Tiểu luận môn học địa chất công trình nâng cao cắt trực tiếp và ảnh hưởng của điều kiện thí nghiệm lên các giá trị đặc trưng thu nhận được so với mẫu ở điều kiện tự nhiên

Ta có thể thấy các giá trị C, φ xuất hiện ở trong các công thức tính sức chịu tải của đất, của cọc; trong các công thức tính ổn định thành hố đào, mái dốc; …trong lập biện pháp thi công

MỞ ĐẦU

Trong công tác thiết kế và thi công các công trình thuỷ lợi, cầu đường, xây dựng dân dụng và công nghiệp, việc xác định các thông số sức chống cắt của đất chiếm vai trò rất quan trọng Ta có thể thấy các giá trị C, φ xuất hiện ở trong các công thức tính sức chịu tải của đất, của cọc; trong các công thức tính ổn định thành

hố đào, mái dốc; …trong lập biện pháp thi công móng, san lấp nền đê, đường; … trong các phần mềm tính toán Geo slope, Plaxis…

Có thể nói thông số sức chống cắt của đất là mối quan tâm hàng đầu của các nhà thiết kế nền móng công trình Việc xác định các thông số trên có thể được thực hiện bởi hàng loạt các thí nghiệm hiện trường như thiết nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT, thí nghiệm xuyên tĩnh CPT, thí nghiệm cắt cánh Van Test và trong phòng như thí nghiệm nén đơn – nén 1 trục, thí nghiệm cắt trực tiếp với 3 sơ đồ (U-U, U, C-D)

Trong các thí nghiệm nêu trên thì thí nghiệm cắt trực tiếp được xem là thí nghiệm cổ điển nhất, phổ biến nhất tại các phòng thí nghiệm địa cơ nền móng của Việt Nam vì sơ sở lý thuyết và nguyên lý thí nghiệm tương đối đơn giản, dễ thực hiện Tuy nhiên sức chống cắt thu nhận được từ kết quả thí nghiệm này thường bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như thiết bị thí nghiệm, vận tốc cắt…

Trong phạm vi đề tài này, chúng tôi xin phép được trình bày về : “Thí nghiệm

cắt trực tiếp và ảnh hưởng của điều kiện thí nghiệm lên giá trị các đặc trưng thu nhận được so với mẫu đất trong điều kiện tự nhiên”

PHẦN I: THÍ NGHIỆM CẮT TRỰC TIẾP

1 Mục đích của thí nghiệm: Thí nghiệm cắt trực tiếp là thí nghiệm cổ điển nhất

và đơn giản nhất để xác định thông số sức chống cắt của đất Một mẫu đất trong tự nhiên có các đại lượng đặc trưng cho chỉ tiêu sức chống cắt của đất là lực dính C và góc ma sát φ Khi mẫu đất chịu tác dụng của ứng suất pháp thẳng đứng phân bố đều σ thì sức chống cắt τ của đất tuân theo định luật Mohr-Coulomb: τ = σtgφ + C

2 Nguyên lý thí nghiệm: Thí nghiệm được tiến hành với mẫu đất hình lăng trụ tròn hoặc hình vuông được giữ và cắt ngang theo mặt phẳng nằm ngang trong khi một áp lực tác dụng thẳng góc với mặt phẳng đó Sức kháng cắt gây ra bởi đất khi cho một phần của mẫu đất trượt lên phần khác được đo sau từng khoảng dịch chuyển đều đặn Sự phá hoại mẫu đất xảy ra khi sức kháng cắt của đất đạt giá trị cực đại mà mẫu đất có thể chịu được Nhờ tiến hành trên một tập hợp mẫu thí nghiệm tương tự (thường từ 3 – 5 mẫu) của cùng một lớp

đát dưới những giá trị áp lực nén khác nhau, ta thu nhận được tương quan giữa ứng suất cắt và ứng suất nén tác dụng từ đó tìm ra được lực dính C và góc ma sát φ của đất

Hình 1: Nguyên lý thí nghiệm cắt trực tiếp

3 Thiết bị thí nghiệm:

a Sơ đồ thí nghiệm:

Hình 2: Sơ đồ thí nghiệm cắt trực tiếp

b Thiết bị thí nghiệm: Hộp cắt gồm 2 thớt trên và dưới có hình vuông hoặc tròn, có đường kính khoảng 60-80mm, cao khoảng 20mm

Hình 3: Hộp cắt trong thí nghiệm cắt trực tiếp

- Tiếp theo mẫu được đặt vào hộp cắt (giữa 2 thớt cắt) với 2 bản đá thấm xốp đệm trên và dưới

Hình 4: Lắp mẫu vào hộp cắt

- Hộp cắt đặt trên khung đỡ có thể chuyển động tự do trên bi trượt đồng thời gắn chặt với thớt dưới Khung được tác động lực cắt và chuyển động theo vận tốc khống chế được

Hình 5: Lắp đặt hệ thống vào khung

- Thớt cắt bên trên gắn với hệ đo lực cắt T bằng vòng ứng biến có đồng

hồ để đo ứng suất cắt và đồng hồ đo biến dạng đứng để đo độ giản nở thể tích

- Thiết bị tăng tải (N) tạo thành áp lực pháp tuyến, hoạt động qua hệ thống piston hoặc chất tải bằng quả cân

Hình 6: Các loại thiết bị cắt trực tiếp.

c Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: Chuẩn bị ít nhất 3 mẫu để thí nghiệm

- Với mẫu nguyên dạng: dùng dao vòng cắt mẫu đất, chú ý bỏ lại phần mẫu bị xáo động ở 2 phía đầu hộp mẫu

Hình 7: Chuẩn bị mẫu trước thí nghiệm.

- Với mẫu xáo động: mẫu được đầm chặt trong cối đầm tiêu chuẩn, sử dụng phương pháp đầm tĩnh hoặc động Dùng dao vòng cắt đất từ mẫu đầm chặt hoặc tiến hành chế bị mẫu trong dao vòng Sau khi chế bị mẫu cần mang đi thí nghiệm xác định dung trọng của đất

Hình 8: Đem mẫu đi xác định độ ẩm.

4 Trình tự thí nghiệm và tính toán kết quả thí nghiệm:

a Trình tự thí nghiệm:

- Bước 1: Dùng dao vòng ấn vào mẫu đất sau đó gạt bằng mặt để tạo mẫu chuẩn bị cho vào hộp cắt Tiếp theo cho mẫu đất vào hộp cắt sau đó đặt hộp cắt có chứa mẫu lên máy cho chỉnh tiếp xúc

- Bước 2: Đặt tải trọng thẳng đứng: tải trọng thẳng đứng được tính toán theo trọng lượng của vật liệu chất tải, chiều dài cánh tay đòn, tiết diện ngang của mẫu đất Tiếp theo hiệu chỉnh các đồng hồ đo (biến dạng và lực) về vị trí ban đầu Cho khởi động và chạy máy với tốc độ khoảng 1mm/phút Ghi nhận số đọc đồng hồ ở vòng ứng biến sau mỗi 25 giây cho đến khi số đọc giảm hoặc không tăng thì ngừng máy Số đọc lớn nhất DialReadingmax (vạch) được ghi nhận để tính toán

- Bước 3: Lập lại thí nghiệm với các cấp áp lực thẳng đứng khác nhau Các cấp áp lực thẳng đứng được lựa chọn phụ thuộc vào loại đất và trạng thái của đất Thông thường ta thực hiện với ba cấp tải trọng khác nhau để xác định ba cặp giá trị ứng suất cắt τ và áp lực đứng tác dụng lên mẫu σ để từ đó tính ra được giá trị của góc ma sát trong φ và lực dính C của mẫu đất bằng phương pháp bình quân cực tiểu

b Tính toán kết quả thí nghiệm:

Ứng suất cắt τ được xác định như sau: τ = DialReadingmax x R

Trong đó: R: là hệ số vòng (chuyển từ giá chuyển vị sang giá trị lực), phụ thuộc vào từng loại máy và phải hiệu chỉnh thường xuyên

Tính toán các giá trị của sức chống cắt theo số liệu thí nghiệm thu được:

- Cách 1: xác định trực tiếp trên biểu đồ quan hệ giữa ứng suất cắt τ và áp lực đứng σ tác dụng lên mẫu ta có thể xác định được các giá trị của góc

ma sát trong φ và lực dính C

Hhbj

Hình 9: Đồ thị thể hiện quan hệ lực cắt và áp lực thẳng đứng.

- Cách 2: Theo công thức bình phương cực tiểu:

Hoặc

 

  



















n i

n i i i

n i

n i

n i i i

i i

n

n tg

1

2

1 2

1 1 1

































n

i

n

i i i

n

i

n

i

n

i i

n



c

1

2

1 2







i

2

n

i  1

Khi giá trị lực dính C<0 thì xem C=0 và lúc đó:

5 Một số yêu cầu trong quá trình tiến hành thí nghiệm:

a Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4199-1995:

- Phương pháp này chỉ dùng để xác định sức chống cắt của đất sét và đất cát có kết cấu nguyên hoặc chuẩn bị trong phòng thí nghiệm ở máy cắt phẳng theo một mặt phẳng định trước Không áp dụng cho đất cát thô và đất sỏi sạn, đất sét ở trạng thái chảy và bị biến dạng dưới tác dụng của

áp lực thẳng đứng 1daN/cm2.

