Tiểu luận môn học địa chất công trình nâng cao cắt trực tiếp và ảnh hưởng của điều kiện thí nghiệm lên các giá trị đặc trưng thu nhận được so với mẫu ở điều kiện tự nhiên

Tiểu luận Môn học Địa chất Công trình Nâng cao

GVHD: TS. Bùi Trường Sơn

MỞ ĐẦU
Trong công tác thiết kế và thi công các công trình thuỷ lợi, cầu đường, xây
dựng dân dụng và công nghiệp, việc xác định các thông số sức chống cắt của đất
chiếm vai trò rất quan trọng. Ta có thể thấy các giá trị C, φ xuất hiện ở trong các
công thức tính sức chịu tải của đất, của cọc; trong các công thức tính ổn định thành
hố đào, mái dốc; …trong lập biện pháp thi công móng, san lấp nền đê, đường; …
trong các phần mềm tính toán Geo slope, Plaxis…
Có thể nói thông số sức chống cắt của đất là mối quan tâm hàng đầu của các
nhà thiết kế nền móng công trình. Việc xác định các thông số trên có thể được thực
hiện bởi hàng loạt các thí nghiệm hiện trường như thiết nghiệm xuyên tiêu chuẩn
SPT, thí nghiệm xuyên tĩnh CPT, thí nghiệm cắt cánh Van Test và trong phòng như
thí nghiệm nén đơn – nén 1 trục, thí nghiệm cắt trực tiếp với 3 sơ đồ (U-U, C-U, CD).
Trong các thí nghiệm nêu trên thì thí nghiệm cắt trực tiếp được xem là thí
nghiệm cổ điển nhất, phổ biến nhất tại các phòng thí nghiệm địa cơ nền móng của
Việt Nam vì sơ sở lý thuyết và nguyên lý thí nghiệm tương đối đơn giản, dễ thực
hiện. Tuy nhiên sức chống cắt thu nhận được từ kết quả thí nghiệm này thường bị
ảnh hưởng bởi các yếu tố như thiết bị thí nghiệm, vận tốc cắt…
Trong phạm vi đề tài này, chúng tôi xin phép được trình bày về : “Thí nghiệm
cắt trực tiếp và ảnh hưởng của điều kiện thí nghiệm lên giá trị các đặc trưng thu
nhận được so với mẫu đất trong điều kiện tự nhiên”.

PHẦN I: THÍ NGHIỆM CẮT TRỰC TIẾP
1. Mục đích của thí nghiệm: Thí nghiệm cắt trực tiếp là thí nghiệm cổ điển nhất
và đơn giản nhất để xác định thông số sức chống cắt của đất. Một mẫu đất
trong tự nhiên có các đại lượng đặc trưng cho chỉ tiêu sức chống cắt của đất là
lực dính C và góc ma sát φ. Khi mẫu đất chịu tác dụng của ứng suất pháp
thẳng đứng phân bố đều σ thì sức chống cắt τ của đất tuân theo định luật

Mohr-Coulomb: τ = σtgφ + C
2. Nguyên lý thí nghiệm: Thí nghiệm được tiến hành với mẫu đất hình lăng trụ
tròn hoặc hình vuông được giữ và cắt ngang theo mặt phẳng nằm ngang trong
khi một áp lực tác dụng thẳng góc với mặt phẳng đó. Sức kháng cắt gây ra bởi
đất khi cho một phần của mẫu đất trượt lên phần khác được đo sau từng
khoảng dịch chuyển đều đặn. Sự phá hoại mẫu đất xảy ra khi sức kháng cắt
của đất đạt giá trị cực đại mà mẫu đất có thể chịu được. Nhờ tiến hành trên
một tập hợp mẫu thí nghiệm tương tự (thường từ 3 – 5 mẫu) của cùng một lớp
1
Nhóm 1 Lớp Địa kỹ thuật Xây dựng - 2012


Tiểu luận Môn học Địa chất Công trình Nâng cao

GVHD: TS. Bùi Trường Sơn

đát dưới những giá trị áp lực nén khác nhau, ta thu nhận được tương quan giữa
ứng suất cắt và ứng suất nén tác dụng từ đó tìm ra được lực dính C và góc ma
sát φ của đất.

Hình 1: Nguyên lý thí nghiệm cắt trực tiếp

3. Thiết bị thí nghiệm:
a. Sơ đồ thí nghiệm:

Hình 2: Sơ đồ thí nghiệm cắt trực tiếp

b. Thiết bị thí nghiệm: Hộp cắt gồm 2 thớt trên và dưới có hình vuông hoặc
tròn, có đường kính khoảng 60-80mm, cao khoảng 20mm.

Hình 3: Hộp cắt trong thí nghiệm cắt trực tiếp
-

Tiếp theo mẫu được đặt vào hộp cắt (giữa 2 thớt cắt) với 2 bản đá thấm
xốp đệm trên và dưới.

2
Nhóm 1 Lớp Địa kỹ thuật Xây dựng - 2012


Tiểu luận Môn học Địa chất Công trình Nâng cao

GVHD: TS. Bùi Trường Sơn

Hình 4: Lắp mẫu vào hộp cắt
-

Hộp cắt đặt trên khung đỡ có thể chuyển động tự do trên bi trượt đồng
thời gắn chặt với thớt dưới. Khung được tác động lực cắt và chuyển
động theo vận tốc khống chế được.

