Nghiên cứu các đặc trưng về trạng thái tới hạn của đất không bão hoà đã tiến hành thí nghiệm tập hợp mẫu đất sét pha đầm nén trên máy nén 3 trục với độ ẩm không đổi. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm bắt nội dung chi tiết. Đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn chuyên ngành Kiến trúc - Xây dựng.
Nghiên cứu đặc trưng trạng thái tới hạn đất không bão hoà TS Trịnh Minh Thụ Trường Đại học Thuỷ lợi Túm tt: Nghiờn cu ny ó tiến hành thí nghiệm tập hợp mẫu đất sét pha đầm nén máy nén trục với độ ẩm khơng đổi (thí nghiệm CW) Kết từ nghiên cứu cho thấy đường trạng thái tới hạn mặt phẳng (q - p) song song với có độ dốc 1,28 độ hút dính khác nhau, điều chứng tỏ đồng quan hệ ứng suất lệch ứng suất trung bình Kết thí nghiệm đồng thời cho thấy đồng quan hệ thể tích riêng v ứng suất trung bình q mặt phẳng (v-p) từ thí nghiệm cắt CW Độ dốc đường trạng thái tới hạn mặt phẳng (v - p) giảm độ hút dính tăng từ thí nghiệm CW Giới thiệu chung Áp lực nước lỗ rỗng dư gia tăng q trình gia tải thơng số quan trọng gây nên nhiều cố địa kỹ thuật trượt mái dốc Tuy nhiên, thông số dùng toán địa kỹ thuật (như tính tốn thiết kế móng c«ng trình, ổn định mái dốc…) thường lấy từ thí nghiệm cắt cố kết nước (CD) cắt cố kết khơng nước (CU) Tuy nhiên thực tế, có nhiều trường hợp gia tải vùng đất khơng bão hồ điều kiện áp lực khí lỗ rỗng tự pha nước khơng Như cần thiết phải mơ tốn điều kiện theo sơ đồ cắt với độ ẩm không đổi Alonso nnk (1990), Toll (1990), Sivakumar (1993), Maatouk nnk (1995), Wheeler (1996), Cui Delage (1996), Bolzon nnk (1996), Adam Wulfsohn (1998), Rampino nnk (2000), Sun Matsuoka (2000), Tang Graham (2002), Chiu Ng (2003) nghiên cứu trạng thái tới hạn đất khơng bão hồ mặt (q - p) (trong q = độ lệch ứng suất p = ứng suất trung bình = ua Tuy nhiên, kết thí nghiệm biểu thị mặt không gian (q – s - p) mặt phẳng (v - p) chưa có nhiều nhà nghiên cứu khảo sát (trong đó, s = độ hút dính v = 1+e = thể tích riêng) Mục tiêu báo nghiên cứu thông số trạng thái tới hạn đất khơng bão hồ điều kiện thí nghiệm cắt với độ ẩm không đổi Các mẫu đất đầm nén với giá trị dung trọng khô lớn (1.35Mg/m3) độ ẩm tối ưu (22%) chuẩn bị cho thí nghiệm ba trục Mẫu đất đầm nén tĩnh từ 10 lớp với chiều dày lớp 10mm Chiều cao đường kính mẫu tương ứng 100mm 50mm Trong q trình thí nghiệm ngun lý chuyển trục (Hilf, 1956) áp dụng để khống chế độ hút dính mẫu Các đặc trưng đất thí nghiệm Kaolin hạt thơ chọn để chuẩn bị mẫu thí nghiệm nghiên cứu Giới hạn chảy, thành phần hạt, tỷ trọng hệ số thấm thí nghiệm để xác định số đất kaolin đầm nén Các thơng số mẫu đất Kaolin trình bày bảng Bảng Các tiêu mẫu đất sét pha đầm nén Các đặc trưng đất Giá trị 2,65 Tỷ trọng, Gs Giới hạn chảy, LL (%) 51,0 Giới hạn dẻo, PL (%) 36,5 Chỉ số dẻo, PI (%) 15,4 Sét Clay (%) 15,0 Bụi Silt (%) 85,0 Hệ thống phân loại đất theo hệ MH thống (USCS) 1,35 Dung trọng khô lớn nhất, d max ( Mg / m ) Độ ẩm tối ưu, wopt (%) Hệ số thấm bão hoà, ks , (m/s) 22,0 6.4 108 93 Quy trình chương trình thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm nén trục cải tiến (tương tự với thiết bị thí nghiệm Fredlund Rahardjo (1993)) dùng nghiên cứu Thiết bị