Đề tài Thí nghiệm cắt trực tiếp và ảnh hưởng của điều kiện thí nghiệm lên các giá trị đặc trưng thu nhận được so với mẫu ở điều kiện tự nhiên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG BỘ MÔN ĐỊA CƠ NỀN MÓNG --------------- TIỂU LUẬN MÔN HỌC ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO Đề tài số 1: Thí nghiệm cắt trực tiếp và ảnh hưởng của điều kiện thí nghiệm lên các giá trị đặc trưng thu nhận được so với mẫu ở điều kiện tự nhiên. Giảng viên hướng dẫn: TSKH. Bùi Trường Sơn Học viên thực hiện: Nhóm 1 ĐKTXD2009 1. Nguyễn Thị Thu Trang 2. Lê Đào Vũ 3. Nguyễn Văn Đồng 4. Tạ Quang Nghiệp 5. Đàm Xuân Thế TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG BỘ MÔN ĐỊA CƠ NỀN MÓNG ------------- TIỂU LUẬN MÔN HỌC ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO Đề tài số 1: Thí nghiệm cắt trực tiếp và ảnh hưởng của điều kiện thí nghiệm lên các giá trị đặc trưng thu nhận được so với mẫu ở điều kiện tự nhiên. Giảng viên hướng dẫn: TSKH. Bùi Trường Sơn Học viên thực hiện: Nhóm 1 ĐKTXD2009 1. Nguyễn Thị Thu Trang 2. Lê Đào Vũ 3. Nguyễn Văn Đồng 4. Tạ Quang Nghiệp 5. Đàm Xuân Thế MỤC LỤC PHẦN I: .......................................................................................................................3 THÍ NGHIỆM CẮT TRỰC TIẾP...............................................................................3 I.1. Mục đích thí nghiệm:......................................................................................3 I.2. Nguyên lý thí nghiệm ......................................................................................3 I.3. Thiết bị thí nghiệm..........................................................................................4 I.3.1. Sơ đồ thí nghiệm.........................................................................................4 I.3.2. Thiết bị thí nghiệm......................................................................................4 I.3.3. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: ..........................................................................6 I.4. Trình tự thí nghiệm và tính toán kết quả thí nghiệm....................................7 I.4.1. Trình tự thí nghiệm.....................................................................................7 I.4.2. Tính toán kết quả thí nghiệm ......................................................................7 I.5. Một số yêu cầu trong quá trình tiến hành thí nghiệm...................................8 I.5.1. Theo tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 4199-1995 .............................................8 I.5.2. Theo tiêu chuẩn Anh - BS 1377: Part 7: 1990...........................................10 I.5.3. Tiêu chuẩn ASTM D3080 .........................................................................12 I.6. Ứng dụng các kết quả thí nghiệm trong thiết kế .........................................13 I.7. Nhận xét: .......................................................................................................15 PHẦN II: ...................................................................................................................16 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN THÍ NGHIỆM ĐẾN CÁC ĐẶC TRƯNG THU NHẬN ĐƯỢC SO VỚI MẪU Ở ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN ......................................16 II.1. Kích thước mẫu thí nghiệm: .....................................................................16 II.2. Điều kiện lấy mẫu, bảo quản và chế bị mẫu:............................................16 II.3. Thiết bị thí nghiệm: ...................................................................................17 II.4. Mặt trượt mặc định khi cắt:......................................................................17 II.5. Cách tiến hành thí nghiệm: .......................................................................17 II.6. Sơ đồ cắt:....................................................................................................17 II.7. Áp lực nước lỗ rỗng:..................................................................................18 II.8. Ảnh hưởng của nước mao dẫn:.................................................................19 KẾT LUẬN ................................................................................................................20 Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 2 MỞ ĐẦU Trong công tác thiết kế và thi công các công trình thủy lợi, cầu đường, xây dựng dân dụng và công nghiệp, việc xác định các thông số sức chống cắt của đất chiếm vai trò hết sức quan trọng. Ta có thể thấy các giá trị c, j xuất hiện ở trong các công thức tính sức chịu tải của đất, của cọc; trong các công thức tính ổn định thành hố đào, mái dốc;….. trong lập biện pháp thi công móng, san lấp nền đê, đường; … trong các phần mềm tính toán Geo Slope, Plaxis… Có thể nói thông số sức chống cắt của đất là mối quan tâm hàng đầu của các nhà thiết kế nền móng công trình. Việc xác định các thông số trên có thể được thực hiện bởi hàng loạt các thí nghiệm hiện trường như thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT), thí nghiệm cắt cánh (Vane Test) và trong phòng như thí nghiệm nén đơn – nén 1 trục, thí nghiệm cắt trực tiếp, thí nghiệm nén 3 trục (với 3 sơ đồ U-U, C-U, C-D). Trong các thí nghiệm kể trên, thí nghiệm cắt trực tiếp được xem là thí nghiệm cổ điển nhất, phổ biến nhất tại các phòng thí nghiệm địa cơ nền móng của Việt Nam vì cơ sở lý thuyết và nguyên lý thí nghiệm tương đối đơn giản, dễ thực hiện. Tuy nhiên sức chống cắt thu nhận được từ kết quả thí nghiệm này thường bị ảnh hưởng bởi các yếu tố: thiết bị thí nghiệm, vận tốc cắt,…. Trong phạm vi đề tài này, chúng tôi xin phép được trình bày về: “Thí nghiệm cắt trực tiếp và những ảnh hưởng của điều kiện thí nghiệm lên các đặc trưng thu nhận được so với mẫu điều kiện tự nhiên” Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 3 PHẦN I: THÍ NGHIỆM CẮT TRỰC TIẾP I.1. Mục đích thí nghiệm: Thí nghiệm cắt trực tiếp là thí nghiệm cổ nhất và đơn giản nhất để xác định thông số sức chống cắt của đất. Một mẫu đất trong tự nhiên có các đại lượng đặc trưng cho chỉ tiêu sức chống cắt của đất là lực dính C và góc ma sát j . Khi mẫu đất chịu tác dụng của ứng suất pháp thẳng đứng phân bố đều s thì sức chống cắt t của đất tuân theo định luật Mohr- Coulomb: C+= jst tan I.2. Nguyên lý thí nghiệm Thí nghiệm được tiến hành với mẫu đất hình lăng trụ tròn hoặc hình vuông được giữ và cắt ngang theo mặt phẳng nằm ngang trong khi một áp lực tác dụng thẳng góc với mặt phẳng đó. Sức kháng cắt gây ra bởi đất khi cho một phần của mẫu trượt lên phần khác được đo sau từng khoảng dịch chuyển đều đặn. Sự phá hoại mẫu xảy ra khi sức kháng cắt của đất đạt giá trị cực đại mà đất có thể chịu được. Nhờ tiến hành trên một tập hợp mẫu thí nghiệm tương tự (thường từ 3 ¸5 mẫu) của cùng một lớp đất dưới những giá trị áp lực nén khác nhau, ta thu nhận được tương quan giữa ứng suất cắt và ứng suất nén tác dụng từ đó tìm ra được lực dính C và góc ma sát j của đất. Hình 1: Nguyên lý thí nghiệm cắt trực tiếp Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 4 I.3. Thiết bị thí nghiệm I.3.1. Sơ đồ thí nghiệm Hình 2: Sơ đồ thí nghiệm cắt trực tiếp I.3.2. Thiết bị thí nghiệm - Hộp cắt: gồm 2 thớt trên và dưới có hình vuông hoặc tròn, có đường kính khoảng 60-80mm, cao khoảng 20mm. Hình 3: Hộp cắt trong thí nghiệm cắt trực tiếp Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 5 - Mẫu được đặt vào hộp cắt (giữa 2 thớt cắt) với 2 bản đá thấm xốp đệm trên và dưới. Hình 4: Lắp mẫu vào hộp cắt - Hộp cắt đặt trên khung đỡ có thể chuyển động tự do trên bi trượt đồng thời gắn chặt với thớt cắt dưới. Khung được tác động bởi lực cắt và chuyển động theo vận tốc khống chế được. Hình5: Lắp đặt hệ thống vào khung Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 6 - Thớt cắt bên trên gắn với hệ đo lực cắt T bằng vòng ứng biến có đồng hồ để đo ứng suất cắt t và đồng hồ đo biến dạng đứng để đo độ giãn nở thể tích. - Thiết bị tăng tải (N) tạo thành áp lực pháp tuyến s, hoạt động qua hệ thống piston hoặc chất tải bằng quả cân. Hình 6 : Các loại thiết bị cắt trực tiếp I.3.3. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: Phải chuẩn bị ít nhất 3 mẫu để thí nghiệm: - Với mẫu nguyên dạng: Dùng dao vòng cắt mẫu đất , chú ý bỏ lại phần mẫu bị xáo động ở 2 phía đầu hộp mẫu. Hình 7: Chế bị mẫu trước thí nghiệm - Với mẫu xáo động: mẫu được đầm chặt trong cối đầm tiêu chuẩn, sử dụng phương pháp đầm tĩnh hoặc động. Dùng dao vòng cắt đất từ mẫu đầm chặt hoặc tiến hành chế bị mẫu luôn trong dao vòng. Sau khi chế bị mẫu cần mang đi thí nghiệm xác định dung trọng của đất. Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 7 Hình 8: Đem mẫu đi xác định độ ẩm I.4. Trình tự thí nghiệm và tính toán kết quả thí nghiệm I.4.1. Trình tự thí nghiệm Bước 1: Dùng dao vòng ần vào mẫu đất -> gạt bằng mặt để tạo mẫu chuẩn bị cho vào hộp cắt. Cho mẫu đất vào hộp cắt -> đặt hộp cắt có chứa mẫu lên máy cho chỉnh tiếp xúc. Bước 2: Đặt tải trọng thẳng đứng: tải trọng thẳng đứng được tính toán theo trọng lượng của vật chất tải, chiều dài cánh tay đòn, tiết diện ngang mẫu đất. Hiệu chỉnh các đồng hồ đo (biến dạng và lực) về vị trí ban đầu. Cho khởi động và chạy máy với tốc độ khoảng 1mm/min. Ghi số đọc đồng hồ ở vòng ứng biến sau mỗi 25 giây cho đến khi số đọc giảm hoặc không tăng thì ngừng máy. Số đọc lớn nhất Dial Readingmax (vạch) được ghi nhận để tính toán. Bước 3: Lặp lại thí nghiệm với các cấp áp lực thẳng đứng khác. Các cấp áp lực thẳng đứng được lựa chọn phụ thuộc vào loại đất và trạng thái của nó. Thường người ta thực hiện với ba cấp tải trọng khác nhau để xác định ba cặp giá trị ứng suất cắt t và áp lực đứng tác dụng lên mẫu s , để từ đó tính ra giá trị của góc ma sát trong j và lực dính C của mẫu đất bằng phương pháp bình quân cực tiểu. I.4.2. Tính toán kết quả thí nghiệm Ứng suất t được xác định như sau: RadingDial ´= maxRet Ở đây R là hệ số vòng (chuyển từ giá trị chuyển vị sang giá trị lực), phụ thuộc vào từng loại máy và phải hiệu chỉnh thường xuyên. Tính toán các giá trị của sức chống cắt theo số liệu thí nghiệm thu được: Cách 1: Vẽ đồ thị Þ vẽ trực tiếp trên biểu đồ quan hệ giữa ứng suất cắt t và áp lực đứng s tác dụng lên mẫu ta cũng có thể xác định được các giá trị góc ma sát trong j và lực dính C. Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 8 t (kN/m2) s (kN/m2) (s1,t1) (s2,t2) (s3,t3) c Hình 9: Đồ thị thể hiện quan hệ lực cắt và áp lực thẳng đứng Cách 2: Theo công thức bình phương cực tiểu ÷ ø ö ç è æ -= - - = å å å å å å å = = = = = = = n i n i iin i n i ii n i n i n i iiii tgx n C n n tg 1 1 1 2 1 2 1 1 1 1; )( sjt ss stst a Hoặc å å å å å = = = = = - - = n i n i ii n i n i n i iiiii n C 1 2 1 2 1 1 1 2 )( )( ss stsst Khi giá trị lực dính C<0 thì xem C=0 và lúc đó: å å = == n i i n i iin tg 1 2 1 s st j I.5. Một số yêu cầu trong quá trình tiến hành thí nghiệm I.5.1. Theo tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 4199-1995 Phương pháp này chỉ dùng để xác định sức chống cắt của đất loại sét và đất loại cát có kết cấu nguyên hoặc chế bị trong phòng thí nghiệm ở máy cắt phẳng theo một mặt phẳng định trước. Không áp dụng cho đất cát thô và đất sỏi sạn, đất loại sét ở trạng thái chảy và bị biến dạng chảy dưới tác dụng của áp lực thẳng đứng 1daN/cm2. Các phương pháp xác định sức chống cắt cần phải được qui định trong từng trường hợp cụ thể, phụ thuộc vào: - Giai đoạn thiết kế và loại công trình. - Điều kiện làm việc của đất trong quan hệ với công trình. - Thành phần, đặc điểm cấu trúc, trạng thái và tính chất của đất. Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 9 Tuỳ theo tương quan giữa tốc độ truyền lực nén và lực cắt, cùng điều kiện thoát nước của mẫu đất khi thí nghiệm, có thể phân biệt các phương pháp chính sau đây để xác định sức chống cắt: - Phương pháp không thoát nước, không cố kết (cắt nhanh không cố kết). - Phương pháp thoát nước, cố kết rồi cắt chậm (cắt chậm cố kết). - Phương pháp thoát nước, cố kết rồi cắt nhanh (cắt nhanh cố kết). Việc làm bão hòa mẫu đất thí nghiệm bằng nước và nén mẫu trước phải được tiến hành phù hợp với điều kiện làm việc của đất dưới công trình hoặc trong thân công trình. Để làm bão hòa các mẫu đất bằng nước nhằm xác định t ở trạng thái bão hòa, nên dùng loại nước uống được. Đối với các mẫu đất chứa muối dễ hòa tan (Na, Mg, K), thì làm bão hòa mẫu bằng nước dưới đất tại vị trí lấy mẫu hoặc bằng loại nước có thành phần hóa học giống với nước dưới đất. Thời gian làm bão hòa mẫu đất không ít hơn: - 10 phút đối với đất cát. - 6 giờ đối với cát pha và sét pha có chỉ số dẻo Ip không lớn hơn 12. - 12 giờ đối với sét pha có Ip lớn hơn 12 và sét có Ip không lớn hơn 22. - 24 giờ đối với sét có Ip từ 23 đến 35. - 48 giờ đối với sét có Ip lớn hơn 35. Việc nén trước các mẫu đất thông thường dùng cho đất có độ sệt B<0.75 có thể tiến hành ở máy nén riêng hoặc trực tiếp ở hộp máy cắt. Khi nén trước, tăng lực nén lần lượt theo từng cấp tương ứng với áp lực thẳng đứng. Giá trị mỗi cấp phụ thuộc vào trạng thái của đất. Đối với đất loại sét có độ sệt B >1, các cấp lần lượt như sau: 0.1x105, 0.3x105, 0.5x105, 0.75x105N/m2 và 1.0x105N/m2 sau đó mỗi cấp là 0.5x105N/m2 cho đến giá trị áp lực cuối cùng. Đối với loại sét cứng, nửa cứng và dẻo cứng (có độ sệt B <0.5) và đất cát thì tăng theo cấp 0.5x105N/m2 cho đến khi đạt 3.0 x105N/m2, sau đó tiếp tục tăng mỗi cấp 1x105N/m2 cho đến giá trị áp lực cuối cùng. Mỗi cấp áp lực trung gian được giữ không ít hơn: - 5 phút đối với đất cát. - 30 phút đối với đất loại sét. Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 10 Cấp cuối cùng được giữ đến khi đạt tới ổn định quy ước về biến dạng. Biến dạng nén của mẫu đất đạt tới ổn định qui ước, nếu giá trị của nó không vượt quá 0.01mm sau một thời gian không ít hơn: - 30 phút đối với đất cát. - 3 giờ đối với cát pha. - 12 giờ đối với sét pha và sét. Giá trị áp lực nén nhỏ nhất phải bằng giá trị áp lực bản thân. Giá trị áp lực thẳng đứng lớn nhất phải lớn hơn tổng áp lực bản thân và công trình truyền xuống. Lực cắt được truyền lên mẫu đất thành từng cấp hoặc tăng liên tục. Khi cắt chậm tăng lực cắt thành từng cấp, trị số mỗi cấp không vượt quá 5% áp lực nén tương ứng dùng khi cắt. Chỉ truyền cấp áp lực sau lên mẫu khi đạt đến độ ổn định qui ước về biết dạng cắt DL: Không vượt quá 0.01mm/phút. Cũng có thể tăng liên tục lực cắt với điều kiện đảm bảo tốc độ cắt thể hiện qua biến dạng ngang không quá 0.01mm/phút. Việc xác định biến dạng đứng và biến dạng ngang của mẫu đất được tiến hành với độ chính xác đến 0.01mm, các phép cân được tiến hành với độ chính xác đến 0.01g. I.5.2. Theo tiêu chuẩn Anh - BS 1377: Part 7: 1990 Phương pháp cắt tiêu chuẩn này cũng tương tự như tiêu chuẩn Việt Nam. Tiêu chuẩn BS 1377:1990 có cách xác định tốc độ cắt như sau: Thời gian mẫu bị phá hủy được tính theo phương trình sau: 100ft Ft= Trong đó: F - Hệ số, phụ thuộc vào điều kiệu thoát nước và kiểu thí nghiệm, tức là có thoát nước hay không thoát nước. Các giá trị của F đối với thí nghiệm thoát nước và không thoát nước của loại mẫu không nhạy cảm, tức là bị biến dạng dẻo. Đối với loại đất cứng nứt nẻ và đất nhạy cảm thì sử dụng thừa số cho trước đối với các thí nghiệm thoát nước và cả không thoát nước. Thừa số F được tính dựa trên cơ sở tiêu tán 95% áp lực lỗ rỗng thặng dư tạo nên khi cắt và được chấp nhận cho hầu hết các trường hợp trong thực tế. Đối với đất có tính thấm tương đối cao có thể cho thời gian phá hủy tính toán ngắn, rất ngắn. Tuy nhiên, thời gian phá hủy không thể ít hơn 2 giờ. Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 11 Tốc độ cắt được tính như sau: f r f d d t = Trong đó: tf - Thời gian mẫu bị phá hoại, (phút). df - Khoảng dịch chuyển ngang khi mẫu bị phá hủy. dr - Tốc độ cắt. Cách xác định 100t dựa vào kết quả thí nghiệm nén như sau: Sử dụng đồ thị căn bậc hai của thời gian (hình 2.3.1), kéo dài đoạn gần như tuyến tính của đồ thị (thường nằm trong khoảng 0 đến 50% của cố kết ban đầu) xuống dưới. Xác nhận điểm giao nhau giữa đường này với đường nằm ngang qua điểm cuối cùng trên đồ thị cố kết ban đầu và ghi nhận giá trị đó ( )100t trên trục căn bậc 2 của thời gian. (Ghi chú: thí nghiệm này không cho phép thu được giá trị tin cậy của hệ số cố kết Cv). Từ đó tính được t100. Tính giá trị t100 (phút) và thời gian tối thiểu đến khi phá hủy, tức là thời gian huy động sức kháng cắt cực đại của mẫu tf (phút) bằng phương trình sau: 10012.7ft t= Nếu ước lượng sự dịch chuyển tương đối ở điểm phá hoại là d (mm), thì vận tốc máy cắt không được quá d/tf (mm/phút). Đối với đất có hệ số thấm lớn (như cát sạch) thì thời gian phá hoại mẫu cũng không được nhỏ hơn 5 đến 10 phút [BS]. Hệ số cố kết được tính như sau: 100 21,0 t HCv ´ = m2/năm Hình 2.3.1. Sơ đồ thí nghiệm xác định t100 Đ ộ lú n 100t Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 12 Ứng suất cắt trên mặt phẳng bị cắt sẽ là o R A RC ´ x 1000 KPa Ở đây: CR - là hệ số vòng (N/vạch) R - là số đọc của vòng lực (vạch) Ao - tiết diện ngang mẫu đất (mm2) Ở giá trị lớn nhất của R, t = tf. I.5.3. Tiêu chuẩn ASTM D3080 Phương pháp cắt tiêu chuẩn này cũng tương tự như tiêu chuẩn Việt Nam. Tiêu chuẩn ASTM D3080 có cách xác định tốc độ cắt như sau: Tốc độ cắt được lựa chọn phải đảm bảo đủ chậm để không làm xuất hiện áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong quá trình cắt. Công thức sau đây cho biết cách xác định thời gian mẫu bị phá hoại và từ đó xác định được tốc độ cắt cho từng cấp tải và từng mẫu đất. 5050ft t= Trong đó: tf - Thời gian mẫu bị phá hoại, (phút). t50 - Thời gian mẫu đạt được cố kết 50% dưới một ứng suất chuẩn, (phút). Nếu dùng phương pháp căn bậc hai của thời gian ( t ), t50 được tính dựa vào thời gian cố kết 90% của mẫu đất như sau: 90 50 4.28 tt = Trong đó: tf - Thời gian mẫu bị phá hoại, (phút). t90 - Thời gian mẫu đạt được cố kết 90% dưới một ứng suất chuẩn, (phút). 4.28 - Hệ số quan hệ giữa thời gian cố kết được 90% và 50%. Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 13 Nếu đất có huynh hướng trương nở, mẫu đất phải được cho ngập trong nước và cấp tải trọng chuẩn phải có độ lớn đủ lớn để có thể khử được sự trương nở. Thời gian phá hoại mẫu không tính thời gian khử sự trương nở. Tập hợp các đường cong nén lún - thời gian theo các cấp tải trọng được vẽ và chọn ra đường cong thính hợp nhất để xác định thời gian phá hủy mẫu tf. Đối với một số loại đất, không thể vẽ được đường cong nén lún chúng ta có thể dùng thời gian dự đoán mẫu bị phá hủy (tf). Các thời gian này có thể được kiểm chứng bằng các kết quả khác nhau. Ví dụ như đối với đất cát chặt hệ số thấm lớn, thời gian 10 phút có thể được chọn làm tf, đối với cát lẫn 5% bột thời gian 60 phút được chọn làm tf. Tốc độ cắt được tính tương tự như các tiêu chuẩn trên: f r f d d t = df - Phụ thuộc vào loại đất và ứng suất tiền cố kết của đất. Đất hạt mịn cố kết thường chọn df =12mm, các loại đất khác chọn df = 5mm. I.6. Ứng dụng các kết quả thí nghiệm trong thiết kế * Đối với các thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước: Phương pháp thí nghiệm này phù hợp với ứng xử của đất nền ở giai đoạn ngay sau khi xây xong với các loại đất nền có hệ số thấm bé. Các đặc trưng chống cắt ju và cu được xác định theo s, t không xét đến ứng suất hữu hiệu, nên giá trị s không xét đến lực đẩy nổi. *Kết quả thí nghiệm theo sơ đồ UU có thể tóm tắt như sau: Công trình và giai đoạn làm việc tương ứng Sức chống cắt UU Thi công nhanh công trình đất đắp trên lớp sét mềm Sức chống cắt ngay sau khi gia tải không thoát nước, nền sét mềm chưa cố kết hoàn toàn bởi trọng lượng bản thân Đập đất kích thước lớn thi công nhanh, Sức chống cắt không thoát nước của lõi Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 14 độ ẩm của lõi không kịp thay đổi. sét đầm chặt của đập Móng nông thi công nhanh trên nền sét Sức chịu tải phụ thuộc sức chống cắt không thoát nước * Đối với các thí nghiệm cắt chậm, thoát nước Thí nghiệm cắt chậm - cố kết -thoát nước (CD) nhằm mô phỏng ứng xử của đất vào giai đoạn cố kết thoát nước đã kết thúc. Kết quả của phương pháp thí nghiệm này được xác định theo s’, t=t’. Chúng ta có các đặc trưng sức chống cắt tương ứng là jCD = j’ và cCD =c’, điều này cũng có nghĩa là các đặc trưng chống cắt jCD = j’ và cCD =c’ tương ứng với phương pháp ứng suất hữu hiệu, do vậy chúng được tính toán với giá trị trọng lượng đơn vị thể tích đẩy nổi của đất g’ cho các đất nằm dưới mực nước ngầm. Sử dụng j’, c’ cho phép đánh giá sức chịu tải của nền ở giai đoạn lâu dài. Sau khi quá trình cố kết hoàn tất, điều kiện đất nền tương tự thí nghiệm cắt thoát nước CD và trọng lượng đơn vị sử dụng trong tính toán là trọng lượng đơn vị đẩy nổi của đất nền. * Kết quả thí nghiệm theo sơ đồ CD có thể tóm tắt như sau: Công trình Sức chống cắt CD Thi công công trình đất đắp từng lớp thật chậm trên nền sét mềm Sức chống cắt tại chỗ có thoát nước sau khi đã cố kết Đập đất với sự thấm qua thường trực Sức chống cắt của lõi đập có thoát nước sau khi đã cố kết Mái dốc tự nhiên hoặc mái đào của hố móng Sức chống cắt tại chỗ có thoát nước sau khi đã cố kết Móng nông trên nền sét sau khi lún ổn định Sức chống cắt tại chỗ có thoát nước sau khi đã cố kết Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 15 I.7. Nhận xét: Thí nghiệm cắt trực tiếp có các ưu điểm như sau: - Chuẩn bị mẫu đơn giản, đặc biệt là các mẫu rời, ở trạng thái hữu hiệu; - Có thể thí nghiệm cắt trực tiếp với đất sạn sỏi (khi đó sử dụng dao vòng vuông kích thước lớn). Bên cạnh đó thí nghiệm cắt trực tiếp có một số nhược điểm gây ảnh hưởng nhiều đến kết quả thí nghiệm như sau: - Khó kiểm soát được quá trình thoát nước trong khi thí nghiệm dẫn đến khó kiểm soát được các thông số sức kháng cắt hoạt động đúng với trạng thái làm việc ngoài tự nhiên của đất. - Không xác định được áp lực nước lỗ rỗng. - Mặt trượt được ấn định trước mà không cắt theo trạng thái tự nhiên của đất, sự phân bố ứng suất trong đất không đồng đều như trạng thái tự nhiên; Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 16 PHẦN II: ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN THÍ NGHIỆM ĐẾN CÁC ĐẶC TRƯNG THU NHẬN ĐƯỢC SO VỚI MẪU Ở ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN Thí nghiệm đất trên các thiết bị cắt được sử dụng rộng rãi nhờ sự đơn giản của phương pháp và sự tiếp cận của dụng cụ. Tuy nhiên các thiết bị thí nghiệm cắt có một số khuyết điểm, rõ ràng nhất là sự thay đổi tiết diện cắt theo mức độ dịch chuyển tương đối của dao vòng khi tác dụng lực cắt; không có khả năng đo áp lực lỗ rỗng trong vùng trượt; không có khả năng duy trì độ ẩm theo mặt cắt vì sự xuất hiện khe rãnh giữa thớt trên và thớt dưới. Sức chống cắt của một loại đất sẽ không giống nhau, tùy theo trạng thái vật lý của nó (mức độ phá họa cấu trúc tự nhiên, độ chặt, độ ẩm của đất) và các điều kiện thí nghiệm (phương pháp thí nghiệm, cơ cấu máy móc, kích thước mẫu thí nghiệm, tốc độ cắt….). Để nhận được kết quả tin cậy nhất, thí nghiệm xác định sức chống cắt phải được tiến hành trong điều kiện gần giống điều kiện làm việc của đất bên dưới công trình. Hầu hết các thiết bị thí nghiệm cắt trực tiếp được sử dụng trong các phòng thí nghiệm cơ học đất là các thiết bị được sản xuất ở Trung Quốc, Anh, Pháp, Liên Xô cũ và một số nước khác. Các kết quả thu được trong phòng thường có xu hướng lớn hơn so với đất ngoài thực tế. Sự khác biệt đó xuất phát từ các nguyên nhân: II.1. Kích thước mẫu thí nghiệm: Thí nghiệm cắt trực tiếp cũng như hầu hết các thí nghiệm trong phòng cơ đất đều áp dụng cho mẫu đất có kích thước nhỏ ( đường kính khoảng 6.4cm, cao khoảng 2cm), nếu so với đất ngoài tự nhiên, mẫu đất đem thí nghiệm chỉ được xem như một điểm phân tố. Đất là môi trường biến đổi không liên tục, nếu đem các thông số độ bền của một điểm để suy ra toàn vùng nền dễ đẫn đến sai số lớn. II.2. Điều kiện lấy mẫu, bảo quản và chế bị mẫu: - Dưới tác động của các dụng cụ lấy mẫu, trạng thái vật lý của đất bị thay đổi: kết cấu đất bị phá hoại; trong quá trình bảo quản, vận chuyển mẫu, mẫu đất đã bị xáo động, xắp xếp lại; độ chặt của mẫu bị thay đổi, bị giảm độ ẩm tự nhiên…. Việc đưa mẫu Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 17 về trạng thái nguyên trạng ban đầu đòi hỏi người thí nghiệm phải thực hiện các quy trình thí nghiệm một cách nghiêm túc. - Việc bão hòa mẫu trước khi thí nghiệm là yếu tố gây ảnh hưởng nhiều đến sự khác biệt về kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp so với hiện trường. Ta đã biết nước trong đất là nhân tố gây ảnh hưởng nhiều nhất đến độ bền của đất. Thực tế, ngoài hiện trường đất không phải lúc nào cũng bão hòa. Độ bão hòa của đất ngoài tự nhiên thay đổi tùy theo sự biến động của mực nước ngầm. Bởi vậy khi bão hòa hoàn toàn mẫu đất trong phòng mới chỉ mô tả được tình trạng mẫu ở trạng thái có độ bền kém nhất.. II.3. Thiết bị thí nghiệm: - Ma sát giữa 2 phần hộp cắt: Những hộp cắt có hiện tượng bị biến dạng sẽ gây nên lực ma sát giữa hai thớt làm tăng giá trị ma sát trong đất. - Thiết bị không đo được áp lực nước lỗ rỗng trong khi áp lực nước lỗ rỗng là một trong những nhân tố chính ảnh hưởng đến độ bền chống cắt của đất. - Sai số cơ của các đồng hồ và các bộ phận khác…. II.4. Mặt trượt mặc định khi cắt: Ngoài thực tế, đất sẽ bị trượt theo mặt phẳng yếu nhất: dưới mép móng, trên vách hố đào, taluy đường… nhưng trong mô hình thí nghiệm ta lại cắt mẫu đất theo một mặt phẳng nằm ngang định trước với diện tích tiết diện cắt giảm dần. Mặt phẳng này không hẳn là mặt yếu nhất của đất nên giá trị sức kháng cắt thu được có thể lớn hơn so với thực tế. II.5. Cách tiến hành thí nghiệm: - Cách lựa chọn vận tốc cắt: được lựa chọn phải đảm bảo đủ chậm để không làm xuất hiện áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong quá trình cắt. - Cách gia tải: phải phù hợp với quy trình thí nghiệm. II.6. Sơ đồ cắt: Nếu như xét về độ bền của đất loại sét theo tổng ứng suất thì các thông số của tiêu chuẩn phá hoại sẽ phụ thuộc vào chế độ thí nghiệm, kích thước mẫu và điều kiện thoát nước. Ảnh hưởng của phương pháp thí nghiệm lên kết quả nhận được của các thông số sức chống cắt được biểu diễn theo A.A.Karan Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 18 Tất cả đất loại sét mà độ ẩm tự nhiên của chúng W>WP+0,25Ip được thí nghiệm bằng phương pháp cắt nhanh. Sét khi có độ ẩm thấp hơn giới hạn dẻo được thí nghiệm trong điều kiện cắt chậm sau khi nén trước dưới tải trọng tác dụng khi trượt. Ý tưởng của chế độ thí nghiệm đầu là sau thời gian thí nghiệm áp lực lỗ rỗng không kịp phân tán và thí nghiệm được tiến hành theo sơ đồ không cố kết không thoát nước, khi đó như chế độ thứ hai xét trước sự tiến hành quá trình cố kết thoát nước. Trong điều kiện chế độ đầu, sức chống cắt được xác định bằng tổng ứng suất, còn theo chế độ thứ hai là áp lực hữu hiệu (áp lực tác dụng lên cốt đất). Chế độ thí nghiệm trong cắt cố kết nhằm mục đích là ứng suất tác dụng là hữu hiệu. Các đặc trưng độ bền c’ và j’ nhận được từ thí nghiệm bằng phương pháp cắt cố kết thể hiện các đặc tính của cốt đất. Phương pháp cắt không cố kết được sử dụng để xác định sức chống cắt trong điều kiện trạng thái không ổn định của sét và sét pha cát có độ sệt IL ³ 0,75. Có triển ý kiến cho rằng độ tin cậy của các kết quả nhận được trong thí nghiệm cắt trực tiếp tăng lên đáng kể khi ta cắt mẫu đất theo sơ đồ cố kết . Trong trường hợp này việc tính toán độ ổn định áp lực lỗ rỗng trong vùng trượt phải xét dựa vào nguyên tắc Terzaghi: t’ = c’ + (s-u)tgj’ Ở đây s-u=s’ áp lực thẳng đứng hữu hiệu. II.7. Áp lực nước lỗ rỗng: Ở các phòng thí nghiệm ở nước ta, thí nghiệm cắt trực tiếp thường được sử dụng và chủ yếu được thực hiện theo sơ đồ cắt nhanh. Do số lượng thiết bị không nhiều và một số thiết bị còn chưa phù hợp nên việc bão hòa mẫu đất thường không được thực Giá trị thông số Sơ đồ thí nghiệm j’ c’(MPa) Cắt tức thì không nén trước 6 0.02 Cắt nhanh không nén trước 5 0.027 Cắt chậm nén trước dưới tải trọng mặt cắt 20 0.003 Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 19 hiện. Do vậy, kết quả thí nghiệm xác định độ bền của đất từ thí nghiệm cắt trực tiếp có thể có chứa sai số do sự xuất hiện của hiện tượng sức căng bề mặt của nước lỗ rỗng. Ta thấy rằng, độ bền chống cắt của 1 loại đất bất kỳ phụ thuộc chủ yếu vào áp lực lỗ rỗng tồn tại xảy ra lúc phá hoại. Áp lực nước lỗ rỗng dư có thể được tạo ra do các ứng suất trực tiếp đặt vào đất và do xu hướng thay đổi thể tích của đất khi cắt. Mặt khác, áp lực lỗ rỗng dư thường bị tiêu tán khi có sự thoát nước. Tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng phụ thuộc đáng kể vào tính thấm và kích thước khối đất chịu ảnh hưởng của ứng suất cắt. Chúng cũng phụ thuộc vào tốc độ tác dụng của ứng suất; một sự thay đổi rất chậm của ứng suất tác dụng lên khối đất có tính thấm kém không thể tạo ra các áp lực nước lỗ rỗng nào lớn hơn so với trường hợp ứng suất tác dụng nhanh trong đất có tính thấm nuớc cao. Trong khi đó, thí nghiệm cắt trực tiếp không kiểm soát được quá trình thoát nước làm cho việc kiểm soát được các thông số sức kháng cắt hoạt động được đúng với trạng thái làm việc của đất nền là rất khó khăn. Đối với những sơ đồ cắt cố kết có thoát nước dành cho cát sỏi có hệ số thấm lớn (10-4cm) , chiều dài đường thoát nước của mẫu thường ngắn hơn rất nhiều so với thực tế nên tốc độ thoát nước của mẫu tăng dẫn làm cho tốc độ giảm áp lực nước lỗ rỗng nhanh hơn thực tế. Đối với đất loại sét: vì hệ số thấm của chúng tương đối nhỏ (nhỏ hơn 10-6 cm/sec), nên khi biến dạng, vì sự nén ép chậm chạp nước ra khỏi lỗ rỗng, áp lực lỗ rỗng xuất hiện phân tán một cách chậm đáng kể so với độ lún và do đó ảnh hưởng lên độ bền của đất. II.8. Ảnh hưởng của nước mao dẫn: Theo Võ Ngọc Hải: Cường độ sức chống cắt của đất (kể cả đất bão hòa) trong điều kiện ngập nước và không ngập nước khác nhau. Lực dính của đất sét mềm bão hòa nước trong thí nghiệm cắt nhanh trong điều kiện ngập nước có thể có giá trị lớn hơn so với trong điều kiện không ngập nước. Lực dính của đất sét mềm bão hòa nước trong thí nghiệm cắt trực tiếp theo sơ đồ cố kết thoát nước trong điều kiện không ngập nước có giá trị lớn hơn đáng kể so với trong điều kiện ngập nước. Kết quả cắt trực tiếp mẫu cát ẩm trong điều kiện không ngập nước cho thấy có lực dính và lực dính lớn hơn trong điều kiệu ngập nước khoảng 6-8 KN/m2. Sự giãn nở của cát chặt ở thời điểm phá hoại có thể tạo áp lực nước lỗ rỗng âm ở khu vực mặt trượt làm tăng sức kháng cắt của đất, thể hiện thông qua giá trị lực dính thu nhận trong kết quả. Như vậy, điều kiện thí nghiệm: mô hình cắt, chế độ cắt, cách bão hòa nước, áp lực pháp tuyến….. gây nên sự khác biệt khá nhiều đến các thông số sức chống cắt thu được so với tự nhiên. Chính những lý do này thí nghiệm cắt trực tiếp đang dần được thay thế bởi các thí nghiệm khác ưu việt hơn. Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 20 KẾT LUẬN Thí nghiệm đất trên các thiết bị cắt được sử dụng rộng rãi nhờ sự đơn giản của phương pháp và sự tiếp cận của dụng cụ. Tuy nhiên các thiết bị thí nghiệm cắt có một số khuyết điểm, rõ ràng nhất là sự thay đổi tiết diện cắt theo mức độ dịch chuyển tương đối của dao vòng khi tác dụng lực cắt; không có khả năng đo áp lực lỗ rỗng trong vùng trượt; không có khả năng duy trì độ ẩm theo mặt cắt vì sự xuất hiện khe rãnh giữa thớt trên và thớt dưới. Vì không tiến hành được các thí nghiệm nghiên cứu và kiến thức chuyên môn còn hạn hẹp các nhận định trong tiểu luận này mang tính dự đoán, định tính mà không có các số liệu định lượng để chứng minh. Do đó các kết luận nhóm đưa ra có thể chưa xác đáng. Rất mong nhận được sự góp ý, sửa chữa của thầy và các bạn đồng nghiệp để kiến thức của chúng tôi thêm phần hoàn thiện. Trân trọng! Hồ Chí Minh ngày 15/12/2009 Nhóm thực hiện tiểu luận Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bùi Trường Sơn, “Bài giảng Địa chất công trình” – 2009; 2. Châu Ngọc Ẩn, “ Cơ học đất” – NXB Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh 2009; 3. Đoàn Thế Tường, Lê Thuận Đăng, “Thí nghiệm đất và nền móng công trình” – NXB Giao Thông Vận Tải 2004; 4. Võ Ngọc Hải, “Ảnh hưởng áp lực mao dẫn lên độ bền của đất trong thí nghiệm cắt trực tiếp” – Luận văn ThS; 5. Trần Văn Việt, “ Cẩm nang dùng cho kỹ sư địa kỹ thuật” – NXB Xây dựng 2004; 6. K.H.Head, “Soil laboratory testing, volume 2, Permeability, shear strength and compressibility”, 1994 7. Ral. PH B. Peck – Walter E. Hanson – Thomas H. Thornburn, “ Kỹ thuật nền móng” – NXB Giáo dục 1999