BÀI GIẢNG cơ học đất compatibility mode

Từ các nghiên cứu lý thuyết và các nghiên cứu thực nghiệm, cơhọc đất tập trung giải quyết các nhiệm vụ và nội dung cơ bản sau:- Xác lập các quy luật cơ bản về các quá trình cơ học xảy ra

BÀI GiẢNG MÔN CƠ HỌC ĐẤT

HỆ ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH : Xây dựng cầu đường

Giảng viên : Đồng Minh Khánh

Thái nguyên, Năm 2014

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI

Chương 1 CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT

1.1 Phần mở đầu

Cơ học đất là một ngành của cơ học ứng dụng chuyên nghiên cứu về đất Hầu hết các công trình xây dựng đều đặt trên đất, nghĩa là dùng đất làm nền cho các công trình, số khác các công trình như nền đường, đê, đập đất thì lại dùng đất làm vật liệu xây dựng.

Như vậy đối tượng nghiên cứu của cơ học đất là các loại đất thiên nhiên, là sản phẩm của quá trình phong hóa các đá gốc ở lớp trên cùng của vỏ quả đất Mỗi loại phong hóa có tác dụng phá hủy đá gốc khác nhau và nó tạo ra các loại đất khác nhau Đặc điểm cơ bản của đất là một vật thể gồm nhiều hạt rắn riêng rẽ không gắn với nhau hoặc gắn kết với nhau bằng các liên kết có sức bền nhỏ hơn nhiều lần so với sức bền của bản thân hạt đất Do quá trình hình thành đất mà chúng tồn tại độ rỗng trong đất và độ rỗng này lại có khả năng thay đổi dưới ảnh hưởng của tác động bên ngoài Ngoài ra trên bề mặt hạt đất có năng lượng, chúng gây ra các hiện tượng vật lý

và hóa lý phức tạp, dẫn đến làm thay đổi các tính chất vật lý và cơ học của đất Vì vậy khi nghiên cứu đất phải nghiên cứu đến nguồn gốc hình thành và các điều kiện tự nhiên mà đất tồn tại.

Từ các nghiên cứu lý thuyết và các nghiên cứu thực nghiệm, cơhọc đất tập trung giải quyết các nhiệm vụ và nội dung cơ bản sau:

- Xác lập các quy luật cơ bản về các quá trình cơ học xảy ra đốivới đất, đồng thời xác định được các đặc trưng tính toán ứng với các quátrình xảy ra đó

- Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong đất, quan hệ giữa ứngsuất và biến dạng dưới tác dụng của ngoại lực

- Giải quyết các bài toán về biến dạng, về cường độ, về ổn địnhcác nền đất, về mái dốc cũng như bài toán áp lực đất tác dụng lên tườngchắn

2 Đặc điểm và nội dung của môn học

Cơ học đất là môn học cần vận dụng các hiểu biết về đất từ cácmôn khoa học khác có liên quan như địa chất công trình, thổ chất học Vàđồng thời vận dụng các kết quả của các ngành cơ học khác như cơ học cácvật thể biến dạng (lý thuyết đàn hồi, lý thuyết dẻo, lý thuyết từ biến) Trên cơ

sở của các lý thuyết này, Cơ học đất đã xây dựng được các lý thuyết riêngphù hợp với các quá trình cơ học xảy ra đối với đất Tuy vậy ngoài cácnghiên cứu lý thuyết, các nghiên cứu thực nghiệm và các quan trắcthực tế cũng đóng vai trò quyết định trong nghiên cứu sử dụng đất trong xâydựng

3 Sơ lược lịch sử phát triển của môn học

Công trình khoa học đầu tiên của Cơ học đất là của C.A Coulomb (1736 -1806) thiếu tá kỹ sư công binh, viện sĩ viện khoa học Pháp, năm 1773 đã đưa ra lý thuyết nổi tiếng về cường độ chống cắt của đất và cũng là người đầu tiên xây dựng được phương pháp xác định áp lực đất lên vật chắn Trải qua hai thế kỷ và cho đến ngày nay, các phương pháp của ông vẫn được sử dụng rộng rãi.

Sự hình thành của cơ học đất như một môn khoa học độc lập với hệ thống hoàn chỉnh và các phương pháp riêng biệt của nó được xem như bắt đầu từ năm 1925, khi K.Terzaghi(1883-1963) cho xuất bản cuốn “ Cơ học đất trên cơ sở vật lý của đất”.

Năm 1963 Hội nghị khoa học quốc tế về Cơ học đất - Nền móng họp lần thứ nhất và sau đó cứ 4 năm họp một lần Hội nghị Cơ học đất - Nền móng và các hội thảo khoa học liên quan cũng được

tổ chức ở nhiều nước và khu vực.

Đến nay, Cơ học đất đã trở thành một môn khoa học với nhiều nội dung phong phú, gồm nhiều lĩnh vực khác nhau nhằm đáp ứng sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp, xây dựng.

1.2 Nguồn gốc hỡnh thành và cấu tạo đất

1.2.1 Nguồn gốc hỡnh thành

Đất là sản phẩm của sự phong húa đỏ gốc thành cỏc hạt đất.

1.2.2 Thành phần cấu tạo đất

Cỏc hạt đất tự sắp xếp tạo thành khung cốt đất cú nhiều lỗ rỗng,

trong cỏc lỗ rỗng cú chứa nước và khụng khớ Như vậy đất gồm ba thành phần (ba pha):

+ Hạt đất (pha rắn);

+ Nước trong đất (pha lỏng);

+ Khớ trong đất (pha khớ).

Khí Nước Hạt

Qk

Qn

Qh Q

Vk

Vn Vr

V

1.2.3 Liên kết kết cấu của đất

- Liên kết nguyên sinh: Là sự tác dụng của lực hút phân tử giữa các hạt với nhau và giữa các hạt với nước Các liên kết này thường có tính đàn hồi và tính nhớt.

- Liên kết thứ sinh: Là liên kết cứng giữa các hạt đất, nó được hình thành do sự hóa già của các chất keo và sự kết tinh của các muối trong đất Liên kết thứ sinh làm cho đất có thể chịu được một tải trọng lớn, tuy nhiên dễ bị phá hoại giòn, đột biến và khó khôi phục.

1.3 Các tính chất vật lý của đất

1.3.1 Trọng lượng thể tích

1 Trọng lượng thể tích tự nhiên (trọng lượng đơn vị)

- Là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng thái tự nhiên.

Phương pháp dao đai là phương pháp đơn giản

nhưng tốn nhiều thời gian và sức lực khi thí nghiệm

Khối lượng m là khối lượng của đất trong dao đai

Thể tích V là thể tích của dao đai

Phương pháp rót cát Phương pháp bóng cao su

Cả hai phương pháp này đều sử dụng chung

một nguyên lý: thể tích lỗ đào trong nền đất

được xác định thông qua một vật liệu khác: cát

có kích thước chuẩn (đối với phương pháp rót

cát) và nước (đối với phương pháp bóng cao

su)

Phương pháp phóng xạ và đo độ dẫn điện đều không cần phải đào lỗtrong nền đất để xác định khối lượng đất và thể tích của lỗ đào Độ ẩm vàkhối lượng thể tích của đất nền được xác định dựa vào mối quan hệ đãđược xác lập trước giữa độ ẩm và khối lượng thể tích với khả năng lantruyền phóng xạ hoặc độ dẫn điện.

- trọng lượng riêng của nước (kN/m3)

3.Trọng lượng thể tích đẩy nổi:

- Là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất nằm ở dưới nước.

n h

h đn



 

1.3.2 Độ ẩm và độ bão hòa

1 Độ ẩm:

- Là tỉ số giữa trọng lượng nước ở trong mẫu đất với trọng lượng phần hạt của mẫu

- Công thức:

Trong đó: Qn- trọng lượng nước có trong mẫu đất

2 Độ bão hòa nước:

- Là tỉ số giữa thể tích nước trong đất so với thể tích lỗ hổng của đất

- Công thức:

Sr < 0,5 – Đất hơi ẩm

0,5 < Sr < 0,8 – Đất ẩm0,8 < Sr < 1 - Đất ở trạng thái bão hòa nước

Sr = 1 – Đất bão hòa

Sr = 0 – Đất khô

%100

V V

S 

3 2

W

Wtb   

e 

Ví dụ:

Khi thí nghiệm một mẫu đất được số liệu như sau:

Thể ch mẫu đất ẩm V = 80cm3.

Khối lượng mẫu đất ẩm m1 = 148,6g.

Khối lượng mẫu đất sau khi sấy khô m2 = 125,6g.

Tỷ trọng hạt của đất ∆ =2,68.

Hãy nh: Độ ẩm W, trọng lượng thể ch tự nhiên γ, trọng lượng thể ch khô

γk, hệ số rỗng e, độ rỗng n, độ bão hòa G(Sr) của đất đó.

Độ ẩm được xác định theo công thức:

%6.18

%

1003

.125

3.1256

.148

%100

%100

m

m W

h n

Trọng lượng thể tích tự nhiên và trọng lượng thể tích khô:

3

1 148.6

*9.81 18.22 / 80

m g

kN m V

318.22

071.01

71.01

71.0136

.15

81.9

*68.21

*1

e

k

n k

.0

6.18

*01.0

*68.2

*01.0

S r

1.3.4 Mối liên hệ giữa các chỉ tiêu

Giữa các chỉ tiêu tính chất của đất có những liên hệ về số lượng Từ các chỉ tiêu cơ bản được xác định trực tiếp từ thí nghiệm như trọng lượng thể tích tự nhiên , độ ẩm W, trọng lượng riêng hạt h ta có thể suy ra các chỉ tiêu khác theo

1.4 Các chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất

emax : hệ số rỗng của đất ở trạng thái xốp nhất;

emin : hệ số rỗng của đất ở trạng thái chặt nhất

Thí nghiệm xác định emax và emin

Ống thép có chiều cao 125mm, đường kính 76mm Quả cân bằng gang cóđường kính 71mm, chiều cao 15mm Phễu rót cát và thanh gõ

Trình tự thí nghiệm:

Xác định emax

Cân khối lượng của ống (2) là m1 , thể tích của ống là V Lấy 1000

÷1200g đất cát sấy khô Đổ đất đã sấy qua phễu vào ống (2) Khi đất đã đầythì dùng dao gạt đất cho bằng và cân lại được m2

Kết quả emax tính như sau:

V



với

Xác định emin

Tiếp theo đặt quả cân (3) lên trên và dùng thanh gõ (4) đập vàothành ống trong 1 phút, lần lượt lên trên rồi lại xuống dưới, xung quanh ống(2) Sau đó, đo độ lún của mặt đất trong ống (2) Tiếp tục gõ ba lần nữa, mỗilần 30 giây và đo độ lún của quả cân Nếu thấy độ lún không tăng thêm tức làđất đã nén chặt và có độ rỗng nhỏ nhất

Kết quả emin tính như sau:

min maxh 1 maxn 1

Việc xác định độ chặt của đất cát bằng thí nghiệm trong phòng vẫn còn nhiều nhược điểm do biện pháp thực hiện trạng thái xốp nhất, chặt nhất khó đảm bảo chính xác Hơn nữa hệ số rỗng tự nhiên của cát cũng khó xác định được vì không lấy được mẫu đất nguyên trạng Trong thực tế thường dùng các phương pháp thí nghiệm xuyên tĩnh, xuyên tiêu chuẩn để xác định

độ chặt của đất cát theo Bảng 1.8 và Bảng 1.9

2 Hệ số rỗng e

Để đánh giá độ chặt của đất một cách đơn giản hơn người ta còncăn cứ vào hệ số rỗng e Theo qui trình TCN(45-78), đất cát được phân chiatheo độ chặt kết cấu như trong bảng 1.10

1.4.2 Độ sệt của đất

Độ sệt IL (B) của đất dính là chỉ tiêu nói lên mức độ cứng haymềm của đất dính ứng với một độ ẩm nhất định Khi độ ẩm của đất thayđổi thì độ sệt cũng thay đổi theo và đất chuyển từ trạng thái này sangtrạng thái khác

P

P P

L

P

I

W-

W W

W

W-

W





L I

1 Phương pháp xác định độ ẩm giới hạn dẻo W p

Phương pháp vê giun: người ta lấy đất lăn thành những que đất như hình vẽ Nếu đến khi que có đường kính D= 3mm mà bắt đầu xuất hiện các vết nứt ngang trên bề mặt que thì lấy những que đất này làm thí nghiệm độ ẩm Độ ẩm của đất khi đó là Wp

2 Phương pháp xác định độ ẩm giới hạn chảy W L

* Phương pháp Casagrande:

Đĩa thép (hoặc nhôm) được đặt trên một đế cứng (dụng cụ gây va đập) Khi quay tay quay thì đĩa bị nâng lên rồi rơi xuống ở độ cao khoảng 5mm

Trình tự thí nghiệm:

Lấy một phần đất được chiasau khi sàng (hoặc được chuẩn bị

như thí nghiệm xác định WP), cho

thêm nước cất rồi trộn đảo đều Lấy

đất này cho vào đĩa Dựng thanh

chuẩn của bộ thiết bị tạo rãnh tiết

diện hình thang khoảng cách hai mép

rãnh là 10mm chia đất thành hai nửa

như nhau

Sau khi quay 25 lần (đĩa va đập vào đáy 25 lần) nếu hai phần mép vạch củahai nửa mẫu đất chập vào nhau thì đất có thể coi là ở độ ẩm giới hạn chảy.Nếu cần nhiều lần hơn là đất khô quá, ít lần hơn là đất nhão quá.

Xác định độ ẩm của 20-30g đất sau khi thử đạt yêu cầu sẽ có WL

Thực tế, làm nhiều lần mẫu đất với các độ ẩm khác nhau, sau đó vẽ đồ thịquan hệ giữa độ ẩm - W và số lần đập - n Xác định WL trên biểu đồ tươngứng với n=25

W

n n=25

0

WL

* Phương pháp quả dọi Vasiliev:

Dùng quả dọi nặng 76 g có đầu

hình chóp nón mũi nhọn  = 300,

cao h=25mm như hình vẽ Đặt mũi

quả dọi sát mặt đất, sau đó thả tay

cho lún tự do vào trong đất Nếu

sau 10 giây mà quả dọi lún vào

trong đất được 10 mm thì độ ẩm

của đất được coi là độ ẩm giới hạn

chảy Đem xác định độ ẩm của đất

1.5 Phân loại đất

1.5.1 PHÂN LOẠI ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM TCVN 5747 – 1993.Tiêu chuẩn này phân loại đất dựa theo thành phần hạt của đất Trình tựphân loại được thực hiện như sau:

Dựa trên thành phần kích thước hạt chiếm ưu thế trong đất để phân chiathành hai nhóm lớn là hạt thô và hạt mịn

Dựa trên hàm lượng các hạt để phân chia nhóm đất hạt thô thành cácnhóm phụ

Dựa trên các trị giới hạn chảy, giới hạn dẻo, chỉ số dẻo để phân chianhóm đất hạt mịn thành các nhóm phụ

1 Đối với đất hạt thô

Đất hạt thô được phân loại từ các kết quả thí nghiệm phân tích hạt trong phòng thí nghiệm

Đất hạt thô được chia thành đất sỏi sạn ký hiệu (G) và cát ký hiệu (S) Đất cuội sỏi và đất cát được chia thành các nhóm phụ được ký hiệu bằng

2 chữ cái: Chữ cái đầu tiên mô tả tên các loại đất, chữ cái sau mô tả đặc tính của các loại đất Các loại đất hạt thô là GW, GP, SW, SP, GC, GM,

SM, SC, cụ thể theo Bảng1.12

(trong đó: G là cuội (Gravel); W là cấp phối tốt (Well); P là cấp phối xấu (Poor), M là hạt mịn không dẻo (Mud), C là hạt mịn dẻo (Clay))

Phân loại nhanh đất hạt thô: Các đất hạt thô được phân loại nhanh ởhiện trường, theo mô tả trong Bảng 1.13 Dựa trên cách nhận dạng các hạtđất ở hiện trường bằng mắt và kinh nghiệm

(trong đó: M là bụi (Mo tiếng Thụy Điển, Silt); C là sét (Clay); O là hữu cơ(Organic); H là tính nén cao (High compressibility); L là tính nén thấp (Lowcompressibility)

1.5.2 PHÂN LOẠI ĐẤT THEO TCXD 45 - 78

1 Phân loại đất dính theo TCXD 45-78

Đất dính được phân loại theo chỉ số dẻo Ip (hoăc A)

Giới hạn chảy WL được xác định theo phương pháp Vasiliev với đất chế bị,hạt qua sàng 0,1mm

Tùy theo chỉ số dẻo, đất dính được phân loại theo Bảng 1.15

Á sét pha cuội (dăm), pha sỏi (sạn)

Sét pha cuội (dăm), pha sỏi (sạn)

* Khi đất chứa trên 50% khối lượng những hạt > 2mm thì đất được xếp vào loại đất hạt thô (bảng phân loại đất rời)

Đất dính còn bao gồm: Đất bùn, đất lún ướt và đất trương nở Đất lún ướt và đất trương nở được xếp vào loại đất đặc biệt.

