THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG
THÍ NGHIỆM XUYÊN TIÊU CHUẨ N SPT
1 M ục đích Thí nghiệm dùng để đánh giá:
- Sức chịu tải của đất nền
- Độ chặt tương đối của nền đất cát
- Tr ạng thái của đất loại sét
- Độ bền nén một tr ục (qu) của đất sét
- K ết hợ p lấy mẫu để phân loại đất
Thí nghiệm được thực hiện với ống mẫu thành mỏng có đường kính ngoài 51 mm, đường kính trong 35 mm và chiều dài 650 mm Ống mẫu được hạ xuống đáy lỗ khoan, sau đó sử dụng búa trượt nặng 63,5 kg rơi tự do từ độ cao 760 mm Quá trình đóng ống mẫu được chia thành ba nhịp, mỗi nhịp sâu 150 mm, tổng cộng là 450 mm Số búa được ghi nhận trong hai nhịp cuối cùng được gọi là "giá trị N".
Nếu sau 50 búa đầu mà ống mẫu chưa cắm hết 150 mm, chỉ ghi nhận 50 giá trị này Số búa phản ánh độ chặt của nền đất và được sử dụng trong tính toán địa kỹ thuật.
- Ống mẫu: đường kính ngoài 50,8mm, đườ ng kính trong 34,9mm, chiều dài ống chẻ: 609mm, chiều dài mũi đóng là 57,1mm
- Tạ có tr ọng lượ ng 63,5kg, rơi tự do trên đế nện.
- Cần trượt định hướ ng.
- Bướ c 1: Khoan tạo lỗ đến độ sâu dự định thí nghiệm, vét sạch đáy, hạ ống mẫu SPT và lắp đặt đế nện, cần, tạ…
- Bướ c 2: vạch lên cần đóng 3 khoảng, mỗi khoảng 15cm (tổng chiều sâu đóng 45cm).
- Bướ c 3: Cho tạ rơi tự do ở độ cao 76cm, đếm và ghi số tạ đóng cho từng khoảng 15cm.
- Bướ c 4: lấy chỉ số tạ đóng của 30cm cuối cùng làm chỉ số SPT.
Khoảng cách thí nghiệm SPT thông thườ ng từ 1 – 3m, tùy theo độ đồng nhất của đất nền. h
Sức kháng xuyên (N) chịu ảnh hưởng bởi năng lượng hữu ích của búa và độ sâu của điểm thí nghiệm Do đó, việc hiệu chỉnh số đọc sau khi hoàn thành thí nghiệm là cần thiết để đảm bảo độ chính xác của kết quả.
Năng lượng toàn phần do búa rơi là khoảng 48.3 kg.m, nhưng không phải toàn bộ năng lượng này được truyền đến ống lẫy mẫu Một phần năng lượng sẽ bị mất mát trong quá trình truyền tải.
- Mất mát năng lượ ng do ma sát giữa búa rơi và trục hướ ng dẫn, ma sát giữa dây kéo vớ i ròng r ọc
Mất mát năng lượng trong thí nghiệm với loại búa kéo dây qua ròng rọc xảy ra khi người thí nghiệm không thả dây một cách tự do, mà vẫn giữ lại một chút để tránh dây văng ra và gây nguy hiểm.
Mất mát năng lượng do ma sát giữa đất lỗ khoan và cần xuyên là một vấn đề quan trọng Ở các nước đang phát triển, thiết bị SPT phổ biến là loại nhẫn (donut) sử dụng dây kéo trên ròng rọc Tại các nước tiên tiến, năng lượng hiệu quả đạt từ 45% đến 65% Tuy nhiên, tại Việt Nam, chưa có thống kê chính xác, nhưng có thể ước tính năng lượng hữu ích dao động từ 30% đến 55% để đảm bảo an toàn.
Năng lượ ng hiệu quả (%) của một số thiết bị SPT.
