Nghiên cứu thực nghiệm xác định giá trị ứng suất tiếp giới hạn của vật liệu đất dính trong tính toán xói lở

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
  

NGUYỄN MINH NHẬT

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ ỨNG
SUẤT TIẾP GIỚI HẠN CỦA VẬT LIỆU ĐẤT DÍNH TRONG
TÍNH TỐN XĨI LỞ
CHUN NGÀNH: XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY
Mã số : 60.58.40

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH – tháng 7 năm 2012


KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
  

NGUYỄN MINH NHẬT

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ ỨNG
SUẤT TIẾP GIỚI HẠN CỦA VẬT LIỆU ĐẤT DÍNH TRONG
TÍNH TỐN XĨI LỞ
CHUN NGÀNH: XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY
Mã số : 60.58.40

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. LƯU XUÂN LỘC
TS. LÊ ANH TUẤN

TP. HỒ CHÍ MINH – tháng 7 năm 2012


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
  
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. LƯU XUÂN LỘC
TS. LÊ ANH TUẤN
Cán bộ chấm nhận xét 1: ..............................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: ..............................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
Thành phần Hội ñồng ñánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. .........................................................................
2. .........................................................................
3. .........................................................................
4. .........................................................................
5. .........................................................................
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1

CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2

Luận văn thạc sĩ ñược bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày …… tháng …… năm 2012


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHŨ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập – Tự Do – Hạn Phúc
----------------------------

Tp. HCM, ngày …… tháng……năm 2012

NHIỆM VỤ ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Minh Nhật

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 16-04-1983

Nơi sinh: T.T. Huế

Chun ngành: XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY

MSSV: 10200394

I – TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ ỨNG SUẤT TIẾP
GIỚI HẠN CỦA VẬT LIỆU ĐẤT DÍNH TRONG TÍNH TỐN XĨI LỞ
II– NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1- NHIỆM VỤ:
Nghiên cứu phương pháp thực nghiệm xác ñịnh khả năng kháng xói lở bờ
sơng cho các loại vật liệu đất dính và vật liệu gia cố trong tính tốn ñánh giá
xói lở.
2- NỘI DUNG:
Mở ñầu
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Vật liệu và phương pháp thí nghiệm
Chương 3: Thực nghiệm và ñánh giá kết quả
Chương 4: Kết luận và kiến nghị
III– NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 29/08/2011
IV– NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V– CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
TS. LƯU XUÂN LỘC
TS. LÊ ANH TUẤN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. Lưu Xuân Lộc

BM QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS. Lê Anh Tuấn

Đề cương Luận văn Thạc sĩ ñã được Hội đồng chun ngành thơng qua.

Ngày……tháng……năm 2012
PHỊNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


LỜI TRI ÂN

Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường, Em ñã nhận ñược sự hướng
dẫn và giúp đở nhiệt tình của các Thầy/Cơ trong bộ mơn Kỹ thuật Tài Nguyên
Nước, các Anh/ Chị và các bạn trong lớp Xây Dựng Cơng Trình Thủy khóa 2012.
Xin tri ân ñến tất cả mọi người.
Xin gởi lời cảm ơn ñến thầy Lưu Xuân Lộc, thầy Lê Anh Tuấn ñã hướng
dẫn, hỗ trợ trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Ngồi ra xi cảm ơn Phịng Thí
Nghiệm Vật Liệu Xây Dựng- Trường Đại Học Bách Khoa, Công ty TNHH Nghiên
Cứu Kỹ Thuật và Tư Vấn Xây Dựng Hồng Vinh, Phịng thí nghiệm hiện trường
LAS 666-Trung Tâm Kỹ Thuật 3 đã hỗ trợ trong quá trình nghiên cứu.


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tp HCM, ngày 02 tháng 07 năm 2012
Tác giả luận văn

Nguyễn Minh Nhật

TĨM TẮT
Luận văn trình bày nghiên cứu thực nghiệm xác ñịnh ứng suất tiếp giới hạn
của vật liệu ñất dính và vật liệu ñất gia cố xi măng. Sữ dụng phương pháp thí
nghiệm tia nước ngầm (Jet test) của Hanson và cook, 2004 ñể xác ñịnh ứng suất tiếp
giới hạn và hệ số xói mịn trong vật liệu đất dính, vật liệu đất gia cố xi măng. Vật
liệu đất dính ở ñây ñược lấy từ một khu vực thuộc bờ sơng Tp HCM. Đất gia cố xi
măng có hàm lượng xi măng ñược lựa chọn là 15 kg, 30 kg, 80 kg, 150 kg/ m3 ñể
nghiên cứu về sự phát triển cường ñộ và ứng suất tiếp giới hạn.
Nghiên cứu ñã chỉ ra ñất nghiên cứu thuộc loại ñất á sét với hàm lượng bùn
sét là 71% (56% bùn, 15% sét) và là loại đất xói mịn. Đất gia cố xi măng có quy
luật phát triển cường độ nén nở hông và ứng suất tiếp giới hạn là khá tương ñồng.
Với hàm lượng xi măng nhỏ hơn 80 kg/m3 (5%) tác động đến cường độ nén nở
hơng và ứng suất tiếp giới hạn hầu như khơng đáng kể. Từ hàm lượng xi măng
kg/m3 (5%) trở lên ứng suất tiếp giới hạn có sự gia tăng đáng kể, cụ thể là ñất gia cố
xi măng 5% (80 kg/m3) thuộc loại ñất kháng xói mịn ( τ c =23,37 Pa, k d =0,03
cm3/N-s); ñất gia cố xi măng 9% (150 kg/m3) thuộc loại đất rất kháng xói mịn.


ABSTRACT
This thesis presents experimental study to determine critical shear stress of
cohesive soil and soil-cement. A submerged jet-testing apparatus [Hanson và cook,
2004] has been used to determined critical shear stress of cohesive soil in river bank
at Ho Chi Minh City and soil-cement material. Soil-cement carried out with cement
content of 15 kg, 30 kg, 80 kg and 150 kg/ m3, respectively, to study the
development compressive strength and critical shear stress.
The study indicated that cohesive soil research was clay loam with 71 % siltclay content ( silt 56%, clay 15%) and erodible in soil classfication. Soil-cement
material has development rule of unconfined compressive strength and critical shear
stress, was fairly similar. In case of cement content less than 30 kg/m3 (2%) The
effect of cement content to unconfined compressive strength and critical shear stress

were negligible. In case of cement content equal to 30 kg/m3 (5%) or more, critical
shear stress increased significant, soil-cement material 80 kg cement/m3 (5%)
belong soil classification resistant erodible ( τ c =23,37 Pa, k d =0,03 cm3/N-s), soilcement material 150 kg cement/m3 (9%) and very resistant erodible in soil
classfication.


1

MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU.........................................................................................................9
1.
Tính cấp thiết của đề tài: ..................................................................................9
2.
Mục ñích và vấn ñề nghiên cứu của ñề tài.....................................................11
3.
Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................11
4.
Ý nghĩa khoa học và thực tiển của ñề tài .......................................................11
5.
Giới hạn của ñề tài .........................................................................................12
CHƯƠNG 1 ..............................................................................................................13
TỔNG QUAN ...........................................................................................................13
1.1
Quy luật cơ bản của xói mịn: ........................................................................13
1.2
Cơ sở khoa học cơng nghệ chống xói lở bờ sơng ..........................................15
1.3
Tổng quan về lịch sử nghiên cứu về phương pháp thực nghiệm xác ñịnh ứng
suất tiếp giới hạn .......................................................................................................18
1.3.1 Vật liệu khơng dính........................................................................................18

1.3.2 Vật liệu dính...................................................................................................21
1.3.3 Lịch sử nghiên cứu tương quan giữa ứng suất cắt giới hạn và tỉ lệ xói mịn
đến tính chất của đất..................................................................................................31
1.3.3.1 Ứng suất cắt giới hạn...................................................................................31
1.3.3.2 Tỷ lệ xói mịn ..............................................................................................33
CHƯƠNG 2 ..............................................................................................................34
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM....................................................34
2.1
Phương pháp thí nghiệm: ...............................................................................34
2.1.1 Chuẩn bị mẫu ñất (ASTM D421-85) .............................................................34
2.1.2 Thành phần hạt ( ASTM D422-63)................................................................34
2.1.3 Xác ñịnh giới hạn chảy dẻo Atterberg (ASTM D4318-00) ...........................35
2.1.4 Xác ñịnh ñộ ẩm ñất (ASTM D2216)..............................................................36
2.1.5 Trọng lượng riêng của đất (ASTM 854-02)...................................................37
2.1.6 Thí nghiệm nén đơn – Nén 1 trục nở hông (ASTM D2166-00) ....................38
2.1.7 Phương pháp xác định khả năng kháng xói lở bờ sơng bằng thiết bị tia nước
ngầm (ASTM D5852-03)..........................................................................................39
2.1.7.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp................................................................39
2.1.7.2 Tính tốn phân tích trong thí nghiệm xói tia nước ngầm:...........................42
2.2
Phương pháp chuẩn bị mẫu:...........................................................................46
CHƯƠNG 3 ..............................................................................................................56


2

THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ.........................................................56
3.1
Thử nghiệm tính chất cơ lý mẫu ñất: .............................................................56
3.2

Thử nghiệm cường ñộ nén nở hơng: ..............................................................56
3.2.1 Tương quan giữa cường độ nén nở hơng và ngày tuổi thử nghiệm:..............57
3.2.2 Tương quan giữa cường ñộ nén nở hông và hàm lượng xi măng:.................58
3.2.3 Tương quan phần trăm phát triển cường độ nén nở hơng với hàm lượng xi
măng và ngày tuổi thử nghiệm:.................................................................................58
3.2.4 Tương quan giữa cường độ nén nở hơng và biến dạng dọc trục ...................59
3.2.5 Tương quan giữa cường độ nén nở hơng với tỷ lệ nước trên xi măng: .........60
3.2.6 Nhận xét và ñánh giá:.....................................................................................60
3.3
Thử nghiệm ứng suất tiếp giới hạn và hệ số xói mịn:...................................62
3.3.1 Thiết bị thử nghiệm và điều kiện thử nghiệm:...............................................62
3.3.1.1Thiết bị thử nghiệm........................................................................................62
3.3.1.2Trình tự thử nghiệm .......................................................................................63
3.3.1.3Điều kiện thử nghiệm.....................................................................................63
3.3.2 Phân tích kết quả thử nghiệm:........................................................................64
3.3.2.1Thử nghiệm mẫu ñất tự nhiên (Case 0)..........................................................64
3.3.2.2Thử nghiệm mẫu ñất gia cố 15 kg xi măng (Case1) ......................................67
3.3.2.3Thử nghiệm mẫu ñất ia cố 30 kg xi măng (Case2) ........................................70
3.3.2.4Thử nghiệm mẫu ñất gia cố 80 kg xi măng (Case3) ......................................72
3.3.2.5Thử nghiệm mẫu ñất gia cố 150 kg xi măng (Case4) ....................................76
3.3.3 Kết quả so sánh và ñánh giá:..........................................................................77
3.3.3.1Kết quả thử nghiệm ứng suất tiếp giới hạn và hệ số xói mịn bằng thiết bị tia
nước ngầm trên mẫu ñất tự nhiên và ñất gia cố xi măng ..........................................77
3.3.3.2Tương quan giữa ứng suất tiếp giới hạn τ c và tỉ lệ xói mịn k d ....................78
3.3.3.3Nhận xét và đánh giá:.....................................................................................79
KẾT LUẬN ...............................................................................................................84
KIẾN NGHỊ ..............................................................................................................85
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .....................................................................86
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................87
PHỤ LỤC KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM.....................................................................90

3

MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 - Quan hệ q trình bồi tụ trầm tích, sự ổn định của lịng dẫn và hình dạng
của lịng dẫn .............................................................................................................. 14
Hình 1.2 – Tương quan giữa tốc độ gây xói lở của dịng chảy ñối với các loại ñất
khác nhau .................................................................................................................. 15
Hình 1.3 – Hiện tượng xói lở bờ sơng ở đoạn sơng uốn khúc .................................. 16
Hình 1.4 – Dạng phá hủy mất ổn định bờ sơng ........................................................ 16
Hình 1.5 - Biểu đồ Shields như cập nhật Yalin và Karahan (1979)......................... 19
Hình 1.6. Một hình thức thay thế của biểu đồ Shields để xác ñịnh trực tiếp của ứng
suất cắt giới hạn (Sturm 2001) ................................................................................. 21
Hình 1. 7. Mẫu lõi bùn cát bị tác dụng của dịng chảy trong sơ đồ thí nghiệm máng
nước trong phịng thử nghiệm (Julien 1998)............................................................ 23
Hình 1.8. Mặt bằng và mặt đứng của máng xói mịn tại chỗ (Krishnappan và
Droppo 2006) ............................................................................................................ 26
Hình 1.9. máng xói mịn tại chỗ (Debnath và cộng sự 2007 ) .................................. 27
Hình 2.1 – Mặt cắt ñứng và phân phối ứng suất của thiết bị tia nước ngầm (JT) .... 42
Hình 2.2 Đồ thị biểu diễn ñường cong hyperbolic của kết quả thử nghiệm jet test ñể
xác ñịnh ứng suất tiếp giới hạn τ c ............................................................................ 44
Hình 2.3 Đồ thị tối ưu hóa ước tính của thời gian xói khơng thứ ngun và chiều
sâu xói khơng thứ ngun để xác định hệ số xói kd ................................................. 45
Hình 2.4 - Sơ đồ q trình thực hiện......................................................................... 46
Hình 2.5 Vị trí lấy mẫu thử nghiệm .......................................................................... 47
Hình 2.6. Tương quan giữa hàm lượng xi măng và cường ñộ của ñất gia cố xi măng
theo Bergado và nnk (1996) và Lin (2000)............................................................... 49
Hình 2.7. Tương quan giữa tỷ lệ nước/ xi măng và cường ñộ nén nở hơng của đất
gia cố xi măng theo Miura và nnk (2002) [41] ......................................................... 50

Hình 2.8. Thiệt bị trộn mẫu xi măng đất ................................................................... 51
Hình 2.9. Khn tạo mẫu xi măng ñất thử nghiệm cường ñộ nén nở hông.............. 51


4

Hình 2.10. Khn tạo mẫu đất thử nghiệm tia nước ngầm (JT) ............................... 52
Hình 2.11. Tủ bảo dưỡng mẫu .................................................................................. 53
Hình 2.12. Thiết bị nén nở hơng .............................................................................. 54
Hình 2.13. Thiết bị thử nghiệm tia nước ngầm (JT) ................................................ 55
Hình 3.1 Tương quan giữa cường độ nén nở hơng và ngày tuổi thử nghiệm.......... 57
Hình 3.2 Tương quan giữa cường ñộ nén nở hông và hàm lượng xi măng ............. 58
Hình 3.3 Tương quan phần trăm phát triển cường độ nén nở hông với hàm lượng xi
măng và ngày tuổi thử nghiệm.................................................................................. 58
Hình 3.4 Tương quan giữa cường độ nén nở hơng và biến dạng dọc trục............... 59
Hình 3.5 - Tương quan giữa cường độ nén nở hơng với tỷ lệ nước trên xi măng .... 60
Hình 3.6 - Sơ ñồ thiết bị thử nghiệm tia nước ngầm (JT)......................................... 62
Hình 3.7 - Q trình phát triển hố xói của mẫu ñất tự nhiên (Case 0)...................... 64
Hình 3.8 - Đường cong hyperbolic của kết quả thử nghiệm ñất tự nhiên (Case 0) ñể
xác ñịnh ứng suất tiếp giới hạn τ c ............................................................................ 66
Hình 3.9 - Đồ thị tối ưu hóa ước tính của thời gian xói khơng thứ ngun và chiều
sâu xói khơng thứ ngun để xác định hệ số xói kd của đất tự nhiên (Case 0) ........ 66
Hình 3.10 - Q trình phát triển hố xói của mẫu đất gia cố xi măng 15 kg (Case 1) 67
Hình 3.11 - Đường cong hyperbolic của kết quả thử nghiệm ñất gia cố 15 kg xi
măng (Case 1) ñể xác ñịnh ứng suất tiếp giới hạn τ c ............................................... 69
Hình 3.12 - Đồ thị tối ưu hóa ước tính của thời gian xói khơng thứ ngun và chiều
sâu xói khơng thứ ngun để xác định hệ số xói kd của đất gia cố 15 kg xi măng
(Case 1) ..................................................................................................................... 69
Hình 3.13 - Q trình phát triển hố xói của mẫu đất gia cố xi măng 30 kg (Case 2) 70
Hình 3.14 - Đường cong hyperbolic của kết quả thử nghiệm ñất gia cố 30 kg xi

măng (Case 2) ñể xác ñịnh ứng suất tiếp giới hạn τ c .............................................. 72
Hình 3.15 - Đồ thị tối ưu hóa ước tính của thời gian xói khơng thứ ngun và chiều
sâu xói khơng thứ ngun để xác định hệ số xói kd của đất gia cố 30 kg xi măng
(Case 2) ..................................................................................................................... 72


5

Hình 3.16 - Q trình phát triển hố xói của mẫu ñất gia cố xi măng 80 kg (Case 3) 73
Hình 3.17 - Đường cong hyperbolic của kết quả thử nghiệm ñất gia cố 80 kg xi
măng (Case 3) ñể xác ñịnh ứng suất tiếp giới hạn τ c ............................................... 75
Hình 3.18 - Đồ thị tối ưu hóa ước tính của thời gian xói khơng thứ ngun và chiều
sâu xói khơng thứ ngun để xác định hệ số xói kd của ñất gia cố 80 kg xi măng
(Case 3) ..................................................................................................................... 75
Hình 3.19 - Q trình phát triển hố xói của mẫu đất gia cố xi măng 150 kg (Case 4)76
Hình 3.20 - Mẫu thử sau khi thử nghiệm tia nước ngầm (JT) .................................. 77
Hình 3.21 - Biểu thị Tương quan giữa ứng suất tiếp giới hạn τ c và tỉ lệ xói mịn k d 78
Hình 3.22 Phân loại xói mòn theo Hanson và Simon (2001) ................................... 83


6

MỤC LỤC BẢNG
Bảng 1.1- Danh sách các tham số ñược sử dụng để mơ tả vật liệu dính khơng bao
gồm các ảnh hưởng sinh học (Winterwerp và cộng sự. 1990)................................ 22
Bảng 1.2 - liệt kê các hệ số thảm thực vật dao ñộng từ 1 ñến 19,20 (Julian và
Torres 2006) .............................................................................................................. 32
Bảng 2.1 Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng................................................................... 48
Bảng 2.2 Thành phần cấp phối trộn ñất gia cố xi măng ........................................... 50
Bảng 3.1 Các chỉ tiêu cơ lý của mẫu ñất tự nhiên..................................................... 56

Bảng 3.2 Kết quả thử nghiệm cường độ nén nở hơng .............................................. 56
Bảng 3.3 Kết quả phân tích thử nghiệm tia nước ngầm (JT) mẫu ñất tự nhiên
(Case0) ...................................................................................................................... 65
Bảng 3.4 Kết quả phân tích thử nghiệm tia nước ngầm (JT) mẫu đất gia cố 15 kg xi
măng (Case1) ............................................................................................................ 68
Bảng 3.5 Kết quả phân tích thử nghiệm tia nước ngầm (JT) mẫu đất gia cố 30 kg xi
măng (Case2) ............................................................................................................ 71
Bảng 3.6 Kết quả phân tích thử nghiệm tia nước ngầm (JT) mẫu ñất gia cố 80 kg xi
măng (Case3) ............................................................................................................ 74
Bảng 3.7 Kết quả thử nghiệm tia nước ngầm trên các mẫu ñất gia cố xi măng ....... 77
Bảng 3.8 Kết quả thí nghiệm xói (JT) và các phương pháp ước tính ứng suất cắt giới
hạn ( τ c ) trước ñây..................................................................................................... 79
Bảng 3.9 Thí nghiệm của Cami Choronko (2010)[11] trên mẫu chế bí đất á sét ..... 80
Bảng 3.10 Thí nghiệm của Cami Choronko (2010)[11] trên mẫu chế bí đất sét ..... 80
Bảng 3.11 Kết quả thử nghiệm của Nguyễn Anh Ngọc, 2011 [2] trên các loại ñất
khác nhau .................................................................................................................. 82


