Bài tập cơ học đất nâng cao

Cơ học đất là một ngành quan trọng của cơ học ứng dụng chuyên nghiên cứu về đất. Phần lớn các công trình xây dựng đều đặt trên nền đất, nghĩa là dùng đất làm nền, một số các công trình như: đê, đập, đường,…dùng đất làm vật liệu xây dung. Do đó mà ngoài việc học lý thuyết, chúng ta cần phải làm các thí nghiệm cần thiết, để đánh giá và xác định các yếu tố có liên quan đến điều kiện và trạng thái làm việc của đất đang nghiên cứu, từ đó giúp ta có một cái nhìn tổng quan hơn về nền đất để có những giải pháp tốt nhất và tiết kiệm nhất khi thi công công trình, hạn chế được những rỉu ro và thiệt hại do điều kiện làm việc không tốt hoặc không phù hợp với công trình trước khi thi công.Vì vậy thực tập môn học “ Cơ học đất “ là rất quan trọng đối với mỗi sinh viên ngành xây dung công trình cầu đường chúng ta.

Lời nói đầu

Trong hệ thống kiến thức nền tảng của các ngành xây dựng dân dụng, công nghiệp và giao thông vận tải (cầu - đờng), cầu cảng, sân bay, thủy lợi Các hiểu biết

về cơ học đất là những kiến thức kỹ thuật cơ sở không thể thiếu và sơ sài đợc

Cơ học đất là một ngành quan trọng của cơ học ứng dụng chuyên nghiên cứu

về đất Phần lớn các công trình xây dựng đều đặt trên nền đất, nghĩa là dùng đất làm nền, một số các công trình nh: đê, đập, đờng, dùng đất làm vật liệu xây dung.…

Do đó mà ngoài việc học lý thuyết, chúng ta cần phải làm các thí nghiệm cần thiết,

để đánh giá và xác định các yếu tố có liên quan đến điều kiện và trạng thái làm việc của đất đang nghiên cứu, từ đó giúp ta có một cái nhìn tổng quan hơn về nền đất để

có những giải pháp tốt nhất và tiết kiệm nhất khi thi công công trình, hạn chế đợc những rỉu ro và thiệt hại do điều kiện làm việc không tốt hoặc không phù hợp với công trình trớc khi thi công

Vì vậy thực tập môn học “ Cơ học đất “ là rất quan trọng đối với mỗi sinh viên ngành xây dung công trình cầu - đờng chúng ta

Báo cáo các kết quả thí nghiệm cơ học đất.

Bài I

Thí nghiệm bằng máy nén một treo không nở hông Máy –

Litvinôp có cánh tay đòn di động.

Mục đích: xác định mô đun biến dạng E

E = 1 + ε o x β

ai

Trong đó: εo – Là hệ số rỗng tự nhiên của đất

ε = ∆ o ( 1 + wo ) - 1

γo

∆o – là tỷ trọng hạt

γo - là dung trọng khô

wo - là độ ẩm của đất

ai - hệ số nén lún, phảI tiến hành thí nghiệm để xác

định hệ số nén lún ai [cm2/kg]

β - hệ số nở hông của đất

Dựa vào nguyên lý cánh tay đòn, ngời ta tiến hành với máy Livinôp

d2

d1 do

P1

p P3 Po (do tải trọng máy)

P2

Ta có: theo nguyên lý cánh đòn

P1 x d1 = P2 x d2 + Po x do

Để loại bỏ Po trớc khi cần thí nghiệm đặt các quả cân lên P3 để cân bằng máy tại chốt K Do đó Po = 0

Sau khi cân bằng máy thì: P1 x d1 = P2 x d2

i P1 =

d2

d2

x P2

= P2 x f

f =

d1

d2

Gọi là hệ số cánh tay đòn

+ Trên máy Livinôp có một đồng hồ thiên phân kế để đo độ lớn của đất Mặt khác:

Fo

P1

= P (kg/cm2) Với Fo là tiết diện đất

i P1 < P x Fo = P2 x f i P2 =

f

Fo

x P

+ Các công thức tính toán

Mô đun biến dạng: E =

ai

o

1 + ε x β

εo = γ

∆

( 1+ n ) – 1

εi = εo - ∆ x εi

∆εi = ∆ho hi x ( 1 + εo ) Trong đó:

ho : chiều cao của dao dòng

∆hi : là biến dạng của đất

∆hi = ∑ bh - ∆s = ∑ bd - ∆s

∆s : là độ biến dạng của máy khi đặt dần các tải trọng

∑ bd : là độ biến dạng đo đợc trên thiên phân kế, bao gồm cả biến dạng máy và biến dạng đất

Sau khi tính toán đợc các εi ta tính ai

a1 - 2 =

P2 -P1

2

-1 ε

ε ⇒ E

1-2 =

a

o 1 2 -1

ε

+

• Thí nghiệm với mẫu đất trong phòng thí nghiệm nh sau:

Cho biết các đại lợng: ∆o = 2,7

Dao dòng cao 2cm , V = 49 cm3 , mvòng = 51,2 (g)

mvòng + đất = 156 (g)

⇒ mđất = 104,8 g (đất)

+ Sau khi tiến hành xác định độ ẩm W = gn = 14 %

gđất khô

Dùng ống nhôm, cân lợng ống, cho đất vào cân lên và trừ đI khối lợng

đất sau khi sấy khô đo đợc lợng nớc W = gn

gđất khô

Từ các số liệu trên ta đo đợc khối lợng của đất trong dao vòng là:

m đất = 104,8 (g)

⇒ γ =

V

g

= 104,8 = 2,14 (g/cm3) 49

Tính : εo = γ

∆

( 1+ n ) – 1 = 2 , 14

2,7

( 1+ 0,14 ) – 1 = 0,43 Lập bảng tiến hành thí nghiệm, ta thu đợc các kết quả tính:

εi = εo - ∆ x εi

∆εi = ∆ho hix ( 1 +εo ) ⇒ ε1 = 0,43 - 0,0782 x ( 1 + 0,43 ) = 0,37

Tơng tự : ε2 = 0,32

ε3 = 0,3

ε4 = 0,28

P

(kg/cm2) P2 = f

PxFo Đo biến

dạng máy

∆s (vạch)

∑ biến dạng

Biến dạng đất

∆hi = ∑ bh - ∆s (cm)

∆hi (cm)

Xác định các hệ số nén lún:

a1 - 2 =

P2 -P1

2

-1 ε

ε =

1 2

32 , 0 37 , 0

−

− = 0,05 (cm2/kg)

E1 - 2 = εo xβ

-a1

05 , 0

43 , 0 1

x

+

= 23 (kg/cm2) Tơng tự:

a2 - 3 = 0,02 (cm2/kg)

E2 - 3 = 0,02 (kg/ cm2)

a3 - 4 = 0,012 (cm2/kg)

E3 - 4 = 95 (kg/cm2)

Từ kết quả trên ta vẽ đợc đồ thị nén lún

ε

εo

1 2 3 4 P (kg/cm2)

Từ kết quả tính toán ta có:

E1 - 2 = 23 (kg/cm2)

E2 - 3 = 0,02 (kg/ cm2)

E3 - 4 = 95 (kg/cm2) Tính toán mô đun biến dạng E tùy thuộc vào giá trị của tải trọng P thuộc khoảng nào đó tính toán giá trị của mô men biến dạng

Thí nghiệm các mẫu đất bằng phơng pháp Culông

1/ Tiến hành thí nghiệm:

+ Phơng pháp thí nghiệm là cắt các mẫu đất trên máy cắt phẳng, đất đợc cắt trên một mặt phẳng nhất định

+ Chúng ta tiến hành cắt 4 mẫu đất có khối lợng giống nhau nhng tải trọng tăng dần

+ Mỗi lần thí nghiệm cách nhau 30’ để đất đạt trị số nớc tốt nhất

+ Tiến hành nh sau:

cho một mẫu đất vào dao ròng, sau khi cân đo đợc khối lợng của mẫu đất, cho mẫu 1 vào máy nén với áp lực P = 1kG, đo biến dạng của đất sau khi nén đợc 30’ sau đó ta cho đặt thanh AB nh hình vẽ và sau đó chất tải từng 100 (g) cho đến khi đồng hồ đo đợc 5 vòng thì dừng lại, lúc đó đất đã bị cắt hoàn toàn và ta đợc giá trị chất tải Q1 làm đất bị cắt hoàn toàn

Dựa vào Q1 ta tính đợc:

T1 = FoQ1 x f = 0,8 Q1 Trong đó: f = 1/20 là hệ số cánh tay đòn

Fo = 25 (cm2) là diện tích cho dòng đặt mẫu

1/f = d2/d1 = 20 + Sau đó ta tiến hành với mẫu đất thứ 2, nhng tảI trọng bây giờ là P2 =

2 kG, và cứ sau đó ta tién hành cắt mẫu đất và đợc Q2

Khi Pn = 4kG thì ta cân đợc Qn

Sau khi có đợc kết quả của 4 mẫu đất trên ta tiến hành vẽ biểu thị, biểu thị mối quan hệ tơng quan giữa T và Q

