Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Nước Đến Đặc Trưng Cơ Học Của Đất Không Bão Hòa Áp Dụng Cho Nền Đường Đắp

Chuyên khảo phân tích Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa áp dụng cho nền đường đắp, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên

• Tác giả: Lương Nguyễn Hoàng Phương
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Đình Nghiên
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Đặc Biệt
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Nước Đến Đặc Trưng Cơ Học Của Đất Không Bão Hòa Tại Khu Vực Duyên Hải Miền Trung
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. Tính cấp thiết của luận án
• 2. Mục tiêu nghiên cứu
• 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 3.2. Phạm vi nghiên cứu
• 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 4.1. Ý nghĩa khoa học
• 4.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 5. Bố cục của luận án
• 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
• 1.1. Tổng quan về môi trường đất bão hòa và không bão hòa
• 1.2. Tổng quan các vấn đề về đặc trưng cơ học của đất không bão hòa
• 1.2.1. Tính nén lún – biến đổi thể tích
• 1.2.2. Gia tải/dỡ tải khi lực hút dính không đổi
• 1.2.3. Quá trình giảm/tăng độ ẩm trong khi ứng suất hiệu quả không đổi
• 1.2.4. Sự thay đổi các đặc tính về cường độ chống cắt – quan hệ ứng suất và biến dạng
• 1.2.5. Dòng thấm của nước qua môi trường rỗng
• 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
• 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
• 1.4.1. Nghiên cứu các đặc trưng cơ học của đất không bão hòa trên thế giới
• 1.4.2. Nghiên cứu các đặc trưng cơ học của đất không bão hòa ở Việt Nam
• 1.4.3. Vấn đề còn tồn tại của các nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam
• 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU VỀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA
• 2.1. Cơ sở lý thuyết xác định các đặc trưng cơ học của đất không bão hòa
• 2.2. Các biến trạng thái ứng suất của đất
• 2.3. Đường cong đặc trưng đất nước
• 2.3.1. Các phương trình xác định đường cong đặc trưng đất – nước
• 2.3.2. Phương pháp thực nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất-nước
• 2.4. Cường độ chống cắt của đất không bão hòa
• 2.4.1. Lý thuyết về cường độ chống cắt của đất bão hòa
• 2.4.2. Cường độ chống cắt của đất không bão hòa
• 2.5. Dòng thấm không ổn định trong đất không bão hoà
• 2.5.1. Định luật thấm Darcy cho đất không bão hoà
• 2.5.2. Cơ sở lý thuyết dòng thấm không bão hoà trong mô hình SEEP/W
• 2.6. Mô hình số mô phỏng đất không bão hòa-phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.7. 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)
• 2.7.1. Giới thiệu phương pháp phần tử rời rạc
• 2.7.2. Rời rạc không gian
• 2.7.3. Mô phỏng lực tương tác giữa các hạt (DEM)
• 2.7.3.1. Lực tương tác giữa hạt – hạt
• 2.7.3.2. Mô phỏng chuyển động của hạt theo định luật II Newton
• 2.7.4. Mô phỏng lực tương tác giữa khí – nước tác dụng lên hạt (PFV)
• 2.7.4.1. Sự dịch chuyển của pha khí và nước trong lỗ rỗng giữa các hạt
• 2.7.4.2. Áp suất mao dẫn gây ra bởi lực hút dính
• 2.7.5. Mô hình dòng chảy trong môi trường rỗng (DEM – PFV)
• 2.8. Ổn định mái dốc
• 2.9. Kết luận chương 2
• 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA
• 3.1. Tính chất cơ bản của đất dùng trong thí nghiệm
• 3.2. Thí nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất-nước
• 3.2.1. Thiết bị thí nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất-nước
• 3.2.2. Chuẩn bị mẫu
• 3.2.3. Bão hòa mẫu và đĩa gốm
• 3.2.4. Thí nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất-nước
• 3.2.5. Kết quả thí nghiệm đường cong đặc trưng đất-nước (SWCC)
• 3.2.5.1. Kết quả thí nghiệm
• 3.2.5.2. So sánh kết quả thí nghiệm SWCC khu vực nghiên cứu với các tác giả khác
• 3.2.6. Kết quả tính toán hệ số thấm từ đường cong đặc trưng đất nước
• 3.2.6.1. Tính toán đường cong SWCC từ phương trình Fredlund-Xing (1994)
• 3.2.6.2. Xác định hệ số thấm của đất từ đường cong SWCC
• 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
• 3.3. Xác định cường độ chống cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm cắt trực tiếp
• 3.3.1. Giới thiệu thiết bị thí nghiệm cắt trực tiếp
• 3.3.2. Quy trình thí nghiệm [10]
• 3.3.3. Chương trình thí nghiệm
• 3.3.4. Kết quả thí nghiệm mặt bao phá hoại
• 3.3.4.1. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Dương Cấm
• 3.3.4.2. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Cồn Lê
• 3.4. Xác định cường độ chống cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm nén ba trục
• 3.4.1. Thiết bị ba trục cải tiến thí nghiệm c h o đất không bão hòa [10]
• 3.4.2. Qui trình thí nghiệm
• 3.4.2.1. Chuẩn bị mẫu
• 3.4.2.2. Giai đoạn bão hoà mẫu
• 3.4.2.3. Giai đoạn cố kết
• 3.4.2.4. Giai đoạn tạo và cân bằng lực hút dính trong mẫu
• 3.4.2.5. Giai đoạn cắt mẫu cho thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước + khí
• 3.4.3. Các điều kiện ứng suất trong thí nghiệm nén ba trục theo các sơ đồ CD
• 3.4.4. Chương trình thí nghiệm
• 3.4.5. Kết quả thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước (CD)
• 3.4.5.1. Phân tích các kết quả thí nghiệm
• 3.4.5.2. So sánh các kết quả thí nghiệm
• 3.4.5.3. So sánh giữa kết quả thí nghiệm với kết quả tính từ công thức thực nghiệm được đề xuất bởi Fredlund và Vanapalli, 1996
• 3.5. Kết luận chương 3
• 4. PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC ĐẤT KHÔNG BÃO HOÀ ĐẾN ỔN ĐỊNH KHỐI ĐẮP NỀN ĐƯỜNG
• 4.1. Nghiên cứu ổn định tổng thể của nền đường đắp bằng mô hình phần tử hữu hạn
• 4.1.1. Giới thiệu chung về công trình
• 4.1.2. Mô hình phân tích sự ổn định nền đường cao đoạn cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi
• 4.1.3. Đặc trưng của đất và kích thước hình học mô hình nghiên cứu sự ổn định
• 4.1.4. Điều kiện biên
• 4.1.5. 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
• 4.1.6. 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
• 4.1.7. 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
• 4.1.8. So sánh kết quả của các kịch bản
• 4.2. Nghiên cứu ổn định cục bộ của nền đường đắp bằng mô hình phần tử VI rời rạc
• 4.2.1. Mô phỏng lún cố kết cục bộ khu vực bão hòa bằng mô hình số kết hợp DEM–PFV
• 4.2.2. Mô phỏng dòng thấm cục bộ khu vực bão hòa bằng mô hình số kết hợp DEM–PFV
• 4.3. Kết luận chương 4
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Các kết quả đạt được của Luận án
• 5.2. Những đóng góp mới của luận án
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Đất Không Bão Hòa Khu Vực Duyên Hải

