Các phương pháp xác định sức chống cắt không thoát nước của đất

CHƯƠNG 2. SỨC CHỐNG CẮT KHÔNG THOÁT NƯỚC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH 2.1. Sức chống cắt của đất bảo hòa nước

2.2. Sức chống cắt không thoát nước trong đất dính và các phương pháp thí nghiệm

2.2.2 Các phương pháp xác định sức chống cắt không thoát nước của đất

a) Thí nghiệm cắt trực tiếp

Trong thí nghiệm cắt trực tiếp, một mẫu đất hình lăng trụ tròn được giữ và cắt ngang theo mặt phẳng nằm ngang khi có một áp lực tác dụng thẳng góc với mặt phẳng đó (Hình 2.3). Sức chống cắt xuất hiện trong đất khi cho một phần một phần của mẫu trượt lên phần khác được đo sau từng khoảng dịch chuyển đều đặn. Sự phá hoại của mẫu xảy ra khi sức chống cắt của đất đạt giá trị cực đại mà đất có thể chịu được.

Tiến hành trên một tập hợp mẫu thí nghiệm tương tự ( thường 3 đến 4 mẫu) của cùng một loại đất dưới những cấp giá trị áp lực nén khác nhau, kết quả cho phép thu nhận được tương quan giữa ứng suất cắt và ứng suất nén tác dụng.

Trong thí nghiệm cắt trực tiếp bằng hộp cắt với phướng pháp cắt nhanh không thoát nước, sau khi đặt ứng suất phá P/A, tác động lực cắt T với tốc độ nhanh (từ 1mm/phút đến 4mm/phút) để tìm sức chống cắt cực đại hoặc ứng với giá trị biến dạng ngang chọn trước. Như vậy, sau khi đặt ứng suất pháp σ

Hình 2.3. Sơ đồ thí nghiệm cắt trực tiếp

Trình tự lặp lại cho 3 đến 4 mẫu của cùng loại đất với các ứng suất pháp khác nhau. Giá trị ứng suất pháp  và ứng suất tiếp  được tính và vẽ thành đồ thị.

Đường bao độ bền chống cắt tương ứng với ứng suất cắt đỉnh và ứng suất cực hạn phù hợp với đường thẳng trung bình dựng được qua các điểm của biểu đồ ( - ).

0 50 100 150 200

0 50 100 150 200 250 300

Ứng suất phá p s (kN / m2)

t

Hình 2.4. Biểu đồ thí nghiệm xác định sức chống cắt của đất Đá thấm

Tải trọng P

Đồng hồ đo biến dạng

Lực cắt T Mẫu đất

Hộp cắt Đồng hồ đo

biến dạng

Mặt trượt

Từ đường thẳng trung bình đi qua các điểm thí nghiệm có thể xác định góc ma sát trong  và lực dính c của mẫu đất. Giá trị , c được gọi là cường độ sức chống cắt của đất.

Thí nghiệm cắt trực tiếp bằng hộp cắt còn có thể sử dụng để tiến hành thí nghiệm thoát nước nhằm xác định các thông số sức chống cắt hữu hiệu.

b) Thí nghiệm nén nở hông

Để xác định sức chống cắt của đất trong phòng, phương pháp phổ biến, đơn giản và xuất hiện sớm nhất là nén mẫu đất hình trụ cho phép nở hông tự do. Khi ấy, sức chống cắt của đất biểu hiện qua lực dính (c) của đất có thể được xác định bằng công thức sau:

2 qu

c (2.3)

Thực vậy, do )

45 2 (

*

2 



 o

u c tg

q với u=0 thì qu=2c Trong đó : c - lực dính của đất;

qu - sức kháng nén nở hông của đất.

Sức kháng nén này được xác định như là cường độ kháng nén lớn nhất chịu được trong quá trình thí nghiệm hoặc tại giá trị biến dạng đạt tới 20%.

Quá trình phá hoại đất từ thí nghiệm nén nở hông có thể minh họa như hình 2.5.

(a) Biểu đồ ứng suất-biến dạng trong thí nghiệm nén nở hông (b) Sự phát triển vòng Mohr tương ứng theo ứng suất tổng (c) Ứng suất tổng và hữu hiệu trên mặt phá hoại

(d) Vòng Mohr theo ứng suất hữu hiệu lúc phá hoại

Hình 2.5. Biểu đồ minh hoạ quá trình phá hoại đất từ thí nghiệm nén nở hông

c) Thí nghiệm nén ba trục

Thí nghiệm nén ba trục là thí nghiệm xác định sức chốngg cắt của đất được áp dụng rộng rãi nhất hiện nay bởi vì thí nghiệm này mô tả được đúng hơn trạng thái ứng suất tự nhiên của mẫu đất trong điều kiện thế nằm tự nhiên. Thí nghiệm nén ba trục cho phép mô tả được nhiều trạng 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 (thoát nước hay không thoát nước). Thí nghiệm nén ba trục là một trong những thí nghiệm đa dạng nhất trong tất cả các thí nghiệm xác định sức chống cắt của đất xét về chi tiết phức tạp. Điều kiện thoát nước kiểm soát được cho

tất cả các loại đất. Trong thí nghiệm nén ba trục, việc kiểm soát áp lực nước lỗ rỗng hoàn toàn có thể thực hiện được chính xác, biến đổi thể tích cũng có thể đo đạc được. Trong quá trình thí nghiệm, phương tác dụng của các thành phần ứng suất chính không 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 quá trình cắt). Mặt phá hoại không được quy định trước mà mẫu đất sẽ bị phá hoại theo mặt trượt yếu nhất hoặc đơn giản là phồng ra trong trường hợp đất mềm dẻo.

Hình 2.6. Sơ đồ buồng nén thí nghiệm nén ba trục đối xứng trục

Thông thường thí nghiệm nén ba trục được thực hiện với 2 – 3 mẫu đất hình lăng trụ tròn có chiều cao gấp 2 lần đường kính, tức là h=2d dưới tác dụng của áp lực hông với giá trị khác nhau. Kích thước mẫu thông thường là 38x76mm,

Mẫu đất

Vỏ buồng áp lực hình lăng Màng cao su

Tạo áp lực buồng

Đá thấm

Nối với thiết bị đo áp lực lỗ Nước trong

buồng để Van thoát

P

50x100mm hoặc một số kích thước khác tùy thuộc vào kích thước buồng nén, thường chọn kích thước 38x76mm cho các loại đất hạt mịn.

Các thông số cơ bản trong thí nghiệm ba trục thông thường (nén dọc trục AC) bao gồm:

Ứng suất chính lớn nhất (1 kN/m2): ứng suất chính lớn nhất, trong thí nghiệm nén ba trục là ứng suất theo phương dọc trục.

Ứng suất chính nhỏ nhất (3 kN/m2): trong thí nghiệm nén ba trục là áp lực buồng.

Ứng suất lệch ((1 -3) kN/m2): trong thí nghiệm nén ba trục là ứng suất bổ sung do sự tăng lực nén dọc trục.

Trong thí nghiệm, mẫu đất sẽ chịu tác dụng của các thành phần ứng suất chính như minh hoạ trong hình 2.7.













Hình 2.7. Tác dụng ứng suất ba trục trong khối đất

Trạng thái ứng suất khi đạt đến điểm phá hoại được ghi nhận thông qua giá trị các thành phần ứng suất chính lớn nhất 1 và nhỏ nhất 3. Vòng Mohr ứng suất sẽ được xác định theo các thành phần ứng suất chính từ các mẫu thí nghiệm. Đường kính của vòng tròn Mohr được xác định bởi các điểm đại diện cho ứng suất chính nhỏ nhất và lớn nhất khi phá hoại.

Qua các vòng tròn Mohr, có thể vẽ được đường bao phá hoại, đó là đường thẳng trung bình tiếp xúc với các vòng tròn Mohr. Theo tiêu chuẩn bền Mohr – Coulomb, phương trình đường bao phá hoại có dạng tuyến tính:  tgc.

Hình 2.8. Ứng suất của một điểm trong đất nền đạt trạng thái giới hạn theo thuyết phá hoại Mohr – Coulomb

Theo hình 2.8, ta có:





















 c g

tg C c

O CT

cot . 2 2

2 sin '

3 1

3 1 3

1

3 1





 

 





 (2.4)

Từ đó:



 





 sin .cos

2 2

3 1 3

1  c

 

(2.5) Tiếp tục biến đổi:









1(1sin ) 3(1sin) 2c.cos







 

 1 sin

. cos sin 2

1 sin 1

3

1  



  c

Cuối cùng thu nhận được:

2) 45 ( . 2 2) 45

2(

3 1



 

  tg o   ctg o  (2.6)

Theo các thành phần ứng suất trong hệ tọa độ Đề các, phương trình trạng thái cân bằng giới hạn có dạng:

c c/tg



3 1

O

T

C

O’ 



 2

2 2 2

cot . 2

) sin (











 

g

z c

x

xz x z







  (2.7)

Các phương trình (2.4), (2.6) và (2.7) được gọi là phương trình trạng thái cân bằng giới hạn, chúng được sử dụng trong tính toán khả năng chịu tải của đất nền.

Các lý thuyết tính toán có sử dụng các phương trình cơ bản này có tên gọi chung là lý thuyết cân bằng giới hạn. Để tính toán sức chống cắt của đất, có thể sử dụng phương trình (2.5).

Từ kết quả thí nghiệm, vẽ các vòng tròn Mohr ứng với từng cặp 3, 1 tương ứng thu được các thông số sức chống cắt của đất.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Ứng suất (kG/cm2)

(1-3)/2 (kG/cm2)

'



Hình 2.9. Đường bao sức chống cắt theo ứng suất tổng và ứng suất hữu hiệu Tùy theo trạng thái của đất khi bị cắt đến phá hoại, phân biệt 3 sơ đồ thí nghiệm sau:

+ Thí nghiệm không cố kết, không thoát nước (UU) đối với đất bão hoà Đây là sơ đồ thí nghiệm đơn giản, vận hành nhanh, giá thành rẻ và thông dụng nhất của thí nghiệm nén ba trục. Kết quả sức chống cắt thu được theo các thành phần ứng suất tổng.

Trong sơ đồ này, đất được đưa tới phá hoại không có khả năng thoát nước lỗ rỗng và chưa được cố kết. Độ ẩm và độ chặt được xem như không đổi trong các mẫu đất thí nghiệm và trong quá trình nén mẫu. Khi thí nghiệm, các van thoát nước của dụng cụ thí nghiệm được đóng hoàn toàn và đất chịu tác dụng của lực nén dọc trục 1 ngay sau khi áp lực hông 3 được ổn định. Vì nước và cốt đất hầu như không chịu nén và giả thiết trong nước không chứa không khí nên trong quá trình thí nghiệm mẫu không bị biến dạng thể tích. Khi thí nghiệm với đất bão hoà (hệ số áp lực của nước lỗ rỗng B=1) độ tăng nào đó của ứng suất tổng tạo nên sự tăng tương ứng của áp lực nước lỗ rỗng (u=) và vì thế không xảy ra sự tăng ứng suất hữu hiệu tức là ’=0. Trường hợp thí nghiệm này cho ta: Su = cu và u = 0.

Giá trị Su, gọi là sức chống cắt không thoát nước của đất.

+ Thí nghiệm cố kết, không thoát nước (CU) đối với đất bão hoà

Trong thí nghiệm theo sơ đồ này, mẫu đất trước tiên được cố kết dưới các cấp áp lực hông 3 xác định trước khi thí nghiệm đưa tới phá hoại. Khi cố kết, hoặc là áp lực nước lỗ rỗng, hoặc là sự thay đổi thể tích của mẫu đất được theo dõi để xác định đất đã được cố kết hoàn toàn (khi sự thay đổi thể tích ngừng và áp lực nước lỗ rỗng thặng dư giảm tới 0). Sau đó tăng áp lực dọc trục 1 và không cho thoát nước (đóng các van thoát nước). Trong quá trình thí nghiệm giá trị áp lực nước lỗ rỗng u được ghi nhận.

Kết quả thu được theo sơ đồ này là sức chống cắt tổng và hữu hiệu :

• Đặc trưng sức chống cắt tổng: ccu, cu - sử dụng cho thiết kế đắp đất theo giai đoạn trên nền đất yếu.

• Đặc trưng sức chống cắt hữu hiệu: c’cu, 'cu - sử dụng để tính ổn định lâu dài.

Phương pháp xác định Su từ thí nghiệm hiện trường

a) Xác định Su từ thí nghiệm cắt cánh hiện trường (VST)

Phương pháp này nhằm xác định tại hiện trường sức chống cắt của đất sét mềm bão hoà bằng thiết bị cắt cánh dưới tác động của một lực xoắn đủ mạnh để cắt đất.

