Các chỉ tiêu cơ học của đất,phân loại đất

Chương 2: Xác định thông số độ cứng và cường độ đất nền từ thí nghiệm hiện trường 17 1 Mô đun đàn hồi, mô đun biến dạng ..... Nhằm đưa ra các thông số cần thiết sử dụng để có phương án k

CÁC CHỈ TIÊU CƠ HỌC CỦA ĐẤT, PHÂN LOẠI ĐẤT

Người lập: KS Đặng Xuân Trường

Mọi thông tin xin liên hệ:

Email: Dangxuantruongdhkt@gmail.com SĐT: 0936126632

Mục lục

1 Đặc trưng độ cứng của đất: 4

1.1 Đặc trưng đàn hồi 4

1.1.1 Đẳng ứng suất 5

1.1.2 Cắt thuần túy 5

1.1.3 Biến dạng phẳng 5

1.1.4 Đối xứng trục 5

1.1.5 Nén một trục không nở hông 5

1.1.6 Nén đơn 6

1.2 Đặc trưng thoát nước và không thoát nước 6

1.2.1 Đặc trưng không thoát nước 6

1.2.2 Đặc trưng thoát nước .6

1.3 Xác định mô đun đàn hồi và mô đun biến dạng 7

1.3.1 Thí nghiệm nén 1 trục không nở hông 7

1.3.2 Thí nghiệm nén 3 trục 8

1.4 Hệ số poisson 12

2 Đặc trưng cường độ của đất 12

2.1 Thí nghiệm cắt trực tiếp 13

2.2 Thí nghiệm nén 3 trục 13

2.3 Thí nghiệm nén nở hông 14

2.4 Giới hạn Atterberg 15

3 Mô đun biến dạng 15

3.1 Thí nghiệm nén 1 trục không nở hông 15

3.2 Biến dạng theo 3 hướng (1# 0,2# 0,3# 0 ) 15

B Chương 2: Xác định thông số độ cứng và cường độ đất nền từ thí nghiệm hiện trường 17 1 Mô đun đàn hồi, mô đun biến dạng 17

1.1 Thí nghiệm SPT 17

2 Thông số cường độ của đất (Lực dính C và góc nội ma sát  ) 19

2.1 Thí nghiệm SPT 19

2.2 Thí nghiệm CPT 20

C Chương 3: Các tính chất cơ lý khác của đất 22

1 Đánh giá trạng thái của đất 22

1.1 Trạng thái và chỉ tiêu trạng thái của đất dính 22

1.2 Trạng thái và chỉ tiêu đánh giá trạng thái của đất rời 23

2 Công thức liên hệ giữa các chỉ tiêu của đất 24

3 Áp lực tiền cố kết 25

4 Hệ số thấm của đất 26

5 Tính đầm chặt đất 27

D Tiêu chuẩn và tài liệu tham khảo 28

CÁC CHỈ TIÊU CƠ HỌC CỦA ĐẤT, PHÂN LOẠI ĐẤT NỀN

Đặt vấn đề: Dữ liệu thu được từ các báo cáo khảo sát địa chất hiện nay thường không

đủ để đánh giá và sử dụng để giải quyết các bài toán về địa kĩ thuật Nhằm đưa ra các thông

số cần thiết sử dụng để có phương án khảo sát địa chất phù hợp, chuyên đề này nhằm phân loại và đưa ra các mối liên quan giữa các thông số độ cứng, cường độ của đất ở các trạng thái khác nhau, phân loại trạng thái của đất giúp người sử dụng có thể dựa vào đó để yêu cầu phương pháp thí nghiệm phù hợp cho quá trình thiết kế và thi công

A Chương 1: Xác định thông số độ cứng và cường độ đất nền từ thí nghiệm trong phòng

Hệ số poisson (Mô đun biến dạng kích thước)

 = Biến dạng ngang/ Biến dạng dọc (4) Định luật Hooke tổng quát: Xét phân tố lập phương đàn hồi đẳng hướng (E1=E2=E3) chịu ứng suất chính   1, 2, 3, các biến dạng tương ứng là:





(11)

1.2 Đặc trưng thoát nước và không thoát nước

Cần phân biệt trường hợp thoát nước và không thoát nước trong việc phân tích biến dạng nền Trường hợp không thoát nước tương ứng với Eu và u, E’ và ' với trường hợp thoát nước

1.2.1 Đặc trưng không thoát nước

Những điều kiện không thoát nước xảy ra khi mọi sự thoát nước đều bị ngăn cản (Ví

dụ như thí nghiệm 3 trục không thoát nước) hoặc tốc độ tăng tải quá nhanh làm nước không kịp thoát ra ( Xây dựng công trình trên nền đất sét)

Với trường hợp không thoát nước, vu 0,u 0.5

Mô đun cắt không phụ thuộc vào trạng thái thoát nước hay không thoát nước do nước trong đất có độ cứng trượt bằng 0

u u

u

E E

u



Với 1 là độ gia tăng của tổng ứng suất

1.2.2 Đặc trưng thoát nước

Khi gia tải đủ chậm để áp lực nước lỗ rỗng không tăng, trạng thái đàn hồi của của đất

có thể xác định được bằng các thông số hữu hiệu:

1.3 Xác định mô đun đàn hồi và mô đun biến dạng

1.2.3 Thí nghiệm nén 1 trục không nở hông(Nén cố kết)

Số gia biến dạng của mẫu đất:

0

1

e e

Bảng 1:Ví dụ Kết quả thì báo cáo khảo sát địa chất

Hình 1:Biểu đồ quan hệ ứng suất-biến dạng

Xác định ứng suất hữu hiệu thẳng đứng tại độ sâu z là p, nội suy biến dạng tại cấp áp lực đó Eoed=y’=32.332*0.2253*e^(32.332*x)

- Xác định mô đun đàn hồi từ biểu đồ e-logp

Hình 2: Biểu đồ quan hệ e-log 'Với đất chịu áp lực nhỏ hơn áp lực tiền cố kết 'p thì xem như biến dạng (độ lún là đàn hồi) Cs và Cc được gọi là chỉ số nén và chỉ số nở

Hình 4: Kết quả thí nghiệm nén 3 trục CD

Hình 5: Các thông số của mô hình Hardening soil

- Hoặc xác định theo mô hình Duncan và Chang (Duncan-chang, 1970) [9]

Theo mô hình này thì mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là một đường cong hypecpon Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của mô hình theo công thức:

Hình 7: Chuyển đổi đường cong ứng suất-biếng dạng

Mô đun đàn hồi ban đầu Ei phụ thuộc vào áp lực buồng 3 được tính toán theo công thức:

Từ biểu đồ ở hình 4, xác định được giá trị Ei của mỗi mẫu đất trong thí nghiệm nén 3 trục Vẽ đường quan hệ giữa log (Ei/Pa) và log (3/Pa) tại cấp áp lực Pa=100kPa Xác định giá trị K và n

Hình 8: Tham số của mô hình Hypecpon, K và n

Mô đun đàn hồi dở tải-gia tải Eur được tính toán như mô đun đàn hồi tiếp tuyến ban đầu Thay K bằng Kur

3 ur

n

ur a a

Cường độ của đất được đặc trưng bởi hai thông số là lực dính kết C và góc nội ma sát

2.1 Thí nghiệm cắt trực tiếp

Sau khi có kêt quả thí nghiệm, sử dụng đường Mohr-Coulumb để xác định các thông

số C và Tùy vào sơ đồ cắt để xác định thông số phù hợp:

- Sơ đồ cắt nhanh (Không cố kết- không thoát nước) cho thông số Cu và u

- Sơ đồ cắt nhanh, cố kết ( Cố kết không thoát nước-CU) cho thông số Ccu và cu

- Sơ đồ cắt chậm cố kết (Cố kết thoát nước-CD) cho thông số C’ và '

- Công thức dùng để xác định đặc trưng cường độ của đất nền:

= 1 32

s

t1

Hình 10: Xác định lực dính và góc nội ma sát

Độ dốc của đường này là sin và giao của đường với trục tung là cosc  Từ đó xác định được thông số C và 

số Cuu và uu Trường hợp đất dính bão hòa nước thì uu  0

- Thí nghiệm nén 3 trục theo sơ đồ CU ( Cố kết không thoát nước):

 Đặc trưng kháng cắt cố kết không thoát nước cho thông số Cu và udùng cho thiết kế đắp đất theo giai đoạn trên nền đất yếu

 Đặc trưng sức kháng cắt cố kết thoát nước cho thông số C’ và ' dùng để phân tích ổn định dài hạn

- Thí nghiệm nén 3 trục theo sơ đồ CD ( Cố kết, thoát nước) ở trạng thái ứng suất hữu hiệu cho thông số C’ và '

2.3 Thí nghiệm nén nở hông

Thí nghiệm nén nở hông là trường hợp đặc biệt của thí nghiệm nén 3 trục với áp lực buồng 3 0