2 Phân loại đất rời theo TCXD 45-78 (nền nhà và công trình)

Đất rời được phân thành: Đất hạt thô và đất cát Mỗi loại đượcphân thành từng loại theo chỉ dẫn của Bảng 1.17

Chương 2: Ứng suất trong đất

2.1 ỨNG SUẤT TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT

2.1.1 Các loại ứng suất trong đất và các giả thiết tính toán

2.1.1.1 Các loại ứng suất trong đất

Theo tính chất tải trọng tác dụng trên đất, ứng suất được chiathành:

+ Ứng suất do trọng lượng bản thân đất gây nên (ứng suất vốncó)

+ Ứng suất do tải trọng ngoài gây lên (ứng suất phụ thêm)

+ Ứng suất tiếp xúc: Áp lực do tải trọng ngoài tác dụng lên đấtnền ở chiều sâu đáy móng

Đất về cơ bản không chịu kéo, để thuận tiên trong tính toán, ứngsuất nén trong đất quy ước là dấu dương (+), ứng suất kéo quy ước làdấu âm (-)

Trong cơ học đất, thường dùng lý thuyết đàn hồi để nghiên cứu và tính

đàn hồi để tính ứng suất trong đất đưa vào một số giả thiết sau đây:

Điều này có thể xem là thỏa mãn nếu khống chế tải trọng p không vượtquá tải trọng giới hạn tuyến tính p0 (p < p0)

Đất là một vật thể liên tục đồng nhất đẳng hướng Điều này có thể xem

là thỏa mãn đối với đất sét dẻo hoặc đất cát chặt thuần chất

kết thúc, tức trị số ứng suất ở đây là ứng suất tổng đã hoàn toàn truyền

vào cốt đất, tức ứng suất có hiệu khi quá trình cố kết đã hoàn thành (cốkết hoàn toàn)

2.1.1.2 Các giả thiết để tính toán

2.1.2 Khái niệm ứng suất có hiệu và áp lực nước lỗ rỗng của Terzaghi

Terzaghi đã đưa ra mô hình lý thuyết giải thích sự khác nhaugiữa ứng suất có hiệu và áp lực nước lỗ rỗng như sau:

Ban đầu mẫu đất chịu tác dụng

áp lực  (Hình a), bằng cách đặt lên

mẫu đất một tấm chì nặng Áp lực của

chì truyền qua các hạt đất xuống đáy

bình làm cho mẫu đất bị lún; hệ số rỗng

của đất giảm từ e0 tới e1, Áp lực gây

ra sự thay đổi độ chặt của đất được quy

ước gọi là ứng suất có hiệu, ký hiệu là

Thay tấm chì và đổ đầy nước vào bình

có chiều cao hn với hn=/γn (Hình b)

Ứng suất trên mặt cắt ngang của mẫu

tăng thêm một lượng  Áp lực nước

thông qua nước lỗ rỗng trong đất

truyền trực tiếp xuống đáy bình nên

không làm thay đổi độ chặt của đất Do

đó, áp lực sinh ra do áp lực nước trong

lỗ rỗng được gọi là áp lực nước lỗ

rỗng, ký hiệu u, được xác định như

Như vậy, ứng suất tổng tại bất cứ điểm nào trên mặt cắt của đấtbão hòa nước gồm hai thành phần: Thành phần áp lực nước lỗ rỗng u, tácdụng lên đất theo mọi hướng với độ lớn bằng nhau; thành phần ứng suấtcòn lại tác dụng vào pha rắn của đất (các hạt đất), được gọi là ứng suất cóhiệu ’ Vậy, ứng suất có hiệu có giá trị bằng ứng suất tổng  trừ đi áp lựcnước lỗ rỗng u:

’= - uKhái niệm ứng suất có hiệu rất quan trọng vì nó xác định trạngthái biến dạng của đất Ứng suất có hiệu tác dụng tại các điểm tiếp xúcgiữa các hạt đất làm cho chúng bị trượt và quay

 = ’ + uPhương trình  = ’ + u là nguyên lý ứng suất có hiệu củaTerzaghi Nguyên lý đó là “ứng suất tổng bằng ứng suất có hiệu cộng với

áp lực nước lỗ rỗng”, được biểu diễn như hình vẽ dưới đây