luận án tiến sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc đất không bão hòa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

PHẠM HUY DŨNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA ĐẾN ỔN ĐỊNH
MÁI DỐC ĐẤT KHƠNG BÃO HỊA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

PHẠM HUY DŨNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA ĐẾN ỔN ĐỊNH
MÁI DỐC ĐẤT KHƠNG BÃO HỊA

Ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
Mã số: 9580211

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS.TS. HỒNG VIỆT HÙNG

2. GS. NGUYỄN CƠNG MẪN

HÀ NỘI, NĂM 2020


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 văn là trung thực, 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 quy định.
Tác giả luận án

Phạm Huy Dũng

i


LỜI CÁM ƠN
Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và trân trọng nhất đến PGS.TS Hồng
Việt Hùng và GS.Nguyễn Cơng Mẫn là hai Thầy hướng dẫn trực tiếp đã tận tình chỉ
bảo, giúp đỡ và động viên tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án. Xin cảm ơn
hai Thầy đã dành nhiều công sức, trí tuệ giúp tác giả hồn thành luận án.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới GS.TS Trịnh Minh Thụ, xin cảm ơn những ý kiến
đóng góp quý báu của Giáo sư cho ý tưởng luận án của tác giả.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, khoa Cơng trình, phịng Đào tạo-Trường
Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện thuận lợi, hỗ trợ tác giả trong suốt thời gian thực
hiện luận án. Đặc biệt, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các nhà khoa học, các
Thầy/Cô giáo bộ môn Địa kỹ thuật, Phịng thí nghiệm Địa kỹ thuật – Trường Đại học
Thủy lợi đã tạo điều kiện và đóng góp những ý kiến quý báu cho tác giả trong quá
trình thực hiện luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn đề tài “Nghiên cứu đánh giá các tai biến địa chất và môi

trường nghiêm trọng trong khai thác, chế biến một số khống sản chính ở Việt Nam;
đề xuất các giải pháp giảm thiểu thiệt hại và phòng chống tai biến, mã số KC.08.23/1620” do PGS.TS.NCVCC. Nguyễn Văn Hoàng làm chủ nhiệm đã hỗ trợ kịp thời một số
tài liệu bổ ích và phương pháp luận nghiên cứu khoa học.
Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động
viên, khuyến khích để tác giả hoàn thành luận án.

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... xii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ............................................. xiii
DANH MỤC KÝ HIỆU ............................................................................................... xiv
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................... 2
4. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 2
5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 3
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................... 3
7. Cấu trúc của luận án ........................................................................................... 4
CHƯƠNG 1TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ĐẤT
KHƠNG BÃO HỊA ........................................................................................................

5

1.1 Tổng quan về phân tích ổn định mái dốc ...........................................................

5

1.1.1 Các phương pháp phân tích ổn định mái dốc .............................................. 5
1.1.2 Phân tích ổn định mái dốc trên cơ sở khoa học đất khơng bão hịa ............ 7
1.2 Tầm quan trọng của cơ học đất không bão hịa .................................................

8

1.2.1 Mơi trường đất khơng bão hịa .................................................................... 8
1.2.2 Các trường hợp điển hình liên quan đến cơ học đất khơng bão hịa ........... 9
1.3 Tổng quan nghiên về cứu cường độ kháng cắt đất khơng bão hịa ..................

12

1.3.1 Khái niệm đường cong đặc trưng đất-nước .............................................. 12
1.3.2 Cường độ kháng cắt của đất khơng bão hịa ............................................. 13
1.3.3 Tình hình nghiên cứu về SWCC và cường độ kháng cắt của đất khơng bão
hịa trên thế giới ..................................................................................................... 14
1.3.4 Tình hình nghiên cứu về SWCC và cường độ kháng cắt của đất khơng bão
hịa ở Việt Nam ...................................................................................................... 17
1.4 Tổng quan nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc đất khơng
bão hịa ....................................................................................................................... 19
1.4.1 Ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc ................................................ 19

iii


1.4.2 Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc đất khơng
bão hịa trên thế giới .............................................................................................. 23
1.4.3 Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc đất khơng
bão hịa ở Việt Nam ............................................................................................... 25

1.5 Kết luận chương 1 ............................................................................................ 27
CHƯƠNG 2CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ĐẤT
KHƠNG BÃO HÒA ...................................................................................................... 29
2.1

Các biến trạng thái ứng suất của đất khơng bão hịa ....................................... 29

2.2

Lực hút dính của đất khơng bão hịa và cách xác định .................................... 31

2.2.1 Khái niệm lực hút dính .............................................................................. 31
2.2.2 Đo trực tiếp lực hút dính bằng căng kế ..................................................... 32
2.2.3 Đo gián tiếp lực hút dính ........................................................................... 33
2.3

Xác định đường cong đặc trưng đất-nước ....................................................... 33

2.3.1 Đặc điểm SWCC ....................................................................................... 33
2.3.2 Thí nghiệm xác định SWCC ..................................................................... 34
2.3.3

Phương trình SWCC ................................................................................. 37

2.3.4

Ước lượng SWCC ..................................................................................... 39

2.4 Dịng thấm trong đất khơng bão hịa ................................................................ 41
2.4.1 Định luật thấm của Darcy cho đất không bão hòa .................................... 41

2.4.2

Các tương quan phụ thuộc của hệ số thấm................................................ 42

2.4.3 Xác định hệ số thấm của đất khơng bão hịa ............................................. 42
2.5

Xác định cường độ kháng cắt của đất khơng bão hịa ..................................... 44

2.5.1 Phương trình cường độ kháng cắt của đất khơng bão hịa ........................ 44
2.5.2 Thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt của đất khơng bão hịa ............ 47
2.5.3

Một số kết quả xác định cường độ kháng cắt của đất khơng bão hịa ...... 48

2.6 Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát trong phân tích ổn định mái dốc đẩt
khơng bão hịa ............................................................................................................ 50
2.7 Kết luận chương 2 ............................................................................................ 51
CHƯƠNG 3NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG
CỦA ĐẤT KHƠNG BÃO HỊA ................................................................................... 53
3.1

Đặt vấn đề ........................................................................................................ 53

3.2

Xác định lực hút dính của đất .......................................................................... 53

3.2.1

Thiết bị thí nghiệm đo lực hút dính kiểu 2725ARL-Jetfill ....................... 53
iv


