Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung nghiên cứu bao gồm: Nghiên cứu tổng quan về ổn định mái dốc đất không bão hòa ở trên thế giới và Việt Nam; 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 các đặc trưng của đất không bão hòa; nghiên cứu chế tạo máng thí nghiệm và dàn tạo mưa; nghiên cứu thực nghiệm quá trình nước mưa xâm nhập vào mái dốc; nghiên cứu thực nghiệm cơ chế biến thiên áp lực nước lỗ rỗng trong mái dốc trong quá trình mưa và sau khi dừng mưa;

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI PHẠM HUY DŨNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA ĐẾN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA Ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số: 9580211 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2020
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Hoàng Việt Hùng Người hướng dẫn khoa học 2: GS. Nguyễn Công Mẫn Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Huy Phương - Trường Đại học Mỏ - Địa chất Phản biện 2: PGS.TSKH. Trần Mạnh Liểu - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Phản biện 3: PGS.TS. Đoàn Thế Tường - Viện Địa kỹ thuật Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại Room 5 - K1, trường Đại học Thủy lợi, 175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội vào lúc 8 giờ 30 ngày 23 tháng 12 năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia; - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi.
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm vừa qua, ở nước ta đã xảy ra hàng loạt sự cố công trình liên quan đến hiện tượng trượt lở mái dốc gây thiệt hại lớn về người và tài sản. Hiện tượng trượt lở không chỉ xảy ra đối với các mái dốc tự nhiên, mà còn là sự cố thường xuyên đối với mái dốc đất đắp như đường, đê, đập, hố móng... Một trong những tác nhân chính dẫn đến mất ổn định mái dốc là do mưa. Gần đây nhất là vào tháng 10 năm 2020, một loạt các sự cố trượt lở đất liên tiếp xảy ra ở miền Trung Việt Nam đã để lại những hậu quả thảm khốc. Áp lực nước lỗ rỗng và cường 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 dưới mực nước ngầm và khô hoàn toàn khi nằm trên mực nước ngầm. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của nhiều nhà khoa học đã chứng minh sự gia tăng của cường độ kháng cắt trong đất không bão hòa (KBH) là do tác dụng của áp lực nước 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 KBH trong phân tích ổn định mái dốc, đặc biệt là những nơi có mực nước ngầm ở dưới sâu. Đối với đất KBH, đường cong đặc trưng đất nước (SWCC) được coi là thông số quan trọng, nó thường được dùng để xác định các đặc tính của đất KBH như hệ số thấm, cường độ kháng cắt và biến thiên thể tích của đất [3], [4]. Phương 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 KBH 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 mưa đến ổn định mái dốc, nhiều tác giả trên thế giới và Việt Nam đã sử dụng mô hình số để nghiên cứu quy luật biến đổi áp 1
lực nước lỗ rỗng (lực hút dính) và hệ số ổn định mái dốc theo thời gian trong quá trình mưa. Tuy nhiên, các số liệu thực nghiệm về lượng mưa xâm nhập vào mái dốc, sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình mưa và sau khi dừng mưa vẫn chưa thực sự rõ ràng. Vì vậy, cần có những nghiên cứu khoa học cụ thể, nhằm làm sáng tỏ bản chất, quá trình tác động của mưa đến sự ổn định mái dốc của đất KBH để có những giải pháp công trình phù hợp và hiệu quả. Với những lý do nêu trên, đề tài ‘Nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc đất không bão hòa’ là thực sự cần thiết và mang nhiều ý nghĩa khoa học thực tế 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu sự thay đổi của hệ số ổn định mái dốc đất không bão hòa dưới tác động của mưa. 3. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu 3.1 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu quá trình biến đổi áp lực nước lỗ rỗng trong mái dốc dẫn đến sự thay đổi cường độ kháng cắt của đất và hệ số ổn định mái dốc của các loại mái dốc đất đắp công trình thủy lợi như đê, đập. 3.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là mái dốc đất không bão hòa đắp bằng đất đa nguồn gốc phân bố ở phía Bắc Việt Nam. 4. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu bao gồm: Nghiên cứu tổng quan về ổn định mái dốc đất không bão hòa ở trên thế giới và Việt Nam; 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 các đặc trưng của đất không bão hòa; nghiên cứu chế tạo máng thí nghiệm và dàn tạo mưa; nghiên cứu thực nghiệm quá trình nước mưa xâm nhập vào mái dốc; nghiên cứu thực nghiệm cơ chế biến thiên áp lực nước lỗ rỗng trong mái dốc trong quá trình mưa và sau khi dừng mưa; ứng dụng kết 2
quả nghiên cứu để phân tích, đánh giá ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc đất đắp không bão hòa cho một số công trình thực tế. 5. Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp được áp dụng trong đề tài: Phương pháp lý thuyết; phương pháp thực nghiệm trong phòng và hiện trường xác định các đặc trưng của đất không bão hòa; phương pháp mô hình số và phương pháp chuyên gia. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6.1 Ý nghĩa khoa học: - Đóng góp bộ cơ sở dữ liệu về các đặc trưng của đất KBH ở Việt Nam. - Thực nghiệm xác định được lượng nước mưa xâm nhập vào mái dốc và cơ chế biến thiên áp lực nước lỗ rỗng trong mái dốc trong quá trình mưa và sau khi dừng mưa 6.2 Ý nghĩa thực tiễn: - Đề xuất công cụ ước lượng SWCC cho một số loại đất dính ở miền Bắc Việt Nam khi không có kết quả thực nghiệm xác định SWCC. - Đề xuất bổ sung đánh giá ảnh hưởng của mưa kéo dài đến ổn định mái dốc trong công tác thiết kế công trình thủy lợi như đê và đập quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế TCVN 9902:2016 và TCVN 8216:2018. - Góp phần chính xác hóa trong tính toán, phân tích ổn định mái dốc trên cơ sở khoa học đất không bão hòa. 7. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 5 chương bao gồm: Chương 1: Tổng quan nghiên cứu về ổn định mái dốc đất không bão hòa; Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định mái dốc đất không bão hòa; Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định các đặc trưng của đất không bão hòa; Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của mưa lên mái dốc đất đắp; Chương 5: Ứng dụng kết quả nghiên cứu tính toán cho một số mái dốc công trình thủy lợi. 3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 1.1 Tổng quan về phân tích ổn định mái dốc 1.1.1 Các phương pháp phân tích ổn định mái dốc Hiện nay có nhiều phương pháp (PP) để phân tích ổn định mái dốc, các PP này được phân thành ba nhóm chính là PP cân bằng giới hạn, PP phân tích giới hạn và PP số. 1.1.2 Phân tích ổn định mái dốc trên cơ sở khoa học đất không bão hòa Có 2 PP để xét ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng âm khi phân tích ổn định mái dốc đất không bão hòa là PP “lực dính toàn phần” và PP “cường độ kháng cắt mở rộng”. 1.2 Tầm quan trọng của cơ học đất không bão hòa 1.2.1 Môi trường đất không bão hòa Fredlund và Rahardjo (1993) đã đưa ra quá trình thay đổi áp lực nước lỗ rỗng ở vùng đất nằm trên đường bão hòa khi có mưa và bốc hơi như ở Hình 1.1 [1]. 1.2.2 Các trường hợp điển hình liên quan đến cơ học đất không bão hòa Trong thực tế xây dựng, có rất nhiều loại công trình làm việc liên quan đến cơ học đất không bão hòa. Chẳng hạn như quá trình thi công và vận hành của đập đất, mái dốc tự nhiên hoặc mái hố móng chịu tác động của mưa. Ở trong các trường hợp này, rõ ràng xuất hiện hai vùng đất riêng biệt ở bên trên và bên dưới đường bão hòa. 1.3 Tổng quan nghiên về cứu cường độ kháng cắt đất không bão hòa 1.3.1 Khái niệm đường cong đặc trưng đất-nước Đường cong đặc trưng đất- nước (SWCC) là mối quan hệ giữa lượng chứa nước trong đất và lực hút của đất. SWCC được coi là thông số trung tâm của đất không bão hòa, nó được dùng để xác định các đặc tính của đất không bão hoà như hệ số thấm, cường độ chống cắt và biến thiên thể tích (Hình 1.5). 4
Vùng chuyển tiếp Độ ẩm trọng lượng (%) Giá trị khí vào Dòng thấm hướng lên Điểm uốn ổn định Biên ảnh hưởng Vùng tàng dư Lực hút dính dư Lực hút dính (kPa) Hình 1.1 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng Hình 1.5 Đường cong đặc trưng đất trong đới không bão hòa [1] nước điển hình [1] 1.3.2 Cường độ kháng cắt của đất không bão hòa Đối với đất bão hòa, Tezaghi (1936) sử dụng tiêu chuẩn phá hoại Mohr- Coulomb biểu diễn phương trình cường độ kháng cắt như ở phương trình (1-1). Đối với đất không bão hòa, Fredlund và cộng sự (1978) sử dụng tổ hợp biến trạng thái ứng suất là ứng suất pháp thực (- ua) và lực hút dính (ua-uw) để biểu thị cường độ kháng cắt, phương trình (1-2) có dạng: f = c’+(-uw ) tg ’ (1-1) f= c’+( – ua) tg’+(ua – uw) tgb (1-2) 1.3.3 Tình hình nghiên cứu về SWCC và cường độ kháng cắt của đất không bão hòa trên thế giới Các nghiên cứu đều chỉ ra xu hướng biến thiên của giá trị khí vào (AEV) và lực hút dính dư tăng dần khi thay đổi từ đất cát đến đất bụi, đất á sét và đất sét. 1.3.4 Tình hình nghiên cứu về SWCC và cường độ kháng cắt của đất không bão hòa ở Việt Nam Các nghiên cứu thực nghiệm về SWCC và cường độ kháng cắt đất không không bão hòa ở Việt Nam còn rất hạn chế do thiếu các thiết bị thí nghiệm liên quan. Toan (2016) đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của thành phần hạt và trọng lượng riêng của đất đến AEV và lực hút dính dư cho một số loại đất dọc bờ sông Hồng khu vực Hà Nội. Tuy nhiên thiết bị thí nghiệm được hỗ trợ bởi trường đại học Ibaraki, Nhật Bản. Hương (2013), đã tiến hành thí nghiệm xác định SWCC và cường độ kháng cắt của các loại đất ở 3 địa phương khác nhau của Việt Nam là Quảng Ninh, Yên Bái và Ninh Thuận. 5
1.4 Tổng quan nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc đất không bão hòa 1.4.1 Ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc Mưa là tác nhân chủ yếu dẫn đến mất ổn định mái dốc. Khi có mưa, nước mưa xâm nhập vào mái dốc làm tăng độ ẩm, tăng trọng lượng, tăng áp lực nước lỗ rỗng, giảm cường độ kháng cắt, dâng cao mực nước ngầm và dẫn đến giảm hệ số ổn định mái dốc. Các sự cố về trượt lở đất liên quan đến mưa đã xảy ra ở nhiều nơi trên thế giới và Việt Nam, gây tổn thất lớn về tài sản và con người. 1.4.2 Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc đất không bão hòa trên thế giới và Việt Nam Nhiều tác giả trên thế giới và Việt Nam đã sử dụng mô hình số để nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc. Các quy luật nghiên cứu đều cho thấy quá trình gia tăng áp lực nước lỗ rỗng dẫn đến giảm cường độ kháng cắt và giảm hệ số ổn định mái dốc trong quá trình mưa. Một số tác giả đã thiết lập được biểu đồ tương quan giữa hệ số ổn định mái dốc ở các thời điểm khác nhau đối với các trận mưa có thời gian kéo dài khác nhau. 1.5 Kết luận chương 1 Đối với đất không bão hòa, SWCC được coi là thông số quan trọng nhất. Tuy nhiên, việc xác định SWCC bằng thực nghiệm thường rất tốn kém và mất nhiều thời gian. Trong khi đó, ở Việt Nam thì các thiết bị thí nghiệm để xác định SWCC còn rất hạn chế. Vì vậy, việc xác định SWCC bằng các phương trình thực nghiệm có sử dụng các tham số hiệu chỉnh phù hợp với đặc tính của đất ở Việt Nam là có giá trị thực tế. Trong thực tế, các sự cố công trình về mất ổn định mái dốc phần lớn liên quan đến mưa. Tuy nhiên, điều kiện biên về lượng mưa xâm nhập vào mái dốc, cơ chế biến thiên của áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình mưa và sau khi dừng mưa vẫn chưa thực sự sáng tỏ. Vì vậy, các nghiên cứu thực nghiệm trong điều kiện ở Việt Nam sẽ được tiến hành nhằm đánh giá ảnh hưởng của mưa lên mái dốc và ứng dụng vào các bài toán thực tế. 6
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 2.1 Các biến trạng thái ứng suất của đất không bão hòa Đối với đất không bão hòa, có ba tổ hợp có thể dùng làm biến trạng thái ứng suất đó là ( - ua) và (ua - uw); ( - uw) và (ua - uw); ( - ua) và ( - uw). Trong các tổ hợp trên, thì tổ hợp biến trạng thái ứng suất ( - ua) và (ua - uw) được chấp nhận rộng rãi nhất đối với đất không bão hòa. 2.2 Lực hút dính của đất không bão hòa và cách xác định Lực hút dính (ua - uw) là hiệu số của áp lực khí lỗ rỗng, ua, thường là áp lực khí quyển ở ngoài trời và áp lực nước lỗ rỗng, uw. Hiện nay có thể đo lực hút dính bằng phương pháp đo trực tiếp hoặc bằng phương pháp đo gián tiếp. Căng kế (Tensometer) là loại thiết bị để đo trực tiếp lực hút dính trong đất. Tuy nhiên, nhược điểm của căng kế là chỉ đo giá trị lực hút dính ở dải thấp. Phương pháp đo lực hút dính gián tiếp bằng cảm biến có thể cho phép xác định lực hút dính ở dải cao. 2.3 Xác định đường cong đặc trưng đất-nước 2.3.1 Thí nghiệm xác định SWCC Ở trong phòng thí nghiệm, phương pháp sử dụng đĩa gốm và bình áp lực cao thường được sử dụng rộng rãi. Kỹ thuật tịnh tiến trục được sử dụng để tạo ra lực hút dính khác nhau cho các mẫu đất trong quá trình thí nghiệm. 2.3.2 Phương trình SWCC Các phương trình SWCC đều chứa một tham số liên quan đến AEV và một tham số liên quan đến tốc độ thoát nước. Một số phương trình sử dụng tham số thứ ba để phân biệt đường cong khi giá trị lực hút dính nhỏ so với phạm vi lực hút dính lớn. Việc sử dụng tham số thứ ba cho phép sự linh hoạt hơn khi hiệu chỉnh với kết quả thí nghiệm. Mỗi phương trình thực nghiệm có thể phù hợp với nhánh tăng ẩm hoặc giảm ẩm. Trong thực tế, phương trình của Fredlund và Xing (1994) thường được lựa chọn để biểu diễn SWCC. 7
2.3.3 Ước lượng SWCC Hiện nay có ba cách phổ biến để ước lượng SWCC bao gồm: (1) sử dụng chuỗi dữ liệu sẵn có của các loại đất tương tự; (2) sử dụng đường cong cấp phối hạt; (3) so sánh tương quan giữa chỉ tiêu cơ lý của đất và các tham số của SWCC. Trong ba cách này, thì hai cách đầu tiên được sử dụng phổ biến hơn do dễ dàng sử dụng và tính phổ biến của dữ liệu đầu vào. Nhiều mô hình đã được đề xuất để ước lượng SWCC từ đường cong cấp phối hạt, trong đó mô hình Modified Kovacs (2003) (mô hình MK) được biết đến rộng rãi vì nó phù hợp với nhiều loại đất bao gồm cả đất rời và đất dính. 2.4 Dòng thấm trong đất không bão hòa Đối với đất không bão hòa, Leong và Rahardjo (1997) đã sử dụng các chỉ tiêu phân loại đất để xác định hàm thấm có dạng: (2-15) 𝑘 = 𝑘𝑠 .p Trong đó: p là hệ số tùy thuộc vào từng loại đất. Công thức này thường được lựa chọn sử dụng vì tính chất đơn giản, đồng thời dễ dàng thấy được sự liên hệ giữa hàm thấm và SWCC. 2.5 Xác định cường độ kháng cắt của đất không bão hòa 2.5.1 Phương trình cường độ kháng cắt của đất không bão hòa Có nhiều tác giả đã phát triển các phương trình cường độ kháng cắt của đất không bão hòa. Các phương trình này đều liên quan đến tham số đặc trưng cho đất không bão hòa như lực hút dính, độ ẩm thể tích. Trong các phương trình nêu trên, thì phương trình (1-2) do Fredlund và cộng sự (1978) đề xuất và phương trình do Vanapalli và cộng sự (1996) đề xuất được sử dụng rộng rãi nhất. Phương trình do Vanapalli và cộng sự (1996) đề xuất có dạng: θ-θr (2-16) f = c’+( – ua) tan’+(ua – uw) [tan' ( )] θs -θr Với:  là độ ẩm thể tích; s là độ ẩm thể tích bão hòa; r là độ ẩm thể tích dư. 8
2.5.2 Thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt của đất không bão hòa Cũng tương tự như đối với đất không bão hòa, người ta cũng thường sử dụng hai loại thí nghiệm để xác định cường độ kháng cắt của đất không bão hòa là thí nghiệm cắt trực tiếp và thí nghiệm ba trục. Đối với thí nghiệm ba trục, có 5 sơ đồ được áp dụng để xác định cường độ kháng cắt của đất. 2.6 Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát trong phân tích ổn định mái dốc đẩt không bão hòa Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLE) phát triển bởi Fredlund và cộng sự trong những năm 1970 (Fredlund và Karhn (1977); Fredlund và cộng sự (1981)). Phương pháp này dựa vào hai phương trình hệ số an toàn và cho phép biến đổi lực tương tác giữa các thỏi. Trong đó một phương trình tính toán hệ số ổn định theo cân bằng mô men (𝐹𝑠𝑚 ) và một phương trình tính toán hệ số 𝑓 ổn định theo cân bằng lực (𝐹𝑠 ). 2.7 Kết luận chương 2 Lực hút dính, SWCC, hàm thấm và cường độ kháng cắt là những thông số cơ bản của đất không bão hòa thường được sử dụng khi tính toán ổn định mái dốc. SWCC có thể được xác định bằng thí nghiệm hoặc từ các phương trình thực nghiệm. Các phương trình SWCC đều chứa một số tham số hiệu chỉnh thống kê liên quan đến giá trị khí vào AEV và tốc độ thoát nước. Hiện nay, trong điều kiện ở Việt Nam thì ước lượng SWCC bằng cách sử dụng đường cong cấp hối hạt là một trong những phương pháp thuận lợi nhất. Hệ số thấm của đất không bão hòa là một hàm số phụ thuộc vào cả hệ số rỗng và độ bão hòa do dòng thấm chỉ chảy qua các lỗ rỗng chứa nước. Phương pháp hiện nay thường dùng là thiết lập tương quan giữa hàm thấm và SWCC. Đối với cường độ kháng cắt của đất không bão hòa thì phương trình của Fredlund và cộng sự (1978) và của Vanapalli và cộng sự (1996) là được sử dụng phổ biến hơn cả. Tuy nhiên, phương trình của Vanapalli và cộng sự (1996) thể hiện tính phi tuyến của cường độ kháng cắt đất không bão hòa tốt hơn. 9
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 3.1 Xác định lực hút dính của đất 3.1.1 Quy trình thí nghiệm xác định lực hút dính bằng căng kế 2725ARL Ở nghiên cứu này, tác giả sử dụng căng kế 2725ARL-Jet fill để xác định lực hút dính trong mái dốc ở hiện trường, trình tự thực hiện như sau: (1) Làm bão hòa cốc gốm; (2) Kết nối các bộ phận của căng kế; (3) Bơm nước vào trong ống dẫn ngược từ dưới lên; (4) Đóng ống thép rỗng có đường kính d = 22 mm vào mái dốc đến độ sâu dự kiến lắp đặt căng kế; (5) Đặt căng kế vào lỗ hổng vừa tạo được, lấp kín kẽ hổng giữa căng kế và đất nền; (6) Chờ giá trị lực hút ổn định, đọc số chỉ áp kế sau khoảng thời gian khoảng 10÷15 phút. 3.1.2 Lựa chọn vị trí thí nghiệm xác định lực hút dính Trong nghiên cứu, tác giả đã lựa chọn một số mái dốc điển hình ở các tỉnh Lạng Sơn, Quảng Ninh, Bắc Giang, Bắc Ninh và Hưng Yên (Hình 3.4). Ở mỗi mái dốc, lực hút dính được đo đạc tại mặt cắt giữa đập với ba vị trí là đỉnh mái dốc, giữa mái dốc hạ lưu và chân mái dốc hạ lưu. Các điểm đo ở độ sâu 25 cm và 45 cm. Ngoài ra, tại 3 đập Khau Piều, Bầu Lầy và Chúc Bài Sơn lực hút Hình 3.4 Hình ảnh minh họa đo lực hút dính còn được đo tại độ sâu 1,0 m dính ở hiện trường tính từ đỉnh đập. 3.1.3 Kết quả thí nghiệm xác định lực hút dính Tại thời điểm đo, các giá trị của lực hút dính trong mái dốc một số công trình thủy lợi ở miền Bắc Việt Nam có giá trị trong khoảng từ 30 ÷ 50 kPa. Ngoài ra, tác giả cũng đã thí nghiệm xác định độ bão hòa S của đất tại các vị trí đo đạc lực hút dính. Từ kết quả thực nghiệm của 37 điểm đo ở các mái dốc, xử lý 10
thống kê theo phương pháp bình phương nhỏ nhất thì quy luật này có dạng hàm số mũ với mức độ tương quan chặt chẽ theo như sau: (ua-uw)= 255,80e-0,0228S; R2=0,92 (3-1) Trong đó: S là độ bão hòa (%); (ua – uw) là lực hút dính. Hình 3.8 Quan hệ tương quan giữa lực hút dính và độ bão hòa trong mái dốc công trình thủy lợi 3.2 Xác định SWCC bằng bình áp lực và đĩa tiếp nhận khí cao 3.2.1 Vị trí lấy mẫu thí nghiệm xác định SWCC Các mẫu đất để thí nghiệm xác định SWCC là các mẫu nguyên dạng được lấy ở độ sâu từ 1,0÷2,0 m ở các công trình đê hữu Cầu - Bắc Ninh, đập Khau Piều - Lạng Sơn và đập Chúc Bài Sơn - Quảng Ninh. 3.2.2 Thí nghiệm xác định SWCC Hình 3.17 Đê hữu Cầu Hình 3.18 Đập Khau Piều Hình 3.19 Đập Chúc Bài Sơn Ước lượng SWCC của 3 loại đất thí nghiệm Thí nghiệm xác định SWCC được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật, Trường Đại học Thủy lợi theo các bước chính sau: (1) Bão hòa đĩa tiếp nhận khí cao; (2) Đưa mẫu vào dao vòng có chiều cao 2,0 cm và thể tích 60 cm3; (3) 11
Đặt mẫu thí nghiệm vào bình áp lực, tăng áp lực khí trong buồng lên 10 kPa, đo lường khi khối lượng mẫu không đổi; (4) Tăng áp lực khí lên cấp áp lực cần thiết, đo lường khi khối lượng mẫu không đổi. 3.2.3 Xác định hàm thấm từ SWCC Từ kết quả ước lượng SWCC, sử dụng phương trình hàm thấm của Leong và Rahardjo (1997) để xác định hệ số thấm tại các giá trị lực hút dính khác nhau: Hình 3.20 Đê hữu Cầu Hình 3.21 Đập Khau Piều Hình 3.22 Đập Chúc Bài Sơn Hàm thấm của 3 loại đất thí nghiệm 3.3 Xác định cường độ kháng cắt của đất Cường độ kháng cắt của đất được xác định theo cả 2 phương pháp là sử dụng máy nén ba trục TRIAX50 của hãng Wykeham Farrance và máy cắt trực tiếp kiểu ứng biến EDJ-2 của hãng ZheJiang TuGong tại Phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật. Kết quả được tổng hợp trong các bảng và biểu đồ sau: Hình 3.30 Đê hữu Cầu Hình 3.34 Đập Khau Piều Hình 3.38 Đập Chúc Bài Sơn Mặt bao phá hoại của 3 loại đất thí nghiệm Hình 3.33 Đê hữu Cầu Hình 3.37 Đập Khau Piều Hình 3.41 Đập Chúc Bài Sơn Góc ma sát biểu kiến  của 3 loại đất thí nghiệm b 12
Bảng 3.9 Bảng tổng hợp cường độ kháng cắt của 3 loại đất thí nghiệm STT Loại đất Thí nghiệm cắt phẳng Thí nghiệm nén 3 trục ’ (độ) C’ (kN/m2) ’ (độ) C’ (kN/m2) 1 Đê hữu Cầu 16,2 17,8 14,6 16,9 2 Đập Khau Piều 18,8 14,3 20,1 8,1 3 Đập Chúc Bài Sơn 23,5 20,2 26,7 14,5 3.4 Kết luận chương 3 Chương 3 của luận án đã trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định các đặc trưng cơ bản của đất không bão hòa của một số loại đất đắp ở miền Bắc Việt Nam. Tác giả đã cập nhật, bổ sung được quy trình xác định lực hút dính của đất không bão hòa bằng căng kế. Từ kết quả thực nghiệm, tác giả đã đề xuất phương trình tương quan giữa lực hút dính (ua-uw) và độ bão hòa S. Tác giả đã sử dụng bình áp lực khí cao và kỹ thuật tịnh tiến trục để thí nghiệm xác định SWCC, đồng thời kiến nghị sử dụng hai tham số trong phương trình MK lần lượt là ac =0,0005 và m=0,00002 để ước lượng SWCC cho một số loại đất dính ở khu vực nghiên cứu trong trường hợp không có các số liệu thí nghiệm xác định SWCC. Từ kết quả ước lượng SWCC, tác giả đã sử dụng phương trình hàm thấm của Leong và Rahardjo (1997) để xác định hệ số thấm tại các giá trị lực hút dính khác nhau. Ngoài ra, tác giả cũng đã tiến hành thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt cho ba loại đất. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự gia tăng của cường độ kháng cắt theo lực hút dính. Góc ma sát biểu kiến b của 3 loại đất đắp đê hữu Cầu, đập Khau Piều và đập Chúc Bài Sơn ở giá trị lực hút dính lớn lần lượt là 8,2o; 9,5 o và 9,4 o. Quy luật biến đổi b theo lực hút dính đối với đất đắp đập Chúc Bài Sơn và Khau Piều cũng tương đồng như đối với đất đắp đê hữu Cầu, tuy nhiên so với đất đắp đê hữu Cầu và đất đắp đập Khau Piều thì mức độ giảm b của đất đắp đập Chúc Bài Sơn nhiều hơn và biên độ giảm cũng nhanh hơn. 13
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA LÊN MÁI DỐC ĐẤT ĐẮP 4.1 Nghiên cứu chế tạo máng thí nghiệm Trên cơ sở kế thừa các nghiên cứu trước đây, máng thí nghiệm được lựa chọn cấu tạo dạng hình hộp chữ nhật với kích thước 150x50x70 cm. Máng thí nghiệm được đặt trên một trục quay tự do ở giữa máng kết hợp với bệ đỡ ở hai bên máng, đồng thời bố trí van xả mặt và đồng hồ đo lưu lượng (Hình 4.1). a) Hình ảnh thực tế b) Sơ đồ Hình 4.1 Cấu tạo máng thí nghiệm 4.2 Nghiên cứu chế tạo dàn tạo mưa Dàn tạo mưa được chế tạo bằng máng nhựa mica dạng hình hộp chữ nhật với kích thước 150x50x20 cm. Đáy máng được khoan tạo mặt khum lõm với đường kính mũi khoan 2 mm, sau đó sử dụng mũi khoan đường kính 0,5 mm khoan xuyên qua đáy máng. Ngoài ra, các đồng hồ đo lưu lượng cũng được gắn vào các đầu cấp nước vào và đầu thoát nước ra của máng (Hình 4.2). a) Hình ảnh thực tế b) Sơ đồ Hình 4.2 Cấu tạo của dàn tạo mưa 14
4.3 Đo lường và thu thập dữ liệu lực hút dính Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng căng kế 2100F-Remote Tensometer để đo trực tiếp lực hút dính trong môi trường đất. Thiết bị này đã được thương mại hóa và chế tạo bởi Công ty Soilmoisture Equipment Corp (Hình 4.3). Căng kế được kết nối với cảm biến ứng suất và liên kết với thiết bị ghi đọc dữ liệu Dataloger, cho phép thu thập liên tục giá trị lực hút dính (Hình 4.4). Hình 4.3 Căng kế 2100F-Remote Hình 4.4 Dataloger Tensometer Thiết bị đo và thu thập lực hút dính 4.4 Trình tự thí nghiệm 4.4.1 Chuẩn bị thí nghiệm a) Hình ảnh thực tế b) Sơ đồ Hình 4.9 Mô hình thí nghiệm mưa lên mái dốc Ban đầu, điều chỉnh máng thí nghiệm ở trạng thái cân bằng. Sau đó, phủ lớp dăm lọc dày 10 cm và phủ một lớp vải địa kỹ thuật lên trên lớp dăm lọc. Tiếp đó, trộn đất ở độ ẩm tối ưu w = 10,85%, san thành từng lớp mỏng và tiến hành 15
đầm nén để đạt độ chặt yêu cầu. Sau đó sử dụng kích thủy lực để điều chỉnh máng thí nghiệm về độ dốc thiết kế. Trong nghiên cứu này, độ dốc mái được thay đổi 3 trường hợp ứng với hệ số mái m = 1,0; m = 2,0 và m = 4,0. Độ chặt đất đắp cũng được thay đổi 4 trường hợp ứng với hệ số đầm chặt K = 0,70; K = 0,90; K = 0,95 và K=0,97 (Hình 4.9). 4.4.2 Thông số của mưa dùng trong thí nghiệm Ở nghiên cứu này, tác giả lựa chọn kiểu mưa ngắn với cường độ lớn (HI) để tiến hành thí nghiệm. Căn cứ theo dữ liệu thống kê trong QCVN 02:2009/BXD và các trạm quan trắc khí tượng trong khu vực nghiên cứu, thì trận mưa điển hình sử dụng trong thí nghiệm có cường độ mưa 105 mm/giờ và diễn ra liên tục trong thời gian 2,0 giờ. 4.4.3 Tiến hành thí nghiệm Ban đầu, mở van cấp nước vào dàn tạo mưa, chờ đến khi tạo thành dòng chảy tràn ổn định thì bắt đầu cho nước mưa rơi lên mái dốc. Quá trình mưa được tiến hành liên tục trong thời gian 2 giờ với cường độ mưa 105 mm/giờ cho tất cả các chuỗi thí nghiệm. Trong quá trình thí nghiệm, tiến hành ghi chép và đo đạc lượng nước mưa chảy tràn trên bề mặt mái dốc QT (lít/phút) sau từng đoạn thời gian 5 phút trong 1,0 giờ mưa đầu tiên và 10 phút trong 1,0 giờ mưa tiếp theo. 4.5 Phân tích, đánh giá kết quả thí nghiệm Từ các kết quả đo QT, tính toán Bảng 4.3 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm tác động của mưa lên mái dốc được cường độ tràn RR. RR là tỷ số giữa lượng nước chảy tràn QT chia cho diện tích bề mặt tràn (m2). Tỷ lệ chảy tràn RC (%) được tính bằng tỷ số giữa tổng lượng nước tràn chia cho tổng lượng mưa của cả trận mưa. Tỷ lệ thâm nhập RI (%) là hiệu số của 100% và RC. Kết quả được tổng hợp ở Bảng 4.3. 16
4.5.1 Ảnh hưởng của độ chặt đất đắp đến cường độ tràn Kết quả thí nghiệm cho thấy quy luật chung của độ chặt đất đắp và cường độ tràn đó là cường độ tràn giảm (hay cường độ mưa xâm nhập tăng) khi độ chặt đất đắp giảm. Ảnh hưởng này ở mức độ lớn khi độ chặt đất đắp thấp (K = 0,70) và giảm dần khi độ chặt đất đắp tăng dần. Khi mái dốc thoải nhất và độ chặt thấp nhất (m = 4 và K = 0,70) thì tỷ lệ chảy tràn có giá trị thấp nhất 68% và tăng lên tới 95% khi mái dốc dốc nhất và độ chặt cao nhất (m = 1 và K = 0,97). Hình 4.10 Sự thay đổi của cường độ Hình 4.14 Sự thay đổi của cường độ tràn khi hệ số mái m = 1 tràn khi hệ số đầm chặt K =0,95 4.5.2 Ảnh hưởng của độ dốc mái đến cường độ tràn Khi độ dốc mái tăng thì cường độ tràn tăng (hay cường độ mưa thâm nhập giảm dần). Tuy nhiên sự ảnh hưởng là không lớn khi so sánh với độ chặt đất đắp. 4.5.3 Sự thay đổi của lực hút dính trong quá trình mưa và sau khi mưa Để đánh giá sự thay đổi của lực hút dính trong mái dốc, tác giả đã lắp đặt căng kế tại 2 vị trí ở độ sâu lần lượt là 10 cm và 35 cm tính từ bề mặt mái dốc. Kết quả thí nghiệm cho thấy, ban đầu lực hút dính tại độ sâu 10 cm lớn hơn lực hút dính tại độ sâu 35 cm với khoảng chênh lệch là 2,8 kPa. Trong thời gian mưa liên tục 2 giờ thì lực hút dính tại 2 điểm đo không thay đổi. Tuy nhiên, tại độ sâu 10 cm thì lực hút dính bắt đầu giảm mạnh sau khi dừng mưa khoảng 0,5 giờ, quá trình này giảm liên tục cho đến khi sau khi dừng mưa khoảng 5,0 giờ thì giữ ổn định ở giá trị 16,5kPa trong ngày đầu tiên sau khi dừng mưa. Sau đó lực hút dính tại độ sâu 10 cm có xu thế tăng ngược trở lại, nguyên nhân là do hiện tượng bốc hơi ở gần bề mặt mái dốc. 17
Hình 4.15 Sự thay đổi của lực hút Hình 4.16 Sự thay đổi của lực hút dính dính sau thời gian mưa 1 ngày sau thời gian mưa 3 ngày Trong khi đó, sự suy giảm của lực hút dính tại độ sâu 35 cm diễn ra chậm hơn và ít hơn nhiều so với độ sâu 10 cm. Sau khi dừng mưa khoảng 1,0 giờ thì lực hút dính tại độ sâu 35 cm mới bắt đầu suy giảm dần từ giá trị ban đầu là 22,5 kPa, cho đến sau khi dừng mưa khoảng 5,0 giờ thì giảm xuống còn 20,5 kPa. Sau đó, lực hút dính ở độ sâu này không tăng ngược trở lại giống như ở độ sâu 10 cm mà tiếp tục giảm xuống với tốc độc rất chậm, cho đến 3 ngày sau khi mưa thì lực hút dính tại vị trí này đạt giá trị 19,5 kPa. 4.6 Kết luận chương 4 Kết quả nghiên cứu cho thấy hiện tượng nước chảy tràn trên mái dốc chỉ bắt đầu sau một khoảng thời gian mưa nhất định. Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy độ chặt đất đắp có mức độ ảnh hưởng tới cường độ tràn lớn hơn so với độ dốc mái. Mặt khác, lượng nước mưa chảy tràn chiếm tỷ lệ lớn thay đổi từ 68% (ứng với độ chặt đất đắp K=0,70 và hệ số mái dốc m=4) đến 95% (ứng với độ chặt đất đắp K=0,97 và hệ số mái dốc m=1). Như vậy, lượng nước mưa thâm nhập vào mái dốc khá nhỏ chỉ chiếm tỷ lệ từ 5% đến 32%. Do mưa xâm nhập vào mái dốc, làm cho áp lực nước lỗ rỗng tăng tức là lực hút dính trong đất giảm đi. Trong thời gian mưa, lực hút dính trong mái dốc có độ chặt đất đắp lớn hầu như không thay đổi, tuy nhiên giảm rất nhanh khi kết thúc mưa từ 0,5 đến 1,0 giờ. Sau đó lực hút dính có xu thế hồi phục trở lại nhưng tốc độ tăng rất chậm. 18