Tài liệu Bài giang cơ học đất_ Chương 6 ppt

Các chỉ tiêu được xác định trong phòng thí nghiệm đối với các mẫu đất lấy được từ công tác khoan ở hiện trường.. Trong phạm vi chương này chúng ta chỉ xét đến các phương pháp xác định cá

CHUONG 6 CAC PHUONG PHAP THI NGHIEM HIEN TRUONG

6.1 KHAI NIEM CHUNG

Dé thiết kế nền móng công trình chúng ta cần phải có các chỉ tiêu tính chat co

lý của nền đất Các chỉ tiêu được xác định trong phòng thí nghiệm đối với các mẫu đất lấy được từ công tác khoan ở hiện trường Tuy vậy thí nghiệm trong phòng tiến hành chỉ với những mẫu đất có kích thước bé, lại mất tính chất nguyên dạng đo quá trình lấy mẫu, bảo quán và thí nghiệm mà có thể phạm phải những sai sô Ngoài ra, trong nhiều không thể lấy được các mẫu nguyên dạng như các mẫu đất sét yếu trạng thái chảy, đất cát hạt nhỏ bảo hoà nước

Do đó ngoài thí nghiệm trong phòng từ những năm 1930 trở lại đây ở nhiều nước trên the giới đã áp dụng các phương pháp thí nghiệm hiện trường đề thu thập những số liệu tin cậy hơn, phản ánh tính chất xây dựng của nền trong trạng thái tự nhiên của nó Điều đó giúp chúng ta tìm được những giải pháp nên móng hợp lý và tiết kiệm, tránh được những sự cố do không năm chắc được điều kiện đặc biệt của nền đất

Nói chung công tác khảo sát và thí nghiệm ở hiện trường là rất phong phú Trong phạm vi chương này chúng ta chỉ xét đến các phương pháp xác định các chỉ tiêu xây dựng của nên đất thông dụng sau đây :

—_ Xác định chỉ tiêu về biến đạng của nền đất bằng thí nghiệm bàn nén

Xác định độ chặt, độ bền của đất bằng phương pháp xuyên

— Xác định sức chịu tải của đất bằng thí nghiệm cắt cánh

—_ Xác định tính chất biến dạng của đất đá trong lễ khoan bằng thiết bị nén hông

Ở nước ta trong thời gian gần đây các phương pháp thí nghiệm hiện trường đã được áp dụng rộng rãi trong thực tế và thu được những kết quá tốt Các kết quả nghiên cứu ứng dụng, những kinh nghiệm được rút ra đã tạo cơ sở cho việc xử

lý các kết quả thí nghiệm từ các phương pháp thí nghiệm khác nhau Qua đó khẳng định tầm quan trọng đặc biệt của công tác thí nghiệm hiện trường, nhưng không thê coi nhẹ các số liệu thí nghiệm trong phòng và các ưu điểm vốn có của phương pháp nghiên cứu đất bằng phương pháp thí nghiệm trong phòng

6.2 THÍ NGHIỆM XUYÊN Ở HIỆN TRƯỜNG

Thí nghiệm xuyên ở hiện trường là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm sau :

— Là phương pháp thí nghiệm nhanh, kinh tế

— Cho kết quả tin cay về độ chặt, độ bền, mức độ biến dạng, mức độ đồng nhất của đất

— Cho phép thu nhập các số liệu cần thiết, tin cậy để thiết kế móng cọc

— Có thê tiến hành thí nghiệm đối với đất không có khá năng lấy mẫu

Tuy theo dụng cụ thăm dò (mũi xuyên) được ấn hay đóng vào đất mà được chia ra thiết bị xuyên fĩnh ( khi thiết bị ấn dụng cụ thăm dò xuống đất ) và thiết

bị xuyên động ( khi dụng cụ thăm dò được đóng xuống đất )

6.2.1 Thiết bị xuyên tĩnh

Hiện nay trên thế gidi cd nhiéu loai thiét bi xuyên tĩnh khác nhau, theo đặc điểm kết cầu của thiết bị có thể phân ra làm 2 loại :

- Hệ thống cần xuyên đơn và đo sức kháng xuyên thông qua cảm biến điện trở Ma sát bên chỉ được đo ở một đoạn “ ống ma sát “ ở phía trên mũi xuyên (

ví dụ xuyên C-832 của Liên Xô, PVS của Pháp, Geoteenie của Thuy Điền )

- Hệ thống cần xuyên nòng đôi và phương pháp đo áp lực là cơ học thông qua

áp lực đo bằng áp kế, đo ma sát trên toàn bộ chiều đài can (C975, C59, YK-7

của Liên Xô, Rillen của Anh, XT 32-80 của Việt Nam, Gouda của Hà Lan)

bis

ra 54

of

bi} 10

bị: [

b-Bun d-Sét dẻo chảy

Hình 6-1 Sơ đồ thiết bị xuyên tĩnh — Hình 6-2 Biêu đ sức kháng mẫu xuyên

Nhiều kết quá nghiên cứu đã đưa ra nhận xét là trị số sức kháng xuyên tĩnh nhận

được do loại thiết bị loại 2 thường lớn hơn loại 1, đặc biệt khi đất có sức kháng

xuyên ca Để nắm cấu tạo của thiết bị xuyên fĩnh chúng ta xem xét thiết bị xuyên Geofeenic của Thuy Điển làm ví dụ Thiết bị này gồm các bộ phận chính sau : (hình 6-1)

— Bộ phận ấn nén : gồm một máy chính ấn mũi xuyên xuống đất với lực ấn tối đa la 10 KN Máy vận hành bằng tay quay hoặc mô tơ thuỷ lực

— Bộ phận neo : gồm 4 neo xoắn đùng để khử lực nhỗ khi ấn mũi xuyên xuống đất

— Bộ phận cần Xuyên : cần xuyên hỉnh trụ 22mm, mỗi đoạn đài 1m duoc

nối với nhau bằng ren đoạn đưới nối với mũi xuyên

— Bộ phận mũi xuyên gồm 2 phần : mũi xuyên hình chóp đều, diện tích đáy

10 emẺ và góc mở 60° Phía trên mũi xuyên có ống trượt ma sát cho phép

xác định ma sát đọc cần xuyên (hình 6-1b)

— Bộ phận vẽ biéu đồ là hộp ghi có cấu tạo đặc biệt cho phép tự ghi biểu đồ

xuyên theo chiểu sâu

Những chỉ tiêu chủ yếu của thiết bị xuyên tĩnh là :

126

— Sức kháng xuyên tổng cộng qt (KG/cm”, KN/m?)

— Sức kháng xuyên đầu mũi q, (KG/cm”, KN/m?)

— Ma sát dọc cần xuyên dina

Trong quá trình xuyên ta luôn có : qt = q, + q„; Kết quá xuyên tĩnh thường được biêu diễn qua biểu đồ xuyên : trục hoành biểu diễn sức kháng xuyên còn trục tung biếu diễn độ sâu xuyên Hình 6-2 đưa ra một ví dụ về biểu đồ sức kháng mũi xuyên

Bằng cách xử lý và điễn giải kết quá xuyên tĩnh tùy thuộc vào đắc điểm cấu tao, tính năng kỹ thuật và điều kiện địa chất người ta thấy thí nghiệm xuyên tĩnh

có thể sử dụng cho các mục đích sau :

— Phân loại đất, phân chia địa tầng

— Xác định các chỉ tiêu cơ học và vật lý của đất nền

— Xác định sức chịu tải của móng nông, móng cọc

Sau đây chúng ta sẽ xem xét những nội dung cơ bản sử dụng xuyên tinh 6 hiện trường cho các mục đích đó

a Phân loại đất, phân chia địa tang

Có thể nói rằng một trong những ứng dụng của xuyên tĩnh là phân loại đất, phân chia địa tầng Cơ sở của nó là đặc điểm của biêu đồ xuyên ( hình dạng của biêu đồ cũng như các trị số sức kháng xuyên )

Bằng công trình nghiên cứu các tác giả nước ngoài đã đưa ra các bảng phân chia các loại đất dựa vào các chỉ tiêu sau đây :

— Sức kháng mũi xuyên q

— Sức kháng ma sát cẦn xuyên qụ;