3.2.2 Nguyên lý hoạt động của căng kế ............................................................. 54
3.2.3 Quy trình thí nghiệm xác định lực hút dính bằng căng kế 2725ARL ....... 54
3.2.4 Lựa chọn vị trí thí nghiệm xác định lực hút dính ...................................... 56
3.2.5 Kết quả thí nghiệm xác định lực hút dính ................................................. 57
3.3 Xác định SWCC bằng bình áp lực và đĩa tiếp nhận khí cao ............................ 63
3.3.1 Vị trí lấy mẫu thí nghiệm xác định SWCC ............................................... 63
3.3.2 Thiết bị thí nghiệm xác định SWCC ......................................................... 64
3.3.3 Nguyên lý hoạt động của bình áp lực ........................................................ 64
3.3.4 Trình tự thí nghiệm xác định SWCC ........................................................ 65
3.3.5 Các đặc trưng của đất dùng trong thí nghiệm ........................................... 67
3.3.6 Kết quả thí nghiệm xác định SWCC ......................................................... 68
3.3.7 Ước lượng SWCC theo mơ hình MK ....................................................... 69
3.3.8 Xác định hàm thấm từ SWCC ................................................................... 71
3.4 Xác định cường độ kháng cắt của đất bằng máy ba trục ................................. 73
3.4.1 Máy thí nghiệm ba trục ............................................................................. 73
3.4.2 Trình tự thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt bằng máy ba trục ....... 73
3.4.3 Kết quả thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt bằng máy ba trục ........ 75
3.5 Xác định cường độ kháng cắt của đất bằng máy cắt trực tiếp ......................... 77
3.5.1 Máy thí nghiệm cắt trực tiếp ..................................................................... 77
3.5.2 Trình tự thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt bằng máy cắt trực tiếp77
3.5.3 Kết quả thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt bằng máy cắt trực tiếp 78
3.6 Kết luận chương 3 ............................................................................................ 86
CHƯƠNG 4NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA LÊN
MÁI DỐC ĐẤT ĐẮP .................................................................................................... 88
4.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................ 88
4.2 Nghiên cứu chế tạo máng thí nghiệm .............................................................. 89

4.3 Nghiên cứu chế tạo dàn tạo mưa ...................................................................... 90
4.4 Đo lường và thu thập dữ liệu lực hút dính ....................................................... 90
4.4.1 Thiết bị thí nghiệm đo lực hút dính kiểu 2100F-Remote Tensometer ...... 90
4.4.2 Thiết bị thu thập dữ liệu lực hút dính ........................................................ 91
4.4.3 Quy trình thí nghiệm xác định lực hút dính bằng căng kế 2100F ............. 92
4.5 Chỉ tiêu cơ lý của đất dùng trong thí nghiệm ................................................... 92
v


4.6 Trình tự thí nghiệm .......................................................................................... 94
4.6.1 Chuẩn bị thí nghiệm .................................................................................. 94
4.6.2 Lựa chọn các thông số về mưa dùng trong thí nghiệm ............................. 96
4.6.3 Tiến hành thí nghiệm ................................................................................ 96
4.7 Phân tích, đánh giá kết quả thí nghiệm ............................................................ 97
4.7.1 Ảnh hưởng của độ chặt đất đắp đến cường độ tràn................................... 98
4.7.2 Ảnh hưởng của độ dốc mái đến cường độ tràn ......................................... 99
4.7.3 Sự thay đổi của lực hút dính trong q trình mưa và sau khi mưa ......... 100
4.8 Kết luận chương 4 .......................................................................................... 102
CHƯƠNG 5ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN CHO MỘT
SỐ MÁI DỐC CƠNG TRÌNH THỦY LỢI ................................................................ 104
5.1 Đặt vấn đề ...................................................................................................... 104
5.2 Phương pháp tính tốn ................................................................................... 104
5.3 Mái dốc đất đắp đê hữu Cầu .......................................................................... 105
5.3.1 Giới thiệu về đê hữu Cầu ........................................................................ 105
5.3.2 Trường hợp tính tốn ổn định mái dốc đê hữu Cầu ................................ 106
5.3.3 Chỉ tiêu cơ lý của đất trong tính tốn ổn định mái dốc đê hữu Cầu........ 107
5.3.4 Kết quả tính tốn ổn định mái dốc đê hữu Cầu ....................................... 108
5.4 Mái dốc đất đắp đập Khau Piều ..................................................................... 112
5.4.1 Giới thiệu về hồ chứa nước Khau Piều ................................................... 112
5.4.2 Trường hợp tính toán ổn định mái dốc đập Khau Piều ........................... 113

5.4.3 Chỉ tiêu cơ lý của đất trong tính tốn ổn định mái dốc đập Khau Piều .. 113
5.4.4 Kết quả tính tốn ổn định mái dốc đập Khau Piều .................................. 114
5.5 Mái dốc đất đắp đập Chúc Bài Sơn ............................................................... 118
5.5.1 Giới thiệu về hồ chứa nước Chúc Bài Sơn .............................................. 118
5.5.2 Trường hợp tính tốn ổn định mái dốc đập Chúc Bài Sơn ..................... 119
5.5.3 Chỉ tiêu cơ lý của đất tính tốn ổn định mái dốc đập Chúc Bài Sơn ...... 120
5.5.4 Kết quả tính tốn ổn định mái dốc đập Chúc Bài Sơn ............................ 121
5.6 Kết luận chương 5 .......................................................................................... 125
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 127
1.Các kết quả đạt được của luận án .................................................................. 127
2.Những đóng góp mới của luận án .................................................................. 128
vi


3.

Những tồn tại và hướng phát triển................................................................ 128
3.1 Những tồn tại............................................................................................. 128
3.2 Hướng phát triển....................................................................................... 129

DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ........................................................... 130
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 131

vii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong đới khơng bão hịa [1] ............................... 9
Hình 1.2 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng (hình a) và áp lực khí lỗ rỗng (hình b) ngay sau
khi thi cơng một lớp đắp thân đập [1] ........................................................................... 10

Hình 1.3 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng (hình a) và áp lực khí lỗ rỗng (hình b) trong q
trình vận hành của đập [1] ............................................................................................. 10
Hình 1.4 Mái dốc tự nhiên (a) và mái dốc hố móng (b) chịu tác động của mưa [1] ..... 11
Hình 1.5 Đường cong đặc trưng đất- nước điển hình [1] .............................................. 12
Hình 1.6 Đường bao phá hoại Mohr-Coulomb của đất bão hòa ................................... 13
Hình 1.7 SWCC của một số loại đất điển hình [28] ...................................................... 15
Hình 1.8 Kết quả thí nghiệm cho đất sét Dhanauri thực hiện bởi Satija với đất có khối
15
lượng riêng khơ nhỏ [9] .................................................................................................
b
Hình 1.9 Quan hệ phụ thuộc của  với (u -u ) và ( -u ) [29] .................................... 17
a

w

3 a

Hình 1.10 Quan hệ giữa lực hút dính và độ ẩm thể tích của các loại đất có cùng trọng
3
lượng riêng 15 kN/m [30] ............................................................................................ 18
Hình 1.11 SWCC của vật liệu đất đắp đập Khe Cát [31] .............................................. 19
Hình 1.12 Hình ảnh một trận trượt lở đất do mưa, (a) ở Mỹ [32] ; (b) ở Ý [33] .......... 19
Hình 1.13 Hình ảnh hiện trạng sau khi trượt lở đất tại Yabakei, tỉnh Oita, Nhật Bản .. 20
Hình 1.14 Hình ảnh trượt lở đất, (a) ở lịng hồ Đăk Lông Thượng [36]; (b) ở hạ lưu
Thủy điện Trung Sơn [37] ............................................................................................. 21
Hình 1.15 Hình ảnh hiện trạng sau khi xảy ra trượt lở đất, (a) đê tả sơng Chu
K24+710-:-K24+820; (b) cầu Mống Sến ...................................................................... 22
Hình 1.16 Hình ảnh trượt lở đất ở ga Lâm Giang, tỉnh Yên Bái [40] ........................... 22
Hình 1.17 Quan hệ giữa cường độ mưa xâm nhập với hệ số thấm [41] ....................... 23
Hình 1.18 Sự thay đổi của hệ số ổn định mái dốc theo thời gian đối với các mái dốc có

chiều cao khác nhau [42] ............................................................................................... 24
Hình 1.19 Sự thay đổi của hệ số ổn định mái dốc theo thời gian đối với các kiểu mưa
khác nhau [43] ............................................................................................................... 25
Hình 1.20 Thay đổi của mực nước sông, lượng mưa và hệ số ổn định [45] ................. 26
Hình 1.21 Sự thay đổi của hệ số ổn định mái dốc theo thời gian [46] .......................... 27
Hình 2.1 Sự thay đổi của lực tác dụng: (a) đất bão hịa và (b) đất khơng bão hịa [60] 31
Hình 2.2 Căng kế chế tạo bởi cơng ty Soilmoisture Equipment Corp [61] .................. 32
Hình 2.3 Hiện tượng trễ của SWCC [1] ........................................................................ 34
Hình 2.4 Nguyên lý làm việc của đĩa tiếp nhận khí cao [1] .......................................... 35
Hình 2.5 SWCC theo phương trình của Fredlund và Xing (1994) ............................... 38
Hình 2.6 Kết quả thực nghiệm của định luật thấm Darcy cho đất khơng bão hịa [68] 41
Hình 2.7 Đường bao phá hoại mở rộng Mohr-Coulomb của đất không bão hịa [1] .... 45
Hình 2.8 Kết quả thí nghiệm cho đất sét Dhanauri [9], (a) đất có khối lượng riêng khơ
nhỏ; (b) đất có khối lượng riêng khơ lớn ...................................................................... 49
viii


Hình 2.9 Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp cho đất sét Madrid được thực hiện bởi
Escario và Sasez (1986), (a) Quan hệ  và (a-ua); (b) Quan hệ  và (ua-uw).............49
Hình 2.10 Sơ đồ lực tác dụng trong phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát [89]...50
Hình 3.1 Cấu tạo căng kế kiểu 2725ARL-Jet fill [61]................................................. 54
Hình 3.2 Hình ảnh minh họa quá trình lắp đặt căng kế ở hiện trường [61]..................55
Hình 3.3 Vị trí xác định lực hút dính ở trong các mái dốc........................................... 56
Hình 3.4 Hình ảnh minh họa đo lực hút dính ở hiện trường........................................ 57
Hình 3.5 Lực hút dính trong mái dốc đập Khau Piều đợt 2 năm 2017.........................60
Hình 3.6 Lực hút dính trong mái dốc đập Bầu Lầy đợt 2 năm 2017............................ 60
Hình 3.7 Lực hút dính trong mái dốc đập Chúc Bài Sơn đợt 2 năm 2017...................61
Hình 3.8 Quan hệ tương quan giữa lực hút dính và độ bão hịa trong mái dốc cơng
trình thủy lợi................................................................................................................ 62
Hình 3.9 Đường cong đặc trưng đất nước của đất trong mái dốc cơng trình thủy lợi .. 63

Hình 3.10 Bình chiết áp lực cao để xác định SWCC [31]............................................ 64
Hình 3.11 Hình ảnh lấy mẫu thí nghiệm ở hiện trường, (a) Khoan khảo sát tại đập
Chúc Bài Sơn; (b) Ảnh nõn khoan của đập Chúc Bài Sơn; (c) Khoan khảo sát tại đập
Khau Piều; (d) Ảnh nõn khoan của đập Khe Chão...................................................... 65
Hình 3.12 Hình ảnh bão hịa mẫu thí nghiệm.............................................................. 66
Hình 3.13 Hình ảnh mẫu đất trong bình áp lực khí cao............................................... 66
Hình 3.14 Kết quả thí nghiệm xác định SWCC của đất đắp đê hữu Cầu.....................68
Hình 3.15 Kết quả thí nghiệm xác định SWCC của đất đắp đập Khau Piều................69
Hình 3.16 Kết quả thí nghiệm xác định SWCC của đất đắp đập Chúc Bài Sơn..........69
Hình 3.17 Ước lượng SWCC của đất đắp đê hữu Cầu................................................. 70
Hình 3.18 Ước lượng SWCC của đất đắp đập Khau Piều...........................................71
Hình 3.19 Ước lượng SWCC của đất đắp đập Chúc Bài Sơn...................................... 71
Hình 3.20 Hàm thấm của đất đắp đê hữu Cầu............................................................. 72
Hình 3.21 Hàm thấm của đất đắp đập Khau Piều........................................................ 72
Hình 3.22 Hàm thấm của đất đắp đập Chúc Bài Sơn................................................... 72
Hình 3.23 Hình ảnh chuẩn bị mẫu thí nghiệm ba trục................................................. 73
Hình 3.24 Sơ đồ ngun lý của máy ba trục................................................................ 74
Hình 3.25 Máy nén ba trục TRIAX50 tại phịng thí nghiệm Địa kỹ thuật...................75
Hình 3.26 Quan hệ ứng suất biến dạng mẫu đất đắp đập Khau Piều...........................76
Hình 3.27 Đường bao Coulomb mẫu đất đắp đập Khau Piều......................................76
Hình 3.28 Sơ đồ nguyên lý của máy cắt trực tiếp........................................................ 77
Hình 3.29 Máy cắt trực tiếp EDJ-2 tại phịng thí nghiệm Địa kỹ thuật........................78
Hình 3.30 Mặt bao phá hoại của đất đắp đê hữu Cầu.................................................. 79
Hình 3.31 Quan hệ cường độ kháng cắt và ứng suất pháp thực tương ứng với lực hút
dính khác của đất đắp đê hữu Cầu............................................................................... 79
Hình 3.32 Cường độ kháng cắt và lực hút dính tại giá trị ứng suất pháp thực bằng
khơng của đất đắp đê hữu Cầu..................................................................................... 80

ix

Hình 3.33 Quan hệ giữa góc ma sát biểu kiến và lực hút dính của đất đắp đê hữu Cầu
80
Hình 3.34 Mặt bao phá hoại của đất đắp đập Khau Piều............................................. 81
Hình 3.35 Quan hệ cường độ kháng cắt và ứng suất pháp thực tương ứng với lực hút
dính khác nhau của đất đắp đập Khau Piều................................................................. 81
Hình 3.36 Cường độ kháng cắt và lực hút dính tại giá trị ứng suất pháp thực bằng
không của đất đắp đập Khau Piều................................................................................ 82
Hình 3.37 Quan hệ giữa góc ma sát biểu kiến và lực hút dính của đất đắp đập Khau
Piều.............................................................................................................................. 83
Hình 3.38 Mặt bao phá hoại của đất đắp đập Chúc Bài Sơn........................................ 83
Hình 3.39 Quan hệ cường độ kháng cắt và ứng suất pháp thực tương ứng với lực hút
dính khác của đất đắp đập Chúc Bài Sơn..................................................................... 84
Hình 3.40 Cường độ kháng cắt và lực hút dính ứng với ứng suất pháp thực khác nhau
của đất đắp đập Chúc Bài Sơn..................................................................................... 84
Hình 3.41 Quan hệ giữa góc ma sát biểu kiến và lực hút dính của đất đắp đập Chúc Bài
Sơn.............................................................................................................................. 85
Hình 4.1 Cấu tạo máng thí nghiệm, (a) Trục quay tự do; (b) Thiết bị đo lưu lượng nước
tràn; (c) Máng thí nghiệm; (d) Sơ đồ hồn chỉnh của máng thí nghiệm......................89
Hình 4.2 Cấu tạo của dàn tạo mưa............................................................................... 90
Hình 4.3 Cấu tạo căng kế kiểu 2100F-Remote Tensometer......................................... 91
Hình 4.4 Hình ảnh bộ kết nối và truyền dẫn dữ liệu lực hút dính................................ 91
Hình 4.5 Hình ảnh giao diện phần mềm ICT............................................................... 92
Hình 4.6 Đường cong SWCC của vật liệu đất mỏ Đại Phong ở độ chặt K = 0,97.......93
Hình 4.7 Hàm thấm của vật liệu đất mỏ Đại Phong ở độ chặt K = 0,97......................94
Hình 4.8 Chuẩn bị thí nghiệm, (a) Sơ đồ đắp đất); (b) Đầm đất trong máng thí nghiệm;
(c) Lắp đặt căng kế trong đất....................................................................................... 95
Hình 4.9 Mơ hình thí nghiệm mưa lên mái dốc, (a) Sơ đồ thực tế; (b) Sơ đồ mơ phỏng
96
Hình 4.10 Sự thay đổi của cường độ tràn khi hệ số mái m = 1....................................98

Hình 4.11 Sự thay đổi của cường độ tràn khi hệ số mái m = 2.................................... 98
Hình 4.12 Sự thay đổi của cường độ tràn khi hệ số mái m = 4....................................99
Hình 4.13 Sự thay đổi của cường độ tràn khi hệ số đầm chặt K = 0,70.......................99
Hình 4.14 Sự thay đổi của cường độ tràn khi hệ số đầm chặt K = 0,95.....................100
Hình 4.15 Sự thay đổi của lực hút dính trong mái dốc sau thời gian mưa 1 ngày......100
Hình 4.16 Sự thay đổi của lực hút dính trong mái dốc sau thời gian mưa 3 ngày......101
Hình 5.1 Mặt cắt tính tốn ổn định đê hữu Cầu......................................................... 107
Hình 5.2 Phân bố cột nước áp lực trong thân và nền đê hữu Cầu..............................108
Hình 5.3 Hệ số ổn định mái dốc đê hữu Cầu tính tốn trên cơ sở khoa học đất bão hịa
108
Hình 5.4 Hệ số ổn định mái dốc đê hữu Cầu tính toán trên cơ sở khoa học đất KBH 109

x


Hình 5.5 Sự thay đổi cột nước áp lực tại A của đê hữu Cầu với kiểu mưa HI............109
Hình 5.6 Hệ số ổn định mái dốc đê hữu Cầu khi dừng mưa với kiểu mưa HI...........110
Hình 5.7 Sự thay đổi của hệ số ổn định mái dốc đê hữu Cầu với kiểu mưa HI..........110
Hình 5.8 Sự thay đổi cột nước áp lực tại A của đê hữu Cầu với kiểu mưa LD...........111
Hình 5.9 Hệ số ổn định mái dốc đê hữu Cầu khi dừng mưa với kiểu mưa LD..........111
Hình 5.10 Sự thay đổi của hệ số ổn định mái dốc đê hữu Cầu với kiểu mưa LD.......111
Hình 5.11 Mặt cắt tính tốn ổn định đập Khau Piều.................................................. 113
Hình 5.12 Phân bố cột nước áp lực trong thân và nền đập Khau Piều.......................114
Hình 5.13 Hệ số ổn định đập Khau Piều tính tốn trên cơ sở khoa học đất bão hịa .. 115
Hình 5.14 Hệ số ổn định đập Khau Piều tính tốn trên cơ sở khoa học đất KBH......115
Hình 5.15 Sự thay đổi cột nước áp lực tại A của đập Khau Piều với kiểu mưa HI.....115
Hình 5.16 Hệ số ổn định đập Khau Piều khi dừng mưa với kiểu mưa HI..................116
Hình 5.17 Sự thay đổi của hệ số ổn định đập Khau Piều với kiểu mưa HI................116
Hình 5.18 Sự thay đổi cột nước áp lực tại A của đập Khau Piều với kiểu mưa LD. . .117
Hình 5.19 Hệ số ổn định đập Khau Piều khi dừng mưa với kiểu mưa LD.................117

Hình 5.20 Sự thay đổi của hệ số ổn định đập Khau Piều với kiểu mưa LD...............118
Hình 5.21 Mặt cắt tính tốn ổn định đập Chúc Bài Sơn............................................. 120
Hình 5.22 Phân bố cột nước áp lực trong thân và nền đập Chúc Bài Sơn..................121
Hình 5.23 Hệ số ổn định đập Chúc Bài Sơn tính tốn trên cơ sở khoa học đất bão hịa
121
Hình 5.24 Hệ số ổn định đập Chúc Bài Sơn tính tốn trên cơ sở khoa học đất KBH . 122
Hình 5.25 Sự thay đổi cột nước áp lực tại A của đập Chúc Bài Sơn với kiểu mưa HI
122
Hình 5.26 Hệ số ổn định đập Chúc Bài Sơn khi dừng mưa với kiểu mưa HI............123
Hình 5.27 Sự thay đổi của hệ số ổn định đập Chúc Bài Sơn với kiểu mưa HI...........123
Hình 5.28 Sự thay đổi cột nước áp lực tại A của đập Chúc Bài Sơn với kiểu mưa LD
123
Hình 5.29 Hệ số ổn định đập Chúc Bài Sơn khi dừng mưa với kiểu mưa LD...........124
Hình 5.30 Sự thay đổi của hệ số ổn định đập Chúc Bài Sơn với kiểu mưa LD..........124

xi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Phương trình cân bằng tĩnh học trong các PP phân mảnh [5].........................5
Bảng 1.2 Mối quan hệ các lực tương tác giữa các mảnh [5].......................................... 6
Bảng 1.3 Một số kết quả thí nghiệm xác định tham số kháng cắt của đất khơng bão hịa
16
Bảng 2.1 Các phương pháp thí nghiệm ba trục cho đất khơng bão hịa.......................48
Bảng 3.1 Kết quả đo lực hút dính (kPa) ở đỉnh mái dốc đợt 1 năm 2017....................57
Bảng 3.2 Kết quả đo lực hút dính (kPa) ở giữa và chân mái dốc đợt 1 năm 2017.......58
Bảng 3.3 Kết quả đo lực hút dính (kPa) ở đỉnh mái dốc đợt 2 năm 2017....................58
Bảng 3.4 Kết quả đo lực hút dính (kPa) ở giữa và chân mái dốc đợt 2 năm 2017.......59
Bảng 3.5 Kết quả xác định độ bão hòa S (%) ở đỉnh mái dốc đợt 2 năm 2017............61
Bảng 3.6 Kết quả xác định độ bão hòa S (%) ở đỉnh mái dốc đợt 1 năm 2017............62

Bảng 3.7 Bảng tổng hợp các đặc trưng cơ bản của ba loại đất thí nghiệm...................67
Bảng 3.8 Kết quả tổng hợp thí nghiệm ba trục............................................................ 76
Bảng 3.9 Kết quả tổng hợp thí nghiệm cắt trực tiếp.................................................... 85
Bảng 4.1 Thành phần hạt của mỏ đất Đại Phong......................................................... 93
Bảng 4.2 Chỉ tiêu tính chất vật lý, cơ học của mỏ đất Đại Phong................................ 93
Bảng 4.3 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm tác động của mưa lên mái dốc...............97
Bảng 5.1 Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất đê hữu Cầu.................................107
Bảng 5.2 Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất đập Khau Piều............................113
Bảng 5.3 Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất đập Chúc Bài Sơn.......................120

xii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ
1. Các từ viết tắt
PP

: Phương pháp

KBH

Khơng bão hịa

SWCC

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

AEV

: Giá trị khí vào (Air entry value)

MK

: Mơ hình Modified Kovacs

CU

: Thí nghiệm ba trục cố kết khơng thốt nước

CD

: Thí nghiệm ba trục cố kết thốt nước

CW

Thí nghiệm ba trục độ ẩm không đổi

HI

: Mưa thời gian ngắn và cường độ lớn

LD

: Mưa kéo dài và cường độ nhỏ

MNDBT

: Mực nước dâng bình thường

TCVN

: Tiêu chuẩn Quốc gia

2. Giải thích thuật ngữ
-

Đường cong đặc trưng đất nước

Đường cong đặc trưng đất nước là biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa lượng chứa nước
trong đất và lực hút của đất. Lượng chứa nước trong đất có thể biểu diễn bằng nhiều
cách như độ ẩm khối lượng w, độ ẩm thể tích , độ bão hịa... Lực hút của đất có thể là
lực hút dính, lực hút thẩm thấu hoặc là lực hút tổng.
-

Lực hút dính

Lực hút dính (ua - uw) là hiệu số của áp lực khí lỗ rỗng ua, thường là áp lực khí quyển
ở ngồi trời và áp lực nước lỗ rỗng uw.
-

Góc ma sát biểu kiến

Là góc biểu thị lượng tăng của cường độ kháng cắt của đất không bão hịa theo lực hút
dính.

xiii


DANH MỤC KÝ HIỆU
Ký hiệu Đơn vị

c’
’
b

kN/m
Độ

2

Diễn giải
Lực dính đơn vị
Góc ma sát trong




Độ
2
kN/m

ua – uw

kN/m

2

Lực hút dính

 – ua

kN/m

2

Ứng suất pháp thực

 – uw

kN/m

2

Ứng suất hiệu quả



kN/m

2

Ứng suất pháp tổng

’

kN/m

2

Ứng suất pháp hiệu quả

uw

kN/m

2

Áp lực nước lỗ rỗng (Ứng suất trung hịa)

ua

kN/m

2

Áp lực khí lỗ rỗng

Ts

kN/m

f

Rs


Góc ma sát biểu kiến
Cường độ kháng cắt

Sức căng mặt ngồi

m
Bán kính cong mặt ngồi
-Độ ẩm thể tích chuẩn hóa,  = (-r)/(s-r)



-

Độ ẩm thể tích

r

-

Độ ẩm thể tích dư

s

-

Độ ẩm thể tích bão hịa

C(ψ)

-

Hệ số hiệu chỉnh

ψ

kN/m

2

Lực hút

ψr

kN/m

2

Lực hút dính ứng với độ ẩm thể tích dư

(ψi, θi)

-

Tọa độ điểm uốn của SWCC

ψp

-

Giao điểm của đường tiếp tuyến với trục lực hút dính

ac

-

Hệ số dính bám

hc0

-

Chiều cao mao dẫn tương đương

vw

m/s

Vận tốc dịng thấm

kw

m/s

Hệ số thấm

ks

m/s

Hệ số thấm bão hịa

-

Hệ số an tồn chống trượt theo cân bằng mơ men

-

Hệ số an tồn chống trượt theo cân bằng lực

xiv


W

kNTrọng lượng thỏi đất

N

kNTổng các lực thẳng đứng tác dụng lên đáy thỏi

E

kNLực tương tác pháp tuyến giữa các thỏi

X

kNLực tương tác tiếp tuyến giữa các thỏi

R

mKhoảng cách từ tâm quay đến đáy thỏi

f

mKhoảng cách từ tâm quay đến lực thẳng đứng N

x

mKhoảng cách nằm ngang từ tâm thỏi đến tâm quay

A

kNTổng áp lực nước

a

mKhoảng cách từ tổng áp lực nước đến tâm quay

α
β

Độ

Góc giữa tiếp tuyến qua tâm đáy thỏi với phương ngang

mChiều rộng đáy thỏi theo phương góc α

D10

mm

Cu

-

w

%Độ ẩm của đất

sàng Hệ số đồng đều hạt

wopt

%




kN/m
3
kN/m



kN/m

d

w



Độ ẩm tối ưu
3

3

3



kN/m
3
kg/m

d

K

[K]

Đường kính cỡ hạt tương ứng với 10% lọt

Trọng lượng thể tích tự nhiên
Trọng lượng thể tích khơ
Trọng lượng thể tích của nước
Trọng lượng thể tích khơ lớn nhất
Khối lượng thể tích khơ

-Hệ số đầm chặt
-Hệ số ổn định mái dốc cho phép

m

-Hệ số mái dốc

Gs

-

Tỷ trọng

e

-

Hệ số rỗng

n

%Độ lỗ rỗng

S

%Độ bão hồ

Sa

-

Độ bão hịa liên quan đến cơ chế dính bám

Sc

-

Độ bão hịa liên quan đến cơ chế mao dẫn

WL

%

Độ ẩm giới hạn chảy

xv


Wp

%

Độ ẩm giới hạn dẻo

PI

%

Chỉ số dẻo

LI

-

Chỉ số chảy

Fs

Hệ số ổn định mái dốc

Kc

Hệ số đầm chặt

RR

mm/giờ

Cường độ tràn ổn định

RC

%

Tỷ lệ chảy tràn

RI

%

Tỷ lệ thâm nhập

QT

lít/phút

mw

-

h

mCột nước tổng

Lượng nước chảy tràn
Độ dốc của SWCC

kx

m/s

Hệ số thấm của đất theo phương x

ky

m/s

Hệ số thấm của đất theo phương y

Q

m /sĐiều kiện biên của dòng chảy tác dụng lên bề mặt mái dốc

3

xvi

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm vừa qua, ở nước ta đã xảy ra hàng loạt sự cố cơng trình liên quan
đến hiện tượng trượt lở mái dốc gây thiệt hại lớn về người và tài sản. Hiện tượng trượt
lở không chỉ xảy ra đối với các mái dốc tự nhiên, mà còn là sự cố thường xuyên đối
với mái dốc đất đắp như đường, đê, đập, hố móng... Một trong những tác nhân chính
dẫn đến mất ổn định mái dốc là do mưa. Gần đây nhất vào tháng 10 năm 2020, một
loạt các sự cố trượt lở đất liên tiếp xảy ra ở miền Trung Việt Nam đã để lại những hậu
quả thảm khốc.
Áp lực nước lỗ rỗng và cường độ kháng cắt của đất là những yếu tố quan trọng khi
đánh giá ổn định mái dốc. Các quan niệm truyền thống của cơ học đất đều giả thiết đất
bão hịa hồn tồn khi nằm dưới mực nước ngầm và khơ hồn tồn khi nằm trên mực
nước ngầm. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của nhiều nhà khoa học đã chứng minh sự
gia tăng của cường độ kháng cắt trong đất khơng bão hịa là do tác dụng của áp lực
nước lỗ rỗng âm [1], [2]; tức là làm tăng hệ số ổn định của mái dốc. Vì vậy, cần thiết
phải áp dụng các nguyên lý tính tốn của cơ học đất khơng bão hịa trong phân tích ổn
định mái dốc, đặc biệt là những nơi có mực nước ngầm ở dưới sâu.
Đối với đất khơng bão hịa, đường cong đặc trưng đất nước (SWCC) được coi là thơng
số quan trọng, nó thường được dùng để xác định các đặc tính của đất khơng bão hoà
như hệ số thấm, cường độ kháng cắt và biến thiên thể tích của đất [3], [4]. Phương
trình SWCC đều chứa các tham số hiệu chỉnh và giá trị của các tham số này tùy thuộc
và đặc điểm riêng biệt của từng loại đất ở các vùng miền khác nhau. Tuy nhiên, các số
liệu về SWCC của các loại đất ở Việt Nam cịn rất hạn chế. Vì vậy, cần thiết bổ sung
các nghiên cứu về đất khơng bão hịa để cung cấp thêm dữ liệu, làm cơ sở xây dựng
SWCC một cách phù hợp hơn cho các loại đất ở Việt Nam.
Khi nghiên cứu các tác động của mưa đến ổn định mái dốc, nhiều tác giả trên thế giới
và Việt Nam đã sử dụng mơ hình số để nghiên cứu quy luật biến đổi áp lực nước lỗ

1


rỗng (lực hút dính) và hệ số ổn định mái dốc theo thời gian trong quá trình mưa. Tuy
nhiên, các số liệu thực nghiệm về lượng mưa xâm nhập vào mái dốc, sự thay đổi của
áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình mưa và sau khi dừng mưa vẫn chưa thực sự rõ
ràng. Vì vậy, cần có những nghiên cứu khoa học cụ thể, nhằm làm sáng tỏ bản chất,
quá trình tác động của mưa đên sự ổn định mái dốc của đất khơng bão hịa để có những
giải pháp cơng trình phù hợp và hiệu quả.
Với những lý do nêu trên, đề tài „Nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái
dốc đất khơng bão hịa‟ là thực sự cần thiết và mang nhiều ý nghĩa khoa học thực tế
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu sự thay đổi của hệ số ổn định mái dốc đất khơng bão
hịa dưới tác động của mưa.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1.

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là mái dốc đất khơng bão hịa đắp đắp bằng đất đa
nguồn gốc phân bố ở miền Bắc Việt Nam.
3.2.

Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài của đề tài là nghiên cứu quá trình biến đổi áp lực nước
lỗ rỗng trong mái dốc dẫn đến thay đổi cường độ kháng cắt của đất và hệ số ổn định
mái dốc của các loại mái dốc đất đắp cơng trình thủy lợi như đê, đập.
4. Nội dung nghiên cứu
-

Nghiên cứu tổng quan về ổn định mái dốc đất khơng bão hịa ở trên thế giới và

Việt Nam, từ đó đánh giá những vấn đề tồn tại và định hướng cho nghiên cứu;
-

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cơ học đất khơng bão hịa liên quan đến tính tốn

ổn định mái dốc;
-

Nghiên cứu thực nghiệm xác định được các đặc trưng của đất khơng bão hịa

bao gồm lực hút dính, đường cong đặc trưng đất nước, hàm thấm và cường độ kháng
cắt;
2


-

Nghiên cứu chế tạo máng thí nghiệm và dàn tạo mưa;

-

Nghiên cứu thực nghiệm quá trình nước mưa xâm nhập vào mái dốc đất đắp với

các mái dốc có độ dốc mái và độ chặt đất đắp khác nhau;
-

Nghiên cứu thực nghiệm cơ chế của sự biến thiên áp lực nước lỗ rỗng trong mái

dốc đất đắp trong quá trình mưa và sau khi dừng mưa;
-

Ứng dụng kết quả nghiên cứu để phân tích, đánh giá ảnh hưởng của mưa đến ổn

định mái dốc đất đắp khơng bão hịa cho một số cơng trình thực tế.
5. Phương pháp nghiên cứu
-

Phương pháp lý thuyết: nghiên cứu lý thuyết các nội dung liên quan đến cơ học

đất khơng bão hịa và phân tích ổn định mái dốc;
-

Phương pháp thực nghiệm: thực hiện các thí nghiệm trong phịng và hiện

trường xác định các đặc trưng của đất khơng bão hịa, tiến hành thí nghiệm mẫu lớn
phân tích q trình nước mưa xâm nhập vào mái dốc, cơ chế của sự biến thiên áp lực
nước lỗ rỗng trong mái dốc đất trong quá trình mưa và sau khi dừng mưa;
-

Phương pháp mơ hình số: mơ phỏng, phân tích và đánh giá ổn định mái dốc đất

khơng bão hịa dưới tác động của mưa;
-

Phương pháp chuyên gia: Tổ chức hội thảo, thu thập ý kiến của các chuyên gia,

các nhà khoa học ở một số chuyên ngành liên quan để hoàn thiện nội dung nghiên cứu

đề ra trong luận án.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
6.1.

Ý nghĩa khoa học:

-

Đóng góp bộ cơ sở dữ liệu về các đặc trưng của đất khơng bão hịa ở Việt Nam;

-

Thực nghiệm xác định được lượng nước mưa xâm nhập vào mái dốc và cơ chế

thay đổi áp lực nước lỗ rỗng trong mái dốc trong quá trình mưa và sau khi dừng mưa.
6.2.

Ý nghĩa thực tiễn:

3


-

Đề xuất công cụ ước lượng SWCC cho một số loại đất dính ở miền Bắc Việt

Nam khi khơng có kết quả thực nghiệm xác định SWCC;
-

Đề xuất bổ sung đánh giá ảnh hưởng của mưa kéo dài đến ổn định mái dốc

trong cơng tác thiết kế cơng trình thủy lợi như đê và đập;
-

Góp phần chính xác hóa trong tính tốn phân tích ổn định mái dốc trên cơ sở

khoa học đất khơng bão hịa.
7. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 5 chương

bao gồm:
Chương 1: Tổng quan nghiên cứu về ổn định mái dốc đất khơng bão hịa
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn ổn định mái dốc đất khơng bão hịa
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định các đặc trưng của đất khơng bão hịa
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của mưa lên mái dốc đất đắp
Chương 5: Ứng dụng kết quả nghiên cứu tính tốn cho một số mái dốc cơng trình thủy
lợi

4


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC
ĐẤT KHƠNG BÃO HỊA

1.1 Tổng quan về phân tích ổn định mái dốc
1.1.1 Các phương pháp phân tích ổn định mái dốc
Hiện nay có nhiều phương pháp (PP) để phân tích ổn định mái dốc, các PP này được
phân thành ba nhóm chính là PP cân bằng giới hạn, PP phân tích giới hạn và PP số.

PP cân bằng giới hạn đánh giá trạng thái cân bằng của một khối trượt dưới tác dụng
của trọng lực. Chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay được xem xét trên một
mặt trượt tiềm năng giả định hoặc đã biết phía dưới khối đất hoặc đá. Đối với PP cân
bằng giới hạn, kỹ thuật phân mảnh được sử dụng phổ biến nhất. Theo trường phái này,
khối trượt được chia thành các mảnh như của Taylor (1937), Bishop (1955) và Spencer
(1967). Các PP này đều dựa trên nguyên lý cân bằng tĩnh học (tức là cân bằng tĩnh của
lực và/hoặc momen), mà không xét đến dịch chuyển trong khối đất. Mức độ an toàn
của mái dốc được đánh giá bằng hệ số ổn định mái dốc F S (là tỷ số giữa lực/mô men
chống trượt với lực/mô men gây trượt). Các PP phân mảnh khác nhau thì cho kết quả
khác nhau do khác nhau về giả thiết các lực tương tác giữa các mảnh. Giả thiết về lực
tương tác giữa các mảnh và mối liên hệ giữa chúng của các PP khác nhau được tổng
hợp trong Bảng 1.1. Điều kiện cân bằng tĩnh học cần được thỏa mãn của các PP phân
thỏi khác nhau được nêu trong Bảng 1.2.
Bảng 1.1 Phương trình cân bằng tĩnh học trong các PP phân mảnh [5]
Phương pháp
Ordinary hoặc Fellenius
Bishop đơn giản
Janbu đơn giản
Spencer
Morgenstern-Price
Corps of Engineers – 1
Corps of Engineers – 2
Lowe-Karafiath
Janbu tổng qt
Sarma

Cân bằng mơ men
Có
Có
Khơng

Có
Có
Khơng
Khơng
Khơng
Có
Có
5

Cân bằng lực
Khơng
Khơng
Có
Có
Có
Có
Có
Có
Có
Có


Bảng 1.2 Mối quan hệ các lực tương tác giữa các mảnh [5]
Phương pháp

Ordinary hoặc Fellenius
Bishop đơn giản
Janbu đơn giản
Spencer
Morgenstern-Price

Corps of Engineers – 1

Lực tương
tác pháp
tuyến (E)
Khơng
Có
Có
Có
Có
Có

Lực tương
tác tiếp
tuyến (X)
Khơng
Khơng
Khơng
Có
Có
Có

Corps of Engineers – 2

Có

Có

Lowe-Karafiath

Có

Có

Janbu tổng qt
Sarma

Có
Có

Có
Có

Tổng hợp lực

Khơng có lực
Lực nằm ngang
Lực nằm ngang
Hàm không đổi
Hàm thay đổi
Hợp lực song song với đường
mái dốc
Hợp lực song song với mặt trên
của thỏi đất
Là góc nghiêng trung bình của
mái dốc và đáy thỏi
X = C + Etan

Đối với PP phân tích giới hạn thì đất được coi như là một vật liệu dẻo tuyệt đối và thỏa
mãn đồng thời hai định lý giới hạn trên và giới hạn dưới. Theo nguyên lý giới hạn trên,

nếu các tải trọng ngoài tác dụng lên một khối trượt và công sinh ra bởi các tải trọng
ngồi gây gia tăng chuyển vị cân bằng với cơng sinh ra bởi nội lực thì giá trị tải trọng
ngồi khơng nhỏ hơn tải trọng phá hủy. Cịn theo ngun lý giới hạn dưới, nếu trường
ứng suất được tìm thấy cân bằng với tải trọng ngồi khơng vượt qua điều kiện phá hoại
thì tải trọng ngồi khơng lớn hơn tải trọng phá hủy [6].
Đối với PP số như phần tử hữu hạn thì khối đất được rời rạc hóa thành các phần tử liên kết
với nhau tại các điểm nút. Mỗi nút phần tử là một tập hợp các bậc tự do có thể thay đổi
dựa theo điều kiện biên của bài toán. Tất cả các điều kiện của phần tử được tập hợp lại
thành ma trận tổng thể. Giải phương trình ma trận tổng thể sẽ tìm được nghiệm của bài
toán. Griffiths và Lane (1999) cho rằng PP phần tử hữu hạn có những ưu điểm so với PP
khác như sau: (1) Khơng cần giả thiết hình dạng hoặc vị trí của mặt trượt, sự “trượt” xảy
ra một cách tự nhiên ở những vùng mà cường độ kháng cắt của đất không thỏa mãn điều
kiện cân bằng giới hạn; (2) Không cần giả thiết về lực tương tác giữa các mảnh vì khơng
cần phân chia khối trượt thành các mảnh, PP phần tử hữu hạn duy trì trạng thái cân bằng
tổng thể cho đến khi phá hoại; (3) Nếu có các thơng số về đặc

6


trưng biến dạng thì sẽ tìm được biến dạng của khối đất; (4) PP phần tử hữu hạn có khả
năng mơ phỏng q trình dẫn đến trạng thái phá hoại [7].
Trong các PP trên thì PP cân bằng giới hạn được sử dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới
cũng như ở Việt Nam trong các phân tích tính tốn và thiết kế mái dốc. Các phân tích này
được hỗ trợ tích cực bởi các phần mềm thương mại nổi tiếng trên thế giới như GeoStudio
của Canada hay Geo5 của Cộng hòa Séc [5], [8]. Các bộ phần mềm có giao diện đẹp, dễ
sử dụng và có thể tính toán được nhiều PP khác nhau như PP của Janbu (1954), Bishop
(1955), Morgenstern-Price (1965), Spencer (1967) và Sarma (1973).

1.1.2 Phân tích ổn định mái dốc trên cơ sở khoa học đất khơng bão hịa
Các tham số cường độ kháng cắt góc ma sát trong ‟ và lực dính đơn vị c‟) thường

được sử dụng khi thực hiện phân tích ổn định mái dốc đất bão hòa. Tuy nhiên, những
nghiên cứu gần đây đã làm sáng tỏ sự gia tăng của cường độ kháng cắt do áp lực nước
lỗ rỗng âm (lực hút dính) dẫn tới tăng hệ số ổn định mái dốc [1], [9].
Để xét ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng âm khi phân tích ổn định mái dốc đất khơng
bão hịa thì có thể sử dụng PP đưa lực hút dính vào lực dính của đất theo cách thức của
Ching và cộng sự, đây được gọi là PP “lực dính tồn phần” [10]. Theo PP này thì lực dính
của đất được xem là tăng lên khi lực hút dính của đất tăng lên. Độ tăng của lực dính từ lực
b

hút dính là (ua - uw)tg , cường độ kháng cắt của đất do lực dính đảm nhận được gộp vào
b

thành phần lực hút dính của đất là c = c‟+(u a - uw)tg . PP thứ hai để xét ảnh hưởng của
áp lực nước lỗ rỗng âm gọi là “cường độ kháng cắt mở rộng”. Quan hệ giữa cường độ
kháng cắt với lực hút dính có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến.
Fredlund và Rahardjo (1993) đã sử dụng PP “lực dính tồn phần” để đánh giá ổn định cho
một mái dốc đứng ở Hong Kong. Trong tính tốn, các tham số cường độ kháng cắt (‟, c‟
b

và  ) được các tác giả xác định từ thí nghiệm trong phịng. Áp lực nước lỗ rỗng âm được
xác định bằng các căng kế ở hiện trường. Trong chuỗi phân tích thứ nhất, khi bỏ qua ảnh
hưởng của lực hút dính thì hệ số ổn định mái dốc của các mặt cắt tính tốn đều nhỏ hơn
1,0 tức là mái dốc không ổn định. Tuy nhiên, trong thực tế các mái dốc vẫn ổn định, điều
đó chứng tỏ lực hút dính góp phần gia tăng cường độ kháng cắt và đã đảm bảo mái dốc ổn
định. Trong chuỗi phân tích thứ hai, dựa theo kết quả đo đạc

7