›
›

Bài giảng Áp lực đất bị động - Chương VI: Các thí nghiệm đất hiện trường

pdf 34 trang ngocly 2550
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Áp lực đất bị động - Chương VI: Các thí nghiệm đất hiện trường", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_ap_luc_dat_bi_dong_chuong_vi_cac_thi_nghiem_dat_hi.pdf

Nội dung text: Bài giảng Áp lực đất bị động - Chương VI: Các thí nghiệm đất hiện trường

  1. CHƯƠNG vi Trang 253 CHƯƠNG VI: CáC THí NGHIệM ĐấT HIệN TRƯờng Để tính toán và thiết kế nền móng các công trình xây dựng, cầu đ−ờng, thuỷ lợi, ta cần phải biết các chỉ tiêu tính chất cơ-lý của đất nền. Các chỉ tiêu này th−ờng đ−ợc xác định trong phòng thí nghiệm đối với các mẫu đất lấy đ−ợc từ các lỗ khoan ở hiện tr−ờng. Phần lớn các chỉ tiêu cơ-lý của đất phải đ−ợc xác định trên các mẫu đất còn nguyên dạng, nh−ng với cách thí nghiệm ở trong phòng th−ờng thực hiện với các mẫu đất có kích th−ớc nhỏ, mẫu đất có thể bị mất tính chất nguyên dạng do quá trình lấy mẫu, vận chuyển, bảo quản và thí nghiệm gây tác động không tốt đến mẫu đất thí nghiệm. Ngoài ra trong nhiều tr−ờng hợp không thể lấy đ−ợc các mẫu đất nguyên dạng từ các loại đất rời và các loại đất sét yếu ở trạng thái nhão. Do đó ta bắt buộc phải tiến hành thí nghiệm hiện tr−ờng trên đất tự nhiên. Từ các số đo của thí nghiệm hiện tr−ờng ta có thể suy ra đ−ợc các đặc tr−ng tính chất của đất theo t−ơng quan thực nghiệm đã đ−ợc thiết lập. Việc khoan và lấy mẫu đất về làm thí nghiệm th−ờng tốn kém nhiều nên số l−ợng lỗ khoan và số l−ợng mẫu lấy về thí nghiệm th−ờng bị hạn chế, do đó sẽ làm giảm mức độ tin cậy, tiêu biểu đại diện cho vùng đất rộng lớn cần khảo sát. Ng−ợc lại thí nghiệm hiện tr−ờng đơn giản, nhanh chóng, rẻ tiền hơn, do đó có thể làm với mật độ dày hơn và liên tục trong một cột đất của lỗ khoan. Vì vậy, sự có mặt của số liệu thí nghiệm hiện tr−ờng làm cho tài liệu khảo sát nền đất có độ tin cậy cao hơn rất nhiều và giúp cho chúng ta tìm đ−ợc những giải pháp nền móng hợp lý, tiết kiệm, đồng thời tránh đ−ợc những sự cố do không nắm chắc đ−ợc tình hình của nền đất. Nh−ợc điểm của thí nghiệm hiện tr−ờng là ch−a tạo ra đ−ợc một trạng thái cơ học đơn giản, rõ ràng. Do đó các đại l−ợng đo đ−ợc th−ờng là các chỉ tiêu mang tính quy −ớc, chịu ảnh h−ởng của nhiều yếu tố và khó đ−a vào trực tiếp với sơ đồ tính toán lý thuyết. 6.1 Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT). Đây là ph−ơng pháp thí nghiệm xác định sức kháng xuyên của đất tại đáy hố khoan khi xuyên ống mẫu (kích th−ớc tiêu chuẩn) bằng cách đóng búa theo tiêu chuẩn và lấy mẫu phá huỷ để làm các thí nghiệm phân loại đất. Tên SPT là tên gọi tắt theo tiếng Anh: Standard Penetration Testing. Chính từ việc lấy mẫu đất bằng cách đóng ngập một ống thép vào trong đất mà Terzaghi đã đề xuất thí nghiệm SPT từ năm 1927. Ngày nay các n−ớc Châu Âu ít dùng, nh−ng các n−ớc Bắc Mỹ vẫn dùng rộng rãi SPT. 6.1.1. Nguyên lý thí nghiệm: Nguyên lý cơ bản của thí nghiệm này là sử dụng lực rơi tự do của búa nặng 63,5kg từ độ cao là 760mm xuống đầu xuyên. Số lần búa rơi (N) đủ để ống mẫu xuyên đ−ợc vào trong đất một chiều sâu 300mm (sau khi nó đã cắm xuống đất nhờ trọng lực và bộ đóng) đ−ợc coi là lực kháng xuyên (N).
  2. CHƯƠNG vi Trang 254 6.1.2. Thiết bị và cách thí nghiệm: ống lấy mẫu tiêu chuẩn (để thí 2 đầu nối nghiệm SPT) là ống thép rỗng gồm hai 15 nửa vỏ trụ đ−ợc lắp ghép lại nhờ vòng cắt và bộ chuyển tiếp dùng để nối ống lấy mẫu, với đ−ờng kính ngoài D=51mm 51 và đ−ờng kính trong d=38mm (Hình VI- ống mẫu 1a) 6 47 Để thí nghiệm tr−ớc hết phải 38 khoan tạo lỗ đến tận chiều sâu thí nghiệm, thiết bị khoan phải đảm bảo khoan và làm sạch đáy hố khoan tr−ớc đầu cắt khi hạ ống mẫu xuống và phải đảm bảo 76 là thí nghiệm xuyên đ−ợc thực hiện a) b) trong đất t−ơng đối nguyên trạng. Tiếp theo lắp ống mẫu vào cần và hạ bộ ống Hình VI-1 lấy mẫu xuống đáy hố khoan (Hình VI-1b), rồi dùng búa nện nhẹ cho ống mẫu cắm vào đất khoảng 150mm. Đóng búa thí nghiệm rơi ở độ cao tiêu chuẩn, đếm số nhát đập N1 để ống mẫu ngập vào đất 150mm; làm tiếp lần thứ hai đếm số nhát đập N2 để ống mẫu ngập vào đất 150mm tiếp theo. Lấy trị số N=N1+N2 là số nhát đập để ống mẫu ngập vào đất 300mm. Sau khi thí nghiệm rút ống lấy mẫu lên, bổ đôi và thu lấy mẫu đất đem về thí nghiệm trong phòng. Thông th−ờng cứ khoảng 1,5m chiều sâu thí nghiệm một lần. 6.1.3. Hiệu chỉnh số đọc. Lực kháng xuyên (N) phụ thuộc vào năng l−ợng hữu ích của búa và chiều sâu của điểm thí nghiệm, do đó sau khi thí nghiệm xong cần phải hiệu chỉnh số đọc khi thí nghiệm. Năng l−ợng toàn phần do búa rơi là: E=63,5kg x 0,76m ≈ 48,3kg.m. Tuy vậy, năng l−ợng E này không hoàn toàn chuyển tới ống lấy mẫu, mà nó còn mất mát năng l−ợng xảy ra ở các phần sau: - Mất mát năng l−ợng do ma sát giữa búa rơi với trục dẫn h−ớng, ma sát giữa dây kéo với ròng rọc. - Mất mát năng l−ợng do ng−ời thí nghiệm khi thả dây để búa rơi, ng−ời thí nghiệm không thả tự do mà vẫn hơi níu dây lại. - Mất mát năng l−ợng do ma sát giữa đất và lỗ khoan với cần xuyên. Bảng (VI-1) trình bày năng l−ợng hiệu quả trung bình thống kê ở một số n−ớc để tham khảo. ở các n−ớc đang phát triển, thiết bị SPT phổ biến là loại nhẫn, sử dụng dây kéo trên ròng rọc. Với loại này. ở các n−ớc tiên tiến, năng l−ợng hiệu quả chọn là 45ữ65%. ở Việt Nam, chúng ta ch−a có thống kê nh−ng để an toàn, có thể tạm lấy năng l−ợng hữu ích từ khoảng 35ữ55%. Do đó ta cần phải chuẩn hoá (N)
  3. CHƯƠNG vi Trang 255 về một giá trị có cùng hiệu quả, ở các n−ớc tiên tiến, ng−ời ta coi 60% là năng l−ợng hữu ích trung bình. Do đó th−ờng quy đổi N về N60 (60% về năng l−ợng hữu ích). Bảng VI-1: Năng l−ợng hiệu quả (%) của một số thiết bị SPT. Loại nhẫn (Donut) Loại an toàn (Safety) Loại SPT Dây+ròng rọc Tự động Dây+ròng rọc Tự động Bắc Mỹ 45 - 70 ữ80 80ữ100 Nhật 67 78 - - Anh - - 50 60 Ngoài ra, nếu cùng một loại đất, với N60 = 10 tại chiều sâu 1m, thì tại độ sâu 30m , N60 có thể lên tới 20. Điều đó nói lên tại độ sâu 30m, áp lực ngang lớn hơn rất nhiều so với tại độ sâu 1m, cho nên cần phải đập nhiều nhát đập hơn. Nh− vậy, ta cần hiệu chỉnh với hai hệ số sau: N'60 = N60.CN = N.CE .CN (VI-1) E Trong đó: C - hệ số hiệu quả đ−ợc tính C = h ; E E 60 Eh - Năng l−ợng hiệu quả có thực của thiết bị ; 60 - Năng l−ợng hiệu quả tiêu chuẩn (60%). ở n−ớc ta, có thể lấy CE = 0,5ữ0,8 CN - hệ số độ sâu, hệ số này đ−ợc nhiều tác giả kiến nghị lấy nh− sau: ' 0,5 Liao và Whitman (1986): C N = (0,9576 /σ vo ) (VI-2) ' Peck (1974) : C N = 0,77.log(20 /1,05 /σ vo ) (VI-3) 2 Skempton (1986) : CN = ' (VI-4) (1+σ vo ) ' ở đây σ vo - ứng suất hữu hiệu theo ph−ơng thẳng đứng do bản thân đất gây ra, bar (≈kG/cm2). Với độ sâu nhỏ hơn 2m thì nên dùng ph−ơng trình (VI-3) hoặc (VI-4). 6.1.4. T−ơng quan giữa các chỉ tiêu cơ lý của đất và kết quả SPT. 6.1.4.1. Đánh giá trạng thái của đất dựa vào kết quả SPT. - Đối với đất rời: Terzaghi và Peck(1967) đầu tiên đ−a ra t−ơng quan giữa N (ch−a hiệu chỉnh) với độ chặt t−ơng đối D nh− bảng (VI-2)
  4. CHƯƠNG vi Trang 256 - Đối với đất dính: Szechy và Varga (1978) đã đ−a ra t−ơng quan giữa độ sệt B và N60 theo bảng (VI-3), tuy nhiên độ tin cậy của bảng này không cao, vì các đất có độ nhạy cảm khác nhau sẽ có t−ơng quan khác nhau. Bảng VI-2: Độ chặt t−ơng đối D N 0ữ4 4ữ10 10ữ30 30ữ50 >50 D(%) 0ữ15 15ữ35 35ữ65 65ữ85 85ữ100 Trạng thái rất rời rời chặt rời chặt rất chặt Bảng VI-3: Trạng thái của đất dính N60 30 B >0,5 0,25ữ0,5 0ữ0,25 -0,5ữ0 50 Theo Peck và cộng sự 41 Theo Meyerhof 45 Trạng thái rất rời rời chặt rời chặt rất chặt 6.1.5. Nhận xét về thí nghiệm SPT.
