Bài giảng cơ học đất - địa kỹ thuật ( combo full slide 5 chương )

NỘI DUNG MÔN HỌCChương 1: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT Chương 2: PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG ĐẤT Chương 3: CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ HỌC VÀ TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN CHO NỀN Chương 4: ỔN ĐỊNH VÀ SỨC CHỊU TẢI CỦA

ĐỊA KỸ THUẬT 1

NỘI DUNG MÔN HỌC

Chương 1: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT

Chương 2: PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG ĐẤT

Chương 3: CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ HỌC VÀ TÍNH

TOÁN ĐỘ LÚN CHO NỀN

Chương 4: ỔN ĐỊNH VÀ SỨC CHỊU TẢI CỦA

NỀN Chương 5: ÁP LỰC ĐẤT TRÊN TƯỜNG CHẮN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Braja M Das

HÌNH THỨC KIỂM TRA

CHƯƠNG 1

BẢN CHẤT VẬT LÝ

CỦA ĐẤT

I.1 Quá trình tạo thành đất:

Đất được hình thành trên bề mặt trái đất do sự phá hoại

và làm thay đổi thành phần của đá gốc do tác dụng vật lý

và hoá học  quá trình phá hoại này gọi là phong hóa.

1.1.1 Phong hóa vật lý: đá bị phá hủy và biến đổi do

các tác nhân vật lý như nhiệt độ, gió…Đá bị vỡ vụn thành các hạt có kích thước không đều nhau nhưng thành phần khoáng vật và hóa học ít bị thay đổi.

1.1.2 Phong hóa hóa học: đá bị phá hủy và biến đổi

do các tác nhân hóa học như nước, O2 và CO2 trong không khí Phong hóa hóa học gây ra sự biến đổi

thành phần hóa học của các loại khoáng vật cấu tạo nên đá, do đó hình thành các khoáng vật thứ sinh bền vững hơn trong tự nhiên, cấu tạo và tính chất khác

với đá gốc ban đầu.

I.2 Các loại trầm tích và đặc điểm của nó

1.2.1 Tàn tích: Sau khi bị phong hóa, đất nằm

nguyên tại chỗ, các hạt của nó đều có góc

cạnh và thành phần hóa học không thay đổi

so với đá gốc

1.2.2 Sườn tích: Sản phẩm phong hóa bị nước

mưa, tuyết cuốn từ trên núi cao xuống lưng

chừng hoặc chân dốc rồi lắng đọng ở đó

I.3 Các pha tạo thành đất và tác động lẫn

nhau giữa chúng

Đất là loại vật thể rời, phân tán, không liên tục như các vật liệu khác Ở trạng thái tự nhiên đất là một hệ thống phức tạp bao gồm các hạt khoáng vật bé có kích thước khác nhau hợp thành Các hạt này tạo thành khung kết cấu có nhiều lỗ rỗng, trong đó chứa nước và khí Có thể xem đất gồm 3 thể (3 pha) tạo thành:

- Pha rắn: Hạt đất

- Pha lỏng: Nước trong đất

- Pha khí: Khí trong đất

I.3.1 Pha rắn:

Chiếm phần lớn thể tích của đất và ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của đất, gồm các hạt khoáng vật (hạt đất) có kích thước từ vài cm đến vài phần 100 hay vài phần 1000 mm

Tính chất của hạt đất phụ thuộc vào:

_ Thành phần khoáng: gồm các hạt nguyên

sinh và thứ sinh

Nguyên sinh: Mica, thạch anh, fenfat…

Thứ sinh: khoáng vật sét, mica trắng, thạch cao…

_ Thành phần hạt:

phân theo từng nhóm tùy thuộc vào kích thước của nó

• Thành phần cấp phối của một mẫu đất được

xác định từ Đường Cong Cấp Phối Hạt

Đường Cấp Phối Hạt là đường biểu diễn tỉ lệ

% các nhóm hạt khác nhau trong đất, được xác

định từ 2 Thí nghiệm Rây sàng và Lắng đọng

log D

% trọng lượng mịn hơn

2 3

1

Cở rây / số hiệu rây

Có nhiều dạng: đơn, cầu, hình góc cạnh, hình

phiến, lá, que, kim …

• Dạng thoai thoải (1): cấp phối tốt

• Dạng dốc đứng (2): cấp phối xấu

• Dạng bậc thang (3): cấp phối TB

1 Đường kính hiệu quả D 10 (effective size)

