Thí nghiệm cắt trực tiếp (DST – direct shear test)

Bài 3 Sức chống cắt của nền đất

II. Thí nghiệm cắt trực tiếp (DST – direct shear test)

1. Giới thiệu chung:

Thí nghiệm cắt trực tiếp (Direct shear test – DST), có thể xem nh phơng pháp dự phòng của thí nghiệm nén ba trục, để xác định sức kháng cắt của đất. Nguyên lý thí nghiệm đơn giản hơn nén ba trục, tuy nhiên, thí nghiệm DST có một số hạn chế khó khắc phục:

- Khó kiểm soát đợc quá trình thoát nớc trong khi thí nghiệm, dẫn đến khó kiểm soát đợc các thông số sức kháng cắt hoạt động đúng với trạng thái làm việc của đất nền.

- Không xác định đợc áp lực nớc lỗ rỗng.

- Mặt trựơt cắt đợc ấn định mà không cắt theo trạng thái tự nhiên của đất.

Hơn nữa ứng suất phân bố trong đất không đồng đêù nh trạng thái tự nhiên.

Do một số hạn chế nêu trên, nhất là vấn đề thoát nớc, nên có một số tranh luận về độ chính xác của kết quả.

Tuy nhiên cắt trực tiếp có một số u điểm sau:

 Chuẩn bị mẫu và thí nghiệm đơn giản, nhất là đối với đất rời, ở trạng thái ứng suất hữu hiệu.

 Có thể thí nghiệm cắt trực tiếp với đất sạn sỏi, khi đó có thể sử dụng dao vòng cắt hình vuông kích thứơc lớn (> 150mm), mà thí nghiệm nén ba trục khó có thể thực hiện.

 Có thể cắt trực tiếp ở một khoảng chuyển vị ngang rất rộng để xác

định đợc sức kháng cắt ở trạng thái xáo động (đất đã phá hỏng).

Vì lý do nêu trên, mặc dù nén ba trục là thí nghiệm cắt chủ đạo, đợc áp dụng rộng rãi, song cắt trực tiếp vẫn đợc sử dụng cho các công trình thông thờng với các loại đất cần thông số ở trạng thái ứng suất kiểm soát

đợc.

(Chi tiết các qui định và các bớc tiến hành của thí nghiệm cắt trực tiếp có thể tham khảo Tiêu chuẩn ASTM D 3080).

2. Thiết bị thí nghiệm

Sơ đồ nguyên lý, cho thiết bị thí nghiệm cắt trực tiếp hoặc thí nghiệm Casagrande, đợc thể hiện trong hình (2-18).

Hình 2-18 : Sơ đồ thiết bị cắt trực tiếp

- Hộp cắt bao gồm hai thớt trên và dới, hình vuông hoặc tròn , có đ- ờng kính chuẩn trong khoảng 60 – 80mm và chiều cao khoảng 20mm.

- Hộp cắt đợc đặt trên khung đỡ có thể chuyển động tự do trên bi tr- ợt, đồng thời gắn chặt với thớt cắt dới. Khung đợc tác động bởi lực cắt chuyển động theo vận tốc khống chế đợc.

- Thớt cắt bên trên gắn với hệ đo lực cắt T bằng vòng ứng biến có

đồng hồ đo ứng suất cắt τ .

- Mẫu đợc đặt vào hộp cắt (giữa hai thớt cắt) với hai bản đá thấm xốp đệm trên và dới.

- Thiết bị tăng tải (N), tạo thành áp lực pháp tuyến (σ), hoạt động qua hệ thống piston hoặc chất tải bằng quả cân.

3. Chuẩn bị mẫu

a) Với mẫu nguyên dạng:

Với hộp cắt chuẩn ta cần có các dao vòng dùng để cắt đất. Mẫu đất nguyên dạng lấy từ hiện trờng thờng có đờng kính từ 80-10mm. Cắt một khoang đất có chiều cao khoảng 25mm và lu ý cần loại bỏ phần xáo

động ở hai đầu hộp mẫu. ấn dao vòng cắt vào khoang đất đó, sao cho

đất phải nhô khỏi lỡi cắt. Dùng một con dao con cắt và gạt phẳng hai mặt mẫu trong dao vòng.

Cần chuẩn bị ít nhất 3 mẫu thí nghiệm vào 3 dao vòng cắt nh cách thức nêu trên. Các dao vòng đất cần đem cân để xác định trọng lợng mẫu

để xác định dung trọng và độ ẩm trớc rồi sau đó đợc lắp vào hộp cắt có hai bản đá xốp đệm hai đầu.

b) Với mẫu xáo động

Đất xáo động đợc đầm chặt trong cối đầm tiêu chuẩn, sử dụng phơng pháp đầm tĩnh hoặc động. Dùng dao vòng cắt đất từ mẫu đầm chặt theo phơng thức tơng tự nh trên.

Một cách thức khác cũng đựơc sử dụng là mẫu đợc đầm chặt trực tiếp trong hộp cắt. Cần xác định chính xác dung trọng đất chế bị. Cũng có thể sử dụng chày đầm hoặc đầm rung để chế bị mẫu đến mật độ cÇn thiÕt.

4. Tiến hành thí nghiệm

a) Thí nghiệm sơ đồ cắt nhanh, không thoát nớc:

(UU – Unconsolidate-Undrain):

Sau khi mẫu thí nghiệm đặt vào hộp cắt, cho tác dụng lực thẳng đứng (N) để xác định cấp áp lực pháp tuyến đầu tiên (σ1). Cho hộp cắt ngập nớc và kiểm tra các thiết bị đo.

