BÀI GIẢNG CƠ HỌC ĐẤT

Độ ẩm tự nhiên của đất W thường biểu thị bằng % * ĐN: là tỷ số giữa trọng lượng nước chứa trong lỗ rỗng của đất với trọng lượng hạt rắn.. + Sấy khô mẫu ở nhiệt độ 105 °C ÷ 110 °C đến khố

+ Quá trình tạo ra hạt đất: quá trình phong hóa (PH).

+ Quá trình di chuyển và tích tụ: quá trình trầm tích.

Hai quá trình trên diễn ra xen kẽ lẫn lộn → hình thành đất

Hai quá trình trên diễn ra xen kẽ, lẫn lộn → hình thành đất.

1

1 Quá trình phong hóa

* Định nghĩa: là quá trình phá hoại và làm thay đổi thành

phần đá gốc tạo ra các sản phẩm PH dưới tác dụng vật lý, hóa học, sinh học.

* Phân loại: Phân loại: - Phong hóa vật lý Phong hóa vật lý

- Phong hóa hóa học

Ph hó i h h

- Phong hóa sinh học Theo quan điểm XD: chỉ nghiên cứu PH vật lý và PH hóa học.

2

a Phong hóa vật lý

- Định nghĩa: PH vật lý là PH do sự thay đổi đột ngột về nhiệt

độ, áp suất, và sự va chạm ộ, p , ự ạ gây ra, làm cho đá gốc bị phá hoại g y , g ị p ạ

và vỡ vụn tạo ra sản phẩm PH vật lý.

- Đặc điểm của sản phẩm PH vật lý: Đặc điểm của sản phẩm PH vật lý:

+ bề mặt góc cạnh, gồ ghề;

+ kí h th ớ t hỏ khô đề

+ kích thước to nhỏ không đều;

+ thành phần khoáng vật và hóa học không thay đổi hoặc

ít thay đổi so với đá gốc;

+ không có khả năng kết dính g g

→ được gọi là các hạt đất rời – là thành phần chính của đất

rời, đại diện là cát.

3

rời, đại diện là cát.

b Phong hóa hóa học

- Định nghĩa: PH hóa học là PH do các tác động hóa học gây

ra Yếu tố gây ra PH hóa học: nước ôxy axit cacbonic trong

ra Yếu tố gây ra PH hóa học: nước, ôxy, axit cacbonic trong không khí.

Tá độ hó h ả t ê bề ặt tiế ú iữ h t đất Tác động hóa học xảy ra trên bề mặt tiếp xúc giữa hạt đất

và môi trường → biến đổi thành phần khoáng vật gốc của hạt

đá bị ỡ thà h h t ất hỏ

→ đá bị vỡ vụn thành hạt rất nhỏ.

Hạt càng bé → diện tích bề mặt S / 1 đơn vị khối lượng càng lớn → tác động hóa học xảy ra càng mạnh → các hạt càng dễ bị chia nhỏ.

- Đặc điểm của sản phẩm PH hóa học:

Phân loại theo nguồn gốc phong hóa

Đất rời: đá dăm, cuội sỏi, các loại cát.

ể Đặc điểm: kích thước hạt to.

2 loại ạ rời rạc, không dính ạ , g

Quá trình trầm tích bao gồm sự di chuyển và tích tụ Sự

di chuyển do trọng lượng bản thân hạt đất, do nước, do gió,

-Đặc điểm của 2 loại trên:

+ không phân lớp hoặc chiều dày lớp đất không đều;

+ thành phần và kích thước hạt lộn xộn, không đều;

7

+ giữa đất và đá gốc có mặt phân cách nghiêng → CT XD

trên khu vực này dễ mất ổn định.

b Di chuyển do nước cuốn trôi (bồi tích, sa tích)

- Khi xây dựng CT trên các loại đất này cần quan tâm đến biến dạng, đặc biệt là biến dạng không đều do các dị lớp.

8

* Trầm tích biển: Trầm tích biển: đất được hình thành do tác dụng vận đất được hình thành do tác dụng vận

chuyển của dòng nước biển Trầm tích biển (chủ yếu là sét và

bùn) có tính chất rất khác nhau.

9

§2 Các thành phần của đất

Đấ á h đấ lỗ ỗ ( ớ khí) Đất = các hạt đất + lỗ rỗng (nước, khí).

- Trường hợp thông thường: đất gồm 3 pha

- Trường hợp đặc biệt: đất gồm 2 pha

+ đất khô hoàn toàn: hạt đất và khí + đất khô hoàn toàn: hạt đất và khí + đất bão hoà: hạt đất và nước.

Các thành phần hạt đất – nước – khí có tác động qua lại lẫn nhau và ảnh hưởng đến tính chất chung của cả tập hợp ( ứ à ủ ấ )

- Hạt đất thường có kích thước từ vài centimet đến vài phần Hạt đất thường có kích thước từ vài centimet đến vài phần

trăm hoặc vài phần nghìn milimet.

H t đất hì h d bất kỳ tỷ

- Hạt đất: hình dạng bất kỳ, tỷ trọng Δ, chìm lắng trong dung

ôi ậ tố V

Vđ

Vc Quả cầu

* Nhóm hạt: là tập hợp các hạt đất có kích thước thay đổi trong

một phạm vi nào đó ộ p ạ

VD: Hạt có kích thước d 1 < d ≤ d 2 : nhóm hạt kích thước (d 1 , d 2 ]

* Hàm lượng nhóm hạt p(d1 d2]: Hàm lượng nhóm hạt p(d1, d2]: là phần trăm theo trọng là phần trăm theo trọng

lượng của nhóm hạt đó trong loại đất nghiên cứu (tính theo

phần trăm trong tổng trọng lượng khô).

] ( d d

% 100 ] , ( ]

hợp hàm lượng tất cả các cỡ hạt chứa trong đất ấy.

* Hàm lượng tích lũy đến đường kính d, ký hiệu p d (%) : là hàm

hạt đất: đá sỏi, cát to, cát vừa, cát nhỏ, bụi, sét.

Phân loại và đặt tên nhóm hạt theo d (TCVN):

* Dụng cụ thí nghiệm: Bộ rây tiêu chuẩn

- Theo Tiêu chuẩn Nga: g 10 – 5 – 2 – 1 – 0,5 – 0,25 – 0,1 (mm) ( )

- Cân mẫu xác định tổng trọng lượng ban đầu QΣ.

- Cho mẫu đất qua bộ rây TN, sau đó lắc hoặc rung cho hạt q ộ y , ặ g ạ

có kích thước nhỏ hơn rơi xuống dưới.

- Cân lượng đất trên từng rây và ở ngăn đáy được Cân lượng đất trên từng rây và ở ngăn đáy được Q Q i i → → chính là trọng lượng nhóm hạt Q(d1, d2].

Phần lọt qua rây cuối cùng được phân tích tiếp bằng

- Phần lọt qua rây cuối cùng được phân tích tiếp bằng phương pháp thủy lực (phương pháp tỷ trọng dựa vào định luật Stock kết hợp với nguyên lý tỷ trọng kế)

16

Nguyên lý TN + Lấy đất TN cho vào bình chứa nước;

+ Khuấy đều dung dịch, theo dõi sự chìm y g ị , ựlắng của các hạt đất trong bình;

+ áp dụng: -p ụ g nguyên lý tỷ trọng kế g y ý ỷ ọ g

- định luật Stock:

(*)18

2

μ

o d

11%

32 54

82 92

p (%) Đường cong cấp phối hạt (tích lũy hạt)

10

2 30

d d

C c = [1, 3]: phân phối đều đặn.

Quy ước: đất có C u > 4, C c = [1, 3]: được coi là có cấp phối tốt, thích hợp cho sử dụng làm vật liệu XD.

20

ố , c ợp c o sử dụ g vậ ệu

* Phân loại chi tiết đất rời (xem bài 6).

- Hạt kích thước lớn: hình dạng hạt đất ảnh hưởng nhiều đến

tính chất của đất.

VD: cùng 1 loại cát nhưng hạt có hình dạng góc cạnh sắc

ộ

nhọn, nhờ có sự xen kẽ vào nhau mà có cường độ lớn hơn hạt

có kích thước tương tự nhưng dạng tròn nhẵn.

thành phần khoáng sẽ khác nhau.

* Khoáng nguyên sinh: thành phần khoáng không thay đổi

hoặc ít thay đổi so với đá gốc (do PH vật lý gây ra).

- thường gặp: fenpat, mica, thạch anh

- Đặc điểm: + kích thước lớn

+ góc cạnh rời rạc

22

+ góc cạnh, rời rạc.

* Khoáng thứ sinh: thành phần khoáng thay đổi so với đá gốc

(do PH hóa học gây ra).

- thường gặp: khoáng thứ sinh không hòa tan trong nước:

Kaolinit Ilit Montmorilonit; khoáng thứ sinh hòa tan trong

Kaolinit, Ilit,Montmorilonit; khoáng thứ sinh hòa tan trong

nước: Canxit, mica trắng, thạch cao, muối mỏ…

20

tính chất cơ – lý của đất.

II Nước trong đất

* Nước trong đất tồn tại dưới nhiều dạng, tùy theo dạng tồn

t i à tá d khá h đế tí h hất ủ đất tại mà tác dụng khác nhau đến tính chất của đất.

* V A Priklonxki (1955) kiến nghị: nước trong bản thân hạt

đất và nước ngoài hạt đất.

- Nước trong bản thân hạt đất: g ạ có dạng tinh thể, có thể coi là ạ g ,

1 bộ phận của hạt khoáng → ít ảnh hưởng đến tính chất của đất.

- Nước ngoài hạt đất: gồm nước liên kết và nước tự do.

Vậy nói đến nước trong đất chính là nói nước ngoài hạt đất Vậy, nói đến nước trong đất chính là nói nước ngoài hạt đất.

24

* Xét tương tác giữa hạt sét – nước

Nước tự do 1/4 Hạt sét

Nước LK yếu Nước LK mạnh

nước màng, nước liên kết mạnh, nước liên kết yếu.

a Nước màng (nước hút bám): bám rất chặt ngay ngoài hạt đất và được coi là 1 phần của hạt đất không tách ra được ít ảnh hưởng đến tính chất của đất Đất sét chỉ có nước màng thì nó ở trạng thái rắn

thì nó ở trạng thái rắn.

26

b Nước liên kết mạnh: bám tương đối chặt xung quanh hạt

đất, chịu ảnh hưởng lớn của lực hút điện Nước liên kết mạnh , ị g ự ệ ạ

ảnh hưởng nhiều đến tính dính của đất.

* Đặc điểm: Đặc điểm: - khác nước thông thường: khác nước thông thường:

- Độ nhớt cao; không di chuyển dưới tác dụng của áp lực.

c Nước liên kết yếu: y chịu ảnh hưởng yếu của lực hút điện ị g y ự ệ

* Đặc điểm : - Có tính chất gần giống nước thông thường:

tỷ trọng = 1

- tỷ trọng = 1 Tính dẻo của đất xuất hiện khi có đủ nước liên kết yếu và kết

ấ bị há h i Độ ẩ ủ đất khi ó đủ ớ liê kết ế

27

cấu bị phá hoại Độ ẩm của đất khi có đủ nước liên kết yếu

gọi là độ ẩm phân tử tối đa hay độ ẩm giới hạn dẻo.

2 Nước tự do

ằ

* Nước tự do là nước nằm ngoài phạm vi của lực hút điện.

- Nước tự do có tính chất như nước thông thường, di chuyển ự g g, y trong đất do trọng lượng bản thân hoặc do lực hút dính (lực mao dẫn) )

a Nước trọng lực: nước di chuyển do trọng lượng bản thân (do có áp lực).

b Nước mao dẫn: nước di chuyển do lực mao dẫn (do trong đất có nhiều lỗ rỗng nối với nhau)

* Có 3 vấn đề cần quan tâm:

ấ + Khả năng hòa tan và phân giải của đất + Ảnh hưởng của áp lực thủy tĩnh đối với đất và CT.

28

+ Ảnh hưởng của lực thấm đối với sự ổn định của đất.

* Có 2 loại khí trong đất Có oạ t o g đất

- Khí hở: khí liên thông với môi trường bên ngoài.

Khí kín: khí không liên thông ới môi trường bên ngoài

- Khí kín: khí không liên thông với môi trường bên ngoài.

* Khí kín ảnh hưởng nhiều đến tính chất của đất, đặc biệt là

+ Các chỉ tiêu vật lý xác định bằng TN bắt buộc ậ ý ị g ộ (các chỉ tiêu (

cơ bản): biểu diễn bản chất của đất.

+ Các chỉ tiêu vật lý tính đổi (tính toán được từ các chỉ tiêu + Các chỉ tiêu vật lý tính đổi (tính toán được từ các chỉ tiêu TN): nhấn mạnh 1 tính chất nào đó.

Để nghiên cứu tính chất vật lý của đất người ta dùng sơ đồ

- Để nghiên cứu tính chất vật lý của đất, người ta dùng sơ đồ

3 pha để mô tả các khối đất.

1 Trọng lượng riêng tự nhiên của đất (t l ợ

1 Trọng lượng riêng tự nhiên của đất (trọng lượng riêng ướt hay trọng lượng thể tích đất tự nhiên) γ w (kN/m 3 ; N/cm 3 ).

dao vòng hoặc thả trong nước).

Cân xác định trọng lượng mẫu Q.

Phương pháp dao vòng

* Dụng cụ TN: Dụng cụ TN: Dao vòng; Cân kỹ thuật độ chính xác 0,01g Dao vòng; Cân kỹ thuật độ chính xác 0,01g

* Cách TN: - Cân dao vòng xđ trọng lượng Q o ;

* Dụng cụ TN:Dụng cụ TN: paraphin, cân thủy tĩnh paraphin, cân thủy tĩnh

* Cách TN: - Cân mẫu xác định trọng lượng Q;

Nhúng mẫu vào sáp đã nóng chảy;

- Nhúng mẫu vào sáp đã nóng chảy;

- Cân mẫu đã bọc sáp trong nước bằng cân thủy tĩnh Q 1

33

Dựa vào nguyên lý Acsimet: thể tích của mẫu đã bọc sáp =

thể tích phần nước mà đất chiếm chỗ → thể tích đất V.

2 Độ ẩm tự nhiên của đất W (thường biểu thị bằng %)

* ĐN: là tỷ số giữa trọng lượng nước chứa trong lỗ rỗng của đất với trọng lượng hạt rắn ọ g ợ g ạ

% 100

+ Cân xác định trọng lượng mẫu Q = Q + Q h

+ Cân xác định trọng lượng mẫu Q Q n + Q h + Sấy khô mẫu ở nhiệt độ 105 °C ÷ 110 °C đến khối lượng không đổi

Tỷ trọng hạt là tỷ số giữa trọng lượng riêng hạt với trọng

lượng riêng của nước ở điều kiện tiêu chuẩn.

h h

γ =

= Δ

II Các chỉ tiêu vật lý tính đổi

1 Trọng lượng riêng khô (γ k ): là trọng lượng của một đơn vị

II Các chỉ tiêu vật lý tính đổi (tiếp)

7 Trọng lượng riêng bão hòa (trọng lượng riêng no nước)

(γ bh , γ ): là trọng lượng của 1 đơn vị thể tích đất ở trạng thái

(γ bh , γ nn ): là trọng lượng của 1 đơn vị thể tích đất ở trạng thái

bão hòa (các lỗ rỗng chứa đầy nước).

8 Trọng lượng riêng đẩy nổi (γ ) (trọng lượng riêng của đất

8 Trọng lượng riêng đẩy nổi (γ đn ) (trọng lượng riêng của đất

nằm dưới mực nước ngầm): là trọng lượng của 1 đơn vị thể

1 Trọng lượng riêng khô:

V h

bh Q Q

Q + γ bh = n γ o + m γ h

V n

Q h Q

V bh

Q bh

V h

− Δ

γ γ γ

4 Độ ẩm toàn phần (độ ẩm bão hòa)

V đn

h Q

bh n Q bh

W =

h

o

e bh

II Các chỉ tiêu tính đổi

Công thức định nghĩa Công thức tính toán

Công thức định nghĩa Công thức tính toán

1 Trọng lượng riêng khô:

V h

h

n o

Q h

Q

V bh

Q bh

V h

− Δ

4 Độ ẩm toàn phần

V đn

h

Q n

Q bh

W =

h

o

e bh

h e

γγ

8 Độ bão hòa

n

V G

S( ) S (G )= 0,01W Δ

40

r

V n G

S( )=

e G

S ( )

§5 Trạng thái của đất – Các chỉ tiêu đánh giá trạng

thái của đấtKhái niệm trạng thái của đất gắn liền với phẩm chất XD của

đất.

