Chng 3 c¬ häc ®Êt Ch¬ng2 tÝnh chÊt c¬ häc cña ®Êt Chương 2 Các Tính chất cơ học của đất Bài 1 tính chịu nén của đất I thí nghiệm nén đất tại hiện trường (Pbt – plate bearing test) 1 Giới thiệu khái quát Trong nghiên cứu trạng thái làm việc của móng nông, xuất hiện ý tưởng là cần tiến hành thí nghiệm nén tại hiện trường trên một bàn nén tương tự như một móng nhưng có kích thước nhỏ hơn Qua đó, có thể quan sát được trạng thái làm việc của bàn nén làm cơ sở suy diễn cho móng nông có kính thước th.
cơ học đất đất Chơng2 : tính chất học cđa Chương Các Tính chất học đất Bài tính chịu nén đất I thí nghiệm nén đất trường (Pbt – plate bearing test) Giới thiệu khái quát Trong nghiên cứu trạng thái làm việc móng nơng, xuất ý tưởng cần tiến hành thí nghiệm nén trường bàn nén tương tự móng có kích thước nhỏ Qua đó, quan sát trạng thái làm việc bàn nén làm sở suy diễn cho móng nơng có kính thước thực Đó sở xuất loại thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh sử dụng cho kiểm tra thiết kế móng nơng cho thiết kế tầng phủ mặt đường giao thông Không đất mà đá người ta áp dụng loại thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh nhằm xác định môdun đàn hồi sức kháng cắt khối đá Mục đích nguyên lý thí nghiệm Mục đích để kiểm tra sức chịu tải cho phép móng nơng qua đánh giá tính bền tính biến dạng đất đáy móng Ngun lý thí nghiệm đặt bàn nén, dạng hình trịn vng, lên mặt lớp đất dự kiến đặt móng nơng (thường đáy hố đào) tiến hành chất tải lên bàn nén Tải trọng chất tăng dần theo cấp cấp cần quan trắc độ chuyển vị bàn nén chuyển vị xem ổn định Lập biểu đồ đường cong áp lực độ lún qua xác định ngưỡng giới hạn dẻo đất Trong trạng thái giới hạn phá hỏng đất xác định cấp tải trọng bàn nén chuyển vị khơng ngừng Mơdun đàn hồi đất xác định qua đường cong phạm vi pha đàn hồi Thiết bị thí nghiệm a) Bàn nén - Bàn nén chế tạo thép cứng, dạng hình trịn vng, đường kính cạnh khơng nhỏ 20cm, có diện tích khoảng 0.5 ~1m2 Bản nén chuẩn, có đường kính 30cm bàn nén Terzaghi sử dụng nhiều cơng trình nghiên cứu so sánh Tuy nhiên, để có kết phản ánh sát với thực tế bàn nén cần có kích thước lớn tốt, khả đối tải cho phép Những kích thước bản, quy định theo quy phạm quốc gia, thể hin bng 21: 48 (292) học đất đất Ch¬ng2 : tÝnh chÊt c¬ häc cđa Bảng 2-1: Kích thước bàn nén theo quy định quốc gia Quốc gia Kích thước bàn nén (cm) Mỹ 35 47.5 61 76.2 91.5 106.8 Đức 30 60 - - - - Há 20 40 75 - - - Bỉ 33 43 61 75 - - b) Bộ phận đối tải: - Đối tải chất tải lên khung dầm, phận đối tải bao gồm hệ khung chất tải vật chất tải ( cục gang, khối bê tông vật tạo trọng lượng thích hợp) - Đối tải neo ngàm khung dầm - Đối tải kết hợp hai phương pháp c) Bộ phận đo ghi: - - Đo xác định tải trọng (hay áp lực) : thường sử dụng kích thuỷ lực có đồng hồ áp lực để xác định tải trọng cấp, đo trọng lượng chất tải Đo chuyển vị nén: bao gồm hệ giá đỡ làm gỗ đồng hồ đo chuyển vị (sử dụng thiên văn kế có độ xác 0.01mm) Tiến hành thí nghiệm a) Bố trí thí nghiệm: - Việc xác định chiều rộng hố đào khoảng cách điểm neo dỡ tải đến tâm bàn nén, cho hạn chế ảnh hưởng đến số đo, bố trí theo hình 2-1 b) Xác định cấp áp lực nén: - Khoảng cấp áp lực nén (Äp) tác dụng phụ thuộc trạng thái đất tiêu chuẩn quy định Thông thường người ta xác định cấp áp lực theo nguyên tắc: ∆p = Ρmax − 10 Trong đó: Pmax : cấp áp lực tối đa dự định thí nghiệm, xác định sau: Pmax=(1.5 2).qa – qa sức chịu tải thiết kế cho móng nơng Pmax=qu – qu sức kháng giới hạn móng nơng theo tính tốn Khi khơng có tiêu chí lựa chọn sơ đồ cấp áp lực sau thường kiến nghị: 49 (292) (21-1) c¬ häc ®Êt ®Êt Ch¬ng2 : tÝnh chÊt c¬ häc cđa Ä=0.4 - 0.8 - 1.2 - 1.6 - 2.0 – 2.4 – 2.8 – 3.2 kg/cm2 (cần tiế tục: 3.6 -4.0) Như khoảng đến 10 cấp áp lực cần thiết để tiến hành cho thí nghiệm cấ lực sau lần cấp áp lực trước Hình 2-1 : Sơ đồ bố trí