CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.5 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỨC CHỐNG CẮT
a) Giới thiệu
Để có thể xác định nhanh chóng sức chống cắt không thoát nước của đất yếu mà không cần tiến hành lấy mẫu nguyên trạng. Một thiết bị được gọi là Thí nghiệm cắt cánh hiện trường (Field Van Shear Test) được phát minh ở Thụy Điển vào năm 1918, nơi có nhiều loại sét đặc trưng, rồi sau phát triển ra thế giới.
b) Nguyên lý thí nghiệm
Thí nghiệm cắt cánh theo nguyên tắc:cắt đất trên một mặt phẳng định sẵn.
Nguyên lý thí nghiệm rất đơn giản là ấn vào trong đất một cánh cắt chữ thập, sau đó quay cánh chữ thập quanh trục của nó và đo momen xoay, từ đó suy ra sức kháng cắt của đất. Đất bị cắt trong thời gian khá nhanh, nước không kịp thoát ra nên thí nghiệm được xem là theo sơ đồ UU. Thí nghiệm này áp dụng cho tầng đất sét yếu (trạng thái chảy, dẻo chảy, dẻo mềm), không áp dụng cho đất cát do khả năng thoát nước nhanh, đất trương nở, thành phần lẫn sạn, sỏi.
c) Công thức tính toán
Giả sử sự phân bố sức kháng cắt là đồng nhất trên toàn bộ bề mặt cắt. Sức chống cắt không thoát nước Su sẽ được viết theo công thức:
Su= 𝑇𝑚𝑎𝑥 𝐾 Trong đó:
Su: Sức kháng cắt không thoát nước (kPa)
Tmax: Tổng lực lớn nhất (kNm), Tmax= số đo hiệu chỉnh(mm) x hệ số hiệu chỉnh.
Số đo hiệu chỉnh = số lớn nhất – số đo ma sát cần ( được đọc trên đồng hồ) Hệ số hiệu chỉnh như hệ số vòng lực, xác định trong qua trình chuẩn đồng hồ.
D: Đường kính cánh (m), Chiều cao cánh = 2 x D
19
K: hằng số cánh, phụ thuộc vào kích thước và hình dạng lưỡi cắt - Cánh hình chữ nhật: K= [𝜋𝐷
2𝐻
2 +𝜋𝐷3
6 ], khi H=2D: K= 7𝜋𝐷
3
6
Để đơn giản và dễ tính toán khi cánh hình nhật có H=2D nhà sản xuất cung cấp công thức sau:
Su=0.273 . 𝑇𝑚𝑎𝑥 𝐾 Xác định độ nhạy của đất St
- Độ nhạy của đất được định nghĩa là tỷ số giữa cường độ của đất ở trạng thái nguyên dạng với phá hoại:
𝑆𝑡 =𝑆𝑢,𝑛𝑑 𝑆𝑢,𝑝ℎ - Phân loại độ nhạy của đất theo bảng sau:
Bảng 2.2 Phân loại độ nhạy của đất theo thí nghiệm cắt cánh.
d) Hiệu chỉnh kết quả
Bjerrum (1972) nhận xét khi nghiên cứu hiện tượng trượt đất đắp trên sét dẻo cho thấy lực dính huy động thực tế ở hiện trường nhỏ hơn so với kết quả thí nghiệm cắt cánh. Sự chênh lệch phụ thuộc vào chỉ số dẻo Ip. Nên ông đưa ra việc hiệu chỉnh để có thể sử dụng trong thiết kế.
Su(r) = 𝜇𝑟.Su μ = 1.7 - 0.54*log(PI) Trong đó:
Su(r): sức chống cắt đã hiệu chỉnh(kPa) 𝜇𝑟: hệ số hiệu chỉnh .
2.5.2 Phương pháp thí nghiệm nén ba trục (UU) a) Giới thiệu
Để giảm thiểu những sai sót từ thí nghiệm cắt trực tiếp, Cassagrande đã đưa ra thí nghiệm nén ba trục. Thí nghiệm tin cậy nhất để xác định sức chống cắt, nó mô
Độ nhạy <1 1-2 2-4 4-8 8-16 >16
Phân loại Không nhạy Thấp Trung bình Nhạy Cao Rất cao
20
phỏng xác thực nhất mẫu đất trong những điều kiện chịu tải trong đất nền, gánh đỡ các loại công trình khác nhau. Mặt khác, thí nghiệm nén ba trục cũng có thể mô phỏng các điều kiện thoát nước khác nhau của đất nền. Cũng như có thể xác định các thông số biến dạng như : modun biến dạng, hệ số cố kết, hệ số thấm…
Nén nhanh không thoát nước: Nén dọc trục lên mẫu đất với áp lực hông không đổi và độ ẩm không đổi.
