Nghiên cứu sự thay đổi mô đun đàn hồi của đất đắp nền nền đường có xét đến sự thay đổi của độ ẩm và hệ số rỗng

Theo kết qủa nghiên cứu của bộ môn Đường ôtô và Đường thành phố của Trường đại học Xây dựng [4] thì quan hệ giữa trị số mô đun đàn hồi thí nghiệm Etn với độ ẩm tương đối a = w/ wL có thể

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN: NGUYỄN VIẾT TƯỜNG PHÁI: NAM

NGÀY THÁNG NĂM SINH: 18 – 11 – 1979 NƠI SINH: QUẢNG NGÃI CHUYÊN NGÀNH: CẦU, TUYNEN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH MÃ SỐ: 2.15.10

XÂY DỰNG KHÁC TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG SẮT

I/- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA ĐẤT ĐẮP NỀN ĐƯỜNG CÓ

XÉT ĐẾN SỰ THAY ĐỔI CỦA ĐỘ ẨM VÀ HỆ SỐ RỖNG II/- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 NHIỆM VỤ:

Nghiên cứu sự thay đổi mô đun đàn hồi của đất đắp nền đường có xét đến sự thay đổi của độ

ẩm và hệ số rỗng

2 NỘI DUNG:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về mô đun đàn hồi của đất đắp nền đường ôtô

PHẦN II: NGHIÊN CỨU ĐI SÂU VÀ PHÁT TRIỂN

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

Chương3 : Biện pháp thực hiện và kết qủa nghiên cứu

PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

III/- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

IV/- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :

V/- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS TRÀ THANH PHƯƠNG

PGS.TS TRẦN THỊ THANH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

Nội dung và đề cương Luận văn Thạc sĩ đã được Hội đồng Chuyên ngành thông qua.

Ngày tháng năm 2006

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CHUYÊN NGÀNH : CẦU, TUYNEN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH XÂY

DỰNG KHÁC TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG SẮT MÃ SỐ NGÀNH : 2.15.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2006

PHAÀN I

TOÅNG QUAN

PHẦN II

Nghiên cứu đi sâu

phát triển

PHẦN III

kếT luận - kiến nghị

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Luận Văn Thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN

Trong suốt thời gian qua, bằng những nỗ lực của bản thân, sự giúp đỡ bạn

bè, người thân, đặc biệt sự giảng dạy và hướng dẫn nhiệt tình của thầy TRÀ THANH PHƯƠNG và cô TRẦN THỊ THANH, cuối cùng em đã hoàn thành Luận

văn Thạc sĩ với đề tài: Nghiên cứu sự thay đổi mô đun đàn hồi của đất đắp nền đường có xét đến sự thay đổi của độ ẩm và hệ số rỗng Luận văn này là sự tổng kết

các kiến thức đã học và sự nổ lực hết sức của bản thân trong việc nghiên cứu, làm nền tảng để em nghiên cứu tiếp sau này

Với tấm lòng một Kỹ sư và Học viên cao học, em xin được gởi lời cảm ơn của mình:

• Sự kính trọng, và cảm ơn sâu sắc đến Thầy TRÀ THANH PHƯƠNG và cô TRẦN THỊ THANH đã hướng dẫn em làm đề tài trong suốt thời gian qua Sự

hướng dẫn nhiệt tình và rất chuẩn mực của Thầy và Cô đã mởû ra hướng đi mới trong việc tìm tòi và nghiên cứu một vấn đề khoa học

• Sự kính trọng và cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy LÊ BÁ KHÁNH, thầy NGUYỄN ĐÌNH HUÂN và cô LÊ THỊ BÍCH THUỶ đã động viên, giúp đỡ

em trong suốt thời gian làm luận văn thạc sĩ này

• Cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Cầu Đường, trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã tạo mọi điều kiện để em hoàn thành tốt Luận văn Thạc sĩ này

• Cảm ơn anh chị phòng Địa kỹ thuật thuộc Viện Nghiên cứu Thuỷ Lợi Miền Nam đã tạo mọi điều kiện làm việc để em hoàn thành tốt Luận văn Thạc sĩ này

• Cảm ơn các quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp trong Bộ môn Xây dựng, cũng như trong Khoa Kỹ thuật Cơ sở, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã tạo mọi điều kiện để em hoàn thành tốt Luận văn Thạc sĩ này

• Cảm ơn Phòng Đào tạo sau Đại học và Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn tất khoá học này

• Và cuối cùng niềm động viên tinh thần lớn nhất để em hoàn thành tốt Luận văn Thạc sĩ này là gia đình, đặc biệt là Ba Mẹ, các em đã không ngại khó khăn nuôi dưỡng, động viên và luôn hy vọng kết quả thành tích học tập ở tôi

Với khả năng và sự hiểu biết của em hiện tại chắc chắn sẽ không tránh được những sai lầm nhất định xin quý Thầy và Đọc giả bỏ qua và chỉ dẫn cho em trong việc hoàn thiện hơn nữa vốn kiến thức của mình

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI CỦA MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA ĐẤT ĐẮP NỀN ĐƯỜNG CÓ XÉT ĐẾN SỰ THAY ĐỔI CỦA ĐỘ ẨM VÀ HỆ SỐ

RỖNG TÓM TẮT

Mô đun đàn hồi của đất đắp nền đường là một thông số quan trọng phục vụ thiết kế kết cấu áo đường mềm và cứng, nó đặc trưng cho cường độ, đặc tính đàn hồi của đất nền Do đất là vật liệu có tính phân tán cao và độ rỗng chứa đầy nước và không khí, nên mô đun đàn hồi của đất nền phụ thuộc rất nhiều yếu tố như tải trọng tác dụng, độ ẩm,… Vì vậy, mục đích của đề tài là đi vào nghiên cứu sự thay đổi giá trị mô đun đàn hồi này theo độ ẩm và hệ số rỗng của đất nền, là những nhân tố thường ảnh nhất đến mô dun đàn hồi của đất đắp nền đường

Phần đầu của Luận văn sẽ đi vào nghiên cứu tổng quan tìm hiểu về các nhân tố ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi và các biện pháp xác định giá trị mô đun đàn hồi hiện nay Phần này chỉ mang tính tìm hiểu lý thuyết là chính

Phần tiếp theo sẽ đi vào xây dựng các công thức xác định mô đun đàn hồi từ thí nghiệm nén không nở hông Tiến hành thí nghiệm các loại đất khác nhau dựa vào chương trình thí nghiệm đã thiết lập Mẫu đất dùng làm thí nghiệm trong đề tài là đất cát đen, đất sét và đất á sét được lấy ở các tỉnh Tây Ninh, Bình Dương và thành phố Hồ Chí Minh

Trong phần kết luận của luận văn sẽ rút ra các nhận xét về ảnh hưởng của độ ẩm và hệ số rỗng, ảnh hưởng của áp lực nén nhanh ban đầu đến mô đun đàn hồi, đến mức độ hồi phục của đất nền, ảnh hưởng của hàm lượng và thành phần khoáng sét đến tính lún ướt của đất nền Ngoài ra tác giả cũng đưa ra các mặt hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp Đề tài chỉ mang tính chất lý thuyết và các thí nghiệm chỉ mang tính chất nền tảng cho việc nghiên cứu tiếp sau này

In the first part of the thesis, it is overview the factors influence to elastic modulus and the methods determine elastic modulus of embankment soils nowadays This part is only for reseach theory

In the next part of the thesis, the Oedometer tests are used to determine the elastic modulus of embankment soils The tested soil specimens include loose sand, sandy clay and clay, which are taken from Tay Ninh town, Binh Duong town and

Ho Chi Minh city

The conclusion of the thesis, give influence of water content and ratio voids

of soils to elastic modulus, recoverable deformation, influence of clay content and component clay of soils to subsidence, the strenght of soils Besides, the author has analyzed some limits concern of the tests and proposed for continuous researchs forward It is only the thesis reference and foundation for the next research

