Chơng2: tính chất học đất Chơng Các Tính chất học đất Đ1 tính chịu nén đất I thí nghiệm nén đất tr êng (Pbt – plate bearing test) Giíi thiƯu kh¸i quát Trong nghiên cứu trạng thái làm việc móng nông, xuất ý tởng cần tiến hành thí nghiệm nén trờng bàn nén tơng tù nh mét mãng nhng cã kÝch thíc nhá h¬n Qua đó, quan sát đợc trạng thái làm việc bàn nén làm sở suy diễn cho móng nông có kính thớc thực Đó sở xuất loại thí nghiệm bàn nén tải trọng tÜnh sư dơng cho kiĨm tra vµ thiÕt kÕ mãng nông nh cho thiết kế tầng phủ mặt đờng giao thông Không đất mà đá ngời ta áp dụng loại thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh nhằm xác định môdun đàn hồi sức kháng cắt khối đá Mục đích nguyên lý thí nghiệm Mục đích để kiểm tra sức chịu tải cho phép đất dới đáy móng qua đánh giá tính bền tính biến dạng đất Nguyên lý thí nghiệm đặt bàn nén, dạng hình tròn vuông, lên mặt lớp đất dự kiến đặt móng (thờng đáy hố đào) tiến hành chất tải lên bàn nén Tải trọng đợc chất tăng dần theo cấp cấp cần quan trắc độ chuyển vị bàn nén chuyển vị xem ổn định tăng cấp Lập biểu đồ đờng cong áp lực độ lún qua xác định ngỡng giới hạn dẻo đất Trong trạng thái giới hạn phá hỏng đất xác định cấp tải trọng bàn nén chuyển vị không ngừng Môdun đàn hồi đất xác định qua đờng cong phạm vi pha đàn hồi Thiết bị thí nghiệm a) Bàn nén Bàn nén đợc chế tạo thép cứng, dạng hình tròn vuông, đờng kính cạnh không nhỏ 20cm, có diện tích khoảng 0.5 ~1m2 Bản nén chuẩn, có đờng kính 30cm bàn nén đợc Terzaghi sử dụng nhiều công trình nghiên cứu so sánh 51 Chơng2: tính chất học đất Tuy nhiên, để có kết phản ánh sát với thực tế bàn nén cần có kích thớc lớn tốt, khả đối tải cho phép Những kích thớc quy định theo quy phạm quốc gia, thể bảng 2-1 Bảng 2-1: Kích thớc bàn nén theo quy định qc gia Qc gia KÝch thíc bµn nÐn (cm) Mü 35 47 61 76 91 106 §øc 30 60 - - - - Hµ Lan 20 40 75 - - - BØ 33 43 61 75 - - b) Bộ phận đối tải - Đối tải chất tải lên khung dầm, phận đối tải bao gồm hệ khung chất tải vật chất tải (có thể cục gang, khối bê tông vật tạo trọng lợng thích hợp) - Đối tải neo ngàm khung dầm - Đối tải kết hợp hai phơng pháp c) Bộ phận đo ghi - Đo xác định tải trọng (hay áp lực) : thêng sư dơng kÝch thủ lùc cã ®ång hå áp lực để xác định tải trọng cấp, đo trọng lợng chất tải - Đo chuyển vị nén: bao gồm hệ giá đỡ làm gỗ thép đồng hồ đo chuyển vị (sử dụng thiên văn kế có độ xác 0.01mm) Tiến hành thí nghiệm a) Bố trí thí nghiệm Việc xác định chiều rộng hố đào khoảng cách điểm neo dỡ tải đến tâm bàn nén, cho hạn chế ảnh hởng đến số đo, đợc bố trí theo hình 2-1 b) Xác định cấp áp lực nén Khoảng cấp ¸p lùc nÐn (Δp) t¸c dơng phơ thc tr¹ng th¸i đất tiêu chuẩn quy định Thông thờng ngời ta xác định cấp áp lực theo nguyên tắc: 52 Chơng2: tính chất học đất p = max 10 (2-1) Trong đó: Pmax - cấp áp lực tối đa dự định thí nghiệm, đợc xác định nh sau: Pmax= (1.5 ữ 2).qa - qa sức chịu tải thiết kế cho móng nông Pmax= qu - qu sức kháng giới hạn móng nông theo tính toán Khi tiêu chí lựa chọn sơ đồ cấp áp lực sau thờng đợc kiến nghị: = 0.4 - 0.8 - 1.2 - 1.6 - 2.0 – 2.4 – 2.8 – 3.2 kg/cm2 (nÕu cÇn, tiÕp tơc: 3.6, 4.0) Nh vËy khoảng đến 10 cấp áp lực cần thiết để tiến hành cho thí nghiệm cấp áp lực sau lần cấp áp lực trớc Hình 2-1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm bàn nén (FBT) c) Xác định khoảng thời gian đọc Cứ khoảng thời gian đọc chuyển vị theo sơ đồ ASTM kiến nghị nh sau: Giờ đầu tiên: 10 phút ®äc mét lÇn Giê tiÕp theo: cø 15 ®äc lần Các sau đó: 30 phút đọc lần d) Xác định điều kiện ổn định lún Quan trắc chuyển vị kết thúc đất đợc xem ổn định Độ ổn định đợc qui ớc tuỳ theo loại đất tiêu chuẩn áp dụng Các giá trị theo ASTM D1194-94, tham khảo: Với đất cát chuyển vị không vợt 0.2mm, với đất sét e) Xác định sơ đồ quan trắc 53 Chơng2: tính chất học đất Sơ đồ quan trắc đợc xác định tuỳ theo mục đích thí nghiệm để tìm hiểu trạng thái làm việc đất Có thể phân thành loại: - Sơ đồ quan trắc chu kỳ: nghĩa tiến hành chất tải quan trắc lún đến kết thúc - Sơ đồ quan trắc nhiều chu kỳ: nghĩa tiến hành hai hay nhiều chu kỳ chất dỡ tải trình quan trắc lún Mục đích xác định trạng thái làm việc pha giả đàn hồi đất Thông thêng, thÝ nghiƯm cho thiÕt kÕ ®êng ngêi ta sư dụng sơ đồ nhiều chu kỳ Còn thí nghiệm phục vụ móng nông ngời ta hay dùng sơ đồ chất tải lần cấp áp lực thiết kế f) Thực thí nghiệm Sau chuẩn bị đầy đủ khâu cho thí nghiệm, bớc tiến hành nh sau: - Làm phẳng đáy hố thí nghiệm, rải lớp cát thô dày khoảng 1cm - Đặt bàn nén lắp đặt dụng cụ, ®ång hå ®o råi hiƯu chØnh - T¸c dơng cÊp áp lực lên bàn nén, để khoảng 30 giây, dỡ tải không - Hiệu chỉnh đồng hồ đo lún không - Gia tải cấp, từ cấp đầu tiến hành quan trắc lún theo sơ đồ quan trắc ấn định cho cấp Trình bày kết Kết thí nghiệm đợc trình bày dới dạng biểu đồ Hai loại biểu đồ cần đợc thể hiện: - Biểu đồ mối quan hệ chuyển vị theo thời gian cấp áp lực Biểu đồ có trục thời gian (có thể vẽ theo thang trực tiếp thang logarit thang bậc hai) - Biểu đồ mối quan hệ áp lực độ lún Diễn dịch kết Phân tích biểu đồ quan hệ chuyển vị theo cấp áp lực cho phép ta xác định đặc trng sau: a) Xác định ứng suất giới hạn đất dới bàn nén (qu) Thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh mô hình thí nghiệm nén tĩnh móng nông thu nhỏ, nên qua biểu đồ lún cấp áp lực ta hình dung trạng 54 Chơng2: tính chất học đất thái làm việc đất dới móng ứng suất giới hạn đất dới bàn nén đợc xác định theo cách: - Xác định ngỡng mỏi (pt) thời điểm giao hai nhánh đàn hồi biến dạng dẻo đờng cong áp lực - độ lún - Xác định giới hạn phá hỏng đất nền: điểm mà tải trọng không tăng nhng độ lún chuyển vị không ngừng theo thời gian - Xác định giới hạn qui ớc: áp lực mà độ lún đạt giá trị qui ớc 1/10 đờng kính bàn nén (hoặc cạnh bàn nén) Giá trị ứng suất giới hạn đất theo thí nghiệm dùng để đánh giá trạng thái làm việc đất dới bàn nén, mà xác định trực tiếp sức chịu tải cho phép móng nông, bị ảnh hởng yếu tố hình dạng kích thớc b) Xác định ứng suất cho phép đất dới bàn nén (pa) ứng suất cho phép đất dới bàn nén xác định cách sau: pa = qu Fs (2-2) Trong đó: qu- ứng suất giới hạn Fs - hệ số an toàn Theo kiến nghị Terzaghi (1948) ứng suất cho phép bàn nén đợc lấy nửa cấp áp lực, mà bàn nén có độ lún 10mm c) Xác định sức chịu tải cho phép móng nông (qa) Trong thực tế, móng nông có kích thớc B L, khác xa so víi kÝch thíc bµn nÐn HiƯu øng vỊ hình dạng kích thớc móng thực so với bàn nén, đợc Terzaghi tính toán cho loại đất, theo biểu thức sau: - Đối với đất loại c¸t: B  qa = p a 1.6 + 0.7 L (2-3a) - Đối với đất loại sét: B  qa = p a  0.77 + 0.23 L (2-3b) d) Xác định độ lún trực tiếp móng nông (Sm) Độ lún móng nông xác định trực tiế sở độ lún bàn nén, dới tác dụng sức chịu tải cho phép Độ lún móng nông, có bề rộng B, đợc xác định qua độ lún bàn nén theo biểu thức sau: Đối với đất loại cát, sử dụng công thức Kogler: 55 Chơng2: tính chất học đất 2B Sm = c f sb   R + B  (2-4) Đối với đất loại cát, sư dơng c«ng thøc Terzaghi: B Sm = c f sb    2R  (2-5) Trong ®ã: Sm- ®é lón mãng thùc tÕ, cã bỊ réng B Sb- độ lún bàn nén (ở lực thiết kế, lấy biểu đồ) có bán kính R cf - hệ số hình dạng, hụ thuộc tỷ số B/L, lấy theo bảng sau: Bảng 2-2: Hệ số hình dạng cf Tỷ sè B/L 0.5 0.33 0.2 0.1 cf 1.95 2.27 2.68 3.28 e) Xác định môdun biến dạng (Eo) Nếu coi quan hệ P~S tuyến tính, môdun biến dạng (E o) đợc tính theo công thức Lý thuyết ®µn håi nh sau: ∆S = − ν ∆pF Eo d Eo = − ν ∆pF ∆p = 1.57 −ν R ∆S d ∆S (2-6) Và đó: ( ) (2-7) Trong đó: E0 - môđun biến dạng đất - hệ số Poisson hay hƯ sè në ngang d - ®êng kÝnh nén ; Nếu nén hình vuông d = F R - bán kính nén p - biến thiên cấp áp lực pha đàn hồi S - biến thiên độ lún, tơng ứng với cấ lực nêu 56 Chơng2: tính chất học đất II thí nghiệm nén đất phòng (oct- one dimensional compression test) Khái quát chung Độ lún đất hạt mịn bÃo hoà nớc, dới tác dụng tải trọng, xảy tợng cố kết Thí nghiệm mô tợng cố kết ®Êt gäi lµ thÝ nghiƯm nÐn mét trơc (OCT: One – dimensional Conpression Test), hc thÝ nghiƯm nÐn cè kÕt, hc thÝ nghiƯm nÐn lón ThÝ nghiƯm nÐn cè kÕt nhằm mục đích nghiên cứu trình cố kết theo lý thuyết Terzaghi Thí nghiệm xác định độ lún trình thoát nớc lỗ rỗng mẫu đất dới tải trọng thẳng đứng (tham khảo ASTM D2435) Thí nghiệm OCT dùng cho loại đất cát đất loại sét có kết cấu nguyên dạng, chế bị mẫu trạng thái bÃo hoà nớc Xác định tính nén lún đất (giảm thể tích lỗ rỗng) dới tác dụng tải trọng thẳng đứng lên mẫu theo cấp (áp lực) Kết thí nghiệm thành lập đợc đồ thị quan hệ e~p() (đờng cong nén lún), e~log() (đờng cong cố kết), S~t cấp tải trọng, đồng thời xác định đặc trng biến dạng khác đất nh: hệ số nén lún (a), môdun biến dạng (E), hệ số cố kết Cv Thiết bị phơng thức tiến hành a) Thiết bị thí nghiệm (1) (2) Máy nén đất hòng (oedometer) gồm phận chủ yếu hộp đựng mẫu đồng, đựng mẫu đất, mẫu thờng có dạng hình trụ, dụng cụ lấy mẫu nguyên dạng, dao cắt đất, ®ång hå bÊm gi©y, tđ sÊy, c©n kü tht, giÊy thấm Chú ý thao tác yêu cầu máy nén: - Tải trọng truyền vào nén theo phơng thẳng đứng nén Rửa đá thấm để nớc lu thông dễ dàng Phải kiểm tra độ khít, độ phẳng bàn máy, cân phận truyền áp lực Trong trình thử phải giữ máy điều kiện tĩnh không bị rung hay va đập - Mỗi năm điều chỉnh máy lần, có hiệu chỉnh biến dạng máy, thông số dao vòng (3) Đất loại sét đất loại cát (không lẫn sỏi sạn) đờng kính mẫu thử dao vòng d 50mm, đất lẫn sỏi sạn phải dùng dao vòng có đờng kính d 70mm Khi thí nghiệm lấy mẫu bÃo hoà nên dùng nớc có đặc tính giống nớc nơi lấy mẫu 57 Chơng2: tính chất học đất Hình 2-2: Sơ đồ bố trí thíêt bị thí nghiệm nén trục (OCT) (4) Cấp tải trọng ban đầu lấy nhỏ áp lực tự nhiên (mẫu đất nguyên dạng), nh sau: - Đất mực nớc ngầm đồng nhất: p1 = 0.1 * z (kG/cm2) (2-8a) - Đất dới mực nớc ngầm lấy: p1 = [ ( z − h )( ρ bh − ρ n ) + hρ ] (kG/cm2) (2-8b) Trong ®ã: z - chiều sâu lấy mẫu (m) h - độ sâu mực nớc ngầm tính từ mặt đất (m) - khối lợng thể tích đất mực nớc ngầm (T/m3) bh - khối lợng thể tích đất dới mực nớc ngầm (T/m3) n - khối lợng riêng nớc (T/m3) - Đất chế bị vào độ chặt trạng thái ban đầu mẫu chế bị để quy định - Đất sét yếu chọn cấp tải cho kết cấu đất không bị phá hoại Khi độ sâu lấy mẫu nguyên dạng 5m p1 0.5 kG/cm2 (sét dẻo), đất dẻo mềm lấy bé - Cấp áp lực cuối phải lớn áp lực thiết kế công trình áp lực tự nhiên độ sâu lấy mẫu 15% Mẫu chế bị, cấp áp lực cuối phải lớn áp lực thiết kế công trình 1~2 kG/cm2 - Thông thờng trị số cấp áp lực sau lần cấp áp lực trớc đó: Đất sét dẻo chảy chảy: 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.75, 1.0, 2.0, 3.0 kG/cm2 Đất sét dẻo dẻo mềm: 0.25, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0 4.0 kG/cm2 58 Chơng2: tính chất học đất (5) Mỗi mẫu thử số cấp áp lực không đợc cấp, cấp áp lực phải giữ đến ổn định qui ớc lún đợc chuyển sang cấp Qui định ổn định qui ớc lún theo loại đất: - Đối với đất cát, đạt độ lún 0.01mm 30; - Đối với cát pha : sau giê ; - Víi sÐt pha vµ sÐt cã Ip< 30: sau 12 ; - Các loại đất khác có Ip> 30 thời gian ổn định không 24 (6) Tiến hành xác định độ ẩm ban đầu (W o) khối lợng thể tích () mẫu đất thử (7) Cân chỉnh xác định biến dạng máy nén trớc tiến hành thí nghiệm b) Chuẩn bị mẫu đất (1) Mẫu đất nguyên dạng: tiến hành lấy mẫu đất vào dao vòng nh thử nghiệm xác định khối lợng thể tích tự nhiên phơng pháp dao vòng để xác định đợc () độ ẩm (W) trớc thử (2) Mẫu đất không nguyên dạng: lấy mẫu trung bình có khối lợng khoảng 200g từ đất đá đợc già sơ bộ, loại bỏ sỏi sạn tạp chất để chế bị mẫu Lấy khoảng 10g để xác định độ ẩm ban đầu (W) c) Trình tự thí nghiệm (1) Đặt dao vòng vào hộp nén Đặt viên đá thấm đà đợc bÃo hoà nớc vào đáy hộp nén đặt giấy thấm lên đá thấm Đặt dao vòng có chứa mẫu đất lọt vào hộp nén (phía lỡi dao vòng xuống dới), sau đặt lại giấy thấm đá thấm đà đợc bÃo hoà nớc lên mặt mẫu đất Cuối đặt nén lên đá thấm (2) Hộp nén đợc đặt vào khung truyền lực điều chỉnh cho viên bi truyền lực vào tâm nén (3) Cắm chốt truyền biến dạng mẫu đất vào khung truyền lực qua lỗ ngang khung Lắp đồng hồ đo biến dạng vị trí ban đầu số (4) Tải trọng tác dụng lên mẫu cấp cân tác dụng lên khung truyền lực tính theo c«ng thøc: m= PF − mo f (kg) (2-9) Trong đó: m - khối lợng cân quang treo (kg) P - cấp áp lực tác dụng lên mẫu đất (kG/cm2) F - tiết diện mẫu ®Êt (cm2) 59 Ch¬ng2: tÝnh chÊt c¬ häc cđa ®Êt f - hƯ sè trun lùc cđa khung trun lùc (5) Tăng tải trọng theo cấp cách thêm cân vào quang treo khung truyền lực (tính theo công thức trên) theo dõi biến dạng lún mẫu đồng hồ đo biến dạng cấp tải trọng 15 giây sau gia tải vào thời điểm 1, 2, 4, 8, 15, 30 60 đạt độ lún ổn định qui ớc Khi không cần nghiên cứu tốc độ lún theo dõi trị số biến dạng thời điểm: 10, 20, 30, 1h, 2h, 23h, 24h đạt độ ổn định qui ớc lún cấp tải trọng phải theo dõi theo qui định (6) Trong trờng hợp nén nhanh (công trình không quan trọng, không đòi hỏi tính xác cao việc xác định độ lún đợc đồng ý quan thiết kế), cấp tải trọng giữ thời gian giờ, cấp cuối tiếp tục giữ biến dạng nén mẫu đất đạt đến ổn định qui ớc Sau phải có hiệu chỉnh kết thích hợp Ghi kết thí nghiệm vào Bảng 2-3 B¶ng 2-3: KÕt qu¶ thÝ nghiƯm CÊ t¶i trä ng P (k G/ cm ) T h ê i g i a n ® ä c ( h ó t ) S ố đ ọ c t r ê n ® å n g h å ® o b i Õ n T rÞ s è b iÕ n d n g c ủ a m y Y B i Õ n d ¹ n g c ñ a m É u ® Ê t Y m p ( m m ) ( m m ) H ệ s ố r ỗ n g e Hệ số nÐ n ló na (c m2 /k G) M «d un biÕ n d¹ ng E (k G/ cm ) H Ư sè bi Õn d¹ ng ep (m m / m) i d ¹ n g ( 60 ... Fh1 = Fh2 + e1 + e2 + e2 h2 = h1 + e1 Vh = ( 2- 16) ( 2- 17) Thay biểu thức ( 2- 17) vào ( 2- 15) ta đợc: S = h1 − h2 = h1 − S= e1 − e2 h1 + e1  + e2  + e2 h1 = h1 1 −  + e1  + e1  ( 2- 18) ( 2- 19) Theo... xác định hệ số nén lún ( 2- 14), ta viÕt: e1 − e2 = a ( p − p1 ) = a∆p ( 2- 20) Thay biĨu thøc ( 2- 21) vµo biểu thức ( 2- 20), đợc kết quả: S= a ph1 + e1 ( 2- 21a) S = ao ∆ph1 ( 2- 21b) Vµ chó ý đến quan... đờng cong (hình 2- 4), ta có: e1 − e2 = CC ( log σ 2? ?? − log σ 1′ ) = CC log   σ 1′  ( 2- 27) 66 Ch¬ng2: tÝnh chÊt c¬ häc cđa ®Êt CC = e2 − e1 ( log σ 2? ?? − log σ 1′ ) ( 2- 28) Tõ c«ng thøc ( 2- 25)