- Các phương pháp xác định sức chống cắt cần phải được qui định trong từng trường hợp cụ thể, phụ thuộc vào:

o Giai đoạn thiết kế và loại công trình

o Điều kiên làm việc của đất trong quan hệ với công trình

o Thành phần, đặc điểm cấu trúc, trạng thái và tính chất của đất

- Tuỳ theo tương quan giữa tốc độ truyền lực nén và lực cắt cùng điều kiện thoát nước của mẫu đất khi thí nghiệm có thể phân biệt các phương pháp chính sau đây để xác định sức chống cắt:

o Phương pháp không thoát nước, không cố kết (cắt nhanh không

cố kết)

o Phương pháp thoát nước, cố kết rồi cắt chậm (cắt chậm cố kết)

o Phương pháp thoát nước, cố kết cắt nhanh (cắt nhanh cố kết)

- Việc làm bão hoà mẫu đất thí nghiệm bằng nước và nén mẫu trước phải được tiến hành phù hợp với điều kiện làm việc của đất dưới công trình hoặc trong thân công trình

- Để làm bão hoà các mẫu đất bằng nước nhằm xác định ở trạng thái bão hoà nên dùng loại nước uống được Đối với các mẫu đất chứa muối hoà tan (Na, Mg, K) thì làm bão hoà mẫu bằng nước dưới đất tại vị trí mẫu hoặc bằng loại nước có thành phần hoá học giống với nước dưới đất Thời gian làm bão hoà mẫu đất không ít hơn:

 











n

i i

n

i

i i

n

n tg

1 2

1









o 10 Phút đối với đất cát.

o 6 giờ đối với đất cát pha và đất sét pha có chỉ số dẻo Ip không lớn hơn 12

o 12 giờ đối với đất sét pha có Ip lớn hơn 12 và đất sét có Ip không lớn hơn 22

o 24 giờ đối với đất sét có Ip từ 23 đến 35

o 49 giờ đối với sét có Iplớn hơn 35

- Việc nén trước các mẫu đất thông thường dùng cho đất có độ sệt B<0.75

có thể tiến hành ở máy nén riêng hoặc trực tiếp ở hộp máy cắt

- Khi nén trước, tăng lực nén lần lượt theo từng cấp tương ứng với áp lực thẳng đứng Giá trị mỗi cấp phụ thuộc vào trạng thái của đất

- Đối với đất loại sét có độ sệt B>1, các cấp lần lượt như sau: 0.1x105; 0.3x105; 0.5x105; 0.75x105 và 1.0x105N/m2 sau đó mỗi cấp tải là 0.5x105 cho đến giá trị áp lực cuối cùng

- Đối với loại sét cứng, nửa cứng và dẻo cứng (có độ sệt B<0.5) và đất cát thì tăng theo cấp 0.5x105N/m2 cho đến khi đạt 3.0x105N/m2, sau đó tiếp tục tăng mỗi cấp 1.0x105N/m2 cho đến giá trị áp lực cuối cùng

- Mỗi cấp áp lực trung gian được giữ không ít hơn:

o 5 phút đối với đất cát

o 30 phút đối với đất sét

- Cấp cuối cùng được giữ đến khi đạt tới ổn định quy ước về biến dạng Biến dạng nén của mẫu đất đạt tới ổn định qui ước, nếu giá trị của nó không vượt quá 0.01mm sau một thời gian không ít hơn:

o 30 phút đối với đất cát

o 3 giờ đối với cát pha

o 12 giờ đối với sét pha và sét

- Giá trị áp lực nén nhỏ nhất phải bằng giá trị áp lực bản thân Giá trị áp lực thẳng đứng lớn nhất phải lớn hơn tổng áp lực bản thân và công trình truyền xuống

- Lực cắt được truyền lên mẫu đất thành từng cấp hoặc tăng lên liên tục Khi cắt chậm thì tăng lực cắt thành từng cấp, trị số mỗi cấp không vượt quá 5% áp lực nén tương ứng dùng khi cắt Chỉ truyền cấp áp lực sau lên mẫu khi đạt đến độ ổn định qui ước về biến dạng cắt L không vượt

quá 0.01mm/phút Đồng thời cũng có thể tăng liên tục lực cắt với điều kiện đảm bảo tốc độ cắt thể hiện qua biến dạng ngang không quá 0.01mm/phút

