7 CÁC CÔNG TRÌNH BỊ SỰ CỐ VÀ NGHIÊN CỨU TIÊU BIỂU TRONG
2.4.1 Khái niệm độ nhớt
Đặt = , = , = 1 = + + = 1 ( + + ) (2-46)
Nếu qs, qw, qađược tính theo tỉ lệ phần trăm, ta có công thức:
= 100
( + + ) (2-47)
Nếu xem trọng lượng khí trong mẫu đất là rất nhỏ, thành phần qa/γra có thể xem
bằng không và có thể bỏ qua. Công thức của ta sẽ còn là:
= 100
( + ) (2-48)
=100. ( − ) (2-49)
Nếu tính theo các thông số truyền thống khác, ta có công thức tính Va/V như sau:
= 1 + − − (2-50)
2.4 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY THÍ NGHIỆM ĐỘ NHỚT CỦA ĐẤT YẾU THEO NGUYÊN LÝ CẮT XOAY VỚI TỐC ĐỘ CHẬM
[17], [23], [44]
2.4.1 Khái niệm độ nhớt [45]
Độ nhớt là độ cản của 1 chất lỏng khi di chuyển, nó là thông số đại diện cho sự
ma sát trong của dòng chảy.
Một chất lỏng nhớt đặt giữa 2 đĩa song song có cùng diện tích A, mặt trong 2 đĩa
cách nhau một khoảng x. Đĩa dưới được cố định, trong khi một lực tiếp tuyến tác dụng lên đĩa trên. Giả sử dòng chảy có tính Newton với vận tốc của chất lỏng giữa 2 đĩa
giảm tuyến tính với vị trí theo phương thẳng đứng. Ở cạnh biên phía trên, chất lỏng di
chuyển với vận tốc của đĩa trên và ở cạnh biên dưới, chất lỏng đứng yên. Đây là dòng chảy có phân lớp trong đó những lớp/tầng chất lỏng trượt trên nhau mà không xuyên qua lẫn nhau.
Lực trượt tác dụng lên đĩa trên qua lực tiếp tuyến có công thức: =
Với chất lỏng có tính Newton, ta có đạo hàm vận tốc dv/dx tỉ lệ với lực trượt,
hằng số tỉ lệ là độ nhớt của chất lỏng. Ta định nghĩa độ nhớt bằng công thức:
=
Độ nhớt này gọi là độ nhớt động lực học hay còn gọi là độ nhớt tuyệt đối, có đơn vị
(kg.s/m2) hay (Pa.s) hoặc (poise).
2.4.2 Phương trình cơ bản [44]
Một vật rắn đàn hồi dưới một ứng suất tiếp, biến dạng như hình sau
Biến dạng cắt/trượt được định nghĩa là tỉ số của các khoảng cách a và b . Bởi vì
a/b = tanγ và với góc nhỏ tanγ = γ.
Nếu chúng ta để một vật rắn đàn hồi hình trụ chịu một ứng suất xoắn thì sẽ có
một sự biến dạng trong một bộ phận của vật như trong hình sau: Hình 2.8 Sơ đồ biến dạng cắt
Trong hình trên những chiều được vẽ trong hệ tọa độ cực r và θ. Chúng ta cần xác định biến dạng trượt gây ra bởi di chuyển một vi phân ABCD đến A’B’C’D’. Di chuyển điểm A đến điểm A’ là di chuyển điểm đó theo tia/bán kính một đoạn gr và tiếp
tuyến một đoạn gθ. Di chuyển điểm D đến điểm D’ là di chuyển điểm đó theo tia/bán
kính một đoạn gr cộng một khoảng tương ứng mà sự dời chỗ theo bán kính thay đổi
theo góc, ∂gr / ∂θ, nhân với dθ. Do đó, di chuyển điểm D bao gồm sự di chuyển theo
bán kính gr+(∂gr/∂θ)*dθvà theo phương tiếp tuyến 1 khoảng: gr+(∂gr/∂r)*dr.
Để xác định biến dạng trượt mà một vật chịu, chúng ta phải xác định sự thay đổi
về góc giữa AD và A’D’. Chúng ta làm điều này bằng cách đặt A’ lên trên A trong khi chuyển đổi các góc DAB và D’A’B’’ như trong hình 2.10
Để xác định sự biến dạng chúng ta cần xác định những khoảng cách như a và b
trong hình 2.8. Khoảng cách tương ứng AD là r.dθ (xem hình 2.9).
Khoảng cách từ D đến D’ trong hình 2.10 tương ứng khoảng cách sự biến dạng
theo tia/bán kính từ A đến A’ và từ D đến D’.
Hình 2.9 Biến dạng của vi phân hình trụ khi trượt
Từ đó góc trong hình 2.10 là: == + . − =1. (2-51)
Một phân tích tương tự cho góc giữa B và B’ cho ta công thức:
′= + . − = (2-52)
Khi góc quét di chuyển từ A đến A’, đó là g/r. Do đó biến dạng trượt là:
=.
+1.
− (2-53)
Lấy đạo hàm γ theo t và thay .
= ta có phương trình sau của ̇
Với vật rắn, ứng suất tiếp liên quan với biến dạng trượt bằng module cắt.Với chất
lỏng nhớt, ứng suất tiếp liên quan với tốc độ biến dạng trượt bằng độ nhớt. Lưu ý rằng
với dòng chảy nhớt, sự di chuyển chất lỏng theo bán kính là 0 ( gr = 0 ). Từ đó, lấy vi phân theo thời gian:
̇ = − = (2-54)
Với ̇ =dγ dt, V =
dg dt
Và τ là ứng suất tiếp tác dụng lên trục quay (bán kính r0), lưu ý là:
( ) =1( − ) (2-55)
Thế vào: ( )= = . (2-56) Vớiω là vận tốc góc (v0 = r). = . 2. . .ℎ. + 2. . .2 3. = . 2. . .ℎ+4 3. . . = 2. . .ℎ+ . . Thế vào ứng suất tiếp, ta có: = . =2. .ℎ. . + . . . Lấy tích phân từ r0 đến r1 ta có: = = 2. .ℎ. . + . . . . (2-57) = 2. . . . (ℎ+ . ). =2. . . (ℎ+ ); =2. . . (2-58) Trong đó: = (ℎ+ . ) (2-59) Giải tích phân I1 Ta có: = ( 4 9.ℎ . − 2 3.ℎ . + 1 ℎ. − 4 9.ℎ . . +ℎ). (2-60) = ( 4 9.ℎ | | + 2 3.ℎ . − 1 2.ℎ. − 4 9ℎ | 2 3 +ℎ|) = ( 2. 9. . .ℎ | | + 3. . .ℎ . −4. . .ℎ. − 2 9. . .ℎ | 2 3 +ℎ|) = − =∆ = ( 2. 9. . .ℎ | | + 3. . .ℎ . −4. . .ℎ. − 2 9. . .ℎ | 2 3 +ℎ|)
= ( 2. 9. .ℎ . | | + 3. .ℎ . . −4. .ℎ. . − 2 9. .ℎ . | 2 3 +ℎ|) ( . / ) (2-61)
Tốc độ cắt xoay của máy không đổi và rất chậm, được chọn căn cứ vào phương
pháp tốc độ cắt đặc trưng từ biến không đổi của N.N. Maslov và nằm trong khoảng
a.10-5, a.10-6, a.10-7 cm/s với a={1÷10}.Ở đây NCS chọn tốc độ cắt của máy là 0,005mm/phút hay 8,3.10-6cm/s, tương ứng tốc độ cắt xoay của máy là 10/22 phút. Tốc độ cắt của khối đất khi chuyển dịch trong quá trình cắt sẽ thay đổi khác nhau và nhỏ hơn tốc độ cắt của máy rất nhiều, được xác định trong quá trình thí nghiệm.
Các cấp áp lực thí nghiệm đối với đất yếu dưới nền đường ô tô ở ĐBSCL được
chọn là P = 0kPa, P = 60kPa và P = 120kPa vì để đánh giá độ nhớt của đất ở trạng thái
tự nhiên cũng như tìm hiểu qui luật thay đổi độ nhớt khi áp lực tác động thay đổi. Còn chọn P = 60kPa và P = 120kPa vì đây là hai cấp áp lực thông dụng và bao trùm gần như hầu hết các trường hợp áp lực tác động lên nền đất yếu ở tất cả các đường ô tô xây
dựng ở ĐBSCL.
Dựa vào kết quả số liệu thí nghiệm ta sẽ có bảng số liệu η thay đổi từ lúc bắt đầu
chuyển dịch đến khi bị cắt trượt hoàn toàn theo các cặp số liệu tương ứng (M, Δω).
2.5 NHẬN XÉT CHƯƠNG 2
1. Thiết bị thí nghiệm xác định hệ số nhớt theo phương pháp cắt xoay với tốc độ
chậm còn cho phép xác định được ứng suất tiếp và biến dạng trượt chuyển dịch
tương ứng của khối đất.
2. Tốc độ chuyển dịch từ biến của nền đất yếu dưới nền đường theo mặt chuyển dịch lăng trụ tròn có thểđược xác định căn cứ vào giá trịứng suất tiếp dọc theo mặt này và phụ thuộc vào độ nhớt của đất tương ứng.
3. Dựa trên nền tảng kết quả nghiên cứu của N.M. Gerxevanov (1948) và của
Lomtadze, NCS đã chứng minh phương trình tính lún từ biến do ứng suất pháp tổng giống như phương trình tính lún từ biến do ứng suất pháp tổng của
Raymond & Wahls (1976) nhưng tổng quát hơn và trong trường hợp đặc biệt sẽ
quay về giống như phương trình tính lún từ biến do ứng suất pháp tổng của Raymond & Wahls.
4. Áp lực nén σ2dưới móng công trình được chọn theo giá trị trung bình của từng phân lớp theo biểu đồ ứng suất pháp tác động trong vùng hoạt động. Vùng có
ứng suất nén lớn hơn so với ứng suất tiền cố kết sẽ xảy ra biến dạng từ biến lớn. Vì vậy sẽ phân vùng từ biến một cách định lượng theo giá trịứng suất tác động. 5. Đã thiết lập hệ thống công thức đánh giá quá trình chuyển dịch từ biến do ứng
suất tiếp của nền đất yếu dưới nền đường ô tô xảy ra ngay khi τ > τlim=
σ.tgφw+cc, sự chuyển dịch sẽ theo mặt chuyển dịch đơn giản là cung tròn và công thức tính hệ số an toàn ổn định chuyển dịch từ biến.
6. Ngoài các thông số áp lực tiền cố kết hay hệ số tiền cố kết OCR, hệ số rỗng e,
độ sệt IL, NCS đã đề xuất công thức tính hàm lượng khí kín trong lỗ rỗng cho các loại đất yếu bão hòa nước ởĐBSCL nhằm tìm dấu hiệu loại đất có khả năng xảy ra mất ổn định từ biến và có giá trị lún từ biến lớn do ứng suất tiếp và
CHƯƠNG 3
NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG VÀ THÍ
NGHIỆM TRONG PHÒNG ĐỂ KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ NGHIÊN
CỨU
3.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU VÀ CÁC ĐỊA ĐIỂM ĐÃ KHẢO SÁT
3.1.1 Mục đích nghiên cứu
Các mẫu đất đặc trưng của ĐBSCL và ở nền công trình đã ổn định từ 10 năm đến 25 năm được thu thập để thí nghiệm xác định độ nhớt theo phương pháp cắt xoay và
đối chứng với các kết quả nghiên cứu khác.
Tiến hành khoan lấy mẫu kiểm tra và đo đạc hiện trường ở đường đê biển Tân
Thành- Gò Công để kiểm tra lại khả năng chịu tải, ổn định, độ lún tổng thể của nền đất
yếu dưới nền đường đê, đánh giá độ lún do từ biến của nền đường đê để kiểm chứng
kết quả nghiên cứu.
3.1.2 Các địa điểm đã khảo sát
Để phục vụ nghiên cứu, NCS đã khoan, khảo sát hiện trường các công trình sau:
Đường và đê biển Tân Thành , Gò Công, Tiền Giang. Đường dẫn vào cầu Trao Trảo, Quận 9, Tp HCM.
Nhà máy Sinco khu công nghiệp Vĩnh Lộc II, Bến Lức, Tỉnh Long An. Đường dẫn vào cầu Qưới An, Tỉnh Vĩnh Long.
3.1.2.1 Công tác khảo sát thực địa
Công trình nâng cấp đường giao thông trên đỉnh đê Gò Công, Tiền Giang
Đo vẽ mặt cắt ngang tuyến đường tại vị trí khảo sát và đo cao độ dẫn từ mốc đường chuyền cấp II ở cống Rạch Bùng DCII-25.
Khoan lấy mẫu đất yếu dưới nền đường và nền đất tự nhiên ngoài phạm vi ảnh hưởng của tải trọng nền đường. Các hố khoan được bố trí tại tim đường và khu vực đất
tự nhiên cách xa chân mái taluy 14m. Các mẫu đất nguyên dạng được bảo quản cẩn
thận chuyển về phòng thí nghiệm.
Thí nghiệm xuyên tĩnh CPTu được thực hiện ở vị trí tim đường và cách chân mái
rỗng u2, xác định thời gian tiêu tán t50 phục vụ xác định giá trị hệ số cố kết ngang Ch của đất nền.
Trong hố khoan ngoài nền đất tự nhiên, NCS còn tiến hành thí nghiệm cắt cánh điện tử 5 vị trí, thí nghiệm cắt cánh Torvane ở 9 vị trí để so sánh.
Công trình đường dẫn vào cầu Trao Trảo, đường nội bộ nhà máy Sinco, đường dẫn vào cầu Qưới An
2 hố khoan được bố trí tại chân mái taluy đường dẫn đầu cầu để thí nghiệm ở
công trình đường dẫn vào cầu Trao Trảo.
1 hố khoan ở công trình đường dẫn vào cầu Quới An và 1 hố khoan trong đường
nội bộ nhà máy Sinco phục vụ lấy mẫu thí nghiệm.
3.1.2.2 Nội dung công tác thí nghiệm trong phòng[10], [46]
Công trình nâng cấp đường giao thông trên đỉnh đê Gò Công, Tiền Giang
Tổng cộng đã thí nghiệm các mẫu như sau:
Cắt cánh Torvane là 9 mẫu ở các độ sâu từ 1m ÷ 10m
Cắt cánh điện tử là 5mẫu ở các độ sâu 1,8m; 4m; 5m; 7m; 9m
Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lí là 16 mẫu từ mặt tự nhiên tới độ sâu khoan là 17m Thí nghiệm nén một trục nở hông là 4 mẫu ở các độ sâu từ 3m ÷ 13m
Thí nghiệm hàm lượng khí lỗ rỗng trong đất là 16 mẫu.
Thí nghiệm nén 3 trục theo sơ đồ CU là 5 mẫu ở các độ sâu từ 0,5m ÷ 17m Thí nghiệm nén cố kết là 5 mẫu ở các độ sâu từ 0,5m ÷ 17m
Thí nghiệm độ nhớt bằng phương pháp cắt xoay là 8 mẫu.
Thí nghiệm độ nhớt theo phương pháp nén không nở hông là 5 mẫu.
Công trình đường dẫn vào cầu Trao Trảo, Quận 9, Tp Hồ Chí Minh
Tổng cộng đã thí nghiệm các mẫu như sau:
Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lí cơ bản là 10 mẫu từ mặt tự nhiên tới độ sâu 7,1m.
Thí nghiệm nén cố kết là 6 mẫu ở các độ sâu từ 1m ÷ 7,1m. Thí nghiệm độ nhớt bằng phương pháp cắt xoay là 12 mẫu.
Thí nghiệm độ nhớt theo phương pháp nén không nở hông là 6 mẫu.
3.1.3 Một số hình ảnh thí nghiệm ngoài hiện trường và trong phòng
3.1.3.1 Một số hình ảnh thí nghiệm ngoài hiện trường
Hình 3.1 Đường trên đỉnh đê đã thi công Hình 3.2 Mái taluy đường đã thi công
Hình 3.3 Thí nghiệm CPTu tại hiện trường ngoài chân mái taluy
Hình 3.4 Thí nghiệm tiêu tán áp lực Hình 3.5 Thí nghiệm cắt cánh điện tử
3.1.3.2Một số hình ảnh thí nghiệm trong phòng:
Hình 3.6 Thí nghiệm độ nhớt trong phòng
3.2 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG
3.2.1 Một số kết quả thí nghiệm độ nhớt
Hình 3.8 Quan hệ giữa độ nhớt η theo cấu trúc khi dịch chuyển và góc xoay khối đất tương ứng
Hình 3.9 Quan hệ giữa độ nhớt η theo cấu trúc khi dịch chuyển và góc xoay khối đất tương ứng
Bảng 3.1 Độ nhớt dưới các cấp áp lực nén khác nhau từ kết quả cắt xoay
Tên mẫu
P = 0 kPa P = 60 kPa
ηctrđ ηctrc ηctrtr ηctrđ ηctrc ηctrtr
(poise) (poise) (poise) (poise) (poise) (poise)
Gocong-2249 1.54E+10 9.04E+09 1.56E+08
Gocong-2250 2.01E+10 5.39E+09 1.46E+09
Gocong-2251 6.50E+10 6.48E+09 2.01E+09
Gocong-2252
Gocong-2253 6.03E+10 5.01E+09 1.66E+09
Gocong-2255 7.85E+10 1.07E+10 2.45E+09
Gocong-2256
Gocong-2257
Sinco 207 1.90E+10 2.20E+09 6.58E+08
Sinco 5779-0.6 2.60E+10 1.74E+10 1.33E+09
Sinco 207-1 1.90E+09 5.29E+09 1.52E+09
Qa-Vl 2062-2 4.03E+10 3.02E+10 3.91E+09
Qa-Vl 2062 3.17E+10 6.92E+09 3.32E+09
Qa-Vl 2076 4.12E+10 2.60E+10 2.31E+09
Traotrao 2686 2.28E+10 5.72E+09 2.74E+09
Traotrao 2686-0.6 1.59E+10 2.47E+10 2.06E+09
Traotrao 2690-1.2
Traotraolop 2-2683 3.17E+10 7.93E+09 1.31E+09
Traotraolop 2-2687-0.6 3.97E+10 4.89E+09 1.40E+09
Traotraolop 2-2691-1.2
Traotraolop 3-2684 1.14E+11 2.07E+10 6.10E+09
Traotraolop 3-2684-0.6 8.25E+10 1.11E+10 1.21E+09
Traotraolop 3-2684-1.2
Tên mẫu
P = 120 kPa Góc xoay khối đất
ηctrđ ηctrc ηctrtr ωđ ωc ωtr
(poise) (poise) (poise) (o) (o) (o)
Gocong-2249 1.2 25.5 89.3÷97.2
Gocong-2250 1.2÷4 25 83.5
Gocong-2251 1.2÷4 29 87
Gocong-2252 4.12E+10 6.15E+09 2.64E+09 0.6÷2.5 17.5 92
Gocong-2253 0.6÷1 15.5 95÷74.4
Gocong-2255 0.5÷2.5 9÷12.5 86
Gocong-2256 1.02E+11 2.00E+10 3.79E+08 2.5÷4.2 17 89
Gocong-2257 1.08E+11 1.47E+10 2.62E+09 2÷4 13÷16 88
Sinco 207 1.01÷4 35.2 80.8÷84 Sinco 5779-0.6 4.5 14 83 Sinco 207-1 3.5 23 74÷98 Qa-Vl 2062-2 1.3÷3.3 9.5 92 Qa-Vl 2062 1.1÷2.2 18.5 63÷99 Qa-Vl 2076 1.1÷7 16 90 Traotrao 2686 2.3÷4.5 27.2÷30 91 Traotrao 2686-0.6 1 12.5 83
Traotrao 2690-1.2 1.18E+11 1.33E+10 4.12E+09 3.5 16 91
Traotraolop 2-2683 1÷5.2 29.5 86÷94
Traotraolop 2-2687-0.6 0.6÷2 16 88
Traotraolop 2-2691-1.2 2.03E+11 2.26E+10 2.24E+08 2÷5.1 14 89
Traotraolop 3-2684 2 22.5 67.5÷101
Traotraolop 3-2684-0.6 1.3 21 90
Traotraolop 3-2684-1.2 8.41E+10 1.71E+10 2.17E+08 1.3÷3.2 26.6 90