Nghiên cứu xác định hệ số nhớt của các loại đất dính có nguồn gốc sườn tán tích ở khu vực nam trung bộ

- Nội dung chính của luận văn: ƒ Tổng quan các phương pháp thí nghiệm xác định hệ số nhớt η của đất, chọn phương pháp thí nghiệm áp dụng của luận văn... CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHI

-

TRẦN THANH TÚ

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT CỦA CÁC LOẠI ĐẤT DÍNH CÓ NGUỒN GỐC SƯỜN - TÀN TÍCH

Ở KHU VỰC NAM TRUNG BỘ

CHUYÊN NGÀNH : CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT YẾU

MÃ SỐ : 31.10.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 9 NĂM 2006

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1: PGS.TS TRẦN THỊ THANH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 2: GS.TSKH NGUYỄN VĂN THƠ

CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1: ………

CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2: ………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ……… tháng ……… năm 2006

&'()* -' $B #*$&!C) D (% <E#$ $!C = #$5( η %78 < = GB#$ % ( #*7 H# * =% @5#I # B%$

! " #

$

6 *++) 5 7 7 8 9 &: ; <, : - (

;-MƠ Ở Û Đ A Ầ ÀU

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

ể thực hiện công nghiệp hoá – hiện đại hoá đất nước thì đòi hỏi phải có sự phát triển đồng đều giữa các vùng, miền Nam Trung Bộ bao gồm các tỉnh Bình Định, Phú Yên, Khánh Hoà, Ninh Thuận và Bình Thuận là một khu vực có nhiều tiềm năng phát triển kinh tế Tuy nhiên điều kiện thiên nhiên rất khắc nghiệt, thường xuyên có lũ vào mùa mưa và khô hạn vào mùa nắng, vì thế việc xây dựng các công trình thường gặp vấn đề về ổn định trượt, đặc biệt là vào mùa mưa thường xuất hiện trượt từ đó xuất hiện lũ quét, lũ bùn đất rất nguy hiểm

Đ

Những điều kiện về khí hậu, địa hình và địa chất của khu vực nghiên cứu:

- Địa hình đồi núi, sông ngắn và dốc

- Địa chất không đồng nhất, cấu tạo địa chất trên nền các đá trầm tích lục nguyên, đá phun trào, đá biến chất và đá xâm nhập sâu, các loại đất được thành tạo thường có tính chất cơ lý đặc biệt (trương nở, co ngót, …) hiện nay vẫn chưa nghiên cứu đuợc hết các tính chất đặc biệt này

- Khí hậu khô hạn, thiếu nước, mùa khô và mùa mưa không đồng đều trên khu vực

Do vậy, việc xây dựng các công trình hồ chứa, hồ thuỷ điện, đường giao thông để mục đích phát triển kinh tế, sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên nước phục vụ cho công tác tưới và cung cấp nước là cần thiết Với những đặc điểm kể trên, hiện nay các đập dâng trong các công trình hồ chứa, công trình thủy điện, công

Nghiên cứu các tính chất của đất trong khu vực này GS TSKH Nguyễn Văn Thơ, PGS TS Trần Thị Thanh [4] đã đi sâu về việc sử dụng các lọai đất tại chỗ để đắp đập ở Tây Nguyên, Nam Trung Bộ và Đông Nam Bộ Một số các nhà khoa học khác như: TS Phạm Văn Thìn, TS Tô Văn Lận, TS Lê Xuân Roanh cũng đã nghiên cứu về tính chất cơ lý của một số lọai đất đặc biệt ở miền Trung và Tây Nguyên như đất trương nở, co ngót, nhiễm mặn, đất lẫn nhiều dăm sạn,

Các sự cố xảy ra trong quá trình xây dựng, quá trình sử dụng các công trình trong thời gian qua cũng đã được nhiều nhà khoa học, các cơ quan khoa học tham gia nghiên cứu, tìm ra những nguyên nhân gây ra sự cố của công trình như: khảo sát, thiết kế, thi công và tính chất đặc biệt của đất trong khu vực Tuy nhiên các số liệu để dự báo sự ổn định lâu dài của công trình chưa có nhiều, mà đặc biệt là các thông số của hiện tượng từ biến, trong đó có hệ số nhớt (η) của đất Do đó việc nghiên cứu xác định hệ số nhớt của các loại đất là rất cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cho việc tính toán tốc độ chuyển vị của đất nền khi ngoại lực tác động, tính toán, dự báo chuyển vị lâu dài của sườn dốc, mái dốc, đập đất, …

II MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

- Mục đích của luận văn là nghiên cứu xác định, nghiên cứu sự thay đổi hệ số nhớt của các loại đất có nguồn gốc sườn – tàn tích ở khu vực Nam Trung Bộ

- Nội dung chính của luận văn:

ƒ Tổng quan các phương pháp thí nghiệm xác định hệ số nhớt η của đất, chọn phương pháp thí nghiệm áp dụng của luận văn

ƒ Thí nghiệm xác định hệ số nhớt η của đất có cấu trúc tự nhiên ở khu vực Nam Trung Bộ

ƒ Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đất (mẫu đất có cấu trúc tự nhiên và mẫu đất có cấu trúc nhân tạo (chế bị)) đến hệ số nhớt của cùng một loại đất có độ ẩm, dung trọng như nhau

ƒ Nghiên cứu ảnh hưởng của độ bão hoà nước G đến hệ số nhớt của cùng một loại đất và có dung trọng khô không đổi

ƒ Nghiên cứu sự thay đổi hệ số nhớt η của đất theo độ sệt B, theo thời gian (theo mức độ cố kết Ut)

III CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

ƒ Cách tiếp cận: Đề tài luận văn nghiên cứu xác định hệ số nhớt của đất sườn –

tàn tích trên một vùng lãnh thổ rộng, do đó để tăng hiệu quả nghiên cứu, tác giả chọn cách tiếp cận thực tiễn, kế thừa kiến thức, kinh nhiệm, phương pháp của các nghiên cứu trước một cách có chọn lọc [6, 7, 9, 11, 12]

ƒ Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp lý thuyết: Tổng hợp và sử dụng các lý thuyết về thí nghiệm

các tính chất cơ bản của đất, thí nghiệm xác định hệ số nhớt η của đất và từ đó rút ra để sử dụng trong luận văn

- Phương pháp thực nghiệm: Vì đề tài mang tính thực nghiệm cao nên đây

là phần hết sức quan trọng, mang tính chủ đạo của luận văn Tác giả tiến hành thí nghiệm mẫu đất trên các thiết bị của phòng thí nghiệm để thực hiện luận văn

- Phương pháp tổng hợp và phân tích số liệu, khảo sát hiện trường

IV GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu xác định hệ số nhớt của đất cũng đã được một số tác giả nghiên cứu như Bussman, N.N.Mác-Slôp, Karaulova 3.M [11, 12], Nguyễn Văn Thơ [5], Lê Bá Lương [2] đã nghiên cứu về hệ số nhớt của một số loại đất ở Nga Gần đây các tác giả Trần Thị Thanh, Nguyễn Việt Tuấn, Nguyễn Giang Thanh [7] nghiên cứu về hệ số nhớt của một số loại đất đặc trưng ở Đồng bằng Sông Cửu Long, tác giả luận văn và một số người khác có thí nghiệm hệ số nhớt η của đất đỏ Bazan ở Lâm Đồng

Các phương pháp thí nghiệm để xác định hệ số nhớt của đất hiện nay như: Phương pháp cho mẫu đất biến dạng trượt ngang với tốc độ V không đổi; Phương pháp nén viên bi (do Karaulova 3.M đề nghị) và phương pháp nén cố kết (do

ThS.NCS Nguyễn Việt Tuấn đề nghị [6]) Do đó phạm vi nghiên cứu của luận văn là dùng phương pháp nén cố kết, nén đơn một trục không nở hông để thí nghiệm xác định hệ số nhớt η của các loại đất có nguồn gốc sườn - tàn tích ở khu vực Nam Trung Bộ có cấu trúc tự nhiên, cấu trúc nhân tạo (chế bị mẫu có cùng độ ẩm - độ chặt) và theo mức độ bão hoà G của đất

Tác giả chỉ nghiên cứu một số lọai đất sườn tàn tích mang tính chất đặc trưng

ở khu vực Nam Trung Bộ Yêu cầu thời gian thí nghiệm để xác định hệ số nhớt là rất nhiều, nhưng thời gian làm đề tài quá ngắn do vậy số lượng mẫu để thí nghiệm sẽ hạn chế Chưa có điều kiện và thời gian để thí nghiệm các loại đất ở những khu vực khác để có số liệu so sánh, vì vậy tác giả sẽ so sánh với những kết quả có trước

