Tớnh cấp thiết của ủề tài
Tình trạng sạt lở và biến đổi lũ lụt là vấn đề phổ biến trên toàn cầu, ảnh hưởng nghiêm trọng đến nhiều lĩnh vực như kinh tế, xã hội, và môi trường.
Hệ thống kênh rạch chằng chịt là đặc trưng nổi bật của Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), đóng vai trò quan trọng trong tưới tiêu và giao thông thủy Dọc theo các dòng sông, kênh rạch là nơi cư trú của hàng triệu người dân Tuy nhiên, ĐBSCL đang đối mặt với tình trạng sạt lở bờ sông và kênh rạch do sự biến đổi của lòng dẫn và tác động của con người Hàng trăm điểm sạt lở thường xuyên xảy ra trên các tuyến sông chính như sông Tiền, sông Hậu, trong khi nhiều điểm sạt lở nhỏ hơn chưa được ghi nhận Thiệt hại do sạt lở ngày càng nghiêm trọng, không chỉ về tài sản mà còn gây ra mất mát về nhân mạng Các thị trấn ven sông, bao gồm tỉnh lỵ, đang bị đe dọa bởi tình trạng này.
10 ủộc ủó phải di dời khỏi khu vực bị sạt lở
Tại thành phố Hồ Chí Minh, tình trạng sạt lở bờ sông diễn ra nghiêm trọng ở nhiều khu vực dọc theo sông Sài Gòn và các kênh rạch khác Một trong những sự cố đáng chú ý là sạt lở tại bờ đảo Thanh Đa, gây thiệt hại lớn về tài sản và ảnh hưởng đến sinh mạng người dân.
Nghiên cứu khả năng chống sụt lún của các loại vật liệu bờ sông và các biện pháp phòng tránh rủi ro do sạt lở bờ sông ở khu vực ĐBSCL là mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học và chính quyền từ Trung ương đến địa phương Các biện pháp như “cứng trình” và “phi cứng trình” (bao gồm cảnh báo, di dời) được áp dụng nhằm giảm thiểu thiệt hại do sạt lở bờ sông gây ra.
Sạt lở trên toàn bộ hệ thống kênh rạch vũng ủồng đang diễn ra nghiêm trọng, trong khi nguồn kinh phí khắc phục từ ngân sách và người dân còn rất hạn chế Do đó, nghiên cứu các giải pháp chi phí thấp là thách thức lớn trong công tác phòng chống và giảm nhẹ thiên tai, không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn bảo vệ được nhiều người và tài sản trong giới hạn ngân sách.
Nhiều giải pháp vật liệu và công nghệ mới đã được đề xuất nhằm giải quyết vấn đề xói lở bờ sông ở ĐBSCL, bao gồm thảm bờ tụng FS, thảm bờ tông tự chèn lưới thép P.Đ.TAC-M, mảng mềm bê tông tự chèn P.Đ.TAC-178, thảm reno mattress, vải địa kỹ thuật, cừ bản bờ tụng ứng suất trước, cừ bản nhựa vinyl, khối Tetrapod, và cỏ chống xói mòn Vetiver Tuy nhiên, hầu hết các giải pháp này vẫn có chi phí cao và chưa thân thiện với môi trường.
Giải pháp gia cố bờ sông bằng vật liệu địa phương và tại chỗ không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn mang lại nhiều lựa chọn cho nghiên cứu các giải pháp bền vững và thân thiện với môi trường.
Vấn đề đặt ra là làm thế nào để sử dụng hiệu quả vật liệu địa phương trong gia cố bờ sông nhằm tránh sạt lở Cần xác định khả năng kháng xói của vật liệu địa phương và vật liệu gia cố để hỗ trợ công tác tính toán đánh giá xói lở bờ sông.
Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng suất tiếp giới hạn của vật liệu đất dớnh trong tính toán đánh giá xúi lở được thực hiện bằng phương pháp thí nghiệm với thiết bị phun tia nước ngầm của Hanson Phương pháp này có ưu điểm là quy trình thí nghiệm đơn giản, nhanh chóng và không quá tốn kém Các thông số thu được từ kết quả thí nghiệm có thể được sử dụng để tính toán và dự đoán xói mòn.
Mục ủớch và vấn ủề nghiờn cứu của ủề tài
Nhiệm vụ chớnh của ủề tài ““Nghiờn cứu thực nghiệm xỏc ủịnh ứng suất tiếp giới hạn của vật liệu ủất dớnh trong tớnh toỏn ủỏnh giỏ xúi lở”
Nghiên cứu phương pháp xác định ứng suất tiếp giới hạn và hệ số xói, đồng thời phân tích mối tương quan giữa chúng với tính chất vật liệu bờ sông là rất quan trọng Việc hiểu rõ ứng suất tiếp giới hạn giúp đánh giá khả năng chịu tải của bờ sông, trong khi hệ số xói phản ánh mức độ xói mòn dưới tác động của dòng chảy Từ đó, nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý và bảo vệ bờ sông hiệu quả hơn.
