Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:143

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung" được hoàn thành với mục tiêu nhằm nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nhằm xác định bộ thông số (các đặc trưng cơ học) của đất không bão hòa thuộc khu vực duyên hải miền Trung làm cơ sở phân tích ổn định tổng thể và cục bộ của nền đường đắp khu vực nghiên cứu.

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 nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI LƯƠNG NGUYỄN HOÀNG PHƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC ĐẾN ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA ÁP DỤNG CHO NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TẠI KHU VỰC DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÀ NỘI - 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI LƯƠNG NGUYỄN HOÀNG PHƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC ĐẾN ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA ÁP DỤNG CHO NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TẠI KHU VỰC DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH ĐẶC BIỆT MÃ SỐ: 95.80.206 LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Trần Đình Nghiên 2. TS. Tống Anh Tuấn HÀ NỘI - 2023
LỜI CAM ĐOAN Tôi là Lương Nguyễn Hoàng Phương, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các nội dung và kết quả nghiên cứu trong Luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào. TÁC GIẢ Lương Nguyễn Hoàng Phương I
LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của quý Thầy Cô giảng viên, Trường Đại học Giao Thông Vận Tải, tôi đã hoàn thành luận án tiến sĩ với tên đề tài là: “Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung” Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo Sau đại học, khoa Công trình, bộ môn Công trình Giao thông Thành phố và Công trình thủy, bộ môn Thuỷ lực Thuỷ văn, các cán bộ và toàn thể quý Thầy Cô tham gia giảng dạy đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận án. Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, đến quý Thầy hướng dẫn PGS.TS. Trần Đình Nghiên và TS. Tống Anh Tuấn đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án. Xin cảm ơn quý Giáo sư, nhà Khoa học, chuyên gia trong và ngoài trường, quý Thầy Cô và quý đồng nghiệp, đã đóng góp nhiều ý kiến thiết thực để tác giả hoàn thiện luận án. Xin trân trọng cảm ơn ! TÁC GIẢ Lương Nguyễn Hoàng Phương II
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ...................................................................... viii DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................. xiv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT............................................................... xv MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết của luận án .......................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................... 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.............................................................. 3 3.1. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................. 3 3.2. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................... 3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.................................................................... 3 4.1. Ý nghĩa khoa học.......................................................................................... 3 4.2. Ý nghĩa thực tiễn .......................................................................................... 3 5. Bố cục của luận án....................................................................................... 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC ĐẾN CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRONG ĐIỀU KIỆN KHÔNG BÃO HÒA ........................................................................................... 5 1.1. Tổng quan về môi trường đất bão hòa và không bão hòa....................... 5 1.2. Tổng quan các vấn đề về đặc trưng cơ học của đất không bão hòa ....... 7 1.2.1. Tính nén lún – biến đổi thể tích ........................................................................ 7 1.2.1.1. Gia tải/dỡ tải khi lực hút dính không đổi .................... Error! Bookmark not defined. 1.2.1.2. Quá trình giảm/tăng độ ẩm trong khi ứng suất hiệu quả không đổi.Error! Bookmark not defined. 1.2.2. Sự thay đổi các đặc tính về cường độ chống cắt – quan hệ ứng suất và biến dạng ............................................................................................................................ 8 1.2.3. Dòng thấm của nước qua môi trường rỗng ................................................... 13 1.3. Ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của nền đường đắp ở Việt Nam và ở khu vực duyên hải miền Trung ...................................................... 15 III
1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu các đặc trưng cơ học của đất không bão hòa trên thế giới và ở Việt Nam ................................................................ 17 1.4.1. Nghiên cứu các đặc trưng cơ học của đất không bão hòa trên thế giới ....... 17 1.4.2. Nghiên cứu các đặc trưng cơ học của đất không bão hòa ở Việt Nam ........ 21 1.5. Vấn đề còn tồn tại của các nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam ....... 23 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU VỀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA ..................................................... 25 2.1. Cơ sở lý thuyết xác định các đặc trưng cơ học của đất không bão hòa25 2.1.1. Các biến trạng thái ứng suất của đất ............................................................. 25 2.1.2. Đường cong đặc trưng đất nước..................................................................... 26 2.1.2.1. Các phương trình xác định đường cong đặc trưng đất – nước. ................................. 28 2.1.2.2. Phương pháp thực nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất-nước....................... 30 2.1.3. Cường độ chống cắt của đất không bão hòa.................................................. 30 2.1.3.1. Lý thuyết về cường độ chống cắt của đất bão hòa ..................................................... 31 2.1.3.2. Cường độ chống cắt của đất không bão hòa .............................................................. 31 2.1.4. Dòng thấm không ổn định trong đất không bão hoà .................................... 35 2.1.4.1. Định luật thấm Darcy cho đất không bão hoà ............................................................. 35 2.1.4.2. Cơ sở lý thuyết dòng thấm không bão hoà trong mô hình SEEP/W ............................. 36 2.2. Mô hình số mô phỏng đất không bão hòa-phương pháp phần tử hữu hạn 37 2.3. Mô hình số mô phỏng đất không bão hòa - phương pháp phần tử rời rạc kết hợp với thể tích lỗ rỗng hữu hạn (DEM – PFV) ................................ 39 2.3.1. Giới thiệu phương pháp phần tử rời rạc ........................................................ 39 2.3.2. Rời rạc không gian .......................................................................................... 40 2.3.3. Mô phỏng lực tương tác giữa các hạt (DEM) ................................................ 41 2.3.3.1. Lực tương tác giữa hạt – hạt ...................................................................................... 41 2.3.3.2. Mô phỏng chuyển động của hạt theo định luật II Newton. ........................................ 43 2.3.4. Mô phỏng lực tương tác giữa khí – nước tác dụng lên hạt (PFV) ............... 43 2.3.4.1. Sự dịch chuyển của pha khí và nước trong lỗ rỗng giữa các hạt ............................... 43 2.3.4.2. Áp suất mao dẫn gây ra bởi lực hút dính ................................................................... 44 2.3.5. Mô hình dòng chảy trong môi trường rỗng (DEM – PFV) ........................... 48 IV
2.4. Ổn định mái dốc ........................................................................................ 49 2.5. Kết luận chương 2. .................................................................................... 52 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA ..................................... 53 3.1. Tính chất cơ bản của đất dùng trong thí nghiệm................................... 53 3.2. Thí nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất-nước. ......................... 54 3.2.1. Thiết bị thí nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất-nước ..................... 54 3.2.2. Chuẩn bị mẫu .................................................................................................. 55 3.2.3. Bão hòa mẫu và đĩa gốm ................................................................................. 55 3.2.4. Thí nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất-nước ................................. 56 3.2.5. Kết quả thí nghiệm đường cong đặc trưng đất-nước (SWCC)...................... 57 3.2.5.1. Kết quả thí nghiệm ...................................................................................................... 57 3.2.5.2. So sánh kết quả thí nghiệm SWCC khu vực nghiên cứu với các tác giả khác ............ 58 3.2.6. Kết quả tính toán hệ số thấm từ đường cong đặc trưng đất nước ................ 59 3.2.6.1. Tính toán đường cong SWCC từ phương trình Fredlund-Xing (1994) ...................... 59 3.2.6.2. Xác định hệ số thấm của đất từ đường cong SWCC................................................... 59 3.2.6.3. So sánh kết quả đường cong quan hệ giữa hệ số thấm và lực hút dính của khu vực nghiên cứu với các tác giả khác ............................................................................................... 60 3.3. Xác định cường độ chống cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm cắt trực tiếp ....................................................................................................... 62 3.3.1. Giới thiệu thiết bị thí nghiệm cắt trực tiếp ..................................................... 62 3.3.2. Quy trình thí nghiệm [10] ............................................................................... 62 3.3.3. Chương trình thí nghiệm ................................................................................ 63 3.3.4. Kết quả thí nghiệm mặt bao phá hoại ............................................................ 63 3.3.4.1. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Dương Cấm.................................................... 63 3.3.4.2. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Cồn Lê............................................................ 65 3.4. Xác định cường độ chống cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm nén ba trục ......................................................................................................... 67 3.4.1. Thiết bị ba trục cải tiến thí nghiệm c h o đất không bão hòa [10] ............ 68 3.4.2. Qui trình thí nghiệm ..................................................................................... 71 3.4.2.1. Chuẩn bị mẫu ............................................................................................................. 71 V
3.4.2.2. Giai đoạn bão hoà mẫu .............................................................................................. 71 3.4.2.3. Giai đoạn cố kết .......................................................................................................... 71 3.4.2.4. Giai đoạn tạo và cân bằng lực hút dính trong mẫu.................................................... 72 3.4.2.5. Giai đoạn cắt mẫu cho thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước + khí .................... 72 3.4.2.6. Các điều kiện ứng suất trong thí nghiệm nén ba trục theo các sơ đồ CD.................. 72 3.4.3. Chương trình thí nghiệm ............................................................................. 73 3.4.4. Kết quả thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước (CD).......................... 74 3.5. Phân tích các kết quả thí nghiệm............................................................. 80 3.5.1. So sánh các kết quả thí nghiệm ...................................................................... 80 3.5.2. So sánh giữa kết quả thí nghiệm với kết quả tính từ công thức thực nghiệm được đề xuất bởi Fredlund và Vanapalli, 1996 ........................................................... 81 3.6. Kết luận chương 3 ..................................................................................... 84 CHƯƠNG 4. PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC ĐẤT KHÔNG BÃO HOÀ ĐẾN ỔN ĐỊNH KHỐI ĐẮP NỀN ĐƯỜNG ..................................................................................................................... 85 4.1. Nghiên cứu ổn định tổng thể của nền đường đắp bằng mô hình phần tử hữu hạn ............................................................................................................... 85 4.1.1. Giới thiệu chung về công trình ....................................................................... 85 4.1.2. Mô hình phân tích sự ổn định nền đường cao đoạn cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi. .................................................................................................................. 86 4.1.2.1. Đặc trưng của đất và kích thước hình học mô hình nghiên cứu sự ổn định............... 86 4.1.2.2. Điều kiện biên ............................................................................................................. 88 4.1.2.3. Kết quả mô phỏng số kết hợp các mô hình SEEP/W và SLOPE/W cho kịch bản 1 – Mô hình phân phối mưa đều 24h .............................................................................................. 89 4.1.2.4. Kết quả mô phỏng số kết hợp các mô hình SEEP/W và SLOPE/W cho kịch bản 2 – mô hình phân phối mưa đều và mô hình phân phối mưa chuẩn với cường độ mưa 0,12m/h trong 72h ............................................................................................................................... 95 4.1.2.5. Kết quả mô phỏng số kết hợp các mô hình SEEP/W và SLOPE/W cho kịch bản 3 – mô hình phân phối mưa đều và mô hình phân phối mưa chuẩn với cường độ mưa 0,144m/h trong 72h ............................................................................................................................. 100 4.1.2.6. So sánh kết quả của các kịch bản ............................................................................. 105 4.2. Nghiên cứu ổn định cục bộ của nền đường đắp bằng mô hình phần tử VI
rời rạc ............................................................................................................... 106 4.2.1. Mô phỏng lún cố kết cục bộ khu vực bão hòa bằng mô hình số kết hợp DEM–PFV .................................................................................................................. 106 4.2.2. Mô phỏng dòng thấm cục bộ khu vực bão hòa bằng mô hình số kết hợp DEM–PFV .................................................................................................................. 108 4.3. Kết luận chương 4 ................................................................................... 111 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................ 113 I. Các kết quả đạt được của Luận án........................................................ 113 II. Những đóng góp mới của luận án .......................................................... 114 III. Kiến nghị .................................................................................................. 114 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....................... 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 116 VII
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1. 1. Cơ chế phá hoại mái dốc do mưa [116].......................................................... 5 Hình 1. 2. Sơ đồ các pha độc lập theo thể tích – khối lượng của đất không bão hòa ..... 6 Hình 1. 3. Sơ đồ biểu diễn ảnh hưởng của các điều kiện khí hậu đến áp suất nước lỗ rỗng trong đất không bão hoà [115]......................................................................................... 6 Hình 1. 4. Quan hệ giữa tham số ứng suất hiệu quả  và độ bão hòa với các loại đất khác nhau [109], [143] ................................................................................................... 9 Hình 1. 5. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng cho đất hạt thô do [120] .......... 13 Hình 1. 6. Sạt lở tại Km 20 + 315 trên tuyến cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi (tháng 11/2017). ........................................................................................................................ 16 Hình 1. 7. Mặt cắt ngang nền đường đắp nhiều lớp không bão hoà do thấm của nước mưa [147] ...................................................................................................................... 17 Hình 1. 8. Minh hoạ xói ngầm trong thân nền đường [141] ......................................... 19 Hình 1. 9. Mô hình xói ngầm trong môi trường hạt [128] ............................................ 20 Hình 1. 10. Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu của luận án ....................................................... 24 Hình 2. 1. Các thành phần ứng suất của một phân tố đất không bão hòa: (a) biến trạng thái ứng suất độc lập; (b) ứng suất hiệu quả [104] ........................................................ 26 Hình 2. 2. Đường cong đặc trưng đất–nước [31] .......................................................... 27 Hình 2. 3. Các SWCC điển hình cho các loại đất khác nhau [75]. ............................... 28 Hình 2. 4. Đường bao phá hoại Mohr-Coulomb cho đất bão hòa ................................. 31 Hình 2. 5. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng cho đất không bão hòa [68] .... 33 Hình 2. 6. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng cho đất không bão hòa [68] với số liệu thí nghiệm của tác giả tại mục 3.4.4 ....................................................................... 34 Hình 2. 7. Mối quan hệ điển hình giữa SWCC và hàm thấm [71] ................................ 36 Hình 2. 8. Rời rạc hoá miền tính toán của phương pháp FEM ..................................... 37 Hình 2. 9. Các bước tính toán của phương pháp DEM ................................................. 40 Hình 2. 10. So sánh các phép đo tam (a) tam giác Delaunay có các nhánh bên trong; (b) tam giác Delaunay quy tắc có tất cả các nhánh trong không gian lỗ rỗng. ................... 41 Hình 2. 11. Lưới Voronoi (a) và mạng lưới tam giác Delaunay quy tắc trong ba chiều (b) và hai chiều (c). ........................................................................................................ 41 Hình 2. 12. (a) Định nghĩa chuyển vị hạt. (b) Độ cứng pháp tuyến và tiếp tuyến tại các VIII
tiếp xúc. ......................................................................................................................... 42 Hình 2. 13. Mô hình xác định các thành phần lực pháp tuyến (a) và tiếp tuyến (b) [44] ....................................................................................................................................... 42 Hình 2. 14. Hình học lỗ rỗng. (a) Một lỗ rỗng được xác định bởi phần tử tứ diện của phân rã thể tích hữu hạn. (b) Định nghĩa dạng hình học của thể tích rỗng bị thu hẹp bởi sự có mặt của nước "PT”. .............................................................................................. 44 Hình 2. 15. Sự dịch chuyển của mặt tiếp xúc giữa khí-nước giữa hai trạng thái cân bằng, từ (a) pc  pe đến (b) pc  pe . ......................................................................................... 44 c c Hình 2. 16. (a) Xây dựng trên miền phụ Ωij, lỗ rỗng của Ωi bị chiếm bởi pha khí (Φi), lỗ rỗng của Ωj bị chiếm bởi pha nước(Θj); (b) Áp suất chất lỏng hai pha và lực căng bề mặt tiếp xúc trên pha hạt. ..................................................................................................... 45 Hình 2. 17. Định nghĩa về điều kiện biên bằng cách sử dụng các hình cầu giả định cho biên cứng [44] ................................................................................................................ 47 Hình 2. 18. Phần cổ họng lỗ rỗng ở các biên (a) 1 biên + 2 hình cầu và (b) 2 biên + 1 hình cầu.......................................................................................................................... 48 Hình 2. 19. Sơ đồ thuật toán của mô hình DEM–PFV .................................................. 49 Hình 3. 1. Bình chiết suất xác định SWCC [10] [11] .................................................... 55 Hình 3. 2. Mẫu trong bình chiết suất ............................................................................. 55 Hình 3. 3. Đường cong đặc trưng đất nước cho mẫu Dương Cấm ............................... 58 Hình 3. 4. Đường cong đặc trưng đất nước cho mẫu Cồn Lê ....................................... 58 Hình 3. 5. So sánh các đường cong SWCC với một số tác giả trong nước................... 58 Hình 3. 6. Quan hệ giữa hệ số thấm và lực hút dính mẫu đầm nén (a) Mỏ Dương Cấm, (b) Mỏ Cồn Lê ............................................................................................................... 60 Hình 3. 7. Quan hệ giữa hệ số thấm và lực hút dính của một số tác giả ....................... 61 Hình 3. 8. Quan hệ giữa hệ số thấm và lực hút dính của ba mẫu đất thuộc duyên hải miền Trung ............................................................................................................................. 62 Hình 3. 9. Sơ đồ (a) và thiết bị cắt trực tiếp (b) ............................................................. 62 Hình 3. 10. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng lập từ các kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp mẫu đầm nén Dương Cấm ......................................................................... 64 Hình 3. 11. Quan hệ giữa cường độ chống cắt và ứng suất pháp thực của mẫu đầm nén Dương Cấm từ thí nghiệm cắt trực tiếp với các lực hút dính khác nhau ...................... 64 IX
Hình 3. 12. Quan hệ giữa cường độ chống cắt và lực hút dính của mẫu đầm nén Dương Cấm tại giá trị ứng suất pháp thực bằng 0 kPa. ............................................................. 65 Hình 3. 13. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng lập từ các kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp mẫu đầm nén Cồn Lê ................................................................................. 66 Hình 3. 14. Quan hệ giữa cường độ chống cắt và ứng suất pháp thực của mẫu đầm nén Cồn Lê từ thí nghiệm cắt trực tiếp với các lực hút dính khác nhau .............................. 66 Hình 3. 15. Quan hệ giữa cường độ chống cắt và lực hút dính của mẫu đầm nén Cồn Lê tại giá trị ứng suất pháp thực bằng 0 kPa. ..................................................................... 67 Hình 3. 16. Mô hình áp suất tác dụng lên mẫu đất trong thí nghiệm nén 3 trục [36]. .. 68 Hình 3. 17. Sơ đồ điều khiển và bố trí hệ đường ống máy ba trục cải tiến để thí nghiệm đất không bão hòa [7] ................................................................................................. 69 Hình 3. 18. Hệ thống máy ba trục cải tiến cho mẫu đất không bão hoà dùng trong phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật, trường Đại học Thủy lợi ............................................ 70 Hình 3. 19. Sơ đồ cấu tạo buồng nén ba trục ................................................................ 70 Hình 3. 20. Ngăn chứa nước có các rãnh hình vòng tròn ở phần đầu của chân đế buồng ba trục và đĩa áp suất khí cao [10]. ................................................................................ 70 Hình 3. 21. Thực hiện chế bị mẫu đất đầm nén ............................................................. 71 Hình 3. 22. Quy trình gia tải trong thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước/CD ........ 72 Hình 3. 23. Các điều kiện ứng suất trong khi thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước+khí (CD) [10] ....................................................................................................... 73 Hình 3. 24. Quan hệ giữa ứng suất lệch và biến dạng dọc trục dưới các áp suất hông thực khác nhau tác dụng lên mẫu với cùng lực hút dính ban đầu là: (a) 0 kPa; (b) 100 kPa; (c) 200 kPa ............................................................................................................. 74 Hình 3. 25. Đường bao phá hoại Mohr – Coulomb mở rộng xác định từ thí nghiệm ba trục cố kết thoát nước (CD) tại lực hút dính bằng: (a) 0 kPa, (b) 100 kPa, (c) 200 kPa 75 Hình 3. 26. Mặt bao phá hoại Morh – Coulomb mở rộng xác định được từ thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước (CD) mẫu đất thí nghiệm Dương Cấm .......................... 76 Hình 3. 27. Các hình chiếu ngang của mặt bao phá hoại trên mặt phẳng τ ~ (σ - ua) xác định từ thí nghiệm nén ba trục CD của mẫu mỏ vật liệu Dương Cấm .................... 76 Hình 3. 28. Các hình chiếu ngang của mặt bao phá hoại trên mặt phẳng τ ~ (ua – uw) xác định từ thí nghiệm nén ba trục CD của mẫu đầm nén Dương Cấm ............................... 77 X
Hình 3. 29. Quan hệ giữa ứng suất lệch và biến dạng dọc trục với các áp suất hông thực khác nhau tác dụng lên mẫu đất cùng lực hút dính ban đầu là: (a) 0 kPa, (b) 100 kPa, (c) 200 kPa .......................................................................................................................... 77 Hình 3. 30. Đường bao phá hoại Mohr – Coulomb mở rộng xác định từ thí nghiệm ba trục cố kết thoát nước (CD) tại lực hút dính bằng: (a) 0 kPa, (b) 100 kPa, (c) 200 kPa 78 Hình 3. 31. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng xác định từ thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước (CD) mẫu đất thí nghiệm Cồn Lê .............................................. 79 Hình 3. 32. Các hình chiếu ngang của mặt bao phá hoại trên mặt phẳng τ ~ (σ - ua) xác định từ thí nghiệm nén ba trục CD của mẫu đầm nén Cồn Lê ................................ 79 Hình 3. 33. Các hình chiếu ngang của mặt bao phá hoại trên mặt phẳng τ ~ (ua – uw) xác định từ thí nghiệm nén ba trục CD của mẫu đầm nén Cồn Lê ......................... 80 Hình 3. 34. Đường quan hệ giữa ứng suất cắt và lực hút dính của mẫu đất đầm nén Dương Cấm xác định được từ thí nghiệm nén ba trục CD và cắt trực tiếp ................... 80 Hình 3. 35. Đường quan hệ giữa ứng suất cắt và lực hút dính của mẫu đất đầm nén Cồn Lê xác định được từ thí nghiệm nén ba trục CD và cắt trực tiếp ................................... 80 Hình 3. 36 Đường quan hệ giữa τ và (ua – uw) của mẫu đất đầm nén Dương Cấm từ thí nghiệm cắt trực tiếp và từ công thức của Fredlund và Vanapalli, 1996. ....................... 82 Hình 3. 37. Đường quan hệ giữa τ và (ua – uw) của mẫu đất đầm nén Cồn Lê từ thí nghiệm cắt trực tiếp và từ công thức của Fredlund và Vanapalli, 1996. ....................... 82 Hình 3. 38. Đường quan hệ giữa τ và (ua – uw) của mẫu đất đầm nén Dương Cấm từ thí nghiệm nén ba trục CD và công thức của Fredlund và Vanapalli, 1996. ................. 83 Hình 3. 39. Đường quan hệ giữa τ và (ua – uw) của mẫu đất đầm nén Cồn Lê từ thí nghiệm nén ba trục CD và công thức của Fredlund và Vanapalli, 1996. ...................... 83 Hình 3. 40. Đường quan hệ giữa τ và (ua – uw) của một số tác giả ............................. 84 Hình 4. 1. Bản đồ đoạn cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi............................................... 85 Hình 4. 2. Hình ảnh đoạn nghiên cứu trên cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi ................. 86 Hình 4. 3. Đường cong đặc trưng đất – nước (a), và khả năng thấm (b) của lớp đất đắp nền mỏ Dương Cấm (Lớp sét pha cát) .......................................................................... 87 Hình 4. 4. Mô hình phân tích ổn định nền đường đoạn cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi, đoạn thuộc huyện Đại Lộc - Quảng Nam, lý trình KM 24+980 (khai báo mô hình nền XI
đường đắp; các điều kiện biên mực nước ngầm, biên mực nước thiết kế và biên mưa) ....................................................................................................................................... 88 Hình 4. 5. Phân bố áp suất nước lỗ rỗng trong kết cấu nền đường đắp khi có sự kết hợp của dòng thấm và bổ sung nước do mưa. (a) Mặt cắt tim đường, (b) Mặt cắt vai đường trái, (c) Vai đường phải, (d) Chân taluy đường trái – kịch bản 1 .................................. 90 Hình 4. 6. Phân bố áp suất nước lỗ rỗng của dòng thấm có áp ổn định kết hợp với mưa – kịch bản 1: (a) t = 0h; (b) t = 2h ................................................................................. 91 Hình 4. 7. Phân bố cột nước trong kết cấu nền đường đắp khi có sự kết hợp của dòng thấm và bổ sung nước do mưa – kịch bản 1 .................................................................. 92 Hình 4. 8. Phân bố cột nước dòng thấm bên trong kết cấu nền đường đắp – kịch bản 1: (a) t = 0h; (b) t = 2h ....................................................................................................... 93 Hình 4. 9. Sự thay đổi của hệ số ổn định mái dốc theo thời gian chịu tác động kết hợp của dòng thấm và bổ sung nước do mưa – kịch bản 1 .................................................. 94 Hình 4. 10. Sự thay đổi của hệ số thấm phụ thuộc lực hút dính – kịch bản 1 ............... 95 Hình 4. 11. Phân bố áp suất nước lỗ rỗng trong kết cấu nền đường đắp khi có sự kết hợp của dòng thấm và bổ sung nước do mưa:(a)Tim đường, (b) Vai đường trái, (c) Vai đường phải, (d) Chân taluy đường trái – kịch bản 2 cho mô hình phân phối mưa đều ............ 96 Hình 4. 12. Phân bố áp suất nước lỗ rỗng trong kết cấu nền đường đắp khi có sự kết hợp của dòng thấm và bổ sung nước do mưa.(a) Tim đường, (b)Vai đường trái, (c) Vai đường phải, (d) Chân taluy đường trái – kịch bản 2 cho mô hình phân phối mưa chuẩn ........ 97 Hình 4. 13. Phân bố cột nước trong kết cấu nền đường đắp khi có sự kết hợp của dòng thấm và bổ sung nước do mưa – kịch bản 2: (a) phân phối mưa đều, (b) phân phối mưa chuẩn .............................................................................................................................. 98 Hình 4. 14. Thay đổi của hệ số ổn định mái dốc theo thời gian chịu tác động kết hợp của dòng thấm và bổ sung nước do mưa – kịch bản 2: (a) phân phối mưa đều, (b) phân phối mưa chuẩn...................................................................................................................... 98 Hình 4. 15. So sánh hệ số ổn định hai mô hình mưa của kịch bản 2........................... 100 Hình 4. 16. Phân bố áp suất nước lỗ rỗng trong kết cấu nền đường đắp khi có sự kết hợp của dòng thấm và bổ sung nước do mưa. (a) Mặt cắt tim đường, (b) Vai đường trái, (c) Vai đường phải, (d) Chân taluy đường trái – kịch bản 3 cho mô hình phân phối mưa đều ..................................................................................................................................... 101 XII
Hình 4. 17. Phân bố áp suất nước lỗ rỗng trong kết cấu nền đường đắp khi có sự kết hợp của dòng thấm và bổ sung nước do mưa. (a) Tim đường, (b) Vai đường trái, (c) Vai đường phải, (d) Chân taluy đường trái – kịch bản 3 mô hình phân phối mưa chuẩn.. 102 Hình 4. 18. Phân bố cột nước trong kết cấu nền đường đắp khi có sự kết hợp của dòng thấm và bổ sung nước do mưa – kịch bản 3: (a) phân phối mưa đều, (b) phân phối mưa chuẩn ............................................................................................................................ 103 Hình 4. 19. Thay đổi của hệ số ổn định mái dốc theo thời gian chịu tác động kết hợp của dòng thấm và bổ sung nước mưa – kịch bản 3:(a) phân phối mưa đều,(b) phân phối mưa chuẩn ............................................................................................................................ 103 Hình 4. 20. So sánh hệ số ổn định hai mô hình mưa của kịch bản 3........................... 105 Hình 4. 21. So sánh hệ số ổn định mô hình mưa phân phối chuẩn cho kịch bản 2 và 3 ..................................................................................................................................... 106 Hình 4. 22. Biểu đồ Voronoi và các điều kiện biên về tải trọng và áp suất [135] ...... 107 Hình 4. 23. So sánh kết quả mô phỏng lún với lý thuyết lún cố kết thấm của Terzaghi ..................................................................................................................................... 107 Hình 4. 24. So sánh áp suất nước lỗ rỗng giữa mô phỏng số với lý thuyết của Terzaghi ..................................................................................................................................... 108 Hình 4. 25. Các điều kiện biên về áp suất và trường áp suất khi N  50000 hạt ......... 108 Hình 4. 26. Trường áp suất nhận được bởi mô hình (a): FEM và (b): PFV ................ 109 Hình 4. 27. So sánh kết quả thấm của mô phỏng/thực nghiệm/công thức, (a): thấm nội tại, (b): thấm không thứ nguyên được chuẩn hóa bởi bán kính thủy lực D * [12]; M  m1 /( m1  m 2 ) , với m1 và m 2 tương ứng là khối lượng hạt mịn và hạt thô.......... 110 XIII
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3. 1. Tính chất cơ lý của các mẫu vật liệu đầm nén ............................................. 53 Bảng 3. 2. Tính chất cơ lý của các mẫu đất chế bị ........................................................ 56 Bảng 3. 3. Chương trình các thí nghiệm cắt trực tiếp .................................................... 63 Bảng 3. 4. Chương trình các thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước+khí (CD) ........ 73 Bảng 3. 5. So sánh các thông số cường độ chống cắt hiệu quả ..................................... 81 Bảng 4. 1. Đặc trưng của nền đường sử dụng đất mỏ Dương Cấm và các lớp địa chất nền tự nhiên ................................................................................................................... 86 Bảng 4. 2. Các kịch bản nghiên cứu ổn định nền đường............................................... 89 Bảng 4. 3. Bảng so sánh hệ số ổn định hai mô hình mưa kịch bản 2 ............................ 99 Bảng 4. 4. Bảng so sánh hệ số ổn định hai mô hình mưa kịch bản 3 .......................... 104 Bảng 4. 5. Hệ số thấm nội tại k (m2) ........................................................................... 111 Bảng 4. 6. Hệ số thấm K (m/s) .................................................................................... 111 XIV
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ASTM Tiêu chuẩn thí nghiệm của Mỹ (American standard testing methods) AEV The air entry value (giá trị không khí đi vào) BĐKH Biến đổi khí hậu CD Thí nghiệm nén 3 trục cố kết thoát nước (Consolidated drained) CĐCC Cường độ chống cắt CU Thí nghiệm nén 3 trục cố kết không thoát nước (Consolidated undrained test) CW Thí nghiệm nén 3 trục với độ ẩm không đổi DEM Phương pháp phần tử rời rạc (Discrete element method) DST Thí nghiệm cắt trực tiếp (Direct shear strength) NBD Nước biển dâng PFV Thể tích tỉ lệ rỗng hữu hạn (Pore–scale finite volume) PI Chỉ số dẻo (Plasticity index) PPCBGH Phương pháp cân bằng giới hạn PT Thể tích rỗng bị thu hẹp bởi sự có mặt của nước (Pore throat) PTN Phòng thí nghiệm RSV Giá trị lực hút dính dư (residual suction value) SWCC Đường cong đặc trưng đất nước (Soil water characteristic curve) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam UU Thí nghiệm nén 3 trục không cố kết, không thoát nước (Unconsolidated undrained test) XV
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Miền Trung - Việt Nam là nơi có điều kiện địa hình và khí hậu khác biệt so với các khu vực khác trên cả nước. Các yếu tố khí hậu như: nắng nóng kéo dài quanh năm với lượng bốc hơi rất lớn làm cho đất đai khô cằn, chủ yếu ở trạng thái mềm rời, nhưng sau đó lại trải qua các trận bão lũ kèm mưa lớn với mức độ ngập lụt rộng khắp cả nhiều tỉnh Miền Trung làm cho cấu trúc lỗ rỗng của đất thay đổi rất lớn, điều này dẫn đến những công trình giao thông bị hư hỏng nặng nề và thiệt hại rất lớn về các lĩnh vực khác kéo theo. Theo thống kê của các tổ chức khí hậu trong nước và thế giới, lượng mưa trung bình năm ở Miền Trung lớn nhất cả nước (>2800mm) trong khi các khu vực khác chỉ dao động ở mức 1200mm đến 1800mm [2], [9]. Việt Nam là một trong mười nước dễ bị tổn thương trên thế giới trước tác động của BĐKH [2], [6] và vùng Duyên hải miền Trung Việt Nam là một trong những vùng chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của BĐKH khi có sự ấm lên toàn cầu vượt ngưỡng 1,5oC và khả năng xảy ra kịch bản nước biển dâng (NBD) cho Việt Nam khi dải ven biển miền Trung từ tỉnh Thanh Hóa đến tỉnh Bình Thuận dẫn đến khoảng 1,53% diện tích đất các tỉnh ven biển miền Trung từ Thanh Hóa đến Bình Thuận có nguy cơ bị ngập úng vào năm 2050. Các tuyến đường ven sông, đặc biệt là các tuyến cao tốc qua những địa hình đắp cao đã và đang được xây dựng tại khu vực này sẽ có nguy cơ bị ngập cục bộ trong thời gian kéo dài do ảnh hưởng của mưa lớn kéo dài kết hợp với nước biển dâng. Điều này chứng tỏ những thay đổi về khí hậu dẫn đến việc gia tăng các mực nước ngập lụt ở các tuyến đường (nền đường đắp) đang cần thiết có những đánh giá đúng mức nhất về sự ổn định của nền đường đắp ở khu vực này. Các nền đường đắp tồn tại cả vùng bão hòa và không bão hòa, các vùng này sẽ thay đổi rất lớn khi thay đổi nhiệt độ, lượng nước xâm nhập (độ ẩm) và gia tải (tải trọng trực tiếp). Các nghiên cứu đến nay vẫn chủ yếu tập trung vào vùng đất bão hòa (loại đất hai pha nước và đất). Về mặt cơ học, các quan hệ ứng suất – biến dạng, sự biến thiên áp suất nước lỗ rỗng, cường độ chống cắt và hệ số thấm của đất không bão hòa có sự khác biệt về quy luật so với cơ học đất bão hòa. Mặt khác, sự hạn chế về điều kiện/hệ thống thiết bị thí nghiệm hiện nay đối với đất không bão hòa là trở ngại và thách thức các nghiên cứu tại Việt Nam [11]. Trong cấu trúc của nền đường đắp, khu vực lớp đất nằm dưới lớp mặt đường và nằm trên mực nước ngầm tồn tại một hàm lượng nước mao dẫn nhất định. Mặt khác, nước có thể được bổ sung tại khu vực này do mưa thấm qua các 1
vết nứt từ các lớp mặt hoặc thấm từ vai nền đường đắp hoặc taluy đường. Như vậy, khu vực lớp đất nền đường đắp ở trạng thái bão hòa không hoàn toàn, do đó việc áp dụng lý thuyết của cơ học đất bão hòa để phân tích các ứng xử cơ học đối với khu vực không bão hòa không còn phù hợp thực tế [53]. Hàm lượng nước trong đất/độ bão hòa của đất thay đổi theo không gian tùy thuộc vị trí tương đối của lớp đất khảo sát so với mực nước ngầm và thời gian tùy thuộc sự di chuyển tự do của nước dưới đất do thấm, do mao dẫn, hoặc được bổ sung từ nước ngầm, từ mưa hoặc từ khu vực khác đến vị trí khảo sát [53]. Sự thay đổi độ ẩm/độ bão hòa của đất dẫn đến thay đổi lực hút dính của đất không bão hòa, kết quả làm thay đổi các đặc trưng thủy lực/cơ học của đất như: thấm, cường độ chống cắt, lún/biến dạng và sự ổn định của nền đường [3], [58]. Nghiên cứu của Alonso và các cộng sự [22] về sự ổn định của mái dốc đứng đã chỉ ra rằng, trường hợp bỏ qua ảnh hưởng của lực hút dính, hệ số an toàn tới hạn của mái dốc nhỏ hơn 1,0; như vậy mái dốc không ổn định, tuy nhiên thực tế mái dốc vẫn đang ổn định hoặc ngược lại mặc dù đánh giá cả nền đường ổn định nhưng chỉ cần có một hoặc nhiều vị trí cục bộ không ổn định, dẫn đến hình thành dòng thấm làm cho nước mang theo các hạt tạo sự mất ổn định cục bộ, lâu dần cả nền đường đắp đang từ ổn định chuyển sang mất ổn sau đó. Các nghiên cứu trên Thế giới và Việt Nam về đặc trưng cơ học của đất không bão hòa cho đến nay đều tập trung vào nghiên cứu phương pháp xác định các đặc trưng cơ học hoặc đã có những nghiên cứu thực nghiệm xác định các đặc trưng cơ học (bộ thông số) đầu vào cho các phần mềm phân tích ổn định cho nền đường đắp (Geo-Studio; Plaxis…). Tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào thực sự tập trung vào bản chất và ứng xử của các đặc trưng cơ học kết hợp cả phân tích cục bộ và tổng thể. Cần có những thực nghiệm tìm ra đặc trưng cơ học của đất khu vực duyên hải miền Trung và những đánh giá ảnh hưởng của nước đến các đặc trưng này, trên cơ sở kết hợp cả mô hình số FEM để phân tích ổn định tổng thể và mô hình số DEM-PFV trong việc phân tích tương tác cơ học của ba pha hạt – khí – nước trong cấu trúc hạt ở tỉ lệ vi mô của đất không bão hòa. Xuất phát từ những yêu cầu thực tế về việc mở rộng hệ thống giao thông toàn quốc và ở khu vực Miền Trung, xuất phát từ ảnh hưởng của BĐKH, những cấp thiết trong bài toán an toàn của nền đường đắp, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp tại khu vực duyên 2
hải miền Trung” được lựa chọn, góp phần nhỏ bé để giải quyết một phần bài toán ổn định nền đường đắp trong những tồn tại hiện nay. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nhằm xác định bộ thông số (các đặc trưng cơ học) của đất không bão hòa thuộc khu vực duyên hải miền Trung làm cơ sở phân tích ổn định tổng thể và cục bộ của nền đường đắp khu vực nghiên cứu. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là đất không bão hòa 3.2. Phạm vi nghiên cứu Nền đường đắp khu vực duyên hải miền Trung. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4.1. Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần nhỏ bé làm rõ bản chất và các ứng xử cơ học của đất không bão hòa ở vùng nghiên cứu thuộc khu vực duyên hải miền Trung. Xác định bộ thông số (Các đặc trưng cơ học) của đất tại khu vực duyên hải miền Trung như đường cong đặc trưng đất–nước; các quan hệ giữa hệ số thấm và cường độ chống cắt với lực hút dính làm cơ sở phân tích đánh giá ảnh hưởng của nước đến sự thay đổi các đặc trưng này. Kết hợp mô hình số FEM (phần mềm Geo-Studio) để phân tích ổn định tổng thể và mô hình số DEMPFV để mô phỏng cục bộ các vị trí bên trong nền đường đắp nhằm giải quyết một số cấu trúc cơ học vi mô còn tồn tại trong nghiên cứu ổn định nền đường đắp. 4.2. Ý nghĩa thực tiễn Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số (Các đặc trưng cơ học) của đất không bão hòa đến sự ổn định nền đường đắp cho phép lựa chọn mặt cắt, kích thước hợp lý về kỹ thuật và kinh tế trong tính toán và thiết kế công trình giao thông tại khu vực duyên hải miền Trung. 5. Bố cục của luận án Mở đầu Chương 1: Tổng quan về ảnh hưởng của nước đến các đặc trưng cơ học của công trình nền đường đắp trong điều kiện không bão hoà. Chương này trình bày tình hình 3