TIỂU LUẬN THÍ NGHIỆM NÉN 3 TRỤC VÀ CÁC THÔNG SỐ THU NHẬN ĐƯỢC

Mặt trượt xác định bằng vòng tròn ứng suất Mohr Tuy nhiên, trong vấn đề này, Terzaghi đã chứng minh rằng, sức chống cắt của đất phụ thuộc vào ứng suất pháp hữu hiệu chứ không phải là ứng

THÍ NGHIỆM NÉN BA TRỤC

VÀ CÁC THÔNG SỐ THU NHẬN ĐƯỢC

1 Tổng quan về sức chống cắt của đất:

Trong tự nhiên thường có hiện tượng trượt lở sườn đồi, sườn núi; trượt lở bờ sông,

bờ biển, … gây thiệt hại rất lớn về người và của Nguyên nhân là do sự cân bằng cơ học vốn có của sườn dốc bị xâm phạm dẫn đến sự trượt

Đối với công trình nhân tạo như nhà ở, nhà máy, đê, đập, cầu, đường, … cũng có thể bị trượt, bị lật trong giai đoạn thi công hoặc giai đoạn khai thác Khi xây dựng công trình trên nền đất tức là tác dụng vào mặt đáy móng một hệ lực có thể phân tích thành hai thành phần lực đứng và lực ngang Hệ lực này gây trong nền đất một trường ứng suất gia tăng Các gia số ứng suất pháp gây ra sự thay đổi về thể tích của các phân tố đất, mà gia

số ứng suất pháp thẳng đứng ∆σz gây ra biến dạng đứng chính là độ lún Các gia số ứng suất tiếp gây ra biến hình các phân tố trong đất nền, có khuynh hướng gây trượt hay cắt đất Hậu quả là nền công trình bị trượt, kéo theo công trình bị lật khi ứng suất tiếp lớn hơn sức chống cắt của đất nền

Vì vậy, chúng ta cần phải xác định được sức chống cắt của đất

1.1 Quá trình phát triển lý thuyết phá hủy trong khối đất:

Sức chống cắt của đất là lực chống trượt lớn nhất trên một đơn vị diện tích tại mặt trượt khi khối đất này trượt lên khối đất kia, nó là yếu tố chủ yếu quyết định đối với sự ổn định của nền và an toàn của công trình Cường độ chống cắt của đất phụ thuộc vào ứng

suất pháp do tải trọng ngoài tác dụng tại mặt trượt và vào loại đất, tính chất cơ lý của đất

Năm 1776, Coulomb đã dựa vào mô hình ma sát, đưa ra một công thức xác định sức chống cắt của đất bao gồm 2 thành phần:

- Thành phần phụ thuộc vào ứng suất pháp gọi là thành phần ma sát, ký hiệu là

τ f =c+ tan

Hình 1.2 Các thành phần sức chống cắt của đất

Trạng thái ứng suất của một phân tố đất được biểu diễn trên vòng tròn Mohr Khi gia tăng tải trọng thẳng đứng, nghĩa là gia tăng độ lệch ứng suất thì vòng tròn Mohr lớn dần cho đến khi chạm đường bao chống cắt, thì tại điểm phân tố đất bị phá hoại trượt

Dựa vào vòng tròn Mohr, có thể xác định phương mặt trượt nghiêng với mặt nằm ngang một góc 45o+ϕ/2

Hình 1.3 Mặt trượt xác định bằng vòng tròn ứng suất Mohr

Tuy nhiên, trong vấn đề này, Terzaghi đã chứng minh rằng, sức chống cắt của đất phụ thuộc vào ứng suất pháp hữu hiệu chứ không phải là ứng suất pháp tổng, vì ứng suất pháp hữu hiệu mới là thành phần ứng suất tạo ra ma sát giữa các hạt đất

Do đó, công thức xác định sức chống cắt được hiệu chỉnh lại:

giữa ứng suất pháp và ứng suất tiếp tại thời điểm phân tố đất bị phá hoại Không thể dùng công thức : τ =σ.tg ϕ+c, để xác định ứng suất tiếp của phân tố đất khi nó chưa đạt trạng thái phá hoại

Bản chất của khả năng chống cắt trượt của đất là sự chèn ép giữa các hạt, sự gài móc giữa hạt này với hạt khác, và một cách cảm tính là lực dính giữa các hạt đất Phân tố đất bị phá huỷ khi các hạt bị trượt lên nhau Tác nhân gây ra trượt phải là tác nhân tác dụng trực tiếp lên hạt đất, và đó là ứng suất hữu hiệu Tuy nhiên, không phải ứng suất hữu hiệu nào cũng gây ra sự trượt giữa các hạt Ứng suất hữu hiệu đẳng hướng có tác dụng làm cho các hạt chèn khít nhau, chứ không gây ra sự phá hoại trượt Chỉ có ứng suất lệch hữu hiệu mới

có thể gây ra sự trượt giữa các hạt đất

Việc xác định các thông số sức chống cắt có ý nghĩa hết sức quan trọng bởi nó đưa ra các đánh giá về khả năng chịu tải trọng của nền đất

1.2 Các thí nghiệm xác định thông số chống cắt của đất:

2.1 Giới thiệu chung:

Casagrande là người phát triển thí nghiệm nén 3 trục nhằm mục đích loại trừ những hạn chế của thí nghiệm cắt trực tiếp Thí nghiệm nén 3 trục cho phép mô tả được nhiều thái ứng suất như ứng xử của mẫu đất theo điều kiện trạng thái ứng suất (gia tải, dỡ tải theo các phương), cũng như ứng xử thực tế của đất nền (thoát nước hay không thoát nước) Thí nghiệm nén 3 trục là một trong những thí nghiệm đa dạng nhất trong tất cả các thí nghiệm xác định sức chống cắt của đất xét về chi tiết phức tạp Điều kiện thoát nước kiểm soát được cho tất cả các loại đất Ví dụ: Đất thấm nước tốt có thể thí nghiệm trong điều kiện không thoát nước, còn đất có tính thấm kém cũng có thể tiến hành thí nghiệm trong điều kiện thoát nước Trong thí nghiệm nén 3 trục, việc kiểm soát áp lực nước lỗ rỗng hoàn toàn có thể thực hiện được chính xác, biến đổi thể tích cũng có thể đo đạc được Trong quá trình thí nghiệm, phương tác dụng của các thành phần ứng suất chính không đổi (khác biệt đáng kể so với phương tác dụng của các thành phần ứng suất chính trên mặt cắt định sẵn trong thí nghiệm cắt trực tiếp thay đổi liên tục trong quá trình cắt) Mắt phá hoại không được quy định trước mà mẫu đất sẽ bị phá hoại theo mặt trượt yếu nhất hoặc đơn giản là phình ra trong trường hợp đất mềm dẻo

Tóm lại, thí nghiệm nén 3 trục là thí nghiệm tin cậy nhất để xác định các thông số sức chống cắt, đồng thời còn có thể xác định được thông số biến dạng của đất nền

Thí nghiệm được tiến hành trên máy nén 3 trục với mẫu đất hình lăng trụ tròn có

chiều cao gấp 2 lần đường kính, tức là h=2d Kích thước mẫu thông thường là 38x76mm, 50x100mm hoặc một số kích thước khác tùy thuộc vào kích thước buồng nén, thường

Theo trình tự thí nghiệm, đầu tiên mẫu đất hình lăng trụ tròn được tạo hình và đặt lên đế bàn nén giữa 2 tấm đá thấm bão hòa nước ở 2 mặt trên và dưới mẫu đất, mẫu đất được bọc trong một màng cao su không thấm bằng cách tròng qua mẫu đất bao lên cả hai nắp không thấm nước ở chân mẫu và nắp đậy (bàn nén) Màng cao su sẽ ngăn nước xâm nhập vào mẫu đất khi tiến hành tạo áp lực trong buồng nén, bơm đầy nước vào buồng nén

và tạo áp lực, áp lực nước trong buồng sẽ tác dụng lên mẫu đất từ các phía (3 trục), giữ áp lực buồng không đổi, lực nén dọc trục tăng lên với tốc độ biến dạng không đổi cho đến khi mẫu phá hoại (với thí nghiệm nhanh, thời gian nén mẫu thường trong khoảng từ 5 đến

15 phút) Lưu ý: Áp lực bổ sung tác dụng dọc trục và gây phá hoại mẫu được gọi là ứng suất lệch, ứng suất chính lớn nhất sẽ có giá trị bằng tổng giá trị áp lực buồng và ứng suất

2.2.1 Thiết bị gia tải dọc trục:

Đây là thiết bị gia tải theo trục đứng, đòi hỏi tốc độ gia tải không được vượt quá sai lệch ± 1% giá trị được lựa chọn Ngoài ra còn phải đảm bảo rung động trong khi gia tải phải đủ nhỏ để không gây ra sự thay đổi kích thước của mẫu đất, hay phát sinh sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng trong khi van thoát nước bị khoá

