Tính nén lún của đất

3.1 MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT

3.1.2 Tính nén lún của đất

Tính nén lún của đất là khả năng giảm thể tích của nó (do giảm độ rỗng) dưới tác dụng của tải trọng ngoài.

Quá trình nén lún của đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài thực chất là quá trình nén chặt đất. Khi đất chịu tác dụng của tải trọng công trình (P < 4kg/cm2) thì trước tiên cốt đất bị biến dạng tức thời, sau đó liên kết giữa các hạt đất bị phá vỡ, tiếp đến các hạt dịch chuyển do bị dồn nén dưới tác dụng của tải trọng khiến lỗ rỗng bị thu hẹp, thể tích mẫu đất bị giảm nhỏ và chặt lại. Đây là tính chất nén lún của đất.

Trên thực tế nước và bản thân các hạt đất cũng bị ép co nhưng không đáng

kể (<1/400 lần độ ép co của mẫu đất) nên bỏ qua. Như vậy, đất bị ép co và chặt lại là do lỗ rỗng bị thu hẹp. Hiện tượng này xảy ra trong một thời gian nhất định rồi kết thúc. Trong quá trình ép co, một phần nước và khí trong đất đồng thời bị

ép ra ngoài.

Để nghiên cứu tính nén lún của đất, người ta phải tiến hành thí nghiệm trong phòng và ngoài hiện trường

a. Xác định tính nén lún của đất dựa vào kết quả thí nghiệm trong phòng

a1. Thí nghiệm nén không nở ngang: b/h >3

Trong thí nghiệm này, mẫu đất chỉ nén lún theo chiều thẳng đứng chứ không nở phình ra 2 bên vì bị thành hộp chặn lại   x   y  0 ,  z  0

. Thiết bị thí nghiệm.

- Mẫu đất có đường kính khoảng

7.5 cm, cao khoảng 2.5  3.5 cm.

- Trên và dưới mẫu đất có đá thấm

để thoát nước

- Đối trọng là những quả cân nặng

tác dụng lên mẫu đất thông qua tấm nén

cứng

P

Mẫu đất thớ nghieọm

- Biến dạng của mẫu đất được đo

bằng đồng hồ đo biến dạng gắn trên mặt

mẫu.

. Tiến hành thí nghiệm.

- Tác dụng tải trọng lên mẫu theo

từng cấp tăng dần, cấp sau gấp đôi cấp

trước. Cụ thể là: 0.25; 0.5; 1.0; 2.0; 4.0

kG/cm2. Sau mỗi cấp gia tải, đợi cho biến

dạng của mẫu đất ổn định thì đo biến dạng

Sơ đồ thí nghiệm nén không nở hông

 p i

(1)

b

S i a

p (kg/cm2)

rồi gia tải cấp tiếp theo cho đến cấp tải

trọng cuối cùng. Vẽ quan hệ S-p ta được

đường cong nén ban đầu Oa.

- Để nghiên cứu tính nở của đất, ta

(2) c

(3)

Độ lún S(mm)

tiến hành dỡ tải theo từng cấp. Ở mỗi cấp dỡ tải, ta tiến hành đo độ nở theo thời gian cho đến khi hiện tượng nở kết thúc, ta được đường cong nở ab. Tại thời điểm này, nếu ta gia tải và đo biến dạng thì ta được đường cong nén lại. Nếu khi nén lại ở cấp tại trọng p > pi thì đường cong nén lại sẽ trùng với đường cong nén ban đầu.

- Với thí nghiệm này, ta đo được các biến dạng thẳng đứng, gọi là độ lún Si

ứng với các cấp áp lực nén pi. Vẽ đường quan hệ giữa p - t, S-t và p - S.

. Nhận xét thí nghiệm.

Kết quả thí nghiệm nén và nở cho ta thấy biến

dạng của đất gồm hai phần:

- Biến dạng dư (Sdư)

- Biến dạng đàn hồi (Sđh)

Biến dạng dư là biến dạng không hồi phục

sau khi giảm tải. Biến dạng này do lỗ rỗng của đất

giảm nhỏ vì các hạt đất di chuyển và dịch sát vào

nhau sau khi liên kết của đất bị phá hoại.

Biến dạng đàn hồi của đất là do các nguyên

nhân sau:

p

p 3

p 2

p1

 t 1

S1

S 2

S 3 S(mm)

t

t 2 t 3

Trang 56

H S1S2

Trang

5 7 5 7

- BDĐH của cốt đất và bản thân hạt đất.

- BDĐH của các bọc khí kín có trong đất

- BDĐH của màng nước kết hợp bao quanh

hạt đất

Đất có tính sét càng lớn, BDĐH càng lớn.

Với đất rời thì BDĐH nhỏ có thể bỏ qua.

Như đã biết, khi bị nén bản thân các hạt đất

xem như không bị nén. Như vậy sự nén ép của mẫu

do lỗ rỗng bị thu hẹp. Do đó ta dùng hệ số rỗng và

 p1

S1

S 2

S 3

Độ lún S(mm)

p2 p3 p

(kg/cm2)

(S-p)

tải trọng để biểu diễn kết quả thí nghiệm nén một trục không nở hông.

. Biểu diễn quan hệ đường cong nén.

Ký hiệu: Vo là thể tích ban đầu của mẫu đất;

H: chiều cao ban đầu của mẫu đất

eo: hệ số rỗng ban đầu

Vho: thể tích phần hạt đất lúc ban đầu

Ta có: Vho  1 Vo

1  eo

Ký hiệu: Vi thể tích của mẫu đất sau khi bị nén chặt ở cấp tải trọng pi

Si: độ lún của mẫu đất ở cấp tải trọng pi

ei: hệ số rỗng của mẫu đất ở cấp tải trọng pi

Vhi: thể tích phần hạt đất ở cấp tải trọng pi

Ta có: Vhi  1 Vi

1  ei

Vì thể tích hạt đất trước và sau khi nén là không thay đổi nên Vho = Vhi

 1

V  1

V  1

(V V )

1  eo 1  ei 1  ei

 V  eo ei

1  e Vo Vo

.e

1  eo

Do 1  e Vo

o

là hằng số nên biến thiên thể tích của mẫu đất (V) tỷ lệ bậc

nhật với biến thiên hệ số rỗng (e). Mặt khác, mẫu đất không nở hông, nên V =

e  e

F.Si, Vo = F.H. Suy ra F.Si  o i F .H

1  eo

 Si  e o e i

1  e.Ho S i

ei = eo – (1+eo)

H

Vì độ lún Si đã đo được từ thí nghiệm nén một trục không nở hông do pi

gây ra, do đó ta sẽ tính được ei từ công thức trên. Từ đây ta vẽ được đường cong quan hệ e - p hoặc e - logp.

o

o i

o

e e

A

C

1

Đường neùn e-p

a b

ec Đường nén e-logp

e1

e2 c

e2  D

E

0 p1

(a )

p2 p (kg/cm2)

0 pc p1 p2

(b)

logp

Cả hai đường cong trên gọi là đường cong nén đất. Phân tích kết quả nhiều loại đất khác nhau, ta nhận thấy:

- Độ lún của đất cát xảy ra rất nhanh, 95% biến dạng trong phút đầu tiên của thí nghiệm.

- Độ lún của đất sét kéo dài rất lâu, phụ thuộc vào thời gian. Ta gọi quá trình lún của đất sét dưới tác dụng của tải trọng không đổi là quá trình cố kết của đất.

Khi trình bày kết quả thí nghiệm bằng đồ thị e-log p ta được 2 đoạn thẳng:

- Đoạn đầu ab có độ dốc bé: đường nén thứ cấp.

- Đoạn sau bc có độ dốc lớn: đường nén sơ cấp.

- 2 đoạn kéo dài gặp nhau tại b, có trị số áp lực nén là pc, gọi là áp lực tiền

cố kết. Nghĩa là: trước đây, trong lịch sử của nó, mẫu đất đã được nén đến áp lực

pc.

Nếu pc < h: đất dưới cố kết Nếu pc = h: đất cố kết bình thường Nếu pc > h: đất quá cố kết, nghĩa là trong lịch sử tồn tại, mẫu đất đã

bị nén lún bởi 1 áp lực lớn hơn áp lực hiện đang tác dụng lên nó.

. Định luật nén lún. Hệ số nén lún. Chỉ số nén. Mođun biến dạng của đất. Công thức tính lún.

- Định luật nén : Trong phạm vi thay đổi không lớn của các cấp áp lực thì quan hệ giữa e-p là quan hệ tuyến tính, và áp lực càng tăng thì hệ số rỗng càng giảm.

- Hệ số nén lún a.

a  tga e

 e1 e 2 (cm2/kg)

p p2  p1

Ta nhận thấy, đường cong nén không phải là đường thẳng hệ số nén a không phải là hằng số mà phụ thuộc vào từng cấp tải trọng, trong thực tế xây

e

dựng ta thường dùng hệ số nén a ở cấp tải trọng p1 =1 kg/cm2 đến p2 = 2 kg/cm2,

ký hiệu là a1-2

Nếu: a1-2 < 0.01 cm2/kG: đất có tính nén lún bé

Nếu: a1-2 = 0.01 - 0.05 cm2/kG: đất có tính nén lún trung bình

Nếu: a1-2 > 0.05 cm2/kG: đất có tính nén lún lớn.

