1 Chương 2 MỘT SỐ THÍ NGHIỆM NGOÀI TRỜI XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT ĐÁ 2.1. THÍ NGHIỆM NÉN NGANG (PRESSUREMETR – PMT) 2.1.1.Lịch sử phát triển của thiết bị nén ngang Năm 1930 A.A.Katatorov là người đầu tiên đề xướng ý tưởng xác định áp lực cho phép nhờ thiết bị là ống cao su đàn hồi được thả vào hố khoan. Năm 1933, F.Kolgler đã chế tạo thiết bị tương tự như của A.A.Katatorov. Do thiết bị này còn nhiều hạn chế, nên vẫn không áp dụng được vào thực tế. Sau đó, thiết bị nén ngang PMT được ra đời từ kết quả nghiên cứu trong luận văn thạc sỹ của Louis Menard tại đại học Ilinoi Hoa Kỳ. Năm 1957, Louis Menard đã chế tạo ra thiết bị thí nghiệm tính chất cơ học của của đất đá trong hố khoan, được gọi là thiết bị nén ngang và được đặt tên là Menard PMT. Thiết bị nén ngang được áp dụng nhiều tại Pháp. Qúa trình phát triển đã có nhiều loại thiết bị Menard ra đời với cơ chế điều khiển khác nhau: Thiết bị Menard PMT loại E và loại GC thí nghiệm theo cơ chế kiểm soát áp lực; Thiết bị TEXAM PMT có cả loại kiểm soát áp lực và kiểm soát thể tích; Thiết bị Pencel PMT thí nghiệm theo cơ chế kiểm soát thể tích; Thiết bị PMT tự khoan của Anh và của Pháp

2 2.1.2. Nguyên lý chung Thí nghiệm nén ngang là phương pháp thí nghiệm gia tải nhanh, làm giãn nở ống hình trụ được đưa vào hố khoan nhờ áp lực truyền qua chất lỏng chứa đầy trong buồng phụ và buồng công tác. Phương pháp này cho phép đánh giá được đặc tính biến dạng cuả đất đá và xác định được mô đun biến dạng của chúng tại thành hố khoan. 2.1.3. Thành phần thiết bị Bình khí tạo áp lực đối với thiết bị dùng áp lực khí hoặc hệ thống bơm thủy lực đối với thiết bị thủy lực; Hộp điều khiển trên đó có hệ thống van điều khiển áp lực khi bơm lưu lượng nước vào buồng công tác; hệ thống đồng hồ đo áp lực và đo sự thay đổi thể tích nước; Hệ thống cáp đẫn khí điện hoặc dẫn nước điện vào buồng công tác; Buồng công tác sử dụng để ép vào thành hố khoan khi tăng áp lực cho buồng. Chú ý: Trong thí nghiệm PMT, công tác khoan tạo lỗ phải đảm bảo đường kính phù hợp với buồng công tác. Hình 2.1 1-Bình khí nén; 2-Hộp giảm áp; 3- Áp kế; 4- Ống đo; 5-Van; 6-Thùng phụ; 7- Các ống dẫn; 8 và 10- Các buồng phụ; 9-Buồng công tác. Các buồng phụ và buồng công tác có thể được làm bằng chất dẻo.

3 2.1.4. Công tác chuẩn bị thí nghiệm -Bão hòa thiết bị gồm bão hòa hộp điều khiển, đồng hồ đo áp lực, và buồng PMT. -Chuẩn hóa thiết bị: * Hiệu chỉnh áp lực: Đặt buồng PMT thẳng đứng trong không khí để đo áp lực cần thiết để làm buồng công tác giãn nở ra trong không khí và vẽ đường cong hình 2.2. * Hiệu chỉnh thể tích: Thực hiện đối với thiết bị PMT điều khiển thể tích (Pencel). Đặt buồng PMT trong một ống thép dầy có đường kính hơi nhỉnh hơn đường kính buồng. Mục đích nhằm xác định sự mất mát thể tích do sự giãn nở của hộp điều khiển, hệ thống dẫn nước cũng như của buồng PMT. Cách vẽ đường B hiệu chỉnh thể tích hình 2.3 như sau: + Từ kết quả đo hiệu chỉnh thể tích vẽ đường A; + Xác định điểm E là điểm bắt đầu của đoạn tuyến tính trên đường A; + Kéo dài AE, cắt trục hoành tại K, vẽ đường nằm ngang EF;; + Vẽ bằng tay đoạn EH và lấy KH = FG; + Chuyển đường cong AEH về gốc tọa độ ta sẽ được đường B. Hình 2.2 Hình 2.3

4 Chuẩn hóa số đọc sau khi kết thúc thí nghiệm + Dựa vào kết quả đo được khi thí nghiệm vẽ đường cong E hình 2.4. + Hiệu chỉnh thể tích bằng cách lấy thể tích đo được trừ đi thể tích hiệu chỉnh trên đường cong C ta sẽ vẽ được đường cong F; + Hiệu chỉnh áp lực bằng cách lấy kết quả đo được khi thí nghiệm trừ đi áp lực hiệu chỉnh trên đường cong D, hình 2.5. (chú ý cộng phần áp lực từ bình đựng nước xuống mặt đất) Trên biểu đồ quan hệ lực và thể tích, ta sẽ xác định được các điểm P o, P f, và P l tương ứng với các điểm V o, V f và V l. Hình 2.4Hình 2.5

5 2.1.5. Chỉnh lý kết quả thí nghiệm 2.1.5.1. Xác định mô đun biến dạng: Từ biểu đồ quan hệ giữa áp lực và thể tích, mô đun biến dạng có thể xác định theo công thức sau: V c – Thể tích buồng công tác của thiết bị (537 cm 3 ) Xác định hệ số quá cố kết OCR và hệ số áp lực ngang của đất loại sét Hệ số quá cố kết được xác định theo công thức: Kulhawy và Mayne (1990) sử dụng thiết bị PMT tự khoan và kiến nghị sử dụng công thức: P o được xem là áp lực ngang địa tĩnh, nên hệ số nén ngang tĩnh được xác định:

6 2.1.6. Ứng dụng kết quả thí nghiệm PMT để dự báo độ lún của móng nông Sử dụng kết quả thí nghiệm PMT có thể dự báo độ lún của móng nông như sau: Trong đó: B – bề rộng móng, m; α – hệ số từ biến, tra theo bảng 2.1; λ d và λ c – hệ số hiệu chỉnh hình dáng tra theo bảng 2.2; E d – giá trị trung bình của E PMT trong khoảng 8B dưới đáy móng.

7 PHẦN BÀI TẬP Ví dụ: Thí nghiệm Pressuremeter Thực hiện trong hố khoan tại độ sâu 14.9 đến 15.1 m. Số liệu thí nghiệm được ghi trong bảng 2.3. Hình 2.6 Biểu đồ quan hệ áp lực và biến đổi thể tích

8 Bảng 2.3 Số liệu thí nghiệm PMT Số liệu chuẩn máySố liệu thí nghiệm PcV 60" PV 30" V 60" kG/Cm 2 Cm 3 kG/Cm 2 cm 3 Cm 3 000.3713 0.25310.452438 0.42750.76080 0.571150.9595110 0.771691.15120128 0.922401.35135140 1.083201.55143146 1.314301.75150153 1.565652155157 1.757052.15160162 1.87 2.4164165 2.9172174 3.15176179 3.3181183 3.5184186 3.7188191 3.85194196 4.05200202 4.3206208 4.55213215 5.05227230 5.3240244 5.6255261 5.85270276 6.1289296 6.4310320 6.6328340 6.8348361 7376389

9 Kết quả tính P0'P0' V,0V,0 Pf'Pf' V,fV,f VmVm kG/cm 2 cm 3 kG/cm 2 cm 3 0.61954.31234164.5 d p = P f, - P 0, d p = 3.7 kG/cm 2 d v =V f, - V 0, d v = 139 cm 3 Áp lực giới hạn chảy P l ' = 6.45 kG/cm 2 Mô đun nén ngang E p = 49.7 kG/cm 2

10 Trong đó: P 0, P f là áp lực bắt đầu và kết thúc của pha đàn hồi. P l là áp lực ứng với giới hạn chảy. Các giá trị P 0, P f và P l là các giá trị thí nghiệm xác định trực tiếp. Các giá trị P, 0, P, f và P, l là các giá trị áp lực sau khi đã hiệu chỉnh buồng. V c = 537 cm 3 là thể tích buồng công tác của thiết bị. E PMT ≈ 2,66 = 2,66 = 49,7 kG/cm 2

11 2.2 THÍ NGHIỆM NÉN NGANG BẰNG TẤM NÉN (DILATOMETER – DMT) 2.2.1 Lịch sử của thí nghiệm nén ngang bằng tấm nén Ý tưởng về phương pháp thí nghiệm DMT của Giáo sư Silvano Marchetti (Italia) từ năm 1974 và ngay năm sau, 1975 ông đã sáng chế thiết bị DMT đầu tiên. Đến năm 1980 thì thí nghiệm này đã được biết đến ở nhiều nước Bắc Mỹ và Châu Âu và sau đó được nhiều nước áp dụng trong công tác khảo sát. Lần đầu tiện Hội nghị quốc tế về DMT đã được tổ chức vào năm 1983 và gần đây là năm 2001. Hiện nay, thí nghiệm DMT đã bắt đầu được ứng dụng tại Việt Nam trong công tác khảo sát ĐCCT của một số dự án đầu tư của nước ngoài. Một số đơn vị đã được trang bị thiết bị thí nghiệm DMT. 2.2.2. Nguyên lý chung Thí nghiệm nén ngang bằng tấm nén (Dilatometter Test-DMT) được thực hiện bằng cách ấn một đầu xuyên có dạng hình lưỡi mai vào trong đất với tốc độ 10 đến 30 mm/s. Mặt bên của mũi xuyên có màng thép tiêu chuẩn. Tại mỗi vị trí đo trong đất, dùng áp lực khí nén đẩy màng thép về phía đất và đo áp lực tác dụng lên màng tại các thời điểm ứng với chuyển vị là 0,0 mm; 1,1 mm và 0,0 mm là p o, p 1 và p 2. Kết quả thí nghiệm cho phép xác định được nhiều thông số của đất nền phục vụ công tác thiết kế công trình. Hình 2.6. là sơ đồ của thí nghiệm DMT.

12 2.2.3. Thiết bị thí nghiệm Sơ đồ thiết bị thí nghiệm hình 2.7. Các bộ phận chính của thiết bị DTM gồm: - Đầu xuyên hình lưỡi mai: là đầu thép dạng tấm hình lưỡi mai, dùng để ấn sâu vào đất đến vị trí thí nghiệm. Mũi xuyên rộng 95 mm, dầy 15 mm làm bằng thép không rỉ, góc nhọn tại mũi xuyên từ 24 đến 32 độ. - Tấm nén ngang: là màng thép tròn được gắn trên mặt bên của đầu xuyên lưỡi mai, có đường kính 60 mm, dầy 0,2 đến 0,25 mm. Màng thép được gắn trên mũi xuyên bằng bu long xung quanh viền của màng thép. Khi chịu nén bởi áp suất khí nén, tấm nén ngang sẽ giãn ra và ép đất lại. - Bộ phận chuyển mạch: là bộ phận nằm trong đầu xuyên lưỡi mai, phía sau tấm nén ngang, có khả năng kích hoạt hoặc ngắt mạch để ngừng hoặc tạo ra các tín hiệu âm thanh khi màng giãn nở và đạt tới hai vị trí chuyển vị tương ứng bằng 0.05 mm và 1.1 mm đã được định trước, giống như hoạt động của chuông điện, hình 2.8. Hình 2.7. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm DMT

