TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG BỘ MÔN ĐỊA CƠ NỀN MÓNG --- TIỂU LUẬN MÔN HỌC ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO Đề tài số 1: Thí nghiệm cắt trực tiếp và ảnh hưởng của điều kiện thí nghiệm lên các

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

BỘ MÔN ĐỊA CƠ NỀN MÓNG

-

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

Đề tài số 1:

Thí nghiệm cắt trực tiếp và ảnh hưởng của điều kiện thí nghiệm lên các giá trị đặc trưng thu nhận được so với mẫu ở điều kiện tự nhiên

Giảng viên hướng dẫn:

TSKH Bùi Trường Sơn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

BỘ MÔN ĐỊA CƠ NỀN MÓNG

-

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

Đề tài số 1:

Thí nghiệm cắt trực tiếp và ảnh hưởng của điều kiện thí nghiệm lên các giá trị đặc trưng thu nhận được so với mẫu ở điều kiện tự nhiên

Giảng viên hướng dẫn:

TSKH Bùi Trường Sơn

PHẦN I: 3

THÍ NGHIỆM CẮT TRỰC TIẾP 3

I.1 Mục đích thí nghiệm: 3

I.2 Nguyên lý thí nghiệm 3

I.3 Thiết bị thí nghiệm 4

I.3.1 Sơ đồ thí nghiệm 4

I.3.2 Thiết bị thí nghiệm 4

I.3.3 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: 6

I.4 Trình tự thí nghiệm và tính toán kết quả thí nghiệm 7

I.4.1 Trình tự thí nghiệm 7

I.4.2 Tính toán kết quả thí nghiệm 7

I.5 Một số yêu cầu trong quá trình tiến hành thí nghiệm 8

I.5.1 Theo tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 4199-1995 8

I.5.2 Theo tiêu chuẩn Anh - BS 1377: Part 7: 1990 10

I.5.3 Tiêu chuẩn ASTM D3080 12

I.6 Ứng dụng các kết quả thí nghiệm trong thiết kế 13

I.7 Nhận xét: 15

PHẦN II: 16

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN THÍ NGHIỆM ĐẾN CÁC ĐẶC TRƯNG THU NHẬN ĐƯỢC SO VỚI MẪU Ở ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN 16

II.1 Kích thước mẫu thí nghiệm: 16

II.2 Điều kiện lấy mẫu, bảo quản và chế bị mẫu: 16

II.3 Thiết bị thí nghiệm: 17

II.4 Mặt trượt mặc định khi cắt: 17

II.5 Cách tiến hành thí nghiệm: 17

II.6 Sơ đồ cắt: 17

II.7 Áp lực nước lỗ rỗng: 18

II.8 Ảnh hưởng của nước mao dẫn: 19

KẾT LUẬN 20

MỞ ĐẦU

Trong công tác thiết kế và thi công các công trình thủy lợi, cầu đường, xây dựng dân dụng và công nghiệp, việc xác định các thông số sức chống cắt của đất chiếm vai trò hết sức quan trọng Ta có thể thấy các giá trị c, ϕ xuất hiện ở trong các công thức tính sức chịu tải của đất, của cọc; trong các công thức tính ổn định thành hố đào, mái dốc;… trong lập biện pháp thi công móng, san lấp nền đê, đường; … trong các phần mềm tính toán Geo Slope, Plaxis…

Có thể nói thông số sức chống cắt của đất là mối quan tâm hàng đầu của các nhà thiết kế nền móng công trình Việc xác định các thông số trên có thể được thực hiện bởi hàng loạt các thí nghiệm hiện trường như thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT), thí nghiệm cắt cánh (Vane Test) và trong phòng như thí nghiệm nén đơn – nén 1 trục, thí nghiệm cắt trực tiếp, thí nghiệm nén 3 trục (với 3 sơ đồ U-U, C-U, C-D)

Trong các thí nghiệm kể trên, thí nghiệm cắt trực tiếp được xem là thí nghiệm cổ điển nhất, phổ biến nhất tại các phòng thí nghiệm địa cơ nền móng của Việt Nam vì

cơ sở lý thuyết và nguyên lý thí nghiệm tương đối đơn giản, dễ thực hiện Tuy nhiên sức chống cắt thu nhận được từ kết quả thí nghiệm này thường bị ảnh hưởng bởi các yếu tố: thiết bị thí nghiệm, vận tốc cắt,…

Trong phạm vi đề tài này, chúng tôi xin phép được trình bày về: “Thí nghiệm cắt trực tiếp và những ảnh hưởng của điều kiện thí nghiệm lên các đặc trưng thu nhận được so với mẫu điều kiện tự nhiên”

I.2 Nguyên lý thí nghiệm

Thí nghiệm được tiến hành với mẫu đất hình lăng trụ tròn hoặc hình vuông được giữ và cắt ngang theo mặt phẳng nằm ngang trong khi một áp lực tác dụng thẳng góc với mặt phẳng đó Sức kháng cắt gây ra bởi đất khi cho một phần của mẫu trượt lên phần khác được đo sau từng khoảng dịch chuyển đều đặn Sự phá hoại mẫu xảy ra khi sức kháng cắt của đất đạt giá trị cực đại mà đất có thể chịu được

Nhờ tiến hành trên một tập hợp mẫu thí nghiệm tương tự (thường từ 3÷5 mẫu) của cùng một lớp đất dưới những giá trị áp lực nén khác nhau, ta thu nhận được tương quan giữa ứng suất cắt và ứng suất nén tác dụng từ đó tìm ra được lực dính C và góc ma sát ϕ của đất

Hình 1: Nguyên lý thí nghiệm cắt trực tiếp

I.3 Thiết bị thí nghiệm

I.3.1 Sơ đồ thí nghiệm

Hình 2: Sơ đồ thí nghiệm cắt trực tiếp

I.3.2 Thiết bị thí nghiệm

- Hộp cắt: gồm 2 thớt trên và dưới có hình vuông hoặc tròn, có đường kính khoảng 60-80mm, cao khoảng 20mm

Hình 3: Hộp cắt trong thí nghiệm cắt trực tiếp

- Mẫu được đặt vào hộp cắt (giữa 2 thớt cắt) với 2 bản đá thấm xốp đệm trên và dưới

Hình 4: Lắp mẫu vào hộp cắt

- Hộp cắt đặt trên khung đỡ có thể chuyển động tự do trên bi trượt đồng thời gắn chặt với thớt cắt dưới Khung được tác động bởi lực cắt và chuyển động theo vận tốc khống chế được

Hình5: Lắp đặt hệ thống vào khung

- Thớt cắt bên trên gắn với hệ đo lực cắt T bằng vòng ứng biến có đồng hồ để đo ứng suất cắt τ và đồng hồ đo biến dạng đứng để đo độ giãn nở thể tích

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

Hình 6 : Các loại thiết bị cắt trực tiếp

I.3.3 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm:

Phải chuẩn bị ít nhất 3 mẫu để thí nghiệm:

- Với mẫu nguyên dạng: Dùng dao vòng cắt mẫu đất , chú ý bỏ lại phần mẫu bị xáo động ở 2 phía đầu hộp mẫu

Hình 7: Chế bị mẫu trước thí nghiệm

- Với mẫu xáo động: mẫu được đầm chặt trong cối đầm tiêu chuẩn, sử dụng

phương pháp đầm tĩnh hoặc động Dùng dao vòng cắt đất từ mẫu đầm chặt hoặc tiến hành chế bị mẫu luôn trong dao vòng Sau khi chế bị mẫu cần mang đi thí nghiệm xác định dung trọng của đất

Hình 8: Đem mẫu đi xác định độ ẩm

I.4 Trình tự thí nghiệm và tính toán kết quả thí nghiệm

I.4.1 Trình tự thí nghiệm

Bước 1: Dùng dao vòng ần vào mẫu đất -> gạt bằng mặt để tạo mẫu chuẩn bị cho vào

hộp cắt

Cho mẫu đất vào hộp cắt -> đặt hộp cắt có chứa mẫu lên máy cho chỉnh tiếp xúc

Bước 2: Đặt tải trọng thẳng đứng: tải trọng thẳng đứng được tính toán theo trọng lượng

của vật chất tải, chiều dài cánh tay đòn, tiết diện ngang mẫu đất

Hiệu chỉnh các đồng hồ đo (biến dạng và lực) về vị trí ban đầu

Cho khởi động và chạy máy với tốc độ khoảng 1mm/min Ghi số đọc đồng hồ ở vòng ứng biến sau mỗi 25 giây cho đến khi số đọc giảm hoặc không tăng thì ngừng máy

Số đọc lớn nhất Dial Readingmax (vạch) được ghi nhận để tính toán

Bước 3: Lặp lại thí nghiệm với các cấp áp lực thẳng đứng khác Các cấp áp lực thẳng

đứng được lựa chọn phụ thuộc vào loại đất và trạng thái của nó Thường người ta thực hiện với ba cấp tải trọng khác nhau để xác định ba cặp giá trị ứng suất cắt τ và áp lực đứng tác dụng lên mẫu σ , để từ đó tính ra giá trị của góc ma sát trong ϕ và lực dính C của mẫu đất bằng phương pháp bình quân cực tiểu

I.4.2 Tính toán kết quả thí nghiệm

Ứng suất τđược xác định như sau:

R ading

Tính toán các giá trị của sức chống cắt theo số liệu thí nghiệm thu được:

Cách 1: Vẽ đồ thị ⇒vẽ trực tiếp trên biểu đồ quan hệ giữa ứng suất cắt τ và áp lực đứng σ tác dụng lên mẫu ta cũng có thể xác định được các giá trị góc ma sát trong ϕ

và lực dính C

τ (kN/m2)

σ (kN/m2)

(σ 1 ,τ 1 ) (σ 2 ,τ 2 ) (σ 3 ,τ 3 )

n

i

n

i i i

n

i

n

i n

i i i i i

tg x

n C n

n tg

1

2 1 2

; ) (

σ ϕ τ σ

σ

σ τ σ

τ α

n

i

n

i n

i i i i i

i

n C

1

2 1 2

2

) (

) (

σ σ

σ τ σ σ

n

i i i

n tg

1 2

1

σ

σ

τ ϕ

I.5 Một số yêu cầu trong quá trình tiến hành thí nghiệm

I.5.1 Theo tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 4199-1995

Phương pháp này chỉ dùng để xác định sức chống cắt của đất loại sét và đất loại cát có kết cấu nguyên hoặc chế bị trong phòng thí nghiệm ở máy cắt phẳng theo một mặt phẳng định trước Không áp dụng cho đất cát thô và đất sỏi sạn, đất loại sét ở trạng thái chảy và bị biến dạng chảy dưới tác dụng của áp lực thẳng đứng 1daN/cm2

Các phương pháp xác định sức chống cắt cần phải được qui định trong từng trường hợp cụ thể, phụ thuộc vào:

- Giai đoạn thiết kế và loại công trình

- Điều kiện làm việc của đất trong quan hệ với công trình

- Thành phần, đặc điểm cấu trúc, trạng thái và tính chất của đất

Tuỳ theo tương quan giữa tốc độ truyền lực nén và lực cắt, cùng điều kiện thoát nước của mẫu đất khi thí nghiệm, có thể phân biệt các phương pháp chính sau đây để xác định sức chống cắt:

- Phương pháp không thoát nước, không cố kết (cắt nhanh không cố kết)

- Phương pháp thoát nước, cố kết rồi cắt chậm (cắt chậm cố kết)

- Phương pháp thoát nước, cố kết rồi cắt nhanh (cắt nhanh cố kết)

Việc làm bão hòa mẫu đất thí nghiệm bằng nước và nén mẫu trước phải được tiến hành phù hợp với điều kiện làm việc của đất dưới công trình hoặc trong thân công trình

Để làm bão hòa các mẫu đất bằng nước nhằm xác định τ ở trạng thái bão hòa, nên dùng loại nước uống được Đối với các mẫu đất chứa muối dễ hòa tan (Na, Mg, K), thì làm bão hòa mẫu bằng nước dưới đất tại vị trí lấy mẫu hoặc bằng loại nước có thành phần hóa học giống với nước dưới đất

Thời gian làm bão hòa mẫu đất không ít hơn:

- 10 phút đối với đất cát

- 6 giờ đối với cát pha và sét pha có chỉ số dẻo Ip không lớn hơn 12

- 12 giờ đối với sét pha có Ip lớn hơn 12 và sét có Ip không lớn hơn 22

- 24 giờ đối với sét có Ip từ 23 đến 35

- 48 giờ đối với sét có Ip lớn hơn 35

Việc nén trước các mẫu đất thông thường dùng cho đất có độ sệt B<0.75 có thể tiến hành ở máy nén riêng hoặc trực tiếp ở hộp máy cắt

Khi nén trước, tăng lực nén lần lượt theo từng cấp tương ứng với áp lực thẳng đứng Giá trị mỗi cấp phụ thuộc vào trạng thái của đất

Đối với đất loại sét có độ sệt B >1, các cấp lần lượt như sau: 0.1x105

, 0.3x105, 0.5x105, 0.75x105N/m2 và 1.0x105N/m2 sau đó mỗi cấp là 0.5x105N/m2 cho đến giá trị

áp lực cuối cùng Đối với loại sét cứng, nửa cứng và dẻo cứng (có độ sệt B <0.5) và đất cát thì tăng theo cấp 0.5x105N/m2 cho đến khi đạt 3.0 x105N/m2, sau đó tiếp tục tăng mỗi cấp 1x105N/m2 cho đến giá trị áp lực cuối cùng

Mỗi cấp áp lực trung gian được giữ không ít hơn:

- 5 phút đối với đất cát

- 30 phút đối với đất loại sét

Cấp cuối cùng được giữ đến khi đạt tới ổn định quy ước về biến dạng Biến dạng nén của mẫu đất đạt tới ổn định qui ước, nếu giá trị của nó không vượt quá 0.01mm sau một thời gian không ít hơn:

- 30 phút đối với đất cát

- 3 giờ đối với cát pha

- 12 giờ đối với sét pha và sét

Giá trị áp lực nén nhỏ nhất phải bằng giá trị áp lực bản thân Giá trị áp lực thẳng đứng lớn nhất phải lớn hơn tổng áp lực bản thân và công trình truyền xuống

Lực cắt được truyền lên mẫu đất thành từng cấp hoặc tăng liên tục Khi cắt chậm tăng lực cắt thành từng cấp, trị số mỗi cấp không vượt quá 5% áp lực nén tương ứng dùng khi cắt Chỉ truyền cấp áp lực sau lên mẫu khi đạt đến độ ổn định qui ước về biết dạng cắt ∆L: Không vượt quá 0.01mm/phút Cũng có thể tăng liên tục lực cắt với điều kiện đảm bảo tốc độ cắt thể hiện qua biến dạng ngang không quá 0.01mm/phút

Việc xác định biến dạng đứng và biến dạng ngang của mẫu đất được tiến hành với độ chính xác đến 0.01mm, các phép cân được tiến hành với độ chính xác đến 0.01g

I.5.2 Theo tiêu chuẩn Anh - BS 1377: Part 7: 1990

Phương pháp cắt tiêu chuẩn này cũng tương tự như tiêu chuẩn Việt Nam Tiêu chuẩn BS 1377:1990 có cách xác định tốc độ cắt như sau:

Thời gian mẫu bị phá hủy được tính theo phương trình sau:

và cả không thoát nước Thừa số F được tính dựa trên cơ sở tiêu tán 95% áp lực lỗ rỗng thặng dư tạo nên khi cắt và được chấp nhận cho hầu hết các trường hợp trong thực tế

Đối với đất có tính thấm tương đối cao có thể cho thời gian phá hủy tính toán ngắn, rất ngắn Tuy nhiên, thời gian phá hủy không thể ít hơn 2 giờ

Tốc độ cắt được tính như sau:

f r f

d d t

=

Trong đó:

t f - Thời gian mẫu bị phá hoại, (phút)

d f - Khoảng dịch chuyển ngang khi mẫu bị phá hủy

d r - Tốc độ cắt

Cách xác định t100dựa vào kết quả thí nghiệm nén như sau:

Sử dụng đồ thị căn bậc hai của thời gian (hình 2.3.1), kéo dài đoạn gần như tuyến tính của đồ thị (thường nằm trong khoảng 0 đến 50% của cố kết ban đầu) xuống dưới Xác nhận điểm giao nhau giữa đường này với đường nằm ngang qua điểm cuối cùng trên đồ thị cố kết ban đầu và ghi nhận giá trị đó ( )t100 trên trục căn bậc 2 của thời gian (Ghi chú: thí nghiệm này không cho phép thu được giá trị tin cậy của hệ số cố kết Cv)

