Ảnh hưởng của độ bão hòa trong đất cát pha sét đến độ ổn định của mái dốc

-i-

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------------

PHẠM NGỌC ĐĂNG KHOA

ẢNH HƢỞNG CỦA ĐỘ BÃO HÒA TRONG ĐẤT CÁT PHA
SÉT ĐẾN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA MÁI DỐC

Chun Ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng Trình Ngầm
Mã Số Ngành : 60580204

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH THÁNG 06 – 2015


- ii CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. ĐỖ THANH HẢI

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ..............................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : .............................................................................

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM
ngày ….. tháng ….. năm …..
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ bao gồm:

1............................................................................................................................
2............................................................................................................................
3............................................................................................................................
4............................................................................................................................
5............................................................................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận Văn và Trƣởng khoa
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

Nguyễn Minh Tâm


- iii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-----------------Tp.HCM, ngày 15 tháng 06 năm 2015
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: PHẠM NGỌC ĐĂNG KHOA

MSHV: 13090081

Ngày, tháng, năm sinh: 23-03-1981.

Nơi sinh: Đồng Nai

Địa chỉ mail:

Điện thoại: 0919126625

Chuyên ngành: KT Xây Dựng Cơng Trình Ngầm

MN: 60 58 02 04

I- TÊN ĐỀ TÀI:

ẢNH HƢỞNG CỦA ĐỘ BÃO HÒA TRONG ĐẤT CÁT PHA SÉT ĐẾN ĐỘ
ỔN ĐỊNH CỦA MÁI DỐC
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1- NHIỆM VỤ:

- Làm sáng tỏ bản chất mơ hình và các đặc trƣng của đất khơng bão hịa so
với đất bão hịa.
- Đƣa ra quy trình chế bị mẫu đất khơng bão hịa từ các chỉ tiêu vật lý của
đất.
- Thiết lập mối quan hệ của độ bão hịa trong đất khơng bão hịa đến sức
chống cắt của đất cát pha sét bằng thí nghiệm cắt trực tiếp trên mẫu chế bị
trong phòng.
- Thiết kế, chế tạo dụng cụ thí nghiệm đƣờng quan hệ Đất – Nƣớc (SWCC)
theo nguyên lý bình chiết tấm áp lực Tempe.
- Xây dựng đƣờng quan hệ Đất – Nƣớc (SWCC) cho đất cát pha sét.
- Tính tốn sự ổn định mái đốc bằng mơ hình đất bão hịa và mơ hình đất
khơng bão hịa. Sự thay đổi của hệ số an tồn ổn định mái dốc khi độ bão
hịa hay mực nƣớc ngầm thay đổi bằng phần mềm Geoslope.
2- NỘI DUNG:
- MỞ ĐẦU

- iv - CHƢƠNG 1: Tổng Quan Nghiên Cứu.
- CHƢƠNG 2: Cơ Sở Lý Thuyểt Đất Khơng Bão Hịa, Sức Chống Cắt Đất

Khơng Bão Hịa Và Mái Dốc.
- CHƢƠNG 3: Thí Nghiệm Trong Phịng Xác Định Cƣờng Độ Chống Cắt Và
Đƣờng Cong Đất – Nƣớc (SWCC) Trên Mẫu Đất Không Bão Hịa.
- CHƢƠNG 4: Ứng Dụng Tính Tốn Ổn Định Mái Dốc Thực Tế Bằng Phần Mềm

Geoslope.
- Kết Luận Và Kiến Nghị.
- Tài Liệu Tham Khảo.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 19/01/2015

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 15/06/2015
V- CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. ĐỖ THANH HẢI
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

TS. ĐỖ THANH HẢI

Ngày 15 tháng 06 năm 2015
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. LÊ BÁ VINH

TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TS. NGUYỄN MINH TÂM

-v-

LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn và gửi đến Thầy TS. Đỗ Thanh Hải lời
cảm ơn sâu sắc nhất, ngƣời đã tạo cho em ý tƣởng thực hiện đề tài này và luôn đồng
hành, tận tình hƣớng dẫn, truyền đạt kiến thức cho em trong suốt q trình hồn
hiện luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô trong Bộ môn Địa cơ - Nền móng Trƣờng Đại học Bách Khoa Tp. HCM đã tận tình dạy bảo trong suốt quá trình học
tập.
Em xin chân thành cảm ơn cô Đặng Thị Ngọc và các bạn Truyền, bạn Vĩnh,
đã quan tâm giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất trong suốt thời gian em làm thí
nghiệm nghiên cứu trong phịng thí nghiệm của bộ mơn Địa Cơ Nền Móng.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, bạn bè và các thầy cô đã tạo
điều kiện và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn thạc
sĩ này.

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2015
Học viên

Phạm Ngọc Đăng Khoa


- vi -

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Đất khơng bão hịa thƣờng có các đặc tính về ứng suất – biến dạng, biến thiên
áp lực nƣớc lỗ rỗng, cƣờng độ sức chống cắt, hệ số thấm,… không tuân theo các lý
thuyết của cơ học đất bão hịa. Trong thực tế có nhiều bài tốn địa kỹ thuật liên

quan tới mơi trƣờng đất khơng bão hồ nhƣ đất tàn tích, đất trƣơng nở, đất nén sập
và đất đầm nén…. Cƣờng độ chống cắt của đất khơng bão hịa có ảnh hƣởng rất lớn
đến trạng thái ổn định của cơng trình đất. Việc nghiên cứu xác định thông số cƣờng
độ chống cắt đất không bão hịa có ý nghĩa quan trọng và cần thiết. Luận văn này
trình bày phƣơng pháp xác định cƣờng độ chống cắt của một loại đất khơng bão hịa
tại Việt Nam bằng thí nghiệm cắt trực tiếp. Đƣờng cong đặc trƣng đất nƣớc
(SWCC) là thông số trung tâm của cơ học đất cho đất khơng bão hồ. Dụng cụ thí
nghiệm đƣợc chế tạo để xác định giá trị của đƣờng cong SWCC với cấp áp lực từ
10kPa đến 400 kPa. Kết quả cho thấy khi lực hút dính nhỏ hơn giá trị áp suất khí
vào 12kPa thì độ ẩm thể tích khơng đổi (đƣờng nằm ngang), khi lực hút dính vƣợt
qua giá trị khí vào thì độ ẩm thể tích giảm nhanh. Về ảnh hƣởng của độ bão hòa đối
với ổn định mái cho dốc, kết quả nghiên cứu hệ số ổn định của mái dốc giảm từ
2.07 đến 0.9 khi độ bão hòa tăng từ 50% đến 80%.


- vii -

SUMMARY OF THESIS
The properties of unsaturated soil on stress - strain relationship, pore pressure
variation, soil shear strength, and coefficient of seepage...are not conformed to the
theories of saturated soil mechanics. Many geotechnical problems are associated
with unsaturated soils such as residual soils, expansive or collapsible soils, and
compacted soils. Shear strength of an unsaturated soil has a huge effect on the
stability of a soil structure. The research in determining the shear strength of the
unsaturated soils has an important and necessary mean. This thesis represents the
method of determining shear strength of some unsaturated soils in VietNam by the
direct shear tests. Soil-water characteristic curve (SWCC) is central to unsaturated
soil mechanics. Testing apparatus is manufactured to determine the value of SWCC
in range of 10kPa to 400kPa. It is concluded that the matric suction less than air
entry value of 12kPa then the volume water got constant value (horizontal line),

when matric suction was over this air entry value then volume water decreased
quickly. The effect of saturation degree to the slope stability showed that the factor
of safety decreased from 2.07 to 0.9 when the saturation degree increased from 50%
to 80%.


- viii -

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là cơng trình nghiên cứu thực sự của
cá nhân tôi, đƣợc thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và tiến hành thí nghiệm
thực tiễn dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của TS. Đỗ Thanh Hải. Các số liệu, kết quả
thí nghiệm, mơ hình tính tốn và những kết quả trong luận văn là trung thực.

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2015
Học viên

Phạm Ngọc Đăng Khoa


- ix MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
1.

VẤN ĐỀ THỰC TIỄN VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ....................1

2.

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI .........................................................................................2

3.

PHƢƠNG PHÁP LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................2

4.

Ý NGHĨA ĐỀ TÀI ............................................................................................3

5.

ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ................................................4

6.

BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN .............................................................................4

1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ......................................................6
1.1 MÁI DỐC..............................................................................................................6
1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT BÃO HÒA VÀ ĐẤT KHƠNG BÃO HỊA ..................9
1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐẤT KHƠNG BÃO HỊA TRÊN THẾ GIỚI VÀ
Ở VIỆT NAM ...........................................................................................................12
1.3.1 Trên Thế Giới ...................................................................................................12
1.3.1.1 Tổng quan nghiên cứu các đặc trƣng cơ lý đất khơng bão hịa. ...............12
1.3.1.2 Tổng quan nghiên cứu về cƣờng độ chống cắt của đất bão hịa và đất
khơng bão hịa. ..........................................................................................................14
1.3.2 Ở Việt Nam.......................................................................................................16
2 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYỂT ĐẤT KHƠNG BÃO HỊA, SỨC
CHỐNG CẮT ĐẤT KHƠNG BÃO HỊA VÀ MÁI DỐC...................................19
2.1 ĐẤT KHƠNG BÃO HÒA ..................................................................................19
2.1.1 Định Nghĩa Một Pha.........................................................................................19

2.1.2 Mặt Phân Cách Khí Nƣớc Hay Mặt Ngồi Căng .............................................19
2.1.3 Tính Chất Của Các Pha Riêng Rẽ ....................................................................20
2.1.4 Các Quan Hệ Thể Tích Và Khối Lƣợng ..........................................................22
2.1.4.1 Độ rỗng .....................................................................................................23
2.1.4.2 Hệ số rỗng ................................................................................................23