7

KÝ HIỆU
JT

: Thí nghiệm tia nước ngầm ( Jest test)

P

: Động năng dòng chảy

m

: khối lượng

v

: vận tốc dòng chảy

R

: Bán kính thủy lực

S

: Độ dốc mặt nước

d*

: Kích thước hạt không thứ nguyên

SG

: Trọng lượng riêng bùn cát

g

: Gia tốc trọng trường

d 50

: Kích thước hạt với 50% lọt sàng

ν

: Độ nhớt ñộng học của chất lỏng

τc

: Ứng suất tiếp giới hạn

τ

: Ứng suất tiếp hữu hiệu

τi

: Ứng suất ban ñầu tại bề mặt mẫu

τ0

: Ứng suất lớn nhất

J

: Khoảng cách từ mũi phun đến tâm hố xói

Jp

: Chiều dài cột nước thế năng

Ji

: Chiều cao ban ñầu của vòi phun

Cd

: Hệ số khuếch tán = 6,3

Cf

: Hệ số ma sát = 0,00416

ρ

: Khối lượng riêng chất lỏng

γ

: Trọng lượng riêng

γs

: Trọng lượng riêng của bùn cát

τ c*

: Ứng suất tiếp giới hạn khơng thứ ngun

kd

: Hệ số xói mịn

ε

: tỷ lệ xói mịn


8

Vol

: Khối lượng của vật liệu mất ñi trong khi thử nghiệm

h

: ñộ cao của tia nước trên bề mặt ñất

d

: ñường kính của mũi phun tia nước

V

: Vận tốc tia nước

µ

: độ nhớt tuyệt đối của chất lỏng

t

: thời gian

τa

: ứng suất cắt tác dụng trên lớp biên

Iw

: chỉ số dẻo

Dr

: tỷ lệ phân tán

Pc

: hàm lượng hạt sét

SC

: hàm lượng bùn sét

W

: Độ ẩm của mẫu

ρd

: Khối lượng riêng của mẫu ñất

ρn

: Khối lượng riêng của nước ở nhiệt tn

qu

: Cường độ nén nở hơng

P

: Tải trọng phá hoại

A

: Diện tích chịu nén của mẫu

A0
: Là diện tích tiết diện ngang ban ñầu của mẫu
ε (%) : Biến dạng dọc trục của mẫu
∆L

: Chiều cao biến dạng

L0

: Là chiều cao mẫu ban ñầu


9

PHẦN MỞ ĐẦU

1.

Tính cấp thiết của đề tài:
Tình hình sạt lở và biến đổi lịng dẫn trong sơng là một vấn đề xảy ra phổ

biến trên khắp thế giới. Nó ảnh hưởng rất lớn ñến rất nhiều lĩnh vực kinh tế, xã hội,
mơi sinh, mơi trường…
Hệ thống sơng ngịi kênh rạch chằng chịt là một trong những ñặc trưng nổi
bật nhất của Đồng bằng sông Cửu long (ĐBSCL). Kênh rạch khơng chỉ làm nhiệm
vụ tưới, tiêu, thốt lũ cho nơng nghiệp mà cịn là hệ thống giao thơng thủy đặc biệt
quan trọng ñối với mọi họat ñộng kinh tế - xã hội trong vùng. Dọc theo các dịng
sơng, các con kênh là cư trú, sinh họat “trên bến, dưới thuyền” của hàng triệu người
dân vùng ñồng băng. Ngày nay các vùng dân cư dọc theo các tuyến kênh ñã và ñang
trở nên trù phú, hiện ñại. Các ñô thị, thị trấn, thị tứ cũng hình thành và phát triển sát
khu vực bờ sơng. Tuy nhiên, ĐBSCL lại là vùng đất mới phát triển nhờ sự bồi đắp
phù sa của sơng Mekong chừng vài trăm năm. Những con sơng chính vẫn trong thời
kỳ biến đổi lịng dẫn. Các kênh rạch mới được đào trong vịng vài chục năm đến
nay cũng khơng ngừng bị biến thái do sự tương tác giữa dòng chảy ln thay đổi
(theo năm/theo mùa và thậm chí trong ngày) và lịng dẫn vốn là đất mềm yếu phân
bố hầu hết ở ĐBSCL. Hệ quả của sự thay ñổi lịng dẫn là sự sạt lở bờ sơng, kênh
rạch. Hàng trăm ñiểm sạt lở thường xuyên ñã ñược xác ñịnh trên các tuyến sơng
chính như sơng Tiền, sơng Hậu và các chi lưu. Cịn nhiều hơn thế các điểm sạt lở
cục bộ trên các kênh rạch nhỏ hơn khơng có ñiều kiện ñược khảo sát và ñưa vào các
ghi chép nghiên cứu. Sạt lở trên các tuyến kênh rạch ở ĐBSCL ngày càng trở nên
nghiêm trọng do con người tác ñộng ngày càng nhiều hơn vào thiên nhiên trong quá
trình sản xuất và phát triển. Thiệt hại do sạt lở cũng ngày một lớn hơn do quy mơ,
mức độ sạt lở và ñời sống kinh tế xã hội dân cư ven sơng cao hơn. Khơng chỉ có
thiệt hại về tài sản, nhiều cư dân vùng ven sơng đã bị thiệt mạng do khơng kịp đối

phó, di dời tránh sạt lở ñất. Một số thị trấn, thị tứ ñang bị ñe dọa, thậm chí tỉnh lỵ Sa


