Tính chất của đất dùng trong thí nghiệm, quy trình và chương trình thí nghiệm cắt cố kết thoát nước và cắt với độ ẩm không đổi,... là những nội dung chính trong bài viết Nghiên cứu kết quả thí nghiệm cắt cố kết thoát nước và cắt với độ ẩm không đổi. Hy vọng đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn.
Nghiên cứu kết thí nghiệm cắt cố kết thoát nước cắt với độ ẩm không đổi TS Trịnh Minh Thụ Trường Đại học Thuỷ lợi Tóm tắt: Cường độ chống cắt đất không bão hoà thường xác định từ thí nghiệm cắt cố kết thoát nước (thí nghiệm CD) thí nghiệm cắt với độ ẩm không đổi (thí nghiệm CW) Bài báo trình bày so sánh cường độ chống cắt từ thí nghiệm cắt CD thí nghiệm cắt CW mẫu đất sét pha đầm nén Kết thí nghiệm cho thấy góc ma sát hiệu quả, ' , lực dính hiệu quả, c ' , từ thí nghiệm cắt CD thí nghiệm cắt CW giống Góc biểu thị tốc độ tăng ®é bỊn chèng c¾t, b , ®é hót dính tăng lên từ kết thí nghiệm cắt CD thí nghiệm cắt CW độ hút dính nhỏ giá trị khí vào Điều giải thích độ hút dính nhỏ giá trị khí vào mẫu đất tồn trạng thái bão hoà thí nghiệm cắt CW CD Tương tự, góc b có giá trị từ dạng sơ đồ thí nghiệm cắt độ hút dính lớn độ hút dính tàn dư (tức đất trạng thái khô) Tuy nhiên góc, b , từ thí nghiệm cắt CD CW khác độ hút dính nằm khoảng từ giá trị khí vào độ hút dính tàn dư Sự khác ®êng bao ®é bỊn chèng c¾t tõ thÝ nghiƯm c¾t CW thấp trường hợp thí nghiệm cắt CD Nguyên nhân khác tượng trễ đường cong đặc trưng đất - nước giải thích chi tiết báo f : ứng suất pháp tổng mặt trượt I Mở đầu Cắt cố kết thoát nước (CD) cắt với độ ẩm không đổi (CW) thông thường dùng để xác định cường độ chống cắt đất không bão hoà Mục tiêu báo so sánh kết thí nghiệm cường độ chống cắt từ thí nghiệm cắt ba trục CD thí nghiệm cắt CW mẫu đất sét pha đầm nén Fredlund nnk (1978) kiến nghị phương trình cường độ chống cắt cho đất không bão hoà việc dùng biến trạng thái ứng suất, (tức ua độ hút dính, ua uw ) nh sau: ff c ' f ua f tan ' ua uw f b tan [1] Trong ®ã: ff = ứng suất cắt mặt trượt trạng thái phá hoại, c=lực dính hiệu từ đường bao phá hoại Mohr-Coulomb kéo dài trục ứng suất cắt ứng suất pháp thực độ hút dính b»ng kh«ng, f ua f : øng suất pháp thực mặt trượt trạng thái phá hoại, trạng thái phá hoại, ua: áp lực khí lỗ rỗng, : góc ma sát ứng với ứng suÊt ph¸p thùc, f ua , ua uw f độ hút dính trạng thái phá hoại, uw áp lực nước lỗ rỗng, b góc biểu thị tốc độ tăng độ bền chống cắt ứng với tăng lên độ hót dÝnh, ua uw f , ë trạng thái phá hoại Đường trạng thái ứng suất trình cắt cố kết thoát nước mÉu víi ¸p lùc bng thùc kh¸c nhng víi giá trị độ hút dính trình bày hình Kết số thí nghiệm cường độ chống cắt đất không bão hoà cho thÊy tÝnh phi tuyÕn cña gãc b thí nghiệm cắt mẫu khoảng biến thiên lớn độ hút dính (Escario Saez, 1996; Gan, 1986; Fredlund nnk, 1987; Gan nnk, 1988) Nhìn chung, góc b thường nhỏ góc ma sát 55 hiệu quả, ' Tuy nhiên từ kết thí nghiệm số nhà nghiên cứu khác (Gan, 1986; Escario Saez, 1986) cho thấy góc b lớn góc ma sát hiệu quả, ' cắt cố kết thoát nước mẫu đất nguồn gốc băng tích (Gan nnk 1986) II Tính chất đất dùng thí nghiệm Đất dùng nghiên cứu Kaolin hạt thô Tính chất Kaolin xác định dựa qui trình thí nghiệm ASTM (1997) Các tính chất vật lý Kaolin trình bày bảng Kaolin hạt thô xác định sét pha với tính dẻo cao (MH) theo hệ thống phân loại ASTM D2487 93, 1997) Hình 1: Các đường trạng thái ứng suất thí nghiệm cắt cố kết thoát nước với c¸c ¸p lùc bng thùc kh¸c nhau, nhng víi cïng giá trị độ hút dính (Fredlund Rahardjo, 1993) Gan (1986) thí nghiệm cắt gia tải nhiều bước đất sét pha nguồn gốc băng tích Kết cho thấy đường bao cường độ chống cắt ứng với độ hót dÝnh cã tÝnh phi tun Gãc cđa ®êng bao cường độ chống cắt b 25,50 độ hút dính thấp giảm tới giá trị 50 - 70 mÉu thÝ nghiƯm cã ®é hót dÝnh cao (Hình 2) Fredlund nnk (1987) tính toán lại kết thí nghiệm cường độ chống cắt Satija (1978) Kết tính toán lại giả thiết đường bao cường độ chống cắt đường cong ứng với độ hút dính Đường cong cường độ chống cắt cã gãc b b»ng ®é hót dÝnh từ giá trị không Góc b bắt đầu giảm lớn giá trị độ hút dính lớn 50 kPa Hình Đường bao phá hoại thí nghiệm 56 Bảng Các tính chất mẫu đất Kaolin đầm nén Tính chất Giá trị 2.65 Tỷ trọng, Gs Giới hạn chảy, LL (%) 51 Giới hạn dẻo, PL (%) 36 ChØ sè dỴo, PI (%) 15 Bơi (%) 85 Sét (%) 15 Theo hệ thống phân loại (USCS) MH (bụi có tính dẻo cao) Trọng lượng đơn vị khô lớn 1.35 nhất, k max ( Mg / m ) 22.0 §é Èm tèt nhÊt, wopt (%) HƯ sè thÊm b·o hoµ, ks , (m/s) 6.4 108 III Qui trình chương trình thí nghiệm Kết thí nghiệm đầm nện tiêu chuẩn đất sét pha trình bày hình Kết hình cho thấy dung trọng khô lớn nhất, k max , đạt 1,35 Mg/m3, độ ẩm tốt wopt = 22% Giai đoạn chuẩn bị mẫu Để tạo nên mẫu đất có tính đồng theo phương pháp đầm nện động khó khăn Vì nghiên cứu dùng phương pháp đầm nén tĩnh để tạo mẫu thí nghiệm Khối lượng Kaolin nước tính toán để tạo nên mẫu có dung trọng khô lớn độ ẩm tốt sau đầm nén Các mẫu đất giống chuẩn bị cách đầm nén tĩnh Kaolin đạt tới dung trọng khô lớn 1,35 Mg / m3 độ ẩm tốt 22% Mỗi mẫu đầm nén tĩnh với 10 lớp lớp có chiều dày 10mm Chiều cao đường kính mẫu tương ứng 100mm 50mm Để tạo nên tính đồng mẫu tránh tăng cao áp lực nước lỗ rỗng trình đầm nén, đất nén ép với tốc độ không đổi mm/phút Giai đoạn bão hoà mẫu Thiết bị thí nghiệm cắt ba trục cải tiến dùng cho thí nghiệm CD CW tương tự thiết bị thí nghiệm cắt ba trục cải tiến trình bày mô tả Fredlund Rahardjo (1993) (Hình 4) Thiết bị cắt ba trục cải tiến cho phép khống chế áp khí nước lỗ rỗng kỹ thuật tịnh tiến trục (Hilf, 1956) Tất mẫu đất bão hoà nhằm đưa chúng ®ång nhÊt vỊ ®é Èm vµ ®é b·o hoµ Trong trình bão hoà tiến hành áp lực ngược với áp lực buồng, , áp lực nước lỗ rỗng, uw , đến hệ số áp lực nước lỗ rỗng đạt giá trị gần Mẫu coi bão hoà hoàn toàn hệ số áp lực nước lỗ rỗng có giá trị b trơc øng st c¾t kéo dài đường bao phá hoại Mohr– Coulomb víi giả thiết góc ma sát khơng đổi ' = 320 H×nh trình bày quan hệ lực dính với độ hút dính từ kết thí nghiệm cắt CW CD cho mẫu sét pha đầm nén Hỡnh cho thấy góc đường bao ®é bỊn chèng cắt ứng với độ hút dính có giá trị trung bình là, b = 320 (nghĩa là, với ' = 320 ) độ hút dính nhỏ (nghÜa vµ độ hút dính nhỏ giá trị khí vào) Gúc b bắt đầu giảm nhanh độ hút dính nằm kho¶ng giá trị 55 kPa 150 kPa đạt tới giá trị gần số 120 độ hút dính lớn 200 kPa Hình 10 biĨu diƠn kÕt qu¶ quan hƯ gi÷a góc b ứng với độ hút dính cho mẫu sét pha đầm nén tõ thí nghiệm cắt CW vµ CD Tính phi tuyến góc b ứng với độ hút dính từ kết nghiªn cøu nµy tương tự kết 59 cơng bố Satija (1978), Fredlund nnk (1987) Gan nnk (1988) Hình Đường bao phá hoại Mohr – Coulomb cho mẫu đầm nén thí nghiệm điều kiện cắt với m khụng ổi mẫu bão hoµ níc Hình Đường bao phá hoại Mohr – Coulomb cho mẫu đầm nén thí nghiệm điều kin cắt c kt thoỏt nc mẫu bão hoµ níc Hình Lực dính tõ thí nghiệm c¾t với độ Èm khơng đổi c¾t cố kết nước mặt mà áp lực h«ng thùc khơng Hình 10 Mối quan hệ phi tuyến b độ hút dính mẫu sét pha m nộn So sỏnh thông số bền kháng ct từ kt qu thớ nghim CW CD Các thơng số độ bỊn kh¸ng cắt (nghĩa ', b c ) thu từ thí nghiệm c¾t trục CW so với kết t thớ nghim ct CD tóm tắt hình 10 Hỡnh cho thy lc dớnh đường bao phá hoại mặt có áp lực h«ng thùc khơng (( ua ) = 0) tõ thí nghiệm c¾t CD CW §êng bao lùc dÝnh từ thí nghiệm cắt CW gần với đường bao lực dính từ kết thí nghiệm cắt CD Hình cho thấy tăng đồng nhÊt lực dính øng với tăng lên độ hút dính cho loại thí nghiệm cắt CD CW Lực dính hiệu quả, c ' , kPa từ loại thí nghiệm cắt CD CW điều kiện bão hồ (nghÜa lµ ®é hót 60 dÝnh b»ng kh«ng) Tính phi tun đường quan hệ gãc b độ hút dớnh cho c dng sơ đồ ct CD v CW thể hỡnh 10 Rahardjo nnk (2004) giải thích độ bão hồ mẫu đất biểu thị diện tích áp lực nước lỗ rỗng tương tác với hạt đất, tạo nên tăng cường độ chống cắt đất Điều ý khác độ bão hồ tồn loại đất khơng bão hồ độ hút dính Khi độ hút dính nhỏ 47 kPa, mẫu đất thí nghiệm tồn trạng thái bão hồ (xem hình 6) lực dính b»ng cho c dạng sơ đồ ct CD v CW (xem hình 9) Tuy nhiên, độ hút dính biến thiên khoảng từ 47 kPa tới 200 kPa th× lùc dính thu từ thí nghiệm cắt trục CD lớn lực dính thu từ thí nghiệm c¾t CW Sự khác lực dính từ dạng sơ đồ thớ nghim ct CW v CD giải thích khác độ bão hồ điểm phá hoại cho thí nghiệm CW CD Điều khác lực dính điểm phá hoại độ hút dính lµ tượng trễ quan sát đường cong đặc trưng đất - nước (xem hình 6) Cường độ chống cắt mẫu đất theo nhánh khô (thí nghiệm cắt CD) lớn hn cng chèng cắt loại đất theo nh¸nh ướt (thÝ nghiƯm c¾t CW) chúng ë trạng thái ng sut cho c dạng sơ đồ cắt S khác cường độ kháng cắt độ bão hồ đất nhánh khơ (nghĩa thí nghiệm CD) thÊp độ bão hồ đất nhánh ướt (nghĩa thí nghiệm CW) Do đó, lực dính từ kết thí nghiệm CD cao lực dính tõ kết thí nghiệm CW Điều giải thích giống khác góc b cho dạng sơ ®å thÝ nghiƯm CW vµ CD Góc b tồn ë trị gần số 120 cho c dạng sơ đồ cắt CW v CD hút dính cđa mÉu lớn 200 kPa Điều cú th mẫu đất có hỳt dính cao (nghĩa độ hút dính cao độ hút dính tàn dư) tượng trễ kh«ng tồn mẫu thí nghiệm cắt Do ®ã lực dÝnh vµ gãc b gần hội t cựng giỏ tr cho c hai dạng sơ ®å thí nghiệm c¾t CW CD VI KÕt ln Các kết cho thấy góc ma sát hiệu quả, ' , lực dính hiệu quả, c ' , đất sét pha đầm nén thu c t c dạng sơ đồ thớ nghim CD v CW giống Các kết từ thí nghiệm CW CD cho góc ma sát hiệu quả, ' , lực dính hiệu quả, c ' , đất sét pha đầm nén tương ứng 320 kPa TÝnh phi tuyến vỊ quan hƯ gãc b ®é hót dính từ thí nghiệm CW CD đất sét pha đầm nén Gúc b có giá trị gúc ma sỏt hiệu ' (nghĩa 320 ) mÉu ®Êt cã độ hút dính thấp (nghĩa độ hút dính thấp giá trị khí vào) Góc b giảm xuống tới giá trị 120 độ hút dớnh mẫu tăng cao (ngha l hỳt dớnh lớn đ hỳt dớnh tn d) Tuy nhiờn, gúc b từ kết thí nghiệm CD lín h¬n góc b thu nhận từ kết thí nghiƯm CW độ hút dính biÕn thiªn khoảng tõ giá trị áp lực khí vào tíi độ hút dính tàn dư Sự khác đường bao cường độ kháng cắt ứng với độ hút dính từ thí nghiệm CW thÊp h¬n so với đường bao phá hoại từ thí nghiệm CD Sự khác tượng tr ca ng cong c trng đất - nước Tài liệu tham khảo ASTM D 2487 – 93 (1997) Standard Classification of Soils for Engineering Purposes (Unified Soil Classification System), 1993 Annual Books of ASTM Standards l 04.08, Section 4, Philadenphia, P.A., 217-227 Fredlund, D.G and Morgenstern, N.R (1977) “Stress State Variables for Unsaturated Soils” Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE., 103 (GT5), 447-466 Fredlund, D.G., Morgenstern, N.R., and Widger, R.A (1978) “The Shear Strength of Unsaturated Soils” Canadian Geotechnical Journal Vol 15 (3), 313-321 Fredlund, D.G., Rahardjo, H and Gan, J (1987) “Nonlinearity of Strength Envelope for Unsaturated soils” In proceeding of the 6th International Conference Expansive Soils New Delhi, India, 1, 49-54 Fredlund, D.G and Rahardjo, H (1993) Soil Mechanics for Unsaturated Soils John Wiley and Sons Inc., New York Gan, J., Fredlund, D.G., and Rahardjo, H (1988) “Determination of the Shear Strength Parameters of an Saturated Soil using the Direct Shear test” Canadian Geotechical Journal, 25 61 (3), 277-283 Head, K.H (1986) Manual of Soil Laboratory Testing John Wiley and Sons, Inc., 3, 942-945 Hilf, J.W (1956) An Investigation of Pore-water Pressure in Compacted Cohesive Soils Ph.D Dissertation Tech Memo No 654, U.S Dep of the Interior, Bureau of Reclamation, Design and Construction Div., Denver, C.O Rahardjo, H., Heng, O.B., and Leong, E.C (2004) “Shear Strength of a Compacted Residual Soil from Consolidated Drained and the Constant Water Content Triaxial Tests” Canadian Geotechnical Journal, 41, 1-16 Satija, B.S (1978) Shear Behaviour of Partly Saturated Soil PhD thesis, Indian Institute of Technology, Delhi, India Abstract: STUDY RESULTS FROM CONSTANT WATER CONTENT AND CONSOLIDATED DRAINED TRIAXIAL TEST Shear strength of unsaturated soil is commonly obtained from Consolidated Drained (CD) or Constant Water content (CW) triaxial tests A series of CD and CW tests was carried out on statically compacted silt specimens The results indicate that the effective angles of internal friction, ' , and the effective cohesions, c ' , of the compacted silt as obtained from both the CD and CW tests are identical The b angles from the CD and CW triaxial tests are essentially identical at matric suctions lower than the air-entry value This could be attributed to the fact that the soil specimens remain saturated at matric suctions lower than the air-entry value in both the CD and CW tests Similarly the b angles from both tests are the same at matric suctions higher than the residual matric suction when the soil is at a relatively dry condition However, the b angles from the CD and CW tests are different at matric suctions between the air-entry value and the residual matric suction value The difference is due to the lower failure envelope with respect to matric suction from the CW tests as compared to the failure envelope from the CD tests This difference can be attributed to the hysteretic behavior of soil-water characteristic curve of the soil which will be explained in detail in the paper 62 ... toán lại kết thí nghiệm cường độ chống cắt Satija (1978) Kết tính toán lại giả thiết đường bao cường độ chống cắt đường cong ứng với độ hút dính Đường cong cường độ chống cắt có góc b độ hút... nghim cắt CD v CW Đường bao lực dÝnh từ thí nghiệm cắt CW gần với đường bao lực dính từ kết thí nghiệm cắt CD Hình cho thấy tăng đồng nhÊt lực dính øng với tăng lên độ hút dính cho loại thí nghiệm. .. nhận từ kết thí nghiệm CW độ hút dính biÕn thiªn khoảng tõ giá trị áp lực khí vào tíi độ hút dính tàn dư Sự khác đường bao cường độ kháng cắt ứng với độ hút dính từ thí nghiệm CW thÊp h¬n so với