bài giảng cơ học đất

• áp lực đất lên tường ∈ Sự làm việc đồng thời giữa tường và nền đất, để xác định được áp lực lên tường cần có đầy đủ số liệu về đất, hoạt động nước ngầm, chuyển vị của tường.... Vì bài

Khi đọc qua tài liệu này, nếu phát hiện sai sót hoặc nội dung kém chất lượng xin hãy thông báo để chúng tôi sửa chữa hoặc thay thế bằng một tài liệu cùng chủ đề của tác giả khác Tài li u này bao g m nhi u tài li u nh có cùng ch

đ bên trong nó Ph n n i dung b n c n có th n m gi a ho c cu i tài li u này, hãy s d ng ch c năng Search đ tìm chúng

Bạn có thể tham khảo nguồn tài liệu được dịch từ tiếng Anh tại đây:

http://mientayvn.com/Tai_lieu_da_dich.html

Thông tin liên hệ:

Yahoo mail: thanhlam1910_2006@yahoo.com

Gmail: frbwrthes@gmail.com

BÀI GIẢNG

CƠ HỌC ĐẤT

chương 7 áp lực đất lên tường chắn

$1 áp lực đất và điều kiện sản sinh ra nó:

Tường chắn là một kết cấu dùng để giữ cho khối đất sau tường được cân bằng

3 loại: → a, Tường cứng, hoặc trọng lực: Nó giữ được

trạng thái ổn định chủ yếu nhờ vào trọng lượng bản

thân,

Vật liệu: gạch, đá, bê tông, bê tông cốt thép

→ b, Tường cọc ván, tường mềm: Dễ bị biến dạng

trong quá trình sử dụng, nó giữ được trạng thái ổn định

nhờ cắm sâu vào nền đất, có khi có cả neo

Vật liệu: Cọc ván bằng gỗ, bê tông, kim loại đống

+ Tường chắn là KC luôn chịu tác động của đất → đặc

biệt theo phương ngang → làm tường di chuyển → sinh

ra trượt lật

+ áp lực lên tường ∈:

Độ cứng của tường Hình dáng, vật liệu tường

Đất sau tường

Chuyển vị tương đối giữa đất và tường

Trong lý luận áp lực đất, người ta thường xét 3 loại áp lực sau: áp lực đất chủ động

áp lực đất bị động → ứng với 3 loại chuyển vị áp lực đất tĩnh tương đối giữa đất và tường

Trong chương này chỉ đề cập đến vấn đề cơ bản của áp lực đất lên tường

chắn cứng → Tường không biến dạng

Thí nghiệm cho thấy:

+ Khi tường đứng yên: Đất sau tường ổn định → không bị biến dạng → áp

lực lên tường → áp lực tĩnh → Điểm (a ) trên biểu đồ

+ Tường dịch chuyển ra ngoài → áp lực giảm dần Theo Terzaghi khi tường dịch chuyển đoạn: 0.005 ữ 1% H ( H → chiều cao tường) → thì xuất hiện các vết nứt trong đất Khối đất sau tường sẽ bị trượt xuống theo các vết nứt

này → ta gọi → mặt trượt chủ động áp lực lúc đó gọi: áp lực chủ động -

Pc → Điểm (b)

+ Tường đi vào trong → đất nén lại → áp lực tăng dần khi dich chuyển đủ lớn (thường gấp nhiều lần so với chuyển vị ra ngoài để xuất hiện mặt trượt chủ động) → xuất hiện vết nứt → mặt trượt bị động - Pb → điểm (c)

* Kết quả thí nghiệm Terzaghi cho:

Xét σh/σv:

+ Tường đứng yên: → cát chặt = 0.4ữ0.45

→ cát xốp = 0.45ữ0.50 + Mặt trượt chủ động = 0.25

+ Mặt trượt bị động = 4

* Kết quả thí nghiệm Lambe:

Cho biết có thể ng/cứu áp lực chủ động bằng

th/nghiệm nén 3 trục

+ áp lực chủ động khi → cho giãn mẫu theo

phương ngang khoảng: 0.5%H

+ ép ngang mấu đến 0.5% H → thì đến nửa giá

trị bị động; áp lực bị động toàn bộ ép ngang đến 2%H; Đất rời xốp → ép → 15% H → đạt áp lực bị động

• áp lực đất lên tường ∈ Sự làm việc đồng thời giữa tường và nền đất, để xác định được áp lực lên tường cần có đầy đủ số liệu về đất, hoạt động nước ngầm, chuyển vị của tường

$.2 Phương pháp xác định áp lực tĩnh của đất lên tường

Để tính áp lực đất tĩnh, có thể dùng lý luận đàn hồi, tương tự như khi xét trạng thái ứng xuất của phân tố đất trong hộp nén có thành cứng

ở đây ứng xuất bản thân của đất:

σbt = γz → là ứ/s chính lớn nhất,

áp lực đất tĩnh σo thì đóng vai trò ứ/s chính nhỏ nhất

Vì đất còn ở trạng thái cân bằng đàn hồi nên → vòng tròn Mor nằm dưới

đường biểu diễn cường độ chống cắt

ứ/s đất tĩnh σo có thể tính dựa vào khái niệm về hệ số nén hông → σo = γzξ Vậy: Biểu đồ cường độ áp lực đất tĩnh → có dạng tam giác → có tổng:

kd ok oa

k o

r ư ; r = oo2 sinϕ; o2k = oo2 sini;

kd = ka = oo2 sin2ϕưsin2i

→ pc = σLmin = v

i i

2 2

sinsin

cos

sinsin

cos

ư+

i i

cossinsin

cos

sinsin

cos

2 2

2 2

ư+

ư

ư

ϕϕ

Tổng áp lực chủ động của đất lên tường: Bằng diện tích biểu đồ áp lực chủ

=

2

45 sin

ϕϕ

ϕγ

sin1

cos2sin1

sin1sin

1

sin1

)

(

+

ư+

ư

=

ư+

ư+

tg

c h

1 2

Tổng áp lực chủ động:

γ

ϕϕ

2

2

22452

2

452

c cHtg

ϕϕ

γ

γ

tg

c tg

=

sin1

sin1)

2

2

22452

2

452

c cHtg

Thực tế cho thấy → sự có mặt của tường làm thay đổi đ/k làm việc của nền

đất sau tường nhiều → do đó phải kể đến những đ/k biên ở mặt tiếp xúc giữa đất và tường → Đó chính là ma sát giưã đất và tường

Vì bài toán áp lực đất lên tường chắn và bài toán ổn định của các nền đất về thực chất đều thuộc loại bài toán cân bằng của các khối đất nên để xác định

áp lực chủ động và bị động của đất lên tường → cần xuất phát từ hệ phương trình đã trình bày trong chương 5: gồm → 2 ph/trình CBtĩnh

1 ph/trình CBGhạn

Đ/kiện c/bằng tĩnh:

γτ

4ϕσ

σ

τσ

σ

g c

y z

yz y

z

++

+

ư

Trường hợp: → mặt đất nằm ngang

Lưng tường thẳng đứng Kết quả trùng với Rankine

ma sát giữa đất và tường bằng không

3.2 Phương pháp dùng mặt trượt giả định của Coulomb:

Khối trượt của đất sau tường: giới

(lệch một góc bằng góc ma sát ngoài ω)

Hệ lực phải tạo thành tam giác lực khép kín

Theo t/chất của Δ:

)sin(

sinθψ

θ+

= W

E

Trong đó : θ = ε - ϕ

ψ = π - (β + ω) Khi ε = β → W = 0 → E = 0

) cos(

) cos(

) sin(

) sin(

1 ) cos(

cos

) ( cos

ư +

+ +

ư

=

ββ

ω

ϕωϕβ

ωα

βϕλ

i i

dE

p = = 2γ λ ) =γ λ

1( 2Biểu đồ có dạng tam giác:

Tại đỉnh tường Pco=0; Tại chân tường PcH= λcγz

Có thể biểu diễn theo lưng tường như hình (c)

2.áp lực chủ động của đất dính lên tường chắn: (c≠0; ϕ ≠0)

Lập luận tương tự như trên → thêm: Lực dính trên mặt trượt

Lực dính trên lưng tường Thực tế để đỡ phức tạp người ta chỉ xét lực dính trên mặt trượt

;

;)sin(

θψ

cos

θψ

=

λb Hệ số áp lực bị động

Lưng tường thẳng đứng ( β=90o i=∝ = 0)

)245(2

1γ 2 2 +ϕ

b H tg

E

Biểu đồ áp lực bị đông có dạng tam giác

Nhận xét: Tính theo Cu lông kết quả Ec có độ chính cao

Eb kết quả sai số đáng kể

$.4 áp lực đất lên tường chắn trong một số trường hợp riêng

1 Nền không đồng nhất: → Đất sau tường gồm nhiều lớp

xét trường hợp đơn giản mái đất song song → dùng phương pháp gần đúng

Đoạn tường trên làm bình thường → coi như 1 tường độc lập

Đoạn dưới vẽ bằng cách xem lớp 1 là tải ngoài phân bố đều và liên tục và

đổi nó thành lớp một lớp đất có cùng trọng lượng đơn vị như lớp đất đang xét

kết quả như sau:

