Cơ học đất - Chương 8

cơ học đất là một ngành của cơ học ứng dụng chuyên nghiên cứu về đất. Hầu hết các công trình xây dựng đều đặt trên đất, nghĩa là dùng đất làm nền cho các công trình, số khác các công trình

Chương 8

CÁC THÍ NGHIỆM ĐẤT Ở HIỆN TRƯỜNG

(CHƯƠNG GIỚI THIỆU THAM KHẢO) 8.1 Thí nghiệm đầm chặt tiêu chuẩn và đầm chặt cải tiến

8.1.1.Dụng cụ thử

Bộ dụng cụ đầm tiêu chuẩn, sàng đường kính lỗ d = 5mm, cối sứ, chày đầu bịt cao

su, cân đĩa, hộp nhôm, bình định lượng, tủ sấy, khay nhôm, …

Hinh 8_ 1 Bộ đầm chày tiêu chuẩn Hinh 8_ 2 Bộ đầm chày cải tiến

8.1.2.Trình tự thí nghiệm

Chọn khoảng 15kg đất đã qua sàng 5mm chia ra thành 5 phần, hoặc lớn hơn, mỗi phần 2,5kg cho vào các khay rồi phun các lượng nước q khác nhau để có độ ẩm từ 5 - 30% Lượng nước phun vào đất để có các độ ẩm tính theo công thức :

) (

,

,

1

01 0 1

01 0

W W W

m

+

Trong đó :

q - Lượng nước phun thêm (g);

W - Độ ẩm của đất dự chế (%);

W1 - Độ ẩm của đất trước khi làm ẩm thêm (%);

m – Khối lượng đất trước khi làm ẩm thêm (g)

Khi lượng đất để thử bị hạn chế có thể sử dụng lại đất sau một lần thử đầu tiên để

dự chế cho các pheps thử tiếp theo Đất bazan, đất sét có tính dẻo cao không được dùng đất đã đầm để thử lại Mỗi loại đất khi thử cần xác định giá trị IP γS và thành phần hạt toàn bộ mẫu đất

- Đất cát : lần thử đầu từ độ ẩm 5%, các lần tiếp theo tăng thêm 1-2% cho mỗi lần thử và xác định độ ẩm của đất trước khi đầm nện Mẫu đất phải được trộn kỹ dều, sau đó ủ trong bình kín 1h Các lần thử tiếp theo sau, sau khi cho thêm nước cũng trộn kỹ đều và ủ trong bình kín quá 15’ rồi lấy ra thử

- Đất loại sét : Lần thử đầu lấy W = 10%, các lần tiếp theo tăng thêm 2% (sét pha, cát pha) đến 5% (đất sét) Thêm nước, trộn kỹ đều, ủ đất trong bình kín t ≥ 15h

rồi đem ra đầm nện Mẫu thử lân sau phải đảm bảo thêm nước trộn đều ủ kín ít nhất 15’

Đặt cối đầm trên nền phẳng, cứng Lấy đất đã chuẩn bị ở mỗi khay cho vào cối, mỗi lần chiếm khoảng trên 1/3 thể tích cối đầm Dùng chày nặng 2,5kg cho rơi tự do ở độ cao 30cm để đầm cho từng lớp đất Số lần đập cho mỗi lớp quy định :

Đất cát, cát pha : 25 chày,

Sét pha và sét có IP ≤ 30 : 40 chày,

Đất sét có IP > 30 : 50 chày

Phải phân bố đều số chày trên lớp đất Đầm xong lớp nào phải dùng dao khía trên mặt lớp để các lớp tiếp xúc nhau tốt Sau khi nện đủ số chày ở lớp thứ 3 thì mẫu thử chỉ được phép cao hơn mép cốc ≤ 0,5cm

Tháo phần vòng đệm bên trên, dùng dao gọt bỏ phần thừa cho thật phẳng không được để lồi lõm

Tháo cối ra khỏi đế, đem cân đất cùng với cối lấy chính xác đến 1g Xác định khối lượng thể tích của đất ẩm :

V

m m V

m w W

3

4 −

=

=

Trong đó :

W

γ - Khối lượng thể tích của đất có độ ẩm W (g/cm3);

w

m - Khối lượng đất ở độ ẩm W (g);

V - Thể tích cối đầm (cm3)

Sau khi cân xong lấy đất ở giữa cối để xác định độ ẩm W của mỗi lần thử

Tiếp tục thử như trên với ít nhất 5 cối đất đã chuẩn bị Nếu thấy γ của đất tăng W dần và sau đó giảm đần thì thôi Nếu không phải làm thêm hoặc làm lại từ đầu Kết quả thử ghi theo biểu 1-1

8.1.3.Xử lý kết quả

Bảng 8_ 1 Bảng kết quả thí nghiệm đầm chặt tiêu chuẩn

Độ ẩm W (%) Khối lượng thể tích khô (g/cm3)

Độ ẩm từng mẫu

Công

đầm

A

kgm

Số lần

thí

nghiệm

N 0

Số hiệu hộp nhôm

N 0

Khối lượng hộp nhôm

m0 (g)

Khối lượng hộp

và đất ướt

m1 (g)

Khối lượng hộp

và đất khô

m2 (g)

Từng mẫu (%)

Trung bình từng mẫu (%)

Khối lượng cối đầm

m3 (kg)

Khối lượng cối và đất m4 (kg)

Khối lượng thể tích đất ẩm

Khối lượng thể tích khô (g/cm3)

Tính hàm lượng % hạt đất có đường kính d > 5mm theo công thức

(%)

) , (

) , (

100 01

0 1

01 0

P

p

W M

W m

P

+

+

Trong đó :

mp – Khối lượng đất hạt có d > 5mm (kg);

M – Khối lượng toàn bộ mẫu đất đem thử (kg);

W0 - Độ ẩm của toàn bộ mẫu đất dem thử (%);

WP - Độ ẩm của đất hạt có d > 5mm (%)

Tính khối lượng thể tích đất khô

) / ( ,

3

01 0

w

c = +

γ

Trong đó :

W

γ - Khối lượng thể tích đất ẩm đang thử (g/cm3);

W - Độ ẩm của đất đang thử (%)

Tính công đầm nện A (Ncm/cm3)

10

a F

h g m n

Trong đó :

n – Số lần đầm nện mỗi lớp;

m – Khối lượng của búa đầm nện (kg);

g – Gia tốc trọng trường (9,81 m/s2);

h – Chiều cao rơi búa (cm);

F – Diện tích tiết diện cối đầm (cm2);

a – Chiều dầy lớp đất đầm nện (cm)

Nếu hàm lượng của nhóm hạt có d > 5mm chiếm trên 3% ta dùng công thức hiệu chỉnh :

) (

, '

'

c s s

s c c

γ

γ γ γ

−

−

=

01

Trong đó :

'

c

γ - Khối lượng thể tích đất khô có chứa hạt d > 5mm (g/cm3);

c

γ - Khối lượng thể tích đất khô có chứa hạt d ≤ 5mm (g/cm3);

'

s

γ - Khối lượng riêng phần hạt có d > 5mm (g/cm3)

Dùng kết quả tính toán được vẽ đồ thị quan hệ giữa độ chặt và độ ẩm của đất, quan

hệ giữa độ chặt và công đầm chặt Qua đay xác định được γcmax, độ ẩm thích hợp Wth và công đầm chặt hợp lý A

