Tài liệu Nghiên cứu ổn định và biến dạng của nền đất yếu dưới nền đường ô tô ngập lũ ở đồng bằng sông cửu long

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG Ô TÔ NGẬP LŨ Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG Chuyên ngành: Cơ Học Đất, Cơ Học Nền Móng, Công Trình Ngầm Mã số chuyên ngành: 2.15.03 Phản biện độc lập 1: GS. TS Nguyễn Trường Tiến Phản biện độc lập 2: TS. Đinh Hoàng Nam Phản biện 1: PGS. TS Nguyễn Phi Lân Phản biện 2: PGS. TS Nguyễn Bá Hoàng Phản biện 3: PGS. TS Võ Phán NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS. TSKH Lê Bá Lương 2. PGS. TS Lê Văn Nam THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2013 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu. Tác giả luận án Phạm Văn Hùng i TÓM TẮT LUẬN ÁN Tên đề tài: “Nghiên cứu ổn định và biến dạng của nền đất yếu dưới nền đường ô tô ngập lũ ở Đồng Bằng sông Cửu Long” Mục tiêu nghiên cứu của Luận Án: Để đánh giá ổn định và biến dạng của nền đất yếu dưới nền đường ô tô ngập lũ ở Đồng Bằng sông Cửu Long cho đầy đủ và sát với thực tế đất sét yếu bão hòa nước ở khu vực nghiên cứu hơn nữa, trong khi qui trình tính lún từ biến theo thời gian của Bộ Giao Thông vận Tải là chưa có, vì thế nội dung nghiên cứu của Luận án này nhằm tập trung giải quyết các vấn đề như nghiên cứu sự chuyển dịch từ biến của nền đất yếu dưới nền đường ô tô ngập lũ ở ĐBSCL do ứng suất tiếp, nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn về hệ số an toàn từ biến (ổn định từ biến) do ứng suất tiếp, nghiên cứu về tốc độ từ biến và sự thay đổi tốc độ từ biến khi chịu cắt của nền đất yếu dưới nền đường ô tô chịu ảnh hưởng của áp lực thủy động. Luận án cũng nghiên cứu và giải quyết tính lún từ biến do ứng suất pháp tổng, do ứng suất tiếp gây ra cho nền đất yếu dưới nền đường ô tô, nghiên cứu sự thay đổi độ nhớt theo cấu trúc của đất trong quá trình chuyển dịch từ biến do ứng suất tiếp, các dấu hiệu thể hiện bằng các chỉ tiêu cơ lý cụ thể để nhận biết các lớp đất ở ĐBSCL có thể xảy ra từ biến mạnh do ứng suất pháp tổng và do ứng suất tiếp. Các nội dung nghiên cứu mới ở trên là nội dung nghiên cứu chủ yếu đã được giải quyết và trình bày trong luận án này. ii THESIS ABSTRACT Title: “Research on the stability and deformation of soft soil under flooded embankments in Mekong Delta” Thesis Objective: To estimate the stability and deformation of soft soil under flooded embankments in Mekong Delta fully and more closely to the soft water saturated soil reality in the study area while the practice calculating creep settlement has not been issued yet by the Ministry Of Transport, the research content of this thesis focuses on solving issues such as research on creep shear of soft soil under flooded embankments in Mekong Delta due to shear stress, research on the scientific basis and practice of creep factor of safety (creep stability) due to shear stress, research on creep rate and the change of creep rate of sheared soft soil under embankments affected by the hydrodynamic pressure. This thesis also studies and solves the secondary settlement due to vertical total stress, due to shear stress on soft soil under flooded embankments, studies the change of viscosity according to the soil structure in the creep shear due to shear stress, and studies signs shown by specific mechanical, physical indicators to identify soil layers in Mekong Delta which could have strong creep due to vertical total stress and shear stress. The new research content above is the basic research content solved and presented in this thesis. iii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận án này, NCS đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, hướng dẫn, góp ý, động viên, khích lệ những lúc khó khăn tưởng chừng không thể vượt qua được. Đến nay đã hoàn thành được luận án của mình, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Các Thầy hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Lê Bá Lương, PGS.TS Lê Văn Nam đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Các Thầy ở Bộ môn Địa cơ nền móng - Trường ĐH Bách Khoa, ĐHQG Tp. Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giúp đỡ, góp ý, tặng sách và tài liệu để tôi thực hiện xong luận án này. Các Thầy, Cô ở Phòng Đào tạo sau đại học, Khoa Kỹ thuật xây dựng, Lãnh đạo Trường ĐH Bách Khoa, ĐHQG Tp. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ, khích lệ tôi hoàn thành luận án. Các Thầy Cô như GS.TSKH Nguyễn Văn Thơ, PGS.TS Châu Ngọc Ẩn, GS.TS Trần Thị Thanh đã nhiệt tình góp ý, tặng sách và tài liệu cho tôi nghiên cứu, thực hiện hoàn thành luận án này. Các Thầy ở các Trường Đại học khác, các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ động viên tôi trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận án. Vợ và các con đã động viên, giúp đỡ tôi. Xin chân thành cảm ơn./. iv DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU THƯỜNG DÙNG TRONG LUẬN ÁN Kí hiệu Thứ nguyên Ý nghĩa (1) (2) (3) σ1,σ3 kPa (kG/cm2), T/m2 Ứng suất chính lớn nhất σ1 và nhỏ nhất σ3 τuu τcu τlim τ∞ kPa (kG/cm2), T/m2 Sức chống cắt không cố kết - không thoát nước kPa (kG/cm2), T/m2 Sức chống cắt cố kết - cắt nhanh kPa (kG/cm2), T/m2 ''Ngưỡng của từ biến'' (giới hạn từ biến) kPa (kG/cm2), T/m2 Sức chống cắt lâu dài Spw kPa (kG/cm2), T/m2 Sức chống cắt của đất phụ thuộc vào áp lực nén P và độ ẩm W τ0 kPa (kG/cm2), T/m2 Sức chống cắt ban đầu c kPa (kG/cm2), T/m2 lực dính của đất cu kPa (kG/cm2), T/m2 Lực dính xác định theo sơ đồ UU ccu kPa (kG/cm2), T/m2 Lực dính xác định theo sơ đồ CU cbh kPa (kG/cm2), T/m2 Lực dính ở trạng thái bão hòa nước cw kPa (kG/cm2), T/m2 Lức dính tổng quát của đất ở độ ẩm W cc kPa (kG/cm2), T/m2 Lực dính kết cấu cứng của đất Σw kPa (kG/cm2), T/m2 Lực dính nhớt của đất m= Σw/cw UU CU CD Sơ đồ thí nghiệm đất Sơ đồ thí nghiệm đất Sơ đồ thí nghiệm đất Tỷ số (mức độ thể hiện) của lực dính nhớt so với lực dính tổng quát Không cố kết, không thoát nước Cố kết - không thoát nước Cố kết - thoát nước ɵmax độ Góc lệch lớn nhất tại điểm đang xét trong nền đất υ υu υcu υbh υw độ Góc ma sát trong của đất độ Góc ma sát trong xác định theo sơ đồ UU độ Góc ma sát trong xác định theo sơ đồ CU độ Góc ma sát trong của đất khi bão hòa nước γ 3 3 kN/m , T/m Dung trọng (trọng lượng đơn vị thể tích ) của đất γw 3 3 kN/m , T/m Dung trọng của nước γc 3 3 kN/m , T/m Dung trọng khô của đất γbh 3 3 Dung trọng của đất bão hòa % độ Góc ma sát trong ở độ ẩm W kN/m , T/m v γdn kN/m3, T/m3 Gs Không thứ nguyên Tỷ trọng của đất et Không thứ nguyên Hệ số rỗng của đất thời điểm t e0 Không thứ nguyên Hệ số rỗng ban đầu của đất IL (B) Không thứ nguyên Độ sệt của đất Sr % Độ bão hòa nước trong đất WL % Giới hạn chảy của đất Wp % Giới hạn dẻo của đất Ip % Chỉ số dẻo của đất Vz cm/s Tốc độ chuyển vị trượt ngang ở độ sâu z V0 cm/s Tốc độ chuyển vị trượt ngang của điểm ở trên mặt lớp (z = 0) η 1 poise=1/106.Kg.s/cm2 =0.01kG.s/m2 η0 poise ηc poise ep w % ep η % Module lún (hệ số nén lún tương đối) trong giai đoạn cố từ biến D cm, m Vùng chịu chuyển vị từ biến dưới nền công trình Ha cm, m Vùng chịu nén của đất dưới nền công trình Hđ cm, m [hgh] cm, m hat cm, m Sw cm, m Chiều cao đắp Chiều cao giới hạn cho phép của khối đất đắp trên nền đất yếu Chiều cao an toàn của khối đất đắp trên nền đất yếu Độ lún do cố kết thấm Sη cm, m Độ lún do từ biến OCR Không thứ nguyên CPTu - ĐBSCL - Dung trọng của đất chịu đẩy nổi của nước Hệ số nhớt của đất dính Hệ số nhớt ở cuối giai đoạn cố kết thấm (U = 100%) và đầu giai đoạn từ biến Hệ số nhớt ở cuối giai đoạn từ biến (với thời gian nén 1 cấp áp lực là 24h) Module lún (hệ số nén lún tương đối) trong giai đoạn cố kết thấm Tỷ số nén quá cố kết Phương pháp thí nghiệm xuyên tĩnh điện tử có đo áp lực nước lỗ rỗng Đồng bằng Sông Cửu Long vi TƢƠNG QUAN GIỮA CÁC ĐƠN VỊ DÙNG TRONG LUẬN ÁN VỚI CÁC ĐƠN VỊ HỆ SI Đơn vị Tên gọi đại lƣợng Chiều dài Lực Tƣơng quan với đơn vị hệ SI Thứ nguyên Kí hiệu chính xác Centimét cm 10-2 Kilogram - lực kG 9.80665 N Làm tròn 9.81 N 10 N Tấn - lực T 9806.65 N 104 N Tải trọng Kilogam - lực kG/m2 9.80665 Pa 9.81Pa phân bố bề trên mét vuông mặt và các ứng suất (sức chống cắt) 10 Pa Kilogam - lực trên centimét kG/cm2 0.098 Mpa 105 Pa T/m2 9806.65 Pa 104 Pa G/cm3 9.8065 kN/m3 vuông Tấn - lực trên mét vuông Trọng Gam - lực trên lượng centimet khối riêng Tấn - lực trên mét khối Hệ số nhớt Poise 9.81 kN/m3 10 kN/m3 T/m3 9.80665 kN/m3 9.81 kN/m3 10 kN/m3 0.01 kG.S/m2 η của đất 1/105 N.S/cm2 0.1 N.S/m2 vii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i TÓM TẮT LUẬN ÁN .................................................................................................... ii THESIS ABSTRACT .................................................................................................... iii LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................iv DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU THƢỜNG DÙNG ............................................................ v TƢƠNG QUAN GIỮA CÁC ĐƠN VỊ DÙNG TRONG LUẬN ÁN VỚI CÁC ĐƠN VỊ HỆ SI ....................................................................................................................... vii MỤC LỤC ................................................