Địa chất công trình nâng cao GVHD: TS. Bùi Trường Sơn
Lớp Cao học ĐKTXD 2009 Page 1 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 15: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG
CỦA ĐẤT TRONG PHÒNG BẰNG THIẾT BỊ NÉN CỐ KẾT TỐC ĐỘ BIẾN
DẠNG KHÔNG ĐỔI (CRS) GVHD: TS. Bùi Trường Sơn
Học viên thực hiện:
1. Dương Minh Trí
2. Ngô Đức Trung
trong việc thiết kế và xây dựng những dự án. Nhằm đáp ứng nhu cầu đó, thí nghiệm
nén cố kết với tốc độ biến dạng không đổi (CRS) đã được ra đời.
Thí nghiệm nén cố kết biến dạng không đổi cung cấp một phương pháp hiệu
quả và tương đối nhanh để xác định các tính chất (lịch sử ứng suất, tính nén, tính dẫn
thủy lực và tốc độ cố kết) của đất dính và có nhiều ưu điểm hơn thí nghiệm cố kết tăng
tải thông thường. Việc dễ dàng thực hiện và khả năng lấy số đọc liên tục cung cấp một
sự tiết kiệm về nhân công to lớn và định nghĩa tốt hơn biểu đồ nén.
Tuy nhiên, thí nghiệm CRS này cũng có những nhược điểm bao gồm lỗi đọc áp
lực lỗ rỗng, điều kiện ban đầu hay tốc độ biến dạng phụ thuộc ứng xử của đất nền.
Trong tiểu luận này, tôi xin giới thiệu một cách tổng quát nhất cách hoạt động
cũng như những kết quả thu nhận được của thí nghiệm nén cố kết biến dạng không đổi
này.
Địa chất công trình nâng cao GVHD: TS. Bùi Trường Sơn
Lớp Cao học ĐKTXD 2009 Page 4
I. Lịch sử thí nghiệm cố kết
Cho tới những thập niên 70, thí nghiệm cố kết truyền thống, dựa trên lý thuyết
Terzaghi được sử dụng để xác định những đặc trưng nén của đất dính. Trong thí nghiệm nén
thông thường này, thông thường tốc độ tăng tải đồng nhất (
/1
δσσ
=
) được áp dụng mặc cho
đôi lúc là không cần thiết, và mỗi bước tăng được giữ trong 24h mà nó được cộng dồn vào
thời gian thí nghiệm. Điều này mô phỏng các điều kiện tải trọng của lý thuyết Terzaghi và cho
phép nội suy dữ liệu để xác định k và c
v
. Nhưng vì khoảng cách giữa các điểm rộng khi sử
dụng tốc độ tăng tải thường gây khó khăn trong việc xác định các thông số chuyển vị. Khi rút
ngắn lại tốc độ tăng tải, sẽ cho một đường nén tốt hơn nhưng lại gây khó khăn trong việc xác
định biểu đồ chuyển vị-thời gian, và thời gian kết thúc cố kết sơ cấp. Ngay cả một vài thí

2. Các loại thí nghiệm
Dựa trên những ý tưởng trên, 6 loại thí nghiệm nén cố kết liên tục khác nhau đã được
sử dụng như dưới đây:

Trong đó, biểu đồ c) giới thiệu thí nghiệm CRS với tốc độ biến dạng không đổi. Nó
cũng có thể được xem là tốc độ chuyển vị hằng số nếu biến dạng luôn được xác định với
chiều cao mẫu ban đầu.
III. Thí nghiệm CRS
1. Nội dung thí nghiệm
Thí nghiệm này được miêu tả bởi Smith & Wahls (1969), Wissa, Christian, Davis &
Heiberg (1971), Gorman, Hopkins, Dên & Drnevich (1978). Một quá trình tiêu chuẩn cho thí
nghiệm này được thể hiện trong ASTM D4186-82. Trong quá trình này, việc sử dụng áp lực
ngược trước tiên làm bão hòa mẫu, bắt buộc trong quá trình thí nghiệm. Cách chọn tốc độ
biến dạng dựa trên giới hạn lỏng cũng được thể hiện trong tiêu chuẩn này.
2. Dụng cụ thí nghiệm
Thí nghiệm này sử dụng thiết bị của hộp cố kết Rowe, đôi lúc có hiệu chỉnh cho thích
hợp, vì nó mang lại một phương tiện khả thi nhất để thực hiện nhiều thí nghiệm trên những
đất tương đối bị nén ép trong phòng thí nghiệm thị trường.
Dụng cụ thí nghiệm bao gồm những thiết bị chính như hình vẽ bên dưới:
Địa chất công trình nâng cao GVHD: TS. Bùi Trường Sơn
Lớp Cao học ĐKTXD 2009 Page 6

