Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Thực Nghiệm Ứng Suất Tiếp Giới Hạn Của Đất Dính Trong Tính Toán Xói Lở

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng nghiên cứu thực nghiệm xác định giá trị ứng suất tiếp giới hạn của vật liệu đất dính trong tính toán xói lở.

• Tác giả: Nguyễn Minh Nhật
• Người hướng dẫn: TS. Lưu Xuân Lộc
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
• Đề tài: Nghiên cứu thực nghiệm xác định giá trị ứng suất tiếp giới hạn của vật liệu đất dính trong tính toán xói lở
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm là trọng tâm của luận văn, tập trung vào việc xác định ứng suất tiếp giới hạn của đất dính và đất gia cố xi măng. Phương pháp thí nghiệm tia nước ngầm (Jet test) được sử dụng để đo lường các thông số này. Đất dính được lấy từ bờ sông TP. Hồ Chí Minh, trong khi đất gia cố xi măng được thử nghiệm với các hàm lượng xi măng khác nhau (15 kg, 30 kg, 80 kg, 150 kg/m³). Kết quả cho thấy đất nghiên cứu thuộc loại đất á sét với 71% bùn sét, có khả năng xói mòn cao. Đất gia cố xi măng có ứng suất tiếp giới hạn tăng đáng kể khi hàm lượng xi măng vượt quá 80 kg/m³.

1.1 Phương pháp thí nghiệm

Phương pháp thí nghiệm tia nước ngầm được áp dụng để xác định ứng suất tiếp giới hạn và hệ số xói mòn. Thiết bị thí nghiệm được thiết kế theo mô hình của Hanson và Cook (2004). Quy trình thí nghiệm bao gồm chuẩn bị mẫu đất, thực hiện phun tia nước, và đo lường các thông số như chiều sâu xói và thời gian xói. Phương pháp này được đánh giá là đơn giản, nhanh chóng và hiệu quả trong việc đánh giá khả năng kháng xói của vật liệu đất.

1.2 Kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy đất gia cố xi măng có ứng suất tiếp giới hạn tăng dần theo hàm lượng xi măng. Ví dụ, đất gia cố 80 kg/m³ có τc = 23,37 Pa, thuộc loại đất kháng xói mòn, trong khi đất gia cố 150 kg/m³ thuộc loại đất rất kháng xói mòn. Điều này chứng tỏ việc gia cố xi măng có thể cải thiện đáng kể khả năng chống xói lở của đất.

II. Ứng suất tiếp giới hạn và tính toán xói lở

Ứng suất tiếp giới hạn là thông số quan trọng trong việc đánh giá khả năng xói lở của đất dính. Nghiên cứu này xác định τc thông qua thí nghiệm tia nước ngầm, đồng thời phân tích mối quan hệ giữa τc và hệ số xói mòn (kd). Kết quả cho thấy τc tăng tỷ lệ thuận với hàm lượng xi măng, trong khi kd giảm dần. Điều này giúp dự đoán chính xác hơn nguy cơ xói lở bờ sông và đề xuất các giải pháp gia cố phù hợp.

2.1 Tương quan giữa τc và kd

Nghiên cứu chỉ ra mối tương quan chặt chẽ giữa ứng suất tiếp giới hạn (τc) và hệ số xói mòn (kd). Khi τc tăng, kd giảm, cho thấy khả năng kháng xói của vật liệu được cải thiện. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc thiết kế các công trình chống xói lở bờ sông, giúp lựa chọn vật liệu và phương pháp gia cố hiệu quả.

2.2 Ứng dụng trong tính toán xói lở

Kết quả nghiên cứu được ứng dụng trong tính toán xói lở bờ sông, đặc biệt là ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Việc xác định chính xác τc và kd giúp dự đoán nguy cơ xói lở và đề xuất các giải pháp phòng ngừa hiệu quả, giảm thiểu thiệt hại về kinh tế và môi trường.

