Để điều tra khảo sát, đánh giá mức độ ổn định của lãnh thổ, dự báo nguy cơ phát triển quá trình và hiện tượng địa chất, thiết kế xây dựng các công trình, bao giờ cũng cần có các số liệu đặc trưng cho các tính chất vật lý, tính chất đối với nước và tính chất cơ học của đất đá. Những số liệu đó có được tương đối dễ dàng khi thí nghiệm ở trong phòng với các mẫu lấy trong quá trình thăm dò lãnh thổ. Tuy nhiên thí nghiệm trong phòng thường được thực hiện ở các mẫu kích thước nhỏ không thể đảm bảo giữ được hoàn toàn nguyên vẹn kết cấu tự nhiên của chúng. Cho nên cần thiết tiến hành công tác thí nghiệm địa chất công trình ngoài trời. Công tác thí nghiệm ngoài trời khẳng định và làm chính xác thêm các quy luật không đồng nhất và biến đổi điều kiện ĐCCT của lãnh thổ mà công tác lập bản đồ và thăm dò ĐCCT phát hiện được. Nhờ vậy mà nâng cao được mức độ tin cậy và chi tiết của việc nghiên cứu điều kiện ĐCCT của lãnh thổ thuộc giai đoạn khảo sát đang xét.
Công tác thí nghiệm ngoài trời được tiến hành chủ yếu với khối lượng lớn, đầy đủ các phương pháp ở giai đoạn điều tra chi tiết, tức là khi giai đoạn luận chứng thiết kế kỹ thuật công trình. Còn ở giai đoạn điều tra sơ lược, khi tiến hành đo vẽ lập bản đồ ĐCCT, công tác thí nghiệm ĐCCT ngoài trời hỗ trợ cho công tác thí nghiệm trong phòng và các công tác kỹ thuật khác để làm sáng tỏ các quy luật phân bố, tính chất cơ lý, tính thấm của đất đá trên diện tích điều tra khảo sát. thông thường, khi lập bản đồ ĐCCT sẽ tiến hành các dạng công tác thí nghiệm ngoài trời dưới đây:
- Cắt cánh
- Xuyên tĩnh
- Dưới đây trình bày các phương pháp thí nghiệm ngoài trời.
3.2.6.1.Phương pháp thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT)
a. Mục đích thí nghiệm
Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) là thí nghiệm xuyên động được sử dụng rộng rãi ở nước ta, nhất là ở các nước Âu, Mỹ, được thực hiện trong suốt quá trình khoan để đánh giá:
- Độ chặt tương đối của cát - Trạng thái của đất sét
- Độ bền của đất loại sét ở trạng thái ứng suất một trục. - Kết hợp với công tác khoan lấy mẫu để phân loại đất.
Ưu điểm của thí nghiệm SPT là thiết bị đơn giản, thao tác, ghi chép và xử lý kết quả dễ dàng, dùng cho nhiều loại nền đất, kết hợp lấy mẫu đất và có khả năng thí nghiệm ở độ sâu lớn hơn thí nghiệm xuyên tĩnh, giảm khối lượng mẫu thí nghiệm trong phòng tại các lỗ khoan ĐCCT.
b. Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm
Ống mẫu tách đôi có đường kính tron F35mm, đường kính ngoài F50mm, dài 457mm, có ren ngoài ở hai đầu.
Lưỡi vát dài 76mm, F ngoài50mm, F trong35mm, ren trong để nối với ống vát.
Đầu nối dài 152mm, F ngoài50mm, F trong35mm, ren trong để nối với ống vát và cần khoan, có lỗ thông hơn và nước 13mm.
Búa (quả tạ) nặng 63,5kg.
Cần định hướng có ren ngoài để nối vào cần khoan và gắn mặt bích dày để khống chế búa rơi tự do ở độ cao 76cm.
Thiết bị và dụng cụ phải được sản xuất bằng thép tốt, không bị biến dạng khi va đập.