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH................................................................................... xii DANH MỤC CÁC BẢNG ...........................................................................................xiv 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .................................................1 2 MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ..................................1 3 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...........................................................................1 4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI ..................................2 5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU.................................................................................................................................2 6 CẤU TRÖC CỦA LUẬN ÁN .................................................................................3 7 CÁC CÔNG TRÌNH BỊ SỰ CỐ VÀ NGHIÊN CỨU TIÊU BIỂU TRONG NƢỚC VÀ NGOÀI NƢỚC ............................................................................................ 3 7.1 Các công trình bị sự cố tiêu biểu .......................................................................3 7.2 Các công trình nghiên cứu, thực nghiệm trong và ngoài nƣớc ..........................3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH ĐBSCL VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA ĐẤT YẾU DƢỚI NỀN ĐƢỜNG Ô TÔ 1.1 TỔNG QUAN ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG ........................................................................................................6 1.2 TỔNG QUAN MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG ĐẤT YẾU DƢỚI NỀN ĐƢỜNG Ô TÔ .............................................................9 1.2.1 Tính toán kiểm tra khả năng chịu tải của đất yếu dƣới nền đƣờng đắp ...... 9 1.2.2 Ổn định biến dạng của nền đất yếu dƣới nền đƣờng................................. 12 1.2.3 Tính lún cố kết của nền đất yếu dƣới nền đƣờng theo thời gian ............... 14 1.3 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU TỪ BIẾN THEO N.N. MASLOV .......................17 1.4 VÙNG HOẠT ĐỘNG TỪ BIẾN Dησ DO ỨNG SUẤT PHÁP ......................19 viii 1.5 VÙNG HOẠT ĐỘNG TỪ BIẾN Dητ DO ỨNG SUẤT TIẾP .........................19 1.6 TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG THEO LÖN CỐ KẾT VÀ LÖN TỪ BIẾN ........21 1.6.1 Theo lý thuyết cố kết theo độ ẩm độ chặt của N.N. Maslov ..................... 21 1.6.2 Xác định độ lún của đất bão hòa nƣớc đồng thời cố kết thấm và từ biến tắt dần theo Iu.K. Zareski ........................................................................................... 23 1.7 BIẾN DẠNG TỪ BIẾN DO ỨNG SUẤT TIẾP ĐỐI VỚI CÔNG TRÌNH CHỊU LỰC ĐỨNG p0 VÀ LỰC NGANG q0 ...............................................................25 1.8 1.9 1.10 1.7.1 Thiết lập công thức tính toán tốc độ chuyển vị ......................................... 25 1.7.2 Tính toán chuyển vị ngang lâu dài của công trình có chịu lực ngang....... 26 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỪ BIẾN THEO MÔ HÌNH ĐẤT ..............................29 1.8.1 Từ biến của đất theo mô hình Soft soil creep............................................ 29 1.8.2 Cơ sở từ biến một chiều ............................................................................ 29 1.8.3 Phƣơng trình vi phân cho từ biến trong sơ đồ bài toán một chiều ............ 31 1.8.4 Các thông số mô hình ................................................................................ 32 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN ĐƢỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU ..................33 1.9.1 Phƣơng pháp mặt trƣợt trụ tròn W. Fellenius ........................................... 34 1.9.2 Xét áp lực đẩy nổi cho mảnh phân tố trƣờng hợp bị ngập nƣớc ............... 35 1.9.3 Xét ảnh hƣởng của áp lực thủy động ........................................................ 35 NHẬN XÉT CHƢƠNG 1 ................................................................................37 CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG TỪ BIẾN CỦA ĐẤT YẾU DƢỚI NỀN ĐƢỜNG Ô TÔ Ở ĐBSCL. THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT THEO PHƢƠNG PHÁP CẮT XOAY 2.1 BIẾN DẠNG TỪ BIẾN THẲNG ĐỨNG DO ỨNG SUẤT PHÁP VÀ ỨNG SUẤT TIẾP ..................................................................................................................38 2.1.1 Thiết lập phƣơng trình biến dạng từ biến thẳng đứng do ứng suất pháp tổng...... .................................................................................................................. 