—_ Tỷ số FR = 1“ tính bằng %

Ở nước ta nhiều eơ quan nghiên cứu cũng đã tổng kết được những kinh nghiệm bước đầu Bảng 6-1 cho chúng ta cơ sở để phân loại đất theo sức kháng mũi xuyên và tý sô EFR do Trung tâm nghiên cứu thuộc Liên hiệp khảo sát Bộ xây dựng đưa ra

Bảng 6-1 Phân loại đất theo thí nghiệm xuyên tĩnh

Cát nhỏ, cát bụi, chặt vừa 20 + 90 1,7 + 0,5

b Xác định một số chỉ tiêu của đất

Các nghiên cứu lý thuyệt và thực nghiệm đã chỉ ra rằng có thể dùng thí nghiệm xuyên tĩnh đê xác định :

Sức chống cắt của đất đính

Góc ma sát trong của đất cát

Độ chặt của đất cát

— Tính nén lún của đất

Sức chống cắt của đất đính có thê được tính toán theo phương trình xác định sức kháng mũi xuyên

trong đó q - sức kháng mũi xuyên

ÁN, - hệ số chịu tải C, - hệ số chịu tải P\ - áp lực bản thân của đất

Kết quả của những nghiên cứu của nhiều tác giả cho thấy rằng so với sức kháng xuyên, áp lực bản thân của đất là nhỏ không đáng kế và Cụ có thể tính theo công thức đơn giản sau

q

Gia tri N, thay đổi rất khác nhau tùy thuộc vào điều kiện địa chất công trinh

và thiết bị thí nghiệm thường người ta lay N, = 14 +30

Bằng tương quan toán học người ta đã lập được quan hệ giữa sức kháng mũi xuyên với trị số góc ma sát trong của đất Ví dụ đối với đất loại sét Trophimenkov đưa ra biểu thức :

Mô đun biến dạng 1, cũng được xác định từ sức kháng mũi xuyên q, theo các quan hệ tương quan Kêt quả nghiên cứu của Sanglerat (Pháp) đưa ra công thức :

Ey = &.qe trong đó œ phụ thuộc vào các loại dat, va tri sé cua q, như trong bang 6-2

Bang 6-2 Trị số œ

Sét va bui rat déo de < 20 2,5<a<5

qe > 12 05<œ<4

qe <7

Xà SA HẤ ` 50% < W < 100% 15<a<4

Bun va dat than bun 100% < W < 200% 1<œ<15

c Xac định sức chịu tải của móng nông, móng cọc

Đối với móng nông áp lực tiêu chuẩn quy ước có thê được xác định từ trị số sức kháng mũi xuyên theo công thức:

R,=% (6-4)

œ trong đó _œ= 10 +20 đôi với đât dính

; œ = 20 + 40 đối với đất rời

Áp lực tiêu chuẩn quy ước R„ cũng có thê được tính toán từ các quan hệ tương quan như sau :

R¿=0,1q; + 0,25 (qe = 10 - 25 daN/em?)

Ry = 0,19q¢ - 0.65 (qe =7 - 10 daN/em?)

R, = 0,05q, + 0,35 (qe <7 daN/em?)

Đối với móng cọc từ sức kháng mũi xuyên và sức kháng ma sát cẦn xuyên có tính sức chịu tải của coc trong các trường hợp nói chung ta có thê sức kháng mũi xuyên thành phản lực ở mỗi cọc theo công thức :

œ là hệ số chuyển đổi từ xuyên sang cọc phụ thuộc vào loại đất Theo Snip II-

17-77 của Liên Xô với thiết bị xuyên 832 cho trị số œ = 0,5

Còn ma sát thành cọc f¡ cũng có thể xác định từ sức kháng mũi xuyên q, theo công thức :

Hệ số œ phu thuộc loại đất, loại cọc

Sức chịu tải của cọc đóng xác định theo kết quả xuyên tĩnh có đạng như sau (Theo quy phạm I3TU của Pháp)

