Tìm hiểu về thí nghiệm nén 3 trục và ứng dụng

Giới thiệu về thí nghiệm nén 3 trục và các mô hình của thí nghiệm

✅Nén 3 trục thuộc nhóm các thí nghiệm đặc biệt dành cho đất yếu. Vì vậy, khi khảo sát về, nếu không yêu cầu thì phòng thí nghiệm sẽ không thực hiện thí nghiệm này. Chúng ta cần lưu ý vấn đề này.

Về mục đích sử dụng, nếu tuyến cần xử lý bằng các biện pháp thoát nước thẳng đứng như giếng cát hoặc bấc thấm thì mới cần, còn lại các biện pháp xử lý khác thì không cần. Tuy nhiên, tại thời điểm khảo sát thì mình cũng không thể biết chắc công trình sau này có dùng thoát nước thẳng đứng hay không,vì vậy tốt nhất là đề cương khảo sát cứ đưa vào, thừa còn hơn thiếu. 

Thí nghiệm này cũng không cần làm quá nhiều như nén cố kết hoặc cắt cánh. Số lượng mẫu làm thí nghiệm này chỉ cần 5% tổng số mẫu thí nghiệm là được.

Cách thưc hiện của thí nghiệm này gồm có 2 bước chính

🔸Bước 1: Mẫu sẽ được chế bị hình trụ, bọc ni lông và đưa vào buồng thí nghiệm có chứa nước. Sau đó, người ta sẽ tăng áp lực lên mẫu bằng cách tăng áp lực thủy tính để mô phỏng lại áp lực hiện trường σvz của đất.

🔸Bước 2: Tăng tải trọng phía trên lên cho đến khi mẫu bị phá hủy, mô phỏng tải trọng gây ra do nền đắp σz.

✅Nén 3 trục có 3 mô hình, sự khác nhau giữa các mô hình do việc điều khiển đóng,mở van thoát nước dưới đáy mẫu

🔸CU - Consolidation Undrained: Van thoát nước MỞ ở bước 1 để mẫu được thoát nước và cố kết.  Van thoát nước ĐÓNG ở Bước 2 không cho mẫu cố kết dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng.

🔸UU - Unconsolidation Undrained: Van thoát nước ĐÓNG ở cả 2 bước.

🔸CD: Consolidation Drained: Van thoát nước MỞ ở cả 2 bước 

👉CD là mô hình hiếm gặp và ở Việt Nam cũng không las nào làm cả, nên mình bỏ qua, chỉ nói về 2 mô hình là CU và UU.

Thí nghiệm nén 3 trục theo sơ đồ CU

1 mẫu thí nghiệm để nén 3 trục CU sẽ được chia thành 3 mẫu con (mẫu 1, mẫu 2, mẫu 3), mỗi mẫu được thí nghiệm với áp lực nước thủy tĩnh (σ₃)  khác nhau và tăng dần. Trong hình ví dụ, mình đang giả sử là 5 T/m², 8 T/m² và 10 T/m². 

🔔Van thoát nước phía dưới được MỞ trong quá trình chịu áp lực thủy tĩnh

Sau đó, ở mỗi mẫu, tăng dần tải trọng thẳng đứng (σ₁) phía trên lên đến khi mẫu phá hủy thì tải trọng thẳng đứng để phá hủy các mẫu 1, 2, 3 là: 9 T/m², 12 T/m², 14 T/m².

🔔Van thoát nước phía dưới được ĐÓNG trong quá trình tăng tải để phá hủy mẫu

👉Ta thấy như sau: 

🔸Mẫu 1 cần tăng σ₁ - σ₃ =11 - 5 = 6T/m² để phá hủy

🔸Mẫu 2 cần tăng σ₁ - σ₃ = 15 - 8 = 7T/m² để phá hủy

🔸Mẫu 3 cần tăng σ₁ - σ₃ = 18 - 10 = 8T/m² để phá hủy

Tại sao lại có sự khác nhau này?

👉Lý do là khi chịu áp lực thủy tĩnh, với mô hình CU thì van thoát nước được mở  => mẫu cố kết dưới tác dụng của áp lực thủy tĩnh nên sức chịu tải tăng lên

Áp lực thủy tĩnh càng lớn thì mẫu cố kết càng nhiều, dẫn đến các mẫu có sức chịu tải tăng dần theo thứ tự 1, 2, 3. Do đó, cần lực tăng lên nhiều hơn (σ₁ - σ₃) để phá hủy.

👉Mục đích của thí nghiệm này là để mô phỏng lại quá trình nền đất yếu được cố kết tại các thời điểm khác nhau, ví dụ, mẫu 1 tương ứng với nền sau 1 năm, mẫu 2 là sau 3 năm và mẫu 3 là nền sau 5 năm. 

Thời gian càng lâu thì nền được cố kết càng nhiều và sức chịu tải tăng lên càng nhiều.

Bây giờ vẽ một hệ trục tọa độ có trục hoành là trục ứng suất và thực hiện các bước

🔸Lần lượt đưa các giá trị  σ1 và  σ3 của 3 mẫu 1, 2, 3 lên.

🔸Với mỗi mẫu vẽ một vòng tròn với đường kính bằng σ1 - σ3.

👉Như vậy ta được 3 vòng tròn với đường kính lớn dần. Vẽ một đường tiếp tuyến với 3 vòng tròn này. Góc tạo bởi đường tiếp tuyến đó với phương ngang chính là góc φ_CU. Thông số m = tan φ_CU đặc trưng cho tốc độ tăng sức chịu tải của lớp đất đang xét trong quá trình cố kết.

Thí nghiệm nén 3 trục theo sơ đồ UU

Tương tự như mô hình CU, với mô hình UU thì 1 mẫu thí nghiệm được chia thành 3 mẫu con (mẫu 1, mẫu 2, mẫu 3), mỗi mẫu được thí nghiệm với áp lực nước thủy tĩnh (σ₃)  khác nhau và tăng dần. Trong hình ví dụ , mình đang giả sử là 5 T/m², 8 T/m² và 10 T/m². 

🔔Van thoát nước phía dưới được ĐÓNG trong quá trình chịu áp lực thủy tính

Sau đó, ở mỗi mẫu, tăng dần tải trọng thẳng đứng (σ₁) phía trên lên đến khi mẫu bị phá hủy, thì tải trọng thẳng đứng để phá hủy các mẫu 1, 2, 3 là: 9 T/m², 12 T/m², 14 T/m². 

🔔Van thoát nước phía dưới được ĐÓNG trong quá trình tăng tải 

Ta thấy như sau: 

🔸Mẫu 1 cần tăng σ1 - σ3 =9 - 5 = 4T/m2 để phá hủy

🔸Mẫu 2 cần tăng σ1 - σ3 = 12 - 8 = 4T/m2 để phá hủy

🔸Mẫu 3 cần tăng σ1 - σ3 = 14 - 10 = 4T/m2 để phá hủy

Tại sao với mô hình UU, ứng suất tăng lên để phá hủy là như nhau?

👉Lý do là khi chịu áp lực thủy tĩnh, với mô hình UU thì van thoát nước luôn đóng => nước không thoát ra được => mẫu KHÔNG được cố kết dưới tác dụng của áp lực thủy tĩnh, nên với 3 mẫu ở 3 áp lực thủy tĩnh khác nhau, sức chịu tải của mẫu vẫn không đổi.

👉Mục đích của thí nghiệm này là mô phỏng lại quá trình nền đất yếu bị phá hủy ngay trong quá trình đắp, khi mà đất chưa được cố kết. 

Bây giờ vẽ một hệ trục tọa độ có trục hoành là trục ứng suất và thực hiện các bước sau:

🔸Lần lượt đưa các giá trị σ1 và σ3 của 3 mẫu 1, 2, 3 lên.

🔸Với mỗi mẫu vẽ một vòng tròn với đường kính bằng σ1 - σ3 .

👉Như vậy ta được 3 vòng tròn với đường kính bằng nhau. Vẽ một đường tiếp tuyến với 3 vòng tròn này. Đường này sẽ gần như nằm ngang, vị trí giao cắt của đường này với trục tung chính là giá trị lực dính của đất. Hay nói cách khác, giá trị lực dính (c) lấy ra từ thí nghiệm này sẽ xấp xỉ (σ₁ - σ₃)/2. Theo ví dụ trên, c = 2 T/m².

Lực dính C lấy từ thí nghiệm này chính là lực dính c ban đầu của lớp đất yếu, được sử dụng để đưa vào mô hình kiểm toán ổn định trượt geoslope. Khi mô hình trong geoslope sử dụng mô hình Undrained (khai báo c khác 0 và φ = 0), lý do dùng mô hình Undrained là vì lực dính c này xác định được khi phá hủy đất mà mẫu không được thoát nước và không được cố kết.

Kinh nghiệm 

Nén 3 trục UU có mô hình thí nghiệm giống như cắt cánh hiện trường (đều phá hủy đất khi đất không được cố kết), nên trong trường hợp không có cắt cánh hiện trường thì có thể dùng UU để thay thế. Tuy nhiên, không khuyến khích điều này vì cắt cánh hiện trường có độ chính xác cao hơn nén 3 trục rất nhiều vì không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khách quan.

Trong trường hợp không có cắt cánh và không có nén 3 trục UU. Thì lấy giá trị cắt phẳng để đưa vào kiểm toán geoslope, lúc này dùng mô hình Mohr-Coulomb (khai báo cả c và φ) để kiểm toán. Đây là trường hợp có độ tin cậy thấp nhất vì dùng cắt phẳng thí nghiệm đất yếu  sẽ không chính xác do đã quy định trước mặt phá hủy cho mẫu đất mà thực tế thì đất yếu không bị phá hủy như vậy.

Trong trường hợp xử lý bằng giếng cát và bấc thấm mà không có nén 3 trục CU. Có thể lấy góc φCU = 15 độ để làm cơ sở tính độ tăng sức chịu tải của các lớp đất yếu trong quá trình cố kết

Bài viết phản ánh quan điểm kỹ thuật của tác giả tại thời điểm biên soạn và sẽ được cập nhật, hiệu chỉnh theo quá trình tích lũy thêm kiến thức và kinh nghiệm thực tế.