8. Cấu trúc của luận văn
1.4. Các yếu tố ảnh h−ởng tới kết qủa thí nghiệm
Trong thí nghiệm xuyên đo áp lực n−ớc lỗ rỗng, sự ảnh h−ởng của các yếu tố
đến kết quả đo có thể là ngẫu nhiên hoặc mang tính hệ thống. Tìm cách phát hiện và hiệu chỉnh các yếu tố ảnh h−ởng sẽ cho kết quả thí nghiệm chính xác và tin cậy khi sử dụng trong tính toán thiết kế.
1.4.1. ảnh hưởng áp lực nước lỗ rỗng đến qc và fs
Thực tế cho thấy dạng hình học của mũi xuyên đo áp lực n−ớc lỗ rỗng khi tiến hành thí nghiệm xuyên phải chịu áp lực bao quanh do tác dụng áp lực n−ớc lỗ rỗng gây ra trên diện tích hình vành khuyên ở phần tiếp giáp giữa mũi xuyên và áo ma sát. Cũng nh− vậy lực tác dụng của áp lực n−ớc lỗ rỗng ở phần diện tích cắt qua ở phía trên và phía d−ới của áo ma sát, ảnh h−ởng này có tác dụng trực tiếp làm giảm cường độ kháng xuyên và tăng sức kháng áo ma sát (xem hình 1.6 ).
Hình 1.6: ảnh h−ởng của áp lực n−ớc lỗ rỗng lên các giá trị đo qc và fs
Đây là ảnh h−ởng đ−ợc gọi là sự “không t−ơng xứng về diện tích”. Sức kháng xuyên đầu mũi sau khi hiệu chỉnh bằng tổng sức kháng xuyên đầu mũi theo kết quả
thí nghiệm tại hiện tr−ờng cộng với áp lực do áp lực n−ớc lỗ rỗng tác dụng vào phần vành khuyên theo công thức 1.4 :
qt = qc + u2(1-a) ( 1.4) Trong đó : qt - sức kháng xuyên đầu mũi sau khi đã hiệu chỉnh ;
qc - sức kháng xuyên đầu mũi đo đ−ợc khi thí nghiệm ; u2 - áp lực n−ớc lỗ rỗng đo đ−ợc khi thí nghiệm;
a - tỷ số về diện tích của mũi xuyên, a= An/Ac;
An- Diện tích hình vành khuyên ở chỗ tiếp giáp giữa mũi xuyên và áo ma sát;
Ac - Diện tích mũi xuyên .
Để xác định tỷ diện tích a của mỗi mũi xuyên, có thể làm thí nghiệm đơn giản: Mũi xuyên đ−ợc treo ở trạng thái tự do đ−ợc tác dụng một áp lực xung quanh gây bởi nước hoặc chất lỏng không bị nén, tiến hành đọc giá trị qc và fs theo các khoảng giá trị áp lực khác nhau, vẽ đồ thị giữa áp lực mũi xuyên và áp lực tác dụng, tỷ diện tích a được xác định phụ thuộc vào góc nghiêng của đường thẳng giữa áp lực tác dụng và giá trị qc thu đ−ợc. Phần lớn các mũi xuyên có tỷ diện tích a thay đổi từ 0.55 đến 0.9. Tuy nhiên, ở một vài thiết bị tỷ số này có thể xuống thấp đến 0.38.
Tỷ diện tích này có thể sẽ không đ−ợc chấp nhận khi dùng trong nghiên cứu cho các loại đất yếu bão hoà nước, vì khi đó áp lực nước lỗ rỗng lớn hơn nhiều cường độ kháng xuyên làm cho số hiệu chỉnh này quá lớn dẫn đến không phản ảnh đúng thực tế kết quả thí nghiệm. Từ kết quả nghiên cứu trên mục tiêu của các nhà sản xuất là chế tạo ra các mũi xuyên có tỷ diện tích a lý tưởng nhất là đạt gần bằng 1.
Tương tự như vậy, sức kháng áo ma sát sau hiệu chỉnh được xác định theo công thức 1.5:
ft = fs - (u2.Asb - u3.Ast)/As Trong đó :
ft - sức kháng áo ma sát sau khi hiệu chỉnh;
fs - sức kháng áo ma sát khi thí nghiệm;
(1.5)
u2- áp lực n−ớc lỗ rỗng tác dụng ở phần cuối của mũi xuyên;
u3 - áp lực n−ớc lỗ rỗng tác dụng ở phần trên của mũi xuyên;
Asb - diện tích mặt cắt vành khuyên phía d−ới áo ma sát;
Ast - diện tích mặt cắt vành khuyên phía trên áo ma sát;
As - diện tích bề mặt áo ma sát.
Để giảm bớt các ảnh hưởng này đến sức kháng áo ma sát việc chế tạo mũi xuyên có diện tích mặt cắt phía dưới và phía trên sao cho đủ nhỏ và tương xứng bằng nhau (Asb= Ast) .
1.4.2. ảnh h−ởng của vị trí màng thấm.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, áp lực nước lỗ rỗng đo được phụ thuộc vào vị trí của màng thấm. Tổng quan cho thấy, áp lực nước lỗ rỗng sẽ đạt tới giá trị lớn nhất ở vùng giữa mặt mũi côn mà ở đó ứng suất nén đạt giá trị lớn nhất .
Lunne và các đồng nghiệp (1986) đã nhận thấy, áp lực nước lỗ rỗng đo được ở mũi xuyên và ở phần giữa của mũi xuyên là t−ơng tự nhau. Trong một vài tr−ờng hợp áp lực n−ớc lỗ rỗng ở mũi côn nhỏ hơn áp lực đo đ−ợc ở giữa mặt côn.
Số liệu thí nghiệm áp lực nước lỗ rỗng trong đất sét cố kết thường chỉ ra sự thay đổi giá trị áp lực nước lỗ rỗng khi màng thấm đặt trực tiếp ngay sau mũi côn có quan hệ với loại đất và tính dẻo của đất. Tỷ số giữa áp lực nước lỗ rỗng tại giữa mặt côn và tại vị trí ngay sau mũi côn biến đổi từ 1.15 trong đất sét có tính dẻo thấp đến 1.5 trong đất sét có tính dẻo cao và từ 1.5 đến 1.8 trong đất sét chứa hữu cơ.
Giá trị áp lực nước lỗ rỗng đo được phụ thuộc và thay đổi theo vị trí của màng thấm kể từ vị trí ngay sát mũi côn, áp lực n−ớc lỗ rỗng d− tại vị trí phía trên cùng của áo ma sát t−ơng ứng bằng khoảng 70% áp lực n−ớc lỗ rỗng d− tại vị trí tiếp giáp giữa mũi xuyên và áo ma sát
Hiện tại vị trí của màng thấm vẫn ch−a đ−ợc tiêu chuẩn hoá. Theo tài liệu tiêu chuẩn hiệp hội cơ học đất và nền móng quốc tế (ISSMFE) vị trí của màng thấm nên
đ−ợc đặt ngay sau mũi xuyên tại phần tiếp giáp giữa mũi côn và áo ma sát dựa vào nh÷ng lý do chÝnh nh− sau:
- Tại vị trí này đá thấm ít bị nghiêng nhất, do vậy tránh đ−ợc các h− hỏng và sự hao mòn không cần thiết.
- Phép đo ít bị ảnh h−ởng nhất bởi tính nén ép
- Dễ dàng tháo lắp và thay thế khi cần thiết, thuận lợi cho công tác bão hoà.
- Giá trị áp lực n−ớc lỗ rỗng đo đ−ợc có thể dùng hiệu chỉnh trực tiếp sức kháng mũi xuyên
- Giá trị áp lực n−ớc lỗ rỗng đo trong quá trình thí nghiệm tiêu tán ít bị ảnh h−ởng bởi thủ tục có khoá hoặc không khoá cần.
