Tổng quan luận án

Công trình khoa học được mô tả là luận án tiến sĩ kỹ thuật với các thông tin hành chính và học thuật chính thức như sau:

  • Tên 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 hải miền Trung
  • Nghiên cứu sinh: Lương Nguyễn Hoàng Phương
  • Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. Trần Đình Nghiên; 2. TS. Tống Anh Tuấn
  • Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Giao thông Vận tải
  • Ngành đào tạo: Kỹ thuật xây dựng công trình đặc biệt
  • Mã số chuyên ngành: 95.206
  • Năm bảo vệ: 2023

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Khu vực duyên hải miền Trung Việt Nam có chế độ khí hậu và địa hình đặc thù với lượng mưa trung bình năm lớn nhất cả nước (trên $2800\text{ mm}$, trong khi các khu vực khác dao động từ $1200\text{ mm}$ đến $1800\text{ mm}$). Khí hậu tại đây đặc trưng bởi các đợt nắng nóng kéo dài gây bốc hơi mạnh khiến đất khô cằn ở trạng thái mềm rời, tiếp nối là các đợt mưa bão tập trung gây ngập lụt trên diện rộng. Dưới tác động của biến đổi khí hậu và kịch bản nước biển dâng, ước tính khoảng $1,53%$ diện tích đất các tỉnh ven biển từ Thanh Hóa đến Bình Thuận có nguy cơ ngập úng vào năm 2050. Các tuyến đường giao thông đắp cao (đặc biệt là các tuyến đường bộ cao tốc như Đà Nẵng – Quảng Ngãi) đối mặt với nguy cơ sạt trượt và mất ổn định nghiêm trọng (điển hình như sự cố sạt lở taluy âm tại Km 20+315 vào tháng 11/2017).

Trong kết cấu nền đường đắp, lớp đất nằm trên mực nước ngầm và dưới mặt đường luôn tồn tại ở trạng thái bão hòa không hoàn toàn (đất không bão hòa ba pha: hạt – nước – khí). Độ ẩm và lực hút dính ma trận tại khu vực này biến động liên tục theo không gian và thời gian do quá trình bốc hơi, mao dẫn và thấm nước mưa. Tuy nhiên, các phương pháp tính toán thiết kế truyền thống tại Việt Nam đa phần vẫn áp dụng lý thuyết cơ học đất bão hòa hai pha, bỏ qua vai trò của lực hút dính ma trận làm tăng sức kháng cắt hoặc giả định đồng nhất trạng thái ứng suất. Mặt khác, các nghiên cứu hiện hữu chủ yếu tập trung vào ổn định tổng thể quy mô vĩ mô mà chưa giải quyết thỏa đáng bản chất cơ học vi mô của hiện tượng xói ngầm cục bộ và sự dịch chuyển hạt mịn bên trong lỗ rỗng dưới tác động của dòng thấm có áp. Do đó, việc xác lập các đặc trưng cơ học đất không bão hòa và kết hợp mô phỏng đa quy mô cho khu vực duyên hải miền Trung là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nhằm xác định bộ thông số đặc trưng cơ học của đất không bão hòa thuộc khu vực duyên hải miền Trung (đường cong đặc trưng đất – nước SWCC, quan hệ giữa hệ số thấm và lực hút dính, quan hệ giữa cường độ chống cắt và lực hút dính).
  2. Xây dựng và ứng dụng mô hình số kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích ổn định tổng thể và phương pháp phần tử rời rạc kết hợp thể tích lỗ rỗng hữu hạn (DEM–PFV) để phân tích ổn định cục bộ (lún cố kết, dòng thấm vi mô) của nền đường đắp trong khu vực nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Đất không bão hòa sử dụng trong kết cấu công trình nền đường đắp.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Nền đường đắp tại khu vực duyên hải miền Trung, tập trung vào vật liệu đất đắp từ hai mỏ vật liệu đại diện là mỏ Dương Cấm và mỏ Cồn Lê; vị trí ứng dụng thực tế tại Km 24+980 thuộc tuyến cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi (đoạn qua huyện Đại Lộc, tỉnh Quảng Nam).
    • Nội dung: Ứng xử cơ học (ứng suất – biến dạng, sức kháng cắt, biến thiên thể tích) và ứng xử thủy lực (dòng thấm không ổn định, áp suất nước lỗ rỗng) của đất đắp dưới tác động của nước mưa và dòng thấm.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu lớn về cơ học đất không bão hòa trên thế giới và tại Việt Nam:

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

  • Lý thuyết ứng suất hiệu quả và biến trạng thái ứng suất: Khởi nguồn từ nguyên lý ứng suất hiệu quả cho đất bão hòa của Terzaghi (1936) và lý thuyết cố kết của Biot (1941). Bishop (1960), Bishop và Donald (1960), Bishop và Blight (1963), Aitchison và Donald (1956) đã đề xuất tham số ứng suất hiệu quả đơn $\chi$. Jennings và Burland (1962) đã chứng minh giới hạn của biến ứng suất đơn khi không giải thích được hiện tượng sụt lở thể tích (collapse) khi làm ướt mẫu. Fredlund và Morgenstern (1976), Fredlund (1979) đã phát triển hệ hai biến trạng thái ứng suất độc lập $(\sigma - u_a)$ và $(u_a - u_w)$, tạo tiền đề cho việc xây dựng cơ học đất không bão hòa hiện đại.
  • Mô hình cường độ chống cắt của đất không bão hòa: Phương trình tuyến tính mở rộng Mohr–Coulomb được đề xuất bởi Fredlund và cộng sự (1978). Các nghiên cứu sau đó phát hiện tính phi tuyến của sức kháng cắt theo lực hút dính khi lực hút dính vượt qua giá trị không khí đi vào (AEV), dẫn đến các mô hình phi tuyến của Fredlund và cộng sự (1987), Schrefler (1984), Aitchison và cộng sự (1985), Khalili và Khabbaz (1998, 2002), Khalili và cộng sự (2004), Alonso và cộng sự (2010), Gofar và cộng sự (2014), và Schnellmann và cộng sự (2023).
  • Đường cong đặc trưng đất – nước (SWCC) và hàm thấm: Các phương trình giải tích biểu diễn quan hệ giữa hàm lượng nước và lực hút dính của Van Genuchten (1980), Fredlund và Xing (1994), Leong và Rahardjo (1997). Phương pháp xác định hệ số thấm gián tiếp từ SWCC của Brooks và Corey (1964), Van Genuchten (1980), Fredlund và cộng sự (1994), Huang và cộng sự (1998), Daliri (2011).
  • Mô phỏng cơ học vi mô và xói ngầm bằng phần tử rời rạc: Cividini và Gioda (2004), Scholtès và cộng sự (2010), Zou và cộng sự (2012), Sibille và cộng sự (2015), Zhang và cộng sự (2019), Rahimi và Shafieezadeh (2020), Hu và cộng sự (2022) nghiên cứu sự cuốn trôi hạt mịn trong môi trường rỗng gây suy giảm độ bền kết cấu bằng phương pháp DEM và liên kết FEM–DEM.