Xác định chỉ số đầm chặt :

c

c K

γ

γ

Trong đó :

c

γ - Khối lượng thể tích khô của đất tại hiện trường (g/cm3);

max

c

γ - Khối lượng thể tích khô của đất xác định qua thí nghiệm đầm chặt tiêu chuẩn

8.2.Thí nghiệm xác định độ ẩm nhanh bằng dụng cụ thử ẩm bột Cacbua-canxi

8.2.1.Dụng cụ thử

Hinh 8_ 3 Máy thử độ ẩm nhanh

8.2.2.Trình tự thí nghiệm

1 Làm sạch bình bằng chổi lông

2 Cân một lượng mẫu vật cần đo bằng cân 13gr

3 Đặt bình nằm ngang quay miệng về bên phải

4 Bỏ 2 viên bi vào trong bình

5 Đổ mẫu đã cân vào trong bình

6 Lấy gáo múc 2 miệng gáo đất đèn đã nghiền từ hộp, tương đương 25gr đổ vào bình

7 Đậy nắp bình nằm ngang thẳng hàng với miệng bình, từ từ đẩy nắo bình dọc theo hướng đậy tới miệng bình

8 Kéo quai bình thẳng hàng trong lúc bình nằm ngang, xiết ốc hãm vào nắp bình đến khi cảm thấy chặt tay

9 Nghiêng bình để đất đèn bắt đầu tiếp xúc với mẫu, lắc bình tròn sao cho 2 viên

bi lăn quanh vách bình từ miệng tới đáy và ngược lại trong thời gian 1 phút

10 Sau đó đọc kết quả từ đồng hồ tại đáy bình

8.3 Thí nghiệm cắt cánh hiện trường

8.3.1.Giới thiệu chung

Như ta đã biết đường Coulomb biểu diễn sức kháng cắt của đất có dạng

c tg

ϕ+

σ

=

τ

Với điều kiện đất dính thuần túy, bão hòa nước mà cắt nhanh, không cố kết, không thoát nước gọi là (UU) và khi đó ta có

0

u =

ϕ

u

c

=

τ

Ta đã biết, khả năng thoát nước lỗ rỗng của đất dính rất chậm nên một số trường hợp tính toán nền móng, đặc biệt nghiên cứu đất đắp trên nền đất yếu thì thí nghiệm UU

là thích hợp

Xuất phát từ những vấn đền trên người ta đã đề ra một loại thí nghiệm, không cần tiến hành lấy mẫu nguyên dạng, có thể xác định nhanh sức kháng cắt của đất trên nền đất yếu

Một thiết bị được gọi là Thí nghiệm cắt cánh hiện trường lần đầu tiên xuất hiện ở nước Anh và Thụy Điển vào năm 1948

8.3.2.Dụng cụ thử

Hình 8_4 Bộ thí nghiệm cắt cánh hiện trường

Bộ thí nghiệm cắt cánh này là một trong những thiết bị được mua theo dự án của ngân hàng thế giới Về cách vận hành thiết bị này được nêu rõ trong muc “HƯỚNG DẪN

SỬ DỤNG THIẾT BỊ”

8.3.3.Trình tự thí nghiệm

Thí nghiệm cắt cánh trong hố khoan

1) Khoan tạo lỗ đến độ sâu cần thí nghiệm, có thể chống ống hoặc không tùy theo khả năng giữ thành của hố khoan Vét sạch bùn đáy hố và không được làm xáo trộn đất dưới đáy hố khoan

Án sâu cánh cắt vào trong đất dưới đáy hố khoan ít nhất một khoảng bằng 2 lần chiều dài cánh cắt

Vừa quay tay quay vừa đọc ngẫu lực trên đồng hồ lực và chỉ số vạch trên đồng hồ

Quay tiếp cánh cắt khoảng 10 vòng để đất bị cắt hoàn toàn

8.3.4.Xử lý kết quả

Kết quả tính toán được tiến hành theo nguyên tắc sau:

Nếu gọi lực quay là F cánh tay đòng là d ta có momen quay M=F.d

Sức kháng cắt trong trường hợp đất dính bão hòa nước ta có τ=Cu được xác định theo công thức sau

M ) H 3 D (

D

M 6

+ π

=

Trong đó:

K: Được gọi là hệ số cắt cánh

Kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường thường được trình bày dưới dạng biểu đồ,

dưới hai dạng

Biểu đồ thí nghiệm cắt cánh là biểu đồ thể hiện mối quan hệ sức kháng cắt theo góc

quay cánh cắt trong đất Giá trị cực đại là sức kháng cắt của đất ở trạng thái tự nhiên và

giá trị cực tiêu thể hiện sức kháng cắt đất ở trạng thái phá hỏng

Trụ thí nghiệm cắt cánh thể hiện cột địa tầng và bên cánh là biểu đồ chỉ sức kháng

cắt theo từng độ sâu thí nghiệm

8.4.Thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT)

