TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA XÂY DỰNG HƢỚNG DẪN THÍ NGHIỆM CƠ HỌC ĐẤT Người biên soạn: Ths Nguyễn Văn Quang Vinh, 2014 BÀI XÁC ĐỊNH ĐỘ ẨM TỰ NHIÊN CỦA ĐẤT 1.1 Mục đích thí nghiệm Xác định độ ẩm tự nhiên đất, biểu thị tỷ số % khối lượng nước thoát khỏi mẫu đất sấy khô nhiệt độ 105  110oc khối lượng hạt đất mẫu đất đem sấy Giá trị độ ẩm W thể lượng nước chứa đất, giúp cho việc đánh giá trạng thái đất, tiêu (trực tiếp) để tính tiêu tính tốn (gián tiếp) khác: độ bão hoà G, độ sệt B, hệ số rỗng e Độ hút ẩm Wn lượng nước chứa đất trạng thái khơ gió biểu thị % Các khối lượng xác định cân kỹ thuật lấy xác đến 0,01 g Mẫu đất xem sấy khô đến khối lượng không đổi chênh lệch lần cân sau ≤0,02g Đối với mẫu đất có chứa thạch cao có lượng hữu > 5% so với khối lượng đất khơ sấy nhiệt độ 80o±2oC Hàm lượng hữu xác định phương pháp tổn thất nung 600oc Mỗi mẫu đất cần tiến hành nhiều lần thử song song, đất than bùn tiến hành nhiều lần thử song song lấy giá trị trung bình cộng 1.2 Thiết bị thí nghiệm - Tủ sấy có điều chỉnh nhiệt độ đến 300oc - Cân kỹ thuật độ xác đến 0,01g - Hộp nhơm - Bình hút ẩm có canxiclorua - Sàng có lỗ d =1mm, cối sứ, chày sứ đầu bọc cao su, khay phơi đất… 1.3 Trình tự thí nghiệm - Xác định khối lượng hộp nhôm sấy khô (m0) cân kỹ thuật ghi số hiệu hộp - Dùng dao cắt lượng đất (40  80g) trạng thái tự nhiên cho vào hộp nhôm, đậy nắp lại, dùng cân kỹ thuật xác định khối lượng đất hộp nhơm m1 - Đưa hộp nhơm có đất mở nắp vào tủ sấy Sấy mẫu đất nhiệt độ to = 105  110o thời gian sau: + Sấy khô lần đầu: 3h - đất cát, cát pha, 5h - đất sét, sét pha, 8h - đất chứa thạch cao đất chứa hữu (Qhc>5%) + Sấy lại thời gian 1h đất cát cát pha; 2h với loại đất khác Đất chứa hàm lượng hữu Qhc > 5% phải sấy khô nhiệt độ t0 = 800  20C liên tục khoảng 12h (đất mềm dính) 8h (đất rời xốp) - Sau lấy mẫu đất để nguội bình hút ẩm có CaCl 45’ – 60’ xác định khối lượng cân kỹ thuật: hộp đất sấy m2 1.4 Xử lý kết Kết thí nghiệm ghi theo bảng 2.1 độ ẩm đất tính theo công thức: W m1  m 100% m2  m0 Trong đó: m0 - Khối lượng khối lượng hộp nhơm có nắp (g); m1 - Khối lượng hộp nhơm có nắp đất chưa sấy (g); m2 - Khối lượng hộp nhơm có nắp đất sấy (g) Mỗi mẫu đất phải thí nghiệm song song hộp nhơm tính xác đến 0,1% Biểu ghi kết xác định khối lƣợng riêng Số Số hiệu hiệu mẫu hộp đất N nhôm N0 Khối lượng Khối lượng hộp nhôm hộp nhôm nắp đất nắp m0 chưa sấy m1 (g) (g) Khối trị ẩm Giá lượng hộp Độ đất trung bình nhơm nắp Wtb % đất W% sấy m2 (g) BÀI THÍ NGHIỆM NÉN ĐẤT KHƠNG NỞ NGANG (ƠĐƠMÉT) 2.1 Mục đích sơ đồ thí nghiệm 2.1.1 Mục đích thí nghiệm Phương pháp dùng để xác định đặc trưng tính nén lún (trong điều kiện khơng nở hông) đất loại cát đất loại sét có kết cấu nguyên bị phá hoại, độ ẩm tự nhiên bão hòa nước, phòng thí nghiệm Tính nén lún đất khả giảm thể tích tác dụng tải trọng ngồi Việc xác định tính nén lún bao gồm: tìm hệ số nén a, hệ số nén lún tương đối ao (hệ số cố kết Cv), môđun tổng biến dạng Eo 2.1.2 Sơ đồ thí nghiệm P Mẫu đất Dao vòng Đá thấm d-ới mẫu đất Nắp truyền tải trọng nén Đồng hồ đo lún Hép nÐn Bµn nÐn 2.1.3 Thiết bị thí nghiệm Máy nén Ơđơmét: Các thiết bị thí nghiệm khác - Thước kẹp: - Dao gọt đất: - Cân điện tử - Tủ sấy - Hộp nhôm 2.2 Trình tự thí nghiệm 2.2.1 Ngun tắc thí nghiệm Mẫu đặt hộp cứng (khi thí nghiệm mẫu có chuyển vị, biến dạng thẳng đứng, khơng có chuyển vị ngang) Tải trọng tác dụng lên mẫu theo cấp phải đảm bảo thẳng đứng Tải trọng thẳng đứng Pi tạo áp lực nén đất σi: Pi A A: diện tích mẫu Áp lực nén tạo độ lún S cho mẫu, độ lún S thay đổi theo thời gian Với thời gian t đủ lớn độ lún mẫu dần tới giá trị ổn định gọi S∞ (hoặc Si) i  Mỗi cấp áp lực tác dụng lên mẫu trì đạt ổn định biến dạng nén (ổn định lún) tăng cấp tải Trong thí nghiệm thơng thường biến dạng nén mẫu xem ổn định độ lún mẫu không vượt 0,01mm (≤ 0,01 mm) khoảng thời gian không đất dính, đất rời Trị số cấp áp lực nén σi thí nghiệm xác định theo tính chất đất u cầu thực tế cơng trình trường hợp cụ thể Thông thường, cấp sau lớn gấp lần cấp trước Số lượng cấp áp lực khơng nhỏ cho mẫu nén 2.2.2 Trình tự thí nghiệm - Bước 1: Dùng thước kẹp đo xác định đường kính chiều cao dao vòng d Cân dao vòng xác định trọng lượng m - Bước 2: Lấy mẫu đất vào dao vòng, cân dao vòng có mẫu xác định trọng lượng m1 - Bước 3: Đưa mẫu vào hộp nén, đưa hộp nén lên máy nén - Bước 4: Gắn đồng hồ đo vào vị trí (tì chân đồng hồ lên chốt nắp truyền lực) Đưa giá trị đồng hồ đo chuyển vị đứng giá trị ban đầu 0.00 - Tiến hành gia tải nén theo dõi biến dạng mẫu Tăng tải trọng nén theo cấp, cấp tải theo dõi biến dạng nén đồng hồ đo biến dạng đạt ổn định lún qui ước tăng cấp tải Lưu ý: Tại phòng thí nghiệm, sinh viên thí nghiệm với mẫu đất trị số áp lực nén khác nhau, cấp thí nghiệm khoảng thời gian 10 phút (ghi số liệu đồng hồ đo lún thời điểm: giây, 10 giây, 15 giây, 30 giây, phút, phút, 10 phút) tăng cấp tải - Bước 5: Sau đạt ổn định lún cấp cuối dỡ tải lấy dao vòng có mẫu đất khỏi hộp nén - Bước 6: Lấy mẫu để xác định độ ẩm tỷ trọng đất 2.3 Kết thí nghiệm 2.3.1 Xử lý kết - Hệ số rỗng ban đầu trước thí nghiệm tính theo cơng thức: eo  . n (1  W) 1  Trong đó: Δ: tỷ trọng đất W: độ ẩm mẫu đất γn: trọng lượng riêng nước (lấy 1T/m3) - Các hệ rỗng ei ứng với cấp tải trọng σi xác định biểu thức: e i  e o  1  e o  Si h Trong đó: Si: độ lún cuối tác dụng áp lực σi h: độ cao ban đầu mẫu đất 2.3.2 Vẽ đường cong nén lún Mỗi cặp (ei, σi) tương ứng điểm biểu đồ Đánh dấu điểm biểu đồ, sau ta vẽ đường cong logarit trơn gần điểm 2.3.3 Xác định hệ số nén lún a, hệ số nén lún tương đối ao, mô đun biến dạng Eo - Hệ số nén lún khoảng áp lực n đến n+1 a ( n n1 )  en  en 1 n 1  n Trong đó: en+1: hệ số rỗng cấp tải trọng thứ n+1; en: hệ số rỗng cấp tải trọng thứ n; n+1: áp lực nén thẳng đứng cấp thứ n+1; n: áp lực nén thẳng đứng cấp thứ n; - Hệ số nén lún tương đối khoảng áp lực n đến n+1 a o( n n1 )  a ( n n1 )  en - Mô đun biến dạng khoảng áp lực n đến n+1 Eo(n n1 )  (1  2o2  )   o a o(n n1 ) a o(n n1 ) Trong đó: μo: hệ số nở hông (hệ số Poisson) BÀI THÍ NGHIỆM CẮT ĐẤT TRỰC TIẾP 3.1 Mục đích sơ đồ thí nghiệm 3.1.1 Mục đích thí nghiệm Xác định đặc trưng chống cắt đất: góc ma sát υ, lực dính c Sức chống cắt đất phản lực đất ngoại lực ứng với lúc đất bắt đầu bị phá hoại trượt lên theo mặt phẳng định (gọi mặt trượt) Phạm vi áp dụng: Phương pháp dùng để thí nghiệm xác định sức chống cắt đất loại sét đất loại cát có kết cấu ngun trạng chế bị phòng thí nghiệm máy cắt có mặt cắt định trước (còn gọi thí nghiệm hộp cắt) Phương pháp khơng áp dụng cho đất cát thô, đất sỏi sạn, đất loại sét trạng thái chảy bị biến dạng chảy tác dụng áp lực thẳng đứng σ ≤ (kG/cm2) 3.1.2 Sơ đồ thí nghiệm P (1) Mẫu đất Đá thấm Nửa hộp cố định Nửa hộp di ®éng Bé phËn nÐn Bé phËn trun t¶i träng c¾t Cắt nhanh khơng cố kết: Mẫu đất thí nghiệm không nén trước (không cố kết), tiến hành cắt nhanh 3.2 Thiết bị thí nghiệm 3.2.1 Máy cắt ứng biến Các phận máy: - Hộp cắt: - Vòng ứng biến: - Bộ phận gia tải đứng, gia tải ngang: 3.2.2 Các thiết bị thí nghiệm khác - Thước kẹp - Dao gọt đất: 10 - Các kính kim loại nhẵn, phẳng… 3.3 Trình tự thí nghiệm 3.3.1 Ngun tắc thí nghiệm - Tác dụng tải trọng thẳng đứng P để tạo áp lực nén σ (Với mẫu thí nghiệm giữ áp lực nén khơng đổi):  P A A: diện tích mẫu Lưu ý: Để mẫu đất khơng cố kết (khơng nén trước): thí nghiệm sau gia tải nén tiến hành gia tải cắt - Tác dụng tải trọng ngang T (vào thớt hộp cắt) để tạo ứng suất cắt  T A Lưu ý: Đối với máy cắt ứng biến để đảm bảo chế độ cắt nhanh người ta gia tải ngang cách quay tay quay với tốc độ từ đến12 (giây) / 1vòng, với mẫu đất có đường kính từ 60 đến 80 (mm) Để xác định sức chống cắt phải thí nghiệm khơng trị số áp lực nén khác σi (thường thí nghiệm từ – trị số áp lực nén) 3.3.2 Trình tự thí nghiệm - Bước 1:Lấy mẫu đất vào dao vòng - Bước 2: Đưa mẫu đất vào hộp cắt - Bước 3: Đưa hộp cắt vào máy cắt Cho trục hệ thống gia tải ngang tiếp xúc với hộp cắt Cố định hộp cắt theo phương thẳng đứng theo phương ngang - Bước 5: Tiến hành gia tải nén - Bước 6: Tháo hai chốt cố định thớt thớt - Bước 7: Đưa giá trị đồng hồ đo biến ngang giá trị ban đầu 0,00 - Bước 8: Tiến hành cắt mẫu đất: Cắt mẫu đất cách quay tay quay với tốc độ 10s/1vòng (tốc độ cắt nhanh) Trong quay, theo dõi đồng hồ đo chuyển vị ngang ghi lại Nếu thấy kim đồng hồ không tăng (kim đồng hồ dừng lại chạy lùi) đọc giá trị Rmaxi dừng thí nghiệm - Bước 9: Lấy mẫu đất phá hoại khỏi hộp cắt Làm tương tự mẫu 11 3.4 Kết thí nghiệm 3.4.1 Xử lý kết Trị số ứng suất cắt τi (tương ứng với trị số áp lực nén σi) tính theo công thức: i  Co Ri Co: hệ số vòng ứng biến (thực chất số đàn hồi hay hệ số chuyển từ biến dạng 0,01mm sang kPa) Ri: số đọc đồng hồ đo biến dạng vòng đo lực ngang (biến dạng vòng đo ứng biến) Sức chống cắt mẫu đất Si lấy trị số cực đại τi Si  maxi  Co R maxi 3.4.2 Xác định φ c Xác định đặc trưng chống cắt cách lập biểu đồ quan hệ S (τmax) σ: trục hoành σ trục tung τ Mỗi mẫu thí nghiệm ta có cặp kết (τmaxi, σi), tương ứng điểm biểu đồ Biểu diễn điểm lên biểu đồ Vẽ đường thẳng gần qua điểm, đường thẳng cắt trục tung đâu cho ta giá trị lực dính c, góc đường thẳng với đường nằm ngang cho ta góc ma sát υ Lưu ý: Kết suy diễn đường thẳng Các thơng số tg c đất xử lý theo công thức sau: n tg  n n i 1 n i 1 n  (i i )   i  i i 1 n n  i  ( i )2 i 1 c i 1 n n n i 1 i 1 n i 1 n  i  i   i  (ii ) i 1 n n  i  ( i )2 i 1 i 1 12 đó: n: số lần xác định τ; : giá trị góc ma sát tính độ; τi, σi: giá trị riêng biệt sức chống cắt áp lực thẳng đứng; c: lực dính đất, tính N/m2 hay kG/cm2 13 BÀI THÍ NGHIỆM ĐẦM CHẶT ĐẤT 4.1 Mục đích thí nghiệm Xác định độ ẩm tốt Wtn ứng với độ chặt tiêu chuẩn đất (trọng lượng riêng khô lớn γkmax) 4.2 Thiết bị thí nghiệm 4.2.1 Bộ cối, chày 4.2.2 Các thiết bị thí nghiệm khác - Cân điện tử - Sàng đường kính lỗ 5mm 14 - Bình phun nước - Tủ sấy - Dao gọt đất - Khay trộn đất - Cối sứ chày bọc cao su để nghiền đất… 4.3 Trình tự thí nghiệm - Bước 1: Dùng chày giã nhỏ đất khay - Bước 2: Sàng đất qua rây 5mm (lượng đất thu rây khoảng 5Kg) - Bước 3: Cân trọng lượng toàn cối (trừ vành tháo lắp), xác định thể tích thân cối - Bước 4: Lấy 5Kg đất (đã làm bước 3), xác định độ ẩm cho thêm nước vào để tăng độ ẩm từ 2-5%, lượng nước phun thêm vào q tính theo cơng thức: q m (Ws  Wt )  Wt đó: m: khối lượng đất trước làm ẩm thêm Ws: độ ẩm đất cần có Wt: độ ẩm đất trước làm ẩn thêm - Bước 5: Với cối phòng thí nghiệm, ta cho đất vào cối thành lớp, lớp chiếm 1/3 thể tích cối, ứng với lớp đầm 25 chày 15 - Bước 6: Sau đầm xong, tháo phần cổ cối (vành tháo lắp), gạt phẳng, đưa toàn lên cân để xác định trọng lượng riêng tương ứng - Bước 7: Làm lại tương tự với độ ẩm dự chế khác 4.4 Kết thí nghiệm Kết trực tiếp từ thí nghiệm giá trị  Wi , i  đất Số lượng thí nghiệm tối thiểu cho loại đất khơng nên Đưa kết dạng  Wi , ki  theo công thức sau biểu diễn mối quan hệ  k  f(W) lên đồ thị vẽ  ki  i 1 W Độ ẩm tốt WTN ứng với độ chặt tốt  kmax xác định đồ thị  max wtn w 16 ... Poisson) BÀI THÍ NGHIỆM CẮT ĐẤT TRỰC TIẾP 3.1 Mục đích sơ đồ thí nghiệm 3.1.1 Mục đích thí nghiệm Xác định đặc trưng chống cắt đất: góc ma sát υ, lực dính c Sức chống cắt đất phản lực đất ngoại lực... lượng đất hộp nhôm m1 - Đưa hộp nhơm có đất mở nắp vào tủ sấy Sấy mẫu đất nhiệt độ to = 105  110o thời gian sau: + Sấy khô lần đầu: 3h - đất cát, cát pha, 5h - đất sét, sét pha, 8h - đất chứa... 8h (đất rời xốp) - Sau lấy mẫu đất để nguội bình hút ẩm có CaCl 45’ – 60’ xác định khối lượng cân kỹ thuật: hộp đất sấy m2 1.4 Xử lý kết Kết thí nghiệm ghi theo bảng 2.1 độ ẩm đất tính theo cơng