BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM

  

TRƯƠNG QUANG THÀNH

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT ĐẮP SAU KHI HỒ TÍCH
NƯỚC THEO THỜI GIAN CÓ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ ỔN ĐỊNH LÂU DÀI CỦA ĐẬP
ĐẤT MIỀN TRUNG VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
MÃ SỐ NGÀNH: 62. 58. 60. 01

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. GS. TSKH. NGUYỄN VĂN THƠ
2. PGS. TS. TÔ VĂN LẬN
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2011
LỜI CÁM ƠN Hoàn thành luận án của mình, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Các thầy hướng dẫn: GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ, PGS. TS. Tô Văn Lận đã
hướng dẫn tôi trong cả quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án Tiến só.

Các Phòng Ban lãnh đạo Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, trường Đại học
Kiến trúc TP. Hồ Chí Minh đã quan tâm, động viên, tạo điều kiện thuận lợi để tôi
nghiên cứu hoàn thành và bảo vệ luận án.

Tập thể Bộ môn Nghiên cứu Đòa kỹ thuật xây dựng thuộc Viện Khoa học Thủy
lợi Miền Nam, đặc biệt là GS.TS. Trần Thò Thanh đã tạo điều kiện về Phòng thí
nghiệm và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án.

1.1 Tổng quan về đặc điểm địa chất công trình trên khu vực nghiên cứu 4
1.1.1 ặc điểm địa cht công trình 4
1.1.2 Thnh phn khoáng vt mt s loi t vùng Tây Nguyên v Miền Trung 11

1.1.3 c im khí hu, thy vn 17
1.1.4 Mt s loi t thun li v không thun li khi dùng p p min Trung 19
1.2 Một số tính chất đặc biệt của đất đắp tại khu vực nghiên cứu khi tiếp xúc với nớc.
1.2.1 Tính trng n 20
1.2.2 Tính tan rã 21
1.2.3 Tính lún t 21
1.2.4 Tính co ngót 22
1.2.5 Tính xói rửa 22
1.3 Tình hình ổn định của một số đập đất trong khu vực nghiên cứu 23
1.3.1 Nguyên nhân ba ln v p Sui Tru Ninh Hòa (1977, 1978, 1979) 26
1.3.2 Nguyên nhân v p Sui Hnh - Cam Ranh (12-1986) 27
-ii-

1.3.3 Nguyên nhân s c p Am Chúa Diên Khánh - Khánh Hòa (1989, 1992) 28
1.3.4 Nhn xét 29
1.4 Một số kết quả nghiên cứu sự thay đổi độ bền của khối đất đắp có liên quan 29
đến quá trình phục hồi, phát triển liên kết kiến trúc của các nớc trên thế giới
1.5 Một số kết quả nghiên cứu sự thay đổi độ bền của khối đất đắp có liên quan 35
đến quá trình phục hồi và phát triển các liên kết kiến trúc của đất trong khu
vực nghiên cứu ở Việt Nam
1.5.1 nh hng ca s phc hi liên kt kin trúc ca t đắp n sc chng 35
ct ca t
1.5.2 nh hng ca s phc hi liên kt kin trúc ca t đắp n tính tan rã 37
ca t
1.5.3 nh hng ca s phc hi liên kt kin trúc ca t đắp n tính thm 38
nc ca t

Mở đầu
3.1 Nghiên cứu sự thay đổi hệ số thấm nớc do phục hồi liên kết kiến trúc của 68
đất đắp theo thời gian trong quá trình ngấm nớc.
3.1.1 Phơng pháp thí nghiệm 68
3.1.2 Kết quả thí nghiệm 69
3.1.2.1 t tn tích có ngun gc Granite h cha nc Thun Ninh- Bình nh 69
3.1.2.2 t bồi tích ngun gc (sét cát) bt kt h Sông St-Ninh Thun 71
3.1.2.3 t sn - tn tích trên nn á Bazan c h thy in DakRtih- Daklak 73
3.1.2.4 So sánh mc bin i hệ số thấm
kt
ca ba loi t có cùng h s m 74
chặt (K) theo thi gian ngâm mu t trong nc
3.1.3 Nhận xét và kết luận về sự thay đổi hệ số thấm nớc của đất đắp 75
3.2 Nghiên cứu sự thay đổi hệ số trơng nở trong quá trình phục hồi liên kết 76
kiến trúc của đất đắp theo thời gian trong quá trình ngâm nớc.
3.2.1 Phơng pháp thí nghiệm 76
3.2.2 Kết quả thí nghiệm 78
3.2.2.1 Đất tại khu vực hồ chứa nớc Thuận Ninh Bình Định 79
3.2.2.2 Đất tại khu vực hồ Sông Sắt - Ninh Thuận 83
3.2.2.3 Đất đỏ Bazan tại khu vực đập DakRtih - Daklak 86
3.2.2.4 Quan hệ giữa hệ số trơng nở tự do (R
N
)và dung trọng khô (
c
)của ba 87
loại đất thí nghiệm
3.2.3 Nhận xét và kết luận về sự thay đổi hệ số trơng nở của đất đắp 88
3.3 Một số kết luận rút ra từ chơng 3 90

