TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG BỘ MÔN ĐỊA CƠ NỀN MÓNG TIỂU LUẬN MÔN HỌC ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO Đề tài số 1: Thí nghiệm cắt trực tiếp và ảnh hưởng của điều kiện thí nghiệm lên các giá trị đặc trưng thu nhận được so với mẫu ở điều kiện tự nhiên. Giảng viên hướng dẫn: TSKH. Bùi Trường Sơn Học viên thực hiện: Nhóm 1 ĐKTXD2009 1. Nguyễn Thị Thu Trang 2. Lê Đào Vũ 3. Nguyễn Văn Đồng 4. Tạ Quang Nghiệp 5. Đàm Xuân Thế TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG BỘ MÔN ĐỊA CƠ NỀN MÓNG TIỂU LUẬN MÔN HỌC ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO Đề tài số 1: Thí nghiệm cắt trực tiếp và ảnh hưởng của điều kiện thí nghiệm lên các giá trị đặc trưng thu nhận được so với mẫu ở điều kiện tự nhiên. Giảng viên hướng dẫn: TSKH. Bùi Trường Sơn Học viên thực hiện: Nhóm 1 ĐKTXD2009 1. Nguyễn Thị Thu Trang 2. Lê Đào Vũ 3. Nguyễn Văn Đồng 4. Tạ Quang Nghiệp 5. Đàm Xuân Thế MỤC LỤC PHẦN I: 3 THÍ NGHIỆM CẮT TRỰC TIẾP 3 I.1. Mục đích thí nghiệm: 3 I.2. Nguyên lý thí nghiệm 3 I.3. Thiết bị thí nghiệm 4 I.3.1. Sơ đồ thí nghiệm 4 I.3.2. Thiết bị thí nghiệm 4 I.3.3. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: 6 I.4. Trình tự thí nghiệm và tính toán kết quả thí nghiệm 7 I.4.1. Trình tự thí nghiệm 7 I.4.2. Tính toán kết quả thí nghiệm 7 I.5. Một số yêu cầu trong quá trình tiến hành thí nghiệm 8 I.5.1. Theo tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 4199-1995 8 I.5.2. Theo tiêu chuẩn Anh - BS 1377: Part 7: 1990 10 I.5.3. Tiêu chuẩn ASTM D3080 12 I.6. Ứng dụng các kết quả thí nghiệm trong thiết kế 13 I.7. Nhận xét: 15 PHẦN II: 16 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN THÍ NGHIỆM ĐẾN CÁC ĐẶC TRƯNG THU NHẬN ĐƯỢC SO VỚI MẪU Ở ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN 16 II.1. Kích thước mẫu thí nghiệm: 16 II.2. Điều kiện lấy mẫu, bảo quản và chế bị mẫu: 16 II.3. Thiết bị thí nghiệm: 17 II.4. Mặt trượt mặc định khi cắt: 17 II.5. Cách tiến hành thí nghiệm: 17 II.6. Sơ đồ cắt: 17 II.7. Áp lực nước lỗ rỗng: 18 II.8. Ảnh hưởng của nước mao dẫn: 19 KẾT LUẬN 20 Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 2 MỞ ĐẦU Trong công tác thiết kế và thi công các công trình thủy lợi, cầu đường, xây dựng dân dụng và công nghiệp, việc xác định các thông số sức chống cắt của đất chiếm vai trò hết sức quan trọng. Ta có thể thấy các giá trị c, ϕ xuất hiện ở trong các công thức tính sức chịu tải của đất, của cọc; trong các công thức tính ổn định thành hố đào, mái dốc;… trong lập biện pháp thi công móng, san lấp nền đê, đường; … trong các phần mềm tính toán Geo Slope, Plaxis… Có thể nói thông số sức chống cắt của đất là mối quan tâm hàng đầu của các nhà thiết kế nền móng công trình. Việc xác định các thông số trên có thể được thực hiện bởi hàng loạt các thí nghiệm hiện trường như thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT), thí nghiệm cắt cánh (Vane Test) và trong phòng như thí nghiệm nén đơn – nén 1 trục, thí nghiệm cắt trực tiếp, thí nghiệm nén 3 trục (với 3 sơ đồ U-U, C-U, C-D). Trong các thí nghiệm kể trên, thí nghiệm cắt trực tiếp được xem là thí nghiệm cổ điển nhất, phổ biến nhất tại các phòng thí nghiệm địa cơ nền móng của Việt Nam vì cơ sở lý thuyết và nguyên lý thí nghiệm tương đối đơn giản, dễ thực hiện. Tuy nhiên sức chống cắt thu nhận được từ kết quả thí nghiệm này thường bị ảnh hưởng bởi các yếu tố: thiết bị thí nghiệm, vận tốc cắt,…. Trong phạm vi đề tài này, chúng tôi xin phép được trình bày về: “Thí nghiệm cắt trực tiếp và những ảnh hưởng của điều kiện thí nghiệm lên các đặc trưng thu nhận được so với mẫu điều kiện tự nhiên” Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 3 PHẦN I: THÍ NGHIỆM CẮT TRỰC TIẾP I.1. Mục đích thí nghiệm: Thí nghiệm cắt trực tiếp là thí nghiệm cổ nhất và đơn giản nhất để xác định thông số sức chống cắt của đất. Một mẫu đất trong tự nhiên có các đại lượng đặc trưng cho chỉ tiêu sức chống cắt của đất là lực dính C và góc ma sát ϕ . Khi mẫu đất chịu tác dụng của ứng suất pháp thẳng đứng phân bố đều σ thì sức chống cắt τ của đất tuân theo định luật Mohr- Coulomb: C + = ϕ σ τ tan I.2. Nguyên lý thí nghiệm Thí nghiệm được tiến hành với mẫu đất hình lăng trụ tròn hoặc hình vuông được giữ và cắt ngang theo mặt phẳng nằm ngang trong khi một áp lực tác dụng thẳng góc với mặt phẳng đó. Sức kháng cắt gây ra bởi đất khi cho một phần của mẫu trượt lên phần khác được đo sau từng khoảng dịch chuyển đều đặn. Sự phá hoại mẫu xảy ra khi sức kháng cắt của đất đạt giá trị cực đại mà đất có thể chịu được. Nhờ tiến hành trên một tập hợp mẫu thí nghiệm tương tự (thường từ 3 ÷ 5 mẫu) của cùng một lớp đất dưới những giá trị áp lực nén khác nhau, ta thu nhận được tương quan giữa ứng suất cắt và ứng suất nén tác dụng từ đó tìm ra được lực dính C và góc ma sát ϕ của đất. Hình 1: Nguyên lý thí nghiệm cắt trực tiếp Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 4 I.3. Thiết bị thí nghiệm I.3.1. Sơ đồ thí nghiệm Hình 2: Sơ đồ thí nghiệm cắt trực tiếp I.3.2. Thiết bị thí nghiệm - Hộp cắt: gồm 2 thớt trên và dưới có hình vuông hoặc tròn, có đường kính khoảng 60-80mm, cao khoảng 20mm. Hình 3: Hộp cắt trong thí nghiệm cắt trực tiếp Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 5 - Mẫu được đặt vào hộp cắt (giữa 2 thớt cắt) với 2 bản đá thấm xốp đệm trên và dưới. Hình 4: Lắp mẫu vào hộp cắt - Hộp cắt đặt trên khung đỡ có thể chuyển động tự do trên bi trượt đồng thời gắn chặt với thớt cắt dưới. Khung được tác động bởi lực cắt và chuyển động theo vận tốc khống chế được. Hình5: Lắp đặt hệ thống vào khung Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 6 - Thớt cắt bên trên gắn với hệ đo lực cắt T bằng vòng ứng biến có đồng hồ để đo ứng suất cắt τ và đồng hồ đo biến dạng đứng để đo độ giãn nở thể tích. - Thiết bị tăng tải (N) tạo thành áp lực pháp tuyến σ, hoạt động qua hệ thống piston hoặc chất tải bằng quả cân. Hình 6 : Các loại thiết bị cắt trực tiếp I.3.3. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: Phải chuẩn bị ít nhất 3 mẫu để thí nghiệm: - Với mẫu nguyên dạng: Dùng dao vòng cắt mẫu đất , chú ý bỏ lại phần mẫu bị xáo động ở 2 phía đầu hộp mẫu. Hình 7: Chế bị mẫu trước thí nghiệm - Với mẫu xáo động: mẫu được đầm chặt trong cối đầm tiêu chuẩn, sử dụng phương pháp đầm tĩnh hoặc động. Dùng dao vòng cắt đất từ mẫu đầm chặt hoặc tiến hành chế bị mẫu luôn trong dao vòng. Sau khi chế bị mẫu cần mang đi thí nghiệm xác định dung trọng của đất. Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 7 Hình 8: Đem mẫu đi xác định độ ẩm I.4. Trình tự thí nghiệm và tính toán kết quả thí nghiệm I.4.1. Trình tự thí nghiệm Bước 1: Dùng dao vòng ần vào mẫu đất -> gạt bằng mặt để tạo mẫu chuẩn bị cho vào hộp cắt. Cho mẫu đất vào hộp cắt -> đặt hộp cắt có chứa mẫu lên máy cho chỉnh tiếp xúc. Bước 2: Đặt tải trọng thẳng đứng: tải trọng thẳng đứng được tính toán theo trọng lượng của vật chất tải, chiều dài cánh tay đòn, tiết diện ngang mẫu đất. Hiệu chỉnh các đồng hồ đo (biến dạng và lực) về vị trí ban đầu. Cho khởi động và chạy máy với tốc độ khoảng 1mm/min. Ghi số đọc đồng hồ ở vòng ứng biến sau mỗi 25 giây cho đến khi số đọc giảm hoặc không tăng thì ngừng máy. Số đọc lớn nhất Dial Reading max (vạch) được ghi nhận để tính toán. Bước 3: Lặp lại thí nghiệm với các cấp áp lực thẳng đứng khác. Các cấp áp lực thẳng đứng được lựa chọn phụ thuộc vào loại đất và trạng thái của nó. Thường người ta thực hiện với ba cấp tải trọng khác nhau để xác định ba cặp giá trị ứng suất cắt τ và áp lực đứng tác dụng lên mẫu σ , để từ đó tính ra giá trị của góc ma sát trong ϕ và lực dính C của mẫu đất bằng phương pháp bình quân cực tiểu. I.4.2. Tính toán kết quả thí nghiệm Ứng suất τ được xác định như sau: RadingDial × = max Re τ Ở đây R là hệ số vòng (chuyển từ giá trị chuyển vị sang giá trị lực), phụ thuộc vào từng loại máy và phải hiệu chỉnh thường xuyên. Tính toán các giá trị của sức chống cắt theo số liệu thí nghiệm thu được: Cách 1: Vẽ đồ thị ⇒ vẽ trực tiếp trên biểu đồ quan hệ giữa ứng suất cắt τ và áp lực đứng σ tác dụng lên mẫu ta cũng có thể xác định được các giá trị góc ma sát trong ϕ và lực dính C. Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 8 τ (kN/m2) σ (kN/m2) (σ1,τ1) (σ2,τ2) (σ3,τ3) c Hình 9: Đồ thị thể hiện quan hệ lực cắt và áp lực thẳng đứng Cách 2: Theo công thức bình phương cực tiểu       −= − − = ∑∑ ∑∑ ∑∑∑ == == === n i n i ii n i n i ii n i n i n i iiii tgx n C n n tg 11 1 2 1 2 111 1 ; )( σϕτ σσ στστ α Hoặc ∑∑ ∑∑∑ == === − − = n i n i ii n i n i n i iiiii n C 1 2 1 2 111 2 )( )( σσ στσστ Khi giá trị lực dính C<0 thì xem C=0 và lúc đó: ∑ ∑ = = = n i i n i ii n tg 1 2 1 σ στ ϕ I.5. Một số yêu cầu trong quá trình tiến hành thí nghiệm I.5.1. Theo tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 4199-1995 Phương pháp này chỉ dùng để xác định sức chống cắt của đất loại sét và đất loại cát có kết cấu nguyên hoặc chế bị trong phòng thí nghiệm ở máy cắt phẳng theo một mặt phẳng định trước. Không áp dụng cho đất cát thô và đất sỏi sạn, đất loại sét ở trạng thái chảy và bị biến dạng chảy dưới tác dụng của áp lực thẳng đứng 1daN/cm 2 . Các phương pháp xác định sức chống cắt cần phải được qui định trong từng trường hợp cụ thể, phụ thuộc vào: - Giai đoạn thiết kế và loại công trình. - Điều kiện làm việc của đất trong quan hệ với công trình. - Thành phần, đặc điểm cấu trúc, trạng thái và tính chất của đất. [...]... thể tóm tắt như sau: Công trình và giai đoạn Sức chống cắt UU làm việc tương ứng Thi công nhanh công trình đất đắp trên Sức chống cắt ngay sau khi gia tải lớp sét mềm không thoát nước, nền sét mềm chưa cố kết hoàn toàn bởi trọng lượng bản thân Đập đất kích thước lớn thi công nhanh, Sức chống cắt không thoát nước của lõi Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 13 Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH Bùi Trường... định trong tiểu luận này mang tính dự đoán, định tính mà không có các số liệu định lượng để chứng minh Do đó các kết luận nhóm đưa ra có thể chưa xác đáng Rất mong nhận được sự góp ý, sửa chữa của thầy và các bạn đồng nghiệp để kiến thức của chúng tôi thêm phần hoàn thiện Trân trọng! Hồ Chí Minh ngày 15/12/2009 Nhóm thực hiện tiểu luận Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 20 Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD:... mẫu đất đã bị xáo động, xắp xếp lại; độ chặt của mẫu bị thay đổi, bị giảm độ ẩm tự nhiên… Việc đưa mẫu Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 16 Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH Bùi Trường Sơn về trạng thái nguyên trạng ban đầu đòi hỏi người thí nghiệm phải thực hiện các quy trình thí nghiệm một cách nghiêm túc - Việc bão hòa mẫu trước khi thí nghiệm là yếu tố gây ảnh hưởng nhiều đến sự khác biệt về... chống cắt thu được so với tự nhiên Chính những lý do này thí nghiệm cắt trực tiếp đang dần được thay thế bởi các thí nghiệm khác ưu việt hơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 19 Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH Bùi Trường Sơn KẾT LUẬN Thí nghiệm đất trên các thiết bị cắt được sử dụng rộng rãi nhờ sự đơn giản của phương pháp và sự tiếp cận của dụng cụ Tuy nhiên các thiết bị thí nghiệm cắt có một... thặng dư tạo nên khi cắt và được chấp nhận cho hầu hết các trường hợp trong thực tế Đối với đất có tính thấm tương đối cao có thể cho thời gian phá hủy tính toán ngắn, rất ngắn Tuy nhiên, thời gian phá hủy không thể ít hơn 2 giờ Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 10 Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH Bùi Trường Sơn Tốc độ cắt được tính như sau: dr = df tf Trong đó: tf - Thời gian mẫu bị phá hoại, (phút)... hố Sức chống cắt tại chỗ có thoát nước sau móng khi đã cố kết Móng nông trên nền sét sau khi lún ổn Sức chống cắt tại chỗ có thoát nước sau định khi đã cố kết Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 14 Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH Bùi Trường Sơn I.7 Nhận xét: Thí nghiệm cắt trực tiếp có các ưu điểm như sau: - Chuẩn bị mẫu đơn giản, đặc biệt là các mẫu rời, ở trạng thái hữu hiệu; - Có thể thí nghiệm... quá trình thoát nước trong khi thí nghiệm dẫn đến khó kiểm soát được các thông số sức kháng cắt hoạt động đúng với trạng thái làm việc ngoài tự nhiên của đất - Không xác định được áp lực nước lỗ rỗng - Mặt trượt được ấn định trước mà không cắt theo trạng thái tự nhiên của đất, sự phân bố ứng suất trong đất không đồng đều như trạng thái tự nhiên; Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 15 Tiểu luận địa chất công trình nâng. . .Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH Bùi Trường Sơn Tuỳ theo tương quan giữa tốc độ truyền lực nén và lực cắt, cùng điều kiện thoát nước của mẫu đất khi thí nghiệm, có thể phân biệt các phương pháp chính sau... chủ yếu được thực hiện theo sơ đồ cắt nhanh Do số lượng thiết bị không nhiều và một số thiết bị còn chưa phù hợp nên việc bão hòa mẫu đất thường không được thực Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 18 Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH Bùi Trường Sơn hiện Do vậy, kết quả thí nghiệm xác định độ bền của đất từ thí nghiệm cắt trực tiếp có thể có chứa sai số do sự xuất hiện của hiện tượng sức căng bề mặt... gian mẫu bị phá hoại, (phút) t90 - Thời gian mẫu đạt được cố kết 90% dưới một ứng suất chuẩn, (phút) 4.28 - Hệ số quan hệ giữa thời gian cố kết được 90% và 50% Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 12 Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH Bùi Trường Sơn Nếu đất có huynh hướng trương nở, mẫu đất phải được cho ngập trong nước và cấp tải trọng chuẩn phải có độ lớn đủ lớn để có thể khử được sự trương nở Thời