HƯỚNG dẫn THÍ NGHIỆM cơ học đất

TR ỜNG ĐẠI H C VINH
KHOA XÂY D NG

H ỚNG DẪN
THÍ NGHI M C H C Đ T

σgười biên soạn: Ths. Nguyễn Văn Quang

Vinh, 2014


BÀI 1. XÁC Đ NH ĐỘ ẨM T

NHIÊN C A Đ T

1.1. M c đích thí nghi m
Xác định độ ẩm tự nhiên của đất, biểu thị bằng tỷ số % của khối lượng nước thoát ra

khỏi mẫu đất khi sấy khô ở nhiệt độ 105  110oc và khối lượng hạt đất trong mẫu đất đem
sấy.
Giá trị độ ẩm W thể hiện lượng nước chứa trong đất, giúp cho việc đánh giá trạng
thái của đất, là chỉ tiêu cơ bản (trực tiếp) để tính các chỉ tiêu tính tốn (gián tiếp) khác: độ
bão hoà G, độ sệt B, hệ số rỗng e.
Độ hút ẩm Wn là lượng nước chứa trong đất ở trạng thái khơ gió biểu thị bằng %.
Các khối lượng xác định bằng cân kỹ thuật lấy chính xác đến 0,01 g. Mẫu đất được xem là
đã sấy khô đến khối lượng không đổi khi sự chênh lệch 2 lần cân sau cùng ≤0,02g.
Đối với mẫu đất có chứa thạch cao hoặc có lượng hữu cơ > 5% so với khối lượng đất
khơ thì sấy ở nhiệt độ 80o±2oC. Hàm lượng hữu cơ được xác định bằng phương pháp tổn
thất khi nung ở 600oc.
Mỗi mẫu đất cần tiến hành nhiều hơn 2 lần thử song song, đất than bùn tiến hành
nhiều hơn 3 lần thử song song rồi lấy giá trị trung bình cộng.

1.2. Thi t b thí nghi m
- Tủ sấy có điều chỉnh nhiệt độ đến 300oc
- Cân kỹ thuật độ chính xác đến 0,01g
- Hộp nhơm
- Bình hút ẩm có canxiclorua
- Sàng có lỗ d =1mm, cối sứ, chày sứ đầu bọc cao su, khay phơi đất…
1.3. Trình t thí nghi m
- Xác định khối lượng hộp nhôm đã sấy khô (m0) bằng cân kỹ thuật và ghi số hiệu
hộp.
- Dùng dao cắt một lượng đất (40  80g) ở trạng thái tự nhiên cho vào hộp nhôm, đậy
nắp lại, dùng cân kỹ thuật xác định được khối lượng đất và hộp nhôm m1.
- Đưa hộp nhơm có đất đã mở nắp vào tủ sấy. Sấy mẫu đất ở nhiệt độ to = 105  110o
trong thời gian như sau:
1


+ Sấy khô lần đầu: 3h - đất cát, cát pha, 5h - đất sét, sét pha, 8h - đất chứa thạch cao
và đất chứa hữu cơ (Qhc>5%).
+ Sấy lại trong thời gian 1h đối với đất cát và cát pha; 2h với các loại đất khác.

Đất chứa hàm lượng hữu cơ Qhc > 5% thì phải sấy khơ ở nhiệt độ t0 = 800  20C liên

tục trong khoảng 12h (đất mềm dính) và 8h (đất rời xốp).
- Sau đó lấy mẫu đất ra để nguội trong bình hút ẩm có CaCl 2 trong 45’ – 60’ rồi xác
định khối lượng trên cân kỹ thuật: hộp và đất đã sấy là m2.
1.4. Xử lỦ k t qu
Kết quả thí nghiệm ghi theo bảng 2.1 và độ ẩm của đất được tính theo cơng thức:

W

m1  m 2
.100%
m2  m0

Trong đó:
m0 - Khối lượng khối lượng hộp nhơm có nắp (g);
m1 - Khối lượng hộp nhơm có nắp và đất chưa sấy (g);
m2 - Khối lượng hộp nhơm có nắp và đất đã sấy (g).
Mỗi mẫu đất phải thí nghiệm song song bằng 3 hộp nhơm và tính chính xác đến 0,1%.
Biểu ghi k t qu xác đ nh khối l ợng riêng
Số
Số hiệu hiệu
hộp
mẫu
0
nhôm
đất σ
N0

Khối lượng
Khối lượng
hộp nhôm
hộp nhôm
nắp và đất
và nắp m0
chưa sấy m1
(g)
(g)

Khối

lượng hộp Độ
nhôm nắp của
và đất đã
sấy m2 (g)

W%

trị
ẩm Giá
đất trung bình

Wtb %

2


BÀI 2. THệ NGHI M NÉN Đ T KHỌNG NỞ NGANG (ỌĐỌMÉT)
2.1. M c đích vƠ s đồ thí nghi m
2.1.1. Mục đích thí nghiệm
Phương pháp này dùng để xác định đặc trưng tính nén lún (trong điều kiện khơng nở
hơng) của đất loại cát và đất loại sét có kết cấu nguyên hoặc bị phá hoại, ở độ ẩm tự nhiên
hoặc bão hịa nước, trong phịng thí nghiệm.
Tính nén lún của đất là khả năng giảm thể tích của nó dưới tác dụng của tải trọng
ngồi.
Việc xác định tính nén lún bao gồm: tìm hệ số nén a, hệ số nén lún tương đối ao (hệ số
cố kết Cv), mơđun tổng biến dạng Eo.
2.1.2. Sơ đồ thí nghiệm
P
5

4

3

1

2

1. MÉu đất
2. Dao vòng
6

3. Đá thấm trên và d-ới mẫu đất
4. Nắp truyền tải trọng nén
5. Đồng hồ đo lún

7

6. Hộp nÐn
7. Bµn nÐn

2.1.3. Thiết bị thí nghiệm
1. Máy nén Ơđơmét:

3


2. Các thiết bị thí nghiệm khác
- Thước kẹp:

- Dao gọt đất:

- Cân điện tử
- Tủ sấy
- Hộp nhơm
2.2. Trình t thí nghi m
2.2.1. Nguyên tắc thí nghiệm
Mẫu được đặt trong hộp cứng (khi thí nghiệm mẫu chỉ có chuyển vị, biến dạng thẳng
đứng, khơng có chuyển vị ngang). Tải trọng tác dụng lên mẫu theo từng cấp và phải đảm
bảo thẳng đứng. Tải trọng thẳng đứng Pi sẽ tạo ra áp lực nén trong đất Ńi:

i 

Pi
A
A: diện tích mẫu
Áp lực nén trên sẽ tạo ra độ lún S cho mẫu, độ lún S này thay đổi theo thời gian. Với
thời gian t đủ lớn thì độ lún của mẫu sẽ dần tới một giá trị ổn định gọi là S∞ (hoặc Si).

4


Mỗi cấp áp lực tác dụng lên mẫu được duy trì cho đến khi đạt ổn định biến dạng nén
(ổn định lún) thì mới tăng cấp tải tiếp theo. Trong những thí nghiệm thơng thường thì biến
dạng nén của mẫu được xem là ổn định nếu độ lún của mẫu không vượt quá 0,01mm (≤ 0,01
mm) trong khoảng thời gian khơng dưới 2 giờ đối với đất dính, 1 giờ đối với đất rời.
Trị số các cấp áp lực nén Ńi khi thí nghiệm được xác định theo tính chất của đất và u
cầu thực tế của cơng trình trong từng trường hợp cụ thể. Thông thường, cấp sau lớn gấp 2
lần cấp trước. Số lượng cấp áp lực không nhỏ hơn 5 cho 1 mẫu nén.
2.2.2. Trình tự thí nghiệm

- Bước 1: Dùng thước kẹp đo xác định đường kính trong và chiều cao của dao vịng. Cân dao vòng xác định trọng lượng m .
d

- Bước 2: Lấy mẫu đất vào dao vịng, cân dao vịng đã có mẫu xác định được trọng
lượng m1

- Bước 3: Đưa mẫu vào hộp nén, đưa hộp nén lên máy nén.
- Bước 4: Gắn đồng hồ đo vào vị trí (tì chân đồng hồ lên chốt ở trên nắp truyền lực).
Đưa giá trị trên đồng hồ đo chuyển vị đứng về giá trị ban đầu 0.00.

5


- Tiến hành gia tải nén và theo dõi biến dạng của mẫu.
Tăng tải trọng nén theo từng cấp, ở mỗi cấp tải theo dõi biến dạng nén trên đồng hồ
đo biến dạng cho đến khi đạt ổn định lún qui ước thì tăng cấp tải tiếp theo.
Lưu ý: Tại phịng thí nghiệm, sinh viên sẽ thí nghiệm với 1 mẫu đất dưới 3 trị số áp lực
nén khác nhau, mỗi cấp thí nghiệm trong khoảng thời gian 10 phút (ghi số liệu trên đồng hồ
đo lún tại các thời điểm: 5 giây, 10 giây, 15 giây, 30 giây, 1 phút, 5 phút, 10 phút) thì tăng
cấp tải tiếp theo.
- Bước 5: Sau khi đã đạt ổn định lún ở cấp cuối cùng thì dỡ tải và lấy dao vịng có
mẫu đất ra khỏi hộp nén.
- Bước 6: Lấy mẫu để xác định độ ẩm và tỷ trọng của đất
2.3. K t qu thí nghi m
2.3.1. Xử lý kết quả
- Hệ số rỗng ban đầu trước khi thí nghiệm tính theo cơng thức:
eo 

. n (1  W)
1



Trong đó:
Δ: tỷ trọng của đất
W: độ ẩm của mẫu đất
γn: trọng lượng riêng của nước (lấy bằng 1T/m3)
- Các hệ rỗng ei ứng với cấp tải trọng Ńi được xác định bằng biểu thức:

e i  e o  1  e o 

Si
h

Trong đó:
Si: độ lún cuối cùng dưới tác dụng áp lực Ńi
h: độ cao ban đầu của mẫu đất
2.3.2. Vẽ đường cong nén lún
Mỗi cặp (ei, Ńi) tương ứng là 1 điểm trên biểu đồ. Đánh dấu các điểm đó trên biểu đồ,
sau đó ta vẽ 1 đường cong logarit trơn đi gần các điểm.

6


2.3.3. Xác định hệ số nén lún a, hệ số nén lún tương đối ao, mô đun biến dạng Eo
- Hệ số nén lún trong khoảng áp lực n đến n+1

a ( n n1 ) 

en  en 1
n 1  n

Trong đó:
en+1: hệ số rỗng ở cấp tải trọng thứ n+1;
en: hệ số rỗng ở cấp tải trọng thứ n;

n+1: áp lực nén thẳng đứng cấp thứ n+1;

n: áp lực nén thẳng đứng cấp thứ n;

- Hệ số nén lún tương đối trong khoảng áp lực n đến n+1

a o( n n1 ) 

a ( n n1 )
1  en

- Mô đun biến dạng trong khoảng áp lực n đến n+1

Eo(n n1 )  (1 

2o2
1

).

1  o a o(n n1 ) a o(n n1 )

Trong đó:
μo: hệ số nở hông (hệ số Poisson).

7


BÀI 3. THÍ NGHI M CẮT Đ T TR C TI P
3.1. M c đích vƠ s đồ thí nghi m
3.1.1. Mục đích thí nghiệm
Xác định các đặc trưng chống cắt của đất: góc ma sát trong Ņ, lực dính c. Sức chống cắt
của đất là phản lực của đất đối với ngoại lực ứng với lúc đất bắt đầu bị phá hoại và trượt lên
nhau theo một mặt phẳng nhất định (gọi là mặt trượt).
Phạm vi áp dụng: υhương pháp này dùng để thí nghiệm xác định sức chống cắt của đất
loại sét và đất loại cát có kết cấu ngun trạng hoặc chế bị trong phịng thí nghiệm bằng
máy cắt có một mặt cắt định trước (cịn gọi là thí nghiệm hộp cắt).
υhương pháp này khơng áp dụng cho đất cát thô, đất sỏi sạn, đất loại sét ở trạng thái
chảy và bị biến dạng chảy dưới tác dụng của áp lực thẳng đứng Ń ≤ 1 (kG/cm2).
3.1.2. S thớ nghim
P
5

2

6
4
3

(1)
2

1. Mẫu đất
2. Đá thấm
3. Nửa hộp cố định

4. Nửa hộp di động
5. Bộ phận nén
6. Bộ phận truyền tải trọng cắt

Ct nhanh khụng c kt: Mu đất thí nghiệm khơng được nén trước (khơng cố kết), rồi
tiến hành cắt nhanh.

8


3.2. Thi t b thí nghi m
3.2.1. Máy cắt ứng biến

Các bộ phận chính của máy:
- Hộp cắt:

- Vịng ứng biến:

9


- Bộ phận gia tải đứng, gia tải ngang:

3.2.2. Các thiết bị thí nghiệm khác
- Thước kẹp

- Dao gọt đất:

10

- Các tấm kính hoặc tấm kim loại nhẵn, phẳng…
3.3. Trình t thí nghi m
3.3.1. Ngun tắc thí nghiệm
- Tác dụng tải trọng thẳng đứng υ để tạo ra áp lực nén Ń (Với mỗi mẫu thí
nghiệm giữ áp lực nén khơng đổi):


P
A

A: diện tích mẫu
Lưu ý: Để mẫu đất khơng cố kết (khơng nén trước): khi thí nghiệm ngay sau khi gia tải
nén tiến hành gia tải cắt luôn.
- Tác dụng tải trọng ngang T (vào thớt dưới của hộp cắt) để tạo ra ứng suất cắt


T
A

Lưu ý: Đối với máy cắt ứng biến để đảm bảo chế độ cắt nhanh thì người ta gia tải
ngang bằng cách quay đều tay quay với tốc độ từ 8 đến12 (giây) / 1vịng, với mẫu đất có
đường kính từ 60 đến 80 (mm).
Để xác định sức chống cắt phải thí nghiệm không dưới 3 trị số áp lực nén khác nhau Ńi
(thường thí nghiệm từ 4 – 6 trị số áp lực nén).
3.3.2. Trình tự thí nghiệm
- Bước 1:Lấy mẫu đất vào dao vòng.
- Bước 2: Đưa mẫu đất vào hộp cắt.
- Bước 3: Đưa hộp cắt vào máy cắt. Cho trục của hệ thống gia tải ngang tiếp xúc với
hộp cắt. Cố định hộp cắt theo phương thẳng đứng và theo phương ngang.

- Bước 5: Tiến hành gia tải nén.
- Bước 6: Tháo hai chốt cố định thớt trên và thớt dưới ra.
- Bước 7: Đưa giá trị trên đồng hồ đo biến ngang về giá trị ban đầu 0,00.
- Bước 8: Tiến hành cắt mẫu đất: Cắt mẫu đất bằng cách quay đều tay quay với tốc
độ 10s/1vòng (tốc độ cắt nhanh). Trong khi quay, theo dõi đồng hồ đo chuyển vị ngang và
ghi lại. Nếu thấy kim đồng hồ không tăng (kim đồng hồ dừng lại hoặc chạy lùi) thì đọc giá
trị Rmaxi và dừng thí nghiệm.
- Bước 9: Lấy mẫu đất đã phá hoại ra khỏi hộp cắt. Làm tương tự đối với các mẫu
tiếp theo.

11


3.4. K t qu thí nghi m
3.4.1. Xử lý kết quả
Trị số ứng suất cắt ńi (tương ứng với trị số áp lực nén Ńi) tính theo cơng thức:
i  Co .Ri

Co: hệ số của vòng ứng biến (thực chất là hằng số đàn hồi hay hệ số chuyển từ biến
dạng 0,01mm sang kPa)
Ri: số đọc của đồng hồ đo biến dạng trên vòng đo lực ngang (biến dạng của vòng đo
ứng biến).
Sức chống cắt của mẫu đất Si được lấy bằng trị số cực đại của ńi
Si  maxi  Co .R maxi

3.4.2. Xác định φ và c
Xác định các đặc trưng chống cắt bằng cách lập biểu đồ quan hệ giữa S (ńmax) và Ń:
trục hoành là Ń và trục tung là ń. Mỗi mẫu thí nghiệm ta sẽ có 1 cặp kết quả (ńmaxi, Ńi), tương
ứng là 1 điểm trên biểu đồ. Biểu diễn các điểm lên biểu đồ. Vẽ một đường thẳng đi gần qua
các điểm, đường thẳng này cắt trục tung tại đâu sẽ cho ta giá trị của lực dính c, góc giữa

đường thẳng với đường nằm ngang cho ta góc ma sát trong Ņ.
Lưu ý: Kết quả được suy diễn là một đường thẳng.

Các thơng số tg và c của đất có thể xử lý theo các công thức sau:

n  (i i )   i  i
n

tg 

n

n  i 2  ( i )2

i 1

i 1
n

n

i 1

i 1

i 1

 i  i 2   i  (ii )
n

c

n

i 1

n

n

n

n  i 2  ( i )2
i 1
n

i 1

i 1

i 1

n

i 1

12


trong đó:

n: số lần xác định ń;

: giá trị góc ma sát trong tính bằng độ;
ńi, Ńi: lần lượt là giá trị riêng biệt của sức chống cắt và áp lực thẳng đứng;
c: lực dính của đất, tính bằng σ/m2 hay kG/cm2.

13


BÀI 4. THệ NGHI M ĐẦM CHẶT Đ T
4.1. M c đích thí nghi m
Xác định độ ẩm tốt nhất Wtn ứng với độ chặt tiêu chuẩn của đất (trọng lượng riêng khơ
lớn nhất γkmax)
4.2. Thi t b thí nghi m
4.2.1. Bộ cối, chày

4.2.2. Các thiết bị thí nghiệm khác
- Cân điện tử

- Sàng đường kính lỗ 5mm

14


- Bình phun nước

- Tủ sấy
- Dao gọt đất
- Khay trộn đất
- Cối sứ và chày bọc cao su để nghiền đất…

4.3. Trình t thí nghi m
- Bước 1: Dùng chày giã nhỏ đất ra trên khay
- Bước 2: Sàng đất qua rây 5mm (lượng đất thu được dưới rây khoảng 5Kg)
- Bước 3: Cân trọng lượng toàn bộ cối (trừ vành tháo lắp), xác định thể tích trong của
thân cối.
- Bước 4: Lấy 5Kg đất (đã làm ở bước 3), xác định độ ẩm và cho thêm nước vào để
tăng độ ẩm từ 2-5%, lượng nước phun thêm vào q được tính theo cơng thức:

q

m
(Ws  Wt )
1  Wt

trong đó:
m: khối lượng đất trước khi làm ẩm thêm.
Ws: độ ẩm của đất cần có.
Wt: độ ẩm của đất trước khi làm ẩn thêm.
- Bước 5: Với bộ cối tại phịng thí nghiệm, ta cho đất vào cối thành 3 lớp, mỗi lớp
chiếm 1/3 thể tích cối, ứng với mỗi lớp đầm 25 chày

15


- Bước 6: Sau khi đầm xong, tháo phần cổ cối (vành tháo lắp), gạt phẳng, đưa toàn bộ
lên cân để xác định trọng lượng riêng tương ứng.
- Bước 7: Làm lại tương tự với các độ ẩm dự chế khác nhau.
Kết quả trực tiếp từ thí nghiệm là các giá trị  Wi , i  của đất. Số lượng thí nghiệm tối

4.4. K t qu thí nghi m

 Wi , ki 

thiểu cho một loại đất không nên ít hơn 5.
Đưa kết quả về dạng

 k  f(W) lên đồ thị như vẽ.

 ki 

theo công thức sau và biểu diễn mối quan hệ

i
1 W

Độ ẩm tốt nhất WTN ứng với độ chặt tốt nhất  kmax được xác định trên đồ thị.



max

0

wtn

w

16