chống cắt của đất không bão hòa có ảnh hưởng rất lớn đến trạng thái ổn định của công trình đất Việc nghiên cứu xác định thông số cường

độ chống cắt đất không bão hòa có ý nghĩa quan trọng và cần thiết Luận văn này trình bày phương pháp xác định cường độ chống cắt của một loại đất không bão hòa tại Việt Nam bằng thí nghiệm cắt trực tiếp Đường cong đặc trưng đất nước (SWCC) là thông số trung tâm của cơ học đất cho đất không bão hoà Dụng cụ thí nghiệm được chế tạo để xác định giá trị của đường cong SWCC với cấp áp lực từ 10kPa đến 400 kPa Kết quả cho thấy khi lực hút dính nhỏ hơn giá trị áp suất khí vào 12kPa thì độ ẩm thể tích không đổi (đường nằm ngang), khi lực hút dính vượt qua giá trị khí vào thì độ ẩm thể tích giảm nhanh Về ảnh hưởng của độ bão hòa đối với ổn định mái cho dốc, kết quả nghiên cứu hệ số ổn định của mái dốc giảm từ

2.07 đến 0.9 khi độ bão hòa tăng từ 50% đến 80%

SUMMARY OF THESIS

The properties of unsaturated soil on stress - strain relationship, pore pressure variation, soil shear strength, and coefficient of seepage are not conformed to the theories of saturated soil mechanics Many geotechnical problems are associated with unsaturated soils such as residual soils, expansive or collapsible soils, and compacted soils Shear strength of an unsaturated soil has a huge effect on the stability of a soil structure The research in determining the shear strength of the unsaturated soils has an important and necessary mean This thesis represents the method of determining shear strength of some unsaturated soils in VietNam by the direct shear tests Soil-water characteristic curve (SWCC) is central to unsaturated soil mechanics Testing apparatus is manufactured to determine the value of SWCC

in range of 10kPa to 400kPa It is concluded that the matric suction less than air entry value of 12kPa then the volume water got constant value (horizontal line), when matric suction was over this air entry value then volume water decreased quickly The effect of saturation degree to the slope stability showed that the factor

of safety decreased from 2.07 to 0.9 when the saturation degree increased from 50%

to 80%

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của

cá nhân tôi, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và tiến hành thí nghiệm thực tiễn dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Đỗ Thanh Hải Các số liệu, kết quả thí nghiệm, mô hình tính toán và những kết quả trong luận văn là trung thực

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2015

Học viên

Phạm Ngọc Đăng Khoa

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1 VẤN ĐỀ THỰC TIỄN VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 2

3 PHƯƠNG PHÁP LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

4 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI 3

5 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4

6 BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN 4

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 6

1.1 MÁI DỐC 6

1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT BÃO HÒA VÀ ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 9

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 12

1.3.1Trên Thế Giới 12

1.3.1.1 Tổng quan nghiên cứu các đặc trưng cơ lý đất không bão hòa 12

1.3.1.2 Tổng quan nghiên cứu về cường độ chống cắt của đất bão hòa và đất không bão hòa 14

1.3.2Ở Việt Nam 16

2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYỂT ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA, SỨC CHỐNG CẮT ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA VÀ MÁI DỐC 19

2.1 ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 19

2.1.1Định Nghĩa Một Pha 19

2.1.2Mặt Phân Cách Khí Nước Hay Mặt Ngoài Căng 19

2.1.3Tính Chất Của Các Pha Riêng Rẽ 20

2.1.4Các Quan Hệ Thể Tích Và Khối Lượng 22

2.1.4.1 Độ rỗng 23

2.1.4.2 Hệ số rỗng 23

2.1.4.3 Độ bão hòa 23

2.1.4.4 Độ ẩm 24

2.1.4.5 Dung trọng đất 24

2.1.5Quan Hệ Khối Lượng - Thể Tích Cơ Bản 24

2.1.6Những Thay Đổi Trong Các Tính Chất Thể Tích Khối Lượng 25

2.1.7Các Biến Trạng Thái Ứng Suất 26

2.1.8Đường Cong Đặc Trưng Đất – Nước (SCWW) 30

2.1.8.1 Phương trình đường đặc trưng đất – nước (SWCC) 32

2.1.8.2 Xác định đường cong đặc trưng đất – nước (SWCC) bằng thực nghiệm 34 2.2 ĐỘ BỀN CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 36

2.2.1Phương Trình Cường Độ Chống Cắt Của Đất Bão Hòa 36

2.2.2Phương Trình Cường Độ Chống Cắt Của Đất Không Bão Hòa 37

2.2.3Thí Nghiệm Cắt Trực Tiếp Trên Đất Không Bão Hòa 42

2.3 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH MÁI DỐC 43

2.3.1Mô Hình Cân Bằng Mái Dốc Của Đất Không Bão Hòa 43

2.3.2Phương Trình Cân Bằng Giới Hạn Tổng Quát (GLE) 45

2.3.3Công Thức Tính Hệ Số An Toàn Ổn Định Theo Cân Bằng Mômen 46

3 CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỐNG CẮT VÀ ĐƯỜNG CONG ĐẤT – NƯỚC (SWCC) TRÊN MẪU ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 48

3.1 TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ĐẤT DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM 48

3.1.1Vị Trí Khu Vực Nghiên Cứu 48

3.1.2Lấy Mẫu Nguyên Dạng 49

3.1.3Tính Chất Cơ Lý Đất Nguyên Dạng 53

3.2 THIẾT BỊ VÀ QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM CẮT TRỰC TIẾP 55

3.2.1Thiết Bị Thí Nghiệm Cắt Trực Tiếp 55

3.2.2Qui Trình Thí Nghiệm 56

3.2.3Phương Pháp Chế Bị Mẫu 57

3.2.3.1 Quy Trình 1 58

3.2.3.2 Quy Trình 2 59

3.2.4Kết Quả Thí Nghiệm 64

3.2.4.1 Kết quả sức chống cắt đối với độ bão hòa khác nhau 64

3.2.4.2 Mối quan hệ sức chống cắt và độ bão hòa tại mỗi cấp tải 68

3.2.4.3 Mối quan hệ cường độ chống cắt và ứng suất pháp thực 69

3.3 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG CONG ĐẶC TRƯNG ĐẤT NƯỚC SWCC 69

3.3.1Thiết Bị Thí Nghiệm 69

3.3.2Phương Pháp Thí Nghiệm 71

3.3.2.1 Chuẩn bị mẫu 72

3.3.2.2 Bào hòa mẫu và đĩa gốm 72

3.3.2.3 Tiến hành thí nghiệm 73

3.3.3Kết Quả Thí Nghiệm 75

3.4 XÁC ĐỊNH SWCC THEO FREDLUND – XING 77

3.5 Thông số cường độ kháng cắt khi tính đến lực hút dính 78

4 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC Thực tế BẰNG PHẦN MỀM GEOSLOPE 82

4.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN GEO SLOPE 82

4.2 ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC 83

4.2.1Đặc Điểm Và Tính Chất Của Mái Dốc 83

4.2.2Phương Pháp Phân Tích Bằng Phương Pháp Lực Dính Toàn Phần 84

4.2.2.1 Thông số dưa vào mô hình 85

4.2.2.2 Kết quả tính toán 86

4.2.3Phương Pháp Phân Tích Với Đất Bão Hòa (b = 0, Ua-Uw=0) 90

4.2.3.1 Thông số dưa vào mô hình 90

4.2.3.2 Kết quả tính toán 91

4.2.4Phương Pháp Phân Tích Với Đất Không Bão Hòa (b = 14.40) 91

4.2.4.1 Thông số dưa vào mô hình 91

4.2.4.2 Kết quả tính toán 92

4.2.5Phương Pháp Phân Tích Với Đường Cong Đất – Nước ( SWCC ) 93

4.2.5.1 Thông số dưa vào mô hình 93

4.2.5.2 Kết quả tính toán 94

4.2.6Phương Pháp Phân Tích Với Thông Số ( a,m,n)Theo Fredlund - Xing 94

4.2.6.1 Thông số dưa vào mô hình 94

4.2.6.2 Kết quả tính toán 96

4.3 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ BÃO HÒA hay MỰC NƯỚC NGẦM THAY ĐỔI Đến SỰ ỔN ĐỊNH CỦA MÁI DỐC 97

5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

Hình ảnh

Hình 1.1: Các loại mái dốc tự nhiên và nhân tạo 6

Hình 1.2: Mô hình mái dốc điển hình cho trượt xoay 7

Hình 1.3: Các dạng mặt phá hoại: a) mặt phẳng; b) cung tròn; c) không theo quy tắc; d) hỗn hợp 8

Hình 1.4: Mặt cắt phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong đất không bão hòa (Fredllund và Rahardjo, 1993) 10

Hình 2.1: Sơ đồ pha chính xác và đơn giản hoá của đất không bão hoà a) Hệ đất không bão hoà bốn pha chính xác; b) Sơ đồ 3 pha đơn giản hoá 20

Hình 2.2: Sơ đồ các pha của đất không bão hòa 20

Hình 2.3: Các quan hệ thể tích và khối lượng 22

Hình 2.4: Dẫn xuất của quan hệ thể tích khối – khối lượng cơ bản 25

Hình 2.5: Các biến trạng thái ứng suất cho đất không bão hòa 30

Hình 2.6: Đường cong đặc trưng đất - nước (Fredlund và Xing, 1994) 31

Hình 2.7: Buồng áp lực Tempe ( Theo công ty thiết bị độ ẩm đất, 1985) 35

Hình 2.8: Bình chiết tấm áp lực thể tích và các phụ tùng đo 35

Hình 2.9: Đường bao phá hoại Mohr - Coulomb cho đất bão hòa 37

Hình 2.10: Đường bao phá hoại Mohr - Coulomb cho đất không bão hòa 39

Hình 2.11: Đường bao phá hoại hai hướng của mẫu Granit phong hóa 40

Hình 2.12: Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp ở sét xám Madrid 41

Hình 2.13: Mặt bao phá hoại Mohr – Coulomb mở rộng lập từ các kết quả cắt tực tiếp 42

Hình 2.14: Lực tác dụng lên phân tố đất: a) mặt trượt cung tròn, b) mặt trượt tổ hợp, c) mặt trượt gẫy khúc 45

Hình 3.1: Vị Trí Lấy Mẫu Đất 48

Hình 3.2: Địa hình khu vực nghiên cứu 49

Hình 3.3: Ống lấy mẫu nguyên dạng 49

Hình 3.4: Đào đến chiều sâu lấy mẫu 50

Hình 3.5: Ép ống mẫu vào đất 50

Hình 3.6: Đào đất xung quanh ống mẫu 51

Hình 3.7: Cắt ống mẫu khỏi khối đất 51

Hình 3.8: Gia công cắt gọt mẫu 52

Hình 3.9: Bảo quản mẫu 52

Hình 3.10: Sơ đồ hộp cắt trực tiếp 55

Hình 3.11: Thiết bị cắt trực tiếp trong phòng thí nghiệm 56

Hình 3.12: Lấy mẫu ra khỏi ống mẫu 59

Hình 3.13: Cho mẫu vào dao vòng 60

Hình 3.14: Cắt gọt mẫu 60

Hình 3.15: Mẫu hoàn thiện + Đem sấy khô 61

Hình 3.16: Mẫu đã sấy khô 61

Hình 3.17: Cho nước vào mẫu đã sấy khô 62

Hình 3.18: Bảo quản mẫu bằng bình giữ ẩm 62

Hình 3.19: Cắt mẫu bằng máy cắt trực tiếp 63

Hình 3.20: Mẫu sau khi cắt 63

Hình 3.21: Mẫu đã cắt 64

Hình 3.22: Quan hệ giữa (  ) và (  - u a ) với độ bão hòa S=50% 65

Hình 3.23: Quan hệ giữa (  ) và (  - u a ) với độ bão hòa S=60% 65

Hình 3.24: Quan hệ giữa (  ) và (  - u a ) với độ bão hòa S=70% 66

Hình 3.25: Quan hệ giữa (  ) và (  - u a ) với độ bão hòa S=80% 67

Hình 3.26: Giá trị cường độ chống cắt tại cấp áp lực nén 100kN/m 2 67

Hình 3.27: Quan hệ cường độ chống cắt và độ bão hòa 68

Hình 3.28: Quan hệ cường độ chống cắt và ứng suất pháp 69

Hình 3.29: Buồng áp lực (Tempe) xác định SWCC 70

Hình 3.30: Thiết bị thí nghiệm SWCC ( Buồng áp lực ) 70

Hình 3.31: Tấm gốm tiếp nhận khí áp cao 71

Hình 3.32: Mẫu đất đã bão hòa 72

Hình 3.33: Mẫu đặt trong buồng áp lực thí nghiệm SWCC 74

Hình 3.34: Lắp Tấm đỉnh vào buồng áp lực 74

Hình 3.35: Tăng áp lực vào buồng 75

Hình 3.36: Đường cong đặc trưng đất – nước (SWCC) 76

Hình 3.37: Đường cong SWCC theo Fredlund - Xing 77

Hình 3.38: Xác định lực hút dính với độ bão hòa khác nhau 78

Hình 3.39: Quan hệ cường độ chống cắt và độ hút dính 79

Hình 3.40: Mặt bao phá hoại Mohr – Coulomb mở rộng 80

Hình 4.1: Toàn cảnh mái dốc tự nhiên 83

Hình 4.2: Mặt cắt mái dốc 83

Hình 4.3: Mô hình tính toán trong Geo – Slope 86

Hình 4.4: Kết quả tính ổn định mái dốc với độ bão hòa 80% 86

Hình 4.5: Kết quả tính ổn định mái dốc với độ bão hòa 70% 87

Hình 4.6: Kết quả tính ổn định mái dốc với độ bão hòa 60% 87

Hình 4.7: Kết quả tính ổn định mái dốc với độ bão hòa 50% 88

Hình 4.8: Kết quả tính ổn định mái dốc với độ bão hòa 51,2% (tự nhiên) 88

Hình 4.9: So sánh hệ số an toàn mái dốc với độ bão hòa khác nhau 89

Hình 4.10: Thông số lớp 1, trường hợp đất bão hòa b = 0 90

Hình 4.11: Đường đẳng áp cho đất không bão hòa và đất bão hòa 90

Hình 4.12: Kết quả tính ổn định mái dốc trường hợp đất bão hòa b = 0 91

Hình 4.13: Thông số lớp 1, trường hợp dùng b = 14.4 0 92

Hình 4.14: Kết quả tính ổn định mái dốc trường hợp đất bão hòa b = 14.4 0 92

Hình 4.15: Thông số lớp 1, trường hợp dùng SWCC 93

Hình 4.16: Đường cong SWCC được Geo – Slope dùng tính toán 93

Hình 4.17: Kết quả tính ổn định mái dốc trường hợp dùng đường cong SWCC 94

Hình 4.18: Thông số lớp 1, trường hợp dùng thông số theo Fredlund - Xing 95

Hình 4.19: Đường cong Theo Fredlund - Xing được Geo – Slope dùng tính toán 95

Hình 4.20: Kết quả tính ổn định mái dốc với thông số Theo Fredlund - Xing 96

Hình 4.21: So sánh hệ số ổn định mái dốc theo 4 phương pháp 97

Hình 4.22: So sánh hệ số ổn định khi MNN thay đổi theo 4 phương pháp 99

Bảng Biểu

Bảng 2.1: Các tổ hợp có thể có của các biến trạng thái ứng suất cho đất không bão

hòa 29

Bảng 3.1: Tỷ lệ thành phần hạt 53

Bảng 3.2: Số liệu thí nghiệm Tỷ trọng hạt 53

Bảng3.3: Số liệu Thí nghiệm độ ẩm 54

Bảng 3.4: Số liệu thí nghiệm sức chống cắt 54

Bảng 3.5: Tính chất cơ lý của đất thí nghiệm 55

Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp, với Sr = 50% 64

Bảng 3.7: Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp, với S = 60% 65

Bảng3.8: Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp, với S = 70% 66

Bảng 3.9: Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp, với S = 80% 66

Bảng3.10: Lực cắt trung bình ở mỗi cấp tải và độ bão hòa 68

Bảng 3.11: Kết quả thí nghiệm xác định đường cong SWCC 76

Bảng 3.12 Kết quả cường độ sức kháng cắt tại lực hút dính khác nhau 78

Bảng 4.1: Chỉ tiêu cơ lý của lớp đất 1 đưa vào mô hình tính toán 85

Bảng 4.2: Kết quả tính toán ổn định mái dốc theo độ bão hòa 89

Bảng 4.3: Kết quả tính ổn định mái dốc theo 4 phương pháp 96

Bảng 4.4: Kết quả tính hệ số ổn định khi MNN thay đổi theo 4 phương pháp 98

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

SWCC : Đường cong đặc trưng đất – Nước

MNN: Mực nước ngầm

MỞ ĐẦU

1 VẤN ĐỀ THỰC TIỄN VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa với nguồn nhiệt và độ ẩm dồi dào, ảnh hưởng mạnh mẽ của chế độ gió mùa Đông Bắc và Tây Nam Địa hình tự nhiên nước ta mang tính chất là đồi núi, chiếm ¾ diện tích đất nước, chủ yếu là đồi núi thấp Nước ta đang trong thời kỳ phát triển nên việc xây dựng cơ sở hạ tầng, khu dân cư, khu công nghiệp, đang diễn ra một cách mạnh mẽ Trong điều kiện tự nhiên như thế thì vấn đề ổn định mái dốc trong tự nhiên trở thành vấn đề quan trọng trong việc xây dựng cơ sở hạ tầng

Trong điều kiện tự nhiên và địa hình ở nước ta, đa số mái dốc nằm ở vùng có địa hình cao, mực nước ngầm thấp, thời tiết khô hạn và lượng mưa thay đổi qua từng mùa trong năm Đây là loại địa hình đặc trưng cho loại đất không bão hòa và

độ bão hòa của đất thường xuyên thay đổi theo từng tháng trong năm

Trước đây các công trình đất thường được thiết kế trên cơ sở lý thuyết của Cơ học đất bão hòa cổ điển Hầu hết các nghiên cứu trong lĩnh vực Cơ học đất đều tập trung chủ yếu vào môi trường đất bão hòa Các lý thuyết, kết quả tính toán, kinh nghiệm về cơ học đất bão hòa được chuyển giao và áp dụng trong thực tế sản xuất

đã đạt được những thành công khá lớn Tuy nhiên các kiến thức, kinh nghiệm, lý thuyết tính toán, thiết bị thí nghiệm … cho đất không bão hòa cũng còn nhiều hạn chế

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 Trong thế kỷ XX, đã xuất hiện nhiều nghiên cứu về

Cơ học đất không bão hòa, tiêu biểu nhất là cuốn sách Cơ học đất không bão hòa của D.G Fredlund và H Rahardjo (1993), trong đó đã mở rộng các lý thuyết về đất bão hòa của Terzaghi cho đất không bão hòa 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 mái dốc Khi nghiên cứu đất không bão hóa, các đặc tính về hệ số thấm, biến dạng, đặc biệt là cường độ chống cắt và ổn định mái dốc luôn biến đổi phụ thuộc vào độ bão hòa, độ

ẩm và lực hút dính Ngoài ra, các loại đất của Việt Nam có những nguồn gốc thành tạo, điều kiện tồn tại và biến đổi cũng như điều kiện khí hậu khác nhau, do đó các tính chất vật lý cơ học có những giá trị riêng, đặc biệt là các đặc tính của đất không bão hòa Vì vậy, việc sử dụng hoàn toàn dữ liệu sẵn có của các thông số đất không bão hòa của các nước trên thế giới khó đáp ứng độ chính xác phù hợp với các số liệu tính toán cho đất tại Việt Nam Để tiếp cận với các nước tiên tiến trên thế giới thì việc xây dựng và thiết lập các thiết bị thí nghiệm để xác định các đặc tính của đất không bão hòa cũng là một vấn đề quan trọng ở nước ta Trong phòng thí nghiệm, có nhiều cách tạo nên môi trường đất không bão hòa khác nhau, một trong những cách là dựa trên định nghĩa độ bão hòa, thay đổi thể tích nước trên thể tích độ rỗng xác định trước thì độ bão hòa thay đổi

Do vậy đề tài “Ảnh Hưởng Của Độ Bão Hòa Trong Đất Cát Pha Sét Đến

Độ Ổn Định Của Mái Dốc” có tính cấp bách, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực

Dự báo sự an toàn của mái dốc khi ứng dụng các thông số đất không bão hòa trong thiết kế và tính toán bằng phần mềm Geoslope

Phương Pháp Luận

Nghiên cứu nhằm góp phần vào kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của độ bão hòa đến sức chống cắt của đất Ngoài ra, khi đưa vào tính toán trong phần mềm Geoslope, kết quả sẽ là một phương án cho việc dự báo độ an toàn của mái dốc Quá trình nghiên cứu và đánh giá kết quả nghiên cứu dựa trên các cơ sở sau: + Cơ sở pháp lý: các quy chuẩn, tiêu chuẩn về thí nghiệm xác định các chỉ tiêu

vật lý và cơ học của đất

+ Cơ sở khoa học: lý thuyết toán học, lý thuyết cơ học đất,

+ Cơ sở thực tiễn: các công trình nghiên cứu tương tự đã được thực hiện và thu được kết quả ở Việt Nam cũng như trên Thế Giới

