Nội dung

CH¦¥NG vi Trang 253 CH¦¥NG VI: C¸C THÝ NGHIÖM §ÊT HIÖN TR¦êng §Ó tÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ nÒn mãng c¸c c«ng tr×nh x©y dùng, cÇu ®−êng, thuû lîi, ta cÇn ph¶i biÕt c¸c chØ tiªu tÝnh chÊt c¬-lý cña ®Êt nÒn. C¸c chØ tiªu nµy th−êng ®−îc x¸c ®Þnh trong phßng thÝ nghiÖm ®èi víi c¸c mÉu ®Êt lÊy ®−îc tõ c¸c lç khoan ë hiÖn tr−êng. PhÇn lín c¸c chØ tiªu c¬-lý cña ®Êt ph¶i ®−îc x¸c ®Þnh trªn c¸c mÉu ®Êt cßn nguyªn d¹ng, nh−ng víi c¸ch thÝ nghiÖm ë trong phßng th−êng thùc hiÖn víi c¸c mÉu ®Êt cã kÝch th−íc nhá, mÉu ®Êt cã thÓ bÞ mÊt tÝnh chÊt nguyªn d¹ng do qu¸ tr×nh lÊy mÉu, vËn chuyÓn, b¶o qu¶n vµ thÝ nghiÖm g©y t¸c ®éng kh«ng tèt ®Õn mÉu ®Êt thÝ nghiÖm. Ngoµi ra trong nhiÒu tr−êng hîp kh«ng thÓ lÊy ®−îc c¸c mÉu ®Êt nguyªn d¹ng tõ c¸c lo¹i ®Êt rêi vµ c¸c lo¹i ®Êt sÐt yÕu ë tr¹ng th¸i nh·o. Do ®ã ta b¾t buéc ph¶i tiÕn hµnh thÝ nghiÖm hiÖn tr−êng trªn ®Êt tù nhiªn. Tõ c¸c sè ®o cña thÝ nghiÖm hiÖn tr−êng ta cã thÓ suy ra ®−îc c¸c ®Æc tr−ng tÝnh chÊt cña ®Êt theo t−¬ng quan thùc nghiÖm ®· ®−îc thiÕt lËp. ViÖc khoan vµ lÊy mÉu ®Êt vÒ lµm thÝ nghiÖm th−êng tèn kÐm nhiÒu nªn sè l−îng lç khoan vµ sè l−îng mÉu lÊy vÒ thÝ nghiÖm th−êng bÞ h¹n chÕ, do ®ã sÏ lµm gi¶m møc ®é tin cËy, tiªu biÓu ®¹i diÖn cho vïng ®Êt réng lín cÇn kh¶o s¸t. Ng−îc l¹i thÝ nghiÖm hiÖn tr−êng ®¬n gi¶n, nhanh chãng, rÎ tiÒn h¬n, do ®ã cã thÓ lµm víi mËt ®é dµy h¬n vµ liªn tôc trong mét cét ®Êt cña lç khoan. V× vËy, sù cã mÆt cña sè liÖu thÝ nghiÖm hiÖn tr−êng lµm cho tµi liÖu kh¶o s¸t nÒn ®Êt cã ®é tin cËy cao h¬n rÊt nhiÒu vµ gióp cho chóng ta t×m ®−îc nh÷ng gi¶i ph¸p nÒn mãng hîp lý, tiÕt kiÖm, ®ång thêi tr¸nh ®−îc nh÷ng sù cè do kh«ng n¾m ch¾c ®−îc t×nh h×nh cña nÒn ®Êt. Nh−îc ®iÓm cña thÝ nghiÖm hiÖn tr−êng lµ ch−a t¹o ra ®−îc mét tr¹ng th¸i c¬ häc ®¬n gi¶n, râ rµng. Do ®ã c¸c ®¹i l−îng ®o ®−îc th−êng lµ c¸c chØ tiªu mang tÝnh quy −íc, chÞu ¶nh h−ëng cña nhiÒu yÕu tè vµ khã ®−a vµo trùc tiÕp víi s¬ ®å tÝnh to¸n lý thuyÕt. 