Chơng 4: Nghiên cứu so sánh sự biến đổi sức chống cắt, hệ số thấm nớc, hệ số

5.2.1 Sự thay đổi sức chống cắt (,C) của đất trong thân đập sau 15 năm khai 115
thác so với đất mới đắp ban đầu (đất chế bị)
5.2.2 S thay i h s thm nc (K
t
) ca t trong thân p sau 15 nm khai 118
thác so vi t mi p ban u (t ch b)
5.3 ng dụng phần mềm Geo-slope để khảo sát sự thay đổi hệ số ổn định của đập 120
Thuận Ninh-Bình Định do sự phục hồi liên kết kiến trúc trong đất theo thời gian
5.3.1 Một số phơng pháp tính ổn định đập đất 120
5.3.2 Phơng trình cân bằng của khối đất trợt 122
5.3.3 ng dụng phần mềm Geo-slope để tính toán ổn định đập đất Thuận Ninh 127
- Bình Định theo thời gian do sự phục hồi các liên kết kiến trúc trong đất
5.4 Những nhận xét rút ra từ chơng 5 136
Kết luận và đề nghị 137
Những công trình khoa học đã công bố có liên quan đến luận án.
Tài liệu tham khảo
Phần phụ lục

- 42 -

CHNG 2
NGHIấN CU C IM THAY I SC CHNG CT CA
T P DO PHC HI LIấN KT KIN TRC THEO THI GIAN
TRONG QU TRèNH NGM NC

2.1. C S Lí THUYT Cể LIấN QUAN N MC CH V NI DUNG
TH NGHIM
Đất trong tự nhiên đợc tạo nên do kết quả phong hóa vật lý và hóa học của đá
gốc. Trong quá trình hình thành và trong những điều kiện tồn tại tiếp theo, tùy thuộc
vào điều kiện bên ngoài mà các tính chất của đất đợc hình thành.

Căn cứ vào những công trình của Viện sĩ P.A. Rebinder, và của các Giáo s
N.N. Maxlop, N. Ia De nhi xop, A.K. Larionop, U.V. Lembe v.v Giáo s N.A X tô
vich [63] phân các liên kết kiến trúc thành hai loại chủ yếu sau:

1. Liên kết keo nớc (còn gọi là liên kết đông tụ, liên kết ngng tụ): liên kết
dẻo nhớt, mềm, thuận nghịch.
2. Liên kết kết tinh (còn gọi liên kết giòn, cứng): không thuận nghịch chịu
nớc và không chịu nớc.
Liên kết keo nớc đợc tạo nên, một mặt bởi các lực tác dụng tơng hổ điện
phân tử giữa những hạt khoáng, và mặc khác bởi màng nớc và màng keo. Độ lớn của
những lực này phụ thuộc vào chiều dày của các màng đó. Màng keo nớc càng dày,
thì liên kết keo nớc càng lớn. Liên kết keo nớc là liên kết dẻo thuận nghịch.
Liên kết kết tinh sinh ra do tác dụng của các lực hóa học tạo nên những hợp
chất đa tinh thể giữa các hạt khoáng (tại những điểm tiếp xúc) rất bền, nhng dòn và
không thuận nghịch khi bị phá hủy. Độ bền của những liên kết này phụ thuộc vào
thành phần các khoáng. Những liên kết đợc tạo nên bởi thạch cao và cacbonat canxi
kém bền và kém chịu nớc, trong khi đó thì oxit sắt và oxit silic cho những liên kết
kết tinh có tính bền và tính chịu nớc tốt hơn.
Trong tài liệu [60] V.D. Lômtadze viết: theo các quan niệm hiện đại, các liên
kết kiến trúc trong đất đá thuộc loại sét có thể đợc tạo thành do sự bám dính giản
đơn của các khoáng vật với nhau, hoặc do sự dán dính (gắn kết) giữa chúng bằng các
chất khoáng hoặc chất hữu cơ mới, bị hấp thu trên bề mặt các khoáng hoặc lấp đầy ở
các lỗ rỗng giữa chúng

Độ bền của các liên kết kiến trúc đợc thể hiện tổng hợp qua lực dính của đất.
Xuất phát rừ bản chất các lực liên kết nói trên, N.N Maxslop (1941) đã đề nghị chia
lực dính tổng quát (C
w
) của đất ra làm hai thành phần: lực dính kết cấu cứng (C
c

biến ở trong đá kết tinh xi măng hóa, đất sét có lợng ngậm nớc thiên nhiên bé và
ngay cả trong đất dính đợc chế bị ở trạng thái cứng, nữa cứng, dẻo cứng chịu tác
dụng của áp lực lớn [22] [23].
Lực dính kết cấu cứng (C
c
) có mang tính chất đàn hồi và ở một mức độ nào đó
khi chịu biến dạng hoặc tác động cơ giới, khó hồi phục đợc sau khi bị phá hoại.
Lực dính nhớt
w
có tính chất keo nhớt và đợc hình thành bởi các liên kết
mềm có trong đất, chủ yếu là lực hút phân tử giữa các hạt và nhóm hạt, lực hút từ tính,
lực mao dẫn. Khác với lực dính kết cấu C
c
, lực dính nhớt rất phổ biến đối với đất sét ở
trạng thái dẻo chảy, nó thay đổi theo lợng ngâm nớc, và đặc biệt là mang tính chất
hồi phục sau khi bị phá hoại bằng cơ giới.
Phơng pháp thí nghiệm xác định các thành phần của lực dính C
c
,
w
đợc giới
thiệu trong tài liệu [22], [39].
Trên cơ sở chia lực dính tổng quát (C
w
) của đất loại sét ra làm hai thành phần
C
c
và
w
nh biểu thức (2.1), giáo s N.N Maxslop đã đa ra phơng trình sức chống

ba giai đoạn sau
Giai đoạn 1 - giai đoạn vừa thi công xong:
Theo một số kết quả nghiên cứu đã có thì khối đất trong thân đập đạt
đợc độ chặt - độ ẩm ban đau theo thiết kế : Dung trọng khô
c
= (0,95 ữ
1,0)
cmax
; độ ẩm W = W
on
W ; độ bão hòa nớc G= 0,750,85; Các chỉ
tiêu cơ lý, trơng nở, thấm của đất đợc xác lập khi thiết kế phục vụ thi
công.
Giai đoạn 2 - giai đoạn đầu khi hồ tích nớc:
Giai đoạn này kéo dài khoảng (2 ữ 3) năm sau khi thi công xong. Đất ở
trong thân đập bắt đầu ngấm nớc. Tốc độ nớc ngấm vào trong thân đập
phụ thuộc chủ yếu vào hệ số thấm của đất đắp và tốc độ dâng nớc trong
hồ chứa. Trong thân đập sẽ có vùng đất hoàn toàn bão hòa nớc. Đến khi
hình thành đờng bão hòa dòng thấm ổn định, khối đất đắp dới đờng bão
hòa sẽ đợc bão hòa nớc hoàn toàn. Khối đất trên mực nớc mao dẫn vẫn
ở trạng thái cha bão hòa nớc. Quá trình ngấm nớc bão hòa kéo theo sự
thay đổi sức chống cắt, tính trơng nở, tính nén lún, áp lực nớc lỗ rỗng và
tính thấm nớc của đất loại sét đợc dùng để đắp đập. Vấn đề này đã đợc
nhiều tác giả nghiên cứu giới thiệu trong các tài liệu [31] [38].
Giai đoạn 3 - giai đoạn khai thác lâu dài:
Trong giai đoạn này, khi mực nớc trong hồ chứa ổn định, dòng thấm
ổn định, đất trong thân đập đã hình thành hai vùng bão hòa và cha bão
hòa nớc nh đã nêu trên. Trong giai đoạn này đất ở trong thân đập sẽ đợc
cố kết. Mức độ cố kết của đất tùy thuộc vào trạng thái độ chặt - độ ẩm ban
đầu khi thi công, phụ thuộc vào áp lực cột đất đắp ở bên trên so với điểm

Nguyên, nên trong thí nghim ã chn mt s loi t thng dùng p các p
thc t sau ây:
1. t tn tích có ngun gc granite c ly h cha nc Thun Ninh -
Bình nh.
2. t bồi tích có ngun gc sét bt kt, cát bt kt c ly h cha nc
Sông St - Ninh Thun.
3. t sn tn tích - tn tích trên nn Bazan c c ly ti công trình thy in
DakRtih - Daklak.
Ch tiêu tính cht vt lý, kt qu thí nghiệm m nn Proctor tiêu chun và hệ
số trơng nở tự do (R
N
) ca ba nhóm t nêu trên c ghi bng 2-1. - 47 - Bảng 2-1: Chỉ tiªu tÝnh chất vật lý của c¸c lo¹i đất ®îc dïng thÝ nghiệm

Loại đất đắp
Chỉ tiêu vật lý Đơn vị

Thuận Ninh-
Bình Định

0,25÷0.1
% 10,0 8,0 9,8 Hạt cát
(mm)
Mịn
0.1÷0.05
%

17,9 12,0 28,5
To

0.05÷0.01
% 10,8 13,0 11,7 Hạt bụi
(mm)
Nhỏ
0.01÷0.005
%

11,9 15,0 7,2 Kết
quả
phân
tích

W
op

% 13,0 14,0 37,0

%

10,2

2,07

0,04

%

13,6

2,27

0,05

Hệ số trương nở tự do(R
N
) K = 0,92
của các mẫu chế bị víi
γ
c
= K.γ
cmax
với hệ số K= 0,95

Loại đất bazan cổ ở đập thủy điện DakRtih - Daklak hầu nh không
trơng nở.
Trong các thí nghiệm nghiên cứu đã dùng ba loại đất có nguồn gốc thành tạo
và tính chất trơng nở khác nhau nh đã trình bày trên.

2.3 PHNG PHP CH B TO MU TH NGHIM

Cn c theo kt qu m nn Proctor (
cmax,
W
op
) ca các loi t c ghi
bng 2-1 ch b mu thí nghim. Dung trng khô (
c
) ca các mu thí nghim
c ch b theo h s m nén (K) khác nhau:

c
= K.
cmax
(2.3)
vi K = 0,92 ; 0,95; 0,98.
m ca mu khi ch b (W
cb
) chn bng m tt nht (W
op
) khi m nén
theo tng loi t
W
cb


2.4 NGHIấN CU S THAY I THAM S SC CHNG CT CA T
C CH B VI CC CHT KHC NHAU THEO THI GIAN
NGM MU TRONG NC.
2.4.1 Phơng pháp thí nghiệm
Các nhóm mẫu thí nghiệm theo từng loại đất đợc chuẩn bị nh đã trình bày ở
mục 2.3. Theo dõi đúng thời gian qui định vớt các ống mẫu ra để thí nghiệm, đồng
thời có kiểm tra độ ẩm của mẫu sau thời gian ngâm nớc (t).
Các thí nghim ct đợc thc hin theo s không c kt - ct nhanh (s
UU) trên máy ct phng xác nh góc ma sát trong (
ut
) v lc dính (C
ut
) ca mu
ng vi thi gian t (tháng) ã ngâm nc. Kt qu thí nghim c ghi trong phụ lục
và trên các bng thng kê ng vi tng loi t.
Trong quá trình xử lý số liệu thí nghiệm nhận thấy rằng:
Các đặc trng chống cắt của mẫu đất ngâm nớc tại thời điểm t= 2 tháng (ký
hiệu là
u2t
, C
u2t
) giảm nhỏ hơn so với với mẫu đất không ngâm nớc có độ ẩm
W
cb
= W
op
(ký hiệu là
u0
, C

tuu
C
C
CC


, (%) (2.6)
Mc tăng sức chống cắt của đất trong thời gian ngâm nớc t> 2 tháng (
ut
,C
ut
)
so với mẫu ngâm nớc t= 2 tháng (
u2t
,C
u2t
) đợc tính theo công thức sau:
tu
tuut
2
2






, (%) (2.7)
- 51 -


Các hình 2- 4a, 2- 4b, 2- 4c biểu diễn mức độ tăng các thông số chống cắt
ut
,
C
ut
của các mẫu đất có hệ số đầm chặt (K) khác nhau theo thời gian ngâm mẫu t> 2
tháng.
Để xem xét ảnh hởng hệ số đầm chặt K đến mức độ tăng sức chống cắt của
đất trong quá trình ngâm nớc, trên đồ thị hình 2-5a và hình 2-5b tổng hợp trình bày
hệ số

,
c
theo thời gian t> 2 tháng của các mẫu đất có hệ số đầm chặt K = 0,92 ;
K= 0,95 ; K = 0,98.
Bng 2-2a: S thay i góc ma sát trong v lc dính C ca t hồ Thuận Ninh có
h s m chặt (K) khác nhau ng vi m tt nht W
op
v độ ẩm sau khi ngâm
mẫu (t = 2 tháng)

H s
m
cht K
Dung
trng
ch b

c
(T/m

)

Mc
gim
ca lc
dớnh C

C
(%)

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)
0 13,0 11
o
20

0,266
0,92

1,70
2 21,0 06
o
1544,7
0,106
60,2
0 13,0 18
o
30


Bảng 2-2b: Sự thay đổi gãc ma s¸t trong (φ), lực dÝnh (C) của đất hå ThuËn Ninh cã
hệ số đầm chÆt (K) kh¸c nhau theo thời gian ng©m mẫu trong nước (víi t> 2 th¸ng) Hệ số
đầm
chặt K

Dung
trọng
chế bị

c
(T/m
3
) Thời gian
ngâm
mẫu
(tháng) §é Èm
mÉu
W (%)
0,92
1,70

2
6
12
18
24

21,0
21,5
21,9
21,9
21,9

6
o
15’
6
o
40’
6
o
55’
7
o
05’

2
6
12
18
24

18,9
19,2
20,0
20,0
20,0

10
o
30’
10
o
55’
11
o
20’
11
o
40’
11
o
45’

0
4,2

16,9
17,4
18,3
18,3
18,3

15
o
20’
16
o
00’
16
o
55’
17
o
10’
17
o
10’

0
4,3
10,2
12,1
12,7

0,335
0,355

- 54 -
- 55 -
- 56 -

2.4.2.2 i vi t bồi tích có ngun gc sét bột kết- cát bột kết đợc lấy h cha
nc Sông Sắt - Ninh Thuận

có h s m chặt (K) khác nhau ng vi m tt nht W
op
v độ ẩm sau khi ngâm
mẫu (t = 2 tháng)

H s
m
cht K
Dung
trng
ch b

c
(T/m
3
)
Thời
gian
ngâm
mẫu
(tháng)
Độ ẩm
mẫu
W (%)

Gúc ma
sỏt


0,49
0,92

1,71
2 19,9 08
o
50

41,4
0,119

75,7
0 14,0 16
o
15

0,495
0,95

1,77
2 17,7 12
o
30

22,9
0,158

68,1
0 14,0 17

Dung
trọng
chế bị

c
(T/m
3
) Thời gian
ngâm
mẫu
(tháng)

§é Èm
mÉu
W (%)Góc ma
sát
trong
φ

Mức độ
tăng của
góc ma
sát
trong

18
24

19,9
20,5
21,1
21,2
21,2

08
o
50’
09
o
05’
09
o
50’
10
o
00’
10
o
00’

0
2,3
11,6
13,3
13,5

19,2
19,2

12
o
30’
13
o
05’
13
o
55’
14
o
15’
14
o
15’

0
4,8
11,8
13,9
14,0

0,158
0,183
0,265
0,270
0,270

14
o
20’
15
o
40’
15
o
45’
15
o
45’

0
4,3
13,3
14,1
14,1

0,175
0,199
0,296
0,312
0,312

0
13,7
69,2
78,2
78,2