ch−ơng 1: 2 Các nhóm thí nghiệm cơ bản về đất xây dựng đ−ờng
Đ6. Giới thiệu các thí nghiệm xuyên
1. Nguyên lý
Xuyên tĩnh tức là dùng một lực tĩnh để ấn một mũi xuyên hình nón có kích th−ớc nhất định vào trong đất với một tốc độ không đổị Khả năng chống lại lực xuyên của đất đặc tr−ng bằng sức kháng đơn vị mũi xuyên gọi tắt là sức kháng mũi xuyên ký hiệu là qc . Giá trị qc càng lớn thì độ bền của đất càng cao
2. Phân loại
- Theo nguyên lý vận hành phân thành: xuyên tay (các thao tác thực hiện bằng tay, lực nén đ−ợc tạo ra qua một hệ thống bánh răng – thanh răng) khi chiều sâu khảo sát không lớn và xuyên máy (khi thao tác và lực nén đều thực hiện hiện qua hệ thống thuỷ lực)
- Theo cách thức truyền thông tin và ghi kết quả đo phân thành xuyên cơ học và xuyên điện
3. Dụng cụ thí nghiệm
• Đầu xuyên : gồm mũi xuyên và măng sông (vỏ bọc) đo ma sát.
- Mũi xuyên là một bộ phận cuối cùng của đầu xuyên có dạng hình nón, góc nhọn mũi xuyên từ 60 – 900, mũi xuyên gồm các dạng sau:
+ Mũi xuyên cố định : Khi mũi xuyên chuyển động đồng thời với các bộ phận khác của đầu xuyên và cần xuyên.
+ Mũi xuyên di động: Khi thí nghiệm xuyên chỉ có mũi xuyên chuyển động còn các bộ phận khác của đầu xuyên và cần ngoài vẫn đứng yên.
+ Mũi xuyên đơn giản: Là loại mũi xuyên mà phía trên nón là hình trụ có đ−ờng kính đáy bằng đ−ờng kính đáy mũi xuyên
+ Mũi xuyên có áo bọc: Loại mũi xuyên mà phía trên nón có áo bọc có chiều dài lớn hơn đ−ờng kính đáy mũi xuyên
- Măng sông (vỏ bọc): Đo ma sát là một đoạn ống thép dài 133.7mm có diện tích xung quanh là 150 cm2 dùng để đo ma sát đơn vị của đất trên thành lỗ xuyên, th−ờng ký hiệu là fs
• Hệ thống cần xuyên gồm hai loại cần:
- Cần ngoài: là các đoạn ống rỗng dùng để ấn định h−ớng xuyên xuống đất và bảo vệ hệ thống cần trong hoặc cáp điện
- Cần trong là những đoạn thép đặc, hình vuông dùng để ấn mũi xuyên xuống đất. • Hệ thống tạo lực nén: là những thanh xi lanh và piston để tạo ra lực nén tĩnh.
• Hệ thống đo và ghi kết quả th−ờng là các đồng hồ đo áp lực. Dựa vào các số đọc, ghi đ−ợc ng−ời ta tính ra đ−ợc sức kháng mũi xuyên và ma sát đơn vị trên thành lỗ xuyên
• Hệ thống neo giữ ổn định cho thiết bị xuyên trong quá trình thí nghiệm
4. Tiến hành thí nghiệm
- Chỉnh thiết bị xuyên tĩnh về vị trí cân bằng, trục của xuyên phải trùng với ph−ơng thẳng đứng
- Tuỳ theo thiết bị xuyên mà việc xuyên có thể đ−ợc thí nghiệm liên tục (xuyên điện) hay gián đoạn (trong xuyên cơ học – cứ khoảng 20cm ng−ời ta lại đọc số liệu một lần)
- Khi sử dụng đầu xuyên không có vỏ bọc đo ma sát ng−ời ta ấn cần và đầu xuyên xuống vị trí cần thí nghiệm. Sau đó ấn cần trong cho mũi xuyên xuyên vào đất một khoảng 4cm để xác định sức kháng mũi xuyên qc. ấn tiếp cần ngoài và đầu xuyên xuống một khoảng nhỏ hơn 20cm (th−ờng là 16cm) để xác định tổng sức kháng xuyên thí nghiệm lặp lại cho đến độ sâu kết thúc.
- Khi sử dụng đầu xuyên có vỏ bọc đo ma sát ng−ời ta cũng ấn cần và đầu xuyên xuống vị trí cần thí nghiệm, sau đó ấn cần trong cho mũi xuyên vào đất khoảng độ 4 cm để xác định sức kháng mũi xuyên qc. Số đọc trên áp lực kế lúc này ký hiệu là X, ấn tiếp cần trong để mũi xuyên và vỏ bọc đo ma sát đi sâu vào trong một khoảng 4cm nữa nhằm
xác định tổng sức kháng của mũi xuyên và ma sát của đoạn vỏ bọc đo ma sát. Số đọc trên áp lực kế lúc này đ−ợc ký hiệu là Ỵ Cuối cùng ấn cần ngoài để mũi xuyên đóng lại, thí nghiệm đ−ợc lặp lại cho đến khi kết thúc điểm xuyên.
- Các giá trị đọc đ−ợc là những giá trị ổn định trên áp lực kế, cần loại trừ các giá trị đột biến trong quá trình thí nghiệm.
5. Kết quả thí nghiệm
- Sức kháng mũi xuyên qc là sức kháng của đất tác dụng lên mũi xuyên và đ−ợc xác định bằng cách chia lực tác dụng thẳng đứng Qc cho tiết diện đáy mũi xuyên Ac
qc = c c A Q (MPa)
Giá trị qc trong xuyên tay chính bằng số đọc X trong xuyên máy, sẽ bằng 2X
- Ma sát đơn vị fs là sức kháng của đất tác dụng lên bề mặt của vỏ bọc đo ma sát của mũi xuyên và xác định bằng cách chia lực tác dụng lên bề mặt của vỏ bọc Qc cho diện tích bề mặt của vỏ bọc đo ma sát As: fs = s c A Q ( MPa)
Tri số fs trong xuyên tay đ−ợc tính từ các số đọc X, Y theo công thức:
fs = ( )
15 1
X Y−
Trong xuyên máy:
fs = ( ) 5 . 7 1 X Y−
- Chỉ số ma sát Rf là tỷ số giữa ma sát đơn vị và sức kháng mũi xuyên ở cùng một độ sâu thí nghiệm, tính bằng % Rf = *100% c s q f
Trong ph−ơng pháp thí nghiệm xuyên không liên tục cứ 20 cm ng−ời ta lại đọc số liệu một lần, tứ đó sẽ tính đ−ợc các giá trị của qc và fs tại các chiều sâu khác nhau từ đó vẽ đ−ợc biều đồ xuyên tĩnh. Từ đó có thể phân định khá chính xác ranh giới giữa các lớp đất trong khu vực khảo sát và nếu có nhiều điểm xuyên ng−ời ta sẽ lập đ−ợc các mặt cắt địa chất gần đúng của đất qua đó sẽ định h−ớng cho việc tính toán và thiết kế nền móng công trình.
6. Phạm vi áp dụng: Dùng cho đất dính
IỊ Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT (Standard Penetration Test)
1. Nguyên lý:
chuẩn làm cho ống mẫu tiêu chuẩn ngập vào trong đất một chiều sâu nhất định 30cm. Số lần đập búa gọi là chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT (N). Đất càng chặt, càng cứng thì số lần đóng để ống mẫu tiêu chuẩn ngập vào trong một khoảng nhất định càng cao, dựa vào số lần đóng này ng−ời ta có thể phán đoán đ−ợc trạng thái và một số đặc tr−ng cơ học của đất.
2. Dụng cụ thí nghiệm: Gồm hai bộ phận chủ yếu
- Đầu xuyên: là một ống thép gồm mũi xuyên, ống chẻ mẫu (là hai nửa hình bán nguyệt, có ren ở hai đầu để nối với mũi xuyên và đầu nối) và đầu nối
- Bộ búa đóng dùng để tạo năng l−ợng đóng mũi xuyên vào đất gồm quả búa, bộ gắp và cần dẫn h−ớng
+ Quả búa hình trụ tròn xoay bằng thép có lỗ ở chính tâm để có thể rơi tr−ợt tự do theo thanh dẫn h−ớng
+ Bộ gắp là bộ phận dùng để nâng hạ búa một cách tự động đúng quy định
+ Cần dẫn h−ớng để định h−ớng rơi của quả búa gồm có đe và thanh dẫn h−ớng: Đe là một đế thép tiếp nhận năng l−ợng rơi của búa truyền xuống mũi xuyên thông qua hệ thống cần khoan. Thanh dẫn h−ớng có đ−ờng kính phù hợp với đ−ờng kính lỗ ở giữa búa và có cấu tạo đặc biệt giúp cho bộ gắp nhả búa đúng lúc đạt độ cao rơi quy định.
3. Tiến hành thí nghiệm
Tại mỗi điểm thí nghiệm SPT phải thực hiện các công việc sau: - Khoan tạo lỗ đến độ sâu thí ngiệm và rửa sạch đáy lỗ khoan.
Việc khoan có thể đ−ợc tiến hành bằng ph−ơng pháp khoan xoay hay guồng xoắn, đ−ờng kính lỗ khoan phải đủ lớn (55 ~ 163mm) để giữ thành lỗ khoan ổn định có thể dùng dung dịch sét hay ống vách
Việc làm sạch đáy lỗ khoan có thể đ−ợc tiến hành bằng sự tuần hoàn của dung dịch khoan
- Lắp bộ búa đống, kiểm tra bộ gắp và thành dẫn h−ớng
- Chọn điểm chuẩn và đo trên cần khoan ba đoạn liên tiếp mỗi đoạn 15cm phía trên điểm chuẩn
- Đóng búa
- Đếm và ghi số búa cần thiết để mũi xuyên ngập trong đất từng đoạn 15cm đã vạch tr−ớc trên cần khoan, phải ghi lại số búa cần thiết cho 15cm v−ợt quá 50cm hay 100cm theo yêu cầu thiết kế
- Sau khi đã đếm và ghi đủ số búa ứng với độ ngập sâu 45cm của mũi xuyên tiến hành cắt đất bằng cách xoay cần khoan, rút mũi xuyên lên mặt đất.
- Tháo ống chẻ mẫu, quan sát và mô tả đất chứa trong đó, chọn mẫu đất đại diện bảo quản mẫu để đem về thí nghiệm một số chỉ tiêu nh− độ ẩm, thành phần hạt, trọng l−ợng thể tích.
4. Kết quả thí nghiệm:
- Tại mỗi điểm thí nghiệm SPT, chỉ số N đ−ợc tính là tổng số búa của 30 cm xuyên sau cùng của mũi xuyên.
- Chỉ số này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nh− trạng thái bề mặt của ống mẫu, độ cao mực n−ớc ngầm, độ mài mòn của mũi xuyên, đặc điểm về hình dáng và sự phân bố cáclỗ thoát trên đầu xuyên, thời gian dừng khoan và lấy mẫu, độ cứng của cần nối với ống mẫu, sự thiếu chính xác của việc đếm và đo độ sâu ... vì vậy th−ờng phải điều chỉnh số liệu đếm đ−ợc trong quá trình thí nghiệm.
R. Terzaghi và R. Peck đã đ−a ra những hệ số điều chỉnh đối với các số đọc N’ cho lớp cát mịn nằm d−ới mực n−ớc ngầm nh− sau:
N = 15 + 0.5(N’ – 15)
5. Phạm vi áp dụng
- áp dụng đối với đất rời và một ít đất dính
- Đất càng cứng N càng lớn và khi N > 50 thì dừng lại
Ch−ơng 2