Ch−ơng 2 Cơ sở lý thuyết đất không bão hòa
3.4. Xác định c−ờng độ chống cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm nén ba
3.4.1. Thiết bị ba trục cải tiến để thí nghiệm đất không bão hòa
Trong lỗ rỗng đất không bão hòa có tồn tại khí và n−ớc nên ph−ơng pháp và kỹ thuật thí nghiệm phức tạp hơn so với đất bão hòa. Thiết bị thí nghiệm cho đất không bão hòa cần đ−ợc cải tiến từ thiết bị thí nghiệm thông th−ờng cho đất bão hòa sao cho có thể đo hay khống chế riêng rẽ các áp lực khí lỗ rỗng và n−ớc lỗ rỗng.
Thiết bị thí nghiệm nén 3 trục cải tiến dùng trong nghiên cứu này t−ơng tự với thiết bị thí nghiệm của Fredlund và Rahardjo (1993). Nó cho phép khống chế cả áp lực khí lỗ rỗng, ua, và áp lực n−ớc lỗ rỗng, uw, để lập quan hệ giữa c−ờng độ chống cắt t và lực hút dính, (ua – uw). Hình 3.23 trình bày sơ đồ lắp đặt buồng thí nghiệm nén 3 trục mẫu đất không bão hòa. Đặc điểm của buồng này là tấm đá thấm đáy đ−ợc thay bằng một đĩa gốm tiếp nhận khí cao áp để kiểm soát và đo áp lực n−ớc lỗ rỗng của đất không bão hòa. Để khống chế áp lực khí lỗ rỗng trong khi cố kết và cắt, van áp lực ng−ợc của buồng ba trục thông th−ờng trở thành van điều khiển áp lực khí lỗ rỗng (C). Sơ đồ bố trí hệ đ−ờng ống trên bảng điều khiển đ−ợc mô tả trong hình 3.24. Đ−ờng áp lực khí lỗ rỗng để điều khiển áp lực khí lỗ rỗng đ−ợc nêu trong cả hai hình.
Việc đặt đĩa tiếp nhận khí cao áp lên tấm đáy của buồng ba trục đ−ợc mô tả trong hình 3.25. Van A trong tấm đáy (hình 3.25) đ−ợc dùng để khống chế áp lực n−ớc lỗ rỗng và đo biến thiên thể tích n−ớc trong thí nghiệm cắt thoát n−ớc. Van A có thể nối với chỉ báo kế biến thiên thể tích kiểu buret kép (Head, 1986). Van B trên tấm đáy đ−ợc dùng để đo áp lực n−ớc lỗ rỗng trong thí nghiệm cắt không thoát n−ớc, cũng có thể dùng nó để đo áp lực n−ớc lỗ rỗng định tr−ớc trong thí nghiệm thoát n−ớc bằng bộ biến năng áp lực. Van C đ−ợc nối tiếp với hệ đo hay khống chế áp lực khí lỗ rỗng. áp lực buồng đ−ợc khống chế bằng van D.
Nghiên cứu đ−ợc thực hiện trên thiết bị thí nghiệm nén ba trục thuộc phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật tr−ờng Đại học Thủy lợi (hình 3.26), đ−ợc tác giả cải tiến để có thể thí nghiệm các mẫu đất không bão hòa. Đĩa tiếp nhận khí cao áp dùng trong nghiên cứu là đĩa gốm loại 5 bar (500 kPa). Tác giả đã thiết kế và gia công mặt tấm đế d−ới để gắn đ−ợc đĩa gốm tiếp nhận khí cao áp lên trên, tạo hệ đ−ờng rãnh nối
tiếp nhau nh− mô tả trong hình 3.27. Các đ−ờng rãnh trên mặt tấm đế d−ới bên trong ngăn chứa n−ớc đ−ợc dùng nh− các đ−ờng dẫn n−ớc để đuổi các bọt khí có thể bị giam hãm hay tích tụ do khuếch tán.
Hình 3.23. Buồng ba trục cải tiến để thí nghiệm đất không bão hòa (theo Fredlund và Rahardjo, 1993)
Hình 3.24. Sơ đồ bảng điều khiển và bố trí hệ đ−ờng ống cho máy ba trục cải tiến
Hình 3.25. Tấm đáy ba trục để thí nghiệm đất không bão hòa. a) Mặt bằng tấm đáy với các lỗ thoát; b) Mặt cắt ngang tấm đáy với đĩa tiếp nhận khí cao áp
(a)
(b)
Hình 3.26. Hệ thống máy ba trục cải tiến dùng trong phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật, tr−ờng Đại học Thủy lợi
Đ−ờng áp lực ng−ợc Đ−ờng khí vào Đ−ờng áp lực buồng Mẫu đất Bộ đo áp lực n−ớc lỗ rỗng
Hình 3.27. Ngăn chứa n−ớc có các rãnh hình vòng tròn ở phần đầu của chân đế buồng ba trục và đĩa áp lực khí cao.
Nh− thấy trên hình 3.27, mặt trên của tấm đế d−ới đ−ợc khía thành những đ−ờng rãnh hình vòng tròn và những đ−ờng rãnh thẳng tạo thành một hệ kênh dẫn n−ớc. Đĩa áp lực khí đ−ợc trám đủ kín vào bệ đáy bằng keo Epoxy theo chu vi của đĩa. Sự trám kín giữa đĩa và bệ đáy bảo đảm khí không thể rò rỉ vào trong ngăn chứa n−ớc.
3.4.2. Qui trình thí nghiệm
Tác giả áp dụng qui trình thí nghiệm nén 3 trục cho mẫu đất bão hòa (Head, 1986), và dùng qui trình thí nghiệm nén 3 trục cho đất không bão hòa (Fredlund và Rahardjo, 1993). Lực hút dính ban đầu đ−ợc thiết lập dựa trên việc sử dụng kỹ thuật chuyển trục.
Chuẩn bị mẫu
Các mẫu đất thí nghiệm thuộc hai công trình Khe Cát và Sông Sắt đ−ợc đầm nén với giá trị khối l−ợng đơn vị khô bằng 95 % khối l−ợng đơn vị khô lớn nhất và độ ẩm t−ơng ứng sau khi đầm nén (bảng 3.2). Mẫu đất đ−ợc đầm nén từ 10 lớp đất với chiều dày mỗi lớp là 10mm để đảm bảo tính đồng nhất về độ chặt trong toàn mẫu (hình 3.28, 3.29). Chiều cao và đ−ờng kính mẫu t−ơng ứng là 100mm và 50mm nh− trình bày trong hình 3.30. Trọng l−ợng quả đầm là 0,715 (kG), trọng l−ợng quả đầm+thanh dẫn là 1,303 (kG), chiều cao quả đầm rơi là 30 cm.
Đĩa áp lực khí cao Các rãnh hình tròn
Hình 3.28. Chế bị mẫu đất thí nghiệm
Hình 3.29. Mẫu đất đang đ−ợc đầm trong cối
Hình 3.30. Mẫu đất thí nghiệm sau khi đ−ợc chế bị bị
Giai đoạn bão hòa mẫu
Tất cả các mẫu đất dùng trong ch−ơng trình thí nghiệm này đầu tiên đ−ợc bão hòa nhằm tạo nên sự đồng nhất về độ ẩm hay độ bão hòa ban đầu. Trong giai đoạn này, đ−ờng áp lực n−ớc lỗ rỗng nối với thiết bị khống chế áp lực và thể tích n−ớc, bơm n−ớc vào trong mẫu từ đỉnh. Mẫu đất đ−ợc bão hòa bởi quá trình tăng dần từng
cấp áp lực buồng, s3, và áp lực ng−ợc, uw, d−ới áp lực hiệu quả bằng 10kPa cho đến
khi hệ số áp lực n−ớc lỗ rỗng B đạt giá trị gần 1. Mẫu đất đ−ợc coi là bão hòa hoàn toàn khi hệ số áp lực n−ớc lỗ rỗng đạt giá trị lớn hơn hoặc bằng 0,95 (Head, 1986). Quá trình bão hòa mẫu th−ờng kéo dài khoảng 10 ngày.
Cối đầm
Quả đầm và thanh dẫn
M−ời phần đất để đầm thành 10 lớp
Giai đoạn cố kết
Sau khi giai đoạn bão hòa kết thúc, mẫu đất đ−ợc cố kết d−ới áp lực buồng,
s3, và áp lực n−ớc lỗ rỗng, uw, hay nói cách khác mẫu đất đ−ợc cố kết đẳng h−ớng
bằng các áp lực hiệu quả yêu cầu, (s3 – uw). Giá trị độ lớn của áp lực cố kết đ−ợc
chọn tùy thuộc các giá trị áp lực thực (s3 – ua) theo yêu cầu của giai đoạn cân bằng
lực hút dính và giai đoạn cắt. Trong giai đoạn cố kết, mở van C để thoát n−ớc và mở van D tạo áp lực buồng khống chế theo giá trị yêu cầu (hình 3.23). áp lực n−ớc lỗ rỗng đ−ợc đo bằng bộ biến năng đặt trên tấm đáy. L−ợng n−ớc thoát ra từ mẫu thí nghiệm trong quá trình cố kết đẳng h−ớng đ−ợc ghi lại bằng thiết bị đo biến thiên thể tích burret kép. Giai đoạn cố kết đ−ợc coi là kết thúc khi thể tích n−ớc thoát ra khỏi mẫu không thay đổi và áp lực n−ớc lỗ rỗng d− đã hoàn toàn tiêu tán. Thời gian cho giai đoạn cố kết khoảng 1 giờ. Khi giai đoạn cố kết hoàn thành thì giai đoạn tạo lực hút dính trong mẫu đ−ợc bắt đầu.
Giai đoạn tạo và cân bằng lực hút dính trong mẫu
Khi giai đoạn cố kết đã kết thúc, để tạo lực hút dính bên trong mẫu, đ−ờng áp lực n−ớc nối với đỉnh của mẫu thí nghiệm sẽ đ−ợc ngắt tại van C và thay vào đó bằng đ−ờng áp lực khí, ua. Đ−ờng áp lực n−ớc đ−ợc nối với buồng nhỏ chứa n−ớc d−ới đáy mẫu tại van A. Lúc này, van A sẽ khống chế áp lực n−ớc lỗ rỗng tại đáy mẫu trong khi áp lực khí lỗ rỗng bên trong mẫu đ−ợc kiểm soát tại van C. Sự khác nhau giữa áp lực khí lỗ rỗng, ua, và áp lực n−ớc lỗ rỗng, uw, chính là lực hút dính, (ua
– uw). Nh− vậy trong quá trình tạo lực hút dính, mẫu đất sẽ đ−ợc cố kết bởi áp lực
hông thực (s3 – ua) và lực hút dính (ua – uw).
Giai đoạn cân bằng lực hút dính trong mẫu đ−ợc coi là kết thúc khi l−ợng n−ớc thoát ra hầu nh− bằng 0 hay áp lực n−ớc lỗ rỗng d− tiêu tán hoàn toàn và thể tích thay đổi giảm dần tới 0,04% trong 1 ngày nh− theo đề nghị bởi Sivakumar (1993). Thời gian cho quá trình cân bằng lực hút dính th−ờng kéo dài khoảng 3 đến 5 ngày.
Giai đoạn cắt mẫu
- Giai đoạn cắt mẫu cho thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước+khí (CD)
Khi đạt điều kiện cân bằng d−ới các áp lực tác dụng (tức là s3, ua và uw), mẫu đ−ợc cắt bằng cách nén dọc trục với tốc độ biến dạng thích hợp. Vào năm 1979, hai ông Satija và Gulhati đã kết luận từ các số liệu thí nghiệm của mình là độ lệch ứng suất không nhạy cảm với ảnh h−ởng của biến thiên tốc độ biến dạng [2]. Các tác giả gợi ý là các biến đổi lực hút dính trong thí nghiệm CW và biến đổi độ ẩm trong các thí nghiệm CD có thể là một chỉ báo hợp lý hơn để đánh giá tốc độ biến dạng thích hợp. Trong nghiên cứu này, tốc độ biến dạng đ−ợc tính toán theo TCVN 8868:2011 và đ−ợc chọn trên cơ sở phải bảo đảm tiêu tán đ−ợc các áp lực lỗ rỗng sinh ra. Khi tiến hành làm thử một số mẫu, tác giả nhận thấy rằng với tốc độ biến dạng nhỏ hơn hay bằng 0,05 mm/phút thì các biến đổi áp lực n−ớc lỗ rỗng tại đáy mẫu thay đổi rất ít (khoảng 1 kPa so với lực hút dính ban đầu, tức khoảng 0,5 %). Trong nghiên cứu này, tác giả chọn tốc độ biến dạng là 0,02 mm/phút. Quá trình cắt tiến hành trong điều kiện thoát áp lực n−ớc và khí lỗ rỗng tác dụng bằng cách mở các van A và C (hình 3.23). Các biến thiên thể tích n−ớc và thể tích tổng đ−ợc giám sát trong suốt quá trình cắt. Quá trình cắt kết thúc khi đạt chỉ tiêu phá hoại định tr−ớc (tức độ lệch ứng suất cực đại). Nếu không đạt đ−ợc điều kiện phá hoại nh− nêu ở trên thì ngừng thí nghiệm khi đạt đến 25% biến dạng dọc trục.
- Giai đoạn cắt mẫu cho thí nghiệm nén ba trục độ ẩm không đổi (CW)
Khi điều kiện cân bằng lực hút dính trong mẫu đã đạt đ−ợc d−ới các áp lực tác dụng (tức là s3, ua và uw), mẫu đất đ−ợc cắt bằng lực dọc trục trong các điều kiện thoát khí và không thoát n−ớc lỗ rỗng, với một vận tốc bằng hằng số. Tốc độ biến dạng đ−ợc tính toán theo TCVN 8868:2011 và đ−ợc chọn trên cơ sở bảo đảm khống
chế áp lực khí lỗ rỗng ua bằng áp lực khí lỗ rỗng tại cuối quá trình cố kết hay đầu
quá trình cắt. Trong nghiên cứu này, tác giả chọn tốc độ biến dạng là 0,02 mm/phút. Trong sơ đồ thí nghiệm này, mẫu đất đ−ợc cắt d−ới điều kiện pha khí thoát tự do, nh−ng không cho pha n−ớc thoát ra ngoài. Điều này có nghĩa là trong quá trình
cắt van của pha khí đ−ợc mở (van C trong hình 3.23) và van của pha n−ớc đ−ợc đóng
lại (van A và B trong hình 3.23). Trong quá trình cắt, áp lực khí lỗ rỗng, ua, đ−ợc giữ
tại giá trị bằng giá trị áp lực khí ở giai đoạn tạo cân bằng về lực hút dính. áp lực
n−ớc lỗ rỗng, uw, tăng lên hay giảm đi phụ thuộc vào sự tăng hay giảm của thể tích
mẫu trong đất trong quá trình cắt. Nh− vậy trong giai đoạn cắt thì giá trị áp lực khí
lỗ rỗng, ua, không đổi, nh−ng giá trị áp lực n−ớc lỗ rỗng, uw, thay đổi, do đó có thể
xác định đ−ợc lực hút dính trong mẫu, (ua – uw), biến đổi trong quá trình cắt. Giai
đoạn cắt đ−ợc coi là kết thúc khi độ lệch ứng suất, q = (s1 - s3) đã v−ợt qua điểm
đỉnh và đạt tới giá trị không đổi hoặc đã quan sát đ−ợc mặt phá hoại rõ ràng trên mẫu đất. Nếu không đạt đ−ợc điều kiện phá hoại nh− nêu trên thì ngừng thí nghiệm khi đạt đến 25% biến dạng dọc trục. Giai đoạn cắt kéo dài trong một đến hai ngày.
Các điều kiện ứng suất trong thí nghiệm nén ba trục theo các sơ đồ CD và CW
Các điều kiện ứng suất trong thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát n−ớc và thí nghiệm nén ba trục với độ ẩm không đổi đ−ợc tóm tắt trong các hình 3.31 và 3.32 d−ới đây.
Hình 3.31. Các điều kiện ứng suất trong khi thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát n−ớc+khí (CD)
Hình 3.32. Các điều kiện ứng suất trong thí nghiệm nén ba trục độ ẩm không đổi (CW)
3.4.3. Chương trình thí nghiệm
Các thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát n−ớc+khí (CD) và độ ẩm không đổi (CW) đ−ợc thực hiện tại các lực hút dính khác nhau và các áp lực hông thực khác nhau để nghiên cứu mặt bao phá hoại cho đất không bão hòa. Thực tế hiện nay, các công trình đập vật liệu địa ph−ơng ở n−ớc ta th−ờng tồn tại khối không bão hòa nằm phía trên đ−ờng bão hòa trong thân đập. áp lực n−ớc lỗ rỗng âm (lực hút dính) lớn nhất của khối đất không bão hòa trong thân đập có giá trị bằng 200 kPa. Do vậy, lực hút dính ban đầu lớn nhất đ−ợc chọn trong nghiên cứu này là 200 kPa. Với mục đích thí nghiệm các mẫu đất có trạng thái từ bão hòa đến không bão hòa, các lực hút dính ban đầu đ−ợc lựa chọn cho ch−ơng trình thí nghiệm là: 0 kPa, 100 kPa và 200 kPa. Các áp lực hông thực đ−ợc lựa chọn dựa trên khả năng chịu lực của hệ thống ba trục và buồng ba trục là: 50 kPa, 100 kPa và 200 kPa. Ch−ơng trình thí nghiệm nén ba trục đ−ợc trình bày trong bảng 3.4 và bảng 3.5. Ký hiệu các mẫu đất thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát n−ớc+khí là CDx-y và các mẫu đất thí nghiệm nén ba trục độ ẩm không đổi là CWx-y, trong đó x-y biểu thị thí nghiệm đ−ợc thực hiện d−ới áp lực buồng thực là x kPa và lực hút dính ban đầu là y kPa.
Tác giả thực hiện thí nghiệm nén ba trục các mẫu đất đầm nén Khe Cát và Sông Sắt 3. Số l−ợng mẫu thí nghiệm với đất đầm nén Khe Cát là 9 mẫu (thí nghiệm theo sơ đồ CD), đất đầm nén Sông Sắt 3 là 18 mẫu (thí nghiệm theo sơ đồ CD và CW).
Bảng 3.4. Ch−ơng trình các thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát n−ớc+khí (CD)
áp lực buồng thực, Lực hút dính, (kPa)
(kPa) 0 100 200
50 CD50-0 CD50-100 CD50-200
100 CD100-0 CD100-100 CD100-200
200 CD200-0 CD200-100 CD200-200
Bảng 3.5. Ch−ơng trình các thí nghiệm nén ba trục độ ẩm không đổi (CW)
áp lực buồng thực, Lực hút dính ban đầu, (kPa)
(kPa) 0 100 200
50 CW50-0 CW50-100 CW50-200
100 CW100-0 CW100-100 CW100-200
200 CW200-0 CW200-100 CW200-200
3.4.4. Kết quả thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước (CD) 3.4.4.1. Kết quả thí nghiệm cho mẫu đầm nén Khe Cát
3.4.4.1.1. Các đặc tính cường độ chống cắt của các mẫu đất thí nghiệm
Quan hệ giữa ứng suất lệch với biến dạng dọc trục xác định đ−ợc từ các thí nghiệm ba trục cố kết thoát n−ớc + khí (CD) cho mẫu đất đầm nén Khe Cát d−ới các áp lực hông thực khác nhau (50 kPa, 100 kPa và 200 kPa) tác dụng lên mẫu đất với cùng lực hút dính lần l−ợt là 0 kPa, 100 kPa và 200 kPa đ−ợc trình bày trong các hình 3.33, 3.34 và 3.35.
Hình 3.33 biểu diễn quan hệ giữa ứng suất lệch và biến dạng dọc trục d−ới các áp lực hông thực khác nhau nh−ng ở cùng lực hút dính là 0 kPa (các mẫu CD50- 0, CD100-0 và CD200-0). Quan sát trên hình 3.33, ta thấy các mẫu đất thể hiện rõ
ràng ứng suất lệch đỉnh trong khi cắt. ở cùng lực hút dính 0 kPa, các mẫu chịu tác dụng của áp lực hông thực càng lớn thì ứng suất lệch đỉnh càng tăng.
0 200 400 600 800 1000 0 8 16 24 32 40 Biến dạng trục, e (%) Ứ n g s u ấ t lệ c h , ( 1 - 3 ) (k P a ) CD50-0 CD100-0 CD200-0
Hình 3.33. Quan hệ giữa ứng suất lệch và biến dạng dọc trục d−ới các áp lực hông thực khác nhau tác dụng lên mẫu với cùng lực hút dính ban đầu là 0 kPa.
Hình 3.34 biểu diễn quan hệ giữa ứng suất lệch và biến dạng dọc trục d−ới