Hình 5: Lắp đặt hệ thống vào khung
-

Thớt cắt bên trên gắn với hệ đo lực cắt T bằng vòng ứng biến có đồng
hồ để đo ứng suất cắt và đồng hồ đo biến dạng đứng để đo độ giản nở
thể tích.

-

Thiết bị tăng tải (N) tạo thành áp lực pháp tuyến, hoạt động qua hệ
thống piston hoặc chất tải bằng quả cân.

3
Nhóm 1 Lớp Địa kỹ thuật Xây dựng - 2012


Tiểu luận Môn học Địa chất Công trình Nâng cao

GVHD: TS. Bùi Trường Sơn

Hình 6: Các loại thiết bị cắt trực tiếp.

c. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: Chuẩn bị ít nhất 3 mẫu để thí nghiệm
-

Với mẫu nguyên dạng: dùng dao vòng cắt mẫu đất, chú ý bỏ lại phần
mẫu bị xáo động ở 2 phía đầu hộp mẫu.

Hình 7: Chuẩn bị mẫu trước thí nghiệm.
-

Với mẫu xáo động: mẫu được đầm chặt trong cối đầm tiêu chuẩn, sử
dụng phương pháp đầm tĩnh hoặc động. Dùng dao vòng cắt đất từ mẫu
đầm chặt hoặc tiến hành chế bị mẫu trong dao vòng. Sau khi chế bị mẫu
cần mang đi thí nghiệm xác định dung trọng của đất.

Hình 8: Đem mẫu đi xác định độ ẩm.

4. Trình tự thí nghiệm và tính toán kết quả thí nghiệm:

a. Trình tự thí nghiệm:
-

Bước 1: Dùng dao vòng ấn vào mẫu đất sau đó gạt bằng mặt để tạo mẫu
chuẩn bị cho vào hộp cắt. Tiếp theo cho mẫu đất vào hộp cắt sau đó đặt
hộp cắt có chứa mẫu lên máy cho chỉnh tiếp xúc.

-

Bước 2: Đặt tải trọng thẳng đứng: tải trọng thẳng đứng được tính toán
theo trọng lượng của vật liệu chất tải, chiều dài cánh tay đòn, tiết diện
ngang của mẫu đất. Tiếp theo hiệu chỉnh các đồng hồ đo (biến dạng và
lực) về vị trí ban đầu. Cho khởi động và chạy máy với tốc độ khoảng
1mm/phút. Ghi nhận số đọc đồng hồ ở vòng ứng biến sau mỗi 25 giây
cho đến khi số đọc giảm hoặc không tăng thì ngừng máy. Số đọc lớn
nhất DialReadingmax (vạch) được ghi nhận để tính toán.
4

Nhóm 1 Lớp Địa kỹ thuật Xây dựng - 2012


Tiểu luận Môn học Địa chất Công trình Nâng cao
-

GVHD: TS. Bùi Trường Sơn

Bước 3: Lập lại thí nghiệm với các cấp áp lực thẳng đứng khác nhau.
Các cấp áp lực thẳng đứng được lựa chọn phụ thuộc vào loại đất và
trạng thái của đất. Thông thường ta thực hiện với ba cấp tải trọng khác
nhau để xác định ba cặp giá trị ứng suất cắt τ và áp lực đứng tác dụng

lên mẫu σ để từ đó tính ra được giá trị của góc ma sát trong φ và lực
dính C của mẫu đất bằng phương pháp bình quân cực tiểu.

b. Tính toán kết quả thí nghiệm:
Ứng suất cắt τ được xác định như sau:

τ = DialReadingmax x R

Trong đó: R: là hệ số vòng (chuyển từ giá chuyển vị sang giá trị lực), phụ
thuộc vào từng loại máy và phải hiệu chỉnh thường xuyên.
Tính toán các giá trị của sức chống cắt theo số liệu thí nghiệm thu được:
-

Cách 1: xác định trực tiếp trên biểu đồ quan hệ giữa ứng suất cắt τ và áp
lực đứng σ tác dụng lên mẫu ta có thể xác định được các giá trị của góc
ma sát trong φ và lực dính C.
Hhbj

Hình 9: Đồ thị thể hiện quan hệ lực cắt và áp lực thẳng đứng.
-

Cách 2: Theo công thức bình phương cực tiểu:
tgϕ =

n

n

n

i =1

i =1

i =1

(τiσi ) −∑
n∑
τi ∑
σi
2

 n

n∑
σi −∑
σi 
i =1
 i =1

n

2

n
1 n

c = ∑
τi −tgϕ∑
σi ÷

n  i =1
i=
1

n

n

Hoặc

c =

∑ τ i ∑σ i2 −
i =1

i =1

n

n

∑

i =1

σ

n

n

∑ σi ∑ ( τi σi

i = 1
2
i

i =1


− 


n

∑

i =1

σ

i





)
2

5
Nhóm 1 Lớp Địa kỹ thuật Xây dựng - 2012


Tiểu luận Môn học Địa chất Công trình Nâng cao

GVHD: TS. Bùi Trường Sơn

Khi giá trị lực dính C<0 thì xem C=0 và lúc đó:
n

tg ϕ =

n ∑ (τ i σ
i=1

n

n∑ σ
i =1

)

i

2
i

5. Một số yêu cầu trong quá trình tiến hành thí nghiệm:
a. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4199-1995:

-

Phương pháp này chỉ dùng để xác định sức chống cắt của đất sét và đất
cát có kết cấu nguyên hoặc chuẩn bị trong phòng thí nghiệm ở máy cắt
phẳng theo một mặt phẳng định trước. Không áp dụng cho đất cát thô và
đất sỏi sạn, đất sét ở trạng thái chảy và bị biến dạng dưới tác dụng của
áp lực thẳng đứng 1daN/cm2.

-

Các phương pháp xác định sức chống cắt cần phải được qui định trong
từng trường hợp cụ thể, phụ thuộc vào:
o Giai đoạn thiết kế và loại công trình.
o Điều kiên làm việc của đất trong quan hệ với công trình
o Thành phần, đặc điểm cấu trúc, trạng thái và tính chất của đất.

-

Tuỳ theo tương quan giữa tốc độ truyền lực nén và lực cắt cùng điều
kiện thoát nước của mẫu đất khi thí nghiệm có thể phân biệt các phương
pháp chính sau đây để xác định sức chống cắt:
o Phương pháp không thoát nước, không cố kết (cắt nhanh không
cố kết)
o Phương pháp thoát nước, cố kết rồi cắt chậm (cắt chậm cố kết)
o Phương pháp thoát nước, cố kết cắt nhanh (cắt nhanh cố kết)

-

Việc làm bão hoà mẫu đất thí nghiệm bằng nước và nén mẫu trước phải
được tiến hành phù hợp với điều kiện làm việc của đất dưới công trình

hoặc trong thân công trình.

-

Để làm bão hoà các mẫu đất bằng nước nhằm xác định ở trạng thái bão
hoà nên dùng loại nước uống được. Đối với các mẫu đất chứa muối hoà
tan (Na, Mg, K) thì làm bão hoà mẫu bằng nước dưới đất tại vị trí mẫu
hoặc bằng loại nước có thành phần hoá học giống với nước dưới đất.
Thời gian làm bão hoà mẫu đất không ít hơn:
6

Nhóm 1 Lớp Địa kỹ thuật Xây dựng - 2012


Tiểu luận Môn học Địa chất Công trình Nâng cao

GVHD: TS. Bùi Trường Sơn

o 10 Phút đối với đất cát.
o 6 giờ đối với đất cát pha và đất sét pha có chỉ số dẻo Ip không lớn
hơn 12.
o 12 giờ đối với đất sét pha có Ip lớn hơn 12 và đất sét có Ip không
lớn hơn 22.
o 24 giờ đối với đất sét có Ip từ 23 đến 35.
o 49 giờ đối với sét có Ip lớn hơn 35.
-

Việc nén trước các mẫu đất thông thường dùng cho đất có độ sệt B<0.75
có thể tiến hành ở máy nén riêng hoặc trực tiếp ở hộp máy cắt.

-

Khi nén trước, tăng lực nén lần lượt theo từng cấp tương ứng với áp lực
thẳng đứng. Giá trị mỗi cấp phụ thuộc vào trạng thái của đất.

-

Đối với đất loại sét có độ sệt B>1, các cấp lần lượt như sau: 0.1x105;
0.3x105; 0.5x105; 0.75x105 và 1.0x105N/m2 sau đó mỗi cấp tải là
0.5x105 cho đến giá trị áp lực cuối cùng.

-

Đối với loại sét cứng, nửa cứng và dẻo cứng (có độ sệt B<0.5) và đất
cát thì tăng theo cấp 0.5x105N/m2 cho đến khi đạt 3.0x105N/m2, sau đó
tiếp tục tăng mỗi cấp 1.0x105N/m2 cho đến giá trị áp lực cuối cùng.

-

Mỗi cấp áp lực trung gian được giữ không ít hơn:
o 5 phút đối với đất cát.
o 30 phút đối với đất sét.

-

Cấp cuối cùng được giữ đến khi đạt tới ổn định quy ước về biến dạng.
Biến dạng nén của mẫu đất đạt tới ổn định qui ước, nếu giá trị của nó
không vượt quá 0.01mm sau một thời gian không ít hơn:
o 30 phút đối với đất cát.
o 3 giờ đối với cát pha.

o 12 giờ đối với sét pha và sét

-

Giá trị áp lực nén nhỏ nhất phải bằng giá trị áp lực bản thân. Giá trị áp
lực thẳng đứng lớn nhất phải lớn hơn tổng áp lực bản thân và công trình
truyền xuống.

-

Lực cắt được truyền lên mẫu đất thành từng cấp hoặc tăng lên liên tục.
Khi cắt chậm thì tăng lực cắt thành từng cấp, trị số mỗi cấp không vượt
quá 5% áp lực nén tương ứng dùng khi cắt. Chỉ truyền cấp áp lực sau
lên mẫu khi đạt đến độ ổn định qui ước về biến dạng cắt L không vượt
7

Nhóm 1 Lớp Địa kỹ thuật Xây dựng - 2012


Tiểu luận Môn học Địa chất Công trình Nâng cao

GVHD: TS. Bùi Trường Sơn

quá 0.01mm/phút. Đồng thời cũng có thể tăng liên tục lực cắt với điều
kiện đảm bảo tốc độ cắt thể hiện qua biến dạng ngang không quá
0.01mm/phút.
-

Việc xác định biến dạng đứng và biến dạng ngang của mẫu đất được
tiến hành với độ chính xác đến 0.01mm các phép cân được tiến hành với

độ chính xác đến 0.01g

b. Theo tiêu chuẩn Anh – BS 1377: Part 7: 1990: Phương pháp cắt tiêu chuẩn
này cũng tương tự như tiêu chuẩn Việt Nam. Nhưng có cách xác định tốc
độ cắt như sau:
-

Thời gian mẫu bị phá hoại được tính theo phương trình sau:
Tf = Ft100
Trong đó: F là hệ số phụ thuộc vào điều kiện thoát nước và điều kiện thí
nghiệm, tức là có thoát nước hay không thoát nước. Giá trị của F đối với
thí nghiệm thoát nước và không thoát nước của loại mẫu không nhạy
cảm hay bị biến dạng dẻo. Đối với loại đất cứng nứt nẻ và đất bị biến
dạng dẻo thì sử dụng thừa số cho trước đối với các thí nghiệm thoát
nước và cả không thoát nước. Thừa số F được tính dựa trên cơ sở tiêu
tán 95% áp lực lỗ rỗng thặng dư tạo nên khi cắt và được chấp nhận cho
hầu hết các trường hợp trong thực tế.
Đối với đất có tính thấm tương đối cao có thể cho thời gian phá huỷ tính
toán ngắn, rất ngắn. Tuy nhiên, thời gian phá huỷ không thể ít hơn 2
giờ.
Tốc độ cắt được tính như sau: dr = df / tf
Trong đó:

tf : Thời gian mẫu bị phá hoại (phút).
df : Khoảng dịch chuyển ngang khi mẫu bị phá hoại
dr : Tốc độ cắt.

Cách xách định t100 dựa vào kết quả thí nghiệm nén như sau:
Sử dụng đồ thị căn bậc hai của thời gian, kéo dài đoạn gần như tuyến
tính của đồ thị (thường nằm trong khoảng 0 đến 50% của cố kết ban

đầu) xuống dưới. Xác nhận điểm giao nhau giữa đường này với đường
nằm ngang qua điểm cuối cùng trên đồ thị cố kết ban đầu và ghi nhận
giá trị đó (√t100) trên trục căn bậc 2 của thời gian. (Ghi chú: thí nghiệm
này không cho phép thu được giá trị tin cậy của hệ số cố kết C v). Từ đó
tính được t100

8
Nhóm 1 Lớp Địa kỹ thuật Xây dựng - 2012


Tiểu luận Môn học Địa chất Công trình Nâng cao

GVHD: TS. Bùi Trường Sơn

Tính giá trị t100 (phút) và thời gian tối thiểu đến khia phá hủy, tức là thời
gian huy động sức kháng cắt cực đại của mẫu t f (phút) bằng phương
trình sau: tf = 12.7t100
Nếu ước lượng sự dịch chuyển tương đối ở điểm phá hoại là d (mm) thì
vận tốc máy cắt không được quá d/tf (mm/phút).
Đối với đất có hệ số thấm lớn như cát sạch thì thời gian phá hoại mẫu
cũng không được nhỏ hơn 5 đến 10 phút (BS).
Hệ số cố kết được tính như sau: Cv = (0.1 x H2)/t100 (m2/năm).

Hình 10: Sơ đồ thí nghiệm xác định t100

Đối với đất có tính thấm tương đối cao có thể cho thời gian phá hủy tính
toán ngắn. Tuy nhiên, thời gian phá hủy không thể ít hơn 2 giờ.
Tốc độ cắt được tính như sau: dr = df / tf
Trong đó:

tf : Thời gian mẫu bị phá hoại (phút).
df : Khoảng dịch chuyển ngang khi mẫu bị phá hoại
dr : Tốc độ cắt.

Ứng suất cắt trên mặt phẳng bị cắt sẽ là (Cr x R)/ Ao) x 1000 Kpa
Trong đó: Cr: Hệ số vòng (N/vạch)
R: Hệ số đọc của vòng lực (vạch)
Ao: Tiết diện ngang mẫu đất (mm2)
Giá trị lớn nhất của R, τ = τf
c. Tiêu chuẩn ASTM D3080:
Phương pháp cắt tiêu chuẩn này cũng tương tự như tiêu chuẩn Việt
Nam. Tiêu chuẩn ASTM D3080 có cách xác định tốc độ cắt như sau:
Tốc độ cắt được lựa chọn phải đảm bảo đủ chậm để không làm xuất
hiện áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong quá trình cắt. Công thức sau
đây cho biết cách xác định thời gian mẫu bị phá hoại và từ đó xác định
tốc độ cắt cho từng mẫu đất.
9
Nhóm 1 Lớp Địa kỹ thuật Xây dựng - 2012


Tiểu luận Môn học Địa chất Công trình Nâng cao

GVHD: TS. Bùi Trường Sơn

Ta có tf = 50t50
Trong đó: + tf : Thời gian mẫu bị phá hoại (phút)
+ t50 : Thời gian mẫu đạt được cố kết 50% dưới một ứng suất
chuẩn (phút).
Nếu dùng phương pháp căn bậc 2 của thời gian (√t), t50 được tính dựa
vào thời gian cố kết 90% của mẫu đất như sau : t50 = t90/4.28

