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 KHƠNG BÃO HỊA
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 KHƠNG BÃO HỊA
ÁP DỤNG CHO NỀN ĐƯỜNG ĐẮP
TẠI KHU VỰC DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG 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 AnhTuấn


LỜI CAM ĐOAN

Tơi là Lương Nguyễn Hồng Phương, tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên
cứu của riêng tơi. Các nội dung và kết quả nghiên cứu trong Luận án là trung thực và
chưa được ai công bố trong bất kỳ cơng trình khoa học nào.
TÁC GIẢ

Lương Nguyễn Hồng Phương

1


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 Thơng Vận Tải, tơi đã hồn thành luận án tiến sĩ với
tênđềtàilà:“Nghiêncứuảnhhưởngcủanướcđếnđặctrưngcơhọccủađấtkhơngbãohịa áp dụng
cho nền đường đắp tại khu vực duyên hải miềnTrung”
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo Sau đại học, khoa
Cơngtrình,bộmơnCơngtrìnhGiaothơngThànhphốvàCơngtrìnhthủy,bộmơnThuỷ lực Thuỷ
văn, các cán bộ và tồn thể q Thầy Cơ tham gia giảng dạy đã tận tình giúp đỡ, tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứuvàhồn thành Luậnán.
Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lịng 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 q trình nghiên cứu và hồn thiện Luận án.
XincảmơnqGiáosư,nhàKhoahọc,chungiatrongvàngồitrường,qThầyCơvàqu
ýđồngnghiệp,đãđónggópnhiềkiếnthiếtthựcđểtácgiảhồnthiệnluậnán.

Xin trân trọng cảm ơn !
TÁC GIẢ

Lương Nguyễn Hồng Phương


MỤC LỤC

LỜI CAMĐOAN..................................................................................................i
LỜI CẢMƠN.......................................................................................................ii
DANH MỤC CÁCHÌNHẢNH........................................................................viii
DANH MỤCBẢNGBIỂU................................................................................xiv
DANH MỤC CÁC CHỮVIẾTTẮT.................................................................xv
MỞĐẦU................................................................................................................1
1.

Tính cấp thiết củaluận án...........................................................................1

2.

Mục tiêunghiêncứu......................................................................................3

3.

Đối tượng và phạm vinghiên cứu................................................................3

3.1. Đối tượng nghiêncứu...................................................................................3
3.2. Phạm vinghiêncứu.......................................................................................3
4.


Ý nghĩa khoa học vàthực tiễn.....................................................................3

4.1. Ý nghĩakhoahọc............................................................................................3
4.2. Ý nghĩathựctiễn............................................................................................3
5.

Bố cục của luậnán........................................................................................3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚCĐẾN
CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRONG ĐIỀUKIỆN
KHƠNGBÃOHỊA........................................................................................................5

1.1. Tổng quan về mơi trường đất bão hịa và khơngbão hịa.........................5
1.2. Tổng quan các vấn đề về đặc trưng cơ học của đất khơngbãohịa.........7
1.2.1.

Tính nén lún – biến đổithểtích.........................................................................7

1.2.1.1. Gia tải/dỡ tải khi lực hút dínhkhơng đổi......................Error! Bookmark notdefined.
1.2.1.2.

Q 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

biếndạng......................................................................................................................... 8

1.2.3.

Dòng thấm của nước qua môitrườngrỗng.....................................................13

1.3. Ảnh hưởng của nước đến đặc trưng cơ học của nền đường đắp ở
ViệtNam và ở khu vực duyên hảimiềnTrung.....................................................15


1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu các đặc trưng cơ học của đất
khơngbãohịatrên thế giới và ởViệt Nam..........................................................17
1.4.1.

Nghiên cứu các đặc trưng cơ học của đất khơng bão hịa trênthếgiới.........17

1.4.2.

Nghiên cứu các đặc trưng cơ học của đất không bão hòa ởViệtNam...........21

1.5. Vấn đề còn tồn tại của các nghiên cứu trên thế giới vàViệtNam...........23
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU VỀ CÁC ĐẶC
TRƯNGCƠ HỌC CỦA ĐẤT KHÔNGBÃO HÒA............................................25
2.1. Cơ sở lý thuyết xác định các đặc trưng cơ học của đất khơng bãohịa25
2.1.1.

Các biến trạng thái ứng suấtcủađất...............................................................25

2.1.2.

Đường cong đặc trưngđấtnước......................................................................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 đặctrưng đất-nước.........................30

2.1.3.

Cường độ chống cắt của đất khơngbãohịa....................................................30

2.1.3.1. Lý thuyết về cường độ chống cắt của đấtbão hịa.......................................................31
2.1.3.2. Cường độ chống cắt của đất khơngbão hịa................................................................31

2.1.4.

Dịng thấm khơng ổn định trong đất khơngbãohồ.......................................35

2.1.4.1. ĐịnhluậtthấmDarcychođấtkhơngbãohồ........................................................................35
2.1.4.2. CơsởlýthuyếtdịngthấmkhơngbãohồtrongmơhìnhSEEP/W............................................36

2.2. Mơ hình số mơ phỏng đất khơng bão hịa-phương pháp phần tử
hữuhạn3 7
2.3. Mơ hình số mơ phỏng đất khơng bãohịa- phương pháp phần tử rờirạc
kết hợp với thể tích lỗ rỗng hữu hạn (DEM–PFV).............................................39
2.3.1.

Giới thiệu phương pháp phần tửrờirạc..........................................................39

2.3.2.

Rời rạckhônggian...........................................................................................40

2.3.3.


Mô phỏng lực tương tác giữa cáchạt(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 luậtIINewton............................................43

2.3.4.

Mơ phỏng lực tương tác giữa khí – nước tác dụng lênhạt(PFV)..................43

2.3.4.1. Sự dịch chuyển của pha khí và nước trong lỗ rỗng giữacáchạt..................................43
2.3.4.2. Áp suất mao dẫn gây ra bởi lựchút dính.....................................................................44

2.3.5.

Mơ hình dịng chảy trong mơi trường rỗng (DEM–PFV).............................48


2.4. Ổn địnhmáidốc..........................................................................................49
2.5. Kết luậnchương2.......................................................................................52
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC
TRƯNG CƠ HỌC CỦA ĐẤT KHƠNGBÃO HỊA.......................................53
3.1. Tính chất cơ bản của đất dùng trongthínghiệm.....................................53
3.2. Thí nghiệm xác định đường cong đặctrưng đất-nước.............................54
3.2.1.

Thiết bị thí nghiệm xác định đường cong đặctrưngđất-nước........................54

3.2.2.


Chuẩnbịmẫu...................................................................................................55

3.2.3.

Bão hịa mẫu vàđĩagốm..................................................................................55

3.2.4.

Thí nghiệm xác định đường cong đặctrưngđất-nước....................................56

3.2.5.

Kết quả thí nghiệm đường cong đặc trưngđất-nước(SWCC).........................57

3.2.5.1. Kết quảthínghiệm........................................................................................................57
3.2.5.2. So sánh kết quả thí nghiệm SWCC khu vực nghiên cứu với các tácgiả khác...............58

3.2.6.

Kết quả tính tốn hệ số thấm từ đường cong đặc trưngđấtnước...................59

3.2.6.1. Tính tốn đường cong SWCC từ phương trìnhFredlund-Xing (1994)..........................59
3.2.6.2. Xác định hệ số thấm của đất từ đườngcong SWCC.....................................................59
3.2.6.3. So sánh kết quả đường cong quan hệ giữa hệ số thấm và lực hút dính của khu
vựcnghiên cứu với các tácgiả khác...............................................................................................60

3.3. Xác định cường độ chống cắt của đất khơngbãohịa bằng thí
nghiệmcắtt r ự c t i ế p ....................................................................................62
3.3.1.


Giới thiệu thiết bị thí nghiệm cắttrựctiếp.......................................................62

3.3.2.

Quy trình thínghiệm[10].................................................................................62

3.3.3.

Chương trìnhthínghiệm.................................................................................63

3.3.4.

Kết quả thí nghiệm mặt baophá hoại..............................................................63

3.3.4.1. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nénDương Cấm......................................................63
3.3.4.2. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nénCồnLê..............................................................65

3.4. Xác định cường độ chống cắt của đất khơngbãohịa bằng thí
nghiệmnénbatrục...............................................................................................67
3.4.1.

Thiết bị ba trục cải tiến thí nghiệm c h o đất khơng bãohịa[10]...............68

3.4.2.

Qui trìnht h í n g h i ệ m ..................................................................................71

3.4.2.1. Chuẩnbị mẫu...............................................................................................................71



3.4.2.2. Giai đoạn bãohoà mẫu................................................................................................71
3.4.2.3. Giai đoạncốkết............................................................................................................71
3.4.2.4. Giai đoạn tạo và cân bằng lực hút dínhtrongmẫu.......................................................72
3.4.2.5. Giai đoạn cắt mẫu cho thí nghiệm nén ba trục cố kết thốt nước+khí.......................72
3.4.2.6. Các điều kiện ứng suất trong thí nghiệm nén ba trục theo các sơđồCD....................72

3.4.3.

Chươngtrìnhthínghiệm.............................................................................73

3.4.4.

Kết quả thí nghiệm nén batrụccố kết thốtn ư ớ c ( C D )..........................74

3.5. Phân tích các kết quảthínghiệm...............................................................80
3.5.1.

So sánh các kết quảthínghiệm........................................................................80

3.5.2.

So sánh giữa kết quả thí nghiệm với kết quả tính từ cơng thức thực

nghiệmđược đề xuất bởi Fredlund vàVanapalli,1996..................................................81

3.6. Kết luậnchương3.......................................................................................84
CHƯƠNG 4. PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ĐẶC TRƯNG
CƠHỌC ĐẤT KHƠNG BÃO HOÀ ĐẾN ỔN ĐỊNH KHỐI ĐẮP
NỀNĐƯỜNG
.....................................................................................................................85

4.1. Nghiên cứu ổn định tổng thể của nền đường đắp bằngmơhình phần
tửhữu hạn............................................................................................................85
4.1.1.

