Bộ Giáo dục và đào tạo
Bộ Nông nghiệp và PTNT
Trường đại học Thuỷ lợi

---------------

Nguyễn Thị Ngọc Hương

Nghiên cứu
ảnh hưởng của cường độ chống cắt
đất không bão hòa đến
sự ổn định đập đất

Luận án tiến sĩ kỹ thuật

Hà Nội, 2013


Bộ Giáo dục và đào tạo
Bộ Nông nghiệp và PTNT
Trường đại học Thuỷ lợi

---------------

Nguyễn Thị Ngọc Hương

Nghiên cứu
ảnh hưởng của cường độ chống cắt
đất không bão hòa đến
sự ổn định đập đất


Minh Thụ và thầy giáo GS. Nguyễn Công Mẫn đã quan tâm giúp đỡ, tận tình hớng
dẫn và cung cấp tài liệu tham khảo giúp tác giả có đợc những kiến thức phục vụ
cho việc hoàn thành luận án này.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo trong bộ môn Địa kỹ thuật, khoa
Công trình, phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, các nhà khoa học từ các đơn vị
trong và ngoài trờng,... đã có những đóng góp, giúp đỡ quý báu cho tác giả trong
quá trình nghiên cứu.
Tác giả xin cảm ơn bộ môn Địa kỹ thuật, phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật đã
tạo điều kiện và bố trí thời gian để tác giả hoàn thành luận án nghiên cứu.
Cuối cùng, tác giả xin đợc gửi lời cảm ơn chân thành tới các đồng nghiệp,
bạn bè và gia đình đã động viên, khuyến khích, giúp đỡ tác giả rất nhiều trong quá
trình thực hiện luận án.

Hà Nội, ngày 20 tháng 08 năm 2013
Tác giả

Nguyễn Thị Ngọc Hơng


- iii -

Mục lục
Lời cam đoan ............................................................................................................... i
Lời cảm ơn.................................................................................................................. ii
Mục lục...................................................................................................................... iii
Danh mục các bảng biểu ........................................................................................... ix
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ......................................................................................x
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt .............................................................. xvii
Mở đầu.........................................................................................................................1
I. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................................1

2.4. Phơng pháp phân tích thấm trong môi trờng bão hòa, không bão hòa.......43
2.5. Phơng pháp phân tích ổn định mái dốc ........................................................44
2.6. Kết luận chơng 2 ..........................................................................................47
Chơng 3. Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số đặc trng cờng độ
chống cắt của đất không bão hòa ..............................................................................49
3.1. Tính chất cơ bản của đất dùng trong thí nghiệm............................................49
3.2. Thí nghiệm xác định đờng cong đặc trng đất - nớc .................................51
3.2.1. Thiết bị thí nghiệm xác định đờng cong đặc trng đất nớc .............51
3.2.2. Chuẩn bị mẫu..........................................................................................51
3.2.3. Bão hoà mẫu và đĩa gốm.........................................................................52
3.2.4. Thí nghiệm xác định đờng cong đặc trng đất - nớc ..........................54
3.2.5. Kết quả thí nghiệm .................................................................................55


-v-

3.2.6. Tính toán hệ số thấm từ đờng cong đặc trng đất - nớc .....................57
3.2.6.1. Tính toán đờng cong SWCC bằng phơng trình của Fredlund và
Xing (1994) ..................................................................................................57
3.2.6.2. Xác định hệ số thấm của đất từ SWCC ...........................................60
3.3. Xác định cờng độ chống cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm cắt trực
tiếp.........................................................................................................................63
3.3.1. Thiết bị thí nghiệm cắt trực tiếp..............................................................63
3.3.2. Qui trình thí nghiệm ...............................................................................63
3.3.3. Chơng trình thí nghiệm.........................................................................64
3.3.4. Kết quả thí nghiệm .................................................................................65
3.3.4.1. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Khe Cát...............................65
3.3.4.2. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Sông Sắt 2...........................68
3.3.4.3. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Sông Sắt 3...........................70
3.4. Xác định cờng độ chống cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm nén ba

4.1.1. Công trình hồ chứa nớc Sông Sắt........................................................121
4.1.2. Công trình hồ chứa nớc Khe Cát.........................................................122
4.1.3. Mái dốc tự nhiên ở Yên Bái..................................................................122
4.2. Giới thiệu phần mềm ứng dụng....................................................................123
4.3. Phân tích ổn định mái đập đất công trình Sông Sắt......................................124
4.3.1. Tính toán thấm......................................................................................125
4.3.2. Phân tích ổn định mái dốc ....................................................................126
4.3.2.1. Phân tích ổn định theo phơng pháp giả thiết không xét đến b ...126


