4 chuong 2 TC co hoc cua dat

Chơng2: tính chất học đất Chơng Các Tính chất học đất Đ1 tính chịu nén đất I thí nghiệm nén đất trờng (Pbt plate bearing test) Giới thiệu khái quát Trong nghiên cứu trạng thái làm việc móng nông, xuất ý tởng cần tiến hành thí nghiệm nén trờng bàn nén tơng tự nh móng nhng có kích thớc nhỏ Qua đó, quan sát đợc trạng thái làm việc bàn nén làm sở suy diễn cho móng nông có kính thớc thực Đó sở xuất loại thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh sử dụng cho kiểm tra thiết kế móng nông nh cho thiết kế tầng phủ mặt đờng giao thông Không đất mà đá ngời ta áp dụng loại thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh nhằm xác định môdun đàn hồi sức kháng cắt khối đá Mục đích nguyên lý thí nghiệm Mục đích để kiểm tra sức chịu tải cho phép đất dới đáy móng qua đánh giá tính bền tính biến dạng đất Nguyên lý thí nghiệm đặt bàn nén, dạng hình tròn vuông, lên mặt lớp đất dự kiến đặt móng (thờng đáy hố đào) tiến hành chất tải lên bàn nén Tải trọng đợc chất tăng dần theo cấp cấp cần quan trắc độ chuyển vị bàn nén chuyển vị xem ổn định tăng cấp Lập biểu đồ đờng cong áp lực độ lún qua xác định ngỡng giới hạn dẻo đất Trong trạng thái giới hạn phá hỏng đất xác định cấp tải trọng bàn nén chuyển vị không ngừng Môdun đàn hồi đất xác định qua đờng cong phạm vi pha đàn hồi Thiết bị thí nghiệm a) Bàn nén Bàn nén đợc chế tạo thép cứng, dạng hình tròn vuông, đờng kính cạnh không nhỏ 20cm, có diện tích khoảng 59 Chơng2: tính chất học đất 0.5~1m2 Bản nén chuẩn, có đờng kính 30cm bàn nén đợc Terzaghi sử dụng nhiều công trình nghiên cứu so sánh Tuy nhiên, để có kết phản ánh sát với thực tế bàn nén cần có kích thớc lớn tốt, khả đối tải cho phép Những kích thớc quy định theo quy phạm quốc gia, thể bảng 2-1 Bảng 2-1: Kích thớc bàn nén theo quy định quốc gia Quốc gia Kích thớc bàn nén (cm) Mỹ 35 47.5 61 76.2 91.5 106.8 Đức 30 60 - - - - Hà Lan 20 40 75 - - - Bỉ 33 43 61 75 - - b) Bộ phận đối tải - Đối tải chất tải lên khung dầm, phận đối tải bao gồm hệ khung chất tải vật chất tải (có thể cục gang, khối bê tông vật tạo trọng lợng thích hợp) - Đối tải neo ngàm khung dầm - Đối tải kết hợp hai phơng pháp c) Bộ phận đo ghi - Đo xác định tải trọng (hay áp lực) : thờng sử dụng kích thuỷ lực có đồng hồ áp lực để xác định tải trọng cấp, đo trọng lợng chất tải - Đo chuyển vị nén: bao gồm hệ giá đỡ làm gỗ thép đồng hồ đo chuyển vị (sử dụng thiên văn kế có độ xác 0.01mm) Tiến hành thí nghiệm a) Bố trí thí nghiệm Việc xác định chiều rộng hố đào khoảng cách điểm neo dỡ tải đến tâm bàn nén, cho hạn chế ảnh hởng đến số đo, đợc bố trí theo hình 2-1 b) Xác định cấp áp lực nén 60 Chơng2: tính chất học đất Khoảng cấp áp lực nén (p) tác dụng phụ thuộc trạng thái đất tiêu chuẩn quy định Thông thờng ngời ta xác định cấp áp lực theo nguyên tắc: p = max 10 (2-1) Trong đó: Pmax - cấp áp lực tối đa dự định thí nghiệm, đợc xác định nh sau: Pmax= (1.5 ữ 2).qa - qa sức chịu tải thiết kế cho móng nông Pmax= qu - qu sức kháng giới hạn móng nông theo tính toán Khi tiêu chí lựa chọn sơ đồ cấp áp lực sau thờng đợc kiến nghị: = 0.4 - 0.8 - 1.2 - 1.6 - 2.0 2.4 2.8 3.2 kg/cm (nếu cần, tiếp tục: 3.6, 4.0) Nh khoảng đến 10 cấp áp lực cần thiết để tiến hành cho thí nghiệm cấp áp lực sau lần cấp áp lực trớc Hình 2-1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm bàn nén (FBT) c) Xác định khoảng thời gian đọc Cứ khoảng thời gian đọc chuyển vị theo sơ đồ ASTM kiến nghị nh sau: Giờ đầu tiên: 10 phút đọc lần Giờ tiếp theo: 15 phút đọc lần Các sau đó: 30 phút đọc lần d) Xác định điều kiện ổn định lún 61 đất Chơng2: tính chất học Quan trắc chuyển vị kết thúc đất đợc xem ổn định Độ ổn định đợc qui ớc tuỳ theo loại đất tiêu chuẩn áp dụng Các giá trị theo ASTM D1194-94, tham khảo: Với đất cát chuyển vị không vợt 0.2mm, với đất sét e) Xác định sơ đồ quan trắc Sơ đồ quan trắc đợc xác định tuỳ theo mục đích thí nghiệm để tìm hiểu trạng thái làm việc đất Có thể phân thành loại: - Sơ đồ quan trắc chu kỳ: nghĩa tiến hành chất tải quan trắc lún đến kết thúc - Sơ đồ quan trắc nhiều chu kỳ: nghĩa tiến hành hai hay nhiều chu kỳ chất dỡ tải trình quan trắc lún Mục đích xác định trạng thái làm việc pha giả đàn hồi đất Thông thờng, thí nghiệm cho thiết kế đờng ngời ta sử dụng sơ đồ nhiều chu kỳ Còn thí nghiệm phục vụ móng nông ngời ta hay dùng sơ đồ chất tải lần cấp áp lực thiết kế f) Thực thí nghiệm Sau chuẩn bị đầy đủ khâu cho thí nghiệm, bớc tiến hành nh sau: - Làm phẳng đáy hố thí nghiệm, rải lớp cát thô dày khoảng 1cm - Đặt bàn nén lắp đặt dụng cụ, đồng hồ đo hiệu chỉnh - Tác dụng cấp áp lực lên bàn nén, để khoảng 30 giây, dỡ tải không - Hiệu chỉnh đồng hồ đo lún không - Gia tải cấp, từ cấp đầu tiến hành quan trắc lún theo sơ đồ quan trắc ấn định cho cấp Trình bày kết Kết thí nghiệm đợc trình bày dới dạng biểu đồ Hai loại biểu đồ cần đợc thể hiện: - Biểu đồ mối quan hệ chuyển vị theo thời gian cấp áp lực Biểu đồ có trục thời gian (có thể vẽ theo thang trực tiếp thang logarit thang bậc hai) - Biểu đồ mối quan hệ áp lực độ lún Diễn dịch kết 62 Chơng2: tính chất học đất Phân tích biểu đồ quan hệ chuyển vị theo cấp áp lực cho phép ta xác định đặc trng sau: a) Xác định ứng suất giới hạn đất dới bàn nén (qu) Thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh mô hình thí nghiệm nén tĩnh móng nông thu nhỏ, nên qua biểu đồ lún cấp áp lực ta hình dung trạng thái làm việc đất dới móng ứng suất giới hạn đất dới bàn nén đợc xác định theo cách: - Xác định ngỡng mỏi (pt) thời điểm giao hai nhánh đàn hồi biến dạng dẻo đờng cong áp lực - độ lún - Xác định giới hạn phá hỏng đất nền: điểm mà tải trọng không tăng nhng độ lún chuyển vị không ngừng theo thời gian - Xác định giới hạn qui ớc: áp lực mà độ lún đạt giá trị qui ớc 1/10 đờng kính bàn nén (hoặc cạnh bàn nén) Giá trị ứng suất giới hạn đất theo thí nghiệm dùng để đánh giá trạng thái làm việc đất dới bàn nén, mà xác định trực tiếp sức chịu tải cho phép móng nông, bị ảnh hởng yếu tố hình dạng kích thớc b) Xác định ứng suất cho phép đất dới bàn nén (pa) ứng suất cho phép đất dới bàn nén xác định cách sau: pa = qu Fs (2-2) Trong đó: qu- ứng suất giới hạn Fs - hệ số an toàn Theo kiến nghị Terzaghi (1948) ứng suất cho phép bàn nén đợc lấy nửa cấp áp lực, mà bàn nén có độ lún 10mm c) Xác định sức chịu tải cho phép móng nông (qa) Trong thực tế, móng nông có kích thớc B L, khác xa so với kích thớc bàn nén Hiệu ứng hình dạng kích thớc móng thực so với bàn nén, đợc Terzaghi tính toán cho loại đất, theo biểu thức sau: - Đối với đất loại cát: B qa = p a 1.6 + 0.7 L (2-3a) - Đối với đất loại sét: B qa = p a 0.77 + 0.23 L (2-3b) d) Xác định độ lún trực tiếp móng nông (Sm) 63 Chơng2: tính chất học đất Độ lún móng nông xác định trực tiế sở độ lún bàn nén, dới tác dụng sức chịu tải cho phép Độ lún móng nông, có bề rộng B, đợc xác định qua độ lún bàn nén theo biểu thức sau: Đối với đất loại cát, sử dụng công thức Kogler: 2B Sm = c f sb R + B (2-4) Đối với đất loại cát, sử dụng công thức Terzaghi: B Sm = c f sb 2R (2-5) Trong đó: Sm- độ lún móng thực tế, có bề rộng B Sb- độ lún bàn nén (ở lực thiết kế, lấy biểu đồ) có bán kính R cf - hệ số hình dạng, hụ thuộc tỷ số B/L, lấy theo bảng sau: Bảng 2-2: Hệ số hình dạng cf Tỷ số B/L 0.5 0.33 0.2 0.1 cf 1.95 2.27 2.68 3.28 e) Xác định môdun biến dạng (Eo) Nếu coi quan hệ P~S tuyến tính, môdun biến dạng (Eo) đợc tính theo công thức Lý thuyết đàn hồi nh sau: pF Eo d S = (2-6) Và đó: pF p Eo = = 1.57 R S d S ( ) (2-7) Trong đó: E0 - môđun biến dạng đất - hệ số Poisson hay hệ số nở ngang d - đờng kính nén ; Nếu nén hình vuông d = F R - bán kính nén p - biến thiên cấp áp lực pha đàn hồi S - biến thiên độ lún, tơng ứng với cấ lực nêu 64 Chơng2: tính chất học đất II thí nghiệm nén đất phòng (oct- one dimensional compression test) Khái quát chung Độ lún đất hạt mịn bão hoà nớc, dới tác dụng tải trọng, xảy tợng cố kết Thí nghiệm mô tợng cố kết đất gọi thí nghiệm nén trục (OCT: One dimensional Conpression Test), thí nghiệm nén cố kết, thí nghiệm nén lún Thí nghiệm nén cố kết nhằm mục đích nghiên cứu trình cố kết theo lý thuyết Terzaghi Thí nghiệm xác định độ lún trình thoát nớc lỗ rỗng mẫu đất dới tải trọng thẳng đứng (tham khảo ASTM D2435) Thí nghiệm OCT dùng cho loại đất cát đất loại sét có kết cấu nguyên dạng, chế bị mẫu trạng thái bão hoà nớc Xác định tính nén lún đất (giảm thể tích lỗ rỗng) dới tác dụng tải trọng thẳng đứng lên mẫu theo cấp (áp lực) Kết thí nghiệm thành lập đợc đồ thị quan hệ e~p() (đờng cong nén lún), e~log() (đờng cong cố kết), S~t cấp tải trọng, đồng thời xác định đặc trng biến dạng khác đất nh: hệ số nén lún (a), môdun biến dạng (E), hệ số cố kết Cv Thiết bị phơng thức tiến hành a) Thiết bị thí nghiệm (1) (2) Máy nén đất hòng (oedometer) gồm phận chủ yếu hộp đựng mẫu đồng, đựng mẫu đất, mẫu thờng có dạng hình trụ, dụng cụ lấy mẫu nguyên dạng, dao cắt đất, đồng hồ bấm giây, tủ sấy, cân kỹ thuật, giấy thấm Chú ý thao tác yêu cầu máy nén: - Tải trọng truyền vào nén theo phơng thẳng đứng nén Rửa đá thấm để nớc lu thông dễ dàng Phải kiểm tra độ khít, độ phẳng bàn máy, cân phận truyền áp lực Trong trình thử phải giữ máy điều kiện tĩnh không bị rung hay va đập - Mỗi năm điều chỉnh máy lần, có hiệu chỉnh biến dạng máy, thông số dao vòng (3) Đất loại sét đất loại cát (không lẫn sỏi sạn) đờng kính mẫu thử dao vòng d 50mm, đất lẫn sỏi sạn phải dùng dao vòng có đờng kính d 70mm Khi thí nghiệm lấy mẫu bão hoà nên dùng nớc có đặc tính giống nớc nơi lấy mẫu 65 Chơng2: tính chất học đất Hình 2-2: Sơ đồ bố trí thíêt bị thí nghiệm nén trục (OCT) (4) Cấp tải trọng ban đầu lấy nhỏ áp lực tự nhiên (mẫu đất nguyên dạng), nh sau: - Đất mực nớc ngầm đồng nhất: p1 = 0.1 * z (kG/cm2) (2-8a) - Đất dới mực nớc ngầm lấy: p1 = [ ( z h )( bh n ) + h ] (kG/cm2) (2-8b) Trong đó: z - chiều sâu lấy mẫu (m) h - độ sâu mực nớc ngầm tính từ mặt đất (m) - khối lợng thể tích đất mực nớc ngầm (T/m3) bh - khối lợng thể tích đất dới mực nớc ngầm (T/m3) n - khối lợng riêng nớc (T/m3) - Đất chế bị vào độ chặt trạng thái ban đầu mẫu chế bị để quy định - Đất sét yếu chọn cấp tải cho kết cấu đất không bị phá hoại Khi độ sâu lấy mẫu nguyên dạng 5m p1 0.5 kG/cm2 (sét dẻo), đất dẻo mềm lấy bé - Cấp áp lực cuối phải lớn áp lực thiết kế công trình áp lực tự nhiên độ sâu lấy mẫu 15% Mẫu chế bị, cấp áp lực cuối phải lớn áp lực thiết kế công trình 1~2 kG/cm2 - Thông thờng trị số cấp áp lực sau lần cấp áp lực trớc đó: Đất sét dẻo chảy chảy: 3.0 kG/cm2 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.75, 1.0, 2.0, Đất sét dẻo dẻo mềm: 0.25, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0 4.0 kG/cm2 66 Chơng2: tính chất học đất (5) Mỗi mẫu thử số cấp áp lực không đợc cấp, cấp áp lực phải giữ đến ổn định qui ớc lún đợc chuyển sang cấp Qui định ổn định qui ớc lún theo loại đất: - Đối với đất cát, đạt độ lún 0.01mm 30; - Đối với cát pha : sau ; - Với sét pha sét có Ip< 30: sau 12 ; - Các loại đất khác có Ip> 30 thời gian ổn định không 24 (6) Tiến hành xác định độ ẩm ban đầu (W o) khối lợng thể tích () mẫu đất thử (7) Cân chỉnh xác định biến dạng máy nén trớc tiến hành thí nghiệm b) Chuẩn bị mẫu đất (1) Mẫu đất nguyên dạng: tiến hành lấy mẫu đất vào dao vòng nh thử nghiệm xác định khối lợng thể tích tự nhiên phơng pháp dao vòng để xác định đợc () độ ẩm (W) trớc thử (2) Mẫu đất không nguyên dạng: lấy mẫu trung bình có khối lợng khoảng 200g từ đất đá đợc giã sơ bộ, loại bỏ sỏi sạn tạp chất để chế bị mẫu Lấy khoảng 10g để xác định độ ẩm ban đầu (W) c) Trình tự thí nghiệm (1) Đặt dao vòng vào hộp nén Đặt viên đá thấm đợc bão hoà nớc vào đáy hộp nén đặt giấy thấm lên đá thấm Đặt dao vòng có chứa mẫu đất lọt vào hộp nén (phía lỡi dao vòng xuống dới), sau đặt lại giấy thấm đá thấm đợc bão hoà nớc lên mặt mẫu đất Cuối đặt nén lên đá thấm (2) Hộp nén đợc đặt vào khung truyền lực điều chỉnh cho viên bi truyền lực vào tâm nén (3) Cắm chốt truyền biến dạng mẫu đất vào khung truyền lực qua lỗ ngang khung Lắp đồng hồ đo biến dạng vị trí ban đầu số (4) Tải trọng tác dụng lên mẫu cấp cân tác dụng lên khung truyền lực tính theo công thức: m= PF mo f (kg) (2-9) Trong đó: m - khối lợng cân quang treo (kg) P - cấp áp lực tác dụng lên mẫu đất (kG/cm2) 67 Chơng2: tính chất học đất F - tiết diện mẫu đất (cm2) f - hệ số truyền lực khung truyền lực (5) Tăng tải trọng theo cấp cách thêm cân vào quang treo khung truyền lực (tính theo công thức trên) theo dõi biến dạng lún mẫu đồng hồ đo biến dạng cấp tải trọng 15 giây sau gia tải vào thời điểm 1, 2, 4, 8, 15, 30 60 đạt độ lún ổn định qui ớc Khi không cần nghiên cứu tốc độ lún theo dõi trị số biến dạng thời điểm: 10, 20, 30, 1h, 2h, 23h, 24h đạt độ ổn định qui ớc lún cấp tải trọng phải theo dõi theo qui định (6) Trong trờng hợp nén nhanh (công trình không quan trọng, không đòi hỏi tính xác cao việc xác định độ lún đợc đồng ý quan thiết kế), cấp tải trọng giữ thời gian giờ, cấp cuối tiếp tục giữ biến dạng nén mẫu đất đạt đến ổn định qui ớc Sau phải có hiệu chỉnh kết thích hợp Ghi kết thí nghiệm vào Bảng 2-3 Bảng 2-3: Kết thí nghiệm Cấ tải trọng P (kG/cm2 ) Thời gian đọc (hút) Số đọc đồng hồ đo biến dạng (mm) (1) (2) (3) Trị số biến dạng máy Ym(mm ) Biến dạng mẫu đất Yp(mm ) Hệ số rỗng ei Hệ số nén lún a (cm2/kG ) Môdun biến dạng E (kG/cm2 ) Hệ số biến dạng ep (mm/m) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (7) Khi thí nghiệm mẫu đất trạng thái bão hoà nớc cho nớc vào hộp nén theo ống dẫn chân hộp nén để nớc thấm dần từ dới lên Thời gian giữ đất trạng thái bão hoà tuỳ theo loại đất: 10 đất cát; cát pha sét pha (có I P 12) đất sét (có I P 22) ; 24 đất sét (có I P = 22-35) ; 24 đất sét (có IP > 35) Trong thời gian bão hoà phải hãm mẫu không cho đất nở theo dõi số đọc đồng hồ đo biến dạng, thấy dịch chuyển phải chỉnh lại vít hãm để kim trở lại vị trí ban đầu trớc làm bão hoà mẫu thử Dùng ớt phủ lên mẫu đất để tránh mẫu bị khô Nếu mẫu đất tự nhiên trạng thái bão hoà đổ thêm nớc cho ngập mẫu đất (8) Sau kết thúc cấp tải trọng cuối cùng, tiến hành dỡ tải theo cấp tải cách lấy bớt cân quang treo, lần 25% cấp tải trọng cuối Bấm đồng hồ biến dạng theo dõi độ phục hồi 68 Chơng2: tính chất học đất Nh biết từ môn Sức bền vật liệu, ứng suất cắt theo tất phơng nhỏ < f đất ở trạng thái an toàn Vòng tròn Morh ứng suất điểm nằm dới đờng sức chống cắt Nếu có điểm nền, ứng suất cắt gây trợt theo phơng đó, có nghĩa = f vòng tròn Mohr ứng suất tiếp xúc với đờng sức chống cắt điểm gọi điều kiện cân giới hạn (hình 2-21) Điều kiện cân Morh-Rankine Theo lý thuyết vẽ vòng tròn Morh ứng suất Nếu biết giá trị hai ứng suất lớn điểm đất, dùng hai ứng suất vễ đợc vòng tròn Mohr nh hình 2-21 trạng thái cân giới hạn, điểm xét có = f Rankine đặt vấn đề tìm xem điểm trạng thái cân bằnd giới hạn xảy trợt biểu quan hệ ứng suất điểm nh nào? Xét điểm M đất Giả sử có tợng trợt tức = f., có ứng suất nên vẽ đợc vòng tròn Morh ứng suất Vòng tròn Morh tiếp xúc với đờng f = .tg + c điểm D Ta viết đẳng thức sau: CD CD sin = = = AC A0 + 0C + + c cot g sin = + + 2c cot g (2-92) Khi c = (đất cát) công thức (2-92) viết lại thành: sin = + (2-93) Biểu thức (2-92) Điều kiện cân giới hạn Morh-Rankine điểm biểu qua ứng suất tác dụng điểm đất Có nghĩa là, ứng suất điểm thoả mãn điều kiện (2-92) điểm có tợng đất bắt đầu bị trợt 113 Chơng2: tính chất học đất + tg f = c D c E ctg C F Hình 2-21: Vòng tròn Mohr-Rankine trạng thái cân giới hạn Công thức (2-92) viết thành: (1 sin ) = (1 + sin ) + 2c cos Chia hai cho (1-sin), ta đợc: = (1 + sin ) cos + 2c (1 sin ) (1 sin ) Biến đổi lợng giác, biết rằng: (1 + sin ) sin 90 + sin = = tg 45 + (1 sin ) sin 90 sin cos sin(90 ) = = tg 450 + (1 sin ) sin 90 sin Vậy: = 3tg 45 + + 2c.tg 45 + 2 (2-94) Điều kiện cân giới hạn đợc biểu diễn qua quan hệ ứng suất thành phần theo trục toạ độ (XOY) Nh biết, ứng suất đợc tính theo ứng suất trục nh sau: 1,3 = Z + X X Z + ZX 2 (2-95) Thay (2-95) vào (2-92) ta đợc: sin = ( Z X ) + ZX ( Z + X + 2c cot g ) (2-96) 114 đất Chơng2: tính chất học Xác định phơng mặt trợt Nếu ta nối điểm B với D theo phơng pháp Morh phơng ứng suất pháp tác dụng thẳng góc với mặt trợt làm với phơng ứng suất lớn góc = 45 + Do ứng suất tiếp nằm mặt trợt hợp với phơng ứng suất góc = 90 45 + = 45 Do đối xứng nên có hai mặt trợt hợp với phơng ứng 2 suất lớn góc: 45 V Các nhân tố ảnh hởng đến sức chống cắt Thành phần khoáng, hình dạng cấp phối hạt Đối với đất cát vai trò hình dạng cấp phối hạt đáng kể, hạt to, hình dạng gồ ghề cờng độ chống cắt lớn Đối với đất sét, yếu tố thành phần khoáng có ảnh hởng lớn cả, thành phần khoáng định chiều dày độ nhớt lớp nớc màng mỏng xung quanh hạt, ảnh hởng đến lực dính cờng độ chống cắt đất áp lực có hiệu theo chiều pháp tuyến đất cát, yếu tố tạo thành cờng độ chống cắt lực ma sát, mà ma sát tỉ lệ với áp lực, tức ứng suất pháp có hiệu đất sét, cờng độ chống cắt chủ yếu lực dính tạo thành, áp lực có hiệu tác dụng làm tăng liên kết dính hạt đất sét, cờng độ chống cắt đất tăng lên Độ chặt ban đầu (đối với đất cát) Đối với đất cát chặt lực ma sát lực hóc hạt lớn, cờng độ chống cắt đất lớn đất cát rời, trái lại, lực ma sát lực hóc hạt bé cờng độ chống cắt đất bé Độ ẩm (đối với đất sét) 115 Chơng2: tính chất học đất Đối với đất cát, thí nghiệm rằng, góc ma sát hạt đất khô ớt khác (chỉ khoảng ~ 20), nên ảnh hởng độ ẩm đến cờng độ chống cắt nhỏ Đối với đất sét, độ ẩm lớn, chiều dày lớp nớc màng mỏng lớn, độ chặt nh lực dính hạt giảm xuống cờng độ chống cắt bé Độ ẩm đất sét gắn liền với tình hình tăng tải, tình hình thoát nớc trình cố kết, nên nhân tố có ảnh hởng đến cờng độ chống cắt đất Ví dụ minh hoạ Ví dụ 17 Trong thí nghiệm ba trục cố kết - không thoát nớc cho mẫu đất sét cố kết bình thờng áp lực buồng 150 kN/m 2, độ lệch ứng suất cực hạn 260 kN/m2 áp lực nớc lỗ rỗng cực hạn 50 kN/m2 Hãy vẽ đờng bao độ bền chống cắt thích đáng xác định thông số tơng ứng khác khi: a) u= b) c= Bài giải: a) Trờng hợp u= 0: theo đầu bài, ta có: = 150 kN/m2 ; = 260 kN/m2 Vậy: = 3+ = 410 kN/m2 Đờng sức chống cắt trờng hợp u= đờng nằm ngang, tính đợc cu: b) Trờng cu = = 130 kN/m2 hợp c= 0, theo kết từ phần trên, tính ứng suất hiệu quả: = u = 150 50 = 100 kN/m2 = u = 410 50 = 360 kN/m2 * Cách 1: Theo điều kiện cân giới hạn Mohr - Rankine: = 3tg2(45+ ' ' ) + 2ctg(45+ ) 2 360 = 100 tg2(45+ ' ) rút đợc = 34 116 Chơng2: tính chất học đất * Cách 2: Từ hình b VD16, ta thấy c = 0, nên đờng sức chống cắt qua gốc toạ độ, nên ta có: 1' 3' 360 100 R 2 sin ' = = = = 0.5652 kết = 34 ' ' 360 100 T ' 100 + + 2 f u = f = cu ' 'tg = c' =0 cu R 150 400 '3 ' '3 100 a) Trờng hợp u= 230 360 b) Trờng hợp c= Hình VD17: Đờng sức chống cắt đất Ví dụ 18 Các thông số độ bền chống cắt đất sét cố kết bình thờng tìm đợc c= = 26 Thí nghiệm ba trục tiến hành cho mẫu đất cho kết nh sau: a) Thí nghiệm 1: Mẫu đất đợc cố kết dới ứng suất đẳng hớng 200 kN/m2 giai đoạn đặt tải trọng dọc trục không thoát nớc Hãy xác định độ lệch ứng suất cực hạn áp lực nớc lỗ rỗng cuối đo đợc 50 kN/m2 b) Thí nghiệm 2: Mẫu đợc cố kết dới ứng suất đẳng hớng 200 kN/m2 giai đoạn đặt tải trọng dọc trục cho thoát nớc với áp lực lùi lại giữ không Hãy tính độ lệch ứng suất cực hạn c) Thí nghiệm 3: Cả hai giai đoạn thoát nớc Hãy xác định áp lực nớc lỗ rỗng mẫu đạt độ lệch ứng suất giới hạn 148 kN/m Giả thiết mẫu bão hoà Bài giải: a) Trờng hợp thí nghiệm 1: biết = 200 kN/m2 ; u = 50 kN/m2 Vậy: = u = 200 50 = 150 kN/m2 Theo điều kiện cân giới hạn Mohr - Rankine ý điều kiện c = 0: = 3tg2(45 + ' ) 1= 150*tg2(45 + 26 ) = 384 kN/m2 Độ lệch ứng suất cực hạn: = 1- = 384 150 = 234 kN/m2 117 Chơng2: tính chất học đất b) Trờng hợp thí nghiệm 2: biết = 200 kN/m2 ; u = kN/m2 Vậy: = = 200 kN/m2 Theo điều kiện cân giới hạn Mohr - Rankine: = 3tg2(45 + ' 26 ) 1= 200*tg2(45 + ) = 512 kN/m2 2 Độ lệch ứng suất cực hạn: = - = 512 200 = 312 kN/m2 c) Trờng hợp thí nghiệm 3: biết = 148 kN/m2 Theo điều kiện cân giới hạn Mohr - Rankine: 1= 3tg2(45+ ' 26 ) 1= 3tg2(45 + ) = 3tg258 2 Mặt khác: = + = 3+ 148 (1) (2) Từ (1) (2) giải đợc: 3+ 148 = 3tg258 95 kN/m2 Vậy áp lực nớc lỗ rỗng là: u = - = 200 95= 105 kN/m2 Ví dụ 19 Một số thí nghiệm nén ba trục không cố kết- không thoát nớc đất sét bão hoà nớc cho kết mẫu bị phá hoại bảng sau Hãy xác định đặc trng cờng độ chống cắt đất Mẫu số áp lực buồng (kN/m2) 200 400 600 Độ lệch ứng suất (kN/m2) 222 218 220 Bài giải: Có thể tính ứng suất theo công thức: = + đợc ghi vào bảng sau: Mẫu số ứng suất (kN/m2) 422 618 820 118 Chơng2: tính chất học đất f= cu u=0 cu =110 31 32 200 11 400 422 33 12 13 600 618 820 Hình VD19: Đờng sức chống cắt đất Đờng sức chống cắt đợc vẽ nh hình VD19 Nhận thấy giá trị mẫu đất gần nh nên tiếp tuyến chung đờng tròn song song với đờng Do đó: u = và: cu = = 110 kN/m2 Ví dụ 20 Thí nghiệm nén ba trục mẫu đất sét bão hoà nớc có đờng kính ban đầu 38 mm chiều cao ban đầu 76 mm Kết thí nghiệm cho bảng sau Hãy xác định tiêu chống cắt c, áp suất nén nớc (kN/m2) 200 400 600 Biến dạng dọc trục L (mm) 7.22 8.36 9.41 Tải trọng dọc trục giới hạn P (N) 480 895 1300 Biến dạng thể tích V (ml) 5.25 7.40 9.30 Bài giải: Diện tích mặt cắt ngang mẫu bị phá hoại: F = Fo V L d 3.14 * 38 = = 1133 54 (mm2) diện tích mặt cắt ngang ban 4 L V đầu mẫu đất V = biến dạng thể tích tơng đối; L = biến L0 Vo Trong đó: F0 = dạng dài tơng đối 119 Chơng2: tính chất học đất Thể tích ban đầu mẫu đất: V0 = F0 L0 = 1133 54 * 76 = 86149 (mm2) Lập bảng kết quả: (kN/m2) L 200 = P A V F (mm2) (kN/m ) (kN/m2) 0.095 0.061 1176 408 608 400 0.110 0.086 1164 769 1169 600 0.124 0.108 1154 1127 1727 1' 3' R sin ' = = ' T 3' 3' + 2 sin12 = 0.474 sin13 = 0.473 sin23 = 0.472 c'=16 Chọn = sin-10.473= 28 Theo điều kiện cân giới hạn Mohr - Rankine: = 3tg2(45+ '31 200 '32 400 '33 '11 '12 600 608 '13 1169 1727 Hình VD20: Đờng sức chống cắt đất ' ' ) + 2ctg(45+ ) c= 16 kN/m2 2 Ví dụ 21 (Olympic 2003) Xác định đặc trng kháng cắt lớp đất sét bão hoà cách thí nghiệm nén trục cho mẫu đất lấy từ lớp đất Các mẫu đất đợc cho cố kết từ áp lực buồng 200 400 kPa sau chịu tải trọng dọc trục gia tăng phá hoại điều kiện thể tích không đổi có đo áp lực nớc lỗ rỗng Kết thí nghiệm cho bảng Mẫu (kPa) (kPa) u (kPa) 200 150 140 400 300 280 Hãy tìm đặc trng chống cắt đất nhận xét đất thuộc loại cố kết hay cố kết thông thờng Bài giải: 120 Chơng2: tính chất học đất Với thí nghiệm (có đo áp lực nớc lỗ rỗng u) ta xác định đặc trng kháng cắt đất điều kiện ứng suất tổng (c cu, cu) điều kiện ứng suất hữu hiệu (c, ) Các thông số khác đợc tính theo công thức: = + ; 1' = 3' + ; 3' = Kết đợc ghi bảng sau: Mẫu (kPa) (kPa) u (kPa) (kPa) (kPa) (kPa) 200 150 140 350 60 210 400 300 280 700 120 420 a) Với ứng suất tổng: Theo điều kiện cân giới hạn Mohr - Rankine: cu )+ 2ccutg(45+ cu ) 2 - Từ thí nghiệm 1: 350 = 200 tg2(45+ cu ) + 2ccutg(45+ - Từ thí nghiệm 2: 700 = 400 tg2(45+ cu ) + 2ccutg(45+ = 3tg2(45+ cu ) ` cu ) (1) (2) Từ hai phơng trình (1) (2) với ẩn số ccu cu, giải hệ phơng trình nhận đợc kết quả: Góc ma sát cu= 1542 ; cờng độ lực dính không thoát nớc: ccu b) Với ứng suất có hiệu: Theo điều kiện cân giới hạn Mohr - Rankine: 1= 3.tg2(45+ ' ' ) + 2c.tg(45 + ) 2 - Từ thí nghiệm 1: 210 = 60 tg2(45 + ' ' ) + 2c.tg(45 + ) 2 - Từ thí nghiệm 2: 420 = 120 tg2(45 + ' ' ) + 2c.tg(45 + ) 2 (3) (4) Từ hai phơng trình (3) (4) với ẩn số c , giải hệ phơng trình nhận đợc kết quả: Góc ma sát = 3345 ; cờng độ lực dính không thoát nớc: c= Hai thí nghiệm thấy c > cu nên đất thuộc loại cố kết bình thờng 121 Chơng2: tính chất học đất (Có thể dựa vào phơng pháp vẽ vòng tròn Mohr ứng suất để xác định đờng sức chống cắt tìm đợc kết nh trên) Đ4 Thí nghiệm đầm chặt đất I Thí nghiệm đầm chặt đất (SCT Soil compaction test) Thí nghiệm đầm chặt đất (SCT Soil Compaction Test) đợc sử dụng để xác định dung trọng khô cực đại đất dới lợng đầm định độ ẩm tơng ứng lợng Thí nghiệm cung cấp dung trọng chuẩn làm sở đánh giá dung trọng đạt đợc độ ẩm tối u thi công lu đầm trờng Chi tiết bớc tiến hành thí nghiệm đầm chặt đất tham khảo Tiêu chuẩn ASTM D 698 Thiết bị thí nghiệm Một cối đầm tiêu chuẩn gồm thành phần sau: cối, đế có khoá hãm trọng lợng đợc xác định trớc; Chày đầm có kính thớc, trọng lợng hành trình đầm tuỳ theo tiêu chuẩn qui định Đi kèm theo có vòng bao thành phần lắp phụ thêm sử dụng đầm Hình 2-22a thiết bị đầm chặt thủ công Chi tiết kích thứơc lợng đầm sử dụng theo tiêu chuẩn khác đợc thể bảng 2-8 122 Chơng2: tính chất học đất a) Sơ đồ thiết bị đầm thủ công b) Biểu đồ thí nghiệm đầm chặt Hình 2-22: Thiết bị biểu đồ kết thí nghiệm đầm chặt Phơng thức thí nghiệm Mẫu đất, sau đợc hong khô gió, sàng qua cỡ rây 20mm (0.75) trộn với lợng nớc định Lợng nớc cần thiết trộn với đất đợc ớc lợng dựa theo kinh nghiệm Đất chế bị đợc cho vào cối đầm với số lớp số búa đầm lớp tuân theo tiêu chuẩn ấn định trớc Sử dụng chày đầm tiêu chuẩn phơng thức đầm dùng thủ công, giới Về kính thớc cối đầm, chày đầm số búa đầm cho lớp phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật tiêu chuẩn Lợng đất sử dụng để đầm chặt cần phải đủ để đầy cối cao lên không 6mm tháo thành cối phụ Sau đầm xong, bỏ thành chắn ra, dùng dao sắc cạo phẳng bề mặt, đem cân cối đất Sau đó, lấy đất cối ra, lấy phần làm mẫu đất để thí nghiệm độ ẩm Cứ nh tiến hành lần riêng biệt để xác định giá trị độ ẩm Biết đợc trọng lợng đất lần đầm độ ẩm tơng ứng cho phép ta xác định đợc dung trọng khô Hình (2-22b) thể mối quan hệ dung trọng khô độ ẩm lần đầm, xác định đợc giá trị dung trọng khô cực đại (Maximum Dry Density MDD) độ ẩm tối u (Optimum Moisture Content OMC) Bảng 2-8: Kích thớc trọng lợng cối đầm theo tiêu chuẩn Tiêu chuẩn thí nghiệm Đặc trng cối Thể Đờng Chiều Đặc trng chày Trọng Hành Số lớp đất Số lần đầm 123 Chơng2: tính chất học đất tích V (cm3) kính D (mm) cao H (mm) lợng (kg) trình F (mm) BS Test 12 1.000 105 115.5 2.5 300 cho lớp 27 1377 Test 12 (hiệu chỉnh) 2.320 152 127.0 2.5 300 62 Test 13 1.000 105 115.5 4.5 450 27 1975 Test 13 (hiệu chỉnh) 2.320 152 127.0 4.5 450 62 AASTHO T 145 940 101.5 116.4 2.50 304.8 25 T 180 940 101.5 116.4 4.54 457.2 25 T 180 (hiệu chỉnh) 2.320 152 127.0 4.54 457.2 56 A 1.000 100 127 2.5 300 B 1.000 100 127 2.5 300 Cải tiến 2.243 125 127 4.5 450 TCVN 4201 1995 Xem ghi 55 Ghi chú: * Số lần đầm theo TCVN (cho cối loại A, B) nh sau: - Cát, cát pha: - Sét, sét pha với IP < 30 - Đất sét với IP > 30 n = 25 n = 40 n =5 * Đờng kính đế đầm cối A: 100m, cối B: 50mm ; cối cải tiến: 50mm Một số lu ý Mô tả phơng thức thí nghiệm chủ yếu thích hợp cho đất loại sét, với hàm lợng nhỏ vật liệu có kích cỡ lớn 20mm Việc lựa chọn thích hợp cối đầm phụ thuộc vào mức độ thô hạt đất Với đất rời (cát sạn) đầm thờng làm hạt đổi chỗ thay làm chặt chúng lại kết dung trọng thu đợc lại nhỏ so với lúc trờng Để khắc phục tình trạng ngời ta sử dụng phơng pháp đầm rung thay cho đầm tiêu chuẩn Đầm rung đợc tiến hành vòng 60 giây cho lớp đất với lực đầm 30 ~ 40kg Đối với đất sạn sỏi ta không làm phẳng đất mặt cối đầm Thay vào xác định giá trị trung bình chiều cao đất cối vành bao 124 Chơng2: tính chất học đất Đối với cát kết để vẽ đờng cong quan hệ dung trọng khô độ ẩm thờng thấp xác định đợc điểm cực đại tồn hai điểm cực đại Đôi điểm độ ẩm không giá trị dung trọng khô lại cao Với tính chất ngời ta đầm chặt cát trạng thái khô vùng hoang mạc Với đất dễ mềm tơi (đất tàn tích), có xu hớng tơi trình đầm, nên vật liệu thay cần đợc sử dụng cho lần xác định độ ẩm II Hệ số đầm chặt đất (k) Độ chặt đất thờng đợc thi công loại máy lu lèn với số lần lại thích hợp để đạt đợc độ chặt định Độ lu lèn máy thi công trờng khó lèn chặt kết thí nghiệm phòng Để đánh giá độ đầm chặt đất trờng, thờng sử dụng hệ số đầm chặt: kht kht K= P = P k k (2-97) Trong đó: K - hệ số đầm chặt ( ) htk kht - trọng lợng thể tích (hay khối lợng thể tích) khô xác định sau đầm lèn trờng kP ( kP ) - trọng lợng thể tích (hay khối lợng thể tích) khô xác định phòng thí nghiệm cối đầm Với đờng đắp thờng giá trị K yêu cầu từ 0.95 ~ 0.98 Ví dụ minh hoạ Ví dụ 22 Trong thí nghiệm đầm chặt cho loại đất dùng để đắp đờng, số liệu thí nghiệm cho bảng sau biết thể tích khuôn 1000cm Mẫu số Khối lợng đất (kg) Độ ẩm (%) 1.80 1.95 2.04 2.10 2.02 1.93 19 20 21 22 23 24 125 Chơng2: tính chất học đất Hãy vẽ đờng cong quan hệ khối lợng thể tích khô-độ ẩm, từ xác định trọng lợng thể tích khô độ ẩm tốt cho loại đất nói Nếu cho biết khối l ợng ht thể tích khô đất trờng k = 1.65 g/cm3, tính hệ số đầm chặt loại đất Bài giải: * Vẽ biểu đồ quan hệ W~ k Để vẽ đợc đồ thị K ( K) với W cần phải tính khối lợng thể tích khô, kết đợc ghi vào dóng thứ bảng (chú ý khối lợng nên đổi thành (g) Công thức tính: k = m = ; Biết: V = 1000 cm3 Biểu đồ (1 + 0.01W ) V (1 + 0.01W ) quan hệ thể hình VD21 Mẫu số Khối lợng đất (g) Độ ẩm W (%) K (g/cm3) 1820 1950 2060 2100 2020 1910 19 20 21 22 23 24 1.53 1.63 1.70 1.72 1.64 1.54 k 1.80 kmax 1.73 1.70 1.60 1.50 21.5 1.40 19 20 21 22 23 24 W% Hình VD22: Biểu đồ quan hệ K ~ W Trên biểu đồ ta thấy W = 21.55 khối lợng thể tích khô đạt giá trị lớn Kmax = 1.73 g/cm3 * Hệ số đầm chặt đợc tính theo công thức: 126 Chơng2: tính chất học đất kht 1.65 K= P = = 0.954 k 1.73 127 ... đờng cong (hình 2 -4) , ta có: e1 e2 = CC ( log log ) = CC log e2 e1 CC = ( log log ) (2- 27) (2- 28) Từ công thức (2- 25) ta rút biểu thức tính lún: S = h = CC log + e0 (2- 29) 74 Chơng2:... xác định hệ số nén lún (2- 14) , ta viết: e1 e2 = a ( p p1 ) = ap (2- 20) Thay biểu thức (2- 21) vào biểu thức (2- 20), đợc kết quả: S= a ph1 + e1 (2- 21a) S = ao ph1 (2- 21b) Và ý đến quan hệ lấy... p2=p (cấp tải trọng cuối cùng) Kết công thức tính độ lún cuối là: S= a ph 1+ e1 (2- 22a) S = ao ph Hay: S= (2- 22b) e1 e2 h + e1 (2- 23) c) Xác định môdun tổng biến dạng (E0) E0 = + eo a 12 = 2.