Tài liệu TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH XÁC ĐỊNH MODULE BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT Ở HIỆN TRƯỜNG BẰNG BÀN NÉN. NHẬN XÉT VÀ PHÂN TÍCH SO SÁNH VỚI MODULE BIẾN DẠNG XÁC ĐỊNH BẰNG THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT TRONG PHÒNG

TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI: XÁC ĐỊNH MODULE BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT Ở HIỆN TRƯỜNG BẰNG BÀN NÉN. NHẬN XÉT VÀ PHÂN TÍCH SO SÁNH VỚI MODULE BIẾN DẠNG XÁC ĐỊNH BẰNG THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT TRONG PHÒNG. HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 Trang 1/30 TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN I. MỞ ĐẦU: Để xác định tính biến dạng, tính lún của đất, đá trong công tác thiết kế nền móng nông, nền đường, san lấp mặt bằng…Cần thiết phải xác định Module biến dạng E của đất. Hiện nay có khá nhiều phương pháp xác định Module biến dạng trong phòng như: nén cố kết, nén ba trục…Các phương pháp xác định ngoài hiện trường tương đối ít như: nén ngang, nén tải trọng tĩnh. Phương pháp nén tải trọng tĩnh tương đối đơn giản và có kết quả đáng tin cậy nhằm xác định Module biến dạng, Module phản ứng nền, cũng như cường độ chịu tải của móng nông. Do giới hạn của đề tài cũng như thời gian thực hiện, sau đây là phần trình bày 2 phương pháp xác định Module biến dạng trong phòng và hiện trường phổ biến là Thí nghiệm nén tải trọng tĩnh và thí nghiệm nén cố kết trong phòng. Sau đó thiết lập sự tương quan giữa 2 giá trị Module để đưa vào thiết kế 1 cách chính xác hơn. II. THÍ NGHIỆM BÀN NÉN TẢI TRỌNG TĨNH (PLATE BEARING TEST): Trong nghiên cứu làm việc của móng nông, xuất hiện ý tưởng là cần tiến hành thí nghiệm nén tại hiện trường trên 1 bàn nén tương tự như 1 móng nhưng có kích thước nhỏ hơn. Qua đó có thể quan sát được trạng thái làm việc của bàn nén làm cơ sở suy diễn cho móng nông có kích thước thực. Đó chính là cơ sở xuất hiện loại thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh (Plate Bearing Test) sử dụng cho kiểm tra và thiết kế móng nông cũng như cho thiết kế tầng phủ mặt đường giao thông. Không chỉ trong đất mà trong đá người ta cũng áp dụng các loại thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh nhằm xác định module đàn hồi và sức kháng cắt khối đá. Phương pháp thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh thông thường được tiến hành theo tiêu chuẩn: TCXD 80: 2002- ĐẤT XÂY DỰNG. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MODULE BIẾN DẠNG TẠI HIỆN TRƯỜNG BẰNG TẤM NÉN PHẲNG ( Soils. In situ test methods of determination of deformation module by plate loading). 1. Muc đích thí nghiệm , phạm vi áp dụng: Mục đích là kiểm tra sức chiu tải cho phép của móng nông và qua đó có thể đánh giá tính bền và tính biến dạng của đất nền dưới móng. Thí nghiệm xác định mođun biến dạng của đất nền trong phạm vi chiều dày bằng hai đến ba lần đường kính tấm nén nhằm tính toán độ lún của công trình. Áp dụng cho các loại đất sét, đất cát và đất hòn lớn trong điều kiện hiện trường ở thế nằm và độ ẩm tự nhiên hoặc sau khi san lấp và đầm nén đến độ chặt yêu cầu. Không áp dụng cho đất trương nở và đất nhiễm mặn khi thí nghiệm chúng trong điều kiện thấm ướt. 2. Các thuật ngữ: Mođun biến dạng của đất : là đặc trưng biểu thị khả năng chịu nén của đất ; là hệ số tỷ lệ giữa gia số của áp lực tác dụng lên tấm nén với gia số tương ứng của độ lún tấm nén, được qui ước lấy trong đoạn tuyến tính. Độ lún ổn định qui ước: gia số độ lún tấm nén sau một khoảng