Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc đất không bão hòa

Chia sẻ: Elysale Elysale | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:181

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung nghiên cứu của luận án là 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; Nghiên cứu thực nghiệm xác định được các đặc trưng của đất không bão hòa bao gồm lực hút dính, đường cong đặc trưng đất nước, hàm thấm và cường độ kháng cắt;

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc đất không bão hòa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI PHẠM HUY DŨNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MƢA 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 TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI PHẠM HUY DŨNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MƢA ĐẾN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA Ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số: 9580211 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. HOÀNG VIỆT HÙNG 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 quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Phạm Huy Dũng i
LỜI CÁM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và trân trọng nhất đến PGS.TS Hoàng Việt Hùng và GS.Nguyễn Công Mẫn là hai Thầy hƣớng dẫn trực tiếp đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và động viên tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án. Xin cảm ơn hai 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 kiến đóng góp quý báu của Giáo sƣ cho ý tƣởng luận án của tác giả. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, khoa Công trình, phòng Đào tạo- Trƣờng Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện thuận lợi, hỗ trợ tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận án. Đặc biệt, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các nhà khoa học, các Thầy/Cô giáo bộ môn Địa kỹ thuật, Phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật – Trƣờng Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện và đóng góp những ý kiến quý báu cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn đề tài “Nghiên cứu đánh giá các tai biến địa chất và môi trƣờng 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 KC.08.23/16-20” do PGS.TS.NCVCC. Nguyễn Văn Hoàng làm chủ nhiệm đã hỗ trợ kịp thời một số tài liệu bổ ích và phƣơng pháp luận nghiên cứu khoa học. Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, khuyến khích để tác giả hoàn thành luận án. ii
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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu .....................................................................2 4. Nội dung nghiên cứu ..........................................................................................2 5. Phƣơng pháp nghiên cứu ...................................................................................3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...........................................................................3 7. Cấu trúc của luận án ...........................................................................................4 CHƢƠNG 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 phƣơng 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 trƣờng đất không bão hòa ....................................................................8 1.2.2 Các trƣờng hợp điển hình liên quan đến cơ học đất không bão hòa ...........9 1.3 Tổng quan nghiên về cứu cƣờng độ kháng cắt đất không bão hòa ..................12 1.3.1 Khái niệm đƣờng cong đặc trƣng đất-nƣớc ..............................................12 1.3.2 Cƣờng độ kháng cắt của đất không bão hòa .............................................13 1.3.3 Tình hình nghiên cứu về SWCC và cƣờng độ kháng cắt của đất không bão hòa trên thế giới .....................................................................................................14 1.3.4 Tình hình nghiên cứu về SWCC và cƣờng độ kháng cắt của đất không bão hòa ở Việt Nam......................................................................................................17 1.4 Tổng quan nghiên cứu ảnh hƣởng của mƣa đến ổn định mái dốc đất không bão hòa .......................................................................................................................19 1.4.1 Ảnh hƣởng của mƣa đến ổn định mái dốc ................................................19 iii
