Khảo sát và thí nghiệm đất Lê Phương Bình, Nguyễn Tổng, Phạm Đức Thiện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NĂM XÂY DỰNG VÀ PHÁT TRIỂN 60 LÊ PHƯƠNG BÌNH NGUYỄN TỔNG PHẠM ĐỨC THIỆN KHẢO SÁT VÀ THÍ NGHIỆM ĐẤT NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ******************* ThS LÊ PHƯƠNG BÌNH, ThS NGUYỄN TỔNG, TS PHẠM ĐỨC THIỆN KHẢO SÁT VÀ THÍ NGHIỆM ĐẤT NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2020 LỜI NÓI ĐẦU Tài liệu “KHẢO SÁT VÀ THÍ NGHIỆM ĐẤT” biên soạn làm tài liệu tham khảo cho sinh viên đại học chuyên ngành xây dựng kỹ sư làm công tác liên quan Địa kỹ thuật: Lập đề cương khảo sát, lựa chọn phương pháp khoan phù hợp, lựa chọn phương pháp thí nghiệm trường tiến hành thí nghiệm phòng Tài liệu gồm bốn chương, nhằm cung cấp kiến thức liên quan đến công tác khảo sát địa kỹ thuật, cơng tác thí nghiệm trường thí nghiệm đất phịng thí nghiệm Nội dung chương bao gồm: Chương 1: Đại cương công tác khảo sát địa chất Chương 2: Phương pháp khoan khảo sát địa chất Chương 3: Các phương pháp thí nghiệm trường Chương 4: Các phương pháp thí nghiệm đất phịng thí nghiệm Mặc dù có nhiều cố gắng q trình biên soạn, chắn khơng tránh khỏi cịn nhiều thiếu sót Rất mong nhận ý kiến đóng góp đồng nghiệp bạn đọc Mọi ý kiến đóng góp xin vuil lịng liên hệ: Bộ mơn Cơ học đất – Nền móng, Khoa Xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Email: binhlp@hcmute.edu.vn Nhóm tác giả i ii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i CHƯƠNG ĐẠI CƯƠNG VỀ CÔNG TÁC KHẢO SÁT ĐỊA CHẤT 1.1 MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ, PHƯƠNG PHÁP KHẢO ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH 1.1.1 Mục tiêu khảo sát 1.1.1.1 Giai đoạn thiết kế sở 1.1.1.2 Giai đoạn thiết kế kỹ thuật 1.1.1.3 Giai đoạn thiết kế vẽ thi công – Khảo sát phục vụ thi công 1.1.2 Nhiệm vụ khảo sát 1.1.2.1 Giai đoạn thiết kế sở 1.1.2.2 Giai đoạn thiết kế kỹ thuật 1.1.2.3 Giai đoạn thiết kế vẽ thi công – Khảo sát phục vụ thi công 1.1.3 Phương pháp khảo sát 1.1.3.1 Giai đoạn thiết kế sở 1.1.3.2 Giai đoạn thiết kế kỹ thuật 1.2 XÁC ĐỊNH MỨC ĐỘ PHỨC TẠP CỦA ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT 1.2.1 Khái niệm điều kiện địa chất 1.2.2 Bảng phân loại mức độ phức tạp điều kiện địa chất 1.2.3 Cách thức xác định mức độ phức tạp điều kiện địa chất 1.3 CÁCH XÁC ĐỊNH THÔNG TIN CƠNG TRÌNH 1.4 SỐ LƯỢNG HỐ KHOAN TỐI THIỂU VÀ CÁCH THỨC BỐ TRÍ .9 1.4.1 Cơng trình dân dụng cơng nghiệp (TCVN 9363:2012 & TCXD 112:1984) 1.4.1.1 Giai đoạn thiết kế sở iii 1.4.1.2 Giai đoạn thiết kế kỹ thuật 