3 24

trong đó

F điện tích thiết diện ngang của cọc

U là chu vi tiết điện ngang cọc

1, la chiều đày lớp đất

q sức kháng mũi xuyên trong quãng chiều sâu 5đ trên mũi cọc đến 3đ đưới mii coc

6.2.2 Thí nghiệm xuyên động ở hiện trường

Khác với xuyên tĩnh đối với xuyên động cần xuyên và mũi xuyên được đóng xuống đất Trong Hội nghị Cơ học đất - Nền móng quốc tế kích thước xuyên động được tiêu chuẩn hóa như sau :

— Mũi xuyên góc nhọn 60°, đường kính đáy 43,7 mm, diện tích 15 em”

— Đường kính cần xuyên 32mm

— Quả fạ nặng 50 Kg chiều cao rơi 50em

Khi xuyên động cần phải xác định những chỉ số sau :

—_ Chí số xuyên động N

—_ Độ sâu hạ xuyên do một số lần đóng nhất định

— Sức kháng xuyên động quy ước của đất Rạ (KG/em”, KN/cm?) Chỉ số xuyên động N là số nhát búa đóng cần thiết để dụng cụ xuyên được hạ xuống độ sâu nhất định, thường được quy định là 10cm có thể xác định theo biểu thức :

10n

N=—

S (6-8)

trong đó

—_ nsố nhát búa đóng

— 8 độ sâu hạ xuyên tương ứng (em)

sức kháng xuyên động quy ước được tính từ chỉ số xuyên động nhưng người

ta đưa thêm một số hệ số kề tới các yếu tố sau :

— Sự tốn thất năng lượng khi đóng

— Hệ số ảnh hưởng của loại thiết bị

— Ké dén anh hướng ma sát cần xuyên và đất

Ngoài ra còn có xu hướng để nghị dùng sức kháng xuyên động đơn vị tính theo định luật bảo toàn công và xung lượng trong quá trình đóng Nếu xem hệ thống cần xuyên tuyệt đối cứng, chỉ có đất biến dạng sức kháng xuyên động có thể tính theo công thức :

trong đó

—_ œ là hệ số hiệu chỉnh do tang trọng lượng cần theo chiều sâu

— B hệ số hiệu chỉnh ma sát giữa cần va dat

— A céng don vi tinh bang =

(Q trọng lượng búa, H chiều cao với búa, S chiều sâu xuyên sau 1 búa, F diện tích tiết điện ngang của mũi xuyên )

Tựa vào sức kháng xuyên động có thể xác định được các chỉ tiêu sức chịu tải của đất, tính chất nén lún của các lớp đất Tuy vậy đo tác dụng của tải trọng động mà thí nghiệm xuyên động chỉ được quy định áp dụng đối với các loại đất

va trang thai sau.( Theo XN 448-72 cua Liên Xô )

— Dat cat am va it am

— Đất cát hạt to, hạt vừa hạt nhỏ chứa nước

—_ Đất loại sét cứng, nửa cứng và đẻo cứng

Độ chặt của đất cát, đất đắp được xác định trực tiếp bằng xuyên động ở hiện trường có thê tham khảo XN 448-72 như bảng 6-2 :

Bang 6-2 Tri số tham khảo về độ chặt của đất

Thành phan va trang | Sức kháng xuyên động Đô chặt kết cấu của cát thái của cát quy ước Ra ( KG/cm) 7"

X6p

Cuối cùng có thế nhấn mạnh Tằng phương pháp xuyên động là rất kinh tế trong việc xác định độ chặt của đất ở hiện trường, kiểm tra chất lượng đất đắp ở

một số nước các số liệu xuyên động cũng được dùng để tính toán sức chịu tải

của móng nông và móng sâu Tuy vậy đo lý thuyết về xuyên động không được

chặt chẽ lắm nên phạm vi sử dụng hạn chế so với xuyên tĩnh

6.3 THÍ NGHIỆM CẮT CÁNH Ở HIỆN TRƯỜNG

Như đã xét trong chương 2 sức chống cắt của đất

được xác định từ thí nghiệm cắt trực tiếp, nén 3 trục

ở trong phòng bằng thí nghiệm các mâu đất nguyên te

dang Đối với một số loại đất đặc biệt là đất bùn, đất

sét yếu bão hòa nước, việc lấy mẫu nguyên đạng khó

khăn và trong nhiều trường hợp không thể thực hiện

được Khi đó cần áp dụng phương pháp thí nghiệm |

hiện trường để xác định sức chong cắt Trong các

phương pháp này thì thí nghiệm cắt cánh được coi là La

phù hợp, chính xác và công dụng hơn cả Hình 6-3 là It

sơ đồ thiết bị cắt cánh, bộ phận chính của máy gồm Ie

cánh chữ thập bằng thép (1) có chiều cao h, khi nó -1 „

cắt đất tạo thành hình trụ tròn có đường kính d Tấm Hinh 6-3 „ Sơ đồ thiệt

của nó liên kết với tay quay (3), đặt vuông góc với

cần và nối liền với lực kế (4) để ghi lực tác dụng lên tay quay

Khi thí nghiệm, đầu tiên khoan một lỗ đến độ sâu cân thiết, sau đó ấn mũi cắt

cánh xuống đất Tiếp đó dùng lực quay tạo thành mô men, làm cho cánh chữ

thập cắt đất thành Ohình trụ tròn, đồng thời ghi lại lực tác dụng trên lực kế Tại mặt trên và mặt dưới cũng như là mặt chu vi đất ở trạng thái cân bằng giới hạn,

mô men xoay giới hạn tạo nên do ngoại lực cân bằng do mô men chống lại do ngoại lực sinh ra Để xác định sức chống cắt của đất, người ta giả thiết ứng suất

cắt giới hạn phân bố đều trên mặt chu vi và trên hai mặt trên và mặt dưới mẫu

đất hình trụ là phân bố đều, phân bố Parabol, hoặc phân bố tam giác (tùy thuộc

và đất, tý số s Khi giả thiết quy luật phân bố tam giác, có thể viết điều kiện cân bằng giới hạn như sau :

.d”.h| 1+——

2h Còn khi giả thiết phân bố đều và cánh chữ thập h = 2d thì ta có giá trị :

6.M

trong đó

— My mô men xoay giới hạn do ngoại lực tác dụng lên cần nối và cánh chữ

thập

— 1, là sức chống cắt của đất

Thí nghiệm cắt cánh tại hiện trường thường đùng để xác định cường độ chống cắt của các loại đất bùn và đất sét yếu trong điều kiện cắt không thoát nước Do

đó khi tính toán có thể coi rằng cường độ chống cắt xác định bằng phương pháp này gần bằng lực đính đơn vị +; = e

Đề xác định ảnh hưởng của việc phá vỡ kết cấu tự nhiên đến sức chống cắt

của loại đất người ta đưa ra chỉ tiêu độ nhạy If được xác định theo công thức :

7, max

z, min trong đó

— If dé nhay cua dat

— Tomax sure chống cắt của đất ở trạng thái tự nhiên

— Tam„ sức chống cắt của đất ở trạng bị phá hoại kết cấu

Cũng như những thí nghiệm khác, khi dùng thí nghiệm cắt ở hiện trường cần

có nhận xét chuẩn xác về mặt cắt địa chất của địa điểm khảo sát Cần phải xác định trước những lớp nào, độ sâu nào cần tiến hành thí nghiệm, từ đó chọn được

chiều đài cần, kích thước cánh thích hợp Khi đất cứng hơn thì phải chọn kích thước nhỏ hơn, nếu đất có sức chống cắt lớn hơn 100KPa thì không nên đùng thí nghiệm cắt cánh

M x i

Tsmax

Eq

=

Hình 6-4 Biến đổi mô men À4, theo goc quay a - Phù hợp với kích thước đã chọn người ta định kích thước lỗ khoan thí nghiêm, nếu đất không ôn định cần phái có ống chống Đối với các thiết bị cắt

cánh hiện đại có ống bảo vệ riêng, trong quá trình thí nghiệm cần cắt luôn nằm trong ống bảo vệ Cánh cắt tự hạ xuống trong đất yếu dưới tác dụng của trọng lượng cần, nếu đất chặt hơn phái ấn xuống, cần phải hạ cánh xuống độ sâu 0.3 +0,5 m kế từ đáy hố khoan Tốc độ quay cắt cánh cần khống chế gần bằng tốc

độ thí nghiệm cắt nhanh trong phòng thí nghiệm, thường lấy 0,1 + 0,2 độ/ S Khi quay cánh cắt ta có số đọc góc quay của nó œ và mômen xoắn M, Hình 6-4 chỉ

ra quá trình cắt cánh theo sự tăng M, đến lúc đất bị cắt đạt M„„„ ứng với sức chống cắt đất ở trạng thái tự nhiên đến M,„„„„ khi đất đã bị phá hoại kết cấu 6.4 THi NGHIEM NEN NGANG TRONG LO KHOAN

Đây là một phương pháp thí nghiệm hiện đại được áp dụng ở nhiều nước trên thê giới Bản chất của nó là phương pháp thí nghiệm đất đá bằng tải trong tinh,

đó là nghiên cứu đặc trưng biến dạng của đất đá ở vách lỗ khoan khi tác đụng lên chúng những cấp tải trọng tăng dần

Năm 1957 kỹ sư Pháp L Merar đã đưa ra các luận chứng đầy đủ cho phương pháp nghiên cứu tính biến đạng của đất đá trong lỗ khoan và từ năm 1963 sáng lập ra hãng “ Prexiomet” dùng thí nghiệm này để khảo sát đất đá ở nhiều nước Thiết bị nén hông Prexiomet gồm 1 cái ống (buồng) có thành co giãn được đặt tại một độ sâu nảo đó trong lỗ khoan (hình 6-5) Dưới tác dụng của áp lực chất lỏng ( thiết bị nén long thuy lực ) hoặc chất khí ( thiết bị nén hông kiêu khí nén ) được bơm vào buông, ta tiến hành nén chặt đất đá ở vách lỗ khoan Trong quá trình đó đồng thời đo đạc trị số áp lực và biến dạng của đất đá và tính trị số mô đun biến dạng theo công thức :

trong đó H„ hệ số nở hông của đất đá

r„ bán kính ban đầu của lỗ khoan

Ar số gia bán kính lỗ khoan (em) đưới tác dụng của tải trọng p

Trong dụng cụ nén hông thủy lực căn cứ vào sự biến đôi thể tích buồng áp lực

có thể suy ra số gia bán kính lỗ khoan, Trong trường hợp này, mô đun biến dang E, có thể xác định như sau :

Ấp

trong đó

—_ Av số gia thể tích buồng công tác

— Ap số gia tải trọng tương ứng

— hệ số không đối phụ thuộc vào thiết bi

3 zz~^ FM SFM FM

La

“HÌ

mHÍ3-

+

lr

d

Hình 6-5a Sơ đồ làm việc dụng cụ gây áp lực hông

T- Buông công tác, 2- Buông phụ tải,

3- ông cấp nước và khí vào buông công tác, 4- Vách lỗ khoan Qua kinh nghiệm, khi đối chiếu kết quả thí nghiệm nén hông đất cát và đất sét với kết quả thứ nghiệm tái trọng tĩnh người ta thấy rằng trị số mô đun biến đạng xác định theo thí nghiệm là nhỏ hơn Bởi vậy trong công thức (6-15) cần đưa

thêm hệ số hiệu chỉnh xét đến thực tế đó có thể xác định bằng cách thí nghiệm

song song bằng tai trong thir tinh

Phuong pháp nén hông được áp dụng để nghiên cứu tính chất biến dạng của mọi loại đất đá và với mọi độ sâu mà được tiến hành khoan, nhưng thông dụng nhất là đối với loại đất cát và loại đất sét Khi đó cũng dựa theo nguyên lý biến dạng tuyến tính để tính toán mô đun biến dạng Menard chia biến dạng của đất

ra 5 pha :( hình 6-5)

1 - Pha cân bằng ở trạng thái ban đầu

2 - Pha đàn hỏi

3 - Pha dan hdi dẻo

4 - Pha dẻo

5 - Pha biến dạng phá hoại

Trong đồ thị hình ( 6-5) có thể coi đoạn AD gần như thẳng quan hệ ứng suất

biến đạng là tuyến tính để xác định trị số mô đun biến dang cua đất Đoạn DE là

đoạn cong khi đất đã biến dạng lớn dần đến phá hoại và áp lực với điểm E như

là giới hạn độ bên của đất

r

Hinh 6-5 Đường cong liên hệ biến dạng của đất với tải trong