Loại nhẫn (donut) Loại an toàn (safety) Dây + Ròng r ọc Tự động Dây + Ròng r ọc Tự động
Tại cùng một loại đất, giá trị N 60 ở độ sâu 1m có thể tương đương với N 60 ở độ sâu 30m, do áp lực ngang tại 30m lớn hơn nhiều so với 1m, yêu cầu nhiều nhát đập hơn Do đó, cần chuẩn hóa N về giá trị có cùng năng lượng hiệu quả Ở các nước tiên tiến, 60% được coi là năng lượng hữu ích trung bình, vì vậy thường quy đổi N về N 60 (60% năng lượng hữu ích).
Như vậy, ta cần hiệu chỉnh theo 2 hệ số chuẩn hóa dưới đây:
C E = E H /60; vớ i C E là hệ số hiệu quả và E H là năng lượ ng hiệu quả có thực của thiết bị
60 – Năng lượ ng hiệu quả tiêu chuẩn (60%) Ở nướ c ta, có thể lấy C E = 0,5÷0,9
C N – Hệ số độ sâu Hệ số này đượ c nhiều tác giả kiến nghị như sau:
Liao và Whitman (1986): C N = (0,9576/ σ ’ vo ) 0,5 Peck (1974): C N = 0,77*log(20/1,05/ σ ’ vo ) Skempton (1986): C N = 2/(1+ σ ’ vo ) Ở đây, σ ’ vo là ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng (bar) h
6.Tương quan giữ a các chỉ tiêu cơ lý của đất và kết quả SPT 6.1 Đánh giá mộ t s ố ch ỉ tiêu cơ lý c ủa đấ t d ự a vào k ế t qu ả SPT
- Đánh giá độ ch ặt tương đố i c ủa đấ t r ờ i d ự a trên k ế t qu ả SPT:
Terzaghi và Peck (1967) đầu tiên đưa ra tương quan D r – N ( vớ i D r là độ chặt tương đối và N là số đọc SPT thô, chưa hiệu chỉnh)
- Đánh giá trạ ng thái c ủa đấ t dính d ự a trên k ế t qu ả SPT
Szechy và Varga (1978) đã chỉ ra mối quan hệ giữa độ sệt (B) và chỉ số N60, nhưng độ tin cậy của bảng này không cao do các loại đất có độ nhạy cảm khác nhau sẽ có tương quan khác nhau.
Đánh giá tính biến dạng của đất dựa trên kết quả SPT cho thấy mô đun biến dạng của cát có thể được dự đoán sơ bộ thông qua thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn Nghiên cứu của Ohya và cộng sự (1982) đã cung cấp phương pháp đánh giá này, cho phép chúng ta có cái nhìn tổng quan về khả năng biến dạng của cát trong điều kiện thực tế.
E = k.N 60 `(bar) với k được xác định như sau: k = 5 cho đất cát lẫn bụi, sét; k = 10 cho đất cát sạch, cố kết; và k = 15 cho đất cát sạch, quá cố kết Đánh giá mô đun đàn hồi tức thời của sét dựa trên kết quả SPT của Ohya và cộng sự (1982) cho thấy có thể tạm tính mô đun đàn hồi tức thời.
E u ≈ (6 đến 50)*N 60 0,63 (bar) Giá tr ị trung bình là: E u ≈ 19,3*N 60 0,63
Tr ạng thái Mềm Dẻo cứng
Nửa cứng Cứng R ất r ắn
+ Đánh giá mô đun biến dạng của sét dựa trên k ết quả SPT Stroud (19740 kiến nghị cách ước tính mô đun biến dạng không nở hông như sau:
Mô đun cắt của đất được tính bằng công thức M = (8,6 – 0,15I p )*N 60 khi I p < 30 Theo nghiên cứu của Worth và cộng sự (1979), mô đun cắt tức thời G max có thể được ước lượng để phục vụ cho tính toán kháng chấn.
G max ≈ (60÷350) N 60 0,77 (bar) Giá tr ị trung bình là G max ≈ 120 N 60 0,77
Mô đun cắt (dướ i tải tr ọng tĩnh lâu dài) thông thườ ng chỉ bằng 5%-10% mô đun cắt cực đại G max
+ Đánh giá sức kháng cắt của đất cát dựa trên k ết quả SPT Cách tính của Peck và công sự: φ ≈ 54 – 27,6034 e -0,14N 60 ’ Cách tính của Schmertmann φ ≈ arctg [N 60 /(12,2 + 20,3 σ ’ vo )] 0,34
Ta có bảng tương quan giữa N và φ
Theo Peck và cộng sự < 28 28÷30 30÷36 34÷41 >41
Theo Mayerhof < 30 30÷35 35÷40 40÷45 >45 Độ chặt tương đối R ất r ờ i R ờ i Chặt vừa Chặt R ất chặt + Đánh giá sức kháng cắt của đất sét dựa trên k ết quả SPT
Các quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nướ c S u và thí nghiệm SPT thườ ng có độ tin cậy thấp Trong đó, hai quan hệ phổ biến là:
Terzaghi và Peck (1976): S u = 0,06*N 60 (bar) Hara (1974): S u = 0,29*N 60 0,72 (bar) Nên lưu ý rằng, tương quan N và S u phụ thuộc vào r ất nhiều yếu tố khác, ví dụ như tính nhạy cảm của đất sét.
Đánh giá khả năng biến loãng của đất dựa trên kết quả SPT cho thấy mối tương quan giữa N'60 và khả năng biến loãng của đất rời Nghiên cứu của Seed và De Alba đã cung cấp dữ liệu thống kê quan trọng, từ đó xây dựng đồ thị thể hiện mối liên hệ này.
Mối liên quan giữa hai đại lượng N’60 và tỷ số τ1/σ’vo cho thấy rằng, với giá trị N’60 cao hơn, đất có khả năng kháng chấn tốt hơn thường là loại đất có hàm lượng hạt mịn nhiều hơn trong cấp phối của cát Điều này chỉ ra rằng, chất lượng đất ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực và ổn định của công trình.
6.2 Đánh giá một số chỉ tiêu cơ lý của đất dự a vào kết quả SPT theo tiêu chuẩn hiện hành ti Việt Nam (TCVN (9351-2012)
- Quan hệ giữa sức kháng xuyên tiêu chuẩn N SPT và sức kháng xuyên tĩnh đầu mũi q c
Thứ tự Loại đất Tỷ số q c /N SPT
5 Cát hạt trung lẫn sạn sỏi >8
Từ mối quan hệ trên, ta có thể thành lậ p biểu đồ mối tương quan giữa tỷ số q c /N SPT và thành phần hạt của mẫu đất
- Đánh giá một số chỉ tiêu cơ lý của đất theo k ết quả SPT + Đối vớ i đất r ờ i:
Quan hệ giữa góc ma sát trong và sức kháng xuyên tiêu chuẩn, có thể như sau: φ = (12+N SPT ) 0,5 + a
Mô đun biến dạng E (MPa):
Trong đó: a là hệ số, đượ c lấy bằng 40 khi N SPT > 15; lấy bằn 0 khi N SPT 3 mm mà nứt, cần thêm nước; nếu d < 3 mm mà chưa nứt, thì tiếp tục gấp lại Đối với thử nghiệm dẻo, thực hiện hai lần song song và lấy kết quả trung bình, với sai số của hai lần thử nghiệm nhỏ hơn 2%.
Xác định giớ i hạn nhão: vẽ biểu đồ quan hệ giữa w ~ logN; w L tương ứng vớ i w tại
- Xác định giớ i hạn dẻo bằng trung bình cộng của k ết quả TN dẻo h
Bi ểu đồ xác đị nh gi ớ i h ạ n nhão
Ta sử dụng hồi quy, tìm ra đượ c W L S,7353
- Xác định chỉ số nhão (độ sệt):
- Xác định chỉ số dẻo: I P (A) = w L – w P S.73 – 28.57 = 25.16
* Xác định tên và tr ạng thái đất theo TCVN:
Chỉ số nhão I L (B) Trng thái của đất Chỉ số dẻo I P (A) Tên đất
I L > 1 Nhão, loãng, sệt 1 I P 7 Đất cát pha sét
0 I L 1 Dẻo 7 < I P < 17 Đất sét pha cát
Trng thái của đất
0 – 0,25 Nửa cứng 0,25 – 0,50 Dẻo cứng 0,50 – 0,75 Dẻo mềm 0,75 – 1,0 Dẻo nhão
➔ Trng thái của đất là đất dẻo mềm
* Xác định tên và tr ạng thái đất theo ASTM:
+ Tên (phân loại) dựa theo w L , I P và đườ ng A = 0,73 (w L – 20) + Tr ạng thái:
Trạng thái đất bao gồm đất sét rất dẻo, đất bụi ML và đất hữu cơ cũng rất dẻo Đặc biệt, đất sét có tính dẻo cao, trong khi đất hữu cơ cũng thể hiện tính dẻo tương tự Ngoài ra, còn có loại đất sét ít dẻo, tạo nên sự đa dạng trong tính chất của các loại đất.
CL Đất hữu cơ rất dẻo
III THÍ NGHIỆM ĐẦM CHẶT (COMPACTION TEST)
3.1 Tiêu chuẩn áp dụng : 4201 -1995 3.2 Mục đích:
Trước khi thiết kế các công trình như đắp nền đường, nền nhà, đê, đập, sân bay và các công trình san lấp, việc xác định dung trọng khô tối đa (γ_max) và độ ẩm tối ưu (w_opt) là rất quan trọng Điều này giúp tối ưu hóa quá trình lu lèn và đầm chặt, đảm bảo chất lượng và độ bền cho công trình.
Các công trình đã thi công và lu lèn cần được kiểm tra chất lượng và độ chặt của nền Việc thử nghiệm đầm chặt là cần thiết để xác định hệ số đầm chặt k.
- Mục đích chính của việc đầm chặt:
+ Làm giảm độ lún của nền công trình trong tương lai + Làm tăng khả năng chịu tải của đất nền
+ Làm tăng sức chống cắt của đất + Làm giảm độ thấm nướ c qua công trình 3.3 Dụng cụ thí nghiệm:
- Khuôn Proctor tiêu chuẩn V = 944 cm 3
- Búa dầm (độ rơi h = 30,48 cm = 12 in, Q = 2,5 kg)
- cân lớn (cân kl đất + khuôn), cân nhỏ (xác định độ ẩm)
- Dụng cụ chia đất, muỗng xúc đất, dao gạt đất, dụng cụ xác định độ ẩm, …
Hình 14: Cân điện tử Hình 15: Rây N0.40 h
Hình 16: Cốc đựng mẫu đất Hình 17: Một số dụng cụ khác
- Làm khô mẫu đất hoặc sấy khô t < 50 0 C, dùng chày để làm tơi đất, cho lọt qua rây N4, lấy khoảng 3 kg đất.
- Sau đó thêm nướ c vào r ồi tr ộn đều Cách thêm nướ c:
Trong đó: q: lượng nướ c phun thêm (g) w: độ ẩm yêu cầu (%) w h : độ ẩm của đất trướ c khi phun thêm nướ c (%)
Q : tr ọng lượng đất trướ c khi phun thêm nướ c (w – w h ): độ tăng độ ẩm (khoảng 2-3%)
- Cân tr ọng lượ ng khuôn, dùng muỗng xúc đất đổ vào khuôn, chia thành 3 lớ p, mỗi lớ p đầm n chày phân bố đều trong khuôn.
+ Đất cát & cát pha sét : n = 25 + Đất sét pha cát & sét có I p < 30 : n = 30 – 40 + Đất sét có I p > 30 : n = 40 – 50
Trong quá trình đầm đất, số lần đầm mỗi lớp (n) và khối lượng búa đầm (m) là rất quan trọng, với m = 2,5 kg Gia tốc trọng trường (g) được xác định là 981 cm/s², trong khi chiều cao rơi (h) được đặt ở mức 30,48 cm Diện tích mặt cắt ngang khuôn (f) và chiều dày lớp đất đầm (a) cũng là những yếu tố cần xem xét để đảm bảo hiệu quả của quá trình đầm.
