Để xác định các đặc trưng trương nở trong đó có các đặc trưng trương nở ngang ta có thể thực hiện các thí nghiệm trên thiết bị trương nở ngang. Các đặc trưng này góp phần vào việc nhận định một cách toàn diện hơn về đất trương nở. Các đặc tính trương nở ngang và đứng của đất phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện độ ẩm, độ chặt ban đầu1, 4. Các kết quả thí nghiệm cho thấy áp lực trương nở ngang tăng nhanh đến giá trị đỉnh khi bão hòa, sau đó giảm tới một trạng thái cân bằng
Trang 1NGHIÊN CứU CáC ĐặC TRƯNG TRƯƠNG Nở NGANG
CủA ĐấT LOạI SéT THUộC KHU VựC MIềN TRUNG
RESEARCHING HORIZONTAL SWELLING CHARACTERISTICS ON
COHESIVE SOIL IN THE CENTRAL OF VIETNAM
PGS TS Trần Thị Thanh
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM
ThS NCS Nguyễn Ngọc Phúc
TRƯỜNG CAO ĐẲNG XÂY DỰNG SỐ 2
Tóm tắt
Để xác định các đặc trng trơng nở trong đó có các đặc trng trơng nở ngang
ta có thể thực hiện các thí nghiệm trên thiết bị trơng nở ngang Các đặc trng này góp phần vào việc nhận định một cách toàn diện hơn về đất trơng nở Các đặc tính trơng nở ngang và đứng của đất phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện độ ẩm, độ chặt ban đầu[1], [4] Các kết quả thí nghiệm cho thấy áp lực trơng nở ngang tăng nhanh đến giá trị đỉnh khi bão hòa, sau đó giảm tới một trạng thái cân bằng
Abstract
Swelling characteristics in which Horizontal swelling can be determinate by special machine Depending on these characteristics we can recognize about swelling of cohesive soil clearly.
Swelling characteristics depend on density and initial moisture [1], [4] Horizontal swelling pressure increases to the top value rapidly and then reaches to constant value when be saturated by water.
I CáC ĐặC TRƯNG TRƯƠNG Nở NGANG Và PHƯƠNG PHáP THí NGHIệM I.1 Thí nghiệm trơng nở tự do theo hai phơng
Mục đích thí nghiệm
Nhằm xác định các thành phần biến dạng trơng
nở theo hai phơng ox và oz(x và z), tức là ma trận biến
dạng []0 Đây là cơ sở để xác định các hệ số trơng nở và
đại lợng biến dạng trơng nở thể tích: v = x + z
Thí nghiệm đợc thực hiện bằng cách cho mẫu
tr-ơng nở ngang và đứng một cách tự do trong quá trình thấm
nớc Mẫu đất đợc đặt trong thiết bị có mặt thoáng chất
lỏng đạt đến vị trí đỉnh mẫu
Quan sát
- Trong suốt quá trình thí nghiệm, số đo giá trị
biến dạng trơng nở tuyệt đối đợc đọc trên các đồng hồ
đo biến dạng đứng và các đồng hồ đo biến dạng ngang
Thời gian đọc và ghi số liệu nh sau: 0p; 1p, 2p, 3p, 4, 5p; 10p; 15p; 30p; 60p; 2h; 3h; …
- Thí nghiệm đợc xem là thực hiện xong khi mẫu đất không còn khả năng xuất hiện biến dạng trơng nở (khi số đọc trên đồng hồ đo biến dạng không vợt quá 0.01 mm sau 24h)
x
d d
dx + x
dx
Hình 1: Sơ đồ trơng nở tự do theo hai phơng
Trang 2- Thí nghiệm thực hiện trên các mẫu chế bị với hệ số đầm chặt K khác nhau:
=0.95cmax ; =0.90cmax ; =0.85cmax ;
a/ b/
Hình 2: Thí nghiệm trơng nở tự do theo hai phơng
I.2 Thí nghiệm trơng nở ngang tự do (thí
nghiệm Kox)
Mục đích của thí nghiệm này là nhằm
xác định hệ số trơng nở ngang Kox và đem so
sánh với hệ số trơng nở đứng Koz (hệ số trơng
ở RN)
Thí nghiệm đợc thực hiện bằng cách
cho mẫu trơng nở ngang một cách tự do, trong
khi đó khống chế không cho trơng nở đứng
Thí nghiệm cũng đợc thực hiện trên
các mẫu chế bị với hệ số đầm chặt K khác
nhau: =0.95cmax ; =0.90cmax ; =0.85cmax ;
I.3 Thí nghiệm xác định áp lực trơng nở
ngang Px
Mục đích của thí nghiệm này là nhằm
xác định áp lực trơng nở theo phơng ngang
Pxvà so sánh với áp lực trơng nở theo phơng
đứng Pz
Thí nghiệm này đợc thực hiện bằng cách khống chế không cho xuất hiện biến dạng trơng nở theo phơng đứng, gia tải theo phơng ngang áp lực trơng nở ngang Px là
áp lực tác dụng theo phơng ngang mà ở đó không còn xuất hiện biến dạng trơng nở theo phơng ngang
Giá trị áp lực ngang thay đổi theo các cấp tải nh sau: 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 1,0 và 2,0 (kG/cm2)
x
dx + x dx
dx
dx + x
x
áp lực ngang
Hình 4: Sơ đồ thí nghiệm xác định áp lực trơng nở ngang Hình 3: Sơ đồ thí nghiệm xác định
hệ số trơng nở ngang
Trang 3a/ b/
Hình 5: Thí nghiệm xác định áp lực trơng nở ngang
I.4 Thí nghiệm nở ngang tự do có áp lực
đứng
Mục đích của thí nghiệm này là xây dựng
ma trận biến dạng []p khi có áp lực đứng so với
ma trận biến dạng []0 trơng nở tự do ở nhóm thí
nghiệm thứ I
Thí nghiệm này đợc thực hiện bằng cách
gia tải theo phơng đứng với nhiều cấp áp lực
khác nhau
Quan trắc biến dạng theo phơng đứng và
phơng ngang
áp lực đứng đợc thay đổi theo các cấp
tải: 0,25; 0,5; 1,0 và 2,0 kG/cm2 Thí nghiệm này
đợc thực hiện trên mẫu chế bị tơng ứng với độ
ẩm chế bị (Wop) và độ ẩm trơng nở WN
I.5 Thí nghiệm xác định áp lực trơng nở ngang có áp lực đứng
Mục đích của thí nghiệm này là nhằm
xây dựng ma trận ứng suất [] (áp lực trơng nở)
khống chế biến dạng trơng nở theo cả hai
ph-ơng Thí nghiệm này đợc thực hiện bằng cách
gia tải theo phơng đứng và phơng ngang với
nhiều cấp áp lực khác nhau áp lực đứng đợc
thay đổi theo các cấp tải: 0,25; 0,5; 1,0 và 2,0
kG/cm2.áp lực theo phơng ngang đặt theo các
cấp tải khác nhau cho từng cấp tải theo phơng
đứng
Thí nghiệm này cũng đợc thực hiện trên mẫu
chế bị tơng ứng với độ ẩm chế bị (Wop) và độ
ẩm trơng nở WN
dx
dx + x
x
áp lực đứng