3.Hệ số đường cong (coefficient of curvature)

2 Hệ số đồng đều C u (uniformity coefficient)

CÁC HỆ SỐ

 Đất có tính cấp phối tốt nếu thoả đồng thời hai điều kiện sau:

Sạn: C u > 4 và 1 < C c < 3 Cát: C u > 6 và 1 < C c < 3

2 30

D D

D

C c





I.3.2 Pha lỏng:

Là nước trong các lỗ rỗng của đất, bao gồm:

a/ Nước trong hạt khoáng vật: là loại nước trong mạng tinh thể của đất tồn tại ở dạng phân tử H2O hoặc dạng ion Nước này chỉ có thể tách rời hạt khoáng vật ở nhiệt độ cao hoặc áp suất lớn,không ảnh hưởng nhiều đến tính ổn định và biến dạng của đất nền.

b/ Nước liên kết mặt ngoài:

•Nước hút bám: là loại nước bám rất chặt vào mặt ngoài hạt

đất Loại nước này không có khả năng hòa tan trong muối, không có khả năng dịch chuyển từ hạt này sang hạt khác, không truyền áp lực thủy tĩnh.

•Nước màng mỏng: gồm nước liên kết mạnh và nước liên kết

yếu

Nước liên kết mạnh: bám tương đối chặt vào các hạt

khoáng vật, không có khả năng hòa tan trong muối, không truyền áp lực thủy tĩnh nhưng có khả năng dịch chuyển từ hạt này sang hạt khác.

Nước liên kết yếu: là lớp nước ngoài cùng của hạt đất

có tính chất giống như nước ở thể lỏng thông thường.

c/ Nước tự do: bao gồm nước mao dẫn và nước trọng lực

•Nước mao dẫn: phát sinh do trong đất cĩ lỗ rỗng, dưới lực

căng mặt ngồi mà chúng tồn tại trong các lỗ rỗng chằng chịt

đĩ

•Nước trọng lực: tồn tại do quá trình chênh lệch cột áp.

Dưới tác dụng của tải trọng ngồi, nước tự do sẽ thốt ra

ngồi gây nên độ lún đáng kể của nền cơng trình Các cơng nghệ

xử lý nền hiện nay như giếng cát, bấc thấm… kết hợp với gia tải trước với mục đích làm cho nước tự do thốt ra trước khi xây

dựng cơng trình nhằm giảm độ lún của nền.

Hạt khoáng vật

Nước trong

hạt khoáng vật

Nước hút bám

Nước liên kết mạnh Nước liên kết yếu

Nước tự do (trong lỗ rỗng)

Nước màng mỏng

I.3.3 Pha khí:

Tồn tại bên trong lỗ rỗng, có thể hòa tan trong nước hoặc không, gồm

ngoài Nó ảnh hưởng rõ rệt đến tính biến

dạng của đất nền, tạo nên tính nén và tăng

tính đàn hồi của đất.

trọng khí này sẽ thoát ra ngoài gây nên độ lún của đất nền.