- vii -

4.3.2.2. Phân tích ổn định theo phơng pháp giả thiết b = 1/2 .............127
4.3.2.3. Phân tích ổn định theo phơng pháp lực dính toàn phần...............127
4.4. Phân tích ổn định mái đập đất công trình Khe Cát ......................................128
4.4.1. Tính toán thấm......................................................................................130
4.4.2. Phân tích ổn định mái dốc ....................................................................130
4.4.2.1. Phân tích ổn định theo phơng pháp giả thiết không xét đến b ...131
4.4.2.2. Phân tích ổn định theo phơng pháp giả thiết b = 1/2 .............131
4.4.2.3. Phân tích ổn định theo phơng pháp lực dính toàn phần...............131
4.5. Phân tích ổn định mái dốc tự nhiên ở Yên Bái.............................................132
4.5.1. Tính toán thấm......................................................................................133
4.5.2. Phân tích ổn định mái dốc ....................................................................134
4.5.2.1. Phân tích ổn định theo phơng pháp giả thiết không xét đến b ...134
4.5.2.2. Phân tích ổn định theo phơng pháp giả thiết b = 1/2 .............134
4.5.2.3. Phân tích ổn định theo phơng pháp lực dính toàn phần...............135
4.6. Phân tích kết quả tính toán ổn định mái đất công trình thực tế ...................135
4.6.1. Phân tích kết quả tính toán công trình Sông Sắt ...................................135
4.6.2. Phân tích kết quả tính toán công trình Khe Cát ....................................137
4.6.3. Phân tích kết quả tính toán mái dốc tự nhiên ở Yên Bái.......................138

Bảng 3.3. Chơng trình các thí nghiệm cắt trực tiếp .................................................65
Bảng 3.4. Chơng trình các thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nớc+khí (CD) .....83
Bảng 3.5. Chơng trình các thí nghiệm nén ba trục độ ẩm không đổi (CW) ............83
Bảng 3.6. So sánh các thông số cờng độ chống cắt hiệu quả ................................113
Bảng 4.1. Các chỉ tiêu cơ lý dùng trong mô hình tính.............................................125
Bảng 4.2. Các chỉ tiêu cơ lý dùng trong mô hình tính.............................................129
Bảng 4.3. Các chỉ tiêu cơ lý dùng trong mô hình tính.............................................133
Bảng 4.4. Kết quả tính toán ổn định mái dốc theo 3 phơng pháp .........................136
Bảng 4.5. Kết quả tính toán ổn định mái dốc theo 3 phơng pháp .........................137
Bảng 4.6. Kết quả tính toán ổn định mái dốc theo 3 phơng pháp .........................139


-x-

danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1. Phân loại đập đất theo cấu tạo thân đập ......................................................9
Hình 1.2. Các dạng mặt phá hoại: a) mặt phẳng; b) cung tròn; c) không theo quy tắc;
d) hỗn hợp..................................................................................................................11
Hình 1.3. Sơ đồ pha chính xác và đơn giản hoá của đất không bão hoà. a) Hệ đất
không bão hoà bốn pha chính xác; b) Sơ đồ 3 pha đơn giản hoá ..............................13
Hình 1.4. Mặt cắt phân bố áp lực lỗ rỗng trong vùng đất không bão hoà (Fredlund và
Rahardjo, 1993).........................................................................................................14
Hình 2.1. Các biến trạng thái ứng suất cho đất không bão hòa.................................24
Hình 2.2. Đờng cong đặc trng đất - nớc (Fredlund và Xing, 1994) ....................25
Hình 2.3. Đờng bao phá hoại Mohr-Coulomb cho đất bão hòa ..............................32
Hình 2.4. Sơ đồ giải thích về lực hút dính - matric suction (N.C.Mẫn, 1999) ..........34
Hình 2.5. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng cho đất không bão hòa (theo
Fredlund và Rahardjo, 1993).....................................................................................36
Hình 2.6. Đờng bao phá hoại của thí nghiệm cắt cố kết thoát nớc trên các mẫu đất
nguồn gốc băng tích (Gan và nnk. 1988) ..................................................................38

nén Khe Cát từ thí nghiệm cắt trực tiếp ứng với các lực hút dính khác nhau............66
Hình 3.16. Quan hệ giữa cờng độ chống cắt và lực hút dính của mẫu đầm nén Khe
Cát tại ứng suất pháp thực bằng 0 kPa.......................................................................67
Hình 3.17. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng lập từ các kết quả thí nghiệm
cắt trực tiếp mẫu đầm nén Sông Sắt 2........................................................................68
Hình 3.18. Quan hệ giữa cờng độ chống cắt và ứng suất pháp thực của mẫu đầm
nén Sông Sắt 2 từ thí nghiệm cắt trực tiếp ứng với các lực hút dính khác nhau ........69


- xii -

Hình 3.19. Quan hệ giữa ứng suất cắt và lực hút dính của mẫu đầm nén Sông Sắt 2
xác định từ thí nghiệm cắt trực tiếp tại ứng suất pháp thực bằng 0 kPa ....................70
Hình 3.20. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng lập từ các kết quả thí nghiệm
cắt trực tiếp mẫu đầm nén Sông Sắt 3........................................................................71
Hình 3.21. Quan hệ giữa cờng độ chống cắt và ứng suất pháp thực của mẫu đầm
nén Sông Sắt 3 từ thí nghiệm cắt trực tiếp ứng với các lực hút dính khác nhau ........71
Hình 3.22. Quan hệ giữa cờng độ chống cắt và lực hút dính của mẫu đầm nén Sông
Sắt 3 xác định từ thí nghiệm cắt trực tiếp tại ứng suất pháp thực bằng 0 kPa ...........72
Hình 3.23. Buồng ba trục cải tiến để thí nghiệm đất không bão hòa (theo Fredlund
và Rahardjo, 1993) ....................................................................................................74
Hình 3.24. Sơ đồ bảng điều khiển và bố trí hệ đờng ống cho máy ba trục cải tiến.74
Hình 3.25. Tấm đáy ba trục để thí nghiệm đất không bão hòa. a) Mặt bằng tấm đáy
với các lỗ thoát; b) Mặt cắt ngang tấm đáy với đĩa tiếp nhận khí cao áp ..................75
Hình 3.26. Hệ thống máy ba trục cải tiến dùng trong phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật,
trờng Đại học Thủy lợi ............................................................................................76
Hình 3.27. Ngăn chứa nớc có các rãnh hình vòng tròn ở phần đầu của chân đế
buồng ba trục và đĩa áp lực khí cao. ..........................................................................77
Hình 3.28. Chế bị mẫu đất thí nghiệm ......................................................................78
Hình 3.29. Mẫu đất đang đợc đầm trong cối...........................................................78

lực hút dính khác nhau dới áp lực hông thực không đổi .........................................91
Hình 3.44. Quan hệ giữa ứng suất lệch và biến dạng dọc trục dới các áp lực hông
thực khác nhau tác dụng lên mẫu đất với cùng lực hút dính ban đầu là 0 kPa..........92
Hình 3.45. Quan hệ giữa ứng suất lệch và biến dạng dọc trục dới các áp lực hông
thực khác nhau tác dụng lên mẫu đất với cùng lực hút dính ban đầu là 100 kPa......93
Hình 3.46. Quan hệ giữa ứng suất lệch và biến dạng dọc trục dới các áp lực hông
thực khác nhau tác dụng lên mẫu đất với cùng lực hút dính ban đầu là 200 kPa......93


- xiv -

Hình 3.47. Đờng bao phá hoại Mohr Coulomb mở rộng xác định từ thí nghiệm ba
trục cố kết thoát nớc (CD) tại lực hút dính bằng 0 kPa ...........................................94
Hình 3.48. Đờng bao phá hoại Mohr Coulomb mở rộng xác định từ thí nghiệm ba
trục cố kết thoát nớc (CD) tại lực hút dính bằng 100 kPa .......................................95
Hình 3.49. Đờng bao phá hoại Mohr - Coulomb mở rộng xác định từ thí nghiệm ba
trục cố kết thoát nớc (CD) tại lực hút dính bằng 200 kPa .......................................95
Hình 3.50. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng xác định từ thí nghiệm nén ba
trục cố kết thoát nớc (CD) mẫu đất thí nghiệm công trình Sông Sắt.......................96
Hình 3.51. Các hình chiếu ngang của mặt bao phá hoại trên mặt phẳng tsua)
xác định từ thí nghiệm nén ba trục CD của mẫu đầm nén Sông Sắt 3.......................97
Hình 3.52. Các hình chiếu ngang của mặt bao phá hoại trên mặt phẳng tua uw)
xác định từ thí nghiệm nén ba trục CD của mẫu đầm nén Sông Sắt 3.......................97
Hình 3.53. Các đờng ứng suất trong thí nghiệm cố kết thoát nớc+khí (CD) tại các
áp lực hạn hông thực khác nhau dới lực hút dính không đổi...................................98
Hình 3.54. Các đờng ứng suất trong thí nghiệm cố kết thoát nớc+khí (CD) tại các
lực hút dính khác nhau dới áp lực hông thực không đổi .........................................99
Hình 3.55. Quan hệ giữa ứng suất lệch và biến dạng dọc trục dới các áp lực hông
thực khác nhau tác dụng lên mẫu với cùng lực hút dính ban đầu là 0 kPa..............100
Hình 3.56. Quan hệ giữa ứng suất lệch và biến dạng dọc trục dới các áp lực hông

