Tiểu luận Các phương pháp thí nghiệm nền móng công trình

Nhằm tạo điều kiện cho các học viên cao học ngành xây dựng nắm bắt và hiểu rõ hơn về các phương pháp thí nghiệm đất phục vụ cho việc tính toán nền móng công trình, thầy PGS - TS.Võ Phán

GIỚI THIỆU CHUNG

Nền móng công trình là một trong những yếu tố quan trọng hàng đầu quyết định đến chất lượng của công trình Chính vì nắm bắt được ý nghĩa về tầm quan trọng của việc nghiên cứu nền móng em đã chọn môn học “Các phương pháp thí nghiệm nền móng công trình” là môn tự chọn cho học kì cuối

Nhằm tạo điều kiện cho các học viên cao học ngành xây dựng nắm bắt và hiểu rõ hơn về các phương pháp thí nghiệm đất phục vụ cho việc tính toán nền móng công trình, thầy PGS - TS.Võ Phán đã bố trí cho các lớp được tiến hành thực tập thí nghiệm tại bộ môn Địa cơ nền móng, thông qua các phương pháp thí nghiệm, cơ bản nhất để xác định các chỉ tiêu cơ học của đất phục vụ cho việc tính toán nền móng công trình

Các phương pháp thí nghiệm bao gồm:

Bài 1: Thí nghiệm xác định trọng lượng riêng của đất trong phòng thí

BÀI 1: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH TRỌNG LƯỢNG RIÊNG CỦA ĐẤT

ρ =

Vì vậy để xác định khối lượng riêng của mẫu đất tự nhiên, ta cần phải biết

thể tích V và khối lượng của mẫu đất M ở trạng thái tự nhiên.

Thí nghiệm trong phòng với đất dính chỉ có cỡ hạt mịn có thể sử dụng

phương pháp dao vòng, đã biết thể tích V, cắt vào mẫu đất nguyên dạng, gọt cho thật phẳng các mặt trên dưới, đem cân để biết khối lượng M Trong trường hợp đất dính có

hạt sỏi sạn, không thể sử dụng phương pháp dao vòng được, mà phải xác định thể tích

bằng cách nhúng mẫu đất, đã cân khối lượng M vào paraffin nóng chảy để bọc kín mẫu đất và cân lại trong nước suy ra thể tích V của mẫu đất.

Từ đó ta tính được trọng lượng riêng của mẫu đất γ bằng tích số khối lượng riêng ρ và gia tốc trọng trường g = 10m/s2

4 Các bước thí nghiệm

Dùng thước kẹp xác định đường kính trong của dao vòng là 6,3cm; chiều cao của dao vòng là 2cm Từ đó tính được tiết diện dao vòng là 31.172cm2 và thể tích V

của dao vòng là 62.344cm3

Xác định khối lượng của dao vòng bằng cân điện tử

Dùng dao vòng ấn sâu vào mẫu đất theo chiều thẳng đứng, cho đất vào đầy dao vòng, chú ý phải giữ cho dao vòng luôn luôn thẳng đứng

Dùng dao cắt phẳng đất ở hai đầu dao vòng

Xác định khối lượng của dao vòng và đất

5 Ghi nhận, tính toán số liệu và báo cáo kết quả.

Khối lượng riêng tự nhiên của mẫu đất:

A B V

ρ = −

Trong đó:

ρ: Khối lượng riêng tự nhiên của mẫu đất (g/cm3)

A: Là khối lượng mẫu đất và dao vòng (g).

B: Là khối lượng dao vòng (g).

V: Thể tích dao vòng hoặc thể tích mẫu đất (cm3)

γ ρ =

Trong đó:

γ: Trọng lượng riêng của mẫu đất (kN/m3)

ρ: Khối lượng riêng tự nhiên của mẫu đất (g/cm3)

→ Đường kính trung bình của mẫu đất là: D = 39,25mm

Chiều cao mẫu: h = 8.73cm = 87,3mm

Từ đây ta sẽ tính được thể tích của mẫu đất là:

39, 253.14 87,3 105575,52 105,58

D

Và khối lượng của mẫu cân được là: M =156, 40g

Bảng: Kết quả tính toán trọng lượng riêng của ba mẫu đất trong phòng thí nghiệm

Trọng lượng riêng là mối quan hệ giữa khối lượng và thể tích và cũng là số

đo quan trọng về trạng thái của đất

BÀI 2: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN ATTERBERG

GIỚI HẠN CHẢY VÀ GIỚI HẠN DẺO TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM

1 Mục đích

Xác định các giới hạn chảy WL và giới hạn dẻo WP tức là xác định các giá trị

độ ẩm ở các giới hạn chảy và dẻo, từ đó xác định được trạng thái và tên của đất dính

Trên cở sở đó tính được các thông số:

W W I

ẩm lúc này chính là giới hạn dẻo của đất

Giới hạn chảy của đất: là độ ẩm tương ứng khi đất loại sét chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái chảy Ký hiệu WL Có 2 phương pháp xác định giới hạn chảy chính hiện nay:

+ Phương pháp “tĩnh” – phương pháp dùng chùy Vaxiliev, có xét đến độ bền của đất

+ Phương pháp “động” – phương pháp Casagrande, xét đến độ nhớt của đất

Công thức chuyển đổi từ Casagrande với Vaxiliev:

WL: Giới hạn chảy được xác định theo Casagrande.

đó đặt mẫu thí nghiệm vào bình thủy tinh, đậy kính trong khoảng thời gian >2h trước khi thí nghiệm

4.2 Tiến hành thí nghiệm

4.2.1 Xác định giới hạn chảy theo Casagrande

• Dùng dao cho đất đã nhào trộn vào đĩa khum để tránh bọt khí lưu giữ trong mẫu Không cho đất vào đầy đĩa mà để một khoảng ở phần trên chỗ tiếp xúc với mốc treo chừng 1/3 đường kính của đĩa, đảm bảo độ dày của cả lớp đất

Biểu đò xác đinh giới hạn chảy W L

4.2.2 Xác định giới hạn dẻo

• Sử dụng phần đất còn lại của thí nghiệm tìm giới hạn nhão

• Lấy 1 ít đất và lấy mặt phẳng trong lòng bàn tay hoặc các đầu ngón tay lăn nhẹ nhàng trên kính nhám co đến khi thành que có đường kính bằng 3mm

• Nếu với đường kính đó, que đất vẫn còn giữ liên kết và tính dẻo, thì đem vê nó thành hòn và tiếp tục lăn đến khi đạt đường kính 3mm bắt đầu rạng nứt và tự gãy thành những đọan nhỏ dài 3-10mm

• Nhặt các đoạn que vừa đứt, bỏ vào hộp nhôm đậy nắp lại cho đất khỏi bị khô

• Ngay sau khi đất trong hộp đạt tối thiểu 10g, tiến hành xác định độ ẩm của đất trong hộp (%) với độ chính xác đến 0,1%

• Đối với mỗi mẫu đất, phải tiến hành không ít hơn 2 lần thí nghiệm song song

để xác định giới hạn dẻo

• Lấy giá trị trung bình cộng hai lần thí nghiệm làm giới hạn dẻo của mẫu đất Sai lệch cho phép vể độ ẩm trong các lần xác định song song <2%

5 Ghi nhận, tính toán số liệu và báo cáo kết quả

Bảng kết quả tính toán giới hạn chảy,giới hạn dẻo của đất loại 1

Loại đất 1 Đơn vị Giới hạn chảy Giới hạn dẻo

9092949698

log NW(%)

Nhìn vào đồ thị trên tại N = 25 ta được độ ẩm tương ứng là W L = 90.20%

đây chính là giới hạn chảy của loại đất 1 theo phương pháp Casagrande

Còn giới hạn dẻo của mẫu đất 1 là W P = 44.8 47.5

114 116 118 120 122

log N W(%)

Nhìn vào đồ thị trên tại N = 25 ta được độ ẩm tương ứng là W L = % đây chính là giới hạn chảy của loại đất 2 theo phương pháp Casagrande

Còn giới hạn dẻo của mẫu đất 2 là W P = 33.0 35.4

1.2 1.4 1.6 1.8 60

62 64 66 68 70

log N W(%)

- Dùng độ sệt IL= (W-WP)/(WL-WP) để xác định trạng thái vật lý của đất dính

+ Cát pha trạng thái cứng : IL < 0

dẻo : 0 ≤ IL ≤ 0 chảy : IL > 1 + Sét và sét pha trạng thái cứng : IL < 0

nửa cứng : 0 < IL ≤ 0.25dẻo cứng : 0.25 < IL ≤ 0.5dẻo mềm : 0.5 < IL ≤ 0.75dẻo chảy : 0.75 < IL ≤ 1chảy : IL > 1

Bài 3: THÍ NGHIỆM CẮT TRỰC TIẾP – MÁY CẮT PHẲNG

1 Mục đích

Thí nghiệm xác định sức chống cắt của đất nhằm xác định các đại lượng đặc trưng cho chỉ tiêu cơ học của đất c, ϕ rất quan trọng cho việc tính toán khả năng chịu tải của đất nền, ổn định mái dốc, đập chắn,…