1.4.2 Tình hình nghiên cứu ảnh hƣởng của mƣa đến ổn định mái dốc đất không bão hòa trên thế giới ..............................................................................................23 1.4.3 Tình hình nghiên cứu ảnh hƣởng của mƣa đến ổn định mái dốc đất không bão hòa ở Việt Nam ...............................................................................................25 1.5 Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................27 CHƢƠNG 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 đƣờng cong đặc trƣng đất-nƣớc .......................................................33 2.3.1 Đặc điểm SWCC .......................................................................................33 2.3.2 Thí nghiệm xác định SWCC .....................................................................34 2.3.3 Phƣơng trình SWCC .................................................................................37 2.3.4 Ƣớc lƣợng 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 tƣơng 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 cƣờng độ kháng cắt của đất không bão hòa .....................................44 2.5.1 Phƣơng trình cƣờng độ kháng cắt của đất không bão hòa ........................44 2.5.2 Thí nghiệm xác định cƣờng độ kháng cắt của đất không bão hòa ............47 2.5.3 Một số kết quả xác định cƣờng độ kháng cắt của đất không bão hòa ......48 2.6 Phƣơng pháp cân bằng giới hạn tổng quát trong phân tích ổn định mái dốc đẩt không bão hòa ............................................................................................................50 2.7 Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................51 CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA ...................................................................................53 3.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................53 3.2 Xác định lực hút dính của đất ..........................................................................53 3.2.1 Thiết bị thí nghiệm đo lực hút dính kiểu 2725ARL-Jetfill .......................53 iv
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 trƣng của đất dùng trong thí nghiệm ...........................................67 3.3.6 Kết quả thí nghiệm xác định SWCC .........................................................68 3.3.7 Ƣớc lƣợng SWCC theo mô hình MK .......................................................69 3.3.8 Xác định hàm thấm từ SWCC ...................................................................71 3.4 Xác định cƣờng 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 cƣờng độ kháng cắt bằng máy ba trục .......73 3.4.3 Kết quả thí nghiệm xác định cƣờng độ kháng cắt bằng máy ba trục ........75 3.5 Xác định cƣờng 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 cƣờng độ kháng cắt bằng máy cắt trực tiếp77 3.5.3 Kết quả thí nghiệm xác định cƣờng độ kháng cắt bằng máy cắt trực tiếp 78 3.6 Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................86 CHƢƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƢỞNG CỦA MƢA 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 mƣa ......................................................................90 4.4 Đo lƣờng 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 v
4.6 Trình tự thí nghiệm ..........................................................................................94 4.6.1 Chuẩn bị thí nghiệm ..................................................................................94 4.6.2 Lựa chọn các thông số về mƣa 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 hƣởng của độ chặt đất đắp đến cƣờng độ tràn...................................98 4.7.2 Ảnh hƣởng của độ dốc mái đến cƣờng độ tràn .........................................99 4.7.3 Sự thay đổi của lực hút dính trong quá trình mƣa và sau khi mƣa .........100 4.8 Kết luận chƣơng 4 ..........................................................................................102 CHƢƠNG 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 Phƣơng 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 Trƣờng 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 nƣớc Khau Piều ...................................................112 5.4.2 Trƣờng 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 nƣớc Chúc Bài Sơn..............................................118 5.5.2 Trƣờng 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 chƣơng 5 ..........................................................................................125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................127 1. Các kết quả đạt đƣợc của luận án ..................................................................127 2. Những đóng góp mới của luận án ..................................................................128 vi
3. Những tồn tại và hƣớng phát triển .................................................................128 3.1 Những tồn tại ..............................................................................................128 3.2 Hƣớng phát triển .........................................................................................129 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................130 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................131 vii
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phân bố áp lực nƣớc lỗ rỗng trong đới không bão hòa [1] ...............................9 Hình 1.2 Phân bố áp lực nƣớc 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 nƣớc 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 mƣa [1] .....11 Hình 1.5 Đƣờng cong đặc trƣng đất- nƣớc điển hình [1] ..............................................12 Hình 1.6 Đƣờng 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 lƣợng riêng khô nhỏ [9] .................................................................................................15 Hình 1.9 Quan hệ phụ thuộc của b với (ua-uw) và (3-ua) [29] ....................................17 Hình 1.10 Quan hệ giữa lực hút dính và độ ẩm thể tích của các loại đất có cùng trọng lƣợng 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 trƣợt lở đất do mƣa, (a) ở Mỹ [32] ; (b) ở Ý [33] ..........19 Hình 1.13 Hình ảnh hiện trạng sau khi trƣợt lở đất tại Yabakei, tỉnh Oita, Nhật Bản ..20 Hình 1.14 Hình ảnh trƣợt lở đất, (a) ở lòng hồ Đăk Lông Thƣợng [36]; (b) ở hạ lƣu Thủy điện Trung Sơn [37] .............................................................................................21 Hình 1.15 Hình ảnh hiện trạng sau khi xảy ra trƣợt lở đất, (a) đê tả sông Chu K24+710-:-K24+820; (b) cầu Mống Sến ......................................................................22 Hình 1.16 Hình ảnh trƣợt lở đất ở ga Lâm Giang, tỉnh Yên Bái [40] ...........................22 Hình 1.17 Quan hệ giữa cƣờng độ mƣa 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 mƣa khác nhau [43] ...............................................................................................................25 Hình 1.20 Thay đổi của mực nƣớc sông, lƣợng mƣa 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 tƣợng 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 phƣơng 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 Đƣờng 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 lƣợng riêng khô nhỏ; (b) đất có khối lƣợng riêng khô lớn ......................................................................49 viii
Hình 2.9 Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp cho đất sét Madrid đƣợc 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 phƣơng 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 trƣờng [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 trƣờng .........................................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 tƣơng quan giữa lực hút dính và độ bão hòa trong mái dốc công trình thủy lợi ..................................................................................................................62 Hình 3.9 Đƣờng cong đặc trƣng đất nƣớc 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 trƣờng, (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 Ƣớc lƣợng SWCC của đất đắp đê hữu Cầu ..................................................70 Hình 3.18 Ƣớc lƣợng SWCC của đất đắp đập Khau Piều ............................................71 Hình 3.19 Ƣớc lƣợng 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 Đƣờng 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 cƣờng độ kháng cắt và ứng suất pháp thực tƣơng ứng với lực hút dính khác của đất đắp đê hữu Cầu .................................................................................79 Hình 3.32 Cƣờng độ kháng cắt và lực hút dính tại giá trị ứng suất pháp thực bằng không của đất đắp đê hữu Cầu.......................................................................................80 ix
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 cƣờng độ kháng cắt và ứng suất pháp thực tƣơng ứng với lực hút dính khác nhau của đất đắp đập Khau Piều ...................................................................81 Hình 3.36 Cƣờng 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 cƣờng độ kháng cắt và ứng suất pháp thực tƣơng ứng với lực hút dính khác của đất đắp đập Chúc Bài Sơn ......................................................................84 Hình 3.40 Cƣờng 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 lƣu lƣợng nƣớc tràn; (c) Máng thí nghiệm; (d) Sơ đồ hoàn chỉnh của máng thí nghiệm .......................89 Hình 4.2 Cấu tạo của dàn tạo mƣa ................................................................................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 Đƣờng 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 mƣa lên mái dốc, (a) Sơ đồ thực tế; (b) Sơ đồ mô phỏng .......................................................................................................................................96 Hình 4.10 Sự thay đổi của cƣờng độ tràn khi hệ số mái m = 1 .....................................98 Hình 4.11 Sự thay đổi của cƣờng độ tràn khi hệ số mái m = 2 .....................................98 Hình 4.12 Sự thay đổi của cƣờng độ tràn khi hệ số mái m = 4 .....................................99 Hình 4.13 Sự thay đổi của cƣờng độ tràn khi hệ số đầm chặt K = 0,70........................99 Hình 4.14 Sự thay đổi của cƣờng 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 mƣa 1 ngày ......100 Hình 4.16 Sự thay đổi của lực hút dính trong mái dốc sau thời gian mƣa 3 ngày ......101 Hình 5.1 Mặt cắt tính toán ổn định đê hữu Cầu ..........................................................107 Hình 5.2 Phân bố cột nƣớc 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 x
Hình 5.5 Sự thay đổi cột nƣớc áp lực tại A của đê hữu Cầu với kiểu mƣa HI ...........109 Hình 5.6 Hệ số ổn định mái dốc đê hữu Cầu khi dừng mƣa với kiểu mƣa HI ............110 Hình 5.7 Sự thay đổi của hệ số ổn định mái dốc đê hữu Cầu với kiểu mƣa HI ..........110 Hình 5.8 Sự thay đổi cột nƣớc áp lực tại A của đê hữu Cầu với kiểu mƣa LD ..........111 Hình 5.9 Hệ số ổn định mái dốc đê hữu Cầu khi dừng mƣa với kiểu mƣa LD ...........111 Hình 5.10 Sự thay đổi của hệ số ổn định mái dốc đê hữu Cầu với kiểu mƣa LD .......111 Hình 5.11 Mặt cắt tính toán ổn định đập Khau Piều ...................................................113 Hình 5.12 Phân bố cột nƣớc 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 nƣớc áp lực tại A của đập Khau Piều với kiểu mƣa HI ....115 Hình 5.16 Hệ số ổn định đập Khau Piều khi dừng mƣa với kiểu mƣa HI ..................116 Hình 5.17 Sự thay đổi của hệ số ổn định đập Khau Piều với kiểu mƣa HI.................116 Hình 5.18 Sự thay đổi cột nƣớc áp lực tại A của đập Khau Piều với kiểu mƣa LD ...117 Hình 5.19 Hệ số ổn định đập Khau Piều khi dừng mƣa với kiểu mƣa LD .................117 Hình 5.20 Sự thay đổi của hệ số ổn định đập Khau Piều với kiểu mƣa LD ...............118 Hình 5.21 Mặt cắt tính toán ổn định đập Chúc Bài Sơn..............................................120 Hình 5.22 Phân bố cột nƣớc 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 nƣớc áp lực tại A của đập Chúc Bài Sơn với kiểu mƣa HI .....................................................................................................................................122 Hình 5.26 Hệ số ổn định đập Chúc Bài Sơn khi dừng mƣa với kiểu mƣa HI .............123 Hình 5.27 Sự thay đổi của hệ số ổn định đập Chúc Bài Sơn với kiểu mƣa HI ...........123 Hình 5.28 Sự thay đổi cột nƣớc áp lực tại A của đập Chúc Bài Sơn với kiểu mƣa LD .....................................................................................................................................123 Hình 5.29 Hệ số ổn định đập Chúc Bài Sơn khi dừng mƣa với kiểu mƣa LD ............124 Hình 5.30 Sự thay đổi của hệ số ổn định đập Chúc Bài Sơn với kiểu mƣa LD ..........124 xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phƣơng trình cân bằng tĩnh học trong các PP phân mảnh [5]..........................5 Bảng 1.2 Mối quan hệ các lực tƣơng 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 phƣơng 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 trƣng 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 mƣa 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 xii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ 1. Các từ viết tắt PP : Phƣơng pháp KBH Không bão hòa SWCC : Đƣờng cong đặc trƣng đất và nƣớc (Soil water characteristic curve) AEV : Giá trị khí vào (Air entry value) MK : Mô hình Modified Kovacs CU : Thí nghiệm ba trục cố kết không thoát nƣớc CD : Thí nghiệm ba trục cố kết thoát nƣớc CW Thí nghiệm ba trục độ ẩm không đổi HI : Mƣa thời gian ngắn và cƣờng độ lớn LD : Mƣa kéo dài và cƣờng độ nhỏ MNDBT : Mực nƣớc dâng bình thƣờng TCVN : Tiêu chuẩn Quốc gia 2. Giải thích thuật ngữ - Đƣờng cong đặc trƣng đất nƣớc Đƣờng cong đặc trƣng đất nƣớc là biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa lƣợng chứa nƣớc trong đất và lực hút của đất. Lƣợng chứa nƣớc trong đất có thể biểu diễn bằng nhiều cách nhƣ độ ẩm khối lƣợng w, độ ẩm thể tích , độ bão hòa... Lực hút của đất có thể là lực 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, thƣờng là áp lực khí quyển ở ngoài trời và áp lực nƣớc lỗ rỗng uw. - Góc ma sát biểu kiến Là góc biểu thị lƣợng tăng của cƣờng độ kháng cắt của đất không bão hòa theo lực hút dính. xiii
DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Diễn giải 2 c’ kN/m Lực dính đơn vị ’ Độ Góc ma sát trong b Độ Góc ma sát biểu kiến f kN/m2 Cường độ kháng cắt ua – uw kN/m2 Lực hút dính  – ua kN/m2 Ứng suất pháp thực  – uw kN/m2 Ứng suất hiệu quả  kN/m2 Ứng suất pháp tổng ’ kN/m2 Ứng suất pháp hiệu quả uw kN/m2 Áp lực nƣớc lỗ rỗng (Ứng suất trung hòa) 2 ua kN/m Áp lực khí lỗ rỗng Ts kN/m Sức căng mặt ngoài Rs m Bán kính cong mặt ngoài  - Độ ẩm thể tích chuẩn hóa,  = (-r)/(s-r)  - Độ ẩm thể tích r - Độ ẩm thể tích dƣ s - Độ ẩm thể tích bão hòa C(ψ) - Hệ số hiệu chỉnh 2 ψ kN/m Lực hút 2 ψr kN/m Lực hút dính ứng với độ ẩm thể tích dƣ (ψi, θi) - Tọa độ điểm uốn của SWCC ψp - Giao điểm của đƣờng tiếp tuyến với trục lực hút dính ac - Hệ số dính bám hc0 - Chiều cao mao dẫn tƣơng đƣơng vw m/s Vận tốc dòng thấm kw m/s Hệ số thấm ks m/s Hệ số thấm bão hòa - Hệ số an toàn chống trượt theo cân bằng mô men - Hệ số an toàn chống trượt theo cân bằng lực xiv
W kN Trọng lƣợng thỏi đất N kN Tổng các lực thẳng đứng tác dụng lên đáy thỏi Sm kN Lực cắt tại đáy thỏi E kN Lực tƣơng tác pháp tuyến giữa các thỏi X kN Lực tƣơng tác tiếp tuyến giữa các thỏi R m Khoảng cách từ tâm quay đến đáy thỏi f m Khoảng cách từ tâm quay đến lực thẳng đứng N x m Khoảng cách nằm ngang từ tâm thỏi đến tâm quay A kN Tổng áp lực nƣớc a m Khoảng cách từ tổng áp lực nƣớc đến tâm quay α Độ Góc giữa tiếp tuyến qua tâm đáy thỏi với phƣơng ngang β m Chiều rộng đáy thỏi theo phƣơng góc α D10 mm Đƣờng kính cỡ hạt tƣơng ứng với 10% lọt sàng Cu - Hệ số đồng đều hạt w % Độ ẩm của đất wopt % Độ ẩm tối ƣu  kN/m3 Trọng lƣợng thể tích tự nhiên d kN/m3 Trọng lƣợng thể tích khô w kN/m3 Trọng lƣợng thể tích của nƣớc  kN/m3 Trọng lƣợng thể tích khô lớn nhất d kg/m3 Khối lƣợng thể tích khô K - Hệ số đầm chặt Kmin - Hệ số ổn định mái dốc nhỏ nhất [K] - Hệ số ổn định mái dốc cho phép m - Hệ số mái dốc Gs - Tỷ trọng e - Hệ số rỗng n % Độ lỗ rỗng S % Độ bão hoà Sa - Độ bão hòa liên quan đến cơ chế dính bám Sc - Độ bão hòa liên quan đến cơ chế mao dẫn WL % Độ ẩm giới hạn chảy xv
Wp % Độ ẩm giới hạn dẻo PI % Chỉ số dẻo LI - Chỉ số chảy Fs Hệ số ổn định mái dốc Kc Hệ số đầm chặt RR mm/giờ Cƣờng độ tràn ổn định RC % Tỷ lệ chảy tràn RI % Tỷ lệ thâm nhập QT lít/phút Lƣợng nƣớc chảy tràn mw - Độ dốc của SWCC h m Cột nƣớc tổng kx m/s Hệ số thấm của đất theo phƣơng x ky m/s Hệ số thấm của đất theo phƣơng y Q m3/s Điều kiện biên của dòng chảy tác dụng lên bề mặt mái dốc xvi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm vừa qua, ở nƣớc ta đã xảy ra hàng loạt sự cố công trình liên quan đến hiện tƣợng trƣợt lở mái dốc gây thiệt hại lớn về ngƣời và tài sản. Hiện tƣợng trƣợt lở không chỉ xảy ra đối với các mái dốc tự nhiên, mà còn là sự cố thƣờng xuyên đối với mái dốc đất đắp nhƣ đƣờng, đê, đập, hố móng... Một trong những tác nhân chính dẫn đến mất ổn định mái dốc là do mƣa. Gần đây nhất vào tháng 10 năm 2020, một loạt các sự cố trƣợt lở đất liên tiếp xảy ra ở miền Trung Việt Nam đã để lại những hậu quả thảm khốc. Áp lực nƣớc lỗ rỗng và cƣờng độ kháng cắt của đất là những yếu tố quan trọng khi đánh giá ổn định mái dốc. Các quan niệm truyền thống của cơ học đất đều giả thiết đất bão hòa hoàn toàn khi nằm dƣới mực nƣớc ngầm và khô hoàn toàn khi nằm trên mực nƣớc ngầm. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của nhiều nhà khoa học đã chứng minh sự gia tăng của cƣờng độ kháng cắt trong đất không bão hòa là do tác dụng của áp lực nƣớc lỗ rỗng âm [1], [2]; tức là làm tăng hệ số ổn định của mái dốc. Vì vậy, cần thiết phải áp dụng các nguyên lý tính toán của cơ học đất không bão hòa trong phân tích ổn định mái dốc, đặc biệt là những nơi có mực nƣớc ngầm ở dƣới sâu. Đối với đất không bão hòa, đƣờng cong đặc trƣng đất nƣớc (SWCC) đƣợc coi là thông số quan trọng, nó thƣờng đƣợc dùng để xác định các đặc tính của đất không bão hoà nhƣ hệ số thấm, cƣờng độ kháng cắt và biến thiên thể tích của đất [3], [4]. Phƣơng trình 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 số liệu về SWCC của các loại đất ở Việt Nam còn rất hạn chế. Vì vậy, cần thiết bổ sung các nghiên cứu về đất không bão hòa để cung cấp thêm dữ liệu, làm cơ sở xây dựng SWCC một cách phù hợp hơn cho các loại đất ở Việt Nam. Khi nghiên cứu các tác động của mƣa 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 nƣớc lỗ 1
rỗng (lực hút dính) và hệ số ổn định mái dốc theo thời gian trong quá trình mƣa. Tuy nhiên, các số liệu thực nghiệm về lƣợng mƣa xâm nhập vào mái dốc, sự thay đổi của áp lực nƣớc lỗ rỗng trong quá trình mƣa và sau khi dừng mƣa vẫn chƣa thực sự rõ ràng. Vì vậy, cần có những nghiên cứu khoa học cụ thể, nhằm làm sáng tỏ bản chất, quá trình tác động của mƣa đên sự ổn định mái dốc của đất không bão hòa để có những giải pháp công trình phù hợp và hiệu quả. Với những lý do nêu trên, đề tài „Nghiên cứu ảnh hƣởng của mƣa 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 bão hòa dƣới tác động của mƣa. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là mái dốc đất không bão hòa đắp đắp bằng đất đa nguồn gốc phân bố ở miền Bắc Việt Nam. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài của đề tài là nghiên cứu quá trình biến đổi áp lực nƣớc lỗ rỗng trong mái dốc dẫn đến thay đổi cƣờng độ kháng cắt của đất và hệ số ổn định mái dốc của các loại mái dốc đất đắp công trình thủy lợi nhƣ 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 hƣớng 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; - Nghiên cứu thực nghiệm xác định đƣợc các đặc trƣng của đất không bão hòa bao gồm lực hút dính, đƣờng cong đặc trƣng đất nƣớc, hàm thấm và cƣờng độ kháng cắt; 2