Phương Pháp Nghiên Cứu

+ 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

+ 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 độ bão hòa khác nhau

+ Phương pháp phân tích ổn định mái dốc: tính toán ổn định mái dốc khi xét thông số đất trong điều kiện bão hòa, không bão hòa

4 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI

Ý nghĩa khoa học:

+ 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 dốc

+ Nghiên cứu các kết quả thực nghiệm trên một loại đất Việt Nam về đường cong đặc trưng đất - nước, cường độ chống cắt Từ các kết quả rút ra trong nghiên cứu thực nghiệm, đề tài sẽ ứng dụng nghiên cứu trạng thái ổn định của mái dốc để chỉ ra được mức độ ảnh hưởng của cường độ chống cắt của đất không bão hòa đến

hệ số ổn định mái dốc

Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu sẽ giúp cho việc dự báo sự ổn định

của mái dốc khi có lượng nước từ ngoài thấm vào trong đất

Tính mới: Hiện nay, việc xác định sức chống cắt của đất được thực hiện trên

mẫu đất tự nhiên hoặc bão hòa hoàn toàn Trong thực tế, rất nhiều trường hợp đất ở trạng thái không bão hòa, hoặc độ bão hòa thay đổi theo thời gian, dẫn đến sức chống

cắt của đất thay đổi theo, đề tài “Ảnh Hưởng Của Độ Bão Hòa Trong Đất Cát Pha Sét Đến Độ Ổn Định Của Mái Dốc” được thực hiện nhằm giải quyết nội dung đó

5 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Thời gian: 6 tháng kể từ ngày có quyết định giao luận văn

- Không gian: Hiện trường và Phòng thí nghiệm

- Đối tượng nghiên cứu:

+ Đất cát pha sét

+ Ảnh hưởng của độ bão hòa đến sức chống cắt của đất

+ Mái dốc tại vùng có địa chất là cát pha sét

Bố cục của luận văn bao gồm 4 chương chính với nội dung các chương như sau:

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu Trình bày đặc điểm mái dốc và tình hình nghiên cứu các đặc trưng cơ lý đất không bão hoà trong nước và trên thế giới

Chương 2: Cơ sở lý thuyểt đất không bão hòa, sức chống cắt đất không bão

hòa và mái dốc Chương này trình bày lý thuyết về lực hút dính, tính chất cơ lý, mối quan hệ khối lượng thể tích của đất không bão hòa Đặc điểm và phương pháp xác định đường cong đặc trưng đất - nước (SWCC) Lý thuyết cơ bản về cường độ chống cắt của đất bão hòa - không bão hòa Các phương pháp xác định cường độ chống cắt trực tiếp bằng thực nghiệm và phương pháp phân tích ổn mái dốc cho đất không bão hoà

Chương 3: Thí nghiệm trong phòng xác định cường độ chống cắt và đường cong đặc

trưng đất – nước (SWCC) trên mẫu đất không bão hòa Chương này giới thiệu thiết bị thí nghiệm và phương pháp thí nghiệm xác định các đặc trưng của đất không bão hòa: đường cong đặc trưng đất - nước, cường độ chống cắt của đất không bão hòa ứng với các độ bão hòa khác nhau Trình bày các kết quả đạt được từ nghiên cứu thực nghiệm: kết quả thí nghiệm xác định SWCC, các thí nghiệm cắt trực tiếp xác định cường độ chống cắt của đất không bão hòa ứng với các độ bão hòa khác nhau

Chương 4: Ứng dụng tính toán ổn định mái dốc bằng phần mềm Geo-slope Nhập các kết quả thí nghiệm vào phần mềm GeoStudio 2007 để tính toán ổn định mái dốc theo các phương án tính toán.

Kết luận và kiến nghị : Đánh giá các kết quả nghiên cứu Kiến nghị các biện pháp và hướng phát triển của đề tài

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 MÁI DỐC

Mái dốc của khối đất đá có thể được hình thành do tác nhân tự nhiên hay nhân tạo Tất cả các mái dốc đều có xu hướng giảm độ dốc đến một dạng ổn định hơn, cuối cùng chuyển sang nằm ngang và trong bối cảnh này, mất ổn định được quan niệm là khi có xu hướng di chuyển và phá hoại Các lực gây mất ổn định liên quan chủ yếu với trọng lực và thấm trong khi sức chống phá hoại cơ bản là do hình dạng mái dốc kết hợp với bản thân độ bền kháng cắt của đất và đá tạo nên, do đó khi tính toán ổn định của mái dốc cần phải xét đến đầy đủ các nội lực và ngoại lực [1]

Hình 1.1: Các loại mái dốc tự nhiên và nhân tạo

Sự di chuyển của khối đất đá có thể xảy ra do phá hoại cắt dọc theo một mặt ở bên trong khối hay do ứng suất hiệu quả giữa các hạt giảm tạo nên sự hóa hỏng một phần hay toàn bộ Người ta đã quan sát được nhiều dạng di chuyển ( phá hoại) khác nhau, có 3 dạng di chuyển thường xảy ra nhiều hơn [1]:

a) Sụt lở: đất đá di chuyển rời xa khỏi chỗ bị gián đoạn: các thớ nứt, khe nứt,

mặt phẳng phân lớp dốc, mặt đứt gãy, … và điều kiện phá hoại có thể được

hỗ trợ hay thúc đẩy do tác động của áp lực nước ở trong các gián đoạn đó

b) Trượt : khối đất đá cơ bản không bị xáo động trong khi trượt theo một mặt

xác định Xét về kết cấu, có 2 dạng trượt sau:

+ Trượt tịnh tiến: sự di chuyển tuyến tính của khối đá dọc theo mặt

phẳng phân lớp hoặc sự di chuyển của lớp đất nằm gần mặt đất dốc Sự

di chuyển như thế thường khá nông và song song với mặt đất

+ Trượt xoay: sự di chuyển dọc theo mặt cắt cong bằng cách là khối

trượt tụt xuống ở gần đỉnh mái dốc và đẩy trồi ở gần chân dốc (Hình 2)

1-Hình 1.2: Mô hình mái dốc điển hình cho trượt xoay c) Trượt dòng : bản thân khối trượt cũng bị sáo động và di chuyển một phần

hay toàn bộ như một chất lỏng Trượt dòng thường xảy ra trong đất yếu bão hòa nước khi áp lực nước lỗ rỗng tăng đủ để làm mất toàn bộ độ bền chống cắt Mặt trượt thực hầu như không có hay chỉ biểu hiện từng lúc

Đối tượng nghiên cứu trong luận văn là mái dốc tự nhiên do xói mòn hoặc chia cắt, tại sười đồi hoặc thung lũng Dạng mái dốc này có thể tồn tại hàng năm ở trạng thái bắt đầu phá hoại, ở trạng thái tới hạn, nhưng khi có sự thay đổi các điều kiện tự nhiên (như mưa, thoát nước, …) hay có sự can thiệp của con người ( chất tải, bóc lớp phủ bề mặt, đào chân mái dốc,…) sẽ thúc đẩy sự phá hoại mái dốc theo mặt trượt đã tồn tại trước hay tạo ra mặt trượt mới

