Bài giảng địa kỹ thuật chương 6 (phần 1)

Ý nghĩa trong xây dựng nói chung ‘’ ứng suấtcắt tới hạn hay cực đạimà đấtcóthể chịu đựng’’ - Ý nghĩa quan trọng trong thiết kế công trình bởi vì khi sử dụng các hệ số an toàn cao thì các

CHƯƠNG 3

CƯỜNG ĐỘ KHÁNG CẮT

CỦA ĐẤT CÁT VÀ ĐẤT SÉT

CHƯƠNG VI

CƯỜNG ĐỘ KHÁNG CẮT CỦA

ĐẤT CÁT VÀ ĐẤT SÉT

NỘI DUNG § 1

NỘI DUNG § 2

§ 1

1 KN về cường độ kháng cắt của đất (CĐKC)

2 Ý nghĩa trong xây dựng nói chung

‘’ ứng suấtcắt tới hạn hay cực đạimà đấtcóthể chịu đựng’’

- Ý nghĩa quan trọng trong thiết kế công trình bởi vì khi sử dụng các hệ số an toàn cao thì các ứng suất cắt thực tế hình thành trong đất dưới tác dụng của tải trọng nhỏ hơn rất nhiều so với các ứng suất gây ra phá huỷ công trình.

§ 1

- Thí nghiệm hiện trường

5 Giới thiệu các ký hiệu được dùng trong chương

3 Một số phương pháp thí nghiệm xác định

CĐKC của đất

- Thí nghiệm trong phòng

4 Yêu cầu kiến thức

Chương này sẽ làm sáng tỏ mối quan hệ cơ bản giữa

ứng suất và biến dạng và biểu hiện chống cắt của đất

thông qua các kết quả thí nghiệm trong phòng của một

số loại đất điển hình Qua đây, hy vọng có thể giúp

bạn nhận biết được một số biểu hiện của đất khi bị cắt

§ 1

1 Giới thiệu chung

Hình3.1 Sựtạ thànhcủacáccồ cátvàminh họagócnghỉ

củacát

Kháiquátvềgócnghỉcủađấtvàsựhìnhthànhđụncát

Hình3.2 ảnh cácđụncátngoàithựctế Hình3.3 Góc nghỉcủamộtsốloạivậtliệurời

§ 1

2 Góc nghỉ khô và góc nghỉ ướt

4 Ý nghĩa

của việc

nghiên

cứu xác

định góc

nghỉ khô,

ướt

§ 1

nước

1 Sơ đồ thí nghiệm

thay đ i thể

t ch Hình 3.4

Nếu mẫu đất bão hoà → dễ dàng đo được lượng

nước đi vào hoặc đi ra khỏi mẫu, cũng chính là sự

biến đổithể tchvà cũnglà sựbiến đổihệ sốrỗngcủa

mẫu đất Lượng nước đi ra khỏi mẫu đất trong quá

trình cắt thể hiện sự giảmthểtch của mẫu, và ngược

lại là sự tăng thể tch của mẫu Trong cả hai thí

nghiệm, áp lực đẳng hướng σc bằng với σ3 giữ không

đổi và ứng suất dọc trục gia tăng cho đến khi xảy ra

sựpháhoạimẫuđất

NX:

§ 1

2 Các cách xác định đất ở trạng thái phá hoại

Sựpháhoạiđượcxácđịnhtheo:

1 Độlệchứngsuấtchínhlớnnhất(σ1– σ3)max

2 Hệsốứngsuấtchínhhiệuquảlớnnhất, (σ’1/σ’3)max

3 τ= ((σ1– σ3)/2 tạimộtbiếndạngquy định

1 (

1 (σ1– σ3)max xácđịnhtạithờiđiểmpháhoại, cũng là

cườngđộkhángnéncủamẫuđất

Chú ý:

2

2 Thí nghiệm cắt mẫu cát rời, khi ứng suất gia tăng thì

hệ số rỗng giảm từ el (e-rời) xuống ecl (ec - rời), rất

gần với e giới hạn ecrit Casagrande (1936a) gọi là hệ

số rỗng cuối cùng, tại đó xảy ra biến dạng liên tục khi

độ lệch ứng suất chính không đổi, là e tới hạn

2 Khicắt mẫucátchặt, độ lệchứng suất chínhđạtgiá

trị max, sau đó giảmtớigầngiá trị(s1-s3)ult củ cátrời

Đường cong quan hệ ứng suất-hệ số rỗng cho thấy

ban đầu mẫu cátchặt giảm nhẹ thểt ch, sau đó phình

rahay nởrađạttớiecd(e-chặt)

Hình 3.5: Thí nghiệm ba trục trên các mẫ ‘xố ’ và

‘chặt’ củ một loại cát điể hình(a)

suất-biế d ng; (b) Biế đ i h số rỗng khi cắt (theo Hirschfeld 1963)

§ 1

3.4 Ảnh hưởng của hệ số rỗng và áp lực đẳng

hướng đến sự thay đổi thể t ch

1 Một số KN và công thức cần quan tâm

-Độlệch ứngsuấtchính

- Tạithờiđiểmpháhoại

-Hệsốứngsuấtchính

(3-1)

(3-2)

(3-3)

-Độchặttương đối

-Hệsốrỗnggiớihạn ecrit và, giántiếp

-Biếndạngthể tch

(3-5)

(3-6)

2 Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng và hệ

số rỗng đối với cát chặt và cát xốp

Hình 3.6: Kết quả thí nghiệm n n ba trục thoát nước điể hình củ

mẫ cát chặt ở sông Sacramento- tỷ số ứng suất chính và biế

d ng d c trục

Hình 3.7: Kết quả thí nghiệm n n ba trục thoát nước điể hình củ

mẫ cát chặt ở sông Sacramento- biế d ng thể t ch với biế d ng

d c trục (Theo Lee, 1965)

Hình 3.8: Kết quả thí nghiệm n n ba trục thoát nước điể hình củ

mẫ cát chặt ở sông Sacramento- biế d ng thể t ch với biế d ng

d c trục (Theo Lee, 1965)

Hình 3.9 Quan h giữa biế d ng thể t ch lúc phá hoại với h số rỗng khi kết thúc cố kết ừ thí nghiệm n n ba trục thoát nước với nhiề cấ á

lực đ ng hướng

3 Quan hệ giữa Biến thiên thể t ch – hệ số

rỗng ứng với các áp lực buồng

từ thí nghiệm n n ba trục thoát nước Số liệ trong Hình 3.9 Hình3.11 Quanc k thiệh quảgiữachobiếcdchngsthểrỗngtchlúban đpháuhoạikhávớinhauứngsuất

4 Quan hệ giữa biến thiên thể t ch với ứng suất cố kết hiệu quả với các hệ số rỗng ban đầu khác nhau

Hình 3.12 Lý tưởng h a số

d ng thể t ch

từ thí nghiệm

thoát nước:(a)

∆V/Vo ~ eo; (b) ∆V/Vo~ σ’3

Hình3.13 BiểuđồPeacock

§ 2

3.5 Ứng xử của đất cát bão hòa khi cắt thoát nước

-Biếnthiênthểtchcủamẫukhigiatảiđứng

-Áplựcnướclỗrỗngcực đại

2 Biểu thức các trạng thái ứng suất tại thời điểm phá hoại

-Áplựclỗrỗngdư

-Độlệchứngsuấtchính

Hình 3.14 Các vòng Mohr củ thí nghiệm

n n ba trục không thoát nước và thoát nước (a)Trường hợp σ’3C > σ’3crit

(b) Trường h p σ’3C > σ3crit

Bảng 3.1 Tổng kết những KN trên các hình trong phần này

Tất cả các vòng Morh giống nhau: bởi vì không có sự thay đổi thể tích, Du = 0 trong khi thí nghiệm

s’3c= s’3crit

Lớn hơn thoát nước: Phía trái vòng Morh ứng suất hiệu quả

Lớn hơn thoát nước: Phía phải vòng Morh ứng suất tổng s’3f> s’3c

Nhỏ hơn không thoát nước s’3c< s’3crit

Nhỏ hơn thoát nước: Phía phải vòng Morh ứng suất hiệu quả

Nhỏ hơn thoát nước: Phía bên trái vòng Morh ứng suất tổng s’3f< s’3c

Lớn hơn không thoát nước s’3c> s’3crit

Không thoát nước, Tổng

Không thoát nước, Hiệu quả

Thoát nước, Hiệu quả = Tổng

Vòng Morh

Áp lực cố

kết hiệu

Ví dụ 1

Thínghiệmnénba trụccốkết thoátnước (CD) với mẫu đất rời Mẫu phá hoại khi tỷ số σ’1/σ’3 = 4, ứng suấtchínhhiệuquảnhỏnhấtσ’3= 100 kPa

b. Tínhđộlệchứngsuấtchínhkhimẫuphá hoại

c. VẽvòngMohr vàđường baopháhoạiMohr

Yêucầu:

a Theo côngthức3-1, tacó

Giải:

b Từcôngthức3-3, có

Thaygiátrị, thuđượcФ’= 370

c VòngMohr vàđườngbaopháhoạiMohr đượcvẽ

Cho:

Ví dụ 2 (BTVN)

Thí nghiệm nén ba trục thoát nước với mẫu đất

cátvớiσ’3= 150 kPavà (σ’1/σ’3)max= 3.7

a. σ’1f

b. (σ1 -σ3)f

Yêu cầu:

Xácđịnh

§ 2

3.6 Những yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt của đất cát

- Hệ sốrỗnghay độchặt tươngđối

- Hình dạng hạt

- Sự phân bố cỡ hạt

- Độ nhám bề mặt hạt

- Nước

- Ứng suất chính trung gian

- Kích thước hạt

- Quá cố kết hay ứng suất trước

Chú ý:

- Hệ số rỗng có lẽ là thông số quan trọng nhất có ảnh

hưởng đến cường độ kháng cắt của cát Với các TN

cắt thoát nước hoặc là cắt trực tiếp hay nén ba trục,

hệ số rỗng càng nhỏ thì sức kháng cắt càng lớn

- Những ảnh hưởng của độ chặt tương đối hoặc hệ số

rỗng, hình dạng hạt và kích thước hạt đến góc ma sát

trong Ф được tổng kết bời Casagrande trong bảng 3-2

Những giá trị trong bảng được xác định từ TN ba trục

trên các mẫu bão hòa ở cấp áp lực đẳng hướng vừa

phải

- Kích thước hạt, ở hệ s rỗng không đổi dường như

khôngảnhhưởngđáng kểđếnФ

Bảng 11-2 Góc ma sát trong của đất không dính*

60 0.18 -Sắc cạnh Mảnh đá nén chặt, cấp phối

tốt 11

47 0.53 38 0.82 4.5 0.07 Sắc cạnh Cát lấp hồ Great Salt

10

57 0.12 43 0.41 68 0.16 Bán tròn tới bán sắc cạnh

Hỗn hợp cát và sỏi cuội chế

bị cấp phối tốt số 7 và số 3 9

46 0.54 35 0.81 2.7 0.07 Bán sắc cạnh Cát từ đê biển, dự án

Quabbin, MA 8

43 0.60 33 0.85 1.4 0.22 Bán sắc cạnh Cát băng tích, Mancheter,

NH 7

42 0.54 34 0.84 1.8 0.13 Bán sắc cạnh tới bán tròn

Cát pha bụi nhẹ vùng vai đập Ft Peck, MT 6

40 0.45 36 0.65 4.1 0.04 Bán sắc cạnh tới bán tròn

Cát pha bụi vùng lân cận đập John Martin, CO 5

37 0.65 33 0.85 2.1 0.03 Bán tròn Cát pha bụi từ đập Franklin,

NH 4

-29 0.89 1.5 0.18 Tròn

Cát biển ở Plymouth MA 3

37 + 0.47 31 0.69 1.7 0.16 Tròn

Cát từ đá cát kết ở St Peter 2

35 0.53 28 0.70 1.2 0.56 Rất tròn Cát chuẩn Ottawa

1

f e f e

Chặt Rời

Cu

D10 Hình dạng hạt

Mô tả tổng quát Số

Ít ảnh hưởng Quá cố kết hoặc áp lực

tiền cố kết

φps≥ φtx(xem công thức 11-5a, b)

Ứng suất chính trung

gian

Không ảnh hưởng (với hệ số rỗng

e không đổi) Kích thước hạt S

W tăng, φ giảm nhẹ

Độ ẩm W

R tăng, φ tăng

Độ nhám bề mặt R

Cutăng, φ tăng Cấp phối hạt

A tăng, φ giảm

Độ sắc cạnh A

e tăng, φ giảm

Hệ số rỗng e

Ảnh hưởng Yếu tố

Bảng11-3 NhữngyếutốảnhhưởngđếnФ

Hình 3.15 Tương quan giữa góc ma sát trong hiệu quả với dung trọng khô, độ chặt tương đối và phân loại đất trong thí nghiệm nén ba trục

§ 2

3.7 Hóa lỏng và ứng xử linh động chu kỳ của cát

bão hòa

lực xung kích, cát có xu hướng giảm thể tích Điều này gây ra

sự tăng của áp suất lỗ rỗng và dẫn đến sự suy giảm ứng suất

hiệu quả trong khối đất Khi áp suất lỗ rỗng cân bằng với ứng

suất hiệu quả thì cát mất toàn bộ cường độ và chuyển sang

trạng thái hóa lỏng.

Bờ sông được cấu tạo bởi đất cát hạt mịn đều hạt rời rạc có

thể hoá lỏng khi có những biến dạng lớn như quá trình xói

mòn làm bờ sông dốc đứng và những biến dạng gây gia

tăng áp lực lỗ rỗng Hiện tượng đó được trình bày trong hình

3.16

Hình 3.16 Hóa lỏng trong nền đất cát rời liều kề bờ sông

§ 2

1 Hiện tượng HL

- Khi xảy ra xói mòn ở sườn dốc, ứng suất trong đất gia

tăng, áp lực nước lỗ rỗng gia tăng → HL ở một vùng

giới hạn (Hình 3.16a)

- Khi đất chảy xuống sông, nền đất ở đó sẽ chịu thêm

ứng suất phụ thêm và chúng cũng có thể bị HL (Hình

3.16b)Æ theo cách này, quá trình HL tiếp diễn đến khi

đất đạt tới trạng thái cân bằng với mái dốc rất thoải (

Hình 3.16c)

2 Tính chất và một số kiểu trượt khác nhau

Hình 3.17 So sánh kết

quả của ba thí nghiệm

CU và một thí nghiệm

CD trên mẫu cát gia tải

tới phá hoại (theo

Casagrande, 1975,

Castro, 1969)

Hình 3.18 Các vòng Mohr ứng suất tổng và ứng suất hiệu quả từ thí nghiệm CU (mẫu A) và thí nghiệm CD trong Hình 11.16 Hình vẽ thể hiện ở cả hai điều kiện độ lệch ứng suất cực đại và trong khi phá hoại

Hình 3.19 Kết quả

thí nghiệm nén ba

trục ứng suất chu kỳ

điển hình trên mẫu

cát rời (theo Seed và

Lee, 1966)

Hình 3.20 Kết quả thí nghiệm nén ba trục ứng suất chu kỳ điển hình trên mẫu cát chặt (theo Seed

và Lee, 1966)

Hình 3.21 (a) Quan

hệ tổng quát giữa

ứng suất chu kỳ cực

đại và số chu kỳ gây

ra phá hoại linh

động chu kỳ; thể

hiện những ảnh

hưởng của độ chặt

và áp lực đẳng

hướng ban đầu; (b)

định nghĩa về ứng

suất chu kỳ ∆σ trong

thí nghiệm ba trục

hoặc τhvtrong thí

nghiệm cắt trực tiếp

chu kỳ

Hình 3.22 biểu đồ trạng thái thể hiện khả năng hóa lỏng dựa trên kết

quả TN không thoát nước đối với cát bão hòa