Trong đó: + tf : Thời gian mẫu bị phá hoại (phút)
+ t90 : Thời gian mẫu đất đạt được cố kết 90% dưới một ứng
suất chuẩn (phút).
+ 4.28 : Là hệ số quan hệ giữa thời gian cố kết được 90% và
50%.
Nếu đất có huynh hướng trương nở, mẫu đất phải được cho ngập trong
nước và cấp tải trọng chuẩn phải có độ lớn đủ lớn để có thể khử được sự
trương nở. Tập hợp các đường cong nén lún – thời gian theo các cấp tải
trọng được vẽ và chọn ra đường cong thích hợp nhất để xác định thời
gian phá hủy mẫu tf.
Đối với một số loại đất không thể vẽ được đường cong nén lún chúng ta
có thể dùng thời gian dự đoán mẫu bị phá hủy (t f). Các thời gian này có
thể được kiểm chứng bằng các kết quả khác nhau. Ví dụ như đối với đất
cát chặt hệ số thấm lớn, thời gian 10 phút có thể được chọn làm t f đối
với cát lẫn 5% bột thì thời gian 60 phút được chọn làm tf.
Tốc độ cắt được tính tương tự như các tiêu chuẩn trên: dr = df/tf
df : Phụ thuộc vào loại đất và ứng suất tiền cố kết của đất. Đất hạt mịn
cố kết thường chọn df = 12mm, các loại khác chọn df = 5mm.
6. Ứng dụng các kết quả thí nghiệm trong thiết kế :
a. Đối với các thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước: Phương pháp này phù
hợp với ứng xử của đất nền ở giai đoạn ngay sau khi xây xong với các loại
đất nền có hệ số thấm nhỏ. Các đặc trưng chống cắt φc và Cu được xác định
theo …… không xét đến ứng suất hữu hiệu, nên giá trị … không xét đến
lực đẩy nối.
b. Kết quả thí nghiệm theo sơ đồ UU có thể được tóm tắt như sau :
Công trình và giai đoạn làm
việc tương ứng

Sức chống cắt UU

Thi công nhanh công trình đất Sức chống cắt ngay sau khi gia tải
10
Nhóm 1 Lớp Địa kỹ thuật Xây dựng - 2012


Tiểu luận Môn học Địa chất Công trình Nâng cao

đắp trên nền sét mềm

GVHD: TS. Bùi Trường Sơn

không thoát nước, nền sét mềm chưa
cố kết hoàn toàn bởi trọng lượng bản
thân (NC).

Đập đất kích thước lớn thi công Sức chống cắt không thoát nước của
nhanh, độ ẩm của lõi không kịp lõi sét đầm chặt của đập
thay đổi
Móng nông thi công nhanh trên Sức chịu tải phụ thuộc sức chống cắt
nền sét
không thoát nước
Thi công công trình đất đắp từng Sức chống cắt tại chỗ có thoát nước
lớp thật chậm trên nền sét mềm
sau khi đã cố kết
Đập đất với sự thấm qua thường Sức chống cắt của lõi đập có thoát
trực
nước sau khi đã cố kết
Mái dốc tự nhiên hoặc mái đào Sức chống cắt tại chỗ có thoát nước
của hố móng
sau khi đã cố kết

Móng nông trên nền sét sau khi Sức chống cắt tại chỗ có thoát nước
lún ổn định
sau khi đã cố kết
c. Thí nghiệm cắt chậm, không thoát nước (CU):
Công trình và giai đoạn làm
việc tương ứng
Đắp lớp đất tiếp theo sau khi đã
cho nền cố kết hoàn toàn với lớp
đất đắp trước của công trình đất
đắp, hoặc gia tải từng cấp trong
gia tải trước.

Sức chống cắt CU
Ứng suất chống cắt tại chỗ không
thoát nước, ngay sau khi đắp lớp sau
và nền đã cố kết hoàn toàn bởi tải
của lớp đắp trước.

Xả nước hồ chứa nhanh, lõi Ứng suất chống cắt lõi đập không
không thấm của đập chưa kịp thoát nước trong lúc xả nhanh hồ
thoát nước khi tháo đập
chứa, sau khi lõi đã cố kết hoàn toàn
trong sự thấm thường trực.
Thi công nhanh công trình đất Ứng suất chống cắt ngay sau khi gia
đắp trên sườn dốc.
tải không thoát nước, nền đã cố kết
hoàn toàn bởi trọng lượng bản thân
trước đó.
7. Nhận xét: Thí nghiệm cắt trực tiếp có các ưu điểm như sau:
- Chuẩn bị mẫu đơn giản, đặc biệt là các mẫu rời, ở trạng thái hữu hiệu;

- Có thể thí nghiệm cắt trực tiếp với đất sạn sỏi (khi đó sử dụng dao vòng
vuông kích thước lớn).

11
Nhóm 1 Lớp Địa kỹ thuật Xây dựng - 2012


Tiểu luận Môn học Địa chất Công trình Nâng cao

GVHD: TS. Bùi Trường Sơn

Bên cạnh đó thí nghiệm cắt trực tiếp có một số nhược điểm gây ảnh hưởng nhiều
đến kết quả thí nghiệm như sau:
- Khó kiểm soát được quá trình thoát nước trong khi thí nghiệm dẫn đến khó
kiểm soát được các thông số sức kháng cắt hoạt động đúng với trạng thái
làm việc ngoài tự nhiên của đất.
- Không xác định được áp lực nước lỗ rỗng.
- Mặt trượt được ấn định trước mà không cắt theo trạng thái tự nhiên của đất,
sự phân bố ứng suất trong đất không đồng đều như trạng thái tự nhiên
PHẦN II: ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN THÍ NGHIỆM ĐẾN CÁC ĐẶC
TRƯNG THU NHẬN ĐƯỢC SO VỚI MẪU Ở ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN
Thí nghiệm đất trên các thiết bị cắt được sử dụng rộng rãi nhờ sự đơn giản của
phương pháp và sự tiếp cận của dụng cụ. Tuy nhiên các thiết bị thí nghiệm cắt có
một số khuyết điểm, rõ ràng nhất là sự thay đổi tiết diện cắt theo mức độ dịch chuyển
tương đối của dao vòng khi tác dụng lực cắt; không có khả năng đo áp lực lỗ rỗng
trong vùng trượt; không có khả năng duy trì độ ẩm theo mặt cắt vì sự xuất hiện khe
rãnh giữa thớt trên và thớt dưới.
Sức chống cắt của một loại đất sẽ không giống nhau, tùy theo trạng thái vật lý
của nó (mức độ phá họa cấu trúc tự nhiên, độ chặt, độ ẩm của đất) và các điều kiện
thí nghiệm (phương pháp thí nghiệm, cơ cấu máy móc, kích thước mẫu thí nghiệm,

tốc độ cắt….).
Để nhận được kết quả tin cậy nhất, thí nghiệm xác định sức chống cắt phải
được tiến hành trong điều kiện gần giống điều kiện làm việc của đất bên dưới công
trình.
Hầu hết các thiết bị thí nghiệm cắt trực tiếp được sử dụng trong các phòng thí
nghiệm cơ học đất là các thiết bị được sản xuất ở Trung Quốc, Anh, Pháp, Liên Xô
cũ và một số nước khác. Các kết quả thu được trong phòng thường có xu hướng lớn
hơn so với đất ngoài thực tế. Sự khác biệt đó xuất phát từ các nguyên nhân:
1. Kích thước mẫu thí nghiệm:
Thí nghiệm cắt trực tiếp cũng như hầu hết các thí nghiệm trong phòng cơ đất
đều áp dụng cho mẫu đất có kích thước nhỏ ( đường kính khoảng 6.4cm, cao khoảng
2cm), nếu so với đất ngoài tự nhiên, mẫu đất đem thí nghiệm chỉ được xem như một
điểm phân tố. Đất là môi trường biến đổi không liên tục, nếu đem các thông số độ
bền của một điểm để suy ra toàn vùng nền dễ đẫn đến sai số lớn.
2. Điều kiện lấy mẫu, bảo quản và chế bị mẫu:
- Dưới tác động của các dụng cụ lấy mẫu, trạng thái vật lý của đất bị thay đổi:
kết cấu đất bị phá hoại; trong quá trình bảo quản, vận chuyển mẫu, mẫu đất đã
12
Nhóm 1 Lớp Địa kỹ thuật Xây dựng - 2012


Tiểu luận Môn học Địa chất Công trình Nâng cao

GVHD: TS. Bùi Trường Sơn

bị xáo động, xắp xếp lại; độ chặt của mẫu bị thay đổi, bị giảm độ ẩm tự
nhiên…. Việc đưa mẫu về trạng thái nguyên trạng ban đầu đòi hỏi người thí
nghiệm phải thực hiện các quy trình thí nghiệm một cách nghiêm túc.
- Việc bão hòa mẫu trước khi thí nghiệm là yếu tố gây ảnh hưởng nhiều đến sự
khác biệt về kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp so với hiện trường. Ta đã biết

nước trong đất là nhân tố gây ảnh hưởng nhiều nhất đến độ bền của đất. Thực
tế, ngoài hiện trường đất không phải lúc nào cũng bão hòa. Độ bão hòa của đất
ngoài tự nhiên thay đổi tùy theo sự biến động của mực nước ngầm. Bởi vậy
khi bão hòa hoàn toàn mẫu đất trong phòng mới chỉ mô tả được tình trạng mẫu
ở trạng thái có độ bền kém nhất..
3. Thiết bị thí nghiệm:
- Ma sát giữa 2 phần hộp cắt: Những hộp cắt có hiện tượng bị biến dạng sẽ gây
nên lực ma sát giữa hai thớt làm tăng giá trị ma sát trong đất.
- Thiết bị không đo được áp lực nước lỗ rỗng trong khi áp lực nước lỗ rỗng là
một trong những nhân tố chính ảnh hưởng đến độ bền chống cắt của đất.
- Sai số cơ của các đồng hồ và các bộ phận khác….
4. Mặt trượt mặc định khi cắt:
Ngoài thực tế, đất sẽ bị trượt theo mặt phẳng yếu nhất: dưới mép móng, trên
vách hố đào, taluy đường… nhưng trong mô hình thí nghiệm ta lại cắt mẫu đất theo
một mặt phẳng nằm ngang định trước với diện tích tiết diện cắt giảm dần. Mặt phẳng
này không hẳn là mặt yếu nhất của đất nên giá trị sức kháng cắt thu được có thể lớn
hơn so với thực tế.
5. Cách tiến hành thí nghiệm:
- Cách lựa chọn vận tốc cắt: được lựa chọn phải đảm bảo đủ chậm để không làm
xuất hiện áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong quá trình cắt.
- Cách gia tải: phải phù hợp với quy trình thí nghiệm.
6. Sơ đồ cắt:
Nếu như xét về độ bền của đất loại sét theo tổng ứng suất thì các thông số của
tiêu chuẩn phá hoại sẽ phụ thuộc vào chế độ thí nghiệm, kích thước mẫu và điều kiện
thoát nước.
Ảnh hưởng của phương pháp thí nghiệm lên kết quả nhận được của các thông
số sức
chống
cắt
được

diễn
Giá trị thông số biểu
Sơ đồ thí nghiệm
theo
A.A.Karan
ϕ’ c’(MPa)
Cắt tức thì không nén trước

6

0.02

Cắt nhanh không nén trước

5

0.027

Cắt chậm nén trước dưới tải trọng mặt cắt 20

0.003

Nhóm 1 Lớp Địa kỹ thuật Xây dựng - 2012

13


Tiểu luận Môn học Địa chất Công trình Nâng cao

GVHD: TS. Bùi Trường Sơn

Tất cả đất loại sét mà độ ẩm tự nhiên của chúng W>W P+0,25Ip được thí
nghiệm bằng phương pháp cắt nhanh. Sét khi có độ ẩm thấp hơn giới hạn dẻo được
thí nghiệm trong điều kiện cắt chậm sau khi nén trước dưới tải trọng tác dụng khi
trượt. Ý tưởng của chế độ thí nghiệm đầu là sau thời gian thí nghiệm áp lực lỗ rỗng
không kịp phân tán và thí nghiệm được tiến hành theo sơ đồ không cố kết không
thoát nước, khi đó như chế độ thứ hai xét trước sự tiến hành quá trình cố kết thoát
nước. Trong điều kiện chế độ đầu, sức chống cắt được xác định bằng tổng ứng suất,
còn theo chế độ thứ hai là áp lực hữu hiệu (áp lực tác dụng lên cốt đất). Chế độ thí
nghiệm trong cắt cố kết nhằm mục đích là ứng suất tác dụng là hữu hiệu. Các đặc
trưng độ bền c’ và ϕ’ nhận được từ thí nghiệm bằng phương pháp cắt cố kết thể hiện
các đặc tính của cốt đất. Phương pháp cắt không cố kết được sử dụng để xác định sức
chống cắt trong điều kiện trạng thái không ổn định của sét và sét pha cát có độ sệt I L
≥ 0,75.
Có triển ý kiến cho rằng độ tin cậy của các kết quả nhận được trong thí nghiệm
cắt trực tiếp tăng lên đáng kể khi ta cắt mẫu đất theo sơ đồ cố kết . Trong trường hợp
này việc tính toán độ ổn định áp lực lỗ rỗng trong vùng trượt phải xét dựa vào
nguyên tắc Terzaghi:
τ’ = c’ + (σ-u)tgϕ’
Ở đây σ-u=σ’ áp lực thẳng đứng hữu hiệu.
7. Áp lực nước lỗ rỗng:
Ở các phòng thí nghiệm ở nước ta, thí nghiệm cắt trực tiếp thường được sử
dụng và chủ yếu được thực hiện theo sơ đồ cắt nhanh. Do số lượng thiết bị không
nhiều và một số thiết bị còn chưa phù hợp nên việc bão hòa mẫu đất thường không
được thực hiện. Do vậy, kết quả thí nghiệm xác định độ bền của đất từ thí nghiệm cắt
trực tiếp có thể có chứa sai số do sự xuất hiện của hiện tượng sức căng bề mặt của
nước lỗ rỗng.
Ta thấy rằng, độ bền chống cắt của 1 loại đất bất kỳ phụ thuộc chủ yếu vào áp
lực lỗ rỗng tồn tại xảy ra lúc phá hoại. Áp lực nước lỗ rỗng dư có thể được tạo ra do
các ứng suất trực tiếp đặt vào đất và do xu hướng thay đổi thể tích của đất khi cắt.

Mặt khác, áp lực lỗ rỗng dư thường bị tiêu tán khi có sự thoát nước. Tốc độ
tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng phụ thuộc đáng kể vào tính thấm và kích thước khối đất
chịu ảnh hưởng của ứng suất cắt. Chúng cũng phụ thuộc vào tốc độ tác dụng của ứng
suất; một sự thay đổi rất chậm của ứng suất tác dụng lên khối đất có tính thấm kém
không thể tạo ra các áp lực nước lỗ rỗng nào lớn hơn so với trường hợp ứng suất tác
dụng nhanh trong đất có tính thấm nuớc cao.

14
Nhóm 1 Lớp Địa kỹ thuật Xây dựng - 2012


Tiểu luận Môn học Địa chất Công trình Nâng cao

GVHD: TS. Bùi Trường Sơn

Trong khi đó, thí nghiệm cắt trực tiếp không kiểm soát được quá trình thoát
nước làm cho việc kiểm soát được các thông số sức kháng cắt hoạt động được đúng
với trạng thái làm việc của đất nền là rất khó khăn.
Đối với những sơ đồ cắt cố kết có thoát nước dành cho cát sỏi có hệ số thấm
lớn (10-4cm) , chiều dài đường thoát nước của mẫu thường ngắn hơn rất nhiều so với
thực tế nên tốc độ thoát nước của mẫu tăng dẫn làm cho tốc độ giảm áp lực nước lỗ
rỗng nhanh hơn thực tế.
Đối với đất loại sét: vì hệ số thấm của chúng tương đối nhỏ (nhỏ hơn 10 -6
cm/sec), nên khi biến dạng, vì sự nén ép chậm chạp nước ra khỏi lỗ rỗng, áp lực lỗ
rỗng xuất hiện phân tán một cách chậm đáng kể so với độ lún và do đó ảnh hưởng
lên độ bền của đất.
8. Ảnh hưởng của nước mao dẫn:
Cường độ sức chống cắt của đất (kể cả đất bão hòa) trong điều kiện ngập nước
và không ngập nước khác nhau.
Lực dính của đất sét mềm bão hòa nước trong thí nghiệm cắt nhanh trong điều

kiện ngập nước có thể có giá trị lớn hơn so với trong điều kiện không ngập nước.
Lực dính của đất sét mềm bão hòa nước trong thí nghiệm cắt trực tiếp theo sơ
đồ cố kết thoát nước trong điều kiện không ngập nước có giá trị lớn hơn đáng kể so
với trong điều kiện ngập nước.
Kết quả cắt trực tiếp mẫu cát ẩm trong điều kiện không ngập nước cho thấy có
lực dính và lực dính lớn hơn trong điều kiệu ngập nước khoảng 6-8 KN/m2.
Sự giãn nở của cát chặt ở thời điểm phá hoại có thể tạo áp lực nước lỗ rỗng âm
ở khu vực mặt trượt làm tăng sức kháng cắt của đất, thể hiện thông qua giá trị lực
dính thu nhận trong kết quả.
Như vậy, điều kiện thí nghiệm: mô hình cắt, chế độ cắt, cách bão hòa nước,
áp lực pháp tuyến….. gây nên sự khác biệt khá nhiều đến các thông số sức chống
cắt thu được so với tự nhiên. Chính những lý do này thí nghiệm cắt trực tiếp đang
dần được thay thế bởi các thí nghiệm khác ưu việt hơn.

15
Nhóm 1 Lớp Địa kỹ thuật Xây dựng - 2012


Tiểu luận Môn học Địa chất Công trình Nâng cao

GVHD: TS. Bùi Trường Sơn

KẾT LUẬN
Thí nghiệm đất trên các thiết bị cắt được sử dụng rộng rãi nhờ sự đơn giản của
phương pháp và sự tiếp cận của dụng cụ. Tuy nhiên các thiết bị thí nghiệm cắt có
một số khuyết điểm, rõ ràng nhất là sự thay đổi tiết diện cắt theo mức độ dịch chuyển
tương đối của dao vòng khi tác dụng lực cắt; không có khả năng đo áp lực lỗ rỗng
trong vùng trượt; không có khả năng duy trì độ ẩm theo mặt cắt vì sự xuất hiện khe
rãnh giữa thớt trên và thớt dưới.
Vì không tiến hành được các thí nghiệm nghiên cứu và kiến thức chuyên môn

còn hạn hẹp các nhận định trong tiểu luận này mang tính dự đoán, định tính mà
không có các số liệu định lượng để chứng minh. Do đó các kết luận nhóm đưa ra có
thể chưa xác đáng. Rất mong nhận được sự góp ý, sửa chữa của thầy và các bạn đồng
nghiệp để kiến thức của chúng tôi thêm phần hoàn thiện.
Trân trọng!
Hồ Chí Minh ngày …/03/2013
Nhóm thực hiện tiểu luận

16
Nhóm 1 Lớp Địa kỹ thuật Xây dựng - 2012


Tiểu luận Môn học Địa chất Công trình Nâng cao

GVHD: TS. Bùi Trường Sơn

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Bùi Trường Sơn, “Bài giảng Địa chất công trình” – 2009;
2. Châu Ngọc Ẩn, “ Cơ học đất” – NXB Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh
2009;
3. Đoàn Thế Tường, Lê Thuận Đăng, “Thí nghiệm đất và nền móng công
trình” – NXB Giao Thông Vận Tải 2004;
4. Võ Ngọc Hải, “Ảnh hưởng áp lực mao dẫn lên độ bền của đất trong thí
nghiệm cắt trực tiếp” – Luận văn ThS;
5. Trần Văn Việt, “ Cẩm nang dùng cho kỹ sư địa kỹ thuật” – NXB Xây dựng
2004;
6. K.H.Head, “Soil laboratory testing, volume 2, Permeability, shear strength
and compressibility”, 1994
7. Ral. PH B. Peck – Walter E. Hanson – Thomas H. Thornburn, “ Kỹ thuật
nền móng” – NXB Giáo dục 1999

17
Nhóm 1 Lớp Địa kỹ thuật Xây dựng - 2012