Robertson và Campanella (1988) qua nghiên cứu đã cho thấy sự thay đổi kích thước của đá thấm cũng ảnh hưởng đến giá trị đo áp lực nước lỗ rỗng mặc dù ảnh h−ởng này là nhỏ, nh−ng đây là nhân tố cần phải đ−ợc quan tâm nghiên cứu .
1.4.3. ảnh hưởng của áp lực dọc trục đến áp lực nước lỗ rỗng
Trong quá trình cải tiến và hiệu chỉnh một số máy xuyên đo áp lực n−ớc lỗ rỗng, Bruzzi và Battaglio đã nhận ra rằng, áp lực nước lỗ rỗng u có thể bị ảnh hưởng bởi áp lực dọc trục tác dụng lên mũi côn mà ng−ời ta gọi là hiện t−ợng “ảnh h−ởng qua lại”. Các thí nghiệm trong phòng và ngoài trời đã đ−ợc tiến hành với sự thay đổi về vật liệu và vị trí màng thấm đã chỉ ra rằng áp lực nước lỗ rỗng bị ảnh hưởng do tác dụng của áp lực dọc trục mà nguyên nhân chính do sự biến dạng của các thành phần hợp thành trong đầu đo đặc biệt là cảm biến đo áp lực nước lỗ rỗng và phiến đá
thấm. Để triệt tiêu sai số và ảnh hưởng do áp lực dọc trục gây ra các mũi xuyên đã
đ−ợc thay đổi thiết kế và sử dụng một cách hợp lý vật liệu thấm .
Hầu hết các mũi xuyên đo áp lực nước lỗ rỗng hiện nay đều được thiết kế tránh ảnh h−ởng này. Tuy vậy, việc cam kết và chứng nhận sản phẩm của các nhà sản xuất là rất cần thiết đặc biệt trong trường hợp các sản phẩm được áp dụng các quy tr×nh thiÕt kÕ míi.
1.4.4. ảnh hưởng của nhiệt độ
Đối với các thiết bị đo bằng các cảm biến điện tử, hoặc các đầu đo cảm ứng
điện, sự thay đổi nhiệt độ có thể sẽ ảnh hưởng đến các giá trị đo. Lunne và các đồng nghiệp đã tiến hành các thí nghiệm trong phòng và ngoài trời nghiên cứu trên một số mũi xuyên cho thấy, sự thay đổi của nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể đến các giá
trị đo được. Lý do chính chỉ ra sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến các giá trị đo chính là sự thay đổi các giá trị đo của đầu đo cảm biến khi ở trạng thái không tải. Những mũi
xuyên đo áp lực nước lỗ rỗng hiện nay được chế tạo cho phép đạt được sự ổn định và độ chính xác khi có sự thay đổi nhiệt độ trong phạm vi rộng. Tuy vậy khi mũi xuyên hoạt động trong khoảng phạm vi áp lực nhỏ nh− trong đất sét chảy, hoặc trong đất bùn yếu thì sự ảnh hưởng của nhiệt độ nên được quan tâm một cách đầy
đủ.
Để tránh ảnh hưởng và sai số do nhiệt độ gây ra có hai cách như sau:
- Đảm bảo chắc chắn rằng số đọc ở trạng thái không tải trước và sau mỗi thí nghiệm ở cùng một điều kiện nhiệt độ nh− nhau gần với nhiệt độ bề mặt.
- Đặt một cảm biến đo nhiệt độ ở trong mũi côn và hiệu chỉnh kết quả đo dựa trên các giá trị hiệu chỉnh thu đ−ợc từ trong phòng thí nghiệm.
ảnh hưởng của nhiệt độ tới thiết bị xuyên là không hạn chế, sự thay đổi nhiệt
độ trong hệ thống ghi đọc dữ liệu cũng là một nguyên nhân gây ra sự sai lệch của kết quả đo, sự thay đổi nhiệt độ này bao gồm quá trình tự làm nóng của các thiết bị
điện tử cộng với sự thay đổi nhiệt độ của môi trường bên ngoài. Nebbeling (1995) cũng đã nhận thấy rằng, trong điều kiện thực tế khi nhiệt độ môi trường thay đổi 5Oc thì gây ra sự sai lệch là 10Kpa trong sức kháng mũi. Một đặc điểm rất quan trọng khác là sự thay đổi nhiệt độ xảy ra khi làm các thí nghiệm tiêu tán trong thời gian dài nhất là trong trừơng hợp kéo dài từ ngày qua đêm, khi mà nhiệt độ khí hậu có thể thay đổi trong một phạm vi rộng. Để hiệu chỉnh và đánh giá ảnh hưởng của các giá
trị đo do sự thay đổi về nhiệt độ nên sử dụng một phép đánh giá định l−ợng theo một cách tuỳ chọn định trước.
1.4.5. ảnh hưởng của độ mài mòn dạng hình học của mũi xuyên
Tr−ớc mỗi thí nghiệm xuyên đo áp lực n−ớc lỗ rỗng nên kiểm tra sự hao mòn hoặc h− hỏng của mũi xuyên, đá thấm và áo ma sát. Dung sai dạng hình học của mũi xuyên cũng nh− áo ma sát trong phạm vi cho phép đã đ−ợc chỉ ra bởi tiêu chuẩn của Hiệp hội cơ học đất và nền móng quốc tế IRTP(ISSMFE), yêu cầu này có thể
được quy định chặt chẽ hơn trong trường hợp cụ thể khi có một yêu cầu cao hơn về
độ chính xác của kết quả đo.
Một nhân tố rất quan trọng là yêu cầu dung sai dạng hình học giữa mũi xuyên và áo ma sát, đ−ờng kính của áo ma sát nên luôn luôn bằng hoặc lớn hơn
đ−ờng kính của mũi xuyên. Tuy nhiên, hiệu số giữa đ−ờng kính của áo ma sát và
đ−ờng kính mũi xuyên sẽ không lớn hơn 0.35mm.
Qua những nghiên cứu của mình (Schaap và Zuidberg,1982) đã đ−a ra độ mài mòn dạng hình học của mũi xuyên và áo ma sát là một hàm của số mét thí nghiệm xuyên .
Dung sai yêu cầu đối với thiết bị xuyên đo áp lực nước lỗ rỗng về bản chất cũng giống nh− đối với thiết bị xuyên cơ học, chỉ khác ở đây có thêm vào một yêu cầu có liên quan đến đá thấm. Theo yêu cầu thì đường kính của đá thấm nên tương ứng bằng hoặc không v−ợt quá đ−ờng kính của mũi xuyên trong khoảng sai lệch là 0.2mm. Tại mọi thời điểm, đường kính đá thấm đặt tại vị trí ngay sau mũi xuyên phải nhỏ hơn đ−ờng kính của áo ma sát. Quan hệ giữa đ−ờng kính áo ma sát,đ−ờng kính mũi côn và đường kính đá thấm trong thí nghiệm xuyên đo áp lực nước lỗ rỗng
đ−ợc thể hiện nh− sau:
da ≥ df ≥ dc
mm d
da = c〈+−00.2, mm d
df = c〈+−00.2,
Trong đó : da - đường kính áo ma sát;
df - đường kính đá thấm;
dc - đ−ờng kính mũi côn.
Phiến đá thấm phải được kiểm tra thường xuyên và thay thế sau mỗi thí nghiệm để tránh sự không bão hoà hoặc bị lấp nhét dính bẩn. Những phiến đá thấm
đã bị h− hỏng nên loại bỏ và không dùng lại. Các đá thấm đ−ợc chế tạo bằng các vật liệu gốm hoặc hợp kim đồng với các lỗ rỗng có kích thước từ 2 đến 20 μm.
Các gioăng liên kết giữa các phần khác nhau của mũi xuyên nên đựơc làm sạch và kiểm tra lại tr−ớc và sau mỗi thí nghiệm.
1.4.6. ảnh hưởng của độ nghiêng mũi xuyên
Độ nghiêng của mũi xuyên và sự không thẳng đứng một cách liên tục của cần xuyên gây ra sai lệch đến kết quả đo. Các yêu cầu về độ nghiêng này đã đ−ợc chỉ ra trong các tiêu chuẩn thí nghiệm xuyên. Các mũi xuyên đo áp lực n−ớc lỗ rỗng hiện
(1.6) (1.7) (1.8)
nay đều đ−ợc cài đặt một cảm biến đo độ nghiêng của mũi xuyên trong quá trình thí nghiệm. Việc thu thập các giá trị độ nghiêng cho phép người thí nghiệm hiệu chỉnh
được các sai số về độ sâu cũng như đánh giá những giá trị bất thường của kết quả
đo. Độ nghiêng lệch của mũi xuyên trong các loại đất sét cứng hoặc đất loại cát là
đáng kể.
1.4.7. ảnh hưởng của tốc độ xuyên
Nhiều nghiên cứu của các tác giả khác nhau đã đề cập sự ảnh hưởng của tốc
độ xuyên đến các giá trị kết quả đo. Trong đất sét đối với hầu hết các thiết bị xuyên cơ học sức kháng xuyên tăng lên đồng thời với sự tăng tốc độ xuyên.
Bemben và Myers (1974) đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ xuyên trong đất sét cố kết nhẹ khi sử dụng chín tốc độ xuyên khác nhau từ 0.2mm
đến 200 mm/s. Kết quả cho thấy sức kháng xuyên nhỏ nhất thu đ−ợc tại tốc độ 2mm/s và điều kiện thoát nước trong khoảng tốc độ xuyên đến 0.5mm/s.
Nghiên cứu của Roy và các đồng nghiệp tiến hành các thí nghiệm trên đất sét cố kết nhẹ khi sử dụng bảy tốc độ xuyên thay đổi trong khoảng từ 0.5 đến 40mm/s.
Những thí nghiệm này đã tạo ra được các đường cong có sự thay đổi tương tự như
các thí nghiệm của Bemben và Myers (1974). Sự thay đổi của kết quả các thí nghiệm này phụ thuộc vào các mũi xuyên có hình dạng khác nhau.
Rocha Filho và Alencar (1985) sử dụng thiết bị xuyên đo áp lực n−ớc lỗ rỗng nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ xuyên trong đất sét. Tốc độ xuyên dùng nghiên cứu thay đổi từ 0.5 - 15mm/s, các tác giả xác định đ−ợc trong khoảng tốc độ xuyên từ 5 - 15mm/s áp lực nước lỗ rỗng u không thay đổi, khi giảm tốc độ xuyên xuống 0.5mm/s tỷ số (qt-u)/qt tăng lên từ 50 - 65%. Nh− vậy khi thí nghiệm xuyên ở tốc độ 0.5mm/s quá trình thoát nước ở xung quanh mũi xuyên đã xảy ra.
Theo tiêu chuẩn của hiêp hội cơ học đất và nền móng quốc tế (ISSMFE) tốc
độ xuyên nên sử dụng là 20mm/s ± 5mm/s. Mỗi khi bắt đầu xuyên thì tốc độ xuyên bao giờ cũng nhỏ. Theo hiệp hội địa kỹ thuật Thuỵ điển tốc độ xuyên nên sử dụng là 20mm/s ± 2mm/s. Tuy nhiên trong một vài trường hợp dung sai của tốc độ xuyên là không cần thiết. ảnh hưởng của tốc độ xuyên đến kết quả đo cũng đã được nghiên cứu và đánh giá một cách đầy đủ theo các tác giả khác nhau.