bài giảng cơ học đất

Thí nghiệm nén đất ngoài hiện trường PBT – Plate Bearing Test:  Mục đích TN: kiểm tra sức chịu tải cho phép của nền đất dưới đáy móng, qua đó đánh giá được tính bền và tính biến dạng

Tài liệu Tham khảo (Reference Book):

Vietnamese:

۞ Cơ Học Đất (Nguyễn Đình Dũng, NXB XD)

۞ Cơ Học Đất (Trường Đại học Thủy lợi)

۞ Cơ Học Đất (Trường Đại học Xây dựng)

۞ Cơ Học Đất (Trường Đại học GTVT)

۞ Cơ Học Đất (Whilow)

English:

۞ Principles of geotechnical engineering (5th Edition, Das)

۞ Advanced Soil Mechanics (2nd edition, Das)

۞ Fundamentals of soil mechanics (Taylor)

1.3 Xác định các chỉ tiêu cơ bản của đất 1.4 Xác định các chỉ tiêu đánh giá trạng thái của đất 1.5 Phân loại đất

5

 Đất là sản phẩm của quá trình phong hóa đá góc

 Đá có được phân loại:

 Đá magma

 Đá trầm tích

 Đá biến chất

 Các dạng phong hóa:

 Phong hóa vật lý: do nhiệt độ, gió, nước chảy, sóng … )

=> không có sự thay đổi thành phần hóa học

 Phong hóa hóa học: chất khoáng của đá góc bị thay đổi bởi các

phản ứng CO2, nước với khoáng

 Phong hóa sinh vật: do các vi sinh vật phân hủy chất khoáng

Hình ảnh đá magma, trầm tích và biến chất:

Đá Gonai

 Quá trình trầm tích và đặc điểm của đất trầm tích:

 Quá trình trầm tích: sản phẩm sau khi bị phong hóa sẽ bị cuốn đi

nơi khác, tùy theo kích thước hạt to nhỏ mà trong quá trình di chuyển chúng sẽ lắng động thành các tầng đất khác nhau

 có 3 nhóm trầm tích khác nhau:

• Trầm tích lục địa: đất tàn tích, sườn tích, bồi tích, lũ

tích, băng tích, đất phong thành, etc

• Trầm tích vũng vịnh: thường là bụi, bùn, sét, etc

• Trầm tích Biển:

Quá trình trầm tích do vận chuyển của dòng nước

9

 Đất: thông thường đất có cấu tạo 3 pha: hạt đất (pha rắn), nước (pha lỏng)

11

 Kích cở của hạt: có nhiều cách phân loại

1.2.2 Cấp phối hạt của đất (tt):

 Phương pháp sàng (Sieve analysis):

 Rây đường kính tiêu chuẩn: 10, 5, 2, 1, 0.5, 0.25, 0.1mm (TCVN)

25, 19, 9.5, 4.75, 2, 0.85, 0.425, 0.25, 0.15, 0.075mm (ASTM) (No4, No10, No20, No40, No60, No100, No200)

 Đất sau khi được làm tơi các hạt

 Cân lại lượng hạt trên các sàng

 xác định hàm lượng riêng của từng nhóm hạt so với tổng trọng lượng

hạt khô đem làm thí nghiệm

 xác định hàm lượng tích lũy của từng nhóm hạt (p% )

1.2.2 Cấp phối hạt của đất (tt):

15

 Kích cở sàng theo ASTM (American Society for Testing and Materials)

17

 Phương pháp tỷ trọng kế (Hydrometer analysis):

 Dựa vào tốc độ chìm lắng của các hạt để phân chia kích cỡ hạt

 Giả định hạt là hình cầu, tốc độ chìm lắng tính theo công thức của

Stokes :

 Phương pháp tỷ trọng kế (Hydrometer analysis):

1.2.2 Cấp phối hạt của đất (tt):

19

 Phương pháp tỷ trọng kế (Hydrometer analysis):

Từ Li, Ni, ti ta tính được đường kính hạt d và lượng chứa của các hạt <= d, tính bằng % trọng lượng của mẫu đất được làm thí nghiệm

Hàm lượng tích lũy theo d:

 ti w

h d

 Đường cong cấp phối hạt:

Có 5 thông số xác định được từ đường

cong cấp phối

1 Đường kính hiệu quả d10

2 Đường kính chi phối d60

2 30

d d d

Cc

21

5 Terzaghi and Peck, D15 sử dụng để xác định cấp phối của vật liệu

cho ổn định chống xói mòn:

1.2.3 Nước trong đất:

Gồm có 3 loại cơ bản sau:

 Nước trong các hạt khoáng vật:

 Nước kết hợp mặt ngoài:

 Nước tự do:

1.2.4 Khí trong đất:

23

 Xuất phát từ mô hình đất 3pha:

Để tiện so sánh và tính toán thì các kí hiệu sau đây được hiểu như sau:

Trọng lượng thể tích bão hòa (bh , sat ):

 Trọng lượng thể tích đẩy nổi (đn ):

 Trọng lượng thể tích khô (k , d ):

g V

g m V

m KN V

V

Qh n r bh



  

n bh đn

h n h

V

V Q

KN V

Q

k h

k

01 0 1 );

/ (

%100

h n h

n

m

m Q

Q

r

n RV

V

S 

h

rV

V

e 

%100

n e





n r e e

n bh

bh n

e

W

S r  0.01

n bh

29

hợp: Khối lượng của mẫu ẩm: 148.8g, Khối lượng của mẫu khô: 106.2g, Thể

tích của mẫu ẩm: 86.2cm3, Tỷ trọng hạt 2.7 Hãy xác định:

4 cm và đường kính d = 6.4cm, cân nặng 235g Khối lượng đất sau khi sấy

• Hệ số ẩm W%

• Hệ số rỗng e

31

 Độ chặt tương đối của đất rời (I D , D, D r ):

 Công thức xác định:

min max

max

e e

e e

1.3 Xác định các chỉ tiêu trạng thái của đất:

 Độ chặt tương đối của đất rời (I D , D, D r ):

3 - qu¶ c©n

4 - thanh gâ

P L

P L

I

W W W W

W W







35

 Phương pháp xác định các giới hạn Atterberg:

1.3 Xác định các chỉ tiêu trạng thái của đất:

 Phương pháp xác định các giới hạn Atterberg:

37

 Phương phỏp xỏc định cỏc giới hạn Atterberg:

Một số vớ dụ:

nặng 590g Lấy 14.64G đất trờn đem sấy khụ hoàn toàn, đem cõn lại được 12.2G

Giới hạn nhóo WL = 25.0%, giới hạn dẻo Wp = 15.0% Tỷ trọng hạt Gs = 2.67

Lấy trọng lượng riờng của nước là w = 10kN/m3 Xỏc định cỏc đặc trưng sau

của mẫu đất trờn:

a) Hệ số rỗng e ở trạng thỏi tự nhiờn của mẫu đất

b) Độ bóo hũa Sr

c) Độ rỗng n (%)

e) Xỏc định tờn và trạng thỏi của đất

f) Cần thờm vào mẫu đất một lượng nước bao nhiờu (ml) để mẫu đất bóo

hũa hoàn toàn?

g) Xỏc định trọng lượng riờng bóo hũa khi Sr= 1

6 Một mẫu đất rời đ-ợc mang về thí nghiệm trong phòng và xác định đ-ợc hệ số rỗng ở

trạng thái xốp nhất và chặt nhất t-ơng ứng là 0.83 và 0.55 Tỷ trọng hạt là 2.67 Cũng loại

đất đó xác định đ-ợc độ ẩm là 20% và trọng l-ợng thể tích 18.4 kN/m3 Hãy đánh giá trạng

thái của đất

39

m2 = 116.2g, thể tích mẫu đất ẩm V = 80.4cm3, giới hạn dẻo 32.7%, giới hạn chảy 39.9%

và tỷ trọng 2.71

Hãy xác định: độ ẩm tự nhiên, khối l-ợng thể tích tự nhiên, khối l-ợng thể tích khô, hệ số

rỗng, độ bão hoà, tên và trạng thái của đất ?

sau khi sấy khụ, mẫu đất cõn nặng 300g Đem mẫu đất làm thớ nghiệm nhóo – dẻo

ta được giới hạn nhóo là 27% và giới hạn dẻo là 13% Thớ nghiệm tỉ trọng hạt ta

41

I Thí nghiệm nén đất ngoài hiện trường (PBT – Plate Bearing Test):

 Mục đích TN: kiểm tra sức chịu tải cho phép của nền đất dưới đáy

móng, qua đó đánh giá được tính bền và tính biến dạng của đất nền

 Nguyên lý thí nghiệm:

 bàn nén đặt vào đáy móng

 chất tải lên bàn nén

 tải trọng tăng theo từng cấp, quan trắc chuyển vị của bàn nén

 lập biểu đồ đường cong áp lực và độ lún

3 giai đoạn thí nghiệm:

 Thí nghiệm 1:Tiến hành tác dụng tải trọng lên bàn nén và theo

dõi độ lún.Vẽ quan hệ S – t => Nhận xét

43

I Thí nghiệm nén đất ngoài hiện trường (PBT – Plate Bearing Test):

 Tiến hành TN:

 Thí nghiệm 2: Tiến hành tác dụng tải trọng theo từng cấp và theo

dõi độ lún.Cho ngừng lún sau đó tăng cấp tiếp theo,Vẽ quan hệ S – t,

 biến dạng của đất gồm 2 phần (Sđàn hồi, S dư),

nếu ta tăng tải dỡ tải nhiều lần thì biến dạng dư sẽ

mất đi

 đường tăng tải, dỡ tải không trùng nhau chứng tỏ

đất không phải là môi trường hoàn toàn đàn hồi

45

I Thí nghiệm nén đất ngoài hiện trường (PBT – Plate Bearing Test):

pF S Eo

2.1 Tính Chịu Nén Của Đất:

I Thí nghiệm nén đất trong phòng (OCT – One dimensional Compression Test):

 Thuật ngữ tương tự: thí nghiệm nén một trục, thí nghiệm nén cố kết,

thí nghiệm nén lún

 OCT dùng cho loại đất cát, sét có kết cấu nguyên dạng Xác định tính

nén lún của đất (giảm thể tích lỗ rỗng) dưới tác dụng của tải trọng thẳng

đứng theo từng cấp áp lực

 Kết quả thí nghiệm:

thành lập được đồ thị quan hệ e  p (’): đường cong nén lún

 thành lập được đồ thị quan hệ e  log(’): đường cong cố kết

 quan hệ s  t ở mỗi cấp tải trọng

 các đặc trưng khác: hệ số nén lún a, modul biến dạng E, hệ số cố

kết Cv…

47

I Thí nghiệm nén đất trong phòng (OCT – One dimensional Compression Test):

 đưa mẫu đất vào hộp nén, sau đó tiến hành nén với cấp tải trọng

ban đầu p lấy bằng hoặc nhỏ hơn áp lực tự nhiên:

 gia tải theo từng cấp áp lực đồng thời theo dõi biến dạng lún

trên đồng hồ đo biến dạng

 thí nghiệm xong, lấy mẫu ra khỏi hộp nén , tiến hành xác định

các giá trị Wt, t của mẫu đất sau khi nén

49

I Thí nghiệm nén đất trong phòng (OCT – One dimensional Compression Test):

2 Xử lý kết quả:

 độ giảm hệ số rỗng ở từng cấp áp lực sau khi ổn định lún:

o

n o o n

h

Y e e

 xác định các giá trị e i , vẽ đường cong e  p (’):

o

i o o i

h

S e e

h

h e e

)1(

 e

P ( kG/cm2)

§uêng (a) - t¨n

g t¶i

§uêng (a) - dì t¶i

51

I Thí nghiệm nén đất trong phòng (OCT – One dimensional Compression Test):

ro

H

H H F

H F V

i o h i ro h

ri i

H

S e e H

S e H

S H H

H

e       (1 )

o

i o o

i

H

S e e

e   ( 1  )

53

I Thí nghiệm nén đất trong phòng (OCT – One dimensional Compression Test):

3 Các kết quả xác định từ thí nghiệm:

 Độ lún của mẫu đất S (theo đường cong nén lún e  (p)):

Độ lún:

Mặt khác:

Nếu lấy h1 = h thì p1 = 0 (khi chưa gia tải) và p2 = p (cấp tải trọng cuối

cùng) Ta có công thưc tính lún viết lại như sau:

hay

1 1

2 1

e e S







1 2

2 1

p p

e e a

S  o

ph e

a S

1

2 1

 Quan hệ giữa modul biến dạng E 0 và a 0 :

p a h

1

211.1

21

0 2

55

I Thí nghiệm nén đất trong phòng (OCT – One dimensional Compression Test):

2

p E

E

a  

h p a h p E

S    0 

0



p E

1

211.1

21

0 2

57

I Thí nghiệm nén đất trong phòng (OCT – One dimensional Compression Test):

h: chiều dày mẫu đất (dao vòng), cm

2

4197

0

t d T C or t

59

I Thí nghiệm nén đất trong phòng (OCT – One dimensional Compression Test):

h: chiều dày mẫu đất (dao vòng), cm

2

60

2848

0

t

d T C or t

a

e K C



.

) 1 ( 



Ví Dụ:

 Chiều cao cột nước áp lực: là

khoảng cách từ điểm đang xét tới mặt

thoáng, hp

 Cột nước tổng:

Trong đó:

+ H: chiều cao cột nước tổng

+ hz: cao trình hay vị trí cột nước

+ u/γ n : cột nước áp lực do áp lực nước u

 Tổn thất cột nước tổng: là chênh

lệch cột nước tổng giữa 2 điểm ,

ΔHAB = HA – HB

n p

u h





n z

u h H

L H

i  

63

I. Các khái niệm:

 Định luật Darcy: nếu dòng chảy trong đất là dòng chảy tầng thì vân tốc

thấm v tỷ lệ với gradien thủy lực i

J  n. S.

n S n S

L

h LF

F h V

 Điều kiện chảy và độ dóc thủy lực tới hạn:

 Điều kiện chảy xảy ra nếu vận tốc thấm đủ lớn để áp lực thấm triệt tiêu hoàn

toàn ứng suất có hiệu

 Độ dóc thủy lực (gradien thủy lực) tới hạn i c :

 Ảnh hưởng của dòng thấm tới ứng suất có hiệu σ’:

 dòng thấm có hướng đi lên tác động tới các hạt đất làm giảm us có hiệu

giữa các hạt đất:

 dòng thấm có hướng đi xuống làm tăng us có hiệu giữa các hạt đất:

e e

e i

n n n

n n bh n

)(



 '   

ni

u 



 '   

65

I. Xác định hệ số thấm k ở trong phòng thí nghiệm:

1 Thí nghiệm thấm với cột nước không đổi:

 Phạm vi áp dụng: dùng xác định hệ số thấm k của đất hạt thô như: cuội, cát

) (cm

2 Thí nghiệm thấm với cột nước thay đổi:

 Phạm vi áp dụng: dùng xác định hệ số thấm k của đất hạt min như: cát mịn,

aL k

67

II. Xác định hệ số thấm k ngoài hiện trường:

1 Thí nghiệm bơm hút nước trong tầng nước có áp:

 2 1

1

2ln

r r D

q k

II. Xác định hệ số thấm k ngoài hiện trường:

2 Thí nghiệm bơm hút nước trong tầng nước không có áp:

1 2 2 1

2

ln

h h r

r q k

69

III Xác định hệ số thấm k qua nền đất nhiều lớp không đồng nhất:

1 Hệ số thấm theo phương ngang:

h

K h h

h

K h K h k

2 1

2 2 1 1

n

i i z

K h

h k

1 1

71

IV Lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi:

1 Mô hình cố kết thấm của Terzaghi cho đất dính bão hòa nước:

 Cấu tạo mô hình:

 Tiến hành thí nghiệm:

 Tác dụng một lực P không đổi, p =P/F

 ngay sau khi tác dụng lực P, lò xo

Chưa biến dạng, nước chưa thoát ra

Do Đó chỉ có nước chịu lực P:

 Tại thời điểm t, nước thoát ra và lò xo bắt đầu biến dạng Như vậy cả lò

xo và nước đều chịu lực P

 Cuối cùng khi nước không thoát ra nữa, lò xo biến dang tối đa Như vậy,

chỉ có lò xo chịu lực P

P=constant B×nh chøa nuíc

IV Lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi:

1 Mô hình cố kết thấm của Terzaghi cho đất dính bão hòa nước:

 Tiến hành thí nghiệm:

Như vậy, khi nước thoát ra thì có sự dịch chuyển độ lớn từ u sang σ’

73

IV Lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi:

1 Phương trình vi phân cố kết thấm của Terzaghi cho đất dính no nước:

 Bài toán:

Xét nền đồng nhất có chiều dày h, bên dưới là

tầng không thấm, chịu tải trọng phân bố đều phía

trên

Xét phân tố đất có F = 1, chiều dày (dz), ở độ sâu (z)

 Các giả thiết:

 Đất là đất dính no nước

 Các hạt đất và các hạt nước là không nén được

 Quá trình thoát nước lỗ rỗng được tiến hành theo một chiều và tuân theo

định luật Darcy

 Biến dạng của đất phụ thuộc hoàn toàn vào tốc độ thoát nước lỗ rỗng

 Tỉ số K/a là không đổi trong suốt quá trình cố kết (a: hệ số nén lún)

Như vây, biến dạng của nền đất hoàn toàn phụ thuộc vào tốc độ thoát nước lỗ

rỗng Do đất bão hòa nước nên phần thể tích lỗ rỗng giảm cũng chính bằng

khối lượng nước thoát ra

IV Lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi:

1 Phương trình vi phân cố kết thấm của Terzaghi cho đất dính no nước:

mặt dưới của phân tố ở cùng một thời điểm là như nhau nên ta có:

u e

a dzdt e t

75

IV Lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi:

1 Phương trỡnh vi phõn cố kết thấm của Terzaghi cho đất dớnh no nước:

Cõn bằng 2 vế của ΔQ n và ΔV r ta được:

đặt Cv là hệ số cố kết:

Phương trỡnh vi phõn cố kết thấm một chiều của Terzaghi như sau:

Nghiệm của phương trỡnh vi phõn cố kết thấm một chiều thẳng đứng ở trờn là cơ

sở để tớnh toỏn độ cố kết của nền đất sẽ được trỡnh bày ở chương 4

dzdt z u k Q

a dzdt e t e Vr

2

2

)1

(

z

u a

e k

k a

e k C

2 2

z

u C t

là 75mm, tổn thất cột n-ớc trên chiều dài mẫu 180mm là 247mm L-ợng n-ớc thu

đ-ợc trong 1 phút là 626ml Hãy tính hệ số thấm của đất

của mẫu 75mm, chiều dài mẫu 150mm; đ-ờng kính trong của ống đo áp là 5.2mm,

mức n-ớc ban đầu trong ống đo áp là 750mm, mức n-ớc sau 10 phút trong ống đo

áp là 250mm Hãy tính hệ số thấm

3

77

4 Một hố móng đ-ợc đào trong cát hạt trung, cao độ đáy hố móng -3.0m, cao

trình mực n-ớc mặt +2.0m Dùng cọc cừ đóng sâu xuống d-ới mặt cát -7.0m để

làm t-ờng vây (hình vẽ) Khi thi công hố móng cần bơm n-ớc sao cho mực n-ớc

trong hố móng luôn bằng cốt đáy hố móng Biết khối l-ợng riêng hạt của cát là

2.68 g/cm2, hệ số rỗng e=0.6, hệ số an toàn cho phép [Fs]=2 Hãy kiểm tra hiện

t-ợng xói ngầm, biết hệ số an toàn của hiện t-ợng xói ngầm là Fs = ic/imax

 Ứng suất tổng σ: là thành phần ứng suất bao gồm ứng suất cú hiệu σ’ và ỏp

lực nước trung tớnh u (hay ỏp lực nước lỗ rỗng u)

σ = σ’ + u

 Sức chống cắt τ f (S): Sức chống cắt hay cường độ chống cắt của đất là khả

năng của đất chống lại hiện tượng phỏ hoại dưới dạng cắt or trượt và được

biễu diễn bằng định luật Coulomb Ký hiệu là S(hoặc t f )

(Phõn tớch trong đk ứng suất tổng)

(Phõn tớch trong đk ứng suất cú hiệu)

81

II Thí nghiệm cắt trực tiếp (DST – direct shear test):

 TN sơ đồ cắt nhanh, cố kết, không thoát nước (CU – Consolidate-Undrain):

 quá trình thí nghiệm giống với chế độ UU nhưng khác ở chổ mẫu đất được

nén cố kết trước khi đem vào là thí nghiệm cắt

đk không thoát nước φcu và ccu

2.3 Sức chống cắt của đất:

II Thí nghiệm cắt trực tiếp (DST – direct shear test):

2 Tiến hành thí nghiệm:

 quá trình thí nghiệm giống với chế độ CU nhưng khác ở chổ thao tác cắt

cần tiến hành đủ chậm để nước có thể thoát ra

 sơ đồ này cung cấp thông số ứng suất hữu hiệu φ’ và c’

3 Trình bày kết quả thí nghiệm:

Kết quả thí nghiệm thể hiện dưới 2 dạng biểu đồ sau:

83

II Thí nghiệm cắt trực tiếp (DST – direct shear test):

3 Trình bày kết quả thí nghiệm:

1 2

cùng nằm trên một đường thẳng, khi đó đặc trưng chống cắt xác định theo công thức:

i i i i n

n tg

1

2

1 2

i i i i i n c

1

2

1 2