- Hệ số nén lún tương đối: hệ số nén thể tích: ao hay mv

ao  mv  a

1  e1 (cm2/kG)

- Chỉ số nén Cc.

C  e

 e1 e 2 Mặt cắt

ngang maãu đất(dt F)

 log p log p2  log p1

- Môđun tổng biến dạng Eo (kG/cm2)

+ Đối với đất sét cứng (xem như đất không

nở hông): E z

, với  

S

 z h

Hạt đất

+ Đối với đất sét mềm, đất rời (xem như đất

nở hông): E z , 2

với

  1  2 

 z 1   Công thức tính lún trong trường hợp bài toán 1 chiều:

- Do không có nở hông nên biến dạng chỉ thay đổi theo phương đứng.

- Xem thể tích hạt đất là không đổi, ký hiệu là 1 đv, hệ số rỗng ban đầu khi chưa có tải là e1, chiều cao mẫu đất là h.

- Khi có tải, mẫu đất bị lún 1 đoạn S, hệ số rỗng còn lại là e2.

- Biến dạng tương đối của mẫu đất là:

S  e1 e 2  S  e1 e 2

h 1  e1 1  e1 .h

Mà e1 – e2 = a.p

Suy ra: S  a

.h. p  a .h.

p

(1)

1  e1

Mặt khác ta lại có mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là:

  1

 E

o

  1



  





  y



  

S h

  

0

(do không nở hông)

x x y z o

o

h 1e1 e2 S

c

o

z

o

z z x

E

  1



o

 

z

 

x   

0

do không nở hông)

Từ đây ta tính được: x   y

  o

1 

. z

o

y E y

Trang

6 1 6 1

Suy ra: S 

Eo

.h.

p (2), với



2 2

  1  o

1  o

(3)

Từ (1) và (2) ta có:



ao 

Eo



đối ao)

Eo  (dùng để tính môđun biến dạng thông qua hệ số nén tương

ao

a2. Thí nghiệm nén 3 trục

Phản ánh trung thực sự làm việc của

nền đất dưới tác dụng của tải trọng.

- Mẫu đất hình trụ có h/d = 1.5 - 2.0

- Đặt mẫu đất trong bình gương

trong.

- Để tạo ra ứng suất 2 ta bơm nước

cất hoặc dung dịch glyxerine.

- Ở đây ta thí nghiệm với 3 = 2

- Ta có thể xác định biến dạng theo

phương đứng bằng đồng hồ đo chuyển vị

- Chuyển vị theo phương ngang thì

dùng phương pháp chụp ảnh

Ta có :  2  

3

và  2   3

Suy ra : Eo  1 2 1 2 2 

 2  1  2 2    1 . 1 Với: 1 

1

1  22 

Eo

2  E 1  o  2  o . 2 

o

b. Xác định tính nén lún của đất dựa vào kết quả thí nghiệm hiện trường

b1. Thí nghiệm bàn nén

. Khái niệm

- Để tìm hiểu được tính biến dạng của nền và các thông số phục vụ cho việc tính lún, người ta dùng 1 phương pháp khá chính xác thể hiện sự làm việc của móng trên nền đất, đó là thí nghiệm bàn nén hiện trường. Thí nghiệm này chỉ

áp dụng cho móng nông.

- Muốn vậy, người ta phải đào 1 hố móng có kích thước như móng thật thì kết quả khá chính xác. Tuy nhiên, khi đó máy ép thuỷ lực phải có sức nâng lớn, đối trọng lớn  không kinh tế. Hiện nay, ta thường sử dụng các tấm nén tiêu chuẩn để mô hình hoá thí nghiệm nén ngoài hiện trường.

+ Theo TCVN: tấm nén có D = 30.0 cm hay 70.7 cm

1

+ Theo TC Mỹ: D = 30.0 cm

. Thí nghiệm nén đất.

- Thiết bị thí nghiệm gồm các bộ phận chính sau:

+ Bàn nén

+ Thiết bị gia tải (cọc neo hoặc đối trọng)

+ Kích thuỷ lực

+ Đồng hồ đo chuyển vị.

- Tiến hành thí nghiệm.

+ Đặt bàn nén trực tiếp lên nền, tác dụng tải trọng lên bàn nén theo từng cấp tăng dần.

Đất yếu: p = 0,25 ; 0,50 ; 0,75 ; 1,00 kG/cm2

Đất bình thường: p = 0,50 ; 1,00 ; 1,50 ; 2,00 kG/cm2

+ Ở mỗi cấp tải trọng, cứ sau 15 phút đo biến dạng 1 lần. Đo đến khi nào ứng với cấp tải trọng đó bàn nén không lún nữa thì tiếp tục chất tải cấp tiếp theo

và thực hiện đo độ lún cho đến cấp tải cuối cùng.