- Ứng dụng phương phỏp ủỏnh giỏ khả năng xúi lở của vật liệu bờ sụng cũng như trong vật liệu gia cố bờ sông
Phương pháp nghiên cứu
- Cơ sở lý thuyết phương phỏp thực nghiệm ủỏnh giỏ khả năng xúi mũn
- Thực nghiệm xỏc ủịnh ứng suất tiếp giới hạn trong tớnh toỏn xúi lở bờ sụng bằng các thí nghiệm
- Xây dựng mô hình nghiên cứu
- Thu thập số liệu từ thí nghiệm
- Phõn tớch ủỏnh giỏ cỏc số liệu thớ nghiệm
í nghĩa khoa học và thực tiển của ủề tài
- Xõy dựng ủược phương phỏp ủỏnh giỏ và mụ phỏng xúi mũn trong vật liệu ủất dớnh
- Đỏnh giỏ ủược mức ủộ xúi mũn trong vật liệu ủất dớnh và vật liệu gia cố bờ
- So sánh được với các phương pháp dự đốn xĩi mịn bờ sơng trước đây.
Giới hạn của ủề tài
Do hạn chế về thời gian và thiết bị thử nghiệm nờn giới hạn trong ủề tài này:
- Chỉ nghiờn cứu ủất trong một khu vực ở Thành phố Hồ Chớ Minh
- Chưa cú sự so sỏnh với cỏc thiết bị thực nghiệm xỏc ủinh ứng suất giới hạn khác
- Chưa nghiờn cứu ảnh hưởng của cỏc tớnh chất ủất khỏc nhau vào kết quả thử nghiệm tia nước ngầm (JT)
Chúng tôi chỉ thực hiện thí nghiệm phương pháp gia cố bằng vật liệu xi măng ủất, mà chưa tiến hành thử nghiệm với các giải pháp gia cố bờ sông sử dụng vật liệu khác.
Quy luật cơ bản của xói mòn
Xúi lở bờ sụng là hiện tượng địa chất quan trọng đã được đề cập trong nhiều tài liệu chuyên khảo và sách chuyên môn về địa chất, địa chất công trình và môi trường Trong tác phẩm "Địa chất động lực công trình" của giáo sư V.D.Lụmtagzờ, các yếu tố quyết định hoạt động xúi lở của sụng được nhấn mạnh, đặc biệt là động năng P do dòng chảy tạo ra.
Trong ủú, m là khối lượng nước; v là tốc ủộ dũng chảy
Xúi lở sụng xảy ra khi động năng của dòng chảy vượt quá hoặc bằng tĩnh năng của trọng lượng các vật liệu rắn mà dòng chảy mang theo Động năng này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm đặc điểm thủy văn, cấu trúc thung lũng, thành phần và tính chất của đất đá tạo nên thung lũng và bờ sụng, cũng như hoạt động của các quá trình địa chất và các hoạt động kinh tế của con người Mối quan hệ này được lượng hóa qua công thức tính tốc độ dòng chảy của sông do Chezy đề ra.
Trong ủú R là bỏn kớnh thủy lực và S là ủộ dốc mặt nước; C là một hằng số phụ thuộc vào cỏc ủặc trưng của lũng dẫn
Theo giáo sư V.D Lomtadze, để ủng hộ và dự báo hiện tượng xói lở bờ sông, cần xem xét các yếu tố khu vực và yếu tố địa phương.
Trước khi tiến hành đánh giá, cần xem xét các yếu tố khu vực như đặc điểm thủy văn, cấu trúc địa chất của thung lũng sông và các yếu tố địa chất khu vực Phân tích những yếu tố này giúp xác định những đoạn bờ sông có khả năng xảy ra sụt lở với mức độ nghiêm trọng khác nhau.
Peter Doyle đã cụ thể hóa ý kiến của giáo sư V.D Lomtadze thông qua một sơ đồ minh họa mối quan hệ giữa quá trình bồi tụ trầm tích, sự ổn định của lòng dẫn và hình dạng của lòng dẫn.
Hỡnh 1.1 - quan hệ quỏ trỡnh bồi tụ trầm tớch, sự ổn ủịnh của lũng dẫn và hỡnh dạng của lòng dẫn
Nghiên cứu về phòng chống xói lở bờ sông Cửu Long do Viện Nghiên cứu Thủy lợi Miền Nam thực hiện vào năm 2000 đã cho ra kết quả phù hợp với sơ đồ quan hệ núi trờn của Matthew R Bennett và Peter Doyle.
Trong các yếu tố địa phương, việc xem xét thành phần và trạng thái của đất là rất quan trọng, đặc biệt là đối với lũng sụng và bờ sụng Những đoạn sụng uốn khúc thường dễ bị sạt lở nghiêm trọng, do chúng thường chứa các loại đất kém chịu nước, dễ tan rã và dễ bị rửa trôi Cần đặc biệt chú ý đến thành phần và bề dày của bồi tích cấu tạo nên bờ sụng, đồng thời xác định tốc độ dòng chảy để đánh giá khả năng gây sạt lở đối với đất bồi tích và so sánh với tốc độ dòng chảy.
F.G Bell đã đưa ra một mô hình quan hệ cho phép xác định tốc độ gây xói lở của dòng chảy đối với các loại đất khác nhau Mô hình này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về tác động của dòng chảy lên sự xói mòn đất, được minh họa qua hình vẽ 1.2.