III. Đặc tính cơ học đất và xói lở bờ sông

Nghiên cứu tập trung vào đặc tính cơ học đất, bao gồm độ ẩm, thành phần hạt, và giới hạn chảy dẻo. Các thí nghiệm như nén đơn trục và xác định giới hạn Atterberg được thực hiện để đánh giá tính chất vật lý của đất. Kết quả cho thấy đất nghiên cứu có hàm lượng bùn sét cao, dễ bị xói mòn. Việc gia cố xi măng giúp cải thiện độ bền đất và giảm nguy cơ xói lở.

3.1 Phân tích đặc tính đất

Phân tích đặc tính cơ học đất cho thấy đất nghiên cứu có hàm lượng bùn sét chiếm 71%, trong đó bùn chiếm 56% và sét chiếm 15%. Điều này giải thích tại sao đất dễ bị xói mòn khi tiếp xúc với dòng chảy. Các thí nghiệm nén đơn trục cũng cho thấy cường độ nén của đất gia cố xi măng tăng đáng kể theo thời gian và hàm lượng xi măng.

3.2 Ảnh hưởng đến xói lở bờ sông

Đặc tính cơ học đất có ảnh hưởng lớn đến quá trình xói lở bờ sông. Đất có hàm lượng bùn sét cao dễ bị xói mòn hơn so với đất có thành phần hạt thô. Việc gia cố xi măng giúp cải thiện độ bền đất, giảm thiểu nguy cơ xói lở và bảo vệ các công trình ven sông.

IV. Phương pháp thực nghiệm và mô hình hóa

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm để xác định các thông số cơ bản của đất, bao gồm độ ẩm, thành phần hạt, và giới hạn chảy dẻo. Các thí nghiệm được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM, đảm bảo độ chính xác và tin cậy. Kết quả thí nghiệm được sử dụng để mô hình hóa đất và dự đoán nguy cơ xói lở. Phương pháp này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế các giải pháp chống xói lở bờ sông.

4.1 Quy trình thực nghiệm

Quy trình thực nghiệm bao gồm các bước chuẩn bị mẫu đất, xác định độ ẩm, thành phần hạt, và giới hạn chảy dẻo theo tiêu chuẩn ASTM. Các thí nghiệm nén đơn trục và thí nghiệm tia nước ngầm được thực hiện để đánh giá cường độ đất và ứng suất tiếp giới hạn. Quy trình này đảm bảo độ chính xác và tin cậy của kết quả nghiên cứu.

4.2 Mô hình hóa đất

Kết quả thí nghiệm được sử dụng để mô hình hóa đất, giúp dự đoán nguy cơ xói lở và đề xuất các giải pháp gia cố phù hợp. Mô hình này có thể được áp dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về xói lở bờ sông, đặc biệt là ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Quy luật cơ bản của xói mòn: Xói lở bờ sông là một hiện tượng ñịa chất ñược ñề cập từ lâu trong các tài liệu chuyên khảo và các sách chuyên môn về ñịa chất, ñịa chất công trình cũng như ñịa chất môi trường. Trong quyển “Địa chất ñộng lực công trình” của giáo sư V.Lômtagzê [22] ñã nói rõ các yếu tố quyết ñịnh hoạt ñộng xói lở của sông trước hết là ñộng năng P do dòng chảy tạo ra: m.v ² P= (1) 2 Trong ñó, m là khối lượng nước; v là tốc ñộ dòng chảy. Xói lở sông xảy ra khi ñộng năng dòng chảy P vượt quá hoặc ngang bằng với tĩnh năng của trọng lượng các vật liệu rắn do dòng chảy mang tải. Động năng dòng chảy trên một ñoạn sông phụ thuộc vào các yếu tố như ñặc ñiểm của chế ñộ thủy văn, cấu trúc của thung lũng sông, tức là các ñặc ñiểm ñịa mạo của thung lũng, thành phần và tính chất của ñất ñá tạo nên lòng và bờ sông, hoạt ñộng của các quá trình ñịa chất kéo theo và các hoạt ñộng kinh tế của con người.

Quan hệ phụ thuộc này ñược lượng hóa qua công thức tính tốc ñộ dòng chảy của sông do Chezy ñề ra: V=C (RS ) (2) Trong ñó R là bán kính thủy lực và S là ñộ dốc mặt nước; C là một hằng số phụ thuộc vào các ñặc trưng của lòng dẫn.Lomtadze [22] thì ñể ñánh giá và dự báo hiện tượng xói lở bờ sông cần phải xét ñến các yếu tố khu vực và các yếu tố ñịa phương. Các yếu tố khu vực cần xem xét trước hết là các ñặc ñiểm thủy văn của sông, cấu trúc ñịa chất của thung lũng sông và các ñặc ñiểm ñịa chất khu vực. Qua phân tích các yếu tố ấy thường có thể xác ñịnh ñược những ñoạn bờ sông có khả năng xảy ra xói lở với những mức ñộ nghiêm trọng khác nhau.Bennett và 14 Peter Doyle [23] ñã cụ thể hóa ý kiến trên của giáo sư V.Lomtadze bằng một sơ ñồ nói rõ quan hệ quá trình bồi tụ trầm tích, sự ổn ñịnh của lòng dẫn và hình dạng của lòng dẫn như sau (hình vẽ 1.1 - quan hệ quá trình bồi tụ trầm tích, sự ổn ñịnh của lòng dẫn và hình dạng của lòng dẫn Những nghiên cứu dự báo phòng chống xói lở bờ sông Cửu Long do các nhà khoa học thuộc Viện Nghiên cứu Thủy lợi Miền Nam [4] thực hiện năm 2000 ñã cho ra kết quả hoàn toàn phù hợp với sơ ñồ quan hệ nói trên của Matthew R.Bennett và Peter Doyle. Trong các yếu tố ñịa phương thì quan trọng là phải xét ñến thành phần và trạng thái của ñất - ñá tạo nên lòng sông và bờ sông (tức là lòng dẫn).

Những ñoạn sông uốn khúc thường bị xói lở nghiêm trọng, chúng thường lõm vào và ñược cấu tạo bởi các loại ñất kém chịu nước, dễ tan rã và dễ bị rửa xói. Đặc biệt chú ý ñến thành phần và bề dày của bồi tích cấu tạo nên bờ sông và phải xác ñịnh tốc ñộ dòng chảy cho phép (hoặc gây xói lở) ñối với ñất bồi tích và so sánh với tốc ñộ dòng chảy 15 hiện ñang có trên ñoạn sông cụ thể ñược xét dến .Bell [ 25] ñưa ra một ñồ thị quan hệ như sau, qua ñó ta có thể xác ñịnh ñược tốc ñộ gây xói lở của dòng chảy ñối với các loại ñất khác nhau (hình vẽ 1.2 – Tương quan giữa tốc ñộ gây xói lở của dòng chảy ñối với các loại ñất khác nhau 1.2 Cơ sở khoa học công nghệ chống xói lở bờ sông Để chống xói lở giữ ổn ñịnh bờ sông người ta áp dụng các giải pháp phòng tránh và các giải pháp xây dựng công trình chống xói lở. Các giải pháp phòng tránh mang tính chất bị ñộng, tiến hành dự báo những nơi có nguy cơ xói lở, dự báo qui mô xói lở v. Các giải pháp công trình nhằm bảo vệ trực tiếp bờ sông tránh xói lở, như xây kè, ñặt rọ ñá, lát tấm bê tông; ñồng thời ñiều chỉnh dòng chảy trong lòng sông, nhằm thay ñổi hướng chảy, giảm ñộ dốc, giảm tốc ñộ và lưu lượng dòng chảy.

