Luận án 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI LƯƠNG NGUYỄN HOÀNG PHƯƠNG 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 LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÀ NỘI - 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI LƯƠNG NGUYỄN HOÀNG PHƯƠNG 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 NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH ĐẶC BIỆT MÃ SỐ: 95.80.206 LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Trần Đình Nghiên 2. TS. Tống Anh Tuấn HÀ NỘI - 2023 I LỜI CAM ĐOAN Tôi là Lương Nguyễn Hoàng Phương, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các nội dung và kết quả nghiên cứu trong Luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào. TÁC GIẢ Lương Nguyễn Hoàng Phương II LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của quý Thầy Cô giảng viên, Trường Đại học Giao Thông Vận Tải, tôi đã hoàn thành luận án tiến sĩ với tên đề tài là: “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” Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo Sau đại học, khoa Công trình, bộ môn Công trình Giao thông Thành phố và Công trình thủy, bộ môn Thuỷ lực Thuỷ văn, các cán bộ và toàn thể quý Thầy Cô tham gia giảng dạy đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận án. Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, đến quý Thầy hướng dẫn PGS.TS. Trần Đình Nghiên và TS. Tống Anh Tuấn đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án. Xin cảm ơn quý Giáo sư, nhà Khoa học, chuyên gia trong và ngoài trường, quý Thầy Cô và quý đồng nghiệp, đã đóng góp nhiều ý kiến thiết thực để tác giả hoàn thiện luận án. Xin trân trọng cảm ơn ! TÁC GIẢ Lương Nguyễn Hoàng Phương III MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ...................................................................... viii DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................. xiv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................... xv MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết của luận án .......................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................... 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................. 3 3.1. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................. 3 3.2. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................... 3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................... 3 4.1. Ý nghĩa khoa học.......................................................................................... 3 4.2. Ý nghĩa thực tiễn .......................................................................................... 3 5. Bố cục của luận án....................................................................................... 3 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 ........................................................................................... 5 1.1. Tổng quan về môi trường đất bão hòa và không bão hòa....................... 5 1.2. Tổng quan các vấn đề về đặc trưng cơ học của đất không bão hòa ....... 7 1.2.1. Tính nén lún – biến đổi thể tích ........................................................................ 7 1.2.1.1. Gia tải/dỡ tải khi lực hút dính không đổi .................... Error! Bookmark not defined. 1.2.1.2. Quá trình giảm/tăng độ ẩm trong khi ứng suất hiệu quả không đổi. Error! Bookmark not defined. 1.2.2. Sự thay đổi các đặc tính về cường độ chống cắt – quan hệ ứng suất và biến dạng ............................................................................................................................ 8 1.2.3. Dòng thấm của nước qua môi trường rỗng ................................................... 13 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 ...................................................... 15 IV 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 ................................................................ 17 1.4.1. Nghiên cứu các đặc trưng cơ học của đất không bão hòa trên thế giới ....... 17 1.4.2. Nghiên cứu các đặc trưng cơ học của đất không bão hòa ở Việt Nam ........ 21 1.5. Vấn đề còn tồn tại của các nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam ....... 23 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU VỀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA ..................................................... 25 2.1. Cơ sở lý thuyết xác định các đặc trưng cơ học của đất không bão hòa25 2.1.1. Các biến trạng thái ứng suất của đất ............................................................. 25 2.1.2. Đường cong đặc trưng đất nước ..................................................................... 26 2.1.2.1. Các phương trình xác định đường cong đặc trưng đất – nước. ................................. 28 2.1.2.2. Phương pháp thực nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất-nước ....................... 30 2.1.3. Cường độ chống cắt của đất không bão hòa .................................................. 30 2.1.3.1. Lý thuyết về cường độ chống cắt của đất bão hòa ..................................................... 31 2.1.3.2. Cường độ chống cắt của đất không bão hòa .............................................................. 31 2.1.4. Dòng thấm không ổn định trong đất không bão hoà .................................... 35 2.1.4.1. Định luật thấm Darcy cho đất không bão hoà ............................................................. 35 2.1.4.2. Cơ sở lý thuyết dòng thấm không bão hoà trong mô hình SEEP/W ............................. 36 2.2. Mô hình số mô phỏng đất không bão hòa-phương pháp phần tử hữu hạn 37 2.3. 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) ................................ 39 2.3.1. Giới thiệu phương pháp phần tử rời rạc ........................................................ 39 2.3.2. Rời rạc không gian .......................................................................................... 40 2.3.3. Mô phỏng lực tương tác giữa các hạt (DEM) ................................................ 41 2.3.3.1. Lực tương tác giữa hạt – hạt ...................................................................................... 41 2.3.3.2. Mô phỏng chuyển động của hạt theo định luật II Newton. ........................................ 43 2.3.4. Mô phỏng lực tương tác giữa khí – nước tác dụng lên hạt (PFV) ............... 43 2.3.4.1. Sự dịch chuyển của pha khí và nước trong lỗ rỗng giữa các hạt ............................... 43 2.3.4.2. Áp suất mao dẫn gây ra bởi lực hút dính ................................................................... 44 2.3.5. Mô hình dòng chảy trong môi trường rỗng (DEM – PFV) ........................... 48 V 2.4. Ổn định mái dốc ........................................................................................ 49 2.5. Kết luận chương 2. .................................................................................... 52 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA ..................................... 53 3.1. Tính chất cơ bản của đất dùng trong thí nghiệm ................................... 53 3.2. Thí nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất-nước. ......................... 54 3.2.1. Thiết bị thí nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất-nước ..................... 54 3.2.2. Chuẩn bị mẫu .................................................................................................. 55 3.2.3. Bão hòa mẫu và đĩa gốm ................................................................................. 55 3.2.4. Thí nghiệm xác định đường cong đặc trưng đất-nước ................................. 56 3.2.5. Kết quả thí nghiệm đường cong đặc trưng đất-nước (SWCC)...................... 57 3.2.5.1. Kết quả thí nghiệm ...................................................................................................... 57 3.2.5.2. So sánh kết quả thí nghiệm SWCC khu vực nghiên cứu với các tác giả khác ............ 58 3.2.6. Kết quả tính toán hệ số thấm từ đường cong đặc trưng đất nước ................ 59 3.2.6.1. Tính toán đường cong SWCC từ phương trình Fredlund-Xing (1994) ...................... 59 3.2.6.2. Xác định hệ số thấm của đất từ đường cong SWCC ................................................... 59 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 ............................................................................................... 60 3.3. Xác định cường độ chống cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm cắt trực tiếp ....................................................................................................... 62 3.3.1. Giới thiệu thiết bị thí nghiệm cắt trực tiếp ..................................................... 62 3.3.2. Quy trình thí nghiệm [10] ............................................................................... 62 3.3.3. Chương trình thí nghiệm ................................................................................ 63 3.3.4. Kết quả thí nghiệm mặt bao phá hoại ............................................................ 63 3.3.4.1. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Dương Cấm.................................................... 63 3.3.4.2. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Cồn Lê ............................................................ 65 3.4. Xác định cường độ chống cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm nén ba trục ......................................................................................................... 67 3.4.1. Thiết bị ba trục cải tiến thí nghiệm c h o đất không bão hòa [10] ............ 68 3.4.2. Qui trình thí nghiệm ..................................................................................... 71 3.4.2.1. Chuẩn bị mẫu ............................................................................................................. 71 VI 3.4.2.2. Giai đoạn bão hoà mẫu .............................................................................................. 71 3.4.2.3. Giai đoạn cố kết .......................................................................................................... 71 3.4.2.4. Giai đoạn tạo và cân bằng lực hút dính trong mẫu.................................................... 72 3.4.2.5. Giai đoạn cắt mẫu cho thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước + khí .................... 72 3.4.2.6. Các điều kiện ứng suất trong thí nghiệm nén ba trục theo các sơ đồ CD .................. 72 3.4.3. Chương trình thí nghiệm ............................................................................. 73 3.4.4. Kết quả thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước (CD).......................... 74 3.5. Phân tích các kết quả thí nghiệm ............................................................. 80 3.5.1. So sánh các kết quả thí nghiệm ...................................................................... 80 3.5.2. So sánh giữa kết quả thí nghiệm với kết quả tính từ công thức thực nghiệm được đề xuất bởi Fredlund và Vanapalli, 1996 ........................................................... 81 3.6. Kết luận chương 3 ..................................................................................... 84 CHƯƠNG 4. PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC ĐẤT KHÔNG BÃO HOÀ ĐẾN ỔN ĐỊNH KHỐI ĐẮP NỀN ĐƯỜNG ..................................................................................................................... 85 4.1. Nghiên cứu ổn định tổng thể của nền đường đắp bằng mô hình phần tử hữu hạn ............................................................................................................... 85 4.1.1. Giới thiệu chung về công trình ....................................................................... 85 4.1.2. Mô hình phân tích sự ổn định nền đường cao đoạn cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi. .................................................................................................................. 86 4.1.2.1. Đặc trưng của đất và kích thước hình học mô hình nghiên cứu sự ổn định............... 86 4.1.2.2. Điều kiện biên ............................................................................................................. 88 4.1.2.3. 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 .............................................................................................. 89 4.1.2.4. 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 ............................................................................................................................... 95 4.1.2.5. 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 ............................................................................................................................. 100 4.1.2.6. So sánh kết quả của các kịch bản ............................................................................. 105 4.2. Nghiên cứu ổn định cục bộ của nền đường đắp bằng mô hình phần tử VII rời rạc ............................................................................................................... 106 4.2.1. Mô phỏng lún cố kết cục bộ khu vực bão hòa bằng mô hình số kết hợp DEM–PFV .................................................................................................................. 106 4.2.2. Mô phỏng dòng thấm cục bộ khu vực bão hòa bằng mô hình số kết hợp DEM–PFV .................................................................................................................. 108 4.3. Kết luận chương 4 ................................................................................... 111 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................ 113 I. Các kết quả đạt được của Luận án ........................................................ 113 II. Những đóng góp mới của luận án .......................................................... 114 III. Kiến nghị .................................................................................................. 114 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....................... 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 116 VIII DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1. 1. Cơ chế phá hoại mái dốc do mưa [116].......................................................... 5 Hình 1. 2. Sơ đồ các pha độc lập theo thể tích – khối lượng của đất không bão hòa ..... 6 Hình 1. 3. Sơ đồ biểu diễn ảnh hưởng của các điều kiện khí hậu đến áp suất nước lỗ rỗng trong đất không bão hoà [115] ......................................................................................... 6 Hình 1. 4. Quan hệ giữa tham số ứng suất hiệu quả  và độ bão hòa với các loại đất khác nhau [109], [143] ................................................................................................... 9 Hình 1. 5. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng cho đất hạt thô do [120] .......... 13 Hình 1. 6. Sạt lở tại Km 20 + 315 trên tuyến cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi (tháng 11/2017). ........................................................................................................................ 16 Hình 1. 7. Mặt cắt ngang nền đường đắp nhiều lớp không bão hoà do thấm của nước mưa [147] ...................................................................................................................... 17 Hình 1. 8. Minh hoạ xói ngầm trong thân nền đường [141] ......................................... 19 Hình 1. 9. Mô hình xói ngầm trong môi trường hạt [128] ............................................ 20 Hình 1. 10. Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu của luận án ....................................................... 24 Hình 2. 1. Các thành phần ứng suất của một phân tố đất không bão hòa: (a) biến trạng thái ứng suất độc lập; (b) ứng suất hiệu quả [104] ........................................................ 26 Hình 2. 2. Đường cong đặc trưng đất–nước [31] .......................................................... 27 Hình 2. 3. Các SWCC điển hình cho các loại đất khác nhau [75]. ............................... 28 Hình 2. 4. Đường bao phá hoại Mohr-Coulomb cho đất bão hòa ................................. 31 Hình 2. 5. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng cho đất không bão hòa [68] .... 33 Hình 2. 6. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng cho đất không bão hòa [68] với số liệu thí nghiệm của tác giả tại mục 3.4.4 ....................................................................... 34 Hình 2. 7. Mối quan hệ điển hình giữa SWCC và hàm thấm [71] ................................ 36 Hình 2. 8. Rời rạc hoá miền tính toán của phương pháp FEM ..................................... 37 Hình 2. 9. Các bước tính toán của phương pháp DEM ................................................. 40 Hình 2. 10. So sánh các phép đo tam (a) tam giác Delaunay có các nhánh bên trong; (b) tam giác Delaunay quy tắc có tất cả các nhánh trong không gian lỗ rỗng. ................... 41 Hình 2. 11. Lưới Voronoi (a) và mạng lưới tam giác Delaunay quy tắc trong ba chiều (b) và hai chiều (c). ........................................................................................................ 41 Hình 2. 12. (a) Định nghĩa chuyển vị hạt. (b) Độ cứng pháp tuyến và tiếp tuyến tại các IX tiếp xúc. ......................................................................................................................... 42 Hình 2. 13. Mô hình xác định các thành phần lực pháp tuyến (a) và tiếp tuyến (b) [44] ....................................................................................................................................... 42 Hình 2. 14. Hình học lỗ rỗng. (a) Một lỗ rỗng được xác định bởi phần tử tứ diện của phân rã thể tích hữu hạn. (b) Định nghĩa dạng hình học của thể tích rỗng bị thu hẹp bởi sự có mặt của nước "PT”. .............................................................................................. 44 Hình 2. 15. Sự dịch chuyển của mặt tiếp xúc giữa khí-nước giữa hai trạng thái cân bằng, từ (a) c cp pe đến (b) c cp pe . ......................................................................................... 44 Hình 2. 16. (a) Xây dựng trên miền phụ Ωij, lỗ rỗng của Ωi bị chiếm bởi pha khí (Φi), lỗ rỗng của Ωj bị chiếm bởi pha nước(Θj); (b) Áp suất chất lỏng hai pha và lực căng bề mặt tiếp xú