t (ua-

uw) xác định từ thí nghiệm nén ba trục CW của mẫu đất đầm nén Sông Sắt...........108
Hình 3.68. Đờng ứng suất trong thí nghiệm độ ẩm không đổi (CW)....................109
Hình 3.69. Đờng quan hệ giữa ứng suất cắt và lực hút dính của mẫu đất đầm nện
công trình Khe Cát xác định đợc từ thí nghiệm nén ba trục CD và cắt trực tiếp...110
Hình 3.70. Đờng quan hệ giữa ứng suất cắt và lực hút dính của mẫu đất đầm nện
công trình Sông Sắt xác định đợc từ thí nghiệm nén ba trục CD và cắt trực tiếp ..110
Hình 3.71. Đờng quan hệ giữa ứng suất cắt và lực hút dính của mẫu đất đầm nện
công trình Sông Sắt xác định đợc từ thí nghiệm nén ba trục CW và cắt trực tiếp .111
Hình 3.72. Đờng quan hệ giữa ứng suất cắt và lực hút dính của mẫu đất đầm nện
công trình Sông Sắt xác định đợc từ thí nghiệm nén ba trục CD và CW...............112
Hình 3.73. Mối liên hệ giữa tham số hiệu chỉnh, , và chỉ số dẻo, Ip .....................114


- xvi -

Hình 3.74. Đờng quan hệ giữa tf và (ua uw) của mẫu đất đầm nện Khe Cát từ thí
nghiệm cắt trực tiếp và từ công thức của Fredlund và Vanapalli, 1996. .................115
Hình 3.75. Đờng quan hệ giữa tf và (ua uw) của mẫu đất đầm nện Sông Sắt 2 từ thí
nghiệm cắt trực tiếp và từ công thức của Fredlund và Vanapalli, 1996. .................115
Hình 3.76. Đờng quan hệ giữa tf và (ua uw) của mẫu đất đầm nện Sông Sắt 3 từ thí
nghiệm cắt trực tiếp và từ công thức của Fredlund và Vanapalli, 1996. .................116
Hình 3.77. Đờng quan hệ giữa tf và (ua uw) của mẫu đất đầm nện Khe Cát từ thí
nghiệm nén ba trục CD và từ công thức của Fredlund và Vanapalli, 1996.............117
Hình 3.78. Đờng quan hệ giữa tf và (ua uw) của mẫu đất đầm nện Sông Sắt 3 từ thí
nghiệm nén ba trục CD và từ công thức của Fredlund và Vanapalli, 1996.............117
Hình 3.79. Đờng quan hệ giữa tf và (ua uw) của mẫu đất đầm nện Sông Sắt 3 từ thí
nghiệm nén ba trục CW và từ công thức của Fredlund và Vanapalli, 1996. ...........118
Hình 4.1. Mặt cắt tính toán (MC5A) .......................................................................124


- độ ẩm thể tích tại một giá trị lực hút dính xác định

qs

- độ ẩm thể tích bão hoà



- độ ẩm thể tích chuẩn hoá, ( = qw/qs)

, a, n, m

- các hằng số (các thông số khác nhau của đất không bão hòa trong
các phơng trình đờng cong đặc trng đất-nớc của van Genuchten
(1980) và Fredlund & Xing (1994))



- lực hút dính

e

- cơ số tự nhiên

C()

- hệ số hiệu chỉnh trong phơng trình đờng cong đặc trng đất-nớc
của Fredlund & Xing (1994)


- ứng suất pháp tổng trên mặt trợt ở trạng thái phá hoại


- xviii -

sx

- ứng suất pháp tổng theo hớng x

sy

- ứng suất pháp tổng theo hớng y

sz

- ứng suất pháp tổng theo hớng z

s1

- ứng suất chính lớn nhất

s3

- ứng suất chính nhỏ nhất

(s-ua)

- ứng suất pháp thực

(s-ua)f

- lực dính toàn phần, là khoảng chặn từ đờng bao phá hoại MohrCoulomb kéo dài trên trục ứng suất cắt khi ứng suất pháp thực và
lực hút dính khác không, c = c'ua uw tan b



- góc ma sát trong hiệu quả liên quan ứng suất pháp thực (sf-ua)f



- góc ma sát trong ứng với ứng suất pháp tổng

tan

- hệ số ma sát trong của đất đá

b

- góc biểu thị tốc độ tăng về cờng độ chống cắt ứng với sự tăng lên
của lực hút dính (ua-uw)f ở trạng thái phá hoại


Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full