 Q = Qa + Qw + Qs

 V = Va + Vw + Vs  Vv = Va + Vw

TRỌNG LƯỢNG RiÊNG TỰ NHIÊN

(DUNG TRỌNG)

 Là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất ở

TRỌNG LƯỢNG RiÊNG NO NƯỚC

(BÃO HÒA)

 Là trọng lượng của một đơn vị thể

tích đất ở trạng thái no nước (bão hòa - các lỗ rỗng chứa đầy nước)

TRỌNG LƯỢNG RiÊNG ĐẨY NỔI

Là trọng lượng riêng của đất nằm dưới mực nước ngầm có xét đến lực đẩy Archimède, bằng tỷ số giữa trọng lượng nổi của phần thể rắn trong khối đất và thể tích của khối đất đó:

 Khi mẫu đất bão hoà hoàn toàn:

Được sử dụng trong tính toán nền móng khi phần đất đang xét nằm dưới MNN

3

TRỌNG LƯỢNG RiÊNG KHÔ

 Là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng thái hoàn toàn khô

Đơn vị: kN/m3; g/cm3; T/m3

 Trọng lượng riêng khô của đất được

sử dụng trong việc kiểm tra độ chặt của nền đường, nền san lấp

3

s d

Q

kN m V

Q

kN m V





Q



ĐỘ BÃO HÒA (ĐỘ NO NƯỚC)

 Là tỷ số giữa thể tích nước trong lỗ rỗng Vw và thể tích lỗ rỗng Vv

• Sr  50% : đất ít ẩm

• 50% < Sr  85% : đất hơi ẩm

• Sr > 85% : đất bão hòa.

Đơn vị: %

100%

w r

V e

V



v

V n

V



) 01 , 0 1



 100

d s

01 ,

0 1

d

01 ,

0 1

(



I.4.2 Các chỉ tiêu trạng thái

I.4.2.1 Các chỉ tiêu trạng thái của đất

dính (sét, sét pha cát, cát pha sét…)

Tùy theo độ ẩm mà đất hạt mịn cĩ thể ở những trạng thái khác nhau Ta cĩ thể biểu diễn các trạng thái của đất theo quan hệ W – V

T.thái dẻo

T.thái nhão

Độ ẩm tự nhiên W Giới hạn co: Wco

 Giới hạn dẻo: Wd = Wp

 Giới hạn nhão: Wnh = WL

Xác định chỉ số dẻo  Phân loại đất dính

Xác định trạng thái của đất dựa vào độ sệt

Phương pháp xác định giới hạn nhão: dùng chỏm cầu Casagrande

_ Dùng khoảng 100 g đất đã được sấy khô, nghiền nhỏ cho qua rây No.40 Trộn đất với nước vừa đủ nhão trên kính phẳng (hoặc trong chén sứ) và ủ đất tối thiểu trong khoảng thời gian là 2 giờ.

_ Cho đất vào khoảng 2/3 đĩa khum, tránh tạo bọt khí trong đất, để một khoảng trống ở phần trên chỗ tiếp xúc với móc treo chừng 1/3 đường kính đĩa, đảm bảo độ dày của lớp đất không nhỏ hơn 10 mm.

_ Dùng dao cắt rãnh chia đất ra làm 2 phần theo phương vuông góc với trục quay.

_ Quay đều cần quay với vận tốc khoảng 2 vòng/sec, đếm số lần rơi N cho đến khi đất trong đĩa khép lại một đoạn dài 12,7mm (1/2 inch).

_ Lấy khoảng 10g – 20g đất ở vùng xung quanh rãnh khép để xác định độ ẩm (cân mẫu đất  đem sấy khô  cân mẫu đất khô  xác định được độ ẩm).

_ Tăng hoặc giảm độ ẩm của mẫu đất và thực hiện lại thí nghiệm như trên khoảng 3 lần sao cho số lần rơi của lần thí nghiệm thứ nhất khoảng 1020; lần hai khoảng 2030; lần ba khoảng 3040.

Trét đất vào

Phương pháp xác định giới hạn dẻo: dùng

phương pháp lăn tay

_ Lấy phần đất dư ở thí nghiệm xác định giới hạn nhão, để khô cho gần đến giới hạn dẻo (cầm nắm không dính tay

nhưng vẫn còn tính dẻo).

_ Dùng 4 đầu ngón tay để lăn đất trên kính mờ cho đến khi trên thân các dây đất có xuất hiện các vết nứt mà khoảng

cách giữa các vết nứt khoảng10mm

• Nếu với đường kính đó, que đất vẫn chưa nứt thì đem vê nó thành hòn và tiếp tục lăn đến chừng nào đạt được kết quả như trên.

• Nếu trên dây đất có D>3mm mà đã xuất hiện vết nứt thì ta thêm nước vào, xe lại.

Lấy những dây đất đạt được điều kiện như trên đem xác định độ ẩm Độ ẩm này chính là giới hạn dẻo của đất.

I.4.2.2 Các chỉ tiêu trạng thái của đất rời

1

V e

V





e e

Đầm chặt thường được thực hiện bằng cách cơ học như đần lăn, đầm nện hoặc rung đất.

Giảm hệ số rỗng  giảm hệ số thấm của đất

Tăng độ bền chống cắt, do đó, tăng sức chịu tải của đất

Làm giảm độ lún của công trình

I.5.2 Dụng cụ xác định max trong Phòng

I.5.3 Mối quan hệ W,   max

S=1 S=0.8

Hệ số đầm chặt k

) ( max

) (

lab d

site d

k







I.6.4 Phân loại đất theo toán đồ dẻo của

I.6.4 Phân loại đất theo toàn đồ dẻo của

Casagrande:

CHƯƠNG 2

PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG ĐẤT

II.1 Khái niệm về ứng suất:

Định nghĩa: Ứng suất là cường độ của nội lực trên 1 đơn vị diện tích

• Phụ thuộc toạ độ của điểm đang xét.

• Phụ thuộc tới mặt phẳng xét ứng suất.

II.2.1 PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DO TRỌNG LƯỢNG BẢN THÂN:

US do trọng lượng bản thân đất nền tại 1 điểm

bất kì trong nền là do trọng lượng khối đất bên trên nó gây ra

 Phụ thuộc vào  và z

M

z, i

II.2.1.1 Khi không có Mực Nước Ngầm (MNN)

• Khi nền gồm nhiều lớp:

II.2.1.2 Khi có Mực Nước Ngầm (MNN)

II.2.1.3 Khi có Nước mao dẫn

 Trường hợp có nước mao dẫn thì áp lực

nước lỗ rỗng trong vùng nước mao dẫn có giá trị âm

II.2.1.4 Trường hợp nước có áp

Với H là chiều cao cột nước có áp

II.2.2 PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DO TẢI TRỌNG

NGOÀI

II.2.2.1 Bài toán cơ bản - Tải trọng tác dụng

là lực tập trung P:

Xét 1 điểm M, tại độ sâu z

trong nền đất, chịu tác

SM  

dR R

cos A

M M R

R

S S A A A e

dR dR R R dR R R dR A

Nếu quan hệ giữa US và Biến dạng là

tập trung theo phương đứng gây ra:

Thuận lợi hơn trong tính toán  Tra bảng:

3 5

z 



r/z k r/z k r/z k

0 0,4775 1,1 0,0658 2,1 0,0070 0,1 0,4657 1,2 0,0513 2,2 0,0058 0,2 0,4329 1,3 0,0402 2,3 0,0048 0,3 0,3849 1,4 0,0317 2,4 0,0040 0,4 0,3294 1,5 0,0251 2,5 0,0034 0,5 0,2733 1,6 0,0200 2,6 0,0029 0,6 0.2214 1,7 0,0160 2,7 0,0024 0,7 0,1762 1,8 0,0129 2,8 0,0021 0,8 0,1386 1,9 0,0105 2,9 0,0017 0,9 0,1083 2,0 0,0085 3,0 0,0015

Trường hợp có nhiều lực tập trung  Nguyên lý cộng tác dụng lực

i i i2

z 1

II.2.2.2 Bài toán không gian – Phân bố US

trong trường hợp bài toán không gian

A./ Tải trọng phân bố đều – Diện

z )

y ( )

x (

z 2

d d P 3

• Phân bố US ở trục đi qua tâm O của diện truyền tải:

l b

z

l b

4 arctg

z l

b ) z l

)(

z b

(

) z 2 l

b ( z l

b 2

P

o 2

2 1

2 1

1

1 2

2 1

2 1

2

2 1

2

2 1

2

2 1

2 1 1

l 4 b

4 z

l b

4 arctg

z l

4 b

4 ) z l

4 )(

z b

4 (

) z 2 l

4 b

4 ( z l b

4 2

P

g 2

2 1

2 1

1 1 2

2 1

2 1

2

2 1

2

2 1

2

2 1

2 1 1

Bảng tra giá trị k o để tính US nén dưới tâm diện

truyền tải hình chữ nhật khi chịu tải phân bố đều

z/b

l/b

0,25 0,808 0,904 0,908 0,912 0,924 0,940 0,960 0,96 0,5 0,696 0,716 0,734 0,762 0,789 0,792 0,820 0,82

1 0,386 0,428 0,470 0,500 0,518 0,522 0,549 0,55 1,5 0,194 0,257 0,288 0,348 0,360 0,373 0,397 0,40

2 0,114 0,157 0,188 0,240 0,268 0,279 0,308 0,31

3 0,058 0,076 0,108 0,147 0,180 0,188 0,209 0,21

5 0,008 0,025 0,040 0,076 0,096 0,108 0,129 0,13

Bảng tra giá trị k g để tính US nén tại góc diện truyền

tải hình chữ nhật khi chịu tải phân bố đều

• Phân bố US tại những điểm bất kì trên diện truyền tải:Dùng phương pháp điểm góc để tính

M

z

Xét 1 điểm M nằm ở độ sâu z

• Vẽ diện truyền tải

truyền tải tại O

song với 2 cạnh của diện truyền tải và cắt 2 cạnh tại E,F,L,K

• Phân bố US tại những điểm bất kì nằm ngoài

diện truyền tải:

Xét 1 điểm M nằm ở độ sâu z, bên ngoài DTT

M

z

Tương tự như trường hợp trên

B./ Tải trọng phân bố hình tam giác – Diện truyền tải hình chữ nhật :

x

y

z

l o

Bảng tra giá trị k’ T để tính US nhỏ nhất tại góc diện truyền

tải hình chữ nhật khi chịu tải phân bố hình tam giác

0 0,25 0,50 1,0 1,5 2,0 3,0 5,0

0,15 0 0,020 0,021 0,010 0,010 0,070 0,004 0,001 0,30 0 0,031 0,037 0,020 0,020 0,013 0,007 0,003 0,60 0 0,035 0,053 0,039 0,039 0,029 0,015 0,006 1,00 0 0,036 0,060 0,053 0,053 0,039 0,022 0,009 1,50 0 0,037 0,061 0,063 0,063 0,049 0,029 0,012 2,00 0 0,037 0,062 0,068 0,068 0,055 0,035 0,017 3,00 0 0,037 0,063 0,071 0,071 0,059 0,041 0,022 6,00 0 0,037 0,063 0,071 0,071 0,062 0,046 0,026 10,0 0 0,038 0,064 0,072 0,072 0,063 0,048 0,030

Bảng tra giá trị k T để tính US lớn nhất tại góc diện truyền tải hình chữ nhật khi chịu tải phân bố hình tam giác

0 0,25 0,50 1,0 1,5 2,0 3,0 5,0

0,15 0.250 0,136 0,101 0,025 0,012 0,008 0,005 0,001 0,30 0.250 0,186 0,116 0,051 0,026 0,017 0,010 0,004 0,60 0.250 0,206 0,160 0,085 0,050 0,031 0,016 0,007 1,00 0.250 0,209 0,170 0,108 0,069 0,045 0,024 0,009 1,50 0.250 0,210 0,173 0,113 0,080 0,056 0,033 0,014 2,00 0.250 0,211 0,175 0,117 0,087 0,064 0,041 0,019 3,00 0.250 0,211 0,175 0,119 0,090 0,071 0,047 0,025 6,00 0.250 0,211 0,176 0,120 0,092 0,075 0,051 0,029 10,0 0.250 0,212 0,177 0,121 0,093 0,076 0,052 0,032

II.2.2.3 Bài toán phẳng:

A./ Tải trọng phân bố đều hình băng

là bài toán thường gặp trong thực tế, khi công trình có

1 cạnh rất dài so với cạnh còn lại (VD nền đường, đê, đập)

Để đơn giản cho việc tính toán, công thức trên được rút gọn

Bảng tra giá trị k z , k x , k để tính US do tải phân bố

B./ Tải trọng phân bố hình tam giác

Bảng tra giá trị k z để tính US do tải phân bố đều tam

Bảng tra giá trị k x để tính US do tải phân bố đều tam

Bảng tra giá trị k để tính US do tải phân bố đều tam

CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT VÀ TÍNH TOÁN

ĐỘ LÚN NỀN

CHƯƠNG 3

III.1 Các tính chất cơ học của đất

Vì trong đất còn tồn tại các lỗ rỗng chứa

nước, nên dưới tác dụng của tải trọng

ngoài, nước trong đất sẽ thấm qua các lỗ

rỗng của đất.

III.1/Tính thấm của đất

Tính thấm nhiều hay ít, lưu tốc lớn hay nhỏ sẽ ảnh hưởng đến độ lún của nền.

a) Định luật thấm Darcy

Đối với đất có kích thước hạt cát trở lên thì

dòng thấm tuân theo quy luật chảy tầng và

định luật thấm sẽ tuân theo định luật Darcy:

L







Hệ số thấm k : là một đặc trưng quan trọng để đánh giá tính thấm của đất, phụ thuộc vào

từng loại đất :

Đất cát k = 1.10 -1  1.10 -4 cm/s

Đất cát pha sét k = 1.10 -3  1.10 -6 cm/ s

Đất sét pha cát k = 1.10 -5  1.10 -8 cm/s Bụi k = 1.10 -6  1.10 -8 cm/s

Đất sét k = 1.10 -7  1.10 -10 cm/s

b) Gradient thuỷ lực ban đầu trong đất sét

Vì trong đất sét có lượng nước kết hợp lớn nên qui luật thấm sẽ xãy ra phức tạp hơn trong cát.

Nguyên nhân: là do nước kết hợp có tính nhớt cao nên nó cản trở tính thấm

 Do vậy, khi gradient thủy lực trong đất sét

lớn hơn một giá trị nhất định thì hiện tượng thấm mới xãy ra và gradient thủy lực này gọi

là gradient thủy lực ban đầu.

Đường 2: quan hệ V- i trong đất sét, được chia thành 3 giai đoạn

• Giai đoạn 1 (0  1): biểu thị gradient thủy lực ban đầu i 0 , khi ii o

 v~0  hiện tượng thấm không xãy ra

• Giai đoạn 2 (1  2): biểu thị gradient thủy lực vượt qua i’ , hiện tượng thấm xảy ra khi i>i’

• Giai đoạn 3 (2  3): Trong tính toán ta thay 0-1-2-3 = 0-1’-2-3  v=

k ( i-i’)

III.2) Định luật biến dạng của đất

Đồng hồ đo

Đối trọng

Đồng hồ đo

Đối trọng

Dùng bàn nén đặt tại đáy hố móng Dùng kích thủy lực

để nén (có đối trọng tương đương với áp lực của công trình).

Đo chuyển vị của bàn nén dựa trên các đồng hồ đo

biến dạng S 1 , S 2 , S 3 , … tương ứng với mỗi cấp áp lực p 1 , p 2 , p 3 , … cho đến lúc đạt tải trọng tới hạn P ult (trong khoảng 1 giờ, độ lún s nhỏ hơn 0.2mm)