Hình 6: Sơ đồ thí nghiệm trơng nở ngang theo áp lực đứng
dx
dx + x
x
áp lực đứng
áp lực ngang
Hình 7: Sơ đồ xác định áp lực trơng
nở ngang theo áp lực đứng
Trang 4Ii Các đặc trng trơng nở ngang của đất loại sét thuộc khu vực miền trung
II.1 Loại đất đợc dùng trong thí nghiệm và phơng pháp tạo mẫu thí nghiệm
Trong thí nghiệm đã dùng loại đất ở mỏ vật liệu dùng để đắp đập Hồ Thuận Ninh tỉnh Bình Định Đây là loại đất có tính trơng nở mạnh Chỉ tiêu tính chất vật lí và kết quả
đầm nện Proctor tiêu chuẩn của nhóm đất dùng trong thí nghiệm đợc ghi trong bảng 1
Bảng 1: Các chỉ tiêu vật lí đất Thuận Ninh tỉnh Bình Định
Thành phần hạt (%) mm
10-5 5-2 2-1 1-0.5 0.5-0.25 0.25-0.1 0.1-0.05 0.05-0.01 0.01-0.005 <0.005
W l (%) W P (%) cmax W op I d
48.89 22.19 17.50 15 26.70 Các mẫu thí nghiệm đợc chế bị với hệ số đầm chặt khác nhau c K cmax
Bảng 2: Kết quả trơng nở tự do trên các mẫu chế bị
STT Hệ số đầm chặt K c (g/cm 3 ) Hệ số trơng nở tự do R N (%)
-Kết quả cho thấy nhóm đất Thuận Ninh có tính trơng nở mạnh
II.2 kết quả thí nghiệm
II.2.1 trơng nở tự do theo hai phơng
Thực hiện thí nghiệm trơng nở tự do theo hai phơng đối với đất chế bị lấy từ mỏ
đất Thuận Ninh, tỉnh Bình Định, trên thiết bị trơng nở ngang tự chế tạo cho thấy nhiều kết quả khá phù hợp với những nghiên cứu của Fredlund
Đối với đất chế bị có hệ số đầm chặt K = 0.90 và 0.85, kết quả thu đợc nh sau:
Bảng 3: Biến dạng trơng nở tự do theo hai phơng, đất chế bị K =0.90
t (phút) lg t Biến dạng đứng Biến dạng ngang t (phút) lg t Biến dạng đứng Biến dạng ngang
1345 3.1287 5.0065 6.1225 18596 4.2694 6.1225 7.115
2707 3.4325 5.255 6.545 19967 4.3003 6.1485 7.117
4164 3.6195 5.5555 6.6025 21417 4.3308 6.1655 7.122
5664 3.7531 5.671 6.7145
Trang 5Hình 8: Trơng nở theo thời gian trên đất chế bị có hệ số đầm chặt K = 0 90 Bảng 4: Biến dạng trơng nở tự do theo hai phơng, đất chế bị K =0.85
t (phút) lg t dạng Biến
đứng
Biến dạng ngang t (phút) lg t
Biến dạng
đứng
Biến dạng ngang
120 2.0792 1.97 10.89 2337 3.3687 2.9675 12.4225
180 2.2553 1.99 11.19 2795 3.4464 3.0115 12.4425
300 2.4771 2.12 11.38 5204 3.7163 3.0335 12.469
420 2.6232 2.46 11.49 8093 3.9081 3.0825 12.488
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Thời gian lg(t)
Độ t
r ơng nở (m m)
tr ơng nở đứng tr ơng nở ngang
Trang 6Hình 9: Trơng nở theo thời gian trên đất chế bị có hệ số đầm chặt K = 0.85
Điều này cho thấy:
- Đất có hệ số đầm chặt càng lớn sự chênh lệch mức độ trơng nở theo hai phơng
đứng và ngang càng nhỏ Đất càng thể hiện tính đồng nhất
- Khi đất có hệ số đầm chặt nhỏ, ứng xử trơng nở theo phơng ngang lớn hơn so với ứng xử trơng nở theo phơng đứng
- Quan hệ trơng nở theo thời gian có thể biểu diễn bằng hàm đa thức bậc cao
II.2.2 Trơng nở ngang tự do (Thí nghiệm K ox )
Bảng 5: Trơng nở ngang tự do trên đất chế bị với hệ số đầm chặt K=0.95
t
12 1.0792 0.47 1.26 1.35 783 2.8938 7.87 10.61 9.85
17 1.2304 0.9 2.21 2.13 1267 3.1028 8.191 10.68 10.195
20 1.301 1.3 3.07 2.65 3984 3.6003 8.138 10.621 10.138
25 1.3979 1.7 3.8 3.2 4136 3.6166 8.238 10.782 10.343
30 1.4771 2.04 4.43 3.62 4458 3.6491 8.242 10.803 10.36
35 1.5441 2.28 4.96 4.08 5421 3.7341 8.25 10.805 10.413
66 1.8195 3.302 7.003 6.897 6005 3.7785 8.298 10.862 10.475
171 2.233 5.741 8.903 8.762 6336 3.8018 8.315 10.892 10.515
203 2.3075 6.056 9.042 8.93 6836 3.8348 8.316 10.912 10.542
252 2.4014 6.37 9.45 9.023 8255 3.9167 8.32 10.916 10.545
0 2 4 6 8 10 12 14
Thời gian lg(t)
Độ t
r ơng nở (m m)
Tr ơng nở đứng Tr ơng nở ngang
Trang 7Hình 10: Trơng nở ngang tự do theo thời gian trên đất chế bị có hệ số đầm chặt K = 0.95
Bảng 6: Trơng nở ngang tự do trên đất chế bị với hệ số đầm chặt k=0.90
t
7 0.8846 0.26 0.12 0.11 168 2.2253 7.814 9.16 5.21
10 1.028 0.74 0.68 0.19 197 2.2945 7.97 9.38 5.66
13 1.1356 1.49 2.45 0.45 277 2.4425 8.35 9.85 6.3
16 1.2041 3.08 3.27 0.67 326 2.5132 8.56 10.19 6.76
20 1.2903 3.94 4.05 0.95 1176 3.0704 9.43 11.88 9.08
25 1.3979 4.99 5.14 1.33 1267 3.1028 9.502 12.011 9.16
30 1.4771 5.54 5.87 1.73 1627 3.2114 9.57 12.032 9.18
35 1.5441 6.09 6.53 2.2 2707 3.4325 9.61 12.09 9.24
51 1.7076 6.94 7.7 3.16 3087 3.4895 9.664 12.17 9.323
63 1.7993 7.19 8.05 3.63 4333 3.6368 9.763 12.293 9.445
75 1.8751 7.34 8.27 3.85 5592 3.7476 9.79 12.33 9.5
82 1.9138 7.42 8.43 3.9 7128 3.853 9.8 12.36 9.53
95 1.9777 7.56 8.56 4.11 8457 3.9272 9.8 12.36 9.56
0 2 4 6 8 10 12
Thời gian lg(t)
Độ
tr ơng
nở nga
ng (m
Nở ngang giữa
Nở ngang d ới
Trang 8Hình 11: Trơng nở ngang tự do theo thời gian trên đất chế bị
có hệ số đầm chặt K = 0.90 Bảng 7: Trơng nở ngang tự do trên đất chế bị với hệ số đầm chặt k=0.90
t
7 0.8451 0.39 0.45 0.3 199 2.2989 8.91 11.23 13.15
10 1 1.09 1.5 0.75 242 2.3838 8.975 11.31 13.262
12 1.0792 4.24 4.55 2.98 305 2.4843 8.988 11.373 13.34 17.5 1.243 5.44 7.08 5.91 371 2.5694 8.988 11.377 13.351
20 1.301 6.02 7.85 6.96 1316 3.1193 9.23 11.67 13.44 25.5 1.4065 6.79 8.8 8.62 1429 3.155 9.235 11.705 13.44
33 1.5141 7.39 9.46 9.87 1651 3.2177 9.262 11.732 13.45
36 1.5563 7.56 9.71 10.36 2736 3.4371 9.31 11.81 13.46
50 1.699 7.95 10.03 11.31 3101 3.4915 9.322 11.818 13.482
56 1.7482 8.06 10.21 11.63 3213 3.5069 9.323 11.828 13.483 62.5 1.7959 8.15 10.33 11.83 3289 3.5171 9.323 11.828 13.483
69 1.8388 8.24 10.46 12.06 4157 3.6188 9.35 11.83 13.49
72 1.8573 8.3 10.56 12.21 5642 3.7514 9.353 11.838 13.498
0 2 4 6 8 10 12 14
Thời gian lg(t)
Độ t
r ơng nở (m m)
Nở ngang đỉnh
Nở ngang giữa
Nở ngang đáy
Trang 9Hình 12: Trơng nở ngang tự do theo thời gian trên đất chế bị
có hệ số đầm chặt K = 0.85
Kết quả cho thấy có sự xáo trộn trong ứng xử trơng nở ngang đỉnh, giữa và đáy Phù hợp với các nhận định của Fredlund
II.2.3 Thí nghiệm xác định áp lực trơng nở ngang Px
Thí nghiệm đợc thực hiện trên các mẫu đất Thuận Ninh có hệ số đầm chặt K=0.95 theo các áp lực ngang khác nhau
Kết quả cho thấy quan hệ giữa áp lực và mức độ trơng nở là quan hệ phi tuyến (Hình 13)
Bảng 8: Biến dạng trơng nở ngang theo áp lực
0 2 4 6 8 10
12
14
16
Thời gian lg(t)
Độ tr ơng
nở (mm)
Nở ngang đỉnh
Nở ngang giữa
Nở ngang đáy
áp lực Biến dạng trơng nở ngang
0.55 3.937 3.934 4.284
Trang 10Hình 13: Trơng nở ngang theo áp lực
II.3 Nhận xét các kết quả thí
nghiệm
- Đất chế bị thể hiện đặc
tính trơng nở đứng và ngang khác
nhau Đất chế bị có hệ số đầm nén
càng cao, đất càng thể hiện tính
đồng nhất
- Trơng nở ngang thờng lớn
hơn trơng nở đứng
- Quan hệ giữa áp lực và
mức độ trơng nở là phi tuyến
- Có sự xáo trộn của mức
độ trơng nở ngang đỉnh, giữa và
đáy trong quá trình trơng nở
III Nhận xét, kết luận
và kiến nghị
III.1 Theo nghiên cứu của Fredlund và các tác giả khác
Theo kết quả nghiên cứu của Fredlund thì áp suất trơng nở thẳng đứng nhạy cảm
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
áp lực (kG/cm2)
Độ t
r ơng nơ nga
ng (mm
)
Hình 14: áp lực trơng nở theo thời gian (Fredlund)
áp s uất truơng nở
Thời gian (ngày)
áp suất thẳng đứng
Ngang đáy
Ngang đỉnh Ngang giữa
350 300 250 200 150 100 50 0
100 80
60 40
20 0
Trang 11Theo Chen (1988) cũng đã nghiên cứu ảnh hởng của các tính chất khối lợng- thể tích đến áp suất trơng nở thẳng đứng thực chất không phụ thuộc vào độ ẩm ban đầu và phụ tải Phát hiện này phù hợp với những quan sát của Holzt và Gibbs (1956) Song áp suất
tr-ơng nở thẳng đứng tăng theo hàm mũ với sự tăng dung trọng khô Về sau các kết quả nghiên cứu của C.Goriaxeva và cũng theo kết quả nghiên cứu của PGS TS Trần Thị Thanh thì hệ số trơng nở và áp suất trơng nở thẳng đứng phụ thuộc tuyến tính vào dung trọng khô ban đầu Mặt khác ngời ta đã thấy rằng áp lực trơng nở ngang là một hàm của dung trọng khô ban đầu, độ bão hòa và phụ tải Các kết quả nghiên cứu của fredlund cho thấy rằng áp lực trơng nở ngang tăng nhanh đến giá trị đỉnh khi bão hòa, sau đó giảm tới một trạng thái cân bằng Các kết quả của Fredlund phù hợp với kết quả nghiên cứu tổng quát về tính chất trơng nở ngang do Katti và NNK tiến hành năm 1969.[1]