2.Trường hợp lưng tường g∙y khúc:

Giả thiết kéo dài tường

Đoạn AB coi như 1 tường độc lập → chiều cao

H1 → tính bình thường

Đoạn BC tính toán với tường CC' → sau đó bỏ

phần tương ứng với đoạn tường giả định BC' →

Khi góc dốc lưng tường giữa đoạn trên và dưới

chênh nhau > 10o thì cách tính này → có sai số

khá lớn → phải hiệu chỉnh

3 Trường hợp trong đất đắp có nước:

Với các công trình cảng, thuỷ lợi và một số công trình khác → đất đắp sau tường chắn thường có nước

3.1 Mái đất nằm ngang: i =0

Do ảnh hưởng của nước ngầm → nên các chỉ tiêu cơ lý của đất trên và dưới mực nước có khác nhau → vậy cần phải xác định các chỉ tiêu tính toán thích hợp

Đất trên nước ngầm → dùng dung trọng tự nhiên

Đất dưới nước ngầm → dùng dung trọng đẩy nổi

Đối với đất cát ít có ảnh hưởng đến ϕ → tính toán dùng ϕ chung cho trên và dưới

Đối với đất dính: Lực dính c thay đổi nhiều khi W thay đổi nên phải hết sức thận trọng khi chọn c trong tính toán

→ Sau đó tính như nền 2 lớp mà mặt phân cách là nước ngầm

Để tính áp lực nước lên tường → Dùng các phương pháp xác định áp lực thuỷ tĩnh

3.2 Mái đất nghiêng: i≠ 0 nếu không lớn lắm → tính như trên

Nếu lớn → tham khảo chuyên đề

4 Trường hợp trên mặt nền có tải trọng tác dụng:

Có tải trên mặt → làm tăng lực đẩy của đất vào tường

Có thể làm thay đổi hình dáng

Tuy nhiên trong tính toán người ta cho rằng tải trọng đó không làm thay đổi

vị trí của mặt trượt nguy hiểm nhất trường hợp mặt đất tự do

cos 2

=

) cos(

cos cos 2 1

αγ

α

i H

i p E

→ hay

2 ) 1

(

2 1

2

c c

H tgitg

=

Thay H bằng z và đạo hàm của Ec theo z ta được cường độ áp lực dất chủ

động tác dụng lên tường tại độ sâu z

c c

a

tgi tg

q z

dz

dE

αλ

γ

++

EcQ → áp lực tăng thêm do tải đặt trên mặt Nếu góc i và α ngược với hình vẽ trên thì lấy giá trị âm

Trường hợp đặc biệt: i=α=ω= 0

→ λc = tg2(45o -ϕ/2)

pc=(γz + p) tg2(45o -ϕ/2)

Trường hợp đất dính:

H c C H

q H

z

dz

dE

p a = =γ λc+ λcư

Trường hợp i=ω=α = 0

)2/45(2)2/45()

2/45

(

2

2 2

2

ϕϕ

ϕ

Hctg qHtg

tg

H

E

)2/45(2)2/45()

2/45

đỉnh nhau

Tuy nhiên đất chịu kéo kém nên áp lực trong đoạn → coi bằng không

Cho pa ở * = 0 và thay z= Hc →

γϕ

γ

q tg

LỜI NÓI ĐẦU

Giáo trình cơ học đất - địa chất được biên soạn làm cơ sở cho việc giảng dạy và

học tập môn học Cơ học đất và địa chất công trình của học viên hệ trung học cầu đường của trường Trung học Cầu đường và dạy nghề thuộc Tổng công ty xây dựng Trường Sơn

Giáo trình gồm 8 chương:

Chương 1 Các tính chất vật lý của đất

Chương 2 Các tính chất cơ học của đất

Chương 3 Phân bố ứng suất trong đất

Chương 4 Biến dạng lún của nền

Chương 5 Sức chịu tải của đất nền

Chương 6 Ổn định của mái đất

Chương 7 Áp lực đất lên tường chắn

Chương 8 Khái niệm địa chất tự nhiên và địa chất công trình

Phần phụ lục Thí nghiệm xác định một số chỉ tiêu vật lý của đất

Khi biên soạn giáo trình, chúng tôi đã dựa vào tiêu chuẩn kỹ thuật công trình giao thông đường bộ và các giáo trình địa chất công trình, giáo trình cơ học đất đã và đang được giảng dạy tại các trường chuyên nghiệp nghành Giao thông vận tải

Trong quá trình biên soạn, chúng tôi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp quý báu của các đồng nghiệp để xây dựng nội dung cuốn giáo trình Song do trình đọ có hạn, nên trong giáo trình không tránh khỏi các thiếu sót Rất mong các đồng chí tiếp tục đóng góp các ý kiến để chúng tôi tu chỉnh nội dung giáo trình hoàn chỉnh hơn nhằm đáp ứng được yêu cầu giảng dạy và học tập trong nhà trường

TÁC GIẢ

BÀI MỞ ĐẦU

1.Đối tượng nghiên cứu của môn học

Đối tượng nghiên cứu của môn học là đất đá thiên nhiên lớp trên cùng của vỏ trái đất Đối với nghành xây dựng các côngtrình giao thông cần phải nắm vững những khái niệm cơ bản về địa chất công trình, quá trình hình thành đất tạo ra nhiều loại đất có tính chất khác nhau

Đất không phải là vật thể liên tục, mà là vật thể do nhiều hạt khoáng vật bé, có kích thước khác nhau hợp thành Các hạt này tạo thành một khung kết cấu có nhiều lỗ hổng, trong đó thường chứa nước và khí Trong khung kết cấu, các hạt đất có thể sắp xếp rời rạc hoặc được gắn kết liền với nhau bởi những liên kết yếu hơn rất nhiều so với cường

đọ bản thân hạt

Chính những đặc điểm đó làm cho đất có những tính chất khác hẳn so với các vật liệu khác, đồng thời làm cho các hiên tượng cơ học xảy ra trong đất theo những quy luật đặc thù riêng

Để sử dụng đất vào xây dựng công trình giao thông được tốt, cần phải xác định được sức chịu tải và biến dạng của đất dưới tác dụng của tải trọng và áp lực của nó lên các vật chắn

2 Nội dung và đặc điểm của môn học

Cơ học đất - địa chất là môn học khoa học nghiên cứu các quá trình địa chất tự nhiên và các quá trình cơ học xảy ra trong đất dưới ảnh hưởng của các tác dụng bên trong vàbên ngoài, tìm ra các quy luật tương ứng và vận dụng các quy luật đó để giải quyết các vấn đề có liên quan đến việc xây dựng công trình giao thông

Nhiệm vụ của môn học là xác định quy luật hoạt động của các hiện tượng địa chất tự nhiên tác dụng đến công trình xây dựng Việc xác định các quy luật cơ bản của các qúa trình cơ học xảy ra trong đất và các đặc trưng tính toán của đất là một vật thể phân tán phức tạp, nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng của đất ở các giai đoạn biến dạng khác nhau, giải quyết các vấn đề về cường độ chịu tải và ổn định của các khối đất cũng như vấn đề áp lực của đất lên vật chắn

Đặc điểm của môn học là nghiên cứu một đối tượng rất phức tạp, gồm nhiều thành phần với các tính chất khác nhau, đồng thời lại phụ thuộc chặt chẽ với các điều kiện xung quanh Chính vì vậy trong khi nghiên cứu môn học thì bên cạnh việc sử dụng phương pháp lý thuyết còn phải hết sức coi trọng phương pháp thực nghiệm ở trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường

MỤC LỤC

3.2 Phân bố ứng suất do trọng lượng bản thân đất gây ra 25

3.3 Phân bố ứng suất do tải trọng ngoài gây nên trong nền đồng nhất 26

3.4 Phân bố ứng suất do tải trọng ngoài gây nên trong nền

3.5 Phân bố ứng suất tiếp xúc dưới đáy móng 38

5.3 Xác định tải trọng giới hạn 47

8.6 Hiện tượng Kás-tơ 79

8.7 Hiện tượng cát chảy 80

8.9 Khái niệm về khảo sát địa chất công trình 81

Hướng dẫn thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của đất 85

Chương 1 CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT

1.1 Sự hình thành đất

Thành phần chủ yếu của đất là các hạt đất, các hạt đất có kích thước to nhỏ khác nhau, chúng được tạo nên do sự phá hoại các tầng lớp đất đá ban đầu bởi các tác dụng vật lý, hoá học, quá trình này gọi là quá trình phong hoá Quá trình phong hoá đất đá được phân làm ba loại là: Phong hoá vật lý, Phong hoá hoá học và phong hoá sinh học

Ba loại phong hoá trên thường tác dụng đồng thời trong thời gian dài làm cho các lớp đá trên mặt bị vỡ vụn, sau đó do tác dụng của dòng nước của gió làm các hạt đó bị cuốn đi nơi khác Tuỳ theo kích thước các hạt to nhỏ mà trong quá trình di chuyển chúng sedx lắng đọng lại hoặc rơi xuống tạo thành các tầng lớp đất khác nhau Quá trình di chuyển

và lắng đọng sản phẩm phong hoá gọi là trầm tích, ba phần tư bề mặt lục địa được bao phủ bởi các lớp đất đá trầm tích, phần còn lại là các vùng còn giữ được thành phần khoáng chất như đá gốc hoặc thay đổi ít

Các hạt lắng đọng chồng chất lên nhau, giữa chúng không có lực liên kết đó là các lớp đất cát, cuội, sỏi, loại này nói chung là đất rời Các hạt nhỏ với kích thước vài phần nghìn mm thường có tính keo dính và tích điện, khi lắng đọng chúng liên kết với nhau thành các tầng đất gọi chung là đất dính hoặc đất sét

1-2 Các thành phần chủ yếu của đất

Thành phần chủ yếu của đất là các hạt đất, Các hạt đất có kích thước và hình dáng khác nhau nên khi sắp xếp với nhau sẽ tồn tại các khe rỗng, các khe rỗng này trong tự nhiên thường có nước và không khí Nước và không khí trong các khe rỗng có ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất của đất vì vậy khi nghiên cứu đất phải sét tới các phần này, vì vậy đất là vật thể ba pha: Pha cứng là hạt đất, Pha lỏng là nước trong khe rỗng, pha khí là khí trong khe rỗng

1.2.1 Hạt đất

Hạt đất là thành phần chủ yếu ciủa đất Khi chịu lực tác dụng bên ngoài lên mặt đất thì các hạt đất cùng chịu lực, vì vậy người ta gọi tập hợp các hạt đất là khung cốt của đất Các hạt đất có hình dạng và kích thước khác nhau tuỳ thuộc vào tác động của quá trình phong hoá và quá trình di chuyển, lắng đọng

Để phân loại và gọi tên các hạt đất, người ta dùng khái niệm đường kính trung bình của hạt, đây là đường kính của vòng tròn bao quanh tiết diện lớn nhất của hạt đất

ấy (hình 1-1)

D D D

Hình 1.1

Theo quy trình quy phạm hiện nay tên các hạt đất được gọi theo bảng 1-1

Bảng 1-1: Tên hạt đát gọi theo đường kính trung bình

Các hạt đất có kích thước càng lớn thì thành phần khoáng vật càng giống đá gốc

còn các hạt có kích thước càng nhỏ thì các thành phần khoáng vật bị biến chất và được

gọi là khoáng vật thứ sinh

Những hạt lớn như cát, cuội, sỏi có thành phần khoáng vật giống đá gốc, khi sắp

xếp cạnh nhau thì giữa chúng không có lực liên kết loại này gọi chung là đất hạt rời

Khi số lượng các hạt sét và hạt keo có một tỷ lệ nhất định ở trong đất thì có hiện

tượng các hạt dính kết với nhau thành từng lớp hoặc từng khối, loại này gọi chung là đất

dính

1.2.2 Nước trong đất

Nước trong đất có ảnh hưởng lớn đến tính chất chịu lực của đất, nước được tồn

tại trong đất dưới nhiều dạng khác nhau, với mỗi dạng đều có ảnh hưởng nhất định đến

các tính chất khác nhau của đất ngưới ta phân ra làm ba dạng sau

a, Nước trong khoáng vật của hạt đất

Đây là loại nước nằm trong tinh thể khoáng vật của hạt đất, nó tồn tại dưới dạng

phân tử H2O hoặc ở dạng i-on H+ và OH- Loại nước này ít ảnh hưởng đến tính chất

cơ học của đất

b, Nước kết hợp mặt ngoài của đất

Đây là loại nước được giữ lại trên bề mặt hạt đất dưới tác dụng của các lực hoá

lý Tuỳ theo mức độ kết hợp mạnh yếu khác nhau thì được phân thành 2 loại:

- Nước hút bám: Là loại nước bám rất chặt vào ngay mặt ngoài hạt đất, nó không

thể trực tiếp di chuyển từ hạt này sang hạt khác mà chỉ di chuyển dưới dạng bay hơi