13 Đệm nhựa 6 đ ể cách đ iện giữa đ ĩa cảm ứng và mũi xuyên hình l ư ỡi mai. Đĩa cảm ứng 4 đư ợc gắn chặt cố đ ịnh với đ ệm 6 và làm cho mạch đ iện khép kín và gây nên tiếng kêu bíp - Cáp đ iện - khí: là cáp nối từ bộ phận đ iều khiển đ ến tấm nén ngang có chức n ă ng truyền áp lực khí nén và tín hiệu đ iện giữa bộ phận đ iều khiển và chuyển mạch. - Bộ phận đ iều khiển: là bộ phận cung cấp áp lực khí nén vào mặt bên tấm nén và xác đ ịnh đư ợc áp lực khi c ơ cấu chuyển mạch kích hoạt và ngắt tiếp xúc đ iện ở phía mặt trong tấm nén ngang, hình 2.9. - Bình khí nén: tạo áp lực nén. - Dây tiếp đ ất. Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của màng thép Hình 2.9 Sơ đồ hộp điều khiển

14 2.2.4. Các thông số xác đ ịnh khi thí nghiệm - Áp suất A: là áp lực tác dụng đ ể tâm tấm nén giãn nở 0.05 mm vào đ ất. - Áp suất B: là áp lực tác dụng đ ể tâm tấm nén giãn nở vào đ ất 1.10 mm. - Áp suất C: là áp lực còn lại sau khi xả khí đ ể tấm nén chuyển từ vị trí số đ ọc B về vị trí số đ ọc A. - Áp suất tấm nén  A: là áp lực tác dụng hút ( nén từ ngoài vào trong) đ ể tâm tấm nén co vào 0,05mm trong không khí. - Áp suất tấm nén  B: là đ ại l ư ợng áp lực tác dụng đ ể tấm nén giãn nở trong không khí 1,10mm. Các giá trị  Avà  B đư ợc dùng đ ể hiệu chỉnh máy và rất quan trọng khi thí nghiệm trong đ ất yếu. Thông th ư ờng, giá trị  A khoảng 15 kPa,  B khoảng 40 kPa. Nếu A nằm ngoài khoảng 5÷30 kPa hoặc B nằm ngoài khoảng 5 ÷ 80 kPa thì màng thép không đ ạt tiêu chuẩn, hình 2.10 Cần chú ý rằng, khi ở trạng thái tự nhiên thì màng thép h ơ i cong vồng ra ngoài. Khi đ ể mũi xuyên trong đ iều kiện không khí thì màng thép nằm ở giữa A và B. Hình 2.11 mô tả cách tiến hành xác đ ịnh  A và  B, các b ư ớc tiến hành nh ư sau:

15 Đóng van khóa cấp; cắm ống xi lanh vào đ ầu cắm trên hộp đ iều khiển, hình 2.11a; kéo pisston đ ến hết ống xi lanh đ ể tạo áp lực chân không hút màng thép áp sát mặt đ ĩa cảm ứng, lúc này tiếng bip bắt đ ầu kêu (hình 2.11 b). Giữ pisston ổn đ ịnh tại vị trí này trong khoảng 5 giây đ ể ổn đ ịnh áp lực chân không, sau đ ó từ từ đ ẩy pisston cho đ ến khi tiếng kêu bip bip tắt thì đ ọc số đ ọc  A ( hình 2.11c). Tiếp tục đ ẩy xi lanh từ từ, ngay khi tiếng bíp kêu lại, ta đ ọc trị số ∆B (hình 2.11 d). Lặp lại quá trình trên 2 đ ến 3 lần đ ể nhận đư ợc giá trị  A và  B chính xác. Tr ư ờng hợp dây cáp dẫn khí đ ến mũi xuyên DMT dài trên vài chục m, khi đ ọc các giá trị này cần phải chờ khoảng 15 giây đ ể đ ủ thời gian cho áp lực truyền đ ến màng thép. Sau khi kết thúc thí nghiệm cũng cần tiến hành xác đ ịnh lại các giá trị  A và  B. Tr ư ờng hợp các giá trị này v ư ợt quá các giá trị xác đ ịnh tr ư ớc khi thí nghiệm thì chứng tỏ màng thép đ ã bị rão làm cho đ ộ tin cậy của thí nghiệm giảm, cần thay ngay màng thép mới. Gía trị  A và  B cuối cùng là giá trị trung bình xác đ ịnh tr ư ớc và sau thí nghiệm. Cũng cần nói rằng, màng thép mới nguyên cũng ít tin cậy h ơ n so với màng thép đ ã đư ợc sử dụng vài lần do biến dạng của nó ch ư a đư ợc ổn đ ịnh. Để tránh sai số này, đ ối với màng thép mới nguyên, tr ư ớc khi sử dụng nên tác dụng áp lực khoảng 500 kPa sau đ ó giảm về 0, tiến hành vài lần. Hình 2.11 Đo  A và  B

16 - Áp suất tấm nén trung bình (  A avg và  B avg ): là các giá trị trung bình áp suất tấm nén  Avà  B thu đư ợc t ươ ng ứng tr ư ớc và sau mỗi thí nghiệm trên toàn trụ chiều sâu thí nghiệm hoặc từng thí nghiệm đơ n lẻ. - Áp suất Zm: là đ ộ lệch số đ ọc trên đ ồng hồ đ o áp suất do lệch khỏi vị trí gốc “0” khi tấm nén đư ợc đ ể trong đ iều kiện khí quyển. - Áp suất đ ất P 0 : là áp suất tác dụng lên mặt tấm nén, khi mặt tấm nén ngang bằng với mặt mũi xuyên l ư ỡi mai ( đ ộ giãn nở bằng 0). - Áp suất đ ất P 1 : là áp suất tác dụng lên mặt tấm nén đ ể tâm tấm nén giãn ra 1.10 mm. - Áp lực n ư ớc lỗ rỗng tr ư ớc khi ấn mũi xuyên l ư ỡi mai vào đ ất u 0 : là áp lực n ư ớc lỗ rỗng tại tâm tấm nén ở vị trí chiều sâu thí nghiệm tr ư ớc khi ấn mũi xuyên l ư ỡi mai vào đ ất. u 0 = ϒn (z-h). Trong đ ó: ϒn là khối l ư ợng riêng của n ư ớc, z là đ ộ sâu tâm tấm nén và h là chiều sâu mực n ư ớc ngầm. - Áp lực đ ịa tầng hữu hiệu P v0 : là áp lực đ ịa tầng tại vị trí tâm tấm nén tr ư ớc khi thí nghiệm. - Chỉ số vật liệu I D : là chỉ số liên quan đ ến loại đ ất. - Chỉ số ứng suất ngang K D : là chỉ số liên quan đ ến áp lực ngang của đ ất tại hiện tr ư ờng. - Mô đ un nén ngang E D : là giá trị mô đ un biến dạng của đ ất xác đ ịnh theo thí nghiệm DMT

17 2.2.5. Cách tiến hành thí nghiệm. Các bước chuẩn bị: - Lắp đầu cáp dẫn điện – khí vào mũi xuyên DMT; - Lắp mũi xuyên DMT vào đầu cần xuyên thứ nhất và chú ý không để cho dây cáp bị xoắn; - Nối dây tiếp đất bằng cách cắm một đầu vào vị trí tiếp đất trên hộp điều khiển, một đầu kẹp vào cần xuyên. - Ấn tay vào màng thép để kiểm tra có tiếng kêu bíp chưa; - Mở van xả nhanh, gõ nhẹ tay vào các đồng hồ đo áp lực và chỉnh số đọc của đồng hồ về vị trí “0”. - Xác định các giá trị A và B; - Cắm van điều chỉnh áp lực vào bình khí nén (khi tất cả các van trên bình khí nén đều đóng), điều chỉnh đồng hồ đo áp lực trên bình khí nén về vị trí “0”. - Đóng cả van khóa cấp và van cấp chậm, mở van xả nhanh, cắm cáp nối giữa bình khí nén với dắc cắm cấp khí trên hộp điều khiển; - Hiệu chỉnh để đồng hồ áp lực trên bình khí nén mức 3 Mpa. Mở van ở bình khí nén và mở van khóa cấp trên hộp điều khiển (quá trình thí nghiệm van khóa cấp luôn mở). Các bước thí nghiệm: Đóng van cấp chậm, mở van xả nhanh; - Dùng hệ thống thủy lực ấn mũi xuyên xuống vị trí thí nghiệm (quá trình ấn mũi xuyên xuống sẽ có tiếng kêu bip liên tục và đèn báo mầu đỏ). - Đóng cả hai van xả, từ từ mở van cấp chậm. Khí nén sẽ được cấp từ từ để đẩy màng thép ra. Khi màng thép không còn tiếp xúc với đĩa cảm ứng thì tiếng kêu sẽ ngừng và ta đọc ngay số đọc PA. - Khí nén vẫn được tiếp tục cấp qua van cấp chậm để đẩy màng thép ra ngoài đất Cho đến khi có tiếng kêu bip trở lại thì đọc số đọc PB. Qúa trình thực hiện thao tác phải nhanh. Mở van xả nhanh ngay lập tức để tránh màng thép bị hư hỏng;

18 Đóng van cấp chậm lại; - Nếu cần đọc số đọc PC thì không xả hết khí ngay mà đóng van xả nhanh lúc áp suất vẫn còn một chút, rồi mở van xả chậm. Tiếng bíp sẽ ngừng kêu. Sau 45 đến 60 giây, khi màng thép tiếp xúc với đĩa cảm ứng, tiếng bíp lại kêu lại, lúc này màng thép đang ở vị trí A và ta đọc số dọc C Người ta dùng thiết bị để ấn cần và mũi xuyên DMT xuống vị trí thí nghiêm. Có thể sử dụng thiết bị xuyên tĩnh để ép đầu xuyên. Theo tiêu chuẩn hiện nay, cứ 20 cm tiến hành thí nghiệm một điểm. 2.2.6. Xác định mực nước ngầm dựa trên kết quả DMT Từ hình 2.12, sau khi đã đọc số đọc B. Để đọc số đọc C, ta giảm áp lực khí và màng thép sẽ ép sát dần vào đĩa cảm ứng. Đất cát có một phần biến dạng đàn hồi, còn chủ yếu là biến dạng dư nên sẽ tạo nên khe hở giữa giữa cát và màng thép. Nếu trong cát bão hòa nước, do khả năng thấm nhanh làm cho khe hở này nhanh chóng được lấp đầy nước nên ta có P 2 ≈ u 0. Hình 2.12 Đo C để tính Uo Chú ý, khi đọc số đọc C không được xả khí quá nhanh làm đất bị sụp lở. Thường thời gian xả khoảng 45-60 giây. Cũng không nên xả khí quá chậm, vì có thể gây hiểu lầm do một số loại đất bụi hoặc cát lẫn sét sẽ có hệ số áp lực nước lỗ rỗng u D ≈ 0, dễ bị hiểu nhầm là cát sạch.

19 Đối với đất loại sét bão hòa, biến dạng đàn hồi lớn nên đất nhanh chóng tiếp xúc với màng thép, nên áp lực C đo được chủ yếu là áp lực của đất, nên P 2 > u 0. Đối với đất cát, trên hình 2.13, ta nối một đường thẳng giữa các điểm áp lực p 2 sẽ xác định được mực nước ngầm, từ đó xác định được u 0 và tính được u D. Dựa vào giá trị u D có thể xác định được loại đất như sau: u D ≈ 0 ÷ 0,1: là đất cát sỏi đá thấm nước tốt; u D ≈ 0,7 ÷ 1,0: là đất dính thấm nước kém; u D ≈ 0,1 ÷ 0,7 là đất hỗn hợp, bụi. Hình 2.13 Xác định mực nước ngầm

20 2.2.7. Thí nghiệm tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng Thí nghiệm này thực hiện với đất dính có tính thấm kém. Khi ép mũi xuyên DMT vào đất sẽ tạo nên áp lực nước lỗ rỗng dư. Áp lực nước lỗ rỗng của đất tại điểm thí nghiệm lúc này lớn hơn áp lực nước lỗ rỗng đã có trong đất. Kết quả thí nghiệm tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng cho phép xác định được tính thấm và các đặc trưng cố kết của đất loại sét. Qúa trình thí nghiệm tùy thuộc từng trường hợp, có thể mất vài phút, vài giờ hay thậm chí cả ngày cho một điểm. Hiện nay, theo tiêu chuẩn ASTM 2001, có hai phương pháp tiến hành thí nghiệm đo tiêu tán: Phương pháp thí nghiệm tiêu tán DMT-A1. Phương pháp này do Marchetti và Totani đề xuất năm 1989 và được tiến hành như sau: Ngay khi dừng xuyên lại, bắt đầu bấm đồng hồ bấm dây và xác định thời điểm t = o; Sau đó dùng van cấp chậm cấp khí ngay trong khoảng 15 s để đọc số đọ PA. Khi đọc PA, ngay lập tức xả khí bằng van xả nhanh, đồng thời xác định lại thời gian trên đồng hồ bấm giây (chú ý không cấp khí tiếp để đọc số PB); Theo khoảng thời gian 0,5, 1, 2, 4, 5, 15, 30… phút xác định sự thay đổi giảm dần của số đọc PA do áp lực nước lỗ rỗng bị tiêu tán. Vễ đồ thị PA – log(t). Thí nghiệm được dừng lại khi trên đồ thị có một điểm uốn t flex ở giữa, hình 2.14.