10 1.4.2 Cơng trình cầu – đường: (22TCN 263 - 2000) 12 1.4.2.1 Giai đoạn thiết kế sở 12 1.4.2.2 Giai đoạn thiết kế kỹ thuật 13 1.4.2.3 Giai đoạn thiết kế vẽ thi công 14 1.5 ĐỘ SÂU HỐ KHOAN TỐI THIỂU DỰ KIẾN 14 1.5.1 Cơng trình dân dụng công nghiệp (TCVN 9363:2012 & TCXD 112:1984) 14 1.5.1.1 Giai đoạn thiết kế sở 14 1.5.1.2 Giai đoạn thiết kế kỹ thuật 16 1.5.2 Cơng trình cầu – đường: (22TCN 263 - 2000) 17 1.5.2.1 Giai đoạn thiết kế sở 17 1.5.2.2 Giai đoạn thiết kế kỹ thuật 18 1.6 LỰA CHỌN LOẠI THÍ NGHIỆM CẦN THIẾT 19 1.6.1 Các phương pháp thí nghiệm đất, đá ngồi trường sử dụng khảo sát địa chất công trình (Theo phụ lục – TCVN 4419:1987) 19 1.6.2 Đặc trưng lý đất, đá yêu cầu xác định khảo sát địa chất cơng trình (Theo phụ lục – TCVN 4419:1987) 21 1.6.3 Các phương pháp địa chất thủy văn sử dụng khảo sát xây dựng (Theo phụ lục – TCVN 4419:1987) 23 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP KHOAN KHẢO SÁT ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH 25 2.1 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP KHOAN KHẢO SÁT ĐỊA CHẤT 25 2.2 THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ CỦA PHƯƠNG PHÁP KHOAN XOAY 26 2.2.1 Thiết bị khoan 26 2.2.1.1 Máy khoan 26 2.2.1.2 Máy bơm dung dịch 27 2.2.1.3 Tháp khoan 28 2.2.1.4 Cần khoan 29 iv 2.2.1.5 Mũi khoan 30 2.2.2 Dụng cụ khoan 31 2.2.2.1 Bộ ống mẫu 31 2.2.2.2 Ống Slam 31 2.2.2.3 Bộ dụng cụ khoan 32 2.3 QUY TRÌNH THỰC HIỆN CỦA PHƯƠNG PHÁP KHOAN XOAY 33 2.3.1 Nguyên lý vận hành mùn khoan 34 2.3.2 Dung dịch khoan lưu ý 34 2.3.3 Quy trình thực phương pháp khoan xoay 36 2.4 QUY TRÌNH LẤY MẪU VÀ BẢO QUẢN MẪU 36 2.4.1 Định nghĩa mẫu đất – đá 36 2.4.2 Mẫu đất – Cách thức lấy mẫu đất 36 2.4.3 Quy trình lấy mẫu đất nguyên dạng 38 2.4.4 Mẫu đá – Cách thức lấy mẫu đá 39 2.4.5 Các loại phiếu mẫu 39 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG .40 3.1 THÍ NGHIỆM XUYÊN TIÊU CHUẨN SPT (TCVN 9351:2012) 40 3.1.1 Mục đích thí nghiệm 40 3.1.2 Phạm vi sử dụng khối lượng khảo sát 40 3.1.3 Nguyên lý thí nghiệm 40 3.1.4 Thiết bị thí nghiệm 41 3.1.5 Quy trình thí nghiệm 41 3.1.6 Kết thí nghiệm hiệu chỉnh kết thí nghiệm 42 3.1.6.1 Kết thí nghiệm: Là trị số N theo độ sâu thí nghiệm Được trình bày kèm theo hình trụ hố khoan thể dạng biểu đồ 42 3.1.6.2 Hiệu chỉnh kết thí nghiệm SPT 43 3.1.7 Ứng dụng thí nghiệm 45 3.1.7.1 Đánh giá trạng thái đất, từ đó, xác định sơ vị trí đặt móng mũi cọc [17] 45 v 3.1.7.2 Xác định cơng thức tương quan cho góc ma sát ϕ, mô đun biến dạng 46 3.2 THÍ NGHIỆM XUYÊN TĨNH CPTu (TCVN 9352:2012) 47 3.2.1 Mục đích thí nghiệm 47 3.2.2 Phạm vi sử dụng khối lượng khảo sát 47 3.2.2.1 Phạm vi sử dụng 47 3.2.2.2 Khối lượng khảo sát 47 3.2.3 Nguyên lý thí nghiệm 49 3.2.4 Dụng cụ thí nghiệm 49 3.2.5 Quy trình thí nghiệm: 50 3.2.5.1 Hiệu chỉnh mũi xuyên 51 3.2.5.2 Bão hòa mũi xuyên vòng đá thấm 51 3.2.5.3 Quy trình vận hành thiết bị CPTu 51 3.2.5.4 Quy trình đo tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng 52 3.2.6 Kết thí nghiệm hiệu chỉnh kết thí nghiệm 53 3.2.6.1 Kết thí nghiệm 53 3.2.6.2 Hiệu chỉnh kết thí nghiệm [16] 53 3.2.7 Ứng dụng kết thí nghiệm 55 3.2.7.1 Xác định độ chặt đất [17] 55 3.2.7.2 Xác định sức kháng cắt khơng nước Su [17] 55 3.2.7.3 Xác định góc ma sát ϕ cho đất cát [17] 56 3.3 THÍ NGHIỆM CẮT CÁNH HIỆN TRƯỜNG (22TCN 355-06) 56 3.3.1 Mục đích thí nghiệm 56 3.3.2 Nguyên lý đo đạc 57 3.3.3 Phạm vi sử dụng khối lượng thí nghiệm 57 3.3.4 Dụng cụ thí nghiệm 57 3.3.5 Quy trình thực 58 3.3.6 Kết thí nghiệm hiệu chỉnh kết thí nghiệm 59 3.3.6.1 Kết thí nghiệm 59 3.3.6.2 Hiệu chỉnh thí nghiệm cắt cánh [16] 60 3.3.7 Ứng dụng kết thí nghiệm 61 3.4 THÍ NGHIỆM BÀN NÉN HIỆN TRƯỜNG (TCVN 9354:2012) 61 3.4.1 Mục đích thí nghiệm 61 vi 3.4.2 Nguyên lý thí nghiệm 61 3.4.3 Dụng cụ thí nghiệm 61 3.4.4 Quy trình thí nghiệm 62 3.4.5 Kết thí nghiệm xử lý kết thí nghiệm 65 3.4.6 Ứng dụng kết thí nghiệm 66 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ĐẤT TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM 67 4.1 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH DUNG TRỌNG CỦA ĐẤT 67 4.1.1 Khái niệm 67 4.1.2 Các phương pháp xác định 67 4.1.3 Xác định dung trọng đất phương pháp dao vịng 68 4.1.3.1 Dụng cụ thí nghiệm: 68 4.1.3.2 Chuẩn bị thí nghiệm 69 4.1.3.3 Tiến hành thí nghiệm 69 4.1.3.4 Tính tốn kết 70 4.1.4 Phiếu ghi kết thí nghiệm xác định dung trọng đất 70 4.2 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ ẨM TỰ NHIÊN CỦA ĐẤT 70 4.2.1 Định nghĩa 70 4.2.2 Dụng cụ thí nghiệm 71 4.2.3 Chuẩn bị thí nghiệm 71 4.2.4 Tiến hành thí nghiệm 71 4.2.5 Tính tốn kết 73 4.2.6 Phiếu ghi kết thí nghiệm xác định độ ẩm tự nhiên đất 73 4.3 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN ATTERBERG CỦA ĐẤT.73 4.3.1 Đại cương 73 4.3.2 Thí nghiệm xác định giới hạn nhão đất 74 4.3.2.1 Dụng cụ thí nghiệm 74 4.3.2.2 Chuẩn bị thí nghiệm 76 4.3.2.3 Tiến hành thí nghiệm 76 4.3.2.4 Tính tốn kết 78 4.3.3 Thí nghiệm xác định giới hạn dẻo đất 79 vii Hình 4.13: Đường cong đầm chặt - Kiểm tra đường đầm chặt tiêu chuẩn cách biểu diễn thêm đường bão hòa - Đường bão hòa đường thể dung trọng khơ đạt khí mẫu bão hồ hồn tồn khỏi lỗ rỗng nhờ đầm chặt liên tục, tính theo cơng thức sau (4.23)  d(bh)  1 w  w (4.22) Trong đó: (bh) khối lượng thể tích khơ đất hồn tồn bão hòa (g/cm3);  khối lượng riêng đất (g/cm3); wlà khối lượng riêng nước (g/cm3); w độ ẩm đất (%) Bảng 4.6: Khối lượng thể tích khô d(bh) tương ứng khối lượng riêng đất Khối lượng riêng đất 2.52 Khối lượng thể tích khơ (g/cm3) độ ẩm (%) 10 15 20 25 30 2.238 2.013 1.892 1.676 1.546 1.435 101 Khối lượng thể tích khơ (g/cm3) độ ẩm (%) Khối lượng riêng đất 10 15 20 25 30 2.54 2.254 2.026 1.839 1.684 1.554 1.442 2.56 2.270 2.038 1.850 1.693 1.561 1.448 2.58 2.285 2.064 1.860 1.702 1.568 1.454 2.60 2.301 2.076 1.871 1.771 1.576 1.461 2.62 2.317 2.089 1.881 1.719 1.583 1.467 2.64 2.332 2.099 1.891 1.728 1.590 1.473 2.66 2.339 2.101 1.896 1.732 1.594 1.476 2.68 2.348 2.114 1.901 1.736 1.598 1.479 2.70 2.363 2.126 1.912 1.745 1.605 1.486 2.72 2.394 2.138 1.932 1.762 1.619 1.498 2.74 2.410 2.151 1.942 1.770 1.626 1.504 2.76 2.425 2.163 1.952 1.778 1.633 1.510 Bảng 4.7: Bảng tra tham khảo Độ ẩm tối ưu Tên đất wtu (%) 102 dmax (g/cm3) Cát – 12 1.75 – 1.95 Cát pha – 15 1.65 – 1.85 Sét pha nhẹ 12 – 18 1.65 – 1.85 Sét pha nặng 15 – 22 1.60 – 1.80 Sét pha bụi 17 – 23 1.58 – 1.78 Sét 18 – 25 1.55 – 1.75 4.5.6 Phiếu ghi kết thí nghiệm xác định độ chặt tiêu chuẩn đất Xác định độ ẩm w Số lần thí nghiệm 3 Lon số Khối lượng lon (mo , g) KL lon + đất ẩm (ma , g) KL lon + đất khô (md , g) Khối lượng nước (mw , g) Khối lượng hạt đất (ms , g) Độ ẩm đất ωi % Xác định dung trọng khơ Số lần thí nghiệm Thể tích khn V (cm³) Khối lượng khuôn mo(g) Khối lượng khuôn + đất m1(g) Khối lượng đất m2=m1mo(g) Dung trọng đất ẩm   m2 g V Dung trọng đất khô d   1  103 4.6 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT Tiêu chuẩn áp dụng TCVN 4199:2012 4.6.1 Đại cương - Khi xây dựng cơng trình địa điểm người ta cần biết khả chịu tải đất khu vực Để đánh giá khả chịu lực đất , cần dựa vào tiêu sức chống cắt đất, góc ma sát  lực dính c Để xác định tiêu dùng phương pháp thí nghiệm sau đây:  Nén đơn (unconfined compression): áp dụng cho loại đất có lực dính  Cắt trực tiếp (direct shear test): thực cho đất có lực dính khơng có lực dính  Nén ba chiều (Triaxial compression test): thí nghiệm áp dụng cho hai loại đất - Sức chống cắt τ đất phản lực ngoại lực ứng với lúc đất bắt đầu phá hoại trượt lên theo mặt phẳng định - Sức chống cắt loại đất không giống nhau, tuỳ theo trạng thái vật lý (mức độ phá hoại cấu trúc tự nhiên, độ chặt, độ ẩm) điều kiện thí nghiệm (phương pháp, cấu máy móc, kích thước mẫu thí nghiệm, tốc độ cắt,…) - Sức chống cắt τ đất ứng suất tiếp nhỏ nhất, tính theo công thức (4.24) τ= - Q F (4.23) Với ứng suất này, mẫu đất bị cắt theo mặt phẳng định trước áp lực thẳng đứng , tính theo cơng thức (4.25) σ= P F (4.24) Trong đó: P Q: lực pháp tuyến tiếp tuyến với mặt cắt; F: diện tích mặt cắt 104 - Quan hệ sức chống cắt τ áp lực thẳng đứng mặt phẳng cắt biểu diễn phương trình (4.26) τ = σtgφ + c (4.25) Trong đó:  góc ma sát đất; c lực dính đơn vị đất loại sét, hay thơng số tuyến tính đất loại cát - Để xác định giá trị tgφ c đất, cần phải tiến hành xác định τ ứng với ba trị số khác phương pháp thí nghiệm Hình 4.15: Biểu đồ quan hệ ứng suất pháp ứng suất tiếp τ - - Tùy theo tương quan tốc độ truyền nén lực cắt, với điều kiện thoát nước mẫu đất thí nghiệm, phân biệt phương pháp (sơ đồ) sau để xác định sức chống cắt:  Khơng nước – không cố kết : sau đặt áp lực thẳng đứng, sức cắt đặt nhanh nước mẫu khơng kịp ngồi  Thốt nước – cố kết: sau đặt áp lực thẳng đứng, tạo lực cắt chậm , nước thoát Áp suất nước triệt tiêu, áp suất hỗ tương hạt  Thốt nước – khơng cố kết: đặt áp lực thẳng đứng khoảng thời gian, sau cắt nhanh để nước khơng kịp Cấp áp lực nén xác định dựa vào độ bền kiến trúc trạng thái đất: Cấp áp lực nén lớn xác định sau:  Đối với đất yếu : 1-2 daN/cm2 105 -  Đối với đất dẻo cứng, nửa cứng: 2-3 daN/cm2 , lên đến daN/cm2  Giá trị tham khảo: 0.25; 0.5; 1.0 daN/cm2 đất yếu vừa 1.0; 2.0; 3.0 daN/cm2 đất tốt Các kết thí nghiệm xác định τ việc tính tốn tgφ c biểu diễn với độ xác hai số lẻ thập phân; φ - với độ xác đến 1o 4.6.2 Thiết bị thí nghiệm  Máy cắt trực tiếp Hình 4.16: Máy cắt trực tiếp - 106 Hộp cắt: có hai thớt – thớt thớt dưới; hai thớt giữ cố định (thông thường thớt cố định, thớt di động) Hình 4.17: Hộp cắt dao vịng Hình 4.18: Vòng ứng lực đồng hồ đo biến dạng - Đá thấm, giấy thấm - Quả cân với khối lượng khác - Đồng hồ đo biến dạng đứng ngang - Vòng ứng biến - Dao vòng - Hộp làm bão hoà mẫu Lưu ý:  Trước thí nghiệm, máy cắt ứng biến phải kiểm tra mức nằm ngang máy, dây cáp, điểm truyền lực ngang 107 mặt cắt, độ thăng độ nhạy cánh tay đòn truyền lực đứng lực ngang  Hàng năm phải hiệu chỉnh cánh tay đòn máy cắt ma sát hai thớt hộp cắt để đảm bảo độ xác 4.6.3 Chuẩn bị mẫu thử Để xác định sức chống cắt τ , phải chuẩn bị số mẫu, lắp sẵn tạo khe hở hai phần hộp cắt ( ≤ 1mm ) a) Mẫu thí nghiệm có kết cấu ngun: - Các mẫu thí nghiệm có kết cấu nguyên độ ẩm tự nhiên chuẩn bị cách cắt từ mẫu đất nguyên trạng khối lấy dao vòng cắt theo phương pháp xác định khối lượng thể tích dao vòng Đồng thời với việc lấy mẫu đất, cần lấy đất để xác định độ ẩm - Khi cho mẫu vào hộp cắt, phải đặt giấy thấm làm ẩm trước vào mẫu đá thấm Để cắt nhanh khơng nước, phải thay giấy thấm giấy can (hay nilông mỏng) b) Mẫu rời- không nguyên dạng: - Với mẫu cát - khơng giữ hình dạng - chuẩn bị cách đổ cát trạng thái khơ gió vào dao vịng lắp hộp cắt có đáy cứng với nhiều lỗ rỗng Phải đổ cát để dao vịng đầy hồn tồn theo yêu cầu độ chặt Khối lượng (m,g) cát đổ vào xác định theo công thức (4.27) m   d V (4.26) Trong đó: d khối lượng thể tích khơ cát (g/cm3); V thể tích dao vịng hộp cắt (cm3) 4.6.4 Tiến hành thí nghiệm: Cắt nhanh - khơng nước 4.6.4.1 Chuẩn bị mẫu hộp cắt - 108 Đặt đá thấm vào hộp cắt, bên đá thấm giấy lọc (đã thấm nước) - Vặn chốt để gắn hai phần hộp cắt lại - Đặt dao vòng lên hộp cắt Dùng miếng mộc gỗ (tamper), đóng thẳng cho đất dao vịng xuống, vào hộp cắt - Sau đặt miếng giấy lọc (đã thấm nước) miếng đá thấm lên mẫu đất bên hộp cắt 4.6.4.2 Tiến hành thí nghiệm - Đặt hộp cắt vào vị trí máy cắt - Đặt cần chất tải đứng lên mẫu - Chất tải tạo ứng lực đứng Chú ý: cần chất tải nhẹ nhàng, không tạo rung động mạnh Lượng tải đặt vào phụ thuộc vào cánh tay đòn máy cắt - Chỉnh lại số đọc đồng hồ đo biến dạng vịng ứng biến khơng - Chỉnh lại số vòng quay máy trước khởi động motor - Mở chốt khóa hộp cắt - Tác dụng lực cắt lên mẫu Dừng đọc có tượng sau:  Kim đồng hồ quay dừng lại, quay ngược lại chút  Kim đồng hồ quay tít  Kim đồng hồ quay chậm lại hẳn so với vận tốc từ đầu  Ngoại trừ trường hợp ba, trường hợp lại đảm bảo mẫu phá huỷ hai phần hộp cắt tách rời vào khoảng 5mm Lưu ý:  Cần phải theo dõi sát đồng hồ bắt đầu di chuyển chậm  Nếu máy cắt khơng có phận tự ghi người thí nghiệm phải ghi biến dạng phút mẫu bị phá hoại 109 4.6.4.3 Tính tốn vẽ biểu đồ - Lập biểu đồ liên hệ biến dạng cắt ứng suất cắt cho giá trị áp lực thẳng đứng  - Đối với máy cắt ứng biến, trị số ứng suất cắt τ (daN/cm2) tính theo cơng thức (4.29)   CR (4.27) Trong đó: C: giá trị hiệu chỉnh, thực chất số đàn hồi vòng ứng biến, hệ số chuyển từ biến dạng 0.01mm hay 0.001mm sang N/m2 hay daN/cm2 C 3.101(daN / cm² / div) A dientichmau (4.28) R: số đọc đồng hồ đo biến dạng vòng đo lực ngang (biến dạng vịng đo ứng biến) Các thơng số tg , c đất tính theo cơng thức (4.30) (4.31):  Góc nội ma sát φ xác định từ công thức (4.30) n n n n   i  i    i   i tg  i 1 i 1 n n   n      i  i 1  i 1  i 1 (4.30) i  Lực dính c xác định từ cơng thức (4.31) n  n  c     i  tg  i  n  i 1 i 1  (4.29)  Khi giá trị c