Chương 5: Các phương pháp nghiên cứu địa chất công trình
5.6. Thí nghiệm hiện tr−ờng
Công tác thí nghiệm hiện tr−ờng hiện đang đ−ợc sử dụng rộng rãi trong khảo sát
địa chất công trình, đặc biệt là ở giai đoạn thiết kế kỹ thuật và lập bản vẽ thi công, nhằm mục đích xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất đá trong điều kiện tự nhiên, cung cấp cho thiết kế xây dựng công trình .
Thí nghiệm hiện tr−ờng có −u điểm là chính xác hơn thí nghiệm trong phòng do các mẫu thí nghiệm có kích th−ớc lớn (lớn hơn mẫu thí nghiệm trong phòng rất nhiều) và thí nghiệm đ−ợc tiến hành trực tiếp trong điều kiện tự nhiên của đất đá, có thể thí nghiệm đ−ợc và cho kết quả chính xác đối với những loại đất đá không lấy mẫu nguyên trạng để thí nghiệm trong phòng nh− đất rời, đất dính chứa nhiều hạt thô hay ở trạng thái chảy, đá cứng, đá nửa cứng bị nứt nẻ, phân lớp mạnh, .... Ngoài ra, thí nghiệm hiện trường còn cho phép xác định một số đặc trưng độ bền, biến dạng của đất
đá mà thí nghiệm trong phòng không thực hiện đ−ợc. Nh−ợc điểm của thí nghiệm hiện trường là thiết bị cồng kềnh, đắt tiền, tiến hành thí nghiệm lâu, phức tạp, nên không tiến hành đ−ợc nhiều thí nghiệm.
Hiện nay, trong địa chất công trình có rất nhiều phương pháp thí nghiệm hiện tr−ờng. D−ới đây trình bày một số ph−ơng pháp thí nghiệm th−ờng áp dụng trong nghiên cứu, khảo sát địa chất công trình.
5.6.1. Các phương pháp thí nghiệm xác định đặc trưng độ bền của đất đá
1. Cắt theo mặt tr−ợt phẳng ngang
Thí nghiệm cắt theo mặt trượt phẳng ngang nhằm mục đích xác định cường độ kháng cắt (c, ϕ) của đất. Ngoài ra, thí nghiệm này còn cho phép xác định khả năng chống tr−ợt của bề mặt tiếp xúc giữa bê tông và nền đá.
Thí nghiệm cắt theo mặt trượt phẳng ngang thường được sử dụng đối với đất có nguồn gốc phong hóa, lẫn nhiều dăm sạn, khi xây dựng công trình thuỷ lợi, công trình ngầm, khai thác mỏ hay nghiên cứu, đánh giá ổn định mái dốc. Thí nghiệm đ−ợc tiến hành trong hố đào. Sơ đồ thí nghiệm gồm các bộ phận nh− hình 51.
131
Thí nghiệm đ−ợc tiến hành trên 3 khối của cùng một loại đất với các cấp áp lực nén (σ) khác nhau, có thể chọn σ1= 1, σ2= 2, σ3= 3kG/cm2. ở mỗi khối đất thí nghiệm, tăng ỏp lực ngang gõy cắt theo từng cấp nhỏ, theo dừi đồng hồ đo biến dạng cho đến khi khối đất bị phá huỷ, xác định áp lực cắt τi tương ứng với áp lực nén σi.
Kết quả thí nghiệm xác định đ−ợc quan hệ giữa áp lực cắt τ và áp lực thẳng đứng σ qua ph−ơng trình Coulomb:
τ = σtgϕ + c (111) Trong đó: c- lực dính kết (kG/cm2);
ϕ- góc ma sát trong của đất (độ).
Các thành phần c, ϕ có thể đ−ợc xác định bằng đồ thị (hình 52) hoặc tính toán theo ph−ơng pháp giải tích bằng cách lập và giải hệ ph−ơng trình τ= f(σ) từ kết quả của các khối đất thí nghiệm.
2. Nén sập cột đất
Mục đích của thí nghiệm nén sập cột đất nhằm xác định cường độ kháng cắt của
đất (c, ϕ) theo phương thẳng đứng, đặc biệt là đất lẫn nhiều dăm sạn.
Thí nghiệm này thường được sử dụng để nghiên cứu, đánh giá ổn định mái dốc.
Sơ đồ thí nghiệm gồm các bộ phận nh− hình 53.
Trước khi tiến hành thí nghiệm, cần phải đào hố tới độ sâu thí nghiệm, để lại 2 khối mẫu có kích th−ớc khác nhau (cao 0,8 và 1,0m, tiết diện ngang 40x40cm và 60x60cm). Mỗi khối mẫu có 2 mặt liền khối và 4 mặt tự do, trong đó có 2 mặt đ−ợc lấp chèn bằng vật liệu xốp để giữ khối mẫu ổn định trong quá trình thí nghiệm. Tiến hành thí nghiệm bằng cách tăng lực nén theo từng cấp cho tới khi khối mẫu bị phá huỷ. Thời gian giữa các cấp gia tải từ 15 đến 20 phút. Chênh lệch các cấp gia tải phụ thuộc vào độ bền kháng cắt của đất. Đất có độ bền kháng cắt càng nhỏ, chênh lệch các cấp gia tải cũng nhỏ và ng−ợc lại. Thông th−ờng, chênh lệch các cấp gia tải từ 0,2- 0,5kG/cm2.
6
4 4 5
1- Mẫu thí nghiệm 2- Kích tạo lực nén 3- Kích tạo lực cắt 4- Neo đối tải 5- Đồng hồ đo biến dạng 6- Dầm gánh 7- Đệm tr−ợt
Hình 51: Sơ đồ thí nghiệm cắt theo mặt tr−ợt phẳng ngang 1
2 7
3
τ τ3 τ2 τ1
c
σ1 σ2 σ3 σ Hình 52: Đồ thị biểu diễn quan hệ τ và σ
ϕ
132
Theo dừi đồng hồ đo ỏp lực và đồng hồ đo biến dạng khi gia tải để xỏc định lực gõy cắt lớn nhất tại thời điểm mẫu bắt đầu bị tr−ợt Pmax.
I, II- Khối mẫu 1 và 2 1- Mặt tr−ợt
2- Kích gia tải 3- Neo đối tải 4- Dầm gánh
5- Đồng hồ đo biến dạng
6- Rãnh xẻ đ−ợc lấp bằng vất liệu xốp Hình 53: Sơ đồ thí nghiệm nén sập cột đất
Sau khi mẫu bị cắt, tìm vị trí mặt tr−ợt và biểu diễn khối tr−ợt trên giấy kẻ ly theo tỷ lệ 1/5 hay 1/10.
Thí nghiệm được tiến hành lặp lại đối với khối mẫu thứ hai tương tự như khối mẫu thứ nhất.
Để tính toán kết quả thí nghiệm chính xác, cần chia khối tr−ợt thành các lăng thể phân tố. Lập ph−ơng trình cân bằng giữa lực gây tr−ợt (T) và lực chống tr−ợt (T’) cho từng lăng thể phân tố và cho cả khối tr−ợt của 2 khối mẫu thí nghiệm (hình 54).
Kết quả lập đ−ợc hệ ph−ơng trình sau:
T1 = T1’ ∑ ∑ ∑
= = =
+
=
n
i
n
i
n
i i i
i N tg c l
T
1 1 1
1 1
1 . ϕ .
T2 = T2’ ∑ ∑ ∑
= = =
+
=
n
i
n
i
n
i i i
i N tg c l
T
1 1 1
2 2
2 . ϕ . (112) Trong đó: Ti- lực gây tr−ợt tác dụng vào phân tố i, Ti = Qisin αi;
Qi- tổng lực tác dụng vào phân tố i, Qi= Pi+ gi; Pi- lực của kích tác dụng vào phân tố i;
gi- trọng l−ợng phân tố i;
Ti'- lực chống tr−ợt tác dụng vào phân tố i, Ti' = Nitgϕ+ clib;
Ni- lực tác dụng thẳng góc với mặt tr−ợt phân tố i, Ni= Qicos αi; αi- góc nghiêng mặt tr−ợt phân tố i;
li, b- chiều dài, rộng mặt tr−ợt phân tố i.
Giải hệ phương trình trên, ta sẽ xác định được c và ϕ.
4
3 3
1 2
I 6
II 5
σ
Hình 54: Sơ đồ tính toán kết quả thí nghiệm nén sập g1 g2 g3 g4 gs
A Qi
αi
A Ti'
Ti
Ni
133 3. Cắt khối đá trong hầm với một tải trọng
Thí nghiệm cắt khối đá trong hầm với một tải trọng nhằm xác định cường độ kháng cắt (c, ϕ) của đá theo mặt yếu.
Mặt yếu tồn tại trong đá thường là mặt phân lớp hay mặt khe nứt. Theo các mặt này, độ bền kháng cắt của đá nhỏ hơn rất nhiều so với trong khối đá nên dễ bị phá huỷ hay tr−ợt khi chịu tác dụng của lực ngoài. Do vậy, cần phải thí nghiệm để đánh giá ổn
định của khối đá.
Thí nghiệm này thường được sử dụng khi xây dựng công trình ngầm và mỏ. Sơ đồ thí nghiệm gồm các bộ phận nh− hình 55.
Trước khi thí nghiệm, cần phải gia công khối đá thí nghiệm. Tuỳ từng trường hợp cụ thể mà gia công khối đá thích hợp với vị trí mặt phân lớp (hình a) hay mặt khe nứt (hình b). Kích thước khối đá thí nghiệm thường là 50x70x50cm và có thể lớn hơn.
Diện tích mặt tr−ợt phải đảm bảo tối thiểu từ 2.000- 4.000cm2.
Thí nghiệm đ−ợc tiến hành bằng cách gia tải tăng dần lực cắt P cho đến khi khối
đỏ bị cắt hoàn toàn. Thời gian giữa 2 lần gia tải từ 10 đến 15 phỳt. Theo dừi đồng hồ đo lực gây cắt và đồng hồ đo biến dạng trong quá trình thí nghiệm. Xác định lực cắt lớn nhất ứng với lúc khối đá bắt đầu bị tr−ợt (Pmax). Sau khi khối đá bị cắt hoàn toàn, tiếp tục duy trì lực gây cắt, khi đó Pmax giảm dần đến giá trị ổn định (Pmin). Xác định vị trí và kích th−ớc mặt tr−ợt.
Biểu diễn và phân tích lực tác dụng vào khối đá thí nghiệm nh− hình 56.
Từ phương trình Coulomb, xác định được c và ϕ:
sin ) (
min min
max F P
P
c α τ
−
= ;
α ϕ τ
mincos
min
P
tg = F (113)
2 2
1 1 4 4
(a) Cắt theo mặt phân lớp (b) Cắt theo mặt khe nứt 1- Mẫu đá thí nghiệm 2- Tấm đệm 3- Kích gia tải 4- Đồng hồ đo biến dạng
Hình 55: Thí nghiệm cắt khối đá trong hầm với một tải trọng 3
α
α 3
P
Pcosα P
Hình 56: Sơ đồ tính kết quả nén khối đá trong hầm α
Psinα α
134
Trong đó: Pmax, Pmin - áp lực cắt lớn nhất và nhỏ nhất;
τmin- cường độ kháng cắt nhỏ nhất, α ϕ
τ tg
F Pmincos
min = ; (114) F, α- diện tích tiết diện và góc nghiêng mặt tr−ợt.
5.6.2. Các phương pháp thí nghiệm xác định đặc trưng biến dạng của đất đá
1. Nén tĩnh nền
Mục đích của thí nghiệm nén tĩnh nền nhằm xác định môđun tổng biến dạng E0 và
đặc tính nén lún của đất nền.
Thí nghiệm này thường được tiến hành trong hố đào hay hố khoan nông, tại độ sâu đặt móng công trình để cung cấp tài liệu chính xác cho tính toán, thiết kế nền móng các công trình sử dụng móng nông.
Sơ đồ thí nghiệm nén tĩnh nền gồm các bộ phận nh− hình 57.
Để thực hiện thí nghiệm, trước hết đào hố đào hay khoan hố khoan tới độ sâu thí nghiệm, lắp ráp thiết bị. Tiến hành thí nghiệm bằng cách tăng tải trọng lên bàn nén bằng kích thuỷ lực theo các cấp áp lực nén (σ) khác nhau. ở mỗi cấp áp lực, định kỳ theo dừi đồng hồ đo biến dạng để xỏc định độ lỳn của nền đất. Thớ nghiệm đ−ợc tiến hành cho đến khi độ lún đạt ổn định quy −ớc mới tăng cấp khác (độ lún ổn định quy
−ớc phụ thuộc tính chất nén lún của đất, đ−ợc lấy theo tiêu chuẩn). Chênh lệch giữa các cấp áp lực thí nghiệm xác định theo khả năng bị nén lún của đất. Đất có mức độ nén lún càng nhỏ thì chênh lệch càng lớn. Các cấp áp lực thí nghiệm th−ờng sử dụng là 0,25; 0,50; 0,75 và 1,00kG/cm2. Số l−ợng cấp áp lực thí nghiệm ít nhất là 4. áp lực thí nghiệm lớn nhất xác định theo yêu cầu thí nghiệm, phụ thuộc vào tải trọng công trình, thường lấy từ 1,5 đến 2 lần áp lực dưới móng công trình theo thiết kế.
Từ kết quả thí nghiệm thu đ−ợc, lập đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa độ lún và thời gian ở mỗi cấp thí nghiệm S = f(t), giữa độ lún và áp lực nén S = f(σ) (hình 58).
1
2
3 5 3 4
1- Dầm gánh 2- Neo đối tải 3- Kích gia tải 4- Bàn nén 5- Đồng hồ đo biến dạng Hình 57: Sơ đồ thí nghiệm nén tĩnh trong hố đào
t 0 σ1 σ2 σ3 σ4 σ
Hình 58: Đồ thị biểu diễn quan hệ độ lún theo thời gian và áp lực nén
S1 S2 S3 S4 S4
S1 S2 S3 0
S
S σ4
σ1 σ2
135
Môđun tổng biến dạng E0 đ−ợc xác định theo công thức:
d S Eo
∆
− ∆
=(1 à2).ω. σ
Trong đó: ∆σ- gia số áp lực (kG/cm2), đ−ợc lấy trong khoảng biến dạng của nền
đất đ−ợc xem là tuyến tính;
∆S- gia số độ lún (cm) ứng với gia số áp lực ∆σ;
d- đ−ờng kính bàn nén (cm);
à- hệ số nở hông của đất;
ω- hệ số không thứ nguyên, lấy bằng 0,79.
2. Nén đá trong hầm
Mục đích của thí nghiệm nén đá trong hầm nhằm xác định môđun biến dạng đàn hồi (E) và môđun tổng biến dạng (E0) của đá cứng và đá nửa cứng.
Thí nghiệm này th−ờng sử dụng khi xây dựng công trình thuỷ lợi, công trình ngầm, công trình khai thác mỏ hầm lò, .... Sơ đồ thí nghiệm nh− hình 59.
1- Bàn nén 5- Phần ốp xi măng 2- Kích thuỷ lực 6- Đồng hồ đo biến dạng 3- Cột truyền lực 7- ống thép đo biến dạng 4- Tấm đệm 8- Mẫu đá thí nghiệm
Hình 59: Sơ đồ thí nghiệm nén đá trong hầm
Sau khi lắp đặt các thiết bị, thí nghiệm đ−ợc tiến hành bằng cách, tăng lực tác dụng của kích tác dụng vào bàn nén truyền xuống nền đá. Yêu cầu quá trình gia tải của kích phải đảm bảo đều, ổn định và có thể tiến hành theo các sơ đồ gia tải sau:
- Gia tải tuần hoàn liên tục theo 1 cấp áp lực: Theo sơ đồ này, tiến hành gia tải từ từ để đạt tới áp lực thí nghiệm lớn nhất (σmax). Cấp áp lực thí nghiệm lớn nhất đ−ợc chọn theo yêu cầu của thiết kế, th−ờng lấy σmax bằng từ 1,5- 2 lần áp lực theo tính toán thiết kế. Trong quá trình gia tải, phải đo biến dạng tương ứng của nền đá. Thời gian giữa 2 lần đo là 10 phút. Khi đạt tới σmax thì bắt đầu giảm tải cho tới khi biến dạng phục hồi hoàn toàn thì lại tiếp tục gia tải tới áp lực thí nghiệm σmax. Thí nghiệm đ−ợc tiến hành nh− vậy ở các lần sau tạo nên một quá trình tuần hoàn liên tục theo chu kỳ cho đến khi biến dạng của nền đá đ−ợc xem là ổn định quy −ớc (hình 60).