- Dùng dao gạt bằng phía trên, cân tr ọng lượng khuôn và đất (G)
- Lấy mẫu đất ra khỏi khuôn
Để xác định độ ẩm của đất, cần lấy mẫu ở ba lớp đầm khác nhau Quy trình bao gồm cân trọng lượng lon và mẫu đất, sau đó sấy khô mẫu và cân lại trọng lượng lon cùng với mẫu đất khô Qua các bước này, ta có thể xác định chính xác độ ẩm của đất.
- Làm tơi mẫu đất và thêm nước vào ( độ tăng độ ẩm 2-3%) và lậ p lại TN như trên
Tiếp tục thực hiện quá trình lặp lại cho đến khi trọng lượng của đất và khuôn giảm, hoặc tốc độ tăng của (đất + khuôn) thấp hơn tốc độ tăng của độ ẩm.
Các chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị đo
Số thứ tự lần đầm
A Trọng lượng đất ẩm + khuôn g 5941 6023 6154 6234 6225
A Trọng lượng đất ẩm + lon g 94.3 106.5 119.4 71.2 89.8
B Trọng lượng đất khô + lon g 91.0 100.5 109.7 64.5 79.0
C Trọng lượ ng lon g 13.8 14.65 12.77 11.76 11.8 Độ ẩm W= 100
Dựa vào đồ thị ta thấy:
Dung tr ọng khô lớ n nhất: 1.8656 g/cm 3 Độ ẩm tốt nhất: W.253%
Khi độ ẩm của đất dao động từ 0% đến 12.253%, dung trọng khô sẽ tăng dần cho đến khi đạt cực đại tại mức độ ẩm W.253% Tại điểm này, đất có sự liên kết tốt nhất Tuy nhiên, khi vượt qua ngưỡng độ ẩm này, dung lượng khô sẽ giảm, sự liên kết giữa các hạt đất cũng giảm dần, làm cho đất trở nên nhão.
IV THÍ NGHIỆM CẮT TRỰ C TIẾP (DIRECT SHEAR TEST) I/ Mục đích
- Thí nghiệm cắt tr ực tiếp để xác định các đặc trưng độ bền c ủa đất (tính chất cơ học; c, ), từ đó đánh giá:
Sức chống cắt của đất:
S = tan + c Khả năng chịu tải của đất nền:
Trong đó A, B, D là các hệ số phụ thuộc vào c,
- Ngoài ra c, còn có thể xác định bằng những TN khác:
+ Nén đơn (Unconfined compression test): áp dụng cho đất dính, đơn giản, cho k ết quả tr ực tiế p, mặt phá hoại sẽ là mặt yếu nhất.
Thí nghiệm cắt trực tiếp (Direct shear test) được áp dụng cho cả đất dính và đất rời, mang lại kết quả đơn giản và trực tiếp Mặt phá hoại trong thí nghiệm này nằm ngang giữa hai thớ của hộp cắt đã được ấn định từ trước.
The Triaxial Compression Test, applicable to all soil types, is a complex experiment that provides comprehensive data It employs three testing methods: Undrained - Unconsolidated (UU), Undrained - Consolidated (CU), and Drained - Consolidated (CD), ensuring accurate assessment of soil properties.
II/ Dụng cụ thí nghiệm
- Máy cắt tr ực tiế p
- Dao vòng (để tạo mẫu đất thí nghiệm)
- Đồng hồ đo chuyển v ị ngang, đồng hồ đo ứng lực ngang; 2/1000 mm:1 vạch = 0,002 mm – đh đo ứng lực ngang, 1/100 mm: 1 vạch = 0,01 mm – đh đo chuyển vị ngang.
- Đồng hồ đo chuyển vị đứng (chỉ sử dụng khi nào dùng để cắt cố k ết)
- Dao, bình nướ c, các quả cân dùng làm tỷ tr ọng
- Mẫu đất nguyên dạng hoặc chế bị.
THÍ NGHIỆM GIỚI HẠ N ATTERBERG
- Cắt 3 mẫu đất (dày 30 cm) cho 3 lần thí nghiệm vớ i 3 cấ p tải tr ọng khác nhau
- Bôi trơn nhớ t vành trong hộ p cắt
- Dùng dao vòng ấn vào mẫu đất và gạt bằng hai mặt
- Đặt mẫu đất vào hộ p cắt ở giữa 2 tấm đá bọt và khóa chốt cẩn thận
- Đặt hộ p cắt vào máy cắt, điều chỉnh đồng hồ về 0, lấy các chốt ở hộ p cắt ra h
THÍ NGHIỆM CẮT TR Ự C TIẾP
- Thí nghiệm cắt tr ực tiếp để xác định các đặc trưng độ bền c ủa đất (tính chất cơ học; c, ), từ đó đánh giá:
Sức chống cắt của đất:
S = tan + c Khả năng chịu tải của đất nền:
Trong đó A, B, D là các hệ số phụ thuộc vào c,
- Ngoài ra c, còn có thể xác định bằng những TN khác:
+ Nén đơn (Unconfined compression test): áp dụng cho đất dính, đơn giản, cho k ết quả tr ực tiế p, mặt phá hoại sẽ là mặt yếu nhất.
Thí nghiệm cắt trực tiếp (Direct shear test) được áp dụng cho cả đất dính và đất rời, mang lại kết quả nhanh chóng và trực tiếp Mặt phá hoại trong thí nghiệm này nằm ngang giữa hai thớ của hộp cắt đã được xác định trước.
The Triaxial Compression Test is applicable to all soil types and, despite its complexity, provides comprehensive data This test employs three methods: Undrained - Unconsolidated (UU), Undrained - Consolidated (CU), and Drained - Consolidated (CD), each offering valuable insights into soil behavior under different conditions.
II/ Dụng cụ thí nghiệm
- Máy cắt tr ực tiế p
- Dao vòng (để tạo mẫu đất thí nghiệm)
- Đồng hồ đo chuyển v ị ngang, đồng hồ đo ứng lực ngang; 2/1000 mm:1 vạch = 0,002 mm – đh đo ứng lực ngang, 1/100 mm: 1 vạch = 0,01 mm – đh đo chuyển vị ngang.
- Đồng hồ đo chuyển vị đứng (chỉ sử dụng khi nào dùng để cắt cố k ết)
- Dao, bình nướ c, các quả cân dùng làm tỷ tr ọng
- Mẫu đất nguyên dạng hoặc chế bị.
- Cắt 3 mẫu đất (dày 30 cm) cho 3 lần thí nghiệm vớ i 3 cấ p tải tr ọng khác nhau
- Bôi trơn nhớ t vành trong hộ p cắt
- Dùng dao vòng ấn vào mẫu đất và gạt bằng hai mặt
- Đặt mẫu đất vào hộ p cắt ở giữa 2 tấm đá bọt và khóa chốt cẩn thận
- Đặt hộ p cắt vào máy cắt, điều chỉnh đồng hồ về 0, lấy các chốt ở hộ p cắt ra h
- Đặt tải tr ọng đứng theo đúng vớ i cấ p tải
- Cho máy cắt cho đến khi nào mẫu bị phá hoại; ghi lại giá tr ị ( ) ứng với lúc đồng hồ đo ứng lực ngang đạt giá tr ị max.
* Hệ số máy (hệ số vòng lực) 0,004
= 0,5 kg/cm 2 => quả cân 1,6 kg
= 0,75 kg/cm 2 => quả cân 2,37 kg
= 1 kg/cm 2 => quả cân 3,12 kg
= 2 kg/cm 2 => quả cân 6,24 kg IV/ Tính toán kết quả
- Vẽ biểu đồ quan hệ giữa (kg/cm 2 ) và (kg/cm 2 )
Quan hệ lực cắt và áp lực thẳng đứng
- Xác định giá tr ị c và
Chúng ta dùng hồi quy trên máy tinh CASIO để tính toán:
Trong đó: a là c=0,3623333333 kPa, b là tan =0,243 ➔ o 39’29,33’’
Biểu đồ quan hệ lực cắt và áp lực thẳng đứng để xác định c, h