+ Từ đồ thị ta dễ ràng tính đợc φ và C:

tg φ = TP11 - -T2P2 = P1d

C = T1 – a

+ Kết quả tiến hành thí nghiệm của nhóm 1 thu đợc các kết quả thí nghiệm

nh sau (mẫu có m = 106,4g, W = 2%):

Với P1 = 1 kG ⇒ Q1 = 500 (g) ⇒ T1 = 0,8 x Q1 = 0,4 (kG/cm2)

Với P2 = 2 kG ⇒ Q1 = 900 (g) ⇒ T1 = 0,8 x Q1 = 0,72 (kG/cm2)

Với P3 =3 kG ⇒ Q1 = 1300 (g) ⇒ T1 = 0,8 x Q1 = 1,04 (kG/cm2)

Với P4 = 4 kG ⇒ Q1 = 1600 (g) ⇒ T1 = 0,8 x Q1 = 1,36 (kG/cm2)

Ta có :

tg φ = TP22 - -P1T1 = 0,722-−10,4 = 0,32

⇒ φ = arctg 0,32 = 180 Còn : C = T1 – a

Mà : tg φ = P1a = φ = 0,32

⇒ C = T1 –a = 0,4 – 0,32 = 0,08

Vậy : φ = 180

C = 0,08

Bài 3

Đầm chặt tiêu chuẩn

1/ Tiến hành thí nghiệm:

Lấy 50 kg mẫu đất tại vị trí bãI đất dự kiến để san nền, đất này phải lọc qua sàng có lỗ rỗng 0,5mm Đem phơi khô đến khi độ ẩm còn 3% - 7% là đợc, W > 10% thì tiếp tục phơi, thờng thì ngời ta lấy từ 4% - 5%

+ Cần xác định W trớc khi phơI khô

+ Đất san nền phải sàng qua sàng có lỗ rỗng 5(mm)

Cho 50 (kg) đất đó vào 8 chậu

Dự kiến ban đầu mỗi chậu có W = 5%

+ Nguyên tắc: phải tiếp nớc vào các chậu, độ ẩm của các chậu sau hơn chậu trớc là 3% (nếu lấy 2% thì đầm nhiều lần, độ chính xác càng cao)

Tính lợng nớc thêm vào để đất đạt đổ ẩm theo yêu cầu

gw = m(WdcWo−Wa)

Trong đó:

m – là khối lợng đất trong cối

Wo - độ ẩm ban đầu ( cho Wo = 5%) Wdc & Wa – là độ ẩm trớc khi thêm nớc của 2 chậu liền kề nhau

Wa – là độ ẩm của chậu ban đầu và chính là Wo = 5%

Wdc – là độ ẩm của chậu bất kỳ mà ta cần tính toán lợng nớc

+ Lợng nớc cần là:

gw =

Wo 1

) (

6 +

−Wa Wdc x

(Đối với CB)

gw =

Wo 1

) (

4 +

−Wa Wdc x

Giả sử đối với chậu CB:

gw = 6x(01,+080,05−0,05) = 170 (g) y 200 (g)

Đối với cối 10 x 10 :

gw = 4x(01,+080,05−0,05) = 114 (g) y 120 (g) + Tiến hành thi nghiệm đối với cối 10 x10:

Cối CBR gồm 2 bộ phận phần trên và phần dới

Cối 10 x 10 cũng tơng tự nh vậy

Đất sau khi phơihô coi nh có độ ẩm Wo = 5%

Ban đầu cho lợng nớc cần thiết vào 6 kg đất trong mỗi chậu đối với cối CBR

và 4 kg đối với cối 10x10

Sau khi trộn đất ta lấy 1/3 đất cho vào cối và đầm 56 lần bằng đầm chân cừu Còn cối 10x10 thì đầm 20 lần, sau đó cho tiếp 1/3 phần vào đầm nh trên, cuối cùng cho toàn bộ lợng đất còn lại vào đầm lần cuối Mở máy lấy đất phần trên cho vào chậu còn phần còn lại ta cho vào hộp nhôm để xác định Wi và γc

+ Đối với chậu thứ 2 ta cho gấp đôI lợng nớc vào và cũng tiến hành tơng tự,

đợc Q2 và ta chọn lấy một mẫu ta xác định đợc W2 và γ2 , tơng tự ta làm đối với cối Liên Xô 10x10

+ Sau khi xác định đợc các γi và Wi từ các mẫu đó, ta xác định dung trọng khô: γci = 1+γ Wii

, đợc γ và giá trị γci

+ Và tiến hành vẽ đồ thị γc = F (w) Để xác định tại đỉnh Parapol của γc = F (w) đợc 2 giá trị γcmax và Wtốt nhất %

+ Sau đó kiểm tra độ chặt đất san nền

k = γcmaxctt

γ

+ Tính toán theo số lợng thực tế Nhóm 1: thí nghiệm với cối 10x10

(đất)

W%

(các lần TN) γi = Vi

Gi

(g/cm3) γ =

Wi

+ 1

i

γ (g/cm3)

cm3

G1= 1700 (g) W1 = 7 % γ1 = 1,7 (g/cm3) γc1 = 1,6 (g/cm3)

2 G2= 1800 (g) W2 = 9% γ2 = 1,7 (g/cm3) γc2 = 1,65 (g/cm3)

3 G3= 1920 (g) W3 = 11 % γ3 = 1,92 (g/cm3) γc3 = 1,7 (g/cm3)

4 G4= 2200 (g) W4 = 14 % γ4 = 2,2 (g/cm3) γc4 = 1,93 (g/cm3)

5 G5= 2100 (g) W5 = 17 % γ5 = 2,2 (g/cm3) γc5 = 1,8 (g/cm3)

6 G6= 2000 (g) W6 = 21 % γ6 = 2 (g/cm3) γc6 = 1,65 (g/cm3) + Vẽ đồ thị γc = F (w), để xác định γcmax và Wtốt nhất %

+ Từ đồ thị đã vẽ ta lấy tại đỉnh Parapol gióng ngay đợc γcmax = 2 (g/cm3)

+ Dóng xuống ta đợc Wtn = 13%.

Cuôí cùng kiểm tra độ chặt ban đầu

k = γcmaxctt

γ

Theo yêu cầu của công trình

Bài 4

Thí nghiệm tính thấm của đất

1/ Tiến hành thí nghiệm:

+ Đổ đầy nớc vào bình Kamenski và giữ nguyên mực nớc H trong suốt thời gian tiến hành thí nghiệm

+ Sau đó bấm đồng hồ để tính thời gian nớc tham qua Kamenski xuống bình

đợc 1 (lít)

+ Sau đó tính thời gian t2 để đợc 1(lít) nớc và tiến hành liên tục nh thế cho

đến khi đợc một lợng nhất định là 1 (lít) trong khoảng thời gian ổn định, số lần đó

đợc lặp đI lặp lại trong koảng 4 lần là thời gian chuẩn để ta có dòng thấm ổn định

Ta đợc: Q = (lần/phút) ổn định

Theo Đarang: V = Q/F ; I = H/l

Mà : V = KxI ⇒ K = V/I ⇒ K = V/H x l

Vậy dựa vào lu lợng ổn định trong thời gian ổn định ta xác định đợc đại lợng cần tính là

+ Hệ số thấm của đất : K =

H

Vxl

Kết quả thí nghiệm:

+ Sauk hi tiến hành thí nghiệm với dụng cụ Kamenski, ta tiến hành đo đợc các chỉ số sau:

F = a x b = 29 x 29,5 = 0,085 (m2)

H

L

=

35 22

= 0,63

Bảng ghi số liệu:

(phút)

Q (lần/phút)

Q

H VxL

(m/gđ)

Từ kết quả thí nghiệm ta thu đợc K = 2,44

Nh vậy, đối với mỗi loại vật liệu nếu hệ số them K càng lớn thì cấp phối của

đất tơng đối đồng đều và có độ rỗng hká kín Nếu K nhỏ thì đất đó khá chặt

* ý nghĩa: trong xây dung thì công tác san lấp nền đờng đóng vai trò hết sức quan trọng, do đó khi san lấp mặt bằng nền đờng cần chú ý kiểm tra và thí nghiệm

hệ số them K của vật liệu đó (nhằm đảm bảo an toàn cho công trình)

Bài 5

Thí nghiệm trơng nở của đất.

1/ Tiến hành thí nghiệm:

+ Chúng ta tiến hành thí nghiệm với 3 cấp tải khác nhau Sau mỗi cấp tảikhác ta quan sát đến khi lòng ngừng xoay thì dừng lại, đọc số hiệu trên đồng hồ

ta xác định đợc tải

+ Thí nghiệm với một mẫu đất sét:

Sau khi tiến hành thí nghiệm ta thu đợc một bảng số liệu thí nghiệm sau:

h

ho

h

ho

P2=

F Q2

h

ho

P3=

F Q3

Dựa vào số liệu ta vẽ đợc biểu đồ quan hệ giữa Pi và Rni Từ đồ thị ta xác

định đợc tỷ lệ mẫu, đợc Rnmax và Pmax

Rn%

Rnmax

0,2

0,16

0,1

Pmax 61.10-4 180.10-4 306.10-4 P (kg/cm2)