2.2.2 Thiết bị đo tải trong dọc trục:

Thiết bị này là một vòng lực, hay là thiết bị đo bằng điện tử hoặc thuỷ lực Thiết bị phải có khả năng đo được tải trọng dọc trục với độ chính xác 1% tải trọng dọc trục lúc phá hoại

Hình 2.1 Vòng lực

Hình 2.2 Lắp đặt vòng lực

2.2.3 Buồng nén 3 trục:

Buồng nén bao gồm tấm mặt trên và tấm mặt đáy, ở giữa là hộp hình trụ Mặt trên

có một van thông để không khí có thể thoát ra ngoài khi buồng nén được bơm đầy nước Tấm mặt đáy có một ống dùng để bơm chất lỏng vào trong buồng Đồng thời còn có các ống xuyên qua tấm đi vào mặt đáy mẫu đất thí nghiệm Chúng được dùng để bơm nước cho bảo hòa nước, hay thoát nước trong mẫu khi cần thiết

Hình 2.3 Buồng nén 3 trục

Piston truyền tải

Bộ khung nén

2.2.4 Piston gia tải dọc trục, và bộ khung:

Độ sai lệch của tải trọng dọc trục gây ra do ma sát không vượt quá 0.1% tải trọng phá hoại, và không bị uốn cong trong suốt quá trình gia tải

Hình 2.4 Bộ khung nén

2.2.5 Thiết bị kiểm soát áp suất và chân không:

Đây là thiết bị dùng để kiểm soát áp suất buồng nén và áp lực ngược Áp lực ngược là áp lực tác dụng lên nước lỗ rỗng trong mẫu nhằm làm cho khí trong các lỗ rỗng khuếch tán vào trong nước lỗ rỗng và do đó làm tăng độ bão hoà của mẫu

Đối với ứng suất cố kết hữu hiệu nhỏ hơn 200kPa, thì sai số thiết bị cho phép là ±

2kPa

Đối với ứng suất cố kết hữu hiệu lớn hơn 200kPa thì sai lệch này là ± 1%

Sai số yêu cầu cho thiết bị kiểm soát chân không là ±2kPa

2.2.6 Thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng:

Trong suốt quá trình nén không thoát nước, áp lực lỗ rỗng sẽ được đo bằng một lượng nước rất nhỏ đến mức có thể cho phép đi vào hay thoát ra khỏi mẫu Lượng nước này được đo bởi một thiết bị, có thể là thiết bị điện tử

2.2.7 Thiết bị đo sự thay đổi thể tích:

Thể tích của nước đi vào hay ra khỏi mẫu sẽ phải được đo với độ chính xác là ±

0.05% tổng thể tích của mẫu Thiết bị này thường là ống burette

2.2.8 Thiết bị đo biến dạng:

Biến dạng đứng của mẫu thường được xác định bằng dịch chuyển của một piston được đặt ở trên mẫu Độ dịch chuyển của piston này phải được đo bằng một đồng hồ với

độ chính xác tối thiểu là 0.25% chiều cao ban đầu của mẫu

2.2.9 Tấm mặt trên hay còn gọi là mũ gia tải và mặt đáy mẫu:

Hai tấm mặt này đòi hỏi là có khả năng thoát nước tốt cho mẫu về cả 2 phía trên

và dưới Chúng phải đảm bảo có độ cứng lớn, không bị ăn mòn, khối lượng của 2 tấm này càng nhỏ càng tốt Tuy nhiên, khối lượng lớn nhất của nó có thể bằng 10% tải trọng dọc trục khi phá hoại Đường kính của các tấm này bằng với đường kính ban đầu của mẫu

Đáy mẫu cũng chịu áp lực buồng nén nhằm ngăn ngừa dị chuyển ngang hay sự lệch nghiêng mẫu Tấm mặt trên phải được đặt sao cho độ lệch tâm của pittông và tấm đối với trục mẫu không vượt quá 1.3mm Mặt bên của 2 tấm này được bao bọc bởi một màng mỏng mềm và căng phồng tự do

