Giáo trình Cơ học đất - Chương 2: Các tính chất cơ học của đất

Nội dung text: Giáo trình Cơ học đất - Chương 2: Các tính chất cơ học của đất

1. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất Ch−ơng II: Các tính chất cơ học của đất Ta biết rằng tất cả các công trình đều đ−ợc đặt trên các lớp đất, đá. Toμn bộ lực tác dụng lên công trình đều đ−ợc truyền xuống nền thông qua móng công trình. Vậy một công trình muốn ổn định, an toμn thì tr−ớc hết nền móng công trình đó phải đủ khả năng chịu lực. Xuất phát từ yêu cầu trên tr−ớc khi xây dựng mỗi công trình chúng ta phải xác định đ−ợc sức chịu tải của nền đất, đá. Muốn vậy chúng ta phải nghiên cứu các tính chất cơ học của đất nh− tính chịu nén, tính thấm, khả năng chịu cắt của đất nền. Trong thực tế chúng ta th−ờng gặp hai hiện t−ợng đối với nền sau: + Hiện t−ợng lún: Lμ hiện t−ợng biến dạng theo ph−ơng đứng lμm giảm thể tích của đất nền. Nếu độ lún nhỏ, đều công trình vẫn có thể sử dụng đ−ợc, nh−ng khi độ lún lớn, không đều sẽ gây ra hiện t−ợng nứt, phá hoại công trình. + Hiện t−ợng nghiêng đổ của công trình: Đó lμ sự phá hoại của đất nền lμm công trình không thể tiếp tục khai thác đ−ợc nữa. Hai hiện t−ợng trên đặc tr−ng cho hai vấn đề chịu lực của đất nền đó lμ vấn đề biến dạng (lún) vμ vấn đề c−ờng độ hay ổn định. Bμi 1: Tính chất nén lún của đất Nh− ch−ơng I đã nghiên cứu thì đất đ−ợc cấu tạo từ các hạt đất sắp xếp một cách tự nhiên tạo ra 3 pha rắn, lỏng vμ khí. D−ới tác dụng của tải trọng do công trình truyền xuống lμm phá vỡ các liên kết tự nhiên của các hạt, chúng bị dịch chuyển lèn chặt vμo nhau lμm giảm lỗ rỗng, giảm thể tích đó chính lμ tính nén lún của đất. Do đất có tính nén lún nên d−ới tác dụng của tải trọng công trình đất bị thay đổi hình dạng, thay đổi thể tích ta gọi đất có tính biến dạng. I. Thí nghiệm nén đất ở hiện tr−ờng: 1. Dụng cụ thí nghiệm: - Bμn nén bằng gang, thép hay bêtông có diện tích khoảng 0,5m2 hoặc 1m2 hình tròn hoặc hình vuông. - Giá truyền tải trọng có khắc vạch đến 0,1mm. - Bμn đặt tải đặt trên giá truyền. - Kim chỉ để xác định độ lún của nền. K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 1
2. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất Hình 2.1-1: Thí nghiệm nén đất ở hiện tr−ờng 2. Trình tự thí nghiệm: - Đμo hố đo đến vị trí đặt móng. - Đặt máy đo xuống hố nh− hình 2.1-1. - Sau khi bố trí máy xong ta đặt tải trọng P (tĩnh tải) theo từng cấp tăng dần. Mỗi cấp tải trọng khoảng 20-50kN/m2 tuỳ theo từng loại đất. - Đối với mỗi cấp tải trọng ta đo độ lún của nền ở từng thời điểm khác nhau t=30giây, 1, 2, 3, 5, 15, 30, 45, 60, 90, 120phút. Nếu giữa hai lần đo liên tiếp mμ độ lún của nền không v−ợt quá 0,1mm thì ta tiếp tục tác dụng cấp tải trọng tiếp theo. - Cứ tiếp tục tác dụng tải trọng tăng dần từng cấp nh− vậy cho đến khi độ lún của bμn nén tăng đột ngột, đất xung quanh bμn nén nứt nẻ hay đất trồi lên 2 bên bμn nén mới thôi. 3. Kết quả thí nghiệm vμ các đặc điểm biến dạng: a) Biểu đồ “ độ lún - thời gian“: - Kết quả thí nghiệm: Lấy các số liệu đo đ−ợc từ thí nghiệm nén, theo từng cấp ta vẽ đ−ợc biểu đồ quan hệ giữa độ lún vμ thời gian nh− sau: t S K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 2
3. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất Hình 2.1.2: Biểu đồ “độ lún - thời gian” - Đặc điểm biến dạng: Qua biểu đồ trên ta thấy rằng ứng với mỗi cấp tải trọng P<Pph nμo đó thì đầu tiên độ lún tăng nhanh theo thời gian sau đó giảm dần đến một thời điểm nμo đó thì ngừng lại không lún nữa. b) Biểu đồ “ độ lún - tải trọng“: - Kết quả thí nghiệm: Lấy các số liệu độ lún theo thời gian vμ tải trọng tăng từng cấp ta vẽ đ−ợc biểu đồ quan hệ giữa độ lún vμ tải trọng nh− sau: P gh P P t S S a) b) Hình 2.1.3: a)Biểu đồ “độ lún thời gian - tải trọng” b) Biểu đồ “độ lún - tải trọng” - Đặc điểm biến dạng: Dựa vμo biểu đồ “S - P” hình 2.1.3 b ta thấy rằng: + Khi mới tăng tải trọng quan hệ “S - P” gần nh− đ−ờng thẳng. + Đoạn tiếp theo có dạng đ−ờng cong, ở đây tải trọng tăng đều nh−ng độ lún tăng nhanh. + Đoạn cuối lμ đ−ờng cong rất dốc, ở đây độ lún tăng rất nhanh, đột ngột vμ đất bị phá hoại. Giá trị tải trọng khi đó gọi lμ tải trọng giới hạn Pgh. c) Biểu đồ nén, nở của đất: - Nếu ta tăng tải trọng từng cấp đến giá trị P1<Pgh thì ta thu đ−ợc biểu đồ quan hệ độ lún - tải trọng nh− hình 2.1.3b. Bây giờ ta giảm tải theo từng cấp, trong quá trình giảm tải cũng đo độ lún theo thời gian ta sẽ thu đ−ợc kết quả nh− biểu đồ sau: K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 3
4. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất P P 0 1 Sd S b Sdh a c d S Hình 2.1.4: Biểu đồ nén, nở của đất - Đặc điểm biến dạng: Dựa vμo biểu đồ nén nở ta thấy: + Khi mới tăng tải trọng đến giá trị P1 P1 ta đ−ợc đ−ờng cong nén cd trùng với đ−ờng cong nén oa kéo dμi. + Tổng biến dạng S của đất gồm 2 phần: biến dạng đμn hồi Sdh vμ biến dạng d− Sd. • Biến dạng d− lμ biến dạng không hồi phục sau khi giảm tải. Biến dạng d− của đất chủ yếu do lỗ rỗng của đất giảm, các hạt đất di chuyển vμ dịch sát vμo nhau khi liên kết tự nhiên bị phá hoại. • Biến dạng đμn hồi lμ biến dạng hồi phục đ−ợc sau khi giảm tải do các nguyên nhân sau đây gây ra: *) Biến dạng đμn hồi của các hạt đất. *) Biến dạng đμn hồi của các bọc khí kín có trong đất. *) Biến dạng đμn hồi của mμng n−ớc kết hợp bao quanh hạt đất. - Nếu chúng ta tăng tải trọng đến giá trị P1<Pgh rồi giảm đến hết, lập lại chu kỳ nμy nhiều lần ta sẽ đ−ợc đ−ờng quan hệ độ lún tải trọng nh− sau: K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 4
5. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất 0P1 P Sd S Sdh S Hình 2.1.5: Biểu đồ nén, nở của đất - Qua biểu đồ hình 2.1.5 ta thấy sau mỗi lần tăng tải đến P1 đất đều có biến dạng đμn hồi vμ biến dạng d−. Sau nhiều lần lặp lại biến dạng d− sẽ hết đất chỉ còn biến dạng đμn hồi. Quan hệ “S-P” trở thμnh đ−ờng thẳng. Lợi dụng tính chất nμy để khắc phục biến dạng d− lớn của đất ta th−ờng đầm nén tr−ớc nền đất. d) Xác định E0 từ kết quả thí nghiệm nén đất ở hiện tr−ờng: - Nếu tải trọng tác dụng lên nền đất chỉ đến giá trị P khi đó quan hệ “S – P” lμ tuyến tính (nền đ−ợc coi lμ vật thể đμn hồi) thì ta có thể tính đ−ợc mô đun biến dạng E0 theo công thức của lý thuyết đμn hồi sau: 1 − μ2 P S = * (2.1-1) E 0 d 1 − μ 2 P E = * (2.1-2) 0 S d Trong đó: S - Độ lún của bμn nén. μ - Hệ số nở ngang của đất (hệ số poát xông). P - Tải trọng tác dụng lên bμn nén. F d - Đ−ờng kính bản nén. Khi bμn nén hình vuông thì d=2 π F - Diện tích bμn nén. (1 −μ 2 ) * π Ta đặt m = khi đó ta có: 2 F m * P E = (2.1-4) 0 S K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 5
6. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất II. Thí nghiệm nén đất trong phòng: (Thí nghiệm xác định tính nén lún trong điều kiện không nở hông trong phòng thí nghiệm - Theo TCVN 4200-86) 1. Dụng cụ thí nghiệm: Để xác định tính nén lún của mẫu đất trong điều kiện không nở hông ta sử dụng máy nén. Những bộ phần chính của máy nén bao gồm: - Hộp nén. - Bμn nén. - Bộ phận tăng tải vμ hệ thống cánh tay đòn. - Thiết bị đo biến dạng. Ngoμi ra ta còn phải có các dụng cụ khác để xác định độ ẩm, khối l−ợng riêng Hình 2.1.6: Thí nghiệm nén không nở hông 2. Trình tự thí nghiệm: - Lấy hộp nén ra khỏi bμn máy để đặt mẫu đất vμo. - Đặt hộp nén đã lắp xong mẫu lên bμn nén, cân bằng hệ thống tăng tải. Lắp đồng hồ đo biến dạng vμ căn chỉnh. - Tăng tải trọng theo từng cấp nh− sau: + Đất sét ở trạng thái dẻo chảy vμ chảy tăng theo cấp 0,1kG/cm2 cho đến 0,5 kG/cm2, 0,75 kG/cm2 vμ sau đó theo cấp 1 kG/cm2. + Đất sét ở trạng thái dẻo mềm vμ dẻo cứng tăng theo cấp 0,25 kG/cm2 đến 0,5 kG/cm2 sau đó tăng theo cấp 1 kG/cm2 Đối với mỗi cấp áp lực ta đo biến dạng của mẫu tại các thời điểm khác nhau cho đến khi độ lún ổn định, tức lμ biến dạng không v−ợt quá 0,01mm trong thời K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 6
7. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất gian không ít hơn 30 phút đối với đất cát, 3 giờ đối với đất cát pha, 12 giờ đối với đất sét pha vμ đất sét. 3. Kết quả thí nghiệm: Ta biết rằng khi bị nén bản thân hạt đất coi nh− không bị nén lún, thể tích các hạt không đổi. Sự nén lún của mẫu đất d−ới tác dụng của mỗi cấp tải trọng chủ yếu lμ do lỗ rỗng bị thu hẹp vμ th−ờng dùng sự biến đổi của hệ số rỗng e để biểu thị, tức lμ dùng đ−ờng cong quan hệ e-p để biểu thị kết quả thí nghiệm nén lún không nở hông. e eo e1 e2 e3 p 0 p p p 1 2 3 Hình 2.1-7: Đ−ờng cong quan hệ e - p - Tại thời điểm ban đầu ta có: 1 V h0 = V 0 (2.1-5) 1 + e 0 Trong đó: Vh0 - Thể tích hạt đất của mẫu đất. V0 - Thể tích mẫu đất ban đầu. e0 - Hệ số rỗng của mẫu đất lúc đầu. - T−ơng tự đối với mỗi cấp tải trọng pi ta có. 1 V hi = V i (2.1-6) 1 + e i Trong đó: Vh0 - Thể tích hạt đất của mẫu đất. V0 - Thể tích mẫu đất ban đầu. e0 - Hệ số rỗng của mẫu đất lúc đầu. - T−ơng tự đối với mỗi cấp tải trọng pi ta có. 1 = V hi V i (2.1-6) 1 + e i Trong đó: K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 7
8. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất Vhi - Thể tích hạt đất của mẫu đất sau khi chịu tác dụng của cấp tải trọng pi. Vi - Thể tích mẫu đất sau khi chịu tác dụng của cấp tải trọng pi. ei - Hệ số rỗng của mẫu đất sau khi chịu tác dụng của cấp tải trọng pi. Vì thể tích hạt đất tr−ớc vμ sau khi nén không đổi: Vh0=Vhi 1 1 1 V 0 = V i = (V 0 − ΔV ) 1 + e 0 1 + e i 1 + e i e 0 − e i V0 ⇒ΔV = V 0 = Δe (2.1-7) 1 + e 0 1 + e 0 V Do 0 lμ hằng số nên từ CT 2.1-7 ta thấy rằng: 1+ e0 Đối với mẫu đất bị nén lún do thu hẹp lỗ rỗng lμ chủ yếu thì biến thiên thể tích (ΔV) của mẫu đất tỷ lệ bậc nhất với biến thiên của hệ số lỗ rỗng (Δe). Ta có: ΔV=F. ΔS; V0=F.H thay vμo 2.1-7 ta đ−ợc: e − e = 0 i F .S i .F .H (2.1-8) 1 + e 0 S i ⇒ e i = e 0 − (1 + e 0 ) (2.1-9) H Trong đó: F - Diện tích mặt cắt ngang mẫu đất. H - Chiều cao ban đầu mẫu đất. Si - Độ lún của mẫu đất do tác dụng của tải trọng pi. 4. Định luật nén lún: Định luật nén lún không nở hông đ−ợc lập ra trên cơ sở phân tích đ−ờng cong thể hiện quan hệ e-p nh− hình 2.1-7. Khi biến thiên áp lực không lớn ta có thể dùng đ−ờng thẳng M1M2 để biểu thị gần đúng đ−ờng cong nén lún của đất. K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 8
9. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất eo Đ−ờng cong nén lún e1 M1 α e2 M2 p 0 p p 12 Hình 2.1-8: Đ−ờng cong nén lún Ta có: e − e = a * (p − p ) 1 2 2 1 Δe = a * Δp (2.1-10) Trong đó: Δp = p2-p1 - Biến thiên áp lực. Δe = e1-e2 - Biến thiên hệ số rỗng. a – Hệ số nén lún. Từ CT 2.1-9 ta có thể phát biểu định luật nén lún không nở hông nh− sau: Khi biến thiên áp lực nén lún (Δp) không lớn thì biến thiên hệ số rỗng (Δe) tỷ lệ bậc nhất với biến thiên áp lực nén lún. * ý nghĩa của định luật nén lún: a) Hệ số nén lún: Từ định luật nén lún ta tìm ra đ−ợc hệ số nén lún nh− sau: Δe e1 − e2 a = tgα = = (2.1-11) Δp p2 − p1 Hệ số nén lún a lμ một chỉ tiêu quan trọng thể hiện tính nén lún của đất. Đ−ờng cong nén lún e – p cμng dốc, hệ số a cμng lớn thì tính ép co của đất cμng lớn vμ ng−ợc lại. Trong thực tế xây dựng th−ờng dùng hệ số ép co với ký hiệu a1-2 (Tức lμ hệ số ép co với biến thiên áp lực từ 100 – 200kN/m2) để phân chia các mức nén lún của đất nh− sau: Bảng 2.1-1: Hệ số nén lún 2 Hệ số nén lún a1-2 m /kN Tính nén lún của đất < 0,001 Không có tính nén lún K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 9
10. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất 0,001 – 0,005 Tính nén lún nhỏ 0,005 – 0,01 Tính nén lún vừa 0,01 – 0,1 Tính nén lún lớn > 0,1 Tính nén lún rất lớn. b) Xác định độ lún của nền đất: Dựa vμo đ−ờng cong nén lún e-p ta có thể xác định đ−ợc độ lún của mẫu đất d−ới các áp lực khác nhau: Từ CT 2.1-8 ta có độ lún của mẫu đất khi tăng tải từ p1 lên p2 lμ: e1 − e2 S = h1 - h 2 = .h1 (2.1-12) 1+ e1 Trong đó: h1 - Chiều cao của mẫu ứng với tải trọng nén p1. h2 - Chiều cao của mẫu ứng với tải trọng nén p2. Theo CT 2.1-11 ta có e1 - e2 =a*(p2 - p1) a * (p − p ) => S = 2 1 .h 1 (2.1-13) 1 + e1 a Đặt a0 = vμ Δp = p2 – p1 ta có S = a0*Δp*h1 1 +e1 Trong đó: a0 lμ hệ số nén t−ơng đối. Nếu áp lực ban đầu p1=0 thì h1 = H khi đó độ lún của mãu đất lμ: => S = a0 * p * H (2.1-14) II. Các đặc tr−ng biến dạng của đất: 1. Các chỉ tiêu đặc tr−ng cho tính chất biến dạng của đất: a) Hệ số nén lún (a) m2/kN: Đã trình bμy ở trên. b) Mô đun biến dạng (E0): - ở thí nghiệm nén đất ngoμi hiện tr−ờng ta cũng đã xác định đ−ợc mô đun biến dạng E0 nh− CT 2.1-2. - Ta cũng có thể xác định đ−ợc mô đun biến dạng E0 từ thí nghiệm trong phòng nh− sau: Xét mẫu đất có chiều cao H. Mẫu chịu nén một lực giải đều p trên mặt. Trong trạng thái ép không nở hông ta có biến dạng ngang t−ơng đối: ε x = ε y = 0 K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 10
11. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất Biến dạng t−ơng đối theo ph−ơng z đ−ợc tính theo công thức của lý thuyết đμn hồi: S p 2μ 2 ε z = = (1 − ) (2.1-15) H E0 1 − μ Trong đó: μ - Hệ số nở ngang của đất. E0 – môđun biến dạng của đất. Mặt khác theo (CT 2.1-14) ta có: S a = a0 p = p (2.1-16) H 1 + e1 Từ (2.1-15) vμ (2.1-16) ta có: 2 2 a p 2μ 1 + e1 2μ p = (1 − ) => E0 = (1 − ) (2.1-17) 1 + e1 E0 1 − μ a 1 − μ 2μ 2 Đặt β =1 − ta có: 1 − μ 1 + e1 (2.1-18) E0 = β a 1 hoặc a = β (2.1-19) 0 E 0 2. Các nhân tố ảnh h−ởng đến tính biến dạng của đất: Có nhiều nhân tố ảnh h−ởng đến tính biến dạng của đất. Có thể lμ nhân tố chủ quan (thuộc về bản chất của đất) vμ lọai nhân tố khách quan (do có tác động bên ngoμi). a) Nhân tố chủ quan: - Độ chặt ban đầu của đất: Ví dụ đất rời có độ chặt cμng lớn thì tính biến dạng của nó cμng nhỏ. - Liên kết kết cấu của đất: Đối với đất có kết cấu dạng hạt có độ biến dạng nhỏ hơn rất nhiều so với đất có kết cấu dạng tổ ong hay kết cấu bông. - Loại đất: Các loại đất khác nhau có tính biến dạng khác nhau. Đất dính th−ờng có tính biến dạng lớn hơn so với đất rời. b) Nhân tố khách quan: - ảnh h−ởng do cách tác dụng tải trọng: Từ đ−ờng cong quan hệ S-P hình 2.1-14 ta thấy biến dạng của đất rất khác nhau khi ta tăng tải, dỡ tải vμ nén lại. K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 11
12. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất - ảnh h−ởng do tốc độ gia tải: Với cùng giá trị tải trọng nh− nhau nh−ng nếu tốc độ gia tải cμng lớn thì độ biến dạng cμng lớn. - ảnh h−ởng của tải trọng động: So với tải trọng tĩnh thì tải trọng động gây ra biến dạng lớn hơn. Bμi 2: Tính chất thấm của đất 1. Định luật thấm Darcy. Ta đã biết rằng trong đất có chứa nhiều lỗ rỗng liên thông với nhau nên n−ớc tự do có thể chảy bên trong khối đất từ nơi có áp lực cao đến nơi có áp lực thấp đó chính lμ tính thấm của đất. Đối với các loại đất có kích th−ớc các hạt bé từ hạt cát trở xuống thì các lỗ rỗng th−ờng rất nhỏ vμ quanh co, không theo một đ−ờng thẳng nên tốc độ thấm qua đất rất chậm nên nó thuộc loại thấm chảy tầng. Vì vậy đối với các loại đất nμy để nghiên cứu hiện t−ợng thấm ta có thể áp dụng định luật Darcy nh− sau: L−u l−ợng n−ớc thấm tỷ lệ với diện tích mặt cắt ngang dòng thấm, với độ dốc (gradien) thuỷ lực vμ với thời gian thấm. Q = k * F * i *t (2.2-1) Trong đó: Q – L−ợng n−ớc thấm qua mặt cắt F trong thời gian t (m3). F – Diện tích mặt cắt ngang dòng thấm (m2). t – Thời gian thấm. k – Hệ số thấm (m/s). i - Độ dốc thuỷ lực. Q Ta có vận tốc thấm v = Thay vμo CT 2.2-1 ta đ−ợc: F * t v = k * i (2.2-2) Từ công thức 2.2-2 ta thấy rằng khi quá trình thấm n−ớc trong đất diễn ra theo qui luật chảy tầng thì vận tốc thấm (v) tỷ lệ thuận với độ dốc thuỷ lực (i). Ta thấy khi i=1 thì v=k => k chính lμ vận tốc thấm khi độ dốc thuỷ lực bằng đơn vị. Do i không có thứ nguyên nên k có đơn vị lμ m/s. 2. Độ dốc thuỷ lực ban đầu trong đất sét. K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 12
13. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất - Qua nhiều kết quả thí nghiệm ta thấy đối với đất hạt thô (sỏi, cuội, đá ) vận tốc thấm sẽ tăng lên. Khi vận tốc thấm v−ợt qua vận tốc thấm giới hạn (vgh) thì quan hệ giữa v vμ i không còn lμ quan hệ tuyến tính nữa khi đó quá trình thấm trong đất tuân theo qui luật thấm chảy rối. Khi đó định luật thấm Darcy không còn đúng nữa. - Đối với đất cát, đất cát pha quy luật thấm tuân theo qui luật chảy tầng. Vì vậy ta có thể sử dụng định luật thấm Darcy để nghiên cứu hiện t−ợng thấm. - Đối với đất sét do sự ảnh h−ởng của n−ớc kết hợp nên qui luật thấm của đất sét phức tạp hơn so với qui luật thấm của đất cát. Do tính nhớt của n−ớc kết hợp lμm cản trở khả năng thấm của đất sét, vì vậy muốn cho hiện t−ợng thấm xảy ra trong đất sét thì độ dốc thuỷ lực phải đủ lớn v−ợt qua độ dốc thuỷ lực nμo đó để khắc phục sự cản trở của lớp n−ớc kết hợp. Độ dốc thuỷ lực đó chính lμ độ dốc thuỷ lực ban đầu của đất sét (ibđ). v v 3 I II ) đ i b i - i k ( = k v = v vgh ki v= i 2 i 0 0 1 1' a)ibđ b) Hình 2.2-1: a) Đ−ờng quan hệ v-i của đất hạt thô b) Đ−ờng quan hệ v-i của đất cát (I) vμ đất sét (II). Qua hình 2.2-1 ta có thể thấy ngay đ−ợc sự khác nhau về quan hệ v-i giữa đất cát vμ đất sét: + Đối với đất cát đ−ờng quan hệ v-i lμ đ−ờng thẳng đi qua gốc toạ độ. + Đối với đất sét thì quan hệ v-i đ−ợc chia lμm 3 đoạn: đoạn thứ nhất biểu diễn độ dốc thuỷ lực ban đầu (ibđ), hiện t−ợng thấm bắt đầu sảy ra trong đất quan hệ v-i chuyển dần theo đ−ờng cong từ điểm 1 sang điểm 2 rồi sau đó có dạng gần nh− đ−ờng thẳng. Trong thực tế rất khó xác định đ−ợc đoạn cong 1-2 vì vậy ng−ời ta th−ờng thay đ−ờng cong quan hệ v-i 0-1-2-3 bằng đ−ờng gãy 0-1’-3. Trong đó điểm 1’ lμ giao điểm của đ−ờng 2-3 với trục hoμnh. Khi đó coi điểm 1’ t−ơng ứng với ibđ tức lμ khi độ dốc thuỷ lực bé hơn ibđ thì hiện t−ợng thấm ch−a xảy ra, còn sau đó thì tiến hμnh theo qui luật đ−ờng thẳng v=k(i-ibđ). 3. Hệ số thấm vμ các yếu tố ảnh h−ởng đến tính thấm của đất. K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 13
14. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất Hệ số thấm lμ chỉ tiêu đặc tr−ng cho tính thấm của đất, nó thể hiện khả năng thấm của đất vμ chịu ảnh h−ởng các yếu tố sau: - Độ rỗng của đất: Đất có độ rỗng cμng lớn thì khả năng thấm cμng lớn hay độ rỗng tỷ lệ thuận với hệ số thấm. - Kích th−ớc vμ hình dạng các hạt cũng nh− cấp phối của đất: - Độ bão hoμ vμ các túi khí kín: - Loại cation vμ bề dμy lớp hấp phụ hút bám với khoáng vật sét. - Độ nhớt của n−ớc trong đất. Để xác định hệ số thấm k ta phải tiến hμnh các thí nghiệm thấm sau: 4. Thí nghiệm thấm với cột n−ớc cố định. (1) Phạm vi áp dụng: Thí nghiệm nμy dùng để xác định hệ số thấm k của đất hạt thô nh− cuội vμ cát. (2) Dụng cụ thí nghiệm: Dụng cụ thí nghiệm gọi lμ thấm kế có cấu tạo nh− hình vẽ sau: ống cấp n−ớc MNCĐ ống đo áp kế ống hút chân không C B L−ới thép vμ h lớp lọc cuội Mẫu đất L A Hình 2.2-2:Thiết bị thí nghiệm cột n−ớc cố định (3) Trình tự thí nghiệm: - Mẫu đất sau khi chế bị đ−ợc đặt vμo ống hình trụ. - Đóng van A, B hút hết chân không cho mẫu qua van C. K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 14
15. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất - Đóng van C, mở van A vμ B. Dùng van A để khống chế vận tốc thấm. - Dòng thấm diễn ra liên tục cho đến khi đạt trạng thái ổn định (mực n−ớc trong các ống áp kế không thay đổi). Đo l−u l−ợng dòng thấm trong khoảng thời gian nhất định t(s) ta thu đ−ợc l−u l−ợng Q(mm3). (4) Kết quả thí nghiệm: - Từ CT của định luật Darcy ta có thể xác định đ−ợc hệ số thấm k: Q Q * L k = = (2.2-3) F * i * t F * h * t Trong đó: Q – L−u l−ợng thu đ−ợc trong thời gian t(s). F – Diện tích mặt cắt ngang của mẫu (mm2). h - Độ chênh của mực áp kế (mm). L – Khoảng cách của các điểm gắn áp kế (mm). Phải tiến hμnh thí nghiệm với các vận tốc thấm khác nhau để tính giá trị k trung bình. 5. Thí nghiệm thấm với cột n−ớc giảm dần. (1) Phạm vi áp dụng: Để xác định hệ số thấm của đất hạtmịn nh− cát mịn, bụi vμ đất sét. (2) Dụng cụ thí nghiệm: Dụng cụ thí nghiệm gọi lμ thấm kế có cấu tạo nh− hình vẽ sau: đ−ờng kính khác nhau A B C N−ớc đ−a vμo lμm D đầy ống đo áp E h1 L−ới thép vμ h2 lớp lọc cuội Mẫu đất l MNCĐ Đáy đục lỗ K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 15
16. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất Hình 2.2-3:Thiết bị thí nghiệm cột n−ớc thay đổi (3) Trình tự thí nghiệm: - Cho mẫu đất vμo trong ống hình trụ - Mở van C, D, E đóng van A, B. Bơm n−ớc qua van D đến độ cao h1 trong ống đo áp so với mực n−ớc cố định trong chậu n−ớc. - Đóng van D lại, cho n−ớc thấm qua mẫu đất. - Sau các khoảng thời gian nhất định ta ghi lại chiều cao của n−ớc trong ống đo áp. Thí nghiệm đ−ợc lặp lại với các ống đo áp có đ−ờng kính khác nhau để từ đó tính đ−ợc giá trị k trung bình. (4) Kết quả thí nghiệm: - Tại thời điểm t1 cột n−ớc trong ống đo áp lμ h1. Sau khoảng thời gian dt thể tích n−ớc thấm qua mẫu lμ dQ ứng với cột n−ớc trong ống đo áp có tiết diện a hạ thấp một đoạn dh. Khi đó ta có: dQ = −a * dh (2.2-4) - ở tại thời điểm t cột n−ớc trong ống đo áp lμ h khi đó độ dốc thuỷ lực i = h/L - Mặt khác theo định luật Darcy ta có: h dQ = k * i * F * dt = k * * F * dt (2.2-5) L - Từ CT 2.2-4 vμ 2.2-5 ta có: a * L dt = − dh (2.2-6) k * h * F t 2 a * L h 3dh => ∫dt = − ∫ t 1 k * F h1 h a * L a * L h1 t 2 −t 1 = − [ln(h2 ) − ln(h1 )] = ln k * F k * F h2 a * L h k = ln( 1 ) F (t 2 −t 1) h2 (2.2-7) a * L h hoặc k = 2,3 lg( 1 ) F (t 2 −t 1) h2 D−ới đây ta có bảng liệt kê hệ số thấm của một số loại đất th−ờng gặp. K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 16
17. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất Bảng 2.2-1: Hệ số thấm của một số loại đất th−ờng gặp Loại đất Hệ số thấm k (cm/s) Khả năng thấm Cát 6.10-1 - 6.10-4 Thấm rất tốt Cát pha 6.10-3 - 6.10-6 Thấm tốt Sét pha 6.10-5 - 6.10-8 Thấm trung bình Sét 6.10-7 - 6.10-10 Thấm yếu 2. Xác định hệ số thấm (k) ở hiện tr−ờng K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 17
18. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất Bμi 3: C−ờng độ chống cắt của đất I. Khái niệm c−ờng độ chống cắt: Ta biết rằng đất đ−ợc tạo thμnh từ các hạt đất, giữa các hạt đất có lực liên kết kết cấu do ma sát giữa các hạt đất, sự sắp xếp xen cμi giữa các hạt, lực liên kết giữa các hạt đất với nhau vμ với n−ớc Khi khối đất chịu tác dụng của một lực đến một giá trị nμo đó thắng đ−ợc lực liên kết kết cấu của đất thì khối đất bị phá hoại do các hạt tr−ợt lên nhau. Nh− vậy đất có khả năng chống cắt vμ khả năng chống cắt đó đ−ợc đánh giá bằng c−ờng độ chống cắt τ0. Vậy ta có thể định nghĩa c−ờng độ chống cắt nh− sau: - Khái niệm: C−ờng độ chống cắt τ0 lμ lực chống tr−ợt lớn nhất trên một đơn vị diện tích tại mặt tr−ợt khi khối đất nμy tr−ợt lên khối đất kia. Năm 1773, dựa vμo các kết quả thí nghiệm cắt đối với đất cát vμ đất dính Coulomb(nhμ khoa học ng−ời Pháp) đã xác định đ−ợc c−ờng độ chống cắt của từng loại đất nh− sau: + Đối với đất cát: τ 0 = σ *tgϕ (2.3-1) + Đối với đất dính: τ 0 = σ *tgϕ + c (2.3-2) Trong đó: τ0 - C−ờng độ chống cắt tại một điểm trên mặt cắt. σ - ứng suất pháp tác dụng lên mặt cắt tại điểm đó. ϕ - Góc ma sát trong của đất. c – Lực dính đơn vị của đất. Để nghiên cứu vμ xác định các đặc tr−ng cho sức chống cắt của đất ta dựa vμo các thí nghiệm cắt đất sau. II. Thí nghiệm cắt đất trực tiếp ( Theo TCVN 4199-86). 1. Thiết bị thí nghiệm: - Máy cắt có 2 loại: + Máy loại A: Lực cắt tăng theo từng cấp, việc tăng tải có thể dùng n−ớc hoặc chì. + Máy loại B: Lực cắt tăng liên tục theo tốc độ ổn định cho tr−ớc. K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 18
19. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất - Hộp cắt gồm 2 phần trên vμ d−ới. - Tấm ép truyền lực thẳng đứng lên mẫu cần đảm bảo có thể cho thêm hoặc thoát n−ớc cho mẫu. - Máy nén để nén mẫu. - Đồng hồ đo biến dạng đứng vμ ngang của mẫu Q Nắp nén Hộp cắt trên T Đá thấm Hộp cắt d−ới T Bệ máy Bi trơn Hình 2.3-1: Thiết bị máy cắt trực tiếp 2. Trình tự thí nghiệm: Nhằm xét đến ảnh h−ởng của mức độ cố kết vμ áp lực n−ớc lỗ rỗng đến c−ờng độ chống cắt của đất thì ta cũng có thể tiến hμnh cắt đất theo 3 ph−ơng pháp: Cắt nhanh, cắt chậm vμ cố kết cắt nhanh. a) Ph−ơng pháp cắt nhanh: lμ cắt các mẫu không nén cố kết tr−ớc vμ không thoát n−ớc trong quá trình cắt. - Mẫu đất sau khi sử lý đ−ợc đ−a vμo hộp cắt. - Ta tiến hμnh tác dụng lực nén Q vμ lực cắt T cùng lúc (tức thời) để mẫu bị phá hoại mμ ch−a kịp thoát n−ớc. - Lập lại b−ớc trên với các cấp tải trọng nén lớn hơn. Ph−ơng pháp nμy th−ờng đ−ợc dùng để xác định các đặc tr−ng chống cắt ϕ, c nhằm phục vụ tính toán ổn định các mái dốc của công trình bằng đất mới đắp hay tính sức chịu tải của nền đất dính trong điều kiện thoát n−ớc không thuận lợi vμ thời gian xây dựng nhanh. b) Ph−ơng pháp cắt chậm: lμ cắt các mẫu có nén cố kết tr−ớc vμ thoát n−ớc trong quá trình cắt. - Mẫu đất sau khi sử lý đ−ợc đ−a vμo hộp cắt. Phía trên mặt mẫu đặt đá thoát n−ớc để mẫu thoát n−ớc trong quá trình cố kết. - Ta tiến hμnh tác dụng lực nén Q, để cho mẫu lún, cố kết hoμn toμn ta mới tăng dần lực cắt T để cắt mẫu đất. K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 19
20. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất - Lập lại b−ớc trên với các cấp tải trọng nén Q lớn hơn. Ph−ơng pháp nμy th−ờng đ−ợc dùng để xác định các đặc tr−ng chống cắt ϕ, c nhằm phục vụ tính toán ổn định các mái dốc trong đất nguyên thổ hay tính sức chịu tải của nền đất dính trong điều kiện thoát n−ớc dễ dμng vμ thời gian xây dựng chậm. c) Ph−ơng pháp cắt nhanh cố kết: lμ cắt các mẫu có nén cố kết tr−ớc vμ không thoát n−ớc trong quá trình cắt. - Mẫu đất sau khi sử lý đ−ợc đ−a vμo hộp cắt. Phía trên mặt mẫu đặt đá thoát n−ớc để mẫu thoát n−ớc trong quá trình cố kết. - Ta tiến hμnh tác dụng lực nén Q, để cho mẫu lún, cố kết hoμn toμn ta mới tăng nhanh lực cắt T để cắt mẫu đất sao cho n−ớc lỗ rỗng không kịp thoát ra ngoμi. - Lập lại b−ớc trên với các cấp tải trọng nén Q lớn hơn. Ph−ơng pháp nμy th−ờng đ−ợc dùng để xác định các đặc tr−ng chống cắt ϕ, c nhằm phục vụ tính toán cho các tr−ờng hợp trung gian giữa hai ph−ơng pháp trên. 3. Kết quả thí nghiệm: - ứng với mỗi cấp tải trọng Q tác dụng lên mẫu gây ra ứng suất σ = Q/F lên mặt mẫu ta thu đ−ợc lực cắt T t−ơng ứng hay ứng suất cắt ở mặt phẳng chịu cắt lμ τ0 = T/F. - Dựa vμo các số liệu thu đ−ợc từ thí nghiệm qua các lần tăng tải trọng (tối thiểu 3 lần) ta vẽ trên biểu đồ quan hệ σ - τ0 ta có kết quả nh− sau: τ0 τ0 gϕ ϕ+c σt σtg ϕ = ϕ = τ 0 τ0 τ3 τ3 τ2 τ2 τ1 τ1 σ c σ 0 σ1 σ2 σ3 0 σ1 σ2 σ3 a) b) Hình 2.3-2: Biểu đồ quan hệ σ - τ0 a) Đối với đất cát b) Đối với đất dính + Đối với đất cát: Ta đ−ợc đ−ờng thẳng đi qua gốc toạ độ có ph−ơng trình: τ 0 = σ *tgϕ K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 20
21. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất + Đối với đất dính: Ta đ−ợc đ−ờng thẳng không đi qua gốc toạ độ mμ cắt trục tung tại điểm có tung độ c có ph−ơng trình: τ 0 = σ *tgϕ + c Trong đó: τ0 – C−ờng độ kháng cắt của mẫu đất. ϕ - Góc nghiêng của đ−ờng thẳng quan hệ σ - τ0 với ph−ơng ngang. c – Tung độ giao điểm giữa trục tung với đ−ờng thẳng quan hệ σ - τ0 Theo Coulomb thì tgϕ biểu thị tính ma sát còn c biểu thị sự liên kết giữa các hạt. Ta gọi ϕ lμ góc ma sát trong của đất vμ c lμ lực dính đơn vị. Đây chính lμ hai chỉ tiêu đặc tr−ng của c−ờng độ chống cắt của đất. 4. −u nh−ợc điểm của thí nghiệm cắt trực tiếp: - −u điểm: + Dụng cụ thí nghiệm vμ thao tác đơn giản. + Cả ứng suất cắt vμ ứng suất pháp trên mặt tr−ợt đ−ợc đo trực tiếp. - Nh−ợc điểm: + Giả thiết ứng cắt tiếp phân bố đều trên mặt tr−ợt nh−ng thực tế không phải nh− vậy. Thực tế ứng suất cắt tập trung quanh mép nhiều hơn. + Mẫu đất bị cắt trên một mặt tr−ợt cố định đ−ợc định tr−ớc lμ không hợp lý. + Trong quá trình cắt đất diện tích mặt cắt cμng ngμy cμng nhỏ do vậy ứng suất cắt không phải lμ giá trị cố định. Để khắc phục những nh−ợc điểm trên của thí nghiệm cắt trực tiếp ta sử dụng thiết bị thí nghiệm cho kết quả chính xác hơn đó lμ thí nghiệm bằng máy nén ba trục. III. Điều kiện cân bμng giới hạn mohr – rankine. 1. Trạng thái cân bằng tại một điểm: Xét một điểm M nằm trong nền đất. D−ới tác dụng của tải trọng nμo đó thì tại M nằm trong vùng chịu ảnh h−ởng của tải trọng đó sẽ xuất hiện ứng suất gồm ứng suất pháp σ vμ ứng suất tiếp τ. Gọi c−ờng độ kháng cắt của đất lμ τ0 thì: - Khi ứng suất cắt tại M thoả mãn điều kiện τ < τ0 thì điểm M ở trạng thái cân bằng bền (cân bằng ổn định). - Khi ứng suất cắt tại M thoả mãn điều kiện τ = τ0 thì điểm M ở trạng thái cân giới hạn. Lúc đó các hạt đất tr−ợt lên nhau tạo thμnh mặt tr−ợt đi qua điểm M. K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 21
22. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất 2. Điều kiện cân bằng Mohr - Rankine: Trên hình ta biểu diễn trạng thái ứng suất tại M gồm các thμnh phần ứng suất theo ph−ơng x-z: σx, σz, τxz vμ ứng suất chính σ1, σ3 (ứng suất chính lμ ứng suất pháp trên mặt chính, mặt chính lμ mặt có ứng suất tiếp bằng 0). q σ σz M 3 σ τ 1 zx τ σ xz σ x M x M τxz α 0 σ α 3 σ τzx 1 σz Hình 2.3-3: Trạng thái ứng suất M trong nền đất - Theo lý thuyết sức bền vật liệu ta có: 2 σ + σ ⎛σ − σ ⎞ σ = z x ± ⎜ z x ⎟ + τ 2 (2.3-3) 1,3 2 ⎝ 2 ⎠ xz 2τ xz tg 2α 0 = − (2.3-4) σ z − σ x Trong đó: α0 – Góc tạo bởi ph−ơng chính với trục x. - Dựa vμo giá trị của ứng suất chính σ1, σ3 ta sẽ vẽ đ−ợc vòng tròn ứng suất (vòng tròn Mohr) biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất pháp σ vμ ứng suất tiếp τ trên mặt phẳng bất kỳ đi qua điểm M. σ + σ - Trên hệ toạ độ σ - τ vòng tròn Mohr có toạ độ tâm lμ ( 1 3 ,0 ) vμ bán 2 σ − σ kính R= 1 3 . 2 - Theo hình vẽ 2.3-4 ta có ứng suất tại M trên mặt phẳng bất kỳ lμm với ph−ơng ứng suất chính nh nhất góc α lμ: σ + σ σ − σ σ = 1 3 + 1 3 cos 2α 2 2 (2.3-5) σ − σ τ = 1 3 sin 2α 2 K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 22
23. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất τ0 τ0 ϕ+c +c σtg tgϕ = = σ τ0 τ0 ταtr I ϕ ϕ τ 2α c ϕ c t 2α σ r σ σ σ σ 0 3 σ1 0' 0 3 σαtr C σ1 a) b) Hình 2.3-4: Vòng tròn ứng suất (Vòng tròn Mohr) a) Vòng trong Mohr trạng thái cân bằng bền b) Vòng trong Mohr trạng thái cân bằng giới hạn - Điều kiện cân bằng giới hạn tại một điểm lμ τ = τ0. Khi đó mặt tr−ợt tạo với ph−ơng ứng suất chính nhỏ nhất góc αtr. Theo định luật Coulomb về c−ờng độ chống cắt của đất ta có: τ αtr = τ 0 = σ αtrtgϕ + c (2.3-6) - Theo 2.3-5 ta tìm đ−ợc điểm I trên vòng tròn Mohr có toạ độ σ αtr ,τ αtr nh− sau: σ + σ σ − σ σ = 1 3 − 1 3 cos 2α αtr 2 2 tr (2.3-7) σ − σ τ = 1 3 sin 2α αtr 2 tr - Từ 2.3-6 vμ 2.3-7 ta thấy điểm I lμ điểm duy nhất vừa nằm trên vòng tròn Mohr vừa nằm trên đ−ờng thẳng Coulomb, vậy I lμ tiếp điểm của hai đ−ờng nμy. Ta thấy αtr = 45+ϕ/2 - Từ ΔCIO’ ta có: (σ 1 −σ 3 ) IC 2 σ 1 −σ 3 sinϕ = = = 2.3-8 O'C (σ 1 + σ 3 ) σ + σ + 2c cot gϕ + c cot gϕ 1 3 2 1 + sinϕ cosϕ =>σ 1 = σ 3 + 2c 1 − sinϕ 1 − sinϕ Ta có: 1 + sinϕ sin 90 0 + sinϕ = = tg 2 (45 + ϕ /2) 1 − sinϕ sin 900 − sinϕ cosϕ sin(900 −ϕ) = = tg (450 + ϕ /2) 1 − sinϕ sin 900 − sinϕ K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 23
24. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất 2 0 0 Vậy σ 1 = σ 3tg (45 + ϕ /2) + 2ctg(45 + ϕ /2) (2.3-9) Đối với đất cát c=0 ta có: 2 0 σ 1 = σ 3tg (45 + ϕ /2) (2.3-10) Công thức 2.3-9 vμ 2.3-10 chính lμ các điều kiện cân bằng giới hạn Mohr-Coulomb. Ngoμi ra điều kiện cân bằng giới hạn còn có thể biểu diễn thông qua quan hệ giữa các ứng suất thμnh phần theo hệ trục xoy nμo đó: 2 σ + σ ⎛σ −σ ⎞ σ = z x ± ⎜ z x ⎟ +τ 2 1,3 2 ⎝ 2 ⎠ xz Thay vμo 2.3-8 ta đ−ợc: σ −σ 2 + τ 2 2 ( x y ) 4 xy sin ϕ = 2 (2.3-11) (σ x + σ y + 2c cot gϕ ) Đối với đất cát c=0 ta có: σ −σ 2 + τ 2 2 ( x y ) 4 xy sin ϕ = 2 (2.3-12) (σ x + σ y ) ý nghĩa: Nếu một điểm trong đất ở trạng thái cân bằng giới hạn thì trị số ứng suất tại điểm đó thoả mãn một trong các đẳng thức từ 2.3-8 đến 2.3-12. Ng−ợc lại, một điểm nμo đó có ứng suất thoả mãn các điều kiện trên thì điểm đó ở trạng thái cân bằng giới hạn. IV. Thí nghiệm cắt bằng máy nén ba trục. 1. Thiết bị thí nghiệm: Để thực hiện thí nghiệm nμy ta sử dụng máy nén 3 trục nh− hình . Máy gồm các bộ phận chính sau: - Mμng cao su bọc mẫu đất (1). - ống hình trụ bằng thuỷ tinh hay nhựa trong (2). - Bệ máy (3), chóp mũ (4). - Thiết bị truyền tải thẳng đứng (5). - Bμn nén (6). - Đá xốp thoát n−ớc (7). - Van xả khí (8). - ống vμ van bơm n−ớc vμo (9). - ống vμ van thoát n−ớc từ mẫu đất (10). - ống vμ van dùng để đo áp lực n−ớc lỗ rỗng (11). K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 24
25. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất Hình 2.3-5: Máy nén 3 trục 2. Trình tự thí nghiệm: Cũng giống nh− ph−ơng pháp cắt trực tiếp thì trong thí nghiệm nμy ta cũng có thể tiến hμnh cắt đất theo 3 ph−ơng pháp: Cắt nhanh, cắt chậm vμ cố kết cắt nhanh. a) Ph−ơng pháp cắt nhanh: - Mẫu đất sau khi sử lý (cắt, gọt) đ−ợc bọc bằng mμng cao su vμ đặt vμo buồng áp lực. - Mở van (9) vμ bơm n−ớc vμo buồng áp lực đồng thời mở van (8) để xả hết khí trong bình ra. - Van (10) vμ van (11) đ−ợc đóng suốt trong quá trình thí nghiệm. - Tăng tải trọng nén một cách đột ngột để mẫu bị phá huỷ. b) Ph−ơng pháp cắt chậm: - Mẫu đất sau khi sử lý (cắt, gọt) đ−ợc bọc bằng mμng cao su vμ đặt vμo buồng áp lực. - Mở van (9) vμ bơm n−ớc vμo buồng áp lực đồng thời mở van (8) để xả hết khí trong bình ra để tạo ra áp lực nén tứ phía lên mẫu đất với giá trị σ3. - Mở van (10) vμ (11). - Khi mẫu đất đã cố kết vμ thoát n−ớc hoμn toμn d−ới áp lực σ3 thì ta đóng van (10) lại. - Tải trọng nén dọc trục đ−ợc tăng lên từng cấp. Đối với mỗi cấp tải trọng phải để cho mẫu đất cố kết với sự thoát n−ớc hoμn toμn. - Lặp lại b−ớc nμy đến khi mẫu bị phá hoại. K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 25
26. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất c) Ph−ơng pháp cắt nhanh cố kết: - Mẫu đất sau khi sử lý (cắt, gọt) đ−ợc bọc bằng mμng cao su vμ đặt vμo buồng áp lực. - Mở van (9) vμ bơm n−ớc vμo buồng áp lực đồng thời mở van (8) để xả hết khí trong bình ra để tạo ra áp lực nén tứ phía lên mẫu đất với giá trị σ3. - Mở van (10) vμ (11). - Khi mẫu đất đã cố kết vμ thoát n−ớc hoμn toμn d−ới áp lực σ3 thì ta đóng van (10) lại. - Tải trọng nén dọc trục đ−ợc tăng lên đột ngột đảm bảo mẫu bị phá hoại mμ áp lực n−ớc lỗ rỗng trong mẫu vẫn không đổi. 3. Kết quả thí nghiệm: Thí nghiệm lần l−ợt với 3 mẫu đất giống nhau với các giá trị σ3 khác nhau - Nhờ các thiết bị đo ta xác định đ−ợc ứng suất dọc trục giới hạn lμ σ1 vμ ứng suất giới hạn theo ph−ơng ngang σ3. - Dựa vμo các giá trị ứng suất chính σ1 vμ σ3 qua 3 lần thí nghiệm ta vẽ đ−ợc 3 vòng tròn Mohr nh− trong SBVL. - Vẽ đ−ờng tiếp tuyến với 3 đ−ờng tròn trên ta sẽ đ−ợc đ−ờng biểu thị c−ờng độ chống cắt của mẫu đất nh− sau: τ 0 = σ *tgϕ + c V. Các nhân tố ảnh h−ởng đến c−ờng độ chống cắt của đất. Từ biểu thức tính c−ờng độ chống cắt của đất τ0 =σtgϕ+c ta thấy c−ờng độ chống cắt lμ một hμm của 3 biến ứng suất pháp, góc ma sát trong vμ lực dính của đất. Một trong 3 biến nμy thay đổi đều ảnh h−ởng đến c−ờng độ chống cắt của đất vì vậy ta đi nghiên cứu các nhân tố lμm thay đổi các biến trên. 1. ứng suất pháp: Khi ta tăng tải trọng tác dụng lên đất (tăng ứng suất pháp) lμm cho các hạt xít lại gần nhau hơn, lực ma sát giữa các hạt tăng lên lμm tăng c−ờng độ chống cắt của đất. 2. Ma sát giữa các hạt (đối với đất cát): Ma sát giữa các hạt phụ thuộc vμo các nhân tố sau: - Kích th−ớc, hình dạng hạt. - Thμnh phần cấp phối hạt. - Độ chặt ban đầu: Đối với đất cát chặt thì lực ma sát vμ lực hóc giữa các hạt đều lớn do đó c−ờng độ chống cắt cũng lớn. ở các đất cát rời thì ng−ợc lại. K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 26
27. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất 3. Lực dính của đất (đối với đất dính): Lực dính của đất phụ thuộc vμo các nhân tố sau: - Thμnh phần khoáng vật trong đất: thnμh phần khoáng vật quyết định chiều dμy vμ độ nhớt của lớp n−ớc mμng mỏng xung quanh hạt do đó nó ảnh h−ởng đến lực dính của đất. - Độ ẩm của đất: Khi độ ẩm cμng lớn, chiều dμy của lớp n−ớc mμng mỏng cμng lớn, độ chặt cũng nh− lực dính giữa các hạt giảm xuống. K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 27
28. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất Bμi 4: cố kết của đất dính bão hoμ n−ớc 1. Hiện t−ợng cố kết: Ta biết rằng cấu tạo của đất gồm các hạt đất vμ các lỗ rỗng giữa các hạt. Trong lỗ rỗng có thể chứa đầy n−ớc (đất bão hoμ n−ớc), chứa ít n−ớc hoặc khô hoμn toμn. Trong tr−ờng hợp đất chứa ít n−ớc hoặc khô khi chịu nén thì tr−ớc hết cốt đất bị biến dạng đμn hồi tức thời, sau đó liên kết giữa các hạt bị phá vỡ vμ các hạt di chuyển vμ dịch sát vμo nhau lμm cho lỗ rỗng bị thu hẹp lại vμ đất dần chặt lại. Đối với tr−ờng hợp đất bão hoμ n−ớc khi chịu nén cũng xảy ra hiện t−ợng nh− trên nh−ng do trong các lỗ rỗng chứa đầy n−ớc nên các hạt đất muốn dịch chuyển sát vμo nhau thì n−ớc trong lỗ rỗng phải bị ép ra ngoμi. Hiện t−ợng nén lún của đất bão hoμ n−ớc gắn với quá trình thoát n−ớc lỗ rỗng đ−ợc gọi lμ hiện t−ợng cố kết thấm. Vậy ta có thể định nghĩa hiện t−ợng cố kết thấm nh− sau: Hiện t−ợng cố kết thấm lμ hiện t−ợng nén lún của đất dính bão hoμ n−ớc kèm theo quá trình thoát n−ớc lỗ rỗng ra ngoμi. Tốc độ cố kết phụ thuộc vμo tốc độ thoát n−ớc lỗ rỗng ra ngoμi vì vậy nó phụ thuộc vμo hệ số thấm K. Đối với đất rời có hệ số thấm lớn nên quá trình cố kết thấm xảy ra nhanh vμ kết thúc sớm. Thông th−ờng các công trình xây dựng trên đất rời sau khi thi công xong thì độ lún của nền cũng kết thúc luôn, vì vậy nghiên cứu quá trình cố kết thấm của đất rời th−ờng không có ý nghĩa lắm. Ng−ợc lại hệ số thấm của đất dính rất bé quá trình cố kết thấm kéo dμi vμ phức tạp do vậy nghiên cứu quá trình cố kết thấm của đất dính bão hoμ n−ớc rất có ý nghĩa trong thực tế. 2. Mô hình cố kết thấm: Năm 1923, Terzaghi đã đè suất một mô hình cơ học đơn giản để mô phỏng cho mẫu đất bão hoμ n−ớc vμ dùng lμm công cụ để giải thích quá trình cố kết thấm của đất d−ới tác dụng của tải trọng ngoμi. Mô hình gồm 3 bộ phận chính: - Một bình đựng đầy n−ớc. - Một lò xo đặt thẳng đứng trong bình. - Một nắp dạng píttông có đục lỗ đ−ợc gắn với đầu trên của lò xo. K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 28
29. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất Trong mô hình nμy lò xo đặc tr−ng cho khung cốt của đất, n−ớc trong bình đặc tr−ng cho n−ớc tự do chiếm đầy lỗ rỗng trong đất, các lỗ đục ở nắp đặc tr−ng cho lỗ rỗng trong đất liên thông ra ngoμi. Nắp có đục lỗ Bình đựng n−ớc N−ớc Lò xo Hình 2.3-6: Mô hình cố kết thấm Trong lý thuyết cố kết thấm, áp lực n−ớc lỗ hổng gọi lμ áp lực n−ớc trung tính u, cò áp lực tác dụng lên lò xo gọi lμ áp lực n−ơc có hiệu σ. Dựa vμo mô hình nμy ta sẽ lμm rõ khái niệm hai loại áp lực nμy vμ sự chuyển hoá giữa hai loại ứng suất đó nh− sau: - Khi tác dụng áp lực p lên nắp bình, nếu bịt kín các lỗ đục thì n−ớc không thoát ra ngoμi đ−ợc mặc dù nó bị nén. áp lực nén do n−ớc chịu đó chính lμ áp lực n−ớc lỗ rỗng u có giá trị u=γnh với h lμ chiều cao cột n−ớc dâng lên trong ống đo áp do n−ớc bị ép. Mặc dù bị nén nh−ng nó không bị lún do đó lực p không truyền đ−ợc vμo lò xo để lμm lò xo biến dạng. Tức lμ trong đất có chứa n−ớc lỗ rỗng thì áp lực n−ớc lỗ rỗng xuất hiện vμ gây cản trở cho sự nén lún của đất nên áp lực n−ớc lỗ rỗng u còn gọi lμ áp lực không hiệu quả hay ứng suất trung hoμ. - Khi mở lỗ đục: + Tại t=0 thì u = γnh = p, σ = 0 áp lực p do hoμn toμn n−ớc lỗ rỗng chịu hình 2.3-7 a. + Tại t>0 n−ớc thoát qua lỗ đục, mực n−ớc trong ống đo áp hạ, nắp bình hạ xuống lμm biến dạng lò xo khi đó u = γnh1 = p1 < p, σ = p – u nh− hình 2.3-7 b. Lúc nμy ứng suất σ có tác dụng nén chặt đất lại nên đ−ợc gọi lμ ứng suất có hiệu quả. + Tại t=∞ n−ớc trong đất ngừng thoát ra (n−ớc trong đất cần thoát đã thoát hết) khi đó c−ờng độ chịu nén của lò xo cân bằng với áp lực nén p (σ = p),áp lực n−ớc lỗ rỗng u = 0, quá trình cố kết thấm kết thúc (hình 2.3-7c). K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 29
30. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất t = 0 0 < t < ∞ t = ∞ n γ p h=p/ p n γ h<p/ p h = 0 a) b) c) Hình 2.3-7: Quá trình cố kết thấm Ta thấy rằng ở thời điểm t bất kỳ thì ut + σt =p nh− vậy quá trình cố kết thấm lμ quá trình chuyển từ áp lực n−ớc lỗ rỗng thμnh áp lực có hiệu, tức lμ quá trình áp lực n−ớc lỗ rỗng giảm dần đồng thời với quá trình tăng dần của áp lực có hiệu theo t. Ngoμi quá trình cố kết thấm, quá trình nén lún của đất còn liên quan đến tính từ biến của cốt đất, biến dạng của các hạt đất vμ tính dính nhớt của mμng n−ớc bao quanh hạt Quá trình nén lún có liên quan đến những nhân tố nμy gọi lμ quá trình cố kết thứ cấp. Lý thuyết thấm của Terzaghi đã không kể đến ảnh h−ởng của cố kết thứ cấp, đây lμ khuyết điểm chủ yếu của lý thuyết nμy gây ra sự khác nhau giữa kết quả tính lý thuyết vμ kết quả đo ngoμi hiện tr−ờng. Mặc dù có những thiếu sót ở trên nh−ng lý thuyết cố keets thấm của Terzaghi hiện nay vẫn đ−ợc dùng phổ biến trong thực tế tính toán công trình. 3. Lập ph−ơng trình cố kết thấm: Để thiết lập ph−ơng trình cơ bản của bμi toán cố kết thấm một chiều lμm cơ sở cho việctính lún của nền đất sau nμy, Terzaghi đã đ−a ra các giả thiết sau: - Đất sét phải bão hoμ hoμn toμn (đất chỉ gồm 2 pha rắn vμ lỏng). - N−ớc trong lỗ rỗng cũng nh− các hạt khoáng vật xem nh− không nén đ−ợc. - Biến dạng của đất cũng nh− quá trình thoát n−ớc lỗ rỗng chỉ xảy ra theo ph−ơng thẳng đứng (một chiều). - Tốc độ nén lún chỉ phụ thuộc vμo tốc độ thoát n−ớc lỗ rỗng ngoμi ra không phụ thuộc vμo yếu tố nμo khác. - L−u tốc thấm của n−ớc lỗ rỗng rất nhỏ có thể áp dụng đ−ợc định luật Darcy. - Hệ số thấm k vμ hệ số nén a của đất không đổi trong quá trình cố kết. Xét tr−ờng hợp mẫu đất sét bão hoμ đ−ợc nén trong thiết bị nén không nở hông nh−ng trong thí nghiệm nμy tấm đá thấm bên d−ới mẫu đất đ−ợc thay bằng một K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 30
31. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất tấm kim loại để n−ớc chỉ có thể thoát ra theo chiều từ d−ới lên. Tách một phân tố đất có kích th−ớc dx, dy, dz nh− hình vẽ nằm ở độ sâu z so với mặt mẫu. ∂q q + dz ∂z dz dy q dx Hình 2.3-8: Dòng thấm qua phân tố đất - Ta có l−u l−ợng n−ớc vμo phân tố lμ q =v*F=v*dx*dy. ∂q - L−u l−ợng n−ớc thoát ra khỏi phân tố lμ q + dz ∂z => sự thay đổi l−u l−ợng n−ớc của phân tố đất lμ: ∂q ∂q q − (q + dz ) = − dz (2.3-13) ∂z ∂z ∂h Theo định luật Darcy ta có: v=ki với i = ∂z 1 ∂u k ∂u => i = =>v= (2.3-14) γ n ∂z γ n ∂z Trong đó: v – L−u tốc thấm u - áp lực n−ớc lỗ rỗng γn – Trọng l−ợng riêng của n−ớc. k – Hệ số thấm Từ 2.3-13 vμ 2.3-14 ta có: ∂q k∂ 2u − = − dz 2 dxdydz (2.3-15) ∂z γ n ∂z Ta có thể tích lỗ rỗng trong phân tố lμ: e e dV = dV = dxdydz r 1 + e 1 + e => L−ợng thay đổi thể tích lỗ rỗng trong khoảng thời gian dt lμ: ∂(dV ) ∂e 1 r = dxdydz (2.3-16) ∂t ∂t 1 +e K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 31
32. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất Mặt khác l−ợng thay đổi n−ớc lỗ rỗng của khối đất phân tố trong thời gian dt bằng l−ợng thay đổi thể tích của khối đất trong cùng thời gian đó. Từ 2.3-15 vμ 2.3-16 ta có: k∂ 2u ∂e 1 = 2 dxdydz dxdydz (2.3-17) γ n ∂z ∂t 1 + e k∂ 2u ∂e 1 = 2 (2.3-18) γ n ∂z ∂t 1 + e Trong phạm vi những tải trọng không lớn thì có thể xem l−ợng giảm hệ số rỗng e tỉ lệ thuận với l−ợng tăng áp lực có hiệu σ. ∂e = −a∂σ Ta lại có σ = p – u => ∂σ = ∂(p −u) = −∂u . Vậy ∂e = a∂u (2.3-19) Từ 2.3-18 vμ 2.3-19 ta đ−ợc: k∂ 2u a ∂u = 2 (2.3-20) γ n ∂z 1 + e ∂t k(1 + e ) Đặt C v = ta đ−ợc: γ n a ∂ 2u ∂u C = (2.3-21) v ∂z 2 ∂t Đây chính lμ ph−ơng trình vi phân của bμi toán cố kết thấm một chiều của Terzaghi. Nếu biến dạng của đất cũng nh− quá trình thoát n−ớc lỗ rỗng không chỉ diễn ra theo một chiều trục z mμ còn theo cả trục x,y thì ta sẽ có bμi toán cố kết phẳng vμ bμi toán cố kết không gian. - Đối với bμi toán cố kết phẳng bằng những lập luận t−ơng tự nh− bμi toán một chiều ta sẽ rút ra đ−ợc ph−ơng trình sau đây ứng với tải trọng ngoμi không thay đổi theo thời gian: ⎡ ∂ 2u ∂ 2u ⎤ ∂u + = C 'v ⎢ 2 2 ⎥ (2.3-22) ⎣∂x ∂z ⎦ ∂t Trong đó: 1 + μ k(1 + e )(1 + μ) C 'v = C v = 2 2γ n a μ - Hệ số nén hông của đất. - Đối với bμi toán cố kết không gian Renđulic đã rút ra ph−ơng trình vi phân cố kết có dạng nh− sau: K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 32
33. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất ∂u ⎡∂ 2u 1 ∂u ⎤ ∂ 2u = + + C r ⎢ 2 ⎥ C r 2 (2.3-23) ∂t ⎣∂z r ∂r ⎦ ∂z Trong đó: r – Khoảng cách từ điểm xét đến trục z. k r (1 + e ) Cr – Hệ số cố kết theo chiều xuyên tâm, C r = γ n a k z (1 + e ) Cz – Hệ số cố kết theo chiều thẳng đứng, C z = γ na Kr vμ Kz – Hệ số thấm theo chiều xuyên tâm vμ chiều thẳng đứng. K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 33
34. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất Bμi 5: Tính chất đầm chặt của đất đắp Trong thực tế có rất nhiều công trình đ−ợc tạo ra bằng đất đắp nh− nền đ−ờng, đê, đập Để đảm bảo cho các công trình nμy ổn định, chịu lực tốt trong quá trình khai thác chúng ta phải tìm cách lèn chặt đất, giảm tối thiểu lỗ rỗng. Đối với các loại đất trầm tích tự nhiên thì đất tự cố kết, tự lèn chặt trong thời gian dμi d−ới tác dụng của tải trọng bản thân vμ của các lớp đất trên đè xuống. Đối với các công trình sử dụng đất đắp th−ờng phải xây dựng trong thời gian ngắn với yêu cầu độ lèn chặt cao, vì vậy mμ trong thực tế chúng ta sử dụng các tác động cơ học để lμm chặt đất nh− lu lèn, đầm Qua nhiều kết quả nghiên cứu cũng nh− kinh nghiệm thực tế thì ng−ời ta thấy rằng độ chặt của đất phụ thuộc chủ yếu vμo các yếu tố sau: - Công đầm lèn đất: Năng l−ợng đầm lèn cμng lớn thì độc hặt cμng lớn. - Độ ẩm của đất: Với cùng một công đầm nén nh− nhau nh−ng với mỗi độ ẩm khác nhau ta có độ chặt khác nhau. Độ ẩm của đất để có thể đầm chặt nhất ứng với công đầm nén nhơ nhất gọi lμ độ ẩm hợp lý Wtn. Để xác định đ−ợc độ ẩm tốt nhất ta sử dụng các thí nghiệm đầm nén. Hiện nay có nhiều thiểt bị đầm nén khác nhau, d−ới đây ta trình bμy thí nghiệm đầm nén theo TCVN 4201-86 hay còn gọi lμ thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn: 1. Thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn (theo TCVN 4201-86). a) Dụng cụ thí nghiệm: Để thực hiện thí nghiệm nμy ta sử dụng cối đầm với các thông số sau: - Thể tích cối V=1000cm3. - Chiều cao cối h=12,7cm - Đ−ờng kính trong của cối: d1=10cm. - Khối l−ợng búa đập Q=2,5kG. Ngoμi ra ta cần sử dụng các thiết bị khác để xác định độ ẩm tự nhiên của đất nh− trong thí nghiệm xác định độ ẩm mμ ta đã trình bμy. K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 34
35. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất Hình 2.4-1: Cối đầm nén tiêu chuẩn. b) Trình tự thí nghiệm: - Chọn khoảng 15kg đất sau khi nghiền nát cho qua sμng 5mm rồi chia lμm 5 phần bằng nhau. - Cho mẫu đất vμo các khay rồi phun n−ớc để tạo độ ẩm từ 5-30%. + Đối với đất loại cát: Lần thí nghiệm đầu tiên bắt đầu từ độ ẩm 5%, các lần thí nghiệm sau sẽ tăng lên từ 1-2%. + Đối với đất loại sét: Lần thí nghiệm đầu tiên bắt đầu từ độ ẩm 10%, các lần thí nghiệm sau sẽ tăng lên từ 2-5%. - Lấy đất đã chuẩn bị ở mỗi khay cho vμo cối đầm lμm 3 lớp, mỗi lớp chiếm khoảng 1/3 thể tích khối. Dùng búa nặng 2,5 kG cho rơi tự do ở độ cao 30cm để đầm riêng cho từng lớp. + Đối với đất cát vμ cát pha đập 25 búa. + Đối với sét pha vμ sét có IL 30 đập 50 búa. - Tháo cối ra khỏi đế đem cân đất cùng với cối để xác định trọng l−ợng thể tích của đất rồi sau đó tiến hμnh thí nghiệm xác định độ ẩm của đất luôn. - Tiếp tục thí nghiệm nh− vậy với 5 mẫu đất đã chuẩn bị. c) Kết quả thí nghiệm: - Khối l−ợng thể tích khô của đất đ−ợc tính theo CT sau. γ n γ k = (2.4-1) 1 + 0,01W Trong đó: 3 γk – Khối l−ợng thể tích của đất khô (g/cm ). 3 γn – Khối l−ợng thể tích của đất ẩm (g/cm ). K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 35
36. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất W - Độ ẩm của đất (%). - Dựa vμo các số liệu thí nghiệm ta vẽ đ−ợc đ−ờng cong quan hệ giữa độ ẩm vμ khối l−ợng thể tích khô lên giấy. - Dựa vμo đ−ờng quan hệ độ ẩm – khối l−ợng thể tích khô ta xác định đ−ợc trọng l−ợng khô lớn nhất (đỉnh của đ−ờng cong quan hệ). Với γkmax đó ta sẽ tìm đ−ợc độ ẩm t−ơng ứng đó chính lμ độ ẩm tốt nhất Wtn γ (kN/m3) k γ kmax Wtn W(%) Hình 2.4-2: Đồ thị đ−ờng cong đầm nén. - Kết quả nghiên cứu thí nghiệm cho biết độ ẩm tốt nhất Wtn vμ độ chặt tốt nhất t−ơng ứng γkmax của một số loại đất nh− sau: Bảng 2.4-1: Độ ẩm tốt nhất vμ độ chặt lớn nhất của đất th−ờng gặp 3 Loại đất Wtn (%) γkmax (kN/m ) Đất cát 8 – 12 18 – 18,8 Đất á sét 9 – 15 18,5 – 20,8 Đất sét 19 – 23 15,8 – 17,0 Ngoμi thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn hiênh nay ng−ời ta còn sử dụng các thí nghiệm đầm chặt khác nh− thí nghiệm Proctor bình th−ờng, thí nghiệm Proctor cải tiến hay thí nghiệm CBR chúng ta tham khảo thêm trong sách thí nghiệm Cơ học đất. 2. Mục đích, ý nghĩa của thí nghiệm. - Mục đích của thí nghiệm lμ tìm ra giải pháp đầm nén tốt nhất, tốn ít công đầm nén nhất. Tức lμ tìm ra độ ẩm tốt nhất để có dung trọng khô lớn nhất khi đó đất chặt nhất vμ có khả năng chịu lực tốt nhất. - Dựa vμo thí nghiệm nμy tìm đ−ợc độ chặt tốt nhất khi có độ ẩm tốt nhất. Đây lμ một yếu tố để đánh giá độ chặt của đất ngoμi hiện tr−ờng cũng nh− quyết định công đầm nèn cần thiêt. K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 36
37. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng II: các tính chất cơ học của đất - Trong thực tế ta không thể có đ−ợc độ ẩm tốt nhất nh− trong phòng thí nghiệm do vậy dung trọng khô thực tế cũng nhỏ hơn dung trọng khô lớn nhất trong phòng thí nghiệm. Vì vậy để đánh chất l−ợng đầm nén của đất đắp nền đ−ờng ta phải dùng hệ số đầm chặt K. γ k K = (2.4-2) γ k max Trong đó: γk – Trọng l−ợng thể tích khô thực tế ngoμi hiênh tr−ờng sau khi đầm nén (g/cm3). γkmax – Trọng l−ợng thể tích khô lớn nhất xác định đ−ợc trong phòng thí nghiệm (g/cm3). Trong thực tế K=0,95 – 0,98. Để đảm bảo nền đắp đảm bảo chất l−ợng theo đúng yêu cầu thiết kế thì các đơn vị thi công phải tiến hμnh các thí nghiệm sau: - Thí nghiệm xác định γkmax ở trong phòng của loại đất đắp nền. - Thí nghiệm xác định γk của cùng loại đất đó sau khi đã lu lèn ngoμi hiện tr−ờng. - Xác định hệ số đầm lèn K. - Sau đó thí nghiệm nén bằng bμn nén để xác định mô đun biến dạng E0 vμ mô đun đμn hồi của nền đất xem đã đạt yêu cầu về biến dạng ch−a. K.s Đặng Hồng Lam- Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 37