Bài Giảng Cơ Học Đất Đỗ Thanh Hải

Bài giảng cơ học đất đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh của thầy TS. Đỗ Thanh Hải biên soạn, bao gồm các phần: Chương 1. Bản chất vật lý của đất; Chương 2. Phân bố ứng suất trong đất; Chương 3. Biến dạng và độ lún của nền đất; Chương 5. Áp lực đất lên tường chắn. chúc các bạn học tập thật tốt với môn học thú vị này.

CƠ HỌC ĐẤT (SOIL MECHANICS)

CHƯƠNG mở đau

CƠ HỌC ĐẤT

1. Tính chất vật lý của đất

2. Tính chất cơ học của đất

3. Phân bố ứng suất trong đất

4. Biến dạng của đất nền

5. Sức chịu tải của nền đất

I TÍNH CHẤT VẬT LÍ CỦA ĐẤT

1. Mở đầu

2. Sự hình thành của đất

3. CaÙc pha hợp thành đất

4. CaÙc chỉ tiêu vật lí và trạng thái

5. Phân loại đất

1.Mở đầu

Định nghĩa Đất

1. Định nghĩa đất : Tất cả các loại đất

đá rời rạc

2. Sự phát triển của môn học :

-Coulomb (1773) :áp lực đất

-Boussinesq (1885):Ứng suất

-Terzaghi (1925) :Lý thuyết cố kết

Mục đích của việc học cơ học đất

 Phân tích số liệu báo cáo địa chất

 Sử dụng số liệu cho việc thiết kế nền và móng công trình

II Sự hình thành của đất

 Do sự phá hoại làm thay đổi thành phần đá gốc

dưới tác dụng của hóa học và vật lí

 Đá gốc ( Đá cứng ) :

 Đá macma : Granit,basalt ,andesite, porphire,dolerite… tạo từ vật liệu nóng chảy lỏng trong lòng hay ngay tại vỏ quả đất

 Đá trầm tích : Đá vôi (limestone) , đá cát kết

(sandstone),đá sét (claystone), đá bùn (mudstone)… do vật liệu lăng đọng trong lớp thủy quyển ( dưới tác đông của nhiệt và áp lực )

 Đá biến chất : Đá hoa (marble),đá thạch anh

(quartzite),đá phiến (slate),diệp thạch (Schist)

Các loại phong hóa

 Phong hóa hoá học : do các chất HH có trong thiên nhiên làm vở vụn

 Phong hóa vật lý :Do nhiệt độ , cơ

học (gió) làm vở vụn

 Phong hóa sinh học :do tác dụng của các loài vi sinh

Các sản phẩm phong hóa

 BaÛng 1-1

Khóang trong đá Các khoáng trong vụn

đá Loại đất hình thành Thạch anh (quartz) Thạch anh Cát

Moscovite Moscovite Cát mica

Orthoclase feldspar Illiite hoặc Kaolinite Sét sáng màu

Biotite mica Clorite hoặc

vermiculite Sét sẫm màu Plagioclase felspar monmorilonite Sét trương nở

4.Các pha hợp thành đất

1. Pha rắn :Gồm các hạt đất

a Thành phần khoáng : nguyên sinh

(mica, thạch anh ),thứ sinh(sét ,mica ,muối,…)

b Thành phần hạt :(Thành phần cấp

phối)

PHÂN LOẠI HẠT ĐẤT

1. Thành phần hạt :

* Nhóm hạt thô :đá hộc , cuội , sỏi ,cát

* Nhóm hạt mịn : bột ,sét , keo

2. Đặc tính nhóm hạt :

Hạt thô :rời rạc ở trạng thái khô hoặc bảo hòa Hạt mịn : có tính deỏ khi chứa một lượng nước nhất định

Pha rắn :Bảng phân loại đất

BaÛng kích thước nhóm hạt (mm)

Đá tảng Cuội Sỏi Cát Bột Sét Keo

Atterber

g >200 200-20 20-2 2-0.2 0,2—0,02 0,02—0,002 <0.002 ASTM >300 300

75 75 2 2—0.075 0.075

-0.005

0.001 <0.001

0.005-AASHTO > 75

75 2 2—0.075 0.075

-0.005

0.001 <0.001

0.005-QP45-78 >200

200-10 10-2 2-0.05 0.05-0.005

Pha rắn :Hình dạng hạt đất

Hình dạng hạt đất ảnh hưởng đến tính chất của đất Hình dạng hạt lớn : Tròn nhẳn hoặc góc cạnh

Hình dạng hạt nhỏ : hình phiến hoặc hình kim mỏng Hạt có kích thước càng nhỏ có tỉ diện tích càng lớn nên có nhiều tính chất độc đáo như tính trương nở , tính dính …

2.Pha lỏng của đất

 Nước trong đất gồm :

 Nước trong khóang vật : Nước trong mạng tinh thể của đất tồn tại dạng phân tử H2O hoặc ion H+,OH-

 Nước kết hợp mặt ngoài ( nước liên kết )

 Nước tự do

Nước hút bám Nước liên kết mạnh Nước liên kết yếu Nước tự do

Hạt đất

3.Pha khí của đất

 Tồn tại trong các lổ rỗng của đất

 Bao gồm :

VI.CaÙc chỉ tiêu vật lý

 Sơ đồ hoá thành phần đất :

Cách xác định hàm lượng % nhóm hạt

Dựa vào đường cấp phối hạt, là đường biểu

diễn tỉ lệ % các nhóm hạt khác nhau trong

đất, có 2 pp để xác định

- Phương pháp cơ học hay pp rây sàng:

+ Dùng cho hạt có D > 0,074 mm (# 200), (thí

nghiệm rây sàng)

+ Tính % trọng lượng nhỏ hơn (khối lượng

đất lọt qua rây có đường kính D / khối lượng

tổng cộng của mẫu đất)

Cách xác định hàm lượng

% nhóm hạt

Cách xác định hàm lượng % nhóm hạt

VI.CaÙc chỉ tiêu vật lý

2.Độ ẩm của đất : w = Qn*100/Qh [%] 3.Độ bảo hòa : G = Vn/ Vr = 0-1

4.Độ rổng : n% = Vr*100 / V

5.Hệ số rỗng : e = Vr / Vh

Các công thức tính đổi :

Chỉ tiêu trạng thái của đất dính

 1 Độ đặc của đất dính :

 c: giới hạn co :độ ẩm ứng với trạng thái rắn và nửa rắn

 d: giới hạn dẻo: độ ẩm ứng với trạng thái nửa rắn và trạng thái dẻo

 n: giới hạn nhảo: độ ẩm ứng với trạng thái dẻo và trạng thái nhảo

dẻo nhảo

Giới hạn dẻo

Chỉ tiêu trạng thái của đất rời

Đất cát chặt : 1>=D >0.67

Đất cát chặt vừa: 0.67 >D >0.33

Đất cát chặt : 0.33 >D > 0.0

Chỉ tiêu trạng thái của đất rời

 Phân loại đất cát theo hệ số rổng:

LOẠI ĐẤT CHẶT CHẶT VỪA XỐP

CaÙt sỏi ,cát thô ,

cát vừa <0.55 0.55<<0.70 >0.70 Cát nhỏ <0.60 0.60<<0.75 >0.75 Cát bột <0.60 0.60<<0.80 >0.80

Chỉ tiêu trạng thái của đất dính

3.Độ sệt B của đất dính : B = ( - d)/ (n - d)

* Đất cát pha :

û Trạng thái sệt (nhảo): B>1

û Trạng thái dẻo: 1>= B>=0

Û Trạng thái rắn: B < 0

* Đất sét pha và sét:

V Phân loại đất :

Hạt đất %Nhóm hạt đất Tên đất

V Phân loại đất rời:

TÊN ĐẤT CẤP PHỐI HẠT THEO % TL ĐẤT KHÔ ĐẤT HÒN LỚN

Đá dăm ,cuội Khối lượng hạt > 10mm chiếm trên 50% Sỏi ( Tròn ,góc cạnh) Khối lượng hạt > 10mm chiếm trên 50%

ĐẤT CÁT

Cát sỏi Khối lượng hạt > 2mm chiếm trên 25% Cát thô Khối lượng hạt > 0.5mm chiếm trên 50% Cát vừa Khối lượng hạt > 0.25mm chiếm trên 50% Cát nhỏ Khối lượng hạt > 0.10mm chiếm trên 75% Cát bột Khối lượng hạt > 0.10mm chiếm dưới 75%

Phân loại đất theo TCVN 5747-1993:

Thiết bị khoan khảo sát

Tb khoan

Đá tự nhiên

Cấu trúc hạt thô

Bộ rây

Rây ướt

Cọ trong bộ rây

II.TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT

2.Tính thấm của đất

 Nước chảy qua lỗ rỗng do có sự

chênh lệch cao độ

 Đất dưới công trình giảm độ rỗng

theo thời gian  tính thấm giảm

 Tính thấm có thể gây hư hỏng công trình

2.Tính neùn luùn của đñất

 Qui luật lún : Lún trong đất không xảy ra tức thời

 Nén lặp đi lặp lại nhiều lần : biến dạng

dư giảm dần và chỉ còn lại biến dạng

đàn hồi

3.Tính chống cắt

Đất chống được sự phá hoại do cắt nhờ :

Lực ma sát giữa các hạt đất Lực dính giữa các hạt

3.Tính chống cắt

Neùn ba truïc

Nén mẫu cát không thóat nước,áp lực âm tạo áp lực hông

3.Tính đầm chặt

Gia tăng độ chặt của đất để tăng lực dính

 Đối với công trình đất đắp, tránh lún và trượt bản thân phần đắp

 Đối với lỏi chống thấm của đập, hình thành một khối cách nước không có vết nứt

 Đối với nền đường, gia tăng sức chịu tải và độ cứng

 Khi xây dựng một phi đạo hoặc đường bằng đất, thích ứng với chất lượng đất tại chổ hay thay bằng một lớp đã cải

thiện

 Trong mọi trường hợp, giảm độ thấm và giảm hấp thụ nước

H=12in

3 : Phân bố ứng suất trong đất

I. Thành phần ứng suất và các loại ứng suất

II. Ứng suất do trọng lượng bản thân gây ra

III. Ứng suất do tải trọng ngoài gây ra

IV. Ứng suất trong trường hợp bài toán không

gian

V. Ưùng suất trong trường hợp bài toán phẳng

VI. Ứng suất thủy động

Thành phần ứng suất và các loại ứng suất

1./-Thành phần ứng suất trong phân tố đất :

+ Ứng suất pháp :  x  y  z

+ Ứng suất tiếp : zx zy yx yz xy xz

2 /- Các loại ứng suất trong đất :

+ Ứng suất do trọng lượng bản thân đất + Ứng suất do tải trọng bên ngoài gây ra + Ứng suất thuỷ động do dòng nước chảy gây

ra + Ứng suất tiếp xúc do tải trọng công trình tác dụng ở chiều sâu chôn móng

Ứng suất do trọng lượng bản thân

Ứng suất do trọng lượng bản thân tại điểm M có độ sâu H :

,z = v = H

Ứng suất do tải trọng ngoài

Tuỳ thuộc vào dạng tải trọng

Ngay tại đáy móng, ứng suất lớn nhấät và giảm dần theo độ sâu

Phạm vi gây lún :

Ứng suất do tt ngoài <= 0.2 Ứng suất bản thân

4 BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT NỀN

I. Một số khái niệm

II. Các phương pháp xác định độ lún ổn định

III. Xác định độ lún theo thời gian

I Khái niệm về độ lún

Độ lún : S= S1 + S2+ S3 + S4 + …

Trong đó :

S1 : Độ lún do kết cấu đất bị phá hoại

S2 : Độ lún do nền bị trượt ra ngòai (nở hông )

S3 : Độ lún do tải trọng công trình (nén chặt )

S4 : Độ lún do từ biến (cố kết )

S5 : Độ lún do thay đổi độ ẩm.(co ngót)

S6 : Độ lún do ảnh hưởng thực vật

S7 : Độ lún do hạ mực nước ngầm

S8 : Độ lún do sự biến đổ nhiệt độ

S9 : Độ lún do thấm và xói mòn

S10 : Độ lún do đào mỏ…

Khái niệm về áp lực gây lún

 Aùp lực gây lún : p= po -  hm

hm

po



Trong đó : po : áp lực dưới đáy móng do công trìng gây ra

hm: chiều sâu shôn móng

 : dung trọng của lớp đất trong phạm vi chiều

sâu chôn móng Nếu có nhiều lớp : tb

Khái niệm về biến dạng

 Các thành phần biến dạng :Cơ chế biến dạng của đất rất phức tạp Cơ bản gồm 2 loại như sau :

 1.Biến dạng đàn hồi : Biến dạng của khung hạt ứng với tải trọng gây lún nhỏ

 2.Biến dạng dẻo :Biến dạng của khung hạt ứng với tải trọng lớn làm các hạt đất sắp xếp lại Biến dạng này

không hồi phục

Lún là biến dạng theo phương thẳng đứng

Aûnh hưởng của nước đối với biến dạng

 Nứớc trong đất gồm :

1 Nước trong hạt khoáng hay nước liên kết hóa học :

Không ảnh hưởng đến biến dạng

2 Nước liên kết chặt trên bề mặt hạt đất : Không ảnh

hưởng đến biến dạng

3 Nước liên kết yếu, phần bên ngoài của vỏ nước, có thể bị tách khỏi vỏ nước bởi tác dụng của tải ngoài, có thể ảnh

hưởng đến biến dạng của đất nền

4.Nước trọng lực là phần nước bị chi phối bởi ảnh hưởng của lực trọng trường gồm nước mao dẫn và nước có thể di chuyển giữa các hạt đất do trọng lực, loại nước này ảnh hưởng rất lớn đến sự chảy trong đất và biến dạng của đất nền

Hộp nén cố kết

Dung cuï

Gọt mẫu đất

5 SỨC CHỊU TẢI CỦA NỀN ĐẤT

Tổng quan sức chống cắt của đất

 Nguyên nhân gây trượt:

cơ lý

Một số hình ảnh hư hỏng công trình do trượt : Trượt đất tự nhiên

Nền nhà bị trượt

Nhà được bảo vệ bởi tường chắn lũ bùn

Mái dập đất bị trượt dọc

Quạt gió bị lật

Các dạng mặt trượt

ĐÁY TƯỜNG CHẮN TRƯỢT MÁI DỐC

Trượt sâu và trượt mái

Công thức theo QP.XD 45-78

f f

Bảng A,B,D được xác dịnh theo công thức :

2 cot

25 ,

2 cot

2 cot

QPXD 45-70

Trong QPXD 45-70, công thức này được giới thiệu dưới dạng sức chịu tải tiêu chuẩn của đất nền có dạng:

Rtc = m(Ab2 + BDf1 +Dc)

Các đặc trưng đất nền trong Rtc là các đặc trưng tiêu

chuẩn gồm tc , c tc và tc

Trong đó m - hệ số điều kiện làm việc, được chọn như sau:

m = 0,6 khi nền là cát bột dưới mực nước ngầm

m = 0,8 khi nền là cát mịn dưới mực nước ngầm

m = 1 với các trường hợp khác

ktc - hệ số độ tin cậy, được chọn như sau:

ktc = 1 khi các đặc trưng tính toán lấy trực tiếp từ các thí nghiệm

ktc = 1,1 khi các đặc trưng tính toán lấy trực tiếp từ các bảng thống kê

tc

k m

m1 2

Bảng tra m1,m2 (trang 266)

Đất hòn lớn lắp đầy cát Các loại

cát (trừ cát mịn và cát bụi)

Cát mịn

•Khô và ít ẩm

•Bão hòa nước

1,2 1,1

1,1 1,1

1,3 1,3

Cát bụi

•Khô và ít ẩm

•Bão hòa nước

1,2 1,1

1,1 1,0

1,2 1,2

Đất hòn lớn lấp đầy sét

Các loại có độ sệt B> 0,5