21 Phương pháp thí nghiệm tiêu tan DMT-A2. Phương pháp này do Schmertmann đề xuất năm 1991 và được thực hiện với một số điểm khác so với phương pháp trên: Ở vòng đọc đầu tiên, ta xác định các số đọc PA, PB và PC. Sau đó vòng đọc hai ta chỉ đo PA. Các bước đo tương tự và kết quả đo lập quan hệ PA - và diễn giải kết quả. Theo sơ đồ này có thể không phù hợp với sét ở trạng thái cứng. 2.2.8. Ưu nhược điểm của phương pháp DMT Ưu điểm : - Do mũi xuyên có hình lưỡi mai với bề dày mỏng, khi ấn sâu vào đất không làm xáo trộn đất nhiều như SPT hay CPT nên sẽ ít làm ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm; - Thí nghiệm DMT có độ chính xác cao hơn các thí nghiệm SPT và CPT, vì khi thực hiện hai thí nghiệm gần nhau trong cùng loại đất đồng nhất thì kết quả của DMT khác nhau rất ít so với SPT và CPT ; - Sử dụng DMT cho phép xác định các hệ số cố kết ngang (C h) và hệ số thấm ngang ( k h ) cũng như hệ số quá cố kết (OCR) và hệ số áp lực ngang thường chính xác hơn so với các phương pháp khác; - Thí nghiệm DMT cho phép tiến hành nhanh, gần như liên tục theo chiều sâu và thu được nhiều thông số quan trọng của đất nền, kể cả cho phép xác định được mực nước ngầm thông qua số đọc C nếu có lớp đất rời chứa nước. Nhược điểm : - Phương thí nghiệm thực hiện theo phương nằm ngang, trong khi công trình làm việc theo phương thẳng đứng ; - Việc sử dụng kết quả thí nghiệm DMT vào dự báo sức chịu tải dọc trục của cọc thường có độ chính xác thấp do mô hình thí nghiệm khác với điều kiện làm việc của cọc.

22 2.2.9. Xác định các chỉ tiêu cơ lý theo kết quả thí nghiệm DMT Do độ cứng của màng thép và sự lệch gốc chuẩn trên đồng hồ áp lực nên các thông số đọc nhận được khi thí nghiệm DMT được hiệu chỉnh như sau: Áp lực Po tác dụng lên tấm nén để mặt tấm nén ngang bằng với mặt mũi xuyên hình lưỡi mai được xác định theo cách ngoại suy ngược tuyến tính giữa áp lực đất lên tấm nén tại hai vị trí độ lệch định trước 0.05 mm và 1.10 mm là: P o = 1,05(A +  A – Z m ) – 0,05(B - Z m -  B) (2.6) P 1 = B - Z m -  B (2.7) P 2 = C - Z m +  A (2.8) Chỉ số vật liệu I DMT ; chỉ số ứng suất ngang K DMT và mô đun biến dạng E DMT xác định như sau:

23 2.2.10. Phân loại đất theo kết quả thí nghiệm DMT Dựa vào chỉ số I D có thể phân loại đất như sau: Sét: I D ≤ 0,6; Bụi: 0,6< I D ≤ 1,8; Cát: 1,8 < I D Trên đồ thị hình 2.15. dựa vào I D và E D còn phân chi tiết hơn ra các loại như sét lẫn bụi, bụi lẫn sét, bụi lẫn cát, cát lẫn bụi. Số gạch chân là khối lượng thể tích của đất (T/m 3 ). Nếu PI >50 thì khối lượng thể tích giảm đi 0,1 T/m 3. 2.2.11. Xác định độ chặt tương đối của cát Độ chặt tương đối của cát cố kết thường (D r ) không bị xi măng hóa được xác định theo biểu đồ hình 2.16 (với giả thiết K o = 0,45). Đối với đất quá cố kết, đất bị xi măng hóa thì D r sẽ nhỏ hơn so với giá trị xác định trên biểu đồ.

24 2.2.12. Xác định các đặc trưng biến dạng của đất Mô đun biến dạng của cát và sét. Mô đun biến dạng theo phương đứng không nở hông: M = R M. E D (2.13) R M phải lớn hơn 0,85 và được xác định: Khi I D ≤ 0,6, có: R M = 0,14 + 2,36log K D Khi I D ≥ 3, có: R M = 0,5 + 2log K D Khi 0,6 < I D < 3, có: R M = R M,o + (2,5 – R M,o )log K D và R M,o = 0,14 + 0,15(I D -0,6) K D > 10 có: R M = 0,32 + 2,18log K D Mô đun biến dạng có nở hông Mô đun cắt: Hryciw (1990) và Tanaka (1998) đã đưa ra phương trình quan hệ xác định mô đun cắt cực đại G max và các thông số E D, K D và cho thấy: với đất cố kết thường (K D =2) thì G max /E D ≈ 7,5. Với đất quá cố kết thì K D sẽ tăng lên và G max /E D sẽ giảm xuống, có thể dưới 2,0. Hryciw đưa ra công thức gián tiếp: Trong đó: σ ’ vo -ứng suất bản thân hữu hiệu theo phương thẳng đứng, bar γ – khối lượng thể tích của đất, t/m 3. Xác định hệ số cố kết theo phương ngang (C h ) + Xác định theo sơ đồ DMT-A:

25 Từ kết quả thí nghiệm tiêu tán DMT-A 1, ta thực hiện các bước sau: Vẽ đồ thị A – log t ; Xác định điểm uốn trên đồ thị có thời gian là t flex ; Xác định  phụ thuộc mức độ quá cố kết của đất tra theo bảng 2.3. Đất Cố kết thường (NC) Bán cố kết thường (NC-OC) Qúa cố kết (Lightly OC) Rất quá cố kết (Heavily OC) ξ5÷73÷51÷31 + Xác định theo sơ đồ thí nghiệm tiêu tán DMT-A 2 : Vẽ đồ thị A - ; Điểm A o là điểm giao giữa đồ thị với trục tung; Điểm A 100 là điểm áp lực lỗ rỗng tiêu tán xong – chính là điểm tương ứng với tiệm cận ngang của đồ thị; Chia đôi khoảng cách A o và A 100 ta được điểm A 50 và tương ứng xác định được điểm t 50. Dựa vào các giá trị mô đun biến dạng E và S u đã xác định theo DMT để tính giá trị T 50 theo bảng 2.4.

26 Bảng 2.4 Giá trị T 50 E/S u 100200300400 T 50 (phút)1,11,52,02,7

27 2.2.13. Xác định hệ số K o và OCR của đất loại sét Thực tế giá trị K D thường lớn hơn K o do khi thí nghiệm thì đất vẫn bị nén chặt vì chiều dầy mũi xuyên ép vào đất. Marchetti và nhiều tác giả khác đã đưa ra tương quan sau: Với đất sét thường (không nứt nẻ, không nhạy cảm), β k = 1,5 nên có: Lacasse và Lunne (1988) dựa vào kết quả thí nghiệm cho rằng, khi K D 0,8 ): K o = 0,68K D 0,54 (2.23) Marchetti đưa ra công thức xác định OCR cho đất sét thường, không nhạy cảm: OCR = (0,5K D ) 1,56 = 0,34K D 1,56 (2.24)

28 Công thức tổng quát: OCR = (β o K D ) 1,56 Trong đó: β o = 0,5 đối với đất sét thường; β o = 0,75 đối với đất sét nứt nẻ; β o = 0,35 đối với đất sét nhạy cảm. Lunne cho từng OCR phụ thuộc tuổi của đất loại sét: Với đất loại sét dưới 60.000 năm (S u /σ ’ vo < 0,5): OCR = 0,3K D 1,17. (2.25) Với sét trên 70 triệu năm (S u /σ ’ vo > 0,8): OCR = 2,7K D 1,17 (2.26) Mayne (1987) đưa ra công thức đơn giản: OCR = 0,51K D (2.27) 2.2.14. Xác định hệ số K o và OCR của cát Đối với đất cát, việc xác định OCR và K o là vô cùng khó khăn. Mặt khác lại không lấy được mẫu nguyên dạng nên không có cở đo so sánh được. Các tác giả Jendeby (1992), Baldi (1988), Jamiolkowski (1995) và Marchetti (2000) đều cho rằng có thể xác định một cách tương đối thông qua tài liệu DMT và CPT, cụ thể:

29 Nếu M D /qc = 5÷10 thì OCR =1; Nếu M D /qc = 12 ÷ 24 thì OCR >1 Trong đó: M D –mô đun không nở hông xác định từ thí nghiệm DMT; q c – sức kháng mũi CPT. Cách đánh giá trên được giải thích: đối với đất quá cố kết, áp lực ngang (σ ’ ho = K o σ ’ vo ) tăng, mà bản chất của thí nghiệm DMT là nén ngang, nên M D tăng lên khá nhiều, trong khi đó cùng điều kiện thì q c tăng lên ít hơn. Điều này dẫn đến, đất càng cố kết thì tỷ số M D /qc càng cao. Điều này cho thấy, DMT dễ nhận biết trạng thái quá cố kết hơn so với CPT. Marchetti và sau này là Baldi (1986) đã đơn giản hóa cách tính của Smertmann như sau: K o = 0,376 + 0,095K D – .(qc/  ’ vo ) Trong đó: ζ = 0,0017 đối với đất đắp ζ = 0,0046 đối với đất ở trạng thái tự nhiên. Kulhawy và Mayne (1990) cũng đưa ra phương trình tương tự: K o = 0,359 + 0,071K D – 0,00093.(qc/  ’ vo )

30 Chú ý: K o và OCR xác định cho cát thường độ chính xác không cao. Mặt khác, nếu tính theo các phương trình trên thì đều phải dựa vào thông số trung gian như q c của thí nghiệm CPT thực hiện gần ngay thí nghiệm DMT. 2.2.15. Xác định các chỉ tiêu sức kháng cắt xác định góc ma sát trong của cát Tính theo phương trình do Marchetti đề xuất năm 1997: φ = 28 + 14,6.logK D – 2,1.log 2 K D (2.30) Xác định sức kháng cắt S u của đất loại sét: Sử dụng công thức của Marchetti đề xuất năm 1980: S u = 0,22σ ’ vo (0,5K D ) 1,25 = 0,22σ ’ vo OCR 0,8 (2.31) Một số tác giả đã kiểm nghiệm qua kết quả thí nghiệm trong phòng và cho rằng, phương trình trên có độ tin cậy cao. Ngoài ra có thể xác định sức S u theo phương trình của Roque: Trong đó: N c = 5 đối với đất loại sét và bụi (có độ nhạy cao) N c = 7 cho đất loại sét độ nhạy trung bình N c = 9 cho sét dẻo không nhạy.

31 2.2.16. Đánh giá khả năng hóa lỏng của cát Robertson và Campanella (1986) cũng như Reyna và Chameau (19910) đã đưa ra các tiêu chí đánh giá khả năng hóa lỏng của cát theo biểu đồ hình 2.17 và được đánh giá là có độ tin cậy cao. Hình 2.17 Khả năng hóa lỏng của cát Dựa vào biểu đồ này, Marchetti (1997) đã đơn giản hóa bằng cách đưa ra bảng số liệu để đánh giá khả năng hóa lỏng của cát. Bảng 2.5 Giá trị K D của cát có khả năng hóa lỏng Động đất M=7,5 Gia tốc nền a max 00,150,250,35 KDKD

32 Sức kháng đơn vị cho trường hợp cọc chịu kéo: f i = 0,5(P 1 – P o ) nếu I D < 0,1; (2.33) f i = (0,575 -0,73077I D )(P 1 – P o ) nếu 0,1 < I D < 0,65; (2.34) f i = 0,1(P 1 – P o ) nếu 0,65 < I D < 0,8 (2.35) Sức kháng đơn vị cho trường hợp cọc chịu nén : f i = (0,775 – 1,1111.I D ) (P 1 – P o ) nếu I D < 0,6; (2.36) f i = 0,11(P 1 – P o ) nếu 0,8 > I D > 0,6 (2.37) Trường hợp cọc quá dài (L >50B với L là chiều dài và B là đường kính cọc), thì sức kháng bên đơn vị f i ở đoạn cọc gần mặt đất (L < 50B) sẽ giảm đi 15% so với các giá trị xác định ở trên. Sức kháng mũi đơn vị cọc nén : q p = k di.P 1 ; (2.38) Trong đó : k di = 1,3 nếu E D >2 Mpa; k di = 0,7 nếu E D ≤ 2 Mpa. Trường hợp cọc rỗng không bịt mũi thì q p giảm đi 50%.

33 2.2.17.2. Tính sức chịu tải ngang của cọc. Hiện nay các nước phương Tây và Bắc Mỹ thường không tính sức chịu tải ngang của cọc theo phương pháp giải tích mà dung phổ biến phương pháp đường cong P-y. Bản chất của phương pháp này là sử dụng phần tử hữu hạn kết hợp với mô hình Winkler phi tuyến, cụ thể: chia cọc thành nhiều đoạn phần tử hữu hạn nhỏ, hình 2.18. * Trên mỗi đoạn, phản lực của nền do tác dụng tương tác giữa cọc và đất được mô hình bởi một gối đàn hồi. Tuy vậy, độ cứng của gối đàn hồi (k = P/y) không phải là hằng số như quan hệ tuyên tính trên hình 2.19a, mà là quan hệ phi tuyến như hình 2.19b. Chuyển vị của cọc y càng lớn thì gối đàn hồi càng mềm; (a) (b) Hình 2.19 Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán, từ đó xác định được nội lực và chuyển vị của cọc. Hiện nay đã có nhiều phần mềm sử dụng phương pháp này để giải.

34 Theo phương pháp đường cong P-y, một số tác giả đã xây dựng đường cong P-y để đưa ra cách xác định sức chịu tải ngang của cọc. Phương pháp của Robertson và cộng sự (1989). Dựa trên quan hệ P-y của Matlock (1970) để có công thức: P = 0,5.P u ( y/y c ) 0,33 (2.39) Trong đó: P – phản lực của đất lên đoạn cọc (T/cm dài của cọc); y – chuyển vị ngang của đoạn cọc (cm); P u – phản lực cực hạn của đất lên đoạn cọc; y c – chuyển vị ngang của cọc khi P =0,5P u, người ta tính được P u đạt được khi chuyển vị là 8y c ; P u có thể xác định theo công thác sau: + Đối với đất dính: P u = N p S u B (2.40) + Đối với đất rời: P u lấy bằng giá trị nhỏ nhất một trong hai giá trị sau: P u = σ ’ vo [B(K p – K a ) + zK p.tg  ’.tg  ] ; P u = σ ’ vo [B(K 3 p – 2K o.K 2 p ).tg  ’ + tg  ’ -K a ] ; Xác định giá trị y c : với J=0,5 đối với đất loại sét mềm và J=0,25 đối với đất loại sét cứng.

35 Trong công thức trên: z – độ sâu tại điểm cọc đang xét; B –đường kính cọc; S u – sức kháng cắt không thoát nước của đất dính; σ ' vo - ứng suất địa tầng hữu hiệu tại độ sâu z; φ ’ – góc ma sát trong hữu hiệu; K a – hệ số áp lực ngang chủ động. Theo Rankinne có: K o – hệ số áp lực ngang tĩnh; E D – mô đun xác định từ DMT. Phương pháp của Gabr và Borden (1988) cho cọc trong đất rời Gabr và Borden dựa trên quan hệ P-y của Murchison và O ’ Neil (1984) để đưa ra công thức :

36 Trong đó: n = 1,5 với cọc có tiết diện không đổi và n= 1 đối với cọc nêm tròn; A = 0,9 đối với tải trọng động; P u tính theo phương pháp của Robertson đã trình bầy ở trên; k o – hệ số nền ban đầu, P o – áp lực theo số đọc A của thí nghiệm DMT; σ ' h – áp lực ngang hữu hiệu. σ ' h = K o σ ’ vo ; h – nửa chiều dầy mũi xuyên hình mai DMT. h = 7÷7,5mm

37 PHẦN BÀI TẬP Ví dụ: Người ta tiến hành thí nghiệm nén ngang bằng tấm nén tại một công trình phục vụ cho công tác thiết kế. Các số liệu thu được từ thực tế được trình bầy trong bảng 2.6. Từ kết quả thí nghiệm, xác định các đại lượng DMT. STT Độ sâu (m) Khối lượng thể tích tự nhiên (T/m 3 ) Áp lực thủy tĩnh U 0 (KG/ cm 2 ) Áp lực bản thân (KG/ cm 2 ) Áp lực hữu hiệu σ' v0 (KG/ cm 2 ) DA (KG/cm 2 ) DB (KG/cm 2 ) Gi¸ trÞ ®o (KG/cm 2 ) PAPBPC 10.501.660.0000.083 0.210.36 0.801.820.50 21.001.660.0000.166 0.210.36 1.102.400.60 31.501.660.0350.249 0.2140.210.36 1.402.200.50 42.001.660.0850.332 0.2470.210.36 1.903.100.80 52.501.660.1350.415 0.2800.210.36 1.502.400.80 63.001.660.1850.498 0.3130.210.36 1.582.430.50 73.501.660.2350.581 0.3460.210.36 1.502.200.40 84.001.660.2850.664 0.3790.210.36 1.402.420.40 94.501.660.3350.747 0.4120.210.36 1.602.800.50 105.001.660.3850.830 0.4450.210.36 1.72.650.40 115.501.660.4350.913 0.4780.210.36 1.82.800.75 126.001.660.4850.996 0.5110.210.36 1.973.300.40 136.501.660.5351.079 0.5440.210.36 2.203.400.54 147.001.660.5851.162 0.5770.210.36 2.203.000.80 157.501.660.6351.245 0.6100.210.36 1.902.801.00 168.001.660.6851.328 0.6430.210.36 1.782.900.90 178.501.660.7351.411 0.6760.210.36 1.893.100.80 189.001.660.7851.494 0.7090.210.36 2.604.800.40

38 Thực hiện việc tính các đại lowngj DMT và các chỉ tiêu cơ lý của đất theo từng vị trí độ sâu thí nghiệm: Tại độ sâu 0,5 m: P o = 1,05(PA +  A – Z m ) – 0,05(PB - Z m -  B) = 1,05(0,80+0,21-0) – 0,05(1,82-0-0,36) = 0,95 Mpa P 1 = PB - Z m -  B = 1,82 -0 -0,36 = 1,46 kG/cm 2 P 2 = PC - Z m +  A = 0,50 – 0 + 0,21 = 0,71 kG/cm 2 I D = = = 0,54 K D = = = 17,59 E D = 34,7(P 1 – P o ) = 34,7(1,46 – 0,95) = 17,7 kG/cm 2 u D = = = 1,54 kG/cm 2

39 Mô đun biến dạng theo phương đứng không nở hông: M = R M. E D R M phải lớn hơn 0,85 và được xác định: Khi I D ≤ 0,6, có: R M = 0,14 + 2,36log K D =0,14+2,36*log(17,59)=3,079 M = 3,079*17,7 = 54,5 kG/cm 2 Hệ số nén ngang của đất loại sét K 0 = = = 2,58 Hệ số quá cố kết OCR = (β 0 K D ) 1,56 = (0,5*17,59) 1,56 = 29,7 Sức kháng cắt không thoát nước S u = 0,22σ, v0 (0,5K D ) 1,25 = 0,22*0,083(0,5*17,59) 1,25 = 0,277 kG/cm 2 Góc ma sát trong φ = 28+14,6*logK D – 2,1*log 2 K D = 28+14,6*log17,59 – 2,1*log 2 17,59 = 42,9 0 Tương tự, ta tính các giá trị tại các độ sâu khác nhau và tiến hành xử lý số liệu xác định các đặc trưng của lớp.

40 2.3. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN BIẾN DẠNG CỦA KHỐI ĐÁ TẠI HIỆN TRƯỜNG Thí nghiệm nén đá tại hiện trường thường được tiến hành trong hầm thăm dò và thực hiện trên các mẫu có kích thước lớn để xác định tính biến dạng của khối đá. Ưu điểm của thí nghiệm nén đá trong hầm là tạo được phản lực tốt do bố trí đối xứng hai bàn nén trên vách hầm cũng như có thể chọn được khối đá thí nghiệm phù hợp với yêu cầu đặt ra. Biến dạng dưới bàn nén thường được đo bằng giãn kế đa năng đặt ngay dưới bàn nén hoặc kém chính xác hơn là đo khoảng cách dịch chuyển giữa hai bàn nén. Thí nghiệm cho phép tiến hành theo các phương có tính dị hướng hoặc theo các phương vuông góc với mặt lớp hay khe nứt. Thí nghiệm nén đá tại hiện trường nhằm xác định các đặc trưng biến dạng của khối đá có thể được thực hiện trên bàn nén cứng hay bàn nén mềm (có tính đàn hồi). Việc thu nhận được các thông số đàn hồi tĩnh từ các thí nghiệm đòi hỏi phải sử dụng các lời giải chặt chẽ với gỉa định là bàn nén cứng hoàn toàn (chuyển dịch biên đồng nhất) hoặc bàn nén mềm hoàn toàn (ứng suất tác dụng đồng nhất). Bàn nén cứng là tốt nhất khi được sử dụng để thí nghiệm đối với đất. Tuy nhiên, khi thí nghiệm đối với đá cứng, hay khi đường kính bàn nén lớn (bằng hay lớn hơn 1 m) thì giả thiết về độ cứng của bàn nén không còn phù hợp nữa. Thí nghiệm nén đá trong hầm được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM-D4395 đối với bàn nén mềm (đàn hồi) và tiêu chuẩn ASTM-D 4394 đồi với bàn nén cứng.

41 2.3.1 Phương pháp thí nghiệm xác định mô đun biến dạng của khối đá ngoài hiện trường bằng việc sử dụng tấm nén đàn hồi Tiêu chuẩn ASTM - D 4395: 84 (soát lại năm 1998) mô tả phương pháp thí nghiệm nén bằng bàn nén đàn hồi (bàn nén không cứng tuyệt đối) để xác định mô đun biến dạng của khối đá tại hiện trường. Thí nghiệm nén đá tại hiện trường thường cho kết quả mô đun biến dạng nhỏ hơn gía trị xác định bằng thí nghiệm trong phòng. Thí nghiệm chủ yếu thực hiện trong hầm thăm dò phục vụ thiết kế xây dựng các công trình thuỷ công hay các công trình ngầm. Sơ đồ thí nghiệm hình 2.20. Thí nghiệm được chọn tại vị trí thích hợp và đặc trưng cho khối đá hoặc nơi có lớp kẹp mềm yếu hay nứt nẻ. Qúa trình chuẩn bị mặt mẫu cho thí nghiệm phải chú ý ít gây hư hỏng cho mặt đá. Những mảnh vỡ phải được làm sạch. Đối với đá quá rắn có thể phải sử dụng thuốc nổ với liều lượng hạn chế. Đối với đá mềm hơn thường sử dụng máy cắt đá và máy mài để chuẩn bị mặt mẫu. Diện tích bề mặt đá thí nghiệm phải bảo đảm bao trùm diện tích mặt kích và thường có kích thước từ 1,5 đến 2 lần diện tích của mặt kích.