Các hướng nghiên cứu tại Việt Nam

  • Bạch Quốc Tiến (2009) nghiên cứu lý thuyết phương trình dòng thấm liên tục qua cả hai miền bão hòa và không bão hòa.
  • Lê Xuân Khâm (2011) thống kê các tác động khí tượng thủy văn và bão lũ cực đoan đến công trình hạ tầng miền Trung.
  • Phạm Quang Hưng (2012) tính toán thử nghiệm ổn định mái dốc có xét đến đất không bão hòa chịu mưa phân phối đều tại huyện Lương Sơn, tỉnh Hòa Bình.
  • Nguyễn Thị Ngọc Hương (2013) thực nghiệm xác định SWCC và cường độ chống cắt cho một số loại đất đắp tại Đông Bắc Bộ, Tây Bắc Bộ và Nam Trung Bộ; hiệu chỉnh tham số $m, n$ trong phương trình Fredlund – Xing (1994).
  • Phạm Huy Dũng (2020) nghiên cứu ảnh hưởng của mưa có cường độ không đổi đến ổn định mái dốc đất không bão hòa ở miền Bắc.
  • Nguyễn Thanh Quang (2021) đánh giá sự biến đổi chỉ tiêu cơ lý của đất đắp đập theo thời gian chịu tác dụng của dòng thấm tại miền Trung.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù các nghiên cứu trong nước đã bước đầu tiếp cận cơ học đất không bão hòa, đa phần chỉ áp dụng mô hình mưa phân phối đều đơn giản, chưa thực nghiệm chi tiết các bộ thông số cơ học và thủy lực hoàn chỉnh cho đất đắp duyên hải miền Trung (nơi chịu điều kiện nhiệt ẩm khốc liệt). Đồng thời, chưa có công trình nào kết hợp đồng thời phương pháp phần tử hữu hạn FEM (mô phỏng liên tục quy mô vĩ mô) và phương pháp phần tử rời rạc kết hợp thể tích rỗng hữu hạn DEM–PFV (mô phỏng tương tác ba pha hạt – nước – khí ở quy mô vi mô) để phân tích ổn định tổng thể và cục bộ nền đường đắp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và biến trạng thái ứng suất

Luận án áp dụng khung lý thuyết cơ học đất không bão hòa dựa trên hệ hai biến trạng thái ứng suất độc lập của Fredlund và Morgenstern (1976):

  • Ứng suất pháp thực: $(\sigma - u_a)$, với $\sigma$ là ứng suất tổng và $u_a$ là áp suất khí lỗ rỗng.
  • Lực hút dính ma trận: $(u_a - u_w)$, với $u_w$ là áp suất nước lỗ rỗng.

Phương trình cường độ chống cắt mở rộng Mohr–Coulomb cho đất không bão hòa của Fredlund và cộng sự (1978): $$\tau_f = c' + (\sigma_f - u_a)\tan\phi' + (u_a - u_w)\tan\phi^b$$ Trong đó:

  • $c'$: Lực dính hiệu quả khi đất bão hòa.
  • $\phi'$: Góc ma sát trong hiệu quả tương ứng với ứng suất pháp thực.
  • $\phi^b$: Góc ma sát trong biểu kiến liên hệ với sự gia tăng lực hút dính ma trận $(u_a - u_w)$.

Đường cong đặc trưng đất – nước (SWCC) được mô tả theo phương trình của Fredlund và Xing (1994): $$\theta_w = C(\psi) \cdot \frac{\theta_s}{\left[\ln\left(e + \left(\frac{\psi}{a}\right)^n\right)\right]^m}$$ Trong đó: $\psi = (u_a - u_w)$ là lực hút dính ma trận; $\theta_s$ là độ ẩm thể tích bão hòa; $a, n, m$ là các tham số hình dạng đường cong; $C(\psi)$ là hàm hiệu chỉnh đưa độ ẩm về 0 tại lực hút dính cực đại $10^6\text{ kPa}$.

Cơ sở mô hình số

  1. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) vĩ mô: Ứng dụng mô hình SEEP/W (tính toán dòng thấm không bão hòa 2D dựa trên định luật Darcy mở rộng) kết hợp đồng bộ với SLOPE/W (phân tích ổn định mái dốc theo phương pháp cân bằng giới hạn dẻo Morgenstern–Price có xét đến thành phần lực dính phụ thêm do lực hút dính $\phi^b$).
  2. Phương pháp phần tử rời rạc kết hợp thể tích lỗ rỗng hữu hạn (DEM–PFV) vi mô:
    • DEM: Mô phỏng chuyển động tịnh tiến và quay của các hạt rắn riêng lẻ theo định luật II Newton, tương tác tiếp xúc pháp tuyến và tiếp tuyến hạt – hạt.
    • PFV: Rời rạc hóa không gian lỗ rỗng dựa trên phân rã tứ diện Delaunay và biểu đồ Voronoi; mô phỏng sự dịch chuyển của mặt tiếp xúc hai pha khí – nước trong các cổ họng lỗ rỗng (pore throat - PT), tính toán áp suất mao dẫn và lực căng bề mặt tác dụng lên từng phân tử hạt.

Phương pháp thực nghiệm và tiêu chuẩn áp dụng

  • Xác định đường cong SWCC: Sử dụng thiết bị buồng chiết suất áp suất khí cao (kỹ thuật tịnh tiến trục - axis translation) tuân thủ tiêu chuẩn ASTM D2325-68 và ASTM D6836-02.
  • Xác định cường độ chống cắt:
    • Thí nghiệm cắt trực tiếp (DST) cải tiến cho đất không bão hòa.
    • Thí nghiệm nén ba trục cải tiến cố kết thoát nước + khí (CD) dưới các cấp lực hút dính được kiểm soát chính xác ($0\text{ kPa}, 100\text{ kPa}, 200\text{ kPa}$) tại Phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật, Trường Đại học Thủy lợi.

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương 1 phân tích các khái niệm cơ bản về môi trường đất hai pha và ba pha; cơ chế phá hoại nền đường và mái dốc do nước mưa thấm làm gia tăng áp suất nước lỗ rỗng âm (triệt tiêu lực hút dính), dâng cao mực nước ngầm và suy giảm sức kháng cắt. Tác giả tổng quan chi tiết các công trình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam liên quan đến tính nén lún, sự biến thiên thể tích, dòng thấm và độ bền cắt của đất không bão hòa. Chương này cũng phân tích hiện trạng sạt lở thực tế trên các tuyến đường giao thông miền Trung (điển hình tại Km 20+315 cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi), từ đó chỉ ra những tồn tại trong tính toán thiết kế công trình đất đắp hiện nay và thiết lập sơ đồ tiếp cận nghiên cứu của luận án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết nghiên cứu về các đặc trưng cơ học của đất không bão hòa

Chương 2 trình bày có hệ thống các cơ sở toán học và cơ học của đất không bão hòa:

  • Bản chất của các biến trạng thái ứng suất độc lập $(\sigma - u_a)$ và $(u_a - u_w)$.
  • Lý thuyết về ba vùng đặc trưng trên đường cong SWCC: vùng bão hòa (hiệu ứng biên), vùng chuyển tiếp và vùng tàn dư; định nghĩa giá trị không khí đi vào (AEV) và giá trị lực hút dính dư (RSV).
  • Các mô hình giải tích SWCC của Van Genuchten (1980), Fredlund và Xing (1994) và Leong và Rahardjo (1997).
  • Cơ sở lý thuyết của mặt bao phá hoại không gian 3 chiều Mohr–Coulomb mở rộng và các sơ đồ thí nghiệm ba trục cố kết thoát nước + khí (CD).
  • Khung lý thuyết của mô hình DEM–PFV mô tả cấu trúc rỗng vi mô, phân tích lực tương tác hạt – hạt và hạt – chất lỏng hai pha, thiết lập thuật toán liên kết tính toán thấm – lún cố kết và xói ngầm cục bộ.

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định các đặc trưng cơ học của đất không bão hòa

Chương 3 triển khai toàn bộ chương trình thí nghiệm trong phòng trên các mẫu đất chế bị đầm nén lấy từ hai mỏ vật liệu: mỏ Dương Cấm (đất sét pha cát) và mỏ Cồn Lê.

Chỉ tiêu thí nghiệm Mỏ Dương Cấm (Sét pha cát) Mỏ Cồn Lê
Thành phần hạt Đất hạt mịn lẫn cát Đất hạt mịn
Phương pháp xác định SWCC Buồng chiết suất áp suất khí cao (ASTM D2325/D6836) Buồng chiết suất áp suất khí cao (ASTM D2325/D6836)
Phương trình khớp SWCC Fredlund và Xing (1994) Fredlund và Xing (1994)
Thí nghiệm cắt trực tiếp Cắt trực tiếp cải tiến ở các cấp lực hút dính Cắt trực tiếp cải tiến ở các cấp lực hút dính
Thí nghiệm nén ba trục CD Cố kết thoát nước + khí tại $u_a - u_w = 0, 100, 200\text{ kPa}$ Cố kết thoát nước + khí tại $u_a - u_w = 0, 100, 200\text{ kPa}$
Dự báo sức kháng cắt So sánh với mô hình Fredlund & Vanapalli (1996) So sánh với mô hình Fredlund & Vanapalli (1996)

Kết quả thực nghiệm chính của Chương 3:

  • Xác lập được đường cong SWCC và xác định giá trị AEV, RSV cho hai loại đất. Hàm hệ số thấm $k(\psi)$ suy giảm phi tuyến rõ rệt khi lực hút dính tăng lên (các lỗ rỗng lớn bị khí chiếm chỗ).
  • Thí nghiệm cắt trực tiếp và nén ba trục CD chứng minh: khi lực hút dính $(u_a - u_w)$ tăng từ $0\text{ kPa}$ lên $100\text{ kPa}$ và $200\text{ kPa}$, ứng suất lệch phá hoại $(\sigma_1 - \sigma_3)_f$ và cường độ chống cắt $\tau_f$ của mẫu đất tăng lên đáng kể.
  • Quan hệ giữa cường độ chống cắt và lực hút dính có tính phi tuyến; góc ma sát $\phi^b$ có xu hướng đạt giá trị xấp xỉ $\phi'$ tại dải lực hút dính nhỏ hơn AEV và giảm dần khi lực hút dính tăng cao, hoàn toàn tương thích với mô hình thực nghiệm của Fredlund và Vanapalli (1996).

Chương 4: Phân tích ảnh hưởng của các đặc trưng cơ học đất không bão hòa đến ổn định khối đắp nền đường

Chương 4 ứng dụng các kết quả thực nghiệm và cơ sở lý thuyết vào phân tích công trình thực tế:

1. Phân tích ổn định tổng thể bằng mô hình phần tử hữu hạn (FEM – Geo-Studio)

Mô hình hóa mặt cắt ngang nền đường đắp cao tại Km 24+980 tuyến cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi (huyện Đại Lộc, tỉnh Quảng Nam) sử dụng đất đắp mỏ Dương Cấm, liên kết SEEP/W và SLOPE/W theo 3 kịch bản mưa:

  • Kịch bản 1: Mô hình phân phối mưa đều trong 24 giờ.
  • Kịch bản 2: Mô hình phân phối mưa đều và mô hình phân phối mưa chuẩn với cường độ mưa $0,12\text{ m/h}$ kéo dài trong 72 giờ.
  • Kịch bản 3: Mô hình phân phối mưa đều và mô hình phân phối mưa chuẩn với cường độ mưa $0,144\text{ m/h}$ kéo dài trong 72 giờ.

Kết quả phân tích vĩ mô:

  • Khi mưa kéo dài, nước mưa thấm sâu vào thân nền đường làm vùng bão hòa mở rộng từ ngoài taluy và vai đường vào tim đường; áp suất nước lỗ rỗng âm chuyển dần sang dương, lực hút dính bị triệt tiêu khiến hệ số an toàn ổn định mái dốc ($F_s$) suy giảm liên tục theo thời gian.
  • Mô hình mưa phân phối chuẩn (cường độ tập trung vào giữa đợt mưa) gây ra tốc độ suy giảm hệ số ổn định nhanh hơn và nguy hiểm hơn so với mô hình mưa phân phối đều cùng tổng lượng mưa.