thí nghiệm nén trục cải tiến cho phép khống chế áp lực khí, ua, nước lỗ rỗng, uw, việc áp dụng nguyên lý chuyển trục, độ hút dính, (ua – uw) khống chế theo yêu cầu Hình trình bày sơ đồ lắp đặt thí nghiệm nén trục mẫu đất khơng bão hồ Hình Sơ đồ lắp đặt thí nghiệm nén trục cải tiến cho đất khơng bão hồ Quy trình thí nghiệm cắt với độ ẩm khơng đổi Quy trình thí nghiệm cắt trục cho mẫu đất bão hoà giới thiệu Head (1986) áp dụng Đồng thời áp dụng quy trình thí nghiệm nén trục cho đất khơng bão hồ mơ tả Fredlund Rahardjo (1993) Lực hút dính ban đầu thiết lập dựa việc sử dụng kỹ thuật chuyển trục Giai đoạn bão hoà mẫu Tất mẫu đất dùng chương trình thí nghiệm bão hoà nhằm tạo nên đồng độ ẩm độ bão hoà ban đầu Trong giai đoạn này, đường áp lực nước lỗ rỗng nối với thiết bị số khống chế áp lực thể tích nước (digital pressure and volume controller (DPVC)) bơm nước vào mẫu từ đỉnh Trong giai đoạn này, mẫu đất bão hồ q trình tăng dần 94 cấp áp lực buồng, , áp lực ngược, uw, áp lực hiệu 10 kPa hệ số áp lực nước lỗ rỗng, B đạt giá trị gần Mẫu đất coi bão hoà hoàn toàn áp lực nước lỗ rỗng đạt giá trị lớn 0,95 (Head, 1986) Q trình bão hồ mẫu thường kéo dài khoảng ngày Giai đoạn cố kết Sau giai đoạn bão hòa kết thúc, mẫu đất cố kết áp lực đẳng hướng, , áp lực nước lỗ rỗng, uw, hay nói cách khác mẫu đất cố kết đẳng hướng áp lực hiệu yêu cầu, ( uw ) Giá trị độ lớn áp lực cố kết chọn cho giai đoạn dựa sở giá trị áp lực thực ( ua ) theo yêu cầu giai đoạn cân độ hút dính giai đoạn cắt Trong giai đoạn cố kết, van nước mở áp lực buồng khống chế giá trị yêu cầu Lượng nước ngồi từ mẫu thí nghiệm q trình cố kết đẳng hướng ghi lại thiết bị số khống chế áp lực thể tích nước (DPVC) Thiết bị cho phép ghi nhận lượng nước thoát vào mẫu thí nghiệm trục Giai đoạn cố kết coi kết thúc thể tích nước khỏi mẫu khơng thay đổi áp lực nước lỗ rỗng dư hoàn toàn tiêu tán Thời gian cho giai đoạn cố kết khoảng Khi giai đoạn cố kết hồn thành giai đoạn tạo độ hút dính mẫu bắt đầu Giai đoạn cân độ hút dính mẫu Khi giai đoạn cố kết kết thúc, đường áp lực nước nối với đỉnh mẫu thí nghiệm ngắt từ thiết bị DPVC thay vào đường áp lực khí, ua Thiết bị DPVC khác nối với đường áp lực nước lỗ rỗng đáy mẫu (tức uw) Sự khác áp lực khí lỗ rỗng, ua áp lực nước lỗ rỗng, uw, độ hút dính (ua – uw) Trong giai đoạn làm khơ mẫu, độ hút dính tăng dần việc giảm dần áp lực nước lỗ rỗng đáy mẫu giữ nguyên áp lực khí áp lực buồng Ngược lại, giai đoạn làm ướt mẫu, lực hút dính giảm dần trình tăng dần áp lực nước lỗ rỗng đáy mẫu Lượng nước thoát từ mẫu đất tổng thể tích mẫu đất thay đổi trình làm khơ ướt mẫu ghi lại thiết bị DPVC (tức DPVC cho buồng, PDVC cho áp lực ngược) tất số liệu ghi lại hệ thống máy tính Giai đoạn cân coi kết thúc áp lực nước lỗ rỗng dư tiêu tán hoàn toàn thể tích thay đổi giảm dần tới 0,04% ngày theo đề nghị Sivakumar (1993) Giai đoạn cắt mẫu Khi điều kiện cân độ hút dính mẫu đạt áp lực thực, ( ua ) , độ hút dính, s (ua uw ) , mẫu đất cắt lực dọc trục với vận tốc số Ong (1999) tiến hành nghiên cứu thử nghiệm ảnh hưởng tốc độ cắt thí nghiệm CW Ong (1999) cắt với tốc độ khác biến đổi từ 0,0009 đến 0,081 mm/phút Kết cho thấy tốc độ cắt nhỏ 0,009 tốc độ cắt khơng ảnh hưởng tới kết thí nghiệm Rahardjo nnk (2004) sử dụng tốc độ cắt 0,009 mm/phút mẫu đất sét pha tàn tích Trong nghiên cứu chọn tốc độ cắt 0,009mm/phút đất sét pha có hệ số thấm thơng số khác gần giống với mẫu sét pha tàn tích nghiên cứu Rahardjo (2004) Mẫu đất cắt điều kiện khí khơng nước Điều có nghĩa q trình cắt van pha khí mở van pha nước đóng lại Trong q trình cắt, áp lực khí lỗ rỗng, ua, giữ giá trị giá trị cuối giai đoạn cân độ hút dính Như giai đoạn cắt giá trị áp lực khí lỗ rỗng, ua, khơng đổi, giá trị áp lực nước lỗ rỗng uw tăng lên Do xác định độ hút dính (ua – uw) trình cắt Giai đoạn cắt coi kết thúc độ lệch ứng suất, q đạt tới giá trị không đổi quan sát mặt phá hoại rõ ràng mẫu đất hay biến dạng dọc trục lớn đạt 20% Giai đoạn cắt thường kéo dài từ đến ba ngày Kết thí nghiệm thảo luận Tên thông thường dùng để ký hiệu cho mẫu thí nghiệm cắt CWx-y Các ký hiệu x-y CWx-y nghĩa thí nghiệm tiến hành với áp lực buồng thực x kPa độ hút dính ban đầu y kPa Hình trình bày kết từ thí nghiệm cắt trục với độ ẩm không đổi ứng suất thực khác với độ hút dính ban đầu 150 kPa Các đồ thị hình cho thấy hầu hết đường ứng suất-biến dạng xuất điểm đỉnh sau cường độ chống cắt giảm dần 1600 CW50-150 CW100-150 CW150-150 CW200-150 CW250-150 CW300-150 1400 q (kPa) 1200 1000 800 600 400 200 0 10 15 20 25 30 y (%) Hình Quan hệ ứng suất lệch biến dạng từ thí nghiệm CW ứng suất thực khác với độ hút dính ban đầu 150 kPa 95 khác song song với mặt (q – p) Độ dốc đường trạng thái tới hạn từ kết thí nghiệm cắt trục CW có giá trị 1,28 Nói cách khác, độ dốc đường trạng thái tới hạn mặt phẳng (q – p) đồng đất sét pha đầm nén từ thí nghiệm cắt trục CW Các ứng suất trạng thái tới hạn từ thí nghiệm cắt trục trình bày bảng Hình biểu diễn trạng thái tới hạn thí nghiệm cắt trục CW các áp lực buồng thực độ hút dính khác mặt khơng gian (q – s – p) Hình trình bày đường ứng suất thí nghiệm nén trục độ hút dính ban đầu khác (tức độ hút dính 100kPa, 150kPa, 200kPa 300kPa) với ứng suất thực 150kPa Kết độ hút dính giảm với tăng ứng suất lệch Điều thấy độ hút dính giảm suốt q trình thí nghiệm cắt trục Nhìn chung, xu đường ứng suất mặt phẳng (q-s) q trình cắt có dạng giống 600 CW150-100 CW150-150 CW150-200 CW150-300 400 1200 1100 1000 300 M = 1.28 900 200 800 100 700 q (kPa) (1 - 3)/2 (kPa) 500 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 600 CWx-0 CWx-100 CWx-150 CWx-200 CWx-300 500 400 (ua - uw) (kPa) 300 Hình Các đường ứng suất mặt (q-s) thí nghiệm trục CW độ hút dính ban đầu khác giá trị áp lực buồng thực 150kPa 200 100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100011001200 Hình biểu thị trạng thái tới hạn thí nghiệm cắt trục CW áp lực buồng thực giá trị độ hút dính ban đầu khác (tức kPa, 100kPa, 150kPa, 200kPa 300kPa) mặt phẳng (q – p) Hình cho thấy đường trạng thái tới hạn độ hút dính p (kPa) Hình Các đường trạng thái tới hạn mặt phẳng (q – p) từ thí nghiệm cắt trục CW Bảng Các giá trị ứng suất trạng thái tới hạn từ thí nghiệm cắt trục CW Áp lực buồng thực (kPa) 96 Độ hút dính ban đầu (kPa) 100 150 200 300 p q p q p q p q p q 50 94 132 105 165 121 212 144 282 138 264 100 178 235 209 327 224 371 222 367 226 378 150 267 351 290 421 312 486 315 495 318 504 200 352 457 382 545 398 595 405 615 409 628 250 413 532 458 625 477 682 489 718 503 760 300 437 564 556 767 565 795 571 814 572 817 00 1.96 10 CWx - 1.94 NCL C W x - 00 00 C W x - 50 80 C W x - 00 1.90 C W x - 00 1.86 1.84 1.82 1.80 10 a) -10 0 00 00 00 40 00 60 700 80 90 10 00 p (kP a) 1.98 CSL, (ua - uw) = kPa 1.96 CSL, (ua - uw) = 115 kPa CSL, (ua - uw) = 80 kPa 1.94 CSL, (ua - uw) = 150 kPa CSL, (ua - uw) = 245 kPa v 1.90 1.88 CWx-0 1.86 CWx-100 CWx-150 1.84 CWx-200 CWx-300 1.82 1.80 10 CW100-150 CW150-150 CW200-150 CW250-150 CW300-150 1.88 M = Hình Các đường trạng thái tới hạn mặt không gian (q – s – p) từ thí nghiệm cắt CW 1.92 CSL 1.92 ) (kP (u a - u w 70 600 50 40 300 20 10 0 00 00 00 10 0 v q (kPa) 00 100 1000 p (kPa) Hình Các đường trạng thái tới hạn mặt phẳng (v – p) từ thí nghiệm cắt trục CW độ hút dính ban đầu khác Hình trình bày đường ứng suất thí nghiệm cắt trục CW áp lực buồng thực khác với giá trị độ hút dính ban đầu 150 kPa Kết cho thấy đường trạng thái thí nghiệm cắt trục CW cho dạng đường cong gần giống Thể tích riêng giảm giai đoạn đầu q trình cắt sau tăng dần Áp lực buồng thực cao tăng thể tích riêng lớn q trình cắt Điều thấy rằng, áp lực buồng cao mẫu đất có đặc tính nở thể tích nhỏ Hình trình bày tổng hợp đường quan hệ thể tích riêng log ứng suất thực 100 1000 p (kPa) Hình Các đường ứng suất mặt phẳng (v – p) từ kết thí nghiệm cắt CW độ hút dính ban đầu 150kPa trung bình trạng thái tới hạn thí nghiệm cắt trục CW Kết xuất quan hệ tuyến tính thể tích riêng ứng suất thực trung bình mặt khơng đổi độ hút dính Hình độ dốc đường trạng thái tới hạn, (s), giảm độ hút dính dính Nói cách khác giá trị độ hút dính cao độ cứng mẫu đất lớn Kết luận Các đường trạng thái tới hạn độ hút dính khác mặt phẳng (q – p) song song với với độ dốc 1,28 từ thí nghiệm cắt trục CW Điều cho thấy đồng quan hệ độ lệch ứng suất ứng suất thực trung bình thí nghiệm trục CW Quan hệ tuyến tính thể tích riêng ứng suất thực trung bình thí nghiệm trục CW thu từ kết nghiên cứu Kết đồng thời cho thấy đồng quan hệ thể tích riêng ứng suất thực trung bình mặt phẳng (v – p) thí nghiệm cắt trục CW Độ dốc đường trạng thái tới hạn mặt phẳng (v – p) thí nghiệm trục giảm độ hút dính tăng lên Sự đồng quan hệ thể tích riêng ứng suất thực trung bình thí nghiệm cắt trục CW đồng thời tìm kết nghiên cứu Tài liệu tham khảo Adam, B A and Wulfsohn, D 1998 “Critical-state Behavior of an Agricultural Soil” Journal of Agricultural Engineering Research, Vol 70, pp 345-354 Alonso, E E., Gens, A and Josa, A 1990 “A constitutive model for partially saturated soils” Geotechnique, 40, pp 405-430 ASTM, 2003, D698-91, “Standard Test Methods for Laboratory Compaction Characteristics of Soil Using Standard Effort” (12,400 ft-lb/ft (600 kN-m/m3)) 97 Bolzon, G Schrefler, B.A and Zienkiewicz, O.C 1996 “Elastoplastic soil constitutive laws generalized to partially saturated states” Geotechnique, Vol 46, pp 279-289 Chiu, C F and Ng, C W W 2003 “A State-dependent Elasto-plastic Model for Saturated and Unsaturated Soils” Geotechnique Vol 53, No 9, pp 809-829 Cui, Y J., and Delage, P 1996 “Yielding and plastic behaviour of unsaturated compacted silt” Geotechnique 46 (2), pp 291-311 Fredlund, D.G and Rahardjo, H 1993 “Soil Mechanics for Unsaturated Soils” John Wiley and Sons Inc., New York Head, K.H 1986 “Manual of Soil Laboratory Testing” John Wiley and Sons, Inc., Vol 3, pp 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 10 Maatouk, A., Leroueil, S and Rochelle, P LA 1995 “Yielding and critical state of a collapsible unsaturated silty soil” Geotechnique, Vol 45, pp 465-477 11 Ong, B.H (1999), “Shear Strength and Volume Change of Unsaturated Residual Soil”, Master of Engineering Thesis, Nanyang Technological University, Singapore 12 Rahardjo, H., Ong, B.H 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, Vol 41, pp 1-16 13 Rampino, C., Macuso, C., and Vinale, F 1999 “Mechanical Behavior of an Unsaturated Dynamically Compacted Silty Sand” Italian Geotechnical Journal, Vol.33, No.02, pp 26-39 14 Rampino, C., Macuso, C., and Vinale, F 2000 “Experimental behavior and modeling of an unsaturated compacted soil” Canadian Geotechnical Journal, Vol 37, pp 748-763 15 Sivakumar, V 1993 “A critical state framework for unsaturated soil” PhD Thesis, University of Sheffield, Sheffield, U.K 16 Sun, D.A and Matsuoka, H 2000 “Three-dimensional elasto-plastic model for unsaturated soils” In Proceeding of the Asian Conference on Unsaturated Soils, Editted by Rahardjo, H., Toll, D.G., and Leong E.C pp153–158 17 Tang, G.X and Graham, J 2002 “A possible elasto-plastic framework for unsaturated soils with high-plasticity” Canadian Geotechnical Journal, Vol 39 pp 894-907 18 Toll, D.G 1990 A framework for Unsaturated Soils Behaviour Geotechnique, Vol 40, pp 31-44 19 Wheeler, S J 1996 “Inclusion of Specific Water Volume within an Elasto-plastic Model for Unsaturated Soil” Canadian Geotechnical Journal, Vol.33, pp 42-57 Abstract: A Study of characteristic of critical state on unsaturated soil A series of CW triaxial tests was carried out on statically compacted silt The results from this study show that the critical state lines at different matric suctions on the (q – p) plane were parallel with a slope of 1.28 for the CW triaxial tests, indicating the unique relationship between deviator stress and mean net stress The results also indicate the unique relationship between the specific volume, v, and mean net stress, p, on the (v – p) plane for both the CW triaxial tests The slope of the critical state lines on the (v – p) plane for the CW triaxial tests decreased with the increase in matric suction 98 ... đường trạng thái tới hạn từ kết thí nghiệm cắt trục CW có giá trị 1,28 Nói cách khác, độ dốc đường trạng thái tới hạn mặt phẳng (q – p) đồng đất sét pha đầm nén từ thí nghiệm cắt trục CW Các ứng... thái tới hạn độ hút dính p (kPa) Hình Các đường trạng thái tới hạn mặt phẳng (q – p) từ thí nghiệm cắt trục CW Bảng Các giá trị ứng suất trạng thái tới hạn từ thí nghiệm cắt trục CW Áp lực buồng... từ thí nghiệm cắt trục CW Các ứng suất trạng thái tới hạn từ thí nghiệm cắt trục trình bày bảng Hình biểu diễn trạng thái tới hạn thí nghiệm cắt trục CW các áp lực buồng thực độ hút dính khác