42 Hình 2.20. Sơ đồ lắp đặt cho thí nghiệm nén đá 1-Bơm thủy lực; 2-ống thủy lực; 3-ống cao su bọc dây dẫn; 4-Đầu đo MPBX; 5-Hệ thống thu thập dữ liệu; 6-Dây dẫn của bộ truyền số đọc; 7- Đồng hồ đo đường kính hầm; 8-Trụ truyền lực; 9-Kích phẳng; 10-Tấm đệm trên; 11- Tấm đệm dưới; 12- Lớp bê tông; 13-Ranh giới hầm Mặt mẫu thí nghiệm bảo đảm càng phẳng càng tốt. Sự chênh lệch các điểm cao và thấp trên mặt mẫu không được lớn hơn 25 mm. Sau khi gia công xong mặt mẫu, phải dùng nước sạch và bàn chải rửa sạch mặt mẫu thí nghiệm. Một số nội dung cần chú ý khi gia công mặt đá thí nghiệm: Kích thước bàn nén được xác định theo lực tác dụng, điều kiện địa chất, giao thông… Thường bàn nén được chọn có đường kính 0,5 – 1m, kích thước khác có thể chọn theo yêu cầu cụ thể của từng công trình. Khi gia công mẫu, 2 mặt thí nghiệm phải bằng phẳng, song song với nhau và vuông góc với chiều lực tác dụng.

43 Dùng vữa beton trát để định vị kích phẳng vào giữa bề mặt mẫu thí nghiệm và kích. Trát vữa vào xung quanh chân kích. Trong quá trình thí nghiệm có thể đ o biến dạng tại các vị trí bề mặt đ á thí nghiệm và tại các đ ộ sâu khác nhau. Điểm đ o chuyển vị bề mặt đư ợc đ ặt tại mặt lớp vữa bê tông và cách mép ngoài bằng khoảng 6 lần bề dầy của lớp vữa bê tông. Nếu thiết bị đ o đư ợc đ ặt ở tâm của mặt tấm nén chịu lực tác dụng từ kích phẳng đư ợc làm từ các tấm thép hàn với nhau thì đ iểm đ ặt này phải cách xa mặt nén một khoảng ít nhất 3 lần khoảng cách giữa các vòng thép của kích. Đo chuyển vị bên trong khối đ á đư ợc thực hiện trong hố khoan trên trục không lệch quá 5 0 so với h ư ớng tác dụng lực. Các hố khoan dùng đ ể lắp đ ặt thiết bị đ o có đư ờng kính càng nhỏ càng tốt và đư ợc khoan bằng mũi khoan kim c ươ ng. Vị trí của đ iểm đ o th ư ờng đ ặt ở hai bên của khe nứt hay đư ờng ranh giới phân lớp. Có ít nhất 2 đ iểm đ o nằm trong phạm vi bằng đư ờng kính của kích phẳng. 2 đ iểm đ o nằm sâu nhất cách mặt chịu nén it nhất 6 lần đư ờng kính của kích phẳng và nằm ngoài vùng ảnh h ư ởng chịu lực theo tính toán. Thiết bị đ o chuyển vị gắn thêm các tenxomet và đ ồng hồ đ o đư ờng kính hầm (MPBX). Để đ o chuyển vị bề mặt có thể dùng các đ ồng hồ đ o biến dạng hoặc thiên phân kế. Độ chính xác của đ ồng hồ đ o biến dạng là 0,0025 mm. Đối với đ á có mô đ un biến dạng lớn (3,5. 10 4 MPa), sai số v ư ợt quá 0,01 mm là không sử dụng đư ợc kết quả đ o.

44 Thiết bị gia tải của thí nghiệm gồm các cột thép tạo đối tải và kích dẹt đặt ngay trên mặt gia tải. Kích sử dụng để gia tải trên hai mặt của khối đá nhằm duy trì áp lực với độ chính xác 3%. Chúng thường được lắp đặt sao cho hai tấm nén dịch chuyển song song với nhau. Đồng hồ đo áp lực của kích có độ chính xác ít nhất là 0,14 Mpa. Các tấm đệm gia tải phải có mô đun không lớn hơn mô đun của đá thí nghiệm. Thông thường vữa xi măng để không quá vài ngày là đáp ứng được yêu cầu. Trường hợp cần thiết có thể cho thêm phụ gia để giảm độ cứng. Khi khoan các lỗ khoan cần xác định RQD và lấy mẫu thí nghiệm trong phòng. Sau khi chuẩn bị mẫu và lắp đặt xong thiết bị cần phải tiến hành thí nghiệm ngay. Quá trình gia tải được thực hiện theo 5 chu kỳ tăng và giảm tải để đạt áp lực cực đại. Mỗi chu kỳ gồm 10 cấp tải trọng, mỗi cấp tải trọng được giữ 1 phút. Chu kỳ giữa nên có giá trị bằng tải trọng thiết kế. Chu kỳ cuối bằng 2 lần tải trọng thiết kế. Qúa trình giảm tải cũng thực hiện theo chu kì có cùng thời gian. Đọc các số đọc biến dạng sau từng cấp giảm hoặc tăng tải. Duy trì tải trọng lớn nhất và tải trọng lúc bằng 0 ít nhất 10 phút. Thời gian đọc biến dạng 5 phút một lần. Hình 2.21 mô tả quan hệ giữa thời gian gia tải, biến dạng và cấp tải

45 Hình 2.22 và 2.23 là các đồ thị quan hệ biến dạng và lực tác dụng. - Đường mô đun đàn hồi lớn nhất là đường thẳng nối các đỉnh cực đại của biến dạng ứng với các chu kì nén. -Mô đun phục hồi biến dạng là đường tiếp tuyến của đường dỡ tải. Mô đun này thường lớn hơn các môđun khác và được tính trong chu kì dỡ tải. -Mô đun cát tuyến của biến dạng là là đường nối trên biểu đồ của đồ thị ứng suất-biến dạng ứng với điểm ứng suất bằng 0 và ứng suất tại một điểm nào đó trên đường quan hệ. - Mô đun tiếp tuyến là đường tiếp tuyến của đồ thị ứng suất - biến dạng tại đoạn cong của nhánh tăng tải. Các công thức xác định mô đun biến dạng được xây dựng trên cơ sở của lý thuyết đàn hồi với tải trọng phân bố đều vô hạn trên diện tích đẳng hướng và vô hạn. Hướng của biến dạng lún được xem là trùng với hướng của lực tác dụng. Mô đun biến dạng của khối đá thí nghiệm được xác định trong các trường hợp cụ thể như sau:

46 Mô đun biến dạng tại tâm tấm nén: Trong đó: - hệ số Poisson; Q- áp lực nén, MPa R- bán kính tấm nén, mm W c – chuyển vị đo được tại tâm tấm nén. Mô đun biến dạng tại cạnh tấm nén Mô đun biến dạng trong khối đá Trong đó: Z – độ sâu từ điểm xét đến tâm mặt tấm nén, mm; W z – chuyển vị tại điểm Z nằm trong khối đá, mm. Mô đun biến dạng tại tâm tấm nén với lực nén trên diện tích tròn Trong đó: R 2 – bán kính ngoài của vòng tròn, mm; R 1 – bán kính trong của vòng tròn, mm.

47 Mô đun biến dạng tại cạnh tấm nén với lực nén trên diện tích tròn Mô đun biến dạng bên trong khối đá với lực nén trên diện tích tròn 2.3.2 Phương pháp thí nghiệm xác định mô đun biến dạng của khối đá ngoài hiện trường bằng việc sử dụng tấm nén cứng Phương pháp thí nghiệm này sử dụng tấm nén cứng để thí nghiệm và tiến hành theo tiêu chuẩn ASTM - D 4394. Sơ đồ thí nghiệm hình 2.24.

48 Trên thực tế, việc tạo nên một bàn nén tuyệt đối cứng là khó thực hiện được. Tuy nhiên, điều kiện này có thể đáp ứng nếu độ cứng của tấm nén phải đủ lớn để không bị biến dạng dưới tác dụng của tải trọng lớn nhất. Với bàn nén bằng thép được chế tạo có sự tăng cường những kết cấu cứng và điều kiện thí nghiệm với tải trọng không lớn trong đá không quá cứng thì hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu của thí nghiệm. Hình 2.25 là hình vẽ của bàn nén cứng hình tròn được tăng cường độ cứng bởi các đường gân thép. Tấm dưới của bàn nén có đường kính 12 in (30,48 cm), tấm trên có đường kính 10 in (25,4 cm). Hai bản thép trên và dưới có bề dày ½ in (12,7 mm). 4 bản thép có bề dày tương tự được đặt đứng chia các đáy tấm nén tròn thành 8 mảnh bằng nhau với góc hướng tâm 45 0. Các bản thép đặt đứng có tác dụng làm tăng độ cứng cho bàn nén chịu tác dụng lực trực tiếp để truyền lên mặt khối đá.

49 Khi chẩn bị mẫu thí nghiệm, bề mặt đá phải được làm nhẵn, vật liệu sử dụng làm tấm đệm có mô đun đàn hồi ít nhất là 3x10 4 Mpa và nên phù hợp với khả năng chịu tải của bề mặt đá và tấm nén. Vùng đá dưới tác dụng của tải trọng thường không đồng nhất, (theo giả thuyết là đồng nhất). Đá sẽ sinh ra phản lực chống lại tác dụng của tải trọng ở vùng biến dạng. Vì vậy, việc đo biến dạng tại các điểm rời rạc trên bề mặt đá có xu hướng chịu ảnh hưởng nhiều bởi các đặc điểm biến dạng của khối đá ở vị trí thí nghiệm và có thể cho kết quả không tương thích với khối đá. Việc sử dụng tấm nén với việc xác định độ biến dạng trung bình sẽ hạn chế được vấn đề này. Công thức xác đinh mô đun biến dạng dựa trên công thức mô đun đàn hồi đối với tấm nén cứng tác dụng trên bề mặt bán không gian đẳng hướng đàn hồi được xác đinh như sau: Trong đó: μ- hệ số Poisson của đá ; P: tổng tải trọng tác dụng lên tấm nén cứng (kN). W a : độ lún trung bình của tấm nén cứng (mm) R: bán kính của tấm nén (mm). Dưới đây là một số hình ảnh thực tế của thí nghiệm mô đun biến dạng của đá

50

51 PHẦN BÀI TẬP Ví dụ : Người ta tiến hành thí nghiệm nén ngang trong hầm thuộc đới IB, trình tự thực hiện như sau : - Chọn vị trí và tạo bệ thí nghiệm : chọn vị trí thuận lợi ở hai vách hầm tại độ sâu có phân bố đá đới IB ; dọn sạch, rửa nền bệ và đo vẽ khe nứt nền đá ; tạo nền bệ hình tròn, đường kính 710 mm, bề mặt được làm phẳng bằng lớp bê tông có chiều dầy nhỏ hơn 15 cm và cường độ R 28 = 200 kG/cm 2 ; dùng máy khoan chuyên dụng với mũi khoan kim cương, đường kính D56 mm để khoan tại vị trí tâm bệ, theo phương ngang có hướng 121 0 (tường trái) và 301 0 (tường phải), chiều sâu các lỗ khoan là 6 m, hiệp khoan 0,5 m, lấy lõi 100%, đo vẽ xác định RQD và mô tả địa tầng. Nõn khoan được đặt vào hộp mẫu, sau khi chụp ảnh thì sẽ để lưu kho. Lắp đặt thiết bị như sơ đồ thí nghiệm gồm : + Các đầu đo biến dạng : Lắp đầu đo của hãng GEOKON của Mỹ. Đầu đo có khoảng đo 12,7 mm, độ chính xác 0,0023 mm ; + Thiết bị đọc biến dạng : gồm bộ đọc chuyên dụng CR 10 X, do hãng Cambell Scientific và bộ lọc Data Mate MP của hãng Slope Indictor của Mỹ sản xuất.

52 + Thiết bị tạo áp lực nén : Kích thủy lực có áp lực tối đa 200 tấn ; đồng hồ đo áp lực loại 400 kG/cm 2, giá trị vạch chia 2.0 kG/cm 2. Bàn nén tròn đường kính 710 mm. Lắp đặt hệ thống dẫn hơi đến neo và các đầu đo. Các đầu đo đặt ở độ sâu : 0,5 ; 1,5 ; 3,0 ; 4,5 m. Nối với mốc neo đặt ở độ sâu 6,0 m và mốc neo bám vào đá ở thành hố khoan với áp lực khoảng 2.0 Mpa ; lắp hệ thống đo biến dạng ở xung quanh biên bệ ; lắp ráp thiết bị tạo áp lực nén, hệ thống dẫn tín hiệu biến dạng từ các đầu đo vào máy tính để ghi và lưu số liệu biến dạng của khối đá tại các độ sâu. Trình tự thí nghiệm Thực hiện chu trình tăng và giảm tải như sau : Chu trình gia tảiÁp lực nén σ (Mpa) 1 0  1,5  0 2 0  2,0  0 3 0  2,5  0 4 0  3,0  0 5 0  3,5  0 60  4,0  0

53 Việc tăng và giảm tải thực hiên với các cấp áp lực bằng 1/10 áp lực lớn nhất của chu trình. Mỗi cấp áp lực duy trì trong thời gian 1 phút. Khi tăng tải đạt áp lực lớn nhất và khi giảm tải về 0, thời gian đọc giá trị biến dạng được duy trì 10 phút. Ghi lại cá giá trị biến dạng tại mỗi cấp áp lực. Chỉnh lý tài liệu xác định các giá trị mô đun biến dạng. Giá trị mô đun biến dạng được tính tương ứng với các cấp áp lực : 1,5 ; 2,0 ; 2,5 ; 3,0 ; 3,5 ; 4,0 Mpa và biến dạng đo được tại các độ sâu đặt đầu đo trong hố khoan cách bề mặt hầm 0,5 ; 1,5 ; 3,0 và 4,5 m cũng như ở biên của bàn nén. Áp dụng các công thức (2.46) và (2.47) ta sẽ tính được các giá trị mô đun biến dạng tại vị trí xung quanh biên của bệ nén cũng như tại các độ sâu khác nhau. Kết quả tính toán : Bảng 2.7 Kết quả xác định mô đun biến dạng (E 0 ) và mô đun đàn hồi E dh

54 Số hiệu bệ TN Áp lực nén σ (Mpa) Mô đun E 0 và E dh tương ứng với độ sâu thí nghiệm E. 10 3 Mpa0,00,51,53,04,5 TN 1 (tường trái) 1,5E1,092,744,976,929,73 E dh 2,956,8714,4221,1929,30 2,0E1,022,514,816,549,41 E dh 2,987,0213,0919,6427,50 2,5E1,022,104,866,689,62 E dh 3,287,1315,1914,8627,80 3,0E0,902,054,426,769,25 E dh 3,017,2113,9221,9530,76 3,5E0,831,934,516,939,08 E dh 3,067,1614,6323,6229,10 4,0E0,791,994,506,538,46 E dh 3,398,4414,3324,8025,15

55 Số hiệu bệ TN Áp lực nén σ (Mpa) Mô đun E 0 và E dh tương ứng với độ sâu thí nghiệm E. 10 3 Mpa0,00,51,53,04,5 TN 1 (tường phải) 1,5E1,463,745,716,7510,47 E dh 4,3112,8517,9724,2932,55 2,0E1,553,485,687,489,89 E dh 4,6511,3217,7324,2128,93 2,5E1,463,105,507,239,94 E dh 4,9412,0320,5723,4232,19 3,0E1,463,045,237,029,94 E dh 5,1512,0817,7421,6134,43 3,5E1,523,104,836,289,09 E dh 5,4511,7615,4018,8127,89 4,0E1,423,145,056,449,25 E dh 4,8812,0416,1120,5930,63

56 2.4. Thí nghiệm xác định sức chịu tải của cọc 2.4.1. Thí nghiệm nén tĩnh cọc theo phương pháp chất tải 2.4.1.1. Nguyên lý và sơ đồ thí nghiệm Thí nghiệm nén tĩnh dọc trục của cọc theo phương pháp gia tải tại hiện trường (thí nghiệm nén tĩnh cọc) nhằm xác định khả năng chịu tải thực tế của cọc. Có thể nói đây là phương pháp tin cậy nhất cho phép đánh giá chính xác khả năng chịu tải của cọc. Thí nghiệm nén tĩnh cọc được thực hiện theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9393:2012, hay tiêu chuẩn ASTM D1143-81 của Mỹ. Thí nghiệm nén tĩnh cọc có thể được tiến hành cho cọc đơn hay nhóm cọc và theo các sơ đồ gia tải khác nhau. Công tác thí nghiệm nén tĩnh cọc thường được tiến hành trước khi thi công móng, nhằm kiểm tra tải trọng thiết kế của cọc để điều chỉnh lại cho phù hợp với khả năng làm việc thực tế của cọc. Ngoài ra, việc thí nghiệm nén tĩnh cọc sau khi thi công cho phép kiểm tra đánh giá chất lượng thi công. Cọc thí nghiệm thường là cọc bê tông cốt thép được hạ bằng cách đóng hoặc ép, cọc khoan nhồi, cọc thép,… Thí nghiệm nén tĩnh cọc chỉ bắt đầu sau một thời gian thi công cọc nhất định. Đối với cọc bê tông cốt thép hạ bằng phương pháp đóng, thời gian này tuỳ thuộc thành phần, tính chất và trạng thái của đất. Khi cọc đóng vào cát hạt thô, thời gian nghỉ trước khi tiến hành thí nghiệm không được ít hơn 3 ngày. Khi cọc xuyên qua cát nhỏ, cát bụi bão hoà nước thì thời gian nghỉ không ít hơn 10 ngày. Khi cọc đóng vào đất loại sét hay đất không đồng nhất thì thời gian nghỉ không ít hơn 6 ngày. Trường hợp cọc xuyên qua đất loại sét trạng thái dẻo mềm đến dẻo chảy thì thời gian nghỉ không ít hơn 20 ngày.

57 Đối với cọc hạ bằng ph ươ ng pháp khác thời đ iểm bắt đ ầu thí nghiệm không sớm h ơ n 1 ngày đ êm kể từ khi hạ cọc. Các cọc khoan nhồi chỉ đư ợc thí nghiệm sau khi bê tông đ ạt c ư ờng đ ộ thiết kế. Hiện nay ng ư ời ta quy đ ịnh số đ iểm thí nghiệm cọc cho mỗi nhà hoặc công trình là 1% tổng số cọc, nh ư ng không đư ợc ít h ơ n 2 cọc. Khi thí nghiệm nén tĩnh cọc th ư ờng sử dụng kích thuỷ lực đ ể gia tải. Tuỳ theo ph ươ ng pháp đ ối tải là cọc neo hay chất tải mà có các s ơ đ ồ thí nghiệm theo các hình vẽ sau:

58

59 Thiết bị chất tải lên cọc hoặc nhóm cọc được trình bầy chi tiết trên các hình vẽ hoặc có thể tự chế tạo sao cho tải trọng tác dụng đều lên suốt dọc trục chiều dài của cọc mà ít lệch tâm nhất. Trước khi thí nghiệm, cần phải đào phần đất xung quanh cọc hay nhóm cọc thí nghiệm cho đến cao độ cắt đầu cọc. Cọc thí nghiệm có thể phải cắt bớt hoặc đổ bê tông nối dài thêm tùy theo trường hợp cụ thể để có thể lắp đặt được thiết bị. Nếu đầu cọc bị hỏng thì cần loại bỏ trước khi thí nghiệm. Đối với nhóm cọc thì cần đổ đài bê tông cốt thép nối các cọc thí nghiệm. Đối với thí nghiệm cọc đơn, tấm nén thép trên đầu cọc phải có khả năng không bị uốn khi chịu tác dụng của lực nén, thường độ dầy là 50 mm. Khi nén cọc đơn, diện tích bàn nén không được nhỏ hơn diện tích tiết diện cọc cũng như đế của kích thủy lực. Khi nén trên nhóm cọc, diện tích bàn nén không được nhỏ hơn 2 lần diện tích đế của kích thủy lực. Khi nén tĩnh cọc đúc sẵn hoặc cọc khoan nhồi, bàn nén được đặt trên phần bê tông được đổ có khả năng đông kết cường độ cao. Đối với cọc thép đơn, bàn nén được hàn luôn vào với cọc.

60 Kích thủy lực và đồng hồ đo lực phải được kiểm định theo quy định và có công suất phù hợp với tải trọng thí nghiệm thiết kế. Bơm thủy lực cần có bộ phận tự điều chỉnh áp lực để bảo đảm cho áp lực thí nghiệm luôn không bị thay đổi khi cọc bị lún. Số liệu hiệu chỉnh cho các thiết bị thí nghiệm cần được ghi lại cùng với nhiệt độ lúc hiệu chỉnh. Thiết bị đo: Đồng hồ đo phải có hành trình ít nhất 50 mm, có độ chính xác vạch chia là 0,01 in (0,25 mm). Các đồng hồ cần được đánh dấu theo số thứ tự nhất định để tránh nhầm lẫn. 2.4.1.2. Quy trình gia tải - Quy trình gia tải tiêu chuẩn: Trường hợp cọc không bị phá hủy thì tải trọng tác dụng lên đầu cọc 200 % tải trọng thiết kế đối với thí nghiệm cọc đơn và 150 % tải trọng thiết kế đối với thí nghiệm cho nhóm cọc. Tải trọng được tăng theo từng cấp, mỗi cấp có giá trị bằng 25 % tải trọng thiết kế. Sau mỗi cấp tăng tải, giữ tải cho đến khi tốc độ lún của cọc không lớn hơn 0.25 mm trong một giờ, nhưng không lâu hơn 2 h. Khi tăng đến cấp cuối cùng, nếu cọc không bị hỏng, sau 12 giờ mà chuyển vị đầu cọc có tốc độ không lớn hơn 0,25 mm/giờ thì tiến hành dỡ tải. Nếu cọc bị phá hoại thì giữ toàn bộ tải trọng trên cọc trong 24 giờ, sau đó tiến hành dỡ tải. Việc dỡ tải cũng được thực hiện theo từng cấp, mỗi cấp bằng 25 % tải trọng thí nghiệm (có khi cấp giỡ tải bằng 2 lần cấp gia tải). Quy trình gia tải theo tiêu chuẩn TCVN 9393:2012 về cơ bản tương tự như quy trình gia tải tiêu chuẩn của tiêu chuẩn ASTM D1143-81(89). Đây là phương pháp gia tải được sử dụng phổ biến trong thí nghiệm xác định sức chịu tải của cọc hiện nay. Nhược điểm cơ bản của phương pháp gia tải này là thời gian thường kéo dài từ 40 đến 70 giờ.

61 - Gia tải theo chu kỳ (không bắt buộc): + Theo tiêu chuẩn TCVN 9393:22012: Chu kỳ thứ nhất: Gia tải giống như quy trình gia tải tiêu chuẩn; Chu kỳ thứ hai: Gia tải lại cho đến cấp tải trọng cuối của chu kỳ thứ nhất với thời gian giữ tải mỗi cấp là 30 phút, sau đó tiếp tục gia tải theo từng cấp cho đến cấp tải trọng cuối cùng của chu kỳ thứ hai rồi tiến hành dỡ tải về 0. Các chu kỳ tiếp theo được thực hiện tương tự các bước của chu kỳ thứ hai cho đến khi đạt tải trọng phá hoại hoặc tải trọng lớn nhất dự kiến thí nghiệm. Phương pháp gia tải theo chu kỳ thường được tiến hành tùy thuộc vào điều kiện làm việc cụ thể của công trình. Số lượng chu kỳ thí nghiệm do Tư vấn thiết kế quyết định cho phù hợp với điều kiện thực tế. + Theo tiêu chuản ASTM D1143-81 (89): Lần đầu tiên gia tải thực hiện giống như trường hợp quy trình gia tải tiêu chuẩn. Sau đó, gia tải bằng 50 % và 150 % tải trọng thiết kế đối với cọc đơn hay 50 % và 100 % tải trọng thiết kế đối với thí nghiệm nhóm cọc. Mỗi lần gia tải duy trì áp lực thí nghiệm trong vòng 1 giờ, sau đó dỡ tải theo từng cấp như cấp tăng tải trong 20 phút. Sau khi hoàn thành việc dỡ tải, lại tiến hành gia tải theo cấp bằng 50 % tải trọng thí nghiệm và để trong vòng 20 phút. Sau khi hoàn thành việc gia tải, tiến hành dỡ tải như đối với quy trình gia tải tiêu chuẩn. - Gia tải vượt quá tải trọng tiêu chuẩn (ASTM không bắt buộc): Sau khi tải trọng đã được chất và dỡ như đối với Quy trình gia tải tiêu chuẩn, tiến hành gia tải lại với cấp tải bằng 50 % tải trọng thiết kế và giữ trong vòng 20 phút. Sau đó tiếp tục gia tải với giá trị 10 % tải trọng thiết kế cho đến khi đạt tải trọng tối đa hoặc đến khi cọc bị phá hoại. Mỗi cấp gia tải đều giữ trong vòng 20 phút.

62 Trường hợp cọc không bị phá hủy thì duy trì tải trọng lớn nhất trong thời gian 2 giờ, sau đó dỡ tải theo 4 cấp bằng nhau. Mỗi cấp dỡ tải cũng được giữ trong vòng 20 phút. Phương pháp gia tải này cho phép xác định chính xác hơn tải trọng phá hoại cọc. - Gia tải theo thời gian bằng nhau (ASTM không bắt buộc): Quy trình này được thực hiện như Quy trình gia tải tiêu chuẩn. Chỉ khác là mỗi cấp tăng tải và dỡ tải là 20 % tải trọng thiết kế được giữ trong 1 giờ. - Gia tải theo tốc độ lún không đổi (ASTM không bắt buộc): Quy trình gia tải này dùng cho cọc đơn. Kích thủy lực cần có hành trình lớn hơn độ lún dự kiến của cọc. Máy bơm phải được gắn với van có điều chỉnh được nhiều tốc độ. Tải trọng tác dụng lên cọc sao cho độ lún của cọc đạt 0,25 đến 1,25 mm/ phút đối với đất dính và 0,75 đến 2,5 mm/phút đối với đất rời. Tải trọng được tăng cho đến hết khả năng gia tải. Trường hợp cọc vẫn tiếp tục lún thì cần giữ được tải bảo đảm được tốc độ lún của thí nghiệm cho đến khi đạt tổng độ lún bằng 15% đường kính trung bình của cọc. Nếu cọc dừng lún khi đạt tải trọng lớn nhất thì tiến hành dỡ tải. - Gia tải nhanh cho cọc đơn (ASTM không bắt buộc): Thực hiện gia tải theo từng cấp, mỗi cấp bằng 10 đến 15 % tải trọng thiết kế với thời gian gia tải như nhau là 2,5 phút. Tải được tăng đến áp lực tối đa, giữ sau 5 phút tiến hành dỡ tải theo 4 cấp bằng nhau. Mỗi cấp duy trì 5 phút.

63 Ưu điểm của phương pháp gia tải này là thời gian tiến hành thí nghiệm nhanh và khá kinh tế. Thời gian thí nghiệm thường mất từ 3 đến 5 giờ. - Gia tải theo số gia độ lún không đổi: Điều chỉnh tải trọng khi gia tải sao cho mỗi số gia chuyển vị không đổi có giá trị bằng 1% đường kính hoặc chiều rộng cọc. Không tăng tải trong 1 giờ và tốc độ thay đổi tải trọng nhỏ hơn 1% tổng tải trọng tác dụng. Sau đó, tiếp tục tăng tải cho đến khi độ lún của cọc đạt 10 % đường kính hoặc chiều rộng của cọc. Sau khi duy trì số gia độ lún cuối cùng, tiến hành dỡ tải theo 4 cấp. Cấp tải sau chưa được dỡ nếu trong 1 giờ, độ phục hồi của cấp tải trọng trước đó vẫn nhỏ hơn 3 % đường kính hoặc chiều rộng cọc. - Gia tải theo chu kỳ của Thụy Điển: a) Gia tải theo từng cấp có giá trị bằng 1/3 tải trọng thiết kế. Sau khi đạt tải trọng tối đa tiến hành dỡ tải. Cấp dỡ tải bằng 1/6 tải trọng thiết kế. b) Lặp lại theo chu kỳ tăng và giảm tải ở bước (a) 20 lần. c) Tiếp theo tăng thêm mức tải 50 % và thực hiện lại các bước tăng và giảm tải ở bước (a); và lặp lại 20 lần chu kỳ tăng và dỡ tải ở bước (b), cứ tiếp tục như vậy cho đến khi đạt được trạng thái phá hoại.

64 Nhược điểm của phương pháp gia tải này là mất nhiều thời gian và ứng xử của cọc theo chu kỳ tác dụng lực khác với cọc làm việc ở trạng thái tác dụng tải trọng tĩnh ổn định. Tuy nhiên, trong điều kiện cọc làm việc với tải trọng thay đổi theo chu kỳ thì phương pháp gia tải này rất phù hợp. 2.4.1.3. Công tác quan trắc thí nghiêm Đối với chuyển vị lún dọc trục, đọc số đọc trên cọc thí nghiệm hoặc trên đài cọc (có thể đọc số đọc trên bàn nén nếu lắp đặt đúng yêu cầu kỹ thuật). Đối với chuyển vị bên, đọc số đọc ở cạnh của cọc hoặc đài cọc. Hình 2.34 mô tả cách bố trí thiết bị quan trắc lún của cọc.

65 - Quy trình đo tiêu chuẩn: Đọc số đọc về thời gian, tải trọng, chuyển vị và ghi lại số đọc trước và sau khi gia tải hay dỡ tải. Trong quá trình gia tải, đọc số đọc với 10 phút một lần trong 1,5 giờ thí nghiệm đầu và 20 phút lần cho thời gian tiếp theo. Sau khi gia tải cấp cuối cùng trong khoảng 2 giờ đầu cứ 20 phút đọc một lần và không lớn hơn 1 giờ một lần cho 10 giờ tiếp theo, sau đó cứ 2 giờ một lần đọc cho 12 giờ tiếp theo. Trường hợp cọc bị phá hủy thì đọc số đọc ngay trước khi tiến hành dỡ tải. Qúa trình dỡ tải theo từng cấp thì cứ 20 phút đọc một lần. Sau khi cọc đã hồi phục 12 giờ đọc số đọc cuối. - Đọc số đọc của quy trình gia tải theo tốc độ lún của cọc: Đọc các số đọc về thời gian, tải trọng, độ lún và ghi lại ít nhất 30s / lần. Nếu có thiết bị quan trắc (monitor) thì bố trí để chúng ghi lại liên tục trong suốt quá trình thí nghiệm. Khi cọc thí nghiệm đạt đến độ lún quy định, tiếp tục theo dõi và đọc cho đến khi đạt tải trọng thí nghiệm lớn nhất. Ngay sau khi dỡ tải, đọc các số đọc về thời gian, tải trọng và độ phục hồi của cọc. Sau khi kết thúc dỡ tải 1 giờ đọc và ghi lại các số đọc cuối cùng.

66 - Đọc số đọc theo quy trình chất tải nhanh: Đọc các số đọc về thời gian, tải trọng, độ lún ngay trước và sau khi chất tải. Sau đó đọc theo chu kỳ như đã quy định. Khi toàn bộ tải trọng thí nghiệm đã được gia tải, đọc ngay các số đọc khi kích dừng lại. Sau đó đọc lại sau 2,5 phút và sau 5 phút. Khi dỡ tải, đọc các số đọc về thời gian, tải trọng và độ phục hồi của cọc. Sau khi dỡ toàn bộ tải trọng tiếp tục đọc các số đọc sau 2,5 phút và sau 5 phút. - Đọc số đọc khi gia tải theo độ lún không đổi: Đọc các số đọc về thời gian, tải trọng, độ lún trước và sau khi cọc bị lún một khoảng quy định và đọc ở thời điểm tải trọng thực tế duy trì từng cấp tăng của độ lún. Qúa trình dỡ tải, đọc các số đọc về thời gian, tải trọng và độ phục hồi của cọc ngay trước và sau khi dỡ tải, từ đó xác định được tốc độ phục hồi của cọc. Đọc số đọc cuối cùng 12 giờ sau khi dỡ tải toàn bộ. 2.4.1.4. Quy định về kết thúc hoặc dừng thí nghiệm Thí nghiệm nén tĩnh cọc được xem là kết thúc khi: - Kết thúc toàn bộ quy trình thí nghiệm thiết kế; -Cọc bị phá hoại trước khi đạt tải trọng tối đa của thí nghiệm. Cọc được xem là bị phá hoại khi:

67 + Độ lún lớn nhất của cọc tại cấp tải trọng bằng 2 lần tải trọng thiết kế sau 24 giờ lớn hơn 2 % đường kính cọc; Độ lún lớn nhất của cọc tại cấp tải trọng bằng 2,5 lần tải trọng thiết kế lớn hơn 2,5 % đường kính cọc; Độ lớn dư lớn hơn 5 mm. (Theo TCVN 9393:2012 thì cọc bị phá hoại khi độ lún của cọc vượt quá 10 % đường kính hoặc chiều rộng tiết diện cọc); + Vật liệu cọc bị phá hoại. 2.4.1.5. Công tác xử lý tài liệu thí nghiệm a) Xác định sức chịu tải giới hạn: Để xác định sức chịu tải giới hạn của cọc phải lập các biểu đồ quan hệ S = f(t) và S = f(P), hình 2.35

68 Sức chịu tải của cọc có thể được xác định bằng một trong các phương pháp sau: Theo tiêu chuẩn TCVN 9393:2012 Dựa trên hình dạng quan hệ trên đồ thị tải trọng – chuyển vị, khi đường cong biến đổi nhanh, có điểm tại đó độ dốc đường cong thay đổi đột ngột (điểm uốn), thì sức chịu tải giới hạn tương ứng với điểm đường cong bắt đầu thay đổi độ dốc. Trường hợp đường cong biến đổi chậm, khó hoặc không thể xác định được điểm uốn thì có thể áp dụng các cách ghi trong nội dung bảng 2.1 Sức chịu tải tính toán được xác định trên cơ sở sức chịu tải giới hạn chia cho hệ số an toàn, thường lấy bằng 2, hoặc có thể xác định như sau: - Tải trọng tương ứng với chuyển vị đầu cọc 8 mm chia cho hệ số 1,5 hoặc xác định theo công thức: P tt = k.m.P gh (2.52) Trong đó: k – hệ số không đồng nhất (k = 0,8 – 0,7) m – hệ số điều kiện làm việc lấy bằng 1. P gh – tải trọng giới hạn của cọc theo đồ thị S = f(p) tại điểm có độ lún: S gh = .S u (2.53) S u – độ lún giới hạn trung bình của móng nhà hoặc công trình cho phép quy định trong tiêu chuẩn xây dựng TCVN 9392:2012;

69  - hệ số chuyển tiếp từ độ lún giới hạn trung bình sang độ lún nén tĩnh cọc khi đạt ổn định quy ước. Hiện nay  lấy bằng 0,1. Theo XNHiP 2.02.03.85 lấy  = 0,2 khi nén cọc với độ lún ổn định quy ước bằng 0,1mm/h và đất dưới mũi cọc là cát hay đất loại sét cứng đến dẻo chảy. Thực tế cho thấy, đối với các trường hợp đất dưới mũi cọc là cát chặt vừa đến chặt lấy  = 0,2 là hợp lý và bảo đảm hiệu quả kinh tế. - Tải trọng tương ứng với chuyển vị đầu cọc 10% chiều rộng cọc hoặc tải trọng lớn nhất đạt được trong quá trình thí nghiệm chia hệ số an toàn bằng 2. Khi xác định giá trị P ứng với S trên đồ thị quan hệ S = f(p) cần chú ý vị trí điểm lấy phải nằm trong đoạn có quan hệ đường thẳng. Xác định tải trọng giới hạn theo phương pháp đồ thị: Sức chịu tải giới hạn được xác đinh trên hình dạng đường cong của quan hệ tải trọng chuyển vị: S = f(P); logS = f(logP). Tùy trường hợp cụ thể, có thể xác định như sau: - Khi đường cong có điểm uốn rõ ràng thì sức chịu tải có thể xác định trực tiếp trên đường cong, ứng với điểm đường cong có sự thay đổi độ dốc đột ngột, hoặc đường cong gần như song song với trục chuyển vị (giống như TCVN 9393:2012).

70 - Trường hợp các đường cong thay đổi chậm, không xác định được điểm biến đổi đột ngột thì có thể xác định theo các phương pháp biểu đồ khác. Theo quy trình gia tải, loại cọc thí nghiệm và điều kiện đất nền, có thể áp dụng một trong các phương pháp đồ thị sau: + Phương pháp De Beer: Theo phương pháp này, kết quả thí nghiệm được thể hiện trên đồ thị quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị trên các trục tọa độ biểu diễn dưới dạng logarit. Nếu trên đồ thị quan hệ log S = f (log P) có dạng đường thẳng gấp khúc thì tại điểm gấp khúc là tọa độ của độ lún giới hạn và sức chịu tải giới hạn, hình 2.36 Phương pháp De Beer thích hợp để xác định sức chịu tải giới hạn từ kết quả thí nghiệm theo quy trình gia tải tốc độ chậm. Nhược điểm của phương pháp này là không phải lúc nào cũng xuất hiện đường thẳng gấp khúc đặc trưng với hai đoạn thẳng rõ ràng như hình 2.36. Những trường hợp như vậy, việc xác định sức chịu tải giới hạn là rất khó khăn.

71 + Phương pháp của Davisson: * Trước tiên vẽ đồ thị quan hệ S =f(P) trên hệ tọa độ thường; * Trên hệ trục này, vẽ đường đàn hồi theo phương trình P = (EF/L) . Trong đó: E – Mô đun đàn hồi của cọc (kN/m 2 ); F- diện tích tiết diện của cọc (m 2 ); L – chiều dài cọc (m); ∆- biến dạng của cọc (mm). * Đường Davisson là đường song song với đường “đàn hồi” và cách đường này một khoảng: 3,8 + D/120, (mm) nếu đường kính của cọc D ≤ 600 mm D/30, (mm) nếu đường kính của cọc > 600 mm. (Trường hợp này trùng với cách xác định sức chịu tải giới hạn của Canadian Foudation Engineering Manual), hình 2.37.

72 Phương pháp Davisson có ưu điểm là dễ sử dụng và có thể sử dụng cho cả quy trình gia tải nhanh và chậm. Hạn chế của phương pháp là không sử dụng được cho cọc chống. Trường hợp thí nghiệm phải dừng trước khi đạt tải trọng lớn nhất dự kiến do điều kiện gia tải hạn chế thì sức chịu tải giới hạn có thể lấy sức chịu tải giới hạn là giá trị tải trọng lớn nhất thí nghiệm; Trường hợp nén đến trạng thái phá hủy của cọc thì sức chịu tải giới hạn lấy bằng cấp tải trọng trước khi bị phá hoại. b) Xác định sức chịu tải cho phép Sức chịu tải cho phép thường được xác định bằng cách lấy sức chịu tải giới hạn chia cho một hệ số an toàn. Thông thường hệ số an toan F s = 2. Tuy nhiên, việc áp dụng hệ số an toàn cao hơn hay thấp hơn do thiết kế quy định tùy thuộc mức độ quan trọng của công trình, điều kiện đất nền, đặc điểm của cọc cũng như phương pháp thí nghiệm. Sức chịu tải cho phép của cọc xác định theo các phương pháp của De Beer và Davisson được xác định theo công thức: [ P ] = 0,5 P gh

73 2.4.2 Thí nghiệm xác định sức chịu tải của cọc theo phương pháp Osterberg 2.4.2.1 Giới thiệu phương pháp và sơ đồ thí nghiệm Phương pháp thí nghiệm xác định sức chịu tải theo phương pháp Osterberg cho phép tiến hành không cần sử dụng vật đối tải mà sử dụng ngay trọng lượng của cọc để làm đối tải. Bởi vậy, phương pháp thí nghiệm này cho phép thí nghiệm cọc có khả năng chịu tải lên tới hàng nghìn tấn, kể cả trong các điều kiện sông nước cũng như không có mặt bằng để gia tải. Còn về bản chất của thí nghiệm thì không khác gì phương pháp thí nghiệm nén tĩnh cọc bằng cách gia tải theo truyền thống, hình 2.38 và 2.39.

74 Bộ phận tạo lực quan trọng nhất của thí nghiệm là hộp Osterberg hay còn gọi là Ocell. Kích Ocell được đặt ngay ở phần đầu cọc hay cả thân cọc. Vị trí cụ thể đặt Ocell trong cọc khoan nhồi cần được tính toán cụ thể trước khi đổ bê tông cọc, trên cơ sở đánh giá sơ bộ thành phần lực của ma sát và phản lực đầu mũi của cọc. Tùy theo tải trọng thí nghiệm mà thiết kế tại mỗi vị trí là 1, 2, 3 hay 4 Ocell. Các Ocell được gắn vào hai bản thép trên và dưới. Thí nghiệm được thực hiện theo nguyên tắc truyền tải trọng hai chiều lên cả phần trên và xuống dưới của các Ocell. Cách tiến hành thí nghiệm Khi tiến hành thí nghiệm, tăng dần áp lực của kích thủy lực (Ocell) làm cho hộp Ocell nở ra cho đến khi một trong hai thành phần, hoặc là ma sát thành, hoặc là sức kháng đầu mũi cọc đạt giá trị cực hạn. Dựa vào các thiết bị đo chuyển vị và đo lực gắn sẵn trong hộp Ocell, sẽ vẽ được biểu đồ quan hệ giữa lực tác dụng và chuyển vị đầu cọc và thân cọc. Tùy trường hợp phá hoại cụ thể, ta sẽ có được một trong một trong hai dạng biểu đồ thể hiện mối quan hệ giưa tải trọng và chuyển vị. Quy trình gia tải và quan trắc biến dạng được tiến hành như đối với thí nghiệm nén tĩnh cọc. Tuy vậy, thực tế thường sử dụng phương pháp gia tải nhanh theo tiêu chuẩn ASTM 1143: 1995.

75 Nếu gọi Q s là tổng lực ma sát thành bên trong suốt chiều dài cọc và lực kháng phần mũi cọc là Q p. Gọi Q 0 là lực tác dụng từ hộp Ocell. Như vậy, sau khi tác dụng lực Q 0 từ hộp Ocell thì theo nguyên lý cân bằng lực sẽ có một phản lực Q 0 truyền lên thân cọc theo hướng đi lên trên và cân bằng với lực ma sát thành bên của cọc và trọng lượng bản thân của cọc (W). Ngược lại cũng có một lực Q 0 khác hường theo chiều ngược lại xuống dưới và được kháng lại bởi đất nền dưới mũi cọc. Bởi vậy ta có: Q 0 = (W + Q s ) < W + Q s gh hay có: Q 0 = Q p < Q s gh (2.54) Cọc thí nghiệm đạt tới trạng thái giới hạn phá hoại khi có một trong hai biểu thức trên đạt cân bằng. Khi mũi cọc phá hoại trước, ta có thể diến giải kết quả như sau: - Sức kháng ma sát bên của cọc là hiệu số của Q 0 và trọng lượng cọc W. Chuyển vị tương ứng phải kể đến cả biến dạng đàn hồi của cọc. - Sức kháng mũi chính là giá trị Q 0. - Có thể lập đồ thị quan hệ giữa tổng tải trọng và biến dạng giống như đối với thí nghiệm nén tĩnh truyền thống.

76 2.4.2.3 Xác định tải trọng giới hạn Vì ta chỉ xác định được một trong hai trường hợp phá hoại, hoặc phần mũi, hoặc phần thân cọc, nên ta cần phải sử dụng phương pháp nội suy để xác định trạng thái phá hủy còn lại. Tải trọng giới hạn của cọc được xác định theo công thức: Q gh = Q gh mũi + Q gh thân (2.55) Nếu không dùng cách ngoại suy và thiên về an toàn thì có thể xác định: Q gh = 2Q gh thu được (2.56) Trường hợp này sẽ rất phù hợp khi các Ocell được bố trí tại vị trí sao cho sức kháng ma sát thành bên của cọc tương đương với sức kháng phần mũi cọc và ta có R ≈ 1 Với (2.57) Khi sức kháng mũi quá nhỏ hơn so với sức kháng ma sát bên của cọc (R quá bé) thì có thể đặt hai tầng Ocell ở mũi cọc và thân cọc để thử. Vị trí đặt tầng Ocell ở thân cọc cần đáp ứng điều kiện: Q gh mũi xấp xỉ Q gh thân.

77 PHẦN BÀI TẬP Ví dụ 1: Thí nghiệm nén tĩnh dọc trục cọc khoan nhồi được thực hiện theo phương pháp gia tải tĩnh từng cấp lên cọc theo phương thẳng đứng. Cọc có đường kính 1200 mm có tải trọng thiết kế là 1000 tấn, tải trọng thí nghiệm là 2000 tấn. Quy tình thí nghiệm được thực hiện theo 2 chu kỳ theo bảng 2.8

78 Chu kỳ Cấp tải trọng (theo % tải trọng thiết kế Thời gian giữ tải ngắn nhất ( phút) Chế độ thời gian độc số liệu ( phút) Chu kỳ I 2560 0-5-10-20-30-45-60 5060 7560 100360 0-5-10-20-30-45-60-90-120-…360 5060 0-5-10-20-30-45-60 060 Chu kỳ II 2530 0-5-10-20-30 5030 7530 10030 12560 0-5-10-20-30-45-60 15060 17560 2001440 0-5-10-20-30-45-60-90-120-180-240-960-1440 15030 0-5-10-20-30 10030 5030 0360 0-5-10-20-30-45-60-90-120-…360

79 Chu kỳ TN Cấp tải trọng thí nghiệm (tấn) Thời gian giữ tải (phút) Độ lún sau mỗi cấp áp lực(mm) Tổng độ lún của cọc (mm) I 000.00 250601.25 500601.532.78 750601.674.45 II 10003603.267.71 50060-2.515.20 060-4.930.27 250301.141.41 500301.733.14 750302.055.19 1000302.387.57 1250602.079.64 1500902.3612.00 1750903.2615.26 20009603.6718.93 150030-1.2017.73 100030-3.3914.34 50030-4.3210.02 0360-6.863.16

80 Sức chịu tải của cọc có thể được xác định bằng một trong các phương pháp sau: - Theo tiêu chuẩn TCVN 9393:2012: Trường hợp dạng biểu đồ không có điểm uốn đặc trưng, ta xác định sức chịu tải giới hạn của cọc (P gh ) theo trị số S gh =ζ.S u. trong đó S u = 8mm, trên biểu đồ quan hệ ta có P gh = 1000 tấn Tính theo S gh = 10 %. D = 10%. 1200 = 12 mm có P = 1500 tấn Tính theo tải trọng lớn nhất thí nghiệm: P =2000/2 = 1000 tấn

81 Ví dụ 2: Thí nghiệm nén tĩnh cọc theo phương pháp Osterberg đối với cọc khoan nhồi có đường kính D =1000 mm. Cọc dài 47,7 m. Tải trọng thiết kế 470 tấn, tải trọng thí nghiệm 940 tấn. Kết quả thí nghiệm lập được các biểu đồ sau:

82 Cấp gia tải 100%Cấp gia tải 200% Số cấp tăng tải Tải trọng tối đa TN(tấn) Chuyển vị đỉnh cọc(mm) Chuyển vị đỉnh kích(mm) Chuyển vị đáy kích(mm) Số cấp tăng tải Tải trọng tối đa TN(tấn) Chuyển vị đỉnh cọc(mm) Chuyển vị đỉnh kích(mm) Chuyển vị đáy kích(mm) 44700.00.20.349400.00.80.7 Từ kết quả thí nghiệm nhận thấy, khi nén cấp tải trọng 200 % tải trọng thiết kế, tổng chuyển vị của cọc là 1.5 mm nên sức chụi tải giới hạn của cọc it nhất đạt 940 tấn. Kết quả thí nghiệm được thể hiện trong bảng sau: