Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 10184:2021 Đất xây dựng - Thí nghiệm cắt cánh hiện trường cho đất dính

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 10184:2021

ĐẤT XÂY DỰNG - THÍ NGHIỆM CẮT CÁNH HIỆN TRƯỜNG CHO ĐẤT DÍNH

Construction soil - Field Vane Shear Test in Cohesive Soil

Lời nói đầu

TCVN 10184:2021 do Tổng cục Đường bộ Việt Nam biên soạn, Bộ Giao thông Vận tải đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

ĐẤT XÂY DỰNG - THÍ NGHIỆM CẮT CÁNH HIỆN TRƯỜNG CHO ĐẤT DÍNH

Construction soil - Field Vane Shear Test in Cohesive Soil

1  Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này quy định phương pháp xác định sức chống cắt không thoát nước của đất dính bằng thí nghiệm cắt cánh hiện trường.

CHÚ THÍCH: Thí nghiệm cắt cánh hiện trường có thể thực hiện độc lập hoặc kết hợp với công tác khoan thăm dò địa chất công trình tùy thuộc vào thiết bị sử dụng.

2  Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau rất cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng bản được nêu. Với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất bao gồm cả các sửa đổi, bổ sung (nếu có).

TCVN 9437:2012 Khoan thăm dò địa chất công trình.

TCVN 4419:1987 Khảo sát cho xây dựng - Nguyên tắc cơ bản.

3  Thuật ngữ và định nghĩa

Trong tiêu chuẩn này, sử dụng các thuật ngữ và định nghĩa sau:

3.1  Sức chống cắt không thoát nước (Undrained shear strength - S_u)

Phản lực lớn nhất của đất đối với ngoại lực ứng với lúc bắt đầu bị phá hoại và trượt lên nhau khi cắt đất ở điều kiện không thoát nước, đặc trưng cho đất dính bão hòa nước.

3.2  Độ nhạy (Sensitivity - S)

Tỷ số giữa sức chống cắt không thoát nước của đất nguyên trạng và sức chống cắt không thoát nước của đất khi bị phá hủy.

3.3  Vị trí thí nghiệm (Testing location)

Một vị trí trên mặt bằng, được xác định bởi các tọa độ X, Y (tương đối hoặc tuyệt đối), mà tại đó tiến hành các điểm cắt ở các độ sâu khác nhau.

3.4  Điểm cắt (Testing point)

Nơi thí nghiệm cắt ở một độ sâu hay một cao độ xác định.

3.5  Cánh cắt (Vane)

Bộ phận để cắt đất. Cánh cắt gồm bốn lưỡi cắt gắn với nhau dạng chữ thập và một đoạn cần có chiều dài theo quy định bằng 10 lần đường kính cánh cắt để nối với các cần nối (Hình 1).

3.6  Lưỡi cắt (Bladed vane)

Một trong bốn tấm thép của cánh cắt (Hình 1), có cấu tạo và kích thước theo quy định.

3.7  Cần nối (Torque rods)

Các đoạn cần được chế tạo bằng thép, có cấu tạo và kích thước theo quy định, cần nối có tác dụng liên kết cánh cắt với bộ phận tạo mô men cắt (Hình 1).

4  Quy định chung

4.1  Với đất sét nhạy, đất bùn lẫn nhiều hữu cơ, đất than bùn hóa, than bùn, hay đất bùn lỏng, khi gặp khó khăn trong việc lấy mẫu đất nguyên trạng nên tiến hành thí nghiệm cắt cánh hiện trường để xác định sức chống cắt của đất.

4.2  Thông thường, thí nghiệm cắt cánh hiện trường được kết hợp cùng với công tác khoan thăm dò địa chất công trình như qui định trong TCVN 9437:2012 để phục vụ thiết kế xây dựng nhà và công trình.

4.3  Thí nghiệm cắt cánh hiện trường cho đất dính là một nội dung của công tác khảo sát địa chất công trình (khảo sát địa kỹ thuật) và tuân thủ các quy định chung đã trình bày trong TCVN 4419:1987 và các tiêu chuẩn quốc gia hiện hành khác có liên quan.

4.4  Thí nghiệm cắt cánh hiện trường được thực hiện bằng cách ấn một cánh cắt ngập vào trong đất và quay nó. Dựa vào sự cân bằng giữa mô men quay (đo được) và mô men cản (tính được theo sức chống cắt của đất), sẽ xác định được sức chống cắt của đất.

4.5  Sức chống cắt không thoát nước của đất được tính từ lực cắt gây ra sự phá hủy đất. Lực cắt này thường được tính từ mô men cắt xác định trong khi thí nghiệm. Ma sát cần và thiết bị với đất được xác định và ghi tách riêng với mô men cắt trong quá trình thí nghiệm.

4.6  Ma sát cần được xác định trong điều kiện không tải (dùng áo bảo vệ cánh cắt, hoặc tách rời cần và cánh cắt) với một mô men tác dụng cân bằng, không gây ép sang hai bên (nếu gây ép sang hai bên sẽ làm tăng ma sát trong quá trình thí nghiệm). Gia số ma sát này chưa được ghi trong số đọc không tài ban đầu nên sẽ làm cho kết quả thí nghiệm chung không chính xác. Trong quá trình thí nghiệm, mô men cắt cũng phải tác dụng cân bằng tương tự; không nên sử dụng những thiết bị có khả năng gây ép sang hai bên trong quá trình thí nghiệm, cần nối phải có đủ độ cứng để không bị xoắn trong suốt quá trình thí nghiệm. Trong trường hợp cần nối bị xoắn, cần hiệu chỉnh đường cong quan hệ giữa mô men cắt với góc cắt (xem chú thích tại 5.3).

4.7  Trong quá trình thí nghiệm, mô men cắt được ghi bằng các phương thức khác nhau - tự động hoặc cơ học, trực tiếp hoặc gián tiếp tuỳ thuộc từng loại máy.

5  Thiết bị, dụng cụ

5.1  Thiết bị cắt cánh hiện trường cho đất dính gồm các bộ phận chính sau (Hình 1):

Bộ phận tạo mô men cắt và ghi số liệu;

- Giá đỡ;

- Cần nối;

- Cánh cắt.

5.2  Cánh cắt gồm 4 lưỡi cắt (Hình 1). Chiều cao (H) cánh cắt bằng hai lần đường kính (D). Hai đầu cánh cắt có thể có dạng bằng hoặc hình vát (Hình 1). Cạnh dưới của lưỡi cắt được vát sắc một góc 90° để dễ ấn xuyên vào đất. Việc lựa chọn kích thước cánh cắt liên quan trực tiếp đến trạng thái của đất được thí nghiệm, theo đó đất càng mềm kích thước cánh cắt cho phép càng lớn. Kích thước một số loại cánh cắt tham khảo Phụ lục D.

5.3  Cánh cắt được nối với hệ cần. Cần nối phải có đường kính (d) đủ lớn để biến dạng trong quá trình cắt không vượt quá giới hạn cho phép của cần (xem chú thích). Các cần được nối với nhau sao cho vai của đầu âm và đầu dương chạm khít nhau, tránh bị xiết chặt thêm trong quá trình thí nghiệm. Nếu sử dụng áo bảo vệ thì phần cần phía trên thuộc cánh cắt phải được gắn một ổ đỡ tại vị trí tiếp xúc với áo bảo vệ. Ổ đỡ này phải được bôi trơn tốt và phải kín để tránh sự thâm nhập của đất trong khi thí nghiệm. Các cần phải được nối thẳng, tránh tiếp xúc và tạo ma sát với ống chống hoặc thành lỗ khoan.

CHÚ THÍCH: Nếu yêu cầu xác lập đường cong quan hệ giữa mô men cắt với góc cắt thì cần nối phải được kiểm tra trước khi sử dụng cho thí nghiệm. Tổng lượng xoắn của cần nối (nếu có) phải được xác lập theo đơn vị độ/mét dài cần/đơn vị mô men (ví dụ độ/m/Nm). Trị số hiệu chỉnh này sẽ tăng dần theo chiều sâu thí nghiệm. Vì vậy, việc kiểm định phải được thực hiện tối thiểu đến chiều sâu lớn nhất dự kiến thí nghiệm.

CHÚ DẪN: 1 - Bộ phận tạo mô men và ghi số liệu; 2 - Giá đỡ; 3 - Cần nối; 4 - Cánh cắt (a- dạng bằng; b- dạng vát nhọn)

Hình 1 - Cấu tạo thiết bị cắt cánh hiện trường

5.4  Trong quá trình thí nghiệm, mô men sẽ truyền qua hệ cần nối và tác dụng vào cánh cắt. Độ chính xác số đọc mô men phải bảo đảm không gây ra sai lệch về sức chống cắt quá ±1,2kPa. Thiết bị cắt cánh phải có chứng chỉ kiểm định theo quy định.

5.5  Mô men được tạo tự động (có thể điều khiển bằng hộp số) hoặc quay bằng tay trong khi thí nghiệm. Khoảng thời gian tiến hành thí nghiệm (chỉ tính thời gian cắt) quy định tại Điều 6.

6  Quy trình thực hiện

6.1  Kiểm tra và hiệu chỉnh thiết bị theo chỉ dẫn kỹ thuật hoặc chỉ dẫn sử dụng của nhà sản xuất trước khi đưa ra hiện trường.

6.2  Lắp cánh cắt vào cần nối, lắp cần nối với bộ phận tạo và ghi mô men; kiểm tra hệ thiết bị bảo đảm cần và cánh cắt thẳng đứng trước khi ấn vào trong đất.

6.3  Trong trường hợp sử dụng cánh cắt có áo bảo vệ, ấn áo bảo vệ tới chiều sâu cách điểm cắt tối thiểu bằng 5 lần đường kính áo bảo vệ. Trong trường hợp cánh cắt không có áo bảo vệ, lỗ khoan phải dừng trước điểm cắt tối thiểu bằng 5 lần đường kính lỗ.

6.4  Ấn cánh cắt từ đáy lỗ thí nghiệm hoặc từ vị trí mũi áo bảo vệ liên tục một lần đến điểm cắt. Trong quá trình ấy, không được gây ra bất kỳ một mô men xoắn nào.

6.5  Khi cánh cắt đó ở đúng vị trí điểm cắt, tác dụng mô men lên cánh cắt với tốc độ không quá 0,1 độ/s. Yêu cầu này đòi hỏi thời gian phá hủy đất (thời gian cắt tới phá hủy) trong khoảng 2 đến 5 min, trừ trường hợp đất rất yếu (very soft soil - đất trạng thái chảy) thì thời gian phá hủy có thể tới 10 đến 15 min. Đối với những loại đất dẻo mềm (firm soil), có thể giảm tốc độ cắt để nhận được quan hệ ứng suất - biến dạng hợp lý. Trong quá trình cắt, cao độ cánh cắt phải giữ cố định.

6.6  Tại thời điểm đất bắt đầu bị phá hoại, ghi được trị số mô men cắt lớn nhất - mô men cắt đất ở trạng thái nguyên trạng của đất M_u. Tiếp tục quay nhanh cánh cắt ít nhất 10 vòng, trong thời gian không quá 1 min, ghi được mô men cắt nhỏ nhất - mô men cắt đất ở trạng thái phá hủy M_d. Với thiết bị có bộ phận gia tải tự động, nên ghi trị số mô men theo chu kỳ 15 s.

6.7  Trong trường hợp có tiếp xúc giữa đất và cần nối, xác định mô men gây ra do ma sát giữa cần nối và đất M_f bằng cách quay cần nối tại chỗ (tách rời cánh cắt) ở cùng độ sâu thí nghiệm. Xác định ma sát cần tối thiểu một lần tại mỗi điểm cắt.

6.8  Đối với loại thiết bị mà cần nối được cách ly hoàn toàn với đất xung quanh (bằng hệ áo bảo vệ), xác định ma sát cần với áo bảo vệ (xem chú thích) tối thiểu một lần cho mỗi điểm cắt. Nếu thiết bị hoạt động chuẩn sẽ được xem như không có ma sát cần.

CHÚ THÍCH: Khi cánh cắt còn nằm trong áo bảo vệ, chưa tiếp xúc với đất, việc đo ma sát cần không bị ảnh hưởng, nên không cần tách rời cánh cắt và cần nối khi xác định ma sát cần.

6.9  Thực hiện thí nghiệm cắt cánh với cự ly các điểm cắt theo chiều sâu không nhỏ hơn 1,0m.

7  Tính kết quả

7.1  Độ lớn mô men cần thiết để cắt đất:

trong đó:

M - Mô men cắt, Nm;

S_u - Sức chống cắt không thoát nước của đất nguyên trạng, Pa;

K - Hằng số cánh cắt, phụ thuộc hình dạng và kích thước cánh cắt, m³.

7.2  Giả thiết sự phân bố sức chống cắt là đều trên toàn bộ hai mặt đáy và mặt xung quanh của trụ cắt (giả thiết đất đồng nhất và đẳng hướng), trị số K được tính theo công thức:

trong đó:

D - Đường kính cánh cắt, cm;

H - Chiều cao cánh cắt, cm.

7.3  Khi tỉ lệ giữa chiều cao và chiều rộng cánh cắt là 2:1, trị số K có thể xác định đơn giản dưới dạng:

7.4  Từ đó, sức chống cắt không thoát nước của đất được viết dưới dạng:

hay

trong đó:

7.5  Sức chống cắt không thoát nước của đất nguyên trạng (S_u) và phá hủy (S’_u) được tính tương ứng từ mô men cắt nguyên trạng (M_u) và phá hủy (M_d) theo các biểu thức trên.

Trường hợp cánh cắt có dạng hình vát (xem Hình 1), hằng số cánh cắt K được tính theo biểu thức:

trong đó:

d - Đường kính cần nối, cm.

Nếu đường kính cần theo kích thước chuẩn 1,27cm (0,5 inch) biểu thức trên được viết gọn lại:

1. Độ nhạy của đất từ kết quả thí nghiệm cắt cánh được xác định theo biểu thức:

trong đó:

S_u, S’_u - Sức chống cắt không thoát nước của đất nguyên trạng và phá hủy kết cấu, Pa.

CHÚ THÍCH: Trường hợp có tiếp xúc giữa đất và cần nối, mô men cắt sử dụng để xác định sức chống cắt S_u và S'_u cần phải trừ đi đại lượng mô men gây ra do ma sát cần và đất (M_f).

8  Báo cáo thử nghiệm

8.1  Báo cáo kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường là bản tổng hợp các thông tin chung về công trình thiết kế, thiết bị thí nghiệm, kết quả đo và tính toán về sức chống cắt không thoát nước thu được. Các thông tin cần trình bày trong báo cáo kết quả bao gồm cả tại điểm thí nghiệm cắt cánh và vị trí thí nghiệm cắt cánh.

Mẫu báo cáo kết quả thí nghiệm tham khảo theo Phụ lục A, B, C. Tuy nhiên, có thể thay đổi cho phù hợp với từng loại thiết bị sử dụng.

8.2  Những thông tin thể hiện đối với mỗi điểm cắt cánh:

- Tên dự án/công trình/hạng mục công trình;

- Ngày thí nghiệm;

- Số hiệu lỗ khoan/ lỗ cắt cánh;

- Số hiệu máy cắt cánh, kích cỡ và hình dạng cánh cắt;

- Chiều sâu cánh cắt;

- Chiều sâu cánh cắt kể từ đáy ống bảo vệ hoặc tử đáy lỗ khoan;

- Số đọc mô men cắt cho trường hợp đất nguyên trạng;

- Thời gian cắt (từ lúc bắt đầu đến khi đạt trị số mô men cắt - đất bị phá hủy);

- Tốc độ cắt;

- Số đọc mô men cắt cho trường hợp đất bị phá hủy;

- Những sai khác so với quy trình thí nghiệm chuẩn.

8.3  Những thông tin bổ sung đối với mỗi vị trí thí nghiệm:

- Vị trí, số hiệu lỗ khoan/ lỗ cắt cánh;

- Cao độ lỗ khoan;

- Phương pháp tạo lỗ;

- Mô tả cánh cắt (có hoặc không có áo bảo vệ...);

- Mô tả phương pháp tạo và đo trị số mô men;

- Tên tổ trưởng tổ thí nghiệm và kỹ sư giám sát.

8.4  Với mỗi vị trí thí nghiệm cắt cánh hiện trường, cần phải thể hiện kết quả xác định sức chống cắt không thoát nước theo chiều sâu kèm với hình trụ lỗ khoan.

Phụ lục A

(Tham khảo)

Ví dụ biểu ghi kết quả thí nghiệm một điểm cắt cánh đối với thiết bị cắt ghi được trị số mô men và góc quay tương ứng

Phụ lục B

(Tham khảo)

Ví dụ biểu ghi kết quả thí nghiệm một điểm cắt cánh đối với thiết bị cắt chỉ ghi trị số mô men

Phụ lục C

(Tham khảo)

Ví dụ báo cáo kết quả một vị trí thí nghiệm cắt cánh

Phụ lục D

(Tham khảo)

Kích thước một số loại cánh cắt theo ASTM D2573

Phụ lục E

(Tham khảo)

Phân loại đất theo độ nhạy (Theo Ju.G. Trofimenko)

Thư mục tài liệu tham khảo

[1] ASTM D2573, Standard Test Method for Field Vane Shear Test in Cohesive Soil - Tiêu chuẩn thí nghiệm về thí nghiệm cắt cánh hiện trường trong đất dính.

Mục lục

Lời nói đầu

1  Phạm vi áp dụng

2  Tài liệu viện dẫn

3  Thuật ngữ và định nghĩa

4  Qui định chung

5  Thiết bị, dụng cụ

6  Quy trình thực hiện

7  Tính kết quả

8  Báo cáo thử nghiệm

Phụ lục A (Tham khảo): Ví dụ biểu ghi kết quả thí nghiệm một điểm cắt cánh đối với thiết bị cắt ghi được trị số mô men và góc quay tương ứng

Phụ lục B (Tham khảo): Ví dụ biểu ghi kết quả thí nghiệm một điểm cắt cánh đối với thiết bị cắt chỉ ghi trị số mô men

Phụ lục C (Tham khảo): Ví dụ báo cáo kết quả một vị trí thí nghiệm cắt cánh

Phụ lục D (Tham khảo): Kích thước một số loại cánh cắt theo ASTM D2573

Phụ lục E (Tham khảo): Phân loại đất theo độ nhạy

Thư mục tài liệu tham khảo