Giới thiệu chung vềcơngtrình.........................................................................85

4.1.2.

Mơ hình phân tích sự ổn định nền đường cao đoạn cao tốc Đà Nẵng –

QuảngNgãi...................................................................................................................86
4.1.2.1. Đặc trưng của đất và kích thước hình học mơ hình nghiên cứu sựổn định................86
4.1.2.2. Điềukiệnbiên................................................................................................................88
4.1.2.3. Kết quả mô phỏng số kết hợp các mơ hình SEEP/W và SLOPE/W cho kịch bản 1 –Mơ
hình phân phối mưađều 24h.........................................................................................................89
4.1.2.4. Kết quả mơ phỏng số kết hợp các mơ hình SEEP/W và SLOPE/W cho kịch bản 2 –mơ
hình phân phối mưa đều và mơ hình phân phối mưa chuẩn với cường độ mưa 0,12m/htrong
72h

95

4.1.2.5. Kết quả mơ phỏng số kết hợp các mơ hình SEEP/W và SLOPE/W cho kịch bản 3 –mơ
hình phân phối mưa đều và mơ hình phân phối mưa chuẩn với cường độ mưa 0,144m/htrong
72h

100

4.1.2.6. So sánh kết quả của cáckịchbản................................................................................105



4.2. Nghiên cứu ổn định cục bộ của nền đường đắp bằngmơhình phầntử
rờirạc................................................................................................................106
4.2.1.

Mơ phỏng lún cố kết cục bộ khu vực bão hịa bằng mơ hình số kết

hợpDEM–PFV...........................................................................................................106
4.2.2.

Mơ phỏng dịng thấm cục bộ khu vực bão hịa bằng mơ hình số kết

hợpDEM–PFV...........................................................................................................108

4.3. Kết luậnchương4.....................................................................................111
KẾT LUẬN VÀKIẾNNGHỊ...........................................................................113
I.

Các kết quả đạt được củaLuậnán..........................................................113

II. Những đóng góp mới củaluậnán............................................................114
III. Kiếnnghị...................................................................................................114
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃCÔNGBỐ..........................115
TÀI LIỆU THAMKHẢO................................................................................116


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1. Cơ chế phá hoại mái dốc domưa[116]...........................................................5
Hình 1. 2. Sơ đồ các pha độc lập theo thể tích – khối lượng của đất khơngbãohịa........6
Hình1.3.Sơđồbiểudiễnảnhhưởngcủacácđiềukiệnkhíhậuđếnápsuấtnướclỗrỗngtrong đất khơng
bãohồ[115]...................................................................................................................6

Hình 1. 4. Quan hệ giữa tham số ứng suất hiệu quảvà độ bão hòa với các loại đấtkhác
nhau[ 1 0 9 ] , [143]........................................................................................................9
Hình 1. 5. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng cho đất hạt thôdo [120].............13
Hình 1. 6. Sạt lở tại Km 20 + 315 trên tuyến cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi
(tháng11/2017).............................................................................................................. 16
Hình 1. 7. Mặt cắt ngang nền đường đắp nhiều lớp khơng bão hồ do thấm của
nướcmưa[147].............................................................................................................. 17
Hình 1. 8. Minh hoạ xói ngầm trong thân nềnđường[141]............................................19
Hình 1. 9. Mơ hình xói ngầm trong mơi trườnghạt[128]..............................................20
Hình 1. 10. Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu củaluậnán.........................................................24
Hình 2. 1. Các thành phần ứng suất của một phân tố đất khơng bão hịa: (a) biến
trạngthái ứng suất độc lập; (b) ứng suất hiệuquả[104]..................................................26
Hình 2. 2. Đường cong đặc trưngđất–nước[31].............................................................27
Hình 2. 3. Các SWCC điển hình cho các loại đất khácnhau[75]...................................28
Hình 2. 4. Đường bao phá hoại Mohr-Coulomb cho đấtbãohịa...................................31
Hình 2. 5. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng cho đất khơng bãohịa[68].......33
Hình2.6.MặtbaopháhoạiMohr-Coulombmởrộngchođấtkhơngbãohịa[68]vớisốliệu thí
nghiệm của tác giả tạimục 3.4.4....................................................................................34
Hình 2. 7. Mối quan hệ điển hình giữa SWCC và hàmthấm[71]..................................36
Hình 2. 8. Rời rạc hố miền tính tốn của phươngpháp FEM........................................37
Hình 2. 9. Các bước tính tốn của phươngphápDEM...................................................40
Hình 2. 10. So sánh các phép đo tam (a) tam giác Delaunay có các nhánh bên trong;
(b)tam giác Delaunayquytắc có tất cả các nhánh trong khơng gianlỗrỗng.....................41
Hình 2. 11. Lưới Voronoi (a) và mạng lưới tam giác Delaunay quy tắc trong ba
chiều(b) và haichiều(c).................................................................................................41
Hình2.12.(a)Địnhnghĩachuyểnvịhạt.(b)Độcứngpháptuyếnvàtiếptuyếntạicác


tiếpxúc.......................................................................................................................... 42
Hình2.13.Mơhìnhxácđịnhcácthànhphầnlựcpháptuyến(a)vàtiếptuyến(b)[44]