S’- Phần biến dạng đàn hồi S’’- Phần biến dạng đàn d−
S- Tổng biến dạng
Hình 60: Sơ đồ gia tải tuần hoàn liên tục theo 1 cấp áp lực
(kG/cm2) (115)
1 2 3
5
6 4
8
6
7 7
σmax σ
S
S’
S’’
S
136
- Gia tải tuần hoàn liên tục theo nhiều cấp áp lực: Theo sơ đồ này, áp lực thí nghiệm đ−ợc chia ra nhiều cấp. Tiến hành gia tải tuần hoàn liên tục theo từng cấp áp lực, theo thứ tự từ nhỏ tới lớn. Cấp áp lực cuối cùng là cấp áp lực thí nghiệm lớn nhất (σmax), được chọn theo yêu cầu của thiết kế (hình 61). Chế độ gia tải ở mỗi cấp tương tự nh− sơ đồ trên cho đạt ổn định quy −ớc.
Hình 61: Sơ đồ gia tải tuần hoàn liên tục theo nhiều cấp áp lực
- Gia tải tuần hoàn theo cấp áp lực tăng dần: Theo sơ đồ này, mỗi cấp áp lực thí nghiệm chỉ gia tải một lần sau khi cấp áp lực trước đã dỡ tải ổn định, cấp áp lực sau lớn hơn cấp áp lực tr−ớc, cấp áp lực cuối cùng là cấp áp lực thí nghiệm lớn nhất (σmax),
được chọn theo yêu cầu của thiết kế (hình 62). Chế độ gia tải ở từng cấp áp lực tương tự nh− các sơ đồ gia tải trên. Thí nghiệm theo sơ đồ này cũng đ−ợc tiến hành cho đến khi biến dạng của nền đá đ−ợc xem là ổn định quy −ớc
Hình 62: Sơ đồ gia tải tuần hoàn theo cấp áp lực tăng dần
Kết quả thí nghiệm nén đá trong hầm cho phép xác định xác định môđun biến dạng đàn hồi (E) và môđun tổng biến dạng (E0) của đá.
Môđun biến dạng đàn hồi và môđun tổng biến dạng của nền đá đ−ợc xác định theo các công thức sau:
'
2) 1 .(
. .
S E σ bω −à
= (116);
S E .b. .(1 2)
0
à ω
σ −
=
Trong đó: σ = σmax - áp lực thí nghiệm lớn nhất (kG/cm2);
S’- biến dạng đàn hồi (cm) ứng với áp lực σ;
S- tổng biến dạng (cm) ứng với áp lực σ;
b- kích th−ớc bàn nén (cm);
à- hệ số nở hông của đá;
ω- hệ số không thứ nguyên, phụ thuộc vào thiết bị.
σ
S S’
S’’
S σmax
σ
S S’’ S’
S σmax
(kG/cm2) (117)
137 5.6.3. Các ph−ơng pháp thí nghiệm xuyên 1. Xuyên tĩnh (CPT)
Sơ đồ thiết bị thí nghiệm xuyên tĩnh gồm các bộ phận nh− hình 63.
Hình 63: Sơ đồ thí nghiệm xuyên tĩnh
Thí nghiệm đ−ợc thực hiện bằng cách tăng lực nén để đ−a mũi xuyên ngập vào trong đất với tốc độ khoảng 2cm/s, theo dừi đồng hồ đo ỏp lực xuyờn. Sức khỏng xuyờn của đất thường được đo với khoảng cách 20cm/lần (đối với loại máy xuyên tự hành, sức kháng xuyên của đất đ−ợc đo liên tục theo chiều sâu thí nghiệm). Yêu cầu quá
trình thí nghiệm phải liên tục, chỉ đ−ợc ngừng khi nối cần.
Kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh xác định đ−ợc sức kháng xuyên đầu mũi, sức kháng ma sát và tỷ sức kháng xuyên.
- Sức kháng xuyên đầu mũi (qc) là phản lực của đất tác dụng lên một đơn vị diện tích đáy mũi xuyên. qc đặc tr−ng cho khả năng chống lại sự xâm nhập của mũi xuyên vào trong đất dưới tác dụng của lực tĩnh.
c c
c f
q = Q (kG/cm2) (118) Trong đó: Qc- lực tác dụng của kích lên đáy mũi xuyên;
fc - diện tích đáy mũi xuyên (cm2).
- Sức kháng ma sát (fms) là phản lực của đất tác dụng lên một đơn vị diện tích thành mũi xuyên. Nó đặc tr−ng cho khả năng chống lại tác dụng của thành mũi xuyên (áo đo ma sát) ngập vào trong đất dưới tác dụng của lực tĩnh.
s s
ms f
f = Q (kG/cm2) (119) Trong đó: Qs- lực tác dụng của kích lên áo đo ma sát;
fs - diện tích áo đo ma sát.
- Tỷ sức kháng xuyên (Fr) là tỷ số giữa sức kháng ma sát và sức kháng xuyên đầu mũi, đ−ợc xác định theo công thức:
Fr= fms/qc (120) Giá trị tỷ sức kháng xuyên phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hạt, tức là phụ thuộc vào lực dính kết và góc ma sát trong của đất nên từ giá trị này và sức kháng xuyên đầu mũi, có thể phân loại thành phần của đất.
1- Mũi xuyên 2- Cần xuyên 3- KÝch thuû lùc 4- Đồng hồ đo áp lực 5- Giá định hướng 6- Thanh tr−ợt 7- Têi
8- Neo đối tải
7
1 2
6 4 3 5
8 8
138
Cũng nh− xuyên động, từ kết quả xuyên tĩnh có thể phân loại trạng thái của đất dính, độ chặt của đất rời, xác định gián tiếp một số chỉ tiêu cơ học của đất nh− ϕ, E0, R0, … , xác định ranh giới giữa các lớp đất và đánh giá mức độ đồng nhất của chúng theo mặt bằng và theo chiều sâu.
2. Xuyên tiêu chuẩn (SPT)
Xuyên tiêu chuẩn là một dạng đặc biệt của xuyên động, hiện đang đ−ợc sử dụng rất phổ biến trong khảo sát địa chất công trình. Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn thường
đ−ợc thực hiện cùng với quá trình khoan khảo sát. Thiết bị thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn gồm một số bộ phận đ−ợc chế tạo theo quy định:
- ống xuyên có tổng chiều dài 813mm, trong đó chiều dài phần chứa mẫu là 635mm, đường kính ngoài 51mm, đường kính trong 35mm, cấu tạo chẻ đôi để có thể lấy mẫu đất ra dễ dàng, phần trên ống xuyên có lỗ thoát nước và khí, đầu dưới ống vát nhọn để cắt đất khi thí nghiệm (hình 64).
- Búa có trọng l−ợng 63,5kg (160funt), chiều cao rơi tự do 76,2cm (30in).
Hình 64: Sơ đồ cấu tạo ống xuyên tiêu chuẩn
Những bộ phận cần thiết khác để thí nghiệm đ−ợc sử dụng từ thiết bị khoan nh−
lấy tháp khoan làm giá định hướng, cần khoan để truyền lực xuống mũi xuyên, tời khoan để nâng thả búa đóng.
Khi khoan đến độ sâu thí nghiệm, làm sạch đáy hố khoan, sau đó kéo l−ỡi khoan lên. Thay l−ỡi khoan bằng ống xuyên và thả thiết bị xuyên xuống đáy hố khoan, đánh dấu trên cần khoan 3 đoạn, mỗi đoạn 15cm. Tiến hành thí nghiệm bằng cách nâng búa lên đến hết chiều cao và thả cho rơi tự do, đếm số búa đóng để đ−a ống xuyên xuống mỗi đoạn 15cm. Tổng số búa đóng hai đoạn sau là sức kháng xuyên tiêu chuẩn N30. Từ kết quả xuyên tiêu chuẩn, cho phép xác định trạng thái của đất dính, độ chặt của đất rời, xác định gián tiếp một số chỉ tiêu cơ học của đất, phân chia ranh giới giữa các lớp đất và đánh giá mức độ đồng nhất của chúng.
5.7. Quan trắc dài hạn địa chất công trình