Xác định lực dính và góc ma sát trong

Ngày nay, Savo Kusić tập trung vào cửa sổ gỗ, cửa sổ nhôm-gỗ, cửa sổ tùy chỉnh, cửa ra vào và yêu cầu báo giá. Văn bản này vẫn là một kho lưu trữ địa kỹ thuật và không phải là một đề nghị dành cho thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, thiết kế địa kỹ thuật hoặc công tác đào đất.

Có một số cách để xác định các thành phần nội cản, lực dính và góc ma sát trong của đất bằng các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, trong đó nổi tiếng nhất là phép thử cắt trực tiếp và _nén ba trục.

Trải nghiệm cắt trực tiếp

Thử nghiệm được thực hiện trên thiết bị có tiết diện hình chữ nhật loại A. Casagrandea hoặc trên một thiết bị hình tròn thuộc loại Hvorsleva. Chúng tôi sẽ mô tả thí nghiệm với thiết bị có tiết diện hình chữ nhật, thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất. Trong cả hai trường hợp, phép thử được thực hiện với mẫu nguyên dạng hoặc với mẫu bị xáo trộn tại điểm chảy dẻo, trong trường hợp đó phép thử có giá trị so sánh.

Thiết bị cắt trực tiếp phần hình chữ nhật (hình 1)

Hình. 1_Mặt cắt ngang của thiết bị cắt trực tiếp Casagrande_

Thiết bị gồm hai phần, khung trên và khung dưới, phần dưới đứng yên, phần trên có thể di chuyển và có thể di chuyển ở phần dưới dưới tác dụng của lực ngang Z, tác dụng lên mặt phẳng tiếp xúc của khung trên và khung dưới.

Mẫu đất được đặt trong một vòng thép hình chữ nhật, thường có kích thước 100 × 100 × 30 mm hoặc các kích thước đó khi được cạo chính xác. Đá lọc được đặt phía trên và dưới cùng của mẫu, sau đó mọi thứ được đặt vào vòng của thiết bị, sau đó đổ đầy nước. Một thiết bị tải thẳng đứng được đặt trên mẫu. Đá lọc phía trên được kết nối với hệ thống tải mẫu thẳng đứng, trong khi đá lọc phía dưới được kết nối với các kênh nước, nhờ đó mẫu có thể được giữ ở trạng thái bão hòa trong quá trình thử nghiệm, nhằm loại trừ sự gắn kết rõ ràng.

Để loại trừ ma sát trên các bề mặt tiếp xúc giữa khung trên và khung dưới, có các thiết bị có khung phía trên bị xoắn, nhờ đó khung phía trên sẽ di chuyển dưới tác dụng của lực cắt ngang. Ngoài ra, các bề mặt tiếp xúc của khung trên và dưới được phủ một lớp thạch dầu mỏ. Một bộ so sánh 2 khác để đăng ký biến dạng dọc và ngang được bao gồm trong thiết bị.

Thử nghiệm cắt trực tiếp

Chủ yếu có 2 loại thử nghiệm cắt trực tiếp: thử nghiệm nhanh và chậm. Thử nghiệm Quick bao gồm việc nạp mẫu với một áp suất thẳng đứng nhất định, thường lên tới 0,50, sau khi được đưa vào thiết bị; 1,0; 2,0; 3,0 và 4,0 kp/cm2, chờ sự cố kết, được cho là đã đạt được nếu lún trong 24 giờ Δh 0,02 mm, sau đó tác dụng lực cắt ngang Z, kích thước 1/20 hoặc 1/40 một phần của lực thẳng đứng P, tăng cùng một giá trị mỗi phút cho đến khi mặt đất bị vỡ. Trong quá trình tác dụng lực cắt ngang, quá trình chuyển động của khung phía trên được theo dõi liên tục bằng cách đọc trên bộ so sánh và các biến dạng ngang được ghi lại vào nhật ký ngay trước mỗi tải trọng mới. Thời điểm mà bộ so sánh hiển thị một chuyển động đột ngột, được coi là thời điểm đột phá.

Thử nghiệm nhanh được áp dụng cho đất sét, độ cố kết tự nhiên dưới tải trọng mới chậm và tương ứng với phương pháp thực hiện thử nghiệm này.

Slow được thực hiện theo cách tương tự như trước với điểm khác biệt duy nhất là lực cắt ngang tăng trong khoảng thời gian dài hơn, có thể là 2, 5 và 15 mphút hoặc cho đến khi cố kết, tức là cho đến khi biến dạng ngang trở nên hoàn toàn không đáng kể. Quá trình cố kết dưới tác dụng của lực ngang được theo dõi trên bộ so sánh 9 (hình 1).

Thử nghiệm chậm được áp dụng cho đất cát hoặc đất bụi, trong trường hợp lực cắt ngang tăng trong một khoảng thời gian ngắn, quá trình cắt mẫu trong thiết bị sẽ tăng tốc do tác động của nước căng thẳng trong lỗ chân lông, điều này sẽ không tương ứng với quá trình tự nhiên. Do đó, khoảng thời gian tăng theo độ mịn của các hạt đất không liên kết, để cho phép cân bằng áp lực nước trong các lỗ rỗng của đất với áp lực nước bên ngoài. Sự cân bằng này đạt được bằng cách để đủ thời gian dưới tác dụng của từng mức tải trọng ngang, để lượng nước dư thừa trong các lỗ rỗng được ép ra ngoài qua đá lọc.

Ngoài các thử nghiệm đã đề cập, trong một số trường hợp nhất định, thử nghiệm nhanh không cố kết dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng được thực hiện, tức là lực cắt ngang được áp dụng ngay sau khi đưa mẫu vào thiết bị và tải mẫu với tải trọng thẳng đứng. Tuy nhiên, phương pháp thi công này được áp dụng trong các điều kiện đặc biệt, chẳng hạn như trường hợp nền đắp mới làm bằng đất sét, được chất tải ngay sau khi đắp mà không cần đầm nén trước.

Xác định góc ma sát trong và lực dính

Dựa trên kết quả kiểm tra, ứng suất cắt

τ=Z/A tính bằng kp/cm², ​

được tính từ lực cắt Z tính bằng kp tại thời điểm phá hủy và diện tích mặt cắt ngang của mẫu A tính bằng cm². Thử nghiệm được thực hiện với thiết bị 3 đến 4 được nạp với áp suất bình thường khác nhau σ=P/A tính bằng kp/cm² trong đó P là tải trọng thẳng đứng của mẫu tính bằng kp. Các giá trị áp suất bình thường sau đây thường được lấy: 1,0; 2,0; 3,0 và 4,0 kp/cm².

Hình. 2. Sơ đồ biến dạng ngang

Dựa vào sơ đồ phần tử ma sát trong thu được hai loại sơ đồ 1 và sơ đồ biến dạng ngang (hình 2).

Biểu đồ biến dạng ngang có được bằng cách áp dụng chuyển vị ngang ΔL tính bằng mm của khung trên của thiết bị đến khung dưới trên trục hoành độ, có được bằng cách đọc bộ so sánh 9 và trên trục tọa độ ứng suất cắt tương ứng τ tính bằng kp/cm² (hình 2).

Tùy thuộc vào độ nén của đất, sẽ có sơ đồ 1 cho đầm nén và sơ đồ 2 cho vật liệu rời.

Đối với vật liệu được nén chặt, ứng suất cắt τ ban đầu tăng khá mạnh so với chuyển vị ngang ΔL lên đến giới hạn tỷ lệ P, sau đó chậm hơn, theo đó đường cong của sơ đồ 1 tăng lên và đạt độ cao tối đa B, sau đó sơ đồ giảm dần trên một chiều dài nhất định, cuối cùng đạt đến dòng chảy ngang. Vùng leo thẳng của biểu đồ biến dạng ngang, trong đó độ tăng ứng suất cắt tỷ lệ thuận với độ tăng biến dạng, được coi là vùng biến dạng đàn hồi. Vượt quá giới hạn P, độ tăng ứng suất cắt giảm theo độ tăng biến dạng ΔL cho đến điểm B cao nhất của đồ thị. Trong vùng này, vật liệu bắt đầu “chảy” và nó được coi là vùng biến dạng dẻo. Điểm B cao nhất của biểu đồ 1 biểu thị ứng suất cắt cực đại max τ và giả định rằng vết nứt của đất xảy ra tại điểm này, tức là điểm B là điểm đứt. Ngoài điểm B, vật liệu ở trạng thái lỏng, độ bền cắt giảm và người ta cho rằng trong vùng này, nơi liên kết giữa các hạt bị đứt, chỉ có lực cản trượt chống lại lực cắt ngang. Điểm G nơi sơ đồ 1 chuyển sang hướng nằm ngang được lấy làm ranh giới trượt.

Ứng suất cắt ở giới hạn trượt B được gọi là cường độ cắt hoặc cường độ cắt thuần túy τf, trong khi ứng suất cắt ở giới hạn chảy G được gọi là cường độ trượt τg.

Đối với vật liệu rời, biểu đồ chuyển vị ngang cũng có vùng đàn hồi với giới hạn tỷ lệ P, nhưng phía hạ lưu là vùng dẻo đến giới hạn trượt G, tức là ứng suất cắt cực đại bằng cường độ giới hạn, trượt (τ=τg), vượt quá giới hạn đó là trạng thái lỏng của vật liệu.

Hình. 3. Biểu đồ cắt, a) đối với đất dính, b) đối với đất rời rạc

Biểu đồ cắt thu được khi áp suất bình thường σ tính bằng kp/cm2 được áp dụng cho trục hoành độ và cường độ cắt tương ứng τf tính bằng kp/cm2 được áp dụng cho trục tọa độ, theo đó cả hai giá trị này được áp dụng theo cùng một tỷ lệ (hình 3). Vì cường độ cắt τf của đất tăng theo áp suất bình thường σ, nên đối với các áp suất khác nhau σ1 sẽ thu được các điểm A, B, C và D, đại diện cho cường độ cắt tương ứng.

Để đạt được các điểm A, B, C và D nhất định trên sơ đồ 3 đối với đất dính (hình 3a), cường độ trượt _τ_g được áp dụng. Tuy nhiên, trong trường hợp đất sét, vật liệu bắt đầu chảy từ lâu trước khi đạt đến giới hạn trượt G và có xu hướng lấy cường độ cắt ở giới hạn tỷ lệ P để xác định lực dính c và góc ma sát trong của đất, nhưng vì nó tương đối nhỏ nên cường độ cắt thường được chấp nhận mà biến dạng ΔL trên biểu đồ 2 gấp đôi biến dạng ở mức tải trọng trước đó trong thiết bị. Sức mạnh này nằm ở đâu đó giữa ranh giới của P và B, tức là G (hình 2).

Bằng cách nối các điểm A, B, C và D trên sơ đồ 76a sẽ thu được sơ đồ cắt, là một đường thẳng trong các thử nghiệm thành công. Bằng cách mở rộng sơ đồ đến giao điểm với trục tọa độ, với σ = 0, người ta thu được dựa trên mô hình Coulomb τf = c+σ tgϕ rằng τf = c = lực dính của đất, trong khi độ nghiêng của sơ đồ về phía phương ngang sẽ cho góc ma sát trong. Bằng cách mở rộng biểu đồ cắt ở phía bên kia của trục tọa độ, ứng suất do lực dính pk thu được trên trục hoành, khi độ lớn lực dính c được biểu thị bằng lực cản ma sát:

c = pk tgϕ, từ đó pk = c/tgϕ

Đối với các loại đất rời rạc, chẳng hạn như cát, sơ đồ trong hình. 3b, đi qua gốc tọa độ, vì với σ = 0, chúng ta nhận được τ = 0. Tuy nhiên, nếu cát là hạt mịn và ướt, sơ đồ tương tự như trong hình. 3a, với độ gắn kết nhỏ hơn c, thể hiện sự gắn kết rõ ràng. Trong trường hợp đó, ứng suất pk trên trục hoành mở rộng ở phía bên kia của gốc tọa độ biểu thị ứng suất mao dẫn.

Cần lưu ý rằng việc xác định độ dính và ma sát của đất bằng thí nghiệm cắt trực tiếp có một số nhược điểm, trong đó quan trọng nhất là phá hoại của đất xảy ra trên bề mặt cắt được xác định trước chứ không phải trên bề mặt có khả năng chống cắt ít nhất, trong quá trình cắt mẫu trong thiết bị, bề mặt cắt bị giảm do chuyển động của khung trên ở khung dưới, do đó biến dạng của mẫu trong quá trình cắt chỉ có thể được theo dõi trong một khoảng thời gian ngắn, do đó lực cản trượt phía sau giới hạn đứt gãy không thể được kiểm soát ở mức a. đủ, đặc biệt trong trường hợp đất yếu khi biến dạng cắt lớn, v.v.

Thí nghiệm nén ba trục

Thử nghiệm được thực hiện trên một thiết bị ba trục, có cấu trúc khác nhau nhưng tất cả đều dựa trên cùng một nguyên tắc như sau. Mẫu nguyên dạng ở dạng con lăn được đặt thẳng đứng trên giá đỡ và chịu áp lực ngang của khối chất lỏng từ mọi phía, sau đó chịu áp lực thẳng đứng tăng dần cho đến khi mẫu bị gãy trên bề mặt có khả năng chống cắt ít nhất. Dựa vào cường độ cắt khi đứt, độ bám dính và góc ma sát trong của đất được tính toán.

Mô tả thiết bị ba trục

Hình. 4. Bộ máy ba trục

Thiết bị ba trục (hình 4) bao gồm phần dưới của tấm đế của buồng, trên đó đặt giá đỡ mẫu và ở phần trên của pít-tông để tải mẫu thẳng đứng và tấm phía trên đóng buồng. Kích thước mẫu phổ biến nhất là đường kính ϕ=36 mm, chiều cao h=2,2-2,5_ϕ_. Đường kính của buồng là D=135mm, chiều cao H = 180 mm. Một ống hẹp K1 để thoát mẫu từ phía dưới bắt đầu từ giữa giá đỡ mẫu, ống này nhận nước từ mẫu qua một tấm xốp và thoát ra ngoài buồng vào ống thủy tinh thẳng đứng C1. Nếu phép thử được thực hiện mà không làm cạn mẫu, kênh này dùng để đo áp suất nước trong các lỗ rỗng. Trong đế bằng đồng của buồng có một kênh K2 để cung cấp khối lượng chất lỏng nhằm lấp đầy buồng và đạt được áp suất ngang trong buồng lên mẫu.

Tay piston để nạp mẫu đi qua tấm trên của buồng. Mẫu trong buồng được bao quanh bởi một màng cao su, được kéo dài ở cả hai đầu và được nối với piston và đế bằng các vòng cao su. Ở giữa piston có kênh K3 để xả mẫu từ phía trên.

Từ các phía, buồng được đóng kín bằng một xi lanh thủy tinh plexi được cố định vào các tấm trên và dưới của buồng thông qua các vòng cao su.

Buồng được đặt trên một đế vững chắc. Việc tải mẫu thông thường được thực hiện thông qua một đòn bẩy có trọng lượng, tỷ lệ của chúng thường là 1: 10. Hệ thống để đạt được áp suất ngang lên mẫu trong buồng bao gồm một chai có khối lượng chất lỏng B, được đưa vào buồng bằng một ống, áp kế để đo áp suất không khí và một chai có khí nén. Một bộ so sánh được đặt phía trên piston để nạp mẫu nhằm đo độ lún của mẫu khi chịu tải.

Áp suất ngang của khối chất lỏng trong buồng có thể được điều chỉnh theo ý muốn bằng cách sử dụng áp suất không khí trong chai B, thông qua các van V1 và V2. Áp suất này gây ra ứng suất ngang trong mẫu σ2 và σ3, do tiết diện tròn của mẫu cân bằng σ2 = σ3.

Khối chất lỏng có thể là nước cất hoặc dầu, được ưu tiên để bịt kín tốt hơn vì nước có thể đi qua các vít. Dưới tác dụng của áp suất không khí trong chai B, khối chất lỏng sẽ lấp đầy khoang đến van V6, sau đó đóng lại. Tải trọng thẳng đứng của mẫu P, được truyền gần như không ma sát đến mẫu thông qua tay cầm piston, chia cho diện tích mặt cắt ngang của mẫu A tạo ra ứng suất thẳng đứng σ1 = P/A

Thực hiện thí nghiệm nén ba trục

Đối với mẫu thử nghiệm, nó được xử lý trong một thiết bị riêng biệt, sao cho thu được một con lăn có đường kính 36 mm, chiều cao 78 mm hoặc 90 mm, trên đó đặt đá lọc từ trên xuống dưới và đặt màng cao su. Sau đó, mẫu cùng với đá lọc được đặt trên giá đỡ trong buồng, các đầu, màng cao su được kéo qua giá đỡ và piston tải và được cố định bằng vòng cao su. Theo thực tế của một số phòng thí nghiệm, chẳng hạn như Giáo sư Skempton ở London, việc thoát mẫu trong buồng trong quá trình thử nghiệm được tăng tốc bằng cách lót các cạnh của mẫu bằng giấy lọc, giấy này được đặt trước khi màng cao su được kéo vào. Khi mẫu được đưa vào thiết bị và ống trụ Plexiglas được cố định ở các tấm trên và dưới, có thể thực hiện các thử nghiệm, có thể thực hiện theo nhiều cách, chẳng hạn như sau:

1. Thử nghiệm không thoát nước. Trong các thử nghiệm này, không được phép xả mẫu trong quá trình áp dụng thử nghiệm ngang và dọc, trong khi các van V4 và V5 đều đóng.

2. Thử nghiệm không thoát nước với cố kết. Trong quá trình áp dụng áp suất ngang, mẫu sẽ được thoát nước (van V4 và V5 đang mở), trong khi khi áp dụng áp suất thẳng đứng, không được phép thoát nước (V4 và V5 bị đóng).

3_) Mẫu đã ráo nước_. Mẫu được rút cạn trong toàn bộ thời gian thử nghiệm (van V4 và V5 mở), do đó xảy ra quá trình cố kết hoàn toàn và không tạo ra nước căng thẳng trong lỗ rỗng trong quá trình tác dụng áp suất thẳng đứng σ1. Thử nghiệm này mất nhiều thời gian, đặc biệt với đất có khả năng thấm kém, vì tải trọng thẳng đứng σ1 phải được thực hiện với số lượng lớn các giai đoạn nhỏ và phải chờ cố kết ở mỗi giai đoạn. Ngoài ra, các thử nghiệm được đề cập có thể được thực hiện với các mẫu bão hòa và bão hòa một phần._

Theo các khả năng đã nói ở trên, các thử nghiệm nén ba trục có thể được thực hiện theo các biến thể khác nhau và được điều chỉnh tùy theo loại đất trong điều kiện tải trọng.

Các thiết bị, quy trình, đơn vị, giá trị và mẫu được mô tả được chuyển từ nguồn lịch sử. Văn bản này không phải là một nghiên cứu địa kỹ thuật, quy trình thí nghiệm, dự án nền móng, bằng chứng về độ ổn định của mái dốc hoặc kế hoạch khai quật. Việc lựa chọn mẫu và phương pháp thử, trạng thái thoát nước và cố kết, nước ngầm, chế độ tải trọng, ảnh hưởng địa chấn và an toàn khi đào phải được xác định cho loại đất và công trình cụ thể, theo quy định hiện hành, với phòng thí nghiệm thích hợp và chuyên gia địa kỹ thuật được ủy quyền.