Đang tải... (xem toàn văn)
Nội dung bài viết nghiên cứu ảnh hưởng của lực hút matric lên độ bền cắt, bài báo này trình bày phương pháp thí nghiệm xác định sức chống cắt của đất không bão hòa bằng phương pháp Các thử nghiệm cắt ba trục hàm lượng nước không đổi (CW) sử dụng thiết bị ba trục trong phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật ở Đại học Thủy Lợi. Các kết quả cho thấy rằng góc nội ma sát của đất gần như không đổi. Sức chống cắt của đất tăng làm cho hệ số an toàn của dốc tăng lên.
ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC HƯT DÍNH ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT PHONG HĨA KHƠNG BÃO HÕA KHU VỰC TỈNH NINH THUẬN NGUYỄN THỊ NGỌC HƢƠNG* The effect of matric suction on the shear strength of an unsaturated soil Abstract: Matric suction and shear strength is the basis parameters of unsaturated soils and play an important role in soil slope stability.The shear strength of unsaturated soils differs from saturated soils in that there is additional cohesion caused by adhesive attraction This additional cohesion depends on the matric suction (ua - uw) and b Shear strength of unsaturated soils can be determined by experiment method with different test models To study the effect of matric suction on shear strength, this paper presents the experiment method of determining shear strength of the unsaturated soil by the constant water content triaxial shearing tests (CW) which uses the modified triaxial apparatus in the Geotechnical laboratory in Thuyloi University The results show that angle of internal friction, ’, of the soil is nearly constant but b decreases and the shear strength increases when the matric suction of the unsaturated soil increases The shear strength of the soils increase which make the factor of safety of the slope increasing Keywords: Shear strength, unsaturated soil, constant water content triaxial tests, matric suction CƢỜNG ĐỘ CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT KHƠNG BÃO HỊA * Theo Fredlund nnk (1978), cƣờng độ chống cắt đất không bão hịa đƣợc lập theo biến trạng thái ứng suất độc lập Có thể dùng hai ba biến trạng thái ứng suất để lập phƣơng trình cƣờng độ chống cắt Các biến trạng thái ứng suất ( - ua) (ua - uw) tổ hợp thuận lợi thực tiễn Fredlund nnk (1978) kiến nghị phƣơng trình cƣờng độ chống cắt cho đất khơng bão hồ việc dùng biến trạng thái ứng suất (ua) (ua-uw) nhƣ sau: ff c' f ua f tan 'ua u w f tan b (1) đó: * Bộ mơn Địa kỹ thuật, Tr ng Đ i học Thủy l i Email: ntnhuong@tlu.edu.vn 94 ff - ứng suất cắt mặt trƣợt trạng thái phá hoại, c’ - lực dính hiệu từ đƣờng bao phá hoại Mohr-Coulomb “kéo dài” trục ứng suất cắt ứng suất pháp thực lực hút dính khơng, (f-ua)f - ứng suất pháp thực mặt trƣợt trạng thái phá hoại, (ua-uw)f - lực hút dính trạng thái phá hoại, uaf - áp lực khí l r ng trạng thái phá hoại, uwf - áp lực nƣớc l r ng trạng thái phá hoại, ’ - góc ma sát ứng với ứng suất pháp thực (f-ua)f, b - góc ma sát biểu kiến biểu thị độ dốc đƣờng quan hệ lƣợng tăng ứng suất cắt lực hút dính (ua-uw)f giả thiết tuyến tính, trạng thái phá hoại ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 