Nghiên cứu về đất không bão hòa tại khu vực duyên hải miền Trung có ý nghĩa đặc biệt quan trọng do đặc thù khí hậu và địa hình nơi đây. Miền Trung thường xuyên chịu ảnh hưởng của nắng nóng kéo dài, gây khô cằn đất, xen kẽ với các đợt mưa lũ lớn, làm thay đổi cấu trúc và tính chất của đất. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định của các công trình giao thông, đặc biệt là nền đường đắp. Việc hiểu rõ ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất là chìa khóa để thiết kế và xây dựng các công trình bền vững, giảm thiểu thiệt hại do thiên tai. Theo thống kê, lượng mưa trung bình năm ở Miền Trung cao hơn nhiều so với các khu vực khác, gây ra những thách thức lớn cho việc bảo trì và vận hành các công trình hạ tầng. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích sâu các đặc trưng cơ học của đất trong điều kiện không bão hòa, từ đó đưa ra các giải pháp phù hợp.

1.1. Tầm quan trọng của Nghiên Cứu Đất Không Bão Hòa

Nghiên cứu đất không bão hòa đặc biệt quan trọng ở khu vực duyên hải miền Trung do sự biến đổi khí hậu khắc nghiệt. Điều này ảnh hưởng lớn đến tính ổn định của nền móng công trình, đặc biệt là các công trình giao thông như đường đắp. Sự thay đổi hàm lượng nước trong đất do mưa lũ và hạn hán gây ra sự biến đổi về cường độ chịu cắt của đất và tính thấm, ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ công trình. Cần phải có nghiên cứu chi tiết để đánh giá và đề xuất các biện pháp phòng ngừa, bảo vệ nền móng công trình một cách hiệu quả.

1.2. Các yếu tố khí hậu ảnh hưởng đến đất

Các yếu tố khí hậu như lượng mưa lớn, bão lũ thường xuyên và nắng nóng kéo dài ảnh hưởng đáng kể đến đất không bão hòa tại khu vực duyên hải miền Trung. Lượng mưa lớn có thể gây ra hiện tượng xói mòn đất và làm giảm cường độ chịu cắt của đất. Nắng nóng kéo dài lại làm đất khô cằn, nứt nẻ, giảm khả năng chịu tải. Việc hiểu rõ tác động của các yếu tố này là cần thiết để đưa ra các giải pháp thiết kế và thi công phù hợp.

II. Vấn Đề và Thách Thức về Đặc Trưng Cơ Học Đất Duyên Hải

Một trong những vấn đề lớn nhất là sự thay đổi đặc trưng cơ học của đất do biến đổi hàm lượng nước. Độ ẩm ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ chịu cắt của đất, tính thấm và khả năng chịu nén. Đất có thể mất đi độ ổn định khi bị ngậm nước hoặc trở nên quá cứng và nứt nẻ khi khô hạn. Thêm vào đó, nước mặn xâm nhập vào đất cũng là một yếu tố đáng lo ngại, làm thay đổi thành phần hóa học và cơ học của đất, ảnh hưởng đến tuổi thọ của các công trình. Theo Luận án, việc thiếu các nghiên cứu chuyên sâu về đất không bão hòa ở khu vực này cũng là một thách thức, gây khó khăn cho việc áp dụng các biện pháp kỹ thuật hiệu quả.

2.1. Sự thay đổi Đặc Tính Cơ Học của Đất theo Mùa

Sự thay đổi đặc tính cơ học của đất theo mùa là một vấn đề nghiêm trọng ở khu vực duyên hải miền Trung. Trong mùa mưa, độ bão hòa tăng cao, làm giảm cường độ chịu cắt và tăng nguy cơ trượt lở. Trong mùa khô, đất co ngót, nứt nẻ, gây mất ổn định cho các công trình. Cần có các nghiên cứu dài hạn để theo dõi và đánh giá sự thay đổi này, từ đó đưa ra các biện pháp ứng phó phù hợp.

2.2. Ảnh hưởng của Nước Mặn đến Đất Không Bão Hòa

Nước mặn xâm nhập vào đất ven biển là một vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng đến đặc trưng cơ học của đất. Muối trong nước mặn có thể làm thay đổi cấu trúc của đất, giảm tính thấm và tăng khả năng ăn mòn các vật liệu xây dựng. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các công trình như cầu, đường và các công trình ven biển khác. Cần có các nghiên cứu về mức độ ảnh hưởng của nước mặn đến đất để đưa ra các giải pháp bảo vệ công trình hiệu quả.

