Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Tương quan giữa sức chống cắt không thoát nước (Su) với kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh của sét mềm bão hòa nước

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN Tổng hợp dữ liệu và phân tích tương quan giữa sức chống cắt không thoát nước của thí nghiệm cắt cánh và thiết lập tương quan với kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh / củ

  

PHẠM VĂN NHƠNĐỀ TÀI:

TƯƠNG QUAN GIỮA SỨC CHỐNG CẮT KHÔNGTHOÁT NƯỚC ( ) VỚI KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XUYÊN TĨNH

CỦA SÉT MỀM BÃO HÒA NƯỚC

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNGMã số ngành: 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 6 năm 2012

  

PHẠM VĂN NHƠNĐỀ TÀI:

TƯƠNG QUAN GIỮA SỨC CHỐNG CẮTKHÔNG THOÁT NƯỚC ( ) VỚI KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

XUYÊN TĨNH CỦA SÉT MỀM BÃO HÒA NƯỚC

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNGMã số ngành: 60.58.60

Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Trường Sơn

TP Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 6 năm 2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2012

-

-oOo -Tp HCM, tháng 02 năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: PHẠM VĂN NHƠN Giới tính : NamNgày, tháng, năm sinh : 08-7-1955 Nơi sinh : TP Hồ Chí MinhChuyên ngành :ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2010

1- TÊN ĐỀ TÀI:Tương quan giữa sức chống cắt không thoát nước ( ) với kết quảthí nghiệm xuyên tĩnh của sét mềm bão hòa nước.

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

Tổng hợp dữ liệu và phân tích tương quan giữa sức chống cắt không thoát nước ( )của thí nghiệm cắt cánh và thiết lập tương quan với kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh( / ) của sét mềm bão hoà nước theo ở cùng một vị trí, khu vực

Kết quả nghiên cứu nhằm mục đích ứng dụng kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh( / ) trong thiết kết nền móng hợp lý hay giải pháp chọn lựa giá trị đặc trưnghợp lý cho các bài toán địa kỹ thuật thực tế từ thí nghiệm xuyên tĩnh

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :tháng 02/2012

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :30/6/2012

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS BÙI TRƯỜNG SƠN

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

Sức chống cắt không thoát nước của đất sét thường nhận được từ kết quả thínghiệm trong phòng hoặc đo trực tiếp từ thí nghiệm cắt cánh hiện trường Do thínghiệm xuyên tĩnh trở thành phương pháp phổ biến để khảo sát địa chất công trình,nên hữu ích để ước tính sức chống cắt của đất sét dựa trên kết quả thí nghiệm xuyêntĩnh nếu tương quan giữa sức chống cắt không thoát nước và sức kháng côn được thiếtlập.

Trong luận văn này, dữ liệu thu thập được về sức chống cắt không thoát nước( ) từ thí nghiệm cắt cánh hiện trường và sức kháng côn của thí nghiệm xuyên tĩnhcủa sét mềm bão hòa nước được sử dụng để thiết lập tương quan

Thông thường, sức chống cắt không thoát nước của sét mềm bão hòa nước giatăng theo độ sâu Một tương quan thực nghiệm của với áp lực tổng hiện hữu của lớpđất phủ phía trên và thừa số côn ( ), giá trị thừa số côn sẽ được tính toán dựa trênkinh nghiệm của địa phương

Thừa số côn lấy trung bình là 17 (theo Kjekstad và cộng sự 1978) khi sử dụngcông thức = Giá trị có vẻ độc lập với tỉ số quá cố kết

đổi từ 9 đến 20, trung bình là 15

Các kết quả nghiên cứu ở dự án Metro City cho thấy rằng các giá trị phùhợp với các tương quan khác được công bố Kết luận rằng thừa số tương quan nhậnđược từ nghiên cứu này có thể sử dụng cho sét mềm bão hòa nước trong khu vựcnghiên cứu và có thể áp dụng cho việc thiết kế nền móng

laboratory test or direct measure using field vane shear test As cone penetration test( ) has become a popular method for exploring the subsoil stratification, it willbe useful to evaluate the of clay based on results if correlation between the

and the cone resistance (q ) has been established.In this thesis, the data of from the field vane shear tests and coneresistance ( ) of cone penetration tests are used to establish a correlation Anempirical cone factor ( ) in the range of numbers is obtained This value canbe used to evaluate the of clays This obtained values are compared with

values of other known soft clays.Normally, the undrained shear strength of the saturated soft clay increaseswith depth An emperical correlation of with total overburden pressure isdeveloped and the cone bearing factor ( ), the value of will be computatedbased on local experience

The average cone factor ( ) of 17 (by Kjekstad et al, 1978) is

Luận văn thạc sĩ này được hoàn thành đúng hạn không những nhờ vào nỗ lựccủa bản thân học viên mà còn nhờ sự hướng dẫn nhiệt tình của quí thầy cô, sự độngviên giúp đỡ của gia đình, các đồng nghiệp và bạn học viên trong lớp Địa kỹ thuậtxây dựng Khoá 2010 mở tại Cần Thơ.

Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo TS Bùi TrườngSơn đã giúp đỡ, chỉ dẫn nhiệt tình trong suốt thời gian thực hiện luận văn, nhữngkiến thức quý báu và phương pháp luận, làm nền tảng cho việc học tập, nghiên cứuvề sau.

Và chân thành ghi nhớ công sức quí thầy giáo, cô giáo Bộ môn Địa Cơ NềnMóng ngành Địa kỹ thuật xây dựng Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh đãquan tâm giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất trong thời gian học viên thực hiện luậnvăn thạc sĩ này.

Xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, cơ quan và các bạn bè đồng nghiệp, cácbạn học viên trong lớp Địa kỹ thuật xây dựng Khoá 2010 taị Cần Thơ đã giúp đỡ vàgóp nhiều ý kiến quí báu cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn.

Học viên: Phạm Văn Nhơn

Lớp Địa kỹ thuật xây dựng Khoá 2010 tại Cần Thơ

CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀ SỨC CHỐNG CẮT KHÔNG THOÁT NƯỚC

CỦA ĐẤT SÉT BÃO HÒA NƯỚC

6

1.2 QUAN NIỆM VỀ SỨC CHỐNG CẮT KHÔNG THOÁT NƯỚC

VỚI CÁC TRƯỜNG HỢP TÍNH TOÁN1.2.1 Phân tích ứng suất tổng

1.2.2 Vòng trỏn Mohr ứng suất tổng và ứng suất hữu hiệu

611121.3 XÁC ĐỊNH SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT SÉT BÃO HÒA NƯỚC

1.3.1 Sức chống cắt của đất bằng các phương pháp thí nghiệm trong

phòng1.3.2 Sức chống cắt không thoát nước từ khảo sát hiện trường

141425

CHƯƠNG 2SỨC CHỐNG CẮT KHÔNG THOÁT NƯỚC CỦA SÉT MỀM

BÃO HÒA NƯỚC VỚI CÁC TƯƠNG QUAN KHÁC

2.1.6 Biến dạng phẳng2.1.7 Ứng xử không thoát nước của đất chưa bão hòa

3939414142424344

2.4 QUAN NIỆM THIẾT KẾ VÀ NHỮNG NGHIÊN CỨU LIÊN QUANTHEO SHANSEP

2.4.1 Trình tự xác định các thông số theo SHANSEP2.4.2 Ảnh hưởng áp lực lỗ rỗng dưới sức chống cắt không thoát nước

4950512.5 TÍNH TƯƠNG QUAN CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

XÁC ĐỊNH2.5.1 Các lời giải thực nghiệm đề nghị cho các phương pháp tính

tương quan2.5.2 Tính tương quan của sức chống cắt không thoát nước theo các

phương pháp thí nghiệm xác định

545459

CHƯƠNG 3TƯƠNG QUAN SỨC CHỐNG CẮT KHÔNG THOÁT NƯỚCVỚI KẾT QUẢ XUYÊN TĨNH CỦA SÉT MỀM BÃO HÒA NƯỚC

64

3.1 MỘT SỐ PHÂN TÍCH TƯƠNG QUAN SỨC CHỐNG CẮT KHÔNGTHOÁT NƯỚC ( ) VỚI KẾT QUẢ XUYÊN TĨNH CỦA SÉTMỀM BÃO HÒA NƯỚC ĐÃ CÔNG BỐ