Hỡnh 1.2 – Tương quan giữa tốc ủộ gõy xúi lở của dũng chảy ủối với cỏc loại ủất khác nhau
Cơ sở khoa học công nghệ chống xói lở bờ sông
Để chống xúi lở giữ ổn ủịnh bờ sụng người ta ỏp dụng cỏc giải phỏp phũng tránh và các giải pháp xây dựng công trình chống xói lở
Cỏc giải phỏp phũng trỏnh mang tớnh chất bị ủộng, tiến hành dự bỏo những nơi có nguy cơ xói lở, dự báo qui mô xói lở v.v
Các giải pháp công trình nhằm bảo vệ bờ sông khỏi xói lở bao gồm xây dựng kè, đặt rọ đá và lót tấm bờ Đồng thời, cần điều chỉnh dòng chảy trong lòng sông để thay đổi hướng chảy, giảm độ dốc, giảm tốc độ và lưu lượng dòng chảy.
Hiện tượng xúi lở thường xảy ra ở những ủoạn sụng uốn khỳc, ngay tại bờ
Dòng chảy lừm là hiện tượng chảy xoắn ốc, kết hợp giữa dòng chảy ngang và dọc Trên bề mặt dòng chảy, dòng chảy ngang di chuyển từ bờ lồi sang bờ lừm, sau đó ngoặt xuống và tiếp tục từ bờ lừm trở lại bờ lồi Hình vẽ (1.3) minh họa rõ nét cho hiện tượng này.
Hỡnh 1.3 – Hiện tượng xúi lở bờ sụng ở ủoạn sụng uốn khỳc
Khi nước lao tới bờ lừm và chui xuống ủỏy, sức tấn công của dòng nước sẽ tác động lên các lớp đất bồi tích, gây ra hiện tượng xói lở đất, làm cho bờ sông bị mất ổn định Có hai dạng phổ biến của sự mất ổn định này: dạng trượt lở và dạng sập lở.
Hỡnh 1.4 – Dạng phỏ hủy mất ổn ủịnh bờ song
Trượt lở thường xảy ra ở những đoạn bờ sông có cấu tạo từ các chất có lực dính kết lớn và cường độ chịu lực cao Ngược lại, sập lở thường xuất hiện ở những đoạn bờ sông được cấu tạo từ các chất mềm yếu, kém chịu nước và dễ tan rã.
Dòng nước chảy với hướng ngang và tốc độ vượt qua giới hạn gây xói lở sẽ tạo ra lực tác dụng trực tiếp lên bờ sông Bờ sông được cấu tạo từ các hạt đất có thành phần và trạng thái nhất định, khả năng chịu tác dụng của dòng chảy cũng có giới hạn, do đó, bờ sông chỉ có khả năng ổn định nhất định, tức là có một sức bền nhất định.
Khả năng xói lở bờ sông phụ thuộc vào sự cân bằng giữa lực tác dụng của dòng chảy và sức chịu đựng của các vật liệu cấu tạo bờ Khi lực tác dụng của dòng chảy vượt quá sức chịu đựng của các hạt vật liệu, xói lở sẽ xảy ra, dẫn đến sự mất ổn định của bờ sông Thêm vào đó, tác động của dòng chảy ngầm cũng góp phần làm gia tăng hiện tượng xói lở này.
Cụng nghệ chống xúi lở giữ ổn ủịnh bờ sụng phải ủạt ủược cỏc yếu tố sau ủõy:
Yếu tố đầu tiên là tăng cường sức chịu đựng của đất tạo bờ, giúp nó có khả năng chịu được sức công phá mạnh mẽ của dòng chảy Đồng thời, việc này cũng làm giảm hệ số thấm của nền đất, từ đó triệt tiêu hiện tượng xói ngầm hiệu quả.
Yếu tố quan trọng thứ hai là giảm tác động trực tiếp của dòng chảy đối với các yếu tố tạo bờ, giúp dòng chảy không còn đủ lực để gây ra sạt lở.
Yếu tố thứ ba liên quan đến việc duy trì sự ổn định của môi trường mà không bị biến dạng, đồng thời đảm bảo rằng bờ không thay đổi do dòng chảy tự nhiên không bị can thiệp Điều này có nghĩa là các đoạn sông khác sẽ không bị biến đổi, dẫn đến việc môi trường địa chất gần như không thay đổi do các công trình chống sạt lở.
Ngày nay, sự tiến bộ trong khoa học và công nghệ vật liệu đã mang lại nhiều giải pháp thiết kế và thi công hiệu quả cho các công trình chống sụt lở bờ sông.
Tổng quan về lịch sử nghiờn cứu về phương phỏp thực nghiệm xỏc ủịnh ứng suất tiếp giới hạn
Bùn cát dớnh ủú có đặc điểm nổi bật là phân rã từ bùn cát khụng dớnh, với thành phần hạt sột cao và lực giữa các hạt lớn Cường độ cao của lực dớnh là kết quả của diện tích ion bề mặt, trở thành yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến trạng thái bùn cát, thay vì trọng lực khi kích thước hạt giảm do diện tích bề mặt riêng tăng Ranh giới giữa ủất dớnh và khụng dớnh không rõ ràng, nhưng các hạt nhỏ hơn 2 micromet thường được coi là ủất sột dớnh, trong khi các hạt lớn hơn 60 micromet là ớt dớnh hạt thụ Các hạt có kích thước từ 2 đến 60 micromet được phân loại là bựn, nằm giữa ủất dớnh và ớt dớnh (Huang và cộng sự, 2006).