  5. CHƯƠNG vi Trang 257 Thí nghiệm SPT dễ làm, thuận tiện vì thực hiện ngay trong lỗ khoan thăm dò, kết hợp lấy mẫu không nguyên dạng dùng mô tả và thí nghiệm phân loại đất, thí nghiệm thực hiện đ−ợc ở độ sâu đủ lớn. Trị số N là một thông tin tốt để kiểm chứng các kết quả thí nghiệm trong phòng. Tuy vậy, theo các chuyên gia Châu Âu cho rằng những t−ơng quan SPT chẳng những không tin cậy đối với đất dính mà ngay cả với đất rời. Thí nghiệm này là một trong những thí nghiệm kém chính xác nhất đối với các thí nghiệm hiện tr−ờng. 6.2. Thí nghiệm xuyên tĩnh. 6.2.1. Nguyên lý thí nghiệm. Thí nghiệm xuyên tĩnh hay còn gọi là thí nghiệm xuyên côn (CPT-Cone Penetration Test). Thí nghiệm này nhằm xác định tại chỗ sức kháng của đất khi nén liên tục với tốc độ nhỏ và không đổi bộ cần nén có gắn liền một mũi xuyên hình côn ở d−ới, đồng thời đo liên tục hoặc tại các độ sâu nhất định sức kháng xuyên của đất ứng với mũi xuyên. Ký hiệu là qc và nếu yêu cầu thì cả sức kháng của đất với bề mặt măng xông (áo ma sát) thành bên của xuyên (fs) và áp lực của n−ớc lỗ rỗng xung quanh côn và măng xông (u). 6.2.2. Thành phần của thiết bị xuyên: Các bộ phận chủ yếu của máy xuyên là đầu xuyên, măng xông, cần xuyên, thiết bị đo độ nghiêng, cơ cấu gia lực và đo lực, giá đỡ, hệ neo. Đầu xuyên hình nón góc ở đỉnh 600, đầu làm bằng vật liệu cứng, có tiết diện ngang từ 5ữ20cm2. Loại phổ biến th−ờng dùng có đ−ờng kính đáy là 35,7mm (diện tích đáy là 10cm2) phần trên hình trụ dài 5mm (Hình VI-2). Măng xông (đặt phía trên mũi dùng để đo sức kháng bên) là một ống hình trụ độc lập có đ−ờng kính là ds và phải thoả mãn dc<ds<dc+0,35mm, măng xông có 2 chiều dài là 132,6mm và có diện tích xung quanh là AF =150±0,03cm . Các thiết bị để đo sức kháng đầu mũi và sức kháng bên sẽ đ−ợc lắp đặt sao cho độ lệch tâm có thể có của thiết bị này không ảnh h−ởng đến việc đo giữa sức kháng mũi và sức kháng bên. Bộ đo áp lực n−ớc lỗ rỗng có thể đo đ−ợc áp lực n−ớc lỗ rỗng ở trên mũi côn và măng xông. Thiết bị có thể đo đ−ợc áp lực n−ớc lỗ rỗng với độ chính xác là ±5% cho tới cột n−ớc ±0,2m và đ−ợc bảo vệ tránh các hạt đất chui vào bởi một l−ới thấm làm bằng vật liệu chống bào mòn. Cần xuyên là các ống thép rỗng từng đoạn dài 1mữ1,5m nối với nhau bằng ren. Đ−ờng kính ngoài của cần xuyên phải có kích th−ớc sao cho chúng không ảnh h−ởng tới việc đo tại mũi xuyên, thông th−ờng đ−ờng kính ngoài là 36±1mm, đ−ờng kính rỗng của cần xuyên là 16mm. Đối với xuyên côn bằng cơ học thì trong lòng cần ngoài còn có “cần trong”. Còn đối với xuyên côn bằng điện thì trong lòng cần ngoài là lõi cáp để truyền kết quả bằng điện. Với xuyên côn bằng điện thì sức kháng mũi (qc) và sức kháng bên (fs) đ−ợc đo bằng điện và truyền vào máy tính.
  6. CHƯƠNG vi Trang 258 Cơ cấu gia lực th−ờng dùng là máy nén, máy nén phải đ−ợc thiết kế sao cho; phản lực tạo ra không đ−ợc ảnh h−ởng đến sức kháng xuyên, máy phải có khả năng nén liên tục đ−ợc một đoạn ít nhất là 1mét, tốc độ khi xuyên đ−ợc khống chế ở 20±5mm/giây và sau đó giữ tốc độ không đổi trong suốt quá trình xuyên. Hình VI-2: Mẫu các mũi xuyên có và không có áo ma sát a) Không có áo ma sát b) Có áo ma sát 6.2.3. Trình tự tiến hành xuyên: Nguyên tắc chính cần tuân thủ ở đây là thí nghiệm phải liên tục và việc đo sức kháng xuyên phải đ−ợc tiến hành trong khi các bộ phận của mũi xuyên cùng đồng thời chuyển động xuống với tốc độ xuyên tiêu chuẩn. Đối với thí nghiệm xuyên cơ học (MCPT), cứ 20cm thì ta đọc kết quả một lần. Mũi xuyên và măng xông đ−ợc đẩy độc lập với nhau, cho phép tách biệt lực đo trên mũi và lực đo trên măng xông. Còn trong thí nghiệm xuyên côn đo điện (ECPT), khoảng cách giữa các số đọc tuỳ thuộc vào sự yêu cầu của ng−ời thực hiện, (thông th−ờng là 5cm). Sức kháng mũi qc, sức kháng bên fs và áp lực n−ớc lỗ rỗng (u) đ−ợc đo riêng biệt qua những transducer (bộ chuyển tín hiệu) riêng biệt. Tr−ớc mỗi lần thí nghiệm cần phải kiểm tra thiết bị lại để thay thế ngay các chi tiết hỏng, tr−ớc mỗi lần thí nghiệm phải đảm bảo rằng bộ lọc và các khoảng trống khác của hệ thống đo áp lực n−ớc lỗ rỗng đã bảo hoà n−ớc. Trong quá trình thí nghiệm cần đảm bảo cần truyền lực luôn luôn xuyên thẳng đứng trong suốt quá trình thí nghiệm. Muốn vậy cần phải kiểm tra đầu cần truyền lực ngay sau khi nối thêm cần mới. Nếu độ nghiêng v−ợt quá 2% thì phải ngừng ngay thí nghiệm và phải làm lại thí nghiệm cách hố vừa bỏ ít nhất là 1m.
  7. CHƯƠNG vi Trang 259 Phải thực hiện thí nghiệm xuyên trọn vẹn liên tục cho tới hết độ sâu yêu cầu. 6.2.4. Tính toán và biểu diễn kết quả: 6.2.4.1. Tính toán kết quả thí nghiệm: Đối với thiết bị xuyên côn cơ học (MCPT), sức kháng xuyên của đất đ−ợc tính nh− sau: Sức kháng đầu mũi xuyên là: Tiết diện ngang xi lanh áp lực (AG) qc = G . (VI-9) . Tiết diện ngang mũi xuyên (AC) Trong đó: G - áp lực đo đ−ợc trên đồng hồ đo (KPa); 2 AG - thông th−ờng bằng 20cm ; 2 và AC - thông th−ờng bằng 10cm . Sức kháng ma sát (bên) đơn vị là: Tiết diện ngang xi lanh áp lực (AG) (VI-10) fs= ∆G x Diện tích xung quanh măng xông (A ) F Trong đó: ∆G - chênh lệch áp lực đo đ−ợc trên đồng hồ đo giữa sức kháng ma sát và sức kháng đầu mũi xuyên (KPa). 2 2 AG = 20cm và AF =150cm . Do măng xông nằm cao hơn mũi xuyên 20cm, nên ∆G cũng nh− fs phải tính toán lệch nhau 20cm nh− ví dụ d−ới đây: H(m) G(bar) G + ∆G ∆G qc (bar) fs (bar) 0,2 3 27-23=4 0,53 0,4 23 27 41-38=3 46 0,40 0,6 38 41 13-8=5 76 0,67 0,8 8 13 16 6.2.4.2. Hiệu chỉnh kết quả và biểu diễn kết quả: - Hiệu chỉnh kết quả sức kháng mũi khi có đo áp lực n−ớc lổ rỗng (CPTU). áp lực mà transducer đo đ−ợc ở mũi là qc, trong CPTU đây không phải áp lực thực tác dụng lên mũi côn là qT có liên hệ sau: qT .AT = qc .AT +U T .Asb AT − AN Hay qT = qc +U T . = qc +U T (1− a) (VI-11) AT Trong đó: qT - sức kháng mũi hiệu chỉnh ;
  8. CHƯƠNG vi Trang 260 2 AT - Tiết diện ngang mũi côn (10cm ); Asb - Tiết diện ngang vòng đá thấm: Asb= AT - AN; AN - Tiết diện ngang mũi côn phía trong vòng đá thấm; a=AN/AT thông th−ờng a= 0,8ữ0,82; UT - là áp lực n−ớc lỗ rỗng đo tại vòng đá thấm ngay phía sau cổ côn. Từ kết quả hiệu chỉnh số đo ta có thể biểu diễn kết quả đo thông qua các chỉ tiêu sau: f s - Tỷ số sức kháng R f = 100% (VI-12) qT qT ' - Sức kháng mũi chuẩn hoá qcn = (qc, σ vo đo bằng bar) (VI-13) ' σ vo 1 - đ−ợc viết là Cq gọi là hệ số hiệu chỉnh độ sâu . ' σ vo - Sức kháng mũi chuẩn hoá (mới - Robertson 1990) : qT −σ vo QT = ' (VI-14) σ vo f - Tỷ số sức kháng chuẩn hoá : F = s .100% (VI-15) qT −σ vo - áp lực n−ớc lỗ rỗng chuẩn hoá : U −U 0 25 5 7.5 10 Rf (%) B = T 0 (VI-16) q 0 .25 .5 .75 fs (Mpa ) qT −σ vo 0 10 20 30 qc (Mpa ) Trong đó: - U0 áp lực n−ớc địa tĩnh; - σ vo (σ 0 )ứng suất tổng do bản 5 thân đất gây ra ; qc m , t ' ' ấ - σ (σ ) ứng suất hữu hiệu do đ vo 0 10 mặt ' bản thân đất gây ra: σ vo = σ vo −U 0 . ộ fs đ o a c Các kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh đ−ợc i Rf ớ 15 trình bày trên đồ thị thể hiện sức kháng mũi qc, v so sức kháng mặt bên fs, tỷ số sức kháng Rf (đã u sâ đ−ợc chuẩn hoá) biến đổi theo chiều sâu (Hình ộ 20 Đ VI-3). 6.2.5. T−ơng quan giữa các chỉ tiêu cơ lý của Hình VI-3:Biểu đồ thể hiện đất và CPT. kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh Sức kháng mũi qc và sức kháng bên fs
  9. CHƯƠNG vi Trang 261 tuy là những đặc tr−ng quy −ớc (không gắn liền với một trạng thái ứng suất biến dạng đơn giản của đất) nh−ng theo kinh nghiệm cho thấy nó là những đặc tr−ng t−ơng đối ổn định của đất. Do vậy ng−ời ta có những t−ơng quan thực nghiệm t−ơng đối tin cậy để từ qc và fs suy ra những đặc tính cơ học và vật lý của đất nh− sau: 6.2.5.1. Phân loại đất dựa vào kết quả CPT: Việc phân loại đất tại hiện tr−ờng dựa vào kết quả CPT đã đ−ợc nhiều n−ớc dùng từ vài chục năm gần đây. Nh−ng ở Việt Nam việc phân loại đất hiện tr−ờng theo thí nghiệm CPT lại ch−a đ−ợc sử dụng nhiều. Đã có nhiều tác giả khác nhau đề xuất nhiều đồ thị phân loại đất khác nhau, đồ thị đ−a ra sau càng chính xác và càng chặt chẽ hơn so với đồ thị tr−ớc. Sau đây chỉ giới thiệu một trong số đồ thị chính xác và thông dụng cho đến năm 1986, các biểu đồ này vẫn dựa vào sức kháng ch−a chuẩn hoá (Hình VI-4). sm-sp ml 400 hàm l−ợ cl-ch cỡ ng h hạ ạt m 400 t tăn ịn g 200 g iảm g m n ả i ă 200 t g t k o 100 ệ s ố 100 Đất rời s ộ đ ệ 80 h 80 ) át r 60 c o 60 ẻ ụi d b c 30 40 g o n n ẻ sét lẫ q (ba t ô d á h i c k ụ 20 ) 20 b t i cá ụ , mũi n b t é lẫ i 10 , ( ụ t s ụi b á b ét c 10 s bùn t, háng 6 é s 6 n t k ẫ 4 i l sé c 4 bụ ứ sét nhạy bùn s 2 2 012354 60 1 2 345 6 Tỷ số sức kháng fs /qc (%) Tỷ số sức kháng fs /qc (%) a, Biểu đồ năm 1981 b, Biểu đồ đơn giản hoá Hình VI-4: Phân loại đất theo Douglas và Olsen (1981-1984). Sau đó còn nhiều tác giả khác cải tiến biểu đồ phân loại đất theo số đọc đã chuẩn hoá, tuy nhiên biểu đồ theo Robertson (1986, 1991) ở hình (VI-5a,b) là thông dụng nhất, với chú ý ở độ sâu nhỏ hơn 2m nên dùng biểu đồ hình (VI- 5.a) để phân loại đất (Phân loại đất theo Robertson -1991). - Các vùng trên biểu đồ (VI-5.a): 1000 12 1) Đất hạt mịn nhạy cảm 10 11 2) Hữu cơ, bùn ) 9 ar (b 8 3) Sét c 100 2 d r q r 7 c 4) Sét tới bụi sét o 5) Bụi sét tới sét bụi 6 6) Sét bụi tới cát bụi 5 10 3 2 7) Cát bụi tới bụi cát e 4 áng xuyên mũi 8) Bụi cát tới cát h k 1 c 2 s t 9) Cát ứ 10) Cát tới sỏi cát S 0 2468 11) Đất hạt mịn rất cứng Tỷ số sức kháng fs/qc(%) 12) Cát, á cát rất cứng - Các vùng trên biểu đồ VI-5.b Hình VI-5.a
  10. CHƯƠNG vi Trang 262 1) Đất hạt mịn nhạy cảm 2) Hữu cơ bùn 3) Sét lẫn ít bụi 4) Bụi lẫn sét, sét nhiều bụi 1000 5) Cát lẫn bụi 7 8 6) Cát g n g T ă n ă c im t 7) Cát tới sỏi cát ố x á 9 o r o K c h ế o 8) Cát, á cát rất cứng hoá q T T H 100 Ư 9) Đất hạt mịn rất cứng ờ N 6.2.5.2. Đánh giá trạng thái của đất dựa vào 6 G kết quả CPT. 5 g n Quan hệ đ−a ra sớm nhất giữa qc và độ chặt tă r xuyên đã chuẩn 10 c t−ơng đối của đất cát (D) đ−ợc Meyerhof đ−a ra 4 o 3 m vào khoảng 1956 nh− ở bảng (VI-5). Sau đó iả g y hạ nhiều tác giả khác bổ sung, hoàn thiện, quan hệ n Sức kháng 1 ộ đ−ợc chính xác hơn nh− trên hình (VI-6) và đ 2 (VI-7). 0 Tỷ số chuẩn hoá F= fs % Bảng VI-5: Trạng thái của cát theo qT-σvo Meyerhof. Hình VI-5.b 2 qc (bar ≈kg/cm ) Độ chặt D 0 - 20 rất rời 200 rất chặt > 80% Quan hệ ở hình (VI-7) do JamiolKowsky (1985) đ−ợc dùng phổ biến hơn, theo tác giả: ' Nếu qc và σ vo đo bằng bar thì D ≈ 68[log(qcn )−1] (VI-17) ⎡ ⎛ q ⎞ ⎤ ' 2 ⎢ ⎜ c ⎟ ⎥ Nếu qc và σ vo đo bằng T/m thì D ≈ 66 log − 98 (VI-18) ⎢ ⎜ σ ' ⎟ ⎥ ⎣ ⎝ vo ⎠ ⎦ Về trạng thái của đất dính, quan hệ giữa qc và độ sệt B đ−ợc Szechy và Varga đ−a ra năm 1978 nh− bảng (VI-6). Từ bảng (VI-6), có thể lập ph−ơng trình xấp xỉ nh− sau: 3 2 −4 B = (− 0,06.qc + 6,36.qc − 357.qc )10 + 0,66 (VI-19) Bảng VI-6: Trạng thái của đất dính qc (CPT) B Trạng thái 0,5 mềm 5 - 15 0,25 ữ 0,5 dẻo cứng 15 - 30 0 ữ 0,5 nửa cứng 30 - 60 -0,5 ữ 0 cứng > 60 < -0,5 rất rắn
  11. CHƯƠNG vi Trang 263 Co =157; C1 = 0,55; C2=2,41; R=0,98 Hình VI-6 : Độ chặt t−ơng đối D của cát Ticino cố kết bình th−ờng (Giả sử Ko=0,45) (Robertson và Campanella, 1983; Baldi và cộng sự - 1986) Hình VI-7: D của đất cố kết bình th−ờng (Jamiolkowsky và cộng sự 1995). 6.2.5.3. Đánh giá sức kháng cắt của đất dựa vào kết quả CPT. 6.2.5.3.1. Đánh giá sức kháng cắt của đất cát dựa vào kết quả CPT. Meyerhof (1956) đề xuất cách −ớc tính góc ma sát trong của đất dựa trên bảng (VI-7), t−ơng đ−ơng với ph−ơng trình: −5 2 ϕ = 10 .qc − 0,0038qc + 0,4458.qc + 22,5 (VI-20)
  12. CHƯƠNG vi Trang 264 Bảng VI-7: Bảng −ớc tính ϕ của Meyerhof (1956). qc (bar) 200 trạng thái rất rời rời chặt vừa chặt rất chặt ϕ 45 Tuy nhiên bảng này chỉ còn phù hợp với độ sâu nhỏ hơn 2 hoặc 3m. Với độ sâu lớn hơn cần phải sử dụng những đồ thị quan hệ chính xác hơn nh− ở hình (VI-8 ) và (VI-9). Hình VI-8: Quan hệ giữa sức kháng HìnhVI-9:Quan hệ giữa sức kháng mũi và góc ma sát trong. mũi chuẩn hoá và góc ma sát trong. (Robertson, Campanella1983) (Kulhawy, Mayne 1990) Quan hệ ở hình (VI-8) đ−ợc đề xuất bởi Robertson and Campanella (1983) là: ' ϕ ≈ arctg[0,1+ 0,38.log(qc /σ v0 )] (VI-21) Trên hình (VI-9) biểu diễn quan hệ ϕ và qcn đ−ợc tập hợp từ nhiều nguồn số liệu bởi Kulhawy và Mayne (1990) là: ϕ ≈ 17,6 +11.log qcn (VI-22) 6.2.5.3.2. Đánh giá sức kháng cắt của đất sét dựa vào kết quả CPT. Sức kháng cắt của đất sét (Su) th−ờng đ−ợc −ớc tính qua thí nghiệm CPT qua biểu thức : qc −σ v0 Su = (qc và σv0 đo bằng bar) (VI-23) N k Nk thay đổi rất nhiều, phụ thuộc vào loại côn và loại đất (Hình VI-10). Konrad và Law, sau đó là Keaveny và Michell cho rằng, Nk có thể −ớc tính nh− sau: N k = 2,57 +1,33.[]ln(G / Su)+1 (VI-24)
  13. CHƯƠNG vi Trang 265 Trong ph−ơng trình (VI-24), G là môđun cắt của đất, còn Su đ−ợc tính lặp theo (VI-23) với giả thiết ban đầu Nk=11với MCPT và Nk =15 với ECPT. Hình VI-10: Các giá trị của Nk 6.2.6. Đánh giá và nhận xét: - Trong khi các thí nghiệm khác chỉ đọc đ−ợc các kết quả ở các khoảng cách lớn từ 1ữ3m , đối với thí nghiệm CPT cho các kết quả liên tục (5ữ20cm) và chi tiết. - Thí nghiệm CPT không cho mẫu đất để làm thí nghiệm trong phòng, nh−ng CPT cho ta một cột đất liên tục khá chính xác. Hơn nữa, các thấu kính đất (yếu hoặc tốt) đều đ−ợc phát hiện ở mũi xuyên liên tục và tỷ mỷ. - Là một thí nghiệm có thể −ớc tính đ−ợc nhiều nhất các chỉ tiêu cơ lý cũng nh− ứng dụng trực tiếp vào thiết kế nền móng (từ quan hệ thực nghiệm). Các số đo từ CPT là sức kháng (qc và fs) đ−ợc ứng dụng trong các ứơc tính sức chịu tải của cọc hoặc móng nông, trong −ớc tính chỉ tiêu kháng cắt (ϕ và Su) có độ tin cậy khá cao. Các ứng dụng khác nh− −ớc tính độ lún, trạng thái ứng suất có độ tin cậy thấp hơn. Cũng nên l−u ý rằng, các quan hệ thực nghiệm th−ờng dựa trên đất t−ơng đối đồng nhất (cát hoặc sét). Vì vậy cần thận trọng khi sử dụng CPT để −ớc tính các chỉ tiêu cho những đất pha tạp (cát pha, sét pha) hoặc đất phong hoá khác th−ờng. 6.3. Thí nghiệm nén ngang trong lỗ khoan (PMT). Thí nghiệm PMT (Pressure Meter Test) bắt đầu chính thức ra đời qua luận văn Thạc Sỹ của Louis Menard (1957). Với các luận chứng đầy đủ cho ph−ơng pháp nghiên cứu tính biến dạng của đất đá trong lỗ khoan. PMT là thí nghiệm hiện tr−ờng có nhiều đời khác nhau. Có loại kiểm soát áp lực, có loại kiểm soát thể tích, có loại kiểm soát cả áp lực và kiểm soát thể tích.v.v 6.3.1. Nguyên lý thí nghiệm: Thực hiện thí nghiệm bằng cách đ−a vào trong lỗ khoan tạo tr−ớc hoặc dùng cơ chế vừa ấn vừa khoan, một ống thăm (Buồng) hình trụ (Hình VI-11) giãn nở
  14. CHƯƠNG vi Trang 266 đ−ợc. Khi bơm n−ớc hoặc khí vào ống thăm thì vỏ các lá thép xếp vòng quanh ống thăm (PMT) giản nở ra và làm cho đất xung quanh lỗ khoan bị nén ngang, tiến hành đo áp lực P tác dụng lên đất xung quanh ống thăm đồng thời đo đ−ợc thể tích của n−ớc hoặc khí bơm vào, từ đó ta biết đ−ợc biến dạng của đất ở vị trí thí nghiệm. 6.3.2. Các thành phần của thiết bị: Thiết bị thí nghiệm PMT có nhiều loại khác nhau, sau đây chỉ giới thiệu tóm tắt các thành phần của thiết bị TEXAM: Thiết bị này bao gồm thiết bị khoan lỗ, thiết bị gọt tỉa lỗ khoan, hộp điều khiển (VI-12) bao gồm pitông, đồng hồ, tay quay và buồng PMT (Hình VI-11). Hình VI-11: Buồng PMT Hình VI-12: TEXAM (đang giãn nở) 6.3.3. Chuẩn bị thiết bị. 6.3.3.1. Làm bão hoà hộp điều khiển: Để biết đ−ợc l−ợng dung dịch bơm vào, thì hộp điều khiển cần phải đ−ợc bão hoà hoàn toàn, quá trình bão hoà thực hiện theo các b−ớc sau: 1) - Chỉnh đồng hồ số 6 và số 7 về 0. 2) - Dây ngắn (màu trắng): một đầu cắm vào cổng 4 và 5, đầu kia cắm vào bình n−ớc (bình ngoài). 3) - Chỉnh van 8 về “Fill” van 9 về “Test”. 4) - Đẩy pittông (quay tay quay nhỏ để ép khí ra ngoài), đến khi đồng hồ chỉ 1732cm3. 5) - Kéo pittông (hút) ở chế độ 45 vòng/phút đến khi đồng hồ về 0cm3 để hút n−ớc từ bình n−ớc vào. 6) - Nghiêng hộp điều khiển khoảng 150. Đẩy pittông để đẩy những bong bóng khí ra ngoài, đến khi đồng hồ chỉ 192cm3. 7) - Để hộp điều khiển thẳng lại, lập lại b−ớc (5) để hút n−ớc. Sau đó đợi 30 giây.
  15. CHƯƠNG vi Trang 267 6.3.3.2. Làm bão hoà đồng hồ đo áp lực: Các b−ớc thực hiện nh− sau: 1) - Dây đen cắm vào cổng 1. 2) - Chỉnh van 8 về “chạy với đồng hồ 6”. Đẩy pittông đến khi đồng hồ chỉ 96cm3, đảm bảo để không thấy bong bóng ra khỏi đầu dây đen. 3) - Tháo dây đen. 4) - Chỉnh van 9 về “đồng hồ 6”. Đẩy pittông đến khi đồng hồ chỉ 192cm3. 5) Chỉnh van 8 và 9 về “đồng hồ 7”. Đẩy pittông đến khi đồng hồ chỉ 288cm3. 6) - Chỉnh van 8 về “chạy với đồng hồ 3”, van 9 về “chạy”. Cắm dây đen vào cổng 3. Đẩy pittông đến khi đồng hồ chỉ 380cm3. 7) - Chỉnh van 8 về “Fill”. Kéo (hút) pittông quay lại 0cm3, chờ 1 phút. 8) - Lập lại b−ớc (6) và (7) ở phần 6.3.3.1. để ép bong bóng khí ra. 6.3.3.3. Làm bão hoà buồng PMT. Quá trình bão hoà buồng PMT đ−ợc thực hiện theo các b−ớc sau đây: 1) - Nối buồng PMT với ống (cáp) dẫn n−ớc, đặt buồng hơi nghiêng đứng. Nối dây Telecan với cổng 1. 2) - Chỉnh van 8 về “chạy với đồng hồ 6”, van 9 về “chạy”. Đẩy pittông ép n−ớc vào buồng PMT đến khi chỉ có n−ớc (không bọt) đi vào buồng. 3) - Tháo dây Telecan khỏi cổng 1. 4) - Van 8 ở “Fill”. Kéo pittông để hút n−ớc vào cho tới khi đồng hồ chỉ về 0cm3. Chờ một phút. 5) - Kiểm tra chế độ bão hoà. 6) - Tháo dây trắng ra khỏi cổng 4 và 5. 6.3.3.4. Kiểm tra độ bão hoà. Sự bão hoà của hộp điều khiển và buồng PMT đ−ợc kiểm tra nh− sau : 1) - Chỉnh van 8 về “chạy với đồng hồ 6” van 9 về “chạy”. 2) - Quay tay quay lớn đến áp lực 2500Kpa. Đồng hồ thể tích chỉ ≤18cm3 thì bão hoà là tốt. 3) - Chuyển van 8 về “đồng hồ 7”. Quay tiếp lên 10.000 Kpa. Sau 2 phút, áp lực trên “đồng hồ 7” vẫn phải lớn hơn 9500Kpa. 4) - Giảm áp lực về 2500Kpa. 5) - Chỉnh lại van 8 về “chạy với đồng hồ 6”. 6) - Giảm áp lực về không. 6.3.4. Chuẩn hoá thiết bị (loại buồng 70mm) Đặt buồng PMT thẳng đứng trong không khí, mục đích để đo áp lực cần thiết kháng lại độ cứng của bản thân buồng PMT. Sau đó thao tác tiếp theo các b−ớc sau: 1) - Van 8 ở “chạy với đồng hồ 6”, van 9 ở “chạy”.
  16. CHƯƠNG vi Trang 268 2) - Bơm 1200cm3 với tốc độ 1 vòng/2 giây. Chờ 30 giây, sau đó ghi lại áp lực mỗi khi thể tích tăng 60cm3 3) - Giảm áp lực về không và vẽ đ−ờng cong D theo hình (VI-13). DC A c ự c l ự l áp áp G D F E H K Thể tích Thể tích Hình VI-13: Đ−ờng hiệu chỉnh áp lực Hình VI-14: Đ−ờng hiệu chỉnh thể tích 6.3.5. Hiểu chỉnh thể tích (loại buồng 70mm). Đặt buồng PMT trong một ống thép dày (đ−ờng kính ống thép hơi lớn hơn đ−ờng kính buồng). Mục đích để đo sự mất mát thể tích do sự giãn nở của hộp điều khiển, dây dẫn n−ớc và buồng PMT. (1) - Van 8 ở “chạy với đồng hồ 6”, van 9 ở “chạy”. Đọc số đọc đồng hồ thể tích khi áp lực là 0 Kpa. (2)- Bơm đến 500 Kpa. Chờ 30 giây rồi ghi lại thể tích mỗi khi áp lực tăng 50Kpa. Lắp tay quay lớn. Bơm tiếp đến 2500Kpa, chờ 30 giây rồi ghi lại thể tích mỗi khi áp lực tăng 50 Kpa. (3) - Giảm áp lực về không. vẽ đ−ờng cong A ở hình (VI-14). (4) - Chuyển đ−ờng A về đ−ờng C. 6.3.6. Tiến hành thí nghiệm (loại buồng 70mm). (1) - Khoan hố, cắt tỉa hố và hạ buồng PMT xuống hố. Việc khoan hố và cắt tỉa hố phải làm rất cẩn thận, vì chất l−ợng vách hố khoan ảnh h−ởng rất lớn đến độ tin cậy của kết quả thí nghiệm. Khi tạo lỗ đã phát hiện các lớp đất trong nền và phân bố cho mỗi lớp đất một số thí nghiệm, các điểm thí nghiệm phải cách nhau khoảng 80cm (do buồng PMT th−ờng có chiều dài khoảng 60ữ80cm). (2) - Van 8 ở “chạy với đồng hồ 6”, van 9 ở “chạy”. (3) - Đối với “kiểm soát thể tích” thì bơm 1200cm3, mỗi cấp 60cm3, tốc độ quay 12 vòng/phút. Chờ 30 giây ghi lại áp lực. - Đối với “kiểm soát áp lực” tr−ớc hết phải −ớc đoán áp lực giới hạn PL. Bơm 10 cấp, mỗi cấp 0,1PL, ghi lại thể tích để duy trì cấp áp lực đó tại thời điểm 30 giây và 60 giây. (4) - Nếu có dỡ tải, ta giảm áp từ từ và ghi lại số liệu nh− b−ớc (3). 6.3.7. Chuẩn hoá số đọc: (1) - Cộng áp lực ghi đ−ợc ở 6.3.6 với chiều cao cột n−ớc áp (từ bình n−ớc đến mặt đất).
  17. CHƯƠNG vi Trang 269 (2) - Vẽ đ−ờng cong E nh− hình (VI-15a) (3) - Thể tích hiệu chỉnh bằng thể tích đo đ−ợc ở phần 6.3.6 trừ đi thể tích ở đ−ờng cong C (tính ở 6.3.6). Vẽ lại đ−ợc đ−ờng cong F (hìnhVI-15.a). (4) - áp lực hiệu chỉnh bằng áp lực tính ở b−ớc 1) trừ đi áp lực đ−ờng cong D (6.3.4) vẽ lại đ−ợc đ−ờng cong G (hình VI-15.b) 5) - P0M gọi là áp lực “đầu” tại điểm bắt đầu đoạn tuyến tính. 6) - Pf là áp lực từ biến, tại điểm kết thúc đoạn tuyến tính . 7) - PL là áp lực tới hạn, t−ơng ứng với thể tích VL mà VL - V0 = V0+ Vc (= L trên hình VI-15.b). V0 - là thể tích đầu xác định ở b−ớc (5) Vc - thể tích của buồng PMT ở trạng thái tự nhiên . C F P l G F E c c Pf ự ự l l áp áp D P0 V 0 V Thể tích c o Vf VL Thể tích L L a) b) Hình VI-15: Hiệu chỉnh đ−ờng quan hệ áp lực - thể tích 6.3.8. T−ơng quan giữa các chỉ tiêu cơ lý của đất và kết quả PMT. 6.3.8.1. Dự báo môđun biến dạng của đất dựa vào kết quả PMT. Từ đoạn tuyến tính trên đ−ờng cong PMT ta có: ⎡ V0 +V f ⎤ P0 − Pf EPMT ≈ 2,66⎢Vc + ⎥ ( VI-25) ⎣ 2 ⎦ V0 −V f Trong ph−ơng trình trên, với đất rời EPMT đ−ợc coi là môđun biến dạng thoát n−ớc; còn đối với đất sét EPMT đ−ợc coi là môđun đàn hồi không thoát n−ớc. 6.3.8.2. Dự báo hệ số quá cố kết và hệ số nén ngang tĩnh dựa trên kết quả PMT. Ban đầu, nhiều nhà khoa học nghiên cứu cho rằng Pf t−ơng đ−ơng với áp lực tiền ' cố kết pc do đó, hệ số quá cố kết của đất sét là: Pf ORC = ' (VI-26) σ v0 Tuy nhiên từ thí nghiệm PMT tự khoan, ng−ời ta cho rằng công thức nên dùng (Kullawy và Mayrc, 1990) là: Pf ORC = 0,45 ' (VI-26’) σ v0 Hệ số nén ngang tĩnh của đất sẽ đ−ợc xác định là:
  18. CHƯƠNG vi Trang 270 P0 −U 0 K 0 = ' (VI-27) σ v0 Trong đó: -P0 (hay PoM) áp lực ngang địa tĩnh; - (P0 - U0) áp lực ngang hiệu quả; - U0 áp lực n−ớc lỗ rỗng; ' - σ vo áp lực đứng hiệu quả. 6.3.9. Đánh giá, nhận xét và thí nghiệm PMT. Về mặt lý thuyết, thí nghiệm PMT tiến bộ hơn các thí nghiệm khác là nó cho kết quả là quan hệ đ−ờng cong “áp lực - chuyển vị” của đất. Từ kết quả này có thể −ớc tính môđun biến dạng của đất, dự báo đ−ợc độ lún của móng và dự báo sức chịu tải theo ph−ơng ngang. PMT là thí nghiệm hết sức phức tạp, công tác chuẩn bị hết sức cầu kỳ do đó thí nghiệm này không phổ biến lắm ở nhiều n−ớc. Cũng nên l−u ý rằng, các quan hệ thực nghiệm th−ờng dựa trên đất t−ơng đối đồng nhất (cát hoặc sét). Do đó cần cẩn thận khi sử dụng PMT để −ớc tính các chỉ tiêu cho những đất pha tạp (cát pha, sét pha). 6.4. Thí nghiệm nén ngang DMT (DILATOMETER). 6.4.1. Nguyên lý thí nghiệm: Thí nghiệm DMT (DILATOMETER) là một thí nghiệm nén ngang. Nguyên lý thí nghiệm là dùng một lực đẩy mũi xuyên phẳng (1) trên hình (VI-16) đến vị trí cần thí nghiệm. Kết quả của thí nghiệm đ−ợc cho các áp suất p0, p1 và p2 t−ơng ứng với các chuyển vị màng thép (2) trên hình (VI-15)là 0; 1,1và 0mm. Các kết quả thu đ−ợc từ thí nghiệm DMT nhiều hơn và đáng tin cậy hơn so với thí nghiệm nén ngang PMT, thí nghiệm này là thí nghiệm xuyên liên tục đồng thời lại đơn giản trong thí nghiệm và hiệu chỉnh. Thí nghiệm DMT (1975) thô sơ đầu tiên đ−ợc thử nghiệm theo ý t−ởng của giáo s− S.Marchetti (Italia, 1974) và đến năm 1980 thí nghiệm này đ−ợc nhiều n−ớc biết đến. Ngày nay thí nghiệm DMT là một trong ba thí nghiệm hiện tr−ờng mạnh nhất và phổ biến nhất trên thế giới (SPT, CPT và DMT). 6.4.2. Các thành phần của thiết bị: Hình (VI-16) minh hoạ các thành phần cơ bản của thiết bị DMT: Mũi xuyên phẳng (1), trên đó có gắn màng thép (2); bình khí nén (3); dây cáp dẫn khí nén (4); dây cáp này dẫn khí nén từ bình khí qua hộp điều khiển (5) và dẫn vào trong màng thép (2). Các áp suất trong quá trình thí nghiệm đ−ợc đo trên đồng hồ ở hộp điều khiển 5). Mũi xuyên đ−ợc nối với cần (6). Cần xuyên này th−ờng có cùng kích th−ớc và đ−ờng ren nh− cần xuyên CPT. Nh− vậy, nếu đã có đầy đủ thiết bị CPT, thì chỉ cần trang bị thêm mũi xuyênDMT, bình khí nén, hộp điều khiển thì sẽ kết hợp đ−ợc cả hai thí nghiệm CPT và DMT.
  19. CHƯƠNG vi Trang 271 Hình VI-16: Sơ đồ của thí nghiệm: 1) mũi xuyên phẳng; 2) màng thép; 3) bình khí; 4) dây cáp dẫn khí nén; 5) hộp điều khiển; 6)cần xuyên 6.4.2.1. Mũi xuyên phẳng. Mũi xuyên phẳng có bề rộng 95mm, dày 15mm làm bằng thép không gỉ. Góc nhọn tại mũi xuyên từ 24ữ320, ở giữa mũi xuyên là màng thép tròn có đ−ờng kính 60mm, dày từ 0,2ữ0,25mm (thông th−ờng là0,2mm). Màng thép đ−ợc gắn trên mũi xuyên bằng các bulông bắt quanh viền của màng thép. Hình (VI-17) minh hoạ mặt mũi xuyên sau khi đã tháo màng thép. Hình VI-17: Mặt của xuyên khi tháo màng: a) mặt ngoài, b)mặt trong Trong thí nghiệm, ta có tiến hành hiệu chỉnh số đọc 0 của màng thép, vì vậy thí nghiệm DMT rất chính xác ngay cả đất bùn nhão (Su =2ữ4Kpa, E=0,4MPa). Mặt
  20. CHƯƠNG vi Trang 272 khác mũi xuyên rất mạnh (chịu đ−ợc áp lực tới 25 tấn). Với đối trọng là xe tải 20 tấn thì DMT có thể xuyên qua vài loại đá mềm, đá macnơ với Su=1000KPa, E=400MPa). Cần xuyên th−ờng dùng là loại có đ−ờng kính 36mm, nh−ng nếu xuyên ở độ sâu, với tải trọng lớn thì nên dùng loại đ−ờng kính cần là 50mm. Nguyên lý hoạt động của màng thép: Màng thép trên mũi xuyên hoạt động theo nguyên tắc giống nh− chuông điện (Hình VI-18). Đệm nhựa (6) để cách điện giữa đĩa cảm ứng hay (hay đĩa cảm nhận) (4) với mũi xuyên thép. Đĩa cảm ứng (4) đ−ợc gắn chặt với đệm (6) và luôn cố định. Đĩa cảm ứng sẽ làm thành mạch kín, và do đó gây ra tiếng kêu bíp trong các tr−ờng hợp sau: - Màng thép dính với đĩa cảm ứng (lúc màng ch−a có áp lực khí nén tác động, cũng nh− lúc áp lực khí nén vẫn còn thua áp lực ngang tự nhiên P0 của đất) . - Khi nén (gas) đẩy tâm của màng thép (3) ra ngoài 1,1mm, do đó, lò xo đẩy trụ thép (1) và cần plêxi (5) ra ngoài, gây ra sự tiếp xúc giữa mặt của trụ (1) với đĩa cảm ứng. áp lực đất lên màng thép lúc này là P1. Nh− vậy, ngay khi tiếp xúc bíp bị tắt (kết thúc đ−ờng đậm nét trên hình VI-19), ta Hình VI-18: Nguyên lý đọc số đọc A trên đồng hồ. Từ A sẽ tính hoạt động của màng thép. đ−ợc P0, với P0 là áp lực đất tác dụng vào màng thép lúc chuyển vị của màng là 0mm. Sau đó không có sự tiếp xúc về điện, tiếng bíp bị tắt. Tiếp tục tăng áp lực khí nén, và ngay sau khi tiếng bíp bắt đầu kêu lại, ta đọc đ−ợc số đọc B, từ đó tính đ−ợc P1. Sau đó ta phải xả van để giảm áp lực khí nén ngang, tránh để màng thép tiếp tục bị đẩy tiếp ra ngoài, gây h− hại dần đối với màng thép. Ngoài ra, ta còn có thể đọc số đọc C và áp lực P2 khi giảm áp lực. Trong thí nghiệm DMT, chuyển vị là cố định (1,1mm) và rất chính xác còn ở thí nghiệm PMT ta phải đo thể tích dung dịch đổ vào PMT, từ đó suy ra chuyển vị (có thể không chính xác do dung dịch nén, do ống dung dịch bị nở, do màng PMT nở không đều ,v.v So với DMT, quá trình diễn dịch kết quả của PMT rất r−ờm rà và kém chính xác).
  21. CHƯƠNG vi Trang 273 6.4.2.2 Hộp điều khiển: Hình VI-19: Sơ đồ hộp điều khiển Trên hộp điều khiển (Hình VI-19) có hai “đồng hồ đo áp lực”, “đầu cắm dẫn áp lực khi đến” từ bình khí nén, “đầu cắm dẫn áp lực khí đi” tới mũi xuyên, “đầu cắm ống xi lanh” để hiệu chỉnh số đọc, van “khoá cấp”, van “cấp chậm”, van “xả nhanh”, van “xả chậm”, “loa” phát ra tiếng “bíp”, “đèn” tín hiệu gắn với loa (đèn đỏ khi loa kêu). 1) - Đồng hồ đo áp lực: Đồng hồ đo áp lực thấp (1 MPa) để đo chi tiết áp lực khi thí nghiệm trong đất yếu. Với đất tốt, nếu áp lực lớn hơn 1Mpa, đồng hồ áp lực thấp sẽ tự ngắt áp lực và áp lực sẽ đ−ợc đo ở đồng hồ đo áp lực cao (đến 6MPa). 2) - Van khí: Van khoá cấp có tác dụng khoá hoặc mở dòng khí đi từ bình khí nén đến mũi xuyên. Van khoá cấp luôn luôn mở trong quá trình thí nghiệm (trừ khi đọc ∆A và ∆B). Van khoá chậm có tác dụng đ−a dòng khí cấp từ bình khí tới mũi xuyên, nh− vậy van cấp chậm chỉ có tác dụng khi van khoá cấp đã đ−ợc mở. Có hai van xả khí: van xả nhanh (lớn) và van xả chậm (nhỏ). Ta cần đến van xả chậm để đọc số đọc C. 6.4.2.3. Bình khí nén: Trên bình khí nén th−ờng có van điều chỉnh áp lực, ống dẫn khí. Van điều chỉnh áp lực phải chịu đ−ợc áp lực tối thiểu 7ữ8Mpa. Thông th−ờng ta chỉ dùng áp lực từ 3ữ4Mpa, tuy nhiên đối với đất rắn hơn, áp lực có thể cao hơn. khí nén ở trong bình có thể là không khí th−ờng hoặc nitơ. Với áp lực ban đầu 15Mpa, cao 0,6m, ta có thể dùng trong 1ữ2 ngày thí nghiệm (từ 70ữ100m đất). 6.4.3. Tập hợp số đọc hiệu chỉnh: 6.4.3.1. Định nghĩa ∆A và ∆B
  22. CHƯƠNG vi Trang 274 ∆A và ∆B là áp lực khí cần có để v−ợt qua độ cứng của màng thép (không có áp lực của đất). Khi thí nghiệm, áp lực khí cân bằng với áp lực đất và độ cứng của màng thép. Các số đọc A và B thu đ−ợc từ các vị trí A và B trên hình (VI-19). Màng thép khi tự nhiên hơi cong ra ngoài. Khi để mũi xuyên ở không khí, màng thép sẽ nằm ở vị trí giữa A và B (vị trí “at rest”- hình VI-20). ∆A là áp suất khí nén âm (hút vào) tác dụng vào màng thép (đặt trong không khí) để cho màng thép ở vị trí A - vị trí tiếp xúc với đĩa cảm ứng. ∆B là áp suất khí nén d−ơng Hình VI-20: Đọc số đọc ∆Avà ∆B (đẩy ra) tác dụng vào màng thép để cho màng thép ở vị trí B- vị trí trụ thép (1) tiếp xúc với đĩa cảm ứng. ∆A và ∆B rất quan trọng, đặc biệt đối với các loại đất yếu (khi A và B không lớn hơn ∆A và ∆B nhiều). 6.4.3.2. Xác nhận ∆A và ∆B: Trình tự các b−ớc thực hiện nh− sau: 1) Đóng van khoá cấp. 2) Cắm ống của xi lanh với đầu cắm xi lanh của hộp điều khiển, ban đầu trong xi lanh không có không khí (Hình VI-21.a). 3) Kéo xi lanh đến gần hết ống, do đó có một áp lực chân không hút màng thép chạm vào đĩa cảm ứng, tiếng bíp bắt đầu kêu (Hình VI-21.b). Giữ xi lanh khoảng 5 giây để ổn định áp lực chân không, sau đó đẩy xilanh thật chậm, ngay khi tiếng bíp vừa tắt, ta đọc số đọc, ví dụ là 15Kpa, thì ∆A là trị tuyệt đối của số đọc , tức là ∆A = 15Kpa (Hình VI-21.c). 4) Tiếp tục đẩy xi lanh từ từ, ngay khi tiếng bíp kêu lại (vị trí B), ta đọc số đọc ∆B (Hình VI-21.d). 5) Lặp lại quá trình này 2 đến 3 lần để đảm bảo ∆A và ∆Blà chính xác . Khi xác định các trị số ∆A và ∆B cần l−u ý các điểm sau: - Nếu dây cáp dẫn khí đến mũi xuyên DMT quá dài (vài chục mét), khi đọc ∆A và ∆B ta phải chờ khoảng 15 giây để áp lực truyền đến màng thép. - Tr−ớc khi thí nghiệm , thông th−ờng ∆A=15Kpa, ∆B=40Kpa. Nếu ∆A nằm ngoài khoảng 5-30Kpa hoặc ∆B nằm ngoài khoảng 5ữ80Kpa, thì màng thép không đạt tiêu chuẩn. - Sau khi hoàn thành thí nghiệm, ta cũng phải đo lại ∆A và ∆B. Nếu chúng khác
  23. CHƯƠNG vi Trang 275 xa (>25KPa) so với ∆A và ∆B tr−ớc khi thí ngiệm, thì màng thép này đã rão, cũ, do đó làm giảm độ tin cậy của thí ngiệm, ta cần phải thay ngay màng thép quá rão, hoặc bị x−ớc. Giá trị của ∆A và ∆B là giá trị trung bình tr−ớc và sau khi tiến hành thí nghiệm DMT - Màng thép mới nguyên (ch−a thí nghiệm lần nào) cũng ít tin cậy hơn màng thép đã sử dụng vài lần, vì ∆A và ∆B của màng mới này vẫn ch−a ổn định. Với màng thép mới nguyên, nên tác động một áp lực khoảng 500Kpa. Sau đó giảm áp về 0, cứ nh− thế vài lần. Ta có thể thử nh− vậy vài lần trong một chậu n−ớc để kiểm tra xem màng có khả năng hoàn toàn cách n−ớc hay không. a) Vị trí tự nhiên b) Chân không >> A c) Chân không = A d) B không bíp bíp liên tục dừng bíp bíp lại Hình VI-21 6.4.4. Quy tắc đọc các trị số a, b, c. 6.4.4.1. Công tác chuẩn bị thí nghiệm: Trình tự theo các b−ớc sau: 1) Bắt ren của đầu cáp p-c (cáp vừa dẫn khí nén vừa truyền tín hiệu) vào mũi xuyên DMT và đồng thời bắt ren mũi xuyên với cần xuyên đầu tiên. 2) Nối âm với đất: Một đầu của đoạn cáp ”nối đất” cắm vào giá cắm “đất” trên hộp điều khiển, còn đầu kia kẹp vào cần xuyên . 3) Mở van xả nhanh và gõ tay vào đồng hồ áp lực, chỉnh số đọc về 0. 4) Xác định trị số ∆A và ∆B nh− phần trên. 5) Cắm van điều chỉnh áp lực vào bình khí nén, điều chỉnh đồng hồ về 0. 6) Đóng cả van khoá cấp, van khoá chậm và mở van xả nhanh. 7) Hiệu chỉnh để đồng hồ khí nén ở bình khí nén chỉ 3Mpa. Mở van ở bình khí nén và mở van khoá cấp trên bộ điều khiển (và trong quá trình thí nghệm van khoá cấp luôn đ−ợc mở). 6.4.4.1. Thí nghiệm: Trình tự thí nghiệm DMT nh− sau: 1) Trên hộp điều khiển : đóng van cấp chậm, mở van xả nhanh (van xả nhanh phải đ−ợc mở để giảm h− hỏng do đất tác dụng lên màng thép khi xuyên). 2) Điều khiển hệ gia lực đẩy mũi xuyên xuống (th−ờng 20cm một lần), do áp lực đất tác dụng lên màng thép nên quá trình đẩy xuyên sẽ có tiếng bíp liên tục và đèn đỏ cho đến độ sâu yêu cầu, nhả cần gia lực để dừng xuyên. 3) Đóng cả hai van xả. Từ từ mở van cấp chậm, khí nén sẽ đ−ợc cấp từ từ để đẩy màng thép ra. Ngay khi màng thép không còn tiếp xúc với đĩa cảm ứng, tiếng bíp ngừng kêu ta đọc số đọc A.
  24. CHƯƠNG vi Trang 276 4) Khí nén vẫn tiếp tục cấp qua van cấp chậm. Ngay khi tiếng bíp kêu lại (tức là trụ thép (1) phía sau cần plexi tiếp xúc với đĩa cảm ứng) ta phải thao tác nhanh và thực hiện các b−ớc sau: - Đọc ngay số đọc B. - Mở van xả nhanh ngay (tránh màng thép bị rão); đóng van cấp chậm; nếu cần đọc số đọc C (xem phần số đọc C). - Quay lại b−ớc (1) để xuyên thí nghiệm tiếp. Số Đọc c: Muốn đọc số đọc C cần thực hiện nh− sau: - Không xả hết khí ngay, mà đóng van xả nhanh lúc áp suất vẫn còn một ít, mở van xả chậm. Tiếng bíp sẽ ng−ng kêu (vị trí at rest). Sau 45ữ60 giây, màng thép sẽ tiếp xúc với đĩa cảm ứng, tiếng bíp sẽ kêu lại (vị trí A) ta đọc số đọc C. 6.4.5. Thí nghiệm tiêu tán áp lực n−ớc lỗ rỗng (đối với đất dính). Đối với đất có tính thấm kém, khi xuyên DMT sẽ tạo ra áp lực n−ớc lỗ rỗng d−, do đó áp lực n−ớc lỗ rỗng lớn hơn áp lực n−ớc lỗ rỗng th−ờng U0. Sử dụng DMT, ta có thể tiến hành thí nghiệm tiêu tán áp lực n−ớc lỗ rỗng để xác định tính thấm và các tham số cố kết của đất dính. 6.4.5.1. Ph−ơng pháp tiêu tán DMT-A. Ph−ơng pháp DMT-A (do Marchetti và Totani đề xuất 1989) đ−ợc mô tả trong ASTM 2001. Các thao tác thực hiện nh− sau: - (1) Dừng xuyên lại, ngay lập tức bắt đầu đồng hồ bấm giây (t=0). - (2) Sau đó cấp khí ngay (van cấp chậm) trong khoảng 15 giây để đọc số đọc A. - (3) Khi đọc A, ngay lập tức xả khí bằng cách mở van xả nhanh, đồng thời đo lại thời gian trên đồng hồ bấm giây. (Sau khi đọc số đọc A, ta không cấp khí nén tiếp để đọc số đọc B). - (4) - Chờ khoảng thời gian định tr−ớc (th−ờng là 0,5, 1, 2, 3, 4, 5, 15, 30 - phút) lập lại các b−ớc (2) và (3). - (5)- Số đọc A sẽ giảm dần theo thời gian (cùng với áp lực n−ớc lỗ rỗng bị tiêu tán). Ta vẽ đồ thị A-log(t). Dừng thí nghiệm tiêu tán khi mà trên đồ thị có hai đ−ờng cong khá rõ rệt với một điểm uốn tflex ở giữa. 6.4.5.2. Ph−ơng pháp tiêu tán DMT-A2 Ph−ơng pháp tiêu tán DMT-A2 (Schmertmann, 1991) đ−ợc mô tả trong ASTM.2001 ph−ơng pháp này có vài điểm trong trình tự có khác với ph−ơng pháp DMT-A. (1) - ở vòng đọc đầu tiên. Ta đo A rồi B và C. Còn từ vòng đọc thứ hai ta chỉ đo A (2) - Vẽ đồ thị A − t (hay còn gọi là A2 − t )diễn dịch kết quả Thí nghiệm DMT-A2 có thể không phù hợp với loại sét cứng. 6.4.6. T−ơng quan giữa các chỉ tiêu cơ lý của đất và kết quả của DMT. 6.4.6.1. Chuẩn hoá số đọc:
  25. CHƯƠNG vi Trang 277 Do độ cứng của màng thép (∆A và∆B), và số đọc ban đầu trên đồng hồ ZM mà ta phải hiệu chỉnh áp lực nh− sau: P0 = 1,05(A-ZM + ∆A) - 0,05 (B-ZM + ∆B) (VI-28) P1 = B-ZM + ∆B (VI-29) P2 = C-ZM + ∆A (VI-30) Thông th−ờng ZM = 0; ZM chỉ khác không trong tr−ờng hợp: đồng hồ để đọc ∆A và ∆B (gọi là đồng hồ ∆) khác với đồng hồ lúc đọc A và B (gọi là đồng hồ AB); khi đó ZM sẽ là hiệu số giữa số đọc trên đồng hồ ∆ lúc áp lực khí là 0 và số đọc trên đồng hồ AB lúc áp lực khí là 0. Lúc chuyển vị bằng 0, P0 tỷ lệ với áp lực địa tĩnh theo ph−ơng ngang (ứng suất bản thân, tức là σh0), còn lúc chuyển vị bằng 1,1mm, P1 tỷ lệ với áp lực bị ' độngσ p . L−u ý rằng, P0 > σh0 và P1 > σP (hay Pb). Bởi vì, dù bị xáo trộn rất ít d−ới mũi xuyên DMT mỏng (1,5cm), cấu trúc của đất vẫn bị thay đổi. Từ kết quả đọc đ−ợc từ thí nghiệm DMT ta phải xác định đ−ợc các thông số (gọi là chỉ số) DMT: P1 − P0 - Chỉ số đất: I D = (VI-31) P0 −U 0 P0 −U 0 - Chỉ số nén ngang: K D = ' (VI-32) σ vo - Môđun DMT: ED = 34,7(P1-P0) (VI-33) P2 − P0 - Hệ số áp lực n−ớc lỗ rỗng: U D = (VI-34) P0 −U 0 ' Trong đó: U0 và σ vo - áp lực n−ớc lỗ rỗng và ứng suất bản thân theo ph−ơng đứng ở trạng thái bình th−ờng (tr−ớc thí nghiệm DMT). 6.4.6.2. Đánh giá các tính chất vật lý của đất dựa vào kết quả DMT. 6.4.6.2.1. Phân loại đất dựa vào kết quả DMT . 2000 i sét bụi cát ED t 5 Trên hình (VI-22) minh hoạ sự phân loại đất tại n bụ .1 cá ẫ 2 l t 1000 n lẫ hiện tr−ờng dựa vào chỉ số I và E và có thể tóm tắt sé 2 D D i n 1 ụ 2. nh− sau: 500 lẫ n b 9 5 1. lẫ 9 200 5 1. .0 8 - Đất sét: ID ≤ 0,6 2 1. 100 .8 9 1 .7 1. 1 - Bụi : 0,6 1,8 1. 7 1. 20 6 Ngoài ra trên hình (VI-22) còn phân chia nhỏ 1. hơn sét lẫn bụi, bụi lẫn sét, bụi lẫn cát và cát lẫn bụi. 12 0.33 0.8 1.2 3.3 10 0.6 1.8 ID Chú ý các số có gạch chân trên hình là khối 1.5 Bùn / than bùn l−ợng riêng của đất (t/m3). 0 6.4.6.2.2. Đánh giá trạng thái của đất dựa vào kết quả Hình VI-22
  26. CHƯƠNG vi Trang 278 DMT. Với đất cát cố kết th−ờng, không ximăng hoá, độ chặt t−ơng đối (D) đ−ợc xác định thông qua biểu đồ trên hình (VI-23) (trong đó K0 bằng 0,45). Với đất quá cố kết, đất ximăng hóa thì Dr sẽ nhỏ hơn so với giá trị trên hình vẽ. (Hình VI-23) 8 KEMIGAWA 6 k 0 =0,45 D Hình VI-23: Quan hệ K 4 độ chặt (Dr) và (Kd đất cát cố kết th−ờng, không ximăng hoá) 2 OHGIHIMA 0 20 40 60 80 100 D (%) r 6.4.6.3. Đánh giá tính biến dạng của đất dựa vào kết quả DMT. 6.4.6.3.1. Đánh giá môđun biến dạng của cát và sét dựa vào kết quả DMT. Môđun biến dạng của đất đ−ợc xác định nh− sau : ⎛ 2à 2 ⎞ ⎜ ⎟ E0 = ⎜1− ⎟.M = β.M ≈ (0,5 ữ 0,8).M (VI-35) ⎝ 1− à ⎠ Trong đó: M - môđun biến dạng đứng không nở hông; nếu thí nghiệm nén 1 không nở hông (Oedometer) thì: M = (mv còn gọi là ao). mv Còn trong thí nghiệm DMT đ−ợc xác định nh− sau: M = RM.ED (VI-35’) Trong đó: ED xác định theo công thức (VI-33). RM đ−ợc xác định theo các điều kiện sau: ID ≤ 0,6 thì RM = 0,14 + 2,63logKD ID ≥ 3 thì RM = 0,5 + 2logKD 0,6 10 thì RM = 0,32 + 2,18logKD 6.4.6.3.2. Đánh giá hệ số nền dựa vào kết quả DMT. Hệ số nền theo ph−ơng ngang (Schmertmann, 1988) đ−ợc xác định là: 2 ⎛ B + 0,3 ⎞ K D − K 0 ' K hs = 0,5⎜ ⎟ . .σ vo (VI-36) ⎝ 2B ⎠ 7,5mm Trong đó: B - là bề rộng của móng (nếu là cọc thì là cạnh cọc), m
  27. CHƯƠNG vi Trang 279 Nếu quan hệ giữa hệ số nền theo ph−ơng đứng và ph−ơng ngang là tỷ lệ với ứng suất hữu hiệu (theo K0) thì hệ số nền theo ph−ơng đứng sẽ là: 2 ' K hs ⎛ B + 0,3⎞ K D − K 0 σ vo K S = = 0,5⎜ ⎟ . . (VI-37) K o ⎝ 2B ⎠ 7,5mm K o 6.4.6.4. Đánh giá sức chống cắt của đất dựa vào kết quả DMT. 6.4.6.4.1. Đánh giá góc ma sát trong của đất dựa vào kết quả DMT. Thông th−ờng và đơn giản sử dụng ph−ơng trình do Marchetti đề xuất năm 1997 để xác định góc ϕ: 2 ϕ = 28 +16,6log K D − 2,1log K D (VI-38) 6.4.6.4.2. Đánh giá sức kháng cắt (Su) của đất sét dựa vào kết quả DMT. Hình VI-24: Đ−ờng hồi quy Su của Marchetti Hình VI-25: So sánh các kết quả Su Sức kháng cắt không thoát n−ớc đ−ợc Marchetti đề xuất từ năm 1990(hình VI-24) nh− sau: ' 1,25 ' 0,8 Su = 0,22σ vo ()0,5K D = 0,22σ vo .OCR (VI-39) Nhiều tác giả đã so sánh kết quả tính theo (VI-39) với thí nghiệm trong phòng và các thí nghiệm khác, nh− Burghignoli (1991), Nash và cộng sự (1992) (hình VI-25) và cho thấy ph−ơng trình (VI-39) có độ tin cậy t−ơng đối cao. Tuy vậy theo Roque và cộng sự cho rằng, ph−ơng trình sau đây nên đ−ợc sử dụng: ' P1 − (K 0 .σ v0 +U 0 ) Su = (VI-40) N c Trong đó: Nc = 5 với đất sét và bụi giòn; Nc = 7 cho đất sét trung bình và NC = 9 cho đất sét dẻo không nhạy cảm. 6.4.6.5. Đánh giá hệ số nén ngang (K0) và hệ số quá cố kết (OCR) của đất dựa vào kết quả DMT. 6.4.6.5.1. Đánh giá hệ số K0 và OCR của đất sét dựa vào kết quả DMT.
  28. CHƯƠNG vi Trang 280 Giá trị KD lớn hơn K0 do đất chặt hơn ở mũi xuyên 1,5cm. Do đó có nhiều tác giả đã thực nghiệm tìm giá trị K0 từ KD nh− sau: Marchetti (1980) và nhiều tác giả đề nghị t−ơng quan sau (hình VI-26.b) 0,47 K 0 = ()K D / BK − 0,6 (VI-41) Với đất sét th−ờng (không nứt nẻ, không nhạy cảm); B=1,5 (hình VI-26.a): 0,47 K 0 = ()K D /1,5 − 0,6 (VI-41a) Còn Lacasse và Lunne (1988) dựa vào thí nghiệm ở Na uy cho rằng khi KD 0,8) σ v0 1,17 OCR = 2,7.K D (VI-45) Theo Mayre (1987) đơn giản cho rằng OCR = 0,51K D (VI-46)
  29. CHƯƠNG vi Trang 281 Các quan điểm tính OCR khác nhau đ−ợc thể hiện trên hình (VI-28). Hình VI-27: Quan hệ giữa OCR và KD Hình VI-28: Tóm tắt tính OCR theo DMTD 6.4.6.5.2. Đánh giá hệ số K0 và OCR của đất cát dựa vào kết quả của DMT. Với đất cát, việc xác định OCR và K0 là cực kỳ khó khăn. Hơn nữa, lại không có tiêu chuẩn nào để so sánh vì đất cát không lấy đ−ợc mẫu nguyên dạng để thí nghiệm OCR trong phòng đ−ợc. Nhiều tác giả (Jendeby-1992, Baldi-1988, v.v ) cho rằng, có thể xác định OCR một cách định tính nh− sau: M Nếu DMT = 5 ữ10 thì OCR =1 (VI-47) qc M Nếu DMT = 12 ữ 24 thì OCR >1 (VI-48) qc Trong đó: MDMT - môđun không nở hông suy ra từ thí nghiệm DMT. qc - sức kháng xuyên mũi từ thí nghiệm CPT. Marchetti, sau đó là Baldi (1986) đ−a ra công thức tính K0 nh− sau: ' K 0 = 0,376 + 0,095K D − ξ.qc /σ vo (VI-49) Trong đó: ξ = 0,0017 (đất đắp) đến 0,0046 (đất nguyên thổ) Ph−ơng trình t−ơng tự của Marchetti đ−ợc Kulhawy, Mayne (1990) trích dẫn là: ' K 0 = 0,359 + 0,071K D − 0,00093.qc /σ vo (VI-50) Nói chung K0 và OCR cho đất cát không có độ chính xác cao, hơn nữa các ph−ơng trình trên đều phải dựa vào một thông số thứ ba là qc (thí nghiệm CPT). 6.4.7. Đánh giá và nhận xét. - DMT là một trong những thí nghiệm hiện tr−ờng có sự xáo trộn đất ít nhất, vì với các thí nghiệm SPT, CPT có bề dày của thiết bị lớn, nên đất bị xáo trộn nhiều, do đó các tính chất có đ−ợc thiếu chính xác.
  30. CHƯƠNG vi Trang 282 - DMT là thí nghiệm hiện tr−ờng có độ chính xác cao nhất trong các thí nghiệm hiện tr−ờng, đồng thời lại là thí nghiệm nhanh và đơn giản. - Từ DMT, ta có thể −ớc tính đ−ợc rất nhiều chỉ tiêu cơ lý cũng nh− ứng dụng trực tiếp vào thiết kế nền móng. - DMT là thí nghiệm nén ngang, cho kết quả là quan hệ “áp lực - chuyển vị của đất”. Do đó, ứng dụng trong −ớc tính môđun, biến dạng, sức chịu tải trọng ngang của cọc, trạng thái ứng suất và sức kháng cắt không thoát n−ớc (Su) có độ tin cậy khá cao. Nh−ợc điểm của thí nghiệm DMT là: - Nền đất làm việc chủ yếu theo ph−ơng đứng, trong khi thí nghiệm DMT nén đất theo ph−ơng ngang. - Việc ứng dụng vào dự báo sức chịu tải dọc trục của cọc là thấp (vì bản chất của DMT không phải là đo sức kháng dọc trục). 6.5. Thínghiệm cắt cánh ( VST) 6.5.1. Nguyên lý thí nghiệm: Thí nghiệm cắt cánh (VST-Vane Shear Test) đ−ợc phát minh vào năm 1918 tại Thuỵ Điển và ngày nay vẫn rất thông dụng tại Châu Âu. Ta ấn vào trong đất sét một cánh dao chử thập bằng thép, sau đó quay cánh chữ thập quanh trục của nó và đo mômen xoay (Mx) làm xoay cánh chữ thập, từ đó suy ra sức kháng cắt của đất T0 thí nghiệm thực hiện với giả thiết là đất dính thuần tuý (ϕ=0) và n−ớc không kịp thoát, do đó sức kháng cắt T0 = Su =cu .(Nếu ϕ≠ 0 và đất có kẹp thêm cát tạo điều kiện cho n−ớc thoát thì những yếu tố này sẽ làm tăng sức chống cắt). Thí nghiệm này không phù hợp với đất cát do các nguyên nhân sau: - L−ỡi xuyên rất mỏng, vì vậy khó xuyên vào đất cát. - Với đất sét không thoát n−ớc, ta có thể suy ra đ−ợc Su = To. - Còn với đất cát thì τ = σ ' .tgϕ ⇒ ϕ = arctg τ /σ ' . 0 h ( 0 h ) Hình VI-29 ' Trong đó: σ h là ứng suất bản thân theo ph−ơng ngang (vì cánh chữ thập cắt ngang nên ứng suất pháp tác dụng lên nó là theo ph−ơng ' ' ngang) σ h = K 0 .σ v0 . Do ta không biết K0 nên khó xác định đ−ợc góc ϕ. - Với đất sét, mặt bị cắt là mặt trụ tròn mà đ−ờng tạo ra là những cạnh biên của cánh. Còn với đất cát, do các hoạt động không đều “lộn xộn” nên mặt bị cắt không phải là trụ tròn. 6.5.2. Thiết bị và cách thí nghiệm.
  31. CHƯƠNG vi Trang 283 Thiết bị: Hiện nay có khá nhiều loại thiết bị cắt cánh khác nhau, do đó tuỳ theo loại đất và độ sâu thí nghiệm mà chọn thiết bị cắt cánh cho phù hợp. Cắt cánh chữ thập đ−ợc làm bằng thép không gỉ, chất l−ợng cao, chiều cao (H) phải gấp đôi bề rộng toàn phần (D) nh− hình (VI-29). Kinh nghiệm cho thấy rằng đối với loại đất có sức kháng cắt tới 50Kpa, cánh có chiều cao 15cm và bề rộng 7,5cm là thích hợp. Đối với loại đất có sức kháng cắt từ 50Kpa đến 75Kpa cần cánh bé hơn, với chiều cao 10cm và rộng 5cm. Cánh cắt càng mỏng càng tốt nh−ng vẫn đảm bảo độ cứng và có l−ỡi sắt để cắt đất (mục đích khi ấn vào đất, càng gây ra ít xáo động càng tốt). Đầu tiên cánh cắt gắn với cần (mỗi cần dài khoảng 1m, các cần phải đủ chắc để chịu đ−ợc lực ấn xuống dọc trục và độ cong nhỏ) và nó đ−ợc gá vào giá đỡ, nối liền với cơ cấu tay quay có gắn đồng hồ đo mômen xoay. Khi thí nghiệm: Dùng cần nối đ−a cánh cắt đến độ sâu cần thí nghiệm, gắn bộ xoắn lên đầu cần và điều chỉnh, vặn chặt dụng cụ với cần, cố định đế bộ xoắn thật chặt, rồi quay kim đồng hồ về vị trí không. Quay bộ xoắn cho tới khi đất bị cánh cắt và đọc số đo trên đồng hồ tại số chỉ độ lệch lớn nhất. Đây chính là lực cần thiết để cắt đất. Xoay bộ xoắn trong suốt thời gian thí nghiệm với tốc độ khoảng 0,10/.sữ0,20/.s (từ 60/phútữ120/phút) và theo dõi đồng hồ đo Mômen xoay. Khi thấy mômen xoay cực đại rồi giảm xuống, thì xoay thêm cánh cắt thêm một số vòng nữa để ghi giá trị mômen cực tiểu ứng với sức kháng cắt của đất đã bị cắt. 6.5.3. Tính toán. Tính toán sức kháng cắt của đất. (T0 = Su =cu) theo công thức sau: M τ = S = (x) (VI-51) 0 u K Trong đó: - Mx - lực xoắn để cắt đất (N.cm hoặc kg.cm); K - là hằng số phụ thuộc vào kích th−ớc và hình dạng cánh cắt . Với giả thiết lực cắt phân bố đồng đều trên hai đầu và xung quanh hình trụ đất tạo bởi cánh khi cắt ta có: D 2 H ⎛ D ⎞ K = π ⎜1+ ⎟ , do tỷ lệ H:D là 2:1 nên K=3,66.D3 (VI-52) 2 ⎝ 3H ⎠ 6.5.4. Hiệu chỉnh Su đo đ−ợc từ thí nghiệm cánh cắt. Bjerum cho rằng, cần 1.2 phải hiệu chỉnh sức kháng cắt Su nh− sau: 1.0 Bjerrum (1972) à S = à.S (VI-53) ố u u cắt cánh 0.8 Trong đó: - à - phụ thuộc vào Hệ s chỉ số dẻo của đất dính (Hình 0.6 VI-30). 0.4 Su cắt cánh - là sức kháng 0 20 40 60 80 100 120 cắt tính toán theo thí nghiệm Chỉ số dẻo IP (tức là A) Hình VI-30: Hệ số hiệu chỉnh à cho thí nghiệm cắt cánh cắt cánh.
  32. CHƯƠNG vi Trang 284 6.5.5. Dự báo hệ số quá cố kết (OCR) từ kết quả thí nghiệm cắt cánh. Hệ số quá cố kết OCR có thể dự báo đ−ợc từ Su của đất sét không nứt nẻ nh− sau: Su OCR ≈ αVST . ' (VI-54) σ vo Mayne và Mitchell (1988) cho rằng. - Thông th−ờng: αVST ≈ 3,22 ữ 3,54 −0,48 - Tổng quát: αVST ≈ 22IP ; (IP hay A- chỉ số dẻo) 6.5.6. Nhận xét: Thí nghiệm cắt cánh hiện tr−ờng t−ơng đối đơn giản, dễ sử dung. Đặc biệt trong các đất sét nhão, bùn thì kết quả cho có độ tin cậy cao. Thí nghiệm này nên dùng cho các loại đất có yếu tố ma sát trong khá nhỏ có thể bỏ qua. 6.6. Thí nghiệm bàn nén ở hiện tr−ờng. 6.6.1. Nguyên lý thí nghiệm: Ph−ơng pháp này thực hiện bằng cách là trên bề mặt lớp đất muốn nghiên cứu, ng−ời ta đặt một tấm nén hình tròn hoặc hình vuông, tấm nén phải đủ cứng để có thể xem nh− cứng tuyệt đối, sau đó gia tải lên tấm nén, đồng thời đo độ lún của nó. Phân tích kết quả quan hệ tải trọng độ lún có thể rút ra đ−ợc khả năng chịu tải giới hạn, các đặc tr−ng biến dạng của đất. 6.6.2. Thiết bị và cách thí nghiệm (Hình VI-31). - Thiết bị: Kích th−ớc bàn nén khi dùng phải lớn vừa phải để thao tác dễ dàng, khi chọn kích th−ớc bàn nén phải xét tới cấu trúc của đất, các lực tác dụng cần thiết, ph−ơng tiện chất tải, kích th−ớc các thiết bị khác ,v.v Tấm nén th−ờng là bằng thép có kích th−ớc hình vuông 70,7x70,7cm, hoặc tấm tròn có đ−ờng kính d=76,5cm. Để gia tải có thể dùng các khối bêtông, cọc neo kết hợp với kích thuỷ lực. Trong mọi tr−ờng hợp giá đỡ phải đủ cứng để san đều phản lực của kích và lực neo. Để đo độ lớn th−ờng dùng hai đồng hồ chuyển vị mắc trên hai điểm mép đối xứng trục của tấm nén. Chất tải và đọc các số đo khi có yêu cầu. Với thí nghiệm nén tốc độ lún không đổi (thí nghiệm này thích hợp khi cần xác định các đặc tr−ng nén của đất trong trạng thái không thoát n−ớc), thì chất tải đ−ợc điều khiển sao cho tốc độ lún đã chọn là không đổi và liên tục. Tiếp tục tăng tải cho đến khi độ lún đạt đ−ợc ít nhất là 15% chiều rộng của bàn nén. Nếu không có dấu hiệu rõ ràng cho thấy đất bị phá vỡ tr−ớc khi độ lún đạt 15%, thì tải trọng tới hạn có thể xác định bằng tải trọng gây ra độ lún t−ơng đ−ơng với khoảng 15% chiều rộng bàn nén. Còn khi thí nghiệm với tải trọng gia tăng từng cấp (thí nghiệm này thích hợp cần xác định các chỉ tiêu biến dạng của đất ở trạng thái nén có thoát n−ớc), để tăng tải, mỗi cấp tải trọng khoảng (0,2ữ0,25kG/cm2) đối với đất yếu loãng (0,4ữ0,5kG/cm2) đối với đất tốt. Sau mỗi cấp gia tải phải chờ cho đất lún xong. Tiêu chuẩn quy −ớc ổn định là: Sau một giờ đối với đất cát, sau hai giờ đối với đất sét mà độ lún không quá 0,01mm thì coi nh−
  33. CHƯƠNG vi Trang 285 nền đất đã ổn định có thể gia tải cấp tiếp theo. Thông th−ờng tải trọng thí nghiệm khoảng 1,5 ữ2 lần tải trọng dự kiến sử dụng. Có thể chất tải và dỡ tải theo các chu kỳ trung gian trong khi thí nghiệm gia tải vào các giai đoạn khác nhau để có đ−ợc trị số biến dạng t−ơng đối hồi phục (đàn hồi) và không hồi phục xảy ra. Ghi lại tải trọng mỗi lần gia tăng và đảm bảo giữ cho nó không đổi. Ghi lại độ lún d−ới mỗi lần gia tải theo thời gian, bắt đầu từ lúc gia tải. Trong các giai đoạn đầu, tiến hành đo th−ờng xuyên, sau đó tăng thời gian giữa các lần đo, vì lúc này tốc độ lún đã giảm. Việc đo tải trọng và độ lún phải đạt đ−ợc độ chính xác yêu cầu. Dầm gia tải 2 0 p (kG/cm ) đồng hồ Kích gia tải đo lún (S-p) Cọc neo Bàn nén Nền S(mm) b) a) Hình VI-31 6.6.3. Trình bày và diễn dịch kết quả. Kết quả thí nghiệm bàn nén ở hiện tr−ờng đ−ợc trình bày chủ yếu bằng đồ thị độ lún biến đổi theo tải trọng (hình VI-31.b) và độ lún biến đổi theo thời gian. (VI- 32.a). Kết quả thí nghiệm bàn nén tr−ớc hết là để xác định đặc tr−ng biến dạng của nền đất: hệ số nền (K) hoặc môđun biến dạng E. Theo định nghĩa K=p/S ta có thể suy ra trị số K ở một áp lực p nào đó. Thông th−ờng quan hệ p ~S là đ−ờng cong, trị số hệ số nền K tính đ−ợc là hệ số nền cát tuyến ứng với điểm đang xét. Nếu xem nền đất là bán không gian biến dạng tuyến tính thì theo kết quả của lý thuyết đàn hồi : - Đối với tấm nén tròn đ−ờng kính d ta có: P 1− à2 E = ( ) (VI-55) S.d Trong đó: P : tổng tải trọng trên tấm nén; P=p.F (kN,kG); p: áp lực tại đáy bàn nén (kG/cm2); F: diện tích tấm nén (cm2). - Nếu thí nghiệm bàn nén hiện tr−ờng đến khi đất bị tr−ợt trồi (bàn nén lún đột ngột lớn) thì tải trọng giới hạn đ−ợc xác định nh− sau:
  34. CHƯƠNG vi Trang 286 P p = (VI-56) F Trong đó: p - áp lực lớn nhất tại đáy bàn nén (KPa,kG/cm2); P: - tổng tải trọng trên tấm nén khi gây ra phá hoại nền (kN,kG) ; F: - diện tích tấm nén (cm2). - Khi không xác định rõ lực phá hoại, hoặc lấy lực gây ra độ lún bằng 15% bề rộng của bàn nén, hoặc khai thác kết quả bàn nén sau đây có thể cho ta có khái niệm về tải trọng giới hạn của nền. Độ lún của mỗi cấp tải trọng ứng với thời gian đ−ợc thực hiện trên hình (VI-32.a) chọn khoảng thời gian đặc tr−ng: chẳng hạn t1 = 10 phút; t2=60 phút. Từ đó lập đồ thị (St=60~St=10)~p tức là ta có đồ thị vận tốc lún theo tải trọng (hình VI-32.b). (S60 - S10 ) 10 20 30 40 50 60 70 t (phút) 0 2 0,3 4 0,6 6 0,9 8 10 1,2 12 14 1,5 S 1,8 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 p(kG/cm2 ) a) b) pcd Hình VI-32 Từ đồ thị (VI-32.b) ta có thể tìm đ−ợc tải trọng mà tốc độ lún tăng đột ngột - gọi là tải trọng chảy dẻo (pcd). Có thể lấy tải trọng chảy dẻo làm tải trọng giới hạn, còn tải trọng cho phép [p] lấy bằng (0,7ữ0,8)pcd. 6.6.4. Nhận xét: Thí nghiệm bàn nén ở hiện tr−ờng mô phỏng đế móng công trình và đất ở trạng thái tự nhiên, vì vậy nó cho ta thông tin tốt về nền đất. Sự hạn chế của thí nghiệm là kích th−ớc bàn nén nhỏ hơn nhiều so với kích th−ớc móng công trình. Do vậy chỉ những lớp đất nằm trong phạm vị từ 2d đến 3d mới phản ánh kết quả thí nghiệm. Trong khi đó móng công trình có bề rộng lớn, những lớp đất nằm d−ới sâu cũng có ảnh h−ởng đến công trình mà thí nghiệm bàn nén không thể phát hiện đ−ợc.