TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
BỘ MÔN ĐỊA CƠ NỀN MÓNG TIỂU LUẬN MÔN HỌC
ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

Đề tài số 1:
Thí nghiệm 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.
Giảng viên hướng dẫn:
TSKH. Bùi Trường Sơn
Học viên thực hiện: Nhóm 1 ĐKTXD2009
1. Nguyễn Thị Thu Trang
2. Lê Đào Vũ
3. Nguyễn Văn Đồng
4. Tạ Quang Nghiệp
5. Đàm Xuân Thế
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

I.3.1. Sơ đồ thí nghiệm 4
I.3.2. Thiết bị thí nghiệm 4
I.3.3. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: 6
I.4. Trình tự thí nghiệm và tính toán kết quả thí nghiệm 7
I.4.1. Trình tự thí nghiệm 7
I.4.2. Tính toán kết quả thí nghiệm 7
I.5. Một số yêu cầu trong quá trình tiến hành thí nghiệm 8
I.5.1. Theo tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 4199-1995 8
I.5.2. Theo tiêu chuẩn Anh - BS 1377: Part 7: 1990 10
I.5.3. Tiêu chuẩn ASTM D3080 12
I.6. Ứng dụng các kết quả thí nghiệm trong thiết kế 13
I.7. Nhận xét: 15
PHẦN II: 16
ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN THÍ NGHIỆM ĐẾN CÁC ĐẶC TRƯNG THU
NHẬN ĐƯỢC SO VỚI MẪU Ở ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN 16
II.1. Kích thước mẫu thí nghiệm: 16
II.2. Điều kiện lấy mẫu, bảo quản và chế bị mẫu: 16
II.3. Thiết bị thí nghiệm: 17
II.4. Mặt trượt mặc định khi cắt: 17
II.5. Cách tiến hành thí nghiệm: 17
II.6. Sơ đồ cắt: 17
II.7. Áp lực nước lỗ rỗng: 18
II.8. Ảnh hưởng của nước mao dẫn: 19
KẾT LUẬN 20
Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn
Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 2
MỞ ĐẦU

Trong công tác thiết kế và thi công các công trình thủy lợi, cầu đường, xây dựng
dân dụng và công nghiệp, việc xác định các thông số sức chống cắt của đất chiếm

. 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:
C
+
=
ϕ
σ
τ
tan

I.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 trượt lên phần khác
được đo sau từng khoảng dịch chuyển đều đặn. Sự phá hoại mẫu xảy ra khi sức kháng
cắt của đất đạt giá trị cực đại mà 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 đất 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.


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

Hình 6 : Các loại thiết bị cắt trực tiếp
I.3.3. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm:
Phải 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: Chế 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 luôn trong dao vòng. Sau khi chế bị mẫu cần mang đi thí
nghiệm xác định dung trọng của đất.
Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn
Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 7

Hình 8: Đem mẫu đi xác định độ ẩm
I.4. Trình tự thí nghiệm và tính toán kết quả thí nghiệm
I.4.1. Trình tự thí nghiệm
Bước 1: Dùng dao vòng ần vào mẫu đất -> gạt bằng mặt để tạo mẫu chuẩn bị cho vào
hộp cắt.
Cho mẫu đất vào hộp cắt -> 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 chất tải, chiều dài cánh tay đòn, tiết diện ngang mẫu đất.
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/min. Ghi 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 Dial Reading
max

và áp lực
đứng
σ
tác dụng lên mẫu ta cũng có thể xác định được các giá trị góc ma sát trong
ϕ

và lực dính C.
Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn
Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 8
τ (kN/m2)
σ (kN/m2)
(σ1,τ1)
(σ2,τ2)
(σ3,τ3)
c

Hình 9: Đồ thị thể hiện quan hệ lực cắt và áp lực thẳng đứng
Cách 2: Theo công thức bình phương cực tiểu






−=
−
−
=
∑∑
∑∑

1
2
111
1
;
)(
σϕτ
σσ
στστ
α
Hoặc
∑∑
∑∑∑
==
===
−
−
=
n
i
n
i
ii
n
i
n
i
n
i
iiiii

σ
στ
ϕ
I.5. Một số yêu cầu trong quá trình tiến hành thí nghiệm
I.5.1. Theo tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 4199-1995
Phương pháp này chỉ dùng để xác định sức chống cắt của đất loại sét và đất loại
cát có kết cấu nguyên hoặc chế 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 loại sét ở trạng
thái chảy và bị biến dạng chảy dưới tác dụng của áp lực thẳng đứng 1daN/cm
2
.
Các phương pháp xác định sức chống cắt cần phải được qui định trong từng
trường hợp cụ thể, phụ thuộc vào:
- Giai đoạn thiết kế và loại công trình.
- Điều kiện làm việc của đất trong quan hệ với công trình.
- Thành phần, đặc điểm cấu trúc, trạng thái và tính chất của đất.
Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn
Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 9
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:
- Phương pháp không thoát nước, không cố kết (cắt nhanh không cố kết).
- Phương pháp thoát nước, cố kết rồi cắt chậm (cắt chậm cố kết).
- Phương pháp thoát nước, cố kết rồi cắt nhanh (cắt nhanh cố kết).
Việc làm bão hòa 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 hòa các mẫu đất bằng nước nhằm xác định τ ở trạng thái bão hòa,
nên dùng loại nước uống được. Đối với các mẫu đất chứa muối dễ hòa tan (Na, Mg, K),
thì làm bão hòa mẫu bằng nước dưới đất tại vị trí lấy mẫu hoặc bằng loại nước có thành

N/m
2
và 1.0x10
5
N/m
2
sau đó mỗi cấp là 0.5x10
5
N/m
2
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 0.5x10
5
N/m
2
cho đến khi đạt 3.0 x10
5
N/m
2
, sau đó tiếp tục tăng
mỗi cấp 1x10
5
N/m
2
cho đến giá trị áp lực cuối cùng.
Mỗi cấp áp lực trung gian được giữ không ít hơn:
- 5 phút đối với đất cát.
- 30 phút đối với đất loại sét.
Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn

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 hủy tính toán
ngắn, rất ngắn. Tuy nhiên, thời gian phá hủy không thể ít hơn 2 giờ.
Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn
Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 11
Tốc độ cắt được tính như sau:
f
r
f
d
d
t
=
Trong đó:
t
f
- Thời gian mẫu bị phá hoại, (phút).
d
f
- Khoảng dịch chuyển ngang khi mẫu bị phá hủy.
d
r
- Tốc độ cắt.
Cách xác định
100
t
dựa vào kết quả thí nghiệm nén như sau:
Sử dụng đồ thị căn bậc hai của thời gian (hình 2.3.1), kéo dài đoạn gần như tuyến
tính của đồ thị (thường nằm trong khoảng 0 đến 50% của cố kết ban đầu) xuống dưới.

Hệ số cố kết được tính như sau:
100
2
1,0
t
H
C
v
×
=
m
2
/năm Hình 2.3.1. Sơ đồ thí nghiệm xác định t
100

Đ
ộ
lún
100
t
Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn
Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 12
Ứng suất cắt trên mặt phẳng bị cắt sẽ là
o

t
f
- Thời gian mẫu bị phá hoại, (phút).
t
50
- Thời gian mẫu đạt được cố kết 50% dưới một ứng suất chuẩn, (phút).
Nếu dùng phương pháp căn bậc hai của thời gian (
t
), t
50
được tính dựa vào thời
gian cố kết 90% của mẫu đất như sau:
90
50
4.28
t
t =
Trong đó:
t
f
- Thời gian mẫu bị phá hoại, (phút).
t
90
- Thời gian mẫu đạt được cố kết 90% dưới một ứng suất chuẩn, (phút).
4.28 - Hệ số quan hệ giữa thời gian cố kết được 90% và 50%.
Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn
Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 13
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. Thời gian
phá hoại mẫu không tính thời gian khử sự trương nở. Tập hợp các đường cong nén lún -

I.6. Ứng dụng các kết quả thí nghiệm trong thiết kế
* Đối với các thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước:
Phương pháp thí nghiệm 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 bé. Các đặc trưng chống cắt ϕ
u
và c
u

được xác định theo σ, τ không xét đến ứng suất hữu hiệu, nên giá trị σ không xét đến
lực đẩy nổi.
*Kết quả thí nghiệm theo sơ đồ UU có thể tóm tắt như sau:
Công trình và giai đoạn
làm việc tương ứng
Sức chống cắt UU
Thi công nhanh công trình đất đắp trên
lớp sét mềm
Sức chống cắt ngay sau khi gia tải
không thoát nước, nền sét mềm chưa cố
kết hoàn toàn bởi trọng lượng bản thân
Đập đất kích thước lớn thi công nhanh, Sức chống cắt không thoát nước của lõi
Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn
Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 14
độ ẩm của lõi không kịp thay đổi. sét đầm chặt của đập
Móng nông thi công nhanh trên nền sét
Sức chịu tải phụ thuộc sức chống cắt
không thoát nước

* Đối với các thí nghiệm cắt chậm, thoát nước
Thí nghiệm cắt chậm - cố kết -thoát nước (CD) nhằm mô phỏng ứng xử của đất
vào giai đoạn cố kết thoát nước đã kết thúc. Kết quả của phương pháp thí nghiệm này

Sức chống cắt tại chỗ có thoát nước sau
khi đã cố kết

Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn
Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 15
I.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).
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;
Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn
Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 16
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

- 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….
II.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.
II.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.
II.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 biểu diễn theo A.A.Karan
Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn
Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 18 Tất cả đất loại sét mà độ ẩm tự nhiên của chúng W>W
P
+0,25I
p
được thí nghiệm

Cắt nhanh không nén trước 5 0.027
Cắt chậm nén trước dưới tải trọng mặt cắt

20 0.003
Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn
Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 19
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.
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
-4
cm) , 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

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 15/12/2009
Nhóm thực hiện tiểu luận
Tiểu luận địa chất công trình nâng cao GVHD: TSKH. Bùi Trường Sơn
Nhóm 1 lớp ĐKTXD-2009 21
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