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 Các lớp đất trên mặt có áp lực nước

lỗ rỗng âm, đóng vai trò quan trọng trong sự ổn định của mái dốc Tuy nhiên, lượng

mưa nhiều, liên tục có thể làm giảm áp lực lỗ rỗng âm của khối đất phía trên đường bão hòa, do đó cường độ chống cắt giảm dẫn đến mái dốc mất ổn định

Phương pháp thường dùng nhất để phân tích sự ổn định của mái dốc trong đất dính là dựa trên việc xem xét cân bằng dẻo giới hạn Về căn bản, điều kiện cân bằng dẻo giới hạn tồn tại từ thời điểm mà dịch chuyển trượt cắt bắt đầu và biến dạng cứ tiếp diễn mà ứng suất không đổi [1]

Trong thực tế, khi mái dốc bị mất ổn định, mặt trượt có thể có nhiều hình dạng khác nhau Sự trượt có thể xảy ra cục bộ hoặc phổ biến trên một chiều dài nhất định; mặt trượt có dạng của mặt cầu (bài toán không gian 3 chiều) hoặc mặt trụ (bài toán phẳng 2 chiều) Dạng đơn giản nhất, do Cullmann đưa ra vào năm 1866, là một mặt phẳng dài vô hạn đi qua chân mái dốc Phương pháp này cho hệ số chảy an toàn nên

đã đánh giá quá cao điều kiện ổn định thực Khi lựa chọn mặt trượt phức tạp hơn như mặt cong xoắn logarit hay có dạng không theo quy tắc có thể cho kết quả gần với giá trị thực, nhưng việc phân tích dài dòng và kém hấp dẫn Việc dùng mặt trụ tròn xoay với mặt cắt ngang là cung tròn sẽ cho kết quả thỏa mãn độ chính xác mà không cần tính toán quá phức tạp Hiện nay hầu hết các phương pháp đều giả thiết mặt trượt có dạng mặt trụ tròn xoay Trường hợp tồn tại lớp đá cứng dưới nền hoặc lớp đất mềm yếu trong nền, mặt trượt có dạng phức tạp [1]

Hình 1.3: Các dạng mặt phá hoại: a) mặt phẳng; b) cung tròn; c) không theo quy

tắc; d) hỗn hợp

Sự ổn định của mái dốc phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi của động thái áp lực

nước lỗ rỗng Độ bền chống cắt thường quan hệ nghịch với áp lực nước lỗ rỗng Hiện nay, khi phân tích sự ổn định của mái dốc trên đất bão hòa người ta thường dùng các thông số cường độ chống cắt hiệu quả (tức là c’ và ’) Nhưng đối với các mái dốc được hình thành do xói mòn hoặc chia cắt tại các sườn đồi hoặc thung lũng, mực nược ngầm ở rất sâu so với mặt đất tự nhiên, sẽ xuất hiện thành phần cường độ chống cắt do áp lực nước lỗ rỗng âm phía trên mặt nước ngầm Khi tính toán thành phần này thường được bỏ qua, bằng cách đặt độ lớn của chúng bằng không là do những khó khăn để đo được áp lực nước lỗ rỗng âm và cách đưa nó vào phân tích ổn định mái dốc Nhất là, 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

Vậy, vấn đề mất ổn định trong vùng đất không bão hòa rất cần được quan tâm nghiên cứu, các thông số đất không bão hòa nên được đề cập đến trong phân tích ổn định mái đất

1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT BÃO HÒA VÀ ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA

Khí hậu đóng vai trò quan trọng dù đất bão hòa hay không bão hòa Nước bị lấy đi khỏi đất hoặc do bốc hơi từ mặt đất hoặc do thoát – bốc hơi từ lớp phủ thực vật (Hình 1.4) Các quá trình này tạo nên một dòng nước hướng lên, ra khỏi đất Mặt khác, nước mưa và các dạng nước khác tạo dòng nước hướng xuống đi vào trong đất Sự khác nhau giữa điều kiện của hai dòng trên trong phạm vi cục bộ có tính chất quyết định tới điều kiện áp lực nước lỗ rỗng trong đất Dòng hướng lên làm khối đất khô dần, nứt nẻ, trong khi dòng hướng xuống cuối cùng làm bão hòa khối đất Cùng với các điều kiện khác, dòng mặt có thực ảnh hưởng đến chiều sâu mực nước ngầm Một đường thủy tĩnh liên quan với mực nước ngầm biểu thị một điều kiện cân bằng ở nơi không có dòng chảy tại mặt đất Trong thời kỳ khô, áp lực nước lỗ rỗng trở nên âm hơn so với áp lực nước lỗ rỗng biểu thị bằng đường thủy tĩnh Điều kiện ngược lại trong thời kỳ ẩm [2, 8]

Tại những khu vực có mực nước ngầm sâu, đất nằm từ mực nước ngầm trở xuống có áp lực nước lỗ rỗng dương và được coi là đất bão hòa, đất từ mực nước ngầm trở lên có áp lực nước lỗ rỗng âm và được coi là đất không bão hòa [2]

Đất bão hòa và không bão hòa khác nhau cơ bản (đơn giản nhất) về bản chất

và đặc tính kỹ thuật:

+ 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

Theo Fredlund và Rahardjo đã đưa ra quá trình thay đổi mực nước lỗ rỗng trong vùng đất nằm trên đường bão hòa khi có quá trình mưa và bốc hơi Quá trình

độ ẩm giảm (hay lực hút dính tăng lên) dẫn tới đường áp lực lỗ rỗng dịch chuyển về phía trái (đường 2), cường độ chống cắt tăng lên làm cho hệ số ổn định mái dốc

tăng Vùng thay đổi lớn nhất nằm ở vùng gần bề mặt đất Thời gian bốc hơi càng dài thì đường áp lực lỗ rỗng càng dịch về bên trái, và dần dần mực nước ngầm hạ thấp Khi có mưa thì lượng nước mưa sẽ thấm vào trong đất, làm cho đường áp lực

lỗ rỗng dịch chuyển về bên phải (đường 3) Quá trình này sẽ làm cho vùng không bão hoà thu hẹp, cường độ chống cắt giảm dẫn đến mất ổn định mái dốc [8]

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 thuộc vào (ua - uw), giá trị b [8]

Đường cong đặc trưng đất – nước (SWCC) là trung tâm cơ học đất cho đất không bão hòa Nó khống chế đặc tính của đất không bão hòa như hệ số thấm, cường độ chống cắt và biến thiên thể tích của đất Hệ số thấm cần thiết trong bài toán phân tích nước mưa vào trong mái dốc Cường độ sức chống cắt của đất đóng vai trò quan trọng trong tính toán ổn định khối đất Nhiều bài toán địa kỹ thuật như sức chịu tải và ổn định mái dốc có liên quan đến cường độ chống cắt của đất Hàm thấm và phương trình cường độ chống cắt cho phép phân tích chính xác các bài toán thấm không ổn định, thấm do mưa, ổn định mái dốc theo thời gian khi có sự thay đổi về độ ẩm, áp lực nước lỗ rỗng, đường bão hòa trong môi trường đất [2], [8]

Trong những năm gần đây, người ta đã hiểu rõ hơn về vai trò của đất không bão hòa, nhất là áp lực nước lỗ rỗng âm (hoặc lực hút dính), trong việc làm tăng cường độ chống cắt của đất Nhiều loại đất khác nhau cho thấy cường độ chống cắt giảm nhiều khi bị làm ẩm Các thay đổi về áp lực nước lỗ rỗng âm do mưa lớn là nguyên nhân phá hoại nhiều mái dốc Sự giảm sức chịu tải và môđun đàn hồi của đất cũng liên quan đến sự tăng áp lực nước lỗ rỗng Các hiện tượng này cho thấy vai trò quan trọng của áp lực nước lỗ rỗng âm trong việc chi phối đặc tính cơ học của

đất không bão hòa Những phát triển gần đây đã đưa ra một vài thiết bị có thể dùng

đo áp lực nước lỗ rỗng âm tốt hơn Khi phân tích ổn định mái dốc cần xem xét các thành phần cường độ chống cắt sinh ra do áp lực nước lỗ rỗng âm Loại phân tích này là sự mở rộng phân tích cân bằng giới hạn thường dùng

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA TRÊN THẾ GIỚI

VÀ Ở VIỆT NAM

1.3.1 Trên Thế Giới

1.3.1.1 Tổng quan nghiên cứu các đặc trưng cơ lý đất không bão hòa

Đầu tiên, tại Hội nghị lần thứ nhất của Hội Cơ học đất và Nền Móng quốc tế năm 1936 đã có nhiều báo cáo nghiên cứu về hành vi của đất không bão hòa Song đáng tiếc là một tập hợp các nguyên lý và phương trình cho đất không bão hòa không được cùng nêu lên một lúc Những năm tiếp theo, cơ chế tính chất của đất không bão hoà đã được quan tâm nhưng những công trình nghiên cứu về nó phát triển không nhiều [2]

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 và sử dụng các mô hình dâng cao trong ống mao dẫn để giải thích hiện tượng quan sát được Tiêu biểu trong thời gian này là các tác giả [2] :

+ Ostashev (1936) : có 2 báo cáo nghiên cứu về mao dẫn của đất tại hội nghị của Hội Cơ Học Đất – Nền Móng thế giới cho thấy nhiều yếu tố bao gồm

áp lực nước lỗ rỗng và lực mao dẫn, được xem như có tác động đến cơ chế của dòng mao dẫn

+ Hogentogler và Barber (1941) : đã cố gắng nêu tổng quan về bản chất của nước mao dẫn, hai ông cho rằng nước mao dẫn tuân theo phương trình độ dâng mao dẫn trong một ống nhỏ Năm 1943, trong cuốn cơ học đât lý thuyết của Terzaghi đã xác nhận các khái niệm về mô hình ống mao dẫn

+ Valle – Rodas (1944) : tiến hành thí nghiêm với ống mao dẫn hở với cát đồng chất

+ Lane và Washbum (1946) : tiến hành thí nghiêm với ống mao dẫn hở

với đất không dính từ bụi - cuội sỏi

+ Sitz (1948) : chỉ ra rằng nước mao dẫn có thể dâng trên mực thủy tĩnh hơn 10m

+ Bermatzik (1948) : đã quan sát thấy sự tăng độ bền của đất do mặt khum “khí – nước”

Sau những năm 50 thế kỷ XX, 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 [2]

+ Một số nhà nhiên cứu như Black và Croney (1957); Bishop etal … (1960); Aitchison (1967); Williams (1957) : đã đưa ra đề nghị về một số phương trình ứng suất, được gọi là hiệu quả, cho đất không bào hòa

+ Ở thập niên tiếp theo, các nhà nghiên cứu Coleman (1962); Matyas và Radhakrihna (1968); Fredllund và Mongersten (1977), chấp nhận hai biến trạng thái ứng suất độc lập

+ Sau đó, 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 Các phương trình cơ bản của sự thay đổi thể tích, cường độ chống cắt và dòng thấm qua đất không bão hoà ngày càng được chấp nhận trong khoa học Địa kỹ thuật (Fredlund và Rahardjo, 1993) Việc xác định các thông số đất của các

mô hình đất không bão hoà cơ bản đòi hỏi một qui trình thí nghiệm khắt khe,

tỉ mỉ

+ Gần đây có một số nhà nghiên cứu công bố công trình nghiên cứu của

mình về đất không bão hòa như: Karl Terzaghi, Ralph Brazelton Peck và

Gholamreza Mesri (1996), Budhu, M (2000), Ning Lu và William J Likos (2004), )

Giáo trình “Cơ học đất không bão hòa” của D G Fredlund và H Rahardjo (1993) là cuốn sách đầu tiên trên thế giới trình bày có hệ thống các vấn đề về Cơ học đất không bão hòa và hiện nay được dùng như một cuốn sách giáo khoa chuyên

đề ở bậc đại học và cao học

Gần đây nhiều các phần mềm tính toán địa kỹ thuật đã được xây dựng cho cả môi trường đất đá bão hòa và không bão hòa nhằm mục đích mô phỏng nhiều kịch

bản mất ổn định của khối đất cùng các kết cấu và tác động ngoài đặt trên và trong

nó, cho phép khảo sát nhanh chóng và có độ tin cậy cao các bài toán địa kỹ thuật thường gặp qua các sơ đồ trực quan hiển thị trên màn hình, do vậy có thể giúp các

kỹ sư lựa chọn nhanh chóng phương án hợp lý cho bài toán đặt ra Điều này đã chứng minh tầm quan trọng của việc nghiên cứu và ứng dụng các đặc trưng cơ lý của đất không bão hoà trong việc tính toán ổn định, thiết kế và thi công công trình

1.3.1.2 Tổng quan nghiên cứu về cường độ chống cắt của đất bão hòa và đất không bão hòa

Đối với đất bão hòa, Terzaghi (1936) dùng tiêu chuẩn phá hoại Coulomb và khái niệm ứng suất hiệu quả để mô tả cường độ chống cắt của đất bão hòa Việc dùng các ứng suất hiệu quả theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb tỏ ra

Mohr-đã thỏa mãn thực tế xây dựng đối với đất bão hòa

Đối với đất không bão hòa, đã có một số cố gắng tương tự đã được thực hiện

để tìm một biến ứng suất hiệu quả đơn trị cho đất không bão hòa Từ đó, có thể đề nghị một phương trình cường độ chống cắt tương tự cho đất không bão hòa Tuy nhiên, bằng chứng ngày càng rõ ràng đã ủng hộ việc dùng hai biến trạng thái ứng suất độc lập để xác định trạng thái ứng suất cho đất không bão hòa, cũng như cho cường độ chống cắt (Fredlund và Morgenstern, 1977) [2, 9]

Tương tự với đất bão hòa, thí nghiệm cường độ chống cắt của đất không bão hòa có thể xét theo hai giai đoạn Giai đoạn thứ nhất là trước khi cắt, lúc đó đất có thể được cố kết tại một số các ứng suất đặc trưng, hay để không cố kết Giai đoạn thứ hai là kiểm soát sự thoát khí - nước trong quá trình cắt Các pha khí lỗ rỗng và nước lỗ rỗng có thể cho thoát ra hoặc không thoát ra độc lập nhau trong lúc cắt [2, 9]

Cục Cải tạo đất Mỹ đã tiến hành một số nghiên cứu về cường độ chống cắt của đất đầm chặt không bão hòa dùng để xây dựng các đập và khối đất đắp Các nghiên cứu đã thực hiện các thí nghiệm ba trục không thoát nước có đo áp lực khí lỗ rỗng

và nước lỗ rỗng Áp lực khí lỗ rỗng và nước lỗ rỗng được đo trong khi tác dụng một

áp lực đẳng hướng 3, và sau khi tác dụng độ lệch ứng suất (1 - 3) Số đo áp lực khí lỗ rỗng khá phù hợp với các dự đoán áp lực khí lỗ rỗng theo phân tích Hilf [2]

Tại Hội nghị nghiên cứu về cường độ chống cắt của đất dính, đá tảng, Bishop (1960) đã đề nghị các kỹ thuật thí nghiệm và trình bày các kết quả của năm loại thí nghiệm cường độ chống cắt trên đất không bão hòa: 1) cố kết thoát nước, 2) cố kết không thoát nước, 3) độ ẩm không đổi, 4) không thoát nước, và 5) các thí nghiệm nén nở hông Các thí nghiệm được tiến hành trong một buồng ba trục cải tiến Các

áp lực khí lỗ rỗng và nước lỗ rỗng hoặc được đo hoặc được kiểm soát trong khi thí nghiệm [2]

Fredlund và Morgenstern (1977) đề nghị dùng ( - ua) và (ua – uw) như các biến trạng thái ứng suất độc lập Năm 1978, Fredlund và những người khác đã đề nghị một phương trình cường độ chống cắt cho đất không bão hòa có dùng các biến trạng thái ứng suất độc lập này Cường độ chống cắt của đất không bão hòa được xem là gồm lực dính hiệu quả c’, cộng với phần đóng góp độc lập của ứng suất pháp thực ( - ua) và phần đóng góp thêm nữa của lực hút dính (ua - uw) Góc ma sát trong hiệu quả ’ là do phần đóng góp cường độ chống cắt của biến trạng thái ứng suất pháp thực Một góc khác gọi là b được đưa vào và có quan hệ với phần đóng góp cường độ chống cắt của biến trạng thái ứng suất hút dính [2, 9]

Satija (1978) đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về đặc tính cường độ chống cắt của sét Dhanauri không bão hòa Các thí nghiệm cố kết thoát nước và độ

ẩm không đổi thực hiện trên các mẫu đầm chặt với các giá trị khác nhau của ứng suất ( – ua) và (ua – uw) Các áp lực lỗ rỗng được kiểm soát hoặc đo trong suốt thí nghiệm đã phát hiện thấy tốc độ biến dạng thích hợp đã giảm cùng với sự giảm độ bão hòa của đất [2]

Ho và Fredlund (1982) thực hiện một loạt các thí nghiệm ba trục nhiều giai đoạn trên đất không bão hòa Chương trình gồm các thí nghiệm cố kết thoát nước có kiểm soát áp lực khí lỗ rỗng từ đỉnh mẫu qua một đĩa xốp thô Áp lực nước lỗ rỗng được kiểm soát từ đáy mẫu nhờ một đĩa tiếp nhận khí cao áp đặt trên bệ đáy Lực hút dính khống chế trước trong mẫu nhận được bằng cách kiểm soát các áp lực nước

lỗ rỗng và khí lỗ rỗng nhờ kỹ thuật tịnh tiến trục [2]

Gan (1986) đã tiến hành một chương trình thí nghiệm cắt trực tiếp nhiều giai đoạn trên sét băng tích không bão hòa Các kết quả cho thấy đường bao phá hoại

phần nào là phi tuyến trên mặt phẳng ứng suất cắt ~ lực hút dính [2]

Những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đầu ngành như: D.G Fredlund, H Rahardjo, A Xing, S.K Vanapalli, J.K.M Gan, vẫn tiếp tục nghiên cứu cống hiến cho khoa học, viết sách, hướng dẫn nhiều sinh viên, nghiên cứu sinh, góp phần phát triển Cơ học đất không bão hòa cả về lý thuyết cũng như các nghiên cứu thực nghiệm

1.3.2 Ở Việt Nam

Ở Việt Nam, do ảnh hưởng của địa hình, lượng mưa hàng năm phân bố rất không đều trong lãnh thổ Ngoài ra, trong những năm gần đây, cả nước đang phải chịu những đợt nắng nóng diễn ra ngày một gay gắt với nhiệt độ cao và thời gian nắng nóng dài làm các sông hồ ngày càng cạn kiệt nước Điều này dẫn đến mực nước ngầm hạ thấp và vùng đất không bão hòa nằm trên mực nước ngầm phát triển rộng Như vậy nhất thiết phải đi sâu nghiên cứu đất không bão hòa và ảnh hưởng của nó đến ổn định công trình đất

Ở nước ta, trong những năm gần đây, các bài toán về Cơ học đất không bão hoà mới bắt đầu được quan tâm nghiên cứu 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 Phần mềm địa kỹ thuật được sử dụng nhiều ở nước ta

để nghiên cứu ổn định công trình đất là bộ phần mềm Địa kỹ thuật Geo-slope office cho hệ đất bão hoà/không bão hoà của công ty Geo-slope International - Canada, áp dụng tính toán cho các khối đất tự nhiên hay nhân tạo

Nguyễn Công Mẫn, Nguyễn Uyên đã dịch tài liệu của Fredllund, D.G and Rahardjo H, (1993) ra Tiếng Việt Đây là cuốn giáo trình quan trọng nhất khi nghiên cứu về đất không bão hòa

Năm 2006, bộ môn Địa kỹ thuật trường Đại học Thủy lợi đã mời tiến sĩ Harianto Rahardjo, giảng viên lâu năm về Địa kỹ thuật tại trường Đại học Công nghệ Nanyang (Singapore), giảng một khóa học ngắn về vấn đề mất ổn định mái dốc do mưa Hiện nay, các thiết bị thí nghiệm về đất không bão hòa bắt đầu được du nhập vào Việt Nam

Gần đây, có một số tài liệu, bài báo nghiên cứu về đất không bão hòa đăng trên tạp chí khoa học - kỹ thuật :

+ Trịnh Minh Thụ , “Ảnh hưởng của độ hút dính đến cường độ kháng cắt

và hệ số thấm của đất không bão hòa” đăng trên Tạp chí Khoa học kỹ thuật

Thủy lợi và Môi trường, số 22, năm 2008

+ Trịnh Minh Thụ , “Nghiên cứu các đặc trưng về trạng thái tới hạn của đất không bão hòa” đăng trên Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi

trường, số 22, năm 2008

+ Nguyễn Thị Ngọc Hương, Trịnh Minh Thụ, “Xác định cường độ chống cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm cắt trực tiếp”, đăng trên Tạp chí

Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường, số 42, năm 2013

Trước tình hình phát triển các nghiên cứu trong lĩnh vực Cơ học đất không bão hoà trên thế giới, việc nghiên cứu các bài toán liên quan tới đất không bão hoà ở Việt Nam là một việc cần thiết để ta có thể tiếp cận với trình độ nghiên cứu của thế giới

Ở Việt Nam, vấn đề về Cơ học đất không bão hòa nói chung mới bắt đầu được quan tâm nghiên cứu từ vài năm trở lại đây Tuy nhiên, các nghiên cứu thực nghiệm

về đất không bão rất ít được thực hiện cho đất Việt Nam, các công trình bằng đất khi tính toán thiết kế vẫn dựa trên lý thuyết của cơ học đất bão hòa

Bài toán phân tích ổn định công trình đất bằng các phần mềm Địa kỹ thuật đã trở nên phổ biến ở nước ta nhưng việc xét thêm các thông số đất không bão hòa vẫn còn khá mới mẻ

2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYỂT ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA, SỨC

CHỐNG CẮT ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA VÀ MÁI DỐC

2.1 ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA

Đất không bão hòa là một hỗn hợp gồm nhiều pha Việc xác định số pha trong đất là quan trọng vì nó ảnh hưởng tới việc định ra trạng thái ứng suất của hỗn hợp [2]

2.1.1 Định Nghĩa Một Pha

Để xác định một pha độc lập trong một phần hỗn hợp, nó phải có: 1) Các tính chất khác với vật liệu kề bên; và 2) có các mặt biên xác định Hai điều kiện này phải được thỏa mãn để nhận biết một pha độc lập [2]

Trên cơ sở định nghĩa một pha, thì đất không bão hòa gồm 4 pha : pha rắn, pha nước, pha khí và mặt phân cách khí nước (mặt ngoài căng) Mặt ngoài có sức căng này như một pha độc lập

2.1.2 Mặt Phân Cách Khí Nước Hay Mặt Ngoài Căng

Tính chất khác biệt nhất của mặt ngoài căng là khả năng tác động một sức kéo căng Nó làm việc như một màng đàn hồi đan xen lực căng trong toàn cấu trúc của đất Dường như hầu hết các tính chất của mặt ngoài căng đều khác với tính chất của pha nước kề bên Ví dụ, nhờ sức căng mặt ngoài mà nhện nước có thể đi trên mặt nước ( đi được mặt trên mặt ngoài căng), còn loài côn trùng “bơi ngửa” đi được trên mặt đáy của mặt ngoài căng [2]

Thừa nhận đất không bão hòa là hệ 4 pha (hình 2.1a ) sẽ thuận lợi khi tiến hành phân tích ứng suất trên một phân tố đất Theo quan điểm hành vi, đất không bão hòa có thể được hình dung như một hỗn hợp, trong đó hai pha cân bằng dưới gradien ứng suất tác dụng (các hạt đất và mặt ngoài căng) và hai pha thấm dưới gradien ứng suất tác dụng (khí và nước) [2, 9]

Từ quan điểm về quan hệ thể tích – khối lượng của đất không bão hòa, thì có thể xem đất như hệ ba pha (hình 2.1b) vì thể tích của mặt ngoài căng nhỏ và khối lượng của nó được xem như một phần của khối lượng nước Tuy nhiên, khi phân

tích ứng suất của môi trường liên tục nhiều pha, cần nhận thức rằng pha trung gian khí – nước ứng sử như một pha độc lập [2]

Sơ đồ biểu thị số lượng các pha và mối quan hệ giữa thể tích - khối lượng của đất được thể hiện ở hình 2.1

Hình 2.1: Sơ đồ pha chính xác và đơn giản hoá của đất không bão hoà a) Hệ đất

không bão hoà bốn pha chính xác; b) Sơ đồ 3 pha đơn giản hoá

2.1.3 Tính Chất Của Các Pha Riêng Rẽ

Khi xem xét hành vi của hệ đất, ta cần hiểu biết các tính chất cơ bản của các hạt đất, khí, nước và mặt ngoài căng Đối với mỗi pha, cần tính đến các tính chất khối lượng và thể tích (hình 2.2) Tính chất quan trọng nhất của mặt ngoài căng là khả năng tác động một lực kéo, tính chất này được gọi là “sức căng bề mặt” [2]

Hình 2.2: Sơ đồ các pha của đất không bão hòa

M V

Dung trọng của các hạt đất thường được biểu thị theo biến không thứ nguyên, được gọi là tỷ trọng Gs Tỷ trọng của các hạt đất được định nghĩa là tỷ số của dung trọng hạt với dụng trọng nước ở nhiệt độ 40C dưới điều kiện áp lực khí quyển (101,3kPa) Dung trọng của nước tại điều kiện này là 1000kg/m3

w

s s

M V

Nước là đồng nhất ở khắp mọi nơi Nước cất dưới áp suất của hơi nước bão hòa gọi là nước bào hòa tinh khiết Dung trọng của nước tinh khiết phụ thuộc vào điều kiện áp suất và nhiệt độ

Với các bài toán cơ học đất, sự biến đổi về dung trọng nước do nhiệt độ khác nhau có ý nghĩa hơn là sự biến đổi của nó do áp suất tác dụng Với điều kiện đẳng nhiệt, dung trọng của nước thông thường là 1000kg/m3

c) Pha khí

Dung trọng của khí a có thể biểu thị là (Hình 2.2):

a

a

M V

Khí có thể là một hỗn hợp của nhiều loại khí khác nhau, gồm cả hơi nước Hỗn hợp được gọi là khí khô khi không có hơi nước và được gọi là khí ẩm khi có hơi nước

Ngoài ra, có phương trình xác định dung trọng không khí:

a

a a u RT



Trong đó:

a - khối lượng phân tử của khí (kg/kmol);

R - hằng số khí (phân tử) tổng quát [bằng 8,31432J/(mol.K)];

T - nhiệt độ tuyệt đối ( T = t0 + 273,16) (K);

2.1.4.2 Hệ số rỗng

Hệ số rỗng e : là tỉ số giữa thể tích phần rỗng và thể tích phần hạt rắn của đất ( Hình 2.3)

v

s

V e V

Quan hệ giữa độ rỗng và hệ số rỗng:

1

e n e

Có thể dùng độ bão hòa để chia đất thành nhóm:

+ Đất khô (S=0%) gồm các hạt đất và không khí, nước không có trong đất

+ Đất bão hòa (S=100%), tất cả lỗ rỗng chứa đấy nước

+ Đất không bão hòa (0%< S < 100%) có thể chia nhỏ nữa, tùy thuộc pha khí là liên tục hay bít kín

Sự phân chia này chủ yếu là hàm của độ bão hòa:

+ Loại đất không bão hòa có pha khí liên tục thường có độ bão hòa nhỏ hơn khoảng 80% (S<80%)

+ Các bọt khí bị giam hãm thường gặp trong đất không bão hòa, có độ bão hòa lớn hơn khoảng 90% (S>90%)

+ Vùng chuyển tiếp giữa pha khí liên tục và các bọt khí bị giam hãm xảy