Nhược điểm chính của ống mẫu là đường kính nhỏ nên không thể đủ kích thước mẫu cho thí nghiệm cắt và nén.
c. Trình tự thí nghiệm
Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn tiến hành đồng thời với khoan khảo sát ĐCCT. Tùy thuộc mức độ phức tạp của cấu trúc địa chất (mức độ phân chia các lớp đất đá) mà trong mỗi khoảng độ sâu từ 1 - 3 m (trung bình 1,5m) thực hiện thí nghiệm SPT 1 lần.
Trước khi thực hiện thí nghiệm, cần vét sạch đáy lỗ khoan, lắp thiết bị, dụng cụ thí nghiệm, đánh dấu 3 khoảng với mỗi khoảng dài 150mm. Ống mẫu được đóng sâu vào trong đất 450mm và được chia làm 3 lần. Mỗi lần ngập 150mm. Ghi số nhát búa N của 2 lần cuối (300mm) là sức kháng xuyên tiêu chuẩn (hay giá trị N). Đồng thời lấy mẫu lưu hay có thể lấy mẫu không nguyên dạng để phân tích xác định tên thành phần hạt. Thông thường khoan lấy mẫu ĐCCT và thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn tại cùng một vị trí.
d. Xử lý kết quả thí nghiệm
Trong đất cát hạt mịn, số lần đóng búa N cần thiết để hạ ống mẫu tiêu chuẩn xuống độ sâu 300mm cuối có thể thay đổi tùy thuộc vào độ sâu mực nước ngầm. Nếu N’ là số nhát búa thực hiện để hạ ống mẫu xuống 300mm cuối ở độ sâu dưới mực nước ngầm trong đất cát hạt mịn thì giá trịn N thực tế cần được hiệu chỉnh theo công thức sau của Terzaghi và Pek
N = 15 + 0,5 ( N - 15 )
Kết quả thí nghiệm SPT trong lỗ khoan ĐCCT được ghi trực tiếp trong sổ quan trắc địa chất thủy văn - địa chât công trình lỗ khoan với các số liệu N30 (Số nhát búa ở khoảng thí nghiệm thứ hai - 30cm, N45 (số nhát búa ở khoảng thí nghiệm thứ ba - 45cm), N (Tổng số nhát búa ở hai khoảng thí nghiệm 30cm và 45cm).
Khi lập cột địa tầng (thiết đồ) lỗ khoan địa chất công trình có thí nghiệm SPT, tiến hành vẽ biểu đồ biến đổi giá trị N theo chiều sâu thí nghiệm.
Đánh giá độ chặt tương đối của đất loại cát (theo Terzaghi và Pek) theo giá trị SPT xem Bảng 3-9.
Bảng 3-9. Độ chặt tương đối của cát theo kết quả SPT
Giá trị N (số búa) Độ chặt tương đối của cát
0 ÷ 4 rất xốp ( rất rời rạc)
4 ÷10 Xốp ( rời rạc trung bình) 10 ÷ 30 Chặt vừa
30÷ 50 Chặt
>50 rất chặt
Xác định trạng thái đất và độ bền của đất loại sét trong trạng thái ứng suất một trục ( qu) - theo Terzaghi và Pek xem Bảng 3-10.
Bảng 3-10. Tương quan giá trị SPT, trạng thái và độ bền của đất
Giá trị N (số búa) Trạng thái đất Độ bền qu (kG/cm2)
<2 Chảy <0,25 2 ÷ 4 Dẻo chảy 0,25 ÷ 0,5 4 ÷ 8 Dẻo mềm 0,5 ÷ 1 8 ÷ 15 Dẻo cứng 1 ÷ 2 15 ÷ 30 Nửa cứng 2 ÷ 4 >30 Cứng >4
Độ bền kháng nén của đất qu trong trạng thái ứng suất một trục có thể được xác định tùy thuộc vào giá trị N, căn cứ vào những tương quan sau đây:
- Đất sét : qu= N/4
- Đất sét bụi: qu= N/5 - Đất sét pha cát và đất bụi: qu= N/7,5
Viện thiết kế móng Liên Xô đưa ra bảng xác định góc masat trong của cát căn cứ vào số búa N cần để đóng ống tiêu chuẩn vào đất 30 cm. Ở các nước tư bản K Terzaghi, Pek, Meyerhof, Duhem, Osaki…cho công thức xác định góc a = 12N +a , trong đó a trong khoảng 15÷ 25.
Cũng Viện thiết kế móng Liên Xô đưa ra công thức xác định modul tổng biến dạng E = (350-500) lgN.
Tính toán móng nông:
Sức mang tải cho phép với móng băng trên đất hạt rời có thể tính theo công thức sau:
σcf = a. N/10 ( theo T.P.Tassios, A.G. Anagnostoponlos ) Trong đó, a lấy bằng 1 khi đất chưa bão hòa
a lấy bằng 2 khi đất bão hòa Khi độ lún không quá 3 cm.
3.2.6.2. Phương pháp thí nghiệm xuyên tĩnh
Thí nghiệm xuyên tĩnh là ấn vào trong đất một đầu côn cùng với hệ thống cần xuyên bằng lực tĩnh để xác định sức kháng xuyên của đất. Khi thí nghiệm, vận tốc xuyên cần phải bảo đảm không đổi theo quy định.
Thí nghiệm xuyên tĩnh chỉ sử dụng trong đất loại sét (đất dính) hoặc đất rời có hàm lượng các hạt lớn hơn 10 mm nhỏ hơn 25%.
a. Mục đích thí nghiệm
- Xác định ranh giới các lớp đất và bề mặt lớp đất đá nửa cứng hay cứng, xác định độ đồng nhất của các lớp đất.
- Xác định độ chặt của đất loại cát
- Đối chứng với khoan khảo sát và thí nghiệm trong phòng để phân loại đất và xác định một số đặc trưng độ bền của các lớp đất.
- Xác định sơ bộ sức chịu tải của móng cọc.
b. Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm
Hiện nay ở nước ta thường dùng loại thiết bị xuyên tĩnh hình côn kiểu GOUDA (Hà Lan) chạy bằng động cơ ( xuyên máy) hay quay tay (xuyên thủ công hay xuyên trọng lượng).
Thiết bị xuyên tĩnh có các thông số kỹ thuật sau:
- Khả năng ấn tối đa: 100kN
- Khả năng kéo tối đa: 140kN
- Vận tốc kéo lên: 5cm/s - Vận tốc tự do: lên: 12,5cm/s
Xuống: 16,5cm/s
- Tiết diện mũi côn: 10cm2
- Góc nhọn mũi côn 60 độ
- Tiết diện mang sông đo ma sát 150cm2 - Đường kính cần xuyên: 35,7mm - Đường kính lỗ trong cần: 16mm
- Đường kính ty xuyên: 14mm
- Chiều dài cần và ty xuyên: 1000mm - Tiết diện Piston đầu đo:
+ Xuyên máy: 20cm2 + Xuyên tay: 10cm2 - Đồng hồ đo áp lực: + Đất yếu dùng loại: 0 -16kG/cm2 + Đất độ bền, chặt trung bình: 0 -120kG/cm2 + Đất khá bền, chặt: 0 -600kG/cm2 c. Trình tự thí nghiệm - Neo và Nắp thiết bị
Sau khi xác định vị trí cần thí nghiệm xuyên tĩnh, đặt thiết bị và dầm máy để xác định vị trí neo, neo xong, đặt tháp xuyên thẳng đứng, neo chặt bệ và dầm thiết bị xuyên xuống đất qua 4 vít neo.
Dùng cần điều khiển để chỉnh tháp thiết bị xuyên, lắp cần, ty xuyên và mũi xuyên vào vị trí làm việc thẳng đứng.
- Tiến hành thí nghiệm
Thông thường tiến hành thí nghiệm bằng cách đo gián đoạn (không liên tục) và dùng mũi xuyên có măng sông đo ma sát. Hành trình thí nghiệm ở từng khoảng độ sâu 20cm. Đo sức kháng xuyên dưới mũi côn (hay sức kháng mũi xuyên - qc) và ma sát thành đơn vị fs. Tiếp tục tiến hành đo qc và fs ở mỗi độ
sâu cách nhau 20cm cho đến hết độ sâu thí nghiệm. Tốc độ xuyên tĩnh phải giữ ổn định là 2 cm/s.
- Ghi chép kết quả thí nghiệm
Các số liệu thí nghiệm được ghi chép vào sổ thí nghiệm + Cột 1: ghi độ sâu h (m) từng khoảng 20cm.
+ Cột 2: Ghi số đọc sức kháng xuyên dưới mũi côn X (kG/cm2)
+ Cột 3: Ghi số đọc sức kháng xuyên tổng (cả mũi côn và ma sát)Y (kG/cm2)
d. Xử lý các kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh
Trên cơ sở các số liệu thí nghiệm tại hiện trường tiến hành tính toán sức kháng nén mũi xuyên qc và ma sát thành đơn vị fs, ở từng độ sâu thí nghiệm.
· Sức kháng mũi xuyên (qc) - đối với xuyên máy:
10 20
´ = X
qc kG/cm2
- đối với xuyên thủ công:
10 20 ´ = X qc kG/cm2 · Ma sát thành đơn vị (fs)
- Đối với xuyên máy: 20
150- ´ =Y X
fs kG/cm2
- Đối với xuyên thủ công: 10
150- ´ =Y X
fs
Kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh được lập thành bảng thống nhất dưới đây.
e. Sử dụng kết quả xuyên tĩnh
(Kiến nghị của Tiêu chuẩn ngành 20 TCN-174-89) · Xác định một số đặc trưng cơ lý của đất nền.
- Tương quan giữa độ chặt và sức kháng xuyên mũi côn của đất loại cát trình bày trong Bảng 3-11.
Bảng 3-11. Tương quan giữa độ chặt và sức kháng xuyên mũi côn của đất loại cát
Loại cát qc (kG/cm2 hay 105 Pa) Độ chặt
Cát hạt thô và hạt trung
qc > 150 chặt
50 < qc < 150 chặt vừa
qc < 50 rời
Loại cát qc (kG/cm2 hay 105 Pa) Độ chặt 34 < qc < 120 chặt vừa qc < 40 rời Cát lẫn bụi qc > 120 chặt 30 < qc < 120 chặt vừa qc < 30 rời
Cát bụi bão hòa
qc > 70 chặt
20 < qc < 70 chặt vừa
qc < 20 rời
- Tương quan giữa góc ma sát trong và sức kháng mũi xuyên của đất loại cát trình bày trong Bảng 3-12.
Bảng 3-12. Tương quan giữa góc ma sát trong và sức kháng mũi xuyên của đất cát
qc (kG/cm2 hay 105 Pa) j(độ) ở độ sâu
2m 5m và lớn hơn 10 28 26 20 30 28 40 32 30 70 34 32 120 36 34 200 38 36 300 49 38
- Sức chịu tải cho phép Ro của móng nông có bề rộng B xấp xỉ bằng chiều sâu đặt móng D đối với đất loại sét xem Bảng 3-13.
Bảng 3-13. Tương quan giữa sức chịu tải cho phép và sức kháng mũi xuyên(đất sét)
qc (kG/cm2 hay 105 Pa) Ro (kG/cm2 hay 105 Pa)
10 1,2 20 2,2 30 3,1 40 4,0 50 4,9 60 5,8 3.2.6.3.Phương pháp thí nghiệm cắt cánh
Thí nghiệm cắt cánh theo nguyên tắc là cắt đất trên một mặt phẳng định sẵn. Bằng cách ấn vào trong đất một cánh cắt chữ thập qua hệ cần ty và thực
hiện một ngẫu lực xoắn ở đầu cần ty cho đến khi đất bị phá huỷ xung quanh cánh cắt.
a. Mục đích thí nghiệm
Thí nghiệm cắt cánh hiện trường ghi nhận sức kháng cắt không thoát nước ở trạng thái tự nhiên, phá hủy và độ nhạy của đất.
b. Thiết bị, dụng cụ phân tích thí nghiệm
Cánh cắt: Được cấu tạo bởi 4 tấm thép cứng hình chữ nhật hoặc hình chữ nhật cắt vát các góc, hàn nối với nhau thành hình chữ thập, gắn liền với đoạn cần ty cứng. Gọi chiều rộng của bản thép của cánh cắt là D, chiều cao là H và cánh cắt luôn có cấu tạo đặc trưng : H = 2D.
Cần ty: Dùng để quay cánh cắt và đo ngẫu lực xoắn. Cấu tạo là ống thép cứng đặc biệt, chiều dài thường 1m. Có 2 cách nối cần ty là nối ren với cần tròn và nối khớm ngàm với cần lục lăng.
Ống chống (Ống bao ngoài): Là ống thép dùng để tạo lỗ và bảo vệ cần ty trong, thường có đường kính 44mm. Ống chống này cho phép ấn hoặc đóng cả hệ : cánh cắt, cần ty, ống chống xuống vị trí cần thí nghiệm. Có loại thiết bị cánh cắt đơn giản không cần sử dụng ống chống.
Thiết bị đo: Hộp đo ngẫu lực, được đo bằng thanh đo ngẫu lực và có thể xác định biến thiên mômen theo góc quay.
Nhìn chung, kích thước của các loại cánh, cần ty phụ thuộc vào trạng thái của đất và theo hãng chế tạo theo các tiêu chuẩn theo Bảng 3-14 dưới đây.
Bảng 3-14. Đặc trưng thiết bị cắt cánh theo ASTM D 2573(Mỹ), LCP (Pháp) và Trung Quốc
# Theo ASTM D 2573 (Mỹ) LPC (Pháp) Trung quốc
Đường kính cánh D,
mm 38.1 50.8 63.5 92.1 60 70 100 50 75 Chiều cao cánh H,
mm 76.2 101.6 127 184.2 120 140 200 100 150 Bề dày cánh, mm 1.6 1.6 3.2 3.2
# Theo ASTM D 2573 (Mỹ) LPC (Pháp) Trung quốc
Đường kính cần ty,
mm 12.7 12.7 12.7 12.7 20 20 20 18 18
Đường kính ống
chống, mm 44 44 44 44.5 44.5
Hộp đo ngẫu lực Dùng thanh ngẫu lực Dùng thanh
ngẫu lực Vận tốc góc quay cánh 1/10 đến 3/10 độ/S 3 - 18 độ/phút Khoảng đo sức kháng cắt 0.05 - 1.0 kg/cm 2 <135kN/m2
Chiều sâu thí nghiệm 15 - 20m 15 - 20 m
c. Trình tự thí nghiệm
Phương thức thí nghiệm phần nào phụ thuộc vào thiết bị, tuy nhiên, có thể khái quát các loại thiết bị sau :
Thí nghiệm cắt cánh trong hố khoan
- Khoan tạo lỗ đến độ sâu cần thí nghiệm. Có thể chống ống hoặc không tuỳ theo khả năng giữ thành hố khoan. Vét sạch mùn đáy hố khoan và không được làm xáo trộn đất dưới đáy hố khoan. Rút bộ dụng cụ khoan lên và nắp đặt thiết bị cắt cánh.
- Ấn sâu cánh cắt vào trong đất dưới đáy hố ít nhất một khoảng bằng 2 lần chiều cao cánh cắt (H).
- Nắp đặt hộp đo ngẫu lực, bộ phận đầu quay, cân chỉnh thăng bằng rồi bắt đầu tiến hành thí nghiệm.
- Vừa quay tay quay vừa đọc ngẫu lực xoắn trên đồng hồ lực hoặc chỉ số vạch trên đồng hồ (tuỳ theo thiết bị). Kết quả này để tính trị số cực đại khi đất đã bị cắt (Cu max). Vận tốc góc quay đủ nhanh để nước không thoát và thường trong khoảng 6 đến 18 độ/phút.
- Quay tiếp cánh cắt khoảng 10 vòng để đất bị cắt hoàn toàn. Tiến hành