ở trong nước và nước ngoài để có cái nhìn tổng quát hơn

V CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Cấu trúc của luận văn gồm các chương sau:

Chương 1: Tổng quan về đặc điểm địa chất công trình của các loại đất dính

Chương 2: Một số phương pháp thí nghiệm xác định hệ số nhớt η của đất

Chương 3: Thí nghiệm xác định hệ số nhớt η của đất dính có nguồn gốc

sườn - tàn tích ở khu vực Nam Trung Bộ và nghiên cứu ảnh hưởng của cấu

Chương 4: Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của độ bão hoà nước G đến hệ

Kết luận và kiến nghị

TỔNG QUAN ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH CỦA CÁC

LOẠI ĐẤT DÍNH CÓ NGUỒN GỐC SƯỜN-TÀN TÍCH

Ở KHU VỰC NAM TRUNG BỘ

Nguồn gốc và tính chất các loại đất ở Nam Trung Bộ, Miền Trung, Đông Nam Bộ và Tây Nguyên nói chung, đã được nghiên cứu bởi nhiều tác giả Bộ Thủy Lợi trước đây cũng đã tổ chức nhiều hội nghị chuyên về sử dụng đất đắp đập, đáng chú ý là “Hội nghị chuyên đề nghiên cứu đất Bazan trong xây dựng Thủy lợi” được tổ chức tại Đắk Lắk năm 1979 và “Hội thảo khoa học sử dụng đất đắp đập ở miền Trung”, tổ chức tháng 04/ 1994 tại Nha Trang Các kết quả nghiên cứu của GS TSKH Nguyễn Văn Thơ, PGS TS Trần Thị Thanh, kỹ sư Nguyễn Văn Tài và một số tác giả khác đã tổng hợp được nhiều đặc điểm địa chất công trình của các loại đất thường dùng để làm vật liệu đất đắp Nam Trung Bộ Các loại đất thường gặp trong khu vực nghiên cứu nói trên có thể chia thành 06 nhóm chính được mô tả dưới đây:

1.1./ Nhóm 1: Các trầm tích cổ và trẻ (aQ) phân bổ ở các thung lũng sông

lớn, nhỏ như sông PôCô, sông Ba

Các lớp đất bên trên là những trầm tích sông hiện đại, phân bổ ở các lòng sông và bãi bồi, chúng chưa đựơc cố kết tự nhiên tốt Chủ yếu là các lớp bùn sét, bùn á sét, cát rời kém chặt

1.2./ Nhóm 2: Sườn tàn tích (edQ) và tàn tích (eQ) trên đá bazan trẻ

(bQII-IV)

Loại đất này phân bổ rộng rãi ở vùng Xuân Lộc, Long Khánh, Vĩnh Cửu v v Do bị phong hoá muộn, thời gian chưa đủ để phong hoá triệt để thành đất, nên lớp phủ phong hoá sườn tàn tích, tàn tích rất mỏng (từ 1 m đến nhỏ hơn 5m), thường là sét pha, lẫn dăm, đá cục, đá tảng Phần dưới của lớp đất phủ này là đá Bazan lỗ rỗng xen kẹp đặc sít, phân bổ không có qui luật và chiều dày rất không đều

1.3./ Nhóm 3: Sườn tàn tích (edQ) và tàn tích (eQ) trên đá bazan cổ (bN2 -

QI)

Nhóm này phân bổ rộng rãi ở Tây Nguyên (Đắùk Lắk, Gia Lai) và vùng Nam Trung Bộ, Đông Nam Bộ (Bình Phước) chiều dày lớp sườn tích, tàn tích khá lớn (từ 10 m đến 30m) và tùy thuộc vào vị trí địa lý, địa hình Phần đá gốc thường là đá Bazan đặc sít, xen lẫn ít Bazan lỗ rỗng

Lớp 1 (edQ): Sét màu nâu đỏ, có chứa khoảng 5 % sạn laterit dạng hình cầu

cứng chắc, chiều dày trung bình của lớp từ (2-5)m Đất tự nhiên có hệ số rỗng cao, độ chặt khô thấp

Lớp 2 (eQ): Sét màu nâu đỏ, có chứa khoảng (20 - 60) % sỏi sạn Laterit cứng

chắc, kích thước chủ yếu từ (1- 3) cm, chiều dày trung bình từ (2 - 4) m Lớp này có mặt không đầy đủ trên mặt cắt: ở những khu vực địa hình cao (cao trình > 190 m)

nhử ụỷ Bỡnh Phửụực, Laõm ẹoàng raỏt thửụứng gaởp; ụỷ caực khu vửùc ủũa hỡnh thaỏp (cao trỡnh

< 190 m) nhử ụỷ ẹoàng Nai, Baứ Rũa – Vuừng Taứu lụựp naứy chổ xuaỏt hieọn raỷi raực Lụựp 2 chổ khaực lụựp 1 laứ coự haứm lửụùng soỷi saùn nhieàu hụn neõn ủoọ aồm nhoỷ hụn, ủoọ chaởt cao hụn so vụựi lụựp 1

Lụựp 3( eQ): Seựt maứu naõu ủoỷ nhaùt, naõu vaứng, xaựm xanh tớm, ủoỏm traộng laón ớt

daờm ủaự phong hoaự soựt, chieàu daứy lụựp naứy tửứ (10- 20) m ủaỏt coự ủoọ aồm raỏt cao, ủoọ roóng lụựn

Kieồu maởt caột vaứ keỏt quaỷ ủaàm neọn Proctor cuỷa caực lụựp ủaỏt ủửụùc bieồu thũ treõn caực hỡnh (1-1a, 1-1b vaứ 1-1c)

Goàm 4 lụựp:

1./ S-ờn tàn tích: Sét, sét pha màu nâu đỏ lẫn khoảng 5 % sạn laterite nhỏ (dày 2 ữ 5) m

2./ Tàn tích: Sét, sét pha màu nâu đỏ lẫn (20 ữ 50) % dăm sạn laterit dày (1

ữ 3) m

3./ Sét, sét pha màu đỏ nhạt, đỏ tím

4./ Tàn tích: Dăm Bazan phong hóa lẫn

ít sét màu xám xanh, xám nâu

(Tổng chiều dày trung bình từ (10 ữ 20)

Độ ẩm tối ưu W op = (26.0 - 30.0)%

Dung trọng khô γ cmax = (1.28 - 1.35 )g/cm 3

Hình 11b: Kết quả thí nghiệm đầm nện Proctor đất sườn tàn tích trên đá Bazan

Độ ẩm tối ưu W op = (26.0 - 30.0)%

Dung trọng khô γ cmax = (1.45 - 1.60 )g/cm 3

1.4./ Nhóm 4: Sườn tàn tích (edQ) và tàn tích (eQ) trên đá phún trào (Đaxit,

Andêrit, Riolit, J3 - K1)

Phân bổ rải rác, phổ biến nhưng gián đoạn khắp nơi trên khu vực nghiên cứu, chiều dày lớp phong hoá bé (từ 1 m đến 5 m) nên khó sử dụng và không được nghiên cứu chi tiết

1.5./ Nhóm 5: Sườn tàn tích (edQ) và tàn tích (eQ) trên đá trầm tích lục

nguyên sét bột kết, cát kết (J1 - 2)

Nhóm đất này phân bổ rộng rãi và khá liên tục ở các vùng Bảo Lộc, Bình Phước, Đồng Nai, Khánh Hoà v v Chiều dày lớp phong hoá khá lớn, nên được nghiên cứu kỹ lưỡng và là nguồn vật liệuchính để đắp các đập ở công trình thủy điện Trị An, các hồ chứa nước địa phương Đặc điểm của tầng phong hoá này là: nếu phân bổ trên những đồi thoải thì lớp mặt có chứa nhiều dăm sạn laterit, nếu được phân bổ trên vùng sườn núi dốc thì hàm lượng laterit không đáng kể Tổng chiều dày trên toàn mặt cắt khoảng (8.0 - 15.0) m

