Giáo trình cơ học đất part 7 pot

Trong mục về các giá trị điển hình của các thông số cường độ kháng cắt thoát nước, đã cung cấp quan hệ kinh nghiệm giữa ‟và PI hình 11.27, được dùng cho đất sét nguyên dạng cố kết thườn

Trong mục về các giá trị điển hình của các thông số cường độ kháng cắt thoát nước, đã cung cấp quan hệ kinh nghiệm giữa ‟và PI (hình 11.27), được dùng cho đất sét nguyên dạng cố kết thường trong thí nghiệm nén ba trục, và thực tế phần lớn các thí nghiệm được sử dụng là thí nghiệm CU có đo áp lực lỗ rỗng Hình 11.27 vẫn có thể được sử dụng để đánh giá sơ bộ và kiểm tra các kết quả thí nghiệm trong phòng vì sự khác biệt ‟, phụ thuộc vào phá hoại được định nghĩa như thế nào, vv…thì nhỏ hơn sự phân tán trong hình

11.9.6 Sử dụng cường độ kháng cắt cố kết-không thoát nước (CU) trong thực tế

Sử dụng cường độ kháng cắt CU trong thực tế như thế nào? Như đã đề cập ở phần trước, thí nghiệm CU, có đo áp lực lỗ rỗng, được sử dụng rộng rãi để xác định các thông số cường độ kháng cắt của đất với cả ứng suất tổng và ứng suất hiệu quả Cường đội CU được sử dụng cho các bài toán ổn định, ở đó đất đã được cố kết hoàn toàn và ở trạng thái cân bằng với hệ thống các ứng suất hiện có Sau đó, vì lý do nào đó, xuất hiện ứng suất phụ thêm tác dụng tức thời, nước không kịp thoát ra Ví dụ thực tế như trượt của các mái dốc hồ chứa, kênh và đập đất bị xụt xuống nhanh Kết quả thí nghiệm CU, dưới dạng ứng suất hiệu quả, được áp dụng ngoài thực tế như đã

đề cập trong phần đầu của thí nghiệm CD Một số ví dụ thực tế được thể hiện trong hình 11.37

Tương tự như thí nghiệm CD, thí nghiệm CU đối với đất sét vẫn còn tồn tại một số vấn

đề Để đo chính xác áp lực lỗ rỗng hình thành trong quá trình cắt, phải cẩn thận khi đánh giá mẫu bão hoà hoàn toàn, không có rò rỉ trong quá trình thí nghiệm, và tốc độ gia tải phải đủ chậm để đảm bảo áp lực lỗ đo được ở hai đầu mẫu tương tự như áp lực lỗ rỗng trong vùng lân cận mặt phẳng phá hoại Như đã đề cập, việc sử dụng áp lực ngược nhằm đảm bảo mẫu bão hoà 100% Những ảnh hưởng của hai yếu tố khác có thể giảm thiểu bằng các kỹ thuật thí nghiệm phù hợp đã được Bishop và Henkel (1962) đưa ra

Một vấn đề khác, không thường xuyên được đề cập, đó là cố gắng đo các thông số dài hạn hay cường độ ứng suất hiệu quả và các thông số cường độ kháng cắt tổng-CU hay ngắn hạn từ chuỗi các thí nghiệm giống nhau Tốc độ gia tải hoặc biến dạng cần thiết để việc đo cường độ kháng cắt hiệu quả được chính xác có thể không thích hợp đối với hoàn cảnh gia tải không thoát nước hoặc ngắn hạn Ứng suất - biến dạng và cường độ của đất sét phụ thuộc vào tốc độ gia tải;

do đó nếu gia tải nhanh hơn thì cường độ sẽ cao hơn Trong trường hợp ngắn hạn, tốc độ gia tải ngoài hiện trường có thể rất nhanh, và vì thế để mô phỏng đúng thực tế thì tốc độ gia tải trong phòng thí nghiệm phải tương xứng Do vậy, hai mục tiêu của thí nghiệm ứng suất hiệu quả CU thực sự không hợp nhau Do đó tốt nhất là, dù ít khi gặp trong thực tứ, tiến hành hai tập thí nghiệm, một tập là thí nghiệm CD mô phỏng trường hợp cường độ kháng cắt dài hạn và một tập khác là thí nghiệm CU mô phỏng sức kháng cắt ngắn hạn trong điều kiện gia tải không thoát nước