MỞ ĐẦU

I.Đặt vấn đề nghiên cứu 1

II.Nội dung đề tài 2

II Giới thiệu chung về đề tài nghiên cứu và sự cần thiết 2

PHẦN 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA ĐẤT ĐẮP NỀN ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1 Ảnh hưởng của tải trọng tác dụng 4

1.2 Ảnh hưởng của trạng thái ẩm của đất 6

1.3 Các phương pháp xác định trị số mô đun đàn hồi hiện nay 8

1.3.1 Phương pháp thực nghiệm xác định mô đun đàn hồi của đất 8

1.3.2 Phương pháp xác định bằng tải trọng động FWD 10

1.3.3 Phương pháp xác định bằng thí nghiệm xuyên động DCP 14

1.4 Phương pháp xác mô đun đàn hồi của nền đất trong phòng thí nghiệm 17

1.4.1 Phương pháp nén một trục không nở hông 18

1.4.2 Phương pháp nén một trục hạn chế nở hông 18

1.4.3 Phương pháp xác định từ máy nén ba trục 19

PHẦN 2: NGHIÊN CỨU ĐI SÂU VÀ PHÁT TRIỂN CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Xác định mô đun đàn hồi của đất đắp nền đường 26

2.1.1 Quan hệ ứng suất – biến dạng trong cơ học đất không bão hoà 28

2.1.2 Xác định mô đun đàn hồi của đất từ kết qủa thí nghiệm 33

2.2 Thí nghiệm nén không nở hông 37

2.3 Thí nghiệm đầm chặt Proctor tiêu chuẩn 39

3.1.2 Giới hạn Atterberg 48

3.2 Phương pháp thí nghiệm 48

3.2.1 Nội dung thí nghiệm 48

3.2.2 Xây dựng quan hệ dung trọng khô – độ ẩm 50

3.2.3 Thí nghiệm nén không nở hông 52

3.2.3.1.Tính toán kết quả thí nghiệm 52

3.2.3.2 Bảng tính toán và các đồ thị quan hệ 57

3.3 Tính toán và phân tích từ kết qủa thí nghiệm 65

3.3.1 Kết qủa tính toán cho các loại đất 65

3.3.2 Xây dựng các quan hệ từ kết qủa tính toán 72

3.3.2.1 Quan hệ mô đun biến dạng EOED với độ ẩm 72

3.3.2.2 Quan hệ mô đun đàn hồi E với độ ẩm và các quan hệ khác 74

3.3.3 Xác định mô đun đàn hồi EO ban đầu 84

3.3.4 Nhận xét và kết luận 88

PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƯƠNG 4: NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN 4.1 Nhận xét và kết luận 97

4.2 Hạn chế đề tài và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO

LÝ LỊCH HỌC VIÊN

PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Kết qủa thí nghiệm nén không nở hông của các loại đất

Phụ lục 2: Kết qủa thí nghiệm lún ướt

Phụ lục 3: Các thiết bị và một số hình ảnh thí nghiệm

MỞ ĐẦU

I ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Đất là nguồn vật liệu xây dựng phong phú và không thể thiếu trong các dự án xây dựng đường ô tô, được dùng để xây dựng phần nền đường Để đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật của nền đường như luôn giữ nền đường ổn định toàn khối tránh sự trượt lở mái taluy, lún sụt…, có đủ độ bền khi bị cắt trượt, không được tích luỹ biến dạng trong qúa trình khai thác và đảm bảo ổn định cường độ theo thời gian, chế độ thuỷ nhiệt thì cần phân tích đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đất sao cho phù hợp yêu cầu vì thành phần hạt, hàm lượng sét, tính chất, trạng thái (độ ẩm, độ chặt…) của đất ảnh hưởng rất lớn đến cường độ, độ bền và mức độ ổn định của nền đường

Với tốc độ xây dựng hệ thống đường bộ như hiện nay, các loại “đất tốt “ ổn định với nước, có cường độ cao như cát sỏi cuội,cát to, sẽ ngày một khan hiếm, đắt tiền, các giải pháp tìm nguồn vật liệu từ nơi khác tốt hơn, hay thay đổi phương án thiết kế thường đắt tiền và phức tạp Vì vậy, việc tận dụng các vật liệu địa phương là đều tất yếu trong tương lai Hiểu biết sự làm việc của các vật liệu địa phương về cường độ, độ ổn định (cụ thể ở đây là mô đun đàn hồi) dưới ảnh hưởng chế độ thuỷ nhiệt sẽ góp phần tăng thêm hiệu qủa trong việc xây dựng các tuyến đường bộ sử dụng vật liệu đất tại chổ

Hơn nữa, vào mùa khô (mùa thi công), ở các tỉnh phía Nam lớp đất dùng làm vật liệu đắp nền đường có độ ẩm tự nhiên nhỏ hơn rất nhiều so với độ ẩm tối thuận Với độ ẩm đó khó đầm nén đất đạt đến dung trong khô đạt yêu cầu thiết kế, cần phải tưới lượng nước rất lớn để đầm nén tốt Điều đó dẫn đến tốn kém và tốn nhiều thời gian thi công nên nhiều nhà thi công đã hạ thấp dung trong khô yêu cầu, công trình không đạt chất lượng Vào mùa mưa, gây hư hại cho công trình do đất ở trạng thái khô chuyển qua trạng thái ướt đột ngột

Bên cạnh đó việc xác định mô đun đàn hồi của đất nền hiện nay chỉ bằng các phương pháp thực nghiệm ở hiện trường và thí nghiệm trong phòng chưa có những rõ ràng về quan hệ giữa mô đun đàn hồi theo độ ẩm và độ chặt của đất (thông qua hệ số rỗng) Tức là mối quan hệ E =f[(w,e),σ]

Nội dung nghiên cứu của đề tài : “Nghiên cứu sự thay đổi của mô đun đàn hồi của đất đắp nền đường có xét đến sự thay đổi của độ ẩm và hệ số rỗng”

không nằm ngoài các ý tưởng đó Trong nội dung luận văn này chỉ tập trung xem xét sự ảnh hưởng của độ ẩm và hệ số rỗng đến mô đun đàn hồi của đất đắp nền đường Các vấn đề khác sẽ được nghiên cứu ở đề tài khác

II NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Nội dung đề tài được trình bày gồm 4 chương Trong đó:

- Chương 1: Giới thiệu tổng quan về mô đun đàn hồi của đất đắp nền đường,

các yếu tố ảnh hưởng đến giá trị đàn hồi và các phương pháp xác định môn đun đàn hồi hiện nay

- Chương 2: Trình bày về biện pháp nghiên cứu

Nêu cơ sở lý thuyết để xác định mô đun đàn hồi từ kết quả thí nghiệm nén không nở hông (thí nghiệm nén Oedometer)

Nghiên cứu phương pháp đầm chặt Proctor tiêu chuẩn, thí nghiệm nén không nở hông

- Chương 3: Trình bày về phương pháp thực hiện và kết qủa nghiên cứu

Giới thiệu các loại đất dùng thí nghiệm, xác định các chỉ tiêu: thành phần hạt, giới hạn Atterberg, quan hệ dung trọng - độ ẩm…

Đưa ra biện pháp thực hiện chương trình thí nghiệm, nhằm xây dựng các mối quan hệ phục vụ việc nghiên cứu

Tiến hành thí nghiệm, phân tích kết quả thí nghiệm, các biểu đồ quan hệ thu được và các nhận xét kết luận

- Chương 4: Rút ra các kết luận và kiến nghị

III GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

- Vì còn hạn chế về trang thiết bị như thiết bị thí nghiệm đo độ hút dính của đất, nên chưa xét đến độ hút dính của đất