- Việc xác định biến dạng đứng và biến dạng ngang của mẫu đất được tiến hành với độ chính xác đến 0.01mm các phép cân được tiến hành với

độ chính xác đến 0.01g

b Theo tiêu chuẩn Anh – BS 1377: Part 7: 1990: Phương pháp cắt tiêu chuẩn này cũng tương tự như tiêu chuẩn Việt Nam Nhưng có cách xác định tốc

độ cắt như sau:

- Thời gian mẫu bị phá hoại được tính theo phương trình sau:

Tf = Ft100

Trong đó: F là hệ số phụ thuộc vào điều kiện thoát nước và điều kiện thí nghiệm, tức là có thoát nước hay không thoát nước Giá trị của F đối với thí nghiệm thoát nước và không thoát nước của loại mẫu không nhạy cảm hay bị biến dạng dẻo Đối với loại đất cứng nứt nẻ và đất bị biến dạng dẻo thì sử dụng thừa số cho trước đối với các thí nghiệm thoát nước và cả không thoát nước Thừa số F được tính dựa trên cơ sở tiêu tán 95% áp lực lỗ rỗng thặng dư tạo nên khi cắt và được chấp nhận cho hầu hết các trường hợp trong thực tế

Đối với đất có tính thấm tương đối cao có thể cho thời gian phá huỷ tính toán ngắn, rất ngắn Tuy nhiên, thời gian phá huỷ không thể ít hơn 2 giờ

Tốc độ cắt được tính như sau: dr = df / tf

Trong đó: tf : Thời gian mẫu bị phá hoại (phút)

df : Khoảng dịch chuyển ngang khi mẫu bị phá hoại

dr : Tốc độ cắt

Cách xách định t100 dựa vào kết quả thí nghiệm nén như sau:

Sử dụng đồ thị căn bậc hai của thời gian, kéo dài đoạn gần như tuyến tính của đồ thị (thường nằm trong khoảng 0 đến 50% của cố kết ban đầu) xuống dưới Xác nhận điểm giao nhau giữa đường này với đường nằm ngang qua điểm cuối cùng trên đồ thị cố kết ban đầu và ghi nhận giá trị đó (√t100) trên trục căn bậc 2 của thời gian (Ghi chú: thí nghiệm này không cho phép thu được giá trị tin cậy của hệ số cố kết Cv) Từ đó tính được t100

Tính giá trị t100 (phút) và thời gian tối thiểu đến khia phá hủy, tức là thời gian huy động sức kháng cắt cực đại của mẫu tf (phút) bằng phương trình sau: tf = 12.7t100

Nếu ước lượng sự dịch chuyển tương đối ở điểm phá hoại là d (mm) thì vận tốc máy cắt không được quá d/tf (mm/phút)

Đối với đất có hệ số thấm lớn như cát sạch thì thời gian phá hoại mẫu cũng không được nhỏ hơn 5 đến 10 phút (BS)

Hệ số cố kết được tính như sau: Cv = (0.1 x H2)/t100 (m2/năm)

Hình 10: Sơ đồ thí nghiệm xác định t 100

Đối với đất có tính thấm tương đối cao có thể cho thời gian phá hủy tính toán ngắn Tuy nhiên, thời gian phá hủy không thể ít hơn 2 giờ

Tốc độ cắt được tính như sau: dr = df / tf

Trong đó: tf : Thời gian mẫu bị phá hoại (phút)

df : Khoảng dịch chuyển ngang khi mẫu bị phá hoại

dr : Tốc độ cắt

Ứng suất cắt trên mặt phẳng bị cắt sẽ là (Cr x R)/ Ao) x 1000 Kpa Trong đó: Cr: Hệ số vòng (N/vạch)

R: Hệ số đọc của vòng lực (vạch)

Ao: Tiết diện ngang mẫu đất (mm2) Giá trị lớn nhất của R, τ = τf

c Tiêu chuẩn ASTM D3080:

Phương pháp cắt tiêu chuẩn này cũng tương tự như tiêu chuẩn Việt Nam Tiêu chuẩn ASTM D3080 có cách xác định tốc độ cắt như sau: Tốc độ cắt được lựa chọn phải đảm bảo đủ chậm để không làm xuất hiện áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong quá trình cắt Công thức sau đây cho biết cách xác định thời gian mẫu bị phá hoại và từ đó xác định tốc độ cắt cho từng mẫu đất

Ta có tf = 50t50

Trong đó: + tf : Thời gian mẫu bị phá hoại (phút)

+ t50 : Thời gian mẫu đạt được cố kết 50% dưới một ứng suất chuẩn (phút)

Nếu dùng phương pháp căn bậc 2 của thời gian (√t), t50 được tính dựa

vào thời gian cố kết 90% của mẫu đất như sau : t 50 = t 90 /4.28

Trong đó: + tf : Thời gian mẫu bị phá hoại (phút)

+ t90 : Thời gian mẫu đất đạt được cố kết 90% dưới một ứng suất chuẩn (phút)

+ 4.28 : Là hệ số quan hệ giữa thời gian cố kết được 90% và 50%

Nếu đất có huynh hướng trương nở, mẫu đất phải được cho ngập trong nước và cấp tải trọng chuẩn phải có độ lớn đủ lớn để có thể khử được sự trương nở Tập hợp các đường cong nén lún – thời gian theo các cấp tải trọng được vẽ và chọn ra đường cong thích hợp nhất để xác định thời gian phá hủy mẫu tf

Đối với một số loại đất không thể vẽ được đường cong nén lún chúng ta

có thể dùng thời gian dự đoán mẫu bị phá hủy (tf) Các thời gian này có thể được kiểm chứng bằng các kết quả khác nhau Ví dụ như đối với đất cát chặt hệ số thấm lớn, thời gian 10 phút có thể được chọn làm tf đối với cát lẫn 5% bột thì thời gian 60 phút được chọn làm tf

Tốc độ cắt được tính tương tự như các tiêu chuẩn trên: dr = df/tf

df : Phụ thuộc vào loại đất và ứng suất tiền cố kết của đất Đất hạt mịn

cố kết thường chọn df = 12mm, các loại khác chọn df = 5mm

6 Ứng dụng các kết quả thí nghiệm trong thiết kế :

a Đối với các thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước: Phương pháp này phù hợp với ứng xử của đất nền ở giai đoạn ngay sau khi xây xong với các loại đất nền có hệ số thấm nhỏ Các đặc trưng chống cắt φc và Cu được xác định theo …… không xét đến ứng suất hữu hiệu, nên giá trị … không xét đến lực đẩy nối

b Kết quả thí nghiệm theo sơ đồ UU có thể được tóm tắt như sau :

Công trình và giai đoạn làm

việc tương ứng Sức chống cắt UU

Thi công nhanh công trình đất Sức chống cắt ngay sau khi gia tải

đắp trên nền sét mềm không thoát nước, nền sét mềm chưa

cố kết hoàn toàn bởi trọng lượng bản thân (NC)

Đập đất kích thước lớn thi công

nhanh, độ ẩm của lõi không kịp

thay đổi

Sức chống cắt không thoát nước của lõi sét đầm chặt của đập

Móng nông thi công nhanh trên

nền sét

Sức chịu tải phụ thuộc sức chống cắt không thoát nước

Thi công công trình đất đắp từng

lớp thật chậm trên nền sét mềm

Sức chống cắt tại chỗ có thoát nước sau khi đã cố kết

Đập đất với sự thấm qua thường

trực

Sức chống cắt của lõi đập có thoát nước sau khi đã cố kết

Mái dốc tự nhiên hoặc mái đào

của hố móng

Sức chống cắt tại chỗ có thoát nước sau khi đã cố kết

Móng nông trên nền sét sau khi

lún ổn định

Sức chống cắt tại chỗ có thoát nước sau khi đã cố kết

c Thí nghiệm cắt chậm, không thoát nước (CU):

Công trình và giai đoạn làm

việc tương ứng Sức chống cắt CU

Đắp lớp đất tiếp theo sau khi đã

cho nền cố kết hoàn toàn với lớp

đất đắp trước của công trình đất

đắp, hoặc gia tải từng cấp trong

gia tải trước

Ứng suất chống cắt tại chỗ không thoát nước, ngay sau khi đắp lớp sau

và nền đã cố kết hoàn toàn bởi tải của lớp đắp trước

Xả nước hồ chứa nhanh, lõi

không thấm của đập chưa kịp

thoát nước khi tháo đập

Ứng suất chống cắt lõi đập không thoát nước trong lúc xả nhanh hồ chứa, sau khi lõi đã cố kết hoàn toàn trong sự thấm thường trực

Thi công nhanh công trình đất

đắp trên sườn dốc

Ứng suất chống cắt ngay sau khi gia tải không thoát nước, nền đã cố kết hoàn toàn bởi trọng lượng bản thân trước đó

7 Nhận xét: Thí nghiệm cắt trực tiếp có các ưu điểm như sau:

- Chuẩn bị mẫu đơn giản, đặc biệt là các mẫu rời, ở trạng thái hữu hiệu;

- Có thể thí nghiệm cắt trực tiếp với đất sạn sỏi (khi đó sử dụng dao vòng vuông kích thước lớn)