38 2.1.2 Thiết lập phƣơng trình cơ bản tính biến dạng và ổn định từ biến do ứng suất tiếp cho nền đất yếu dƣới nền đƣờng ô tô theo mặt chuyển dịch từ biến ...... 41 2.2 DỰ TÍNH TỐC ĐỘ CHUYỂN DỊCH TỪ BIẾN Ở TRẠNG THÁI TẮT DẦN VÀ TRẠNG THÁI KHÔNG TẮT DẦN ......................................................................47 2.3 THIẾT LẬP PHƢƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG KHÍ KÍN TRONG LỖ RỖNG CỦA ĐẤT BÃO HÕA Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG..49 ix 2.4 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY THÍ NGHIỆM ĐỘ NHỚT CỦA ĐẤT YẾU THEO NGUYÊN LÝ CẮT XOAY VỚI TỐC ĐỘ CHẬM .............50 2.5 2.4.1 Khái niệm độ nhớt .................................................................................... 50 2.4.2 Phƣơng trình cơ bản .................................................................................. 51 NHẬN XÉT CHƢƠNG 2 ................................................................................56 CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM HIỆN TRƢỜNG VÀ THÍ NGHIỆM TRONG PHÕNG ĐỂ KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 3.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU VÀ CÁC ĐỊA ĐIỂM ĐÃ KHẢO SÁT ............57 3.1.1 Mục đích nghiên cứu ................................................................................. 57 3.1.2 Các địa điểm đã khảo sát ........................................................................... 57 3.1.3 Một số hình ảnh thí nghiệm ngoài hiện trƣờng và trong phòng................ 59 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TRONG PHÕNG ..................................................61 3.2.1 Một số kết quả thí nghiệm độ nhớt ........................................................... 61 3.2.2 Một số kết quả thí nghiệm chỉ tiêu cơ lí của nền đất yếu đƣờng đê Gò Công ................................................................................................................... 69 3.2.3 3.3 3.4 Kết quả thí nghiệm hàm lƣợng khí lỗ rỗng ............................................... 73 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM HIỆN TRƢỜNG ...................................................73 3.3.1 Kết quả thí nghiệm CPTu .......................................................................... 73 3.3.2 Kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng .................................................. 74 NHẬN XÉT CHƢƠNG 3 ................................................................................76 CHƢƠNG 4. ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN ĐƢỜNG ĐẮP CAO TRÊN NỀN ĐẤT YẾU CHỊU ẢNH HƢỞNG CỦA LŨ VÀ CÓ XÉT ĐẾN TỪ BIẾN 4.1 KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA NỀN ĐẤT YẾU DƢỚI NỀN ĐƢỜNG ĐÊ BIỂN GÕ CÔNG, TIỀN GIANG............................................................77 4.2 4.1.1 Thời kỳ đầu mới xây dựng (1990) ............................................................ 77 4.1.2 Mức độ an toàn sau 20 năm sử dụng (khảo sát năm 2010) ....................... 78 4.1.3 Các sơ đồ mô tả quá trình đắp các phƣơng án .......................................... 80 TÍNH TOÁN KIỂM TRA ỔN ĐỊNH TRƢỢT SÂU THEO PHƢƠNG PHÁP MẶT TRƢỢT TRỤ TRÕN ...........................................................................................82 4.2.1 Tính theo Fellenius .................................................................................... 82 4.2.2 Tính theo Bishop ....................................................................................... 82 4.2.3 Tính theo phần mềm Plaxis ....................................................................... 85 x 4.3 TÍNH LÖN NỀN ĐẤT YẾU DƢỚI NỀN ĐƢỜNG ĐÊ GÕ CÔNG .............87 4.3.1 Sơ đồ khối cho các trƣờng hợp ................................................................. 87 4.3.2 Tính lún theo phần mềm plaxis có xét từ biến (Soft soil creep) ............... 91 4.3.3 Tính lún theo 22TCN262-2000 và tính lún từ biến theo phƣơng pháp của Raymond & Wahls năm 1976 và theo kiến nghị của NCS ................................... 93 4.3.4 4.4 Tính lún thẳng đứng do từ biến theo mặt chuyển dịch cung tròn ............. 98 Nhận xét chƣơng 4 .........................................................................................100 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................101 KẾT LUẬN .................................................................................................................101 KIẾN NGHỊ .................................................................................................................102 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................103 xi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 0.1 Hiện tượng mất ổn định từ biến và phát triển nhanh đến trượt ở đường dẫn vào cầu Trao Trảo, Hương lộ 33, Quận 9, TP Hồ Chí Minh năm 2000 ......................... 4 Hình 0.2 Đường quốc lộ 80 đoạn Sa Đéc, Bắc Vàm Cống phải nâng cao độ móng mặt đường thường xuyên do lún cố kết và từ biến để chống ngập do nước triều, lũ……….5 Hình 0.3 Sự cố lún từ biến phát triển nhanh đến trượt nền đường đắp vào cầu Trường Phước tại Quận 9, TP Hồ Chí Minh vào tháng 4 năm 1999 ...........................................5 Hình 0.4 Sự cố lún từ biến do ứng suất tiếp đường dẫn vào cầu và hầm chui Văn Thánh 2, đường Lê Thánh Tôn nối dài TP Hồ Chí Minh ................................................ 5 Hình 1.1 Phân vùng địa chất công trình ĐBSCL ............................................................ 6 Hình 1.2 Tải trọng phân bố hình thang cân ...................................................................11 Hình1.3 Biểu đồ chỉ số cố kết n theo chỉ số dẻo Ip ứng với các độ sệt IL ...................... 17 Hình 1.4 Sơ đồ mô hình từ biến theo N.N. Maslov ....................................................... 18 Hình 1.5 Biểu đồ quan hệ giữa nén lún và áp lực nén với qkc .......................................19 Hình 1.6 Phạm vi chịu nén lún theo qkc .........................................................................19 Hình 1.7 Sơ đồ xác định vùng hoạt động từ biến Dη do ứng suất tiếp cho tải trọng ngoài phân bố theo dạng hình thang cân ....................................................................... 20 Hình 1.8 Biểu đồ biến dạng từ biến tỷ đối e = R (t) ................................................... 22 Hình 1.9 Đường cong ứng suất biến dạng có được từ thí nghiệm hộp nén, biến dạng được phân chia thành phần đàn hồi và phần từ biến với t0 + tc = 1 ngày ...................... 31 Hình 1.10 Lực tác dụng lên mảnh phân tố ....................................................................34 Hình 1.11 Sơ đồ xét ảnh hưởng của áp lực đẩy nổi cho mảnh phân tố trường hợp bị ngập nước ...................................................................................................................... 35 Hình 1.12 Sơ đồ tính toán xét ảnh hưởng của áp lực thủy động ...................................35 Hình 2.1 Mặt chuyển dịch từ biến .................................................................................41 Hình 2.2 Sơ đồ lực tác động lên mảnh phân tố gây chuyển dịch từ biến ...................... 41 Hình 2.3 Mặt chuyển dịch từ biến bất kỳ ......................................................................44 Hình 2.4 Sơ đồ lực tác động lên mảnh phân tố có xét lực tương tác gây chuyển dịch từ biến ................................................................................................................................ 44 Hình 2.5 Mặt chuyển dịch từ biến theo cung tròn để tính tốc độ chuyển dịch ............. 47 Hình 2.6 Lực tác động lên mảnh phântố gây chuyển dịch từ biến ................................ 47 Hình 2.7 Sơ đồ chuyển dịch của vật liệu có tính nhớt................................................... 50 Hình 2.8 Sơ đồ biến dạng cắt ........................................................................................ 51 Hình 2.9 Biến dạng của vi phân của hình trụ khi trượt .................................................52 Hình 2.10 Sơ đồ góc giữa 2 vi phân trước và sau biến dạng .........................................52 xii Hình 2.11 Sơ đồ hai khối trụ đồng tâm với chất lỏng nhớt ở giữa ................................ 53 Hình 2.12 Máy thí nghiệm độ nhớt theo phương pháp cắt xoay ...................................55 Hình 3.1 Đường trên đỉnh đê đã thi công hoàn thiện .................................................... 59 Hình 3.2 Mái taluy đường đã thi công hoàn thiện ......................................................... 59 Hình 3.3 Thí nghiệm CPTu tại hiện trường ngoài chân mái taluy ................................ 59 Hình 3.4 Thí nghiệm tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo phương ngang ........................ 59 Hình 3.5 Thí nghiệm cắt cánh điện tử ...........................................................................59 Hình 3.6 Thí nghiệm độ nhớt trong phòng ....................................................................60 Hình 3.7 Thiết bị thí nghiệm nén 3 trục, nén 1 trục và nén cố kết cảm biến điện tử .... 60 Hình 3.8 Quan hệ giữa độ nhớt η theo cấu trúc khi dịch chuyển và góc xoay khối đất tương ứng ....................................................................................................................... 