- Chỉ tập trung nghiên cứu về sự thay đổi mô đun đàn hồi của đất đắp nền đường theo sự thay đổi của độ ẩm và hệ số rỗng, dựa trên thí nghiệm nén không nở

hông Chưa xét đến ứng xử của đất nền dưới tác dụng tải trọng động (đây là lĩnh

vực thế giới đang quan tâm nghiên cứu với các thiết bị chuyên biệt như máy nén ba trục với tải trọng tác dụng theo chu kỳ…)

- Nghiên cứu trên các mẫu thí nghiệm chế bị trong phòng, chưa xem xét các thực nghiệm ở hiện trường Các mẫu đất thí nghiệm thuộc các tỉnh : Tây Ninh, Bình

Dương và khu vực TP.HCM… là các loại đất sét, á sét, đất cát đen có thành phần

gồm các cỡ hạt có đường kính d≤ 4.75mm

Hình 1.1: Hình ảnh thi công lớp kết cấu áo đường trên nền đất sét, hạt mịn (BD02) thuộc

các tuyến đường KCN Phú Gia (huyện Bến Cát –Tỉnh Bình Dương)

Hình 1.2: San lấp KDC Hoà Lân bằng đất á sét hạt mịn (BD01)

(huyện Thuận An – Tỉnh Bình Dương)

Hình 1.3: Đường được đắp bằng đất cát đen (Xa lộ Hà Nội – TP.HCM)

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA ĐẤT ĐẮP NỀN

ĐƯỜNG Ô TÔ

Mô đun đàn hồi của đất đắp nền đường là số đo đặc tính đàn hồi của đất có thừa nhận các đặc tính phi tuyến nào đó.[11]

Mô đun đàn hồi là một thông số quan trọng phục vụ thiết kế nền đường, kết cấu áo đường mềm và cứng Nó được chọn dùng là vì các lí do sau :

+ Biểu thị đặc tính cơ bản của vật liệu dùng trong phân tích cơ học của hệ nhiều lớp để dự đoán độ gồ ghề, nứt, lún, đứt gãy…

+ Phương pháp xác định mô đun đàn hồi trong phòng đã được chuẩn hoá thành tiêu chuẩn AASHTO T292

+ Được công nhận trên toàn thế giới như là phương pháp để biểu thị đặc tính vật liệu dùng trong thiết kế vá đánh giá mặt đường

+ Hiện đã có kỹ thuật để xác định giá trị mô đun đàn hồi của các loại vật liệu khác nhau bằng thí nghiệm không phá hoại ngoài hiện trường

Bên cạnh đó, giá trị mô đun đàn hồi phụ thuộc nhiều yếu tố như thành phần hạt, tính chất cơ lý, tải trọng tác dụng, độ ẩm, dung trọng của đất, mức độ trương nở… Sau đây, ta xem xét các nhân tố ảnh hưởng mô đun đàn hồi của đất

1.1 ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG TÁC DỤNG [4]

Tải trọng tác dụng là tải trọng của các loại phương tiện truyền lên nền mặt đường thông qua các lốp xe, có đặc điểm là tải trọng động, đột ngột tức thời và trùng phục nhiều lần Qúa trình tác dụng như

vậy của tải trọng cứ lặp đi lặp lại nhiều lần với

các xe nặng khác nhau và với tần suất tác dụng

không đều Tải trọng xe chạy tác dụng có đặc

điểm như trên có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm

việc của đất nền, cụ thể là ảnh hưởng đến trị số

biến dạng và khả năng chống biến dạng của

chúng Mô đun biến dạng chính là đặc trưng

cho khả năng chống biến dạng của đất và trên

thực tế cũng dùng nó đặc trưng cho cường độä

của đất và các kết cấu áo đường Hình 1.1 : Hiện tượng lưu biến

ε =f(t) khi trị số tải trọng tác dụng thay đổi P 1 <P 2 <P 3 [4]

Hiện tượng lưu biến cũng cần quan tâm khi các loại đất đắp nền đường có tính dính nhớt và hỗn hợp có liên kết hữu cơ Qua kết qủa nghiên cứu thực nghiệm giữa

thời gian tải tác dụng và biến dạng (hình 1.1), có thể thấy rằng cùng trị số tải trọng

tác dụng nhưng thời gian tác dụng lâu thì biến dạng càng lớn, hơn nữa nếu trị số tải trọng khác nhau thì qui luật biến dạng cũng khác nhau Khi tải trọng nhỏ (P1) thì tốc độ biến dạng ngày càng giảm đi, nền đất đi vào trạng thái biến cứng Ngược lại khi tải trọng lớn (P3), sau khi tích lũy biến dạng đến một trị số nào đó thì biến dạng

đột ngột tăng lên và đất đi vào trạng thái phá hoại Như vậy, khả năng biến dạng

của đất nền tuỳ thuộc vào loại tải trọng,

và thời gian tác dụng của tải trọng đó

Tính chất động và trùng phục của

tải trọng xe chạy cũng ảnh hưởng quan

trọng đến cơ chế làm việc của đất nền,

chúng sẽ gây ra hiện tượng mỏi và tích

luỹ biến dạng dư [4] Hiện tượng mỏi

thể hiện ở chỗ các chỉ tiêu cường độ

của đất nền như sức chống cắt, sức chịu

kéo uốn sẽ giảm đi so với khi chịu tác

dụng tải trọng tĩnh Hiện tượng này

thường được chú ý xét đến trong thiết

kế các lớp áo đường Còn hiện tượng

tích lũy biến dạng dư là bộ phận biến

dạng không hồi phục của đất sẽ càng

tăng thêm theo số lần tác dụng của tải

trọng trùng phục có tính chu kì như thực

nghiệm mô tả ở (hình1.2) Dưới tác dụng của mỗi lần trùng phục, trong đất nền

phát sinh ứng suất cắt vượt quá cường độ chống trượt thì biến dạng dẻo sẽ không

ngừng phát sinh và tích lũy cho đến khi phá hoại (trường hợp 3 – hình 1.2) Cần chú

ý rằng, dù nền đất đã biến cứng, biến dạng cũng tích lũy đến một giá trị nhất định

do nền đất bị ép chặt thêm (trường hợp 1 – hình 1.2)

Như vậy, dưới tác dụng của tải trọng trùng phục trong đất nền luôn luôn phát sinh vùng biến dạng dẻo Tuy nhiên, cuối cùng chúng sẽ biến cứng hay là phá hoại tuỳ thuộc vào tốc độ gia tải của tải trọng trùng phục và trạng thái thuỷ nhiệt của

đất nền Điều này chứng tỏ, điều kiện làm việc của nền đất như khả năng chống biến

dạng, cường độ chống cắt ảnh hưởng đáng kể đến sự làm việc của kết cấu áo đường cũng như mức độ khai thác công trình

Hình 1.2 : Quy luật biến dạng của dất nền khi chịu tải trọng trùng phục 1-biến cứng, 2-biến cứng sau khi đạt đến trạng thái cân bằng mới, 3 –phá hoại [4]

1.2 ẢNH HƯỞNG CỦA TRẠNG THÁI ẨM CỦA ĐẤT [4]

Mô đun đàn hồi (đặc trưng biến dạng) của nền đường phụ thuộc vào loại đất, điều kiện chịu tải (tĩnh hay động…) cũng như độ chặt và độ ẩm của đất, đặc biệt chúng thay đổi rất nhiều theo trạng thái ẩm của đất, nhất là các loại đất có tính dẻo (càng chứa nhiều thành phần hạt sét thì càng thay đổi nhiều theo độ ẩm)

Sự thay đổi mô đun đàn hồi của đất theo trạng thái ẩm đã được nghiên cứu nhiều năm nhưng chủ yếu bằng thực nghiệm, thông qua các kết qủa thí nghiệm trong phòng và quan sát ở ngay trên các con đường thực tế Theo kết qủa nghiên cứu của bộ môn Đường ôtô và Đường thành phố của Trường đại học Xây dựng [4] thì quan hệ giữa trị số mô đun đàn hồi thí nghiệm Etn với độ ẩm tương đối a = w/ wL

có thể được biểu diễn bằng quy luật (theo tài liệu [4]):