6.1 ThÝ nghiÖm xuyªn tiªu chuÈn (SPT). §©y lµ ph−¬ng ph¸p thÝ nghiÖm x¸c ®Þnh søc kh¸ng xuyªn cña ®Êt t¹i ®¸y hè khoan khi xuyªn èng mÉu (kÝch th−íc tiªu chuÈn) b»ng c¸ch ®ãng bóa theo tiªu chuÈn vµ lÊy mÉu ph¸ huû ®Ó lµm c¸c thÝ nghiÖm ph©n lo¹i ®Êt. Tªn SPT lµ tªn gäi t¾t theo tiÕng Anh: Standard Penetration Testing. ChÝnh tõ viÖc lÊy mÉu ®Êt b»ng c¸ch ®ãng ngËp mét èng thÐp vµo trong ®Êt mµ Terzaghi ®· ®Ò xuÊt thÝ nghiÖm SPT tõ n¨m 1927. Ngµy nay c¸c n−íc Ch©u ¢u Ýt dïng, nh−ng c¸c n−íc B¾c Mü vÉn dïng réng r·i SPT. 6.1.1. Nguyªn lý thÝ nghiÖm: Nguyªn lý c¬ b¶n cña thÝ nghiÖm nµy lµ sö dông lùc r¬i tù do cña bóa nÆng 63,5kg tõ ®é cao lµ 760mm xuèng ®Çu xuyªn. Sè lÇn bóa r¬i (N) ®ñ ®Ó èng mÉu xuyªn ®−îc vµo trong ®Êt mét chiÒu s©u 300mm (sau khi nã ®· c¾m xuèng ®Êt nhê träng lùc vµ bé ®ãng) ®−îc coi lµ lùc kh¸ng xuyªn (N). Trang 254 CH¦¥NG vi 76 476 152 6.1.2. ThiÕt bÞ vµ c¸ch thÝ nghiÖm: èng lÊy mÉu tiªu chuÈn (®Ó thÝ ®Çu nèi nghiÖm SPT) lµ èng thÐp rçng gåm hai nöa vá trô ®−îc l¾p ghÐp l¹i nhê vßng c¾t vµ bé chuyÓn tiÕp dïng ®Ó nèi èng 51 lÊy mÉu, víi ®−êng kÝnh ngoµi D=51mm vµ ®−êng kÝnh trong d=38mm (H×nh VIèng mÉu 1a) §Ó thÝ nghiÖm tr−íc hÕt ph¶i 38 khoan t¹o lç ®Õn tËn chiÒu s©u thÝ nghiÖm, thiÕt bÞ khoan ph¶i ®¶m b¶o khoan vµ lµm s¹ch ®¸y hè khoan tr−íc ®Çu c¾t khi h¹ èng mÉu xuèng vµ ph¶i ®¶m b¶o lµ thÝ nghiÖm xuyªn ®−îc thùc hiÖn a) b) trong ®Êt t−¬ng ®èi nguyªn tr¹ng. TiÕp H×nh VI-1 theo l¾p èng mÉu vµo cÇn vµ h¹ bé èng lÊy mÉu xuèng ®¸y hè khoan (H×nh VI-1b), råi dïng bóa nÖn nhÑ cho èng mÉu c¾m vµo ®Êt kho¶ng 150mm. §ãng bóa thÝ nghiÖm r¬i ë ®é cao tiªu chuÈn, ®Õm sè nh¸t ®Ëp N1 ®Ó èng mÉu ngËp vµo ®Êt 150mm; lµm tiÕp lÇn thø hai ®Õm sè nh¸t ®Ëp N2 ®Ó èng mÉu ngËp vµo ®Êt 150mm tiÕp theo. LÊy trÞ sè N=N1+N2 lµ sè nh¸t ®Ëp ®Ó èng mÉu ngËp vµo ®Êt 300mm. Sau khi thÝ nghiÖm rót èng lÊy mÉu lªn, bæ ®«i vµ thu lÊy mÉu ®Êt ®em vÒ thÝ nghiÖm trong phßng. Th«ng th−êng cø kho¶ng 1,5m chiÒu s©u thÝ nghiÖm mét lÇn. 6.1.3. HiÖu chØnh sè ®äc. Lùc kh¸ng xuyªn (N) phô thuéc vµo n¨ng l−îng h÷u Ých cña bóa vµ chiÒu s©u cña ®iÓm thÝ nghiÖm, do ®ã sau khi thÝ nghiÖm xong cÇn ph¶i hiÖu chØnh sè ®äc khi thÝ nghiÖm. N¨ng l−îng toµn phÇn do bóa r¬i lµ: E=63,5kg x 0,76m ≈ 48,3kg.m. Tuy vËy, n¨ng l−îng E nµy kh«ng hoµn toµn chuyÓn tíi èng lÊy mÉu, mµ nã cßn mÊt m¸t n¨ng l−îng x¶y ra ë c¸c phÇn sau: - MÊt m¸t n¨ng l−îng do ma s¸t gi÷a bóa r¬i víi trôc dÉn h−íng, ma s¸t gi÷a d©y kÐo víi rßng räc. - MÊt m¸t n¨ng l−îng do ng−êi thÝ nghiÖm khi th¶ d©y ®Ó bóa r¬i, ng−êi thÝ nghiÖm kh«ng th¶ tù do mµ vÉn h¬i nÝu d©y l¹i. - MÊt m¸t n¨ng l−îng do ma s¸t gi÷a ®Êt vµ lç khoan víi cÇn xuyªn. B¶ng (VI-1) tr×nh bµy n¨ng l−îng hiÖu qu¶ trung b×nh thèng kª ë mét sè n−íc ®Ó tham kh¶o. ë c¸c n−íc ®ang ph¸t triÓn, thiÕt bÞ SPT phæ biÕn lµ lo¹i nhÉn, sö dông d©y kÐo trªn rßng räc. Víi lo¹i nµy. ë c¸c n−íc tiªn tiÕn, n¨ng l−îng hiÖu qu¶ chän lµ 45÷65%. ë ViÖt Nam, chóng ta ch−a cã thèng kª nh−ng ®Ó an toµn, cã thÓ t¹m lÊy n¨ng l−îng h÷u Ých tõ kho¶ng 35÷55%. Do ®ã ta cÇn ph¶i chuÈn ho¸ (N) Trang 255 CH¦¥NG vi vÒ mét gi¸ trÞ cã cïng hiÖu qu¶, ë c¸c n−íc tiªn tiÕn, ng−êi ta coi 60% lµ n¨ng l−îng h÷u Ých trung b×nh. Do ®ã th−êng quy ®æi N vÒ N60 (60% vÒ n¨ng l−îng h÷u Ých). B¶ng VI-1: N¨ng l−îng hiÖu qu¶ (%) cña mét sè thiÕt bÞ SPT. Lo¹i SPT Lo¹i nhÉn (Donut) Lo¹i an toµn (Safety) D©y+rßng räc Tù ®éng D©y+rßng räc Tù ®éng B¾c Mü 45 - 70 ÷80 80÷100 NhËt 67 78 - - Anh - - 50 60 Ngoµi ra, nÕu cïng mét lo¹i ®Êt, víi N60 = 10 t¹i chiÒu s©u 1m, th× t¹i ®é s©u 30m , N60 cã thÓ lªn tíi 20. §iÒu ®ã nãi lªn t¹i ®é s©u 30m, ¸p lùc ngang lín h¬n rÊt nhiÒu so víi t¹i ®é s©u 1m, cho nªn cÇn ph¶i ®Ëp nhiÒu nh¸t ®Ëp h¬n. Nh− vËy, ta cÇn hiÖu chØnh víi hai hÖ sè sau: N '60 = N 60 .C N = N.CE .C N Trong ®ã: CE - hÖ sè hiÖu qu¶ ®−îc tÝnh CE = (VI-1) Eh ; 60 Eh - N¨ng l−îng hiÖu qu¶ cã thùc cña thiÕt bÞ ; 60 - N¨ng l−îng hiÖu qu¶ tiªu chuÈn (60%). ë n−íc ta, cã thÓ lÊy CE = 0,5÷0,8 CN - hÖ sè ®é s©u, hÖ sè nµy ®−îc nhiÒu t¸c gi¶ kiÕn nghÞ lÊy nh− sau: Liao vµ Whitman (1986): C N = (0,9576 / σ vo' ) 0,5 Peck (1974) : C N = 0,77. log (20 / 1,05 / σ vo' ) Skempton (1986) : CN = 2 1 + σ vo' ( ) (VI-2) (VI-3) (VI-4) ë ®©y σ vo' - øng suÊt h÷u hiÖu theo ph−¬ng th¼ng ®øng do b¶n th©n ®Êt g©y ra, bar (≈kG/cm2). Víi ®é s©u nhá h¬n 2m th× nªn dïng ph−¬ng tr×nh (VI-3) hoÆc (VI-4). 6.1.4. T−¬ng quan gi÷a c¸c chØ tiªu c¬ lý cña ®Êt vµ kÕt qu¶ SPT. 6.1.4.1. §¸nh gi¸ tr¹ng th¸i cña ®Êt dùa vµo kÕt qu¶ SPT. - §èi víi ®Êt rêi: Terzaghi vµ Peck(1967) ®Çu tiªn ®−a ra t−¬ng quan gi÷a N (ch−a hiÖu chØnh) víi ®é chÆt t−¬ng ®èi D nh− b¶ng (VI-2) Trang 256 CH¦¥NG vi - §èi víi ®Êt dÝnh: Szechy vµ Varga (1978) ®· ®−a ra t−¬ng quan gi÷a ®é sÖt B vµ N60 theo b¶ng (VI-3), tuy nhiªn ®é tin cËy cña b¶ng nµy kh«ng cao, v× c¸c ®Êt cã ®é nh¹y c¶m kh¸c nhau sÏ cã t−¬ng quan kh¸c nhau. B¶ng VI-2: §é chÆt t−¬ng ®èi D N 0÷4 4÷10 10÷30 30÷50 >50 D(%) 0÷15 15÷35 35÷65 65÷85 85÷100 Tr¹ng th¸i rÊt rêi rêi chÆt rêi chÆt rÊt chÆt B¶ng VI-3: Tr¹ng th¸i cña ®Êt dÝnh N60 <2 2÷8 5÷15 15÷30 >30 B >0,5 0,25÷0,5 0÷0,25 -0,5÷0 <-0,5 Tr¹ng th¸i mÒm DÎo cøng nöa cøng Cøng rÊt r¾n 6.1.4.2. §¸nh gi¸ søc kh¸ng c¾t cña ®Êt dùa theo kÕt qu¶ SPT. - §èi víi ®Êt rêi: B¶ng (VI-4) cho mèi t−¬ng quan gi÷a ϕ vµ N Peck, Hanson, vµ Thornburn ®· ®−a ra mèi t−¬ng quan gi÷a ϕ vµ N 60' (®· hiÖu chØnh ®é s©u) theo ph−¬ng tr×nh sau: ϕ ≈ 54 − 27,6034e −0,014 N ' 60 (VI-5) Cßn Schmertmann ®−a ra mèi t−¬ng quan theo ph−¬ng tr×nh sau: ϕ ≈ arctg [N 60 / (12,2 + 20,3.σ vo' )] 0 , 34 (VI-6) C¸ch tÝnh theo Schmertmann ®−îc cho lµ cã ®é tin cËy cao, nh−ng kh«ng nªn dïng víi c¸c ®é s©u nhá h¬n 2m. - §èi víi ®Êt dÝnh: C¸c t−¬ng quan søc chèng c¾t kh«ng tho¸t n−íc (Su) vµ SPT th−êng cã ®é tin cËy thÊp. Trong ®ã cã hai t−¬ng quan phæ biÕn nhÊt lµ: Terzaghi vµ Peck (1967): Su = 0,06 N60, bar (VI-7) Hara (1974) : Su = 0,29. N 600,72 ,bar (VI-8) B¶ng VI-4: T−¬ng quan N vµ ϕ N 0÷4 4÷10 10÷30 30÷50 >50 Theo Peck vµ céng sù <28 28÷30 30÷36 36÷41 >41 Theo Meyerhof <30 30÷35 35÷40 40÷45 >45 rÊt rêi rêi chÆt rêi chÆt rÊt chÆt Tr¹ng th¸i 6.1.5. NhËn xÐt vÒ thÝ nghiÖm SPT. CH¦¥NG vi Trang 257 ThÝ nghiÖm SPT dÔ lµm, thuËn tiÖn v× thùc hiÖn ngay trong lç khoan th¨m dß, kÕt hîp lÊy mÉu kh«ng nguyªn d¹ng dïng m« t¶ vµ thÝ nghiÖm ph©n lo¹i ®Êt, thÝ nghiÖm thùc hiÖn ®−îc ë ®é s©u ®ñ lín. TrÞ sè N lµ mét th«ng tin tèt ®Ó kiÓm chøng c¸c kÕt qu¶ thÝ nghiÖm trong phßng. Tuy vËy, theo c¸c chuyªn gia Ch©u ¢u cho r»ng nh÷ng t−¬ng quan SPT ch¼ng nh÷ng kh«ng tin cËy ®èi víi ®Êt dÝnh mµ ngay c¶ víi ®Êt rêi. ThÝ nghiÖm nµy lµ mét trong nh÷ng thÝ nghiÖm kÐm chÝnh x¸c nhÊt ®èi víi c¸c thÝ nghiÖm hiÖn tr−êng. 6.2. ThÝ nghiÖm xuyªn tÜnh. 6.2.1. Nguyªn lý thÝ nghiÖm. ThÝ nghiÖm xuyªn tÜnh hay cßn gäi lµ thÝ nghiÖm xuyªn c«n (CPT-Cone Penetration Test). ThÝ nghiÖm nµy nh»m x¸c ®Þnh t¹i chç søc kh¸ng cña ®Êt khi nÐn liªn tôc víi tèc ®é nhá vµ kh«ng ®æi bé cÇn nÐn cã g¾n liÒn mét mòi xuyªn h×nh c«n ë d−íi, ®ång thêi ®o liªn tôc hoÆc t¹i c¸c ®é s©u nhÊt ®Þnh søc kh¸ng xuyªn cña ®Êt øng víi mòi xuyªn. Ký hiÖu lµ qc vµ nÕu yªu cÇu th× c¶ søc kh¸ng cña ®Êt víi bÒ mÆt m¨ng x«ng (¸o ma s¸t) thµnh bªn cña xuyªn (fs) vµ ¸p lùc cña n−íc lç rçng xung quanh c«n vµ m¨ng x«ng (u). 6.2.2. Thµnh phÇn cña thiÕt bÞ xuyªn: C¸c bé phËn chñ yÕu cña m¸y xuyªn lµ ®Çu xuyªn, m¨ng x«ng, cÇn xuyªn, thiÕt bÞ ®o ®é nghiªng, c¬ cÊu gia lùc vµ ®o lùc, gi¸ ®ì, hÖ neo. §Çu xuyªn h×nh nãn gãc ë ®Ønh 600, ®Çu lµm b»ng vËt liÖu cøng, cã tiÕt diÖn ngang tõ 5÷20cm2. Lo¹i phæ biÕn th−êng dïng cã ®−êng kÝnh ®¸y lµ 35,7mm (diÖn tÝch ®¸y lµ 10cm2) phÇn trªn h×nh trô dµi 5mm (H×nh VI-2). M¨ng x«ng (®Æt phÝa trªn mòi dïng ®Ó ®o søc kh¸ng bªn) lµ mét èng h×nh trô ®éc lËp cã ®−êng kÝnh lµ ds vµ ph¶i tho¶ m·n dc 200 rÊt chÆt > 80% 1000 ho im ¸ ¨n t¨ g ng 8 T KÕ NG ¦ê TH 100 9 o c rx è o c 6 t¨ n g 5 c r 10 4 1 0 o Søc kh¸ng xuyªn ®· chuÈn ho¸ qT 7 ®é nh ¹y ¶m gi 3 2 Tû sè chuÈn ho¸ F= qT-f sσvo % H×nh VI-5.b Quan hÖ ë h×nh (VI-7) do JamiolKowsky (1985) ®−îc dïng phæ biÕn h¬n, theo t¸c gi¶: (VI-17) NÕu qc vµ σ vo' ®o b»ng bar th× D ≈ 68[log(q cn ) − 1] ⎡ ⎛ q c ⎜ σ' vo ⎝ NÕu qc vµ σ vo' ®o b»ng T/m2 th× D ≈ 66⎢log⎜ ⎢ ⎣ ⎤ ⎞ ⎟ − 98⎥ ⎟ ⎥ ⎠ ⎦ (VI-18) VÒ tr¹ng th¸i cña ®Êt dÝnh, quan hÖ gi÷a qc vµ ®é sÖt B ®−îc Szechy vµ Varga ®−a ra n¨m 1978 nh− b¶ng (VI-6). Tõ b¶ng (VI-6), cã thÓ lËp ph−¬ng tr×nh xÊp xØ nh− sau: ( ) B = − 0,06.q c3 + 6,36.q c2 − 357.q c 10 −4 + 0,66 (VI-19) B¶ng VI-6: Tr¹ng th¸i cña ®Êt dÝnh qc (CPT) B Tr¹ng th¸i <5 > 0,5 mÒm 5 - 15 0,25 ÷ 0,5 dÎo cøng 15 - 30 0 ÷ 0,5 nöa cøng 30 - 60 -0,5 ÷ 0 cøng > 60 < -0,5 rÊt r¾n