61 Hình 3.9 Quan hệ giữa độ nhớt η theo cấu trúc khi dịch chuyển và góc xoay khối đất tương ứng ....................................................................................................................... 61 Hình 3.10 Độ nhớt theo cấu trúc đất khi dịch chuyển và áp lực nén P ......................... 62 Hình 3.11 Đối chiếu độ nhớt ηctrkd, ηctrđ theo phương pháp cắt xoay với độ nhớt thí nghiệm theo phương pháp nén không nở hông và N.N. Maslov................................... 67 Hình 3.12 Biểu đồ so sánh đối chiếu độ nhớt theo phương pháp cắt xoay và các phương pháp khác.......................................................................................................... 69 Hình 3.13 So sánh cường độ đặc trưng giữa hai hố xuyên CPTu1 và CPTu2 .............. 73 Hình 4.1 Sơ đồ khối đất đắp theo 2 giai đoạn ............................................................... 80 Hình 4.2 Sơ đồ khối đất đắp 1 giai đoạn ....................................................................... 80 Hình 4.3 Sơ đồ khối đất đắp 1 giai đoạn với chỉ tiêu cơ lý thay đổi sau 20 năm .......... 81 Hình 4.4 Sơ đồ khối đất đắp tại mặt cắt khảo sát nghiên cứu ....................................... 81 Hình 4.5 Kết quả tính toán ổn định (trường hợp có xét áp lực nước thủy động) Hệ số ổn định Fs = 1,304 > 1,2 (Fellenius) .............................................................................82 Hình 4.6 Kết quả tính toán ổn định (trường hợp không xét áp lực nước thủy động) Hệ số ổn định Fs = 1,890 >1,2 (Fellenius) ..........................................................................82 Hình 4.7 Kết quả tính toán ổn định (trường hợp có xét áp lực nước thủy động) Hệ số ổn định Fs =1,374 < 1,4 (Bishop) – không đạt .............................................................. 82 Hình 4.8 Kết quả tính toán ổn định (trường hợp không xét áp lực nước thủy động) Hệ số ổn định Fs = 2,028 > 1,4 (Bishop) ............................................................................82 Hình 4.9 Kết quả tính lún nền đường cũ cố kết 40 năm theo plaxis ............................. 86 Hình 4.10 Kết quả chuyển vị trồi chân mái dốc taluy ................................................... 86 Hình 4.11 Sơ đồ khối đất đắp tính lún cho khối đất chỉ có khối đất đắp nền đường cũ. .......................................................................................................................................87 xiii Hình 4.12 Sơ đồ khối tính lún cho khối đất đắp bao gồm nền đường cũ và khối đất đắp mới .................................................................................................................................87 Hình 4.13 Sơ đồ khối đất đắp tính lún từ biến thẳng đứng do ứng suất pháp tổng .......88 Hình 4.14 Trắc ngang thiết kế mở rộng nền đường đê biển Gò Công tại vị trí khảo sát .......................................................................................................................................88 Hình 4.15 Cao độ trắc ngang thực tế quan trắc tại thời điểm khảo sát nghiên cứu.......89 Hình 4.16 Sơ đồ tính chuyển dịch từ biến do ứng suất tiếp gây ra lún thẳng đứng và chuyển dịch ngang tại mặt trắc ngang nền đường khảo sát nghiên cứu có xét ảnh hưởng áp lực nước thủy động – Km 10+050 ................................................................ 89 Hình 4.17 Biến dạng đẩy trồi tại điểm D.......................................................................92 Hình 4.18 Biến dạng lún theo thời gian tại các điểm A, B, C, D ..................................92 Hình 4.19 Biến đồ ứng suất gây lún để tính lún từ biến do ứng suất pháp tổng ...........93 Hình 4.20 Biểu đồ nén cố kết ở cấp áp lực và độ sâu tương ứng để tính lún từ biến do ứng suất pháp tổng .........................................................................................................93 Hình 4.21 Biểu đồ nén cố kết ở cấp áp lực và độ sâu tương ứng để tính lún từ biến do ứng suất pháp tổng .........................................................................................................94 Hình 4.22 Biểu đồ nén cố kết ở cấp áp lực và độ sâu tương ứng để tính lún từ biến do ứng suất pháp tổng .........................................................................................................94 xiv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Đặc trưng cơ lý của đất bùn sét ở một số tỉnh ĐBSCL....................................7 Bảng 1.2 Đặc trưng cơ lý của các lớp đất ĐBSCL .......................................................... 8 Bảng 1.3 Bảng tra hệ số tải trọng an toàn α0 theo góc ma sát trong.............................. 10 Bảng 1.4 Bảng tra hệ số tải trọng an toàn η0 theo tỷ lệ a/b và φ ...................................10 Bảng 3.1 Độ nhớt dưới các cấp áp lực nén khác nhau từ kết quả cắt xoay ................... 63 Bảng 3.2 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm độ nhớt và một số chỉ tiêu cơ lý cơ bản đường đê TânThành, Gò Công - Km10+050 ........................................................... …65 Bảng 3.3 Tổng hợp thí nghiệm độ nhớt theo phương pháp cắt xoay và kết quả thí nghiệm độ nhớt theo phương pháp nén không nở hông ở công trình nâng cấp đê biển và đường giao thông trên đỉnh đê Tân Thành,Gò Công, Tiền Giang ............................ 66 Bảng 3.4 So sánh sự thay đổi độ nhớt theo sự dịch chuyển do ứng suất tiếp ...............68 Bảng 3.5 So sánh sự thay đổi độ nhớt theo thời gian dịch chuyển do ứng suất tiếp ..... 69 Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lí theo độ sâu hố khoan của nền đất yếu đường đê Gò Công......................................................................................................... 70 Bảng 3.7 Tổng hợp kết quả thí nghiệm nén cố kết nền đất yếu đường đê Gò Công .... 71 Bảng 3.8 Tổng hợp kết quả thí nghiệm nén ba trục cố kết không thoát nước của nền đất yếu đường đê Gò Công ............................................................................................ 71 Bảng 3.9 Kết quả thông số sức chống cắt cw , Σw , cccủa nền đất yếu nền đường đê Gò Công............................................................................................................................... 72 Bảng 3.10 Một số kết quả hàm lượng khí lỗ rỗng của đất yếu nền đường đê Tân Thành, Gò Công. Vị Trí khoan thí nghiệm: Km 10+050 .......................................................... 73 Bảng 3.11 So sánh cường độ đặc trưng giữa hai hố xuyên CPTu 1 và CPTu 2 ...........74 Bảng 3.12 Kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường ..................................................... 74 Bảng 3.13 Kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường và cắt cánh Torvane.................... 75 Bảng 4.1 Bảng tổng hợp hệ số an toàn Fat (Fgh) theo các trường hợp xét .................... 79 Bảng 4.2 Bảng tổng hợp hệ số an toàn ổn định trượt và hệ số an toàn ổn định từ biến .... ....................................................................................................................................... 83 Bảng 4.3 Các thông số lực dính tổng, lực dính cứng, lực dính nhớt được tính cho các trường hợp cụ thể trên ................................................................................................... 83 Bảng 4.4 Bảng tổng hợp hệ số an toàn ổn định trượt và hệ số an toàn ổn định từ biến .... ....................................................................................................................................... 84 Bảng 4.5 Các thông số lực dính tổng, lực dính cứng, lực dính nhớt đượctính cho các trường hợp cụ thể trên ................................................................................................... 84 Bảng 4.6 Kết quả tính hệ số an toàn ổn định từ biến trường hợp góc xoay 5,650 có xét ngưỡng từ biến N.N. Maslov ......................................................................................... 85 xv Bảng 4.7 Kết quả tính hệ số an toàn ổn định từ biếntrường hợp góc xoay 5,650 có xét từ biến với Σw= cw - cc ...................................................................................................85 Bảng 4.8 Tổng hợp so sánh số liệu quan trắc chuyển vị thực tế và tính toán của mặt ..88 Bảng 4.9 Thông số tính toán cho nền đường đê Tân Thành, Gò Công Km10+050 .....91 Bảng 4.10 Mặt cắt ngang nền đường và chiều sâu vùng ứng suất gây lún ................... 92 Bảng 4.11 Mặt cắt ngang nền đường và chiều sâu vùng ứng suất gây lún ................... 93 Bảng 4.12 Kết quả tính lún theo các trường hợp tương ứng của khối đất cũ và mới ... 95 Bảng 4.13 So sánh độ lún từ biến theo R&W và theo công thức kiến nghị của NCS ứng với l = 8.2 m tại tim (40 năm) ................................................................................96 Bảng 4.14 Kết quả tính lún thẳng đứng do chuyển dịch trên mặt cung tròn, trường hợp có xét áp lực thủy động..................................................................................................96 Bảng 4.15 Kết quả tính tốc độ chuyển dịch từ biến Vtb và tốc độ trượt Vtr ..................97 xvi MỞ ĐẦU 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Đồng bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) có hệ thống sông ngòi chằng chịt, nhiều vùng đầm lầy, cao độ mặt đất tự nhiên thấp, dễ bị ngập lũ. Cấu tạo địa chất chủ yếu là đất yếu nên đường bộ kém phát triển, chi phí xây dựng lớn. Ổn định nền đường khi đắp cao chống ngập kém, độ lún hàng năm của hệ thống đường đang khai thác thường từ 2÷5 cm nên phải thường xuyên nâng cao mặt đường bằng lớp móng đá và lớp mặt đường mới gây tốn kém và mặt đường rất dễ hư hỏng, lún cục bộ gây mất an toàn giao thông. Để đẩy mạnh phát triển kinh tế khu vực, cần phải phát triển hệ thống giao thông đường bộ tồn tại cùng với lũ và đánh giá khả năng ổn định, lún từ biến của các công trình thực tế so với tính toán lí thuyết, vì qui trình hiện nay chưa có tính lún, ổn định từ biến của đất yếu dưới nền đường ô tô ngập lũ ở ĐBSCL. Đây là mục tiêu phải giải quyết của luận án này. 2 MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nghiên cứu, giải quyết các vấn đề về lún và ổn định từ biến của đất yếu dưới nền đường ô tô ngập lũ ở ĐBSCL và ở thành phố Hồ Chí Minh. 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Thu thập tài liệu của các tác giả trong, ngoài nước có liên quan đến đề tài. Nghiên cứu và phát triển lý thuyết phục vụ đề tài. Nghiên cứu thí nghiệm trong phòng và khảo sát, thử nghiệm hiện trường. Nghiên cứu áp dụng trên các công trình thực tế ở ĐBSCL và Thành Phố Hồ Chí Minh. Thông tin khoa học: tham gia hội thảo khoa học và đăng báo thông tin các kết quả nghiên cứu được trên các tạp chí khoa học. 1 4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu sự thay đổi độ nhớt theo cấu trúc của đất khi dịch chuyển từ biến do ứng suất tiếp đến trạng thái trượt của đất. Nghiên cứu lý thuyết và chế tạo thiết bị thí nghiệm độ nhớt của đất theo nguyên lý cắt xoay với tốc độ cắt chậm. Nghiên cứu chuyển dịch từ biến của nền đất yếu dưới nền đường ô tô ngập lũ ở ĐBSCL do ứng suất tiếp, từ đó làm nền tảng nghiên cứu cơ sở khoa học, thực tiễn về hệ số an toàn từ biến do ứng suất tiếp dưới nền đường ô tô chịu ảnh hưởng của áp lực thủy động. Nghiên cứu về tốc độ từ biến và sự thay đổi tốc độ từ biến của nền đất yếu dưới nền đường ô tô chịu ảnh hưởng của áp lực thủy động. Nghiên cứu về lún từ biến do ứng suất pháp tổng, ứng suất tiếp của nền đất yếu dưới nền đường ô tô chịu ảnh hưởng của áp lực thủy động và theo độ lớn của ứng suất tác động so với áp lực tiền cố kết, ngưỡng từ biến của N.N. Maslov. Ngoài các thông số áp lực tiền cố kết hay hệ số tiền cố kết OCR, hệ số rỗng e, độ sệt IL, NCS nghiên cứu các dấu hiệu của đất ở ĐBSCL dễ xảy ra mất ổn định từ biến và có giá trị lún từ biến lớn do ứng suất pháp tổng và ứng suất tiếp. 5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU  Ý nghĩa khoa học: 1. Đề xuất phương pháp đánh giá độ ổn định và biến dạng từ biến có xét yếu tố độ nhớt thay đổi. 2. Đề xuất phương pháp xác định độ nhớt thay đổi theo chuyển dịch từ biến của khối đất nền đến trạng thái trượt bằng phương pháp cắt xoay với tốc độchậm  Ý nghĩa thực tiễn: 1. Kết quả nghiên cứu giúp đánh giá độ ổn định và biến dạng có xét đến yếu tố từ biến phù hợp với đất yếu bão hòa nước của khu vực. 2 2. Kết quả nghiên cứu có thể được dùng để định hướng thiết kế cho công trình cấp cao như đường cao tốc và làm cơ sở đề xuất cho Bộ GTVT tính toán thiết kế đường ô tô trên nền đất yếu có xét yếu tố từ biến theo các trạng thái giới hạn. 6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN Luận án gồm 2 phần: Phần thuyết minh và phần phụ lục. Phần thuyết minh: gồm phần mở đầu, 04 chương, kết luận và kiến nghị, tổng cộng 106 trang, bao gồm 102 trang nội dung, 04 trang danh mục tài liệu tham khảo và danh mục các công trình nghiên cứu đã công bố, 59 hình vẽ và 29 bảng số. Phần phụ lục (được đóng tập riêng): 100 trang bao gồm các phụ lục kết quả thí nghiệm trong phòng và thử nghiệm hiện trường, các bảng kết quả tính chi tiết. 7 CÁC CÔNG TRÌNH BỊ SỰ CỐ VÀ NGHIÊN CỨU TIÊU BIỂU TRONG NƯỚC VÀ NGOÀI NƯỚC 7.1 Các công trình bị sự cố tiêu biểu Sự cố lún từ biến do ứng suất tiếp làm biến dạng mặt đường quá lớn, dịch chuyển mố cầu Văn Thánh 2, lún hầm chui mố M1, M2 Cầu Văn Thánh 2 gây mất khả năng đảm bảo khai thác tuyến đường Nguyễn Hữu Cảnh. Sự cố lún từ biến phát triển nhanh đến trượt nền đường dẫn vào cầu Trao Trảo, HL 33, Quận 9, Tp. Hồ Chí Minh do đắp tăng tải quá nhanh và quá lớn đưa đến mất ổn định, gây biến dạng từ biến và phát triển nhanh đến trượt. Sự cố lún từ biến phát triển nhanh đến trượt nền đường đắp vào cầu Trường Phước, Quận 9, Tp. Hồ Chí Minh tương tự sự cố đường dẫn vào cầu Trao Trảo ở trên. 7.2 Các công trình nghiên cứu, thực nghiệm trong và ngoài nước N.N. Maslov(1984): Nghiên cứu lý thuyết vật lý kỹ thuật về từ biến của đất loại sét trong thực tế xây dựng. GS.TSKH Lê Bá Lương(1972): Nghiên cứu phương pháp tính toán ổn định công trình theo thời gian. 3