Với đất á sét :

5

* 24

w

w

Trong đó : -w : độ ẩm tự nhiên của đất -wL : giới hạn nhão của đất

Độ ẩm của đất nền càng lớn thì cường độ của nó càng giảm và đất càng biến dạng nhiều (mô đun đàn hồi giảm) Điều đó có nghĩa là do lượng nước trong đất làm thay đổi trạng thái của đất có thể chuyển từ trạng thái dẻo cứng sang trạng thái dẻo mềm hoặc nhão Thường nếu nền đường có độ ẩm = 0 50 ÷ 0 75

L

w

w thì đất ở trạng thái dẻo cứng nhưng nếu = 0 75 ÷ 1 00

Hình 1.3 : Quan hệ giữa trạng thái cuối cùng của đất với tác dụng của tải trọng trùng phục (đất á sét bụi)

Đối với đất khô (w < 0.7wp) thì dưới tác dụng của tải trọng trùng phục có trị số tương đối lớn, p ≤ (0.45÷0.55)Pgh, nền đất trở nên biến cứng Ngược lại, nếu đất càng ẩm thì khả năng bị phá hoại càng nhiều và khả năng biến cứng càng ít, khi w

> 0.75wgh thì chỉ với tải trọng trùng phục rất nhỏ mới biến cứng được : với đất á sét bụi p ≤ 0.1pgh, đất sét p ≤ 0.09pgh, đất á cát p ≤ (0.15÷0.20)pgh

Trong nền mặt đường

ôtô, hiện tượng biến cứng

luôn được chú ý và xem xét vì

ảnh hướng đến cường độ, đặc

trưng biến dạng của nền đất

và các lớp áo đường [4]

Biến cứng là hiện tượng nền

đất dưới tác dụng của tải

trọng trùng phục nhiều lần,

lâu dài trở nên không tích

luỹ biến dạng dư nữa mà chỉ

làm việc ở trạng thái đàn

hồi Khi đất biến cứng thì độ

chặt của đất tăng thêm lên

đôi chút, nước lỗ rỗng bị đẩy

ra, bề dày màng nước giảm

đi, lực dính kết giữa các hạt đất tăng lên và cường độ đất tăng lên, đất hầu như làm việc ở trạng thái đàn hồi – nhớt, không xảy ra biến dạng dẻo mà chỉ có biến dạng hồi phục khi chịu tải Nền đường biến cứng sẽ có cường độ cao hơn, nhờ đó có thể giảm bề dày áo đường, hiện tượng biến cứng thường được xem xét khi nền đường cũ hay mới đắp bằng đất có tính dính như á cát, á sét có trạng thái ẩm thuận lợi, nền đường khô ráo, thoát nước tốt, không hoặc ít chịu ảnh hưởng của các nguồn ẩm như nước ngập, nước ngầm

Qua đó, thấy rằng: ảnh hưởng rất quan trọng của trạng thái ẩm đến cường độ và đặc trưng biến dạng của nền đường Do nền đường trong thực tế chịu ảnh hưởng của các nguồn ẩm khác nhau, biến đổi liên tục trong năm Do đó, trạng thái ẩm của nền đường cũng có thể thay đổi tuỳ theo vị trí các điểm trong nền đường (không gian) và tuỳ theo thời gian trong năm mà trạng thái ẩm sẽ thay đổi hạ thấp cường độ nền đất không ổn dịnh và có thể hạ thấp thời kỳ bất lợi nhất cũng có thể gây phá hoại nền đường.Vì vậy, cần nghiên cứu qui luật thay đổi cường độ, biến dạng nền đường theo sự thay đổi của độ ẩm nhằm giữ cho cường độ của nền đất tương đối cao và ổn định nhất

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TRỊ SỐ MÔ ĐUN ĐÀN HỒI NỀN ĐƯỜNG HIỆN NAY

Các phương pháp xác định trị số mô đun đàn hồi của nền đường hiện nay chủ yếu bằng các phương pháp thí nghiệm ở trong phòng hoặc ở hiện trường

Mô đun đàn hồi đặc trưng cho khả năng chống biến dạng của đất nền đã biến cứng dưới tác dụng tải trọng trong qúa trình xây dựng (nghĩa là nền đất làm việc trong giai đoạn đàn hồi, chỉ có biến dạng hồi phục) nên về nguyên tắc phải thí nghiệm xác định chúng sau khi được làm biến cứng sơ bộ Tuy nhiên các thí nghiệm hiện nay bằng cách gia, dỡõ tải dần dần theo từng cấp mà không cần qua biến cứng sơ bộ, kết qủa cũng không khác biệt nhiều so với cách làm có tạo biến cứng sơ bộ trước

1.3.1 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA NỀN ĐẤT TẠI HIỆN TRƯỜNG HOẶC TẠI MÁNG THÍ NGHIỆM [2]

Thường tiến hành thí nghiệm ép cục bộ từ tấm ép có đường kính D (đất nền chịu tải trọng nở hông bị hạn chế) Theo phương pháp này, trị số mô đun đàn hồi

của nền đất được xác định theo công thức (theo tài liệu [2]):

l

pD E

2

1 4

π : hệ số điều chỉnh để xét đến ảnh hưởng của tấm ép cứng

µ : hệ số poisson, được lấy bằng 0.35 đối với đất nền, 0.25 cho đa số các vật liệu làm áo đường, và 0.30 khi tính mô đun đàn hồi chung cho các lớp áo đường

Tiến hành thí nghiệm vào lúc nền đất làm việc ở trạng thái bất lợi nhất về chế độ thuỷ nhiệt, nếu thí nghiệm ở phòng bằng máng thí nghiệm thì phải tạo mẫu có điều kiện làm việc ở trạng thái bất lợi nhất Kích thước của máng thí nghiệm tối thiểu phải đảm bảo kích thước mặt bằng và chiều sâu bằng 4 lần đường kính D của tấm ép

Hình 1.4 : Sơ đồ lắp đặt thiết bị thí nghiệm tại hiện trường

Tuỳ theo đặc điểm thí nghiệm dùng

máng hay đo trực tiếp ngoài hiện trường mà sẽ

có các thiết bị chi tiết Về cơ bản, bao gồm các

thiết bị chính như sơ đồ lắp đặt thiết bị ở hình

1.4 ở trên

Kích (4) được đặt dưới khung xe tải (2)

(hay dầm của khung giá ép trên máng thí

nghiệm) để truyền tải xuống tấm ép (6)

Chuyển vị thẳng đứng đo bằng cần đo độ võng

Benkelman (1) mà mũi đo được đặt chính giữa

bàn ép Trong trường hợp này, kích phải được

đặt trên 1 giá truyền có 3 trụ đứng, giá (5) Tải

trọng trên tấm ép được đo bằng áp lực kế 3 Cũng có thể đo chuyển vị đứng có thể bằng máy thuỷ bình N:004 hoặc bằng 02 chuyển vị kế đặt ở hai bên gần mép tấm ép (đặt đối xứng), trong trường hợp này các chuyển vị kế phải được lắp trên một dàn cứng có hai gối tự xuống nền đất cách xa tấm ép và bánh xe một khoảng cách không nhỏ hơn 4D

- Trước khi thí nghiệm, tại chỗ tấm ép phải tạo sửa bề mặt cho thật bằng phẳng để tấm ép có thể tiếp xúc tốt với đất nền (có thể xoa một lớp cát mỏng 1 ÷ 2mm, loại cát cho lọt qua lỗ sàng đường kính 0.5mm) Sau đó mới tiến hành bố trí thiết bị như sơ đồ trên

- Sau khi lắp đặt thiết bị xong, tiến hành gia tải đến tải trọng P lớn nhất và giữ tải trong 2 phút rồi dỡ tải chờ đến khi biến dạng hồi phục hết (bước này chỉ là bước chuẩn bị)

- Bước vào thử nghiệm chính thức, việc gia tải được thực hiện với 3 ÷ 4 cấp cho đến tải trọng p là cấp cuối cùng, cứ gia tải 1 cấp, đợi biến dạng ổn định (tốc độ biến dạng không qúa 0.02mm/phút) thì lại dỡ tải và đợi biến dạng hồi phục ổn định thì ghi số đọc ở chuyển vị kế để tính độ biến dạng hồi phục tương ứng với cấp tải đó Tiếp tục gia và dỡû tải cấp tiếp theo

- Vẽ biểu đồ quan hệ giữa biến dạng hồi phục và tải trọng đường biểu diễn quan hệ này phải là đường cong đều, không có điểm gãy gần với đường thẳng Trên đường cong này chọn khoảng đường biểu diễn có trị số áp lực P gần với áp lực tính toán thực tế của đất nền phải chịu để tính mô đun đàn hồi E

-Trên cơ sở đó, tính trị số mô đun đàn hồi theo công thức (1.3)

Phương pháp thực nghiệm xác định mô đun đàn hồi của nền đất tại hiện trường bằng cần đo Benkelman đang được áp dụng rộng rãi ở nước ta

1.3.2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH BẰNG TẢI ĐỘNG FWD [11]

Với phương pháp thực nghiệm bằng cần đo Benkelman ở trên chỉ xác định được trị số mô đun đàn hồi tĩnh Để xét đến ảnh hưởng của tính nhớt của vật liệu và phù hợp với thực tế, dùng phương pháp đo mô đun bằng tải động FWD (fall weight deflectometer) để xác định mô đun đàn hồi nền đất dựa trên việc tạo nên các tải trọng động tác dụng

Thiết bị FWD là thiết bị đo độ võng bằng tải trọng rơi, chủ yếu dùng để đo độ võng đàn hồi và chậu võng của mặt đường dưới tác dụng của xung lực (từ khối tạ thả rơi ở các độ cao khác nhau) Thông qua thí nghiệm này có thể xác định được các kết quả:

9 Tải trọng và áp lực do thiết bị tạo ra tác dụng xuống đường

9 Chuyển vị tại 9 vị trí bắt đầu từ tâm tấm ép: 0mm; 200mm; 300mm; 450mm; 600mm; 900mm; 1200mm; 1500mm; 1800mm

9 Xác định mô đun đàn hồi bề mặt

9 Xác định mô đun đàn hồi từng lớp vật liệu và của nền đất

9 Xác định tuổi thọ của kết cấu hiện tại khi có số liệu đếm xe chính xác

9 Xác định bề dày lớp phủ tăng cường cho kết cấu hiện tại

Hình 1.5 : Đo mô đun đàn hồi bằng cần Benkelman [25]

9 Ngoài ra thiết bị còn cho phép thực hiện việc đo đạc tấm bê tông xi măng và khe truyền lưc (khi tăng cường thêm phần cần đo phụ và môt số cảm biến tăng cường)

9 Mô phỏng được tải trọng máy bay hạ cánh tác dụng xuống đường băng Như vậy, có thể xác định mô đun đàn hồi của nền đất bên dưới kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD (tại một vị trí đo võng ) theo công thức sau :

r d

P E

r FWD

*

* 4 2

Trong đó :

EFWD - mô đun đàn hồi của lớp đất nền đường (MPa)

P - Tải trọng xung của thiết bị FWD (kN)

r - Khoảng cách từ điểm đo độ võng đến tâm tấm ép

dr - Độ võng phục hồi của mặt đường tại điểm cách tâm tấm ép là r (lấy nguyên trị số đo, không cần điều chỉnh về nhiệt độ tính toán của mặt đường) (cm)

Thiết bị FWD gồm :

• - Một rơ moóc có gắn các đầu cảm ứng ghi nhận độ võng, cảm ứng tải trọng và hệ thống thủy lực điều khiển sự rơi của khối tạ để tạo xung lực tác động xuống tấm ép và truyền xuống mặt đường cần đo Bộ phận rơ moóc này được ôtô kéo theo khi

di chuyển và đo đạc Ngoài ra, trên rơ moóc có ngắn thêm bộ đo nhiệt độ không

khí và nhiệt độ bề mặt bê tông nhựa (xem các hình 1.6, 1.7 và 1.8)

• - Bộ xử lý hệ thống và máy vi tính được đặt trong xe để điều khiển rơ moóc ghi

nhận, phân tích và xử lý kết quả đo từ rơ moóc truyền lên (xem hình 1.9 và 1.10)

• - Phần mềm đo đạc FWD-WIN dùng để đo đạc và phần mềm ELMOD 5 dùng để xử lý kết quả đo

Phương pháp xác định mô đun đàn hồi bằng thiết bị FWD hoàn toàn tự động, từ việc tạo xung lực và ghi lại kết qủa đo được lưu vào máy tính, có phần mềm chuyên biệt để xử lý số liệu Thiết bị này đã có tại Việt Nam nhưng chi phí đầu tư thiết bị này còn rất mắc tiền nên chưa được áp dụng rộng rải

Hình 1.10: Bộ xử lý hệ thống 9000 system processor và máy tính

điều khiển thu nhận - xử lý kết quả đo Hình 1.9: Khối tải trọng - hệ thống truyền xung lực xuống tấm ép và thiết bị

cảm biến hồng ngoại đo nhiệt độ bề mặt BTN

1.3.3 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH BẰNG THÍ NGHIỆM XUYÊN ĐỘNG DCP (DYNAMIC CONE PENETRATION TEST) [23]

Đây là phương pháp thí nghiệm áp dụng phổ biến ở các nước châu Phi, được xem

là một trong những thiết bị thí nghiệm tại hiện trường chủ yếu nhằm xác định cường độ của đất nền, các lớp kết cấu áo đường ngoại trừ các lớp vật liệu hạt lớn (coarse gravelly material) [23] Thiết bị DCP rất đơn giản gồm có 2 thanh cần dẫn búa và cần xuyên (two rods), một thanh có đầu cán (Handle), gắn một búa có trọng lượng 8.0kg (17.6lbs) với chiều cao rơi 575mm, được nối vào cần dẫn hướng bên dưới gồm có đế nện (anvil) , trên thanh cần có khắc các vạch chia và đầu xuyên dạng hình nón góc 60o (xem hình vẽ 1.11)

Hình 1.11: Thiết bị Dynamic cone penetration test [23]

Thí nghiệm DCP cho biết cường độ của đất nền thông qua chỉ số xuyên (penetration index) là độ sâu mà mũi xuyên cắm vào đất nền sau một lần đặp búa (millimeter per blow)

Việc thí nghiệm DCP rất đơn giản, sau khi đã lắp đặt thiết bị Thí nghiệm DCP cần có hai người thực hiện, một người giữa cho thiết bị thẳng đứng và tạo ra lực va đập búa theo chiều cao rơi qui định, người còn lại ghi lại số liệu tương ứng với mỗi lần đập búa Qúa trình thí nghiệm này sẽ tiếp tục cho đến khi đủ chiều sâu xuyên qui định hoặc đã xuyên đủ chiều dài của cần xuyên Kết qủa thí nghiệm được mô

tả như hình 1.12 và hình 1.13 :

Hình 1.12: Quan hệ số lần đập và độ sâu xuyên [23]

Độ dốc của đường quan hệ trên chính là chỉ số xuyên (DCPI) thể hiện sức kháng xuyên của các vật liệu [23] Gía trị DCPI càng nhỏ thì vật liệu đó có cường độ cao,

mô đun đàn hồi lớn và ngược lại Bên cạnh đó, kết qủa thí nghiệm DCP có thể cung cấp mối quan hệ giữa cường độ đất nền theo độ sâu