10

ñéc ñã phải di dời khỏi khu vực bị sạt lở.
Ngay tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh (TPHCM) sạt lở bờ sơng xảy ra tại
rất nhiều địa điểm dọc theo sơng Sài gịn và các kênh rạch khác, trong đó sự cố sạt
lở tại bán đảo Thanh đa từng gây thiệt hại về tài sản và sinh mạng.
Nghiên cứu đánh giá khả năng kháng xói của các loại vật liệu bờ sông khác
nhau, cũng như các giảp pháp phòng tránh những rủi ro xảy ra do sạt lở bờ sông ở
khu vực ĐBSCL luôn luôn là mối quan tâm của các nhà khoa học và các cấp chính
quyền từ Trung ương tới địa phương. Các biện pháp “cơng trình” và “phi cơng
trình” (cảnh báo, di dời…) cũng đã ñược áp dụng nhằm giảm thiểu những thiệt hại
do tình trạng sạt lở bờ sông gây ra.
Tuy vậy, do sạt lở xảy ra trên phạm vi toàn bộ hệ thống kênh rạch vùng đồng
bằng mà kinh phí khắc phục từ nguồn vốn ngân sách cũng như của người dân còn ở
mức rất hạn chế. Cho nên nghiên cứu những giải pháp có chi phí thấp ln là thách
thức đối với cơng tác phịng chống, giảm nhẹ thiên tai vì nó khơng chỉ có ý nghĩa
kinh tế thuần túy mà cịn tạo nên khả năng bảo vệ ñược nhiều người, nhiều ñất ñai
trong giới hạn của ngân sách.
Cũng ñã có nhiều ñề xuất giải pháp vật liệu mới, công nghệ mới ñã ñưa ra ñể
giải quyết cho vấn ñề xói lở bờ sông ở ĐBSCL như là: thảm bê tông FS, thảm bê
tông tự chèn lưới thép P.Đ.TAC-M, mảng mềm bê tơng tự chèn P.Đ.TAC-178 và
thảm đá reno mattress, vải địa kỹ thuật, cừ bản bê tông ứng suất trước, cừ bản nhựa
vinyl, khối Tetrapod, cỏ chống xói mịn Vetiver…Nhưng hầu hết các giải pháp chi
phi vẫn đang cịn cao và chưa thân thiện về môi trường.
Giải pháp gia cố bờ sơng bằng vật liệu địa phương, tại chỗ, giá thành rẻ,
cũng nên xem xét góp phần cho nhiều sự lựa chọn trong bài toán nghiên cứu những
giải pháp gia cố bờ sơng có chi phí thấp và thân thiện mơi trường.

Vấn ñề ñặt ra ở ñây làm sao sử dụng hiệu quả vật liệu ñịa phương vào trong
gia cố bờ sơng tránh sạt lở, xác định khả năng kháng xói τc vật liệu ñịa phương và
vật liệu gia cố giúp cho cơng tác tính tốn đánh giá xói lở bờ sông.


11

Trong phạm vi của ñề tài ở ñây ñi vào “Nghiên cứu thực nghiệm xác ñịnh
ứng suất tiếp giới hạn của vật liệu đất dính trong tính tốn đánh giá xói lở” bằng
phương pháp thí nghiệm bằng thiết bị phun tia nước ngầm của Hanson [8]
Ưu ñiểm của phương pháp là quy trình thí nghiệm đơn giản, nhanh chóng và
khơng q tốn kém. Các thơng số thu được từ kết quả thí nghiệm có thể được sử
dụng để tính tốn và dự đốn xói mịn.

2.

Mục đích và vấn đề nghiên cứu của đề tài
Nhiệm vụ chính của đề tài ““Nghiên cứu thực nghiệm xác ñịnh ứng suất tiếp

giới hạn của vật liệu đất dính trong tính tốn đánh giá xói lở”
-

Nghiên cứu phương pháp xác ñịnh ứng suất tiếp giới hạn, hệ số xói, và tương
quan giữa ứng suất tiếp giới hạn, hệ số xói với tính chất vật liệu bờ sơng.

-

Ứng dụng phương pháp đánh giá khả năng xói lở của vật liệu bờ sông cũng
như trong vật liệu gia cố bờ sông

3.

Phương pháp nghiên cứu

3.1 Phương pháp lý thuyết
-

Cơ sở lý thuyết phương pháp thực nghiệm ñánh giá khả năng xói mịn

3.2 Phương pháp thực nghiệm
-

Thực nghiệm xác định ứng suất tiếp giới hạn trong tính tốn xói lở bờ sơng
bằng các thí nghiệm.

4.

-

Xây dựng mơ hình nghiên cứu.

-

Thu thập số liệu từ thí nghiệm.

-

Phân tích đánh giá các số liệu thí nghiệm

Ý nghĩa khoa học và thực tiển của ñề tài

-

Xây dựng ñược phương pháp ñánh giá và mơ phỏng xói mịn trong vật liệu
đất dính.

-

Đánh giá được mức độ xói mịn trong vật liệu đất dính và vật liệu gia cố bờ


12

sơng.
-

5.

So sánh được với các phương pháp dự đốn xói mịn bờ sơng trước đây.

Giới hạn của đề tài
Do hạn chế về thời gian và thiết bị thử nghiệm nên giới hạn trong ñề tài này:
-

Chỉ nghiên cứu ñất trong một khu vực ở Thành phố Hồ Chí Minh.

-

Chưa có sự so sánh với các thiết bị thực nghiệm xác ñinh ứng suất giới hạn
khác.

-

Chưa nghiên cứu ảnh hưởng của các tính chất đất khác nhau vào kết quả thử
nghiệm tia nước ngầm (JT)

-

Chỉ thực nghiệm phương pháp lên vật liệu gia cố là xi măng ñất, chưa thực
nghiệm phương pháp lên các giải pháp gia cố bờ sông bằng vật liệu gia cố
khác.


13

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN

1.1 Quy luật cơ bản của xói mịn:
Xói lở bờ sơng là một hiện tượng địa chất được ñề cập từ lâu trong các tài
liệu chuyên khảo và các sách chun mơn về địa chất, địa chất cơng trình cũng như
địa chất mơi trường . Trong quyển “Địa chất động lực cơng trình” của giáo sư
V.D.Lơmtagzê [22] đã nói rõ các yếu tố quyết định hoạt động xói lở của sơng trước
hết là động năng P do dịng chảy tạo ra:
P=

m.v ²
2

(1)

Trong đó, m là khối lượng nước; v là tốc độ dịng chảy.
Xói lở sơng xảy ra khi động năng dịng chảy P vượt q hoặc ngang bằng với
tĩnh năng của trọng lượng các vật liệu rắn do dòng chảy mang tải.
Động năng dòng chảy trên một ñoạn sông phụ thuộc vào các yếu tố như ñặc
ñiểm của chế ñộ thủy văn, cấu trúc của thung lũng sơng, tức là các đặc điểm địa
mạo của thung lũng, thành phần và tính chất của đất đá tạo nên lịng và bờ sơng,
hoạt động của các q trình địa chất kéo theo và các hoạt ñộng kinh tế của con
người. Quan hệ phụ thuộc này được lượng hóa qua cơng thức tính tốc độ dịng chảy
của sơng do Chezy đề ra:
V=C (RS )

(2)

Trong đó R là bán kính thủy lực và S là ñộ dốc mặt nước; C là một hằng số
phụ thuộc vào các đặc trưng của lịng dẫn.
Theo giáo sư V.D.Lomtadze [22] thì để đánh giá và dự báo hiện tượng xói lở
bờ sơng cần phải xét ñến các yếu tố khu vực và các yếu tố ñịa phương.
Các yếu tố khu vực cần xem xét trước hết là các đặc điểm thủy văn của sơng,
cấu trúc ñịa chất của thung lũng sông và các ñặc ñiểm ñịa chất khu vực. Qua phân
tích các yếu tố ấy thường có thể xác định được những đoạn bờ sơng có khả năng
xảy ra xói lở với những mức độ nghiêm trọng khác nhau. Matthew R.Bennett và


14

Peter Doyle [23] đã cụ thể hóa ý kiến trên của giáo sư V.D.Lomtadze bằng một sơ
đồ nói rõ quan hệ q trình bồi tụ trầm tích, sự ổn định của lịng dẫn và hình dạng
của lịng dẫn như sau (hình vẽ 1.1)

Hình 1.1 - quan hệ quá trình bồi tụ trầm tích, sự ổn định của lịng dẫn và hình

dạng của lịng dẫn

Những nghiên cứu dự báo phịng chống xói lở bờ sơng Cửu Long do các nhà
khoa học thuộc Viện Nghiên cứu Thủy lợi Miền Nam [4] thực hiện năm 2000 đã
cho ra kết quả hồn tồn phù hợp với sơ đồ quan hệ nói trên của Matthew R.Bennett
và Peter Doyle.
Trong các yếu tố địa phương thì quan trọng là phải xét ñến thành phần và
trạng thái của đất - đá tạo nên lịng sơng và bờ sơng (tức là lịng dẫn). Những đoạn
sơng uốn khúc thường bị xói lở nghiêm trọng, chúng thường lõm vào và được cấu
tạo bởi các loại ñất kém chịu nước, dễ tan rã và dễ bị rửa xói. Đặc biệt chú ý ñến
thành phần và bề dày của bồi tích cấu tạo nên bờ sơng và phải xác định tốc độ dịng
chảy cho phép (hoặc gây xói lở) đối với đất bồi tích và so sánh với tốc độ dịng chảy


15

hiện đang có trên đoạn sơng cụ thể được xét dến .F.G.Bell [ 25] ñưa ra một ñồ thị
quan hệ như sau, qua đó ta có thể xác định được tốc độ gây xói lở của dịng chảy
đối với các loại đất khác nhau (hình vẽ 1.2).

Hình 1.2 – Tương quan giữa tốc độ gây xói lở của dịng chảy ñối với các loại ñất
khác nhau

1.2 Cơ sở khoa học cơng nghệ chống xói lở bờ sơng
Để chống xói lở giữ ổn định bờ sơng người ta áp dụng các giải pháp phịng
tránh và các giải pháp xây dựng cơng trình chống xói lở.
Các giải pháp phịng tránh mang tính chất bị động, tiến hành dự báo những
nơi có nguy cơ xói lở, dự báo qui mơ xói lở v.v.
Các giải pháp cơng trình nhằm bảo vệ trực tiếp bờ sơng tránh xói lở, như xây
kè, đặt rọ đá, lát tấm bê tơng; đồng thời điều chỉnh dịng chảy trong lịng sơng,

nhằm thay đổi hướng chảy, giảm độ dốc, giảm tốc độ và lưu lượng dịng chảy.
Hiện tượng xói lở thường xảy ra ở những đoạn sơng uốn khúc, ngay tại bờ


16

lõm. Tại đây dịng chảy có dạng xoắn ốc chảy rối, là sự kết hợp dòng hướng ngang
và dòng hướng dọc. Trên bề mặt dịng chảy, dịng hướng ngang đi từ bờ lồi sang bờ
lõm, sau đó nó ngoặc xuống và đi từ bờ lõm sang bờ lồi. Hình vẽ (1.3) minh họa
cho hiện tượng này.

Hình 1.3 – Hiện tượng xói lở bờ sơng ở đoạn sơng uốn khúc
Khi lao tới bờ lõm rồi chui xuống đáy, dịng nước sẽ tấn cơng vào các lớp đất
bồi tích, trực tiếp phần dưới sâu gây xói lở đất, làm cho bờ sơng bị phá hoại mất ổn
định. Thườngcó 2 dạng phá hoại mất ổn ñịnh: dạng trượt lở và dạng sập lở (hình vẽ
1.4).

Hình 1.4 – Dạng phá hủy mất ổn định bờ song


17

Dạng trượt lở thường xảy ra ở những ñoạn bờ sơng được cấu tạo bởi các đất
có lực dính kết lớn, cường ñộ chịu lực cao. Dạng sập lở thường xảy ra ở những
đoạn bờ sơng được cấu tạo bởi các đất mềm yếu, kém chịu nước, dễ tan rã.
Dịng nước với hướng ngang trực tiếp vào vách bờ và với tốc độ dịng chảy
vượt q giới hạn gây xói lở ( xác ñịnh theo ñồ thị) sẽ tạo nên một lực tác dụng trực
tiếp vào bờ sông. Bờ sông ñược cấu tạo bởi các hạt ñất có thành phần và trạng thái
nhất ñịnh, khả năng chịu tác dụng của dịng chảy nhất định, nên nó chỉ có một khả
năng ổn ñịnh nhất ñịnh, tức là một sức ñề kháng nhất định.

Khả năng xói lở bờ sơng được quyết định ở trạng thái cân bằng giữa lực tác
dụng của dòng chảy đối với bờ sơng và sức đề kháng của các đất tạo nên bờ sơng.
Khi lực tác dụng của dịng chảy lớn hơn sức đề kháng của các hạt đất tạo bờ thì tất
nhiên hiện tường xói lở sẽ xảy ra, bờ sơng sẽ mất ổn định. Ngồi ra tác dụng của
dịng chảy nước ngầm gây hiện tượng xói ngầm cũng góp phần gây nên xói lở.
Cơng nghệ chống xói lở giữ ổn định bờ sơng phải đạt được các yếu tố sau
ñây:
-

Yếu tố thứ nhất là tăng sức ñề kháng của ñất tạo bờ, bản thân chúng có khả
năng chịu được sức cơng phá mạnh của dịng chảy. Đồng thời làm giảm hệ
số thấm trong nền ñất, triệt tiêu hiện tượng xói ngầm.

-

Yếu tố thứ hai là giảm lực tác dụng trực tiếp của dịng chảy đối với các đất
tạo bờ, làm cho dịng chảy khơng đủ lực ñể gây xói lở.

-

Yếu tố thứ ba là ñồng thời với 2 yếu tố trên, lịng dẫn khơng biến dạng,
đường bờ khơng thay đổi, do đó dịng chảy tự nhiên khơng bị can thiệp, các
đoạn sơng khác sẽ khơng bị biến đổi, tức là mơi trường địa chất gần như
khơng biến đổi do sự can thiệp bởi cơng trình chống xói lở.
Ngày nay, tiến bộ của khoa học cơng nghệ về vật liệu đã giúp cho chúng ta

có được nhiều giải pháp thiết kế và thi cơng các cơng trình chống xói lở bờ sơng.