b) Nguyên lý thí nghiệm
Mô phỏng gần đúng trạng thái ứng suất của đất trong trạng thái tự nhiên, thí nghiệm tạo ra một áp lực hông (𝜎3) nhất định cùng một áp lực nén theo hướng dọc trục (𝜎1) tác dụng vào mẫu đất, làm mẫu đất bị phá hoại. Thí nghiệm được tiến hành ít nhất ba lần với ba giá trị buồng nén khác nhau. Kết quả thí nghiệm được vẽ bằng đường tiếp tuyến trên ba vòng tròn Mohr. Từ đó, xác đinh được c, 𝜑.
c) Tính toán kết quả
Biến dạng dọc trục (𝜀) do tải trọng dọc trục gây ra : 𝜀 = ∆𝐻
𝐻𝑖 Trong đó:
∆H : độ biến thiên chiều cao mẫu, được xác định bằng số đọc trên đồng hồ đo chuyển vị (mm)
Hi : chiều cao ban đầu của mẫu (mm)
Tiết diện thỏi mẫu cần được tính toán ở từ khoảng biến dạng tương đối nghe theo công thức:
Ai= 𝐴0 1−𝜀 Trong đó:
Ai : tiết diện biến đổi theo từng khoảng biến dạng (mm) Ao : tiết diện thỏi mẫu ban đầu (mm2)
𝜀 : biến dạng dọc trục do tải trọng dọc trục gây ra (%) Ứng suất chính thẳng đứng 𝜎1 được tính theo biểu thức sau:
𝜎1𝑖 = 𝑃
𝐴𝑖 + 𝜎3
Trong đó:
21
P: luật ấn pít tông đo bằng đồng hồ trên vòng ứng biến (kN) A: tiết diện thỏi mẫu ở từng khoảng biến dạng tương đối(m2 ) 𝜎3: áp lực buồng nén (kPa)
Ứng suất chính nằm ngang 𝜎3 ( của buồng nén) được xác định bằng đồng hồ đo áp lực ở buồng nén.
Việc lựa chọn áp lực buồng nén 𝜎3 phụ thuộc loại đất, đặc biệt là chủ đề phân tích. Giá trị đại diện thường được chọn là một giá trị , trong đó ta có 3 mẫu đất: mẫu 1:
𝜎3= 𝜎0, mẫu 2: 𝜎3 = 𝜎0+100 (kN/m2), mẫu 3: 𝜎3 = 𝜎0+200 (kN/m2), với 𝜎0 là áp lực cột đất ở chiều sâu lấy mẫu.
Kết quả thí nghiệm thể hiện dưới 2 dạng đường cong sau:
- Biểu đồ đường ứng suất,biến dạng của các thỏi mẫu.
- Biểu đồ đường sức chống cắt 𝜏 và áp lực pháp tuyến 𝜎, thể hiện quan hệ Coulomb qua các vòng tròn Mohr, trong đó trục 𝜏 = 𝜎1−𝜎3
2 và trục 𝜎 = 𝜎1+𝜎3
2
Thí nghiệm UU được dùng để xác định độ bền không thoát nước cu và chỉ thích hợp cho đất sét bão hoà, khi 𝜑𝑢 = 00.
Trong đó ứng suất lệch trục đo bằng (kN/m2) được xác định theo công thức:
(𝜎1− 𝜎3) = 1000𝐶𝑅 𝐴 𝑥𝑅
Giá trị ứng suất lệch khi mẫu bị phá hủy sau khi đã trừ giá trị hiệu chỉnh màng, kí hiệu là(𝜎1− 𝜎3)𝑓 và được xác định theo công thức:
(𝜎1− 𝜎3)𝑓 = 10𝐶𝑅
𝐴 (100 − 𝜀)𝑥𝑅 Trong đó:
R: số đo vòng lực khi mẫu bị phá hủy (vạch) CR: hệ số vòng lực (N/vạch)
A = 𝐴𝑜
1−𝜀: tiết diện mẫu với biến dạng 𝜀 (mm2) 𝜀 : biến dạng tương đối (%)
A0 : tiết diện mẫu ban đầu (mm2)
22