Dựa vào hình 6, nhận thấy chỉ có thể vẽ được một vòng tròn tương ứng áp lực buồng

nghiệm xác định được sức kháng cắt không thoát nước Cu

Murd Wood (1983)[11] đưa ra mối quan hệ giữa giới hạn chảy và lực dính không thoát nước theo công thức:

Cu =170e-4.6I

Trong đó IL là giới hạn chảy

3.1 Thí nghiệm nén 1 trục không nở hông

Độ lún của mẫu đất trong thí nghiệm nén 1 trục không nở hông:

3.2 Biến dạng theo 3 hướng (1# 0,2# 0,3# 0 )

Từ công thức số (5), thay thế E bằng E0

 (35)

0 0

0

1(1 2 )

i

e E

B Chương 2: Xác định thông số độ cứng và cường độ đất nền từ thí nghiệm hiện trường

1.1 Thí nghiệm SPT

- Theo L.Behpoor, A.Ghahramani [8] thì mô đun đàn hồi E được tính theo công thức:

- Theo Mezenbach (1961) [8] xác định mô đun đàn hồi của đất Cát

C1 và C2 được xác định theo bảng sau:

 Mô đun biến dạng E 0 (TCVN 9351-2012) [1]

- Theo Tassios, Anagnostopoulos [1]

a là hệ số, được lấy bằng 40 khi Nspt >15; lấy bằng 0 khi Nspt <15

c là hệ số, được lấy phụ thuộc vào loại đất:

- c được lấy bằng 3,0 với đất loại sét;

- lấy bằng 3,5 với đất cát mịn;

- lấy bằng 4,5 với đất cát trung;

- lấy bằng 7,0 với đất cát thô;

- lấy bằng 10,0 với đất cát lẫn sạn sỏi;

- lấy bằng 12,0 với đất sạn sỏi lẫn cát

 là hệ số tương quan giữa Eoed và qc

qc là sức kháng mũi xuyên của thiết bị xuyên P.v.s

- Mô đun biến dạng E0 (TCVN 9352-2012)[2]

1.78 0.0122

Với Dr là độ chặt tương đối Với cát chặt Dr=3.3-3.5

Với đất cố kết thường (OCR=1)

E25 và E50 định nghĩa như sau: Trong thí nghiệm nén 3 trục, ứng với ứng suất cực đại

mà mẫu có thể chịu được là 'max , E25 là mô đun biến dạng tương ứng với điểm có

d là đường kính tấm nén tròn hoặc cạnh của tấm nén vuông, tính bằng (cm);

P là gia số áp lực lên tấm nén, bằng Pc - Pd, tính bằng (MPa);

S là gia số độ lún của tấm nén tương ứng với P (cm)

2 Thông số cường độ của đất (Lực dính C và góc nội ma sát  )

2.1 Thí nghiệm SPT

- Lực dính không thoát nước Cu được đề xuất bởi Stroud (1974)[8]

k là hệ số trung bình, lấy giá trị k=4.5kN/m2

- Góc nội ma sát theo Halanakar và Uchida (1996)[8]

(Theo Terzaghi, Peck)

Bảng 4: Mối quan hệ giữa độ chặt, chỉ số SPT và góc nội ma sát

- Theo Terzaghi và Peck (1967):

- Lực dính không thoát nước Cu (u  ) (TCVN 9352-2012)[2] 0

Với mũi côn đơn giản

Với mũi côn có áo bọc

0

15 18

c u

q

C  



(51)

Cu dính kết không thoát nước của đất (kPa)

qc Sức kháng mũi côn,đơn vị đo (kPa);

0 Áp lực bản thân của đất tại độ sâu thí nghiệm (kPa)

C Chương 3: Các tính chất cơ lý khác của đất

1 Đánh giá trạng thái của đất

1.1 Trạng thái và chỉ tiêu trạng thái của đất dính

Theo TCVN 4197-2012, chỉ số dẻo và độ sệt của đất được tính như sau:

Chỉ số dẻo (A) của đất được tính theo công thức

Trong đó:

WL là giới hạn chảy của đất;

WP là giới hạn dẻo của đất

Chỉ số sệt (B) của đất được tính theo công thức:

trạng thái nửa cứng khi

trạng thái dẻo cứng khi

trạng thái dẻo mềm khi

trạng thái dẻo nhão khi

trạng thái chảy khi

đất á cát (cát pha):

trạng thái cứng khi

trạng thái dẻo khi

trạng thái chảy khi

B< 0

0  B 0,25 0,25 <B 0,50 0,50 <B 0,75 0,75 < B 1,0 B>1,0

Bảng 7: Phân loại đất dính

1.2 Trạng thái và chỉ tiêu đánh giá trạng thái của đất rời

Đối với đất rời, trạng thái của đất được đánh giá qua hai thông số là độ chặt Dr và hệ

Bảng 9:Xác định trạng thái đất cát theo độ chặt tương đối

chặt chặt vừacát hạt vừa >100

100-60

>150 150-90

chặt chặt vừa cát hạt nhỏ >60

60-30

>9090-40

chặt chặt vừa

Bảng 10: Xác định trang thái đất cát theo sức kháng xuyên

Đất thuộc loại yếu khi hệ số rỗng lớn (đối với đất sét khi e>1,1, á sét khi e>1,0 và á cát

khi e>0,70), có hệ số nén lớn khi mô đun biến dạng e 0 <5000kpa và có trạng thái dẻo chảy khi

Các chỉ tiêu đã biết Chỉ tiêu

Hình 12: Xác định áp lực tiền cố kết theo biểu đồ e-P

Trên đường cong e-logP, nếu xuất hiện điểm gãy (Giao điểm của hai đường thẳng có

độ dốc khác nhau), thì điểm đó tương ứng với giá trị áp lực tiền cố kết

Hình 13: Xác định áp lực tiền cố kết theo biểu đồ e-logp

Hình 14: Xác định hệ số quá cố kết OCR

Hệ số thấm của đất được xác định bằng thí nghiệm trong phòng hoặc thí nghiệm ngoài

- Đất nền thấm trung bình khi k=10-3 – 10-5 cm/s

- Đất nền thấm yếu hoặc không thấm khi k<10-6 cm/s

Bảng 13: Hệ số thấm của một số loại đất thường gặp

Từ biểu đồ ở Hình 7, nhận thấy mỗi độ ẩm khác nhau sẽ tương ứng với một giá trị trọng lượng riêng khô khác nhau, nhưng chỉ có một giá trị độ ẩm tương ứng với giá trị trọng lượng riêng lớn nhất là

Hình 15: Biểu đồ mối quan hệ giữa độ ẩm và trọng lượng riêng khô[6]

Bảng 14: Độ ẩm tốt nhất và trọng lượng riêng khô lớn nhất của một số loại đất [6]

D Tiêu chuẩn và tài liệu tham khảo

[1] TCVN 9351-2012: Đất xây dựng - phương pháp thí nghiệm hiện trường - thí nghiệm

xuyên tiêu chuẩn (SPT)

[2] TCVN 9352-2012: Đất xây dựng - thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT)

[3] TCVN 9354-2012: Đất xây dựng - phương pháp xác định môđun biến dạng tại hiện

trường bằng tấm nén phẳng

[4] Thí nghiệm đất hiện trường và ứng dụng trong phân tích nền móng- Vũ Công Ngữ,

Nguyễn Thái

[5] Cẩm nang dùng cho kĩ sư Địa kĩ thuật- Trần Văn Việt

[6] Cơ học đất- Đại học thủy lợi,Cao Văn Chí, Trịnh Văn Cương

[7] R.Whitlow- Cơ học đất (dịch), Nhà xuất bản giáo dục Hà Nội (1996)

[8] Theory and Practice of foundation design- N.N Som and S.C.Das

[9] Soil mechanics and foundations divison-1970, James M.Duncan and Chin-Yung Chang [10] Correlation of SPT to strength and modulus of elasticity of cohesive soils-L.Behpoor,

A.Ghahramani

[11] Muir Wood, D 1983 Index properties and critical state soil mechanics In Proceedings of the Symposium on Recent Developments in Laboratory and Field Tests and Analysis of Geotechnical Problems, Bangkok, 6–9 December 1983 A.A Balkema, Rotterdam, the Netherlands pp 301–309

[12] Skempton, A.W 1954 Discussion: Sensitivity of clays and the c/p ratio in normally consolidated clays Proceedings of the American Society of Civil Engineers, Separate 478: 19–22

[13] Skempton, A.W 1957 Discussion: Further data on the c/p ratio innormally consolidated clays Proceedings of the Institution of Civil Engineers, 7: 305–307

[14] Stroud, M.A 1974 The standard penetration test in sensitive clays and soft rocks In Proceedings of the European Seminar on Penetration Testing, Stockholm Vol 2:2, pp