-x2.1.4.3 Độ bão hòa ................................................................................................23
2.1.4.4 Độ ẩm ........................................................................................................24
2.1.4.5 Dung trọng đất ..........................................................................................24
2.1.5 Quan Hệ Khối Lƣợng - Thể Tích Cơ Bản ........................................................24
2.1.6 Những Thay Đổi Trong Các Tính Chất Thể Tích Khối Lƣợng .......................25
2.1.7 Các Biến Trạng Thái Ứng Suất ........................................................................26
2.1.8 Đƣờng Cong Đặc Trƣng Đất – Nƣớc (SCWW) ...............................................30
2.1.8.1 Phƣơng trình đƣờng đặc trƣng đất – nƣớc (SWCC) .................................32
2.1.8.2 Xác định đƣờng cong đặc trƣng đất – nƣớc (SWCC) bằng thực nghiệm.34
2.2 ĐỘ BỀN CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HỊA ................................36
2.2.1 Phƣơng Trình Cƣờng Độ Chống Cắt Của Đất Bão Hịa ..................................36
2.2.2 Phƣơng Trình Cƣờng Độ Chống Cắt Của Đất Khơng Bão Hịa ......................37
2.2.3 Thí Nghiệm Cắt Trực Tiếp Trên Đất Khơng Bão Hịa.....................................42
2.3 PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ......................................43
2.3.1 Mơ Hình Cân Bằng Mái Dốc Của Đất Khơng Bão Hịa ..................................43
2.3.2 Phƣơng Trình Cân Bằng Giới Hạn Tổng Qt (GLE) .....................................45
2.3.3 Cơng Thức Tính Hệ Số An Tồn Ổn Định Theo Cân Bằng Mơmen ...............46
3 CHƢƠNG 3: THÍ NGHIỆM TRONG PHỊNG XÁC ĐỊNH CƢỜNG ĐỘ
CHỐNG CẮT VÀ ĐƢỜNG CONG ĐẤT – NƢỚC (SWCC) TRÊN MẪU ĐẤT
KHƠNG BÃO HỊA ................................................................................................48
3.1 TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ĐẤT DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM ................48
3.1.1 Vị Trí Khu Vực Nghiên Cứu ............................................................................48
3.1.2 Lấy Mẫu Nguyên Dạng ....................................................................................49

3.1.3 Tính Chất Cơ Lý Đất Nguyên Dạng.................................................................53
3.2 THIẾT BỊ VÀ QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM CẮT TRỰC TIẾP .......................55
3.2.1 Thiết Bị Thí Nghiệm Cắt Trực Tiếp .................................................................55
3.2.2 Qui Trình Thí Nghiệm ......................................................................................56


- xi 3.2.3 Phƣơng Pháp Chế Bị Mẫu ................................................................................57
3.2.3.1 Quy Trình 1 ...............................................................................................58
3.2.3.2 Quy Trình 2 ...............................................................................................59
3.2.4 Kết Quả Thí Nghiệm ........................................................................................64
3.2.4.1 Kết quả sức chống cắt đối với độ bão hòa khác nhau...............................64
3.2.4.2 Mối quan hệ sức chống cắt và độ bão hòa tại mỗi cấp tải ........................68
3.2.4.3 Mối quan hệ cƣờng độ chống cắt và ứng suất pháp thực .........................69
3.3 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐƢỜNG CONG ĐẶC TRƢNG ĐẤT NƢỚC
SWCC........................................................................................................................69
3.3.1 Thiết Bị Thí Nghiệm ........................................................................................69
3.3.2 Phƣơng Pháp Thí Nghiệm ................................................................................71
3.3.2.1 Chuẩn bị mẫu ............................................................................................72
3.3.2.2 Bào hòa mẫu và đĩa gốm ..........................................................................72
3.3.2.3 Tiến hành thí nghiệm ................................................................................73
3.3.3 Kết Quả Thí Nghiệm ........................................................................................75
3.4 XÁC ĐỊNH SWCC THEO FREDLUND – XING .............................................77
3.5 Thơng số cƣờng độ kháng cắt khi tính đến lực hút dính .....................................78
4 CHƢƠNG 4: ỨNG DỤNG TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC Thực tế
BẰNG PHẦN MỀM GEOSLOPE .........................................................................82
4.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM TÍNH TỐN GEO SLOPE .............................82
4.2 ỨNG DỤNG TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC.............................................83
4.2.1 Đặc Điểm Và Tính Chất Của Mái Dốc ............................................................83
4.2.2 Phƣơng Pháp Phân Tích Bằng Phƣơng Pháp Lực Dính Tồn Phần ................84
4.2.2.1 Thơng số dƣa vào mơ hình .......................................................................85

4.2.2.2 Kết quả tính tốn .......................................................................................86
4.2.3 Phƣơng Pháp Phân Tích Với Đất Bão Hịa (b = 0, Ua-Uw=0) ........................90


- xii 4.2.3.1 Thơng số dƣa vào mơ hình .......................................................................90
4.2.3.2 Kết quả tính tốn .......................................................................................91
4.2.4 Phƣơng Pháp Phân Tích Với Đất Khơng Bão Hịa (b = 14.40) ......................91
4.2.4.1 Thơng số dƣa vào mơ hình .......................................................................91
4.2.4.2 Kết quả tính tốn .......................................................................................92
4.2.5 Phƣơng Pháp Phân Tích Với Đƣờng Cong Đất – Nƣớc ( SWCC ) .................93
4.2.5.1 Thơng số dƣa vào mơ hình .......................................................................93
4.2.5.2 Kết quả tính tốn .......................................................................................94
4.2.6 Phƣơng Pháp Phân Tích Với Thông Số ( a,m,n)Theo Fredlund - Xing...........94
4.2.6.1 Thông số dƣa vào mơ hình .......................................................................94
4.2.6.2 Kết quả tính tốn .......................................................................................96
4.3 ẢNH HƢỞNG CỦA ĐỘ BÃO HÒA hay MỰC NƢỚC NGẦM THAY ĐỔI
Đến SỰ ỔN ĐỊNH CỦA MÁI DỐC ........................................................................97
5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..............................................................................102
6 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................104


- xiii Hình ảnh
Hình 1.1: Các loại mái dốc tự nhiên và nhân tạo .......................................................6
Hình 1.2: Mơ hình mái dốc điển hình cho trượt xoay .................................................7
Hình 1.3: Các dạng mặt phá hoại: a) mặt phẳng; b) cung trịn; c) khơng theo quy
tắc; d) hỗn hợp ............................................................................................................8
Hình 1.4: Mặt cắt phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong đất không bão hịa (Fredllund
và Rahardjo, 1993)....................................................................................................10
Hình 2.1: Sơ đồ pha chính xác và đơn giản hố của đất khơng bão hồ. a) Hệ đất
khơng bão hồ bốn pha chính xác; b) Sơ đồ 3 pha đơn giản hố ............................20

Hình 2.2: Sơ đồ các pha của đất khơng bão hịa ......................................................20
Hình 2.3: Các quan hệ thể tích và khối lượng ..........................................................22
Hình 2.4: Dẫn xuất của quan hệ thể tích khối – khối lượng cơ bản .........................25
Hình 2.5: Các biến trạng thái ứng suất cho đất khơng bão hịa...............................30
Hình 2.6: Đường cong đặc trưng đất - nước (Fredlund và Xing, 1994) ..................31
Hình 2.7: Buồng áp lực Tempe ( Theo công ty thiết bị độ ẩm đất, 1985) ................35
Hình 2.8: Bình chiết tấm áp lực thể tích và các phụ tùng đo....................................35
Hình 2.9: Đường bao phá hoại Mohr - Coulomb cho đất bão hịa ..........................37
Hình 2.10: Đường bao phá hoại Mohr - Coulomb cho đất khơng bão hịa .............39
Hình 2.11: Đường bao phá hoại hai hướng của mẫu Granit phong hóa ................40
Hình 2.12: Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp ở sét xám Madrid ................................41
Hình 2.13: Mặt bao phá hoại Mohr – Coulomb mở rộng lập từ các kết quả cắt tực
tiếp .............................................................................................................................42
Hình 2.14: Lực tác dụng lên phân tố đất: a) mặt trượt cung tròn, b) mặt trượt tổ
hợp, c) mặt trượt gẫy khúc ........................................................................................45
Hình 3.1: Vị Trí Lấy Mẫu Đất ...................................................................................48
Hình 3.2: Địa hình khu vực nghiên cứu ....................................................................49
Hình 3.3: Ống lấy mẫu nguyên dạng ........................................................................49
Hình 3.4: Đào đến chiều sâu lấy mẫu .......................................................................50
Hình 3.5: Ép ống mẫu vào đất ..................................................................................50
Hình 3.6: Đào đất xung quanh ống mẫu ...................................................................51


- xiv Hình 3.7: Cắt ống mẫu khỏi khối đất .......................................................................51
Hình 3.8: Gia cơng cắt gọt mẫu ................................................................................52
Hình 3.9: Bảo quản mẫu ...........................................................................................52
Hình 3.10: Sơ đồ hộp cắt trực tiếp ...........................................................................55
Hình 3.11: Thiết bị cắt trực tiếp trong phịng thí nghiệm .........................................56
Hình 3.12: Lấy mẫu ra khỏi ống mẫu .......................................................................59
Hình 3.13: Cho mẫu vào dao vịng ...........................................................................60

Hình 3.14: Cắt gọt mẫu .............................................................................................60
Hình 3.15: Mẫu hồn thiện + Đem sấy khơ ..............................................................61
Hình 3.16: Mẫu đã sấy khơ .......................................................................................61
Hình 3.17: Cho nước vào mẫu đã sấy khơ ................................................................62
Hình 3.18: Bảo quản mẫu bằng bình giữ ẩm ...........................................................62
Hình 3.19: Cắt mẫu bằng máy cắt trực tiếp ............................................................63
Hình 3.20: Mẫu sau khi cắt .......................................................................................63
Hình 3.21: Mẫu đã cắt ..............................................................................................64
Hình 3.22: Quan hệ giữa (  ) và (  - ua) với độ bão hịa S=50% ..........................65
Hình 3.23: Quan hệ giữa (  ) và (  - ua) với độ bão hòa S=60% ..........................65
Hình 3.24: Quan hệ giữa (  ) và (  - ua) với độ bão hịa S=70% .........................66
Hình 3.25: Quan hệ giữa (  ) và (  - ua) với độ bão hịa S=80% ..........................67
Hình 3.26: Giá trị cường độ chống cắt tại cấp áp lực nén 100kN/m2 ......................67
Hình 3.27: Quan hệ cường độ chống cắt và độ bão hịa ..........................................68
Hình 3.28: Quan hệ cường độ chống cắt và ứng suất pháp .....................................69
Hình 3.29: Buồng áp lực (Tempe) xác định SWCC ..................................................70
Hình 3.30: Thiết bị thí nghiệm SWCC ( Buồng áp lực ) ...........................................70
Hình 3.31: Tấm gốm tiếp nhận khí áp cao ................................................................71
Hình 3.32: Mẫu đất đã bão hịa ................................................................................72
Hình 3.33: Mẫu đặt trong buồng áp lực thí nghiệm SWCC .....................................74
Hình 3.34: Lắp Tấm đỉnh vào buồng áp lực .............................................................74
Hình 3.35: Tăng áp lực vào buồng ...........................................................................75
Hình 3.36: Đường cong đặc trưng đất – nước (SWCC) ...........................................76


- xv Hình 3.37: Đường cong SWCC theo Fredlund - Xing ..............................................77
Hình 3.38: Xác định lực hút dính với độ bão hịa khác nhau ...................................78
Hình 3.39: Quan hệ cường độ chống cắt và độ hút dính ..........................................79
Hình 3.40: Mặt bao phá hoại Mohr – Coulomb mở rộng.........................................80
Hình 4.1: Tồn cảnh mái dốc tự nhiên .....................................................................83

Hình 4.2: Mặt cắt mái dốc ........................................................................................83
Hình 4.3: Mơ hình tính tốn trong Geo – Slope .......................................................86
Hình 4.4: Kết quả tính ổn định mái dốc với độ bão hịa 80% ..................................86
Hình 4.5: Kết quả tính ổn định mái dốc với độ bão hịa 70% ..................................87
Hình 4.6: Kết quả tính ổn định mái dốc với độ bão hịa 60% ..................................87
Hình 4.7: Kết quả tính ổn định mái dốc với độ bão hịa 50% ..................................88
Hình 4.8: Kết quả tính ổn định mái dốc với độ bão hịa 51,2% (tự nhiên) ..............88
Hình 4.9: So sánh hệ số an tồn mái dốc với độ bão hịa khác nhau .......................89
Hình 4.10: Thơng số lớp 1, trường hợp đất bão hịa b = 0 .....................................90
Hình 4.11: Đường đẳng áp cho đất khơng bão hịa và đất bão hịa ........................90
Hình 4.12: Kết quả tính ổn định mái dốc trường hợp đất bão hịa b = 0 ...............91
Hình 4.13: Thơng số lớp 1, trường hợp dùng b = 14.40 ..........................................92
Hình 4.14: Kết quả tính ổn định mái dốc trường hợp đất bão hòa b = 14.40 .........92
Hình 4.15: Thơng số lớp 1, trường hợp dùng SWCC ...............................................93
Hình 4.16: Đường cong SWCC được Geo – Slope dùng tính tốn...........................93
Hình 4.17: Kết quả tính ổn định mái dốc trường hợp dùng đường cong SWCC ......94
Hình 4.18: Thông số lớp 1, trường hợp dùng thông số theo Fredlund - Xing ..........95
Hình 4.19: Đường cong Theo Fredlund - Xing được Geo – Slope dùng tính tốn ..95
Hình 4.20: Kết quả tính ổn định mái dốc với thơng số Theo Fredlund - Xing .........96
Hình 4.21: So sánh hệ số ổn định mái dốc theo 4 phương pháp ..............................97
Hình 4.22: So sánh hệ số ổn định khi MNN thay đổi theo 4 phương pháp ..............99


- xvi Bảng Biểu
Bảng 2.1: Các tổ hợp có thể có của các biến trạng thái ứng suất cho đất khơng bão
hịa .............................................................................................................................29
Bảng 3.1: Tỷ lệ thành phần hạt ................................................................................53
Bảng 3.2: Số liệu thí nghiệm Tỷ trọng hạt ...............................................................53
Bảng3.3: Số liệu Thí nghiệm độ ẩm .........................................................................54
Bảng 3.4: Số liệu thí nghiệm sức chống cắt ..............................................................54

Bảng 3.5: Tính chất cơ lý của đất thí nghiệm ...........................................................55
Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp, với Sr = 50% .......................................64
Bảng 3.7: Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp, với S = 60% .........................................65
Bảng3.8: Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp, với S = 70% ..........................................66
Bảng 3.9: Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp, với S = 80% .........................................66
Bảng3.10: Lực cắt trung bình ở mỗi cấp tải và độ bão hòa .....................................68
Bảng 3.11: Kết quả thí nghiệm xác định đường cong SWCC ...................................76
Bảng 3.12 Kết quả cường độ sức kháng cắt tại lực hút dính khác nhau ..................78
Bảng 4.1: Chỉ tiêu cơ lý của lớp đất 1 đưa vào mơ hình tính tốn ...........................85
Bảng 4.2: Kết quả tính tốn ổn định mái dốc theo độ bão hịa ................................89
Bảng 4.3: Kết quả tính ổn định mái dốc theo 4 phương pháp ..................................96
Bảng 4.4: Kết quả tính hệ số ổn định khi MNN thay đổi theo 4 phương pháp .........98


- xvii -

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
SWCC : Đƣờng cong đặc trƣng đất – Nƣớc.
MNN: Mực nƣớc ngầm


-1MỞ ĐẦU
1.

VẤN ĐỀ THỰC TIỄN VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa với nguồn nhiệt và độ ẩm dồi

dào, ảnh hƣởng mạnh mẽ của chế độ gió mùa Đơng Bắc và Tây Nam. Địa hình tự
nhiên nƣớc ta mang tính chất là đồi núi, chiếm ¾ diện tích đất nƣớc, chủ yếu là đồi
núi thấp. Nƣớc ta đang trong thời kỳ phát triển nên việc xây dựng cơ sở hạ tầng,

khu dân cƣ, khu công nghiệp,.. đang diễn ra một cách mạnh mẽ. Trong điều kiện tự
nhiên nhƣ thế thì vấn đề ổn định mái dốc trong tự nhiên trở thành vấn đề quan trọng
trong việc xây dựng cơ sở hạ tầng.
Trong điều kiện tự nhiên và địa hình ở nƣớc ta, đa số mái dốc nằm ở vùng có
địa hình cao, mực nƣớc ngầm thấp, thời tiết khô hạn và lƣợng mƣa thay đổi qua
từng mùa trong năm. Đây là loại địa hình đặc trƣng cho loại đất khơng bão hòa và
độ bão hòa của đất thƣờng xuyên thay đổi theo từng tháng trong năm.
Trƣớc đây các cơng trình đất thƣờng đƣợc thiết kế trên cơ sở lý thuyết của Cơ
học đất bão hòa cổ điển. Hầu hết các nghiên cứu trong lĩnh vực Cơ học đất đều tập
trung chủ yếu vào mơi trƣờng đất bão hịa.. Các lý thuyết, kết quả tính tốn, kinh
nghiệm về cơ học đất bão hòa đƣợc chuyển giao và áp dụng trong thực tế sản xuất
đã đạt đƣợc những thành công khá lớn. Tuy nhiên các kiến thức, kinh nghiệm, lý
thuyết tính tốn, thiết bị thí nghiệm … cho đất khơng bão hịa cũng cịn nhiều hạn
chế.
Đất khơng bão hịa thƣờng có các đặc tính về ứng suất - biến dạng, biến thiên
áp lực nƣớc lỗ rỗng, cƣờng độ chống cắt, hệ số thấm,... không tuân theo các lý
thuyết của cơ học đất bão hòa. Trong thế kỷ XX, đã xuất hiện nhiều nghiên cứu về
Cơ học đất khơng bão hịa, tiêu biểu nhất là cuốn sách Cơ học đất khơng bão hịa
của D.G Fredlund và H. Rahardjo (1993), trong đó đã mở rộng các lý thuyết về đất
bão hòa của Terzaghi cho đất khơng bão hịa. Cho đến nay nƣớc ta chƣa có nhiều
nghiên cứu về các đặc tính cơ lý của đất khơng bão hịa, đặc biệt là nghiên cứu ảnh
hƣởng của cƣờng độ chống cắt của đất khơng bão hịa tới ổn định mái dốc. Khi
nghiên cứu đất khơng bão hóa, các đặc tính về hệ số thấm, biến dạng, đặc biệt là
cƣờng độ chống cắt và ổn định mái dốc ln biến đổi phụ thuộc vào độ bão hịa, độ


-2ẩm và lực hút dính. Ngồi ra, các loại đất của Việt Nam có những nguồn gốc thành
tạo, điều kiện tồn tại và biến đổi cũng nhƣ điều kiện khí hậu... khác nhau, do đó các
tính chất vật lý cơ học có những giá trị riêng, đặc biệt là các đặc tính của đất khơng
bão hịa. Vì vậy, việc sử dụng hồn tồn dữ liệu sẵn có của các thơng số đất khơng

bão hịa của các nƣớc trên thế giới khó đáp ứng độ chính xác phù hợp với các số
liệu tính tốn cho đất tại Việt Nam. Để tiếp cận với các nƣớc tiên tiến trên thế giới
thì việc xây dựng và thiết lập các thiết bị thí nghiệm để xác định các đặc tính của
đất khơng bão hịa cũng là một vấn đề quan trọng ở nƣớc ta. Trong phịng thí
nghiệm, có nhiều cách tạo nên mơi trƣờng đất khơng bão hịa khác nhau, một trong
những cách là dựa trên định nghĩa độ bão hòa, thay đổi thể tích nƣớc trên thể tích độ
rỗng xác định trƣớc thì độ bão hòa thay đổi.
Do vậy đề tài “Ảnh Hƣởng Của Độ Bão Hòa Trong Đất Cát Pha Sét Đến
Độ Ổn Định Của Mái Dốc” có tính cấp bách, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực
tiễn.
2.

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Làm sáng tỏ bản chất mơ hình và các đặc trƣng của đất khơng bão hịa so với

đất bão hịa.
Thiết lập mối quan hệ của độ bão hịa trong đất khơng bão hòa đến sức chống
cắt của đất cát pha sét bằng thí nghiệm cắt trực tiếp trên mẫu chế bị trong phòng.
Thiết lập đƣờng cong quan hệ Đất – Nƣớc (SWCC) của đất khơng bão hịa.
Dự báo sự an tồn của mái dốc khi ứng dụng các thông số đất khơng bão hịa
trong thiết kế và tính tốn bằng phần mềm Geoslope.
3.

PHƢƠNG PHÁP LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phƣơng Pháp Luận
Nghiên cứu nhằm góp phần vào kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của độ bão hòa

đến sức chống cắt của đất. Ngồi ra, khi đƣa vào tính tốn trong phần mềm
Geoslope, kết quả sẽ là một phƣơng án cho việc dự báo độ an tồn của mái dốc.
Q trình nghiên cứu và đánh giá kết quả nghiên cứu dựa trên các cơ sở sau:

+ Cơ sở pháp lý: các quy chuẩn, tiêu chuẩn về thí nghiệm xác định các chỉ tiêu


-3vật lý và cơ học của đất.
+ Cơ sở khoa học: lý thuyết toán học, lý thuyết cơ học đất, ...
+ Cơ sở thực tiễn: các cơng trình nghiên cứu tƣơng tự đã đƣợc thực hiện và
thu đƣợc kết quả ở Việt Nam cũng nhƣ trên Thế Giới.
Phƣơng Pháp Nghiên Cứu
+ Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu lý thuyết về đƣờng đặc trƣng
quan hệ đất - nƣớc, cƣờng độ chống cắt của đất khơng bão hịa.
+ Phƣơng pháp thực nghiệm: thí nghiệm xác định các chỉ tiêu tính chất của đất
khơng bão hịa; thí nghiệm xác lập đƣờng cong đặc trƣng quan hệ đất-nƣớc của đất
thí nghiệm; thí nghiệm xác định quan hệ giữa cƣờng độ chống cắt của đất khơng
bão hịa với các độ bão hịa khác nhau.
+ Phƣơng pháp phân tích ổn định mái dốc: tính tốn ổn định mái dốc khi xét
thơng số đất trong điều kiện bão hịa, khơng bão hịa.
4.

Ý NGHĨA ĐỀ TÀI
Ý nghĩa khoa học:
+ Đề tài đƣợc nghiên cứu sẽ đóng góp các hiểu biết có cơ sở khoa học hơn về

các thơng số của đất khơng bão hịa và ảnh hƣởng của chúng đến trạng thái ổn định
của mái dốc.
+ Nghiên cứu các kết quả thực nghiệm trên một loại đất Việt Nam về đƣờng
cong đặc trƣng đất - nƣớc, cƣờng độ chống cắt. Từ các kết quả rút ra trong nghiên
cứu thực nghiệm, đề tài sẽ ứng dụng nghiên cứu trạng thái ổn định của mái dốc để
chỉ ra đƣợc mức độ ảnh hƣởng của cƣờng độ chống cắt của đất khơng bão hịa đến
hệ số ổn định mái dốc.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu sẽ giúp cho việc dự báo sự ổn định

của mái dốc khi có lƣợng nƣớc từ ngồi thấm vào trong đất.
Tính mới: Hiện nay, việc xác định sức chống cắt của đất đƣợc thực hiện trên
mẫu đất tự nhiên hoặc bão hòa hoàn toàn. Trong thực tế, rất nhiều trƣờng hợp đất ở
trạng thái khơng bão hịa, hoặc độ bão hịa thay đổi theo thời gian, dẫn đến sức chống


-4cắt của đất thay đổi theo, đề tài “Ảnh Hƣởng Của Độ Bão Hòa Trong Đất Cát Pha
Sét Đến Độ Ổn Định Của Mái Dốc” đƣợc thực hiện nhằm giải quyết nội dung đó.
5.

ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Thời gian: 6 tháng kể từ ngày có quyết định giao luận văn
- Khơng gian: Hiện trƣờng và Phịng thí nghiệm
- Đối tƣợng nghiên cứu:
+ Đất cát pha sét
+ Ảnh hƣởng của độ bão hòa đến sức chống cắt của đất.
+ Mái dốc tại vùng có địa chất là cát pha sét.

6.

BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
Bố cục của luận văn bao gồm 4 chƣơng chính với nội dung các chƣơng nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan nghiên cứu. Trình bày đặc điểm mái dốc và tình hình

nghiên cứu các đặc trƣng cơ lý đất khơng bão hồ trong nƣớc và trên thế giới.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyểt đất không bão hịa, sức chống cắt đất khơng bão
hịa và mái dốc. Chƣơng này trình bày lý thuyết về lực hút dính, tính chất cơ lý, mối
quan hệ khối lƣợng thể tích của đất khơng bão hịa. Đặc điểm và phƣơng pháp xác
định đƣờng cong đặc trƣng đất - nƣớc (SWCC). Lý thuyết cơ bản về cƣờng độ
chống cắt của đất bão hịa - khơng bão hịa. Các phƣơng pháp xác định cƣờng độ

chống cắt trực tiếp bằng thực nghiệm và phƣơng pháp phân tích ổn mái dốc cho đất
khơng bão hồ.
Chƣơng 3: Thí nghiệm trong phịng xác định cƣờng độ chống cắt và đƣờng cong đặc
trƣng đất – nƣớc (SWCC) trên mẫu đất khơng bão hịa. Chƣơng này giới thiệu thiết bị

thí nghiệm và phƣơng pháp thí nghiệm xác định các đặc trƣng của đất khơng bão
hịa: đƣờng cong đặc trƣng đất - nƣớc, cƣờng độ chống cắt của đất không bão hịa
ứng với các độ bão hịa khác nhau. Trình bày các kết quả đạt đƣợc từ nghiên cứu
thực nghiệm: kết quả thí nghiệm xác định SWCC, các thí nghiệm cắt trực tiếp xác
định cƣờng độ chống cắt của đất khơng bão hịa ứng với các độ bão hịa khác nhau.


-5Chƣơng 4: Ứng dụng tính tốn ổn định mái dốc bằng phần mềm Geo-slope. Nhập

các kết quả thí nghiệm vào phần mềm GeoStudio 2007 để tính tốn ổn định mái dốc
theo các phƣơng án tính tốn.
Kết luận và kiến nghị : Đánh giá các kết quả nghiên cứu. Kiến nghị các biện

pháp và hƣớng phát triển của đề tài.


-61 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.1 MÁI DỐC
Mái dốc của khối đất đá có thể đƣợc hình thành do tác nhân tự nhiên hay nhân
tạo. Tất cả các mái dốc đều có xu hƣớng giảm độ dốc đến một dạng ổn định hơn,
cuối cùng chuyển sang nằm ngang và trong bối cảnh này, mất ổn định đƣợc quan
niệm là khi có xu hƣớng di chuyển và phá hoại. Các lực gây mất ổn định liên quan
chủ yếu với trọng lực và thấm trong khi sức chống phá hoại cơ bản là do hình dạng
mái dốc kết hợp với bản thân độ bền kháng cắt của đất và đá tạo nên, do đó khi tính
tốn ổn định của mái dốc cần phải xét đến đầy đủ các nội lực và ngoại lực [1].

Hình 1.1: Các loại mái dốc tự nhiên và nhân tạo
Sự di chuyển của khối đất đá có thể xảy ra do phá hoại cắt dọc theo một mặt ở
bên trong khối hay do ứng suất hiệu quả giữa các hạt giảm tạo nên sự hóa hỏng một
phần hay toàn bộ. Ngƣời ta đã quan sát đƣợc nhiều dạng di chuyển ( phá hoại) khác
nhau, có 3 dạng di chuyển thƣờng xảy ra nhiều hơn [1]:
a) Sụt lở: đất đá di chuyển rời xa khỏi chỗ bị gián đoạn: các thớ nứt, khe nứt,
mặt phẳng phân lớp dốc, mặt đứt gãy, … và điều kiện phá hoại có thể đƣợc
hỗ trợ hay thúc đẩy do tác động của áp lực nƣớc ở trong các gián đoạn đó.


-7b) Trượt : khối đất đá cơ bản không bị xáo động trong khi trƣợt theo một mặt
xác định. Xét về kết cấu, có 2 dạng trƣợt sau:
+ Trượt tịnh tiến: sự di chuyển tuyến tính của khối đá dọc theo mặt
phẳng phân lớp hoặc sự di chuyển của lớp đất nằm gần mặt đất dốc. Sự
di chuyển nhƣ thế thƣờng khá nông và song song với mặt đất
+ Trượt xoay: sự di chuyển dọc theo mặt cắt cong bằng cách là khối
trƣợt tụt xuống ở gần đỉnh mái dốc và đẩy trồi ở gần chân dốc (Hình 12).

Hình 1.2: Mơ hình mái dốc điển hình cho trượt xoay
c) Trượt dòng : bản thân khối trƣợt cũng bị sáo động và di chuyển một phần
hay toàn bộ nhƣ một chất lỏng. Trƣợt dòng thƣờng xảy ra trong đất yếu bão
hòa nƣớc khi áp lực nƣớc lỗ rỗng tăng đủ để làm mất toàn bộ độ bền chống
cắt. Mặt trƣợt thực hầu nhƣ khơng có hay chỉ biểu hiện từng lúc.
Đối tƣợng nghiên cứu trong luận văn là mái dốc tự nhiên do xói mịn hoặc
chia cắt, tại sƣời đồi hoặc thung lũng. Dạng mái dốc này có thể tồn tại hàng năm ở
trạng thái bắt đầu phá hoại, ở trạng thái tới hạn, nhƣng khi có sự thay đổi các điều
kiện tự nhiên (nhƣ mƣa, thốt nƣớc, …) hay có sự can thiệp của con ngƣời ( chất
tải, bóc lớp phủ bề mặt, đào chân mái dốc,…) sẽ thúc đẩy sự phá hoại mái dốc theo
mặt trƣợt đã tồn tại trƣớc hay tạo ra mặt trƣợt mới.

Những sự cố trƣợt lở lớn mái dốc trên thế giới và ở Việt Nam phần lớn có liên
quan đến trạng thái khơng bão hịa của đất. Các đất có vấn đề về trƣợt lở này thƣờng
có nguồn gốc tàn tích và mực nƣớc ngầm ở sâu. Các lớp đất trên mặt có áp lực nƣớc
lỗ rỗng âm, đóng vai trị quan trọng trong sự ổn định của mái dốc. Tuy nhiên, lƣợng


-8mƣa nhiều, liên tục có thể làm giảm áp lực lỗ rỗng âm của khối đất phía trên đƣờng
bão hịa, do đó cƣờng độ chống cắt giảm dẫn đến mái dốc mất ổn định.
Phƣơng pháp thƣờng dùng nhất để phân tích sự ổn định của mái dốc trong đất
dính là dựa trên việc xem xét cân bằng dẻo giới hạn. Về căn bản, điều kiện cân bằng
dẻo giới hạn tồn tại từ thời điểm mà dịch chuyển trƣợt cắt bắt đầu và biến dạng cứ
tiếp diễn mà ứng suất không đổi [1].
Trong thực tế, khi mái dốc bị mất ổn định, mặt trƣợt có thể có nhiều hình dạng
khác nhau. Sự trƣợt có thể xảy ra cục bộ hoặc phổ biến trên một chiều dài nhất định;
mặt trƣợt có dạng của mặt cầu (bài tốn khơng gian 3 chiều) hoặc mặt trụ (bài toán
phẳng 2 chiều). Dạng đơn giản nhất, do Cullmann đƣa ra vào năm 1866, là một mặt
phẳng dài vô hạn đi qua chân mái dốc. Phƣơng pháp này cho hệ số chảy an toàn nên
đã đánh giá quá cao điều kiện ổn định thực. Khi lựa chọn mặt trƣợt phức tạp hơn
nhƣ mặt cong xoắn logarit hay có dạng khơng theo quy tắc có thể cho kết quả gần
với giá trị thực, nhƣng việc phân tích dài dòng và kém hấp dẫn. Việc dùng mặt trụ
tròn xoay với mặt cắt ngang là cung tròn sẽ cho kết quả thỏa mãn độ chính xác mà
khơng cần tính tốn quá phức tạp. Hiện nay hầu hết các phƣơng pháp đều giả thiết
mặt trƣợt có dạng mặt trụ trịn xoay. Trƣờng hợp tồn tại lớp đá cứng dƣới nền hoặc
lớp đất mềm yếu trong nền, mặt trƣợt có dạng phức tạp [1].

Hình 1.3: Các dạng mặt phá hoại: a) mặt phẳng; b) cung trịn; c) khơng theo quy
tắc; d) hỗn hợp
Sự ổn định của mái dốc phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi của động thái áp lực