Thí nghiệm cắt cánh hiện trường

25/05/2021

THÍ NGHIỆM - KIỂM ĐỊNH

Thí nghiệm cắt cánh hiện trường nhằm mục đích xác định sức kháng cắt không thoát nước của đất, được sử dụng cho các loại đất dính mềm yếu, bão hòa nước. Thí nghiệm này không áp dụng đối với đất có khả năng thoát nước nhanh, đất trương nở, đất lẫn nhiều đá, vỏ sò. Dưới đây là một số lý thuyết cơ bản để rõ hơn bản chất của thí nghiệm này...

Tiêu chuẩn áp dụng

22TCN355-06: Quy trình thí nghiệm cắt cánh hiện trường

ASTM D2573: Standard Test Method for Filed Vane Shear Test in Cohensive soil

Mô-men xoắn và sự xoắn/ Torque and torsion

Hai lực bằng nhau và ngược chiều, tác dụng trong cùng một mặt phẳng ở khoảng cách với nhau.

Độ lớn của mỗi lực được ký hiệu là F, khoảng cách giữa các đường tác dụng của chúng là d và Mô-men tạo ra sẽ là (Fxd). Nếu F đo bằng (N), d đo bằng (mm), thì Mô-men được biểu thị bằng (Nmm).

Hai lực bằng nhau và ngược chiều tạo thành một cặp tác dụng lên một đầu thanh trục. Mô-men của các lực được gọi là “mô-men xoắn - Torque” , T. (1)

Nếu như đầu kia của thanh trục được kháng lại bởi một Mô-men xoắn, thanh trục được cho là chịu sự xoắn lại dưới tác dụng xoắn của hai cặp lực đối nghịch.

Một mô-men xoắn có thể được kháng lại bởi ứng suất cắt phân bố đều (Shear stress), s, trên đơn vị diện tích (N/mm²) tác động xung quanh bề mặt cong của một hình trụ được gắn vào một thanh trục. Diện tích của bề mặt cong là πdh (mm²). Do đó tổng lực theo chu vi sẽ bằng s.πdh (N) và cung cấp một Mô-men xoắn (Mô-men ngẫu lực - Resisting torque) T_{r. (2)}

Thí nghiệm cắt cánh hiện trường

Nguyên lý trên được sử dụng trong thí nghiệm cắt cánh để xác định cường độ kháng cắt của đất sét mềm bằng cách đo mô-men xoắn tác dụng cho đến khi phá hủy.

Thiết bị bao gồm một cánh quạt hình chữ thập có đường kính D (mm) và chiều cao H (mm), được gắn vào đầu dưới của một thanh có đường kính nhỏ. Cánh quạt quay một hình trụ đất, khi tác dụng lực xoắn cho thanh. Điều này được thực hiện thông qua thiết bị xoắn ở đầu trên của thanh, cho phép đo mô-men xoắn tác dụng.

Miễn là mô-men xoắn tác dụng nhỏ hơn yêu cầu để cắt đất, nó sẽ bị kháng lại bởi một mô-men bằng và ngược lại được cung cấp bởi lực kháng cắt của đất tác động lên bề mặt của trục xoay. Khi mô-men xoắn tác dụng cho cánh quạt được tăng lên đến một giá trị chỉ đủ để làm hình trụ đất quay, người ta cho rằng khả năng chống cắt tối đa, tức là cường độ kháng cắt của đất, đạt được đồng thời trên tất cả bề mặt trượt.

Tổng mô-men ngẫu lực, T_r, được tạo thành từ 2 thành phần T₁ và T₂, trong đó mô-men xoắn T₁ được cung cấp bởi lực kháng cắt trên bề mặt xung quanh hình trụ và mô-men xoắn T₂ được cung cấp bởi lực kháng cắt trên mỗi hai mặt còn lại của hình trụ.

T_r = T₁ + 2T_{2 (3)}

Áp dụng công thức (2) để tính giá trị T₁

T₁ = πD²Hs/2

Các ứng suất tác dụng lên 2 mặt còn lại của hình trụ. Ứng suất được giả định là phân bố đều, do đó tổng lực cắt chịu tác động lên mỗi mặt là πD²s/4 (N) (bỏ qua đường kính của thanh trục). Chiều dài cánh tay đòn không được xác định rõ ràng ngay lập tức mà thường thông qua tính toán, như phương pháp dưới đây.

Mặt tròn đáy hình trụ có thể được chia thành nhiều các cung nhỏ, mỗi cung xấp xỉ một tam giác cân có chiều cao r, trong đó r = D/2. Nếu ứng suất tác động đồng đều trên toàn khu vực, đường lực tác dụng thông qua trọng tâm của tam giác, tức là ở khoảng cách (2r/3) từ đỉnh. Nếu đặt tất cả các hình tam giác lại với nhau, tổng lực tác dụng sẽ ở khoảng cách 2r/3 (tức là D/3) từ tâm vòng tròn. Khi đó T₂ sẽ bằng:

Như vậy, tổng mô-men ngẫu lực:

Nếu sức kháng cắt của đất (vane shear strength), τ_υ, được tính bằng đơn vị kPa, s = τ_υ / 1000 (N/mm²)

Gọi K = πD² (H/2+D/6) là hệ số cánh cắt - phụ thuộc vào kích thước cánh cắt, Mô-men ngẫu lực sẽ bằng:

T_r = K.τ_υ

Ứng dụng thông số kháng cắt của đất và thí nghiệm cắt cánh hiện trường

Nhiều vấn đề ổn định trong đất liên quan đến cơ chế phá hủy trượt của một khối đất với khối đất chính. Bề mặt trượt có thể là mặt phẵng hoặc mặt cong, người ta cho rằng đất dọc theo toàn bộ bề mặt trượt đang ở trạng thái phá hủy, tức đã đạt đến cường độ kháng cắt lớn nhất của đất.

Trong thực tế cần phải đảm bảo tình trạng này sẽ không bao giờ xảy ra. Và để hạn chế biến dạng trong giới hạn cho phép, một hệ số an toàn được áp dụng để đảm bảo ứng suất cắt trong đất không lớn hơn một tỷ lệ nhất định của cường độ kháng cắt tối đa của nó.

Dưới đây là một số trường hợp có thể giả định hàm lượng nước trong đất không thay đổi và có thể dựa vào phân tích cường độ kháng cắt không thoát nước của đất để đánh giá.

Khả năng chịu lực của móng cho các cấu trúc trên nền đất sét đồng nhất bão hòa, ngay sau khi xây dựng.
Áp lực đất trên tường chắn, đối với các điều kiện phổ biến ngay sau khi xây dựng.
Áp lực đất chống lại hệ giằng chống tạm trong hố đào.
Áp lực đất tác động đến đáy hố đào tạm thời trong đất sét.
Ổn định sườn dốc ngay sau khi đào.

Sự ổn định của bờ kè hay đất đấp trong quá trình xây dựng.

Đối với việc phân tích tính ổn định lâu dài như của tường chắn, đất đấp, đập đất, thông số sức kháng cắt thoát nước sẽ được sử dụng.

Đối với phân tích ổn định lâu dài của mái dốc trong sét quá cố kết thì dựa trên thông số cường độ kháng cắt dư của đất (residual shear strength). (Skempton, 1964; Skempton & La Rochelle, 1965; Symons, 1968).

Thí nghiệm cắt cánh hiện trường có thể xác định được sức kháng cắt của đất mềm với giá trị rất nhỏ (dưới 20kPa) và với độ chính xác hợp lý. Trong một vài trường hợp, cần phải biết giá trị này. Ví dụ, gia cố nền đất yếu bằng phương pháp đất đấp, cường độ kháng cắt sẽ chỉ ra áp lực an toàn tối đa mà nền đất có thể duy trì giai đoạn ban đầu, và do đó có thể thiết kế độ dày đất đấp trong giai đoạn đầu tiên. Sự cố kết sau đó làm tăng cường độ kháng cắt và việc xây dựng có thể tiến hành theo các giai đoạn dựa trên tiêu chí cường độ kháng cắt.

Ngoài ra dựa trên sức kháng cắt của đất có thể xác định lực ma sát âm trong quá trình thi công cọc,…

có 0 đánh giá

0 đánh giá