Trong lĩnh vực Địa chất công trình - Địa kỹ thuật (ĐCCT - ĐKT), chúng ta sẽ gặp một số bài toán nhƣ tính toán, xây dựng các biểu đồ thí nghiệm trong phòng (thí nghiệm cắt, nén một trục,...
Trang 1Bài 1 : Xác định khối lợng riêng của đất
I Mục đích yêu cầu thí nghiệm
- Khối lợng riêng của đất γS (g/cm3, t/m3) là khối lợng của một đơn vị thể tích của hạt đất
- Nó phụ thuộc vào thành phần khoáng vật của đất
- Là chỉ tiêu thực nghiệm (trực tiếp) để tính toán và xác định các chỉ tiêu tính toán khác
nh n, e, G
I Dụng cụ thí nghiệm
- Bình tỷ trọng loại 50cm3
- Sáng có lỗ d = 2mm
- Cối sứ, chày cao su
- Cân kỹ thuật
- Bếp cát, nớc cất, nhiệt kế
II Trình tự thí nghiệm :
- Lấy 100g mấu đất thí nghiệm đã đợc sấy khô đem vào cối sứ để giã Đổ đất từ cối cho vào sàng và chia làm 4 phần đều nhau Lấy khoảng 1 phần nhỏ : từ 10 - 15g cho vào bình
tỷ trọng, đem cân khối lợng bình và đất
- Đổ nớc cất vào bình tỷ trọng có đất (1/3 - 1/4 thể tích bình) rồi đem đun sôi từ 30 - 45 phút để phá kết cấu đất và đuổi khí trong lỗ rỗng ra khỏi đất
- Lấy bình tỷ trọng ra khỏi bếp và đổ thêm nớc cất (1 h) cho đến ngấn và làm nguội bằng nhiệt độ trong phòng
- Đo nhiệt độ huyền phù trong bình tỷ trọng chính xác đến 0,50 Đổ nớc cất vào bình đến vạch chuẩn hoặc đến cổ bình rồi đậy nút có ống mao dẫn để nớc không tràn ra ngoài Lau khô bình và mép cổ bình Cân khối lợng bình và huyền phù
- Đổ huyền phù ra, rửa sạch bình rồi đổ đầy nớc cất đã đun sôi vào bình, làm nguội đến nhiệt độ của huyền phù Cân khối lợng bình đầy nớc
II Kết quả thí nghiệm
- Khối lợng của bình khô tuyệt đối : g0 = 32,2 g
- Khối lợng của bình khố có chứa đất khô : g1 = 32,2 g
⇒ Khối lợng đất khô tuyệt đối có trong bình m0 = 7,8 g
Lấy ρn = 1 g/cm3
) / ( 6 , 2 1 5 , 139 7 , 134 8 , 7
8 ,
1 2 0
m m m
m
n
− +
=
⋅
− +
γ
Mẫu
đất
số
N0
Số thí nghiệm
N0
Khối lợng đất khô tuyệt đối
có trong bình
tỷ trọng m0 (g)
Khối lợng bình
tỷ trọng có huyền phù m1
(g)
Khối lợng bình
tỷ trọng chứa
đầy nớc m2 (g)
Khối lợng riêng của đất (g/cm3)
Bài 2 : Xác định độ ẩm tự nhiên của đất
Trang 2I Mục đích yêu cầu thí nghiệm
- Độ ẩm của đất biểu thị bằng tỷ số % của khối lợng nớc thoát ra khỏi mẫu đất khi sấy khô
ở nhiệt độ 1050 - 1100C và khối lợng hạt đất trong mẫu đất đem sấy
- Gia strị của W thể hiện lợng nớc chứa trong đất, giúp cho việc đánh giá trạng thái của
đất
- Là chỉ tiêu thực nghiệm để tính toán các chỉ tiêu tính toán khác : độ bão hoà G, độ sệt B,
hệ số rỗng e
II Dụng cụ thí nghiệm
- Tủ sấy có điều chỉnh nhiệt độ đến 3000C
- Cân kỹ thuật
- Bình hút ẩm có CaCl2
- Hộp nhôm có nắp
- Sàng có lỗ d = 1mm
