Thí nghiệm nén cố kết

Hình 1 Tính nén lún của đất - Khi công trình được xây dựng trên đất bão hoà, tải trọng của công trình được xem như truyền lên nước trong các lỗ rỗng của đất trước tiên.. b Cố kết Consoli

PHẦN 1: THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT 1.1 GIỚI THIỆU

1.1.1 Sơ bộ về tính nén lún và cố kết của đất

a) Tính nén lún

- Là hiện tượng giảm thể tích của đất (do giảm độ rỗng) dưới tác dụng của tải trọng ngoài

- Quá trình nén lún của đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài thực chất là quá trình nén chặt đất Các hạt rắn được sắp xếp lại, thể tích lỗ rỗng trong đất giảm xuống, độ chặt của đất tăng lên Như vậy, tính chất nén lún của đất là hoàn toàn khác nhau, tuỳ thuộc vào từng loại đất, trạng thái, và trong từng hoàn cảnh cụ thể thông qua trạng thái ứng suất ngay cả đối với cùng một loại đất

Hình 1 Tính nén lún của đất

- Khi công trình được xây dựng trên đất bão hoà, tải trọng của công trình được xem như truyền lên nước trong các lỗ rỗng của đất trước tiên Vì chịu tải nên nước có xu hướng thoát

ra từ các lỗ rỗng trong đất (áp lực nước lỗ rỗng phân tán từ nơi có áp lực lớn đến nơi có áp lực bé hơn và áp lực hữu hiệu tăng dần lên), gây ra sự giảm thể tích phần rỗng của đất và lún công trình

Hình 2 Sự sắp xếp lại của hạt rắn khi đất chịu tải trọng công trình

- Đối với đất có hệ số thấm lớn (đất hạt thô), quá trình này hoàn tất trong khoảng thời gian ngắn và kết quả là hầu như sự lún kết thúc hoàn toàn trong khi thi công Tuy nhiên, đối với đất có hệ số thấm nhỏ (đất hạt mịn, đặc biệt là đất loại sét), quá trình này chiếm một khoảng thời gian rất lớn, mức độ biến dạng và độ lún xảy ra rất chậm

b) Cố kết (Consolidation)

- Hiện tượng nén chặt do sự thoát ra rất chậm của nước từ các lỗ rỗng trong đất hạt mịn và là kết quả của việc tăng tải (trọng lượng của công trình lên trên đất nền)

Hình 3 Sự cố kết của đất sét bão hòa

1.1.2 Thí nghiệm nén cố kết (Consolidation Test)

a) Thí nghiệm nén cố kết

- Là thí nghiệm xác định độ lún trong quá trình thoát nước lỗ rỗng của một mẫu đất dưới tải trọng thẳng đứng và không bị nở hông (do chỉ tiêu ép co của đất được xác định thí nghiệm này bằng cách nén mẫu đất chứa trong dao vòng có thành cứng)

- Thí nghiệm nén cố kết còn gọi là thí nghiệm nén không nở hông:

Hình 4 Sơ đồ thí nghiệm nén cố kết bằng thiết bị nén không nở hông

b) Mục đích thí nghiệm nén cố kết

- Xác định các đặc trưng biến dạng của đất nền như:

 Thiết lập biểu đồ quan hệ độ rỗng e và từng cấp tải trọng tác dụng  (kPa)

 Xác định hệ số nén  1 

n-1,n

 Hệ số biến đổi thể tích mv (kPa-1 )

 Module tổng biến dạng Eo ( kPa)

 Chỉ số nén Cc, chỉ số nén lại hay chỉ số nở Cs, áp lực tiền cố kết pc ( kPa)

 Hệ số cố kết Cv (cm2/s hoặc là m2/ngày đêm), hệ số thấm k (cm/s hoặc là m/ngày đêm)

 Từ các đặc trưng trên, người kỹ sư có thể xác định độ lún của đất nền dưới công trình cũng như dự báo độ lún theo thời gian

1.1.3 Tiêu chuẩn hiện hành

- TCVN 4200:1012 “ĐẤT XÂY DỰNG - PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TÍNH NÉN LÚN TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM”

1.2 DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM:

1.2.1 Máy nén cố kết:

Hình 5 Các bộ phận của một máy nén cố kết cơ học thông thường và hình ảnh thực tế.

Hình 6 Một số máy nén cố kết khác hiện nay.

a) Hộp nén có 2 loại

 Hộp nén với vòng mẫu trôi nổi (Floating Ring Consolidation Cell)

Hình 7 Hộp nén với vòng mẫu trôi nổi

- Sức nén xảy ra từ trên và dưới hướng về phía giữa Trong hộp loại này, sự ma sát giữa thành hộp

và mẫu đất nhỏ

 Hộp nén với vòng mẫu cố định (Fixed Ring Consolidation Cell)

Hình 8 Hộp nén với vòng mẫu cố định

- Trong vòng mẫu cố định sự nén của mẫu đất diễn ra từ mặt trên xuống mặt dưới, lớp đất dưới cùng không di chuyển suốt quá trình cố kết

- Ma sát với thành vòng lớn hơn vòng mẫu không cố định

- Đo được lượng nước thấm qua đáy mẫu đất trong quá trình cố kết, cho phép xác định hệ số thấm k của đất

b) Đồng hồ đo biến dạng

-Yêu cầu: có khắc vạch đến 0.01 mm

Hình 9 Đồng hồ đo biến dạng

1.2.2 Dụng cụ tạo mẫu

a) Mẫu đất dùng để thí nghiệm xác định các hệ số đặc trưng tính cố kết:

Hình 10 Các mẫu đất dùng để thí nghiệm

b) Dao vòng để lấy mẫu:

Hình 11 Dao vòng

- TCVN 4200:2012 yêu cầu đối với đất loại sét và đất loại cát (không lẫn sỏi sạn) đường kính mẫu

thử trong dao vòng d ≥ 50mm, đất lẫn sỏi sạn phải dùng dao vòng có đường kính d ≥ 70mm Mẫu đất thí nghiệm thường có chiều cao 2cm và diện tích mặt cắt ngang từ 30 đến 50cm2

c) Dao gọt đất và dao gạt bằng.

d) Giấy thấm.

e) Đá thấm.

Hình 12 Đá thấm được ngâm nước trước khi làm thí nghiệm

1.2.3 Các dụng cụ khác : Cân kỹ thuật với độ chính xác 0.01g, lò sấy, đồng hồ bấm giây, thước

kẹp

1.3 TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM

1.3.1 Chuẩn bị mẫu đất

- Mẫu đất nguyên dạng: tiến hành lấy mẫu đất bằng dao vòng như khi thí nghiệm xác định các đặc trưng vật lý của mẫu đất

Hình 13 Mẫu đất được chuẩn bị nguyên trạng

- Mẫu đất không nguyên dạng: thì lấy mẫu trung bình có khối lượng khoảng 200g từ đất đá được giã sơ bộ, loại bỏ sỏi sạn và tạp chất để chế bị mẫu Lấy khoảng 10g để xác định độ

ẩm ban đầu (W)

Hình 14 Lấy mẫu thí nghiệm cho đất sau khi được chế bị xong.

1.3.2 Tiến hành thí nghiệm

Bước 1: Cho dao vòng chứa mẫu đất có chiều cao 2cm, diện tích tiết diện ngang từ 30 đến 50cm2

đã lấy vào hộp nén có đá thấm ở hai mặt trên và dưới của mẫu

Hình 16 Cho mẫu đất đã lấy vào

hộp nén có đá thấm, giấy thấm ở hai mặt trên và dưới của mẫu

Hình 15 Mẫu đất được lấy

bằng dao vòng

Bước 2: Đặt hộp nén vào máy nén, điều chỉnh đồng hồ đo lún về vị trí 0 và đổ nước đầy hộp nén

Bước 3: Cân bằng cánh tay đòn bằng thước thủy bình.

Hình 19 Thước thủy bình để cân bằng cánh tay đòn Hình 17 Đặt hộp nén vào máy nén,

Bước 4: Đặt tải trọng theo từng cấp áp lực tăng dần và ghi nhận số đọc của đồng hồ đo lún theo

thời gian

Hình 20 Gia tải lên máy

 Yêu cầu đối với quá trình đặt tải:

-Theo mục 3.7 TCVN 4200:2012 thì trị số các cấp áp lực nén thí nghiệm được xác định theo tính

chất của đất và yêu cầu thực tế của công trình trong từng trường hợp cụ thể Thông thường, cấp sau lớn gấp hai lần cấp trước:

 Đối với đất sét ở trạng thái dẽo chảy và chảy, sử dụng các cấp: 10; 25; 50; 100 và 200 kPa

 Đối với đất sét, sét pha ở trạng thái dẻo mềm và dẻo cứng: dùng các cấp 25; 50; 100; 200 và

400 kPa

 Đối với đất cứng và nửa cứng: dùng các cấp: 50; 100; 200; 400 và 800 kPa

- Số lượng cấp áp lực không nhỏ hơn 5 cho một mẫu nén

- Mỗi cấp áp lực tác dụng lên mẫu được giữ cho đến khi đạt ổn định biến dạng nén tức là biến dạng không vượt quá 0.01 mm trong:

 30 phút đối với đất cát

 3 giờ đối với đất cát pha

 12 giờ đối với đất sét pha hoặc đất sét có chỉ số dẻo Ip < 30

 Riêng với đất sét có Ip > 30 và đất sét mềm yếu thì biến dạng chỉ được coi là ổn định nếu biến dạng không vượt quá 0.01 mm trong 24 giờ

 Yêu cầu đối với việc theo dõi biến dạng nén trên đồng hồ :

- Theo mục 4.3.3 TCVN 4200:2012 thì theo dõi biến dạng nén trên đồng hồ biến dạng dưới

mỗi cấp tải trọng ngay sau 15s tăng tải Khoảng thời gian đọc biến dạng nén lần sau được lấy gấp đôi so với lần đọc trước :15s; 30s; 1m; 2m; 4m; 8m; 15m; 30m; 1h; 2h; 3h; 6h; 12h

và 24h kể từ lúc bắt đầu thí nghiệm cho mẫu cố kết hoàn toàn dưới một cấp áp lực, thường

là 24h và 48h

Ghi chú :

- Theo mục 4.3.4 TCVN 4200:2012,tải trọng cần thiết tác dụng lên mẫu ở áp lực, được tính

bằng đơn vị (N) theo công thức sau:

c

F m p

f



(N)

Trong đó: mc – Trọng lượng của tấm nén, hòn bi và viên đá thấm trên mẫu (N)

 - áp lực tác dụng lên mẫu đất (Pa)

F - tiết diện mẫu đất (m2)

f – tỷ lệ cánh tay đòn truyền lực

Bước 5:Tiến hành dỡ tải

Hình 21 Tiến hành dỡ tải.

- Sau khi biến dạng của mẫu đất đã ổn định ở cấp áp lực cuối cùng, ta tiến hành dỡ tải.Dỡ lần lượt từng cấp cho đến cấp cuối cùng và lấy số đọc trên đồng hồ đo biến dạng

- Theo mục 4.3.8 TCVN 4200:2012 thì thời gian theo dõi biến dạng khôi phục của đất cát

pha và sét pha được phép giảm bớt hai lần so với lúc tăng tải Đối với đất sét thì tiêu chuẩn

ổn định về biến dạng hồi phục cũng được lấy như biến dạng nén lún

1.4 XỬ LÝ KẾT QUẢ VÀ VẼ ĐƯỜNG QUAN HỆ GIỮA e -

Bước 1: Tìm hệ số rỗng ban đầu eo và hệ số rỗng ở cấp áp lực cuối cùng e’k

- Mẫu đất trước khi thí nghiệm đã được xác định các đặc trưng vật lý ban đầu như , w, Gs

Từ đó tìm được hệ số rỗng ban đầu eo :

o

G ×γ ×(1+w) 1+w

γ=Gγe=-1 G γ e =Gγe=-1 -1

- Tượng tự tính

k

' k

k

e =Gγe=-1 G ×γ ×(1+w ) -1

γ

Bước 2: Tính hệ số rỗng theo biến dạng en đối với mỗi cấp áp lực :

- Hệ số rỗng theo biến dạng en đối với mỗi cấp áp lực được tính theo công thức :

n

o

Δhh

e =Gγe=-1e - (1+e )

h Trong đó: ho – chiều cao ban đầu của mẫu đất, bằng 20mm

hn – biến dạng của mẫu đất ở cấp tải trọng n ,đơn vị mm

Ghi chú :

- Theo mục 4.4.2 TCVN 4200:2012 thì biến dạng của mẫu (hn) trong quá trình thí nghiệm

ở cấp tải thứ n được xác định theo công thức:

hn =Gγe=-1rn-ro-Mn

Trong đó:

rn là biến dạng ở cấp tải trọng n ở đồng hồ đo khi đã ổn định biến dạng nén của mẫu đất (mm)

ro là biến dạng ban đầu của đồng hồ đo biến dạng (mm)

Mn biến dạng của máy ở cấp tải trọng thứ n (mm)

- Hệ số rỗng ứng với cấp áp lực cuối cùng tính theo biến dạng là ek :

k

k

o

Δhh

e =Gγe=-1e - (1+e )

Bước 3: Kiểm tra, hiệu chỉnh kết quả thí nghiệm:

- Theo mục 4.4.5 TCVN 4200:2012 thì:

 Nếu tỷ lệ

'

' k

± 5%

e





thì có thể tiến hành vẽ đường cong nén lún từ các giá trị tính toán theo biến dạng của mẫu

 Nếu tỷ lệ

'

' k

> ± 5%

e



thì phải làm lại thí nghiệm, hoặc vẽ đường cong nén lún từ các

hệ số rỗng eo và e’k trước và sau khi thí nghiệm, còn các hệ số rỗng trung gian phải được xác định từ công thức : e’n=Gγe=-1en

Trong đó : e’n là hệ số rỗng ở cấp tải trung gian thứ n đã hiệu chỉnh

en là hệ số rỗng ở cấp tải trung gian thứ n tính theo biến dạng

 là hệ số hiệu chỉnh

Bước 4: Vẽ đường quan hệ giữa e và 

- Khi biết được hệ số rỗng của mẫu đất ( đã xử lý số liệu ở bước 3) với các tải trọng tương ứng ta có thể vẽ được đường cong nén lún e- , tức là đường quan hệ giữa e và 

- Đường cong nén lún thường được sử dụng để tính lún nên phải thể hiện sao cho có thể từ giá trị  bất kỳ, ta tra ra được giá trị e có độ chính xác chấp nhận được

Hình 22 Đường con nén lún ( gia tải và dỡ tải)

- Đường cong nén lún còn có thể biểu diễn dưới dạng bán logarit, tức là quan hệ giữa hệ số rỗng e và log()

Hình 23 Đường cong nén lún( gia tải và dỡ tải) theo biểu đồ bán logarit

1.5 MỘT SỐ LỖI ẢNH HƯỞNG ĐẾN KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

- Chuẩn bị mẫu không cẩn thận dẫn đến sự có mặt của bọt khí trong mẫu hay cấu trúc mẫu bị xáo trộn nhiều Dẫn đến kết quả thí nghiệm bị sai lệch không đáng tin cậy

- Ma sát giữa mẫu và dao vòng lớn làm mất tải trọng đặt lên mẫu Nên bôi trơn thành dao vòng bằng dầu nhờn

- Sử dụng đá thấm không tốt do đá bị cặn bẩn, bị nứt nẻ, không ngâm đá vào nước trước khi thí nghiệm

- Thí nghiệm viên đọc số liệu không chính xác

- Không kiểm tra điều chỉnh lại máy trước khi thí nghiệm