2.2.11 Các băng giấy thấm và đĩa giấy thấm:

Các băng giấy thấm được dùng ở nhiều phòng thí nghiệm nhằm làm giảm thời gian thí nghiệm Đĩa giấy thấm có đường kính bằng với đường kính của mẫu đất, và được đặt giữa các tấm đá bọt và mẫu đất, ngoài tác dụng thấm nước, cho nước thoát qua, nó còn phải có khả năng lọc các hạt đất, nhằm tránh hiện tượng các hạt đất chui vào trong các lỗ tấm đá bọt làm giảm khả năng thoát nước của tấm đá bọt

Nếu các băng hay các đĩa giấy thấm được dùng thì chúng phải được chế tạo từ các vật liệu không tan rã trong nước và có hệ số thấm không được nhỏ hơn 1x105 cm/s ở áp

suất bình thường là 550 kPa

Hình 2.7 Sơ đồ bố trí băng giấy thấm và đĩa giấy lọc

2.2.12 Màng cao su:

Màng cao su được dùng bọc mẫu thí nghiệm nhằm bảo vệ mẫu tránh hiện tượng thấm rỉ nước Để hạn chế ảnh hưởng của màng lên mẫu đất thì đường kính không căng kéo của màng phải nằm trong khoảng 90-95% đường kính mẫu Đồng thời chiều dày của màng không vượt quá 1% đường kính mẫu Màng sẽ được khít chặt ở tấm mặt trên và dưới bằng các vòng O bằng cao su Đường kính trong của các vòng O này khoảng 75-85% đường kính của các tấm mặt

2.2.13 Các van khoá:

Các van này có nhiệm vụ mở hay đóng để cho thoát nước hay không cho thoát nước từ mẫu

2.2.14 Thiết bị đo kích thước mẫu:

Thiết bị dùng để xác định chiều cao và đường kính mẫu đất, với sai số là ± 0.1% tổng kích thước

2.2.15 Thiết bị đúc mẫu thí nghiệm:

Thiết bị đúc mẫu dùng để đúc hay nói đúng hơn là lấy mẫu cần thí nghiệm từ ống lấy mẫu được mang về từ hiện trường Mẫu đúc lại phải được tiến hành theo tốc độ tương ứng và phương chiều lấy mẫu giống như khi lấy mẫu vào trong ống lấy mẫu ở hiện trường, và thiết bị phải đảm bảo khả năng gây ra sự xáo trộn mẫu là nhỏ nhất

Hình 2.10 Các thi ết bị đúc mẫu

2.2.16 Thiết bị đo thời gian:

Thiết bị đo thời gian được dùng để xác định thời gian thí nghiệm, với độ chính xác

là 1 giây

2.2.17 Thiết bị thu lấy khí trong nước:

Lượng khí bị hoà tan trong nước được dùng để bão hoà mẫu có thể được giảm bằng cách đun sôi, bằng nhiệt, hay bơm hút chân không, hoặc các phương pháp khác

2.2.18 Các thiết bị ghi kết quả thí nghiệm:

Hình 2.11 Sơ đồ cấu tạo điển hình thiết bị thí nghiệm 3 trục

Hình 2.12a Bộ thiết bị thí nghiệm 3 trục

Hình 2.12b Bộ thiết bị thí nghiệm 3 trục

2.3 Các sơ đồ thí nghiệm nén ba trục phổ biến:

Thí nghiệm nén 3 trục được thực hiện theo 2 giai đoạn chính Giai đoạn đầu là áp đặt áp lực buồng sau khi bão hòa mẫu đất Trong giai đoạn này, khóa thoát nước có thể đóng hoặc mở Nếu mở khóa thoát nước, nước lỗ rỗng sẽ thoát ra khỏi đất, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư sẽ tiêu tán và trong đất sẽ xảy ra hiện tượng cố kết Khi chấm dứt quá trình

cố kết, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán hoàn toàn, ứng suất tác dụng lên mẫu đất sẽ

là ứng suất hữu hiệu có giá trị bằng với giá trị áp lực buồng Nếu khóa thoát nước giữ ở tình trạng đóng, nước lỗ rỗng không thể thoát ra, hiện tượng cố kết không xảy ra, thể tích mẫu đất không thay đổi

Khi thực hiện nén dọc trục trong giai đoạn 2, ứng suất lệch gia tăng trong quá trình nén Nếu van thoát nước giữ ở tình trạng đóng, có thể đo được giá trị áp lực nước lỗ rỗng Trong trường hợp này, thí nghiệm được thực hiện theo sơ đồ không thoát nước Nếu van thoát nước được mở ra trong quá trình nén dọc trục, có thể đo đạc được biến dạng thể tích của mẫu đất thông qua thể tích nước thoát ra, thí nghiệm như vậy là theo sơ đồ thoát nước

