Nội dung

Trong mục về các giá trị điển hình của các thông số cường độ kháng cắt thoát nước, đã cung cấp quan hệ kinh nghiệm giữa ‟và PI (hình 11.27), được dùng cho đất sét nguyên dạng cố kết thường trong thí nghiệm nén ba trục, và thực tế phần lớn các thí nghiệm được sử dụng là thí nghiệm CU có đo áp lực lỗ rỗng. Hình 11.27 vẫn có thể được sử dụng để đánh giá sơ bộ và kiểm tra các kết quả thí nghiệm trong phòng vì sự khác biệt ‟, phụ thuộc vào phá hoại được định nghĩa như thế nào, vv…thì nhỏ hơn sự phân tán trong hình. 11.9.6 Sử dụng cường độ kháng cắt cố kết-không thoát nước (CU) trong thực tế Sử dụng cường độ kháng cắt CU trong thực tế như thế nào? Như đã đề cập ở phần trước, thí nghiệm CU, có đo áp lực lỗ rỗng, được sử dụng rộng rãi để xác định các thông số cường độ kháng cắt của đất với cả ứng suất tổng và ứng suất hiệu quả. Cường đội CU được sử dụng cho các bài toán ổn định, ở đó đất đã được cố kết hoàn toàn và ở trạng thái cân bằng với hệ thống các ứng suất hiện có. Sau đó, vì lý do nào đó, xuất hiện ứng suất phụ thêm tác dụng tức thời, nước không kịp thoát ra. Ví dụ thực tế như trượt của các mái dốc hồ chứa, kênh và đập đất bị xụt xuống nhanh. Kết quả thí nghiệm CU, dưới dạng ứng suất hiệu quả, được áp dụng ngoài thực tế như đã đề cập trong phần đầu của thí nghiệm CD. Một số ví dụ thực tế được thể hiện trong hình 11.37. Tương tự như thí nghiệm CD, thí nghiệm CU đối với đất sét vẫn còn tồn tại một số vấn đề. Để đo chính xác áp lực lỗ rỗng hình thành trong quá trình cắt, phải cẩn thận khi đánh giá mẫu bão hoà hoàn toàn, không có rò rỉ trong quá trình thí nghiệm, và tốc độ gia tải phải đủ chậm để đảm bảo áp lực lỗ đo được ở hai đầu mẫu tương tự như áp lực lỗ rỗng trong vùng lân cận mặt phẳng phá hoại. Như đã đề cập, việc sử dụng áp lực ngược nhằm đảm bảo mẫu bão hoà 100%. Những ảnh hưởng của hai yếu tố khác có thể giảm thiểu bằng các kỹ thuật thí nghiệm phù hợp đã được Bishop và Henkel (1962) đưa ra. Một vấn đề khác, không thường xuyên được đề cập, đó là cố gắng đo các thông số dài hạn hay cường độ ứng suất hiệu quả và các thông số cường độ kháng cắt tổng-CU hay ngắn hạn từ chuỗi các thí nghiệm giống nhau. Tốc độ gia tải hoặc biến dạng cần thiết để việc đo cường độ kháng cắt hiệu quả được chính xác có thể không thích hợp đối với hoàn cảnh gia tải không thoát nước hoặc ngắn hạn. Ứng suất - biến dạng và cường độ của đất sét phụ thuộc vào tốc độ gia tải; do đó nếu gia tải nhanh hơn thì cường độ sẽ cao hơn. Trong trường hợp ngắn hạn, tốc độ gia tải ngoài hiện trường có thể rất nhanh, và vì thế để mô phỏng đúng thực tế thì tốc độ gia tải trong phòng thí nghiệm phải tương xứng. Do vậy, hai mục tiêu của thí nghiệm ứng suất hiệu quả CU thực sự không hợp nhau. Do đó tốt nhất là, dù ít khi gặp trong thực tứ, tiến hành hai tập thí nghiệm, một tập là thí nghiệm CD mô phỏng trường hợp cường độ kháng cắt dài hạn và một tập khác là thí nghiệm CU mô phỏng sức kháng cắt ngắn hạn trong điều kiện gia tải không thoát nước. 187 Ví dụ 11.11 Cho: Mẫu đất sét cố kết thường được cố kết bởi ứng suất 150 kPa, sau đó bị cắt trong điều kiện không thoát nước. Độ lệch ứng suất chính khi mẫu phá hoại là 100 kPa, và áp lực lỗ rỗng lúc phá hoại là 88 kPa. Yêu cầu: Xác định các thông số cường độ kháng cắt Mohr-Coulomb dưới dạng ứng suất tổng và ứng suất hiệu quả (a) bằng giải tích và (b) bằng đồ thị. Vẽ vòng Mohr ứng suất tổng và ứng suất hiệu quả 188 và đường bao phá hoại. (c) Tính (‟1/‟3)f và (1/3)f. (d) Xác định góc lý thuyết của mặt phẳng phá hoại trong mẫu. Lời giải: Để giải bài toán này cần giả thiết rằng cả c‟ và c T có thể bỏ qua. Khi đó có thể sử dụng các quan hệ (từ công thức 10-14 đến 10-17) để tính ‟ và T. a. Để sử dụng các công thức trên, cần biết 1f, '1f, 3f, và '3f. Biết 3f = 150 kPa và (‟1 - ‟3)f = 100 kPa. Do đó Từ công thức 10-13, b. Lời giải đồ thị bao gồm các đường bao phá hoại thể hiện trong hình ví dụ 11.11. Để vẽ vòng Mohr ứng suất hiệu quả và ứng suất tổng, cần phải tính 1f, '1f, '3f. Tâm của các vòng tròn này tại (200, 0) cho ứng suất tổng và tại (112, 0) cho ứng suất hiệu quả. c. Các hệ số ứng suất khi phá hoại là Có thể nhận được các giá trị này bằng cách khác, sử dụng công thức 10-14. 189 d. Sử dụng công thức 10-10, dưới dạng ứng suất hiệu quả: 11.9.7 Thí nghiệm cắt không cố kết – không thoát nước (UU) Trong thí nghiệm này, mẫu đất được đặt trong đẳng hướng ba trục có các van thoát nước được đóng ngay từ đầu. Vì thế, mặc dù khi tác dụng áp suất đẳng hướng, nếu mẫu đất bão hoà 100% thì không xảy ra quá trình cố kết. Sau đó, giống như thí nghiệm CU, mẫu bị cắt không thoát nước. Mẫu bị gia tải tới phá hoại trong vòng khoảng 10 đến 20 phút; thường thường trong thí nghiệm này không đo áp lực nước lỗ rỗng. Thí nghiệm này là thí nghiệm ứng suất tổng và cho cường độ kháng cắt dưới dạng ứng suất tổng. A. Casagrande đầu tiên gọi thí nghiệm này là Q-test (Q cho “quick”) mẫu được gia tải đến phá hoại nhanh hơn rất nhiều so với thí nghiệm S-test. Các điều kiện ứng suất tổng, trung hoà, hiệu quả trong mẫu trong một vài giai đoạn của thí nghiệm UU được trình bày trong hình 11.38. Các ký hiệu tương tự như trong hình 11.23 và 11.29. Thí nghiệm được trình bày trong hình 11.38 tương đối phổ biến trong đó áp lực đẳng hướng thường đẳng hướng, và mẫu bị phá hoại bằng cách tăng tải trọng dọc trục, thường thường với một tốc độ biến dạng không đổi. Như trong các thí nghiệm khác, độ lệch ứng suất tại thời điểm phá hoại là (1 – 3)max. 190 Lưu ý rằng với các mẫu nguyên dạng, ban đầu áp lực lỗ rỗng âm, được gọi là áp lực lỗ rỗng dư – ur, hình thành do sự giảm ứng suất của đất trong quá trình lấy mẫu. Vì ứng suất hiệu quả ban đầu phải lớn hơn không (nếu không thì mẫu sẽ phân rã) và ứng suất tổng bằng không (áp suất khí quyển = không trong áp suất kế), nên áp lực lỗ rỗng phải âm, (xem hình 10.21 để hiểu rõ hơn về quá trình lấy mẫu). Khi tác dụng áp lực đẳng hướng và đóng các van thoát nước, trong mẫu sẽ hình thành áp lực lỗ rỗng dương uc chính xác bằng với áp lực đẳng hướng c. Toàn bộ ứng suất đẳng hướng gia tăng được truyền sang nước lỗ rỗng bởi vì (1) đất bão hoà 100%, (2) khả năng bị nén của nước và các hạt đất riêng biệt nhỏ hơn so với khả năng bị nén của kết cấu đất, và (3) có một quan hệ đặc biệt giữa ứng suất đẳng hướng hiệu quả và hệ số rỗng (Hirschfeld, 1963). Số 1 là hiển nhiên. Số 2 có nghĩa là không có sự thay đổi thể tích ngoại trừ nước được phép thát ra khỏi (hoặc đi vào) mẫu, và điều đó được ngăn chặn không cho xảy ra. Số 3 về cơ bản nghĩa là không xảy ra nén thứ cấp (thay đổi thể tích khi ứng suất không đổi). Có thể nhắc lại phần thảo 191 luận về các giả thiết của lý thuyết cố kết Terzaghi (chương 9) rằng cần có các giả thuyết tương tự đó là hệ số rỗng và ứng suất hiệu quả có quan hệ đặc biệt. Vì vậy có thể không có sự thay đổi hệ số rỗng nếu không có sự thay đổi ứng suất hiệu quả. Vì không có sự thay đổi độ ẩm nên hệ số rỗng và ứng suất hiệu quả không đổi. Các trạng thái ứng suất trong quá trình gia tải dọc trục và khi mẫu phá hoại là tương tự như trong thí nghiệm CU (hình 11.29). Chúng có thể phức tạp, nhưng nếu nghiên cứu hình 11.38 sẽ thấy rằng thí nghiệm UU cũng dễ hiểu như thí nghiệm CU. Thông thường, các đường cong ứng suất - biến dạng của cùng một loại đất từ thí nghiệm UU không khác nhiều so với đường cong ứng suất - biến dạng từ thí nghiệm CU hoặc CD. Đối với mẫu đất nguyên dạng phụ thuộc nhiều vào chất lượng của mẫu, đặc biệt là những đoạn đầu của đường cong (modul tiếp tuyến ban đầu). Tương tự, độ nhạy (phần 2.7) ảnh hưởng đến hình dạng của những đường cong này; sét có độ nhạy cao thì đường cong ứng suất - biến dạng có đỉnh nhọn. Độ lệch ứng suất cực đại thường đạt được ở biến dạng rất nhỏ, thường là dưới 0.5%. Một số đường cong ứng suất - biến dạng điển hình từ thí nghiệm UU được thể hiện trong hình 11.39. Đường bao phá hoại Mohr của thí nghiệm UU của đất sét bão hoà 100% được thể hiện trong hình 11.40. Tất cả các mẫu đất sét bão hoà hoàn toàn có lẽ có cùng độ ẩm (và hệ số rỗng), và do đó chúng sẽ có cùng cường độ kháng cắt vì không cho phép đất cố kết. 192 Vì thế tất cả các vòng Mohr lúc phá hoại có cùng đường kính và đường bao phá hoại Morh sẽ là đường thẳng nằm ngang (xem hình 10.9c). Đây là điểm vô cùng quan trọng. Nếu không hiểu điều này, hãy xem lại hình 11.38 để thấy rằng trong thí nghiệm UU ứng suất cố kết hiệu quả không đổi suốt quá trình thí nghiệm. Nếu tất cả các mẫu đất có cùng độ ẩm và độ chặt (hệ số rỗng) thì chúng sẽ có cùng cường độ. Như đã đề cập, thí nghiệm UU cho cường độ kháng cắt dưới dạng ứng suất tổng, và góc T của đường bao phá hoại Mohr từ thí nghiệm UU bằng không. Giao của đường bao này với trục  xác định thông số cường độ ứng suất tổng c, hoặc f = c, trong đó f là cường độ kháng cắt không thoát nước. Đối với đất bão hoà một phần, một tập các thí nghiệm UU sẽ cho một đường bao phá hoại cong ở đoạn đầu (hình 11.40b) cho tới khi sét bão hoà hoàn toàn 100% chỉ do áp lực đẳng hướng. Mặc dù vậy các van thoát nước vẫn đóng, áp lực đẳng hướng sẽ nén khí trong các lỗ rỗng và giảm hệ số rỗng. Khi tăng áp lực đẳng hướng, mẫu sẽ bị nén nhiều hơn và thậm chí khi áp lực đủ lớn thì mẫu bão hoà 100%. Sau đó, như với trường hợp mẫu bão hoà 100% ngay từ đầu, đường bao phá hoại Mohr trở nên nằm ngang, như thể hiện ở phía bên phải của hình 11.40b. Một cách khác xem xét quá trình nén của mẫu sét bão hoà một phần được thể hiện trong hình 11.41. Khi tăng theo cấp áp lực đẳng hướng, áp lực lỗ rỗng đo được tăng từ từ cho tới một thời điểm nào đó áp lực nước lỗ rỗng tăng thêm bằng độ tăng áp lực đẳng hướng. Khi đó mẫu bão hoà 100% và đường cong liên tục (thí nghiệm) sẽ song song với đường dốc 45 0 như trong hình 11.41. 193 Về nguyên tắc, có thể đo được áp lực nước lỗ rỗng trong một chuỗi thí nghiệm UU mặc dù ít khi làm điều này. Vì ứng suất hiệu quả lúc phá hoại độc lập với áp lực đẳng hướng tác dụng lên một số mẫu nên chỉ có duy nhất một vòng Mohr ứng suất hiệu quả UU lúc phá hoại. Điều này được minh hoạ trong hình 11.42. Lưu ý rằng dù áp lực buồng thế nào (ví dụ, c1, c2, vv.) thì chỉ có duy nhất một vòng Mohr ứng suất chính nhỏ nhất hiệu quả tại điểm phá hoại. Ứng suất nhỏ hiệu quả tại điểm phá hoại (‟hf) giống nhau cho tất cả các vòng Mohr ứng suất tổng như trong hình. Vì chỉ có duy nhất một vòng Mohr ứng suất lúc phá hoại mà lại cần phải xác định trước cả ‟ và c‟ để vẽ đường bao phá hoại Mohr dưới dạng ứng suất hiệu quả cho thí nghiệm UU. Có thể xác định góc nghiêng của mặt phẳng phá hoại trong mẫu thí nghiệm UU và viện theo giả thuyết phá hoại Mohr, nhưng như đã thảo luận trong phần 10.4, cách tiếp cận này vẫn còn những vấn đề thực tiễn. Cũng cần phải lưu ý rằng góc nghiêng của mặt phẳng phá hoại f trong hình 11.42 được xác định bởi đường bao ứng suất hiệu quả. Mặt khác thì, như đã chỉ ra trong hình 10.9c và công thức 10-10, theo lý thuyết f dự đoán là 450 194 Vì cường độ của đất cuối cùng được kiềm chế hoặc bị chi phối bởi ứng suất hiệu quả nên các điều kiện vật lý kiềm chế sự hình thành mặt phẳng phá hoại trong mẫu thí nghiệm ở mức độ nào đó phải được kiềm chế bởi ứng suất hiệu quả tác dụng lên mẫu lúc phá hoại. Vì thế công thức 10-10 biểu diễn dưới dạng ‟ thay vì T. Đường ứng suất của thí nghiệm UU trong hình 11.42 được thể hiện trong hình 11.43. Đó là ứng xử của sét cố kết thường, và giá trị của p và q của cả ba thí nghiệm được liệt kê trong bản bên dưới hình vẽ. Theo hình 11.38, cần thiết kiểm tra những giá trị này. Nếu đất sét đã quá cố kết thì từ những hiểu biết về thí nghiệm CU có thể dự đoán rằng đường ESP có hình dạng tương tự như trong hình 11.34b. 195 Cường độ kháng cắt không thoát nước của đất sét sẽ dao động lớn. Dĩ nhiên, T bằng không, nhưng độ lớn của f có thể biến thiên từ không đối với đất trầm tích mềm yếu đến vài Mpa đối với đất rất cứng hoặc đá mềm. Thường thường, cường độ kháng cắt không thoát nước của đất ngoài hiện trường được tiêu chuẩn hoá liên quan với ứng suất hiệu quả theo phương thẳng đứng ‟vo tác dụng tại điểm lấy mẫu. Vì thế hệ số f /‟vo được phân tích và so sánh với các kết quả khác. Đặc điểm này được nghiên cứu chi tiết hơn trong phần sau của chương này. 11.9.9 Thí nghiệm nén nở hông Về lý thuyết có thể thực hiện thí nghiệm nén nở hông và nhận được cường độ kháng cắt dưới dạng ứng suất tổng UU. Thí nghiệm này là trường hợp đặc biệt của thí nghiệm UU có áp lực đẳng hướng hay áp lực buồng bằng không (áp suất khí quyển). Các điều kiện ứng suất trong mẫu thí nghiệm nén nở hông tương tự như trong hình 11.38 của thí nghiệm UU, ngoại trừ c bằng không, như trong hình 11.44. Nếu so sánh hai hình này sẽ thấy rằng ứng suất hiệu quả lúc phá hoại là 196