- Cối sứ, chày sứ có đầu bọc cao su, khay phơi đất
III Tiến hành thí nghiệm
- Xác định khối lợng hộp nhôm đã sấy khô (m0) bằng cân kỹ thuật và ghi số hiệu hộp
- Dùng dao cắt một lợng đất (40-80g) ở trạng thái tự nhiên cho vào hộp nhôm, đậy nắp lại, dùng cân kỹ thuật xác định đợc khối lợng đất và hộp nhôm m1
- Đa hộp nhôm có đất đã mở nắp vào tủ sấy Sấy mẫu đất ở nhiệt độ 1050 - 1100C trong một thời gian xác định
- Sau đó, lấy mẫu đất ra để nguội trong bình hút ẩm có CaCl2 trong 45 - 60 phút rồi xác
định khối lợng trên cân kỹ thuật : hoọp và đất đã sấy là m2
IV Xử lý kết quả :
Bảng ghi kết quả thí nghiệm độ ẩm ;
Mẫu
đất
số
N0
Số hiệu hộp nhôm
N0
Khối lợng hộp nhôm và nắo
m0 (g)
Khối lợng hộp nhôm có nắp
và đất cha sấy
m1 (g)
Khối lợng hộp nhôm có nắp và
đất đã sấy m2 (g)
Độ ẩm của đất (g/cm3)
Công thức tính độ ẩm của đất ;
% 5 , 25
% 100 8 , 9 9 , 68
9 , 68 1 , 84
% 100
0 2
2
−
−
=
⋅
−
−
=
m m
m m
W
Bài 3 Xác định khối lợng thể tích tự nhiên của đất
I Mục đích yêu cầu thí nghiệm
Trang 3- Khối lợng thể tích tự nhiên của đất γW là khối lợng của một đơn vị thể tích đất có kết cấu
và độ ẩm tự nhiên (mẫu đất nguyên dạng)
- Vì ở thí nghiệm là loại đất mềm dính có kết cấu không phá hoại và độ ẩm thiên nhiên tại hiện trờng nên ta sử dụng phơng pháp dao vòng
II Các dụng cụ thí nghiệm
- Dao vòng làm bằng kim loại không gỉ, có mếp sắc, thể tích V = 50cm3 (đất càng có nhiều hạt to thì thành dao dầy và đờng kính lớn hơn)
- Thớc cặp
- Dao cắt đất lỡi thẳng
- Cân kỹ thuật
- Các tấm kính phẳng
- Dụng cụ để xác định độ ẩm
III Trình tự thí nghiệm
- Xác định thể tích dao vòng V = 50cm3
- Xác điịnh khối lợng dao vòng m0 và số hiệu dao
- Đặt mép sắc của dao vòng và dụng cụ lấy mẫu lên khoanh đất rồi ấn thẳng đứng, từ từ để dao vòng ngập hẳn vào trong khối đất Dùng dao cắt đất gọt bỏ phần đất d thùa ở hai đầu dao vòng, đảm bảo mặt đất ở 2 đầu dao vòng thật phẳng
- Đặt dao vòng có chứa mẫu đất đợc đặt lên cân kỹ thuật, ta xác định đợc khối lợng m2
- Xác định đô ẩm nh thí nghiệm ở bài 2
IV Xử lý số liệu
Bảng số liệu tính khối lợng thể tích γW:
Mẫu
đất
số
N0
Số hiệu
hộp
nhôm
N0
Dung tích dao vòng V(cm3)
Khối l-ợng dao vòng m0
(g)
Khối l-ợng 2 tấm đậy
m1 (g)
Khối lợng hộp nhôm có nắp và đất đã
sấy m2 (g)
Khối lợng thể tích γW
(g/cm3)
Công thức tính khối lợng thể tích γW :
) / ( 896 , 1 50
3 , 46 0 1 ,
1 0
V
m m m
γ
Bài 4 : Tìm khối lợng thể tích đất khô, độ rỗng, hệ số rỗng,
và độ b o hoà ã
I Khối lợng thể tích đất khô (γC )
Trang 4- γC là khối lợng của một đơn vị thể tích của đất khô có kết cấu thiên nhiên (g/cm3) Đối với các loại đất không thay đổi thể tích khi sấy khô thì khối lợng thể tích cốt đất có thể xác định trực tiếp bằng cách cân mẫu đất khô tuyệt đối (sấy khô ở 150 - 1100C với khối lợng hkông đổi) Đối với đất bị co ngót khi sấy khô thì ta sử dụng công thức :
) / ( 51 , 1 5 , 25 01 , 0 1
896 , 1 01
, 0 1
3
cm g W
W
⋅ +
= +
γ
Trong đó : W là độ ẩm của đất (%)
- ý nghĩa : γC dùng để đánh giá độ chặt của đất
II Độ rỗng của đất ( n )
- Là tỷ số phần trăm thể tích lỗ rỗng trong một đơn vị thể tích đất Đợc tính bằng công thức sau :
% 42
% 100 ) 5 , 25 01 , 0 1 (
6 , 2
896 , 1 1
% 100 ) 01 , 0 1 (
=
W
n
S
W
γ γ
III Hệ số rỗng ( e )
- Hệ số rỗng e là tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng và thể tích hạt đất Nó đợc xác định dựa vào một trong các công thức sau :
72 , 0 1 896
, 1
) 5 , 25 01 , 0 1 (
6 , 2 1 ) 01 , 0 1 (
=
−
⋅ +
=
−
+
=
W
e
γ γ
- Hế số rỗng e đặc trng độ chặt và mức độ nén chặt của đất
IV Độ b o hoà ( G ) ã
- Là đại lợng biểu thị mức độ (%) nớc chứa trong lỗ rỗng của đất, đợc xác định bằng công thức :
1 72 , 0
5 , 25 6 , 2
100
=
n
S r
n
e
W V
V G
ρ γ
- Trong đó : ρn = 1 g/cm3 - là khối lợng riêng của nớc
- Dựa vào giá trị G để phân loại trạng thái bão hoà của đất loại cát
Bài 5: Xác định thành phần cỡ hạt của đất
I Mục đích thí nghiệm
Trang 5- Đất trong tự nhiên có nhiều loại hạt khoáng vật có kích cỡ khác nhau : phân tích thành phần hạt đất là xác định hàm lợng % khối lợng của từng nhóm hạt có đờng kính gần bằng nhau trong mỗi loại đất
- Kết quả phân tích thành phần hạt đất dùng để phân loại đất đá, xác định đờng kính d60
và d10, đánh giá tính đồng nhất, tính thấm của đất, phục vụ việc cải tạo tính chất bằng cách thay
đổi thành phần hạt của chúng
II Dụng cụ thử
- Bộ sàng tiêu chuẩn có kích thớc lỗ : 10; 5; 2,5; 1; 0,25; 0,1
- Cân kỹ thuật
- Cối sứ, chày có đầu bọc cao su
- Tủ sấy, bình hút ẩm, bát đựng đất, dao cắt đất,
III Tiến hành thí nghiệm
- Lắp các sàng thành chồng theo thứ tự tăng dần kích thớc lỗ sàng kể từ đáy
- Lấy khoảng 300g đất đã đợc phơi khô, cho chúng vào chồng sàng Lắc đều chồng sàng trong vòng 3 - 5 phút, các hạt đất qua sàng sẽ phân thành nhóm có đờng kính gần bằng nhau
- Cân khối lợng của từng nhóm cỡ hạt giữ lại trên từng sàng, kết quả lấy chính xác đến 0,01g
IV Xử lý số liệu
Kết quả phân tích đợc thống kê ở bảng :
Đại
lợng > 1 5Đờng kính các nhóm hạt đất (mm)2 1 0 0 ≤
Khối
lợng
nhóm
hạt
(g)
Hàm
lợng
từng
nhóm
hạt
(%)
Hàm
lợng
cộng
dồn(
%)
Trang 6Từ kết quả của bảng phân tích thành phần hạt, ta có thể xác định hệ số không đồng nhất
5 875 6 16 0
1 1
10
=
d
d
K U Suy ra mẫu đất thuộc loại không đồng nhất.
Bài 6 xác định độ ẩm giới hạn chảy và độ ẩm giới hạn nh o ã
A Độ ẩm giới hạn dẻo
I Mục đích yêu cầu thí nghiệm
- Hàm lợng nớc (%) giữa trạng thái nửa cứng và trạng thái dẻo của đất có kết cấu bị phá hoại do nhào trộn đều với nớc và lăn thành que có đờng kính 3mm bắt đầu rạn nứt thành các đoạn có chiều dài 3 - 10mm
- Một tiêu chuẩn để xác định chỉ số dẻo và chỉ số sệt
II Các dụng cụ thí nghiệm
- Sàng có đờng kính lỗ d = 1mm
- Cối sứ, chày có bịt cao su
- Tủ sấy, cân kỹ thuật, tấm kính nhám, giấy thấm, vải khô,
- Chảo thép, hộp nhôm, nớc cất, dao
III Trình tự thí nghiệm
- Chọn mẫu đất thiên nhiên, sấy khô ≤ 600C Lấy 300g cho vào cối sứ nghiền nhỏ rồi cho qua sàng d = 1mm Tới nớc vào phần đất vừa lọt sàng và dùng dao trộn đều Sau đó đặt mẫu đất vào bình thuỷ tinh đậy kín trong khoảng 2h trớc khi đem thử :
- Lấy một ít đất và dùng mặt phẳng lòng bàn tay hoặc các đầu ngón tay nhẹ nhàng vểtên kính mặt nhám cho đến khi thành que đất có đờng kính 3 mm bắt đầu có vết nứt và đứt
ra thành đoạn 3-10mm Nếu que đất d = 3mm không có vết nứt thì vê thành hòn rồi lại
vê thành que đất trạng thái nh trên
- Cho các đoạn que đất bnày vào hộp nhôm, đậy nắp lại và đem lên cân kỹ thuật xác định khối lợng đất cha sây và hộp nhôm Sau đó đem sấy ở nhiệt độ 105 - 1100C
IV Xử lý số liệu
Mẫu
đất
số
N0
Số hiệu hộp nhôm
N0
Khối lợng hộp nhôm
và nắp m0
(g)
Khối lợng hộp nhôm, nắp và
đất cha sấy m1
(g)
Khối lợng hộp nhôm có nắp và đất đã
sấy m2 (g)
Giới hạn dẻo
WP (%)
Công thức tính giá trị giới hạn dẻo thông qua các con số thực nghiệm :
% 23 , 19
% 100 13
5 , 2
% 100 5 , 9 5 , 22
5 , 22 25
% 100
0 2
2
−
−
=
⋅
−
−
=
m m
m m
W P
Trang 7B Độ ẩm giới hạn chảy nhão
I Mục đích yêu cầu thí nghiệm
- Độ ẩm của đất mềm dính có kết cấu bị phá hoại ở giữa trạng thái dẻo và trạng thái nhão Giá trị độ ẩm Wl ứng với giá trị độ ẩm của khối đất khi làm kim thăng bằng hình nón có khối lợng 76 ± 0,7g tự lún vào đất 10mm có khối lợng bản thân sau 10 giây
- Một tiêu chuẩn để xác định chỉ số dẻo và chỉ số sệt
II Các dụng cụ thí nghiệm
- Sàng có đờng kính lỗ d = 1mm
- Dụng cụ Vaxiliep
- Cối sứ, chày có bịt cao su
- Tủ sấy, cân kỹ thuật, tấm kính nhám, giấy thấm, vải khô,
- Chảo thép, hộp nhôm, nớc cất, dao
III Trình tự thí nghiệm
- Lấy mẫu đất còn thừa, hoặc đợc chuẩn bị nh thí nghiệm xác định WP, sau thí nghiệm xác
định WP cho thêm nớc cất rồi dùng thanh trộn đảo đều lên Lấy 150g đất này cho vào chảo thép, dùng tay nâng chảo lên rồi gõ nhẹ đáy chảo xuống mặt bàn làm cho đất trong chảo bị lắc và tạo thành khối đất có mặt phẳng trong chảo
- Đặc chảo lên giá, dùng chuỳ thăng bằng có bôiậcdơlin, ta đặt mũi chuỳ vừa chạm mặt mẫu đất trong chảo rồi buông ra cho chuỳ rơi tự do Nếu sau 10 giây, mũi chuỳ ngập sâu vào trong đất tói vạch ( h =10mm ) thì độ ẩm của mẫu đất ứng với trạng thái độ ẩm giới hạn nhão
- Khi đạt yêu cầu, lấy từ chảo thép ra khoảng 20 - 30g đất cho vào hộp nhôm đã đợc xác
định khối luợng (m0) Đem cân hộp nhôm chứa đất đợc giá trị m1 Đa mẫu đất sau khi
mở nắp hộp vào sấy trong tủ sấy theo chế độ, ta xác định khối lợng đất đã sấy và hộp nhôm m2
IV Xử lý số liệu
Mẫu
đất
số
N0
Số hiệu hộp nhôm
N0
Khối lợng hộp nhôm
và nắp m0
(g)
Khối lợng hộp nhôm, nắp và
đất cha sấy m1
(g)
Khối lợng hộp nhôm có nắp và đất đã
sấy m2 (g)
Giới hạn dẻo
WP (%)
Công thức tính giá trị giới hạn dẻo thông qua các con số thực nghiệm :
Trang 8% 93 , 30
% 100 75 , 34
75 , 10
% 100 5 , 9 25 , 44
25 , 44 55
% 100
0 2
2
−
−
=
⋅
−
−
=
m m
m m
W P
C Tính độ sệt B
Chỉ số dẻo IP đợc xác định theo công thức :
IP = Wl - WP (%)
Ta có thể tính : IP = 30,93% - 19,23% = 11,74% Vậy loại đất đợc sử dụng trong thí nghiệm chính là sét pha
Độ sệt B :
Ta có công thức :
52 , 0 74 , 11
12 , 6 74
, 11
38 , 19 5 ,
=
−
=
P
P
I
W W B
Trong đó : W - là độ ẩm tự nhiên của đất đã xác định từ bài 2
Vậy với B = 0,52 ta có thể kết luận trạng thái của sét pha đem thí nghiệm là trạng thái dẻo mềm
Bài 10 Xác định tính nén trong điều kiện không nở
ngang
I Mục đích thí nghiệm
- Thí nghiệm này dùng cho các loại đất cát và đất sét có kết cấu nguyên dạng hoặc không nguyên dạng
- Thông qua thí nghiệm ta có thể xác định đợc tính nén lún của đất dới tác dụng của tải trọng thẳng đứng lên mẫu theo từng cấp (áp lực)
- Từ kết quả thí nghiệm ta thành lập đợc đồ thị quan hệ e = f(p) và S = f(p), đồng thời xác
định các đặc trng biến dạng khác của đất : hệ số nén lún a, môđun biến dạng E, hệ số cố kết CV theo thời gian
II Dụng cụ thí nghiệm :
- Bộ thiết bị máy nén không nở ngang, dụng cụ lấy mẫu nguyên dạng,
- Dao cắt đất, đồng hồ bấm giây, tủ sấy, cân kỹ thuật, giấy thấm
- Các thao tác : tải trọng truyền vào tấm nén theo phơng thẳng đứng và giữa tâm tấm nén Rửa sạch đá thấm để nớc lu thông dễ dàng Phải kiểm tra độ khít, độ bằng phẳng bàn máy, sự cân bằng của bộ phận truyền áp lực Trong quá trình thử phải giữ máy trong điều kiện tĩnh không bị rung hay va đập
III Tiến trình thí nghiệm
- Tiến hành lấy mẫu đất vào dao vòng có diện tích tiết diện là 25cm2
- Cho mẫu đất vào hộp nén bằng đẩy mẫu
- Lắp bàn nén và lắp đồng hồ đo biến dạng
Trang 9- Chỉnh đồng hồ biến dạng về 0
- Chuẩn bị sổ tay thí nghiệm , gia tải lần 1 σ1 = 1kG/cm2
- Chờ và ghi số liệu tải các thời điểm : 1’, 3’, 5’, 10’, 20’, 30’, 60’
- Sau đó tiếp tục gia tải lần lợt 2 kG/cm2, 3 kG/cm2, 4 kG/cm2;
- Dỡ tải và đo phục hồi biến dạng (dỡ từng cấp và đo phục hồi từng cấp)
IV Xử lý kết quả
72 , 0 1 896
, 1
) 5 , 25 01 , 0 1 (
6 , 2 1 ) 01 , 0 1 (
W
e
γ γ
h0 = 20 mm - chiều cao của dao vòng
Bảng ghi kết quả thí nghiệm nén không nở ngang
ố
đ ọ
c tr ê
n
đ ồ n
g h
ồ
đ
o bi ế
n d
ạ n
g ( m m )
ệ
s ố
n é n
l ú n a
( c m
2
/ K G )
M
ô
đ u
n b i ế
n d
ạ n
g E
( K G / c m
2
)
H
(
0
4 7
Trang 103 0,
5 5
0
5 8
0
5 9
0
6 0
0
6 0 6
0
6 1 0
2
1 2
, 2 8 8 9
3 3 9 0
4
1 7
0
1 9
0
2 0 5
0
2
0
Trang 111 5
2 2
0
2 3
3
4 0
, 1 3 7 6
7 1 2 5
1
4 7
0
4 9
0
5 0 5
0
5 1 5
0
5 2
0
5 2 5
Trang 12III Bảng số liệu theo dõi dỡ tải :
Các cấp dỡ tải
(25,50,75 và 0%
Pmax) (KG/cm2)
Thời gian theo dõi (phút)
Số đọc trên
đòng hồ đo biến dạng (mm)
∆Hi độ phục hồi mẫu
đất do dỡ tải cấp Qi gây
ra (mm)
Vậy hệ số nén lún tơng đối qua công thức
(%) 100
0
h
h
e P =∆
Bài 11 Thí nghiệm xác định sức chống cắt
của đất trên máy cắt phẳng
I Mục đích của thí nghiệm
- Thí nghiệm để xác định cờng độ chống trợt tới hạn τth dói tác dụng của ứng suất pháp tuyến σnhờ vật ta tìm đợc lực dính kết C và góc ma sát trong ϕ (hệ số ma sát f = tgϕ)
- Sức chống cắt phụ thuộc vào trạng thái vật lý (trạng thái kết cấu, độ chặt, độ ẩm ), điều kiện thí nghiệm Sức chống cắt chính là ứng suất tiếp tuyến nhỏ nhất khi đất bị cắt theo một mặt phẳng định trớc dới áp lực thẳng đứng σ :
II Dụng cụ thí nghiệm
- Ta dùng loại máy cắt loại A (máy cắt ứng lực) lực cắt theo từng cấp dùng tăng tải nớc hoặc quả cân
- Đồng hồ bấm giây, bình giữ ẩm, đồng hồ đo biến dạng
III Trình tự thí nghiệm
- Lấy mẫu đất vào 3 - 4 dao vòng
- Lắp hộp cắt vào đúng vị trí, điều chỉnh và vặn chặt các ốc vít định vị hộp cắt
- Dùng dụng cụ đẩy mẫu đa mẫu đất vào hộp cắt
- Lắp cánh tay đòn để truyền áp lực nén và đồng hồ đo chuyển vị thẳng đứng, điều chỉnh cho kim chỉ về số 0
- Gia tải áp lực thẳng đứng đã định trớc
- Lắp đồng hồ biến dạng ngang và vặn chốt định vị, điều chỉnh cho kim về số 0
- Gia tải áp lực ngang sau khi đã rút chốt Theo phơng pháp cắt nhanh, cứ cách 15 giây lại tăng một lần lực cắt sao cho quá trình cắt kết thúc trong khoảng 4 - 5 phút