Chỉ số DCPI theo độ sâu được thể hiện như hình dưới đây:

Từ kết qủa thí nghiệm DCP, có thể xác định mô đun đàn hồi của nền đất theo các công thức kinh nghiệm sau:

Hasan (theo tài liệu [23]) đã xây dựng công thức tính toán mô đun đàn hồi của

nền đất theo chỉ số DCPI cho loại đất hạt mịn:

E = 7013.065 – 2040.783ln(DCPI) (1.5)

Trong đó :

E – mô đun đàn hồi của đất nền, psi

DCPI – chỉ số thí nghiệm , inches/blow

Hình 1.13: Biểu đồ mô tả mức độ xuyên theo độ sâu [21]

George (theo tài liệu [23]) đã xây dựng mối quan hệ DCPI với mô đun đàn hồi E

xác định trong phòng thí nghiệm cho hai loại đất hạt to và đất hạt mịn :

-Với đất hạt thô (coarse grained soil)

E = ao (DCPI/logcu)a1 (wcr a2 +γdra3) (1.6)

Trong đó :

E – Mô đun đàn hồi, MPa

DCPI – chỉ số thí nghiệm, mm/blow

cu – hệ số xét đến tính đồng đều vật liệu

wcr – tỉ số độ ẩm, bằng độ ẩm của mẫu/ độ ẩm tốt nhất

γdr - tỉ số dung trọng, bằng dung trọng khô của mẫu/ dung trọng khô tốt nhất

ao, a1, a2, a3 – các thông số hội tụ

-Với đất hạt mịn (fine grained soil) :

E = ao (DCPI)a1 [γdra2 + (LL/wcr) a3 ] (1.7) Trong đó :

E – Mô đun đàn hồi, MPa

DCPI – chỉ số thí nghiệm, mm/blow

wc – độ ẩm thực tế của mẫu, %

LL – giới hạn nhão, %

γdr - tỉ số dung trọng, bằng dung trọng khô của mẫu/ dung trọng khô tốt nhất

ao, a1, a2, a3 – các thông số hội tụ

1.4 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA NỀN ĐẤT TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM [2]

Các mẫu thí nghiệm là các mẫu đất nguyên dạng hay được chế bị tương ứng với trạng thái tính toán về độ ẩm, độ chặt, nhiệt độ… Trị số mô đun đàn hồi của đất nền có thể được xác định bằng phương pháp nén một trục cho nở hông tự do hoặc hạn chế nở hông Với phương pháp nén một trục cho nở hông tự do thường áp dụng cho các loại đất có tính dính như đất cát pha sét hay đất á sét…, còn phương pháp hạn chế nở hông thường áp dụng cho các loai đất rời

1.4.1 PHƯƠNG PHÁP NÉN MỘT TRỤC NỞ HÔNG TỰ DO [2]

Dùng mẫu tròn có kích thước đường kính 5cm, cao 5cm Mẫu thí nghiệm có thể là mẫu nguyên dạng tại nền đường vừa thi công xong tương ứng với thời gian bất lợi nhất về độ ẩm, hoặc có thể là mẫu chế bị bằng đất dùng để xây dựng nền đường sao cho có độ chặt và độ ẩm giống với thực tế

Mẫu được ép trên máy nén với bàn ép có đường kính 5cm và không có khuôn (nén một trục nở hông tự do) Tăng tải một cấp cho đến trị số 2.0 ÷ 2.5 kG/cm² Sau đó dỡû tải và đo biến dạng hồi phục S Khi gia và dỡû tải đều đợi đến lúc biến dạng không qúa 0.01mm/5phút mới đọc trị số biến dạng

Gía trị mô đun đàn hồi thí nghiệm xác định theo công thức :

S

H p

Trong đó :

P – áp lực tác dụng lên mẫu khi nén, kG/cm²

H – chiều cao mẫu, cm

S là biến dạng hồi phục tương ứng với áp lực p ,cm Trị số mô đun đàn hồi E phải là kết qủa trung bình ít nhất của 3 mẫu cùng loại đất, cùng độ ẩm và độ chặt

1.4.2 PHƯƠNG PHÁP NÉN MỘT TRỤC HẠN CHẾ NỞ HÔNG [2]

Mẫu thí nghiệm là các mẫu được chế bị, được thực hiện trên máy nén kiểu đòn bẩy với mẫu đất đặt trong khuôn hình trụ có đường kính không nhỏ hơn 4 lần và chiều cao không nhỏ hơn 3 lần đường kính tấm ép Đường kính tấm ép dùng từ 4

÷5cm, thường dùng khuôn 15x15cm hay 15x20cm

Việc chuẩn bị mẫu cũng giống như trình

bày ở phần thí nghiệm nén nở hông tự do Với

mẫu chế bị cần tính toán trước khối lượng đất và

nước trộn đều với nhau, chi làm 3 ÷ 4 lần đổ vào

khuôn đầm bằng chày sắt để đạt độ chặt tính

toán Nên tạo mẫu cao hơn mặt khuôn độ 2cm Vì

vậy phải dùng khuôn có lắp đoạn khuôn mũ

Hình 1.14 : Sơ đồ lắp đặt máy nén

ép kiểu đòn bẩy

Sơ đồ lắp đặt mẫu và các đồng hồ đo chuyển vị như sơ đồ ở hình 1.14 Tải trọng được chuyển qua tấm ép đặt ở trung tâm mẫu và chất tải trọng theo từng cấp từ (3

÷ 4) cấp cho đến cấp tải lớn nhất P = 2 ÷ 2.5 kG/cm2 Cứ mỗi cấp, đợi cho biến

dạng không quá 0.01mm/phút lại dỡû tải và cũng đợi cho biến dạng hồi phục ổn định thì tiến hành đọc trị số chuyển vị để xác định biến dạng hồi phục sau mỗi cấp tải

Công thức xác định mô đun đàn hồi cũng giống như công thức (1.3) trên

l

pD E

2

1 4

π : hệ số điều chỉnh để xét đến ảnh hưởng của tấm ép cứng

µ : hệ số poisson, với đất không có biến dạng dẻo lấy 0.35, 0.25 cho đa số các vật liệu làm áo đường, và 0.32 khi tính mô đun đàn hồi chung cho các lớp áo đường

1.4.3 XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN ĐÀN HỒI TỪ MÁY NÉN BA TRỤC [18]

Hiện nay trên thế giới, thí nghiệm trong phòng dùng để phân tích sự làm việc của đất đắp nền đường, vật liệu kết cấu áo đường (base, subbase và subgrade materials) thường áp dụng thí nghiệm nén ba trục

Thí nghiệm nén ba trục cho phép xác định được giá trị mô đun đàn hồi sau khi mẫu đất (specimen) đã chịu tác dụng tải trọng lặp, bằng tỉ số giữa ứng suất tăng thêm tác dụng theo chu kỳ và biến dạng hồi phục tương ứng [18] Trong suốt quá trình thí nghiệm mẫu phải chịu ứng suất hông σ3 (a triaxial pressure chamber) là ứng suất chân không (vacuum stress) và ứng suất lệch (ứng suất tăng thêm σd) phải tác dụng lên mẫu thí nghiệm trong thời gian 0.1 giây với chu kỳ lặp lại 0.9 giây

Thí nghiệm nén ba trục bao gồm những thiết bị chính sau (hình 1.16 và 1.17):

9 Máy kiểm soát áp lực ( a pressure control panel)

9 Buồng thuỷ tinh (plexiglass triaxial cell)

9 Máy bơm thuỷ lực (a hydraulic power supply), hệ thống máy tính để kiểm soát qúa trình thí nghiệm và các thiết bị đo áp lực, biến dạng LVDT’s (linear variable deferential transducers)

Hình 1.15 : Mô hình thí nghiệm nén ba trục [18]

Hình 1.16: Hệ thống thiết bị phục vụ thí nghiệm nén ba trục [18]

9 Pressure transducer dùng để đo áp lực trong buồng ba trục , là áp lực tác dụng lên mẫu σ3 (confining sress) Thiết bị đo áp lực lỗ rỗng (pore pressure transducer) được gắn vào đầu và đáy của mẫu thí nghiệm

Các mẫu dùng thí nghiệm có đường kính D = 71mm (2.8in) ÷ 152mm (6.0in) với chiều cao mẫu từ h = 142mm (5.6in) ÷ 305mm (12in), tuỳ thuộc vào loại đất dùng thí nghiệm Cụ thể theo tiêu chuẩn AASHTO qui định có hai loại đất :

Đất Loại I là đất có ít hơn 70% lọt qua sàng N10 có đường kính 2mm và không

quá 20% thành phần hạt lọt qua sàng N200 đường kính 0.075mm, có chỉ số dẻo IP

≤ 10 Loại đất này được đầm chặt trong khuôn có đường kính 152mm (6 in)

Hình 1.17: Thiết bị thí nghiệm nén ba trục [18]

Đất loại II là là tất cả những loại đất không rơi vào trường hợp đất loại I Loại đất

này được đầm chặt trong khuôn có đường kính 71m (2.8 in)

Nếu không phải mẫu nguyên dạng thu được ngoài hiện trường, thì ta phải tiến hành đầm chặt tạo các mẫu thí nghiệm Với các loại đất khác nhau, sẽ có các qui định về biện pháp và các thiết bị đầm chặt khác nhau Các thiết bị đầm chặt này có kích thước giống với thiết bị chứa mẫu trong máy nén ba trục để thuận lợi cho việc thí nghiệm

Với đất loại I, việc đầm chặt được tiến hành bằng phương pháp đầm rung Thường áp dụng mẫu có đường kính 6.0 in và chiều cao 12 in Mẫu sẽ được đầm chặt gồm 6 lớp, chiều dày mỗi lớp 2 in Trọng lượng của mỗi lớp được tính từ

trọng lượng của toàn mẫu.(xem hình 1.18 và 1.19)

Với đất loại II, thường dùng mẫu có đường kính 2.8 in và chiều cao 5.6 in, mẫu được đầm chặt gồm 5 lớp, với chiều dày mỗi lớp 1.12 in Việc đầm chặt mẫu được tiến hành bằng thiết bị như hình vẽ bên dưới, áp dụng phương pháp đầm chặt tĩnh (static compaction) Gồm các thiết bị chính: 02 plugers, thiết bị ấn mẫu

(extrusion ram), khuôn đầm (compaction mold), các spacers (như hình 1.20 bên

dưới)

Hình 1.18: Chuẩn bị đầm chặt đất loại

I, Thiết bị đầm rung và khuôn đầm

Hình 1.19: Mẫu sau khi đã được đầm

Trước khi cho đất vào khuôn đầm cần để 01 plunger vào trong khuôn đầm Sau đó, cho lượng đất ẩm hợp lý vào khuôn, đặt tiếp 01 plunger vào khuôn đầm Hệ thống này sẽ được đặt vào khung gia tải để tác dụng lên các plunger để đầm chặt đất, việc đầm chặt xem như hoàn thành khi các plunger không còn chuyển vị Các lớp tiếp theo tiến hành tương tự Sau khi đầm xong, mẫu sẽ được đưa vào buồng nén ba trục, tiến hành thí nghiệm nén mẫu

Cùng với tốc độ phát triển của lý thuyết cơ học đất không bão hòa, ngày càng nhiều kết qủa thực nghiệm đã chứng minh tính đúng đắn của lý thuyết cơ học đất không bão hòa Trong phạm vi ngành công trình đường giao thông, cũng có rất nhiều tác giả đã áp dụng lý thuyết cơ học đất không bão hoà để nghiên cứu ứng xử của vật liệu đất đắp nền đường như giáo sư Pengcheng Fu, S.K Vanapalli,… Các viện nghiên cứu, các trường đại học của Mỹ đã nghiên cứu rất nhiều loại đất khác nhau nhằm xây dựng mối quan hệ giữa mô đun thí nghiệm ở trong phòng (bằng máy nén ba trục như trình bày ở trên) và mô đun đàn hồi xác định ngoài hiện trường như thí nghiệm Dynamic cone penetration DCP, FWD… Thí nghiệm nén ba trục với tải trọng tác dụng lặp như trình bày ở trên hiện nay đã được hiệp hội cầu đường Mỹ (AASHTO) chuẩn hoá thành tiêu chuẩn AASHTO T292 để xác định mô đun đàn hồi của đất đắp nền đường

Hình 1.20: Các thiết bị phục vụ đầm chặt cho đất loại II [16]

CHƯƠNG 2

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nội dung chương này, sẽ tập trung phân tích tìm hiểu nêu ra các cơ sở lý thuyết

tính toán mô đun đàn hồi, phương pháp đầm chặt Proctor tiêu chuẩn và thí nghiệm nén đơn không nở hông Oedometer Dựa vào cơ sở phân tích đó, xây dựng biện pháp thực hiện, các bước thí nghiệm cho từng loại đất nghiên cứu, các đồ thị quan hệ, tính toán và phân tích kết qủa sẽ được trình bày ở chương 3

Qua phân tích ở các phần trên, mô đun đàn hồi của đất đắp nền đường là một giá trị quan trọng, phụ thuộc rất nhiều yếu tố như độ ẩm, dung trọng đất đắp, tải trọng tác dụng… nên khi phân tích, nghiên cứu giá trị mô đun đàn hồi cần phải xét đến mối quan hệ ảnh hưởng lẫn nhau, đồng thời giữa các yếu tố đó Trong nội dung nghiên cứu, chỉ xét ba yếu tố: mô đun đàn hồi E, dung trọng γ, độ ẩm w và tải trọng tác dụng σ

Trong thực tế, khi đầm chặt đất ở trạng thái độ ẩm nhỏ hơn độ ẩm tối thuận vẫn có thể đạt được dung trọng khô yêu cầu và có giá trị mô đun đàn hồi cao Điều này là do lực hút dính được sinh ra giữa các hạt tạo ra ứng suất nén chặt các hạt lại với nhau Nhưng giá trị này sẽ nhanh chóng giảm đi khi đất tăng độ ẩm, nhất là đối với

loại đất có tính dính Vì vậy, việc kiểm tra quá trình đầm chặt của nền đường không

chỉ dựa vào kết qủa đo mô đun đàn hồi E mà còn phải xem xét độ ẩm và dung trọng của đất[17]

Mặc khác, dung trọng đất thể hiện tính đầm chặt của đất, bởi vì dung trọng liên quan trực tiếp thành phần hạt chứa trong đất Tuy nhiên, không có một chứng cứ chắc chắn nào cho thấy rằng dung trọng của đất có quan hệ trực tiếp đến mô đun đàn hồi E của đất Qua đường cong quan hệ giữa dung trọng khô và độ ẩm từ thí nghiệm đầm chặt Proctor, để tạo một dung trọng có thể có ít nhất 2 độ ẩm khác

nhau Điều đó chứng tỏ, việc kiểm tra quá trình đầm chặt của nền đường không chỉ

dựa vào dung trọng khô [17]

Qua phân tích trên, cần xem xét phân tích sự ảnh hưởng đồng thời giữa mô đun

hợp như độ ẩm đạt được độ ẩm tốt nhất, nhưng công đầm không đạt yêu cầu hay công đầm đảm bảo nhưng độ ẩm không đạt yêu cầu… những lí do này sẽ làm ảnh hưởng đến cường độ của nền đường, cụ thể là giá trị mô đun đàn hồi của nền đường sẽ bị thay đổi

Hình 2.1: Xác định các giá trị mô đun đàn hồi khác nhau từ đồ thị quan hệ σ -ε [17]

2.1 XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA ĐẤT ĐẮP NỀN ĐƯỜNG

Mô đun đàn hồi là giá trị đặc trưng cho tính biến dạng hồi phục của đất nền đường để nền đường vẫn đảm bảo làm việc bình thường dưới tác dụng của tải trọng

xe cộ Để xác định mô đun đàn hồi này, trước tiên cần phải xem xét hiểu rõ mối quan hệ ứng suất – biến dạng (σ -ε ) Một số kết qủa thu được từ quan hệ (σ -ε) được trình bày dưới đây:

Đất là loại vật liệu đặc biệt, nói một cách đơn giản gồm có ba pha: rắn, lỏng, khí hợp thành, có tính phân tán lớn nên mối quan hệ ứng suất – biến dạng không phải là quan hệ đàn hồi tuyến tính thuần tuý Nên có rất nhiều giá trị mô đun có thể xác định từ mối quan hệ này [17] Cần chú ý rằng, độ dốc thu được từ đồ thị biểu diễn mối quan hệ ứng suất - biến dạng (σ -ε ) không phải là mô đun đàn hồi của đất,

chỉ là giá trị cơ sở để xác định mô đun đàn hồi của đất (xem hình 2.1)

™ Độ dốc được vẽ từ gốc toạ độ O đến điểm A trên đường nén tải gọi là đường

SS (secant slope) và xác định mô đun ES (Secant modulus) tương ứng ES dùng để dự đoán chuyển vị dưới tác dụng tải trọng lần đầu như trường hợp móng đơn

™ Độ dốc là đường tiếp tuyến (tangent line) qua một điểm A trên đường cong gọi là độ dốc ST (Tangent slope) và xác định mô đun ETa (Tangent modulus) ETa dùng để tính toán độ gia tăng chuyển vị dưới tác dụng sự gia tăng tải trọng như trường hợp tăng thêm tải trọng trong nhà cao tầng

™ Độ dốc được vẽ từ điểm A đến điểm B gọi là đường dở tải SU (unloading slope) và xác định được mô đun EU (unloading modulus) EU dùng để xác định sự nở ra của đất tại đáy hố đào và đặc biệt, xác định sự độ võng hồi phục của nền đường dưới tác dụng của tải trọng là bánh xe ô tô

Như vậy, E U chính là mô đun đàn hồi của đất đắp nền đường mà chúng ta cần xác định Để đơn giản, dùng kí hiệu E để chỉ giá trị mô đun đàn hồi E U được xác định trên đường dở tải của đồ thị biểu diễn quan hệ (σ -ε)

™ Độ dốc được vẽ từ điểm B đến điểm D gọi là đường SR (reloading slope) và xác định được mô đun ER (reloading modulus), dùng để xác định chuyển vị của nền mặt đường dưới tác dụng của tải trọng bánh xe ô tô

™ Độ dốc được vẽ từ điểm B đến điểm C gọi là đường SC (cyclic slope) và mô đun EC (cyclic modulus) sẽ được xác định Được dùng để tính toán nền móng cọc chịu tải trọng động

Qua phân tích trên, có cái nhìn tổng quan về các giá trị mô đun khác nhau dựa trên đồ thị quan hệ giữa ứng suất – biến dạng, tuỳ vào trường hợp cụ thể mà ta áp dụng Mối quan hệ ứng suất – biến dạng này được xây dựng từ các thí nghiệm được tiến hành trên các thiết bị chuyên dụng, như ở phòng thí nghiệm có máy nén

ba trục, máy nén một trục không nở hông,… , ngoài hiện trường có cần đo Benkelman, phương pháp DCP, FWD,…

Do đó, giá trị mô đun đàn hồi E của đất đắp nền đường được xác định từ tỉ số giữa ứng suất tác dụng σ và độ biến dạng hồi phục đàn hồi εe tương ứng với ứng suất tác dụng σ sau khi đã dở tải hoàn toàn (xem hình 2.2) [18]:

Như vậy, để xác định mô đun

đàn hồi của đất đắp nền đường

cần xây dựng được mối quan hệ

giữa ứng suất tác dụng σ và

biến dạng đàn hồi εe tương ứng

Mối quan hệ này sẽ được xây

dựng trên thí nghiệm nén

Oedometer (nén không nở hông)

từ các mẫu đất chế bị được đầm

chặt bằng proctor tiêu chuẩn

được trình bày ở phần sau Hình 2.2: Quan hệ ứng suất (σ) – biến dạng (ε) [18]

2.1.1 QUAN HỆ ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG TRONG CƠ HỌC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA

Đất là một vật thể có tính phân tán cao và tính rỗng vốn có của chúng, luôn gồm có ba thành phần chính: rắn – lỏng – khí Khi có sự tác dụng của tải trọng bên ngoài khối đất có sự thay đổi đáng kể cả về thể tích và độ ẩm, gây ra chuyển vị ngang và chuyển vị đứng Các chuyển vị này có thể được phân tích dưới hai dạng

biến dạng chính là: biến dạng thể tích và biến hình [9] Biến hình là do sự thay đổi hình dạng khung hạt, do ứng suất tiếp τ gây ra Còn biến dạng thể tích là độ thay

đổi thể tích ∆V dưới tác dụng của tải trọng ∆σ, thường do các ứng suất pháp tuyến

σ gây ra Trong đất, sự thay đổi thể tích chủ yếu do sự thay đổi thể tích của phần rỗng (nước và khí trong lỗ rỗng) vì biến dạng hạt rất bé nên thường được bỏ qua Đất bão hoà được hình dung như một hệ nhiều pha rắn – lỏng, các hạt đất tạo thành một kết cấu với các lỗ rỗng chứa đầy nước Dưới tác dụng của gradien ứng suất, kết cấu đất sẽ biến dạng do thể tích của đất bị thay đổi Sự biến thiên thể tích của kết cấu đất biểu thị biến thiên tổng thể tích của đất, biến thiên này phải bằng tổng các biến thiên thể tích đối với pha rắn (các hạt đất) và pha lỏng Nếu ta xem như các hạt đất không nén, thì biến thiên thể tích hay sự biến dạng dưới tác dụng của tải trọng là do sự thoát nước ra từ các lỗ rỗng, làm giảm thể tích lỗ tỗng, các hạt đất sắp xếp lại

Với đất không bão hòa có thể được hình dung như một hỗn hợp gồm hai pha đạt đến cân bằng dưới tác dụng của gradien ứng suất (các hạt đất và mặt ngoài căng) và hai pha chảy dưới tác dụng của gradien ứng suất (khí và nước) Dưới tác dụng của gradien ứng suất thì đất cũng sẽ biến dạng do biến thiến thiên thể tích Nhưng biến thiên thể tích này bằng tổng các biến thiên thể tích của từng pha : khí, nước và mặt ngoài căng (xem như các hạt đất không nén) [8] :

VO – Thể tích tổng ban đầu của phân tố đất không bão hòa

Vv – Thể tích của phần lỗ rỗng của đất

Vw – Thể tích nước chứa trong lỗ rỗng của đất

Va , Vc – Thể tích khí chứa trong lỗ rỗng và thể tích mặt ngoài căng của đất Chấp nhận giả thiết rằng, biến thiên thể tích của mặt ngoài căng là thuộc bên trong phân tố, biến thiên thể tích sẽ là :

Công thức trên làm cơ sở để thiết lập các quan hệ ứng suất - biến dạng sau này cho loại đất không bão hòa Trong thực tế, biến thiên thể tích tổng và thể tích nước thường đo đạc được, còn biến thiên thể tích khí được tính toán

Xét một phân tố đất theo hai phương có kích thước vô cùng nhỏ dx, dy, dz lần

lượt theo các hướng x, y, z Chỉ có hai hướng x và y được nhìn thấy như trong hình

Hình 2.3: Tịnh tiến và biến dạng của một phân tố đất hai hướng ở đất không bão hoà [8]

Phân tố chưa biến dạng

Phân tố bị biến dạng