2. Phân tích ổn định cục bộ bằng mô hình phần tử rời rạc (DEM–PFV)

  • Mô phỏng bài toán lún cố kết thấm một chiều của khối hạt không bão hòa ($N \approx 50.000\text{ hạt}$), kết quả độ lún và sự tiêu tán áp suất nước lỗ rỗng theo thời gian hoàn toàn tiệm cận với nghiệm giải tích cố kết của Terzaghi.
  • Mô phỏng vi mô trường áp suất chất lỏng trong các thể tích rỗng cho thấy sự tương thích giữa mô hình thể tích hữu hạn PFV và phần tử hữu hạn FEM.
  • Mô phỏng thành công cơ chế thấm cục bộ và xói ngầm: xác định được hệ số thấm nội tại $k\text{ (m}^2\text{)}$ và hệ số thấm $K\text{ (m/s)}$ phụ thuộc vào tỷ lệ khối lượng hạt mịn $m_1$ trên tổng khối lượng $(m_1 + m_2)$ và bán kính thủy lực chuẩn hóa $D^*$.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xác lập được bộ thông số đặc trưng cơ học và thủy lực hoàn chỉnh của đất không bão hòa đầm nén thuộc khu vực duyên hải miền Trung (đường cong đặc trưng đất – nước SWCC, quan hệ giữa hệ số thấm với lực hút dính, quan hệ giữa cường độ chống cắt với lực hút dính qua góc ma sát $\phi^b$).
  2. Ứng dụng thành công phương pháp phần tử rời rạc kết hợp thể tích lỗ rỗng hữu hạn (DEM–PFV) ở tỷ lệ vi mô để mô tả tương tác cơ học ba pha (hạt – khí – nước), chứng minh được quy luật lún cố kết thấm và cơ chế xói trôi hạt mịn do dòng thấm cục bộ gây mất ổn định công trình đất.
  3. Làm rõ cơ chế suy giảm độ ổn định của nền đường đắp cao dưới tác động kết hợp của dòng thấm không ổn định và các dạng phân phối mưa khác nhau (mưa đều và mưa chuẩn).

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Cung cấp quy trình thí nghiệm hoàn chỉnh sử dụng thiết bị nén ba trục cải tiến (CD) và buồng chiết suất áp suất khí cao để xác định các chỉ tiêu cơ học đất không bão hòa tại Việt Nam.
  2. Cung cấp cơ sở khoa học định lượng giúp các kỹ sư thiết kế lựa chọn kích thước hình học mặt cắt ngang, giải pháp gia cố mái dốc và hệ thống thoát nước hợp lý, tiết kiệm kinh phí cho các tuyến đường cao tốc đi qua khu vực duyên hải miền Trung.

Kiến nghị kỹ thuật

  • Khi tính toán ổn định nền đường đắp tại miền Trung, cần xét đến thành phần lực hút dính ma trận trong điều kiện đất không bão hòa và lựa chọn kịch bản mưa phân phối chuẩn để đảm bảo an toàn công trình.
  • Cần có giải pháp thoát nước mặt nhanh và ngăn ngừa thấm sâu vào thân nền đường đắp nhằm duy trì áp suất nước lỗ rỗng âm và độ bền kháng cắt của đất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Do giới hạn về năng lực tính toán và phần cứng máy tính, mô hình DEM–PFV mới chỉ thực hiện trên mô hình số lượng hạt giới hạn ($N \approx 50.000\text{ hạt}$) với giả thiết hạt hình cầu đồng nhất, chưa thể mô phỏng toàn bộ kết cấu nền đường thực tế ở quy mô đại thể bằng DEM.
    • Phạm vi thực nghiệm phòng thí nghiệm mới tập trung vào hai mỏ vật liệu đất đắp đại diện (mỏ Dương Cấm và mỏ Cồn Lê) tại khu vực duyên hải miền Trung.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm xác định đặc trưng cơ học đất không bão hòa cho các loại đất đắp khác trên toàn tuyến duyên hải miền Trung.
    • Phát triển thuật toán ghép nối đa quy mô (multi-scale coupling FEM–DEM) hoàn chỉnh để mô phỏng đồng thời biến dạng tổng thể và xói ngầm cục bộ trên quy mô toàn khối công trình.
    • Nghiên cứu hình dạng hạt đất không quy tắc trong mô hình DEM để phản ánh sát hơn cấp phối hạt thực tế.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị chuyên môn cao đối với các nhóm đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, Công trình Đặc biệt, Địa kỹ thuật và Địa kỹ thuật Môi trường. Phần đáng tham khảo nhất là cơ sở lý thuyết biến trạng thái ứng suất độc lập (Chương 2) và quy trình vận hành thiết bị ba trục cải tiến CD xác định $\phi^b$ (Chương 3).
  • Kỹ sư thiết kế và tư vấn địa kỹ thuật: Tham khảo phương pháp thiết lập bài toán liên kết SEEP/W và SLOPE/W theo chuỗi thời gian mưa thực tế (Chương 4) để đánh giá chính xác hệ số ổn định mái dốc nền đường đắp cao.
  • Các nhà nghiên cứu mô phỏng số: Tham khảo thuật toán và mô hình phần tử rời rạc DEM–PFV phân rã Voronoi/Delaunay để nghiên cứu cơ chế thấm vi mô và xói ngầm trong môi trường vật liệu hạt.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng biến trạng thái ứng suất nào để mô tả ứng xử của đất không bão hòa?
Luận án sử dụng hệ hai biến trạng thái ứng suất độc lập do Fredlund và Morgenstern (1976) đề xuất: ứng suất pháp thực $(\sigma - u_a)$ và lực hút dính ma trận $(u_a - u_w)$, trong đó $\sigma$ là ứng suất tổng, $u_a$ là áp suất khí lỗ rỗng và $u_w$ là áp suất nước lỗ rỗng.

2. Điểm khác biệt căn bản giữa phương trình sức kháng cắt của Terzaghi (1936) và Fredlund (1978) trong luận án là gì?
Phương trình Terzaghi áp dụng cho đất bão hòa chỉ có thành phần ứng suất hiệu quả $(\sigma - u_w)\tan\phi'$. Phương trình Fredlund bổ sung thêm thành phần thứ ba biểu diễn sự gia tăng sức chống cắt do lực hút dính ma trận: $(u_a - u_w)\tan\phi^b$, trong đó $\phi^b$ là góc ma sát trong biểu kiến liên quan đến lực hút dính.

3. Trong Chương 3, thí nghiệm nén ba trục cải tiến cố kết thoát nước (CD) đã được thực hiện ở các cấp lực hút dính nào?
Thí nghiệm nén ba trục CD trên mẫu đất đầm nén mỏ Dương Cấm và mỏ Cồn Lê được thực hiện ở ba cấp lực hút dính ban đầu được kiểm soát chính xác là $0\text{ kPa}$, $100\text{ kPa}$ và $200\text{ kPa}$.

4. Các kịch bản mưa nào được mô phỏng trong Chương 4 trên đoạn cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi?
Luận án mô phỏng 3 kịch bản: Kịch bản 1 (mưa phân phối đều 24h); Kịch bản 2 (mưa phân phối đều và mưa phân phối chuẩn cường độ $0,12\text{ m/h}$ trong 72h); Kịch bản 3 (mưa phân phối đều và mưa phân phối chuẩn cường độ $0,144\text{ m/h}$ trong 72h).

5. Phương pháp DEM–PFV đóng vai trò gì trong việc bổ trợ cho phương pháp phần tử hữu hạn FEM?
Trong khi FEM (Geo-Studio) phân tích ổn định tổng thể quy mô vĩ mô, DEM–PFV mô tả chi tiết tương tác vi mô ba pha hạt – khí – nước, kiểm soát chuyển động của các hạt mịn bị cuốn trôi trong lỗ rỗng dưới tác dụng của dòng thấm có áp, giải thích bản chất xói ngầm và lún cố kết cục bộ.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Lương Nguyễn Hoàng Phương đã hoàn thành việc nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm xác lập bộ thông số cơ học đất không bão hòa cho vật liệu đắp tại khu vực duyên hải miền Trung. Công trình đã kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn vĩ mô (SEEP/W, SLOPE/W) và phương pháp phần tử rời rạc vi mô (DEM–PFV) để đánh giá toàn diện ảnh hưởng của nước mưa và dòng thấm đến sự suy giảm ổn định của nền đường đắp cao. Các kết quả đạt được cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn phục vụ công tác tính toán, thiết kế và bảo đảm an toàn cho các công trình giao thông trọng điểm trong điều kiện biến đổi khí hậu tại miền Trung Việt Nam.