Trạng thái của đất được mô tả theo 3 khả năng đánh giá ạ g ợ g g

phẩm chất XD của đất: Tốt - Vừa - Xấu.

Chỉ tiêu trạng thái là chỉ tiêu dùng để đánh giá trạng thái của

a Đánh giá theo hệ số rỗng e

e = [e min , e max ]

Nhận xét: e nhỏ: đất tốt e lớn: đất xấu

→ chia đoạn [e min min , e max max ] ra làm 3 đoạn đều nhau.

Biểu diễn trên trục số

Với cát thạch anh, trạng thái được đánh giá theo bảng sau:

Bảng phân loại trạng thái của cát thạch anh theo hệ số rỗng

Loại đất ạ Hệ số rỗng Hệ số rỗng e e ứng với trạng thái ứng với trạng thái

Chặt Chặt vừa Rời (xốp) Cát thô ( át t ) át ừ 0 55 0 55 ≤ ≤ 0 7 0 7

Cát thô (cát to), cát vừa e < 0,55 0,55 ≤ e ≤ 0,7 e > 0,7

Nhận xét: khi e = e min → D = 1; khi e = e max → D = 0

⇒D ∈ [0, 1] Trong đoạn [0, 1] chia giá trị D ra làm 3 đoạn:

⇒D ∈ [0, 1] Trong đoạn [0, 1] chia giá trị D ra làm 3 đoạn:

Thí nghiệm xác định e max , e min

γ

γ

→ để có e max phải có γ k min , để có e min phải có γ k max → thực chất TN phải

tạo ra γ k max , γ k min .

TN á đị h Sấ khô át â ẫ á đị h t l Q

TN xác định e max : - Sấy khô cát, cân mẫu xác định trọng lượng Q h ;

- Rót nhẹ vào ống đo thể tích sao cho đất ở trạng thái xốp nhất →

k V

Q

=min

γmin

V

minγ

45

1max

V

=maxγ

c Đánh giá theo kết quả xuyên tĩnh (CPT): q c (III.4 – 124)

Giá trị q c (MPa) ứng với trạng thái Loại đất

Rời (xốp) Chặt vừa Chặt Cát thô, cát vừa q c < 5 5 ≤ q c ≤ 15 q c > 15 Cát nhỏ q c < 4 4 ≤ q c ≤ 12 q c > 12

ẩ ẩ Cát bụi: -ít ẩm,ẩm

0 < S ≤ 0 5 át ít ẩ

0 < S ≤ 0,5: cát ít ẩm 0,5 < S , ≤ 0,8: , cát rất ẩm 0,8 < S ≤ 1,0: cát bão hòa

(S = 1,0: cát bão hòa hoàn toàn)

48

II Trạng thái của đất dính

1 Khái niệm

* Với đất dính tác động tương hỗ giữa hạt sét và nước có ảnh ộ g g g ạ

hưởng quan trọng đến tính chất của đất → dùng độ ẩm để

đánh giá trạng thái đất dính Tùy lượng nước mà đất ở trạng

hái Cứ ( ắ ) Dẻ Chả ( hã )

thái: Cứng (rắn) – Dẻo – Chảy (nhão).

- Dẻo: ta có thể tạo hình từ mẫu đất mà vẫn giữ nguyên hình

d ( hì h à khô biế hì h)

dạng (tạo hình mà không biến hình);

- Chảy (nhão): ta tạo hình mà không giữ nguyên được hình

- Độ ẩm trung gian: đất ở trạng thái dẻo – Vừa

* Độ ẩm giới hạn: độ ẩm ranh giới giữa các trạng thái.

- Độ ẩm giới hạn dẻo W d (PL – Plastic limit): độ ẩm ranh giới giữa trạng thái cứng và trạng thái dẻo;

- Độ ẩm giới hạn chảy W ch (W nh ) (LL – Liquid limit): độ ẩm ranh giới giữa trạng thái dẻo và trạng thái chảy;

- W d ,W ch : các giới hạn Atterberg.

* Biểu diễn độ ẩm trên trục số

Cứng (rắn) Dẻo Chảy (nhão) Cứng (rắn) Dẻo Chảy (nhão)

50

* Kết hợp độ ẩm tự nhiên W với các giới hạn Atterberg để

phân loại trạng thái đất dính như sau:

W < W d : trạng thái cứng (rắn);

W ≤ W ≤ W : trạng thái dẻo;

W d ≤ W ≤ W ch : trạng thái dẻo;

W > W ch (W nh ): trạng thái chảy (nhão).

* Khi độ ẩ ủ đấ dí h ở iữ iới h hả à iới h

* Khi độ ẩm của đất dính ở giữa giới hạn chảy và giới hạn

dẻo → đất có tính dẻo.

- Phạm vi biến thiên độ ẩm trong đó đất có tính dẻo gọi là chỉ

số dẻo A (PI – Plastic Index): A = W ch – W d

- Mỗi loại đất có A khác nhau→ dùng A xác định tên đất dính

* Độ sệt B (xác định trạng thái đất dính)

d W

0 ≤ B ≤ 1

B > 1

Dẻo Chảy (nhão)

Sét pha, sét B < 0

0 ≤ B ≤ 0,25

Cứng (rắn) Nửa cứng (nửa rắn)

0,25 < B ≤ 0,5 0,5 < B ≤ 0,75

Dẻo cứng Dẻo mềm

0,5 B ≤ 0,75 0,75 < B ≤ 1,0

B > 1

Dẻo mềm Dẻo chảy (dẻo nhão) Chả ( hã )

52

B > 1 Chảy (nhão)

2 Các thí nghiệm xác định giới hạn Atterberg:

* Các TN này là TN xác định độ ẩm của đất ở các trạng thái

giới hạn (TTGH).

- TN xác định các giới hạn Atterberg thường mang tính quy

ước.

* TN gồm g 2 giai đoạn: g ạ

- Giai đoạn 1: tạo mẫu đến TTGH dẻo (hoặc chảy)

Giai đoạn 2: xác định độ ẩm của đất ở TTGH

- Giai đoạn 2: xác định độ ẩm của đất ở TTGH.

53

Cách TN

- Giai đoạn 1:

+ tạo mẫu đến TTGH dẻo;

+ lăn mẫu đất TN bằng mu bàn tay trên tấm kính nhám đến khi tạo thành que đất có d = 3mm đồng

thành que đất có d 3mm, đồng thời trên thân que có xuất hiện những vết nứt chân chim , khi đó

những vết nứt chân chim , khi đó đất đã đạt tới TTGH dẻo.

Giai đoạn 2: xác định độ ẩm của

- Giai đoạn 2: xác định độ ẩm của những que đất đã đạt tới TTGH dẻo

chảy Đem mẫu đất đó đi xác định độ

ẩm được độ ẩm giới hạn chảy W ch .

đất TN

§6 Phân loại đất

* Mục đích: dựa vào các dấu hiệu đặc trưng (chỉ tiêu vật lý)

để á tê à t thái h ỗi l i đất ó hữ hì h

để gán tên và trạng thái cho mỗi loại đất → có những hình

dung ban đầu về phẩm chất XD của đất.

ố

* Các hệ thống phân loại hiện nay dựa vào:

- Cấp phối hạt;

- Các giới hạn Atterberg.

* Có 2 hệ thống lớn được sử dụng trên thế giới để phân loại Có 2 hệ thống lớn được sử dụng trên thế giới để phân loại

- Tiêu chuẩn Nga hiện nay (Tiêu chuẩn Liên Xô cũ);

- Hệ thống phân loại thống nhất USCS trong quy phạm Mỹ

(do Casagrande đề nghị)

57

I Phân loại theo tiêu chuẩn Nga

* Đất chia làm 2 nhóm lớn: đất rời và đất dính Không có quy định chặt chẽ mà chủ yếu dựa vào:

- nhận biết trực tiếp bằng mắt hoặc bằng tay (vê đất);

Tảng lăn Các hạt có d > 200mm chiếm trên 50%

Dăm cuội Các hạt có d > 10mm chiếm trên 50%

Sỏi sạn (sỏi) Các hạt có d > 2mm chiếm trên 50%

Cát sỏi (cát sạn) Các hạt có d > 2mm chiếm trên 25%

Cát sỏi (cát sạn) Các hạt có d > 2mm chiếm trên 25%

Cát thô (cát to) Các hạt có d > 0,5 chiếm trên 50%

ế Cát vừa (cát trung) Các hạt có d > 0,25 chiếm trên 50%

II Phân loại theo hệ thống thống nhất USCS:

- Chữ đầu: tên thành phần hạt cơ bản;

- Chữ sau: tên thành phần hạt lẫn hay tính chất cơ bản của

Nếu p(d > 4 76mm ↔ N°4) > 50% :cuội sỏi (chữ thứ nhất G)

- Nếu p(d > 4,76mm ↔ N°4) > 50% :cuội sỏi (chữ thứ nhất G)

CH

đường A:PI=0,73(LL-20)

40 30

CH CL

20 10

OH và MH ML

10

10 20 30 40 50 60 70 80 90

ML OL

CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT

* Khái niệm:

- Các tính chất cơ học của đất chịu ảnh hưởng nhiều của Các tính chất cơ học của đất chịu ảnh hưởng nhiều của

nước trong lỗ rỗng và khả năng giải phóng nước ra khỏi

lỗ rỗng → khi nghiên cứu cần chú ý đến sự vận hành

lỗ rỗng khi nghiên cứu cần chú ý đến sự vận hành

của nước (sự thay đổi lượng nước → thay đổi tính chất

của đất).

* Tính chất cơ học của đất

- Tính cường độ - tính bền (tính chống cắt) : cho biết khả

- Tính cường độ - tính bền (tính chống cắt) : cho biết khả năng tiếp nhận tải trọng;

Tính biến dạng : lún và lún theo thời gian;

- Tính biến dạng : lún và lún theo thời gian;

- Tính thấm (tính chất đặc thù của đất) Tính thấm sẽ

ả h h ở đế í h biế d à í h ờ độ ảnh hưởng đến tính biến dạng và tính cường độ.

* Tính thấm của đất là tính chất của đất cho phép dòng

nước chảy qua trong một điều kiện thuận lợi nào đó

nước chảy qua trong một điều kiện thuận lợi nào đó.

- Dòng nước chảy qua đất gọi là dòng thấm

- Trong đất tồn tại các lỗ rỗng nền tất cả các loại đất

trong thiên nhiên ít nhiều đều thấm nước.

- Tính thấm của đất phụ thuộc vào:

+ Kích thước lỗ rỗng g (điều kiện bên trong); ( ệ g);

+ Áp lực dòng thấm (điều kiện bên ngoài).

Kích thước lỗ rỗng lớn áp lực dòng thấm lớn nước

Kích thước lỗ rỗng lớn, áp lực dòng thấm lớn → nước

càng dễ thấm qua đất, và ngược lại.

2 Cột nước áp, chiều cao cột nước áp, áp lực nước tại một điểm

* Khảo sát một nền đất như sau I AB = ΔH AB /L AB

- Đặt vào điểm A, B (dưới MNN) trong đất các ống đo áp

→ nước dâng lên trong ống Có 2 khả năng: nước trong

ống bằng MNN và nước trong ống cao hơn MNN.

+ Cột nước trong ống đo gọi là cột nước áp lực

+ Chiều cao từ điểm đo đến mặt nước trong ống gọi là

chiều cao cột nước áp , ký hiệu h p Chiều cao này phụ

thuộc vào áp lực nước p tại điểm đo:

p

ho

h

γ

=

γ o : trọng lượng riêng của nước, γ o ≈ 10 (kN/m 3 )

p A : áp lực nước tại điểm A;

p A : áp lực nước tại điểm A;

h pA : chiều cao cột nước áp tại điểm A.

3 Cột nước thế, cột nước tổng và chênh cao cột nước giữa hai điểm

- Kéo dài ống đo đến một mặt chuẩn nào đó → cột nước trong ống đo gọi là cột nước tổng

trong ống đo gọi là cột nước tổng

- Chiều cao từ mặt chuẩn đến mặt nước trong ống gọi là chiều cao cột nước tổng , ký hiệu h

c ều c o cộ ước ổ g , ý ệu

- Cột nước và chiều cao cột nước từ vị trí điểm đo đến mặt chuẩn gọi là gọ cột nước và chiều cao cột nước thế năng ộ ộ g , ký hiệu ý ệ

h z .

Ta có biểu thức quan hệ sau: h = h z + h p

ΔH AB : chênh cao cột nước giữa 2 điểm A và B.

ΔH AB = (h A – h B )

* Điều kiện cần để có dòng chảy giữa hai điểm A và B là

ΔH AB ≠ 0:

- Nếu ΔH AB > 0 dòng chảy theo hướng từ A đến B ;

- Nếu ΔH AB < 0 dòng chảy theo hướng từ B đến A

4 Gradient thủy lực I

ổ

* Gradient thủy lực là cường độ trung bình sự thay đổi

chiều cao cột nước tổng trên một đơn vị chiều dài.

L: khoảng cách giữa 2 điểm đang xét.

* Trường hợp tổng quát viết dưới dạng vi phân:

dL

H d

I = Δ

dL

Khi L → 0 thì gradient thủy lực trung bình I dần tới giá

trị gradient thủy lực tại một điểm i(x) dh )(x

trị gradient thủy lực tại một điểm i(x)

dx

x dh x

nước thấm qua diện tích tiết diện trong thời gian t;

t : thời gian thấm (s); g ( ); A : diện tích tiết diện dòng thấm ệ ệ g

L ý Diệ tí h thấ A b ồ ả ốt đất >

Lưu ý : Diện tích thấm A bao gồm cả cốt đất: v thực > v

Do nước chỉ thấm qua lỗ rỗng: v thực = v/n = v(1 + e)/e

1 TN thấm cột nước không đổi

* TN thấm cột nước không đổi thích hợp cho các loại đất TN thấm cột nước không đổi thích hợp cho các loại đất

có tính thấm cao - đất rời.

* Cách TN: Mở van K K ; điều chỉnh K sao cho

* Cách TN: - Mở van K 1 , K 2 ; điều chỉnh K 2 sao cho

lưu lượng ra q = const

- Đo chênh cao cột nước ΔH = h 1 – h 2

* Kết quả TN: Kết quả TN là cặp giá trị { ΔH, Q} hay

ố ấ

{ ΔH, q} Hệ số thấm xác định theo công thức:

L Q L

q v

k

H At H

A I

k

Δ

= Δ

=

=

Sơ đồ thí nghiệm thấm cột nước không đổi

ấ Nước cấp

q

K 2 q

2 Thí nghiệm thấm cột nước thay đổi

* TN thấ ột ớ th đổi á d h l i đất ó

* TN thấm cột nước thay đổi áp dụng cho loại đất có

tính thấm nhỏ - đất dính (do khó xác định được lưu

lượng nước ra)

lượng nước ra).

- Khi mở 1 cặp van bất kỳ → cột nước trong ống đo cũng là nguồn cấp nước thấm qua mẫu g g p q

- Cao trình mực nước ra không đổi → gradient thủy lực giảm dần.

- Chiều cao cột nước tại thời điểm t bất kỳ là h(t) , gradient thủy lực của dòng thấm qua mẫu là:

khoảng thời gian đó: dQ = -a.dh

- Cân bằng lượng nước ta có: v(t).A.i(t) = -a.dh

hay .

.

)

a A

k dh

a dt

A t h

y

) (

.

t h

a L

dh a dt

A L

t

t L

A k

.

2

1 2

1

h

h L a h

h L a

)

2 1

2

2

t t A t

t A

L : chiều dài của mẫu thí nghiệm ;

A : diện tích tiết diện của mẫu đất;

A : diện tích tiết diện của mẫu đất;

a : diện tích tiết diện của ống đo;

C ội ỏi h (khô ó h t hỏ) 10 100

Cuội sỏi sạch (không có hạt nhỏ) 10 - 100

Đối với đất hạt thô (đất rời): I > 0 là xuất hiện dòng

- Đối với đất hạt thô (đất rời): I > 0 là xuất hiện dòng thấm.

Đối ới đất h t ị (đất dí h) I hải lớ h I* à

- Đối với đất hạt mịn (đất dính): I phải lớn hơn I* nào

đó mới xuất hiện dòng thấm I* gọi là gradient thủy lực

b đầ ủ đất ban đầu của đất

- Tuy nhiên, rất khó xác định I* nên thực tế khi tính

ằ toán, thay đường cong 0 – 1 – 2 - 3 bằng đường 0 – 1’ – 2 – 3, với 1’ là giao của đường 3 - 2 với trục hoành.

- Gọi I o : gradient thủy lực ban đầu quy ước.

Biểu đồ quan hệ giữa vận tốc thấm và gradient thủy lực

* Điều kiện đủ để xuất hiện dòng thấm: I > I o

V Hệ số thấm tương đương của nền nhiều lớp

1 Thấm song song với các lớp đất (thấm ngang)

n n

bh v q

q = ∑ = ∑ h 1 , k h1

- I = I i = const

)(1 1

i i

i i

h k

i i hi i

i

hi bh bI k h Ik

)(

tđ

h k q

h H

1

∑

=

n i i

tđ

h I

H b I k

1

.

2 Thấm vuông góc với các lớp đất (vuông góc)

Lớp thứ i có chiều dày h hệ số thấm đứng k

i vi

2 Thấm vuông góc với các lớp đất (vuông góc)

Vận tốc thấm trung bình tính qua hệ số thấm tương

ΔH

n i

I k v

tđ i i

k v

=

= Δ

∑

=

i i

=

Δ

i vi

i i

i

k

h v h H

1 1

Mở van K: do chênh cao cột nước → nước thấm qua

- Mở van K: do chênh cao cột nước → nước thấm qua mẫu Lực thấm J hướng lên tác động lên các hạt đất.

A: diện tích tiết diện ngang của mẫu.

- Áp lực thấm j là lực thấm trên một đơn vị diện tích

A H

o

A L

A H V

J

=

Δ

=

=

2 Gradient thủy lực tới hạn

Nếu gradient thủy lực I tăng áp lực thấm j tăng đến

- Nếu gradient thủy lực I tăng, áp lực thấm j tăng đến

thắng được trọng lượng bản thân các hạt → các hạt bị

đẩy nổi lơ lửng: hiện tượng “đất sôi”

- Gradient thủy lực giới hạn xuất hiện hiện tượng đất sôi

( j) i là di t thủ l tới h i

đn o

b Thiết lập điều kiện xói ΔH ới

b Thiết lập điều kiện xói ngầm:

- Hệ số an toàn xói ngầm Fs:

* Xảy ra xói ngầm: Fs ≤ [Fs] o

đn đn

I j

§2 Tính biến dạng của đất

* Khái niệm

- Khi tải trọng tác dụng → nền đất bị biến dạng (BD)

- Khi tải trọng tác dụng → nền đất bị biến dạng (BD).

BD nén gây ra chuyển vị đứng (BD lún) là phổ biến hơn

ả BD ủ đất Lú

cả → BD của đất ≡ Lún

- BD của đất = chuyển vị đứng do BD hạt đất + BD của

nước trong lỗ rỗng + BD của lỗ rỗng.

+ Do tải trọng CT thường nhỏ → (BD hạt đất + BD của

nước trong lỗ rỗng) là không đáng kể → bỏ qua.

Giả thiết cơ bản: BD của đất chủ yếu là do giảm thể tích y g

BD do phản lực đất nền gây ra; để bàn nén luôn tiếp xúc với đất nền; tải trọng tác dụng lên đất phân bố bậc nhất ; ọ g ụ g p ậ

- Hệ gia tải gồm: kích thủy lực và đối trọng:

+ Kích thủy lực: y ự năng lực = (1,5 g ự ( , ÷ 2,0) tải dự kiến sử , ) ự dụng.

+ Đối trọng: dầm đỡ gắn chặt vào neo xoắn Số lượng

+ Đối trọng: dầm đỡ gắn chặt vào neo xoắn Số lượng dầm và neo tùy thuộc vào tải trọng.

Đồng hồ đo lún: có độ chính xác 0 01mm; bố trí tối

- Đồng hồ đo lún: có độ chính xác 0,01mm; bố trí tối thiểu 2 chiếc đối xứng qua bàn nén.

c Cách thí nghiệm

- Tải tăng dần (hoặc giảm dần) từng cấp Mỗi cấp tải

- Tải tăng dần (hoặc giảm dần) từng cấp Mỗi cấp tải

được giữ không đổi Tải thẳng đứng P i → áp lực nén p i :

P A

P

i = A: diện tích của bàn nén

+ p i → S i = f(t)

- Thời gian t đủ lớn g (t = ( ∞): S ) i i → S i i∞∞ (dần ổn định): tăng ( ị ) g

tải; hoặc tăng không ngừng: dừng TN.

- Ở mỗi cấp duy trì tải đến khi đạt ổn định lún quy ước :

- Ở mỗi cấp, duy trì tải đến khi đạt ổn định lún quy ước :

độ lún của bàn nén ≤ 0,01mm sau khoảng thời gian 1h

p 1

p i 0

S n

Biểu đồ quan hệ (p, t); (S, t) Biểu đồ quan hệ (p, S)

e Diễn dịch kết quả

Xác định môđun biến dạng của đất E ứng với một cấp

Xác định môđun biến dạng của đất E o ứng với một cấp

tải nào đó:

) 1

( μ2

S pb

o

) 1

=

p: cấp tải trọng tác dụng lên nền;

S: độ lún của đất (khi TN) tương ứng với cấp tải p;

b: cạnh của bàn nén vuông hoặc đường kính của bàn

nén tròn;

ω: hệ số hình dạng: ω = 0,88 (bàn nén vuông); ω = 0,79

(bà é ò )

(bàn nén tròn);

μo : hệ số biến dạng ngang (hệ số nở ngang) = f(loại đất).

e Diễn dịch kết quả (tiếp)

* Kết quả TN bàn nén còn dùng để dự báo tải trọng giới hạn tác dụng lên nền dựa vào sự thay đổi tốc độ lún trong 1 khoảng thời gian đặc trưng lựa chọn Tải trọng ứng với sự thay đổi đột ngột tốc độ lún được coi là tải trọng giới hạn p Tải trọng cho phép tác dụng lên nền trọng giới hạn p cd Tải trọng cho phép tác dụng lên nền lấy bằng (0,7 ÷ 0,8)p cd

f Ư h điể

f Ưu nhược điểm:

* Ưu điểm: Phản ánh tương đối phù hợp tình hình làm

ấ ề việc của đất nền dưới tác dụng của các loại tải trọng.

* Hạn chế: ạ - Phạm vi áp dụng ít phổ biến do TN khó ạ p ụ g p

áp dụng khi nghiên cứu các lớp đất ở sâu.

- Kích thước đáy bàn nén sai khác nhiều Kích thước đáy bàn nén sai khác nhiều

so với kích thước thật của móng.

2 Các đặc điểm biến dạng (tiếp)

* Lún của nền tăng theo

- Khi tải trọng đủ lớn, quan

hệ giữa độ lún và tải trọng gần là phi tuyến.

- Phần phục hồi lại được

khi dỡ tải: biến dạng đàn S

khi dỡ tải: biến dạng đàn

- Phần không phục hồi lại

được khi dỡ tải: biến

dạng dư (S ) S đh

g Đường dỡ

- BD dư và BD đàn hồi đều giảm

p 1 p 2 p g

nhưng BD dư giảm nhanh hơn.

- Số lần nén – dỡ đủ lớn, cuối Số lần nén dỡ đủ lớn, cuối cùng chỉ còn DB đàn hồi → đất đạt TTGH nén chặt dưới tải p 1

đạt TTGH nén chặt dưới tải p 1

- Khi tải vượt quá p 1 , BD dư lại xuất hiện và làm tương tự → đất S xuất hiện và làm tương tự → đất đạt tới TTGH nén chặt mới TN trùng phục

S

II Thí nghiệm nén đất trong phòng: TN nén 1

chiều không nở ngang

1 Sơ đồ thí nghiệm

P Nắp truyền lực

S Đồng hồ đo c.vị

- Hộp nén: đủ cứng (để mẫu không biến dạng ngang khi TN);

- Nắp truyền lực (tấm nén): truyền tải trọng tập trung thẳng đứng P thành ứng suất nén phân bố đều σ lên ẫ

mẫu;

- Đồng hồ đo biến dạng: g ạ g độ chính xác 0,01mm (gắn trực ộ , (g ự tiếp lên trên nắp truyền lực;

- Dao vòng: Dao vòng: dùng để lấy mẫu TN; dùng để lấy mẫu TN;

- Đá thấm: để thoát nước (lót đá thấm trên và dưới mẫu)

mẫu).

3 Trình tự thí nghiệm

- Khi TN mẫu đất nằm trong dao vòng và được đặt

trong hộp nén (mẫu không có biến BD);

- Tải trọng tác dụng lên mẫu tăng dần theo từng cấp

(cấp sau gấp đôi cấp trước) Mỗi cấp tải được giữ không

cấp tải tiếp theo.

- Ở mỗi cấp, duy trì tải đến khi đạt ổn định lún quy ước :

ẫ

độ lún của mẫu ≤ 0,01mm sau khoảng thời gian 30 phút

với cát; 3h với cát pha và 12h với sét, sét pha

4 Kết quả thí nghiệmMỗi ấ t th đ ặ ố liệ ( S ) ( ) hờ

- Mỗi cấp ta thu được cặp số liệu (σi , S i ) → (σi , e i ) nhờ giả thiết V h = const

) 1

i o

h

S e

e = − + S h i o : độ lún ổn định cấp tải thứ i; : chiều cao ban đầu của mẫu; Kết quả TN được biểu diễn bằng đồ thị quan hệ giữa

)

o o i

o : hệ số rỗng ban đầu của mẫu.

- Kết quả TN được biểu diễn bằng đồ thị quan hệ giữa ứng suất nén σ và hệ số rỗng e dưới 2 dạng:

+ Dạng e = f( σ): dùng phổ biến trong tài liệu ĐC của VN

+ Dạng e = f(lg σ): dùng phổ biến ở các nước phương Tây.

- Cả 2 dạng đồ thị trên đều được gọi là ạ g ị ợ gọ đường cong nén g g

Từ đó, xác định được các đặc trưng BD.

Xác định e i từ hệ số rỗng cấp cuối cùng e n

* Thực tế sau khi nén đến cấp tải cuối cùng n, TN xác

định lại γ w-c , W c ,Δc → hệ số rỗng cấp cuối e c ≡ e n :

1 ) 01 , 0 1 (

i i i

S h

S S e e

e

* Giải theo e i-1 ta có:

1

1 1

e e

i i

S h

S S

a Đường cong nén e = f( σ), hệ số nén a của đất

* Độ dốc của đường cong de/d σ biểu thị mức độ BD của nền

e

e o σ1 σ2 =σ1 +Δσ

mức độ BD của nền đất.

* Th tế ời t e 1

Δσ

* Thực tế, người ta dùng độ dốc trung

bì h ủ đ ờ

e 1 e

Δe

α

bình của đường cong trên 1 khoảng thay đổi à đó ủ ứ

1

σ σ

* Trong TN nén 1 chiều với V = const thì khi gia tăng

* Trong TN nén 1 chiều, với V h = const thì khi gia tăng ứng suất lên 1 lượng Δσ, độ lún tương ứng của mẫu là

S( Δh) ứng với sự giảm thể tích là ΔV giảm hệ số rỗng là

S( Δh) ứng với sự giảm thể tích là ΔV , giảm hệ số rỗng là

Δe Ta có quan hệ:

e S

S V

h : chiều cao ban đầu của mẫu;

h o : chiều cao ban đầu của mẫu;

A: diện tích tiết diện mẫu;

Thay Δe = aΔσ ta có:

V m

V

a V

V e

V e

=Δ

e 1 : hệ số rỗng trước khi gia tăng ứng suất Δσ;

e 2 : hệ số rỗng sau khi gia tăng ứng suất Δσ.

Hệ số nén thể tích m v (a o ) của đất (tiếp)

* Nếu sự thay đổi ứng suất Δσ = 1 thì m v = ΔV khi V = 1

hay y m v v chính là lượng thay đổi của thể tích đơn vị khi ợ g y ị

ứng suất tăng 1 đơn vị và được gọi là hệ số nén thể tích.

= Δ

= Δ

) lg( σ2 − σ1

c TN mẫu đất ở độ sâu h nào đó trong nền đất

* Ở t thái t hiê hâ tố đất t i độ â h hị

* Ở trạng thái tự nhiên, phân tố đất tại độ sâu h chịu tác dụng của trọng lượng bản thân các lớp đất bên trên:

Ứng suất nén theo phương đứng (ứng suất lớp phủ) σ’ v

( σ’ z ) = γ tb h ; hệ số rỗng tự nhiên tương ứng e v

* Lấy mẫu, ứng suất giảm về 0 ⇒ đất trải qua quá trình

dỡ tải làm mẫu bị nở ra, hệ số rỗng xác định theo các chỉ

tiêu vật lý là hệ số rỗng ban đầu e o = e v + Δe Do đất có tính nở thấp nên coi e v ≡ e o :

1 ) 01 , 0 1 ( +

1 ) 01 , 0 1

o

γ

C c C

c TN mẫu đất ở độ sâu h nào đó trong nền đất (tiếp)

Điể B( ’ ) đất ở t thái t hiê

- Điểm B( σ’ v , e v ) : đất ở trạng thái tự nhiên;

- Điểm A(0, e o ) : đất sau khi nở ra do giảm ứng suất vì

lấ ẫ (điể bắ đầ TN é )

lấy mẫu (điểm bắt đầu TN nén);

- Đoạn BA: đường cong nở do giảm ứng suất;

- Đoạn AD: đường cong nén lại;

- Đoạn ADEC: đường cong nén nguyên thủy đối với ạ g g g y y

mẫu đã giảm ứng suất;

- BC: đường cong nén thực sự của đất BC: đường cong nén thực sự của đất.

- Điểm B phụ thuộc độ sâu lấy mẫu, đường cong nén

không phụ thuộc vào độ sâu lấy mẫu được sửa đổi như

lấy mẫu trải qua trong quá khứ σ’ c : ứng suất tiền cố kết

* Tùy theo quan hệ σ’ c và σ’ v mà CHĐ phân biệt các

ố ế trạng thái cố kết như sau:

- σ’ c c = σ’ v v : đất cố kết bình thường (đất g ( NC : normally y Consolidated)

- σ’ > σ’σ c >σ v : đất quá cố kết (đất : đất quá cố kết (đất OC OC : Over Consolidated); : Over Consolidated);

- σ’ c < σ’ v : đất chưa cố kết (đất UC : Under Consolidated)

Consolidated).

c TN mẫu đất ở độ sâu h nào đó trong nền đất (tiếp)

* Cả ’ à ’ đề h th ộ à độ â lấ ẫ ầ

* Cả σ’ c và σ’ v đều phụ thuộc vào độ sâu lấy mẫu, gần

đúng coi tỷ số giữa σ’ c và σ’ v không đổi cho một lớp đất,

khô h th ộ à độ â lấ ẫ i là hệ ố á ố

không phụ thuộc vào độ sâu lấy mẫu gọi là hệ số quá cố

kết OCR (Over Consolidated Ratio):

cOCR

- TN nén 1 chiều: biến dạng ngang tương đối theo cả 2 phương là bằng 0:λx =λy = 0 Theo định luật Hook:

Mođun nén lún của đất E n (tiếp)

Giải theo ξ ta được: ξ = μ

Biến dạng dọc tương đốiλ

- Giải theo ξ ta được:

μ

ξ

−

= 1

1

- Biến dạng dọc tương đối λz

viết theo định luật Hook: z 1 [ z ( x y) ]

21)

1(

21

2 2

μ

μ λ

σ μ

μ σ

* Do đất không phải là vật liệu đàn hồi nên E tính theo

v o

o v

n

m m

III Cố kết thấm của đất sét bão hòa nước

nước phải được thoát ra khỏi lỗ rỗng Với đất dính hạt kích thước nhỏ, lỗ rỗng bé nên nước thoát ra chậm →

ố ế ễ quá trình cố kết diễn ra dài.

1 Khái niệm (tiếp)

* Hai nguyên nhân chính gây ra hiện tượng cố kết: nước

cần có thời gian để thoát ra và để thay đổi hình dạng.

ố ế ố ế ấ ố ế ấ

* Cố kết = cố kết thấm + cố kết thứ cấp

- Cố kết thấm: là cố kết liên quan đến thoát nước khỏi lỗ q

rỗng Cố kết thấm chiếm chủ yếu.

+ Cố kết thấm được nghiên cứu rộng rãi bởi Lý thuyết

+ Cố kết thấm được nghiên cứu rộng rãi bởi Lý thuyết

cố kết thấm 1 chiều của Terzaghi

Cố kết thứ cấp: là cố kết không liên quan đến thoát

- Cố kết thứ cấp: là cố kết không liên quan đến thoát

nước khỏi lỗ rỗng Cố kết thứ cấp chiếm phần nhỏ.

- Yếu tố quyết định quá trình cố kết là sự thoát nước tự

do trong lỗ rỗng ra ngoài Tốc độ BD phụ thuộc chủ yếu

vào tốc độ nước bị ép thoát ra khỏi các lỗ rỗng.

2 Mô hình cố kết thấm của Terzaghi

đóng kín bằng pittông Pittông được đỡ bằng một lò xo

có độ cứng k Trên pittông có van thoát nước A (van A

có khóa đóng mở nước chỉ có thể thoát ra ngoài qua van

A) Ống đo áp để đo áp lực nước.

2 Mô hình cố kết thấm của Terzaghi

* Ban đầu (đóng van A): Nước trong ống đo bằng nước trong bình (theo nguyên lý bình thông nhau).

- Tác dụng lên pittông tải trọng có cường độ σ.

- Ngay sau khi tăng tải, quan sát thấy hiện tượng sau: Ngay sau khi tăng tải, quan sát thấy hiện tượng sau: + Lò xo không BD → lò xo chưa chịu lực ;

2 Mô hình cố kết thấm của Terzaghi

* Mở van thoát nước A: nước trong bình thoát ra qua

* Mở van thoát nước A: nước trong bình thoát ra qua

van A, đồng thời quan sát thấy hiện tượng:

- Cột nước trong ống đo giảm → áp lực lên nước giảm ;

- Lò xo bị nén lại làm cho nắp bình dần lún xuống → lò

ầ

xò đã chịu tải và tải trọng tác dụng lên lò xo tăng dần

→ tải trọng ngoài ọ g g σ do cả nước và lò xo cùng chịu g ị

* Nếu duy trì mở van: quá trình trên cứ tiếp tục diễn ra.

Khi thời gian đủ lớn thì:

- Chiều cao cột nước giảm về bằng mức nước trong bình,

nước trong bình thôi thoát ra

nước trong bình thôi thoát ra.

- Lò xo bị nén tối đa và pittông ngừng lún.

→ nước trong bình không chịu áp lực dư nữa, toàn bộ

tải trọng ngoài do lò xo tiếp nhận

2 Mô hình cố kết thấm của Terzaghi

* Nhận xét:

- Nếu kích thước van lớn thì nước chảy ra nhanh và áp

l ề đế lò lực truyền ngay đến lò xo

- Nếu kích thước van rất nhỏ hẹp, nước thoát ra chậm,

ổ sau thời gian dài BD của lò xo mới ổn định Kích thước van càng nhỏ thì lò xo nén xuống càng chậm.

→ Có thể coi đây là hiện tượng đặc trưng của đất sét vì trong đất sét các lỗ rỗng rất nhỏ g g

Giải thích hiện tượng cố kết

* Nếu coi:

- Nước⇔nước trong lỗ rỗng ;

Lò xo⇔khung két cấu của các hạt đất ;

- Lò xo⇔khung két cấu của các hạt đất ;

- Van thoát nước⇔các lỗ rỗng trong đất ;

- Tải trọngσ ⇔tải trọng CT tác dụng lên đất

⇒ có thể dùng mô hình Terzaghi để giải thích quá trình g g g q

cố thấm của đất sét bão hòa: Khi bắt đầu chịu tải toàn

bộ tải trọng ngoài do nước trong lỗ rỗng tiếp ộ ọ g g g g p nhận tạo ra ậ ạ

áp lực nước lỗ rỗng dư Áp lực nước → nước thoát ra

khỏi lỗ rỗng g → tạo ra dòng thấm trong đất ạ g g Nước thoát

ra khỏi lỗ rỗng → cốt đất dần tiếp nhận tải trọng và xảy

ra BD Vì nước trong đất thoát ra chậm nên quá trình g ậ q

này đòi hỏi cần có thời gian để hoàn thành → quá trình

lún xảy ra theo thời gian.

2 Mô hình cố kết thấm của Terzaghi

* Trong lý thuyết cố kết thấm:

- Áp lực nước dư gọi là ứng suất trung tính hay áp lực

ớ lỗ ỗ nước lỗ rỗng u ;

- Ứng suất trung bình trong cốt đất gọi là ứng suất hữu

ấ

hiệu σ’ (ứng suất này làm cho lò xo bị lún chứ không phải do áp lực nước);

- σ là tổng ứng suất do tải trọng ngoài gây ra.

* Tại mọi thời điểm: Tại mọi thời điểm: ứng suất trung tính và ứng suất ứng suất trung tính và ứng suất hữu hiệu cân bằng với ứng suất tổng σ = σ’ + u.

* Quá trình cố kết thấm là quá trình chuyển áp lực nước

lỗ rỗng thành ứng suất hữu hiệu (áp lực nước lỗ rỗng giảm dần ứng suất hữu hiệu tăng dần)

giảm dần, ứng suất hữu hiệu tăng dần).

3 Lý thuyết cố kết thấm 1 chiều của Terzaghi

* Sơ đồ BT cố kết thấm 1 chiều:

p

Cát S

h

S

dz z

Nước Sét bão hòa

dz z

z Đá không thấm, không nén được

3 Lý thuyết cố kết thấm 1 chiều của Terzaghi

a BT cố kết thấm 1 chiều: Khảo sát BD của một lớp đất sét bão hòa nước có chiều dày hữu hạn h y ạ trên nền đá không thấm không nén được, chịu tác dụng của tải trọng phân bố đều cường độ ọ g p g ộ p p trên bề mặt ặ

- Vấn đề cần giải quyết: Xác định ứng suất hữu hiệu

σ’(z, t) và xác định độ lún của nền tại thời điểm nào đó

σ (z, t) và xác định độ lún của nền tại thời điểm nào đó

S(t) kể từ khi chịu tải.

b Các giả thiết:

- Nền đất sét bão hòa nước Cố kết chỉ do thoát nước gây

ra (tốc độ nén lún của đất hoàn toàn phụ thuộc vào tốc ( ộ p ụ ộ

độ thoát nước, ngoài ra không phụ thuộc vào yếu tố nào

khác) Định luật Darcy áp dụng với ) ị ậ y p ụ g I o o = 0 ;

- Các hạt đất và nước trong các lỗ rỗng không bị thay

đổi thể tích (xem như không nén được)

đổi thể tích (xem như không nén được)

Sự thay đổi thể tích tương ứng sự thay đổi hệ số rỗng;

- Hệ số thấm k v và các đặc trưng BD (m v , a) của đất

không đổi trong quá trình cố kết: k v = const, m v = const

- BD của đất cũng như quá trình thoát nước lỗ rỗng chỉ

tiến hành theo chiều thẳng đứng mà thôi.

c Phương trình vi phân cố kết thấm một chiều

* Khảo sát 1 khối phân tố ở độ sâu z có chiều dày dz

* Khảo sát 1 khối phân tố ở độ sâu z có chiều dày dz, diện tích đáy = 1 đơn vị tại thời điểm t

Kế h iả hiế 1 à 2 l ớ h á khỏi hâ Kết hợp giả thiết 1 và 2: lượng nước thoát ra khỏi phân

tố bằng lượng giảm thể tích lỗ rỗng trong khoảng thời

gian dt: ΔQ = ΔV r

dV t n dV dt t

n t n dt dA z v dt dA dz z

v z

c Phương trình vi phân cố kết thấm một chiều (tiếp)

* Th đị h l ật D

2

) ( )

k

h k z i k

(

z z

z

k z

k z i k

z

v

o o

v v

) ( )

(

t e

t e t

n ( ) ( )

) (

1 + e t

Để đơn giản Terzaghi đề nghị:

e

t n

+

= 1

) (

- Để đơn giản, Terzaghi đề nghị:

u a u

a a

e t

e t

u k

o

v

∂

∂ +

=

∂

∂ 1

12

2γ

v

m a

Nghiệm của PT Terzaghi

* Điều kiện biên:

∂

Điều kiện biên:

- Tại t = 0 (ngay sau khi đặt tải): u = p với ∀z ;

=

t h

C i

h

z i

i p

) 1 2 ( sin ) 1 2 (

1 4

z p

t z

2

4 exp sin

4 ) ,

Ứng suất hữu hiệu σ’(z,t)

- Do nền có chiều dày hữu hạn nên tổng ứng suất do tải

trọng ngoài p gây ra như nhau tại ∀z: σ(z,t) = p

Xét phân tố đất có chiều dày dz ở độ sâu z Tại thời

- Xét phân tố đất có chiều dày dz ở độ sâu z Tại thời

điểm t, ứng suất hữu hiệu σ’(z,t) = σ(z,t) – u(z,t) Thay

z p

t

2 24 exp

sin

4 1 )

(')

m dz t z m

- Tại thời điểm t = ∞: σ’ = σ = p , độ lún cuối cùng S∞:

S t

2

81)()

t

2 2

4exp1

)()(

π

C t h

2

2

81)()

2

810 0 1 ) (

1 (

v v

v o

của mẫu ≤ 0,01mm trong khoảng thời gian không dưới

ế 24h, thường kéo dài đến 48h

* Kết quả TN

Kết quả TN: tập số liệu {S t } ứng với cấp tải trọng

- Kết quả TN: tập số liệu {S i , t i } ứng với cấp tải trọng nén không đổi p j

S độ lú ủ ẫ i hời điể ( hú ) kể ừ khi bắ

S i : độ lún của mẫu tại thời điểm t i (phút) kể từ khi bắt đầy giá tải trọng nén p j

- Quan hệ S = f(t) thường được biểu diễn dưới 2 dạng: + S = f(lgt): Phương pháp Casagrande ( g ) g p p g

+ S = f( ): Phương pháp Taylor.t

a Phương pháp Casagrande

- Kết quả biểu diễn dạng S = f(lgt) gồm: 2 đoạn thẳng

- Kết quả biểu diễn dạng S f(lgt) gồm: 2 đoạn thẳng

nối với nhau bằng 1 đoạn cong Điểm giao 2 đoạn thẳng

biểu thị sự kết thúc cố kết thấm theo Terzaghi ứng với U

t phút

0 A

t 90

90

848 , 0

h :chiều cao ban đầu của

* Khi XD công trình, nếu nền đất bị phá hoại CT cũng

bị phá hoại mất ổn định → việc nghiên cứu tính bền là

bị phá hoại, mất ổn định → việc nghiên cứu tính bền là

rất quan trọng.

ấ ẩ ồ Đất bị đẩy trồi

Mặt trượt

Mặt trượt Mặt trượt

* Giữa tính bền và sự phá hoại có mối quan hệ chặt chẽ

→ xác định đúng tiêu chuẩn phá hoại mới tìm được biện ị g p ạ ợ ệ pháp đảm bảo tính bền.

* Các dạng bị phá hoại của vật liệu: Các dạng bị phá hoại của vật liệu:

- Dạng đứt gãy: xảy ra ở một TTƯS hay BD nhất định;

D hả dẻ biế d tă lê ô h dù ứ ất

- Dạng chảy dẻo: biến dạng tăng lên vô hạn dù ứng suất không tăng.

2 Cơ chế phá hoại trượt của đất

P

P Nắp gia tải

A: diện tích tiết diện mẫu.

h d

a Mẫu sét cứng

* Khi ứ ất é tă dầ ẫ bị biế d ả

* Khi ứng suất nén σ tăng dần: mẫu bị biến dạng cả phương đứng và phương ngang.

* Khi ứ ất é đủ lớ t ê ẫ ất hiệ ết ứt

* Khi ứng suất nén đủ lớn: trên mẫu xuất hiện vết nứt nghiêng và 2 phần mẫu trượt lên nhau theo mặt nghiêng tương ứng

tương ứng.

- Xuất hiện vết nứt → mẫu bị

P phá hoại cắt Ở những điểm

phá hoại, đất bị trượt lên nhau và các mặt trượt tại các điểm lân cận nối liền nhau tạo

ế

Vết nứt

thành vết nứt.

b Mẫu sét mềm

* Khi tải t đủ lớ t ê ẫ khô ất hiệ ết

* Khi tải trọng đủ lớn: trên mẫu không xuất hiện vết

nứt nhưng mẫu bị biến dạng dẻo không tắt dần theo thời

i à ối ù bị há h i h à t à

gian và cuối cùng bị phá hoại hoàn toàn.

- Tại mọi điểm trong vùng biến dạng dẻo cũng xảy ra

ế hiện tượng trượt lên nhau nhưng do liên kết giữa các hạt

đất là liên kết keo nhớt không phải liên kết cứng nên

không xuất hiện vết nứt rõ rệt.

- Phá hoại cắt của đất ạ theo các mặt trượt phân tố ở mỗi ặ ợ p

điểm trong vùng phá hoại chỉ thể hiện dưới dạng chảy

dẻo của toàn bộ đất trong vùng đó ộ g g

c Kết luận: xảy ra hiện tượng trượt kể trên là do tại vị

trí của vết trượt ứng suất cắt cực đại vượt quá khả năng

trí của vết trượt ứng suất cắt cực đại vượt quá khả năng

sát tỷ lệ thuận với lực nén vuông góc với mặt trượt bởi

Tms

Lực ma sát đơn vị s ms :

α

ϕ σ

ϕ

tg A

g A

có giá trị như nhau tại mọi điểm theo mọi hướng

- Lực dính đơn vị c: Lực dính trên 1 đơn vị diện tích.

σ: ứng suất nén tạo ra ma sát đơn vị (do tải trọng gây g ạ ị ( ọ g g y

ra, phụ thuộc vào điểm khảo sát).

* Sức chống cắt s theo ứng suất hữu hiệu Terzaghi: Sức chống cắt s theo ứng suất hữu hiệu Terzaghi:

2 Thuyết bền Mohr - Coulomb

* Điề kiệ bề đ thiết lậ t ê ở á h ứ

* Điều kiện bền được thiết lập trên cơ sở so sánh ứng suất cắt và sức chống cắt trên cùng một mặt phẳng nào đó

đó.

- Trạng thái cân bằng bền khi: τ < s ;

- Trạng thái cân bằng giới hạn (CBGH) khi: τ = s

Lưu ý: Với đất không xảy ra τ > s

Lưu ý: Với đất không xảy ra τ > s

* Gọi τmax (τf ) là ứng suất cắt lớn nhất có thể có trên 1 mặt phẳng nào đó qua điểm đang xét M thì theo Mohr

mặt phẳng nào đó qua điểm đang xét M thì theo Mohr tính bền của đất được đảm bảo khi:τmax ≤ s = σtgϕ + c

Để kiểm soát được ảnh hưởng của điều kiện thoát nước,

các điều kiện liên quan đến áp lực u được đơn giản hóa

- Cắt chậm (CD: Consolidated Drained Test): tên gọi của chế độ cắt u = 0 : mẫu được cố kết hoàn toàn khi nén

- Cắt nhanh cố kết (CU: Consolidated Undrained Test): ( )

tên gọi của chế độ cắt trung gian: mẫu được cố kết hoàn toàn khi nén, nhưng được cắt với tốc độ rất nhanh , g ợ ộ →

ứng suất nén định trước σ (với mỗi mẫu σ = const );

dưới 3 trị số ứng suất nén khác nhau σi (thường 4 ÷ 6

cấp ) Mỗi cấpσi = const, ta cóτfi (τmax i )

* Kết quả TN

- Cặp số liệu ặp ệ { {σi i , , τfi fi ( (τmax i max i )} )} với τfi fi là ứng suất cắt khi g

mẫu bị phá hoại cũng chính là sức chống cắt s i của đất

ứng với ứng suất nén g g σi i ⇒ (σ ( i i , ,τfi fi ) ) ( ≡ (σ i i , s , i i ) )

Biểu diễn đồ thị quan hệ s = f( σ) Các đặc trưng chống

cắt ( ϕ c) được xác định bằng đo trực tiếp hoặc tính toán

s

cắt ( ϕ, c) được xác định bằng đo trực tiếp hoặc tính toán

τ τ

τf τmax

τf4

1 2

σ σ

τ τ ϕ

- Thiết bị đơn giản, thao tác dễ dàng;

- Giá thành thiết bị và chi phí thí nghiệm rẻ.

* Nhược điểm: Nhược điểm:

- Chỉ TN được với chế độ cắt nhanh (do không đo được u)→( ϕ c) theo ứng suất tổng;

u)→( ϕ, c) theo ứng suất tổng;

- Khi TN mẫu chuyển vị theo phương ngang → diện tích

mẫu giảm yếu → ứng suất không phải là hằng số;

Ứng suất cắt phân bố không đều: ở lân cận vành cứng

ấ ứng suất lớn hơn.

- Đất bị cắt theo mặt phẳng định trước nên mp cắt chưa ị ặ p g ị p chắc là mp yếu nhất.

b Thí nghiệm cắt đất gián tiếp: nén 3 trục

đổi cho đến khi mẫu bị

phá hoại (thường giữ

ấ nguyên ứng suất nén theo