III.2 Quan hệ giữa biến dạng trơng nở - áp lực trơng nở
Lực trơng nở đợc xem nh lực thể tích và biểu hiện bằng áp lực trơng nở theo các phơng Xem các áp lực trơng nở là các biến ứng suất Các kết quả thí nghiệm trên cho
thấy đất loại sét chế bị là loại vật liệu trực hớng Ta có thể sử dụng một cách gần đúng
các kết quả của lý thuyết đàn hồi cho vật liệu đất loại sét có tính trơng nở trong mô hình
đàn hồi dẻo lý tởng nh sau:
)) (
( 1
)) (
( 1
)) (
( 1
zN xN
yN yN
yN
yN zN
xN
x N xN
yN xN
zN
z N zN
p p
p E
p p
p E
p p
p E
(3.1)
trong đó:
yN
xN
; ; : Các thành phần biến dạng trơng nở theo các phơng oz; ox; oy
yN
xN
p ; ; : Các thành phần ứng suất trơng nở theo các phơng oz; ox; oy EzN; ExN; EyN : Các module đàn hồi trơng nở theo các phơng oz; ox; oy Đại lợng này
đặc trơng cho khả năng giãn nở thể tích khung hạt đất theo các phơng
: Hệ số poisson
Đối với bài toán biến dạng phẳng trong mặt phẳng zox, ta có yN = 0
từ đó ta có:
) ( zN xN
p (3.2) thay vào hai biểu thức còn lại:
) 1 (
xN zN
zN
) 1 (
zN xN
xN
xN
zN xN
zN zN xN
xN zN
E
E p
p
p p
(3.5) trong đó:
1 : là hệ số nén hông
Nếu xét 1 đơn vị biến dạng theo cả hai phơng oz và ox, đồng thời đối với đất chế
bị bằng các năng lợng cơ học theo phơng gia tốc trọng trờng (oz), thì EzN < ExN (do kết cấu khung hạt theo phơng oz cài móc vào nhau chặt hơn so với phơng ngang ox)
ta rút ra đợc:
Trang 12pxN > pzN (3.6)
Nh vậy đất chế bị (bằng năng lợng cơ học theo phơng thẳng đứng) sẽ gây ra áp lực trơng nở theo phơng ngang lớn hơn áp lực trơng nở theo phơng thẳng đứng
Tài Liệu Tham KHảo
[1] D.G fredlund-H.Rahadjo
Cơ học đất cho đất không bão hòa-tập 2 (Bản dịch tiếng Việt)- NXB Giáo Dục 2000.
[2] Lê Ngọc Hồng-Lê Ngọc Thạch
Cơ sở cơ học môi trờng liên tục và lí thuyết đàn hồi-NXB Khoa học kỹ thuật-2002.
[3] Tiêu chuẩn ASTM: D3877-96
Standard test method for One-Dimensional expansion, Shrinkage, and Uplift pressure of Soil-lime Mixtures.
[4] Tiêu chuẩn ASTM: D4546-96
Standard test method for One-Dimensional Swell or Settlement Potential of Cohesive Soils.
[5] Trần Thị Thanh
Những nguyên lí sử dụng đất loại sét có tính trơng nở - co ngót vào công trình đất đắp
đập trong điều kiện nhiệt đới ẩm Việt Nam - Luận án tiến sĩ kỹ thuật-ĐH Bách Khoa Tp
HCM-1998
[6] PGS TS Trần Thị Thanh, NCS ThS Nguyễn Ngọc Phúc
Lí thuyết về trơng nở và sự tham gia của áp lực trơng nở trong việc tính toán áp lực đất lên tờng chắn trọng lực- Tuyển tập kết quả khoa học công nghệ 2005-Viện Khoa học
Thủy Lợi miền Nam-NXB Nông Nghiệp
Ngời phản biện: GS TSKH Lê Bá Lơng