64

3.2 TƯƠNG QUAN SỨC CHÔNG CẮT KHÔNG THOÁT NƯỚC VỚIKÊT QUẢ THÍ NGHIỆM XUYÊN TĨNH CỦA SÉT MỀM BÃOHÒA NƯỚC

3.2.1 Dự án Metro City3.2.2 Dự án Cảng Thị Vải3.2.3 Tổng hợp kết quả phân tích và lựa chọn ở các vị trí dự án

69

7097100

LÝ LỊCHPHỤ LỤC

5 Bảng 2 3 Giá trị tiêu biểu của

6 Bảng 2 4 Hệ số côn cho cả đất sét cố kết thường và quá cố kết (Lunne vàKlevin 1981)

CHƯƠNG 3

7 Bảng 3.1 Hệ số côncho cả đất sét cố kết thường và quá cố kết (Lunne và Kelven

1981)8 Bảng 3.2 Thừa số côn ( ) được xác định cho các loại trầm tích sét khác nhau

(Brand và cộng sự hiệu chỉnh 1984)

9 Bảng 3.3 Tóm tắt bản chất vật liệu đất và hệ số côn cho một vài loại sét ở

Scandinavian (Theo Lunne và cộng sự 1976).

10 Bảng 3.4 Sự tương quan giữa sức chống cắt không thoát nước (Su) theo thí nghiệm

xuyên tĩnh với kết quả thí nghiệm trong phòng.

11 Bảng 3 5 Chỉ tiêu cơ lý của lớp 1 – Bùn sét12 Bảng 3.6 Kết quả cắt phẳng

13 Bảng 3.7 Kết quả nén nở hông14 Bảng 3.8 Kết quả nén ba trục UU15 Bảng 3 9 Bảng tính toán hệ sốcho khu vực Nhà Bè

16 Bảng 3.10: Bảng tính toán sức chống cắt không thoát nướctheo =

7 Hình 1.7 Lực tiếp xúc liên phần tử và áp lực nước lỗ rỗng trong một khối đất.8 Hình 1.8 Sự cố kết nguyên thuỷ hay cố kết thường () và đường nở ( )

9 Hình 1.9 Quan hệ giữa ứng suất tổng và ứng suất hữu hiệu

(a) áp lực lỗ rỗng dương ;

10 Hình 1 10 Sơ đồ thí nghiệm cắt trực tiếp11 Hình 1.11 Sơ đồ vòng tròn Mohr cho thí nghiệm cắt trực tiếp lúc phá hoại12 Hình 1.12 Quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước từ thí nghiệm nén đơn,

( ), và thí nghiệm nén ba trục, ( ), trên đất trên đất sét Natsushima

(Dữ liệu từ Hanzawa và Kishda,1982)

13 Hình 1.13 Quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước của mẫu chế bị và chỉ số

nhão của đất sét, từ nhiều vùng trên thế giới (theo Terzaghi và cộng sự 1996).

14 Hình 1.14 Biểu đồ minh họa quá trình phá hoại đất từ thí nghiệm nén nở hông.

(a)- Biểu đồ ứng suất-biến dạng trong thí nghiệm nén nở hông(b)- Sự phát triển vòng Mohr tương ứng theo ứng suất tổng

(c)- Ứng suất tổng và hữu hiệu trên mặt phá hoại(d)- Vòng Mohr theo ứng suất hữu hiệu lúc phá hoại

15 Hình 1.15 Sơ đồ buồng nén thí nghiệm nén ba trục đối xứng trục16 Hình 1.16 Sơ đồ vòng tròn Mohr của thí nghiệm ba trục lúc phá hoại mẫu đất có

( )

18 Hình 1.18 Vòng tròn ứng suất phá hoại đối với mẫu đất sét bão hòa thì đồng nhất

được thí nghiệm dưới các áp lực buồng khác nhau

19 Hình 1.19 Sức chống cắt không thoát nước của sét bão hòa nước nhận được từ thi

nghiệm ba trục

(a) Trạng thái ứng suất ở độ sâu z;(b) Trạng thái ứng suất mẫu đất sau khi lấy mẫu;(c) Gia tải giai đoạn thứ nhất thí nghiệm UU (giai đoạn không cố kết);(d) Gia tải giai đoạn hai thí nghiệm UU (giai đoạn cắt không thoát nước)

20 Hình 1.20 Vòng tròn Mohr ứng suất tổng và đường bao ứng suất tổng từ thí nghiệm

.

21 Hình 1.21(a) So sánh gia tải mẫu và điều kiện thoát nước của các thí nghiệm

Hình 1.21 (b) Những vòng tròn ứng suất tiêu biểu và đường bao ứng suất

trên mẫu thí nghiệm đồng nhất của đất sét quá cố kết nhẹ.

22 Hình 1.22 Sơ đồ ứng suất biến dạng thí nghiệm ba trục trên đất sét tự nhiên quá cố

23 Hình 1 23 Một số thí nghiệm hiện trường thông dụng xác định thông số đặc trưng

địa kỹ thuật của đất

24 Hình 1.24 Phương pháp thí nghiệm tổng quát thí nghiệm cắt cánh25 Hình 1.25 Sơ đồ thí nghiệm cắt cánh hiện trường.

(a) Thiết bị thí nghiệm cắt cánh(b) Thiết bị thí nghiệm cắt cánh trong lỗ khoan

32 Hình 1.32 Diện tích mũi không đều ảnh hưởng mũi côn và ma sát33 Hình 1.33 Một ví dụ mặt cắt củacó phân loại đất.

34 Hình 1.34 Sơ đồ ảnh hưởng vùng biên đất nền với số đo35 Hình 1.35 Sơ đồ đo sâu tiêu biểu của

36 Hình 1.36 (a) - Sự thay đổi rất có thể của tỉ số sức chống cắt không thoát nước cho

các loại thí nghiệm khác nhau;(b)- Thứ tự rất có thể của tỉ số sức chống cắt không thoát nước cho các phương phápthí nghiệm khác nhau (Wroth, 1984).

41 Hình 2.5 Thí nghiệm ba trụctrên đất bão hoà và chưa bão hòa

42 Hình 2 6 Biểu đồ chuẩn hoá phân loại đất− (theo Robertson1990, Robertson

47 Hình 2.11 Quan hệ tiêu biểu giữa B và độ bão hòa S48 Hình 2.12 Hệ số mũi xuyêntheo(Karlsrud và cộng sự 1996)

49 Hình 2.13 Tương quantừ áp lực lỗ rỗng thặng dư từ kết quả xuyên tĩnh ( )

50 Hình 2 14 Hệ số côn với áp lực lỗ rỗng chuẩn hóa(Theo Lunne và cộng sự1985)

51 Hình 2.15 Biểu đồ hiệu chỉnh thí nghiệm VST (theo Ladd và đồng nghiệp, 1977).

57 Hình 3.6 Biểu đồ áp lực tiền cố kết và bản thân theo chiều sâu58 Hình 3.7 Biểu đồ hệ số quá cố kếttheo độ sâu

59 Hình 3.8 Giá trị hệ số rỗng e theo độ sâu60 Hình 3.8 (a) Giá trị độ ẩm theo độ sâu61 Hình 3.8 (b) Quan hệ e ~ độ ẩm w%62 Hình 3 7 Quan hệtheo độ (từ thí nghiệm cắt phẳng)

63 Hình 3.8 Quan hệtheo độ sâu (từ thí nghiệm)

64 Hình 3.9 Quan hệ cutheo độ sâu (từ thí nghiệm nénba trục )

66 Hình 3 11 Quan hệ ( )với ( )

67 Hình 3 12 Quan hệ cutheo độ sâu (từ thí nghiệm nén ba trục )

68 Hình 3.13 Kết quả thí nghiệm cắt cánh tại 30 vị trí69 Hình 3.14 Quan hệ củatheo độ sâu (Giá trị trung bình từ thí nghiệm cắt cánh ở

30 vị trí)

70 Hình 3.15 Biểu đồ quan hệ tỷ số ⁄theo chiều sâu

71 Hình 3.16 Quan hệ củatheo độ sâu(từ thí nghiệm xuyên Piezocone, với

= 12)72 Hình 3.17- So sánhtừ các kết quả thí nghiệm trong phòngvà kết quả của VST với

CPT

73 Hình 3.18 Quan hệ của Nkttheo độ sâu

74 Hình 3.19 Quan hệ củatheo độ sâu

MỞ ĐẦU

Sức chống cắt của đất theo định luật Mohr - Coulomb bao gồm hai thànhphần: lực dính ( ) không phụ thuộc vào ứng suất tác dụng và thành phần ma sát( ) phụ thuộc vào ứng suất pháp tuyến tác dụng

Đối với đất sét mềm bão hòa nước, khi gia tải ngắn hạn, đất nền ứng xử trongđiều kiện không cố kết, không thoát nước, sức chống cắt của đất có thể được đặctrưng bằng sức chống cắt không thoát nước S Trong trường hợp này, giá trị ứngsuất hữu hiệu (thông qua ứng suất pháp hay ứng suất nén đẳng hướng) xuất hiệnkhông đáng kể hoặc xem như không có, góc ma sát trong thu nhận được φ ≈ 0

Cường độ sức chống cắt không thoát nước S (hay c ) của đất sét yếu bão hòanước là một trong các đặc trưng cơ lý quan trọng phục vụ tính toán thiết kế hay phântích ổn định công trình, đặc biệt trong giai đoạn công trình vừa thi công xong

Khi tác dụng tải trọng ngắn hạn lên nền đất yếu bão hòa nước, nước lỗ rỗngchưa kịp thoát ra do hệ số thấm của đất rất bé, ứng xử của đất bao gồm áp lực nướclỗ rỗng thặng dư phát sinh, có thể được đánh giá thông qua giá trị tổng ứng suất màkhông cần xét riêng biệt ứng suất lên khung hạt (ứng suất hữu hiệu) và áp lực trongnước lỗ rỗng

Có nhiều phương pháp thí nghiệm trực tiếp hay gián tiếp để xác định sứcchống cắt không thoát nước của đất từ thí nghiệm trong phòng hoặc hiện trường

Thí nghiệm hiện trường như xuyên tiêu chuẩn (Standard Penetration Test ), cắt cánh (Vane Shear Test - ), thí nghiệm nén ngang (Pressure Meter Test- ) để xác định sức chống cắt không thoát nước (Undrained Shear Strength -) Thí nghiệm xuyên tĩnh (Cone Penetration Test - ) đã được sử dụng nhiềunăm như là một công cụ khảo sát chuẩn, phần lớn để xác định nhanh mặt cắt của cộtđất (qua tỉ số ma sát, = ⁄ ), đồng thời ước tính sức chống cắt không thoátnước ( ) trong trường hợp đất dính Sức chống cắt được định nghĩa là giá trị đượcxác định bằng thí nghiệm cắt cánh hiện trường hoặc từ các thí nghiệm trong phòng.Sức kháng côn ( ) luôn thay đổi trực tiếp với sức chống cắt không thoát nước củađất dính ( ), và một trong những áp dụng sớm nhất của xuyên tĩnh là đánh giá sứcchống cắt không thoát nước của đất dính

-Thí nghiệm trong phòng:

- Thí nghiệm cắt trực tiếp (Direct Shear Test - )

- Thí nghiệm nén nở hông (Unconfined Compression Test - )

- Thí nghiệm nén ba trục (Triaxial Compression –) theo sơ đồ không

cố kết không thoát nước (Unconsolidated Undrained - UU).- Thí nghiệm nén ba trục theo sơ đồ cố kết không thoát nước

Sức chống cắt không thoát nước cũng được xác định bằng cách phân tích ứngsuất hữu hiệu với việc sử dụng hệ số áp lực lỗ rỗng Skempton (khi phá hoại)

Sức chống cắt không thoát nước của đất sét bão hòa nước khác nhau theocác phương pháp thí nghiệm khác nhau với các sơ đồ khác nhau và phụ thuộc vàohàng loạt các yếu tố như điều kiện thí nghiệm trong phòng hay hiện trường, lịch sửứng suất (thông qua giá trị ), tốc độ biến dạng, trạng thái ứng suất ban đầu, tínhgiãn nở (thông qua giá trị ), tính bất đẳng hướng (điều kiện trầm tích) Trong đó,yếu tố chính ảnh hưởng tới giá trị là các phương pháp thí nghiệm xác định

Thí nghiệm hiện trường:

- Thí nghiệm cắt cánh hiện trường (Vane Shear Test - VST) thường được sử

dụng để xác định giá trị đo được cho các loại sét mềm đến cứng Thí nghiệm mẫuxáo trộn để khảo sát tính nhạy (sensitivity) của sét – tỉ số đất chống cắt của đấtkhông bị xáo trộn và đất bị xáo trộn Cắt cánh không áp dụng đối với các loại đất cáthay bùn có lẫn đá cụi, vỏ sò, sỏi, và các loại tương tự như vậy

- Thí nghiệm xuyên tĩnh (Cone Penetration Test - ) hoặc xuyên tĩnh điện

tương quan thiết lập Thí nghiệm xuyên tĩnh (Cone Penetration Test) được phát

minh và sử dụng từ rất lâu (1931 đầu tiên tại Hà lan) và chứng tỏ là một trong nhữngphương pháp thăm dò đáng tin cậy Dữ liệu thu thập được từ kết quả thí nghiệm

xuyên tĩnh được thể hiện dưới dạng biểu đồ sức kháng mũi xuyên đơn vị và ma sáthông đơn vị theo độ sâu Các biểu đồ này cho phép phân chia các đơn nguyên địa

chất công trình (các lớp đất) khá chính xác Ngoài ra, giá trị sức kháng xuyên kết

hợp với các dữ liệu khảo sát khác còn cho phép phân loại đất cũng như đánh giácường độ của đất theo độ sâu

Nhằm giúp cho người thiết kế chọn lựa các thông số kỹ thuật của đất, sức

chống cắt một cách hợp lý, đúng đắn hơn, đề tài: “Tương quan sức chống cắt

nước” được chọn làm luận văn tốt nghiệp.

Trong thực tế, các thí nghiệm khác nhau thường cho ra kết quả sức chống cắtkhông thoát nước khác nhau mặc dù trong cùng một đơn nguyên địa chất công trình.Các nhân tố ảnh hưởng lên kết quả thí nghiệm có thể kể là: mức độ phá hoại mẫu,hướng tác dụng của tải, kích thước mẫu, tính bất đẳng hướng của đất, lịch sử ứngsuất, điều kiện thoát nước, tốc độ chất tải và nhất là trạng thái ứng suất ban đầu

Tình hình nghiên cứu về đề tài

Hiện nay rất nhiều công trình nghiên cứu về các tương quan giữa các thông sốkỹ thuật của đất qua các phương pháp thí nghiệm khác nhau để phục vụ cho côngviệc thiết kế nền móng Nhưng do tính chất đặc thù của các khu vực, việc nghiên cứucó ý nghĩa khoa học cần thiết nhằm đáp ứng cho các khu vực cụ thể TP Hồ ChíMinh và Đồng bằng Sông Cửu Long

Đối tượng nghiên cứu

Nhằm thiết lập sự tương quan giữa kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh hiện trườngvà thí nghiệm cắt cánh hiện trường trên một số dự án đã được thực hiện Trong nộidung luận văn, chúng tôi tiến hành tổng hợp và phân tích sức chống cắt không thoátnước của đất sét bão hoà nước từ kết quả thí nghiệm trong phòng và hiện trường.Trên cơ sở đó xây dựng các mối tương quan từ thí nghiệm cắt cánh với kết quả thínghiệm xuyên tĩnh được thiết lập cho đất sét yếu bão hoà nước và phân tích cáctương quan khác Từ đó, kiến nghị lựa chọn các thông số phù hợp đưa vào phục vụcông tác phân tích và thiết kế nền móng

Với mong muốn lựa chọn khu vực được khảo sát có tương đối đầy đủ cácloại thí nghiệm hiện trường và trong phòng cũng như có mật độ lỗ khoan đủ để phục

vụ cho việc nghiên cứu so sánh và thiết lập tương quan, chúng tôi lựa chọn khu vựckhảo sát thuộc địa bàn huyện Nhà Bè, Thành Phố Hồ Chí Minh.

Nội dung nghiên cứu

Trên cơ sở lý thuyết xác định sức chống cắt từ thí nghiệm trong phòng vàhiện trường, nội dung của luận văn này sẽ tập trung phân tich tương quan sức chốngcắt không thoát nước giữa thí nghiệm xuyên tĩnh hiện trường và thí nghiệm cắt cánhhiện trường để ứng dụng vào phân tích thiết kế nền móng

Mục đích nghiên cứu của đề tài

Qua phân tích các kết quả xuyên tĩnh cùng với kết quả các thí nghiệm sứcchống cắt không thoát nước trong phòng, xây dựng các tương quan trong điều kiệnđịa chất khu vực cụ thể, giúp người thiết kế hiểu rõ hơn tính chất cơ lý của đất nềnkhu vực, qua đó sử dụng hiệu quả các kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh trong công tácthiết kế nền móng

Thông thường các kết quả thí nghiệm trong phòng cho ta thấy ( )<

() < ( ) và có sự khác biệt so với kết quả thu nhận được từ hiện trường ởđiều kiện thế nằm tự nhiên của đất Giá trị được sử dụng trong phân tích sẽ tuỳthuộc vào bài toán thiết kế Việc phân tích số liệu và các tương quan giúp chọn lựathông số hợp lý phục vụ tính toán thiết kế vào bài toán cụ thể

Nhiệm vụ chính của đề tài nghiên cứu được đặt ra như sau:

- Tổng hợp và phân tích tương quan giữa sức chống cắt không thoát nước củathí nghiệm cắt cánh với kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh của sét yếu bão hoà nước ởcùng một vị trí, khu vực

- Kết quả nghiên cứu nhằm mục đích kiến nghị ứng dụng kết quả thí nghiệmtrong phòng để thiết kế nền móng hợp lý hay giải pháp chọn lựa giá trị đặc trưng hợplý cho các bài toán địa kỹ thuật thực tế từ thí nghiệm xuyên tĩnh

Cơ sở và phương pháp nghiên cứu

Các lý thuyết phân tích quá trình xuyên đều gặp nhiều khó khăn vì đây là bàitoán kết hợp giữa biến dạng lớn và vật liệu phi tuyến (Yu, 1988) Việc phân tíchtương quan giữa chỉ tiêu cơ lý và sức kháng xuyên thông thường theo hai hướng:

- Nếu biết trước chỉ tiêu cơ lý của đất, tính toán sức kháng mũi xuyên vớimục đích tính toán khả năng hóa lỏng hay tính toán cường độ chịu tải

- Thông thường sử dụng giá trị sức kháng mũi xuyên để tính toán ngược lạicác thông số đất.

Trên cơ sở kết quả thu thập được từ các phương pháp thí nghiệm xác định sứcchống cắt không thoát nước từ thí nghiệm cắt cánh, đưa ra các phân tích so sánh,đánh giá với kết quả thí nghiệm xuyên hiện trường Căn cứ vào các nhân tố ảnhhưởng và điều kiện thí nghiệm, phân tích sự khác biệt của các kết quả thí nghiệm,dựa vào cơ sở các nghiên cứu trước đây, thiết lập mối tương quan của sức chống cắtkhông thoát nước giữa các phương pháp thí nghiệm với nhau

Phương pháp nghiên cứu cho đề tài bao gồm: tổng hợp phân tích, đánh giá vàxây dựng các tương quan từ các dữ liệu thu thập được

Ý nghĩa khoa học của đề tài

Việc khoan, lấy mẫu đất cho thí nghiệm trong phòng là nhất thiết phải thựchiện thì cũng cần thiết phải tiến hành những thí nghiệm hiện trường Đây cũng là xuhướng phổ biến hiện nay vì thí nghiệm hiện trường sẽ cho số liệu tin cậy hơn, đặcbiệt với thiết bị kỹ thuật có độ tin cậy cao

Quá trình khoan lấy mẫu, vận chuyển, bảo quản và kích mẫu ra khỏi ống thìmẫu đất dễ bị xáo trộn, mất tính nguyên trạng của đất Đối với đất rời và đất sét yếuthì rất khó lấy mẫu nguyên trạng Vì vậy, người ta thường dùng kết quả khảo sát ởhiện trường như xuyên tĩnh ( ), xuyên động tiêu chuẩn ( ), cắt cánh, dochúng giữ được điều kiện thế nằm tự nhiên của mẫu đất mà thí nghiệm trong phòngcó thể không mô tả tốt hơn được Sử dụng các số liệu thí nghiệm hiện trường đểphân tích tương quan cho phép thu nhận kết quả có độ tin cậy cao và có ý nghĩa khoahọc lớn

Phân tích các kết quả xuyên tĩnh trong điều kiện địa chất từng khu vực cụ thểnói riêng sẽ làm chính xác hơn tương quan giữa các thông số đất từ các kết quả thínghiệm khác nhau

Những số liệu thí nghiệm đất ở hiện trường cho phép so sánh, kiểm tra tínhhợp lý, sự đúng đắn của kết quả khoan, lấy mẫu thí nghiệm trong phòng Trong mộtsố trường hợp, nhất là khi gặp các lớp đất yếu, ngoài khả năng dễ bị xáo trộn thìtrạng thái ứng suất trong điều kiện thí nghiệm trong phòng có thể khác với điều kiệnthế nằm tự nhiên Kết quả thí nghiệm trong phòng có thể khác biệt rất lớn

CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀ SỨC CHỐNG CẮT KHÔNG THOÁT NƯỚC

CỦA ĐẤT SÉT BÃO HOÀ NƯỚC1.1 KHÁI NIỆM VỀ SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT

Năm 1776, Mohr – Coulomb đưa ra cơ sở lý thuyết và phương trình đơn giảnliên hệ độ bền chống cắt của đất với ứng suất pháp tác dụng Theo tiêu chuẩn này sựphá hoại của đất cho bởi phương trình:

Trong đó:- sức chống cắt giới hạn;- ứng suất pháp tác dụng lên mặt trượt;

- góc ma sát trong của đất;- lực dính

Mặc dù ứng suất có thể phân biệt thành ứng suất tổng và ứng suất hữu hiệu,chỉ có ứng suất hữu hiệu có liên quan đến ứng xử kỹ thuật (như cường độ và biếndạng ) Vì vậy, phương trình (1.1) trở thành:

Trong đó:’, - là lực dính và góc ma sát trong hữu hiệu;( − ) = - ứng suất pháp hữu hiệu trên mặt phá hoại ;

- áp lực nước lỗ rỗng tại vị trí mặt trượt;Trong cơ học đất, vòng tròn Mohr phá hoại như được minh hoạ hình 1.1

Hình 1.1 Lý thuyết Mohr - (a) Vòng tròn Mohr, (b) Đường bao vòng tròn Mohr

Theo lý thuyết vòng tròn Mohr, góc giữa mặt phá hoại và phương củaứng suất chính là:

Hình 1.2 Góc phá hoại xác định bởi vòng tròn Mohr

(a) - Vòng tròn Mohr và đường bao của nó;(b) - Ứng suất trên mặt phá hoại

Hình 1.3 Góc ma sát biểu kiến và lực dính biểu kiến của đất rời

Giá trị trên là góc ma sát hữu hiệu, bởi vì sự phá hoại đất liên quan đếnứng suất hữu hiệu và không có quan hệ đến ứng suất tổng theo nguyên lý ứng suấthữu hiệu

Đối với đất dính, đường bao phá hoại vòng tròn Mohr thì gần như là mộtđường thẳng và như vậy người ta có thể trực tiếp nhận được và tử tiêu chuẩnphá hoại của vòng tròn Mohr Mặt khác, đường bao phá hoại vòng tròn Mohr cho đấtrời thì luôn luôn cong và người ta nhận được từ đường cong sự hồi qui bằng cách

dùng phương trình Coulomb trong phạm vi ứng suất chúng ta quan tâm như tronghình 1.3.

Thực sự không có lực dính hữu hiệu giữa các phần tử của đất rời Khi tínhtoán áp lực ngang của đất dùng lực dính biểu kiến và góc ma sát biểu kiến chúng tacó thể nhận được giá trị âm, nghĩa là đất có thể chiụ lực kéo, điều đó là không thể.Duncan và cộng sự (1980) đề nghị đường bao vòng tròn Mohr phá hoại phải đi quagốc ( = 0) cho đất rời [22, tr 21] Như vậy, khi các ứng suất chính của một vòngphá hoại là và tương ứng góc ma sát hữu hiệu rút ra từ phương trình sau:

chỉ xuất hiện trong những trường hợp đặc biệt, như đất được xi măng hóatự nhiên, đất bão hoà một phần, đất sét cố kết nặng, trong đó được giải thích nhưlà sự phân rã dần dần theo thời gian của công trình Tuy nhiên, nên thận trọng khi sửdụng trong thiết kế

Hiển nhiên, góc ma sát hữu hiệu cho đất rời sẽ giảm với sự gia tăng của áp lựchông Duncan và cộng sự cũng tìm thấy giá trị của có một sự quan hệ tuyến tínhvới giá trị logarithm của áp lực hông như trong hình 1.4 và được diễn tả bởi phươngtrình sau:

Trong đó:- áp suất khí trời ( ≈ 10 / = 100 / )

- góc ma sát trong hữu hiệu khi =∆ - độ dốc của đường cong trong hình 1.4, giá trị của nó là sự giảm

khi tăng lên 10 lần

Hình 1.4 Quan hệ giữa góc ma sát trong và áp lực hông cho đất rời

1.2 QUAN NIỆM VỀ SỨC CHỐNG CẮT KHÔNG THOÁT NƯỚC VỚI CÁCTRƯỜNG HỢP TÍNH TOÁN

Để nước lỗ rỗng bên trong không bị thoát ra khỏi mẫu đất trong suốt quá trìnhthí nghiệm chịu cắt, thì áp lực nước lỗ rỗng thặng dư phát sinh Vì vậy, khi đất bị pháhoại, ứng suất cắt tác động lên mặt phá hoại gọi là sức chống cắt không thoát nước,như minh hoạ bởi trong hình 1.5 Vòng tròn B trong hình 1.5 tương ứng với vòngtròn Mohr ứng suất tổng

Theo nguyên lý ứng suất hữu hiệu, ở trạng thái không thoát nước, đất chỉ pháhoại khi vòng tròn Mohr ứng suất hữu hiệu cho khối đất là tiếp tuyến với đường baophá hoại của ứng suất hữu hiệu và nó không có liên hệ gì đến ứng suất tổng Nhưtrong hình 1.5, vòng A là vòng tròn Mohr hữu hiệu tiếp tuyến với đường bao pháhoại hữu hiệu Do tính chất của nước lỗ rỗng không có khả năng chịu ứng suất cắt,ứng suất cắt trên mặt phá hoại trong trạng thái ứng suất hữu hiệu sẽ bằng trạng tháiứng suất tổng, như cho thấy bởi ở hình 1.5 Vì là đồng nhất, kích thước vòngtròn Mohr hữu hiệu sẽ bằng với vòng tròn Mohr ứng suất tổng

Ứng suất cắt trên mặt phẳng phá hoại (điểm a trên hình 1.5) có thể được diễntả theo hình thức sau:

Trong đó, chỉ ứng suất cắt trên mặt phẳng phá hoại, nó có thể được địnhnghĩa như là sức chống cắt không thoát nước của đất

Hình 1.5 Nguyên lý cơ bản của sức chống cắt không thoát nước

Quan sát trạng thái gần điểm đỉnh b với điểm tiếp tuyến a (trong hình 1.5) củavòng tròn Mohr và một mặt xét về sự khó khăn cần để có được giá trị và của đấtsét qua các thí nghiệm cần thiết để tính sức chống cắt không thoát nước của nó, việcsử dụng phương trình (1 7) sau đây, giá trị của sức chống cắt ở điểm đỉnh của vòngtròn Mohr được chấp nhận để tính toán sức chống cắt không thoát nước như sau:

Mặc dù phương trình (1.7) có một ít sai số trong tính toán sức chống cắtkhông thoát nước của đất, nhưng nó loại bỏ và và vì vậy nó thường xuyên đượcdùng trong thiết kế kỹ thuật

Từ những lập luận trên, chúng ta thấy rằng nguyên lý của ứng suất hữu hiệucũng được áp dụng cho sức chống cắt không thoát nước của đất pha sét Điều đó nóirằng, sức chống cắt của đất, dù rằng trong trạng thái không thoát nước, cũng chỉ liênquan đến ứng suất hữu hiệu tác động lên chúng và không có liên quan gì đến ứngsuất tổng Về phần đất pha sét, hệ số rỗng hoặc độ chứa nước (trong trạng thái bãohòa) là đại diện tốt nhất của ứng suất hữu hiệu của đất pha sét Đối với bất kỳ loạiđất pha sét cố kết thường nào, quan hệ − log hoặc − log là duy nhất, và cùngvới kết quả của thí nghiệm cố kết

Đặt một mẫu đất sét bão hòa nước vào một thí nghiệm 3 trục Ở giai đoạnđầu chất tải, đất trong trạng thái không thoát nước, hệ số rỗng hoặc độ chứa nướckhông thay đổi, điều này có nghĩa là ứng suất hữu hiệu tác động trên đất của giaiđoạn đầu vẫn không thay đổi Thực sự tải trọng giai đoạn đầu tác động toàn bộ lên áplực lỗ rỗng và phần hạt của đất không chịu ứng suất.

Skempton đề nghị một công thức thực nghiệm tính lực dính không thoát nướctheo chỉ số dẽo và ứng suất hữu hiệu thẳng đứng do trọng lượng bản thân

Hình 1.6 Sự phá hoại ứng suất tổng Mohr - Coulomb

1.2.2 Vòng tròn Mohr ứng suất tổng và ứng suất hữu hiệu

Hình 1.7 Lực tiếp xúc liên phần tử và áp lực nước lỗ rỗng trong một khối đất.

Áp lực trong nước lỗ rỗng và ứng suất hữu hiệu được mang bởi các phần tửtiếp xúc, nghĩa là ta có phương trình sau-

Như hình 1.7, ứng suất tổng ngang qua một mặt tiếp xúc qua các điểm tiếpxúc các phần tử trong khối đất thì được tạo thành bởi áp lực nước lỗ rỗng trong cáclỗ rỗng trong đất và ứng suất hữu hiệu thì bằng với tổng các lực liên phần tử trên mộtđơn vị diện tích Điều này dẫn đến phương trình (1.11) Vì rằng áp lực nước lỗ rỗngcó cường độ bằng nhau theo mọi hướng, từ phương trình (1.12) dẫn đến :

Trong đó:, là các ứng suất chính tổng cực đại và cực tiểu; , là các ứng suấtchính hữu hiệu cực đại và cực tiểu

Từ hai phương trình (1.11), (1.12), ta có 1

1

Cách biểu diễn này thể hiện tổng số các tiếp xúc điểm giữa các phần tử là

‘zéro’ và do đó diện tích tiếp xúc là ‘zéro’, áp lực nước lỗ rỗng tác động khắp tất cả

các bề mặt của bất cứ mặt tiếp xúc ngang qua các tiếp điểm như trong hình 1.7

Trong quá trình lắng đọng của đất trong nước ở hiện trường, áp lực thẳngđứng hữu hiệu của khối đất gia tăng vì chiều sâu của sự gia tăng lớp đất nằm trên

Điều này tạo nên khối đất cố kết thành khối ép chặt hơn, kéo theo đường cong của hệsố rỗng với áp lực hữu hiệu như là trong hình 1.8.

Nếu khi đạt đến điểm trong hình 1.8, một phần tải bên trên được dỡ đi, thí

thường và ở điểm nó là quá cố kết Tỉ số quá cố kết được diễn tả bởi phươngtrình:

Nghĩa là, là tỉ số của áp lực hữu hiệu thẳng đứng tối đa mà đất đã chịu

thể được diễn tả như sau:

Đất thường được gọi là cố kết nhẹ hay cố kết nặng Giá trị phỏng chừng củatương ứng với mô tả trong bảng sau:

Mô tảCố kết thườngCố kết nhẹCố kết vửaCố kết nặng

11÷33÷9>9

Để nghiên cứu, một giá trị xác định trước của thường được tiến hànhtrong phòng thí nghiệm để khôi phục đất ở độ chứa nước cao và rồi chịu một quátrình cố kết thích hợp – đường nở (hình 1.8)

Hình 1.8 Sự cố kết nguyên thuỷ hay cố kết thường () và đường nở ( )

Hình 1.9 Quan hệ giữa ứng suất tổng và ứng suất hữu hiệu

(a) áp lực lỗ rỗng dương ; (b) áp lực lỗ rỗng âm.

Phương trình 1.11 và 1.12 cho thấy ứng suất cắt không bị ảnh hưởng bởi áplực nước lỗ rỗng; các giá trị của ứng suất cắt là đồng nhất dù được diễn tả về ứngsuất tổng hay ứng suất hữu hiệu Giải thích vật lý cho thấy khả năng không chịu ứngsuất cắt của của nước lỗ rỗng, để ứng suất cắt phải do toàn bộ lực tiếp xúc giữa cáchạt chịu

1.3 XÁC ĐỊNH SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT SÉT BÃO HÒA NƯỚC VÀCÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

1.3.1 Sức chống cắt của đất bằng các phương pháp thí nghiệm trong phòng1.3.1.1 Thí nghiệm hộp cắt

Thí nghiệm này còn gọi là thí nghiệm cắt trực tiếp, bởi vì ứng suất pháp vàứng suất cắt trên mặt phá hoại định sẵn được đo trực tiếp

Trình tự lặp lại cho 3 đến 4 mẫu của cùng loại đất với các ứng suất pháp khácnhau Giá trị ứng suất pháp và ứng suất tiếp được tính và vẽ thành đồ thị Đườngbao độ bền chống cắt tương ứng với ứng suất cắt đỉnh và ứng suất cực hạn phù hợpvới đường thẳng trung bình dựng được qua các điểm của biểu đồ ( − )

Hình 1 10 Sơ đồ thí nghiệm cắt trực tiếp

Hình 1.11 Sơ đồ vòng tròn Mohr cho thí nghiệm cắt trực tiếp lúc phá hoại

Từ đường thẳng trung bình đi qua các điểm thí nghiệm có thể xác định gócma sát trong và lực dính c của mẫu đất Giá trị , được gọi là thông số độ bềnsức chống cắt của đất Thí nghiệm cắt trực tiếp bằng hộp cắt còn có thể sử dụng đểtiến hành thí nghiệm thoát nước nhằm xác định các thông số sức chống cắt hữu hiệu

1.3.1.2 Thí nghiệm nén nở hông ( )

Thí nghiệm nén đơn là trường hợp đặt biệt của thí nghiệm nén ba trục trongđó áp lực xung quanh = 0 Thí nghiệm chỉ tiến hành được khi mẫu đất có thểđứng mà không cần có sự hỗ trợ của áp lực ngang Vì vậy, thí nghiệm chỉ áp dụngcho đất dính Thí nghiệm là không thoát nước và dựa trên cơ sở giả định rằng khôngcó sự mất độ ẩm trong suốt quá trình thí nghiệm

Theo Terzaghi và cộng sự (1996), cho thấy có một sự quan hệ duy nhất giữasức chống cắt không thoát nước của mẫu chế bị và chỉ số dẻo ( ), như trong hình1.12 Sơ đồ này bao gồm cho đất sét yếu và trầm tích bùn nhận được từ các nới trênthế giới.

Hình 1.12 Quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước từ thí nghiệm nén đơn,( ), và thí nghiệm nén ba trục, ( ), trên đất trên đất sét Natsushima

(Dữ liệu từ Hanzawa và Kishda,1982)

Hình 1.13 Quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước của mẫu chế bị

và chỉ số nhão của đất sét, từ nhiều vùng trên thế giới

(theo Terzaghi và cộng sự 1996).

Để xác định sức chống cắt của đất dính trong phòng, phương pháp phổ biến,đơn giản là nén mẫu đất hình trụ cho phép nở hông tự do Khi đó, sức chống cắt củađất biểu hiện qua lực dính ( ) của đất có thể được xác định bằng công thức sau:

Trong đó:- lực dính của đất;

- sức kháng nén nở hông của đất.Sức kháng nén này được xác định như là cường độ kháng nén lớn nhất chịuđược trong quá trình thí nghiệm hoặc tại giá trị biến dạng đạt tới 20% Quá trình pháhoại đất từ thí nghiệm nén nở hông có thể minh họa như hình 1.14

Hình 1.14 Biểu đồ minh họa quá trình phá hoại đất từ thí nghiệm nén nở hông.

(a) - Biểu đồ ứng suất-biến dạng trong thí nghiệm nén nở hông(b) - Sự phát triển vòng Mohr tương ứng theo ứng suất tổng(c) - Ứng suất tổng và hữu hiệu trên mặt phá hoại

(d) - Vòng Mohr theo ứng suất hữu hiệu lúc phá hoại

1.3.1.3 Thí nghiệm nén ba trục

Thí nghiệm nén 3 trục là thí nghiệm phổ biến nhất để xác định sức chống cắtcủa đất Nó cho phép mô tả được nhiều trạng thái ứng suất như ứng xử của mẫu đấttheo điều kiện trạng thái ứng suất (gia tải, dỡ tải theo các phương) cũng như ứng xửthực tế của đất nền (thoát nước hay không thoát nước) Thí nghiệm nén ba trục làmột trong những thí nghiệm đa dạng nhất trong tất cả các thí nghiệm xác định sứcchống cắt của đất xét về chi tiết phức tạp Điều kiện thoát nước kiểm soát được chotất cả các loại đất Trong thí nghiệm nén ba trục, việc kiểm soát áp lực nước lỗ rỗnghoàn toàn có thể thực hiện được chính xác, biến đổi thể tích cũng có thể đo được.Mặt phá hoại không được quy định trước mà mẫu đất sẽ bị phá hoại theo mặt trượtyếu nhất hoặc đơn giản là phình ra trong trường hợp đất mềm dẻo

Hình 1.15 Sơ đồ buồng nén thí nghiệm nén ba trục đối xứng trục

Các thông số cơ bản trong thí nghiệm ba trục thông thường bao gồm:

ba trục là ứng suất theo phương dọc trục

- Ứng suất lệch ( − ) - trong thí nghiệm nén ba trục là ứng suất bổ sung

do sự tăng lực nén dọc trục.Trong thí nghiệm, mẫu đất sẽ chịu tác dụng của các thành phần ứng suấtchính như minh hoạ trong hình 1.16

Hình 1.16 Sơ đồ vòng tròn Mohr của thí nghiệm ba trục

Hình 1.17 Sơ đồ vòng tròn Mohr của thí nghiệm ba trục

lúc phá hoại của mẫu đất

Trạng thái ứng suất khi đạt đến điểm phá hoại được ghi nhận thông qua giá trịcác thành phần ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất Vòng tròn Mohr ứng suấtsẽ được xác định theo các thành phần ứng suất chính từ các mẫu thí nghiệm Đườngkính của vòng tròn Mohr được xác định bởi các điểm đại diện cho ứng suất chínhnhỏ nhất và lớn nhất khi phá hoại Qua các vòng tròn Mohr, có thể vẽ được đườngbao phá hoại, đó là đường thẳng trung bình tiếp xúc với các vòng tròn Mohr

Phân biệt 3 sơ đồ thí nghiệm:

Đây là sơ đồ thí nghiệm đơn giản, vận hành nhanh, giá thành rẻ và thông dụngnhất của thí nghiệm nén ba trục Mẫu không thoát nước ở thời điểm tức thời( = 0) Kết quả sức chống cắt thu được theo các thành phần ứng suất tổng

Trong sơ đồ này, đất được đưa tới phá hoại không có khả năng thoát nước lỗrỗng và chưa được cố kết Độ ẩm và độ chặt được xem như không đổi trong các mẫuđất thí nghiệm và trong quá trình nén mẫu Khi thí nghiệm, các van thoát nước củadụng cụ thí nghiệm được đóng hoàn toàn và đất chịu tác dụng của lực nén dọc trụcngay sau khi áp lực hông được ổn định Vì nước và cốt đất hầu như không chịunén và giả thiết trong nước không chứa không khí nên trong quá trình thí nghiệmmẫu không bị biến dạng thể tích Khi thí nghiệm với đất bão hoà (hệ số áp lực củanước lỗ rỗng = 1) độ tăng nào đó của ứng suất tổng tạo nên sự tăng tương ứng củaáp lực nước lỗ rỗng (∆ = ∆ ) và vì thế không xảy ra sự tăng ứng suất hữu hiệu tức

sức chống cắt không thoát nước của đất

Hình 1.18 Vòng tròn ứng suất phá hoại đối với mẫu đất sét bão hòa

thì đồng nhất được thí nghiệm dưới các áp lực buồng khác nhau

Hình 1.19a cho thấy mẫu đất được lấy mẫu từ lớp đất sét đặt ở độ sâu Vớiứng suất hữu hiệu hiện trường là và , hệ số rỗng là e Lấy mẫu bằng một ốngmỏng, ứng suất tổng trên mẫu thử xuống thấp toàn bộ như trong hình 1.19b Vì rằngđộ rỗng trong đất sét là rất nhỏ, mẫu được được lấy trong ống mỏng thường ở trạngthái không thoát nước và không bị thay đổi thể tích Như vậy hệ số rỗng hay độ chứanước vẫn không thay đổi, do đó ứng suất hữu hiệu vẫn không đổi và giá trị của nókhoảng bằng với ứng suất hữu hiệu ở điều kiện hiện trường

Khi gia tăng áp lực buồng lên mẫu đất ở giai đoạn đầu trong thí nghiệm nénba trục , áp lực hông chỉ có tác động lên nước lỗ rỗng bởi vì đất trong trạng tháikhông thoát nước bão hòa, nghĩa là ∆ = (hình 1.19c) Như vậy, độ gia tăng của

ứng suất hữu hiệu là không và ứng suất hữu hiệu lên đất hầu như ở giống trạng tháihiện trường Ở giai đoạn thứ hai, khi ứng suất dọc trục bắt đầu tác dụng, vì rằng ứngsuất hữu hiệu trên mẫu đất trước khi tải trọng dọc trục tác động là gần với ứng suấthiện trường, vì vậy cường độ nhận được có thể đại diện cho sức chống cắt ở hiệntrường.

Hình 1.19 Sức chống cắt không thoát nước của sét bão hòa nước

nhận được từ thi nghiệm ba trục

(a) Trạng thái ứng suất ở độ sâu z;(b) Trạng thái ứng suất mẫu đất sau khi lấy mẫu;(c) Gia tải giai đoạn thứ nhất thí nghiệm UU (giai đoạn không cố kết);(d) Gia tải giai đoạn hai thí nghiệm UU (giai đoạn cắt không thoát nước).Về mặt lý thuyết, để nhận được sức chống cắt không thoát nước ở hiện trườngnhận qua phương tiện của phòng thí nghiệm, đường ứng suất và tốc độ biến dạng củađất ở hiện trường phải được mô phỏng của thí nghiệm trong phòng Tuy nhiên,không thể nói rằng đất không bị xáo trộn trong quá trình lấy mẫu và các kết quả củathí nghiệm ba trục bị ảnh hưởng lớn bởi sự xáo trộn khi lấy mẫu Hơn nữa, mẫuđất chịu tải trọng thẳng đứng và thí nghiệm ba trục có biến dạng lớn hơn biếndạng đất ở hiện trường khi phá hoại Kết quả của thí nghiệm ba trục có thể đại diệncho sức chống không thoát nước của đất ở hiện trường - lý do là sự khác biệt có thểđược tạo nên do sự tự bù trừ Tốc độ biến dạng càng cao và lực thẳng đứng của thínghiệm ba trục mang lại sức chống cắt không thoát nước càng lớn Một mặt,

trạng thái ứng suất ba trục và sự xáo trộn lấy mẫu dẫn đến một giá trị thấp hơn Hainhóm yếu tố bù trừ lẫn nhau theo cách thức đó dẫn đến kết quả thí nghiệm có thể phùhợp đại diện cho đất ở hiện trường.

Thí nghiệm nén nở hông (thí nghiệm- unconfined compression test) cũng

được gọi là thí nghiệm đơn trục, là một thí nghiệm ba trục đặc biệt không có áplực hông Như trong hình 1.5, vòng tròn Mohr của ứng suất hữu hiệu nhận được từthí nghiệm trên một mẫu đất bão hòa thì đồng nhất với kết quả nhận được từ thínghiệm ba trục miễn là mẫu thử có cùng ứng suất hữu hiệu (hay hệ số rỗng).Không được giữ bởi áp lực hông, nhưng mẫu thí nghiệm có khả năng đứng bởichính nó bởi vì áp lực lỗ rỗng âm được phát sinh từ mẫu, nó diễn tả ứng suất hữuhiệu trên mẫu thử tương đương với ứng suất hữu hiệu của mẫu đất ở hiện trường.Tuy nhiên, nếu mẫu thử đã bị xáo trộn hay lỗ rỗng của nó tương đối lớn hoặc là cómột lớp đất mỏng thấm nước tồn tại trong mẫu thử, hoặc là có những khe nứt trongmẫu thử, áp lực nước lỗ rỗng âm sẽ bị khuếch tán, nó sẽ làm giảm ứng suất hữu hiệu.Hơn nữa, bởi vì mẫu thử không bị hạn chế bởi áp lực hông , sức chống cắt khôngthoát nước nhận được từ thí nghiệm nén nở hông có xu hướng nhỏ hơn

Hiệu ứng của sự bù trừ của thí nghiệm ba trục diễn tả chống cắt khôngthoát nước nhận được có khả năng đại diện cho sức chống cắt ở hiện trưởng nhưtrình bày ở trên Tuy nhiên, hiệu ứng không phải luôn luôn tin cậy - lượng dư rakhông tất yếu bằng với lượng giảm đi Nó cho là hoặc do thí nghiệm, hay lấy mẫu,hay cả hai Vì vậy, Ladd và Foote (1974) khuyến nghị chấp nhận thí nghiệm bởitiếp cận theo SHANSEP

b Thí nghiệm cố kết, không thoát nước ( )

Thí nghiệm cho ra một loạt vòng tròn Mohr ứng suất tổng, nghĩa là có thểhình thành một đường bao phá hoại mà đoạn cắt của nó trên trục là và độ dốc∅ có thể được xác định như trong hình 1.20

Do phương trình Mohr - Coulomb chỉ đại diện cho đường bao phá hoại ứng

một sai số

Hình 1.20 Vòng tròn Mohr ứng suất tổng

Ứng suất cắt trên mặt phá hoại từ thí nghiệm ba trục hay ứng suất cắt ởđỉnh của vòng tròn Mohr hữu hiệu được gọi là sức cắt không thoát nước, như đượctrình bày ở điểm hoặc trong hình 1.5 Vì rằng thí nghiệm ba trục trải qua quátrình cố kết, sức chịu cắt không thoát nước liên quan nhiều hơn đến áp lực cố kết củathí nghiệm hơn là áp lực thẳng đứng hữu hiệu của đất ở hiện trường

Trong thí nghiệm theo sơ đồ này (có thể mô phỏng hoàn toàn điều kiện ứngsuất ở hiện trường), mẫu đất trước tiên được cố kết dưới các cấp áp lực hông xácđịnh trước khi thí nghiệm đưa tới phá hoại Khi cố kết, hoặc là áp lực nước lỗ rỗng,hoặc là sự thay đổi thể tích của mẫu đất được theo dõi để xác định đất đã được cố kếthoàn toàn (khi sự thay đổi thể tích ngừng và áp lực nước lỗ rỗng thặng dư giảm tới0) Sau đó tăng áp lực dọc trục và không cho thoát nước (đóng các van thoátnước) Trong quá trình thí nghiệm giá trị áp lực nước lỗ rỗng được ghi nhận

Kết quả thu được theo sơ đồ này là sức chống cắt tổng và hữu hiệu.Đặc trưng sức chống cắt tổng, , , sử dụng cho thiết kế đắp đất theogiai đoạn trên nền đất yếu

Đặc trưng sức chống cắt hữu hiệu, , , sử dụng để tính ổn định lâu dài.Cũng giống như thí nghiệm , thí nghiệm nén ba trục có một vài vấn đềcần giải quyết: xáo trộn khi lấy mẫu, tốc độ biến dạng, biến dạng là phẳng và đườngứng suất (tính đẳng hướng của cường độ)

Nói chung, sự xáo trộn mẫu có thể được loại bỏ hoặc bằng nén lại (Bjerrum,1973) hoặc tiếp cận (Ladd và Foote, 1974) [22, tr.37] Nén lại là cố kếtmẫu càng gần với trạng thái cố kết hiện trường càng tốt Nghiên cứu các thí nghiệmtrong phòng cho phép xác định các đặc trưng cơ học của đất như góc ma sát trong và

lực dính Sử dụng những chỉ tiêu này có thể tính toán xác định giá trị sức kháng mũixuyên của đất và ma sát bên Những công thức này chỉ mang tính gần đúng và chỉđược sử dụng với tầng đất đồng nhất Tuy nhiên, đất trong tự nhiên thường cấu tạothành các lớp, thậm chí trong phạm vi một tầng như vậy tính chất cơ lý của đất cũngkhông phải là cố định.

Hình 1.21(a) So sánh gia tải mẫu và điều kiện thoát nước

Hình 1.21 (b) Những vòng tròn ứng suất tiêu biểu và đường bao ứng suất

trên mẫu thí nghiệm đồng nhất của đất sét quá cố kết nhẹ.