thí nghiệm bàn nén (FBT) c) Xác định khoảng thời gian đọc: - Cứ khoảng thời gian đọc chuyển vị theo sơ đồ ASTM kiến nghị sau: Giờ : 10 phút đọc lần Giờ tiế theo : 15 phút đọc lần Các sau : 30 phút đọc lần d) Xác định điều kiện ổn định lún: - Quan trắc chuyển vị kết thúc đất xem ổn định Độ ổn định qui ước tuỳ theo loại đất tiêu chuẩn ápdụng Các giá trị theo ASTM D1194-94, tham khảo: Với đất cát chuyển vị 0.2mm Với đất sét chuyển vị 0.2mm e) Xác định sơ đồ quan trắc: Sơ đồ quan trắc xác định tuỳ theo mục đích thí nghiệm để tìm hiểu trạng thái làm việc đất Có thể phân thành loại: - - Sơ đồ quan trắc chu kỳ: nghĩa tiến hành chất tải quan trắc lún đến kết thúc Sơ đồ quan trắc nhiều chu kỳ: nghĩa tiến hành hai hay nhiều chu kỳ chất dỡ tải trình quan trắc lún Mục đích xác định trạng thái làm việc pha giả đàn hồi đất 50 (292) c¬ học đất đất Chơng2 : tính chất học Thơng thường, thí nghiệm cho thiết kế đường người ta sử dụng sơ đồ nhiều chu kỳ Cịn thí nghiệm phục vụ móng nơng người ta hay dùng sơ đồ chất tải lần cấp áp lực thiết kế f) Thực thí nghiệm: Sau chuẩn bị đầy đủ khâu cho thí nghiệm bước tiến hành sau: - Làm phẳng đáy hố thí nghiệm, rải lớp cát thơ dày khoảng 1cm - Đặt bàn nén lắp đặt dụng cụ, đồng hồ đo hiệu chỉnh - Tác dụng cấp áp lực lên bàn nén, để khoảng 30 giây, dỡ tải - Hiệu chỉnh đồng hồ đo lún - Gia tải cấp, từ cấp đầu tiến hành quan trắc lún theo sơ đồ quan trắc ấn định cho cấp Trình bày kết Kết thí nghiệm trình bày dạng biểu đồ Hai loại biểu đồ cần thể hiện: - - Biểu đồ mối quan hệ chuyển vị theo thời gian cấp áp lực Biểu đồ có trục thời gian vẽ theo thang trực tiếp thang logarit thang hai Biểu đồ mối quan hệ áp lực độ lún Diễn dịch kết Phân tích biểu đồ quan hệ chuyển vị theo cấp áp lực cho phép ta xác định đặc trưng sau: a) Xác định ứng suất giới hạn đất bàn nén (qu): Thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh mơ hình thí nghiệm nén tĩnh móng nơng thu nhỏ, nên qua biểu đồ lún – cấp áp lực ta hình dung trạng thái làm việc đất móng ứng suất giới hạn đất bàn nén xác định theo cách: - - - Xác định ngưỡng mỏi (pt) thời điểm giao hai nhánh đàn hồi biến dạng dẻo đường cong áp lực - độ lún Xác định giới hạn phá hỏng đất nền: điểm mà tải trọng khơng tăng độ lún chuyển vị không ngừng theo thời gian Xác định giới hạn qui ước: áp lực mà độ lún đạt giá trị qui ước 1/10 đường kính bàn nén (hoặc cạnh bàn nén) Giá trị ứng suất giới hạn đất theo thí nghiệm dùng để đánh giá trạng thái làm việc đất bàn nén, mà xác định trực tiếp sức chịu tải cho phép móng nơng, cịn bị ảnh hưởng yếu tố hình dạng kích thước 51 (292) học đất đất Chơng2 : tính chất häc cña b) Xác định ứng suất cho phép đất bàn nén (pa): ứng suất cho phép đất bàn nén xác định cách sau: pa = qu FS (21-2) Trong đó: qu: ứng suất giới hạn FS : hệ số an toàn Theo kiến nghị Terzaghi (1948) ứng suất cho phép bàn nén lấy nửa cấp áp lực, mà bàn nén có độ lún 10mm c) Xác định sức chịu tải cho phép móng nơng (qa): Trong thực tế, móng nơng có kích thước B L, khác xa so với kích thước bàn nén Hiệu ứng hình dạng kích thước móng thực so với bàn nén, Terzaghi tính tốn cho loại đất, theo biểu thước sau: - Đối với đất loại cát: B qa = p a 1.6 + 0.7 L (21-3a) - Đối với đất loại sét: B qa = p a 0.77 + 0.23 L (21-3b) d) Xác định độ lún trực tiếp móng nơng (Sm) Độ lún móng nơng xác định trực tiế sở độ lún bàn nén, tác dụng sức chịu tải cho phép Độ lún móng nơng, có bề rộng B, xác định qua độ lún bàn nén theo biểu thức sau: Đối với đất loại cát, sử dụng công thức Kogler: 2B Sm = c f sb R + B (21-4) Đối với đất loại cát, sử dụng công thức Terzaghi: B Sm = c f sb 2R Trong đó: Sm: độ lún móng thực tế, có bề rộng B Sb: độ lún bàn nén (ở lực thiết kế, lấy biểu đồ) có bán kính R Cf : hệ số hình dạng, hụ thuộc tỷ số B/L, lấy theo bảng sau: 52 (292) (21-5) học đất đất Chơng2 : tính chất c¬ häc cđa Tỷ số B/L 0.5 0.33 0.2 0.1 cf 1.95 2.27 2.68 3.28 e) Xác định môdun biến dạng (Eo) Nếu coi quan hệ P~S tuyến tính, mơdun biến dạng (E o) tính theo cơng thức Lý thuyết đàn hồi sau: − ν ∆p.F ∆S = Eo d (21-6) Và đó: − ν ∆p.F ∆p Eo = = 1.57 * − ν * R * ∆S d ∆S ( ) (21-7) Trong đó: E0: Môđun biến dạng đất : hệ số Poisson hay hệ số nở ngang d : đường kính nén ; Nếu nén hình vng d = F π R : bán kính nén Äp : biến thiên cấp áp lực pha đàn hồi ÄS : biến thiên độ lún, tương ứng với cấ lực nêu Một số kết luận khác từ thí nghiệm trường: (1) Thí nghiệm 1: Chất tải lần, giữ nguyên tải trọng, theo dõi quan hệ độ lún thời gian (S~t) Sau đo đạc ghi kết đo được, sử dụng kết vẽ biểu đồ quan hệ độ lún thời gian sau: 53 (292) c¬ häc ®Êt ®Êt Ch¬ng2 : tÝnh chÊt c¬ häc cđa t t0 t St S0 S Hình 2-2 : Biểu đồ quan hệ Độ lún thời gian (S~t) • - - - Kết luận: Độ lún thời điểm ban đầu gia tải tăng dần theo thời gian, sau giảm dầm ngừng hẳn tải trọng trì nén Khi đến thời điểm (to) độ lún đạt giá trị lớn So (hoặc S), sau thời điểm độ lún không thay đổi, thay đổi với tốc độ chậm coi ngừng lún Độ lún (S) gọi độ lún cuối cùng, hay độ lún ổn định Giá trị (S) không phụ thuộc vào thời gian, mà phụ thuộc vào đặc tính lý đất Tại thời điểm t Pgh2 , quan hệ P~S đường gần dốc đứng Có nghĩa tải trọng chất khơng tăng, độ lún tăng đột ngột, đất bị phá hoại giai đoạn này, vùng biến dạng dẻo phát triển tối đa lan vào lõi móng, hình thành nên mặt trượt Nền đất bị phá hoại trượt - (3) Thí nghiệm 3: Chất tải dỡ tải., theo dõi quan hệ độ lún tải trọng (P~S) Kết thí nghiệm vẽ thành biểu đồ quan hệ P~S • - - Kết luận: Đường dỡ tải không trùng với đường giảm tải (hình 2-4a) Tổng biến dạng đất gồm hai thành phần: Biến dạng đàn hồi (S dh) biến dạng dư (Sdu) Đôi giá trị biến dạng dư tương đối lớn, đặc biệt đất đất yếu Khi lượng dỡ tải có giá trị định (đủ lớn) đất thể tính nở Nếu chất tải, dỡ tải nhiều lần, biến dạng dư cịn lại biến dạng đàn hồi Điều có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đầm nén đất ti hin trng 55 (292) học đất đất Chơng2 : tÝnh chÊt c¬ häc cđa p Sdu p S du1 S S du2 Sdh S du3 S a) Thí nghiệm chất dỡ tải S b) Thí nghiệm tăng giảm tải nhiều lần Hình 2-4: Biểu đồ quan hệ P~S thí nghiệm chất tải dỡ tải • Ưu điểm thí nghiệm nén trường cho kết xác thực, có tính chất khách quan thực trường Nhưng nhược điểm tốn kém, chi phí cao chiều sâu cần thí nghiệm lớn khó tiến hành thí nghiệm vấn đề kỹ thuật chi phí II thí nghiệm nén đất phòng (oct- one dimensional compression test) Khái quát chung Độ lún đất hạt mịn bão hoà nước, tác dụng tải trọng, xảy tượng cố kết, đề cập chương Thí nghiệm mơ tượng cố kết đất gọi thí nghiệm nén trục (OCT : One – dimensional Conpression Test), thí nghiệm nén cố kết, thí nghiệm nén lún - - Hiện tượng cố kết với chiều thoát nước thẳng đứng : tuỳ thuộc thời gian áp dụng tải trọng ta phân loại: • Thí nghiệm ngắn hạn: (thí nghiệm nén cố kết Terzaghi) qua tượng chủ yếu nghiên cứu cố kết sơ cấp • Thí nghiệm dài hạn: có xác định tượng cố kết sơ cấp nghiên cứu phần tượng cố kết thứ cấp Hiện tượng cố kết với nước ngang: thí nghiệm nước hướng tâm Thí nghiệm nén cố kết nhằm mục đích nghiên cứu q trình cố kết theo lý thuyết Terzaghi Thí nghiệm xác định độ lún trình nước lỗ rỗng mẫu đất tải trọng thẳng đứng (tham khảo ASTM D2435) Thí nghiệm OCT dùng cho loại đất cát đất loại sét có kết cấu nguyên dạng, chế bị mẫu trạng thái bão hồ nước Xác định tính nén lún đất (giảm thể tích lỗ rỗng) tác dụng tải trọng thẳng đứng lên mẫu theo cp (ỏp lc) 56 (292) học đất đất Chơng2 : tÝnh chÊt c¬ häc cđa Kết thí nghiệm thành lập đồ thị quan hệ e~p(ú’) (đường cong nén lún), e~log(ú’) (đường cong cố kết), S~t cấp tải trọng, đồng thời xác định đặc trưng biến dạng khác đất: hệ số nén lún (a), môdun biến dạng (E), hệ số cố kết Cv Thiết bị phương thức tiến hành a) Thiết bị thí nghiệm phương thức tiến hành: Hình 2-5: Sơ đồ bố trí thíêt bị thí nghiệm nén trục (OCT) (1) Máy nén đất hòng (oedometer) gồm phận chủ yếu hộp đựng mẫu (1) đồng, đựng mẫu đất (2), mẫu thường có dạng hình trụ, dụng cụ lấy mẫu nguyên dạng, dao cắt đất, đồng hồ bấm giây, tủ sấy, cân kỹ thuật, giấy thấm… (2) Chú ý thao tác yêu cầu máy nén; - - Tải trọng truyền vào nén theo phương thẳng đứng nén Rửa đá thấm để nước lưu thông dễ dàng Phải kiểm tra độ khít, độ phẳng bàn máy, cân phận truyền áp lực Trong trình thử phải giữ máy điều kiện tĩnh không bị rung hay va đập Mỗi năm điều chỉnh máy lần, có hiệu chỉnh biến dạng máy, thơng số dao vịng (3) Đất loại sét đất loại cát (không lẫn sỏi sạn) đường kính mẫu thử dao vịng d ≥ 50mm, đất lẫn sỏi sạn hải dùng dao vịng có đường kính d ≥ 70mm Khi thí nghiệm lấy mẫu bão hồ nên dùng nước có đặc tính giống nước nơi lấy mẫu (4) Cấp tải trọng ban đầu lấy nhỏ áp lực tự nhiên (mẫu đất nguyên dạng): - Đất mực nước ngầm đồng nhất: σ tn = 0.1 * z * γ - Đất mực nước ngầm lấy: 57 (292) (kG/cm2) (21-8a) học đất đất Chơng2 : tính chất häc cđa c) Thí nghiệm sơ đồ cắt chậm, nước (CD – Consolidate-drain) Thí nghiệm đựơc tiến hành cho bước chuẩn bị thí nghiệm cố kết, cắt nhanh Riêng trình thao tác cắt đất cần tiến hành đủ chậm để nước Tuỳ theo loại đất khả thiết bị mà chọn vận tốc cắt cho phù hợp Sơ đồ thí nghiệm xem cắt đất trạng thái cố kết, thoát nước – CD, cung cấp thông số ứng suất hữu hiệu Với loại đất rời, có khả nước tốt cát, cắt trực tiếp ln theo sơ đồ nước Trình bày kết thí nghiệm Kết thí nghiệm cắt trực tiếp thể dạng hai biểu đồ: - - Biểu đồ biến thiên sức kháng cắt (ụ) theo chuyển vị (ồ) cấp áp lực pháp tuyến (ú) không đổi Giá trị sức kháng cắt cực đại đường cong giá trị (ụ) tương ứng với cấp áp lực pháp tuyến mẫu đất cần tiến hành cho thí nghiệm ta có ba cặp tương ứng ụ1 ~ ú1 ; ụ2 ~ ú2 ; ụ3 ~ ú3 Biểu đồ sức chống cắt (Coulomb) thể mối quan hệ cặp ứng suất nêu Hình (2-19) Qua đường sức chống cắt ụ ~ ú ta dễ dàng xác định thông số : ; c Với: n τ −τ tgϕ = ; tgϕ = σ −σ1 c = τ − σ tgϕ ; c = n n n∑τ iσ i − ∑τ i ∑σ i 1 n∑σ − ∑σ i n n i n n n 1 ∑τ i ∑ σ i2 − ∑ σ i (23-5a) n ∑τ σ i i n n∑ σ − ∑ σ i n 2 (23-5b) i Tuỳ theo điều kiện thí nghiệm sơ đồ cắt nêu mà ta xác định thông số sức kháng cắt trạng thái ứng suất tỗng hay hữu hiệu: - Với sơ đồ cắt nhanh (khơng cố kết, khơng nước – UU): ửuu cuu - Với sơ đồ cắt nhanh, cố kết (cố kết, khơng nước – CU): ửcuvà ccu - Với sơ đồ cắt chậm (cố kết, thoát nước – CD): v c 93 (292) học đất đất Ch¬ng2 : tÝnh chÊt c¬ häc cđa τ τ σ(ι) =constant τι0 τ (3) τ (2) τ (1) c ϕ ε ε a) Đường quan hệ ụ ~ σ (1) σ (2) σ (3) σ b) Đường sức chống cắt ụ ~ ú Hình 2-19 : Biểu đồ từ kết thí nghiệm cắt trực tiếp III Thí nghiệm nén ba trục (Tct – triaxial compression test) Giới thiệu chung: Thí nghiệm nén ba trục (Triaxial Compression Test – TCT), tiến hành để xác định sức kháng cắt đất loại sét mẫu đất ngun dạng Thí nghiệm thực cho nhiều sơ đồ khác nhau, phù hợp với điều kiện làm việc thực tế đất tải trọng Việc lựa chọn sơ đồ thí nghiệm phụ thuộc vào điều kiện chất tải, thoát nước phương pháp phân tích móng Chi tiết qui định bước tiến hành thí nghiệm TCT tham khảo tiêu chuẩn ASTM D 2850 Chuẩn bị mẫu: Thỏi mẫu chế bị mẫu đất nguyên dạng đựng hộp mẫu, thường có đường kính 100mm Thơng thường cần đến thỏi mẫu, có chiều cao lần đường kính, sử dụng cho thí nghiệm Với phương thức nén nhiều giai đoạn (multistage procedure) cần thỏi chế bị Khi thỏi mẫu chế bị xong cần bọc màng cao su, đặt kính vào hai đầu để vào chậu thuỷ tinh đậy kín nắp - Với đất hạt mịn (sét) đường kính thỏi mẫu từ 35 ~ 40mm Với đất có hạt trung, đất đắp chế bị trước dùng thỏi mẫu đường kính 100mm (hoặc dùng mẫu nguyên dạng) để thí nghiệm Thiết bị v hnh thớ nghim 94 (292) học đất ®Êt - - Ch¬ng2 : tÝnh chÊt c¬ häc cđa Thỏi đất thí nghiệm bọc kín màng cao su mỏng đàn hồi (hoặc hai đầu) có đệm đá thấm, lắp đặt vào hộp gọi hộp nén ba trục Hộp nén ba trục bơm đầy nước có thiết bị điều chỉnh để tạo áp lực nước ú (ú2=ú3 ) tác động vào thành lõi áp lực ú3 đo đồng hồ áp lực Mặt khác, thỏi đất tác dụng áp lực thẳng đứng thông qua thiết bị piston để tạo tải trọng tác dụng P Thiết bị đo lực vòng ứng biến với thiên vân kế (Hình 220) Hình 2-20 : Thiết bị thí nghiệm nén ba trục - - Chuyển vị thẳng đứng thỏi mẫu ∆l đo thiên vân kế gắn với piston nén Một khoá (R), cho phép đóng mở đường nước lỗ rỗng từ thỏi mẫu qua đá thấm, tuỳ theo sơ đồ thí nghiệm Cũng qua khố (R) cho phép đo áp lực nước lỗ rỗng đất bão hoà nước, lắp đồng hồ đo Khi khoá (R) mở đo lượng nước Khi cần đo áp lực nước lỗ rỗng q trình thí nghiệm thiết bị phải cho bão hồ nước Phương thức thí nghiệm: ấn định áp lực ú3 buồng nén, vận hành để tăng lực thẳng P lên thỏi mẫu, đồng thời đo chuyển vị thẳng đứng thỏi mẫu theo cấp độ lực tăng dần đến thỏi mẫu bị phá hỏng Các ứng suất xác định ú ú3 ứng suất ú3 tác động lên đỉnh thỏi mẫu Gọi P lực piston tác động lên mẫu F tiết diện thỏi mẫu, ta có: σ1 −σ = P F Các sơ đồ thí nghiệm nén ba trục a) Thí nghiệm khơng cố kết, khơng nước (UU – Unconsolidate-Undrain) 95 (292) (23-6) học đất đất Chơng2 : tính chất häc cđa Đây sơ đồ thí nghiệm đơn giản, vận hành nhanh, giá thành rẻ thông dụng thí nghiệm nén ba trục Kết sức kháng cắt xác định trạng thái ứng suất tổng (1) Vận hành thí nghiệm: - - - Thỏi mẫu bọc kín màng cao su, đặt vào bệ nén hộp nén, đẩy lên cho tiếp xúc trục tạo lực Bơm đầy nước vào hộp nén đến áp lực dự kiến (ú 3) máy nén khí cột thủy ngân Tác động lực thẳng đứng P để đẩy piston xuống đến chạm mặt thỏi mẫu quay tay động Vận tốc tác dụng đứng khoảng 2% biến dạng tương đối (ồ) phút Đo lực đồng hồ biến dạng vòng ứng biến tần suất đo ban đầu khoảng 0.5% đến 3% biến dạng tương đối (ồ) đọc lần Sau 1% biến dạng tương đối (ồ) đọc lần lõi đất bị phá hỏng, qui ước tổng biến dạng tương đối (ồ) đạt tới 20% Biến dạng tương đối ( ε = ∆h ) Äh : độ chuyển vị thỏi đất nén ; h : chiều h cao ban đầu thỏi đất (2) Tính tốn thơng số: - Tiết diện thỏi mẫu cần tính tốn khoảng biến dạng tương đối ghi theo biểu thức: Fi = F0 1− ε (23-7) Trong đó: Fi : tiết diện biến đổi theo khoảng biến dạng F0 : tiết diện thỏi mẫu ban đầu : biến dạng tương đối ε = - chuyen.vi.dung chieu.dai.ban.dau.cua.mau.dat ứng suất thẳng đứng ú1 tính tốn theo biểu thức: σ 1i = Pi + σ 3i Fi (23-8) Trong đó: Pi : lực dính đơn vị tạo ứng suất hiệu Fi: tiết diện biến đổi theo khoảng biến dạng tương đối ú3i : áp lực buồng nén - ứng suất nằm ngang ú3i xác định đồng hồ áp lực buồng nén Việc lựa chọn áp lực buồng nén ú phụ thuộc vào loại đất, đặc biệt chủ đề phân tích Giá trị đại diện thường chọn giá trị ú 3(1) = ú0 ; ú3(2) = ú0+100 (kN/m2) ú3(3) = ú0+200 (kN/m2), (trong ú3 áp lực cột đất chiều sâu lấy mẫu) (3) Trình bày kết quả: Kết thí nghiệm thể hai dạng đường: - Biểu đồ đường ứng suất, biến dạng ụ ~ ca cỏc thi mu 96 (292) học đất ®Êt - Ch¬ng2 : tÝnh chÊt c¬ häc cđa Biểu đồ sức chống cắt (Coulomb) thể mối quan hệ ụ ~ qua vịng trịn Mohr Hình (2-21) τ τ σ 3ι =constant c (σ i− σ i) εi ε a) Đường quan hệ ụ ~ σ 31 σ 32 σ 33 σ 11 σ 12 σ 13 σ b) Đường sức chống cắt ụ ~ ú Hình 2-21 : Biểu đồ từ kết thí nghiệm nén ba trục Kết thí nghiệm sơ đồ sử dụng cho đất dính với thơng số : cuu ửuu b) Thí nghiệm cố kết, khơng nước, đo áp lực nước lỗ rỗng (CIU) (CU – Consolidate-undrain) Các trình từ chuẩn bị mẫu, lắp đặt thí nghiệm nguyên tắc tương tự sơ đồ trên, ngoại trừ công việc sau: - - - - Khi thỏi mẫu lắp đặt vào buồng nén, tác dụng áp lực buồng nén ú mẫu cố kết mở van (R) để nước Trong q trình đợi thỏi mẫu cố kết cần tiến hành đo mức độ cố kết theo thời gian tương tự nén trục Khi độ cố kết cấp áp lực buồng nén (ú 3) đạt lắp thiết bị đo áp lực lỗ rỗng vào vị trí van khố (R), nước lỗ rỗng thỏi mẫu thí nghiệm đo Thí nghiệm tiến hành bình thừơng sơ đồ có đo thêm áp lực nước lỗ rỗng Ngoài hai biểu đồ thể hai loại đường cong nêu trên, vẽ thêm đường cong áp lực nước lỗ rỗng theo biến dạng tương đối Kết nhận theo sơ đồ sức kháng cắt theo hai trạng thái: • Đặc trưng sức kháng cắt cố kết khơng nước : c cu ửcu sử dụng cho thiết kế đắp đất theo giai đoạn đất yếu • Đặc trưng sức kháng cắt cố kết, thoát nước : c’ ử’ phân tích ổn định dài hạn c) Thí nghiệm cố kết, thoát nước (CD) (CD – Consolidate-drain) Mẫu đất đựơc chuẩn bị tương tự sơ đồ thí nghiệm CU ngoại trừ số điểm khác biệt sau: 97 (292) học đất đất - - - Chơng2 : tÝnh chÊt c¬ häc cđa Khi cố kết xong, trước thí nghiệm, van (R) mở để nước q trình thí nghiệm Vận tốc cắt phải đủ chậm để nước lỗ rỗng qúa trình cắt Vận tốc lấy vận tốc biến dạng tương đối theo kinh nghiệm tuỳ thuộc loại đất Đặc trưng sức kháng cắt nhận được, theo sơ đồ thí nghiệm này, trạng thái ứng suất hữu hiệu với thông số : c’ ử’ Sử dụng vòng tròn Mohr ứng suất để biểu diễn trạng thái ứng suất đồ thị Đường sức chống cắt đường thẳng tiếp xúc với vịng trịn Mohr ứng st Trong thực tế có vịng trịn có đường thẳng tiếp tuyến chung Do sử dụng phương pháp bình phương nhỏ để xác định: tgϕ = A −1 A ; c= σ0 A (23-9) Trong đó: n n n n σ σ − σ ∑1 1i 3i ∑1 1i ∑1 σ 3i A = n n n ∑ σ 3i − ∑ σ 3i n n n ∑1 σ 32iσ 1i − ∑1 σ 3i ∑1 σ 1iσ 3i σ = n n n∑ σ 3i − ∑ σ 3i (23-10) IV Thí nghiệm nén nở hơng (UCT – Unconfined compression test) Giới thiệu chung Thí nghiệm nén nở hông (Unconfined compression test – UCT), phương pháp đơn giản để xác định sức kháng đất dính Theo nguyên lý, thí nghiệm nén dọc trục thỏi đất, có chiều cao lần đường kính, với áp lực nén thẳng đứng để thỏi đất nở hông tự phá hỏng Thiết bị thí nghiệm Sơ đồ nguyên lý thiết bị thí nghiệm nén nở hơng th hin hỡnh (2-22) 98 (292) học đất ®Êt Ch¬ng2 : tÝnh chÊt c¬ häc cđa Chuẩn bị mẫu đất Thỏi mẫu đất thí nghiệm, lấy từ hộp mẫu nguyên dạng, chế bị ống cắt mẫu có chiều cao hai lần đường kính Đường kính thỏi đất qui ước cho thí nghiệm khoảng 35 ~ 38mm Hai đầu thỏi mẫu cần cắt phẳng Mỗi thí nghiệm nén cần thỏi mẫu Cần đem cân thỏi mẫu chế bị để xác định dung độ ẩm, trước thí nghiệm nén qu a) Sơ đồ thiết bị nén nở hông ε b) Biểu đồ thí nghiệm Hình 2-22 : Sơ đồ thiết bị kết thí nghiệm nén nở hơng Tiến hành thí nghiệm - - - Lắp đặt thỏi mẫu vào đệm thiết bị, điều chỉnh cho lõi mẫu lên gần sát đêm Chuẩn bị chỉnh đồng hồ thí nghiệm Tác động lực thẳng đứng từ từ lên đầu thỏi mẫu để mẫu bị nén xuống, với vận tốc từ 1.5 đến 2mm/phút, mẫu bị phá hỏng Thời gian thí nghiệm diễn khoảng đến 20 phút Đo ghi lực nén P tác dụng lên mẫu đồng thời với đo chuyển vị thẳng đứng (lún) lõi mẫu Trình bày tính tốn kết Kết thí nghiệm thể dạng biểu đồ quan hệ q u ~ ồ, đó: qu: sức kháng ∆h nén nở hông ; ε = : độ chuyển vị tương đối (hình 2-22b) h - Sức kháng nén không nở hông qu tớnh theo cụng thc: 99 (292) học đất đất Ch¬ng2 : tÝnh chÊt c¬ häc cđa qu = - 4.P π D (23-9) Sức kháng nén khơng nước cu xác định: cu = qu (23-10) V Điều kiện cân Mohr-Rankine Như biết từ môn Sức bền vật liệu, ứng suất cắt theo tất phương cịn nhỏ ụ < ụf đất ở trạng thái an tồn Vịng trịn Mohr ứng suất điểm nằm đường sức chống cắt Nếu có điểm nền, ứng suất cắt gây trượt theo phương đó, có nghĩa ụ = ụf chắn vịng trịn Mohr ứng suất tiếp xúc với đường sức chống cắt điểm – gọi điều kiện cân giới hạn (hình 2-23) Điều kiện cân dạng trạng thái cân giới hạn, vòng tròn Mohr tiếp xúc với đường ụ f=ú.tgử + c điểm D Ta viết đẳng thức sau: τ σ τ τ D ϕ+c g t σ f= ϕ c ϕ E Α σ c.tgϕ σ3 Β C F σ1 Hình 2-23 : Vịng trịn Mohr-Rankine trạng thái cân giới hạn σ1 − σ CD CD sin ϕ = = = AC A0 + 0C σ + σ + c cot g 100 (292) học đất đất Chơng2 : tÝnh chÊt c¬ häc cđa sin ϕ = - σ1 − σ σ + σ + 2.c cot gϕ (23-11) σ1 −σ σ1 + σ (23-12) Khi c = thì: sin ϕ = Biểu thức (23-11) “Điều kiện cân giới hạn Mohr-Rankine” điểm biểu qua ứng suất tác dụng điểm đất Có nghĩa là, ứng suất điểm thoả mãn điều kiện (23-11) điểm có tượng đất bắt đầu bị trượt Điều kiện cân dạng Cơng thức (23-11) viết thành: σ (1 − sin ϕ ) = σ (1 + sin ϕ ) + 2.c cos ϕ σ1 = σ (23-13) (1 + sin ϕ ) cos ϕ + 2.c (1 − sin ϕ ) (1 − sin ϕ ) Biết rằng: (1 + sin ϕ ) sin 90 + sin ϕ ϕ = = tg 45 + (1 − sin ϕ ) sin 90 − sin ϕ 2 cos ϕ sin(90 − ϕ) ϕ = = tg 45 + (1 − sin ϕ) sin 90 − sin ϕ 2 Vậy: ϕ ϕ σ = σ tg 45 + + 2.c.tg 45 + 2 2 (23-14) Điều kiện cân dạng Điều kiện cân giới hạn biểu diễn qua quan hệ ứng suất thành phần theo trục toạ độ (XOY) Như biết, ứng suất tính theo ng sut trc nh sau: 101 (292) học đất ®Êt Ch¬ng2 : tÝnh chÊt c¬ häc cđa σ 1,3 σ x +σ y σ x −σ y = ± 2 + τ xy2 (23-15) Thay (23-15) vào (23-11) ta được: sin ϕ = (σ x − σ y ) + 4.τ xy2 (σ x + σ y + 2.c cot gϕ ) (23-16) Xác định phương mặt trượt Nếu ta nối ú3 vói D theo phương pháp Mohr phương ứng suất pháp ú tác dụng thẳng góc với mặt trượt làm với phương ứng suất lớn ú góc ϕ = 45 + Do ứng suất tiếp nằm mặt trượt hợp với phương ứng suất ú góc ϕ ϕ = 90 − 45 + = 45 − 2 Do đối xứng nên có hai mặt trượt hợp với phương ứng suất lớn góc : ϕ ± 45 − 2 VI Các nhân tố ảnh hưởng đến sức chống cắt Thành phần khống, hình dạng cấp phối hạt • Đối với đất cát vai trị hình dạng cấp phối hạt đáng kể, hạt to, hình dạng gồ ghề cường độ chống cắt lớn • Đối với đất sét, yếu tố thành phần khống có ảnh hưởng lớn cả, thành phần khống định chiều dày độ nhớt lớp nước màng mỏng xung quanh hạt, ảnh hưởng đến lực dính cường độ chống cắt đất áp lực có hiệu theo chiều pháp tuyến • đất cát, yếu tố tạo thành cường độ chống cắt lực ma sát, mà ma sát tỉ lệ với áp lực, tức ứng suất pháp có hiệu • đất sét, cường độ chống cắt chủ yếu lực dính tạo thành, áp lực có hiệu tác dụng làm tăng liên kết dính hạt đất sét, cường độ chống cắt đất tăng lên Độ chặt ban đầu (đối với đất cát) 102 (292) học đất đất Chơng2 : tính chất häc cđa Đối với đất cát chặt lực ma sát lực hóc hạt lớn, cường độ chống cắt đất lớn đất cát rời, trái lại, lực ma sát lực hóc hạt bé cường độ chống cắt đất bé Độ ẩm (đối với đất sét) Đối với đất cát, thí nghiệm rằng, góc ma sát hạt đất khơ ướt khác (chỉ khoảng ~ 0), nên ảnh hưởng độ ẩm đến cường độ chống cắt nhỏ Đối với đất sét, độ ẩm lớn, chiều dày lớp nước màng mỏng lớn, độ chặt lực dính hạt giảm xuống cường độ chống cắt bé Độ ẩm đất sét gắn liền với tình hình tăng tải, tình hình nước q trình cố kết, nên nhân tố có ảnh hưởng đến cường độ chống cắt đất Bài 103 (292) Thí nghim m cht t học đất đất Chơng2 : tÝnh chÊt c¬ häc cđa I Thí nghiệm đầm chặt đất (SCT – Soil compaction test) Thí nghiệm đầm chặt đất (SCT – Soil Compaction Test) sử dụng để xác định dung trọng khô cực đại đất lượng đầm định độ ẩm tương ứng lượng Thí nghiệm cung cấp dung trọng chuẩn làm sở đánh giá dung trọng đạt độ ẩm tối ưu thi công lu đầm trường Chi tiết bước tiến hành thí nghiệm đầm chặt đất tham khảo “Tiêu chuẩn ASTM D 698” Thiết bị thí nghiệm Một cối đầm tiêu chuẩn gồm thành phần sau: - Cối, đế có khố hãm trọng lượng xác định trước - Chày đầm có kính thước, trọng lượng hành trình đầm tuỳ theo tiêu chuẩn qui định - Đi kèm theo cịn có vịng bao thành phần lắp phụ thêm sử dụng đầm Hình (2-24a) thiết bị đầm chặt thủ cơng Chi tiết kích thứơc lượng đầm sử dụng theo tiêu chuẩn khác thể bảng 2-5 a) Sơ đồ thiết bị đầm thủ cơng b) Biểu đồ thí nghiệm đầm chặt Hình 2-24 : Thiết bị biểu đồ kết thí nghiệm đầm chặt Bảng 2-5: Kích thước trọng lượng cối đầm theo tiêu chuẩn Đặc trưng cối Tiêu chuẩn thí nghiệm BS Test 12 104 (292) Đặc trưng chày Thể tích V (cm3) Đường kính d (mm) Chiều cao H (mm) Trọng lượng (kg) Hành trình f (mm) 1.000 105 115.5 2.5 300 Số lớp đất Số lần m cho lp 27 học đất đất 1377 Ch¬ng2 : tÝnh chÊt c¬ häc cđa Test 12 (hiệu chỉnh) 2.320 152 127.0 2.5 300 62 Test 13 1.000 105 115.5 4.5 450 27 1975 Test 13 (hiệu chỉnh) 2.320 152 127.0 4.5 450 62 AASTHO T 145 940 101.5 116.4 2.50 304.8 25 T 180 940 101.5 116.4 4.54 457.2 25 T 180 (hiệu chỉnh) 2.320 152 127.0 4.54 457.2 56 A 1.000 100 127 2.5 300 B 1.000 100 127 2.5 300 Cải tiến 2.243 125 127 4.5 450 TCVN 4201 1995 Xem ghi 55 Ghi chú: * Số lần đầm theo TCVN (cho cối loại A, B) sau: - Cát, cát pha: n=25 - Sét, sét pha với IP < 30 n=40 - Đất sét với IP > 30 n=50 * Đường kính đế đầm cối A: 100m, cối B: 50mm ; cối cải tiến: 50mm Phương thức thí nghiệm - - - - - Mẫu đất, sau hong khơ gió, sàng qua cỡ rây 20mm (0.75”) trộn với lượng nước định Lượng nước cần thiết trộn với đất ước lượng dựa theo kinh nghiệm Đất chế bị cho vào cối đầm với số lớp số búa đầm lớp tuân theo tiêu chuẩn ấn định trước Sử dụng chày đầm tiêu chuẩn phương thức đầm dùng thủ cơng, giới Về kính thước cối đầm, chày đầm số búa đầm cho lớp phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật tiêu chuẩn Lượng đất sử dụng để đầm chặt cần phải đủ để đầy cối cao lên không 6mm tháo thành cối phụ Sau đầm xong, bỏ thành chắn ra, dùng dao sắc cạo phẳng bề mặt, đem cân cối đất Sau đó, lấy đất cối ra, lấy phần làm mẫu đất để thí nghiệm độ ẩm Cứ tiến hành lần riêng biệt để xác định giá trị độ ẩm Biết trọng lượng đất lần đầm độ ẩm tương ứng cho phép ta xác định dung trọng khơ 105 (292) c¬ häc ®Êt ®Êt - Ch¬ng2 : tÝnh chÊt c¬ häc cđa Hình (2-24b) thể mối quan hệ dung trọng khơ độ ẩm lần đầm, xác định giá trị dung trọng khô cực đại (Maximum Dry Density – MDD) độ ẩm tối ưu (Optimum Moisture Content – OMC) Một số lưu ý - - - - - Mô tả phương thức thí nghiệm chủ yếu thích hợp cho đất loại sét, với hàm lượng nhỏ vật liệu có kích cỡ lớn 20mm Việc lựa chọn thích hợp cối đầm cịn phụ thuộc vào mức độ thơ hạt đất Với đất rời (cát – sạn) đầm thường làm hạt đổi chỗ thay làm chặt chúng lại kết dung trọng thu lại nhỏ so với lúc trường Để khắc phục tình trạng người ta sử dụng phương pháp đầm rung thay cho đầm tiêu chuẩn Đầm rung tiến hành vòng 60 giây cho lớp đất với lực đầm 30 ~ 40kg Đối với đất sạn sỏi ta khơng làm phẳng đất mặt cối đầm Thay vào xác định giá trị trung bình chiều cao đất cối vành bao Đối với cát kết để vẽ đường cong quan hệ dung trọng khô độ ẩm thường thấp xác định điểm cực đại tồn hai điểm cực đại Đôi điểm độ ẩm giá trị dung trọng khô lại cao Với tính chất đơi người ta đầm chặt cát trạng thái khô vùng hoang mạc Với đất dễ mềm tơi (đất tàn tích), có xu hướng tơi trình đầm, nên vật liệu thay cần sử dụng cho lần xác định độ ẩm II Hệ số chặt đất (k) Độ chặt đất thường thi công loại máy lu lèn với số lần lại thích hợp để đạt độ chặt định Độ lu lèn máy thi công trường khó lèn chặt kết thí nghiệm phịng Để đánh giá độ đầm chặt đất trường, thường sử dụng hệ số đầm chặt: K= γ kht γ kpro Trong đó: K : hệ số đầm chặt γ htk : dung trọng khô xác định sau đầm lèn trường γ pro k : dung trọng khơ xác định phịng thí nghiệm Với đường đắp thường gía trị K yêu cầu từ 0.95 ~ 0.98 106 (292) (24-1) học đất đất 107 (292) Ch¬ng2 : tÝnh chÊt c¬ häc cđa ... Thay (22 -45) vào (22 - 42) ta c: 87 (29 2) (22 -45) học đất đất Ch¬ng2 : tÝnh chÊt c¬ häc cđa ∂e a ∂u ∆Vr = − ∂t dz.dt = − dz.dt 1+ e + e ∂t (22 -46) (3) Cân ÄQ=ÄVr Cân phương trình (22 -39) với (22 -46)... giá trị vào (22 -22 ) được: k = q ln(5000) 1.36q = 2? ?D (h − d w ) D.(h − d w ) Vì thế, hệ số thấm k gần dùng giếng quan sát là: k= 77 (29 2) 1 ,25 .q D.(h0 d w ) (22 -22 ) học đất đất Chơng2 : tÝnh chÊt... e2 = a.( p2 − p1 ) = a.∆p (21 -21 ) Thay biểu thức (21 -21 ) vào biểu thức (21 -20 ), kết quả: S= a ∆p.h1 + e1 S = ao ∆p.h1 (21 -22 a) (21 -22 b) Và ý đến quan hệ lấy h1 = ho p1=0 (khi chưa gia tải) p2=p