ĐẶC TRƢNG CỦA ĐẤT DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM Mẫu đất dùng nghiên cứu thuộc mỏ vật liệu đất đắp đập dâng nƣớc hệ thống cơng trình đầu mối hồ chứa nƣớc Sông Sắt nằm địa phận xã Phƣớc Thắng, huyện Bác Ái, tỉnh Ninh Thuận, cách thị xã Phan Rang 50 km phía Tây Bắc (khu vực Nam Trung Bộ) Đất thuộc loại sét pha nhẹ, mầu xám vàng, dẻo mềm, chứa nhiều sỏi sạn, cát hạt vừa, lẫn hịn mảnh vụn phong hóa nhỏ Tính chất vật lý đất đƣợc xác định theo qui trình thí nghiệm TCVN (1995) đƣợc nêu bảng (500 kPa) Tác giả thiết kế gia công mặt đế dƣới, tạo hệ đƣờng rãnh nối tiếp để gắn đƣợc đ a gốm tiếp nhận khí cao áp lên nhƣ mơ tả hình Các đƣờng rãnh mặt đế dƣới bên ngăn chứa nƣớc đƣợc dùng nhƣ đƣờng dẫn nƣớc để đuổi bọt khí bị giam hãm hay tích tụ khuếch tán Đ a áp lực khí đƣợc trám đủ kín vào bệ đáy keo Epoxy theo chu vi đ a Sự trám kín đ a bệ đáy bảo đảm khí khơng thể rò rỉ vào ngăn chứa nƣớc Bảng 1: Tính chất lý mẫu đất dùng nghi n cứu Các ti u Tỷ trọng Ký Đơn Vật liệu hiệu vị Sông sắt Gs 2,731 Giới hạn chảy Wl % 24,08 Giới hạn dẻo Wp % 15,16 Ip % Chỉ số dẻo 8,91 Khối lƣợng đơn vị khô lớn dmax T/m 1,997 Độ ẩm tốt 10,97 Wopt % THIẾT BỊ BA TRỤC CẢI TIẾN ĐỂ THÍ NGHIỆM ĐẤT KHƠNG BÃO HÕA Thí nghiệm cắt mẫu đất khơng bão hịa nghiên cứu đƣợc tiến hành máy nén trục cải tiến (tƣơng tự loại dùng Fredlund Rahardjo năm 1993), cho phép xác định áp lực nƣớc l r ng uw khí l r ng, ua Hình nêu sơ đồ lắp đặt buồng thí nghiệm nén trục mẫu đất khơng bão hịa Đặc điểm buồng đá thấm đáy đƣợc thay đ a gốm tiếp nhận khí cao áp để kiểm sốt đo áp lực khí l r ng đất khơng bão hịa Thiết bị thí nghiệm nén ba trục cải tiến dùng cho nghiên cứu thuộc phịng thí nghiệm Địa Kỹ Thuật trƣờng Đại học Thủy lợi đƣợc mơ tả hình Đ a tiếp nhận khí cao áp dùng nghiên cứu đ a gốm loại bar ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 Hình 1: Buồng ba tr c cải tiến để thí nghiệm đất khơng bão hịa (theo Fredlund Rahardjo, 1993) Hình 2: Buồng ba tr c cải tiến dùng phịng thí nghiệm Địa Kỹ thuật, Tr ng Đ i học Thủy l i 95 Hình 3: Ngăn chứa n ớc có rãnh hình vịng trịn phần đầu chân đế buồng ba tr c đĩa áp lực khí cao QUI TRÌNH THÍ NGHIỆM Tác giả áp dụng quy trình thí nghiệm nén trục cho mẫu đất bão hịa (Head, 1986) dùng quy trình thí nghiệm nén trục cho đất khơng bão hịa (Fredlund - Rahardjo, 1993) Lực hút dính ban đầu đƣợc thiết lập dựa việc sử dụng kỹ thuật chuyển trục Chuẩn bị mẫu Các mẫu đất thí nghiệm thuộc cơng trình Sơng Sắt đƣợc đầm nén với giá trị khối lƣợng đơn vị khô 95 % khối lƣợng đơn vị khô lớn độ ẩm tƣơng ứng sau đầm nén Mẫu đất đƣợc đầm nén từ 10 lớp đất với chiều dày m i lớp 10mm để đảm bảo tính đồng độ chặt tồn mẫu Chiều cao đƣờng kính mẫu tƣơng ứng 100mm 50mm Trọng lƣợng đầm 0,715 (kG), trọng lƣợng đầm+thanh dẫn 1,303 (kG), chiều cao đầm rơi 30 cm Giai đoạn bão hòa mẫu Tất mẫu đất dùng chƣơng trình thí nghiệm đƣợc bão hịa nhằm tạo nên đồng độ ẩm độ bão hòa ban đầu Trong giai đoạn này, đƣờng áp lực nƣớc l r ng nối với thiết bị khống chế áp lực thể tích nƣớc, bơm nƣớc vào mẫu từ đỉnh Mẫu đất đƣợc bão hòa trình tăng dần cấp áp lực buồng, 3, áp lực ngƣợc, uw, dƣới áp lực hiệu 10kPa hệ số áp lực nƣớc l r ng B đạt giá trị gần Mẫu đất đƣợc coi bão hịa hồn tồn hệ số áp lực nƣớc l r ng đạt giá trị lớn 0,95 96 (Head, 1986) Quá trình bão hịa mẫu thƣờng kéo dài khoảng 10 ngày Giai đoạn cố kết Sau giai đoạn bão hòa kết thúc, mẫu đất đƣợc cố kết dƣới áp lực buồng, 3, đo áp lực nƣớc l r ng, uw, có đƣợc áp lực hiệu yêu cầu, (3 – uw) Giá trị độ lớn áp lực cố kết đƣợc chọn tuỳ thuộc giá trị áp lực thực (3 – ua) theo yêu cầu giai đoạn cân lực hút dính giai đoạn cắt Trong giai đoạn cố kết, mở van C để thoát nƣớc mở van D tạo áp lực buồng khống chế theo giá trị yêu cầu (hình 1) Áp lực nƣớc l r ng đƣợc đo biến đặt đáy (hình 1) Lƣợng nƣớc từ mẫu thí nghiệm q trình cố kết đẳng hƣớng đƣợc ghi lại thiết bị đo biến thiên thể tích burret kép Giai đoạn cố kết đƣợc coi kết thúc thể tích nƣớc khỏi mẫu không thay đổi áp lực nƣớc l r ng dƣ hoàn toàn tiêu tán Thời gian cho giai đoạn cố kết khoảng Giai đoạn tạo cân lực hút dính mẫu Khi giai đoạn cố kết kết thúc, để tạo lực hút dính bên mẫu, đƣờng áp lực nƣớc nối với đỉnh mẫu thí nghiệm đƣợc ngắt van C thay vào đƣờng áp lực khí, ua Đƣờng áp lực nƣớc đƣợc nối với buồng nhỏ chứa nƣớc dƣới đáy mẫu van A Lúc này, van A khống chế áp lực nƣớc l r ng đáy mẫu áp lực khí l r ng bên mẫu đƣợc kiểm soát van C Sự khác áp lực khí l r ng, ua, áp lực nƣớc l r ng, uw, lực hút dính, (ua – uw) Nhƣ q trình tạo lực hút dính, mẫu đất đƣợc cố kết áp lực hông thực (3 – ua) lực hút dính (ua – uw) Giai đoạn cân lực hút dính mẫu đƣợc coi kết thúc lƣợng nƣớc thoát hầu nhƣ hay áp lực nƣớc l r ng dƣ tiêu tán hồn tồn thể tích thay đổi giảm dần tới 0,04% ngày nhƣ theo đề nghị Sivakumar (1993) Thời gian cho trình cân lực hút dính thƣờng kéo dài khoảng đến ngày ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 Giai đoạn cắt mẫu Khi điều kiện cân lực hút dính mẫu đạt đƣợc dƣới áp lực tác dụng (tức 3, ua uw), mẫu đất đƣợc cắt lực dọc trục điều kiện thoát khí khơng nƣớc l r ng, với vận tốc số Trong nghiên cứu này, tốc độ biến dạng đƣợc tính tốn theo TCVN 8868 : 2011 đƣợc chọn sở bảo đảm khống chế áp lực khí l r ng ua áp lực khí l r ng cuối q trình cố kết hay đầu trình cắt Tác giả chọn tốc độ biến dạng 0,02 mm/phút Trong sơ đồ thí nghiệm này, mẫu đất đƣợc cắt dƣới điều kiện pha khí tự do, nhƣng khơng cho pha nƣớc ngồi Điều có ngh a q trình cắt van pha khí đƣợc mở (van C hình 1) van pha nƣớc đƣợc đóng lại (van A B hình 1) Giai đoạn cắt đƣợc coi kết thúc độ lệch ứng suất, q = (1 - 3) vƣợt qua điểm đỉnh đạt tới giá trị không đổi quan sát đƣợc mặt phá hoại rõ ràng mẫu đất Nếu không đạt đƣợc điều kiện phá hoại nhƣ nêu ngừng thí nghiệm đạt đến 25% biến dạng dọc trục Giai đoạn cắt kéo dài ngày Chƣơng trình thí nghiệm Các thí nghiệm cắt ba trục độ ẩm không đổi (CW) đƣợc thực lực hút dính khác áp lực hông thực khác để nghiên cứu mặt bao phá hoại cho đất khơng bão hịa Với mục đích thí nghiệm mẫu đất có trạng thái từ bão hịa đến khơng bão hịa, lực hút dính ban đầu đƣợc lựa chọn cho chƣơng trình thí nghiệm lần lƣợt là: kPa, 100 kPa 200 kPa Các áp lực hông thực đƣợc lựa chọn dựa khả chịu lực hệ thống ba trục buồng ba trục là: 50 kPa, 100 kPa 200 kPa Chƣơng trình thí nghiệm cắt ba trục đƣợc trình bày bảng Ký hiệu mẫu đất thí nghiệm cắt ba trục độ ẩm không đổi CWx-y, x-y biểu thị thí nghiệm đƣợc thực dƣới áp lực buồng thực x kPa lực hút dính ban đầu y kPa ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 Bảng 2: Chƣơng trình thí nghiệm cắt ba trục độ ẩm không đổi (CW) Áp lực buồng thực, Lực hút dính ban đầu, (kPa) (kPa) 100 200 50 CW50-0 CW50-100 CW50-200 100 CW100-0 CW100-100 CW100-200 200 CW200-0 CW200-100 CW200-200 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng đƣợc cho hình Các giá trị 76 kPa 146 kPa giá trị trung bình lực hút dính lúc phá hoại (tại ứng suất lệch đỉnh) thí nghiệm nén ba trục CW dƣới áp lực hông thực khác (50 kPa, 100 kPa 200 kPa) nhƣng lực hút dính ban đầu lần lƣợt 100 kPa 200 kPa Trên 4, ta thấy: lực hút dính tăng, góc b giảm từ giá trị b = ’ lực hút dính kPa đến giá trị b = 40 ứng với giá trị lực hút dính 200 kPa Góc ma sát ’ mẫu dƣờng nhƣ giữ ngun 130 dù lực hút dính tăng Hình 4: Mặt bao phá ho i Mohr-Coulomb mở rộng xác định đ c t thí nghiệm n n ba tr c độ ẩm khơng đổi CW mẫu đất thí nghiệm cơng trình Sơng S t 97 250 (ua - uw)f , kPa 38 133,0 33 69,29 14 200 150 13° 100 50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 ( - ua) (kPa) Hình 6: Đ ng bao phá ho i Mohr - Coulomb mở rộng xác định t thí nghiệm ba tr c độ ẩm không đổi CW ứng với áp lực hơng thực 200 kPa Hình biểu diễn hình chiếu mặt bao phá hoại mặt phẳng a - uw) Giao tuyến biểu thị lƣợng tăng cƣờng độ chống cắt lực hút dính tăng Các quan hệ hình cho thấy lực hút dính tăng làm cƣờng độ chống cắt mẫu tăng lên Áp lực hông thực tăng làm cƣờng độ chống cắt mẫu tăng theo tƣơng ứng c (kPa) (ua - uw)f , kPa 300 250 (kPa) c (kPa) 300 (kPa) Các đƣờng bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng đƣợc vẽ cho thí nghiệm nén ba trục CW áp lực hông thực với mặt lực hút dính khác cách cho ’ = 130 (’ góc ma sát hiệu mẫu bão hòa) với tất mặt lực hút dính Các đƣờng bao phá hoại MohrCoulomb mở rộng cho thí nghiệm nén ba trục độ ẩm khơng đổi (CW) dƣới lực hút dính ban đầu khác nhƣng ứng suất pháp thực 50 kPa 200 kPa đƣợc mô tả tƣơng ứng hình hình Khoảng chặn lực dính, c, từ thí nghiệm nén ba trục CW đƣợc xác định cách vẽ đƣờng bao phá hoại Mohr-Coulomb tiếp tuyến qua vòng tròn Mohr đƣợc dựng từ m i thí nghiệm nén ba trục CW Hình biểu diễn đƣờng bao phá hoại Mohr-Coulomb cho mẫu đầm nén Sông Sắt ứng với áp lực hông thực 50 kPa Trên hình ta thấy lực hút dính mẫu thay đổi, đƣờng bao hƣớng lên song song với có góc nghiêng góc ma sát ’ = 130 42 162,28 35,2 78,8 200 14 150 100 13° 50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 ( - ua) (kPa) Hình 5: Đ ng bao phá ho i Mohr - Coulomb mở rộng xác định t thí nghiệm ba tr c độ ẩm không đổi CW với áp lực hông thực 50 kPa Đƣờng bao phá hoại Mohr-Coulomb cho mẫu đầm nén Sông Sắt ứng với áp lực hông thực 200 kPa đƣợc cho hình 98 Hình 7: Các hình chiếu ngang mặt bao phá ho i tr n mặt phẳng (ua-uw xác định t thí nghiệm n n ba tr c CW mẫu đất đầm n n Sông S t ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 KẾT LUẬN Tác giả tiến hành nghiên cứu thực nghiệm xác định cƣờng độ chống cắt đất khơng bão hịa ứng với lực hút dính khác thiết bị nén ba trục cải tiến cho đất khơng bão hịa theo sơ đồ nén ba trục độ ẩm không đổi (CW) Kết nghiên cứu cho thấy hình chiếu mặt bao phá hoại mặt phẳng ~ ( - ua) đƣờng có khoảng chặn lực dính tăng dần lực hút dính tƣơng ứng chúng tăng Khoảng chặn lực dính trở thành lực dính hiệu c’ = 14 kPa lực hút dính tiến tới khơng Tất đƣờng đồng lực hút dính đƣờng thẳng tịnh tiến hƣớng lên song song có góc dốc ’ = 13º, thể lƣợng tăng cƣờng độ chống cắt lực hút dính đất tăng Hình chiếu mặt bao phá hoại mặt phẳng ~ (ua uw) cho thấy quan hệ cƣờng độ chống cắt lực hút dính quan hệ phi tuyến Quan hệ hình biểu thị tăng cƣờng độ chống cắt lực hút dính tăng Áp lực hơng thực tăng làm cƣờng độ chống cắt mẫu tăng theo tƣơng ứng Từ kết nghiên cứu ta rút đất khơng bão hồ, lực hút dính tăng lên lực dính c tăng làm cƣờng độ chống cắt đất tăng Mẫu đất thí nghiệm có góc ma sát ’ = 130 lực dính đơn vị c’ = 14 kPa Khi lực hút dính tăng, góc ma sát gần nhƣ không thay đổi (’ 130) nhƣng lực dính c tăng làm cƣờng độ chống cắt mẫu tăng lên, góc b giảm dần Kết nghiên cứu đề tài sở để tính tốn giảm khối lƣợng đất đắp trƣờng hợp khu vực xây dựng khan vật liệu địa phƣơng Ng TÀI LIỆU THAM KHẢO FREDLUND, D.G., RAHARDJO, H (1998), "Cơ học đất cho đất khơng bão hồ" (bản dịch), tập 1+2 NXB Giáo dục TCVN 4195-1995 4202-1995 (1996), Tiêu chuẩn Việt Nam: "Đất xây dựng", Bộ Xây dựng NXB Xây dựng Hà Nội TCVN 8868:2011 (2011), Tiêu chuẩn quốc gia: "Đất xây dựng - Ph ơng pháp xác định sức kháng c t không cố kết khơng n ớc, cố kết khơng n ớc cố kết thoát n ớc đất dính tr n thiết bị n n ba tr c" (xuất lần 1), Viện Tiêu chuẩn Chất lƣợng Việt Nam Hà Nội Fredlund, D.G., Morgenstern, N.R., and Widger, R.A (1978), “The shear strength of unsaturated soils”, Canadian Geotechnical Journal, 15(3): 313–321 Fredlund, D.G., Rahardjo, H., and Gan, J.K.M (1987), “Non-linearity of strength envelope for unsaturated soils”, Proceedings, 6th International Conference on Expansive Soils, New Delhi, India, pp 49–54 Fredlund, D.G and Rahardjo, H (1993), “Soil Mechanics for Unsaturated Soils”, John Wiley & Sons, Inc Head, K.H (1986), “Manual of Soil Laboratory Testing”, John Wiley and Sons, Inc., Vol 3, pp 942-945 Ho, D.Y.F., and Fredlund, D.G (1982), “Increase in shear strength due to soil suction for two Hong Kong soils”, Proceedings, ASCE, Geotechnical Conference on Engineering and Construction in Tropical and Residual Soils, Honolulu, Hawaii, pp 263-295 i phản biện: GS NGUYỄN CÔNG MẪN ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 99 ... lực hút dính tăng Áp lực hơng thực tăng làm cƣờng độ chống cắt mẫu tăng theo tƣơng ứng Từ kết nghiên cứu ta rút đất khơng bão hồ, lực hút dính tăng lên lực dính c tăng làm cƣờng độ chống cắt đất. .. lực khí l r ng, ua, áp lực nƣớc l r ng, uw, lực hút dính, (ua – uw) Nhƣ q trình tạo lực hút dính, mẫu đất đƣợc cố kết áp lực hông thực (3 – ua) lực hút dính (ua – uw) Giai đoạn cân lực hút dính. .. chống cắt lực hút dính đất tăng Hình chiếu mặt bao phá hoại mặt phẳng ~ (ua uw) cho thấy quan hệ cƣờng độ chống cắt lực hút dính quan hệ phi tuyến Quan hệ hình biểu thị tăng cƣờng độ chống cắt lực