và đường bao phá hoại (c) Tính (‟1/‟3)f và (1/3)f (d) Xác định góc lý thuyết của mặt phẳng phá hoại trong mẫu

c Các hệ số ứng suất khi phá hoại là

Có thể nhận được các giá trị này bằng cách khác, sử dụng công thức 10-14

d Sử dụng công thức 10-10, dưới dạng ứng suất hiệu quả:

11.9.7 Thí nghiệm cắt không cố kết – không thoát nước (UU)

Trong thí nghiệm này, mẫu đất được đặt trong đẳng hướng ba trục có các van thoát nước được đóng ngay từ đầu Vì thế, mặc dù khi tác dụng áp suất đẳng hướng, nếu mẫu đất bão hoà 100% thì không xảy ra quá trình cố kết Sau đó, giống như thí nghiệm CU, mẫu bị cắt không thoát nước Mẫu bị gia tải tới phá hoại trong vòng khoảng 10 đến 20 phút; thường thường trong thí nghiệm này không đo áp lực nước lỗ rỗng Thí nghiệm này là thí nghiệm ứng suất tổng và cho cường độ kháng cắt dưới dạng ứng suất tổng A Casagrande đầu tiên gọi thí nghiệm này là Q-test (Q cho

“quick”) mẫu được gia tải đến phá hoại nhanh hơn rất nhiều so với thí nghiệm S-test

Các điều kiện ứng suất tổng, trung hoà, hiệu quả trong mẫu trong một vài giai đoạn của thí nghiệm UU được trình bày trong hình 11.38 Các ký hiệu tương tự như trong hình 11.23 và 11.29 Thí nghiệm được trình bày trong hình 11.38 tương đối phổ biến trong đó áp lực đẳng hướng thường đẳng hướng, và mẫu bị phá hoại bằng cách tăng tải trọng dọc trục, thường thường với một tốc độ biến dạng không đổi Như trong các thí nghiệm khác, độ lệch ứng suất tại thời điểm phá hoại là (1 – 3)max

Lưu ý rằng với các mẫu nguyên dạng, ban đầu áp lực lỗ rỗng âm, được gọi là áp lực lỗ rỗng dư – ur, hình thành do sự giảm ứng suất của đất trong quá trình lấy mẫu Vì ứng suất hiệu quả ban đầu phải lớn hơn không (nếu không thì mẫu sẽ phân rã) và ứng suất tổng bằng không (áp suất khí quyển = không trong áp suất kế), nên áp lực lỗ rỗng phải âm, (xem hình 10.21 để hiểu rõ hơn về quá trình lấy mẫu) Khi tác dụng áp lực đẳng hướng và đóng các van thoát nước, trong mẫu sẽ hình thành áp lực lỗ rỗng dương uc chính xác bằng với áp lực đẳng hướng c Toàn bộ ứng suất đẳng hướng gia tăng được truyền sang nước lỗ rỗng bởi vì (1) đất bão hoà 100%, (2) khả năng bị nén của nước và các hạt đất riêng biệt nhỏ hơn so với khả năng bị nén của kết cấu đất, và (3) có một quan hệ đặc biệt giữa ứng suất đẳng hướng hiệu quả và hệ số rỗng (Hirschfeld, 1963)

Số 1 là hiển nhiên Số 2 có nghĩa là không có sự thay đổi thể tích ngoại trừ nước được phép thát

luận về các giả thiết của lý thuyết cố kết Terzaghi (chương 9) rằng cần có các giả thuyết tương tự

đó là hệ số rỗng và ứng suất hiệu quả có quan hệ đặc biệt Vì vậy có thể không có sự thay đổi hệ

số rỗng nếu không có sự thay đổi ứng suất hiệu quả Vì không có sự thay đổi độ ẩm nên hệ số rỗng và ứng suất hiệu quả không đổi

Các trạng thái ứng suất trong quá trình gia tải dọc trục và khi mẫu phá hoại là tương tự như trong thí nghiệm CU (hình 11.29) Chúng có thể phức tạp, nhưng nếu nghiên cứu hình 11.38

sẽ thấy rằng thí nghiệm UU cũng dễ hiểu như thí nghiệm CU

Thông thường, các đường cong ứng suất - biến dạng của cùng một loại đất từ thí nghiệm

UU không khác nhiều so với đường cong ứng suất - biến dạng từ thí nghiệm CU hoặc CD Đối với mẫu đất nguyên dạng phụ thuộc nhiều vào chất lượng của mẫu, đặc biệt là những đoạn đầu của đường cong (modul tiếp tuyến ban đầu) Tương tự, độ nhạy (phần 2.7) ảnh hưởng đến hình dạng của những đường cong này; sét có độ nhạy cao thì đường cong ứng suất - biến dạng có đỉnh nhọn Độ lệch ứng suất cực đại thường đạt được ở biến dạng rất nhỏ, thường là dưới 0.5% Một

số đường cong ứng suất - biến dạng điển hình từ thí nghiệm UU được thể hiện trong hình 11.39

Đường bao phá hoại Mohr của thí nghiệm UU của đất sét bão hoà 100% được thể hiện trong hình 11.40 Tất cả các mẫu đất sét bão hoà hoàn toàn có lẽ có cùng độ ẩm (và hệ số rỗng),

và do đó chúng sẽ có cùng cường độ kháng cắt vì không cho phép đất cố kết

Vì thế tất cả các vòng Mohr lúc phá hoại có cùng đường kính và đường bao phá hoại Morh sẽ là đường thẳng nằm ngang (xem hình 10.9c) Đây là điểm vô cùng quan trọng Nếu không hiểu điều này, hãy xem lại hình 11.38 để thấy rằng trong thí nghiệm UU ứng suất cố kết hiệu quả không đổi suốt quá trình thí nghiệm Nếu tất cả các mẫu đất có cùng độ ẩm và độ chặt (hệ số rỗng) thì chúng

sẽ có cùng cường độ Như đã đề cập, thí nghiệm UU cho cường độ kháng cắt dưới dạng ứng suất tổng, và góc T của đường bao phá hoại Mohr từ thí nghiệm UU bằng không Giao của đường bao này với trục  xác định thông số cường độ ứng suất tổng c, hoặc f = c, trong đó f là cường

độ kháng cắt không thoát nước

Đối với đất bão hoà một phần, một tập các thí nghiệm UU sẽ cho một đường bao phá hoại cong ở đoạn đầu (hình 11.40b) cho tới khi sét bão hoà hoàn toàn 100% chỉ do áp lực đẳng hướng Mặc dù vậy các van thoát nước vẫn đóng, áp lực đẳng hướng sẽ nén khí trong các lỗ rỗng và giảm

hệ số rỗng Khi tăng áp lực đẳng hướng, mẫu sẽ bị nén nhiều hơn và thậm chí khi áp lực đủ lớn thì mẫu bão hoà 100% Sau đó, như với trường hợp mẫu bão hoà 100% ngay từ đầu, đường bao phá hoại Mohr trở nên nằm ngang, như thể hiện ở phía bên phải của hình 11.40b

Một cách khác xem xét quá trình nén của mẫu sét bão hoà một phần được thể hiện trong hình 11.41 Khi tăng theo cấp áp lực đẳng hướng, áp lực lỗ rỗng đo được tăng từ từ cho tới một thời điểm nào đó áp lực nước lỗ rỗng tăng thêm bằng độ tăng áp lực đẳng hướng Khi đó mẫu bão hoà 100% và đường cong liên tục (thí nghiệm) sẽ song song với đường dốc 450

như trong hình 11.41

Về nguyên tắc, có thể đo được áp lực nước lỗ rỗng trong một chuỗi thí nghiệm UU mặc

dù ít khi làm điều này Vì ứng suất hiệu quả lúc phá hoại độc lập với áp lực đẳng hướng tác dụng lên một số mẫu nên chỉ có duy nhất một vòng Mohr ứng suất hiệu quả UU lúc phá hoại Điều này được minh hoạ trong hình 11.42 Lưu ý rằng dù áp lực buồng thế nào (ví dụ, c1, c2, vv.) thì chỉ

có duy nhất một vòng Mohr ứng suất chính nhỏ nhất hiệu quả tại điểm phá hoại Ứng suất nhỏ hiệu quả tại điểm phá hoại (‟hf) giống nhau cho tất cả các vòng Mohr ứng suất tổng như trong hình Vì chỉ có duy nhất một vòng Mohr ứng suất lúc phá hoại mà lại cần phải xác định trước cả

‟ và c‟ để vẽ đường bao phá hoại Mohr dưới dạng ứng suất hiệu quả cho thí nghiệm UU Có thể xác định góc nghiêng của mặt phẳng phá hoại trong mẫu thí nghiệm UU và viện theo giả thuyết phá hoại Mohr, nhưng như đã thảo luận trong phần 10.4, cách tiếp cận này vẫn còn những vấn đề thực tiễn Cũng cần phải lưu ý rằng góc nghiêng của mặt phẳng phá hoại f trong hình 11.42 được xác định bởi đường bao ứng suất hiệu quả Mặt khác thì, như đã chỉ ra trong hình 10.9c và công thức 10-10, theo lý thuyết f dự đoán là 450

Vì cường độ của đất cuối cùng được kiềm chế hoặc bị chi phối bởi ứng suất hiệu quả nên các điều kiện vật lý kiềm chế sự hình thành mặt phẳng phá hoại trong mẫu thí nghiệm ở mức độ nào đó phải được kiềm chế bởi ứng suất hiệu quả tác dụng lên mẫu lúc phá hoại Vì thế công thức 10-10 biểu diễn dưới dạng ‟ thay vì T

Đường ứng suất của thí nghiệm UU trong hình 11.42 được thể hiện trong hình 11.43 Đó

là ứng xử của sét cố kết thường, và giá trị của p và q của cả ba thí nghiệm được liệt kê trong bản bên dưới hình vẽ Theo hình 11.38, cần thiết kiểm tra những giá trị này Nếu đất sét đã quá cố kết thì từ những hiểu biết về thí nghiệm CU có thể dự đoán rằng đường ESP có hình dạng tương tự như trong hình 11.34b

Cường độ kháng cắt không thoát nước của đất sét sẽ dao động lớn Dĩ nhiên, T bằng không, nhưng độ lớn của f cóthể biến thiên từ không đối với đất trầm tích mềm yếu đến vài Mpa đối với đất rất cứng hoặc đá mềm Thường thường, cường độ kháng cắt không thoát nước của đất ngoài hiện trường được tiêu chuẩn hoá liên quan với ứng suất hiệu quả theo phương thẳng đứng

‟vo tác dụng tại điểm lấy mẫu Vì thế hệ số f /‟vo được phân tích và so sánh với các kết quả khác Đặc điểm này được nghiên cứu chi tiết hơn trong phần sau của chương này

11.9.9 Thí nghiệm nén nở hông

Về lý thuyết có thể thực hiện thí nghiệm nén nở hông và nhận được cường độ kháng cắt dưới dạng ứng suất tổng UU Thí nghiệm này là trường hợp đặc biệt của thí nghiệm UU có áp lực đẳng hướng hay áp lực buồng bằng không (áp suất khí quyển) Các điều kiện ứng suất trong mẫu thí nghiệm nén nở hông tương tự như trong hình 11.38 của thí nghiệm UU, ngoại trừ c bằng không, như trong hình 11.44 Nếu so sánh hai hình này sẽ thấy rằng ứng suất hiệu quả lúc phá hoại là

như nhau trong cả hai thí nghiệm Và nếu các điều kiện ứng suất hiệu quả như nhau trong cả hai thí nghiệm thì cường độ sẽ bằng nhau!

Thực tế thì để có cùng cường độ như trong thí nghiệm UU thì thí nghiệm nén không nở hông cần phải thoả mãn một số giả thiết như sau:

1 Mẫu phải bão hoà 100%; nếu không sẽ xảy ra quá trình nén chặt khí trong lỗ rỗng và làm giảm hệ số rỗng và tăng cường độ

2 Mẫu phải không chứa bất kỳ khe nứt, lớp kẹp bụi, hay khuyết tật nào; điều đó có nghĩa là mẫu sét nguyên vẹn, đồng nhất Hiếm khi mẫu sét quá cố kết nguyên vẹn, và thường thì sét cố kết thường có một số khe nứt

3 Đất phải rất mịn; ứng suất hông hiệu quả ban đầu như trong hình 11.44 là ứng suất mao dẫn dư, nó là một hàm số của áp lực lỗ rỗng dư – ur; điều này có nghĩa là chỉ có đất sét là thích hợp cho thí nghiệm nén nở hông

4 Mẫu đất phải được cắt nhanh đến phá hoại; đây là thí nghiệm ứng suất tổng và không được thoát nước trong suốt thí nghiệm Nếu thời gian đến phá hoại quá dài, sự bay hơi

và làm khô bề mặt sẽ tăng áp lực đẳng hướng và cường độ nhận được sẽ quá cao Thông thường thì thời gian đạt phá hoại từ 5 đến 15 phút

Ví dụ 11.12

Cho:

Một thí nghiệm nén nở hông được thực hiện trên mẫu sét mềm Mẫu đất được cắt ra từ ống mẫu nguyên dạng với đường kính là 35 mm và chiều cao là 80 mm Tải trọng tại thời điểm phá hoại là 14.3 N, và biến dạng dọc trục là 11 mm

Cường độ kháng cắt của đất trong thí nghiệm nén nở hông bằng một nửa cường độ nén, hay là bằng 6.4 kPa

-

Cần lưu ý rằng ứng suất cắt thực trên mặt phẳng phá hoại lúc phá hoại ff nhỏ hơn một chút so với cường độ kháng cắt không thoát nước f = c bởi vì ff xảy ra trên mặt phẳng nằm nghiêng được xác định bởi ứng suất hiệu quả, như đã giải thích ở phần trước trong thí nghiệm UU Các điều kiện và độ lớn gần đúng của các sai số liên quan được trình bày trong hình 11.45a cho mẫu lúc phá hoại trong hình 11.45b Độ lớn của các sai số phụ thuộc vào ‟, được trình bày trong phần tính toán ở ví dụ 11.13

-

Ví dụ 11.13 chứng minh rằng cường độ kháng cắt thực của đất trên mặt phẳng phá hoại đã được đánh giá quá cao bằng một nửa của cường độ kháng nén nở hông Độ lớn của sai số tối đa khoảng 15%

Tại sao thí nghiệm nén nở hông dường như khá phù hợp? Thí nghiệm được sử dụng khá phổ biến trong các phòng thí nghiệm ở Mỹ để xác định cường độ của đất cho thiết kế móng nông

và móng cọc trên nền đất sét Một phần câu trả lời nằm ở các sai số có thể bù đắp Sự xáo trộn của mẫu đât có xu hướng giảm cường độ kháng cắt không thoát nước Tính bắt đẳng hướng cũng

là một nhân tố ảnh hưởng, như giả thiết về biến dạng phẳng trong phần lớn các thiết kế trong khi

đó trạng thái ứng suất thực tế nhiều hơn ba chiều Những nhân tố đó có xu hướng giảm cường độ kháng cắt không thoát nước vì vậy sự khác biệt giữa tf = c và tff có thể bỏ qua trong thực tế xây dựng Ladd và nnk (1977) đã thảo luận về một số điểm trên

Trong thực tiễn xây dựng thường là cần thiết nếu có thể phán đoán được độ lớn của áp lực nước lỗ rỗng dư phát sinh bao nhiêu khi chịu tải không thoát nước với một dãy các thay đổi ứng suất cho trước Chú ý rằng các thay đổi ứng suất này là chỉ xét đến ứng suất tổng, và chúng cũng

có thể được coi như thủy tĩnh (như nhau theo mọi hướng) hoặc phi – thủy tĩnh (lực cắt) Do ta quan tâm đến ứng xử của áp lực nước lỗ rỗng do các thay đổi này của ứng suất tổng,