I.5.3 Tiêu chuẩn ASTM D3080

Phương pháp cắt tiêu chuẩn này cũng tương tự như tiêu chuẩn Việt Nam Tiêu chuẩn ASTM D3080 có cách xác định tốc độ cắt như sau:

Tốc độ cắt được lựa chọn phải đảm bảo đủ chậm để không làm xuất hiện áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong quá trình cắt Công thức sau đây cho biết cách xác định thời gian mẫu bị phá hoại và từ đó xác định được tốc độ cắt cho từng cấp tải và từng mẫu đất

t f - Thời gian mẫu bị phá hoại, (phút)

t 50 - Thời gian mẫu đạt được cố kết 50% dưới một ứng suất chuẩn, (phút)

Nếu dùng phương pháp căn bậc hai của thời gian ( t ), t 50 được tính dựa vào thời

gian cố kết 90% của mẫu đất như sau:

90 50

4.28

t

t =

Trong đó:

t f - Thời gian mẫu bị phá hoại, (phút)

t 90 - Thời gian mẫu đạt được cố kết 90% dưới một ứng suất chuẩn, (phút)

4.28 - Hệ số quan hệ giữa thời gian cố kết được 90% và 50%

Nếu đất có huynh hướng trương nở, mẫu đất phải được cho ngập trong nước và cấp tải trọng chuẩn phải có độ lớn đủ lớn để có thể khử được sự trương nở Thời gian phá hoại mẫu không tính thời gian khử sự trương nở Tập hợp các đường cong nén lún - thời gian theo các cấp tải trọng được vẽ và chọn ra đường cong thính hợp nhất để xác

định thời gian phá hủy mẫu t f

Đối với một số loại đất, không thể vẽ được đường cong nén lún chúng ta có thể

dùng thời gian dự đoán mẫu bị phá hủy (t f) Các thời gian này có thể được kiểm chứng bằng các kết quả khác nhau Ví dụ như đối với đất cát chặt hệ số thấm lớn, thời gian 10

phút có thể được chọn làm t f , đối với cát lẫn 5% bột thời gian 60 phút được chọn làm t f

Tốc độ cắt được tính tương tự như các tiêu chuẩn trên:

f r f

d d t

=

d f - Phụ thuộc vào loại đất và ứng suất tiền cố kết của đất Đất hạt mịn cố kết

thường chọn d f =12mm, các loại đất khác chọn d f = 5mm

I.6 Ứng dụng các kết quả thí nghiệm trong thiết kế

* Đối với các thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước:

Phương pháp thí nghiệm này phù hợp với ứng xử của đất nền ở giai đoạn ngay sau khi xây xong với các loại đất nền có hệ số thấm bé Các đặc trưng chống cắt ϕu và cuđược xác định theo σ, τ không xét đến ứng suất hữu hiệu, nên giá trị σ không xét đến lực đẩy nổi

*Kết quả thí nghiệm theo sơ đồ UU có thể tóm tắt như sau:

Công trình và giai đoạn

độ ẩm của lõi không kịp thay đổi sét đầm chặt của đập

Móng nông thi công nhanh trên nền sét Sức chịu tải phụ thuộc sức chống cắt

không thoát nước

* Đối với các thí nghiệm cắt chậm, thoát nước

Thí nghiệm cắt chậm - cố kết -thoát nước (CD) nhằm mô phỏng ứng xử của đất vào giai đoạn cố kết thoát nước đã kết thúc Kết quả của phương pháp thí nghiệm này được xác định theo σ’, τ=τ’ Chúng ta có các đặc trưng sức chống cắt tương ứng là ϕCD

= ϕ’ và cCD =c’, điều này cũng có nghĩa là các đặc trưng chống cắt ϕCD = ϕ’ và cCD =c’ tương ứng với phương pháp ứng suất hữu hiệu, do vậy chúng được tính toán với giá trị trọng lượng đơn vị thể tích đẩy nổi của đất γ’ cho các đất nằm dưới mực nước ngầm

Sử dụng ϕ’, c’ cho phép đánh giá sức chịu tải của nền ở giai đoạn lâu dài Sau khi quá trình cố kết hoàn tất, điều kiện đất nền tương tự thí nghiệm cắt thoát nước CD

và trọng lượng đơn vị sử dụng trong tính toán là trọng lượng đơn vị đẩy nổi của đất nền

* Kết quả thí nghiệm theo sơ đồ CD có thể tóm tắt như sau: