Bài giảng Thí nghiệm cơ học đất - Ngô Tấn Dược

Nội dung text: Bài giảng Thí nghiệm cơ học đất - Ngô Tấn Dược

1. Giảng Viên: NCS. Ngơ Tấn Dược ThS. Trần Minh Tùng 1
2. Các phương pháp thí nghiệm được tiến hành theo tiêu chuẩn TCVN-4198-1995 Thành phần hạt của đất là gì ? Thành phần hạt của đất là hàm lượng các nhĩm hạt cĩ độ lớn khác nhau ở trong đất được biểu diễn bằng tỷ lệ % so với k.lượng mẫu đất khơ tuyệt đối đã lấy phân tích 2
3. Tùy theo kích thước của các hạt, thành phần hạt của đất hạt thơ được xác định bằng phương pháp rây sàng theo 2 cách: Rây khơ và rây rửa Rây khơ để phân chia các hạt cĩ kích thước đến 2mm (No.10) Rây cĩ rửa nước để phân chia các hạt cĩ kích thước đến 0,074mm (No.200) Đối với các nhĩm hạt cĩ kích thước < 0,074mm thì thành phần hạt được xác định bằng phương pháp tỉ trọng kế 3
4. Cân kỹ thuật cĩ độ chính xác từ 1g đến 0.01 g 4
5. Bộ rây cĩ nắp, đáy và Máy lắt sàng 5
6. Cối sứ và chày bọc cao su Tủ sấy Đồng hồ bấm giây. Que khuấy và Nhiệt kế 6
7. Tỷ trọng kế ( 151H đến 152H) Bình lắng đọng bằng thủy tinh (ống đo) dung tích 1000 ml để thí nghiệm thành phần hạt. 7
8. a) Phương pháp rây sàng Lắp đặt rây theo thứ tự tăng dần kích thước lỗ từ dưới lên trên, bên dưới là đáy rây và trên cùng là nắp rây. Mẫu đất sau khi sấy khơ được lấy bằng p.pháp chia tư Khối lượng đất lấy làm thí nghiệm được ước lượng như sau: 100-200g đối với đất khơng chứa các hạt cĩ kích thước hơn 2mm. 300-900g đối với đất chứa đến 10% các hạt cĩ kích thước1ớn hơn 2mm. 1000-2000g đối với đất chứa 10 đến 30% các hạt cĩ kích thước1ớn hơn 2mm và 2000-5000g đối với đất chứa trên 30% các hạt cĩ kích thước lớn hơn 2mm. 8
9. Cân xác định khối lượng mẫu đất thí nghiệm. Cho tồn bộ đất lên rây trên cùng và tiến hành rây trong khoảng 10 phút. Cân cộng dồn các nhĩm hạt từ nhỏ đến lớn ta được khối lượng đất giữ lại cộng dồn (ghi vào biểu mẫu thí nghiệm). Chú ý: Khi tách các hạt bằng chày và cối tránh làm cho các hạt bị vỡ. Sau khi cân kiểm tra lượng thất thốt khơng quá 1%. 9
10. Sau khi rây khơ lấy từ dưới đáy rây (N010) một lượng đất từ 100-200g để thí nghiệm rây cĩ rửa nước. Rây cĩ rửa nước được tiến hành tương tự, đất trên rây được cộng dồn sau khi sấy khơ. 10
11. b) Phương pháp tỷ trọng kế Lấy mẫu đất lọt qua rây No10 (khoảng 20g đối với đất sét; 30g đối với đất sét pha và 40g đối với cát pha). Cho mẫu đất và nước cất vào trong chén sứ và nghiền bằng chày cĩ bọc cao su để tách rời các hạt mịn. Cho huyền phù vào trong bình thủy tinh và thêm nước cho đến khi được 1000ml Cho thêm 25ml pirophốtphat natri (Na4P2O7) cĩ nồng độ 4% hoặc 6.7% đối với pirophốtphat natri ngậm nước và ngâm dung dịch trên. 11
12. Dùng que để khuấy huyền phù 1phút. Sau khi thơi khuấy 20 giây thả trọng kế vào trong huyền phù. Đọc và ghi nhận các số đọc trên tỷ trong kế ở các thời điểm 1 phút, 2 phút, 4 phút, 8 phút. Dùng nhiệt kế để kiểm tra to của huyền phù. Khuấy lại huyền phù và tiếp tục ghi nhận các số đọc trên tỷ trọng kế sau 15 phút, 30 phút, 24 giờ. 12
13. a) Phương pháp rây sàng Gọi A: tổng khối lượng đất làm thí nghiệm xi(%) phần trăm giữ lại cộng dồn ai: trọng lượng giữ lại cộng dồn của đất trên rây yi(%) phần trăm trọng lượng lọt qua. Ta cĩ xi = (ai/A)* 100% Do đĩ yi = 100%- xi Các kết quả tính tốn ghi vào bảng số liệu. 13
14. Bảng số liệu thí nghiệm rây sàng Trọng lượng tổng cộng A = Trọng lượng giữa cọng % Trọng lượng giữa Kích thước rây (mm) % Trọng lượng lọt qua Ghi chú dồn (g) lại 50.0 37.5 25.4 19.0 12.5 9.51 4.76 2.00 Đáy rây 14
15. Chú ý: Đối với p.pháp TN rây cĩ rửa nước khối lượng đất lấy làm TN lọt qua rây N010 đã tính được phần trăm lọt qua cộng dồn là B (phương pháp rây khơ). Do đĩ phần trăm trọng lượng lọt qua đối với tồn mẫu sẽ bằng phần trăm trọng lượng lọt qua của mẫu đất rây cĩ rửa nước nhân với B. 15
16. b) Phương pháp tỷ trọng kế Tỷ trọng kế là 1 lọai dụng cụ bằng thủy tinh để xác định tỷ trọng của chất lõng. Các vạch ghi trên tỷ trọng kế cĩ độ chính xác tới 0.001. Số đọc trên tỷ trọng kế sẽ được rút gọn bằng cách bỏ hàng đơn vị đi và dịch dấu phẩy về bên phải 3 số. Ví dụ số đọc là 24 thì tỷ trọng của dung dịch là 1.024. 16
17. Hiệu chỉnh nhiệt độ: Khi tiến hành thí nghiệm ở nhiệt độ khác 20oC cần phải hiệu chỉnh lại số đọc trên tỷ trọng kế theo bảng tra sau: 17
18. Hiệu chỉnh mặt cong Cĩ thể lấy số hiệu chỉnh mặt khum là 0.0004 cho tỷ trọng kế thường dùng. Ví dụ: Số đọc trên tỷ trọng kế là 24 Lượng hiệu chỉnh chiều cao mặt khum là 0.0004. Thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ là 280 C nên cĩ số hiệu chỉnh là 0.0018 (tra bảng). Số đo cuối cùng theo tỷ trọng kế là: Rc = 1+ 0.001*24 + 0.0018 + 0.0004 = 1.0262 18
19. Tính đường kính hạt đất lớn nhất d của nhĩm hạt tích lũy nằm gần tâm bầu tỷ trọng kế tương ứng số đọc R: d = Trị số (a-V0/2F) = 10.2cm 19
20. Phần trăm tích lũy y của nhĩm hạt cĩ đường kính nhỏ hơn d là: y= m: là trọng lượng mẫu đất khơ đem TN tỷ trọng kế VẼ BIỂU ĐỒ ĐƯỜNG CONG CẤP PHỐI HẠT VÀ XÁC ĐỊNH: Hệ số đồng nhất Tên đất 20
21. Phương pháp thí nghiệm được tiến hành theo TCVN 4197-1995 Giới hạn nhão của đất? Giới hạn dẻo của đất? 22
22. Trạng thái của đất ứng với những giá trị độ ẩm 23
23. Dụng cụ Casagrande (hoặc chùy Vaxiliev) Dao khía rãnh Kính mờ (kính mài nhám) Rây No 40 hoặc rây có đường kính 1mm Lò sấy Các thiết bị liên quan khác. 24
24. a) Thí nghiệm xác định giới hạn nhão WL Hiện nay cĩ 2 P.pháp xác định giới hạn nhão chính Phương pháp bán cầu rơi Casagrande  Phương pháp dùng chùy Vaxiliev 25
25. Dùng khoản 100g đất đã được sấy khơ, nghiền nhỏ qua rây No40. Trộn đất với nước vừa đủ nhão trên kính phẳng (hoặc trong chén sứ) và ủ đất tối thiểu trong 2giờ. Cho đất vào đĩa khum (tránh tạo bọt khí trong đất) cách phần trên chỗ tiếp xúc với mĩc treo chừng 1/3 đ.kính đĩa,đảm bảo độ dày của lớp đất ko nhỏ hơn 10mm Dùng dao cắt rãnh chia đất ra làm 2 phần theo phương vuơng gĩc với trục quay. 26
26. Quay đều cần quay với vận tốc khoảng 2vịng/s cho đến khi đất trong đĩa khép lại thành một đoạn daì 12.7mm (1/2 inch), đếm số lần rơi N. Lấy đất ở vùng xung quanh rãnh khép để xác định độ ẩm (khoảng 10g). Lặp lại TN trên khoản 3 lần sao cho số lần rơi của lần TN thứ nhất khoảng 10-20lần, lần 2 khoảng 20-30, lần 3 khoảng 30-40 27
27. Kết quả thí nghiệm giới hạn nhão được thể hiện trên biểu đồ quan hệ W-logN. Qua các điểm này vẽ đường thẳng trung bình Giá trị độ ẩm tại điểm N=25 là giới hạn nhão của đất Các kết quả thí nghiệm được tính tốn biểu diễn theo bảng. 28
28. Bảng số liệu thí nghiệm Yêu Cầu: Tính tốn kết quả thí nghiệm và xác định giá trị Ip, IL. Gọi tên đất 29
29. b) Thí nghiệm xác định giới hạn dẻo WP: Mẫu đất được chọn cĩ thể lấy từ đất dư ở TN xác định giới hạn nhão. Mẫu được để khơ cho tới gần giới hạn dẻo (cầm nắm khơng dính tay nhưng vẫn cịn tính dẻo). Dùng tay lăn đất trên kính mờ cho đến khi trên thân các dây đất cĩ đường kính khoản 3mm và xuất hiện các vết nứt. Lấy những dây đất đạt được những điều kiện như trên đem xác định độ ẩm. Độ ẩm này chính là giới hạn dẻo của đất. 30
30. Giới hạn dẻo Wp là độ chứa nước của một que đất cĩ đướng kính 3mm bị rạn nứt khi se đất bằng tay trên mặt kính. Chỉ Số Dẻo Ip = WL - Wp Ip 17 đất sét Độ sệt W WP IL WL WP IL 1 Đất ở trạng thái lỏng 31
31. Phương pháp thí nghiệm được tiến hành theo tiêu chuẩn TCVN 4201 – 1995 Độ chặt tiêu chuẩn(­tc) ? Độ ẩm tốt nhất (Wopt) ? Độ chặt của đất nền được xác định thơng qua hệ số đầm chặt g K k ht g k max tc 32
32. Cân kỹ thuật cĩ độ chính xác đến 0.01g. Rây No.4 (D = 4,76mm). Khuơn đầm cĩ thể tích 944 cm3 Búa đầm cĩ khối lượng 2.5kg Chiều cao rơi của búa 30,48cm. Tủ sấy và bình phun nước 33
33. Dùng khoảng 5kg đất đã sấy hoặc phơi khơ, nghiền tơi bằng vồ gỗ và cho qua rây No.4 Cho nước vào đất khơ để tạo độ ẩm ban đầu cho mẫu đất. Lượng phun nước vào đất để dự chế độ ẩm tính theo cơng thức: 0.01m q (Ws Wt ) 1+ 0.01Wt q: lượng nước phun thêm (g). Ws: độ ẩm của đất cần chế bị. Wt: độ ẩm của đất trước khi làm ẩm thêm. m: khối lượng đất trước khi làm ẩm thêm (g). 34
34. Cho đất vào khuơn và tiến hành đầm làm 3 lớp. Tùy theo từng loại đất mà số búa đầm trên mỗi lớp sẽ là 25, 40, 50 ứng với các loại đất cát hoặc á cát, đất á sét, đất sét. Sau đĩ Tháo cổ khuơn và dùng dao gọt bằng mặt. Cân đất ướt và khuơn để xác định khối lượng riêng của đất ẩm. Lấy một ít đất trong khuơn sau khi cân để xác định độ ẩm. Lặp lại thí nghiệm 4 đến 6 lần ứng với độ ẩm chế bị của mẫu tăng lên Chú ý : Khi đầm lớp thứ 3 cố gắng sao cho sau khi đầm thì đất nhơ cao hơn mặt khuơn từ 2 đến 5mm 35
35. Kết quả TN được thể hiện trên biểu đồ quan hệ W– gk max Xác định giá trị dung trọng khơ lớn nhất gk và độ ẩm tốt nhất Wopt Xác định khoảng độ ẩm để độ chặt cĩ giá trị lớn hơn 0.95 3 Khối lượng thể tích ẩm: gw = P/V (g/cm ) 3 Khối lượng thể tích khơ: gk = gw/(1+0.01W) (g/cm ) 36
36. BIỂU ĐỒ QUAN HỆ W – gk 37
37. THÍ NGHIỆM ĐẦM CHẶT KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Đơn vị Số thứ tự lần đầm Các chỉ tiêu thí nghiệm đo 1 2 3 4 5 A – khối lượng đất ẩm + khuơn g B – khối lượng khuơn g C – thể tích khuơn cm3 3 Dung trọng ẩm g­w = (A­B)/C g/ cm Ký hiệu lon chứa A – trọng lượng đất ẩm + lon g B – trọng lượng đất khơ + lon g C – trọng lượng lon g Độ ẩm W = {(A-B)/(B-C)}*100 % 3 Dung trọng khơ g­k=g­w/(1+0.01W) g/ cm 38
38. Biểu đồ thí nghiệm đầm chặt Kết Quả: ) 2 Dung trọng khơ (g/cm lớn nhất: max gk = ? trọng khơ Độ ẩm tốt nhất Dung Wopt = ? Độ ẩm W (%) 39
39. Phương pháp thí nghiệm được tiến hành theo tiêu chuẩn TCVN 4199-1995 Sức chống cắt của đất là phản lực của nĩ đối với ngoại lực ứng với lúc đất bắt đầu bị phá hoại và trượt lên nhau theo một mặt phẳng nhất định 40
40. THÍ NGHIỆM CẮT TRỰC TIẾP (DIRECT SHEAR TEST) 41
41. Sức chống cắt của đất bao gồm lực ma sát và lực dính do liên kết giữa các hạt. Theo Coulomb, sức chống cắt của đất được xác định như sau:  .tg + c Trong đĩ:  - cường độ chống cắt của đất  - áp lực thẳng đứng tg - hệ số ma sát; - gĩc ma sát trong c – lực dính 42
42. Phương pháp U-U: Unconsolidation - Undrained. Phương pháp C-U: Consolidation - Undrained. Phương pháp C-D: Consolidation - Drained. 44
43. Vịng đo lực (vịng ứng biến). Dao vịng hình trụ đường kính trong D= 6.3cm, chiều cao h = 2cm. Đá thấm Hộp cắt Các quả cân 45
44. Đồng hồ đo chuyển vị 46
45. 1. Dùng dao vịng ấn vào mẫu đất để tạo mẫu chuẩn bị đưa vào hộp cắt. 2. Cho mẫu đất vào hộp cắt. 3. Đặt hộp cắt chứa mẫu đất lên máy & điều chỉnh vị trí 4. Đặt tải trọng thẳng đứng 5. Quay tay quay để tạo chuyển vị trượt trên hai mặt phẳng của hộp cắt cĩ chứa mẫu đất. 6. Ghi lại số đọc của đồng hồ trên vịng ứng biến sau mỗi biến dạng cắt 0.25mm( sau 15s). 47
46. Lưu ý: Tỷ lệ các tay địn của hệ địn bẩy tạo tải trọng thẳng đứng là l1/l2 = 12 Tốc độ chuyển vị ngang của hộp cắt khoảng 1mm/phút Số đọc giảm hoặc khơng tăng thì ngừng máy. Số đọc lớn nhất Dial Readingmax được ghi nhận để tính tốn kết quả. Thực hiện các bước trên cho ít nhất là 3 mẫu đất của cùng một loại đất. 48
47. Ứng suất cắt  được xác định như sau:  = Dial Reading x R R – hệ số vịng của vịng ứng biến, (với vịng ứng biến hiện cĩ ở PTN thì R = 0.03kg/cm2/vạch) Tính các giá trị của sức chống cắt theo số liệu TN thu được. Việc tính tốn này dựa vào nguyên tắc bình phương cực tiểu n n n tc 1 tgF (n  i p i   i  p i ) D n n n n i 1 i 1 i 1 tc 1 2 c (i  pi i pi  pi ) D i 1 i 1 i 1 i 1 n n 2 2 D n p i ( p i )   49 i 1 i 1
48. Cĩ thể xác định các giá trị sức chống cắt của đất bằng cách vẽ trực tiếp trên biểu đồ. 50
49. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM (KG/cm2)  Ứng suất Ứng cắt 0 1 2 4 5 6 7 8 9 10 Biến dạng (%)e ) 2 (Kg/cm Lực Lực cắt Áp lực thẳng đứng (Kg/cms 51 2)
50. Phương pháp thí nghiệm được tiến hành theo tiêu chuẩn TCVN 4200-199e5 Tính nén lún của đất là khả năng giảm thể tích của nĩ (do giảm độ rỗng) dưới tác dụng của tải trọng ngồi. Quá trình nén lún của đất dưới tác dụng của tải trọng ngồi thực chất là quá trình nén chặt đất. Vì dưới tác dụng của tải trọng ngồi, các hạt rắn được sắp xếp lại làm cho thể tích lỗ rỗng của đất giảm xuống và độ chặt của đất tăng lên. 52
51. Khi cơng trình được xây dựng trên đất bão hịa nước, tải trọng cơng trình xem như truyền lên nước trong các lỗ rỗng của đất trước tiên. Vì chịu tải nên nước sẽ bị ép thốt ra từ các lỗ rỗng trong đất. Do vậy thể tích của đất giảm xuống và cơng trình bị lún. Đối với đất sét thì tốc độ thốt nước chậm nên cơng trình cĩ thời gian lún lâu. Đối vơi đất cát thì tốc độ thốt nước nhanh nên cơng trình sẽ bị lún trong thời gian ngắn. 54
52. Hiện tượng nén chặt do sự thốt nước từ các lỗ rỗng của đất dưới tác dụng của tải trọng nén ép được gọi là hiện tượng cố kết (Consolidation). 55
53. Từ thí nghiệm cố kết các thơng số cần xác định là: Hệ số nén a. Mơ đun biến dạng tổng quát E. Hệ số cố kết Cv Hệ số thấm cố kết K . Các thơng số này dùng để dự tính độ lún của cơng trình và độ lún theo thời gian của cơng trình. 59
54. Máy nén cố kết. 60
55. Cho mẫu đất vào hộp nén, ở trên và dưới mẫu phủ bằng giấy lọc và đá thấm. Lắp đặt hộp nén vào máy và hiệu chỉnh kim đồng hồ chuyển vị về vị trí 0. Đặt áp lực theo từng cấp áp lực 0.25; 0.50; 1.0; 2.0; 4.0 Kg/cm2. Ứng với mỗi cấp tải phải tiến hành ghi nhận độ biến dạng nén của mẫu ở từng thời điểm 6’’, 15’’, 45’’, 1’, 2’, 3’, 5’, 7’, 10’, 15’, 30’, 1h, 2h, 3h, 5h, 8h, 24h kể từ khi đặt tải. 61
56. Lưu ý: Ứng với mỗi cấp áp lực mẫu được giữ cho đến khi đạt độ biến dạng nén ổn định (khơng vượt quá 0.01mm/30phút đối với đất cát; 3h đối với đất cát pha và 12h đối với đất sét pha và sét 62
57. Mẫu đất trước khi đem thí nghiệm cần phải biết trước các đặc trưng vật lý, từ các chỉ tiêu này ta tính được hệ số rỗng ban đầu eo. Sự thay đổi hệ số rỗng Den đối với từng cấp tải trọng được tính theo cơng thức: D h n D e n (1 + e o ) h o ho – chiều cao ban đầu của mẫu. Dhn – biến dạng ổn định của mẫu ứng với cấp tải thứ n 63
58. Dựa vào các số liệu thí nghiệm để tính tốn kết quả và thiết lập các đường cong nén lún e-; e-log(p). Tính hệ số nén lún a (cm2/KG): e n 1 e n a n 1,n  n  n 1 Mơ đun biến dạng E (KG/cm2): 1 + eo b E n 1,n b a n 1,n a o 64
59. BIỂU ĐỒ e-p 1.2 1.1 1 e 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0  2 v (Kg/cm ) 65
60. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT Mơ đun biến Áp lực nén Số đọc Hệ số nén Hệ số rỗng e dạng E (Kg/cm2) (0.01mm) a (cm2/Kg) o (Kg/cm2) 0.0 0.25 0.50 1.0 2.0 4.0 8.0 Hệ số rỗng ban đầu eo = Hệ số  = 67
61. e Hệ số rỗng số Hệ 2 Áp lực thẳng đứng (Kg/cm ) 68