Kể từ khi sự hiện diện của sột chủ yếu đại diện cho các thuộc tính của đất dính, thực tiễn xem xét cả bùn và đất sột làm nguyên liệu đất dính (Huang và cộng sự, 2006) Phần này bao gồm một nghiên cứu chi tiết các phương pháp để xác định thông số xúi mũn của đất dính và khụng dính, bao gồm: Shields tham số, thiết bị tia nước ngầm, và quan hệ thực nghiệm.
Hầu hết các thí nghiệm xúi mũn được hình thành trên cát không dính, với dòng chảy trong lòng dẫn và phương pháp hiện trường rõ ràng (Haan, 1994; Huang và cộng sự, 2006) Kinh nghiệm của Shields đã cung cấp tỷ lệ giữa ứng suất cắt và trọng lượng hạt trên đơn vị diện tích hạt ngập nước ở điều kiện tới hạn, là một công cụ đáng tin cậy để ước tính ứng suất cắt tới hạn cho vật liệu không dính (Shields, 1936; Haan, 1994) Trạng thái xúi mũn của bùn cát không dính được xác định rõ ràng, và các mô hình tiên đoán từ dữ liệu này được cho là đáng tin cậy Do đó, biểu đồ Shields thường được sử dụng để xác định ứng suất cắt giới hạn của đất không dính trong thực tế.
19 trực tiếp xỏc ủịnh ứng suất cắt giới hạn bằng cỏch sử dụng của biểu số Shield ủược trình bày trong phần này a Biểu ủồ Shields
Sức khỏe của chất lỏng dính ảnh hưởng đến ứng suất tiếp giới hạn do tác động của dòng chảy nước, được nghiên cứu cả trong thực địa và phòng thí nghiệm Kết quả cho thấy ứng suất tiếp giới hạn của chất lỏng dính có thể xác định từ nhiều loại chất khác nhau Do trọng lượng riêng của bùn cát trong nước, kích thước hạt, dung trọng chất lỏng và độ nhớt động lực đều được xem xét để kiểm soát sự xói mòn của chất lỏng dính Tham số Shields (τ * c) có thể được sử dụng để xác định ứng suất tiếp giới hạn, là một tham số vô thức phát triển từ các thí nghiệm máng nước với nhiều kích cỡ hạt khác nhau.
Shields đã thu thập và phát triển kết quả ứng suất tiếp tới hạn cho các kích cỡ hạt khác nhau, cho thấy rằng các hạt không dính bắt đầu lăn và trượt tại các vị trí khác nhau dọc theo bề mặt, với ngưỡng di chuyển là sự vượt quá (Sturm 2001) [35] Hình 5 minh họa biểu đồ Shields với kết quả thu được từ thí nghiệm Trong bản gốc, không có phần liên quan đến các hạt có trọng lượng riêng thấp và hạt đường kính nhỏ, Mantz (1977) [36] đã thay đổi biểu đồ để bao gồm kích thước hạt nhỏ hơn Các thông tin cần thiết để xác định tham số Shields có thể được tìm thấy từ vật liệu đất và nước.
Hỡnh 1.5 - Biểu ủồ Shields như cập nhật Yalin và Karahan (1979)
Theo Sturm (2001), một điểm yếu của sơ đồ Shields là việc xác định giá trị bắt đầu chuyển động để tính toán ứng suất tiếp giới hạn vẫn chưa rõ ràng Hai phương pháp xác định giá trị này là: (1) quan sát sự bắt đầu khởi động, hoặc (2) ngoại suy từ đo lường tỷ lệ vận chuyển bùn cát đến khung Hơn nữa, việc sử dụng phương pháp Shields cũng gây tranh cãi, đặc biệt là trong việc sử dụng các kích cỡ hạt danh nghĩa và kích thước hạt trung bình, cũng như sự hiện diện của hình dạng hạt trong một phần của dữ liệu Sơ đồ này dựa trên trường kinh hạt đại diện và giả định không ảnh hưởng giữa các hạt riêng rẽ Khi có sự thay đổi lớn trong kích thước hạt, tương tác giữa các hạt và hình dạng hạt có thể dẫn đến việc vượt quá của τc, khiến biểu đồ Shields trở nên rất tổng quát cho sự bắt đầu chuyển động.
Julien (1995) đã đề xuất một phương pháp thay thế cho biểu đồ Shields nhằm tính toán trực tiếp ứng suất tiếp giới hạn Thay vì phải lặp lại mối quan hệ giữa ứng suất tiếp giới hạn và số Reynolds, cả hai đều chứa tham số Shields, Julien đã giới thiệu tham số khối lượng riêng Để tính toán ứng suất tiếp giới hạn, một thông số hạt khối lượng riêng cần được tính toán thông qua phương trình.
Trong công thức tính toán, kích thước hạt khụng thứ nguyờn SG được xác định bằng trọng lượng riờng bựn cỏt và gia tốc trọng trường Kích thước hạt với 50% lọt sàng được ký hiệu là d50, và ủộ nhớt ủộng học của chất lỏng được ký hiệu là ν.
Sau ủ ú, tỷ lệ ứng suất tiếp với trọng lượng hạt dỡm trên một đơn vị diện tích bề mặt ở điều kiện tới hạn, τ c *, được xác định từ biểu đồ trình bày trong hình 1.6 Ứng suất cắt giới hạn tương ứng được tính toán bằng tham số Shields và trọng lượng đơn vị hạt.
21 lượng ủơn vị của chất lỏng, và ủường kớnh với D50, cú thể ủược tỡm thấy bằng cỏch sử dụng quan hệ trong công thức 4 (Sturm 2001)[35]:
( s c c γ γ d τ τ = − (4) nơi τ c = ứng suất tiếp tới hạn, γ s = trọng lượng riêng của bùn cát, γ = trọng lượng riờng của chất lỏng, d 50 = ủường kớnh 50% hạt lọt sàng, và
* τ c = ứng suất tiếp tới hạn không thứ nguyên
Mối quan hệ giữa trọng lượng riêng và kích thước hạt đã trở thành một phương pháp phổ biến để xác định ứng suất tiếp tới hạn trong vật liệu không dính, mặc dù không thể hoàn toàn thay thế cho những hạn chế của biểu đồ Shields (Haan 1994)[34].
Hỡnh 1.6.Một hỡnh thức thay thế của biểu ủồ Shields ủể xỏc ủịnh trực tiếp của ứng suất tiếp giới hạn (Sturm 2001) 1.3.2 Vật liệu dính
Giỏ trị của ứng suất tiếp giới hạn và tỷ lệ xúi mũn là phức tạp hơn cho ủất
Nghiên cứu cho thấy rằng bùn cát dính có đặc tính khác biệt so với các loại bùn khác do ảnh hưởng của cường độ cắt, độ mặn, độ ẩm và kích thước hạt (Huang và cộng sự, 2006) Các phương pháp phân tích đã được áp dụng để xác định các thuộc tính xói mòn của bùn cát dính, tuy nhiên không phải tất cả các thông số trong bảng đặc trưng cho bùn dính đều được thực hiện trong nghiên cứu này (Winterwerp và cộng sự, 1990) Việc đánh giá các thí nghiệm mỏng nước và thí nghiệm hiện trường cho thấy tham số Shields không phù hợp với bùn cát mịn, điều này đặt ra thách thức cho thiết kế thí nghiệm liên quan đến bùn cát dính (Shields, 1936) Do đó, nghiên cứu đã phát triển các phương pháp mới để xác định các thông số xói mòn của bùn hạt mịn.
Thí nghiệm dòng chảy trong kênh hở được thực hiện để xác định ứng suất tiếp giới hạn và tỷ lệ xói mòn bùn cát dính Mẫu ủất được đặt trong một mỏng và kiểm tra bắt đầu, ứng suất tiếp giới hạn có thể được xác định bằng mắt hoặc đồ họa (Clark và Wynn, 2007) Tuy nhiên, phương pháp này có điểm yếu là khó quan sát và phân biệt các điểm phá hủy một cách chính xác Quan sát bằng mắt thường mang tính chủ quan, và Clark cùng Wynn (2007) đã tóm tắt ba giải thích khác nhau về các điểm phá hủy từ các nguồn khác nhau Dunn (1959) cũng xác định rằng ứng suất tiếp tới hạn được mô tả như là "nước trở nên ục".
Hỡnh 1 7.Mẫu lừi bựn cỏt bị tỏc dụng của dũng chảy trong sơ ủồ thớ nghiệm mỏng nước trong phòng thử nghiệm (Julien 1998)
Ngoài ra, Smerdon và Beasley (1961) [29] quan sát thấy ứng suất cắt giới hạn khi "Sự di chuyển chung của ủất tạo ra dưới ủỏy kờnh ủược quan sỏt thấy."
Nhiều năm sau khi nghiên cứu, Kamphuis và Hall (1983) đã báo cáo rằng giá trị tới hạn này được xác định tại "rỗ bề mặt" trong các quan sát mỏng nước của họ Khi nghiên cứu, Clark và Wynn cũng đã có những phát hiện đáng chú ý.
Năm 2007, nghiên cứu đã xác định rằng việc sử dụng đồ họa mô tả tỷ lệ xúi mũn so với ứng suất cắt là phương pháp tốt nhất để thu thập thông số từ các phương pháp mỏng nước trong phòng thí nghiệm Độ sâu của mẫu bị xúi mũn và thời gian diễn ra quá trình xúi mũn là yếu tố quan trọng để xác định tỷ lệ xúi mũn Bằng cách áp dụng các phương pháp đo vận tốc và độ cao tương ứng, hình dạng vận tốc thẳng có thể được phát triển Hình dạng vận tốc này được xem là thành phần chính trong việc tính toán ứng suất tiếp tới hạn, như đã được chỉ ra bởi Briaud và cộng sự năm 2004 Thêm vào đó, việc bổ sung một dòng tốt nhất phù hợp với giá trị ứng suất tiếp tới hạn có thể giúp xác định điểm giao nhau trên trục X, theo nghiên cứu của Clark và Wynn năm 2007.
Các thí nghiệm máng nước trong phòng thí nghiệm giúp các nhà nghiên cứu dễ dàng kiểm soát môi trường và điều kiện dòng chảy hơn so với thử nghiệm hiện trường Tuy nhiên, việc vận chuyển vật liệu vào máng vẫn gây ra xáo trộn (Hanson và cộng sự 1999; Hanson và Cook 2004).