thời gian, chứng tỏ sự tắt dần biến dạng của đất nền trên thực tế. HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 Trang 2/30 TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN Áp lực tự nhiên của đất: Áp lực thẳng đứng trong khối đất tại một độ sâu do trọng lượng bản thân của các lớp nằm trên. Phụ tải: Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên đất thông qua diện tích phụ them quanh tấm nén. Cấp gia tải: Lượng tải trọng tác dụng lên tấm nén khi thí nghiệm từng đợt. 3. Các qui định chung: Thí nghiệm đất bằng bàn nén được tiến hành trong hố đào, hố móng, giếng đào hoặc lổ khoan được bố trí cách điểm thăm dò kỹ thuật từ 1.5m ÷ 2.0m. Thí nghiệm (TN) trong hố đào và hố móng được tiến hành cho những lớp đất nằm cao hơn mực nước dưới đất, TN trong lổ khoan cho đất ở độ sâu 6.0m ÷ 15.0m (kể cả trong trường hợp nằm thấp hơn mực nước dưới đất ). Diện tích tiết diện ngang của hố đào không nhỏ hơn 1.5mx1.5m, đường kính hố tạo ra bằng phương tiện cơ giới không nhỏ hơn 900mm, đường kính lổ khoan thí nghiệm không nhỏ hơn 325mm. Lớp đất TN phải có chiều dày không nhỏ hơn 2d hoặc cạnh bàn nén. Kết quả TN chỉ có ý nghĩa đối với lớp đất dày 2d ÷ 3d. Kèm theo kết quả xác định mođun hiện trường phải có các tài liệu và số liệu về vị trí TN, mô tả đất và các đặc trưng cơ lý chủ yếu : thành phần hạt, độ ẩm, khối lượng riêng, khối lượng thể tích, hệ số rỗng, các giới hạn dẻo và sệt, hệ số nén lún, góc ma sát trong và lực dính. Module biến dạng E của đất được xác định theo biểu đồ liên hệ giữa độ lún của tấm nén với áp lực tác dụng lên tấm nén. Khi xử lý kết quả thí nghiệm tiến hành tính toán module tổng biến dạng E với độ chính xác như sau: đến 1MPa đối với E>10MPa, đến 0.5MPa đối với E từ 2MPa đến 1MPa, và đến 0.1 MPa đối với E<2MPa. 4. Phương pháp tiến hành thí nghiệm: 4.1 Dụng cụ và thiết bị TN: Dụng cụ TN : tấm ( bàn) nén, các thiết bị chất tải, neo giữ do biến dạng. Kết cấu thiết bị phải đảm bảo khả năng chất tải lên tấm nén thành từng cấp 0.01÷1MPa; truyền tải đúng tâm lên bàn nén; giữ được từng cấp áp lực không đổi trong thời gian yêu cầu. Bàn nén phải đủ cứng, có dạng tròn hoặc vuông, đáy phẳng với kích thước như sau: + Kiểu I : diện tích 2500cm2 và 5000cm2. + Kiểu II : diện tích 1000cm2 có phụ tải hình vành khăn bổ sung thêm đến 5000cm2. + Kiểu III : diện tích 600cm2. Bàn nén chuẩn có đường kính B = 30cm(1ft), là bàn nén được Terzaghi sử dụng cho các công trình nghiên cứu so sánh. Tuy nhiên để có kết quả phản ánh sát với thực tế bàn nén cần có kích thước càng lớn càng tốt nếu khả năng đối tải cho phép. Kích thước bàn nén theo quy định của các quốc gia: Quốc gia Kích thước bàn nén (cm) Mỹ 35 47.5 61 76.2 91.5 106.8 Đức 30 60 Pháp 20 40 75 Bỉ 33 43 61 75 - HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 Trang 3/30 TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN Hình 1. Thiết bị bàn nén tĩnh hiện trường Bảng 1 : Kiểu và diện tích tấm nén được qui định Tấm nén Ví trí Độ sâu Ví trí tấm tiến thí nén so với Tên đất Diện tích nghiệm hành thí Kiểu mực nước (cm2) nghiệm (m) I 5000 Trong hố Đất hòn lớn, đất cát –cát Ngang mực móng, hố chặt và chặt trung bình, đất nước dưới đào, loại sét-sét, sét pha có độ sệt đất và cao ≤6 I 2500 IL≤0.25, hơn giếng II 1000 cát pha IL≤0 I Trong hố 5000 Đất cát-cát xốp, đất loại sét- Ngang mực sét và sét pha có độ sệt IL> nước dưới móng, hố đất và cao ≤6 đào, 0.25, cát pha IL>0; hơn giếng II 1000 bùn, đất hữu cơ . Tại đáy Đất hòn lớn, đất cát –cát Ngang mực ≤6 lổ khoan III 600 chặt , đất loại sét-sét, nước dưới sét pha có độ sệt IL≤0.5, đất và cao hơn cát pha IL≤0 Đất cát , đất loại sét-sét, sét Dưới mực Tại đáy pha và cát pha với mọi trị độ nước dưới Tới 15 lổ khoan III 600 đất . sệt , bùn, đất hữu cơ . Việc chất tải thực hiện bằng kích. Kích phải được hiệu chỉnh trước. Tải trọng được đo với sai số không quá 5% so với cấp áp lực tác dụng. Các võng kế để đo độ lún của tấm nén được gắn chặt vào hệ mốc chuẩn . Tấm nén được nối với võng kế bằng sợi dây thép đường kính 0.3mm-0.5mm. Hệ đo phải đảm bảo được độ lún với sai số không lớn hơn 0.1mm. Khi cần đạt độ chính xác tới 0.01mm phải dùng thiên phân kế. Độ lún của tấm nén là trị số trung bình của hai (hoặc nhiều hơn ) thiết bị đo ở hai phía đối diện . Chú ý : khi TN đất trong lổ khoan và đo độ lún tấm nén theo chuyển vị của đầu trên cột ống dùng HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 Trang 4/30 TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN để truyền tải trọng, phải xét tới biến dạng nén của các ống đó và có biện pháp loại trừ sự uốn dọc của chúng. Hệ mốc chuẩn để gắn võng kế phải gồm 4 cọc được đóng hoặc xoắn xuống đất từng đôi một, đối diện nhau so với hố đào, cách mép hố đào từ 1.0 ÷ 1.5m. 4.2 Chuẩn bị thí nghiệm: Khi TN trong hố móng, hố đào và giếng đào tấm nén được đặt ở công trình khai đào. Để đáy tấm nén thật khít với đất phải xoay tấm nén không ít hơn hai vòng theo các hướng quanh trục thẳng đứng. Sau khi đặt phải kiểm tra mức độ nằm ngang của tấm nén. Trong đất sét có IL>0.75 phải đặt tấm nén trong một hố tại đáy công trình khai đào. Hố có độ sâu từ 40cm ÷ 60cm và kích thước ngang lớn hơn đường kính hoặc cạnh tấm nén không quá 10cm. Khi cần phải gia cố vách hố này. Mặt đất trong phạm vi diện tích đặt tấm nén phải được san phẳng. Khi khó san phẳng đất, tiến hành rải một lớp đệm cát nhỏ hoặc cát hạt trung ẩm, dày từ 1-2cm cho đất loại sét và không quá 5cm cho đất hòn lớn. Tấm nén được lắp đặt vào cột ống ∅219mm và xuống đáy lổ khoan đã được vét sạch . Dùng đối trọng và các vòng định hướng để cân bằng tấm nén cùng với cột ống khi hạ. Đặt tấm nén sâu hơn chân ống chống từ 2cm ÷ 5cm. Sau khi đặt tấm nén, tiến hành lắp thiết bị chất tải, thiết bị neo và hệ thống neo Võng kế kiểm tra được lắp trên hệ mốc chuẩn. Dây của võng kế kiểm tra được gắn vào mốc không di động đặt ở ngoài thành hố TN. Chiều dài dây phải bằng chiều dài của các võng kế đo độ lún của tấm nén. Sau khi lắp tất cả các thiết bị, đưa các số đọc về vạch 0 hoặc về điểm qui ước là 0, ghi vào nhật ký. 4.3 Tiến hành thí nghiệm: Thực hiện thí nghiệm: Sau khi chuẩn bị đầy đủ các khâu cho thí nghiệm các bước tiến hành tiếp theo như sau: + Làm bằng phẳng đáy hố thí nghiệm, rải 1 lớp cát thô dày khoảng 1cm. + Đặt bàn nén và lắp đặt các dụng cụ, đồng hồ đo rồi hiệu chỉnh. HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 Trang 5/30 TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN + Tác dụng cấp áp lực đầu tiên lên bàn nén, để khaỏng 30 giây, rồi dỡ tải về 0. + Hiệu chỉnh các đồng hồ đo lún về 0. + Gia tải từng cấp từ đầu và tiến hành quan trắc lún theo sơ đồ quan trắc ấn định cho từng cấp. + Mỗi cấp áp lực, tùy thuộc vào loại đất mà có tần số đọc chuyển vị khác nhau cho đến lúc đạt được ổn định quy ước về độ lún thì mới cho phép tăng tải. Đo chuyển vị của bàn nén dựa trên đồng hồ đo biến dạng S1, S2, S3,….tương ứng với mỗi cấp áp lực P1, P2, P3,….cho đến lúc đạt trạng thái tới hạn Pult( trong khoảng 1 giờ, độ lún s <0.2mm). Tăng tải trọng lên tấm nén thành từng cấp ∆P tùy theo loại đất TN và trạng thái đất. Khoảng cách áp lực (∆P) tác dụng phụ thuộc trạng thái đất nền và tiêu chuẩn quy định. Thông thường người ta xác định cấp áp lực theo nguyên tắc: P ∆P = max 8 − 10 Trong đó: Pmax : áp lực tối đa dự định thí nghiêm được xác đinh như sau: + Pmax=(1.5-2).qa ( qa: là sức chịu tải thiết kế của móng nông). + Pmax=qu (qu: là sức kháng giới hạn móng nông theo tính toán). Khi không có tiêu chí lựa chọn thì sơ đồ cấp áp lực sau thường được kiến nghị: ∆P=0.4-0.8-1.2-1.6-2.0-2.4-2.8-3.2 (kg/cm2) cần thiết tiếp tục: 3.6-4.0 Tổng các cấp gia tải phải không ít hơn 4 kể từ giá trị tương ứng với áp lực do trọng lượng bản thân của đất tại cao trình TN. Khoảng 8 đến 10 cấp áp lực là cần thiết để tiến hành cho 1 thí nghiệm và cấp áp lực sau bằng 2 lần cấp áp lực trước.Trong cấp gia tải đầu tiên phải kể đến trọng lượng của thiết bị tạo nên một phần tải trọng tác dụng lên tấm nén. Khi dùng tấm nén kiểu II, phụ tải vành khăn phải tương ứng với áp lực thiên nhiên tại cao trình TN. Giữ mỗi cấp gia tải đến khi ổn định biến dạng qui ước của đất : không vượt quá 0.1mm sau thời gian qui định . Thời gian giữ mỗi cấp gia tải tiếp sau không ít hơn thời gian giữ cấp tải trước. Bảng 2 : Thời gian ổn định qui ước cho đất rời Cấp áp lực ∆P, MPa, khi độ Thời gian ổn định Mức độ bão Tên đất chặt kết cấu của đất qui ước (Giờ) hòa Chặt Chặt vừa Xốp Đất hòn lớn 0.1 0.5 Sr ≤ 1 Đất-cát-cát to 0.1 0.05 0.025 0.5 Sr ≤ 1 0.1 0.05 0.025 0.5 Sr ≤ 0.5 Cát trung 0.1 0.05 0.025 1.0 0.51.1* Đất loại sét có độ sệt 0.1 0.1 0.05 0.05 1 IL ≤ 0.25 0.1 0.5 0.05 0.025 2 0.25 1 (*) khi hệ rổng e>1.1 thời gian ổn định qui ước được tăng lên 1h HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 Trang 6/30 TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN Ghi số đọc các biến dạng kế tại mỗi cấp áp lực: Khi TN đất hòn lớn và đất cát : cách 10 phút trong nửa giờ đầu, cách 15 phút trong nửa giờ sau, tiếp theo cứ cách 30 phút cho đến cho đến khi đạt được độ lún ổn định qui ước . Khi TN loại đất sét : cứ cách 15phút trong giờ đầu và 30 phút trong giờ sau và tiếp theo, cứ cách 1 giờ cho đến khi đạt được độ lún ổn định qui ước. Ngừng thí nghiệm khi ổn định biến dạng ứng với cấp tải trọng cuối hoặc tổng biến dạng đạt 0.15d, với d là đường kính tấm nén. Khi có yêu cầu, có thể tiến hành dở tải từng cấp. Đối với đất hòn lớn và đất cát, giữ mỗi cấp 10 phút, riêng cấp cuối giữ tới 20 phút. Đối với đất loại sét các khoảng thời gian tương ứng là 15 và 30 phút. Một số chú ý khi thí nghiệm: 1. Điều kiện ổn định: Quan trắc chuyển vị sẽ kết thúc khi đất nền được xem là ổn định. Độ ổn định được quy ước tùy theo loại đất và tiêu chuẩn áp dụng. Các giá trị theo ASTM D1194-94, có thể tham khảo: + Đất loại cát: trong 1 giờ chuyển vị <=0.2mm. + Đất loại sét: trong 1 giờ chuyển vị <=0.2mm. 2. Xác định sơ đồ quan trắc: Sơ đồ quan trắc được xác định tùy theo mục đích thí nghiệm để tìm hiểu trạng thái làm việc của đất. Có thể phân chia thành 2 loại: + Sơ đồ quan trắc 1 chu kỳ: nghĩa là chỉ tiến hành chất tải và quan trắc lún đến khi kết thúc. ( phục vụ cho thiết kế móng nông) + Sơ đồ quan trắc nhiều chu kỳ: nghĩa là tiến hành 2 hoặc nhiều chu kỳ chất và dỡ tải trong quá trình quan trắc lún. Mục đích là xác định trạng thái làm việc ở pha giả đàn hồi của đất.( phục vụ cho thiết kế đường). Hình 2. Sau khi kết thúc thí nghiệm (bàn nén bị lún) 4.4 Xử lý kết quả thí nghiệm: Để tính mođun biến dạng E, lập biểu đồ quan hệ giữa độ lún với áp lực S=f(P). Biểu thị các giá trị P trên trục hoành và các giá trị độ lún ổn định qui ước S tương ứng trên trục tung. Qua các điểm TN chấm trên biểu đồ, vẽ một đường thẳng trung bình bằng phương pháp nhỏ nhất hoặc bằng phương pháp đồ giải. Lấy điểm ứng với áp lực thiên nhiên làm điểm Pđ và điểm ứng với cấp gia tải cuối cùng làm điểm cuối Pc. HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 Trang 7/30 TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN ∆P ∆S Hình 3. Biểu đồ độ lún theo thời gian và độ lún theo cấp tải Nếu gia số độ lún ứng với cấp áp lực Pi lớn gấp đôi gia số lún với cấp áp lực kề trước Pi-1, đồng thời bằng hoặc nhỏ hơn giá trị ứng với cấp Pi+1 thì lấy Pi-1 và Si-1 làm các giá trị cuối cùng. Lúc đó số lượng các các điểm làm căn cứ để tính toán trị trung bình không ít hơn ba. Module biến dạng E (MPa) được tính toán cho đoạn tuyến tính của biểu đồ S=f(P) theo công thức: ∆P Ebn = (1 − µ 2 ).ω.d . ∆S Trong đó: µ- Hệ số poison, được lấy bằng 0.27 cho đất hòn lớn; 0.3 cho đất cát và cát pha; 0.35 cho đất sét pha; và 0.42 cho đất sét; ω- Hệ số không thứ nguyên, phụ thuộc vào hình dạng và độ cứng tấm nén. Đối với tấm nén cứng, hình tròn và hình vuông lấy ω=0.79. d- Đường kính tấm nén tròn hoặc cạnh của tấm nén vuông (cm). ∆P- Gia số ( biến thiên) áp lực lên tấm nén, ∆P = Pc-Pd (MPa). ∆S- Gia số ( biến thiên) độ lún của tấm nén (cm) tương ứng với ∆P. Thông thường thí nghiệm bàn nén hiện trường chỉ khảo sát được tính chất biến dạng của lớp đất tương đối nông khoảng 1.5 đến 2m, hay đến độ sâu vài ba lần bề rộng bàn nén. Mặc dù trong quy trình có nêu ra phương pháp thí nghiệm bàn nén trong hố khoan, tuy nhiên trong thực tế hầu như không được sử dụng vì khó thực hiện và độ chính xác rất kém. HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 Trang 8/30 TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN Khi có những lớp đất trãi dài chịu tác động của những tải thẳng đứng tác động rộng khắp, lớp đất bị nén theo phương trục z. Để mô phỏng trạng thái đất trên, người ta nén đất trong 1 dụng cụ có tên máy nén không nở hông hoặc máy nén cố kết. Có thể sử dụng phương pháp thí nghiệm bàn nén hiện trường cho thí nghiệm lún ướt hiện trường mà hiện nay còn đang được ít quan tâm, mặc dù nó rất có ý nghĩa thực tế và cho kết quả đáng tin cậy. HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 Trang 9/30 TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN Trang 10/30 TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN Trang 11/30 TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN III. XÁC ĐỊNH MOĐUN BIẾN DẠNG BẰNG THÍ NGHIỆM CỐ KẾT: 1. Tổng quan: Khi một khối đất bão hòa nước chịu tác dụng của tải trọng, tải trọng ban đầu sẽ truyền vào nước có trong lỗ rỗng của đất vì nước không chịu nén so với khung hạt đất. Áp lực gây ra trong nước do tải trọng, gọi là áp lực quá thuỷ tĩnh (hydrostatic exesspressure). Khi nước trong các lỗ rỗng bắt đầu thoát ra, tải trọng sẽ dần dần chuyển tác dụng vào khung hạt đất. Sự chuyển tác dụng này sẽ gây ra biến dạng tổng thể tích của khối đất bằng với thể tích nước thoát ra. Quá trình này gọi là quá trình cố kết. Có thể hiểu quá trình cố kết bằng cách mô phỏng một hệ lò xo như hình vẽ: Hình 5. Mô hình nén cố kết Khối đất bão hoà nước như hình (a), lò xo tương ứng với khung hạt đất và nước tương ứng với nước trong lỗ rỗng. Nếu trọng lượng W đặt lên nước và lò xo trong khi van y đóng lại, trọng lượng hầu như tác dụng lên nước. Nếu van mở và nước thoát ra như hình (b). Cuối cùng tải trọng sẽ hoàn toàn tác dụng lên lò xo như hình (c). Tốc độ biến dạng thể tích hay còn gọi là cố kết, phụ thuộc vào hệ số thấm của đất vì tốc độ thấm sẽ khống chế vận tốc thoát ra của nước lỗ rỗng. 2. Phương pháp thí nghiệm: Có rất nhiều quy trình hướng dẫn thí nghiệm nén cố kết như BS1377:1990, ASTM D2435 và TCVN 4200: 1995. Phần trình bày phương pháp thí nghiệm chủ yếu theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4200: 1995. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm như hình HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 Trang 12/30 TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN Hình 6. Sơ đồ hộp nén cố kết Việc xác định tính nén lún của đất bao gồm: tìm hệ số nén lún, modun tổng biến dạng, hệ số cố kết của đất có kết cấu nguyên hoặc chế bị, ở độ ẩm tự nhiên hoặc hoàn toàn bão hoà nước. Mẫu đất thí nghiệm có hình trụ tròn, với tỉ số giữa đường kính và chiều cao khoảng 3 đến 4. Đối với đất loại sét và đất loại cát (không lẫn sỏi sạn), đường kính mẫu cho phép không nhỏ hơn 50mm. Đối với đất có lẫn sỏi sạn, đường kính mẫu không nên nhỏ hơn 70mm. Tải trọng tác dụng lên mẫu theo từng cấp và phải bảo đảm thẳng đứng. Sai số cho phép của mỗi cấp áp dụng trong thời gian thí nghiệm không vượt quá 3%. Để có thể xác định những trị số lún ban đầu sau khi đặt lực, động tác chất tải ở mỗi cấp áp lực phải được thực hiện nhẹ nhàng, tránh rung và không chậm quá 3 giây. Cấp tải trọng ban đầu để thí nghiệm mẫu có kết cấu nguyên nên lấy bằng hoặc nhỏ hơn áp lực ' ' thiên nhiên tác dụng lên mẫu đất ( σ vo ) tính theo công thức: σ vo = γ w .h 3. Thiết bị thí nghiệm: Để xác định tính nén lún của đất trong điều kiện không nở hông, có thể dùng các loại máy nén khác nhau, nhưng nhìn chung các loại máy nén phải có các bộ phận chủ yếu sau: hộp nén, bàn nén, bộ phận tăng tải với hệ thống cánh tay đòn hoặc hệ thống áp lực, thiết bị đo biến dạng…Đối với các bộ phận trên phải bảo đảm các yêu cầu sau: Đối với thiết bị gia tải: thiết bị gia tải dùng để tác dụng một tải trọng thẳng đứng lên bề mặt mẫu, có sai số không vượt quá 0.5 % tải trọng tác dụng. Hộp nén: hộp nén dùng để chứa dao vòng đựng mẫu, hộp nén phải đủ khít và và biến dạng phải đủ nhỏ. Dao vòng: dao vòng chứa đất phải nhẵn, có đường kính trong nhỏ nhất là 50mm (thường là 70mm), chiều cao nhỏ nhất là 12 mm, (thường là 20mm) và tỷ số (nhỏ nhất) giữa đường kính trong và chiều cao dao vòng là d/h ≥ 2.5. Dao vòng được làm bằng thép không gỉ, cứng sao cho biến dạng < 0.03%.d (d: đường kính dao vòng) khi chịu tác dụng của tải trọng lớn nhất. Thiết bị đo biến dạng: có sai số nhỏ hơn 0.0025 mm, thiết bị đo biến dạng có thể là đồng hồ cơ hoặc có thể là sensor điện tử, dùng để đo biến dạng của mẫu thí nghiệm khi bị tải trọng tác dụng. Tấm nén: dùng đề truyền tải trọng lên mẫu thí nghiệm. Khi tác dụng tải trọng phải đảm bảo lực truyền xuống tấm nén theo hướng thẳng đứng và đúng tâm mẫu. Đường kính tấm nén phải nhỏ hơn đường kính của mẫu thí nghiệm. HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 Trang 13/30 TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN Đá thấm: đá thấm có tác dụng truyền lực tác dụng thẳng đứng phân bố đều trên bề mặt mẫu đất và để cho nước thoát tự do lên trên và xuống dưới ra ngoài. Ngoài ra, để phục vụ cho thí nghiệm này chúng ta còn cần các dụng cụ khác như mẫu chuẩn bằng kim loại, dao gọt đất, dao gọt phẳng, dụng cụ ấn mẫu vào dao vòng, tủ sấy điều chỉnh được nhiệt độ, cân kỹ thuật… Hình. Thiết bị nén cố kết thông dụng do Trung quốc sản xuất Hình. Thiết bị nén cố kết tự động do hãng Geocomp (Mỹ) sản xuất Chuẩn bị mẫu: Cắt 1 khúc đất trong hộp mẫu nguyên dạng lấy ra trong hộp tôn hoặc nhựa, rồi dung dao vòng nén ấn từ từ cắt vào trong mẫu. Vừa ấn xuống vừa gọt xung quanh cho đến khi HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 Trang 14/30 TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN mẫu đất lọt qua dao vòng. Thực hiện nhẹ nhàng, cẩn thận sao cho không làm xáo trộn mẫu. Dùng dao con sắc cắt phẳng đất hai mặt dao vòng. Dao vòng và lõi đất được cho vào hộp nén và lắp đặt vào vị trí trong giá nén. Thí nghiệm cho đất đắp có thể dùng mẫu xáo động, qua chế bị đầm chặt trong cối đầm tiêu chuẩn và tiến hành như phương thức trên. 4. Quy trình thí nghiệm: Sau khi mẫu đất được tra vào dao vòng (dao vòng đã biết trước khối lượng), gọt xén mẫu như trong thí nghiệm xác khối lượng thể tích, cân khối lượng của dao vòng và đất, tiếp theo lấy hộp nén ra khỏi bàn máy và lấp mẫu vào. Trên hai mặt của mẫu đất phải đặt hai tờ giấy thấm đã được làm ẩm trước. Mẫu được đặt ở giữa hai tấm đá thấm, tấm đá thấm cũng được thấm ướt trước và trên cùng là tấm nén truyền tải trọng. Đổ nước vào hộp nén cho ngập mẫu. Thông thường mẫu được ngâm trong hộp nén khoảng 24h để cho mẫu bảo hòa nước hoàn toàn rồi mới bắt đầu tiến hành gia tải. Đặt hộp nén đã lắp xong mẫu vào bàn nén, cân bằng hệ thống tăng tải bằng đối trọng hoặc điều chỉnh áp nếu sử dụng hệ thống gia tải bằng áp lực và đặt hộp đúng vào điểm truyền lực, lắp đồng hồ đo biến dạng và điều chỉnh kim đồng hồ đó về vị trí ban đầu hoặc vị trí bất kỳ và ghi lại giá trị ban đầu đó của số đọc đồng hồ. Sau khi chuẩn bị đầy đủ và cân chỉnh đồng hồ đo biến dạng chúng ta tiến hành chất tải. Các cấp tải trọng được chọn sao cho cấp sau gấp 2 lần cấp trước. Trọng lượng các quả cân được lựa chọn sao cho đạt được các cấp áp lực tằng dần như sau: Các cấp tải trọng cơ bản là: Đối với đất loại sét ở trạng thái dẻo chảy và chảy, sử dụng các cấp 0,1; 0,25; 0,50; 1,0; 2,0 KG/cm2; Đối với sét, sét pha ở trạng thái dẻo mềm và dẻo cứng dùng các cấp 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 4,0 KG/cm2; Đối với đất cứng và nửa cứng, dùng các cấp 0,5; 1,0; 2,0; 4,0 và 8,0 KG/cm2. Không nhất thiết phải thí nghiệm với tất cả các cấp nêu trên mà tùy theo độ sâu mẫu liên quan đến áp lực cột đất và cấp áp lực công trình tác dụng. Số lượng cấp áp lực không nhỏ hơn 5 cho một mẫu nén. Tùy theo tải trọng của công trình mà các cấp tải tác dụng sẽ được chọn khác nhau, theo chiều sâu có thể dựa vào tải trọng bản thân của cột đất. Theo dõi biến dạng nén trên đồng hồ biến dạng dưới mỗi cấp tải trọng ngay sau 15 giây tăng tải. Khoảng thời gian đọc biến dạng nén lần sau được lấy gấp đôi so với lần đọc trước: 15; 30 giây; 1; 2; 4,8; 15; 30 phút, 1; 2; 3; 6; 12; 24 giờ kể từ lúc bắt đầu thí nghiệm cho đến khi ổn định quy ước. Về cơ bản phải đợi đến khi biến dạng của đất là không còn nữa thì mới tiếp tục tăng cấp tải tiếp theo, phải đợi cho đến khi sự lún của mẫu dưới tải trọng đã ngừng hẳn mới bắt đầu dỡ tải lần lượt từng cấp cho đến cấp cuối cùng, và lấy số đọc trên đồng hồ đo biến dạng. Khi chỉ quan tâm đến biến dạng khôi phục cuối cùng, không nhất thiết phải dỡ tải từng cấp, có thể dỡ tải mỗi lần hai cấp. Nếu có yêu cầu, có thể dỡ tải một cấp nào đó, rồi lại tăng tiếp, hoặc tăng và dỡ tải theo một số chu kỳ. Thời gian theo dõi biến dạng khôi phục của đất cát pha và sét pha được phép giảm bớt hai lần so với lúc tăng tải. Đối với đất sét thì tiêu chuẩn ổn định về biến dạng khôi phục cũng được lấy như biến dạng nén lún. Sau khi đã dỡ hết cấp cuối cùng và biến dạng khôi phục đã ổn định, lấy dao vòng có đất ra khỏi máy nén. Thí nghiệm xong phải lau chùi máy nén để chống rỉ các chi tiết của máy. 5. Tính toán kết quả thí nghiệm: Trình bày kết quả: Kết quả quan trắc được thể hiện dưới dạng 2 biểu đồ: + Biểu đồ quan hệ giữa hệ số rỗng ( thang trực tiếp)-cấp áp lực (thang logP). Hay thang P + Biểu đồ quan hệ chuyển vị (thang trực tiếp)-thời gian (thang log hoặc căn bậc 2). + Số liệu ghi nhận khi thí nghiệm: độ lún ổn định cuối cùng và độ lún theo thời gian dưới các cấp tải trọng. HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 Trang 15/30 TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN Trang 16/30 TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN 0.80 0.75 hệ số rỗng e 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415 16171819202122 232425262728 29303132 2 Ứng suất nén σ (kG/cm ) Hình 8. Đường cong nén lún e-σ HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 Trang 17/30 TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN Hình. Biểu đồ quan hệ e-logp Xác định thông số tính toán độ lún cố kết: ∆e s = ∆H = H 1 + e0 Trong đó: + ∆H =s: độ lún phân lớp (tương ứng với chuyển vị mẫu) + H: chiều dày lớp đất (tương ứng thí nghiệm ) + eo= độ lún ban đầu. + Khi tính lún bằng công thức trên cần sử dụng trực tiếp biểu đồ đường cong nén lún e-log(p) của thí nghiệm. Sử dụng biến thiên áp lực giữa σo và ∆e+ σo để xác định ∆e Áp lực tiền cố kết Pc: Đây là áp lực tối đa mà lớp đất đã bị cố kết trong quá trình lịch sử hình thành. Thông thường kết quả thí nghiệm thể hiện trên đường e-logP áp lực được phân thành 2 nhánh khác biệt. Module biến dạng của đất E: * Module biến dạng cho biết khả năng của đất chống lại tác dụng nén lún của tải trọng tác dụng. Hệ số nén lún a cho biết đất có khả năng biến dạng nhiều hay ít. + Khi E càng nhỏ thì đất cang yếu và biến dạng lún lớn. HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 Trang 18/30 TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN + Khi E lớn thì đất tốt và biến dạng nhỏ. + E= 300-5000(kN/m2) ( đất bùn yếu) đến 100,000 kN/m2( đá gốc, đá tảng) + Module đàn hồi là module chỉ xét đến biến dạng đang hồi. + Module biến dạng khi xét đến biến dạng đàn hồi và biến dạng dư. * Phương pháp nén mẫu không nở hông trong phòng thí nghiệm( TN OEDOMETER): áp dụng cho đất ít ẩm + Đất sét cứng: E = σZ λZ σ Z : áp lực tác dụng lên mẫu theo phương thẳng đứng. S λZ = : Biến dạng tương đối. h S: độ lún của mẫu đất. h: chiều cao ban đầu của mẫu đất. σ + Đất sét mềm và đất rời: E = β . Z λZ ⎛ 2.ν 2 ⎞ β = ⎜1 − ⎜ 1 −ν ⎟ : là hệ số xét đến nở hông của đất, ν: là hệ Possion phụ thuộc vào từng laọi ⎟ ⎝ ⎠ đất. * Phương pháp nén cố kết: áp dụng cho đất ẩm hoặc bảo hòa. 1 + ei −1 Ei −1,i = β . ai −1,i ⎛ 2.ν 2 ⎞ β = ⎜1 − ⎟ ⎜ 1 −ν ⎟ : là hệ số xét đến nở hông của đất, ν: là hệ Possion phụ thuộc vào từng laọi ⎝ ⎠ đất. e −e ∆e = i −1 i : Hệ số nén a (cm2/kG) là độ dốc của đường cong ∆σ σ i − σ i −1 ∆h ei = eo − i (1 + e o ) : Biểu thức xác định hệ số rỗng của đất tương ứng với độ lún ∆hi và ho chiều cao ban đầu của mẫu đất trước khi thí nghiệm ho khi chịu tải trọng. ai −1 = − HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 Trang 19/30 TIEÅU LUAÄN: ÑÒA CHAÁT COÂNG TRÌNH NAÂNG CAO GVGD: TS. BUØI TRÖÔØNG SÔN IV. SỐ LIỆU THỰC TẾ: Sau đây là kết quả thực tế do Công ty Tư vấn thiết kế GTVT Phía Nam (TEDI South) thu thập được tại công trình nhà máy điện Phú Mỹ 3 – Tỉnh Bà rịa Vũng Tàu. Kết quả nén tĩnh Lớp Cát sét. Độ sâu 0.5m HVTH: BUØI TRAÀN ÑAÏI-MSHV: 09090295 HVTH: HUYØNH LÖ VUÕ MINH-MSHV:90909010 LÔÙP: ÑKTXD 2009 Trang 20/30