Đối với đất cát: sau 120 phút, độ lún ≤ 0.1 mm, xem như không lún nữa, tiếp tục gia tải

Đối với đất sét: sau 60 phút, độ lún ≤ 0.1 mm, xem như không lún nữa, tiếp tục gia tải

Dầm gia tải  p po p (kg/cm2)

S  a

(S-p)

Bàn nén

b

Độ lún c S(mm)

- Kết quả thí nghiệm bàn nén cho phép vẽ được đường quan hệ giữ độ lún

và tải trọng như hình vẽ trên.

- Từ hình vẽ ta nhận thấy quan hệ giữa độ lún và tải trọng là một đường cong có thể chia làm 03 đoạn như sau :

+ Đoạn Oa: gần như đoạn thẳng, tải trọng ở trong phạm vi này là 0 < p ≤

po, quan hệ giữa độ lún và tải trọng là quan hệ đường thẳng.

+ Đoạn ab: là đoạn cong, ở đây tải trọng tăng đều nhưng độ lún tăng nhanh

do đất có chuyển dịch ngang (nở hông) khác với trường hợp nén không nở hông.

+ Đoạn bc: là đoạn cong rất dốc, thể hiện độ lún tăng rất nhanh và độ ngột

vì chuyển dịch ngang của đất lớn làm độ lún tăng lên rõ rệt. Đây là điều kiện khác biệt rõ rệt so với thí nghiệm nén không nở hông ở trong phòng.

Như vậy, khi tải trọng không lớn (0 < P ≤ Po) thì quan hệ giữa độ lún S và tải trọng P là quan hệ tuyến tính, trong đó po gọi là tải trọng giới hạn tuyến tính.

Khi đó, theo kết quả nghiên cứu của lý thuyệt đàn hồi độ lún S của bàn nén và tải trọng P có quan hệ tuyến tính như sau :

1 2

S  ..d

.P Eo

 Môđun biến dạng của nền đất:

E 1 

o

S

..d.P

trong đó: P - tải trọng tập trung tác dụng lên bàn nén (kG/cm2)

d - đường kính bàn nén (cm)

Eo - môđun biến dạng của nền (kG/cm2)

S - độ lún của bàn nén tương ứng với cấp tải trọng P (cm)

: hệ số không thứ nguyên, lấy bằng 0,79 à: hệ số poatxụng của đất

- Nếu tiến hành thí nghiệm với những loại bàn nén có diện tích, hình dạng khác nhau thì kết quả thí nghiệm sẽ khác nhau:

- Quan hệ giữa môđun biến dạng trong phòng Eop và môđun biến dạng ngoài hiện trường Eobn có thể tham khảo sau đây:

+ m  Eo bn

 2  3

Eop

+ m  Eob n

 Wd

Eop 1,4e0.6

Với : Wd - độ ẩm giới hạn dẻo trung bình của nền đất

eo- hệ số rỗng ở trạng thái tự nhiên

b2. Thí nghiệm xuyên kế tĩnh và xuyên kế động

Dùng để xác định các đặc trưng biến dạng ở các độ sâu khác nhau.

. Thí nghiệm xuyên kế tĩnh: chỉ dùng cho đất dính và đất rời có hàm lượng các hạt > 10mm nhỏ hơn 25%.

Nguyên lý: Người ta xuyên vào trong đất một chùy xuyên mũi hình côn, thân hình trụ; lực làm xuyên là lực ép tĩnh, tốc độ xuyên không đổi và khá nhỏ. Trong suốt quá trình xuyên, người ta đo sức kháng của đất tại mũi chuỳ xuyên-

ký hiệu là pxt và sức kháng của đất tại mặt bên mũi chuỳ xuyên - ký hiệu là fs.

Môđun biến dạng của nền đất là: Eo = .pxt (kG/cm2)

- Sét, sét pha ở trạng thái cứng

- Sét, sét pha dẻo mềm, dẻo chảy

- Bùn sét

- Bùn sét pha cát

- Cát pha sét

- Cát

o

2

. Thí nghiệm xuyên kế động: chủ yếu dùng cho các lớp đất rời với độ chặt và thành phần hạt khác nhau. Không dùng cho cát bụi BHN vì bị biến loãng khi chịu lực động.

Nguyên lý: Là thí nghiệm xuyên vào trong đất một chuỳ xuyên có đầu nhọn hình côn, kích thước xác định; tác động xuyên là búa đập có trọng lượng và chiều cao rơi theo quy định. Người ta đo số nhát đập N để chuỳ xuyên ngập sâu vào trong đất 30cm. Thí nghiệm này được tiến hành trên suốt chiều sâu khảo sát trong từng đoạn từ 13 m.

Môđun biến dạng của đất:

Loại cát

Cát to và trung

Cát nhỏ

Cát bụi (trừ

BHN)