Phương pháp thí nghiệm
2.1.1 Chuẩn bị mẫu ủất (ASTM D421-85)
Hong khụ mẫu ở nhiệt ủộ phũng ủến khi khụ hoàn toàn Làm tơi vụn cốt liệu trong cối sứ bằng chày bọc cao su
Lấy phần mẫu ủại diện cho từng phương phỏp thử, ghi khối lượng mẫu thử chưa ủược hiệu chỉnh ủộ ẩm
Sàng mẫu qua sàng No10 (2,00 mm) và nghiền phần vật liệu trên sàng bằng chày bọc cao su trong cối sứ cho đến khi các hạt được tách riêng.
Tiếp tục sàng qua sàng No10 (2,00 mm) để tách từng phần riêng biệt Rửa phần hạt còn sót lại trên sàng No10 (2,00 mm) để khô và cân khối lượng Đây là phần khối lượng của hạt thụ Sàng phần vật liệu này qua sàng 4,75 mm để xác định lượng hạt còn lại trên sàng 4,75 mm.
Lấy mẫu ủại diện bằng phương pháp chia tư cho đến khi đạt được lượng mẫu cần thiết Khối lượng mẫu thử được quy định cho từng phép thử như sau: Đối với phân tích thành phần hạt của vật liệu còn lại trên sàng 2,00 mm, đất sỏi sạn cần 4000 g đến 10000 g, đất cát 1500 g, và đất sét 400 g Đối với vật liệu lọt qua sàng 2,00 mm, khối lượng mẫu cần thiết là 115 g cho đất cát và 65 g cho đất sét Để xác định các chỉ số của vật liệu, sử dụng phần vật liệu lọt sàng 425 với giới hạn chảy 100 g và giới hạn dẻo 15 g.
Lấy mẫu ủất như ủó chuẩn bị ở mục 1
Phõn tớch thành phần hạt của ủất: Vật liệu cũn lại trờn sàng 2,00 mm
Phân chia các hạt qua hệ thống sàng 3 in (75mm); 2 in (50mm); 1 1/2 in (37,5mm); 1 in (25mm); ắ in (19mm); 3/8 in (9,5mm); No 4 (4,75mm) và No 10 (2,00mm)
Tiến hành sàng mẫu bằng máy rung hoặc bằng tay cho đến khi khối lượng lọt qua sàng trong 1 phút không vượt quá 1% khối lượng của phần còn lại trên sàng.
Xỏc ủịnh khối lượng cỏc hạt trờn từng sàng Để phõn tớch thành phần hạt của ủất: Vật liệu lọt qua sàng 2,00 mm
Sữ dụng hóa chất phân tách thành phần hạt bằng tỷ trọng kế
Sau khi kết thúc quá trình phân tách , chuyển chất huyền phù qua sàng No
200 (0,075 mm) và rửa với nước Sau ủú sấy khụ xỏc ủịnh khối lượng hạt trờn sàng
2.1.3 Xỏc ủịnh giới hạn chảy dẻo Atterberg (ASTM D4318-00)
Để giảm độ ẩm của mẫu đất, nếu cần thiết, hãy đảm bảo rằng mẫu không dính vào tay khi vo tròn Bạn có thể thực hiện điều này bằng cách trải mẫu ra tay, trộn liên tục trên tấm kính, hong khô trong không khí hoặc sử dụng quạt máy.
Lấy khoảng 2 gram ủất, vo tròn mẫu thử trong lòng bàn tay và dùng các ngón tay lăn mẫu trên tấm kính với lực vừa đủ Mục tiêu là tạo thành que tròn đều có đường kính khoảng 3 mm trong thời gian không quá 2 phút.
Giới hạn dẻo của mẫu thử được xác định khi ẩm độ đạt mức mà mẫu có thể lăn thành que trụ với đường kính khoảng 3 mm mà không bị nứt Nếu mẫu chưa có dấu hiệu nứt, cần nhào các mẫu nhỏ lại, vo tròn và lăn tiếp Quá trình lăn tiếp tục cho đến khi mẫu xuất hiện vết nứt vỡ vụn khi lăn thành que trụ khoảng 3 mm, và lúc này mẫu được coi là đạt yêu cầu.
Tập trung các phần của que ủất bị ủứt lại và cho vào hộp nhựa đã xác định khối lượng trước Sau đó, đậy nắp cẩn thận để tránh giảm độ ẩm của mẫu.
Lặp lại cỏc bước từ c ủến e cho ủến khi khối lượng ủất trong hộp nhụm tối thiểu khoảng 6 g
Tiến hành tương tự cho mẫu thử thứ hai
Xỏc ủịnh ủộ ẩm của mẫu trong cỏc hộp nhụm, chớnh xỏc ủến 0,1%
Giới hạn dẻo (PL) được xác định bằng ủộ ẩm trung bình của hai mẫu thử song song Nếu sự khác biệt trong ủộ ẩm giữa hai lần thử vượt quá 1%, cần tiến hành thử nghiệm lại.
Chuẩn bị khoảng 100 g vật liệu cần thiết và cho vào khuôn của dụng cụ xác định giới hạn chảy Gạt đều vật liệu trong khuôn sao cho chiều dày lớn nhất khoảng 10 mm, đồng thời tránh bọt khí lưu giữ trong mẫu bằng cách gõ nhẹ một vài lần Để lại một khoảng trống ở phần trên nơi tiếp xúc của chất lỏng với múc treo, khoảng 1/3 đường kính khuôn.
Dựng dụng cụ tạo rónh để tạo một rónh ủất từ điểm cao nhất đến điểm thấp nhất của vành chộn ủồng vuụng gúc với trục quay Khi tạo rónh, cần giữ cho dụng cụ luôn vuụng gúc với trục ủĩa và miết sỏt ủỏy ủĩa.
Kiểm tra dưới ủĩa ủồng hoặc ủế cao su để đảm bảo không có chất lỏng hoặc nước Quay ủập với tốc độ 2 vòng/giây và thực hiện số lần ủập cần thiết để phần dưới của rónh ủất khô lại có chiều dài khoảng 13 mm Theo quy định, ủất thí nghiệm chuyển từ trạng thái dẻo sang lỏng Đem ủất ủi xác định độ ẩm chính là giới hạn chảy.
Giới hạn chảy là giá trị trung bình của 2 lần thử Nếu khác biệt giới hạn chảy giữa hai lần thử lớn hơn 1,0 % thì tiến hành thử nghiệm lại
2.1.4 Xỏc ủịnh ủộ ẩm ủất (ASTM D2216)
Lấy khoảng 20 g mẫu ủất cho vào cốc nhỏ bằng thủy tinh hoặc nhựa có nắp, sau đó xác định khối lượng ban đầu (m) Sau khi nhanh chóng đậy nắp, cân lại cốc hoặc hộp chứa mẫu (m1) và đặt vào tủ sấy ở nhiệt độ 110 oC ± 5 oC Thời gian sấy là 24 giờ.
Sau khi sấy mẫu, hãy đặt cốc (hoặc hộp) vào bình hút ẩm trong khoảng 45 phút đến 1 giờ Sau đó, tiến hành đo độ ẩm (W) của mẫu, tính bằng phần trăm khối lượng chính xác đến 0,1%.
Trong quá trình ủ mẫu, khối lượng cốc được tính bằng gam (g), trong đó m0 là khối lượng mẫu thử ủ sấy khô cộng với khối lượng cốc có nắp, còn m1 là khối lượng mẫu ướt cộng cốc có nắp, cũng được tính bằng gam (g).
2.1.5 Trọng lượng riờng của ủất (ASTM 854-02)
Phương pháp chuẩn bị mẫu
Hỡnh 2.4 - Sơ ủồ quỏ trỡnh thực hiện
(2) thử nghiệm tớnh chất ủất
(3) Vật liệu và tỉ lệ pha trộn
(7) Nén nở hông 7 ngày, 28 ngày
(6) Bảo dưỡng ở nhiệt ủộ 20±3trong 7 ngày
1) Lấy mẫu ủất Đất nghiờn cứu là ủất yếu ủược lấy ở gần cầu Nam Lý thuộc bờ sụng rạch chiếc Phường An phú, Quận 2, Tp Hồ Chí Minh
Vị trí lấy mẫu thử nghiệm đất được xác định gần cầu Nam Lý, thuộc bờ sông rạch Chiếc, Phường An Phú, Quận 2, Thành phố Hồ Chí Minh.
Mẫu ủất ủược chia thành 2 loại: nguyờn dạng và khụng nguyờn dạng Mẫu ủất nguyờn dạng được thu thập bằng cách sử dụng ống nhựa PVC có đường kính Dpmm, được mài mỏng ở một đầu ống để giảm thiểu tác động đến tính nguyên hạng của mẫu.
48 mẫu, sau khi lấy ủược bảo quan trong bao ni lụng ủem về phũng thử nghiệm ủể làm các thí nghiệm trong phòng
Mẫu ủất khụng nguyờn dạng được thu thập bằng phương pháp ủào thụng thông thường và sau đó được đưa về phòng thử nghiệm để chế biến thành mẫu thử nghiệm ủất gia cố xi măng.
2) Thớ nghiệm tớnh chất của ủất
Sau khi lấy mẫu ủất từ hiện trường, cỏc thử nghiệm tớnh chất cơ lý của ủất khỏc nhau sẽ ủược tiến hành như sau:
- Giới hạn chảy, giới hạn dẽo
- Khối lượng thể tớch và ủộ ẩm mẫu
- Phân tích cỡ hạt qua sàng
- Thí nghiệm nén nở hông
3) Vật liệu và tỉ lệ phối trộn
Sử dụng vật ủất tự nhiờn ủược lấy ở trờn
Chất kết dính là xi măng Holcim Ready Flow PCB 40 có chỉ tiêu cơ lý và hóa học cho như bảng sau:
Bảng 2.1 Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng
Tên chỉ tiêu Kết quả thử nghiệm
4 Độ ổn ủịnh thể tớch(xỏc ủịnh theo phương phỏp
Tên chỉ tiêu Kết quả thử nghiệm
• Phần còn lại trên sàng 0,09 mm, %
7 Hàm lượng anhydric sunfuric (SO 3 ) , % 2,6
Tỉ lệ phối trộn ủất gia cố xi măng:
Bergado và nnk (1996) đã chỉ ra mối liên hệ giữa cường độ nở hụng q u và hàm lượng xi măng a w, phân chia thành ba vùng: vùng "kém hiệu quả" (Inactive Zone) với a w từ 0%-5%, vùng "hiệu quả" (Active Zone) với a w từ 5%-25%, và vùng "phát triển chậm chạp" (Inert Zone) với a w lớn hơn 25%, như thể hiện trong hình 2.6a.