R C.

n i i i

n i

n i

n i i i i

i

n

n tg

1

2

1 2

σσ

στσ

τϕ

Thiết bị cắt trực tiếp

3.2 Dụng cụ

Bao gồm: dao, giấy thấm, keo, vaselin, giẻ lau, thau chứa nước sạch, ba mảnh đồng nhám, cân kỹ thuật, thước kẹp, kính phẳng 50cm x 50cm, dao vòng với các thông số:

4 Các bước thí nghiệm

1 Chuẩn bị thiết bị, dụng cụ thí nghiệm:

+ Mẫu đất được lấy không xáo trộn từ ống lấy mẫu đất

+ Các mảnh đồng và hộp nén được ngâm trong nước

2 Dùng cưa cắt mẫu đất có kích thước tương ứng với kích thước dao vòng

3 Ấn dao vòng lên mẫu đất đã cắt, dùng dao hay cưa để cắt mẫu đất sao cho mẫu đất sau khi cắt nằm hoàn toàn trong dao vòng

4 Cho mảnh đồng nhám vào dưới hộp cắt, thoa vaseline vào mặt tiếp xúc giữa vành khuôn trên và dưới của hộp cắt

5 Lau chùi dao vòng sạch sẽ, cân trọng lượng dao vòng và mẫu đất Sau đó cho mẫu đất vào hộp cắt bằng cách để dao vòng đúng trên mặt hộp và cho mảnh đồng nhám lên trên để ấn nhẹ mẫu đất vào trong hộp

6 Khoá hộp cắt bằng 2 chốt khoá, mục đích giữ cho phần trên và dưới hộp thẳng tắp và không bị dịch chuyển

7 Tháo 2 chốt khoá định vị hộp cắt nêu trên

8 Đặt hộp cắt vào máy cắt trực tiếp Kiểm soát sự tiếp xúc giữa hộp và vòng đo

áp lực

9 Đặt áp lực thẳng đứng vào đá nhám trên với áp lực tuần tự là 50 kPa; 100kPa; 150kPa cho 3 mẫu đất thí nghiệm

10 Tốc độ cắt là 1mm/phút Đọc trị số trên vòng chỉ áp lực lúc mẫu đất bị phá hoại (trị số cực đại của vòng ghi áp lực) từng trị số và sau khi qua trị số cực đại

5 Ghi nhận, tính tốn số liệu và báo cáo kết quả

BIỂU ĐỒ THÍ NGHIỆM CẮT TRỰC TIẾP

Tiết diện: 31.172 cm 2 Hệ số vịng: 0.44200 kPa/div.

Máy cắt kiểu: Ứng biến Phương pháp cắt: Cắt nhanh

6 Nhận xét, ứng dụng vào thiết kế nền móng

Ưu điểm của phương pháp cắt trực tiếp là đơn giản dễ thực hiện hơn phương pháp nén ba trục Nhưng bên cạnh đó nó có khuyết điểm là do mặt cắt cố định trước nên đất bị cắt theo mặt phẳng này, mà mặt phẳng này chưa chắc là yếu nhất nên không chính xác

Các giá trị (c, ϕ) dùng để tính toán các thông số sau đây trong nền móng:Sức chống cắt của đất:

tc

++

= 1 2 γ γ'

Bài 4: THÍ NGHIỆM NÉN BA TRỤC

1 Mục đích

Thí nghiệm nén ba trục xác định các chỉ tiêu về sức chống cắt (c,ϕ), áp lực nước lổ rỗng u, đồng thời xác định mođun đàn hồi E và hệ số poisson µ của đất

2 Cơ sở lý thuyết

Trong tự nhiên một mẫu đất hình lăng trụ chịu tác dụng bởi các áp lực σ1 =

σ2 = σ3 Khi xây dựng công trình lên dưới tác dụng của tải trọng công sẽ tạo ra độ lệch

∆σ1 Khi ∆σ1 tăng đến một giá trị nhất định thì mẫu đất bị trược hoặc bị phá hoại

Sức chống cắt của đất bao gồm hai thành phần : Ma sát giữa các hạt là ϕ và lực dính giữa các hạt là c

Hai thông số trên cần thiết xác định để tính toán các đặc trưng của nền cũng như sức chịu tải của đất nền

Có rất nhiều thí nghiệm xác định thông số chống cắt trong phòng như:

- Thí nghiệm cắt trực tiếp với hộp cắt Casagrande

Mặt khác thí nghiệm ba trục cũng có thể mô phỏng các điều kiện thoát nước khác nhau của đất nền, cũng như xác định các thông số biến dạng đất nền đồng thời với thông số chống cắt

2.1 Sơ đồ thí nghiệm không cố kết, không thoát nước (UU)

Đây là sơ đồ thí nghiệm đơn giản, vận hành nhanh, giá thành rẻ và thông dụng nhất của thí nghiệm 3 trục Kết quả sức kháng cắt là ở trạng thái ứng suất tổng:

cuu & ϕuu Trường hợp đất dính thuần túy, bão hòa nước thì ϕuu=0

2.2 Sơ đồ thí nghiệm cố kết, không thoát nước (CU)

Kết quả nhận được theo sơ đồ này là sức kháng cắt theo 2 trạng thái:

• Đặc trưng sức kháng cắt cố kết không thoát nước: ccu & ϕcu sử dụng cho thiết kế đất đắp theo giai đoạn trên đất yếu

• Đặc trưng sức kháng cắt cố kết, thoát nước: c’ và ϕ’ phân tích ổn định dài hạn

2.3 Sơ đồ thí nghiệm cố kết, thoát nước (CD)

• Đặc trưng sức kháng cắt nhận được theo sơ đồ thí nghiệm này ở trạng thái ưng suất hữu hiệu c’ và ϕ’

Trong thí nghiệm nén ba trục ta tiến hành thí nghiệm nén ba mẫu với ba giá trị áp lực buồng nén khác nhau Và với mỗi giá trị áp lực buồng ta xác đinh được độ chênh lệch ứng suất (σ1-σ3) khi mẫu bị phá hoại Trạng thái ứng suất lúc mẫu bị phá hoại sẽ được biểu thị trên hệ trục tọa độ (trục tung là ứng suất cắt (σ1-σ3)/2, trục hành

là ứng suất hính (σ1+σ3)/2) bằng ba vòng tròn ứng suất Mohr Đường tiếp tuyến chung của ba vòng tròn Mohr là đường chống cắt Mohr-Coulomb Từ đó xác định các thông số (c,ϕ) của mẫu đất

Ngoài ra ta có thể dùng phương pháp bình phương cực tiểu để xác định các thông số (c,ϕ) trong nén ba trục của mẫu đất:

2 2

452

1 Máy nén với độ biến dạng được khống chế

2 Buồng chứa mẫu

3 Khuôn lấy mẫu, màng mỏng cao su, vòng cao su giữ đá bọt

4 Bơm tạo chân không hay nguồn khí nén

5 Dụng cụ để căng màng mỏng cao su

6 Dụng cụ gọt mẫu đất và đồ phụ tùng : hộp, cưa bằng dây thép, dao

7 Dụng cụ khác gồm : cân nhạy 0.01g, lò sấy, đĩa bốc hơi, thước, thủy kế

4 Các bước thí nghiệm

4.1 Chuẩn bị mẫu

- Thỏi mẫu được chế bị từ đất nguyên dạng đựng trong hộp mẫu thường có đường kính 100mm Thông thường cần 3 đến 4 mẫu, có chiều cao bằng 2 lần đường kính sử dụng cho 1 thí nghiệm Với phương thức nén nhiều giai đoạn chỉ cần 1 thỏi chế bị

- Khi thỏi mẫu được chế bị xong cần bọc ngay bằng màng cao su, đặt các tấm kính vào hai đầu và để vào một chậu thuỷ tinh đậy kín nắp

- Với đất hạt mịn (loại sét) đường kính thỏi mẫu thường từ 35 đến 40mm

- Với đất hạt trung, đất đắp chế bị trước có thể dùng 1 thỏi mẫu đường kính 100mm (hoặc dùng cả mẫu nguyên dạng) để thí nghiệm

Thiết bị nén ba trục

Dụng cụ dùng để chế bị mẫu nén 3 trục

Hình dạng ngoài của mẫu nén

4.2 Trình tự thí nghiệm

Mẫu đất thí nghiệm được bọc kín bằng màng cao su mỏng đàn hồi và 1 (hoặc

cả 2 đầu) có các đệm đá thấm, rồi lắp đặt vào trong 1 hộp gọi là hộp nén 3 trục Hộp nén 3 trục được bơm đầy nước và có thiết bị điều chỉnh để tạo ra 1 áp lực nước σ3 tác động vào thành lõi Áp lực σ3 được đo bằng đồng hồ đo áp lực

- Mặt khác thỏi đất còn được tác dụng 1 áp lực thẳng đứng thông qua thiết bị bitông để tạo ra tải tác dụng P Thiết bị đo lực là vòng ứng biến với thiên vân kế

- Chuyển vị thẳng đứng ∆l của thỏi mẫu được đo bằng chuyển vị kế gắn với pittông nén

- Khóa R cho phép đóng, mở đường thoát nước lỗ rỗng và cũng cho phép đo

áp lực nước lỗ rỗng của đất bão hòa nước khi lắp đồng hồ đo.Tạo áp lực σ3 ở buồng nén rồi vận hành để tăng lực thẳng P lên thỏi mẫu, đồng thời đo chuyển vị thẳng đứng của thỏi mẫu theo từng cấp độ lực tăng dần đều đến khi thỏi mẫu bị phá hỏng, các ứng suất chính có thể xác định được là σ1 và σ3, và ứng suất σ3 tác động lên cả đỉnh thỏi

Thí nghiệm nén ba trục sơ đồ U-U

- Đặt mẫu thử lên đáy Cho màng cao su vào dụng cụ căng màng cao su Nhờ dụng cụ căng màng cao su mà màng cao su được bao xung quanh mẫu thử và được buộc chặt bằng vòng buộc ở đáy và nắp mẫu thử Cho buồng áp lực lên bệ máy và siết chặt các ốc

- Điều chỉnh piston tiếp xúc với nắp đậy mẫu sao cho mẫu phải thẳng đứng với trục của piston và tiếp xúc tốt với đáy cũng như nắp đậy Khóa piston bên trên nắp đậy mẫu

- Đặt buồng áp lực và đáy lên bệ máy Máy nén phải thật cân bằng

- Chỉnh lại các đồng hồ đo lực và đo chuyển vị rồi tăng áp lực σ3 bằng cách dùng khí nén hay nước

- Dùng tốc độ biến dạng cắt 0.5mm/phút

- Cho máy nén chạy và ghi chú cẩn thận các trị số đọc của lực và biến dạng cho đến khi mẫu đất bị phá hoại hay độ biến dạng tương đối lớn hơn 20% Trong quá trình thí nghiệm nên quan sát áp suất buồng chứa σ3 để áp suất giữ ổn định

- Sau đó tắt máy, giảm lực tác dụng và giảm áp lực buồng chứa

- Tháo dụng cụ và lấy mẫu đất ra Chuẩn bị một mẫu thử khác có cùng dung trọng và làm thêm hai thí nghiệm nữa

5 Ghi nhận, tính toán số liệu và báo cáo kết quả

Thí nghiệm UU nên thể tích mẫu không thay đổi trong quá trình nén, tiết diện mẫu hiệu chỉnh sau mỗi cấp tải nén được xác định:

Trong đó: L0, A0, Li, Ai là chiều cao và tiết diện của mẫu ban đầu (trước khi nén) và sau mỗi cấp tải nén theo thứ tự.

Số liệu ghi nhận được với áp lực buồng 0.5kG/cm 2

Số liệu ghi nhận được với áp lực buồng 1kG/cm 2

Số liệu ghi nhận được với áp lực buồng 2kG/cm 2

6 Nhận xét, ứng dụng vào thiết kế nền móng

Phương pháp nén ba trục có ưu điểm là kết quả thu được cho gần đúng với thực tế Còn có khuyết điểm là thí nghiệm phức tạp, cần chuyên gia tay nghề cao, đắt tiền

khi đã cố kết

Một số ứng dụng của phương pháp CU

Đắp lớp đất tiếp theo sau khi đã cho nền cố kết

hoàn toàn với lớp đắp trước của công trình đất

đắp, hoặc gia tải từng cấp trong gia tải trước

Ứng suất chống cắt tại chỗ không thoát nước, ngay sau khi đắp lớp sau và nền đã cố kết hoàn toàn bởi tải của lớp đắp trước

Xả nước hồ chứa nhanh Lõi không thấm của

đập chưa kịp thoát nước trong quá trình tháo

Một số ứng dụng của phương pháp UU

Thi công nhanh công trình đất đắp trên lớp sét

mềm Ứng suất chống cắt ngay sau khi gia tải không thoát nước, nền sét mềm chưa cố kết

hoàn toàn bởi trọng lượng bản thân (NC)Đập đất kích thước lớn thi công nhanh, độ ẩm

của lõi không kịp thay đổi

Ứng suất chống cắt không thoát nước của lõi sét đầm chặt của đập

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

không thoát nước