.......................................................................................................................................42
Hình 2. 14. Hình học lỗ rỗng. (a) Một lỗ rỗng được xác định bởi phần tử tứ diện
củaphân rã thể tích hữu hạn. (b) Định nghĩa dạng hình học của thể tích rỗng bị thu hẹp
bởisự có mặt củanước"PT”...........................................................................................44
Hình2.15.Sựdịchchuyểncủamặttiếpxúcgiữakhí-nướcgiữahaitrạngtháicânbằng,
từ
(a)

pcpcđến(b)
e

pcp c....................................................................................................... 44
e

Hình 2. 16. (a) Xây dựng trên miền phụ Ω ij, lỗ rỗng của Ωibị chiếm bởi pha khí (Φi),
lỗrỗngcủaΩjbị chiếmbởiphanước(Θj);(b)Ápsuấtchấtlỏnghaiphavàlựccăngbềmặttiếp

xúc

trênphahạt..................................................................................................................... 45
Hình 2. 17. Định nghĩa về điều kiện biên bằng cách sử dụng các hình cầu giả định
chobiêncứng[44]...........................................................................................................47
Hình2.18.Phầncổhọnglỗrỗngởcácbiên(a)1biên+2hìnhcầuvà(b)2biên+1
hìnhcầu......................................................................................................................... 48
Hình 2. 19. Sơ đồ thuật tốn của mơhình DEM–PFV.....................................................49
Hình 3. 1. Bình chiết suất xác định SWCC[10][11]......................................................55
Hình 3. 2. Mẫu trong bìnhchiếtsuất..............................................................................55
Hình 3. 3. Đường cong đặc trưng đất nước cho mẫuDương Cấm..................................58
Hình 3. 4. Đường cong đặc trưng đất nước cho mẫuCồn Lê.........................................58
Hình 3. 5. So sánh các đường cong SWCC với một số tác giảtrongnước......................58

Hình 3. 6. Quan hệ giữa hệ số thấm và lực hút dính mẫu đầm nén (a) Mỏ Dương Cấm,
(b) MỏCồnLê...............................................................................................................60
Hình 3. 7. Quan hệ giữa hệ số thấm và lực hút dính của một sốtácgiả..........................61
Hình3.8.QuanhệgiữahệsốthấmvàlựchútdínhcủabamẫuđấtthuộcdunhảimiềnTrung..........62
Hình 3. 9. Sơ đồ (a) và thiết bị cắt trựctiếp(b)...............................................................62
Hình 3. 10. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng lập từ các kết quả thí nghiệmcắt
trực tiếp mẫu đầm nénDươngCấm.................................................................................64
Hình 3. 11. Quan hệ giữa cường độ chống cắt và ứng suất pháp thực của mẫu đầm
nénDương Cấm từ thí nghiệm cắt trực tiếp với các lực hút dínhkhácnhau...................64


Hình 3. 12. Quan hệ giữa cường độ chống cắt và lực hút dính của mẫu đầm nén
DươngCấm tại giá trị ứng suất pháp thực bằng0kPa........................................................65
Hình 3. 13. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng lập từ các kết quả thí nghiệmcắt
trực tiếp mẫu đầm nénCồnLê........................................................................................66
Hình 3. 14. Quan hệ giữa cường độ chống cắt và ứng suất pháp thực của mẫu đầm
nénCồn Lê từ thí nghiệm cắt trực tiếp với các lực hút dínhkhácnhau...........................66
Hình 3. 15. Quan hệ giữa cường độ chống cắt và lực hút dính của mẫu đầm nén
CồnLêtại giá trị ứng suất pháp thực bằng0 kPa.............................................................67
Hình 3. 16. Mơ hình áp suất tác dụng lên mẫu đất trong thí nghiệm nén 3trục[36]......68
Hình 3. 17. Sơ đồ điều khiển và bố trí hệ đường ống máy ba trục cải tiến để thí
nghiệmđất khơng bãohịa[7].......................................................................................69
Hình 3. 18. Hệ thống máy ba trục cải tiếncho mẫu đấtkhơngbão hồdùng trongphịng
thí nghiệm Địa kỹ thuật, trường ĐạihọcThủylợi..........................................................70
Hình 3. 19. Sơ đồ cấu tạo buồng nénbatrục..................................................................70
Hình 3. 20. Ngăn chứa nước có các rãnh hình vịng trịn ở phần đầu của chân đế
buồngba trục và đĩa áp suất khícao [10]..........................................................................70
Hình 3. 21. Thực hiện chế bị mẫu đấtđầmnén..............................................................71
Hình 3. 22. Quy trình gia tải trong thí nghiệm nén ba trục cố kết thốt nước/CD72
Hình 3. 23. Các điều kiện ứng suất trong khi thí nghiệm nén ba trục cố kết

thốtnước+khí(CD)[10]................................................................................................73
Hình 3. 24. Quan hệ giữa ứng suất lệch và biến dạng dọc trục dưới các áp suất
hôngthực khác nhau tác dụng lên mẫu với cùng lực hút dính ban đầu là: (a) 0 kPa; (b)
100kPa; (c)200 kPa......................................................................................................74
Hình 3. 25. Đường bao phá hoại Mohr–Coulomb mở rộng xác định từ thí nghiệm
batrụccốkếtthốtnước(CD)tạilực hútdínhbằng:(a)0kPa,(b)100kPa,(c)200kPa75Hình 3.
26. Mặt bao phá hoại Morh – Coulomb mở rộng xác định được từ thí nghiệmnén ba
trục cố kết thốt nước (CD) mẫu đất thí nghiệmDươngCấm........................................76
Hình 3. 27. Các hình chiếu ngang của mặt bao phá hoại trên mặt phẳng τ ~ (σ ua)xácđịnhtừthínghiệmnénbatrụcCDcủamẫumỏvậtliệuDươngCấm...............................76
Hình3.28.Cáchìnhchiếungangcủamặtbaopháhoạitrênmặtphẳngτ~(ua–uw)xácđịnh

từ

thí

nghiệmnénbatrụcCDcủamẫuđầmnénDươngCấm.........................................................................77


Hình 3. 29. Quan hệ giữa ứng suất lệch và biến dạng dọc trục với các áp suất
hơngthựckhácnhautácdụnglên

mẫuđấtcùnglựchútdínhbanđầulà:(a)0kPa,(b)100kPa,

(c)200kPa..................................................................................................................... 77
Hình 3. 30. Đường bao phá hoại Mohr–Coulomb mở rộng xác định từ thí nghiệm
batrụccốkếtthốtnước(CD)tạilực hútdínhbằng:(a)0kPa,(b)100kPa,(c)200kPa78Hình 3.
31. Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng xác định từ thí nghiệm nén ba trục cố
kết thốt nước (CD) mẫu đất thí nghiệmCồnLê.............................................................79
Hình 3. 32. Các hình chiếu ngang của mặt bao phá hoại trên mặt phẳng τ ~ (σ ua)xácđịnhtừthínghiệmnénbatrụcCDcủamẫuđầmnénCồnLê..........................................79
Hình 3. 33. Các hình chiếu ngang của mặt bao phá hoại trên mặt phẳng τ ~ (u a–

uw)xácđịnhtừthínghiệmnénbatrụcCDcủamẫuđầmnénCồn Lê........................................80
Hình 3. 34. Đường quan hệ giữa ứng suất cắt và lực hút dính của mẫu
đấtđầmnénDươngCấmxácđịnhđượctừthínghiệmnénbatrụcCDvàcắttrựctiếp..................80
Hình 3. 35. Đường quan hệ giữa ứng suất cắt và lực hút dính của mẫu đất đầm nén
CồnLêxácđịnhđượctừthínghiệmnénbatrụcCDvàcắttrựctiếp...........................................80
Hình 3. 36 Đường quan hệ giữa τ và (u a–uw) của mẫu đất đầm nén Dương Cấm từ
thínghiệmcắttrựctiếpvàtừcơngthứccủaFredlundvàVanapalli,1996..................................82
Hình 3. 37. Đường quan hệ giữa τ và (u a–uw) của mẫu đất đầm nén Cồn Lê từ
thínghiệm cắt trực tiếp và từ cơng thức của Fredlund vàVanapalli,1996................................82
Hình 3. 38. Đường quan hệ giữa τ và (u a–uw) của mẫu đất đầm nén Dương Cấm từthí
nghiệm nén ba trục CD và cơng thức của Fredlund vàVanapalli,1996...............................83
Hình 3. 39. Đường quan hệ giữa τ và (u a–uw) của mẫu đất đầm nén Cồn Lê từ
thínghiệm nén ba trục CD và cơng thức của Fredlund vàVanapalli,1996...........................83
Hình 3. 40. Đường quan hệ giữa τ và (ua–uw) của một sốtác giả................................84
Hình 4. 1. Bản đồ đoạn cao tốc Đà Nẵng –QuảngNgãi.................................................85
Hình 4. 2. Hình ảnh đoạn nghiên cứu trên cao tốc Đà Nẵng –Quảng Ngãi....................86
Hình 4. 3. Đường cong đặc trưng đất – nước (a), và khả năng thấm (b) của lớp đất
đắpnền mỏ Dương Cấm (Lớp sétphacát)......................................................................87
Hình 4. 4. Mơ hình phân tích ổn định nền đường đoạn cao tốc Đà Nẵng - Quảng
Ngãi,đoạnthuộchuyệnĐạiLộc-QuảngNam,lýtrìnhKM24+980(khaibáomơhìnhnền


đườngđắp;cácđiềukiệnbiênmựcnướcngầm,biênmựcnướcthiếtkếvàbiênmưa)
.......................................................................................................................................88
Hình 4. 5. Phân bố áp suất nước lỗ rỗng trong kết cấu nền đường đắp khi có sự kết
hợpcủa dòng thấm và bổ sung nước do mưa. (a) Mặt cắt tim đường, (b) Mặt cắt vai
đườngtrái, (c) Vai đường phải, (d) Chân taluy đường trái – kịchbản1..........................90
Hình4.6.Phânbốápsuấtnướclỗrỗngcủadịngthấmcóápổnđịnhkếthợpvớimưa
– kịch bản 1: (a) t = 0h; (b) t=2h..................................................................................91
Hình 4. 7. Phân bố cột nước trong kết cấu nền đường đắp khi có sự kết hợp của

dịngthấm và bổ sung nước do mưa – kịchbản1..............................................................92
Hình4.8.Phânbốcộtnướcdịngthấmbêntrongkếtcấunềnđườngđắp–kịchbản1:
(a) t = 0h; (b) t=2h........................................................................................................93
Hình 4. 9. Sự thay đổi của hệ số ổn định mái dốc theo thời gian chịu tác động kết
hợpcủa dòng thấm và bổ sung nước do mưa – kịchbản1..............................................94
Hình 4. 10. Sự thay đổi của hệ số thấm phụ thuộc lực hút dính – kịchbản1.................95
Hình4.11.Phânbốápsuấtnướclỗrỗngtrongkếtcấunềnđườngđắpkhicósựkếthợpcủadịngthấmv
àbổsungnướcdomưa:(a)Timđường,(b)Vaiđườngtrái,(c)Vaiđườngphải, (d) Chân taluy đường
trái – kịch bản 2 cho mơ hình phân phốimưađều..........................................................96
Hình4.12.Phânbốápsuấtnướclỗrỗngtrongkếtcấunềnđườngđắpkhicósựkếthợpcủadịngthấmv
àbổsungnướcdomưa.(a)Timđường,(b)Vaiđườngtrái,(c)Vaiđườngphải, (d) Chân taluy đường
trái – kịch bản 2 cho mơ hình phân phối mưa chuẩn9 7
Hình 4. 13. Phân bố cột nước trong kết cấu nền đường đắp khi có sự kết hợp của
dịngthấm và bổ sung nước do mưa – kịch bản 2: (a) phân phối mưa đều, (b) phân phối
mưachuẩn..................................................................................................................... 98
Hình4.14.Thayđổicủahệsốổnđịnhmáidốctheothờigianchịutácđộngkếthợpcủadịng thấm và
bổ sung nước do mưa – kịch bản 2: (a) phân phối mưa đều, (b) phân phốimưachuẩn..98
Hình 4. 15. So sánh hệ số ổn định hai mơ hình mưa của kịchbản2.............................100
Hình4.16.Phânbốápsuấtnướclỗrỗngtrongkếtcấunềnđườngđắpkhicósựkếthợpcủa

dịng

thấm và bổ sung nước do mưa. (a) Mặt cắt tim đường, (b) Vai đường trái,
(c)Vaiđườngphải,(d)Chântaluyđườngtrái–kịchbản3chomơhìnhphânphốimưađều
.....................................................................................................................................101


Hình4.17.Phânbốápsuấtnướclỗrỗngtrongkếtcấunềnđườngđắpkhicósựkếthợpcủa

dịng


thấm và bổ sung nước do mưa. (a) Tim đường, (b) Vai đường trái, (c) Vaiđường phải,
(d) Chân taluy đường trái – kịch bản 3 mơ hình phân phối mưa chuẩn..102Hình 4. 18.
Phân bố cột nước trong kết cấu nền đường đắp khi có sự kết hợp của dịngthấm và bổ
sung nước do mưa – kịch bản 3: (a) phân phối mưa đều, (b) phân phối mưachuẩn. . .103
Hình4.19.Thayđổicủahệsốổnđịnhmáidốctheothờigianchịutácđộngkếthợpcủadịngthấmvàb
ổsungnướcmưa–kịchbản3:(a)phânphốimưađều,(b)phânphốimưachuẩn.........................103
Hình 4. 20. So sánh hệ số ổn định hai mơ hình mưa của kịchbản3.............................105
Hình4.21.Sosánhhệsốổnđịnhmơhìnhmưaphânphốichuẩnchokịchbản2và3
.....................................................................................................................................106
Hình 4. 22. Biểu đồ Voronoi và các điều kiện biên về tải trọng và ápsuất[135].........107
Hình4.23.SosánhkếtquảmơphỏnglúnvớilýthuyếtlúncốkếtthấmcủaTerzaghi
.....................................................................................................................................107
Hình4.24.SosánhápsuấtnướclỗrỗnggiữamơphỏngsốvớilýthuyếtcủaTerzaghi
.....................................................................................................................................108
Hình 4. 25. Các điều kiện biên về áp suất và trường áp suất khiN50000hạt..............108
Hình 4. 26. Trường áp suất nhận được bởi mơ hình (a): FEM và(b):PFV..................109
Hình4.27.Sosánhkếtquảthấmcủamơphỏng/thựcnghiệm/cơngthức,(a):thấmnội
tại, (b): thấm khơng thứ ngun được chuẩn hóa bởi bán kính thủy
lựcD*[12];
Mm1/(m1m2), với

m1vàm2

tương ứng là khối lượng hạt mịn vàhạtthô............110


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3. 1. Tính chất cơ lý của các mẫu vật liệuđầmnén...............................................53
Bảng 3. 2. Tính chất cơ lý của các mẫu đấtchếbị..........................................................56

Bảng 3. 3. Chương trình các thí nghiệm cắttrựctiếp......................................................63
Bảng 3. 4. Chương trình các thí nghiệm nén ba trục cố kết thốtnước+khí(CD)..............73
Bảng 3. 5. So sánh các thông số cường độ chống cắthiệuquả........................................81
Bảng 4. 1. Đặc trưng của nền đường sử dụng đất mỏ Dương Cấm và các lớp địa
chấtnềntựnhiên.............................................................................................................86
Bảng 4. 2. Các kịch bản nghiên cứu ổn địnhnềnđường...............................................89
Bảng 4. 3. Bảng so sánh hệ số ổn định hai mơ hình mưa kịchbản2..............................99
Bảng 4. 4. Bảng so sánh hệ số ổn định hai mơ hình mưa kịchbản3............................104
Bảng 4. 5. Hệ số thấm nội tạik(m2)............................................................................111
Bảng 4. 6. Hệ số thấmK(m/s).....................................................................................111


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ASTM

Tiêu chuẩn thí nghiệm của Mỹ (American standard testing
methods)

AEV

The air entry value (giá trị không khí đi vào)

BĐKH

Biến đổi khí hậu

CD

Thí nghiệm nén 3 trục cố kết thốt nước (Consolidated drained)


CĐCC

Cường độ chống cắt

CU

Thí nghiệm nén 3 trục cố kết khơng thốt nước (Consolidated
undrained test)

CW

Thí nghiệm nén 3 trục với độ ẩm không đổi

DEM

Phương pháp phần tử rời rạc (Discrete element method)

DST

Thí nghiệm cắt trực tiếp (Direct shear strength)

NBD

Nước biển dâng

PFV

Thể tích tỉ lệ rỗng hữu hạn (Pore–scale finite volume)

PI


Chỉ số dẻo (Plasticity index)

PPCBGH

Phương pháp cân bằng giới hạn

PT

Thể tích rỗng bị thu hẹp bởi sự có mặt của nước (Pore throat)

PTN

Phịng thí nghiệm

RSV

Giá trị lực hút dính dư (residual suction value)

SWCC

Đường cong đặc trưng đất nước (Soil water characteristic curve)

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

UU

Thí nghiệm nén 3 trục khơng cố kết, khơng thốt nước

(Unconsolidated undrained test)


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luậnán
MiềnTrung-ViệtNamlànơicóđiềukiệnđịahìnhvàkhíhậukhácbiệtsovớicác khu
vực khác trên cả nước. Cácyếu tố khí hậu như: nắng nóng kéo dài quanhnămvới
lượng bốc hơi rất lớn làm cho đất đai khơ cằn, chủ yếu ở trạng thái
mềmrời,nhưngsauđólạitrảiquacáctrậnbãolũkèmmưalớnvớimứcđộngậplụtrộngkhắp
cảnhiềutỉnh Miền Trung làm cho cấu trúc lỗ rỗng của đất thay đổi rất lớn, điều
nàydẫ n đếnnhữngcơngtrìnhgiaothơngbịhưhỏngnặngnềvàthiệthạirấtlớnvềcáclĩnhvựckháckéoth
eo.Theothốngkêcủacáctổchứckhíhậutrongnướcvàthếgiới,lượngmưatrungbìnhnămởMiềnTrungl
ớnnhấtcảnước(>2800mm)trongkhicáckhuvựckhácchỉdaođộngởmức1200mmđến180
0mm[2],
[9].ViệtNamlàmộttrongmườinướcdễbịtổnthươngtrênthếgiớitrướctácđộngcủaBĐKH[2]
,[6]vàvùngDunhảimiềnTrung Việt Nam là một trong những vùng chịu ảnh hưởng nặng
nề nhất củaBĐKHkhicó sự ấm lên toàn cầuvượt ngưỡng 1,5 oC và khả năng xảy ra kịch
bản nước
biểndâng(NBD)choViệtNamkhi dảivenbiểnmiềnTrung từtỉnhThanhHóađếntỉnhB
ìnhThuận dẫn đến khoảng 1,53% diện tích đất các tỉnh ven biển miền Trung
từThanhHóađếnBìnhThuậncónguycơbịngập úngvàonăm2050.Cáctuyếnđườngvensơng,đặcbiệt
là các tuyến cao tốc qua những địa hình đắp cao đã và đang được xây dựngtại
khuvựcnàysẽcónguycơbịngậpcụcbộtrongthờigiankéodàidoảnhhưởngcủamưalớnkéodàikếthợp
vớinướcbiểndâng.Điềunàychứngtỏnhữngthay đổivềkhíhậudẫnđến việc gia tăng các mực
nước ngập lụt ở các tuyến đường (nền đường
đắp)đangcầnthiếtcónhữngđánhgiáđúngmứcnhấtvềsựổnđịnhcủanềnđườngđắpởkhuvựcnày.
Các nền đường đắp tồn tại cả vùng bão hịa và khơng bão hòa, các vùng này sẽ
thayđổirấtlớnkhithayđổinhiệtđộ,lượngnướcxâmnhập(độẩm)vàgiatải(tảitrọng
trựctiếp).Cácnghiêncứuđếnnayvẫnchủyếutậptrungvàovùngđấtbãohòa(loạiđất
haiphanướcvàđất).Vềmặtcơhọc,cácquanhệứngsuất–biếndạng,sựbiếnthiênáp suất nước lỗ rỗng,

cường độ chống cắt và hệ số thấm của đất không bão hịa có sự khác biệt về quy luật so với
cơ học đất bão hòa. Mặt khác, sự hạn chế về điều kiện/hệ thống thiết bị thí nghiệm hiện nay
đối với đất khơng bão hịa là trở ngại và thách thức các nghiên cứu tại Việt Nam [11]. Trong
cấu trúc của nền đường đắp, khu vực lớp đất nằm dưới lớp mặt đường và nằm trên mực nước

1


ngầm

tồn

tại

một

hàm

lượng

nước

mao

nhấtđịnh.Mặtkhác,nướccóthểđượcbổsungtạikhuvựcnàydomưathấmquacác

2

dẫn



vếtnứttừcáclớpmặthoặcthấmtừvainềnđườngđắphoặctaluyđường.Nhưvậy,khu vực lớp đất nền
đường đắp ở trạng thái bão hịa khơng hồn tồn, do đó việc áp dụnglýthuyếtcủacơhọcđấtbãohịađể
phântíchcácứngxửcơhọcđốivớikhuvựckhơngbãohịakhơngcịnphùhợpthựctế[53].Hàmlượngnướctrongđất/độbãohịacủađất
thayđổitheokhơnggiantùythuộcvịtrítươngđốicủalớpđấtkhảosátsovớimựcnước
ngầmvàthờigiantùythuộcsựdichuyểntựdocủanướcdướiđấtdothấm,domaodẫn,
hoặcđượcbổsungtừnướcngầm,từmưahoặctừkhuvựckhácđếnvịtríkhảosát[53]. Sự thay đổi độ
ẩm/độ bão hòa của đất dẫn đến thay đổi lực hút dính của đất khơng bão hịa, kết quả làm
thay đổi các đặc trưng thủy lực/cơ học của đất như: thấm, cường độ chống cắt, lún/biến dạng
và sự ổn định của nền đường [3],[58].
NghiêncứucủaAlonsovàcáccộngsự[22]vềsựổnđịnhcủamáidốcđứngđãchỉ ra rằng, trường
hợp bỏ qua ảnh hưởng của lực hút dính, hệ số an toàn tới hạn của mái dốc nhỏ hơn 1,0; như vậy
mái dốc không ổn định, tuy nhiên thực tế mái dốc vẫn đang ổn định hoặc ngược lại mặc dù đánh
giá cả nền đường ổn định nhưng chỉ cần có một hoặc nhiều vị trí cục bộ khơng ổn định, dẫn đến
hình

thành

dịng

thấm

làm

cho

nước

mangtheocáchạttạosựmấtổnđịnhcụcbộ,lâudầncảnềnđườngđắpđangtừổnđịnh chuyển sang mất
ổn sauđó.

Các nghiên cứu trên Thế giới và Việt Nam về đặc trưng cơ học của đất khơngbãohịacho
đến

nay

đều

tập

trung

vào

nghiên

cứu

phương

pháp

xác

định

các

đặc

trưng


cơ

họchoặcđãcónhữngnghiêncứuthựcnghiệmxácđịnhcácđặctrưngcơhọc(bộthơng số) đầu vào cho
các phần mềm phân tích ổn định cho nền đường đắp (Geo-Studio; Plaxis…). Tuy nhiên chưa
có nghiên cứu nào thực sự tập trung vào bản chất và ứng xử của các đặc trưng cơ học kết hợp
cả phân tích cục bộ và tổng thể. Cần có những thực nghiệm tìm ra đặc trưng cơ học của đất
khu vực duyên hải miền Trung và những đánh giá ảnh hưởng của nước đến các đặc trưng này,
trên cơ sở kết hợp cả mơ hình số FEM để phân tích ổn định tổng thể và mơ hình số DEM-PFV
trong việc phân tích tương tác cơ học của ba pha hạt – khí – nước trong cấu trúc hạt ở tỉ lệ vi
mơ của đất khơng bão hịa.
Xuấtpháttừnhữngucầuthựctếvềviệcmởrộnghệthốnggiaothơngtồnquốc
vàởkhuvựcMiềnTrung,xuấtpháttừảnhhưởngcủaBĐKH,nhữngcấpthiếttrongbài tốn an toàn
của nền đường đắp, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của nước đến đặc
trưngcơhọccủađấtkhơngbãohịấpdụngchonềnđườngđắptạikhuvựcdun