8.4.1.Giới thiệu khái quát

Thí nghiệm xuyên tĩnh là thí nghiệm hiện trường phát triển rộng rãi trên thể giới,

đặc biệt là các nước Trung Âu

Xuyên tính có nguồn gốc từ Mỹ (1929), song thực sự phát triển mạnh mẽ ở phòng

thí nghiệm Cơ học đất Delft (Hà Lan) Thiết bị xuyên tĩnh phát triển rất đa dạng trong

một nước cũng như các quốc gia trên thể giới Do đó ở Châu Âu đã diễn ra nhiều hội nghị

nhằm chuẩn hóa thống nhất các thí nghiệm xuyên nói chung

Về cơ bản có thể phân thành hai loại xuyên tĩnh trên cơ sở phương thức di chuyển

mũi côn

- Xuyên tĩnh mũi côn di động gồm các thiết bị Guoda, Pilcon, Maurice, Haefeli,

Fehlmann, Franki, Soletance v.v

- Xuyên tĩnh mũi côn cố định gồm các thiết bị PVS

Chú ý: Do hai phương thức di chuyển mũi côn khác nhau dẫn đến kết quả thí

nghiệm khác nhau ở một số loại đất

8.4.2.Nguyên lý thí nghiệm xuyên tĩnh

Nguyên lý thí nghiệm xuyên tĩnh là do sức kháng của đất khi ẩn một mũi côn có

hình dạng kích thước quy định vào trong đất Nếu P là phản lực của đất, B là đường kình

mũi côn thì sức kháng của mũi côn được thể hiện qua biểu thức

2 c

B

P 4 q

π

=

Việc ấn mũi côn xuống đất thường được tiến hành liên tục qua hệ thống cần ti, chịu

tác động của nguồn tạo lực và có các thiết bị dùng để đo lực ấn đó

8.4.3.Thiết bị thí nghiệm

Thiết bị dùng trong thí nghiệm xuyên tĩnh mũi côn hiện nay Bộ môn Công trình

Cảng có một máy xuyên tĩnh PAGANI TG63-100 của Italy

Về cấu tạo cơ bản của một thiết bị xuyên tĩnh có thể khái quát như sau:

Hệ thống tháp xuyên-khung đỡ-đối tải: đây là hệ thống khung tháp gắn máy móc, thiết bị xuyên và hệ neo đối tải Thiết bị xuyên tĩnh có thể phân thành các loại

- Xuyên tay dùng neo đối tải đến 2,5 tấn

- Xuyên máy dùng neo đối tải đến 10tấn

- Xuyên máy, tự hành (đặt trên xe kéo và dùng tự trọng làm đối tải đến 10tấn)

Hệ thống lực ấn: có hai loại cơ bản

- Tạo lực thủ công là hệ thống truyền lực quay tay để ấn hệ thống cần mũi xuyên xuống đất

- Động cơ thủy lực gắn liền với hệ thống kích thủy lực để ấn mũi và cần xuyên xuống đất

Hệ thống xuyên: bao gồm hai loại

- Cần ngoài: bằng thép đặc biệt cứng, rỗng giữa, có đường kính 35,7mm và chiều dài 1000mm Một số loại xuyên tĩnh sâu có thể sử dụng cần ngoài có đường kính 45mm Cần ngoài có chức năng ấn mũi xuyên xuống đất vào bảo vệ cần ty trong thí nghiệm đo hoặc cáp điện của xuyên điện

- Cần trong: Bằng thép đặc biệt cứng, có đường kính 20mm, dài 1000mm Cần trong có chức năng truyền lực từ mũi xuyên lên hệ thống đo sức kháng Với xuyên điện không sử dụng cần trong và được thay bằng cáp điện để truyền tín hiệu cảm biến điện-lực lên mặt đất

- Mũi xuyên: Theo cơ cấu vạn hành mũi xuyên được phân thành hai loại

Hệ thống đo ghi số liệu: có hai phương thức thể hiện số liệu sức kháng xuyên và đo ghi

- Hiển thị tự động lên băng ghi hoặc màn hình: Hiển thị sức kháng xuyên kiểu này thường áp dụng cho xuyên điện Mũi xuyên được gắn bộ cảm biến điện áp lực truyền qua dây cáp điện lên bộ phận tự ghi vẽ biểu đồ hoặc hiển thị trên màn hình

Hình 8_ 5 Máy xuyên tĩnh PAGANI

8.4.4.Trình tự thí nghiệm

Thí nghiệm xuyên tĩnh cần tiến hnàh theo các bước cơ bản sau:

2) Chọn và định vị điểm xuyên, neo với số neo cần thiết, cân chỉnh máy thẳng đứng và

thăng bằng, lắp đặt cần và mũi xuyên mở lỗ

Với phương thức xuyên liên tục, sử dụng mũi xuyên cố định (kiêu xuyên điện) thì tín

hiệu điện từ mũi côn, măng xông masat và tổng sức kháng sẽ được truyền lên bộ đo,

ghi và tự động vẽ biểu đồ

Vận tốc xuyên được chuẩn hóa 2cm/s

8.4.5.Xử lý kết quả

Với xuyên cơ học thiết bị đo là đồng hồ đo áp lực Nếu tiết diện pittong bằng tiết

diện mũi côn thì chỉ số áp lực hiển thị trên đồng hồ bằng chỉ số sức kháng mũi côn

Trường hợp ngước lại thì áp lực truyền lên thành từng phần mũi và masat tính như sau:

Với mũi xuyên côn: Gọi chỉ số đọc trên đồng hồ khi đo mũi côn hoạt động là Rc,

tiết diện pittong-xilanh là Ax, tiết diện mũi côn là Ac Trước tiên ta tính được lực tác động

lên mũi côn

Sức kháng mũi côn khi đó tính được

C

X C C

C

A R A

Q

Lưu ý:

Với máy xuyên Gouda 10 tấn, có Ax=20cm2 =>Ax / Ac=2 nên qc=2.Rc

Với máy xuyên Gouda 2,5 tấn, có Ax=20cm2 =>Ax / Ac=1 nên qc=Rc

Với măng xông đo masat: Gọi số đo trên đồng hồ khi đo mũi di chuyển tiếp 4cm là

giá trị Rcf=Rc+Rf nên chỉ số đọc thực tế trên măng xông Rf=Rcf-Rc Tiết diện

pittong-xilanh là Ax, còn tiết diện măng xông masat là Af Trước tiên ta tính được lực tác động

lên măng xông masat

Sức kháng măng xông masat khi đó được tính theo biểu thức

f

x c cf f

f s

A

A R R

A

Q

=

8.4.6.Trình bày kết quả

Kết quả xuyên tĩnh được trình bày dưới dạng biểu đồ: Hai hoặc 3 loại đường cong

cùng thể hiện trên biểu đồ xuyên là: đường cong sức kháng mũi côn theo chiều sâu,

đường masat thành đơn vị và có thể đường sức kháng tổng

Một loại đường cong là tỷ sức kháng FR(FR=[fs /qc].100%)cũng được thể hiện lên

biểu đồ Trên biểu đồ xuyên tĩnh cần thể hiện các thông tin về thiết bị xuyên: Loại máy,

công suất, đặc trưng thiết bị xuyên tĩnh (mũi, cần, neo ), phương thức xuyên (gián đoạn,

liên tục) Có thể lập trình trên Excel để tự động thể hiện biểu đồ thí nghiệm xuyên tĩnh

8.5.Thí nghiệm xuyên động

8.5.1.Giới thiệu khái quát

Thí nghiệm xuyên động là một thí nghiệm hiện trường khá đơn giản, rẻ tiền và tiện lợi trong công tác khảo sát đất nền Kết quả thí nghiệm là xác định sức kháng động của chùy xuyên theo chiều sâu và qua đó phân chia tương đối các lớp đất Thí nghiệm thật hữu ích trong việc xác định mặt đất đá cứng, cho thiết kế và thi công móng cọc Thí nghiệm xuyên động khá phát triển ở các nước Châu Âu đặc biệt là ở Đức

8.5.2.Nguyên lý thí ngiệm

Đóng xuống đất một chùy xuyên qua các cần ty bằng một tạ đập, rơi tự do với chiều cao rơi quy định Ghi chép số lần tạ đập tương ứng với từng khoảng cách sâu thâm nhập Thí nghiệm có thể được bắt đầu ngay từ trên mặt đất, trong hố đào và trong hố khoan

Đặc trưng thiết bị

Có rất nhiều loại thiết bị với kích thước khác và phương thức thí nghiệm khác nhau trên thế giới đặc biệt ở các nước Châu Âu Dưới đây là các đặc trưng cơ bản được Châu

Âu chuẩn hóa, thể hiện trong bảng 4.1.2.1

Bảng 8_ 2 Đặc trưng thiết bị xuyên động chuẩn hoá

Loại thiết

bị

Trọng lượng tạ (kg)

Chiều cao rơi (m)

Tiết diện chùy (cm2)

Đường kính chùy (mm)

Đường kính cần (mm)

Góc mỏ mũi (độ) Nhẹ 10 50 10 35,6 18 60 Trung 30 20 10 35,6 22 60 Nặng 50 50 15 43,7 32 60 Mũi chùy xuyên động truyền thống có hình dạng và tỷ lệ kích thước như trên hình

vẽ Một loại xuyên động bán tự động, kiểu Bevac P2, thể hiện trong hình sau

Hình 8_ 6 Thiết bị xuyên động

8.5.3.Dụng cụ thử

Dụng cụ thí nghiệm dùng cho thí nghiệm xuyên động là một bộ thí nghiệm xuyên động của Đức bao gồm:

- Đế đệm

- Cần đinh hướng

- Cần xuyên

- Mũi côn

- Thước mét

8.5.4.Phương thức thí nghiệm

Cần xuyên và mũi chùy được đóng xuống với vận tốc 30 cú đập trong 1 phút và tốt nhất là đập liên tục Khi có sự ngừng nghỉ cần được ghi rõ trong ghi chép xuyên và thể hiện trên biểu đồ

Đo kết quả là đếm số lần tạ đập trong từng khoảng chiều sâu xuyên là 20cm Đôi khi người ta cũng sử dụng cách khác là người ta đo chiều sâu xuyên trong số lần đập tạ nhất định

Lưu ý: Theo tiêu chuẩn DIN 4094 của Đức hơi khác cả về thiết bị: Góc mũi 90o, tiết diện mũi là 5-10cm2, vận tốc đập là 15-30 búa/phút, đọc ghi số lần đập trên 10cm (N10) Tính toán sức kháng động

Sức kháng động chùy xuyên thường được tính theo công thức của Hà Lan như sau:

C d

A

1 ) P M (

e

M W q

+

Trong đó:

W-Năng lượng tạ đập (W=M.h)

M – Trọng lượng tạ đập

h – Chiều cao rơi tạ

e – Độ chối (độ sâu xuyên của một cú tạ đập)

P – Trọng lượng đế nện, cần xuyên, mũi xuyên

Ac – Diện tích chùy xuyên

Tuy nhiên, công thức trên chỉ cho kết quả sát thực tế khi độ chối e nằm trong khoảng 5mm Với giá trị e <5mm cho kết quả thường là quá lớn so với thực tế, do ảnh hưởng độ chối đàn hồi Nhiều công thức hiệu chỉnh để cho giá trị sức kháng động thức tế hơn và một trong số đó là công thức Crandall có dạng

C 1

d

A

1 ) P M (

e 2

e e

M W q

+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

Trong đó: