CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.5 Thí nghiệm nén ba trục
Thí nghiệm nén 3 trục cho phép mơ tả được nhiều thái ứng suất như ứng xử của mẫu đất theo điều kiện trạng thái ứng suất (gia tải, dỡ tải theo các phương), cũng như ứng xử thực tế của đất nền (thốt nước hay khơng thốt nước). Đây là một trong những thí nghiệm đa dạng nhất trong tất cả các thí nghiệm xác định sức chịu tải của đất nền xét về chi tiết phức tạp về các điều kiện ứng suất, thoát nước kiểm soát được cho tất cả các loại đất. Mơ hình thí nghiệm được thể hiện trên hình 2.3 (theo đề xuất
của Bishop et al., 1956).
Kết quả thí nghiệm nén 3 trục được thể hiện trong đường phá hoại giới hạn Morh- Coulomb, từ đó xác định khả năng chống cắt của đất (góc ma sát trong, và lực dính, c). Mơ hình phá hoại của mẫu đất trong điều kiện nén 3 trục được thể hiện trong hình
2.4a. Mơ hình phá hoại này phù hợp với phân tích ổn định nền móng cơng trình thể
hiện trên hình 2.4b (giựa theo nghiên cứu của Versic, 1973), cơng trình ngầm thể hiện trên hình 2.4c, 2.4d (giựa theo nghiên cứu của Ou et al. 1998, Ou et al. 1999,
Liu et al. 1997, Bjerrum, 1956), mái taluy, mái dốc và bờ sông, bờ kè thể hiện trên hình 2.4e và 2.4f (giựa theo nghiên cứu của Bishop, 1955, Spencer, 1967, Ladd et al., 1974 và Naresh et al. 2006).
Trong thí nghiệm nén 3 trục, việc kiểm soát áp lực nước lỗ rỗng hồn tồn có thể thực hiện được chính xác, biến đổi thể tích cũng có thể đo đạc được (tham khảo hình
2.5). Trong q trình thí nghiệm, phương tác dụng của các thành phần ứng suất chính
khơng đổi (khác biệt đáng kể so với phương tác dụng của các thành phần ứng suất chính trên mặt cắt định sẵn trong thí nghiệm cắt trực tiếp thay đổi liên tục trong q trình cắt). Mắt phá hoại khơng được quy định trước mà mẫu đất sẽ bị phá hoại theo mặt trượt yếu nhất hoặc đơn giản là phình ra trong trường hợp đất mềm dẻo.
Hình 2.3 Mơ hình áp lực tác dụng lên mẫu đất trong thí nghiệm nén 3 trục
Hình 2.4 Mơ hình và ứng dụng phân tích ổn định mặt trượt từ kết quả nén 3 trục. (a) mặt trượt phá hoại mẫu đất từ thí nghiệm nén 3 trục; (b) mặt trượt phá hoại móng cơng trình; (c) mặt trượt phá hoại tường tầng hầm; (d) mặt trượt phá hoại do đẩy trồi nền tầng hầm; (e) mặt trượt phá hoại mái taluy, mái dốc; (f) mặt trượt phá hoại đê, kè bờ sơng 1= Ứng suất nén chính lớn nhất = ứng suất thẳng đứng dọc trục,a 3= ứng suất nén chính nhỏ nhất q = độ lệch ứng suất chính 3= c= áp lực buồng nén Áp lực nước, u
’1= ’1– u ứng suất hữu hiệu nén chính lớn nhất
’3= ’3– u Ứng suất hữu hiệu nén chính Biến dạng dọc trục, 1 Chiều dài mẫu, L Diện tích mẫu, A 1= 3+ q c= 3 e b c a f d
Hình 2.5 Sơ đồ khối thiết bị thiết bị nén 3 trục
(a) hệ thống đo thu dữ liệu, hệ thống điều khiển (b) Chi tiết buồng nén 3 trục
Trong thí nghiệm này, mẫu đất có đường kính khoảng 36mm hoặc 50mm, cao 76mm hoặc 100mm thường được sử dụng. Mẫu thí nghiệm được bọc bởi lớp màng cao su mỏng, đặt trong buồng nén chứa đầy chất lỏng (thường là nước hoặc glycerine). Mẫu đất bị ép theo 3 phương bằng áp lực buồng (chất lỏng). Đề gây ra phá hoại cắt cho mẫu, áp lực thẳng đứng tác dụng lên mẫu thông qua piston truyền
Hệ thống điều khiển
1. Máy bơm tạo áp lực buồng 2. Máy bơm tạo áp lực nước 3. Khung gia tải thẳng đứng
1
2 3
Hệ thống đo thu dữ liệu
4. Đo lực thẳng đứng 5. Đo chuyển vị thẳng đứng 6. Đo độ thay đổi thể tích 7. Đo áp lực buồng 8. Đo áp lực nước 4 5 6 7 8 9 Buồng nén 3 trục Lực thẳng đứng Piston truyền lực Mũ truyền lực Buồng nén Mẫu đất Màng bảo vệ Đo áp lực buồng Van Vòng bảo vệ cao su Đĩa lỗ rỗng thoát nước Van Đo áp lực nước , u (a) (b)
lực (tạo ra độ lệch ứng suất chính, q). Biến dạng thẳng đứng của mẫu được xác định bằng chuyển vị của Piston trong quá trình tác dụng áp lực thẳng đứng. Áp lực buồng, áp lực chất lỏng hoặc biến dạng thể tích của mẫu được xác định tùy theo 3 loại điều kiện thí nghiệm chính:
Điều kiện thí nghiệm cố kết khơng thốt nước (CU kiến nghị bởi
ASTMD4767 - 11). Thí nghiệm này được dùng để xác định các thông số ứng suất
tổng c, và ứng suất hiệu quả c’, ’; sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng. Mẫu thí nghiệm trước tiên được cố kết trong điều kiện ứng suất đẳng hướng không đổi, thốt nước hồn tồn (giai đoạn cố kết); sau giai đoạn cố kết tăng tải trọng dọc trục và khơng cho thốt nước (giai đoạn nén). Trong giai đoạn nén đo sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng.
Điều kiện thí nghiệm khơng cố kết, khơng thốt nước (UU kiến nghị bởi
ASTMD2850).Đây là phương pháp thí nghiệm xác định sức kháng cắt khơng thốt
nước của mẫu đất dính khi mẫu chịu tác dụng của áp lực hông không đổi, đồng thời chịu tác dụng của tải trọng dọc trục, không cho phép thay đổi độ ẩm của mẫu. Thí nghiệm được dùng để xác định độ bền khơng thốt nước Cu và chỉ thích hợp với đất sét bão hịa khi = 0.
Thí nghiệm nén 3 trục là thí nghiệm tin cậy nhất để xác định các thơng số sức chống cắt, khả năng chịu tải của đất nền, đồng thời cịn có thể xác định được thơng số biến dạng của đất nền. Trong nhiều tiêu chuẩn thiết kế cơng trình nền móng trên thế giới TGS, 2001, JSA, 1988, NAVFAC DM 7.2, 1982, việc xác định ứng xử của đất sử dụng máy nén 3 trục là điều kiện tiên quyết phục vục thông số của đất phục vụ cơng tác thiết kế, thi cơng cơng trình nền móng, cơng trình ngầm và cơng trình ổn định mái dốc.