Tuy nhiên Lin (2000) cho thấy rằng mối tương quan giữa q u và a w như hình 2.6 b cho thấy rằng q u tăng khi a w tăng và có xu hướng tiếp tục tăng khi a w >20%
Miura và các cộng sự (2002) đã chỉ ra mối liên hệ giữa tỷ lệ nước/xi măng và cường độ nở hút của đất gia cố xi măng, như được minh họa trong hình 2.7 Theo Bergado và các cộng sự (1996) và Lin (2000), các nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về ảnh hưởng của tỷ lệ nước đến tính chất cơ học của vật liệu xây dựng.
Hỡnh 2.6 Tương quan giữa hàm lượng xi măng và cường ủộ của ủất gia cố xi măng theo Bergado và nnk (1996) và Lin (2000)
Hỡnh 2.7 Tương quan giữa tỷ lệ nước/ xi măng và cường ủộ nộn nở hụng của ủất gia cố xi măng theo Miura và nnk (2002) [41]
Hàm lượng xi măng ủược chọn ở ủõy là 1%, 2%, 5% và 9% nhằm xỏc ủịnh quy luật phỏt triển cường ủộ và ứng suất tiếp giới hạn ủối với ủất nghiờn cứu
Bảng 2.2 Thành phần cấp phối trộn ủất gia cố xi măng
Vật liệu Đơn vị 15 kg ( 1% xi măng)
150 kg ( 9% xi măng) Đất kg 1650 1650 1650 1650
Hàm lượng nước sau khi phối trộn % 41,5 42,6 43,0 40,2
4) Phương pháp chuẩn bị mẫu
Sử dụng máy trôn 10 L HOBART tiến hành trôn mẫu
- Cho hỗn hợp mẫu vào;
- Sau ủú tiến hành trụn trong vũng 10 phỳt
- Lấy mẫu ủể xỏc ủịnh ủộ ẩm
Hỡnh 2.8 Thiệt bị trộn mẫu xi măng ủất
Cỏc mẫu thử ủược ủỳc trong khuụn cú ủường kớnh 5cm và cao 10cm cho thử nghiệm nén nở hông;
Hỡnh 2.9 Khuụn tạo mẫu xi măng ủất thử nghiệm cường ủộ nộn nở hụng h0m m
Cỏc mẫu thử ủược ủỳc trong khuụn ủường kớnh 22cm và cao 5cm cho thử nghiệm tia nước ngầm
Hỡnh 2.10 Khuụn tạo mẫu ủất thử nghiệm tia nước ngầm (JT)
Hỗn hợp ủất trộn ủược ủổ vào khuụn Bờn trong khuụn ủược bụi dầu ủể giảm bám dính
Hỗn hợp ủ được chia thành nhiều lớp mỏng và cho vào khuôn Sau khi đổ mỗi lớp hỗn hợp, cần lắc hoặc rung mạnh để loại bỏ các bọt khí có thể bị giữ lại trong quá trình trộn.
6) Phương pháp bảo dưỡng mẫu
Sau khi ủậy mẫu vật bằng một tấm nhựa mỏng, mẫu vật sẽ ủược bảo dưỡng trong ủiều kiện nhiệt ủộ (20±3) 0 C và ủộ ẩm tương ủối khụng nhỏ hơn 90%
Sau vài ngày bảo dưỡng, mẫu vật sẽ ủược lấy ra khỏi khuụn và bảo dưỡng trong ủiều kiện tương tự ủến thời hạn quy ủịnh
Hình 2.11 Thiết bị bảo dưỡng mẫu
7) Thử nghiệm nén nở hông
Kiểm tra cường ủộ ở những ủộ tuổi khỏc nhau: 7 ngày và 28 ngày
Thí nghiệm cường ủộ khỏng nộn yêu cầu đặt mẫu vào giữa tấm bàn nộn dưới của máy nộn Khi bàn nộn trên tiếp xúc gần với mẫu, cần điều chỉnh bệ hình cầu để đảm bảo tiếp xúc đồng đều.
Gia tải với tốc ủộ từ (1 - 2)mm/phỳt ủến khi mẫu bị phỏ hoại
Hình 2.12 Thiết bị nén nở hông
Cụng thức tớnh cường ủộ nộn nở hụng qu với ủơn vị Mpa, Kpa, KN/m 2 q u = P/A Trong ủú:
P: Tải trọng phá hoại, KN;
A: Diện tích chịu nén của mẫu, mm 2
Xỏc ủịnh ủộ ẩm của mẫu thử sau khi phỏ hoại
Kết quả thử nghiệm là trung bỡnh cộng của cường ủộ ba lần nộn
8) Thử nghiệm tia nước ngầm
Hình 2.13 Thiết bị thử nghiệm tia nước ngầm (JT) Đồng hồ ủo ỏp Kim ủo
Bể dìm Ống tạo cột nước chênh áp