a. Tác dụng tải trọng
Có một vài cách tác dụng lực dọc trục lên mẫu. Hai trong số các phương pháp thuận lợi nhất
đó là:
• Tác động bằng thủy lực
Cho đất tương đối mềm, tác động bằng thủy lực thích hợp cho áp lực lên đến khoảng
1000kPa, và cho phép đường kính mẫu thí nghiệm tới 250mm. Sự sắp xếp này cho
phép thoát nước từ mặt trên và đo áp lực lỗ rỗng ở mặt dưới cũng như áp dụng hệ
thống áp lực ngược, như hình:


- hộp tải trọng bằng cơ học với thoát nước bằng áp lực khí quyển (không có áp lực ngược) - hộp tải trọng bằng cơ học với áp lực

Địa chất công trình nâng cao GVHD: TS. Bùi Trường Sơn
Lớp Cao học ĐKTXD 2009 Page 10

c. Thiết bị đo
Thiết bị đo sử dụng cho việc đo đạc của thí nghiệm CRS thì giống như thí nghiệm 3 trục và
thí nghiệm hộp thấm Rowe. Một số yêu cầu đặc biệt cho thí nghiệm CRS như sau:
- tải trọng dọc trục: nên đo với độ chính xác 0.25% tải trọng lớn nhất tác dụng lên mẫu
- tốc độ biến dạng: khuyến khích tốc độ nằm trong phạm vi 0.04% đến 0.0001% trên phút,
phụ thuộc vào giới hạn lỏng.
- bộ biến đổi áp lực: một bộ chuyển đổi áp lực khác có thể được sử dụng để đo áp lực nước lỗ
rỗng thặng dư.
- hệ thống áp lực ngược: hệ thống này nên được kiểm soát trong phạm vi +2%. Các khóa van
nên kết hợp như trong hình vẽ bên trên.
3. Tốc độ biến dạng
Lúc bắt đầu thí nghiệm, một vài giả thuyết được đưa ra để chọn tốc độ biến dạng thích
hợp mà thông thường có thể nhận được áp lực lỗ rỗng thặng dư trong phạm vi 3% đến 20%
tổng ứng suất đứng tác dụng.
Theo tiêu chuẩn ASTM D4186-82, tốc độ biến dạng tác dụng sẽ được dựa vào giới
hạn lỏng của đất (LL) như bảng bên dưới:
Giới hạn lỏng (LL)

Tốc độ biến dạng

% % trên phút

• Khi mẫu bảo hòa hoàn toàn, điều chỉnh thiết bị đo lực như sau:
nếu áp lực cố định hằng số vẫn được duy trì, thiết lập lại thiết bị đo lực về 0 hoặc tới
giá trị thích hợp từ đó đo được sự thay đổi tải trọng.
nếu chiều cao mẫu được duy trì hằng số, ghi nhận lại giá trị lực dọc và trừ đi giá trị
này cho tất cả số đọc tải trọng.
• Khi đã sẵn sàng để thí nghiệm, chọn tốc độ quay của motơ để có tốc độ chuyển vị yêu
cầu, đảm bảo rằng van J lúc này được khóa, và khởi động môtơ tác động biến dạng
dọc trục cũng như khởi động máy đo thời gian.
• Ở thời điểm thích hợp, ghi lại các số đọc sau:

Biến dạng dọc trục
∆H

mm
Địa chất công trình nâng cao GVHD: TS. Bùi Trường Sơn
Lớp Cao học ĐKTXD 2009 Page 12

Tải trọng dọc trục P N
Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư

δu
kPa
Thời gian trôi qua t Phút Số đọc được ghi nhận tại thời điểm 1 phút cho 10 phút đầu tiên, sau đó tại thời điểm 5
phút cho đến 1 giờ và tại thời điểm 15 phút sau đó. Thời điểm thích hợp nhất có thể được xác
định từ kinh nghiệm. Tiếp tục tăng tải cho đến khi ứng suất mong muốn hoặc biến dạng đã đạt
được.
• Ở bất kỳ giai đoạn nào của thí nghiệm, nén thứ cấp có thể quan sát thấy bằng cách

a- Tính toán cho mỗi bộ số đọc thí nghiệm
Hệ số rỗng:
Địa chất công trình nâng cao GVHD: TS. Bùi Trường Sơn
Lớp Cao học ĐKTXD 2009 Page 13

0
00
0
1
e
eeeeH
H

+
=−∆=−



Biến dạng:

0
100%
H
x
H
ε
∆
=

sẽ bằng với r∆t%

v

Sự thay đổi của áp lực hữu hiệu trong khoảng thời gian
δ
t là
δ
p’ thì tốc độ thay đổi
của ứng suất hữu hiệu là
δ
p’/
δ
t, vậy hệ số cố kết (khi áp lực hữu hiệu
u
δ
vượt 3kPa) là:
2
'
2
v
pH
cx
tu
δ
δδ
=
(mm
2
/phút)
hay
2

v
e
r
t
m
p
p
p
δ
=
(m
2
/kN)
hay
2
10
1
4.34
log'
v
rt
m
p
p
p
δ
=
(m
2
/MN)

u
ở mặt không thoát nước,
(d) đồ thị module cưỡng bức (1/m
v
) - p’, (e) đồ thị u
u
- logp’
Có nhiều cách biểu diễn kết quả của thí nghiệm CRS:
Đồ thị (a): hệ số rỗng e (hay ứng suất dọc trục
ε
) và ứng suất hữu hiệu theo tỷ lệ logarite
(logp’).
Đồ thị (b): hệ số cố kế c
v
và log p’, sự giảm đột ngột của của đồ thị c
v
xảy ra tại giá trị áp lực
tiền cố kết p
c
’
.
Nếu số đọc nén thứ cấp được ghi nhận, biến dạng được thể hiện trên đồ thị log của thời gian
để nhận được giá trị hệ số cố kết c
α
. Đồ thị của áp lực rỗng và logarite thời gian cho phép kết
luận quá trình cố kết sơ cấp được thiết lập.
Địa chất công trình nâng cao GVHD: TS. Bùi Trường Sơn
Lớp Cao học ĐKTXD 2009 Page 15
Đồ thị (c): quan hệ tỉ số rổng e và áp lực nước lổ rỗng (log u
u

Loại thí nghiệm Ưu điểm Nhược điểm Yêu cầu đặc biệt
Thí nghiệm tăng tải
chuẩn (STD)
- dụng cụ đơn giản
- dễ làm
- quá trình và sự thể
hiện được thiết lập
tốt
- tính toán trực tiếp
Cv
- rất chậm (có thể lên
đến 2 tuần)
- các điểm nhận được
trên đồ thị tách rời
- cần có phân tích
điều chỉnh đồ thị
- phải quyết định cấp
tải trọng kế tiếp
Thí nghiệm tải
trọng liên tục tổng
- Yêu cầu thời gian
ngắn hơn nhiều
- chưa có mối tương
quan với thí nghiệm
- một vài điều khiển
bằng máy tính sẽ
Địa chất công trình nâng cao GVHD: TS. Bùi Trường Sơn
Lớp Cao học ĐKTXD 2009 Page 16
quát
- số đọc tự động

biến dạng nhỏ vững
chắc
- áp lực ngược không
cấn thiết
- dở tải dễ dàng
- tốc độ biến dạng
phải được quyết định
- không có mối tương
quan với đường dở
tải của STD
- nhiều loại phương
pháp biểu diễn khác
nhau
- khung tải trọng
- buồng và piston tải
trọng đặc biệt
- tốc độ rất chậm có
thể cần đến
- áp lực bộ chuyển
đổi khác nhau
Địa chất công trình nâng cao GVHD: TS. Bùi Trường Sơn
Lớp Cao học ĐKTXD 2009 Page 17
VI. Số liệu thực tế

Cấp áp lực -
Pressure
Increment, kPa


23.5

300.0

28.6
Cấp áp lực -
Pressure
Increment, kPa
Hệ số cố kết -
Coefficient of
Consolidation
m²/sec
1.47E-03

175.00

2.21E-08

8.38E-04

250.00

2.49E-08

4.17E-04

2

C
v
, cm /sec

Biến dạng - Strain %

2

m
v
, m /kN

Chỉ số nén - Compression Index Cc:

1.808Tỷ số nén - Compression Ratio CR:

0.605

Chỉ số nén lại - Recompression Index Cr:

0.122Tỷ số nén lại - Recompression Ratio RR:

0.041

Áp lực tiền cố kết - Preconsolidation Press., kPa

86.3Tỷ số nở - Swelling Ratio SR:
1.20E-06

1.80E-03
1.00E-06 8.00E-07

1.50E-03 1.20E-03
6.00E-07

9.00E-04
4.00E-07


Công trình -
Project

Số hiệu LK - Boring No. BH01-04 Độ sâu - Depth,m
9.0-9.5

Ngày TN - Testing Date 05-02-'09 H.số c. biến ch.vị - Disp.Trans.Factor, mm/V
-2.657

Tiết diện - Area 31.67
cm
2
H ệ số cảm biến lực - Loadcell Factor, kN/mmv
1.215

Tốc độ cắt - Rate 0.0051 mm/min. Hệ số cảm biến ALNLR - P.w.p Factor, kPa/v
252.455

C.cao mẫu - Specimen height 2.54
cm
Thời gian -Time,
B.dạng tương đối
Strain

Áp lực đứng - Vertical
stresses

of permeability

t[min]

ε
%

σv
[kPa]

u[kPa]

u/σv

σ'v
[kPa]

H,
cm

Htb,
cm

σtbv

[kPa

utb[kPa]

Cv,

6.0

0.56

0.09

5.63

2.53

2.54

3.0

0.28

32

0.62

11.8

1.11

0.09

11.06


14.6

1.38

1.29E-06

5.91E-04

7.47E-09

64

1.23

22.8

2.19

0.10

21.31

2.51

2.51

20.1

1.92


3.41E-09

96

1.82

33.0

3.23

0.10

30.79

2.49

2.50

30.5

2.97

5.20E-07

6.46E-04

3.30E-09

112


4.25

0.10

39.55

2.48

2.48

40.1

3.99

3.53E-07

4.75E-04

1.65E-09

144

2.74

46.9

5.25

0.11


2.47

49.0

5.55

2.30E-07

7.56E-04

1.71E-09

176

3.51

55.3

6.34

0.11

50.98

2.45

2.46

53.2


2.22E-04

3.99E-10

208

4.00

63.1

6.74

0.11

58.48

2.44

2.44

61.2

6.56

1.71E-07

1.07E-03

1.79E-09


70.2

7.40

0.11

65.21

2.42

2.43

68.5

7.27

1.40E-07

8.64E-04

1.19E-09

256

4.87

73.6

7.95


2.41

2.41

75.2

8.05

1.15E-07

1.00E-03

1.13E-09

288

5.45

80.0

8.36

0.10

74.30

2.40

2.40


1.00E-07

1.22E-03

1.20E-09

320

6.09

85.9

9.14

0.11

79.65

2.39

2.39

84.4

8.86

9.15E-08

9.62E-04


6.73

91.3

9.64

0.11

84.74

2.37

2.37

90.0

9.47

7.82E-08

1.33E-03

1.02E-09

368

7.03

93.9


89.05

2.36

2.36

95.1

10.40

6.51E-08

7.22E-04

4.61E-10

400

7.60

98.7

11.16

0.11

91.13

2.35


11.35

5.46E-08

1.44E-03

7.69E-10

432

8.24

103.2

11.94

0.12

95.11

2.33

2.33

102.1

11.74

5.06E-08


464

8.82

104.5

12.80

0.12

95.77

2.32

2.32

104.2

12.65

1.30E-08

4.78E-03

6.11E-10

480

9.20


0.12

102.58

2.30

2.30

109.7

13.66

8.46E-08

7.06E-04

5.86E-10

512

9.78

116.4

14.29

0.12

106.69


116.6

14.54

5.64E-09

1.04E-02

5.77E-10

544

10.45

117.1

15.10

0.13

106.77

2.27

2.28

116.9

14.95


5.36E-10

576

11.08

120.6

16.01

0.13

109.70

2.26

2.26

119.7

15.78

2.78E-08

1.69E-03

4.61E-10

592


16.89

0.14

112.56

2.24

2.25

123.2

16.81

2.51E-08

2.31E-03

5.69E-10

624

12.02

125.8

17.39

0.14


2.23

126.7

17.72

2.31E-08

1.63E-03

3.70E-10

656

12.68

129.2

18.35

0.14

116.66

2.22

2.22

128.4

-
08

1.82E
-
03

3.86E
-
10

688

13.31

132.6

19.34

0.15

119.40

2.20

2.21

131.8

19.12

252.455

C.cao mẫu - Specimen height 2.54
cm
Thời gian -Time,
B.dạng tương đối
Strain

Áp lực đứng - Vertical
stresses

Excess pore pressure

Tỉ số ứng suất -
Pressure ratio

Ứng suất có hiệu -
Effective stresses

Chiều cao mẫu - Height
sample

Chiều cao mẫu tb -
Average height sample
Áp lực đứng tb -
Average vertical
stresses

H,
cm

Htb,
cm

σtbv

[kPa

utb[kPa]

Cv,
m²/s

mv,
m²/kN

kv,
m/s

704

13.67

134.4

19.79

0.15


0.15

122.21

2.19

2.19

135.2

20.04

2.01E-08

1.71E-03

3.37E-10

736

14.25

137.9

20.60

0.15

123.78


125.20

2.17

2.17

138.8

20.88

1.96E-08

1.46E-03

2.81E-10

768

14.81

141.5

21.36

0.15

126.90

2.16


2.15

2.16

142.5

21.72

1.94E
-
08

1.86E
-
03

3.53E
-
10

800

15.47

145.3

22.44

0.15


0.16

131.45

2.14

2.14

146.3

22.80

1.91E
-
08

1.53E
-
03

2.86E
-
10

832

16.07

149.4


135.14

2.12

2.13

150.4

23.55

1.94E
-
08

1.38E
-
03

2.62E
-
10

864

16.75

153.6

24.16


24.41

0.16

139.15

2.11

2.11

154.8

24.29

1.97E
-
08

1.22E
-
03

2.36E
-
10

896

17.35


17.65

160.6

25.85

0.16

142.88

2.09

2.10

159.4

25.52

1.98E-08

1.25E-03

2.44E-10

928

17.99

163.1


165.7

27.19

0.16

147.05

2.08

2.08

164.4

26.87

1.99E-08

1.16E-03

2.27E-10

960

18.63

168.4

27.80


28.25

0.16

151.83

2.06

2.06

169.8

28.02

2.03E
-
08

9.19E
-
04

1.83E
-
10

992

19.34


0.16

157.26

2.04

2.05

175.7

28.86

2.10E
-
08

5.97E
-
04

1.23E
-
10

1024

19.90

180.3


183.6

31.00

0.17

162.32

2.03

2.03

182.0

30.52

2.11E
-
08

9.90E
-
04

2.05E
-
10

1056


1072

20.94

190.6

32.34

0.17

168.38

2.01

2.01

188.8

31.95

2.15E-08

1.16E-03

2.44E-10

1088

21.22


21.55

198.2

33.50

0.17

175.14

1.99

2.00

196.2

33.07

2.21E
-
08

8.42E
-
04

1.83E
-
10

-
10

1136

22.16

206.3

35.14

0.17

182.19

1.98

1.98

204.3

34.70

2.24E
-
08

7.10E
-
04

-
04

1.56E
-
10

1168

22.82

215.2

36.76

0.17

189.93

1.96

1.96

212.9

36.33

2.28E
-
08


5.62E-04

1.27E-10

1200

23.41

224.7

38.45

0.17

198.32

1.95

1.95

222.3

37.99

2.31E
-
08

6.74E


5.92E
-
04

1.36E
-
10

1232

24.07

235.1

40.09

0.17

207.51

1.93

1.93

232.4

39.50

2.36E


2.38E
-
08

5.28E
-
04

1.23E
-
10

1264

24.66

246.2

41.76

0.17

217.48

1.91

1.92

243.3

-
08

6.26E
-
04

1.48E
-
10

1296

25.28

258.1

43.40

0.17

228.31

1.90

1.90

255.1

43.09


44.00

2.44E
-
08

4.74E
-
04

1.14E
-
10

1328

25.91

271.0

45.64

0.17

239.60

1.88

1.89


1.88

274.3

45.92

2.47E
-
08

3.58E
-
04

8.68E
-
11

1360

26.47

284.7

47.41

0.17

252.15


258.76

1.86

1.86

288.3

47.88

2.50E-08

4.23E-04

1.04E-10

1392

27.12

299.4

49.76

0.17

265.27

1.85


1.84

1.85

303.3

50.23

2.51E
-
08

3.37E
-
04

8.30E
-
11

1424

27.73

315.2

52.11

0.17


0.16

286.83

1.83

1.83

319.3

52.73

2.51E
-
08

3.55E
-
04

8.72E
-
11

1456

28.38

332.0


302.46

1.81

1.82

336.4

55.12

2.51E
-
08

2.91E
-
04

7.17E
-
11

1488

28.84

349.9

57.41


58.85

0.16

318.87

1.80

1.80

354.6

58.13

2.50E
-
08

3.80E
-
04

9.32E
-
11

1520

29.51


Địa chất công trình nâng cao GVHD: TS. Bùi Trường Sơn
Lớp Cao học ĐKTXD 2009 Page 20
VII. Tổng hợp, kết luận
Việc tìm hiểu trên chỉ ra rằng, quá trình thí nghiệm tương đối dễ hiểu, và kết quả tốt
có thể dễ dàng nhận được từ thí nghiệm. Các thông số nhận được tại áp lực tác động giữa
những bước tải trọng không thể xác định bằng thí nghiệm thông thường. Sự thể hiện kết quả
thí nghiệm yêu cầu nhiều nỗ lực hơn cho thí nghiệm nén cố kết chuẩn, do bởi một số lượng
lớn các thông số đo được và sự khác nhau trong kỹ thuật phân tích những điều kiện tải trọng
và thoát nước khác nhau.
Đối với đất sét cứng, biểu đồ u-log (p’) nhận được từ thí nghiệm CRS đưa ra một sự
biểu thị rõ ràng của áp lực tiền cố kết. Ngược lại, thí nghiệm thông thường trên mẫu sét như
thế thường cho kết quả khá phẳng trên đường e-log (p’) và sự ước lượng áp lực tiền cố kết thì
không chắc chắn lắm.
Chính vì vậy, quá trình thí nghiệm biến dạng không đổi (CRS) thực hiện với dụng cụ
hộp thấm Rowe là có thể dễ dạng thực hiện. Thí nghiệm này mang lại nhiều ưu điểm hơn thí
nghiệm tăng tải thông thường. Thời gian yêu cầu cho thí nghiệm CRS ngắn hơn đáng kể với
thí nghiệm thông thường, và kết quả thí nghiệm có thể trình bày liên tục. Quan trọng hơn, quá