Thường có 3 sơ đồ thí nghiệm: Không cố kết - Không thoát nước UU (Unconsolidated - Undrained), Cố kết - Không thoát nước CU (Consolidated - Undrained), Cố kết - Thoát nước CD (Consolidated - Drained)

2.3.1 Thí nghiệm không cố kết – không thoát nước U-U (Unconsolidated – Undrained Test):

Nguyên tắc của phương pháp này là xác định sức chống cắt không thoát nước của mẫu đất khi mẫu chịu tác dụng áp lực buồng không đổi đồng thời chịu một tải trọng dọc trục khi không cho phép thay đổi tổng độ ẩm của mẫu Thí nghiệm thường được tiến hành trên một tập hợp mẫu thí nghiệm tương tự, chịu những áp lực hông khác nhau Trạng thái ứng suất khi đạt đến điểm phá hoại được ghi nhận thông qua giá trị các thành phần ứng suất chính lớn nhất σ1 và nhỏ nhất σ3 (Tương ứng với giá trị áp lực buồng) Vòng Mohr ứng suất sẽ được xác định theo các thành phần ứng suất chính từ các mẫu thí nghiệm Đường kính của vòng tròn Mohr được xác định bởi các điểm đại diện cho ứng suất chính nhỏ nhất và lớn nhất khi phá hoại

Qua các vòng tròn Mohr, có thể vẽ được đường bao phá hoại, đó là đường thẳng trung bình tiếp xúc với các vòng tròn Mohr Theo tiêu chuẩn bền Mohr - Coulomb, phương trình đường bao phá hoại có dạng tuyến tính τ = σ.tgφ + c

Biểu đồ quan hệ q - ε và τ – σ

ϕ σ

σ

ϕ

g

c cot 2

3

1 + +

=

ϕ ϕ

σ σ σ σ

cos sin 2 2

3 1 3

1− = + +c

ϕ

ϕ ϕ

ϕ σ

σ

ϕ ϕ

σ ϕ σ

sin 1

cos 2 sin 1

sin 1

cos 2 ) cos 1 ( ) sin 1 (

3 1

3 1

2 3

) cot 2 (

) (

sin

ϕ σ

σ

τ σ σ ϕ

g c

z x

xz x

z

+ +

2.3.1.1 Tiến hành:

Có thể tham khảo tiêu chuẩn ASTM D2850-03

- Chuẩn bị mẫu: dùng khuôn lấy mẫu và dụng cụ gọt mẫu để tạo mẫu thí nghiệm

có hình trụ với đường kính 3.82cm, cao 7.62cm

- Đặt mẫu giữa hai tấm đá bọt, ngăn cách bởi hai miếng giấy thấm, bọc mẫu bằng màng cao su, buộc chặt mẫu bằng vòng cao su ở đáy và đỉnh mẫu

- Đặt mẫu vào buồng nén, đóng kín các khóa ốc và các van

- Cho nước vào buồng, điều chỉnh các đồng hồ đo chuyển vị và áp lực về zero

- Tạo áp lực ngang σ3 tác dụng lên mẫu (sao cho mẫu không thay đổi thể tích, tức

là không cố kết) Giá trị áp lực σ3 được chọn vào khoảng 0.5σv, 1σv, 2σv (σv là tổng ứng suất thẳng đứng có khả năng xảy ra tại hiện trường) Ghi lại số đọc ban đầu của ứng suất

và biến dạng

- Tác dụng áp lực ∆σ1 thông qua piston với tốc độ nhanh (tốc độ biến dạng khoảng 1%/min ÷ 3%/min ứng với từng loại đất) Ghi lại số đọc của ứng suất và biến dạng tại các điểm thời gian mà biến dạng đạt 0.1% , 0.2%, 0.3%, 0.4%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%, 4%, 5% cho đến khi mẫu bị phá hoại

- Lấy mẫu thí nghiệm ra khỏi buồng, vẽ lại hình dạng, xác định lại độ ẩm của mẫu

- Lập lại thí nghiệm cho hai mẫu nữa với các áp lực σ3 khác nhau

2.3.1.2 Tính toán kết quả:

- Các thông số cần xác định trước khi nén mẫu: đường kính, chiều cao, độ ẩm, dung trọng, tỷ trọng hạt