Thử nghiệm ba trục 101: Hướng dẫn toàn diện từ lý thuyết để thực hành

Cho dù bạn là một kỹ sư địa kỹ thuật, một sinh viên tham gia vào lĩnh vực này, hoặc chỉ đơn giản là tò mò về cơ học đất, hiểu được bài kiểm tra ba trục là điều cần thiết. Đây là một trong những phương pháp phòng thí nghiệm được sử dụng rộng rãi nhất để đánh giá sức mạnh của đất, hành vi căng thẳng và biến dạng trong điều kiện mô phỏng trong mặt đất. Hướng dẫn này hướng dẫn bạn mọi thứ từ lý thuyết đến thực thi thực tế, không có biệt ngữ, chỉ là sự rõ ràng.

Hiểu những điều cơ bản: Bài kiểm tra ba trục là gì?

Thử nghiệm ba trục là phương pháp phòng thí nghiệm cơ học đất được sử dụng để xác định độ bền cắt ¹ và đặc điểm biến dạng ² của đất. Nó mô phỏng các điều kiện căng thẳng trong thế giới thực mà đất trải nghiệm bên dưới các cấu trúc, độ dốc hoặc kè.

Khái niệm chính:

• Ứng suất dọc trục (σ₁): Ứng suất thẳng đứng áp dụng cho mẫu đất.
• Cắt căng thẳng (σ₃): Áp lực áp dụng như nhau trên tất cả các mặt (ứng suất xuyên tâm).
• Áp lực nước lỗ rỗng (U): Áp lực bên trong trong các khoảng trống của đất, đặc biệt có liên quan trong đất bão hòa.

Một mẫu đất hình trụ, được đặt trong màng latex , được đặt bên trong buồng ba trục . Áp lực được áp dụng trong các giai đoạn được kiểm soát để quan sát làm thế nào đất bị hỏng hoặc biến dạng .

Kích thước mẫu thử nghiệm điển hình:

Thử nghiệm này cung cấp cái nhìn sâu sắc về căng thẳng , sự gắn kết và góc ma sát trong đó rất quan trọng đối với thiết kế địa kỹ thuật an toàn.

Các loại bài kiểm tra ba trục: UU, CU và CD giải thích

Tùy thuộc vào điều kiện thoát nước ³ và liệu mẫu có được hợp nhất hay không, có ba loại thử nghiệm ba trục chính:

1. Bài kiểm tra UU (không được hợp nhất)

• Không thoát nước trong quá trình thiết lập hoặc cắt.
• Nhanh chóng và đơn giản.
• Đo lường hoàn toàn căng thẳng .
• Thích hợp cho đất sét mềm trong tải ngắn hạn.

2. Bài kiểm tra Cu (Hợp nhất không thoát nước)

• Đất được hợp nhất dưới áp lực giới hạn, nhưng không được phép thoát nước trong khi cắt .
• Áp lực lỗ rỗng đo được⁴.
• Hữu ích cho phân tích căng thẳng hiệu quả.

3. Thử nghiệm Cd (Hợp nhất Rút nước)

• Hợp nhất đầy đủ và thoát nước trong cả hai giai đoạn.
• Được sử dụng để lâu dài .
• Mất nhiều thời gian hơn nhưng cung cấp đường dẫn căng thẳng hiệu quả đầy đủ.

Mỗi phương pháp cung cấp cái nhìn sâu sắc khác nhau tùy thuộc vào loại đất và kịch bản kỹ thuật .

Từ thiết lập đến thực thi: Quy trình kiểm tra từng bước

Thực hiện thử nghiệm ba trục đòi hỏi sự chú ý đến chi tiết và hiệu chuẩn. Đây là một quy trình làm việc chung được sử dụng trong các phòng thí nghiệm:

Thủ tục từng bước:

1. Chuẩn bị mẫu

   • Trim mẫu hình trụ thành kích thước tiêu chuẩn.
   • Bao bọc trong màng latex và đặt giữa các viên đá xốp.

2. Gắn trong tế bào ba trục

   • Niêm phong mẫu bên trong buồng.
   • Kết nối các đường thoát nước (cho các thử nghiệm Cu/CD) và cảm biến.

3. Giai đoạn hợp nhất (chỉ Cu/CD)

   • Áp dụng áp suất giới hạn (σ₃).
   • Cho phép mẫu hợp nhất theo thời gian.

4. Giai đoạn cắt

   • Tăng ứng suất dọc trục (σ₁) với tốc độ được kiểm soát.
   • Ghi lại biến dạng, tải và áp lực lỗ rỗng (nếu có).

5. Điểm thất bại

   • Xác định ứng suất lệch cực đại hoặc căng thẳng tới hạn.
   • Tiếp tục hoặc ngừng tùy thuộc vào thiết kế thử nghiệm.

Các công cụ chính được sử dụng:

• Khung tải (tải trục)
• Tế bào ba trục (áp suất giới hạn)
• Đầu dò áp suất (áp lực lỗ rỗng)
• LVDT (cảm biến dịch chuyển)
• Hệ thống thu thập dữ liệu

Kết quả diễn giải: Đường dẫn căng thẳng, phong bì thất bại và hiểu biết dữ liệu

Khi thử nghiệm hoàn tất, dữ liệu cho thấy cách đất hoạt động theo các đường tải khác nhau. Mục tiêu là để hiểu các thông số sức mạnh ⁵ , hành vi thoát nước ⁶ và cơ chế thất bại ⁷ .

Kết quả chính:

• Ứng suất lệch (σ₁ - σ₃): xác định cường độ tối đa.
• Áp lực lỗ rỗng (U): Được sử dụng để tính toán căng thẳng hiệu quả.
• Biến dạng trục (%): Đo mẫu biến dạng mẫu.

Đồ thị đầu ra:

• Đường cong căng thẳng căng thẳng : cho thấy độ cứng và cường độ cực đại.
• Áp lực lỗ rỗng so với căng thẳng : Cho biết đáp ứng thoát nước.
• Phong bì hình tròn & thất bại của Mohr : Tính toán sự gắn kết (c) và góc ma sát (φ) .

Ví dụ bảng đầu ra

Các giá trị này được sử dụng trong các phương trình thiết kế cho nền tảng, độ dốc, kè và cấu trúc giữ đất .

Phần kết luận

Thử nghiệm ba trục là một nền tảng của phân tích địa kỹ thuật hiện đại. Từ lý thuyết cơ bản đến thực hiện thực hành, nó cung cấp những hiểu biết quan trọng về sức mạnh và hành vi của đất trong điều kiện trong thế giới thực. Cho dù bạn đang mô hình hóa một nền tảng, thiết kế một con đập hoặc phân tích độ ổn định độ dốc, bài kiểm tra ba trục cung cấp dữ liệu bạn cần để xây dựng một cách an toàn và bền vững .