Lớp 1 (edQ): Sét màu nâu đỏ, ít đốm trắng, có chứa khoảng (30 - 70)% dăm

sạn laterit, chiều dày trung bình của lớp từ (2 - 3) m

Lớp 2 (eQ): Sét xám trắng, loang lỗ nâu đỏ, có chứa (15 - 30) % dăm sạm

laterit, chiều dày trung bình của lớp từ (3 - 5) m

Lớp 3: Sét màu vàng, xám trắng, xám nâu, nằm dưới lớp 2 Chiều dày lớp

trung bình từ (3 - 5) m

Kiểu mặt cắt và kết quả đầm nện Proctor của các lớp đất được biểu thị trên các hình (1-2a, 1-2b và 1-2c)

4./ Tàn tích: Dăm cục đá gốc phong hoá lẫn sét pha màu vàng nâu, xám nâu, xám

đen

(Toồng chieàu daứy trung bỡnh tửứ (5 ữ 15) m

Đá sét bột kết: Cát bột kết cứng nhắc, mặt lớp nứt nẻ mạnh

Hình 1-2b: Kết quả thí nghiệm đầm nện Proctor đất sườn - tàn tích phong hoá từ sét

bột kết, cát bột kết - Lớp 1

Độ ẩm tối ưu W op = (16.0 - 18.0)%

Dung trọng khô γ cmax = (1.78 - 2.05 )g/cm 3

Độ ẩm tối ưu W op = (24.0 - 26.0)%

Dung trọng khô γ cmax = (1.53 - 1.62 ) g/cm 3

Hình 1-2c: Kết quả thí nghiệm đầm nện Proctor đất sườn - tàn tích phong hoá từ sét

bột kết, cát bột kết - Lớp 2 &3

1.6./ Nhóm 6: Đất sườn tàn tích (edQ) và tàn tích (eQ) trên đá xâm nhập

(Granit, Granodiorit .)

Nhóm đất này phân bổ rộng rãi và khá liên tục tạo thành các khoảng rỗng lớn ở Bình Định, Khánh Hoà, Bảo Lộc, Định Quán, Bình Thuận Nhiều công trình đã sử dụng lọai đất này để đắp đập như Hàm Thuận - Đa Mi, Đơn Dương, Sông Quao, Cà Giây Chiều dày tầng phong hóa trên đá granit rất thay đổi, tùy theo khí hậu khu vực, có nơi chiều dầy từ (5 - 15) m như ở Bình Thuận, Ninh Thuận Có nơi tầng phong hóa rất dày từ (15 - 30) m như ở Lâm Đồng, Bình Phước Phân lọai các lớp đất theo thứ tự từ trên xuống theo tính chất cơ lý của chúng như sau:

Lớp 1 (edQ): Sét màu xám, nâu đỏ, lẫn ít sạn nhỏ thạch anh Chiều dày trung

bình của lớp từ (2 - 5) m

Lớp 2 (eQ): Sét pha xám vàng lẫn ít dăm sạn đá gốc phong hóa, nằm dưới

lớp 1 , chiều dày trung bình từ (5 - 10) m

Lớp 3: Lớp này nằm dưới lớp 2, thành phần là cát pha ít bụi sét lẫn ít dăm

sạn, đá gốc, rời rạc và có tính thấm lớn, lâu nay thường không được sử dụng để đắp đập Thực tế có thể sử dụng lớp này bằng cách pha trộn với lớp 1 và lớp 2 vừa tăng dung trọng đấp đắp, vừa tăng cường độ chịu tải, giảm tính trương nở và bảo đảm được tính chống thấm của đất đắp

Kiểu mặt cắt và kết quả đầm nện Proctor của các lớp đất được biểu thị trên các hình (1-3a, 1-3b và 1-3c)

Gồm 04 lớp:

1./ S-ờn tàn tích: Sét màu xám vàng, nâu đỏ, lẫn ít sạn thạch anh nhỏ, dày (2 ữ 5) m

4./ Tàn tích: Dăm cục, tảng granite phong hóa (10 ữ 20)% cát sét trong khe

m Toồng chieàu daứy trung bỡnh (10 ữ 30) m

Hình 1-3b: Kết quả thí nghiệm đầm nện Proctor đất sườn - tàn tích trên đá Granit,

Granodiorit (kiểu 1) - Lớp 1

Độ ẩm tối ưu W op = (20.0 - 24.0)%

Dung trọng khô γ cmax = (1.57 - 1.63 )g/cm 3

Độ ẩm tối ưu W op = (16.0 - 18.0)%

Dung trọng khô γ cmax = (1.67 - 1.78 ) g/cm 3

Hình 1-3c: Kết quả thí nghiệm đầm nện Proctor đất sườn - tàn tích trên đá Granit,

Granodiorit (kiểu 1) - Lớp 2

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP THÍ M NGHIỆM XÁC ĐỊNH

HỆ SỐ NHỚT ( η ) CỦA ĐẤT DÍNH

H

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ THIẾT LẬP PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT (η) CỦA ĐẤT DÍNH

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ THIẾT LẬP PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT (η) CỦA ĐẤT DÍNH

Hệ số nhớt η của đất là hệ số sức chống lại bên trong đối với sự chuyển dịch của các hạt trong đất khi chịu tác dụng của ngoại lực Chỉ khi đất bị biến dạng thì độ nhớt mới thể hiện

Hệ số nhớt η của đất là hệ số sức chống lại bên trong đối với sự chuyển dịch của các hạt trong đất khi chịu tác dụng của ngoại lực Chỉ khi đất bị biến dạng thì độ nhớt mới thể hiện

Trong cơ học đất nền móng hệ số nhớt η được sử dụng để tính toán tốc độ chuyển vị của đất nền khi chịu tác động của ngoại lực

Trong cơ học đất nền móng hệ số nhớt η được sử dụng để tính toán tốc độ chuyển vị của đất nền khi chịu tác động của ngoại lực

Theo Newton, trong môi trường dịch thể nhớt lý tưởng, tốc độ chảy nhớt vz ở độ sâu z kể từ mặt lớp có chiều dày d (trong trường hợp đơn giản khi ứng suất tiếp

τz = const và hệ số nhớt ηz = η1 = η = const) được xác định theo công thức:

Theo Newton, trong môi trường dịch thể nhớt lý tưởng, tốc độ chảy nhớt vz ở độ sâu z kể từ mặt lớp có chiều dày d (trong trường hợp đơn giản khi ứng suất tiếp

τz = const và hệ số nhớt ηz = η1 = η = const) được xác định theo công thức:

M ỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH

H Ệ SỐ NHỚT ( η ) CỦA ĐẤT DÍNH

(

z

V τ d z)η

Theo Bingam-Sveđôp, đối với môi trường đàn hồi-dẻo-nhớt, có sức kháng

ban đầu (tức là τlim ≠ 0 theo quan điểm N.N.Mác-Slôp), khi ứng suất pháp không thay đổi theo chiều sâu lớp (Pz =const) ta sẽ có :

(

z

V τ d z)η

Theo quan điểm của N.N.Mác-slôp, chuyển vị từ biến xảy ra khi ứng suất

tiếp τ > τlim tức là Δτ = τ- τlim ≠ 0

lim 0

Từ các công thức trên ta có thể rút ra công thức tính toán η :

* Đối với đất dẻo nhão (τ lim = 0):

d V

im l

0 0

ττ

τ

Từ các công thức (2-7) và (2-8) người ta nghĩ ra phương pháp thí nghiệm để xác định η

P

Hình 2-1a: Mô hình nhớt lý tưởng của Newton

P

Hình 2-1b: Mô hình đàn hồi –dẻo – nhớt của Birgam-Sveđốp

Hình 2 -1c: Sơ đồ tính toán để xác định đặc trưng từ biến của đất trong điều

1- Lớp biến dạng; 2- Lớp cố định

2.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT (η) CỦA ĐẤT LOẠI SÉT

2.2.1 Phương pháp cho mẫu đất biến dạng trượt ngang với tốc độ V không đổi [5, 11]

Thí nghiệm có thể thực hiện trên máy cắt phẳng kiểu Mác-slốp, hoặc kiểu khác nhưng cần có điều kiện để nâng cao thớt di động khỏi thớt cố định một khoảng cách d = 1,5 ÷ 2cm, nhằm tạo cho mẫu đất có thể trượt ngang tự do theo chiều cao d đó Mẫu thí nghiệm được bọc trong bao cao su mỏng nhằm chống khô đất và lắp mẫu vào máy như thí nghiệm cắt thông thường, xung quanh mẫu đất ở đoạn d người ta lồng vào những vòng thép mỏng độ 1,5mm nhằm không cho đất phình ra dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng P Các vòng lá thép không tiếp xúc nhau nhằm tránh ma sát và bảo đảm cho mẫu đất được trượt ngang tự do đoạn d, sơ đồ ở hình (2-2a)

Sau khi đặt tải trọng thẳng đứng P, bắt đầu tác dụng tải trọng làm cho mẫu chuyển vị theo phương ngang Bằng cách điều chỉnh tải trọng ngang (cũng là điều chỉnh ứng suất cắt τ) làm cho mẫu biến dạng ngang với tốc độ không đổi vo = const Tốc độ chuyển vị ngang có thể chọn a.10-5 ; a.10-6; a.10-7 cm/s

Từ số liệu thí nghiệm vẽ đồ thị biểu diễn quan hệ giữa ứng suất cắt τ và biến dạng λ với thời gian t (hình 2-2b)

Trên đường quan hệ τ = f(t) nằm trong phạm vi đường thẳng của quan hệ λ= f(t) (tức là khi Vo = const) ta chọn đoạn Δτ ứng với thời gian đó và tính :

d

V0

τ

Phương pháp này mang đặc trưng chung và thích hợp để thí nghiệm các mẫu nguyên dạng cũng như mẫu chế bị Ưu điểm của nó là xác định được hệ số nhớt động, được mô hình hóa những điều kiện làm việc của đất dưới tác dụng của ứng suất cắt Thí nghiệm xác định hệ số nhớt động ở đây tương ứng với trường hợp đặt tải trọng trượt theo mặt trên của lớp biến dạng khi không thay đổi giá trị chiều cao

d của mẫu và tải trọng thẳng đứng P

Hình 2-2a: Sơ đồ thí nghiệm trượt ngang

2.2.2 Phương pháp nén viên bi (do Karaulova 3.M đề nghị) [5, 12]

Nội dung phương pháp này là quan sát tốc độ lún chìm vào đất của một viên

bi có dạng nửa quả cầu Phương pháp này dùng thích hợp cho đất có cấu trúc nhân tạo, đất dẻo chảy

Dụng cụ thí nghiệm rất đơn giản (hình 2-3a), gồm một thanh thép hình trụ có thể trượt tự do theo một khe hở thẳng đứng Ở cuối thanh có gắn viên bi bằng thép đối với đất chặt hoặc bằng vật liệu dẻo đối với đất yếu (rất nhẹ và đường kính lớn) Đường kính của viên bi từ 0.5-1.5 cm Đầu trên của thanh có gắn với bệ để gia tải và có gắn với bộ phận để đo lún của bi vào đất Trọng lượng của toàn bộ hệ thống gồm: thanh trượt, đĩa gia tải, bi vào khoảng 500g

Khi bắt đầu thí nghiệm, người ta ấn viên bi ngập một nửa đường kính vào đất, sau đó để nó lún tự do vào đất Quan sát, ghi chép độ lún λ theo thời gian t và vẽ biểu đồ quan hệ λ =f(t), (hình 2-3b)

Trên biểu đồ ta chọn một đoạn có dạng đường thẳng, tức là ở đó tốc độ lún của bi không đổi (V = const), để xác định tốc độ biến dạng tính toán Vtt:

Trong đó Δλ trị số độ lún của bi vào đất sau thời đoạn Δt

Hệ số nhớt của đất khi Vtt = const được tính toán theo công thức của Stock:

γd: Khối lượng thể tích của mẫu đất, g/cm3

γbi: Khối lượng thể tích của viên bi, g/cm3

pt ht bi

Qpt: Khối lượng đặt thêm lên đĩa gia tải

Vbi = 4/3πr3 (cm3); d = 2r (đường kính viên bi)

Phương pháp nén viên bi rất đơn giản và kết quả thu được cũng gần đúng với phương pháp cho mẫu đất biến dạng trượt ngang với tốc độ V không đổi

Hình 2-3a: Dụng cụ dùng để xác định hệ số nhớt động của đất

bằng phương pháp nén bi

Bảng2.1: Một số kết quả xác định hệ số nhớt của các nhà khoa học nước ngoài

Tác giả, năm Loại đất

Độ ẩm

W, %

Giới hạn chảy

W L ,

%

Giới hạn dẻo

W P ,

%

Chỉ số dẻo

I P , %

Trạng thái của đất

Độ bão hoà

G, %

Hệ số nhớt

η, Poise

Á sét (sườn tích)

Sét 17÷23 42÷45 22÷26 10÷19

Cứng

&Nửa cứng 95÷99 (1-5).10

Sét pha

&Cứng

6,5.10 13 ÷ 1,0.10 14

Ter-Sepan,

Nửa cứng

&Cứng

6,5.10 13 ÷ 1,0.10 14

2.2.3 Phương pháp nén cố kết trên máy nén một trục không nở hông (do ThS NCS Nguyễn Việt Tuấn đề nghị) [6]

2.2.3.1 Sơ lược về thí nghiệm nén cố kết một trục không nở hông (thí nghiệm oedometer)

Quá trình nước lỗ rỗng trong đất dính bão hoà thoát ra do tải trọng tác dụng tăng lên gọi là quá trình cố kết Thể tích giảm dần cho tới khi áp lực nước lỗ rỗng ở bên trong đạt cân bằng

Thiết bị cố kết là máy nén mộït trục không nở hông, gồm có:

9 Dao vòng cố kết được lắp giữ chặt va loại trừ sự nở hông của mẫu thử Dao vòng làm bằng kim loại chống ăn mòn Dao vòng có gờ cắt để làm cho việc chuẩn bị mẫu thử được dễ dàng, mặt trong của dao nhẵn bóng Đường kính trong của dao vòng phải không nhỏ hơn 50 mm và không lớn hơn 105 mm chiều cao của dao vòng không nhỏ hơn 18 mm và không lớn hơn 4 lần đường kính trong

9 Những bản có lỗ (đĩa rỗng) không gỉ để đặt ở mặt trên và mặt đáy mẫu thử Độ rỗng của chúng cho phép thoát nước tự do suốt thí nghiệm , nhưng ngăn cản được sự thâm nhập của nước vào trong các lỗ Bề dày của các bản phải đủ để không bị vỡ dưới tải trọng và vật liệu làm bản không bị nén đáng kể dưới các tải trọng tác dụng trong thời gian thí nghiệm Các bề mặt trên và dưới đều phẳng, sạch và không bị hư hỏng Đường kính của đĩa rỗng ở đỉnh thì nhỏ hơn 0,5 mm so với đường kính trong của các dao vòng cố kết, để có thể nén tự do với đối với mẫu đất

9 Buồng cố kết bằng vật liệu không gỉ thích hợp, trong đó đặt dao vòng cố kết chứa mẫu Khuôn cố kết được lắp khít với buồng Mẫu thử được định vị giữa

hai bản có lỗ ở trên và ở dưới, được giữ đúng tâm trên đế buồng Aùp lực tác dụng lên mẫu thông qua mũ chất tải không bị gỉ, cứng, treo đúng tâm, được gá lắp với hốc chỉnh tâm Buồng có khả năng cho nước thấm đến mức cao hơn đỉnh của bản rỗng bên trên

9 Đồng hồ hiện số hoặc chuyển vị kế, thường gọi là đồng hồ đo nén Đồng hồ được dùng để đo lượng nén lún hoặc trương nở thẳng đứng của mẫu thử suốt thí nghiệm Cho phép đọc được đến 0,002 mm và có bước dịch chuyển tối thiểu 10 mm Những trường hợp bước dịch chuyển lớn hơn 12 mm thì cho phép đọc đến 0,01 mm

9 Thiết bị chất tải có bệ đỡ buồng cố kết Thiết bị có khả năng truyền tải thẳng đứng dọc trục tăng dần lên mẫu thử thông qua đòn chất tải Trong thời gian thí nghiệm cố kết, phải giữ các lượng gia tăng lực không đổi bằng phương pháp kiểm tra ứng suất trong khi vẫn cho phép tăng lượng nén lún thẳng đứng của mẫu thử Lực thẳng đứng tác dụng lên mẫu thử sẽ cho cường độ tính toán của áp lực với độ chính xác 1% Lực tác dụng lên mẫu thử phải đúng tâm mũ chất tải đặt trên bàn rỗng trên, thông qua một hốc ở giữa Cơ cấu chất tải có khả năng truyền lực ngay và nhịp nhàng Một tập hợp quả cân đã định chuẩn đảm bảo có thể tăng tải thích hợp lên mẫu thử