Bộ Giáo dục và đào tạo Bộ Nông nghiệp và PTNT Trường đại học Thuỷ lợi --------------- Nguyễn Thị Ngọc Hương Nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ chống cắt đất không bão hòa đến sự ổn định đập đất Luận án tiến sĩ kỹ thuật Hà Nội, 2013 Bộ Giáo dục và đào tạo Bộ Nông nghiệp và PTNT Trường đại học Thuỷ lợi --------------- Nguyễn Thị Ngọc Hương Nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ chống cắt đất không bão hòa đến sự ổn định đập đất Chuyên ngành: Địa kỹ thuật Xây dựng Mã số: 62 - 58 - 60 - 01 Luận án tiến sĩ kỹ thuật Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Trịnh Minh Thụ 2. GS. Nguyễn Công Mẫn Hà Nội, 2013 - i - lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học do chính tôi thực hiện. Các kết quả, số liệu nêu trong luận án là trung thực và cha đợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Thị Ngọc Hơng - ii - lời cảm ơn Luận án Nghiên cứu ảnh hởng của cờng độ chống cắt đất không bão hòa đến sự ổn định đập đất đợc thực hiện từ tháng 11 năm 2008 và hoàn thành vào tháng 08 năm 2013. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo PGS.TS. Trịnh Minh Thụ và thầy giáo GS. Nguyễn Công Mẫn đã quan tâm giúp đỡ, tận tình hớng dẫn và cung cấp tài liệu tham khảo giúp tác giả có đợc những kiến thức phục vụ cho việc hoàn thành luận án này. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo trong bộ môn Địa kỹ thuật, khoa Công trình, phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, các nhà khoa học từ các đơn vị trong và ngoài trờng, . đã có những đóng góp, giúp đỡ quý báu cho tác giả trong quá trình nghiên cứu. Tác giả xin cảm ơn bộ môn Địa kỹ thuật, phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật đã tạo điều kiện và bố trí thời gian để tác giả hoàn thành luận án nghiên cứu. Cuối cùng, tác giả xin đợc gửi lời cảm ơn chân thành tới các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã động viên, khuyến khích, giúp đỡ tác giả rất nhiều trong quá trình thực hiện luận án. Hà Nội, ngày 20 tháng 08 năm 2013 Tác giả Nguyễn Thị Ngọc Hơng - iii - Mục lục Lời cam đoan . i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các bảng biểu . ix Danh mục các hình vẽ, đồ thị x Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt xvii Mở đầu .1 I. Tính cấp thiết của đề tài .1 II. Mục đích nghiên cứu 3 III. Đối tợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 3 IV. Nội dung nghiên cứu .4 V. Phơng pháp nghiên cứu 5 VI. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .5 VII. Những đóng góp mới của luận án 6 VIII. Bố cục của luận án .7 Chơng 1. Tổng quan các nghiên cứu về đập đất và đất không bão hòa .8 1.1. Tổng quan về đập đất .8 1.1.1. Khái quát chung về đập đất 8 1.1.2. Các vấn đề về mất ổn định mái đất .9 1.2. Tổng quan về môi trờng đất bão hòa, không bão hoà 12 1.3. Tình hình nghiên cứu các đặc trng cơ lý đất không bão hoà trên thế giới và ở Việt Nam .15 - iv - 1.3.1. Tình hình nghiên cứu các đặc trng cơ lý đất không bão hòa trên thế giới 15 1.3.2. Tổng quan các nghiên cứu về cờng độ chống cắt của đất .17 1.3.3. Tình hình nghiên cứu các đặc trng cơ lý đất không bão hòa nói chung và cờng độ chống cắt của đất không bão hòa nói riêng ở nớc ta 19 1.4. Kết luận chơng 1 21 Chơng 2. Cơ sở lý thuyết đất không bão hòa .22 2.1. Các biến trạng thái ứng suất trong môi trờng đất .22 2.2. Đờng cong đặc trng đất - nớc .24 2.3. Cờng độ chống cắt của đất không bão hoà 31 2.3.1. Phơng trình cờng độ chống cắt của đất bão hòa .31 2.3.2. Phơng trình cờng độ chống cắt của đất không bão hòa 32 2.4. Phơng pháp phân tích thấm trong môi trờng bão hòa, không bão hòa .43 2.5. Phơng pháp phân tích ổn định mái dốc 44 2.6. Kết luận chơng 2 47 Chơng 3. Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số đặc trng cờng độ chống cắt của đất không bão hòa 49 3.1. Tính chất cơ bản của đất dùng trong thí nghiệm 49 3.2. Thí nghiệm xác định đờng cong đặc trng đất - nớc .51 3.2.1. Thiết bị thí nghiệm xác định đờng cong đặc trng đất nớc .51 3.2.2. Chuẩn bị mẫu 51 3.2.3. Bão hoà mẫu và đĩa gốm .52 3.2.4. Thí nghiệm xác định đờng cong đặc trng đất - nớc 54 3.2.5. Kết quả thí nghiệm .55 - v - 3.2.6. Tính toán hệ số thấm từ đờng cong đặc trng đất - nớc .57 3.2.6.1. Tính toán đờng cong SWCC bằng phơng trình của Fredlund và Xing (1994) 57 3.2.6.2. Xác định hệ số thấm của đất từ SWCC .60 3.3. Xác định cờng độ chống cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm cắt trực tiếp .63 3.3.1. Thiết bị thí nghiệm cắt trực tiếp 63 3.3.2. Qui trình thí nghiệm .63 3.3.3. Chơng trình thí nghiệm .64 3.3.4. Kết quả thí nghiệm .65 3.3.4.1. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Khe Cát .65 3.3.4.2. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Sông Sắt 2 .68 3.3.4.3. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Sông Sắt 3 .70 3.4. Xác định cờng độ chống cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm nén ba trục 72 3.4.1. Thiết bị ba trục cải tiến để thí nghiệm đất không bão hòa .73 3.4.2. Qui trình thí nghiệm .77 3.4.3. Chơng trình thí nghiệm .82 3.4.4. Kết quả thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nớc (CD) .83 3.4.4.1. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Khe Cát .83 3.4.4.1.1. Các đặc tính cờng độ chống cắt của các mẫu đất thí nghiệm 83 3.4.4.1.2. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng .86 3.4.4.1.3. Các đờng ứng suất trong thí nghiệm CD mẫu Khe Cát 90 3.4.4.2. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Sông Sắt 3 .92 - vi - 3.4.4.2.1. Các đặc tính cờng độ chống cắt của các mẫu đất thí nghiệm 92 3.4.4.2.2. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng .94 3.4.4.2.3. Các đờng ứng suất trong thí nghiệm CD mẫu Sông Sắt .98 3.4.5. Kết quả thí nghiệm nén ba trục với độ ẩm không đổi (CW) 100 3.4.5.1. Các đặc tính cờng độ chống cắt của các mẫu đất thí nghiệm 100 3.4.5.2. áp lực nớc lỗ rỗng d 102 3.4.5.3. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng .104 3.4.5.4. Các đờng ứng suất trong thí nghiệm CW mẫu Sông Sắt .109 3.5. Phân tích kết quả thí nghiệm 110 3.5.1. So sánh các kết quả thí nghiệm .110 3.5.2. So sánh giữa kết quả thí nghiệm với kết quả tính từ công thức thực nghiệm đợc đề xuất bởi Fredlund và Vanapalli, 1996 113 3.6. Kết luận chơng 3 118 Chơng 4. ứng dụng kết quả nghiên cứu tính toán cho một số mái dốc ở Việt Nam .121 4.1. Giới thiệu chung về công trình .121 4.1.1. Công trình hồ chứa nớc Sông Sắt 121 4.1.2. Công trình hồ chứa nớc Khe Cát .122 4.1.3. Mái dốc tự nhiên ở Yên Bái 122 4.2. Giới thiệu phần mềm ứng dụng 123 4.3. Phân tích ổn định mái đập đất công trình Sông Sắt 124 4.3.1. Tính toán thấm 125 4.3.2. Phân tích ổn định mái dốc 126 4.3.2.1. Phân tích ổn định theo phơng pháp giả thiết không xét đến b .126 - vii - 4.3.2.2. Phân tích ổn định theo phơng pháp giả thiết b = 1/2 .127 4.3.2.3. Phân tích ổn định theo phơng pháp lực dính toàn phần .127 4.4. Phân tích ổn định mái đập đất công trình Khe Cát 128 4.4.1. Tính toán thấm 130 4.4.2. Phân tích ổn định mái dốc 130 4.4.2.1. Phân tích ổn định theo phơng pháp giả thiết không xét đến b .131 4.4.2.2. Phân tích ổn định theo phơng pháp giả thiết b = 1/2 .131 4.4.2.3. Phân tích ổn định theo phơng pháp lực dính toàn phần .131 4.5. Phân tích ổn định mái dốc tự nhiên ở Yên Bái .132 4.5.1. Tính toán thấm 133 4.5.2. Phân tích ổn định mái dốc 134 4.5.2.1. Phân tích ổn định theo phơng pháp giả thiết không xét đến b .134 4.5.2.2. Phân tích ổn định theo phơng pháp giả thiết b = 1/2 .134 4.5.2.3. Phân tích ổn định theo phơng pháp lực dính toàn phần .135 4.6. Phân tích kết quả tính toán ổn định mái đất công trình thực tế .135 4.6.1. Phân tích kết quả tính toán công trình Sông Sắt .135 4.6.2. Phân tích kết quả tính toán công trình Khe Cát 137 4.6.3. Phân tích kết quả tính toán mái dốc tự nhiên ở Yên Bái .138 4.7. Kết luận chơng 4 140 Kết luận và kiến nghị 141 I. Kết luận 141 II. Tồn tại và kiến nghị 143 Danh mục công trình khoa học đã công bố .144 - viii - Tài liệu tham khảo .145 Phụ lục .152 Phụ lục I. Hiệu chuẩn các thiết bị đo lực và đo áp lực nớc lỗ rỗng trong luận án 153 Phụ lục II. Kết quả thí nghiệm xác định đờng cong đặc trng đất - nớc cho các mẫu đất thí nghiệm 157 Phụ lục III. Kết quả phân tích hệ số thấm và cờng độ chống cắt của các mẫu đất thí nghiệm gián tiếp từ đờng cong đặc trng đất - nớc .163 Phụ lục IV. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng lập từ các kết quả thí nghiệm theo các phơng pháp thí nghiệm khác nhau .191 Phụ lục V. Kết quả phân tích ổn định mái dốc bằng bộ phần mềm GeoStudio 2004 .197