Chương 3 – Thí nghiệm trong phòng

\begin{aligned} \end{aligned}

3-1 GIỚI THIỆU.

3-1.1 Phạm vi.

Chương này trình bày các thí nghiệm trong phòng thông dụng được sử dụng trong thực hành ngành địa kỹ thuật. Chương này được biên soạn với giả định rằng người đọc sẽ không trực tiếp thực hiện các thí nghiệm, mà sẽ thuê một phòng thí nghiệm thương mại để thực hiện các thí nghiệm đó. Nội dung thảo luận xem xét các loại thí nghiệm có thể được thực hiện đối với từng thông số kỹ thuật khác nhau, cũng như các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến giá trị thu được.

3-1.2 Sự Phát Triển Của Các Quy Trình Thí Nghiệm Trong Phòng

Công tác thí nghiệm địa kỹ thuật trong phòng bắt đầu từ đầu thế kỷ trước. Các thiết bị và quy trình thí nghiệm được phát triển bởi nhiều tổ chức khác nhau. Một số thí nghiệm chỉ tiêu (index test) dùng trong thực hành ngành địa kỹ thuật vốn ban đầu được sử dụng trong khoa học đất và nông học. Nhiều thí nghiệm nén và cường độ ban đầu được phát triển bởi các trường đại học tại Hoa Kỳ và Châu Âu. Một nghiên cứu quan trọng thời kỳ đầu được công bố năm 1946 với tựa đề “The Use of the Triaxial Test in Engineering Practice” (Việc Sử Dụng Thí Nghiệm Ba Trục Trong Thực Hành Kỹ Thuật), là báo cáo tổng kết cho một nghiên cứu kéo dài 10 năm do Công Binh Lục Quân Hoa Kỳ (Corps of Engineers) tài trợ. Trong nghiên cứu này, các Giáo sư Arthur Casagrande của Đại học Harvard, Don Taylor của MIT, và P. Rutledge của Đại học Northwestern đã xây dựng nên các nhóm thí nghiệm ba trục chính đối với đất, vốn vẫn còn được sử dụng cho đến ngày nay.

Trong 40 năm tiếp theo, các quy trình và tiêu chuẩn thí nghiệm được phát triển bởi các tổ chức tham gia thi công đập và đường cao tốc. Cục Cải Tạo Đất Hoa Kỳ (U.S. Bureau of Reclamation) lần đầu công bố tài liệu Earth Manual (Cẩm Nang Về Đất) vào năm 1951, và các phiên bản mới hơn tiếp tục được phát hành trong những năm sau đó. Công Binh Lục Quân Hoa Kỳ (U.S. Army Corps of Engineers) đã xây dựng tài liệu EM 1110-2-1906 Laboratory Soils Testing (Thí Nghiệm Đất Trong Phòng), trong đó trình bày các quy trình thực hiện và trình bày kết quả của nhiều loại thí nghiệm địa kỹ thuật. AASHTO đã công bố hơn ba mươi phiên bản của tài liệu Standard Specifications for Transportation Materials and Methods of Sampling and Testing (Tiêu Chuẩn Kỹ Thuật Về Vật Liệu Giao Thông và Phương Pháp Lấy Mẫu, Thí Nghiệm), trong đó bao gồm nhiều thí nghiệm địa kỹ thuật. Ngoài ra, một số sở giao thông vận tải tiểu bang cũng đã xây dựng các tiêu chuẩn thí nghiệm riêng của mình. Quy trình thí nghiệm của tất cả các tổ chức này đã dần hội tụ về các quy trình được chuẩn hóa bởi ASTM International.

ASTM ban đầu được đặt tên là American Society of Testing Materials (Hiệp Hội Thí Nghiệm Vật Liệu Hoa Kỳ) vào năm 1902, và các tiêu chuẩn đầu tiên tập trung vào các thí nghiệm liên quan đến ngành đường sắt. Tổ chức này sau đó đã mở rộng để quản lý các tiêu chuẩn thí nghiệm cho nhiều loại vật liệu kỹ thuật và sản phẩm tiêu dùng khác. ASTM đã hoạt động rất tích cực trong việc xây dựng các tiêu chuẩn thí nghiệm đất và đá, và các tiêu chuẩn này đã được áp dụng rộng rãi trong thực hành ngành địa kỹ thuật tại Hoa Kỳ cũng như trên phạm vi quốc tế. Ủy ban D18 phụ trách giám sát các tiêu chuẩn thí nghiệm đất và đá, cùng với hàng chục tiểu ban phụ trách nhiều lĩnh vực chuyên biệt khác nhau trong thí nghiệm. Tên tổ chức sau đó được đổi thành ASTM International nhằm phản ánh việc các tiêu chuẩn thí nghiệm được sử dụng trên phạm vi quốc tế chứ không chỉ riêng tại Hoa Kỳ. ASTM International cung cấp các tiêu chuẩn cho hàng trăm thí nghiệm đất và đá, và các tiêu chuẩn này đã được hầu hết các tổ chức từng tự xây dựng tiêu chuẩn riêng của mình chấp nhận áp dụng.

Các tiêu chuẩn ASTM cho thí nghiệm đất và đá thường bắt đầu bằng chữ “C” hoặc “D” theo sau là một số có ba hoặc bốn chữ số. Trong thực hành ngành địa kỹ thuật, các kỹ sư thường gọi tên các thí nghiệm cụ thể theo số hiệu ASTM thay vì theo tên thí nghiệm. Ví dụ, các kỹ sư thường nói “ASTM D698” thay vì nói “thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn Proctor” (standard Proctor compaction test). Chữ cái và số hiệu thí nghiệm còn được theo sau bởi một dấu gạch ngang và một số có hai chữ số, thể hiện năm mà tiêu chuẩn được ban hành hoặc được rà soát lần gần nhất. Ví dụ, ASTM D698-12 cho biết tiêu chuẩn này được phê duyệt lần gần nhất vào năm 2012. Trong tài liệu này, phần ngày tháng của số hiệu tiêu chuẩn ASTM được lược bỏ vì các số liệu này sẽ thay đổi trong suốt thời gian sử dụng của tài liệu.

Các tiêu chuẩn ASTM không cố định theo thời gian. Mỗi tiêu chuẩn được rà soát định kỳ 5 năm một lần. Trong quá trình rà soát, tiêu chuẩn có thể được tái phê duyệt, sửa đổi, hoặc bãi bỏ. Những cá nhân đang trực tiếp tham gia công tác thí nghiệm đất và đá cần đảm bảo rằng các thí nghiệm được thực hiện theo phiên bản tiêu chuẩn được phê duyệt gần nhất.

3-1.3 Chứng Nhận Phòng Thí Nghiệm

Các quy định kỹ thuật và hướng dẫn cho thí nghiệm trong phòng thường khá phức tạp. Cần đầu tư đáng kể về thời gian và chi phí để một phòng thí nghiệm có thể thực hiện nhiều thí nghiệm địa kỹ thuật một cách đủ năng lực và thu được kết quả đáng tin cậy, có thể lặp lại. Đối với một kỹ sư, thường rất khó để đánh giá năng lực của một phòng thí nghiệm trong việc thực hiện các thí nghiệm chất lượng cao nếu không thực hiện đánh giá về hiệu quả hoạt động trước đây của phòng thí nghiệm đó. Có hai tổ chức thực hiện đánh giá định kỳ về khả năng thực hiện thí nghiệm theo tiêu chuẩn của phòng thí nghiệm đạt mức năng lực tối thiểu.

Trung Tâm Thí Nghiệm Vật Liệu (Materials Testing Center — MTC) thuộc Công Binh Lục Quân Hoa Kỳ (U.S. Army Corps of Engineers) tiến hành kiểm tra các phòng thí nghiệm và xác nhận khả năng thực hiện các thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM của các phòng thí nghiệm này. Họ kiểm tra xem phòng thí nghiệm có sổ tay chất lượng (quality manual), kỹ thuật viên đã được chứng nhận, thiết bị hoạt động tốt, và quy trình hiệu chuẩn hay không. Việc kiểm tra được thực hiện đối với từng thí nghiệm cụ thể, và MTC duy trì một danh sách trực tuyến các phòng thí nghiệm đã được xác nhận cùng với các thí nghiệm mà các phòng thí nghiệm đó có khả năng thực hiện.

AASHTO cũng có một chương trình công nhận phòng thí nghiệm. Tổ chức này thực hiện đánh giá tại chỗ về năng lực của phòng thí nghiệm trong việc thực hiện các thí nghiệm theo tiêu chuẩn AASHTO và ASTM. Phòng thí nghiệm phải trình diễn thực hiện các thí nghiệm cụ thể trên các thiết bị sẽ được sử dụng để thực hiện thí nghiệm đó. AASHTO cũng xem xét chương trình quản lý chất lượng, đào tạo kỹ thuật viên, và quy trình hiệu chuẩn của phòng thí nghiệm. AASHTO duy trì một danh sách trực tuyến các phòng thí nghiệm đã được công nhận.

Khi có kế hoạch thuê một đơn vị thí nghiệm tư nhân để thực hiện thí nghiệm cho một dự án, nên xem xét kỹ tình trạng xác nhận hoặc công nhận của phòng thí nghiệm dự kiến đối với các thí nghiệm cụ thể sẽ được thực hiện. Ngay cả khi một phòng thí nghiệm đã được xác nhận, vẫn cần thiết phải xem xét cẩn thận kết quả thí nghiệm để đảm bảo rằng các thí nghiệm đã được thực hiện đúng cách và kết quả thí nghiệm là hợp lý.

3-2 THÍ NGHIỆM ĐẤT TRONG PHÒNG

Có hàng trăm thí nghiệm được chuẩn hóa theo ASTM được sử dụng trong kỹ thuật địa kỹ thuật. Một phần nhỏ trong số đó, khoảng 40 thí nghiệm, thường xuyên được sử dụng trong thực hành ngành địa kỹ thuật. Trong nội dung thảo luận tiếp theo, các thí nghiệm sẽ được phân loại thành: (1) thí nghiệm phân loại đất cơ bản (index test), (2) thí nghiệm cường độ, (3) thí nghiệm nén, (4) thí nghiệm động, và (5) thí nghiệm thấm.

3-2.1 Lựa Chọn Mẫu

Mẫu đất thường được phân loại thành mẫu xáo trộn (disturbed) hoặc mẫu “nguyên trạng” (undisturbed). Như đã trình bày trong Chương 2, mẫu xáo trộn có thể thu được bằng ống mẫu đóng (drive sampler), mùn khoan sinh ra bởi máy khoan xoắn ruột gà (auger), vật liệu đào từ hố thí nghiệm (test pit), v.v. Mẫu “nguyên trạng” hay mẫu nguyên khối (intact) là các mẫu thu được bằng ống mẫu thành mỏng (thin-walled sampler) hoặc mẫu khối đào (excavated block sample).

Mẫu nhào lại (remolded) là một dạng mẫu xáo trộn, và thuật ngữ này thường được dùng riêng cho đất hạt mịn. Đất sét có thể được nhào lại bằng cách trộn với bay hoặc dụng cụ khuấy khác ở độ ẩm cao. Mẫu nhào lại đã mất đi cấu trúc của vật liệu gốc. Mẫu tái tạo (reconstituted) cũng là một dạng mẫu xáo trộn, và thuật ngữ này thường được dùng riêng cho đất hạt thô. Mẫu đầm nén (compacted), có thể được tạo thành từ cả đất hạt mịn lẫn đất hạt thô, cũng có thể được xem là mẫu xáo trộn.

Khối lượng vật liệu cần thiết để thực hiện một thí nghiệm cụ thể có thể thay đổi rất nhiều. Có thể cần hơn 100 pound đất cho thí nghiệm đầm nén (ASTM D698 hoặc ASTM D1557), trong khi chỉ cần vài ounce đất cho thí nghiệm cắt vòng (ring shear test) (ASTM D6467). Các quy trình thí nghiệm ASTM riêng lẻ thường quy định rõ khối lượng vật liệu cần thiết cho một chuỗi thí nghiệm. Bảng 3-1 tổng hợp khối lượng vật liệu cần thiết cho các thí nghiệm đất thông dụng.

Theo nguyên tắc chung, đất hạt mịn không nên bị để khô trước khi thí nghiệm, trừ khi quy trình thí nghiệm yêu cầu cụ thể phải sấy khô mẫu. Đặc biệt, việc sấy khô đất hạt mịn bằng lò sấy (oven drying) có thể gây ra những thay đổi không thể phục hồi về tính chất cơ học của đất. Các phương pháp bảo quản mẫu đất đúng cách được trình bày trong ASTM D3213 (Standard Practices for Handling, Storing, and Preparing Soft Intact Marine Soil — Quy Trình Chuẩn Về Xử Lý, Bảo Quản, và Chuẩn Bị Đất Biển Nguyên Khối, Mềm Yếu) và ASTM D4220 (Standard Practices for Preserving and Transporting Soil Samples — Quy Trình Chuẩn Về Bảo Quản và Vận Chuyển Mẫu Đất).

Bảng 3-1. Lượng đất cần thiết cho các thí nghiệm ASTM thông dụng

\(\\\)

Các thí nghiệm được thực hiện để xác định các thông số cường độ hoặc khả năng nén lún quan trọng đối với điều kiện đất tại chỗ (in situ) đòi hỏi mẫu nguyên khối hoặc mẫu nguyên trạng chất lượng cao. Việc chụp X-quang mẫu đất khi vẫn còn trong ống mẫu (trước khi ép mẫu ra ngoài) để lựa chọn phần mẫu tốt nhất cho các thí nghiệm cụ thể đã trở thành một thông lệ phổ biến. ASTM D4452 (Standard Practice for X-Ray Radiography of Soil Samples — Quy Trình Chuẩn Về Chụp X-Quang Mẫu Đất) cung cấp hướng dẫn về việc chụp X-quang mẫu đất.

3-2.2 Thí Nghiệm Phân Loại Đất Cơ Bản

Các chỉ tiêu phân loại (index property) được dùng để phân loại đất và nhóm đất thành các tầng địa chất chính. Nhìn chung, các loại đất có chỉ tiêu phân loại tương tự nhau thường có ứng xử tương tự nhau, do đó các chỉ tiêu phân loại thường được sử dụng trong các tương quan thực nghiệm. Thí nghiệm phân loại đất cơ bản thường có chi phí rẻ hơn nhiều so với các loại thí nghiệm khác, do đó chúng được thực hiện với số lượng nhiều hơn so với các thí nghiệm phức tạp hơn. Thí nghiệm phân loại đất cơ bản có thể được thực hiện trên cả mẫu xáo trộn lẫn mẫu nguyên khối. Tuy nhiên, nên dành các mẫu nguyên khối cho các thí nghiệm yêu cầu bắt buộc phải dùng loại mẫu này, và sử dụng mẫu xáo trộn cho các thí nghiệm phân loại đất cơ bản. Một trong những thí nghiệm phân loại đất cơ bản đơn giản và rẻ tiền nhất là ASTM D2216 (Standard Test Methods for Laboratory Determination of Water (Moisture) Content of Soil and Rock by Mass — Phương Pháp Thí Nghiệm Chuẩn Xác Định Độ Ẩm Của Đất và Đá Trong Phòng Theo Khối Lượng). Thí nghiệm này chỉ cần một mẫu tương đối nhỏ, và nên thực hiện thí nghiệm này trên mọi mẫu xáo trộn được lấy, đặc biệt là đối với đất hạt mịn. Có thể thu được thông tin kỹ thuật quan trọng từ biểu đồ độ ẩm theo độ sâu.

Các thí nghiệm phân loại đất cơ bản khác cũng rất cần thiết để có được các thông số cần cho việc phân loại đất. Như đã trình bày trong Chương 1, hệ thống phân loại thông dụng nhất được sử dụng trong thực hành ngành địa kỹ thuật tại Hoa Kỳ là ASTM D2487 (Standard Practice for Classification of Soils for Engineering Purposes (Unified Soil Classification System) — Quy Trình Chuẩn Về Phân Loại Đất Cho Mục Đích Kỹ Thuật (Hệ Thống Phân Loại Đất Thống Nhất)). Để phân loại đúng đất hạt mịn và đất hạt thô, cần thực hiện ASTM D4318 (Standard Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of Soils — Phương Pháp Thí Nghiệm Chuẩn Xác Định Giới Hạn Chảy, Giới Hạn Dẻo, và Chỉ Số Dẻo Của Đất) và ASTM D6913 (Standard Test Methods for Particle-Size Distribution (Gradation) of Soils Using Sieve Analysis — Phương Pháp Thí Nghiệm Chuẩn Xác Định Thành Phần Hạt (Cấp Phối) Của Đất Bằng Phân Tích Sàng). Việc xác định giới hạn Atterberg (Atterberg limits) cho đất hạt mịn (ASTM D4318) đặc biệt quan trọng vì các giới hạn này được sử dụng trong nhiều tương quan đã được xây dựng cho cường độ và các tính chất nén lún. Các thông số từ đường cong cấp phối hạt (ASTM D6913) thường được sử dụng trong các tương quan với tính chất dòng chảy chất lỏng của đất hạt rời (granular soils).

Thí nghiệm phân loại đất cơ bản cung cấp thông tin cần thiết để tính toán các thông số quan hệ pha (phase relationship), vốn được dùng để mô tả đặc tính khối lượng thể tích (density) và điều kiện độ bão hòa (saturation condition) của đất ở nhiều khía cạnh khác nhau. Các thông số quan hệ pha là thành phần quan trọng trong hầu hết các thí nghiệm đất. Bảng 3-2 tổng hợp cách tính toán quan hệ pha cho đất và đá.

Một số thí nghiệm phân loại đất cơ bản là bắt buộc cho các mục đích cụ thể. Ví dụ, tỷ trọng riêng của đất (specific gravity of soils) (ASTM D854 – Standard Test Methods for Specific Gravity of Soil Solids by Water Pycnometer — Phương Pháp Thí Nghiệm Chuẩn Xác Định Tỷ Trọng Riêng Của Hạt Rắn Trong Đất Bằng Bình Tỷ Trọng Nước) là cần thiết để tính hệ số rỗng (void ratio) và độ rỗng (porosity) của đất hoặc đá. Thông số này cũng cần thiết trong quy trình xử lý số liệu của thí nghiệm tỷ trọng kế (hydrometer test) (ASTM D7928 Standard Test Method for Particle-Size Distribution (Gradation) of Fine-Grained Soils Using the Sedimentation (Hydrometer) Analysis — Phương Pháp Thí Nghiệm Chuẩn Xác Định Thành Phần Hạt (Cấp Phối) Của Đất Hạt Mịn Bằng Phân Tích Lắng Đọng (Tỷ Trọng Kế)).

Bảng 3-2 — Tóm tắt các phép tính quan hệ pha

\(\\\)

\(\\\)

Một số phòng thí nghiệm thương mại có thể tính gộp chi phí thực hiện một số thí nghiệm chỉ tiêu phân loại đất cơ bản vào chi phí của các thí nghiệm phức tạp hơn về cường độ và tính nén lún.

Ví dụ, phòng thí nghiệm có thể tự động thực hiện thí nghiệm tỷ trọng hạt đất (ASTM D854) như một phần của thí nghiệm cố kết (ASTM D2435 – Phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn xác định các đặc tính cố kết một chiều của đất bằng gia tải từng cấp). Thí nghiệm hàm lượng nước (ASTM D2216) thường cũng được tự động thực hiện trong nhiều thí nghiệm khác.

Có một thí nghiệm riêng để đo dung trọng của đất (ASTM D7263 – Phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn xác định khối lượng riêng trong phòng thí nghiệm [dung trọng] của mẫu đất), nhưng việc xác định dung trọng thường là sản phẩm phụ của hầu hết các thí nghiệm cường độ và tính nén lún trên mẫu đất nguyên dạng.

Bảng 3-3 trình bày danh sách các thí nghiệm ASTM thông dụng về chỉ tiêu phân loại đất cơ bản hiện có và các thông số tương ứng được xác định.

Bảng 3-3 Các thí nghiệm xác định các chỉ tiêu phân loại đất cơ bản
và các thông số kỹ thuật thu được

\(\\\)

3-2.3 Các thí nghiệm đầm nén

Có hai loại thí nghiệm đầm nén dùng để xác định các đặc trưng đầm nén của đất.

Đối với đất có hàm lượng hạt mịn lớn hơn 15%, thí nghiệm đầm nén bằng va đập là phù hợp nhất. Thí nghiệm đầm nén bằng va đập cung cấp đường cong đầm nén của đất, từ đó xác định khối lượng riêng khô lớn nhất \((\gamma_{d-max})\) và hàm lượng nước tối ưu \((w_{opt})\). Khối lượng riêng của đất sau khi đầm nén có thể được đặc trưng bằng độ đầm nén tương đối \((RC)\). Độ đầm nén tương đối được định nghĩa như sau:

\[
RC=\frac{\gamma_d}{\gamma_{d-max}}\cdot\text{100%} \tag{3-1}
\]

trong đó:
\(\qquad \gamma_d =\) khối lượng thể tích khô (dry density) của đất cần xác định đặc tính, và
\(\qquad \gamma_{d-max} =\) khối lượng thể tích khô lớn nhất từ đường cong đầm nén (compaction curve) ứng với một công đầm nén cụ thể.

Đối với đất có hàm lượng hạt mịn (fines) nhỏ hơn 15%, đặc tính khối lượng thể tích của đất có thể được mô tả bằng độ chặt tương đối (relative density, \(D_r\)). Độ chặt tương đối được định nghĩa như sau:

\[
D_r=\frac{e_{max}-e}{e_{max}-e_{min}}\cdot\text{100%}
=\frac{\gamma_{d-max}}{\gamma_d}
\left[
\frac{\gamma_d-\gamma_{d-min}}{\gamma_{d-max}-\gamma_{d-min}}
\right]\cdot\text{100%} \tag{3-2}
\]

trong đó:
\(\qquad e =\) hệ số rỗng (void ratio) của đất cần xác định đặc tính,
\(\qquad e_{max} =\) hệ số rỗng lớn nhất (maximum index void ratio),
\(\qquad e_{min} =\) hệ số rỗng nhỏ nhất (minimum index void ratio),
\(\qquad \gamma_d =\) khối lượng thể tích khô của đất cần xác định đặc tính (tương ứng với e),
\(\qquad \gamma_{d-max} =\) khối lượng thể tích khô lớn nhất (maximum index dry density) (tương ứng với e_min), và
\(\qquad \gamma_{d-min} =\) khối lượng thể tích khô nhỏ nhất (minimum index dry density) (tương ứng với e_max).

Đất ở trạng thái rời rạc nhất có độ chặt tương đối bằng 0%, và đất ở trạng thái chặt nhất có độ chặt tương đối bằng 100%. Đối với các loại đất này, cần thực hiện thí nghiệm để xác định hệ số rỗng lớn nhất, hệ số rỗng nhỏ nhất, và khối lượng thể tích khô tương ứng. Các thí nghiệm này không phải là “thí nghiệm đầm nén” theo đúng nghĩa chặt chẽ của thuật ngữ này, mà là các giá trị tương ứng với trạng thái rời rạc nhất và chặt nhất của đất. Khối lượng thể tích khô lớn nhất được sử dụng trong tính toán độ chặt tương đối không nhất thiết phải giống với giá trị thu được từ ASTM D1557 được mô tả bên dưới.

3-2.3.1 Thí Nghiệm Đầm Nén Bằng Va Đập

ASTM D698 (Standard Test Methods for Laboratory Compaction Characteristics of Soil Using Standard Effort (12,400 ft-lbf/ft³) — Phương Pháp Thí Nghiệm Chuẩn Xác Định Đặc Tính Đầm Nén Của Đất Trong Phòng Bằng Công Đầm Nén Tiêu Chuẩn) và ASTM D1557 (Standard Test Methods for Laboratory Compaction Characteristics of Soil Using Modified Effort (56,000 ft-lbf/ft³) — Phương Pháp Thí Nghiệm Chuẩn Xác Định Đặc Tính Đầm Nén Của Đất Trong Phòng Bằng Công Đầm Nén Cải Tiến). Hai thí nghiệm này khác nhau ở mức công đầm nén được tác dụng để đầm chặt đất. Các tiêu chuẩn ASTM cung cấp quy trình thí nghiệm cho khuôn đầm nén có đường kính 4 inch và 6 inch. Theo đúng quy định kỹ thuật, cả hai thí nghiệm đầm nén bằng va đập này chỉ nên áp dụng cho đất có lượng hạt giữ lại trên sàng 3/4-inch không vượt quá 30%, mặc dù vẫn có các hệ số hiệu chỉnh cho vật liệu có lượng hạt giữ lại trên sàng 3/4-inch lên đến 70%. Tuy nhiên, nếu cần kết quả thí nghiệm đầm nén bằng va đập cho vật liệu có cỡ hạt lớn hơn, thì đường kính khuôn và khối lượng búa đầm cần được tăng theo tỷ lệ tương ứng để giữ nguyên công đầm nén.

3-2.3.2 Xác Định Khối Lượng Thể Tích Lớn Nhất/Nhỏ Nhất (Index Density Determination).

Đối với đất có hàm lượng hạt mịn nhỏ hơn 15%, có các thí nghiệm riêng biệt có thể được thực hiện để xác định khối lượng thể tích lớn nhất và nhỏ nhất, để từ đó có thể mô tả đặc tính của đất theo độ chặt tương đối. ASTM D4254 (Standard Test Methods for Minimum Index Density and Unit Weight of Soils and Calculation of Relative Density — Phương Pháp Thí Nghiệm Chuẩn Xác Định Khối Lượng Thể Tích Nhỏ Nhất và Trọng Lượng Đơn Vị Của Đất, và Tính Toán Độ Chặt Tương Đối) cung cấp ba phương pháp để xác định \(e_{max}\) và \(\gamma_{d-min}\) tùy theo cỡ hạt của đất được thí nghiệm. Các phương pháp này áp dụng cho đất có cỡ hạt lớn nhất là 3 inch hoặc nhỏ hơn. ASTM D4253 (Test Methods for Maximum Index Density and Unit Weight of Soil Using a Vibratory Table — Phương Pháp Thí Nghiệm Xác Định Khối Lượng Thể Tích Lớn Nhất và Trọng Lượng Đơn Vị Của Đất Bằng Bàn Rung) được dùng để xác định \(e_{min}\) và \(\gamma_{d-max}\).³ Thiết bị dùng để thực hiện thí nghiệm này có chi phí cao và nhiều phòng thí nghiệm thương mại không có khả năng thực hiện thí nghiệm này.

³ Một số kỹ sư sử dụng khối lượng thể tích khô thu được từ ASTM D4253 để tính toán độ chặt đầm nén tương đối (relative compaction) cho một lớp đất, theo cách tương tự như khi sử dụng khối lượng thể tích khô lớn nhất từ thí nghiệm đầm nén bằng va đập.

3-2.4 Các thí nghiệm cường độ

Có nhiều loại thí nghiệm cường độ có tiêu chuẩn ASTM, dùng để xác định cả các thông số cường độ thoát nước ứng với ứng suất hữu hiệu và các thông số cường độ không thoát nước ứng với ứng suất tổng.

Các thông số cường độ cắt thoát nước phổ biến nhất là lực dính theo ứng suất hữu hiệu \((c’)\) và góc ma sát theo ứng suất hữu hiệu \((\phi’)\). Các thông số cường độ cắt theo ứng suất tổng là \(s_u\) — cường độ cắt không thoát nước đối với đất bão hòa, ứng với đường bao phá hoại có \(\phi = 0\) — và lực dính theo ứng suất tổng \((c)\) cùng góc ma sát theo ứng suất tổng \((\phi)\) đối với đất bão hòa một phần.

Các thông số cường độ cắt nêu trên áp dụng cho các đường bao phá hoại tuyến tính. Đối với nhiều thí nghiệm cường độ, cũng có thể xác định các thông số cho đường bao phá hoại phi tuyến.

Các thông số cường độ cắt thường cần được xác định cho mẫu không xáo động hoặc mẫu nguyên dạng, mẫu đầm nén, mẫu nhào trộn và mẫu tái tạo. Các thí nghiệm cường độ khác nhau sẽ được đánh giá dựa trên khả năng áp dụng cho các loại mẫu thí nghiệm khác nhau. Bảng 3-4 liệt kê các thí nghiệm cường độ ASTM và các thông số thu được.

3-2.4.1 Các thí nghiệm cường độ thoát nước hoặc cường độ theo ứng suất hữu hiệu

Các tiêu chuẩn ASTM khuyến nghị bốn loại thí nghiệm để xác định các thông số cường độ thoát nước hoặc cường độ theo ứng suất hữu hiệu:

1. Thí nghiệm cắt trực tiếp (Direct Shear Test)
2. Thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước (Consolidated Drained Triaxial Test)
3. Thí nghiệm nén ba trục cố kết không thoát nước (Consolidated Undrained Triaxial Test)
4. Thí nghiệm cắt vòng (Ring Shear Test)

3-2.4.1.1 Thí nghiệm cắt trực tiếp (ASTM D3080)

Thí nghiệm cắt trực tiếp (ASTM D3080 – Phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn xác định cường độ cắt trực tiếp của đất trong điều kiện cố kết thoát nước) là một trong những thí nghiệm cường độ lâu đời nhất và được sử dụng phổ biến nhất. Hình 3-1 minh họa các bộ phận cơ bản của thiết bị thí nghiệm cắt trực tiếp và các dữ liệu được thu thập.

Trong thực hành kỹ thuật tại Hoa Kỳ, các kích thước mẫu phổ biến nhất là mẫu vuông 2 × 2 inch và 4 × 4 inch, cùng với mẫu tròn có đường kính 2.5 inch. Một số ít phòng thí nghiệm thương mại có thiết bị cắt trực tiếp có thể thí nghiệm các mẫu kích thước 12 × 12 inch.

Hộp cắt hình trụ đường kính 2.5 inch rất phổ biến vì các mẫu nguyên dạng có thể dễ dàng được gọt sửa từ các ống Shelby đường kính 3 inch thông dụng. Việc đầm nén mẫu trong khuôn mẫu hình trụ cũng dễ dàng hơn so với trong khuôn mẫu hình vuông.

Thiết bị cắt trực tiếp có thể sử dụng cho mẫu nguyên dạng, mẫu đầm nén hoặc mẫu nhào trộn.

Thí nghiệm cắt trực tiếp thường được sử dụng nhiều nhất cho đất sét và một số loại đất cát. ASTM D3080 yêu cầu cỡ hạt lớn nhất của mẫu thí nghiệm không được lớn hơn 1/10 bề rộng hộp cắt và không được lớn hơn 1/6 chiều cao mẫu.

Dựa trên các kích thước hộp cắt thông dụng, thí nghiệm này không phù hợp để thí nghiệm các vật liệu có cỡ hạt lớn hơn cát trung bình.

Bảng 3-4 Các thí nghiệm cường độ trong phòng theo tiêu chuẩn ASTM

\(\\\)

Thí nghiệm cắt trực tiếp (direct shear test) tương đối dễ thực hiện. Đầu tiên, một ứng suất cố kết (consolidation stress) được tác dụng lên mẫu thí nghiệm. Sau khi toàn bộ áp lực nước lỗ rỗng dư thừa đã tiêu tán, mẫu được cắt với tốc độ chuyển vị không đổi và rất chậm để đảm bảo duy trì điều kiện thoát nước (drained conditions). Thí nghiệm cắt trực tiếp không cho ra kết quả ứng suất-biến dạng, mà cho ra kết quả ứng suất-chuyển vị. Không thể xác định mô-đun (moduli) từ thí nghiệm cắt trực tiếp.

Vì mặt phá hoại (failure plane) trong thí nghiệm cắt trực tiếp bị giới hạn theo mặt phẳng ngang, nên các thông số cường độ chống cắt đo được có thể thấp hơn so với các thông số đo được từ các thí nghiệm có mặt cắt nghiêng, đối với các loại đất có kết cấu phân lớp theo phương ngang (Duncan và cộng sự, 2014). Các loại đất được lắng đọng trong môi trường nước — chẳng hạn như đất hồ (lacustrine), đất bồi tích (alluvial), và đất biển (marine) — có thể thể hiện tính dị hướng vốn có (inherent anisotropy) này, theo đó cường độ chống cắt là một hàm số của hướng mặt phá hoại. Vấn đề về hướng mặt phá hoại này không đáng kể đối với đất nhào lại và đất đầm nén. Thí nghiệm cắt trực tiếp cũng có thể gặp phải hiện tượng phá hoại tiến triển (progressive failure), theo đó cường độ chống cắt không được huy động đầy đủ trên toàn bộ mặt phá hoại tại cùng một thời điểm. Điều này cũng có thể dẫn đến các thông số cường độ chống cắt đỉnh (peak shear strength) thấp hơn đối với các vật liệu có đường cong ứng suất-chuyển vị dạng giòn (brittle), chẳng hạn như đất sét quá cố kết mạnh (heavily overconsolidated clay).

Thí nghiệm cắt trực tiếp đặc biệt phù hợp để thí nghiệm đất sét nhào lại. Việc tạo mẫu thí nghiệm trong hộp cắt (shear box) khá dễ dàng, và thiết bị này cho phép tác dụng các ứng suất cố kết nhỏ. Đây là thí nghiệm tốt nhất hiện có để đo cường độ chống cắt hóa mềm hoàn toàn (fully softened shear strength), tức là cường độ chống cắt đỉnh của đất sét nhào lại, cố kết bình thường (normally consolidated).

3-2.4.1.2 Thí Nghiệm Ba Trục Cố Kết Thoát Nước (Consolidated Drained (CD) Triaxial Test) (ASTM D7181).

Thí nghiệm ba trục cố kết thoát nước (CD) (ASTM D7181 – Standard Test Method for Consolidated Drained Triaxial Testing of Soil — Phương Pháp Thí Nghiệm Chuẩn Về Thí Nghiệm Ba Trục Cố Kết Thoát Nước Của Đất) là một trong những loại thí nghiệm ba trục lâu đời nhất. Quy trình này được xác định trong nghiên cứu của Công Binh Lục Quân Hoa Kỳ (Army Corps of Engineers) từ những năm 1930. Loại thí nghiệm ba trục này còn được gọi là thí nghiệm ba trục S, trong đó S là viết tắt của “slow” (chậm), vì thí nghiệm này có giai đoạn cắt chậm nhất trong các nhóm thí nghiệm ba trục chính.

Kích thước mẫu thông dụng trong thực hành tại Hoa Kỳ là đường kính 1.4 inch cho đất hạt mịn và đường kính 2.8 inch cho đất cát hoặc cho mẫu được ép trực tiếp từ ống mẫu Shelby mà không cần cắt gọt⁴. Nhiều phòng thí nghiệm cũng có thể thí nghiệm mẫu đường kính 2 inch và 4 inch. Các thiết bị dùng cho mẫu đường kính lớn hơn — 6 inch và 12 inch — ít phổ biến hơn tại các phòng thí nghiệm thương mại. ASTM D7181 yêu cầu cỡ hạt lớn nhất của đất thí nghiệm phải bằng 1/6 đường kính mẫu thí nghiệm, do đó đường kính mẫu thí nghiệm cần được lựa chọn dựa trên thành phần cỡ hạt của đất.

Hình 3-2 thể hiện các thành phần cơ bản của thí nghiệm ba trục CD thực hiện thủ công. Mẫu thí nghiệm được cố kết bằng cách tác dụng áp lực buồng (cell pressure). Hầu hết các mẫu thí nghiệm được cố kết theo điều kiện ứng suất đẳng hướng (isotropic), nhưng cũng có thể thực hiện cố kết dị hướng (anisotropic consolidation). Mẫu được bão hòa áp lực ngược (back-pressure saturated) bằng cách sử dụng một áp lực nước lỗ rỗng nâng cao (back pressure), và ứng suất cố kết cuối cùng bằng áp lực buồng trừ đi áp lực ngược. Mẫu được cắt rất chậm, để tránh phát sinh áp lực nước lỗ rỗng dư thừa, bằng cách tăng ứng suất thẳng đứng với tốc độ chuyển vị không đổi. Sự thay đổi thể tích của mẫu thí nghiệm được đo bằng cách ghi nhận mực chất lỏng trong ống buret (burette) khi tải trọng được tác dụng. Các thí nghiệm này đòi hỏi kỹ năng đáng kể để thực hiện đúng cách.

Thí nghiệm ba trục CD phù hợp hơn với đất cát vì hệ số thấm cao cho phép mẫu thí nghiệm được cắt trong khoảng thời gian hợp lý. Nếu thí nghiệm đất sét, mẫu phải được cắt rất chậm, và thí nghiệm có thể mất từ vài tuần đến vài tháng để hoàn thành. Một số phòng thí nghiệm sẽ từ chối thực hiện các thí nghiệm này trên đất sét.

⁴ Mặc dù ASTM D7181 cho phép thí nghiệm mẫu được ép trực tiếp (directly extruded samples), nhưng cách làm tốt hơn là nên cắt gọt mẫu xuống đường kính nhỏ hơn để giảm thiểu sự xáo trộn do quá trình lấy mẫu gây ra.

Thí nghiệm nén ba trục cố kết không thoát nước (CU) (ASTM D4767 – Phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn thí nghiệm nén ba trục cố kết không thoát nước cho đất dính) là một trong ba loại thí nghiệm ba trục chính khác được định nghĩa trong nghiên cứu năm 1946 của Quân đoàn Công binh Hoa Kỳ.

Thí nghiệm này còn được gọi là thí nghiệm R nếu không đo áp lực nước lỗ rỗng, và là thí nghiệm \(\overline{R}\) nếu có đo áp lực nước lỗ rỗng.⁵ Thí nghiệm R hiện nay đã trở nên lỗi thời, và rất khó để biện minh cho trường hợp cần thực hiện thí nghiệm này. Hình 3-3 minh họa các bộ phận cơ bản của thí nghiệm ba trục CU và dữ liệu ví dụ.

⁵ Không rõ vì sao chữ R được dùng cho thí nghiệm này. Có thể là vì các thí nghiệm khác được gọi là thí nghiệm Q và S, còn R là chữ nằm giữa Q và S trong bảng chữ cái. Trước đây, các kỹ sư thường gọi là các loại thí nghiệm ba trục QRS.

Thí nghiệm ba trục CU rất giống với thí nghiệm ba trục CD, và hầu hết thông tin đã trình bày cho thí nghiệm CD cũng đúng với thí nghiệm CU. Quy trình thí nghiệm giống nhau cho đến khi đến giai đoạn cắt mẫu.

Trong thí nghiệm CD, van thoát nước được mở trong quá trình cắt; còn trong thí nghiệm CU, van thoát nước được đóng trong quá trình cắt. Sự thay đổi thể tích được đo trong thí nghiệm CD, còn áp lực nước lỗ rỗng được đo trong thí nghiệm CU.

Trong thí nghiệm CD, tốc độ biến dạng \((\dot{\varepsilon})\) rất chậm vì áp lực nước lỗ rỗng phát sinh trong quá trình cắt phải tiêu tán trong toàn bộ mẫu thí nghiệm. Trong thí nghiệm CU, tốc độ biến dạng lớn hơn đáng kể vì mục tiêu là cho phép áp lực nước lỗ rỗng cân bằng trong mẫu, thay vì tiêu tán.

Nói cách khác, mẫu thí nghiệm CU có thể được cắt nhanh hơn nhiều so với mẫu thí nghiệm CD, và đây là một ưu điểm lớn đối với đất sét.

Áp lực nước lỗ rỗng được đo trong quá trình cắt ở thí nghiệm ba trục CU, nhờ đó có thể xác định ứng suất hữu hiệu trong mẫu. Vì có các giá trị ứng suất hữu hiệu, nên có thể xác định các thông số cường độ thoát nước hoặc cường độ theo ứng suất hữu hiệu (\(c′\) và \(\phi′\)).

Tuy nhiên, có một khác biệt quan trọng về sự thay đổi thể tích của mẫu thí nghiệm giữa thí nghiệm CU và CD, và khác biệt này có thể ảnh hưởng đến các thông số cường độ cắt được xác định. Trong thí nghiệm CD, mẫu được phép thay đổi thể tích, và hệ số rỗng của mẫu có thể thay đổi trong quá trình cắt.

Trong thí nghiệm CU, không có sự thay đổi thể tích trong quá trình cắt, nên mẫu thí nghiệm có cùng hệ số rỗng tại thời điểm phá hoại như trước khi cắt, tức là sau khi cố kết. Hệ số rỗng của mẫu thí nghiệm CU và CD có thể khác nhau tại thời điểm phá hoại, mặc dù ban đầu chúng có thể có cùng áp lực cố kết và cùng hệ số rỗng. Điều này có thể gây ra khác biệt trong các thông số cường độ cắt theo ứng suất hữu hiệu.

Trong thực hành kỹ thuật, khác biệt này thường được bỏ qua, và kết quả từ thí nghiệm CU và CD thường được sử dụng thay thế cho nhau.

3-2.4.1.4 Thí nghiệm cắt vòng (ASTM D6467)

Thí nghiệm cắt vòng (ASTM D6467 – Phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn thí nghiệm cắt vòng xoắn để xác định cường độ cắt dư thoát nước của đất) tương tự thí nghiệm cắt trực tiếp ở chỗ đây là thí nghiệm thoát nước cố kết, với quá trình cắt xảy ra trên mặt phẳng nằm ngang.

Thí nghiệm cắt vòng chỉ nên được dùng để xác định cường độ cắt dư, tức là cường độ cắt của đất ở biến dạng hoặc chuyển vị rất lớn. Cường độ cắt dư được dùng trong thiết kế địa kỹ thuật cho các trường hợp đã xảy ra phá hoại và đã có chuyển vị đáng kể.

Thiết bị cắt vòng sử dụng mẫu thí nghiệm dạng vành khuyên. Kích thước mẫu được dùng phổ biến nhất ở Hoa Kỳ có đường kính trong 2.8 inch, đường kính ngoài 4 inch và chiều dày 0.2 inch. Các bộ phận cơ bản của thí nghiệm cắt vòng được trình bày trong Hình 3-4. Mẫu thí nghiệm nhỏ hơn đáng kể so với các thí nghiệm cường độ khác đã thảo luận. Thể tích mẫu tương đương khoảng 4 thìa cà phê. Chỉ các mẫu đất sét nhào trộn mới được thí nghiệm trong các thiết bị cắt vòng thông dụng, và chúng được đưa vào thiết bị dưới dạng hồ nhão.

Thiết bị cắt vòng cho phép thực hiện các thí nghiệm theo từng cấp.⁶ Một mẫu thí nghiệm đơn lẻ có thể được tái cố kết và cắt nhiều lần. Quy trình thí nghiệm thông thường là đặt mẫu vào thiết bị và cố kết đến ứng suất thẳng đứng nhỏ nhất. Sau đó, mẫu được cắt cho đến khi đạt cường độ dư. Tiếp theo, áp lực cố kết lớn hơn được tác dụng và mẫu lại được cắt lần nữa. Thông thường, có thể sử dụng ba ứng suất pháp tuyến khác nhau cho một mẫu thí nghiệm.

⁶ Mặc dù một số sổ tay thí nghiệm cũ có hướng dẫn thực hiện các thí nghiệm ba trục CU và CD theo từng cấp, kết quả của các thí nghiệm này rất không đáng tin cậy. Không nên quy định các loại thí nghiệm này và không nên sử dụng dữ liệu từ các thí nghiệm đó.

Có thể xác định các đặc trưng sức kháng cắt dư bằng thiết bị cắt trực tiếp nếu đảo chiều hướng cắt để tích lũy đủ chuyển vị cắt nhằm đạt đến trạng thái dư. Mặc dù phép thử này đã được đề cập trong các tài liệu địa kỹ thuật, hiện chưa có tiêu chuẩn ASTM quy định quy trình thực hiện các thí nghiệm cắt trực tiếp lặp lại. Các thí nghiệm cắt vòng (ring shear) phù hợp hơn để xác định góc ma sát dư, vì trong quá trình thí nghiệm không cần phải đảo chiều hướng cắt và diện tích mặt trượt cắt luôn được giữ không đổi.

Cường độ kháng cắt
↑
│       /\
│      /  \      ← Cường độ cực đại
│     /    \
│    /      \__
│   /          \____
│                    \____ ← Cường độ dư
└────────────────────────→ Chuyển vị cắt

3-2.4.2. Các thí nghiệm cường độ không thoát nước hoặc cường độ theo ứng suất tổng

Có năm thí nghiệm trong phòng có tiêu chuẩn ASTM để xác định cường độ chống cắt không thoát nước (undrained shear strength) của đất. Vì cường độ không thoát nước thường được dùng cho đất hạt mịn, do tính thấm thấp của chúng, nên các thí nghiệm này chủ yếu áp dụng cho đất sét và đất bột. Giá trị cường độ chống cắt không thoát nước có thể thay đổi đáng kể giữa các thí nghiệm. Hai đường bao cường độ không thoát nước cơ bản dùng cho đất hạt mịn được trình bày trong Hình 3-5.

Đối với đất bão hòa chịu tải trong điều kiện không thoát nước, cường độ chống cắt không phải là hàm của ứng suất pháp trên mặt phá hoại, do đó \( \phi = 0 \). Đối với đất bão hòa một phần chịu tải trong điều kiện không thoát nước, cường độ chống cắt là hàm của ứng suất pháp trên mặt phá hoại, do đó \( \phi > 0 \). Đường bao của đất bão hòa một phần thường lệch khỏi dạng đường thẳng, nhưng trong phân tích kỹ thuật thường dùng cách diễn giải tuyến tính trên phạm vi ứng suất pháp thích hợp.⁷

Cường độ không thoát nước của đất có thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Các yếu tố chính bao gồm ứng suất cố kết hữu hiệu lớn nhất trước khi chịu tải không thoát nước và tỷ số quá cố kết (OCR). Có nhiều yếu tố phụ khác, bao gồm hướng của mặt phá hoại, tốc độ gia tải, mức độ xáo trộn mẫu, hệ ứng suất do điều kiện tải trọng ngoài hiện trường hoặc do thí nghiệm trong phòng tạo ra, v.v. Đối với các đường bao trình bày trong hình, chỉ có một trong các thí nghiệm ASTM, D2850, cung cấp nhiều điểm để xác định các đường bao. Các thí nghiệm ASTM còn lại chỉ cung cấp một điểm để xác định đường bao cường độ chống cắt.

Đối với các lớp đất hạt mịn bão hòa, mục tiêu của chương trình thí nghiệm cường độ không thoát nước thường là xác định sự thay đổi của cường độ không thoát nước theo chiều sâu, như trình bày trong Hình 3-6. Trong các trường hợp này, cần thực hiện đủ số lượng thí nghiệm tại hiện trường hoặc thí nghiệm trong phòng để xác định các giá trị cường độ chống cắt không thoát nước, được thể hiện bằng các ô vuông, nhằm có thể ước tính sự thay đổi của cường độ theo chiều sâu, như đường nét đứt.

⁷ Đất bão hòa thường được các kỹ sư địa kỹ thuật gọi là đất “\( \phi = 0 \)”, còn đất bão hòa một phần được gọi là đất “\( c-\phi \)”.

3-2.4.2.1. Thí nghiệm nén không nở hông (ASTM D2116)

Thí nghiệm nén không nở hông, UCTs, (ASTM D2166) là một trong những thí nghiệm cường độ lâu đời nhất và đơn giản nhất. Chất lượng và mức độ cẩn thận khi thực hiện thí nghiệm có thể thay đổi rất lớn, từ việc thí nghiệm mẫu bằng khung gia tải di động ngoài hiện trường đến việc thí nghiệm mẫu được bọc trong màng trong phòng thí nghiệm có kiểm soát nhiệt độ.

Cơ sở chính của thí nghiệm là: nếu đất bão hòa, thì cường độ chống cắt không thoát nước \((s_u)\) phải giống nhau dù đất được thí nghiệm với áp lực hông bằng không \((\sigma_3)\) hay với áp lực hông tăng cao. Giả định này có thể đúng đối với các mẫu thí nghiệm chất lượng cao được thí nghiệm cẩn thận, nhưng kết quả thực tế có thể sai lệch đáng kể so với giả định này. Nhìn chung, UCTs cho giá trị cường độ thấp hơn so với giá trị xác định từ các thí nghiệm chất lượng cao hơn.

Trong thực tế, UCTs cũng được thực hiện trên đất bão hòa một phần. Các thí nghiệm này khó diễn giải chính xác, vì kết quả chỉ biểu thị một giá trị cường độ chống cắt trên đường bao \(c-\phi\), và một điểm thì không thể xác định được đường bao. Những hạn chế của UCT đã được nhận biết trong hơn 70 năm, và thí nghiệm này nên được xem là một thí nghiệm chỉ số, chứ không phải là một phương pháp khả thi để xác định cường độ chống cắt đáng tin cậy.

3-2.4.2.2. Thí nghiệm ba trục không cố kết – không thoát nước (UU) (ASTM D2850)

Thí nghiệm ba trục không cố kết – không thoát nước (ASTM D2850 – Phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn cho thí nghiệm nén ba trục không cố kết – không thoát nước trên đất dính) là thí nghiệm phổ biến nhất để xác định cường độ chống cắt không thoát nước trong thực hành địa kỹ thuật tại Hoa Kỳ.

Quy trình cơ bản của thí nghiệm này đã được trình bày trong Báo cáo thí nghiệm ba trục của Quân đoàn Công binh Hoa Kỳ năm 1946. Thí nghiệm này thường được gọi là thí nghiệm ba trục Q, trong đó Q là viết tắt của “quick” vì đây là thí nghiệm ba trục nhanh nhất. Mẫu thí nghiệm được cắt với tốc độ biến dạng bằng 1% biến dạng dọc trục mỗi phút, do đó giai đoạn cắt của thí nghiệm chỉ kéo dài khoảng 20 phút. ⁸

Các thí nghiệm UU trên đất hạt mịn bão hòa thường được thực hiện bằng ba mẫu thí nghiệm để xác định một đường bao. Cả ba mẫu thí nghiệm phải lấy từ cùng một độ sâu, với tất cả các mẫu có cùng áp lực cố kết tại hiện trường và OCR. Cả ba mẫu phải có cùng cường độ chống cắt, qua đó xác nhận đường bao phá hoại \(\phi = 0\). Các thí nghiệm UU trên đất bão hòa luôn phải được diễn giải với đường bao phá hoại \(\phi = 0\), bất kể độ dốc nào được hàm ý từ kết quả thí nghiệm.

Sơ đồ thiết bị thí nghiệm cơ bản được trình bày trong Hình 3-7. Mẫu được bọc kín trong các màng cao su mỏng, nhưng không có đá thấm hoặc đường thoát nước. Có bán các buồng ba trục chuyên dụng dành riêng cho thí nghiệm UU. Các thí nghiệm UU thường được thực hiện trên các mẫu đã gọt có đường kính 1.4 inch (35.6 mm) và 2.0 inch (50.8 mm), hoặc trên các mẫu được đùn trực tiếp có đường kính 2.8 inch (71.1 mm).

⁸ ASTM D2850 khuyến nghị sử dụng tốc độ biến dạng 0.3% đối với đất giòn, nhưng hầu hết các phòng thí nghiệm sử dụng tốc độ 1% mỗi phút cho tất cả các loại đất.

Một hạn chế của thí nghiệm UU là khó thí nghiệm đối với đất rất mềm. Đối với đất có cường độ chống cắt không thoát nước nhỏ hơn khoảng 250 psf (12.0 kPa), có thể rất khó gọt mẫu thí nghiệm, lắp mẫu vào buồng ba trục và bọc màng quanh mẫu. Mẫu rất dễ bị xáo trộn, và điều đó có xu hướng làm giảm cường độ hơn nữa. Đối với vật liệu rất mềm, tốt nhất nên sử dụng thí nghiệm cắt cánh thu nhỏ trong phòng thí nghiệm, như thảo luận bên dưới, hoặc thí nghiệm xuyên côn rơi.

Các thí nghiệm UU cũng có thể được thực hiện trên đất bão hòa một phần, và thường được dùng để xác định các tham số cường độ chống cắt cho đất sét đầm chặt. Thí nghiệm UU là thí nghiệm khả thi duy nhất để xác định các giá trị \(c\) và \(\phi\) cho đất bão hòa một phần dùng trong phân tích cuối giai đoạn thi công. Có thiết bị đầm nén chuyên dụng để tạo mẫu thí nghiệm ba trục cho đất đầm chặt.⁹

Có những ý kiến phê bình đối với thí nghiệm UU, và nhiều phê bình trong số đó là có cơ sở (Ladd 1991). Tuy nhiên, các giá trị cường độ thu được từ thí nghiệm UU đã được kiểm chứng bằng phân tích ngược các mái dốc bị phá hoại và được nhận thấy là có tính đại diện; vì vậy thí nghiệm này vẫn rất phổ biến trong thực hành kỹ thuật.

⁹ Có các thiết bị thí nghiệm để thực hiện thí nghiệm ba trục trên đất bão hòa một phần, nhưng ít phòng thí nghiệm thương mại được trang bị để thực hiện các thí nghiệm này.

3-2.4.2.3. Thí nghiệm ba trục cố kết – không thoát nước (CU) (ASTM D4767)

Vì thí nghiệm ba trục CU được cắt trong điều kiện không thoát nước, nên có thể thu được các tham số cường độ không thoát nước hoặc cường độ theo ứng suất tổng. Tuy nhiên, trước đây thí nghiệm này thường bị sử dụng sai để xác định cường độ không thoát nước. Không thể xác định các giá trị \(c\) và \(\phi\) khả dụng từ thí nghiệm này, nhưng các giá trị này vẫn thường được các phòng thí nghiệm thương mại báo cáo.

Cách đúng để sử dụng thí nghiệm CU trong phân tích không thoát nước là liên hệ giá trị \(s_u\) — bằng một nửa ứng suất lệch tại phá hoại — với ứng suất cố kết đẳng hướng. Thí nghiệm ba trục CU thường cho các giá trị cường độ chống cắt không thoát nước quá cao, không phù hợp để sử dụng trong phần lớn các phân tích. Chi tiết về việc sử dụng thí nghiệm CU để xác định cường độ không thoát nước được trình bày bởi Duncan và Wong (1983).

3-2.4.2.4. Thí nghiệm DSS cố kết – không thoát nước (ASTM D6528)

Thí nghiệm cắt đơn giản trực tiếp, DSS, (ASTM D6528 – Phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn cho thí nghiệm cắt đơn giản trực tiếp cố kết – không thoát nước trên đất hạt mịn) được phát triển vào những năm 1950. Các thiết bị thương mại hiện nay thí nghiệm mẫu hình trụ có đường kính danh định 2.5 inch (63.5 mm) và chiều cao đến 1 inch (25.4 mm).

Sơ đồ các thành phần cơ bản của thí nghiệm DSS được trình bày trong Hình 3-8. Mẫu thí nghiệm được khống chế bằng màng có gia cường bằng dây hoặc bằng một bộ các vòng mỏng xếp chồng lên nhau, thường được phủ Teflon, đặt bên ngoài một màng latex không gia cường. Mục đích của các vòng khống chế là ngăn biến dạng ngang xảy ra khi ứng suất cố kết thẳng đứng được tác dụng, đồng thời cho phép mẫu thí nghiệm biến dạng theo dạng cắt thuần túy.

Sau khi mẫu thí nghiệm được cố kết, mẫu được cắt trong điều kiện không thoát nước — về mặt kỹ thuật là ở thể tích không đổi — bằng cách dịch chuyển bản trên so với bản dưới. Cường độ chống cắt không thoát nước \((s_u)\) được giả định là giá trị lớn nhất của ứng suất cắt tác dụng lên mặt phẳng ngang của mẫu thí nghiệm.

Thí nghiệm DSS không phải là một thí nghiệm phổ biến trong ngành địa kỹ thuật trong suốt năm mươi năm sau khi được phát triển. Rất ít phòng thí nghiệm thương mại có khả năng thực hiện thí nghiệm này. Có những ý kiến phê bình xác đáng đối với thí nghiệm DSS (Saada và Townsend 1981). Tuy nhiên, trong những năm gần đây, mức độ phổ biến của thí nghiệm này đã tăng lên và ngày càng có nhiều phòng thí nghiệm có khả năng thực hiện thí nghiệm.

Thiết bị DSS cho giá trị cường độ chống cắt không thoát nước tương đương với giá trị thu được từ thí nghiệm cắt cánh tại hiện trường (đối với cùng ứng suất cố kết thẳng đứng và OCR), và phù hợp để sử dụng trong nhiều trường hợp thiết kế kỹ thuật. Thí nghiệm này chỉ có thể thực hiện trên đất bão hòa, và tiêu chuẩn ASTM chỉ đề cập đến đất hạt mịn.

3-2.4.2.5. Thiết bị cắt cánh thu nhỏ trong phòng thí nghiệm (ASTM D4648)

Thiết bị cắt cánh thu nhỏ trong phòng thí nghiệm (ASTM D4648 – Các phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn cho thí nghiệm cắt cánh thu nhỏ trong phòng thí nghiệm trên đất sét hạt mịn bão hòa) là phiên bản thu nhỏ của thí nghiệm cắt cánh tại hiện trường.

Kích thước cánh dao dao động từ 0.5 inch × 0.5 inch (12.7 mm × 12.7 mm) đến 1.0 inch × 1.0 inch (25.4 mm × 25.4 mm). Cũng có thể sử dụng các cánh dao có đường kính nhỏ hơn chiều dài để hỗ trợ xác định cường độ theo tính dị hướng.

Ảnh chụp thiết bị cắt cánh được trình bày trong Hình 3-9. Cánh dao được cắm vào mẫu thí nghiệm nguyên dạng hoặc mẫu tái chế bị xáo trộn, rồi quay với tốc độ không đổi trong khi mô men xoắn được đo. Cánh dao có thể được quay bằng tay quay hoặc bằng bộ truyền động điện. Mô men xoắn có thể được đo bằng lò xo đã hiệu chuẩn hoặc bằng cảm biến lực điện tử. Phần lớn dữ liệu cũ của thiết bị cắt cánh thu nhỏ được thu thập bằng lò xo đã hiệu chuẩn, và đây là phương pháp được ưu tiên.

Thí nghiệm cắt cánh trong phòng thí nghiệm không quá phổ biến trong thực hành địa kỹ thuật, nhưng loại thí nghiệm này có thể đặc biệt hữu ích đối với đất sét rất mềm. Nếu mẫu đất sét quá mềm để gọt mẫu cho thí nghiệm ba trục UU, thì thí nghiệm cắt cánh thu nhỏ trong phòng thí nghiệm là một phương án thay thế khả thi.

3-2.4.2.6. Các thí nghiệm cường độ khác

Có các thí nghiệm khác để xác định cường độ chống cắt không thoát nước trong phòng thí nghiệm của đất, nhưng chúng không có tiêu chuẩn ASTM riêng, hoặc là các biến thể của các thí nghiệm ASTM thông thường.

Có hai biến thể của thí nghiệm ba trục CU được sử dụng hạn chế trong thực hành địa kỹ thuật. Thí nghiệm ba trục CU thông thường thường được thực hiện trên các mẫu đã được cố kết đẳng hướng, tức là ứng suất thẳng đứng bằng ứng suất ngang trong quá trình cố kết. Các thí nghiệm này thường được gọi là thí nghiệm ba trục ICU.

Có thể cố kết mẫu thí nghiệm theo điều kiện dị hướng, trong đó ứng suất thẳng đứng khác với ứng suất ngang, thường là lớn hơn ứng suất ngang. Các thí nghiệm này được gọi là thí nghiệm ba trục ACU. Các tiêu chuẩn ASTM có đề cập đến các thành phần cơ bản của thí nghiệm ACU. Thí nghiệm ACU về cơ bản cho các tham số cường độ theo ứng suất hữu hiệu giống với thí nghiệm ICU. Thí nghiệm ACU thường cho cường độ chống cắt không thoát nước khác với thí nghiệm ICU, do đó tính hữu ích chính của thí nghiệm này là dùng cho các dự án cần các giá trị cường độ không thoát nước đặc biệt.

Có thể thực hiện một dạng thí nghiệm ACU riêng, trong đó tỷ số giữa các ứng suất hữu hiệu trong quá trình cố kết — ứng suất hữu hiệu nhỏ / ứng suất hữu hiệu lớn — bằng hệ số áp lực đất ở trạng thái nghỉ \((K_0)\). Các thí nghiệm này đôi khi được gọi là thí nghiệm nén ba trục \(CK_0U\).

Đối với các thí nghiệm này, các ứng suất chính xác không được quy định trước, mà được xác định theo các ứng suất cần thiết để không xảy ra biến dạng ngang trong quá trình cố kết. Các thí nghiệm này khó thực hiện trên thiết bị ba trục vận hành thủ công, nhưng có thể thực hiện dễ dàng trên thiết bị hoàn toàn tự động. Các thí nghiệm này về cơ bản cũng cho các tham số cường độ chống cắt theo ứng suất hữu hiệu giống như thí nghiệm ba trục ICU thông thường. Công dụng chính của chúng là dùng khi cần các giá trị cường độ không thoát nước cho các dự án đặc biệt.

Một dạng thí nghiệm ba trục đặc biệt khác đôi khi được sử dụng trong thực hành kỹ thuật là thí nghiệm ba trục theo đường ứng suất. Trong khi hầu hết các thí nghiệm ba trục gia tải mẫu thí nghiệm theo phương dọc trục với áp lực buồng không đổi, các thí nghiệm theo đường ứng suất thay đổi đồng thời cả ứng suất thẳng đứng và ứng suất ngang để tuân theo các đường gia tải đã định trước. Đường gia tải thường được chọn để phù hợp với điều kiện tải trọng tại hiện trường. Trong một số trường hợp, mục đích là đo các biến dạng thu được trong mẫu thí nghiệm sau khi đường gia tải đã được áp dụng. Trong các trường hợp khác, mục đích là đo cường độ của mẫu thí nghiệm đối với một hệ thay đổi ứng suất được quy định trước. Thường cần thiết bị ba trục hoàn toàn tự động để thực hiện các loại thí nghiệm này.

Một phương án thay thế cho thí nghiệm cắt cánh thu nhỏ trong phòng thí nghiệm (ASTM D4648) để xác định cường độ chống cắt của đất sét rất mềm là thí nghiệm xuyên côn rơi. Mặc dù hiện chưa có tiêu chuẩn ASTM cho thí nghiệm này, thí nghiệm này rất phổ biến ở châu Âu, và có các tiêu chuẩn tại Na Uy, Đức, Vương quốc Anh và các quốc gia khác. Ảnh chụp thiết bị của Na Uy được trình bày trong Hình 3-10. Thí nghiệm này bao gồm việc thả một côn có khối lượng lên bề mặt mẫu đất nguyên dạng hoặc mẫu tái chế bị xáo trộn và đo độ xuyên. Có các côn với khối lượng khác nhau cho các chiều sâu xuyên khác nhau đối với đất có độ sệt khác nhau. Thí nghiệm này cũng được sử dụng để xác định giới hạn chảy của đất trong thực hành địa kỹ thuật quốc tế.

3-2.5. Các thí nghiệm động

Địa kỹ thuật động đất là một chuyên ngành chuyên sâu trong lĩnh vực địa kỹ thuật. Các phương pháp phân tích được sử dụng để dự báo ứng xử của công trình trong quá trình xảy ra động đất thường khá phức tạp, và các thí nghiệm dùng để xác định các đặc trưng của đất phục vụ cho các phân tích này cũng có thể phức tạp tương tự. Chỉ một số ít phòng thí nghiệm địa kỹ thuật được trang bị thiết bị để thực hiện các thí nghiệm này. Bảng 3-5 liệt kê các thí nghiệm động thông dụng đối với đất.

Bảng 3-5. Các thí nghiệm động đối với đất

\(\\\)

3-2.5.1. Thí nghiệm ba trục chu kỳ (ASTM D5311)

Thí nghiệm ba trục chu kỳ (ASTM D5311 – Phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn xác định cường độ chu kỳ của đất bằng thí nghiệm ba trục chu kỳ điều khiển bằng tải trọng) là thí nghiệm phổ biến nhất trong các thí nghiệm động, và cũng là một trong những thí nghiệm lâu đời nhất, được thực hiện từ những năm 1960 hoặc sớm hơn.

Thí nghiệm ba trục chu kỳ là thí nghiệm cố kết – không thoát nước (CU), và phần đầu của thí nghiệm giống với thí nghiệm CU tĩnh (ASTM D4767). Các giai đoạn bão hòa bằng áp lực ngược và cố kết về cơ bản là giống nhau. Khác biệt nằm ở cách gia tải.

Thí nghiệm ba trục chu kỳ thường được gia tải bằng hàm tải trọng hình sin, với chênh lệch ứng suất lớn nhất được xác định bằng tỷ số ứng suất chu kỳ (CSR). CSR bằng một nửa ứng suất lệch tác dụng chia cho ứng suất cố kết đẳng hướng. Một ví dụ về hàm gia tải được trình bày trong Hình 3-11.

Tần số gia tải lý tưởng là 1 Hz, nhưng thường sử dụng các tần số thấp hơn do nhiều thiết bị thương mại khó duy trì ổn định 1 Hz trong suốt thí nghiệm. Tiêu chuẩn ASTM cho phép tần số thấp đến 0.1 Hz. Các thí nghiệm thường được thực hiện tại ba hoặc bốn giá trị CSR khác nhau để xác định số chu kỳ đến phá hoại. Biểu đồ quan hệ giữa CSR tác dụng và số chu kỳ đến phá hoại được dùng để xác định cường độ chu kỳ của đất.

Phá hoại trong thí nghiệm ba trục chu kỳ có thể được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau. Định nghĩa thông thường đối với thí nghiệm chu kỳ trên cát sạch là khi đạt tỷ số áp lực nước lỗ rỗng 100%, tức là áp lực nước lỗ rỗng bằng ứng suất hông. Đối với đất có hàm lượng hạt mịn đáng kể, phá hoại có thể không đạt được theo định nghĩa này, vì vậy hiện nay thường định nghĩa phá hoại dựa trên biến dạng dọc trục. Các giá trị biến dạng dọc trục ±2.5%, ±5% và ±10% đã được sử dụng để định nghĩa phá hoại.

3-2.5.1.1. Thí nghiệm DSS chu kỳ

Thí nghiệm DSS chu kỳ (CYCDSS) phổ biến trong địa kỹ thuật động đất, và hiện có tiêu chuẩn ASTM (D8296). Mẫu thí nghiệm có thể được gia tải bằng ứng suất chu kỳ hoặc bằng chuyển vị quy định trước.

Các thí nghiệm này thường được thực hiện trong điều kiện thể tích không đổi, trong đó chiều cao mẫu thí nghiệm không được phép thay đổi trong suốt thí nghiệm. Đối với thí nghiệm điều khiển bằng tải trọng, một hàm tải trọng hình sin được tác dụng lên mẫu dưới dạng lực ngang lên bản trên hoặc bản dưới.

Tần số gia tải 1 Hz là mong muốn, nhưng một số thí nghiệm được thực hiện ở tần số thấp hơn nhiều, đặc biệt đối với đất hạt mịn.

Các thí nghiệm CYCDSS cũng được quy định theo tỷ số ứng suất chu kỳ. Tỷ số ứng suất chu kỳ được định nghĩa như sau:

\[
CSR = \frac{\tau_{cyc}}{\sigma’_v} \tag{3-3}
\]

trong đó:
\(\qquad \qquad \tau_{cyc} =\) ứng suất cắt chu kỳ đỉnh tác dụng, và
\(\qquad \qquad \sigma’_v =\) ứng suất cố kết hữu hiệu theo phương đứng.

Phá hoại được định nghĩa là khi đạt tỷ số áp lực nước lỗ rỗng 100% hoặc đạt đến một biến dạng cắt chu kỳ giới hạn. Cũng như thí nghiệm ba trục chu kỳ, cường độ chu kỳ thường được biểu diễn bằng đồ thị quan hệ giữa tỷ số ứng suất chu kỳ tác dụng và logarit của số chu kỳ đến phá hoại.

3-2.5.1.2. Thí nghiệm cột cộng hưởng (ASTM D4015)

Thí nghiệm cột cộng hưởng (ASTM D4015 – Các phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn xác định mô đun và giảm chấn của đất bằng thiết bị cột cộng hưởng đế cố định) là thí nghiệm động, cung cấp các giá trị mô đun cắt ở biên độ biến dạng cắt nhỏ.

Thí nghiệm được thực hiện trong buồng ba trục cải tiến và có thể thực hiện trên mẫu nguyên dạng hoặc mẫu tái chế. Mẫu thí nghiệm hình trụ được gia tải bằng cách tác dụng mô men xoắn chu kỳ lên đỉnh mẫu, đồng thời đo chuyển vị góc phát sinh. Tải trọng chu kỳ thường tuân theo hàm hình sin, và tần số gia tải được thay đổi cho đến khi xác định được tần số cộng hưởng của mẫu thí nghiệm. Đây là thí nghiệm phức tạp và kết quả được sử dụng trong các phân tích chuyên sâu về kỹ thuật động đất.

3-2.5.1.3. Thí nghiệm ba trục chu kỳ xác định mô đun và giảm chấn (ASTM D3999)

Một phiên bản khác của thí nghiệm ba trục chu kỳ có thể được sử dụng để xác định mô đun Young cát tuyến và các hệ số giảm chấn (ASTM D3999 – Các phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn xác định mô đun và các đặc trưng giảm chấn của đất bằng thiết bị ba trục chu kỳ).

Thí nghiệm này có thể được thực hiện trên mẫu nguyên dạng hoặc mẫu tái lập, bão hòa hoặc bão hòa một phần. Có thể thí nghiệm cả đất hạt mịn và đất hạt thô. Mục đích chính của thí nghiệm là xác định các đặc trưng động của đất đối với phạm vi biến dạng từ khoảng 0.01% đến 0.5%. Mẫu thí nghiệm có thể được bão hòa bằng áp lực ngược, hoặc có thể được thí nghiệm trong điều kiện bão hòa một phần.

3-2.6. Các thí nghiệm tính nén lún

Có bốn thí nghiệm ASTM được sử dụng để xác định sự thay đổi thể tích của đất, được tóm tắt trong Bảng 3-6. Hai trong số các thí nghiệm này được xếp vào nhóm thí nghiệm cố kết, trong đó sự thay đổi thể tích của đất được xác định đối với sự thay đổi ứng suất tác dụng. Các thông tin cơ bản thu được từ thí nghiệm cố kết được trình bày trong Hình 3-12.

Hai thí nghiệm còn lại có thể được xếp vào nhóm thí nghiệm đáp ứng khi làm ướt, trong đó sự thay đổi thể tích của đất được đo khi đất được cho tiếp xúc với nước hoặc khi độ ẩm bị giảm.

Bảng 3-6. Các thí nghiệm thay đổi thể tích theo tiêu chuẩn ASTM

\(\\\)

3-2.6.1. Thí nghiệm cố kết gia tải từng cấp (ASTM D2435)

Thí nghiệm cố kết gia tải từng cấp, hay thí nghiệm cố kết theo từng cấp ứng suất (ASTM D2435 – Các phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn xác định đặc trưng cố kết một chiều của đất bằng gia tải từng cấp), đã có hơn 80 năm và là một thí nghiệm rất phổ biến trong thực hành địa kỹ thuật.

Hình 3-13 trình bày các thành phần cơ bản của thiết bị cố kết vòng cố định và vòng nổi. Thí nghiệm thường được thực hiện trên mẫu đất hạt mịn bão hòa, nhưng cũng có thể thực hiện trên đất bão hòa một phần, đất đầm chặt và đất tái chế.

Kích thước mẫu phổ biến nhất trong thực hành địa kỹ thuật tại Hoa Kỳ là mẫu hình trụ có đường kính 2.5 inch (63.5 mm) và chiều cao 1 inch (25.4 mm), mặc dù các thiết bị có kích thước khác cũng có bán trên thị trường. Mẫu thí nghiệm được đặt trong một vòng cứng nhằm ngăn đất nở hông trong quá trình gia tải, do đó toàn bộ chuyển vị là theo phương đứng. Loại thí nghiệm này còn được gọi là thí nghiệm nén một chiều.

Đá thấm thường được đặt ở phía trên và phía dưới mẫu thí nghiệm để cho phép thoát nước hai chiều. Thiết bị cố kết vòng cố định là loại phổ biến nhất trong thực hành địa kỹ thuật, nhưng thiết bị cố kết vòng nổi có thể được sử dụng nếu dự kiến có ma sát lớn giữa vòng và đất, ví dụ đất sét pha cát.

Khi tải trọng được tác dụng lên mẫu thí nghiệm, chuyển vị của bản ép trên được đo theo thời gian. Mỗi cấp tải thường được duy trì trong một khoảng thời gian nhất định, ví dụ 24 giờ, hoặc cho đến khi đạt kết thúc cố kết sơ cấp (EOP). Một ví dụ về đường cong thời gian – biến dạng, hay đường cong thời gian, cho một cấp tải được trình bày trong Hình 3-12.

Đường cong thời gian có ý nghĩa quan trọng vì giá trị hệ số cố kết \((c_v)\) được xác định từ đường cong này. Chi tiết về cách tính \(c_v\) từ đường cong thời gian có thể xem trong Chương 5 hoặc ASTM D2435.

Tải trọng tác dụng lên mẫu thí nghiệm thường được tăng gấp đôi cho mỗi cấp tải. Tỷ số gia tải từng cấp (LIR) được dùng để định lượng sự thay đổi tải trọng tác dụng lên mẫu thí nghiệm, và được định nghĩa như sau:

\[
LIR = \frac{\Delta \sigma}{\sigma_0} \tag{3-4}
\]

trong đó:
\(\qquad \qquad \Delta \sigma = \) sự thay đổi ứng suất tác dụng, và
\(\qquad \qquad \sigma_0 =\) ứng suất tổng ban đầu.

Giá trị \(LIR = 1\) tương ứng với việc tăng gấp đôi tải trọng lên mẫu thí nghiệm. Khi dỡ tải, thường dùng \(LIR = -0.75\), nghĩa là bỏ qua cấp tải ngay trước đó. Khi gia tải lại, thường dùng \(LIR = 4\), theo cùng các mức ứng suất của chu kỳ dỡ tải cho đến khi đạt đến tải trọng trước đó.

Mỗi tải trọng tác dụng lên mẫu thí nghiệm, bao gồm các chu kỳ dỡ tải, phục hồi và gia tải lại, tạo ra một điểm dữ liệu cho đường cong nén. Một ví dụ về đường cong nén được trình bày trong Hình 3-12. Phương pháp thông thường để vẽ đường cong nén là dùng hệ số rỗng trên trục tung và logarit của ứng suất thẳng đứng hữu hiệu trên trục hoành. ¹⁰

Đường cong nén được dùng để xác định áp lực tiền cố kết, hay ứng suất lớn nhất trong quá khứ (\(\sigma’_p\) hoặc \(P_p\)), chỉ số nén (\(C_c\)) và chỉ số nở (\(C_r\)). Đường cong nén cũng có thể được vẽ bằng biến dạng dọc trục thay cho hệ số rỗng. Đối với biểu đồ dùng biến dạng, các tham số nén là \(C_{\varepsilon c}\) và \(C_{\varepsilon r}\), thay cho \(C_c\) và \(C_r\).

Biến dạng hoặc hệ số rỗng dùng để vẽ đường cong nén có thể là giá trị ở cuối khoảng thời gian của cấp tải hoặc giá trị tại thời điểm kết thúc cố kết sơ cấp. Điều quan trọng là phải ghi rõ phương pháp được sử dụng trên biểu đồ.

¹⁰ Đường cong nén thường được gọi là đường cong “\(e-\log p’\)” trong các tài liệu địa kỹ thuật cũ.

Nếu sử dụng chu kỳ gia tải 24 giờ cho thí nghiệm cố kết theo từng cấp ứng suất, thí nghiệm có thể mất từ hai đến ba tuần để hoàn thành, tùy thuộc vào giá trị ứng suất lớn nhất và số vòng dỡ tải – gia tải lại.

Các phòng thí nghiệm thường cố gắng giảm thời gian thí nghiệm bằng cách gia tải lại mẫu thí nghiệm tại thời điểm kết thúc cố kết sơ cấp (EOP), thay vì theo các khoảng thời gian cố định. Nếu thí nghiệm được thực hiện bằng thiết bị tự động, thời điểm tương ứng với EOP thường được xác định bằng chương trình máy tính.

Việc sử dụng thời điểm EOP do máy tính tính toán có thể gây ra sai số, đặc biệt ở các mức ứng suất thấp, nơi biến dạng nhỏ. Nếu mẫu thí nghiệm được gia tải lại quá nhanh ở các giai đoạn đầu của thí nghiệm, phần dữ liệu còn lại có thể không sử dụng được và chất lượng thí nghiệm có thể bị ảnh hưởng.

3-2.6.2. Thí nghiệm cố kết với tốc độ biến dạng không đổi (ASTM D4186)

Thí nghiệm cố kết với tốc độ biến dạng không đổi, CRS (ASTM D4186 – Phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn xác định đặc trưng cố kết một chiều của đất dính bão hòa bằng gia tải kiểm soát biến dạng), có thể được sử dụng thay thế cho thí nghiệm cố kết theo từng cấp ứng suất.

Mẫu thí nghiệm CRS có cùng kích thước với mẫu của thí nghiệm theo từng cấp ứng suất. Một ưu điểm chính của thí nghiệm CRS là có thể thu được đường cong nén trong thời gian ngắn hơn nhiều so với thí nghiệm theo từng cấp ứng suất. Sơ đồ các thành phần cơ bản của thí nghiệm và dữ liệu thu được được trình bày trong Hình 3-14.

Thí nghiệm cố kết CRS có thể thực hiện trên mẫu đất nguyên dạng, cũng như trên mẫu đất đầm chặt và mẫu đất tái chế. Tuy nhiên, mẫu thí nghiệm cần được bão hòa trước khi nén. Như trình bày trong Hình 3-14, thiết bị cố kết cho thí nghiệm CRS rất giống với buồng ba trục. Mẫu thí nghiệm được bão hòa bằng áp lực ngược giống như mẫu ba trục. Áp lực buồng tác dụng trong buồng đóng vai trò là áp lực ngược trong quá trình thí nghiệm. Mẫu chỉ thoát nước ở phía trên; trong quá trình gia tải, áp lực nước lỗ rỗng dư được đo ở đáy mẫu.

Dựa trên giả định phân bố parabol của áp lực nước lỗ rỗng trong mẫu thí nghiệm, ứng suất hữu hiệu trung bình có thể được tính toán.

Mẫu thí nghiệm được gia tải với tốc độ biến dạng không đổi (\(\dot{\varepsilon}\)). Tốc độ biến dạng được chọn sao cho áp lực nước lỗ rỗng dư đo tại đáy mẫu không vượt quá 15% ứng suất tác dụng. Tốc độ dỡ tải mẫu thí nghiệm chậm hơn nhiều so với tốc độ gia tải, và các vòng dỡ tải – gia tải lại có thể làm thí nghiệm chậm đi đáng kể.

Một ưu điểm của thí nghiệm cố kết CRS là đường cong nén được xác định bởi nhiều điểm dữ liệu hơn so với thí nghiệm cố kết theo từng cấp ứng suất. Có rất nhiều điểm dữ liệu nên kết quả thường được biểu diễn dưới dạng một đường cong thay vì các điểm dữ liệu rời rạc. Điều này cho phép tăng độ phân giải của đường cong nén trong vùng lân cận áp lực tiền cố kết và cho phép xác định giá trị này chính xác hơn.

Thí nghiệm cố kết CRS cũng cho phép xác định hệ số cố kết (\(c_v\)) trên toàn bộ phạm vi tải trọng, miễn là áp lực nước lỗ rỗng dư nằm trong phạm vi chấp nhận được. Phương pháp xác định \(c_v\) này loại bỏ một phần tính chủ quan khi xác định \(c_v\) bằng các đường cong thời gian trong thí nghiệm cố kết theo từng cấp ứng suất.

3-2.6.3. Thí nghiệm trương nở và lún sụp (ASTM D4546)

Khi đất tự nhiên bão hòa một phần hoặc đất đầm chặt được cho tiếp xúc với nước, đất có thể trương nở ở ứng suất thấp hoặc lún sụp ở ứng suất cao. ASTM D4546 cho phép đo sự thay đổi thể tích của mẫu thí nghiệm như một hàm của ứng suất tác dụng.

Nếu đất không chịu ứng suất hông, có thể xảy ra trương nở tự do. Thường thì trương nở tự do được đo dưới ứng suất danh định 20 psf (0.96 kPa). Nếu áp lực được thay đổi để ngăn không cho xảy ra bất kỳ sự trương nở hoặc thay đổi thể tích nào, áp lực này được gọi là áp lực trương nở của đất. ASTM D4546 cho phép xác định độ trương nở tự do, áp lực trương nở và sự thay đổi thể tích dưới các ứng suất khác.

Thí nghiệm này rất giống thí nghiệm cố kết theo từng cấp ứng suất, và sử dụng cùng thiết bị cố kết. Tải trọng được tác dụng lên mẫu; sau khi mẫu đạt cân bằng dưới tải trọng, mẫu được ngập nước. Sự thay đổi thể tích do trương nở hoặc lún sụp được đo sau khi mẫu đạt trạng thái cân bằng mới. Hình 3-15 trình bày ví dụ về đường cong cho biết sự thay đổi thể tích của đất như một hàm của ứng suất tại thời điểm ngập nước.

3-2.6.4. Thí nghiệm chỉ số trương nở (ASTM D4829)

Thí nghiệm chỉ số trương nở (ASTM D4829 – Phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn xác định chỉ số trương nở của đất) xác định tiềm năng trương nở của đất, nhưng ít chặt chẽ hơn D4546. Thí nghiệm này không cung cấp các giá trị thiết kế kỹ thuật để tính toán sự thay đổi thể tích, mà cung cấp một chỉ số đơn giản để đánh giá tiềm năng trương nở của đất.

Thí nghiệm này được thực hiện trên đất đầm chặt. Công dụng chính của thí nghiệm chỉ số trương nở là đánh giá liệu đất đắp đầm chặt có thể gây vấn đề nếu công trình được xây dựng bên trên nó hay không.

Khuôn đầm nén có chiều cao xấp xỉ bằng một nửa khuôn đầm nén đường kính 4 inch (101.6 mm), thể tích 1/30 ft³ (944 cm³), dùng cho ASTM D698; và sử dụng cùng búa đầm nén như trong D698. Mục tiêu là đầm chặt mẫu bằng năng lượng D698 đến độ bão hòa 50%.

Tác dụng ứng suất thẳng đứng 1 psi (6.9 kPa), sau đó để mẫu đạt cân bằng trong 10 phút. Sau đó mẫu được cho ngập nước và được phép trương nở trong 24 giờ hoặc cho đến khi quá trình trương nở về cơ bản đã chấm dứt.

Chỉ số trương nở (Expansion Index, EI) bằng phần trăm trương nở nhân với 10. Tiềm năng trương nở được đánh giá theo các tiêu chí trình bày trong Bảng 3-7.

Bảng 3-7. Tiềm năng trương nở theo giá trị EI

3-2.7 Thí Nghiệm Hệ Số Thấm

Các thí nghiệm đo hệ số thấm hoặc độ thấm của đất đã được sử dụng từ những năm 1930. Nhìn chung, thí nghiệm đo hệ số thấm được sử dụng phổ biến hơn đối với đất hạt mịn so với đất hạt thô. Có nhiều tương quan hiện có đối với hệ số thấm của đất hạt thô, nhưng có rất ít tương quan đáng tin cậy đối với đất hạt mịn. Hiện nay, có hai thí nghiệm được chuẩn hóa theo ASTM để xác định hệ số thấm. Tuy nhiên, hệ số thấm cũng có thể được tính toán từ thí nghiệm cố kết gia tải từng cấp (incremental stress consolidation) và thí nghiệm cố kết với tốc độ biến dạng không đổi (constant rate of strain consolidation).

3-2.7.1 Thí Nghiệm Khuôn Đầm Nén (ASTM D5856).

Thí nghiệm khuôn đầm nén (ASTM D5856 – Standard Test Method for Measurement of Hydraulic Conductivity of Porous Material using a Rigid-Wall Compaction-Mold Permeameter — Phương Pháp Thí Nghiệm Chuẩn Đo Hệ Số Thấm Của Vật Liệu Xốp Bằng Thấm Kế Thành Cứng Dạng Khuôn Đầm Nén) được dùng cho đất đã đầm nén có hệ số thấm nhỏ hơn 10⁻³ cm/giây.

Thí nghiệm này có một nhược điểm lớn là mẫu thí nghiệm không thể được bão hòa hoàn toàn, do đó hệ số thấm đo được có thể thấp hơn giá trị thực tế. Ngoài ra, còn có vấn đề rò rỉ có thể xảy ra giữa mẫu thí nghiệm đã đầm nén và thành khuôn đầm nén. Thí nghiệm này phù hợp nhất khi dùng làm thí nghiệm kiểm soát chất lượng cho lớp lót sét đầm nén (compacted clay liner) trong bãi chôn lấp và hồ chứa.

3-2.7.2 Thí Nghiệm Thành Mềm (ASTM D5084).

Thí nghiệm thành mềm (ASTM D5084 – Standard Test Methods for Measurement of Hydraulic Conductivity of Saturated Porous Materials Using a Flexible Wall Permeameter — Phương Pháp Thí Nghiệm Chuẩn Đo Hệ Số Thấm Của Vật Liệu Xốp Bão Hòa Bằng Thấm Kế Thành Mềm) là thí nghiệm đo hệ số thấm thông dụng nhất. Thiết bị được sử dụng còn được gọi là thấm kế ba trục (triaxial permeameter) vì về cơ bản đây là một buồng ba trục nhưng không có cần gia tải (loading rod). Mẫu được bọc trong một màng mềm (flexible membrane), do đó không gặp phải vấn đề rò rỉ dọc theo thành bên như trong thí nghiệm D5856. Màng mềm sẽ ôm khít theo các điểm không đều trên bề mặt mẫu thí nghiệm. ASTM D5084 cũng cho phép mẫu thí nghiệm được bão hòa áp lực ngược theo cách tương tự như mẫu thí nghiệm ba trục CU và CD. Thí nghiệm hệ số thấm thành mềm cũng cho phép kiểm soát ứng suất cố kết hữu hiệu (effective consolidation stress) — điều mà thí nghiệm khuôn đầm nén không thể thực hiện được.

Phương pháp này chỉ được khuyến nghị áp dụng cho đất có hệ số thấm nhỏ hơn 10⁻⁴ cm/giây, do đó phù hợp nhất với đất hạt mịn hoặc đất có tỷ lệ hạt mịn đáng kể. Có thể sử dụng mẫu thí nghiệm nguyên khối, mẫu nhào lại, và mẫu đầm nén cho thí nghiệm này. Thí nghiệm này đòi hỏi kỹ năng đáng kể để thực hiện đúng cách, và có sáu phương pháp khác nhau để tạo dòng thấm qua mẫu thí nghiệm. Thí nghiệm đo hệ số thấm theo phương thẳng đứng, nhưng có thể cắt gọt mẫu nguyên khối theo các hướng khác nhau để đo tính dị hướng (anisotropy) của hệ số thấm.

3-2.7.3 Xác Định Hệ Số Thấm Từ Thí Nghiệm Cố Kết

Một trong những mục đích của việc thực hiện thí nghiệm cố kết là để xác định hệ số cố kết (coefficient of consolidation, \(c_v\)). Đối với thí nghiệm cố kết gia tải từng cấp (incremental stress consolidation test), \(c_v\) được tính toán từ các đường cong biến dạng theo thời gian bằng một trong nhiều phương pháp khác nhau. Đối với thí nghiệm cố kết với tốc độ biến dạng không đổi (CRS consolidation test), \(c_v\) có thể được tính toán tại mọi điểm mà tại đó áp lực nước lỗ rỗng dư thừa, ứng suất trung bình, và biến dạng đều đã biết.

Hệ số thấm của đất có quan hệ với giá trị \(c_v\) theo phương trình dưới đây:

\[k = c_v · m_v · \gamma_w \tag{3-5}\]

trong đó:
\(\qquad k =\) hệ số thấm hoặc độ thấm,
\(\qquad c_v =\) hệ số cố kết,
\(\qquad m_v =\) hệ số nén thể tích (coefficient of volumetric compressibility), và
\(\qquad \gamma_w =\) trọng lượng đơn vị của nước.

Hệ số nén thể tích có thể được xác định bằng cách vẽ biểu đồ biến dạng (trục y) theo ứng suất hữu hiệu số học (arithmetic effective stress, trục x) và xác định độ dốc của đồ thị tại giá trị ứng suất tương ứng với thời điểm tính c_v. Thí nghiệm cố kết hiếm khi được thực hiện chỉ để xác định hệ số thấm, nhưng nếu đã có sẵn số liệu này cho một dự án mà giá trị hệ số thấm bổ sung là hữu ích, thì chỉ cần rất ít công sức để tính toán hệ số thấm.

Cũng có thể xác định hệ số thấm từ giai đoạn cố kết của thí nghiệm ba trục CU và CD. Điều này thường đòi hỏi mẫu thí nghiệm chỉ được thoát nước ở hai đầu mẫu (không dùng dải giấy lọc thoát nước — filter paper drainage strips), và có thể cần phải cố kết mẫu theo từng cấp trước khi đạt đến ứng suất cố kết cuối cùng.

3-3. CÁC THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG TRÊN ĐÁ

ASTM cũng đề cập đến các thí nghiệm trong phòng trên mẫu đá, nhưng số lượng thí nghiệm đối với đá ít hơn nhiều so với đất. Hầu hết các thí nghiệm thông dụng trên đá tập trung vào cường độ chịu nén và chịu kéo. Bảng 3-8 liệt kê các thí nghiệm thông dụng trên đá hiện có tiêu chuẩn ASTM.

Bảng 3-8. Các thí nghiệm cường độ đá trong phòng theo tiêu chuẩn ASTM

\(\\\)

3-3.1. Thí nghiệm nén không nở hông (ASTM D7012)

ASTM D7012 (Các phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn xác định cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi của mẫu lõi đá nguyên dạng dưới các trạng thái ứng suất và nhiệt độ khác nhau) bao gồm nhiều nội dung hơn là chỉ thí nghiệm nén không nở hông.

Tiêu chuẩn này nêu bốn phương pháp thí nghiệm khác nhau; trong đó hai phương pháp đề cập đến cường độ chịu nén không nở hông. Hai phương pháp còn lại đề cập đến thí nghiệm nén ba trục của đá, vốn được sử dụng ít thường xuyên hơn so với đất.

Dạng cơ bản của thí nghiệm nén không nở hông, Phương pháp C, không đo biến dạng dọc trục trong quá trình gia tải và chỉ cung cấp cường độ chịu nén không nở hông. Cường độ thu được có thể được dùng cho thiết kế hoặc dùng như một chỉ tiêu của đá. Thí nghiệm thường được thực hiện trên mẫu lõi đá có đường kính 1.85 inch (47.0 mm), được gọt sao cho chiều cao ít nhất 3.7 inch (94.0 mm). Mẫu này tương ứng với ống lấy lõi NQ, nhưng cũng có thể sử dụng các mẫu lõi đá lớn hơn.

Mẫu có thể được gia tải với tốc độ tải trọng không đổi hoặc tốc độ biến dạng không đổi, được chọn sao cho phá hoại xảy ra trong 2 đến 15 phút. Thí nghiệm nén không nở hông của đá thường được thực hiện trên nhiều mẫu, vì cường độ chịu nén có thể thay đổi lớn do ảnh hưởng của các mặt yếu như khe nối, khe nứt, đứt gãy và các tính không đồng nhất khác trong đá. Kết quả chính của thí nghiệm nén không nở hông là cường độ chịu nén một trục \((\sigma_u)\).

3-3.2. Thí nghiệm ép chẻ mẫu trụ (ASTM D3967)

Thí nghiệm ép chẻ mẫu trụ (ASTM D3967 – Phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ của mẫu lõi đá nguyên dạng) được dùng như một phương án thay thế cho thí nghiệm kéo trực tiếp.

Mẫu thí nghiệm được gia tải theo phương đường kính thông qua các bản ép đầu bằng thép tôi cứng. Chiều dày mẫu thí nghiệm có thể dao động từ 0.2 đến 0.75 lần đường kính mẫu. Mẫu được gia tải với tốc độ đủ để gây phá hoại trong 1 đến 10 phút.

Kết quả chính của thí nghiệm này là cường độ chịu kéo khi ép chẻ \((\sigma_t)\). Mặc dù về mặt lý thuyết, cường độ chịu kéo thu được từ thí nghiệm ép chẻ mẫu trụ về cơ bản phải bằng với giá trị đo được từ thí nghiệm kéo trực tiếp, nhưng theo thông lệ, giá trị trước thường được gọi kèm chữ “ép chẻ”. Do kết quả thí nghiệm có tính biến thiên, thí nghiệm ép chẻ mẫu trụ thường được thực hiện trên nhiều mẫu.

3-3.3. Thí nghiệm cắt trực tiếp trên đá (ASTM D5607)

Thí nghiệm cắt trực tiếp trên đá (ASTM D5607 – Phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn thực hiện thí nghiệm cường độ cắt trực tiếp trong phòng trên mẫu đá dưới lực pháp tuyến không đổi) có thể được thực hiện trên mẫu đá nguyên dạng, cũng như trên các khe nối và bất liên tục.

Khác với thí nghiệm cắt trực tiếp thực hiện trên đất, thí nghiệm cắt trực tiếp trên đá thường được xem là thí nghiệm không thoát nước. Các thành phần cơ bản của thí nghiệm này giống với thí nghiệm cắt trực tiếp trên đất.

Thí nghiệm cắt trực tiếp trên đá thường được thực hiện với một phạm vi ứng suất pháp để xác định đường bao cường độ của vật liệu. Một khác biệt lớn là mẫu thí nghiệm thường được bọc trong xi măng thạch cao cường độ cao để cố định vị trí của mẫu trong hộp cắt. Ví dụ về bộ gá thí nghiệm được trình bày trong Hình 3-16.

Thí nghiệm cắt trực tiếp trên đá phức tạp hơn so với thí nghiệm tương ứng trên đất, do thiết bị phải đo được phạm vi rất rộng của tải trọng và chuyển vị. Đối với ứng suất pháp lớn, có thể cần tải trọng 50,000 lbs (222.4 kN) để làm phá hoại mẫu thí nghiệm cắt trực tiếp trên đá nguyên dạng, và phá hoại có thể xảy ra ở chuyển vị rất nhỏ, nhỏ hơn 0.01 inch (0.25 mm). Đối với khe nối trong đá ở ứng suất pháp thấp, tải trọng phá hoại có thể nhỏ hơn 100 lbs (0.45 kN), và chuyển vị tại phá hoại có thể lớn hơn 0.1 inch (2.54 mm). Hình 3-17 trình bày thiết bị cắt trực tiếp trên đá dùng cho tải trọng lớn và ứng suất pháp lớn.

3-3.4. Thí nghiệm cường độ tải điểm (ASTM D5731)

Thí nghiệm cường độ tải điểm (ASTM D5731 – Các phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn xác định chỉ số cường độ tải điểm của đá và áp dụng để phân loại cường độ đá) cung cấp một giá trị chỉ số về cường độ đá.

Thí nghiệm này có thể được thực hiện trên mẫu lõi đá hoặc các mảnh đá không đều có đường kính trong khoảng 1 inch đến 3 inch (25.4 mm đến 76.2 mm). Ảnh chụp thiết bị thí nghiệm cường độ tải điểm được trình bày trong Hình 3-18. Đường kính của mẫu thí nghiệm được xem là chiều dày mẫu giữa các điểm tiếp xúc của bản ép. Các bản ép tải là các côn cụt, với đầu côn là cung bán nguyệt có bán kính 0.2 inch (5.1 mm).

Thí nghiệm cường độ tải điểm cung cấp chỉ số cường độ tải điểm chưa hiệu chỉnh \((I_s)\). Giá trị này có thể được hiệu chỉnh để phản ánh sự khác nhau về kích thước mẫu thí nghiệm, và thường được chuẩn hóa về đường kính lõi tương đương 2 inch (50 mm). Giá trị đã hiệu chỉnh này được gọi là chỉ số cường độ tải điểm hiệu chỉnh theo kích thước \((I_{s(50)})\).

Kết quả của thí nghiệm cường độ tải điểm được sử dụng để phân loại đá và có thể tương quan với cường độ chịu nén một trục, nhưng các giá trị này không được xem là đủ độ tin cậy để dùng cho thiết kế.

3-4. CÁC THÍ NGHIỆM KHÁC TRÊN ĐẤT VÀ ĐÁ

Phần này của tài liệu đã đề cập đến các thí nghiệm phổ biến nhất trong thực hành địa kỹ thuật tại Hoa Kỳ, nhưng còn có hàng trăm thí nghiệm ASTM tiêu chuẩn hóa khác. Có các nhóm thí nghiệm đề cập đến đất bão hòa một phần, hỗn hợp đất – xi măng, than bùn và đất hữu cơ, địa kỹ thuật tổng hợp, cùng nhiều vật liệu khác được sử dụng trong các dự án kỹ thuật.

3-5. TÀI LIỆU ĐỌC THÊM

\(\\\)

3-6. KÝ HIỆU