Thí nghiệm thích hợp cho loại đất dính có trạng thái từ dẻo mềm đến rất mềm, bão hoà nước. Nguyên lý của thí nghiệm cắt cánh là ấn vào trong đất một

cánh cắt chữ thập bằng thép, sau đó quay cánh cắt cho đến khi đất bị cắt xoay tròn (phá hủy) xung quanh trục của nó và đo moment xoắn. Đất bị cắt trong thời gian khá nhanh, với hệ số thấm trong đất dính rất nhỏ nên nước không kịp thoát ra ngoài trong quá trình thí nghiệm.

Hiện nay có khá nhiều thiết bị cắt cánh, nhưng có thể tóm lược theo 3 loại sau:

+ Loại đọc ngay kết quả Thiết bị bao gồm:

 Bệ đỡ máy với công suất 5 tấn.

 Máy ép/ kéo thủy lực 15 tấn với bơm thủy lực (AIMIL).

 Thiết bị cắt cánh: Thiết bị "Vane Borer" do Tiệp Khắc sản xuất. Thiết bị có ống bao và mũ bảo vệ để chống ma sát cho cần.

 Cánh cắt hình chữ nhật rộng 6,5cm và cao 13,0cm dùng cho đất ở trạng thái chảy và 3,5cm x 7,0cm cho đất ở trạng thái dẻo mềm. Cánh cắt có bề dày 2mm, cần trong có đường kính 25mm.nằm trong ống bao bảo vệ có đường kính 63,5 mm.

 Cần có đường kính 12,7mm bao gồm cả vỏ bọc.

Hình 2.10. Thiết bị cắt cánh sử dụng đo moment

Sơ đồ thí nghiệm:

 Cắt trong hố khoan:

- Hố khoan được làm sạch trước khi thí nghiệm

- Ép bộ cắt cánh đến độ sâu cách đáy hố khoan tối thiểu 4d (với d -đường kính hố khoan), hoặc 6d (trường hợp đất sét rất nhạy)

- Đáy hố khoan có bộ định tâm để bảo đảm cánh cắt thí nghiệm ở tâm hố khoan.

 Cắt trong ống bao bảo vệ:

- Cánh cắt và cần cắt được đặt trong ống bao bảo vệ để loại ma sát giữa cần cắt với đất

- Ép bộ cắt cánh đến độ sâu thí nghiệm, ép cần cắt ra khỏi ống bao bảo vệ rồi tiến hành cắt.

Trình tự thí nghiệm:

 Tại mỗi độ sâu thí nghiệm, lưỡi cắt chữ thập được ấn ngập vào trong nền đất nguyên trạng một đoạn 0,5m, sau đó thí nghiệm được tiến hành bằng cách quay lưỡi cắt với tốc độ khoảng 6o trong một phút ứng với thời gian phá hủy khoảng 2 đến 5 phút. Tiếp theo lưỡi cắt sẽ được xoay luôn vài vòng rồi để yên trong khoảng 10 phút. Thí nghiệm cắt sẽ được lặp lại lần nữa trong điều kiện đất đã bị phá hoại.

 Sức chống cắt không thoát nước sẽ được xác định dựa vào moment cắt đo được và phụ thuộc vào kích thước cánh của lưỡi cắt chữ thập. Độ nhạy của Hình 2.11. Các loại cánh đường kính 35, 50 & 65 mm và ống bao bảo vệ

đất được tính bằng tỉ số giữa sức chống cắt không thoát nước của đất ở hai trạng thái nguyên trạng và đã bị phá hoại.

+ Lọai ghi đồ thị trên giấy vẽ: còn gọi là cắt cánh cơ học, MVST

Thiết bị thí nghiệm là máy cắt cánh Nilcon do Thụy Điển sản xuất. Thí nghiệm cắt cánh được tiến hành bằng cách ấn trực tiếp vào đất với tần suất 1m -2m/

lần.

Hình 2.12. Thiết bị cắt cánh cơ NILCON của Geotech

Thiết bị có các phần chính như sau:

+ Thiết bị trên mặt đất, gồm bộ phận đầu cắt cánh, giấy cắt, tay quay kiểm soát moment, đai siết, đầu kẹp vào máy nén, lò xo khóa và đĩa thép đường kính 23mm.

+ Đầu thiết bị cắt bằng cơ, có khoảng đo 120 Nm và độ chính xác < 1 % + Phần thiết bị dưới đất, gồm cánh cắt có vát kích thước 50 x 110mm hay 65 x 130 mm, đầu nối trượt (15 độ ngược chiều kim đồng hồ) cho cần 22mm.

+ Thiết bị ép thủy lực: 3 - 5 tấn và cần nối đường kính 22.

Trình tự thí nghiệm:

Trong giai đọan cắt bằng thiết bị Nilcon, người thí nghiệm quay tay quay với vận tốc 1 vòng/giây sẽ làm quay cần trên mặt đất với vận tốc 0,2 độ/ giây. Dưới đất,

Đường mômen 0

Lực phá họai Ma sát cần

Góc quay cánh

moment sẽ tác động lên đầu nối ngay trên cánh ở 15 độ đầu tiên. Sau đó moment sẽ truyền đến cánh. Sau khi phá họai, một đường cong sẽ được vẽ trên giấy như sau:

Hình 2.13. Đường cong cắt trên giấy ghi với ma sát cần ban đầu, tiếp theo là lực cắt phá hoại trong lớp sét thí nghiệm

Tính toán cường độ chống cắt:

Cường độ chống cắt:

 = T x C (2.8)

Trong đó:  - Cường độ chống cắt không thoát nước (kPa);

T - Số đo momen lúc phá họai (Nm) = Số đo hiệu chỉnh (mm) x hằng số hiệu chỉnh (Nm/mm);

Số đo hiệu chỉnh = Số đo lớn nhất lúc phá hoại – ma sát cần;

C - Hệ số cánh (kPa/Nm)

với cánh có vát (góc 120o) của Geotech :

)]

2 ( 37 . 0 [

10

3 3 3

6



  

 D D

C

trong đó: D - đường kính cánh; x 10-2 m Do đó:

Hệ số cánh loại có vát kích thước 11,0 x 5,0 cm là 2,0 kPa/Nm Hệ số cánh loại có vát kích thước 13,0 x 6,5 cm là 1,0 kPa/Nm Hệ số cánh loại có vát kích thước 17,2 x 8,0 cm là 0,5 kPa/Nm Hệ số hiệu chỉnh thiết bị k = 1,15 Nm/mm.

Số đo trong quá trình thí nghiệm được diễn dịch ngay sau thí nghiệm và lập thành biểu đồ và bảng kết quả.

+ Loại cắt cánh điện EVST Thiết bị:

Thiết bị thí nghiệm là máy cắt cánh điện tử EVT2000 của hãng Geotech (Thụy Điển) sản xuất. Thí nghiệm cắt cánh được thực hiện theo hướng dẫn của nhà sản xuất thiết bị và tiêu chuẩn ASTM D2573.

Hình 2.14. Thiết bị cắt cánh điện tử EVT200 của Geotech

Hình 2.15. Cánh có vát (65mm x 130mm) gắn với đầu nối trượt và cần sử dụng trong lớp bùn sét

Trình tự thí nghiệm:

Trong giai đọan cắt bằng thiết bị Geotech, bộ truyền động làm quay cần trên mặt đất với vận tốc 0,1 - 0,2 độ/ giây. Dưới đất, moment sẽ tác động lên đầu nối trượt ngay trên cánh ở khoảng 15 độ đầu tiên. Sau đó moment sẽ truyền đến cánh.

Số liệu được ghi nhận trực tiếp tại bộ truyền động, và được máy tính xử lý bằng phần mềm VANE-LOG 1.03 của GEOTECH. Sau khi phá hoại, một đường cong sẽ được hiển thị trên màn hình máy tính như sau:

Hình 2.16. Giao diện Phần mềm xử lý số liệu cắt cánh VANE-LOG 1.03 của hãng Geotech

Sau khi đã cắt nguyên dạng, quay cần cho đất tại vị trí cắt cánh được phá hoại hoàn toàn, để yên trong 10 phút sau đó thực hiện tương tự như cắt nguyên dạng, khi đó thu được kết quả cắt phá hoại.

Số đo trong quá trình thí nghiệm được diễn dịch ngay sau thí nghiệm và lập thành biểu đồ và bảng kết quả.

Nguyên lý tính toán Su từ thí nghiệm cắt cánh (VST)

Sức chống cắt không thoát nước Su được tính toán trên cơ sở giả định rằng sức kháng cắt là đồng nhất trên toàn bộ bề mặt cắt (trên cạnh, đỉnh và đáy của lưỡi cắt). Sức kháng cắt không thoát nước Su được xác định theo công thức:







 



6 2

3

2H D

D Su M



 (2.9)