Giáo trình Các tính chất vậy lý của đất - Chương 6: Các phương pháp thí nghiệm hiện trường

CHƯƠNG 6 CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG KHẤI NIỆM CHUNG Để thiết kế nền móng công trình chúng ta cần phải có các chỉ tiêu tính chất cơ 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 do quá trình lấy mẫu, bảo quản và thí nghiệm mà có thể phạm phải nhũng sai số. 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 thế giới đã áp dụng các phương pháp thí nghiệm hiện trường để 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 nền móng hợp lý và tiết kiệm, tránh được những sự cố do không nắm 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 nền đất thông dụng sau đây : Xác định chỉ tiêu về biến dạng 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 lỗ 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 quả 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 thể 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. THÍ NGHIỆM XUYÊN Ở HIỆN TRƯỜNG Thí nghiệm xuyên ở hiện trường là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhờ nhũng ưu điểm sau : Là phương pháp thí nghiệm nhanh, kinh tế Cho kết quả tin cậy 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 thể tiến hành thí nghiệm đối với đất không có khả năng lấy mẫu. Tuỳ theo dụng cụ thăm dò (mũi xuyên) được ấn hay đóng vào đất mà được chia ra thiết bị xuyên tĩnh ( khi thiết bị ấn dụng cụ thăm dò xuống đất) và thiết bị xuyên động ( khi dụng cụ thăm dò đuợc đóng xuống đất). 6.2.1. Thiết bị xuyên tĩnh Hiện nay trên thế giới có nhiều loại thiết bị xuyên tĩnh khác nhau, theo đặc điểm kết cấu của thiết bị có thể phân ra làm 2 loại : Hệ thống cần xuyên đon 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, Geotecnic của Thuỵ Điển...) 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 dài cần. (C975, C59, YK-7 của Liên Xô, Rillen của Anh, XT 32-80 của Việt Nam, Gouda của Hà Lan). 5 10 Hình 6-1 Sơ đồ thiết bị xuyên tĩnh Hình 6-2. Biểu đồ sức kháng mũi xuyên Nhiều kết quả 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 tĩnh chúng ta xem xét thiết bị xuyên Geotecnic của Thuỵ 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 dùng để khử lực nhổ khi ấn mũi xuyên xuống đất. Bộ phận cần xuyên : cần xuyên hình trụ Cp22mm, mỗi đoạn dài Im được nối với nhau bằng ren đoạn dưới nối với mũi xuyên. Bộ phận mũi xuyên gồm 2 phần : mũi xuyên hình chóp đều, diện tích đáy 10 cm2 và góc mở 60°. Phía trên mũi xuyên có ống trượt ma sát cho phép xác định ma sát dọc cần xuyên, (hình 6-lb) Bộ phận vẽ biểu đồ là hộp ghi có cấu tạo đặc biệt cho phép tự ghi biểu đồ xuyên theo chiều sâu. Những chỉ tiêu chủ yếu của thiết bị xuyên tĩnh là : Sức kháng xuyên tổng cộng qt (KG/cm2, KN/m2) Sức kháng xuyên đầu mũi qc (KG/cm2, KN/m2) Ma sát dọc cần xuyên qma Trong quá trình xuyên ta luôn có : qt = qc + qms . Kết quả xuyên tĩnh thường được biểu diễn qua biểu đồ xuyên : trục hoành biểu diễn sức kháng xuyên còn trục tung biễu diễn độ sâu xuyên. Hình 6-2 đưa ra một ví dụ về biểu đồ sức kháng mũi xuyên. Bằng cách xử lý và diễn giải kết quả xuyên tĩnh tùy thuộc vào đắc điểm cấu tạo, 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 tĩnh ở hiện trường cho các mục đích đó . Phân loại đất, phân chia địa tầng 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 biểu đồ xuyên ( hình dạng của biểu 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 qc Sức kháng ma sát cần xuyên qms Tỷ số FR = C1,1IS tính bằng % 5 Ở nước ta nhiều cơ 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 tỷ số FR 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 Loại đất qc(105PA) FR % Cát hạt trung, chặt 90 0,8-0,3 Cát nhỏ, cát bụi, chặt vừa 20-90 1,7-0,5 Cát pha 5-30 3- 1 Sét pha dẻo chảy 7 2-0,1 Sét pha dẻo mềm đến cứng 7-40 4- 1 Sét 7-30 10-4 Bùn 6 5-20 Xác định một số chỉ tiêu của đất Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng có thể dùng thí nghiệm xuyên tĩnh để xác định : Sức chống cắt của đất dính. Góc ma sát trong của đất cát Độ chặt của đất cát Tính nén lún của đất... Sức chống cắt của đất dính có thể được tính toán theo phương trình xác định sức kháng mũi xuyên. qc=cuNc=po trong đó qc - sức kháng mũi xuyên Nc - hệ số chịu tải Cc - hệ số chịu tải p c - áp lực bản thân của đất. Kết quả của những nghiên cứu của nhiều tác giả cho thấy rằng so với sức kháng xuyển, áp lực bản thân của đất là nhỏ không đáng kể và cu có thể tính theo công thức đơn giản sau C-A <6-2) c Giá trị Nc thay đổi rất khác nhau tùy thuộc vào điều kiện địa chất công trình và thiết bị thí nghiệm thường người ta lấy Nc = 14 a30. 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 : tg(p = 0,0045qc + 0,26 (6-3) Mô đun biến dạng Eo cũng được xác định từ sức kháng mũi xuyên qc theo các quan hệ tương quan. Kết quả nghiên cứu của sanglerat (Pháp) đưa ra công thức : Eo = a.qc trong đó a phụ thuộc vào các loại đất, và trị số của qc như trong bảng 6-2. Bảng 6-2. Trị so a Loại đất qc daN/cm2 oc Sét ít dẻo qc<7 7 < qc < 20 qc > 20 4 < cc < 6,5 3 < cc < 4 1,3 < a < 2,2 Bụi ít dẻo V A o O 3 < cc < 6 1 < cc < 3 Sét và bụi rất dẻo qc <20 2,5 < a < 5 Bụi chứa nhiều hữu cơ V A 2 < cc < 8 0,5 < a < 4 Bùn và đất than bùn qc<7 50%<W<100% 100% < w < 200% w > 200% 1,5 < a < 4 1 < cc < 1,5 0,4 < a < 1 Cát qc < 100 a = 2 Sạn sỏi chặt qc > 100 a > 2 Xác định sức chịu tải của móng nông, móng cọc (6-4) Đối với móng nông áp lực tiêu chuẩn quy ước có thể được xác định từ trị số sức kháng mũi xuyên theo công thức: Ro =77 a trong đó a = 10 -ỉ- 20 đối với đất dính a = 20 -ỉ- 40 đối với đất rời (qc = 10 - 25 daN/cm2) (qẽ = 7 - 10 daN/cm2) (qc < 7 daN/cm2) Áp lực tiêu chuẩn quy ước Ro cũng có thể được tính toán từ các quan hệ tương quan như sau : Ro = 0,19qc - 0,65 Ro = 0,05qc + 0,35 Đối với móng cọc từ sức kháng mũi xuyên và sức kháng ma sát cần xuyên có tính sức chịu tải của cọc trong các trường hợp nói chung ta có thể sức kháng mũi xuyên thành phản lực ở mũi cọc theo công thức : Rf = Ct.qc (6-5) a 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 a = 0,5. Còn ma sát thành cọc fi cũng có thể xác định từ sức kháng mũi xuyên qc theo công thức : f = % (6-6) p Hệ số oc phụ thuộc loại đất, loại cọc. Sức chịu tải của cọc đóng xác định theo kết quả xuyên tĩnh có dạng như sau (Theo quy phạm DTU của Pháp). P = |aqc.F+Nfi.U.li (6-7) 3 2 1 trong đó F diện tích thiết diện ngang của cọc u là chu vi tiết diện ngang cọc li là chiều dày lớp đất. qc sức kháng mũi xuyên trong quãng chiều sâu 5d trên mũi cọc đến 3d dưới mũi cọc. 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 cm2 Đường kính cần xuyên 32mm Quả tạ nặng 50 Kg, chiều cao rơi 50cm Khi xuyên động cần phải xác định những chỉ số sau : Chỉ số xuyên động N Độ sâu hạ xuyên do một số lần đóng nhất định. Sức kháng xuyên động quy uớc của đất Rđ (KG/cm2, KN/cm2). Chỉ số xuyên động N là số nhát búa đóng cần thiết để dụng cụ xuyên đuợc hạ xuống độ sâu nhất định, thuờng đuợc quy định là 10cm có thể xác định theo biểu thức : N = 1 °" (6-8) s trong đó n số nhát búa đóng s độ sâu hạ xuyên tương úng (cm) Sức kháng xuyên động quy ước được tính từ chỉ số xuyên động nhưng người ta đưa thêm một số hệ số kể tới các yếu tố sau : Sự tổn thất năng lượng khi đóng Hệ số ảnh hưởng của loại thiết bị Kể đến ảnh hưởng ma sát cần xuyên và đất Ngoài ra còn có xu hướng đề 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 : R = ocpA (6-9) trong đó a là hệ số hiệu chỉnh do tăng trọng lượng cần theo chiều sâu. p hệ số hiệu chỉnh ma sát giữa cần và đất. A công đơn vị tính bằng SF ( Q trọng lượng búa, H chiều cao với búa, s chiều sâu xuyên sau 1 búa, F diện tích tiết diện ngang của mũi xuyên ) Dựa 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 do tác dụng của tải trọng động mà thí nghiệm xuyên động chỉ được quy định áp dụng đối với các loại đất và trạng thái sau.( Theo XN 448-72 của Liên Xô ). Đất cát ẩm và ít ẩm Đất cát hạt to, hạt vừa hạt nhỏ chứa nước Đất loại sét cứng, nủa cứng và dẻo cứng. Độ chặt của đất cát, đất đắp được xác định trực tiếp bằng xuyên động ở hiện trường có thể tham khảo XN 448-72 như bảng 6-2 : Bảng 6-2. Trị so tham khảo vể độ chặt của đất Thành phần và trạng thái của cát Sức kháng xuyên động quy ước Rđ ( KG/cm3) Độ chặt kết cấu của cát Cát có kết cấu tự nhiên hạt <35 Xốp to và vừa, không phụ 35 - 125 Chặt vừa thuộc độ ẩm > 125 Chặt Hạt nhỏ ít ẩm <30 Xốp 30 - 110 Chặt vừa > 110 Chặt Hạt nhỏ ít ấm và hạt <20 Xốp nhỏ bảo hòa nước 20 - 85 Chặt vừa > 85 Chặt Cát mới đắp dưới nước <35 Xốp - Hạt nhỏ và hạt vừa 35 - 110 Chặt vừa ít ấm > 110 Chặt - Hạt nhỏ và hạt vừa <20 Xốp bão hòa nước 20 - 85 Chặt vừa > 85 Chặt Cuối cùng có thể nhấn mạnh rằng 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 do 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 CẢT CẤNH Ở HIỆN TRƯỜNG Hình 6-3. Sơ đổ thiết bị cắt cánh 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 mẫu đất nguyên dạng. Đối với một số loại đất đặc biệt là đất bùn, đất sét yếu bão hòa nước, việc lấy mẫu nguyên dạng 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 chống cắt. Trong các phương pháp này thì thí nghiệm cắt cánh được coi là phù hợp, chính xác và công dụng hơn cả. Hình 6-3 là sơ đồ thiết bị cắt cánh, bộ phận chính của máy gồm cánh chữ thập bằng thép (1) có chiều cao h, khi nó cắt đất tạo thành hình trụ tròn có đường kính d. Tấm chữ thập này được nối với cần thép dài (2), đầu trên 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 cần 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, tỷ số . Khi giả thiết quy luật phân bố tam giác, có thể viết điều kiện cân d bằng giới hạn như sau : (6-10) (6-11) (6-12) _ _ JK d . __ 7td2 2 d Mx = T_7Udh^+2T. —— • 4 3 2 Do đó : 7Ld2 .hí 1 + -^- I 211 2MX Còn khi giả thiết phân bố đều và cánh chữ thập h = 2d thì ta có giá trị T _ 6-Mx s 7?rd3 trong đó Mx mô men xoay giới hạn do ngoại lực tác dụng lên cần nối và cánh chữ thập Ts là sức chống cắt của đất. Thí nghiệm cắt cánh tại hiện trường thường dùng 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 dính đơn vị Ts = c. Để 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 : (6-13) TjC T max If = . Ts min trong đó If độ nhạy của đất. Tmax sức chống cắt của đất ở trạng thái tự nhiên. Tsinin 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 dài 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 lOOKPa thì không nên dùng thí Hình 6-4. Biến đồi mô men Mx theo góc quay a Phù hợp với kích thước đã chọn người ta định kích thước lô khoan thí nghiêm, nếu đất không ổn định cần phải 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 phải ấn xuống, cần phải hạ cánh xuống độ sâu 0,3 ■^0,5 m kể từ đáy hố khoan. Tốc độ quay cắt cánh cần khống chế gần bằng tốc độ thí nghiệm cắt nhanh trong phòng thí nghiệm, thuờng lấy 0,1 ^0,2 độ/ s. Khi quay cánh cắt ta có số đọc góc quay của nó a và mômen xoắn Mx. Hình 6-4 chỉ ra quá trình cắt cánh theo sự tăng Mx đến lúc đất bị cắt đạt MXI1I;1X ứng với sức chống cắt đất ở trạng thái tự nhiên đến MXI1I1II khi đất đã bị phá hoại kết cấu. 6.4 . THÍ NGHIỆM NÉN NGANG TRONG LÕ 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 trọng tĩnh, đó là nghiên cứu đặc trưng biến dạng của đất đá ở vách lỗ khoan khi tác dụng 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 dạng 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 nào đó trong lỗ khoan (hình 6-5). Dưới tác dụng của áp lực chất lỏng (thiết bị nén lỏng thủy lực ) hoặc chất khí (thiết bị nén hông kiểu khí nén ) được bơm vào buồng, 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 : Eo=(l+|io)r0ậ (6-14) Ar trong đó p0 hệ số nở hông của đất đá ro bán kính ban đầu của lỗ khoan. Ar số gia bán kính lỗ khoan (cm) dưới tác dụng của tải trọng p Trong dụng cụ nén hông thủy lực căn cứ vào sự biến đổi thể tích buồng áp lực có thể suy ra số gia bán kính lỗ khoan, Trong trường hợp này, mô đun biến dạng Eo có thể xác định như sau : Eo = (1 + n0 )x (6-15) trong đó Av số gia thể tích buồng công tác. Ap số gia tải trọng tương ứng X hệ số không đổi phụ thuộc vào thiết bị . Hình 6-5a. Sơ đồ ỉàm việc dụng cụ gây áp ỉực hông 1- Buồng công tác, 2- Buồng phụ tải, 3- ổng cấp nước và khí vào buồng công tác, .4- Vách ỉô khoan Qua kinh nghiệm, khi đối chiếu kết quả thí nghiệm nén hông đất cát và đất sét với kết quả thử nghiệm tải trọng tĩnh người ta thấy rằng trị số mô đun biến dạng 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 tải trọng thử tĩnh. Phương 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) - Pha cân bằng ở trạng thái ban đầu - Pha đàn hồi - Pha đàn hồi dẻo - Pha dẻo - Pha biến dạng phá hoại Trong đồ thị hình ( 6-5) có thể coi đoạn AD gần như thẳng quan hệ ứng suất biến dạng là tuyến tính để xác định trị số mô đun biến dạng của 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. Hình 6-5. Đường cong ỉỉên hệ biển dạng của đất với tải trọng Do vậy nhiều người ta đã có ý định sư dụng thí nghiệm nén hông để nghiên cứu cả độ bền của đất đá, lập ra các công thức để có thể tính toán các trị số lực dính c, góc ma sát trong (p từ số liệu thí nghiệm nén hông của đất loại cát và loại sét. Ngoài ra bằng cách lập quan hệ tương quan, người ta cũng thiết lập được các công thức tính toán độ bền theo mô đun biến dạng khi nén hông. Tuy vậy muốn sử dụng các kết quả nghiên cứu đó vào thực tế cần phải tiến hành nghiên cứu nhiều hơn nữa. Khi tiến hành thí nghiệm nén hông đường kính lỗ khoan phải lớn hơn 10 -ỉ- 20 mm so với đường kính ngoài của máy nén hông, còn độ sâu thì tới 15m, có khi lớn hơn. Nên dùng phương pháp khoan giữ được trạng thái kết cấu tự nhiên của đất, nếu đất tốt, không dùng ống chống khoan xong rồi tiến hành thí nghiệm. Nếu đất không ổn định thf cần phải tiến hành thí nghiệm trong quá trình khoan, lúc đầu dùng ống chống khoan đến độ sâu cần thiết hạ máy nén hông, sau đó rút ống chống lên rồi tiến hành thí nghiệm. Nếu đất có độ chặt bé và vừa thì giá trị của mỗi cấp tải trọng khi thí nghiệm là 10 -ỉ- 25 KN/m2, đối với đất có độ chặt lớn hơn thì mỗi cấp tải trọng là 50 -ỉ- 100KN/m2 . Mỗi cấp tải trọng duy trì cho tới khi biến dạng đạt trị số ổn định quy ước ( không quá 0,0 Imm trong 30 phút đối với đất cát và Ih đối với đất loại sét). Thời gian quan trắc biến dạng đối với đất cát là 5’, 10’, 15’ sau đấy là cứ 15 phút một lần, còn đối với đất sét là 10’, 20’, 30’ sau đó cứ 30 phút một lần. Cứ tiếp tục như vậy cho đến khi đạt biến dạng ổn định. Theo trị số áp lực lên vách lỗ khoan bởi áp lực tác dụng lên buồng công tác được đo bằng áp kế. Theo các số liệu áp lực và biến dạng như trên hình 6-5 đối với đoạn tuyến tính của đồ thị này ta tính toán mô đun biến dạng theo công thức (6-14) hoặc (6-15). 6.5. THÍ NGHIẸM BÀN NÉN Ở HIỆN TRƯỜNG Thí nghiệm nén lún không nở hông trong phòng thí nghiệm không phù hợp với điều kiện làm việc của phân tố đất trong nền. Bởi vậy để khảo sát tính chất biến dạng của nền tự nhiên cũng như nền đất sau khi gia cố ỡ ngay tại hiện trường người ta dùng thí nghiệm nén đất bằng bàn nén. Thí nghiệm bàn nén bằng tải trọng tĩnh ở hiện trường cho phép xác định trị số mô đun biến dạng của đất, xác định được các quan hệ tải trọng và độ lún cũng như độ lún thời gian của nền đất. Khi thí nghiệm trong hố đào thường dùng bàn nén hình vuông kích thước 70,7 X 70,7 cm hoặc bàn nén giếng khoan có đáy tròn diện tích 600 cm2. (Hình 6-6) Khi thí nghiệm tải trọng trên bàn nén được tăng theo từng cấp có thể tạo ra tải trọng lên tấm nén bằng cách chất các quả tạ xếp trên những bàn chuyên dụng, hoặc kích bằng thủy lực. Độ lớn của từng cấp tải trọng tùy thuộc vào độ sệt Is và hệ số rỗng e của đất, có thể tham khảo bảng 6-3. Mỗi cấp tải trọng được giữ cho đến khi nền đất đạt độ lún ổn định quy ước (không quá 0,1 mm trong thời gian 2h đối với loại đất sét, Ih đối với đất cát). 2 Hình 6-6. Thỉ nghiệm bàn nén. a- Trong ho đào b- Trong hố khoan Bảng 6-3. Trị sô môi câp tải trọng p Độ sệt Is Trị số 2 _ r ~ 3 ( KN/m ) khi hệ sô rông e <0,5 0,5 < e < 0,8 e >0,8 Is<0,25 100 100 50 0,25 <IS< 0,75 100 50 50 Is>0,75 50 25 25 Kết quả thí nghiệm là độ lún dưới 1 cấp tải trọng được đọc trên đồng hồ đo lún tương tự đồng hồ đo lún trong phòng thí nghiệm. Tiến hành quan trắc độ lún ở các thời gian sau : khi thí nghiệm nền đất cát trong phạm vi giờ đầu thì mỗi lần qua 10 phút, 20 phút, 30 phút trong giờ thứ 2, sau đó mỗi giờ mỗi lần cho đến khi lún ổn định, còn đối với đất sét thì trong giờ đầu là 15 phút một lần sau đó thì cũng như với nền cát. Sau khi độ lún ổn định dưới cấp tải trọng cuối cùng tiến hành dỡ tải theo từng cấp và theo dõi biến dạng nở của nền đất. Từ các số liệu thí nghiệm biểu diễn kết quả dưới dạng đồ thị liên hệ độ lún thời gian (S ~ t) và độ lún tải trọng (S~p) (hình 6-7) Sau khi có đồ thị s ~ p xác định mô đun biến dạng của đất theo công thức đã nêu trong chương 5 : (6-16) )wApd(l- ° “ AS trong đó Eo - mô đun biến dạng w - hệ số không thứ nguyên phụ thuộc độ cứng và hình dạng bàn nén được lấy bằng 0,8 d - đường kính bàn nén tròn, (cm) hoặc cạnh bàn nén vuông Po - hệ số nở hông của đất. Ap - số gia tải trọng đơn vị lên tấm nén đối với đoạn thẳng của đồ thị s ~ p (KG/cm2) AS - số gia độ lún (cm) ứng với số gia tải trọng Ap Hình 6-7. Đồ thị quan hệ a- Độ ỉún thời gian, b- Độ ỉ Ún tải trọng (ỉ- giai đoạn nén chặt, 2- pha trượt, 3- pha đất trồi ) Các công trình nghiên cửu đã có cho thấy rằng : mô đun biến dạng theo thí nghiệm bàn nén ở hiện trường của nhiều loại đất thường lớn hơn mô đun biến dạng xác định bằng phương pháp nén không nở hông ở trong phòng thí nghiệm. Khi tính lún của nền móng nếu dùng mô đun biến dạng xác định từ thí nghiệm nén không nở hông thì cần phải có hệ số hiểu chỉnh, thường được gọi là I.A Agisev theo công thức : (6-17) EQb r = — Eop trong đó Eob mô đun biến dạng xác định bằng thí nghiệm bàn nén EOp mô đun biến dạng xác định bằng thí nghiệm nén không nở hông trong phòng. r hệ số hiệu chỉnh lớn 1 đối với đất cát và r > 2 đối với đất loại sét.