2.3. Thách thức về ổn định nền đường đắp

Việc xây dựng và duy trì nền đường đắp ở khu vực duyên hải miền Trung đối diện với nhiều thách thức do đất không bão hòa và điều kiện khí hậu khắc nghiệt. Nền đường đắp thường xuyên phải chịu tải trọng lớn, đồng thời phải đối mặt với sự thay đổi hàm lượng nước trong đất do mưa lũ và hạn hán. Điều này đòi hỏi các kỹ sư phải có kiến thức sâu rộng về đặc tính cơ học của đất và áp dụng các biện pháp kỹ thuật tiên tiến để đảm bảo tính ổn định của nền đường trong mọi điều kiện.

III. Phương Pháp Xác Định Đặc Trưng Cơ Học Đất Không Bão Hòa

Việc xác định chính xác đặc trưng cơ học của đất không bão hòa là rất quan trọng để đánh giá ổn định mái dốc và thiết kế nền móng công trình. Luận án sử dụng kết hợp các phương pháp thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm hiện trường. Các thí nghiệm trong phòng bao gồm xác định đường cong đặc trưng giữ nước của đất (SWCC), thí nghiệm cắt trực tiếp và thí nghiệm nén ba trục. Thí nghiệm hiện trường có thể bao gồm thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) và thí nghiệm cắt cánh hiện trường (VST). Dữ liệu từ các thí nghiệm này được sử dụng để xây dựng mô hình hóa đất và thực hiện phân tích số.

3.1. Thí Nghiệm Đường Cong Đặc Trưng Giữ Nước SWCC

Đường cong đặc trưng giữ nước của đất (SWCC) là một công cụ quan trọng để mô tả mối quan hệ giữa độ ẩm và sức hút mao dẫn trong đất. Thí nghiệm SWCC cho phép xác định khả năng giữ nước của đất ở các mức độ bão hòa khác nhau. Dữ liệu này được sử dụng để tính toán các thông số quan trọng như độ thấm và cường độ chịu cắt. Theo luận án, việc xác định chính xác SWCC là bước quan trọng đầu tiên trong việc đánh giá đặc trưng cơ học của đất không bão hòa.

3.2. Thí Nghiệm Cắt Trực Tiếp và Nén Ba Trục Đất

Thí nghiệm cắt trực tiếp và thí nghiệm nén ba trục là các phương pháp quan trọng để xác định cường độ chịu cắt của đất trong các điều kiện ứng suất khác nhau. Thí nghiệm cắt trực tiếp đơn giản và nhanh chóng, nhưng chỉ cung cấp thông tin về cường độ chịu cắt trên một mặt phẳng nhất định. Thí nghiệm nén ba trục phức tạp hơn, nhưng cho phép xác định các thông số cường độ chịu cắt một cách toàn diện hơn, bao gồm cả góc ma sát trong và lực dính.

3.3. Ứng Dụng Mô Hình Số trong Phân Tích Đất

Mô hình số là một công cụ mạnh mẽ để phân tích ảnh hưởng của các đặc trưng cơ học đất đến ổn định mái dốc và nền móng công trình. Các phần mềm như SEEP/W và SLOPE/W cho phép mô phỏng dòng thấm nước trong đất và tính toán hệ số an toàn của mái dốc. Các mô hình này cần được hiệu chỉnh bằng dữ liệu thực nghiệm để đảm bảo tính chính xác.

IV. Ứng Dụng Phân Tích Ổn Định Nền Đường Đắp Sử Dụng Phần Mềm

Luận án sử dụng mô hình phần tử hữu hạn để phân tích ổn định nền đường đắp trong các điều kiện khác nhau. Các mô hình SEEP/W và SLOPE/W được sử dụng để mô phỏng dòng thấm nước trong đất và tính toán hệ số an toàn của mái dốc. Các kịch bản mưa khác nhau được xem xét để đánh giá tác động của mưa đến ổn định nền đường. Kết quả phân tích cho thấy rằng độ ẩm có ảnh hưởng lớn đến hệ số ổn định của mái dốc.

4.1. Mô Phỏng Dòng Thấm bằng SEEP W cho Đất

SEEP/W là một phần mềm chuyên dụng để mô phỏng dòng thấm nước trong đất không bão hòa. Mô hình này cho phép tính toán sự phân bố áp suất nước lỗ rỗng và độ bão hòa trong đất. Dữ liệu này được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của dòng thấm đến ổn định mái dốc và nền móng công trình. Theo luận án, SEEP/W là một công cụ hữu ích để dự đoán sự thay đổi đặc trưng cơ học của đất do tác động của nước.

4.2. Phân Tích Ổn Định Mái Dốc với SLOPE W Đất

SLOPE/W là một phần mềm được sử dụng rộng rãi để phân tích ổn định mái dốc. Mô hình này sử dụng các phương pháp cân bằng giới hạn để tính toán hệ số an toàn của mái dốc. Dữ liệu về cường độ chịu cắt của đất và áp suất nước lỗ rỗng được sử dụng để xác định khả năng chống trượt của mái dốc. SLOPE/W là một công cụ quan trọng để thiết kế và đánh giá ổn định mái dốc trong các điều kiện khác nhau.

V. Nghiên Cứu Ứng Dụng DEM PFV Cho Ổn Định Cục Bộ Nền Đắp

Luận án đã sử dụng mô hình phần tử rời rạc (DEM) kết hợp với thể tích lỗ rỗng hữu hạn (PFV) để nghiên cứu ổn định cục bộ của nền đường đắp. Mô hình này cho phép mô phỏng quá trình lún cố kết cục bộ và dòng thấm cục bộ trong đất không bão hòa. Kết quả mô phỏng cho thấy sự tương đồng với lý thuyết lún cố kết thấm của Terzaghi. DEM-PFV là một công cụ hữu ích để nghiên cứu các hiện tượng phức tạp trong đất không bão hòa.

5.1. Mô Hình Hóa Lún Cố Kết Bằng DEM PFV

Mô hình DEM-PFV có thể mô phỏng quá trình lún cố kết trong đất không bão hòa một cách chi tiết. Mô hình này cho phép theo dõi sự thay đổi áp suất nước lỗ rỗng và biến dạng của các hạt đất. Kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp với lý thuyết lún cố kết thấm của Terzaghi, chứng tỏ tính chính xác của mô hình DEM-PFV.

5.2. Mô Phỏng Dòng Thấm Cục Bộ trong Đất

DEM-PFV cũng có thể mô phỏng dòng thấm cục bộ trong đất không bão hòa. Mô hình này cho phép theo dõi sự di chuyển của nước qua các lỗ rỗng giữa các hạt đất. Kết quả mô phỏng có thể được so sánh với các kết quả thí nghiệm và công thức lý thuyết để đánh giá tính chính xác của mô hình.

VI. Kết Luận và Đề Xuất Nghiên Cứu Tiếp Theo về Đất Duyên Hải

Luận án đã đạt được những kết quả quan trọng trong việc nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của đất không bão hòa tại khu vực duyên hải miền Trung. Các kết quả thí nghiệm và mô phỏng số cung cấp những thông tin hữu ích cho việc thiết kế và xây dựng các công trình bền vững. Tuy nhiên, cần có thêm nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hơn về các hiện tượng phức tạp trong đất không bão hòa, đặc biệt là ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và nước mặn. Cần có sự hợp tác giữa các nhà khoa học, kỹ sư và nhà quản lý để đưa ra các giải pháp hiệu quả cho việc bảo vệ các công trình hạ tầng và cộng đồng dân cư.

6.1. Đóng góp mới của Luận án về Đất Không Bão Hòa

Luận án đã có những đóng góp mới trong việc nghiên cứu đặc trưng cơ học của đất không bão hòa. Các thí nghiệm và mô phỏng đã cung cấp những thông tin chi tiết về ảnh hưởng của độ ẩm đến cường độ chịu cắt, tính thấm và ổn định mái dốc. Các kết quả này có thể được sử dụng để cải thiện các phương pháp thiết kế và xây dựng công trình, giảm thiểu rủi ro do thiên tai.

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo về Đất Duyên Hải

Cần có thêm nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của nước mặn đến đặc trưng cơ học của đất. Các nghiên cứu này nên tập trung vào việc xác định các cơ chế hóa học và vật lý ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của đất. Ngoài ra, cần có các nghiên cứu về hiệu quả của các biện pháp cải tạo đất để giảm thiểu tác động của nước mặn và biến đổi khí hậu. Điều này giúp bảo vệ các công trình và môi trường ở khu vực duyên hải.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 1. Môi trường đất bão hòa và không bão hòa Đất bão hòa là trạng thái đất khi các lỗ rỗng bị lấp đầy bởi nước (áp suất nước lỗ rỗng có giá trị dương, vị trí nằm dưới mực nước ngầm); đất không bão hòa khi các lỗ rỗng chỉ bị lấp đầy một phần bởi nước, phần còn lại của lỗ rỗng là khí (áp suất nước lỗ rỗng có giá trị âm, vị trí nằm trên mực nước ngầm) [3]. Đất bão hòa có thể được chuyển sang trạng thái không bão hòa khi xuất hiện quá trình bốc hơi, ngược lại chuyển từ trạng thái không bão hoà sang bão hoà khi có sự bổ sung nước do mưa, bị ngập hoặc mực nước ngầm dâng cao [3].

Nước mưa thấm vào đất hình thành dòng thấm.1, khi mực nước ngầm dâng lên từ vị trí đường AB đến A’B’, làm tăng áp suất nước lỗ rỗng ở vùng bão hoà, giảm áp suất nước lỗ rỗng ở vùng không bão hoà, dẫn đến giảm cường độ chống cắt của đất và nguy cơ mất ổn định mái dốc/nền đường [3]. Cơ chế phá hoại mái dốc do mưa [112] Nghiên cứu của Fredlund và Morgensten (1976) [61] chỉ ra rằng khi phân tích ứng suất của một môi trường liên tục nhiều pha cần phải thừa nhận pha trung gian khí – nước ứng xử như một pha độc lập.2 biểu thị sơ đồ hóa các vùng bão hoà – vùng mao dẫn – vùng không bão hoà ứng với các pha độc lập theo thể tích – khối lượng của đất [112]. Sơ đồ phân chia các vùng không bão hoà – vùng mao dẫn – vùng bão hoà trong kết cấu nền đắp [112] Rahardjo và cộng sự (2007) [111] đã sơ đồ hóa quá trình thay đổi áp suất nước lỗ rỗng của đất nằm trên mực nước ngầm trong điều kiện có mưa hoặc bốc hơi (Hình 1. Sơ đồ sự thay đổi của áp suất nước lỗ rỗng của đất không bão hoà trong điều kiện có mưa hoặc bốc hơi [111] Hình 1.3 cho thấy, khi bề mặt đất được che phủ kín, không chịu tác động của các quá trình mưa và bốc hơi, áp suất lỗ rỗng phân bố theo đường thẳng – tuân theo quy luật thuỷ tĩnh (đường số 1).

Trong điều kiện khí hậu khô hạn, không có mưa, chỉ có quá trình bốc hơi nước từ bề mặt/từ đất, làm giảm độ ẩm của đất, tăng lực hút dính, kết quả đường áp suất nước lỗ rỗng dịch chuyển về bên trái so với đường thuỷ tĩnh (đường số 2), cường độ chống cắt của đất tăng lên kéo theo tăng hệ số ổn định mái dốc/khối đắp. Vùng thay 6 đổi lớn nhất thuộc khu vực gần mặt đất so với khu vực bên dưới. Thời gian bốc hơi càng dài, đường áp suất nước lỗ rỗng càng có xu hướng dịch chuyển nhiều về bên trái. Ngược lại, trong điều kiện có mưa, lượng nước thấm vào trong đất kéo theo đường áp suất nước lỗ rỗng dịch chuyển về bên phải (đường số 3) so với đường thuỷ tĩnh làm thu hẹp vùng không bão hòa, giảm cường độ chống cắt dẫn đến giảm hệ số ổn định mất ổn định mái dốc.

Vai trò của áp suất nước lỗ rỗng âm hay lực hút dính làm tăng cường độ chống cắt của đất không bão hòa được chỉ ra trong nghiên cứu của Fredlund [3]. Nghiên cứu thực nghiệm đã phát triển một số thiết bị cho phép đo đạc áp suất nước lỗ rỗng âm đảm bảo độ chính xác nhất định. Việc phân tích ổn định mái dốc/nền đường không bão hòa trong thực tế cần được mở rộng trạng thái cân bằng giới hạn có xét đến các thành phần của cường độ chống cắt của đất gây ra bởi áp suất nước lỗ rỗng âm [3] [11]. Tổng quan về các đặc trưng cơ học của đất không bão hòa Tính nén lún, đường cong đặc trưng đất – nước, hệ số thấm và cường độ chống cắt là các đặc trưng cơ bản của đất không bão hòa.

Về mặt cơ học, đất bão hòa và không bão hòa khác biệt cơ bản về các đặc trưng cơ học này [3]. Đường cong đặc trưng đất – nước (SWCC) là thông số cơ bản của cơ học đất không bão hòa. Thông số cơ bản này chi phối các đặc trưng cơ học của đất không bão hoà như hệ số thấm, cường độ chống cắt và biến thiên thể tích của đất [3]. Đường cong SWCC và hệ số thấm là các thông số cần thiết cho phép phân tích ứng xử cơ học/ổn định của khối đất không bão hòa trong điều kiện nước mưa thấm vào mái dốc/khối đắp [66].

Cường độ chống cắt của đất đóng vai trò quan trọng trong phân tích các bài toán địa kỹ thuật như sức chịu tải của nền đường và sự ổn định của mái dốc/khối đắp [11], [63], đặc biệt cho đất không bão hoà. Cường độ chống cắt của đất không bão hòa khác đất bão hòa ở chỗ có thêm thành phần liên quan đến lực hút dính [66]. Hệ số thấm và cường độ chống cắt cho phép phân tích các bài toán thấm không ổn định; thấm do sự bổ sung nước mưa; sự ổn định mái dốc theo thời gian khi có sự thay đổi về độ ẩm/hàm lượng nước, áp suất nước lỗ rỗng, đường bão hòa của đất [3] [11]. Các nghiên cứu trong phạm vi cơ học đất không bão hòa chủ yếu tập trung vào các vấn đề về ứng xử cơ học: (i) sự thay đổi thể tích; (ii) sự thay đổi cường độ chống cắt của đất, (iii) dòng thấm trong môi trường rỗng trong kết cấu của đất [122].

Tính nén lún – biến đổi thể tích 7 Sự xuất hiện của pha nước trong đất làm thay đổi các đặc trưng cơ học của đất không bão hòa. Về mặt vật lý, sự tham gia của pha nước làm thay đổi độ ẩm và độ bão hòa của đất. Về mặt cơ học, nước chiếm một phần hoặc toàn bộ thể tích rỗng của đất làm thay đổi áp suất nước lỗ rỗng và kết quả làm giảm sức chịu tải và sức kháng cắt của đất [3]. Sự thay đổi áp suất nước lỗ rỗng bởi sự có mặt của nước dẫn đến thay đổi khả năng thấm trong điều kiện tải trọng và gradient thủy lực không đổi [3], [45].

Nhìn chung, sự tham gia của pha nước ảnh hưởng đến biến dạng lún, lún cố kết thấm của nền đường dẫn đến nguy cơ mất ổn định của khối đất như lún, nứt, sạt trượt và xói ngầm trong thân công trình cấu tạo bằng đất đắp [45]. Sự thay đổi thể tích của vật liệu đất/hạt không bão hòa có thể được gây ra bởi sự thay đổi của ứng suất giới hạn bên hoặc bởi sự thay đổi của bản thân nội tại của chất lỏng (chẳng hạn sự thay đổi ma trận lực hút dính) [45]. Sự thay đổi thể tích của vật liệu đất/hạt không bão hòa có thể được biểu thị thông qua biến dạng hoặc liên quan đến chuyển vị tương đối giữa các pha cấu thành tổng thể khối vật liệu [45] (chẳng hạn sự thay đổi hàm lượng của pha nước). Sự thay đổi các đặc tính về cường độ chống cắt – quan hệ ứng suất và biến dạng Trong khuôn khổ của cơ học đất cổ điển, Terzaghi (1936) [129] đã giới thiệu khái niệm ứng suất hiệu quả đối với trường hợp đặc biệt của đất bão hòa.

Terzaghi đã phát biểu nguyên lý của ứng suất hiệu quả và khái niệm ứng suất hiệu quả đóng vai trò nền tảng cơ bản cho nghiên cứu cơ học môi trường đất bão hòa và hiện tại được thừa nhận bởi cộng đồng khoa học về cơ học đất. Biot (1941) [33] tiếp tục khái niệm ứng suất hiệu quả của Terzaghi và đã đưa ra lý thuyết lún cố kết đối với môi trường đất bão hòa không bao gồm pha khí, hai pha đất và nước được xem xét trong một thể thống nhất, kết hợp và được giải độc lập. Ứng xử của môi trường đất không bão hòa phức tạp hơn. Trạng thái ứng suất của vật liệu đất không bão hòa khác biệt so với đất bão hòa [45].

Sự khó khăn của nghiên cứu vật liệu đất không bão hòa ở chỗ làm thế nào có thể xem xét các ảnh hưởng khác nhau của hàm lượng nước và quy luật thay đổi thể tích nén/nở ra của thể tích vật liệu [45]. Theo lý thuyết của Terzaghi, biến trạng thái ứng suất của đất bão hòa có thể được biểu diễn dưới dạng phương trình:  r    uw (1.1) 8 Trong đó  r là ứng suất hiệu quả,  là ứng suất tổng, và uw là áp suất nước lỗ rỗng. Việc mở rộng khái niệm ứng suất hiệu quả của Terzaghi cho trường hợp vật liệu đất không bão hòa là thực tế và cần thiết. Không ít nghiên cứu đã cố gắng phát triển biểu thức tương tự (1.1) trong đó các kiến nghị đều đưa ra biến ứng suất có hiệu đơn hoặc biến trạng thái ứng suất.

Bishop (1960) [36], Bishop và cộng sự (1963) [37] là những người tiên phong đã đề nghị biểu thức:  r    ua     ua  uw  (1.2) Trong đó u a là áp suất khí lỗ rỗng và  là tham số liên quan đến độ bão hòa. Tham số  được gọi là tham số ứng suất hiệu quả. Giá trị của  bằng 1 trong trường hợp vật liệu đất bão hòa và bằng 0 trường hợp vật liệu khô. Biểu thức tương tự cũng được đề nghị bởi Aitchison và Donald (1956) [20].

Các biểu thức đề nghị cho phép mô tả sự chuyển tiếp đơn giản từ các trạng thái bão hòa/bão hòa hoàn toàn (ở đó bao hàm biểu thức kiến nghị của Terzaghi) đến không bão hòa/bão hòa không hoàn toàn và trạng thái hoàn toàn khô. Việc xác định  và sự phụ thuộc của  vào hàm lượng của nước trong đất là cần thiết để xác định ứng suất hiệu quả trong môi trường đất không bão hòa. Bishop và Donald 1960 [35], Bishop và Blight (1963) [37] đã thực nghiệm đối với đất rời, đất được đầm nén và thừa nhận sự phù hợp của phương trình (1. Quan hệ giữa tham số ứng suất hiệu quả  và độ bão hòa với các loại đất khác nhau [106], [138] Nhiều nghiên cứu thực nghiệm trước đó chủ yếu tập trung vào xác định quan hệ giữa  và độ bão hòa s w .4 chỉ ra hàng loạt các quan hệ giữa  và s w đối với 9 phạm vi rộng các loại đất khác nhau [36], [38], [84].

Các đường cong đều chứng tỏ được xu thế của  thay đổi theo độ bão hòa s w .