Hiện tượng xói lở thường xảy ra ở những ñoạn sông uốn khúc, ngay tại bờ 16 lõm. Tại ñây dòng chảy có dạng xoắn ốc chảy rối, là sự kết hợp dòng hướng ngang và dòng hướng dọc. Trên bề mặt dòng chảy, dòng hướng ngang ñi từ bờ lồi sang bờ lõm, sau ñó nó ngoặc xuống và ñi từ bờ lõm sang bờ lồi.3) minh họa cho hiện tượng này.3 – Hiện tượng xói lở bờ sông ở ñoạn sông uốn khúc Khi lao tới bờ lõm rồi chui xuống ñáy, dòng nước sẽ tấn công vào các lớp ñất bồi tích, trực tiếp phần dưới sâu gây xói lở ñất, làm cho bờ sông bị phá hoại mất ổn ñịnh. Thườngcó 2 dạng phá hoại mất ổn ñịnh: dạng trượt lở và dạng sập lở (hình vẽ 1.4 – Dạng phá hủy mất ổn ñịnh bờ song 17 Dạng trượt lở thường xảy ra ở những ñoạn bờ sông ñược cấu tạo bởi các ñất có lực dính kết lớn, cường ñộ chịu lực cao.

Dạng sập lở thường xảy ra ở những ñoạn bờ sông ñược cấu tạo bởi các ñất mềm yếu, kém chịu nước, dễ tan rã. Dòng nước với hướng ngang trực tiếp vào vách bờ và với tốc ñộ dòng chảy vượt quá giới hạn gây xói lở ( xác ñịnh theo ñồ thị) sẽ tạo nên một lực tác dụng trực tiếp vào bờ sông. Bờ sông ñược cấu tạo bởi các hạt ñất có thành phần và trạng thái nhất ñịnh, khả năng chịu tác dụng của dòng chảy nhất ñịnh, nên nó chỉ có một khả năng ổn ñịnh nhất ñịnh, tức là một sức ñề kháng nhất ñịnh. Khả năng xói lở bờ sông ñược quyết ñịnh ở trạng thái cân bằng giữa lực tác dụng của dòng chảy ñối với bờ sông và sức ñề kháng của các ñất tạo nên bờ sông.

Khi lực tác dụng của dòng chảy lớn hơn sức ñề kháng của các hạt ñất tạo bờ thì tất nhiên hiện tường xói lở sẽ xảy ra, bờ sông sẽ mất ổn ñịnh. Ngoài ra tác dụng của dòng chảy nước ngầm gây hiện tượng xói ngầm cũng góp phần gây nên xói lở. Công nghệ chống xói lở giữ ổn ñịnh bờ sông phải ñạt ñược các yếu tố sau ñây: - Yếu tố thứ nhất là tăng sức ñề kháng của ñất tạo bờ, bản thân chúng có khả năng chịu ñược sức công phá mạnh của dòng chảy. Đồng thời làm giảm hệ số thấm trong nền ñất, triệt tiêu hiện tượng xói ngầm.

- Yếu tố thứ hai là giảm lực tác dụng trực tiếp của dòng chảy ñối với các ñất tạo bờ, làm cho dòng chảy không ñủ lực ñể gây xói lở. - Yếu tố thứ ba là ñồng thời với 2 yếu tố trên, lòng dẫn không biến dạng, ñường bờ không thay ñổi, do ñó dòng chảy tự nhiên không bị can thiệp, các ñoạn sông khác sẽ không bị biến ñổi, tức là môi trường ñịa chất gần như không biến ñổi do sự can thiệp bởi công trình chống xói lở. Ngày nay, tiến bộ của khoa học công nghệ về vật liệu ñã giúp cho chúng ta có ñược nhiều giải pháp thiết kế và thi công các công trình chống xói lở bờ sông.3 Tổng quan về lịch sử nghiên cứu về phương pháp thực nghiệm xác ñịnh ứng suất tiếp giới hạn Đặc ñiểm của bùn cát dính ñó là nó phân rã từ bùn cát không dính có thành phần hạt sét cao và lực giữa các hạt lớn. Cường ñộ cao của lực dính là một kết quả của ñiện tích ion bề mặt.

Lực dính trở thành yếu tố chủ yếu ảnh hưởng ñến trạng thái của bùn cát chứ không phải là trọng lực như kích thước hạt giảm vì diện tích bề mặt riêng tăng (tức là diện tích bề mặt trên một ñơn vị khối lượng). Ranh giới rõ ràng giữa ñất dính và không dính là không tồn tại, nhưng kích thước hạt nhỏ hơn 2 micromet thường ñược dán nhãn ñất sét dính. Các hạt lớn hơn 60 micromet là ít dính hạt thô và trầm tích ở giữa 2 µ m và 60 µ m ñược phân loại là bùn. Đáng chú ý, bùn nằm giữa ñất dính và ít dính (Huang và cộng sự.

Kể từ khi sự hiện diện của sét chủ yếu là ñại diện cho các thuộc tính ñất dính, thực tiển xem xét cả bùn và ñất sét làm nguyên liệu ñất dính ( Huang và cộng sự 2006) [33]. Bao gồm trong phần này là một nghiên cứu chi tiết các phương pháp ñể xác ñịnh thông số xói mòn của ñất dính và không dính bao gồm: Shields tham số, thiết bị tia nước ngầm, và quan hệ thực nghiệm.1 Vật liệu không dính Hầu hết các thí nghiệm xói mòn ñã ñược hình thành trên cát không dính, ñáy dòng chảy trong lòng dẫn và phương pháp hiện trường là rõ ràng (Haan năm 1994 [34]; Huang và cộng sự 2006 [33]) Từ kinh nghiệm Shields ñưa ra tỷ lệ của ứng suất cắt và trọng lượng hạt trên ñơn vị diện tích hạt ngập nước ở ñiều kiện tới hạn, là một công cụ ñáng tin cậy ñể cung cấp một chính xác ước tính của ứng suất cắt tới hạn cho vật liệu không dính (Shields 1936 [31]; Haan 1994 [34]). Như mô tả dưới ñây, trạng thái xói mòn của bùn cát không dính ñược xác ñịnh rỏ ràng và các mô hình tiên ñoán từ những dữ liệu ñầu vào này ñược cho là ñáng tin cậy. Vì vậy, biểu ñồ Shields thường ñược sử dụng ñể xác ñịnh ứng suất cắt giới hạn của ñất không dính trong thực tế.

Đầu tiên là gián tiếp và sau ñó một trong những phương pháp 19 trực tiếp xác ñịnh ứng suất cắt giới hạn bằng cách sử dụng của biểu số Shield ñược trình bày trong phần này. Biểu ñồ Shields Sức kháng của ñất không dính ñể ñạt ứng suất tiếp giới hạn gây ra bởi một tập trung dòng chảy của nước ñã ñược nghiên cứu rộng rãi trong hiện trường và phòng thí nghiệm. Như một vài kết quả, ứng suất tiếp giới hạn của một ñất không dính có thể ñược xác ñịnh từ một vài loại ñất ñất và dòng chảy khác nhau. Bởi vì trọng lượng riêng bùn cát ngập trong nước, kích thước hạt, dung trọng chất lỏng và ñộ nhớt ñộng lực ñã ñược tìm thấy ñể kiểm soát xói mòn của ñất không dính, tham số Shields (τ * c ) có thể ñược sử dụng ñể xác ñịnh ứng suất tiếp giới hạn (Sturm 2001)[35].

Tham số là không thứ nguyên và phát triển từ các thí nghiệm máng nước khác nhau trên một loạt các kích cỡ hạt (Shields 1936)[31].