Tác động lực cắt ngang (T) chuyển động với vận tốc cắt khoảng 1.25mm/phút và cho chuyển vị liên tục trong khoảng 9mm. Số đo ứng suất cắt đợc đọc ở đồng hồ gắn với vòng ứng biến theo từng khoảng chuyển vị bằng nhau.

Phơng pháp tiến hành tơng tự nh trên cho 03 mẫu đất thí nghiệm với các cấp áp lực pháp tuyến khác nhau.

Việc lựa chọn các cấp áp lực pháp tuyến (σ) tuỳ thuộc vấn đề cần giải quyết. Thông thờng ngời ta lựa chọn: σ1=σ0 (áp lực cột đất), σ2=2.σ0 và σ3=3.σ0 . Nếu gọi tiết diện mẫu thí nghiệm là (F), lực nén thẳng đứng là (N) và lực cắt là (T), ta xác định đợc các ứng suất:

F

T

 và F

N

 (23-4)

Cần lu ý hiệu chỉnh tiết diện (F) khi có sự chuyển vị ngang tơng đối (ε), giữa hai thớt cắt trong quá trình cắt, để xác định các ứng suất nêu trên.

Nếu muốn xác định ứng suất cắt d (residual stress), để giải quyết vấn

đề trợt đất, sau khi đất đã bị cắt với độ chuyển vị lớn, ta cho hộp cắt về vị trí ban đầu rồi tiến hành chuyển động cắt. Để tơng tự hoá một mặt cắt phẳng nhẵn, ngời ta có thể dùng dao cắt đôi mẫu thành hai nửa trùng với 2 thớt của hộp cắt.

Sơ đồ này đợc xem nh cắt đất ở trạng thái không cố kết, không thoát nớc – UU, để cung cấp thông số sức kháng cắt ở ứng suất tổng.

b) Thí nghiệm sơ đồ cắt nhanh, cố kết, không thoát nớc (CU – Consolidate-Undrain)

Toàn bộ quá trình từ chuẩn bị đến thí nghiệm cắt làm tơng tự nh trên, ngoại trừ các dao vòng mẫu thí nghiệm cho cố kết theo từng cấp áp lực pháp tuyến dự kiến trớc khi tiến hành thí nghiệm cắt. Trong quá trình cố kết có thể tiến hành đo độ biến đổi chiều cao mẫu đất theo từng khoảng thời gian, nh là thí nghiệm nén cố kết.

Sơ đồ này đựơc xem nh cắt ở trạng thái cố kết nhng không thoát nớc – CU, tuy rằng không thể đo đựơc áp lực nớc lỗ rỗng.

c) Thí nghiệm sơ đồ cắt chậm, thoát nớc (CD – Consolidate-drain)

Thí nghiệm đựơc tiến hành cho các bớc chuẩn bị nh thí nghiệm cố kết, cắt nhanh. Riêng trong quá trình thao tác cắt đất cần tiến hành đủ chậm để nớc có thể thoát ra. Tuỳ theo loại đất và khả năng của thiết bị mà chọn vận tốc cắt cho phù hợp. Sơ đồ thí nghiệm này có thể đợc xem nh cắt đất ở trạng thái cố kết, thoát nớc – CD, cung cấp thông số ứng suất hữu hiệu.

Với các loại đất rời, có khả năng thoát nớc tốt nh cát, thì cắt trực tiếp luôn theo sơ đồ thoát nớc.

5. Trình bày kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp đợc thể hiện dới dạng hai biểu đồ:

- Biểu đồ biến thiên sức kháng cắt (τ) theo chuyển vị (ε) ở từng cấp

áp lực pháp tuyến (σ) không đổi. Giá trị sức kháng cắt cực đại trên

đờng cong là giá trị (τ) tơng ứng với cấp áp lực pháp tuyến đó. ít nhất 3 mẫu đất cần tiến hành cho một thí nghiệm và khi đó ta có ba cặp tơng ứng τ1 ~ σ1 ; τ2 ~ σ2 ; τ3 ~ σ3.

- Biểu đồ sức chống cắt (Coulomb) thể hiện mối quan hệ của các cặp ứng suất nêu trên. Hình (2-19)

Qua đờng sức chống cắt τ ~ σ ta dễ dàng xác định đợc các thông số : φ ; c. Víi:

1 2

1 2







 



 

tg ;

 

  





 



 



 n n

i i

n n n

i i i

i

n n tg

1

2

1 2

1 1 1













 (23-5a)





 tg

c 1 1. ;

 

   



 



 



 n n

i i

n n n n

i i i i

i

n c

1

2

1 2

1 1 1 1

2















(23-5b)

Tuỳ theo các điều kiện thí nghiệm của các sơ đồ cắt nêu trên mà ta có thể xác định đợc các thông số sức kháng cắt ở trạng thái ứng suất tỗng hay hữu hiệu:

- Với sơ đồ cắt nhanh (không cố kết, không thoát nớc – UU): φuu và cuu

- Với sơ đồ cắt nhanh, cố kết (cố kết, không thoát nớc – CU): φcuvà ccu

- Với sơ đồ cắt chậm (cố kết, thoát nớc – CD): φ’ và c’

0

0 





= constant

0

 3

c

 1  2  

 

 





a) Đờng quan hệ τ ~ ε b) Đờng sức chống cắt τ ~ σ Hình 2-19 : Biểu đồ từ kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp