TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT

Khái niệm hiện tượng thấm, tính thấm của đất:  Giảm hiệu quả tích nước của hồ chứa.  Ảnh hưởng đến thi công do nước chảy vào hố móng.  Gây xói ngầm cơ học dưới đáy CT  Chảy đất, mạch đùn, mạch sủi tại chỗKhái niệm hiện tượng thấm, tính thấm của đất:  Giảm hiệu quả tích nước của hồ chứa.  Ảnh hưởng đến thi công do nước chảy vào hố móng.  Gây xói ngầm cơ học dưới đáy CT  Chảy đất, mạch đùn, mạch sủi tại chỗKhái niệm hiện tượng thấm, tính thấm của đất:  Giảm hiệu quả tích nước của hồ chứa.  Ảnh hưởng đến thi công do nước chảy vào hố móng.  Gây xói ngầm cơ học dưới đáy CT  Chảy đất, mạch đùn, mạch sủi tại chỗ

§ 2.1: Tính thấm

§ 2.2: Tính ép co biến dạng

§ 2.3: Tính chống cắt

§ 2.4: Tính đầm chặt

Địa Kỹ Thuật

CHƯƠNG II

TÍNH CHẤT CƠ HỌC

CỦA ĐẤT

Bài 2.1

Tính thấm

I Khái niệm về dòng thấm trong đất

Khái niệm hiện tượng

thấm, tính thấm của đất:

 Giảm hiệu quả tích

nước của hồ chứa

 Ảnh hưởng đến thi

công do nước chảy vào

hố móng

 Gây xói ngầm cơ học

dưới đáy CT

 Chảy đất, mạch đùn,

mạch sủi tại chỗ dòng

thấm thoát

Tác hại dòng thấm:

 Gây mất ổn định mái dốc do thấm ngược

I Khái niệm về dòng thấm trong đất

Các đặc điểm dòng thấm:

• Dòng thấm trong đất là

dòng không ổn định

• Dòng thấm là dòng 3 chiều

Trong thuỷ lợi, dòng thấm được

giả sử là 1 hoặc 2 chiều

• Dòng thấm thực và dòng thấm không thực:

.- Dòng thấm thực: v t (m/s)

- Dòng thấm dòng thấm không thực ( d/t qua mặt cắt): v (m/s)

Trong xây dựng, dùng khái niệm dòng thấm qua mặt cắt.`

• Dòng thấm trong đất có vận tốc rất nhỏ, thường coi là dòng

chảy tầng

I Khái niệm về dòng thấm trong đất

• PT Bernoulli – Năng lượng của dòng thấm:

hA



Au

ZA

Z g

II Định luật Darcy cho dòng thấm trong đất

• Định luật Darcy cho đất cát sạch: v = k.i (1856)

i – Gradien thủy lực, i = (không thứ nguyên)

A là diện tích mặt cắt

vuông góc với dòng thấm

II Định luật Darcy cho dòng thấm trong đất

1 Kích thước & cấp phối hạt:

hạt đất, làm giảm k Ảnh

hưởng này đặc biệt rõ với

đất dính

4 Bọc khí kín trong đất

• Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số thấm

III Ứng dụng định luật Darcy với các loại đất

• Với đất hạt thô (cuội sỏi, đá đổ…):

• Đất sét chặt: Do sự cản

trở của nước màng quanh

hạt đất (đường b)

− Khi i quá nhỏ: không

xuất hiện dòng thấm

− Khi i tăng nhưng vẫn

nhỏ: dòng thấm phi tuyến

− Khi i tăng cao: đường

cong có trở nên dốc hơn

Để đơn giản coi quy luật thấm đất dính có là đường thẳng c:

v = k(i - ibđ)

III Ứng dụng định luật Darcy với các loại đất

1 Thí nghiệm với cột nước không đổi : Dùng cho đất hạt thô

TN với mẫu đất: L (m), A (m 2 )

Trong quá trình TN, cột nước h

được giữ không đổi

Sau thời gian t (s), thể tích nước thu

k

IV Thí nghiệm xác định hệ số thấm của đất

 Trong khoảng thời gian dt:

- Lượng nước thay đổi trong ống:

aL

t2 - t1 =

 Thí nghiệm trong khoảng t/g từ t1 – t2:

Cột nước thay đổi từ h1 – h2

Tích phân hai vế

2 Thí nghiệm với cột nước thay đổi

t2 - t1 =

Hoặc

)h

hln(

h ln ) t t

( F

aL k

h log )

t t

( F

aL

3 , 2 k

 Những điều cần chú ý khi TN

• Đất chưa bão hòa hoàn toàn (các bọt khí trong đất dính)

• Sự dịch chuyển của các hạt mịn trong mẫu đất thí nghiệm

• Sự thay đổi nhiệt độ, đặc biệt trong các TN với thời gian dài

• Cấu trúc tự nhiên của mẫu đất thí nghiệm khó được đảm

bảo

2 Thí nghiệm với cột nước thay đổi

Bài 2.2 Tính ép co - biến dạng

I - Khái niệm tính ép co –

biến dạng

1 Tính ép co của đất

• Quá trình ép co: QT khối đất giảm thể tích dưới tác

dụng của tải trọng

Coi bản thân hạt đất không bị ép co

• Đất gồm các hạt sắp xếp 1 cách

tự nhiên tạo khung cốt đất Giữa các

• Hiện tượng ép co xẩy ra trong một thời gian nhất định mới

kết thúc Trong quá trình ép co, một bộ phận nước và khí trong đất đồng thời bị ép thoát ra ngoài

• Tính biến dạng của đất là tính biến đổi hình dạng của mẫu đất dưới tác dụng của tải trọng

• Tính ép co là một dạng đặc biệt của tính biến dạng, là loại biến dạng thể tích

2 Tính biến dạng của đất

Xét bài toán: - Một mẫu đất trạng thái đầu có Vo, eo Vvo

- Sau khi chịu tác dụng của tải trọng: V1 ,e1 ,Vv1

s 0

v

1 v 0

v 0

1 0

0

v

V V

V V

V

V V

v

e 1

V k

e 1

V V

III Thí nghiệm ép co không nở hông

Định luật ép co

• Ép co không nở hông = đất chỉ chịu nén một hướng:

z  0, x = 0 , y = 0

• Trường hợp tải trọng thẳng đứng, phân bố đều trên

một vùng đất rộng sẽ gây ra biến dạng không nở hông

1 Thí ngiệm ép co không nở hông

• Dụng cụ - lắp đặt

• Tiến hành:

- Tác dụng tải trọng P tăng theo từng cấp ứng suất thẳng đứng σv

- Với mỗi cấp tải Pi xác định độ lún ổn định cuối cùng của mẫu đất

- Số cấp tải trọng được lấy đủ để vẽ đường cong (s~ σv )

Một số dụng cụ thí nghiệm

σ’i (kN/m²) 0 σ’v1 σ’v2 σ’v3

Si (mm) 0 S1 S2 S3

Kết quả Thí nghiệm ép co KNH

V V

i o

v

H

S F

H

F S V

i

e 1

e H

o i

H

S ).

e 1

( e

e   



o o

i o

o o

e 1

e

e H

e 1

e S

Bài1: Một mẫu đất được làm thí

nghiệm ép co không nở ngang ở trong

phòng thí nghiệm có chiều cao ban

đầu Ho= 2,54 cm, đường kính d=6,35

cm, khối lượng khô Ms=116,74g, Gs=

2,72 Kết quả nén mẫu Yêu cầu:

1.Tính các hệ số rỗng sau khi nén với

từng cấp tải trọng

2 Vẽ đường quan hệ e  σ

Ví dụ 1

Khi biến thiên áp lực không lớn,

coi đoạn M1M2 là đoạn thẳng:

Khi biến thiên áp lực nén không lớn thì biến thiên

hệ số rỗng tỷ lệ bậc nhất với biến thiên áp lực ”

α

Thực tế, sau khi thí nghiệm, thường cho các hệ số ép co như a1-2 tức là hệ số ép co ứng với biến thiên áp lực từ

100200kN/m² và coi là một hằng số trong một cấp tải trọng

Ý/nghĩa av: hệ số ép co

thể hiện mức độ ép co của

đất nhiều hay ít

2 Định luật ép co không nở hông

σ kN/m 2 0 100 200 300 400

S (mm) 0 1,15 1,65 2,05 2,3

e 0,876 0,791 0,754 0,725 0,706

Quay trở lại ví dụ ép co không nở hông (VD1):

Xác định av với các cấp áp lực trong thí nghiệm?

3 Các dạng biểu thị khác quan hệ ứng suất-biến dạng trong thí nghiệm nén KNH

e

a m

Đường nén nguyên sinh

Ý nghĩa: ứng suất cố kết

Đường nén

trong phòng và hiện trường

• Chỉ số nén lại C r là độ dốc

trung bình của đường nén lại

• Chỉ số nén C c : độ dốc của đường nén nguyên sinh

, 1

, 2

2 1

, 1

, 2

2 1

log log

e

e C

Cr và Cc đánh giá tính ép co

của đất khi sự biến thiên ứng

suất trên đường nén lại và

đường nén nguyên sinh

b) Quan hệ hệ số rỗng e và log(ứng suất hiệu quả) (logσ’ v )

 OCR=1, σ’p = σ’vo  cố kết bình thường (nomally consolidation)

 OCR>1, σ’p > σ’vo  quá cố kết (over consolidation)

 OCR<1, σ’p < σ’vo  Đất chưa cố kết

Hệ số quá cố kết OCR: tỷ số giữa

ứng suất cố kết trước và ứng suất nén

hiệu quả hiện tại theo phương đứng: vo'

' p

Vậy đất có một ký ức về áp lực mà nó đã chịu trong quá

khứ, có thể là trong hàng chục thế kỷ trước Những thay đổi

do cố kết đó được lưu giữ trong cấu trúc của đất Điều đó

gọi là tính lịch sử ứng suất của đất

b) Quan hệ hệ số rỗng e và log(ứng suất hiệu quả) (logσ’ v )

Quay lại ví dụ 1, tìm Cc

σ kN/m 2 0 100 200 300 400

S (mm) 0 1,15 1,65 2,05 2,3

e 0,876 0,791 0,754 0,725 0,706

Quay trở lại ví dụ ép co không nở hông (VD1):

Xác định cc theo kết quả thí nghiệm.

1 Chọn bằng mắt một

điểm có bán kính cong

nhỏ nhất của đường cong

cố kết (Điểm A)

4 Kẻ đường phân giác

của góc được tạo bởi

bước 2 và 3

5 Kéo dài đoạn đường thẳng của đường nén nguyên sinh cho cắt đường phân giác đã tạo ở bước 4 Giao điểm này cho ta trị số ứng suất cố kết trước ( Điểm B)

Xác định áp lực cố kết trước theo

pp Casagrande (1936)

b) Quan hệ hệ số rỗng e và log(ứng suất hiệu quả) (logσ’ v )

Quay lại ví dụ 1, tìm p

IV Thí nghiệm bàn nén hiện trường – N/lý biến dạng

tuyến tính

• Thiết bị thí nghiệm :

− Bàn nén cứng, thiết bị gia

tải , thiết bị đo lún

• Tiến hành TN:

− Tác dụng tải trọng lên bàn

nén tăng dần theo từng cấp

− Đo độ lún ổn định của đất

nền ở mỗi cấp tải trọng

− Tiếp tục tăng cấp tải cho đến khi nền đất bị phá hoại (độ lún

của bàn nén tăng đột ngột hoặc lún quá lớn, đất xung quanh bàn nén nứt nẻ, hay đất trồi ở hai bên bàn nén)

1) Thí nghiệm bàn nén hiện trường:

1) Thí nghiệm bàn nén hiện trường

 Kết quả thí nghiệm:

Vẽ đường quan hệ độ

lún - tải trọng:

hiện độ lún tăng rất nhanh và đột

ngột vì chuyển dịch ngang của đất

lớn, khối nền dưới bàn nén bị phá

3

Đường quan hệ độ lún - tải trọng:

Nguyên Lý: “Khi tải trọng tác dụng không lớn (p < p I

gh ),

thể xem đất như vật liệu biến dạng tuyến tính”

x = 1/Eo [x - o(y + z)] y = 1/Eo [y - o(z + x)]

môđun biến dạng và hệ số

nở hông của đất

Định luật Hooke mở rộng:

V Xác định các đặc trưng biến dạng của đất

εx , εy , εz - biến dạng tương

đối theo các phương

Làm thí nghiệm nén mẫu đất

cho nở hông hoàn toàn, đo các

biến dạng đứng và biến dạng

hông tương đối của đất:

TN nén không nở hông với áp lực thẳng

đứng z , đo áp lực hông x = y

z

y

z

x o

x

o

o z

x o

a Xác định E o từ thí nghiệm nén không nở hông

Mẫu đất được làm thí nghiệm nén không nở hông:

Phần II: (a)

Theo LTĐH: (b)

PT Áp lực hông: (c)

1 1

v

e 1

e V

e 1

2

1

z y

x o

o z

y x

v                 





z o

o y

2 1



3 Xác định hệ số môdun biến dạng Eo

2 1

1 S

1 E

2 o

3 Xác định hệ số môdun biến dạng Eo

σ kN/m 2 0 100 200 300 400

S (mm) 0 1,15 1,65 2,05 2,3

e 0,876 0,791 0,754 0,725 0,706

Quay trở lại ví dụ ép co không nở hông (VD1):

Hãy xác định môdun biến dạng Eo với cấp tải trọng? Với hệ số nở hông o lấy bằng 0,3

vi

i 1

vi

i 1

a

e 1

1

2 1

b) Trường hợp đất bão hòa nước:

Quá trình ép co nhanh hay chậm phụ thuộc vào sự thoát

nước ra khỏi đất là nhanh hay chậm, hay phụ thuộc vào

hệ số thấm của đất Quá trình cố kết thấm

Sự cố kết thấm của đất rời và đất dính là khác nhau:

 Với đất dính: Hệ số thấm

rất nhỏ, quá trình cố kết

thấm xảy ra trong thời gian

dài, quá trình lún kéo dài

 Đất rời: có hệ số thấm lớn,

quá trình cố kết thấm xảy

c) Sự chuyển hóa ứng suất trong qúa trình cố kết thấm của đất dính bão hòa nước

 Dưới tác dụng của tải trọng, phản ứng

của hai pha khác nhau:

• Ứng suất hiệu quả Δ’: phần áp lực

truyền cho pha rắn, làm kết cấu đất biến

dạng

• Áp lực nước lỗ rỗng dư (Δu): Truyền

cho nước, không gây biến dạng, chỉ gây ra

cột nước áp lực Luôn có: Δ = Δ’ + Δu

 Đất dính bão hòa nước gồm 2 pha:

• Pha Rắn: gồm các hạt đất, tạo thành khung kết cấu

• Pha Lỏng: gồm nước chiếm đầy thể tích rỗng trong đất

Dùng mô phỏng quá trình cố kết của đất : QT nước thoát ra khỏi khối đất, đồng thời khối đất chặt lại

Đặc điểm cơ bản:

- Một lò xo đặt đứng trong bình

tượng trưng cho cốt đất

- Nước trong bình tượng trưng

nước trong lỗ rỗng của đất

- Một nắp (đục lỗ) tựa lên đầu

trên của lò xo, tượng trưng cho

lỗ rỗng của đất

- Trọng lượng pittông tượng

trưng cho tải trọng lớp phủ (σv)

Mô hình Terzaghi

• Nước trong ống đo áp

cao bằng mực nước trong

bằng áp lực thủy tĩnh

• Toàn bộ trọng lượng

pittong v do lò xo chịu

Chưa đặt tải trọng: Van mở, hiện tượng Cân bằng áp

Quá trình gia tải và nước thoát ra khỏi khối đất

- Lúc này pít-tông chưa dịch

chuyển Tải trọng không

truyền cho lò xo, nên Δσ’ = 0

Tổng tải lò xo chịu: v

- Cột nước dâng lên khoảng

Δh và đồng hồ chỉ giá trị uo +

Δu Toàn bộ tải trọng truyền

cho nước Δu = Δσ

Ứng suất trong nước: uo+ σ

Đặt thêm tải trọng tăng thêm Δσ lên Pittong Thời điểm t = 0, nước chưa kịp thoát ra:

Quá trình gia tải và nước thoát ra khỏi khối đất

- Theo thời gian, nước

thoát dần ra, biến dạng lò xo

tăng dần, thể hiện phần tải

trọng truyền cho lò xo tăng:

Mở van V và cho nước thoát dần dần ra khỏi bình

Quá trình gia tải và nước thoát ra khỏi khối đất

Sau khoảng thời gian T: không có nước thoát ra

Quá trình gia tải và nước thoát ra khỏi khối đất

- Nước trong lỗ rỗng về trạng

thái cân bằng và lò xo đạt

trạng thái cân bằng với tải

trọng tác dụng:

 u = 0,  ’ = 

- Ứng suất lò xo: σ’ = v+ 

- Ứng suất trong nước trở về

trạng thái cân bằng:

u = uo

Kết luận:

Quá trình cố kết của đất dính bão hòa nước về mặt cơ học là quá trình chuyển hóa từ áp lực nước lỗ rỗng dư sang ứng suất hiệu quả

• Lúc đầu (t = 0) , toàn bộ tải trọng truyền cho nước trong đất: u = v , ’v = 0

• 0< t < T: nước thoát ra ngoài dần dần:

u  < v , ’v  < v T= thời gian đủ để nước thoát ra hết

• Thời điểm cuối cùng (t = T): u = 0 , ’v = v, lò xo bị nén hoàn toàn mô phỏng đất cố kết hoàn toàn

Tóm tắt QT cố kết trong đất dính bão hoà

VII Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình ép co – biến

dạng của đất

Các nhân tố chủ quan

Liên kết kết cấu của đất : nếu liên kết bị phá hoại thì tính ép co & biến dạng của đất lớn, nếu liên kết chưa bị phá hoại thì tính ép co & biến dạng của đất sẽ nhỏ

Loại đất khác nhau thì tính ép co & biến dạng của đất sẽ khác nhau Đất dính nói chung biến dạng nhiều hơn đất rời, đặc biệt là cát to & cát sỏi

có biến dạng rất nhỏ

Độ chặt ban đầu của đất có ảnh hưởng đến tính

ép co & biến dạng Đất rời có độ chặt ban đầu càng lớn thì tính ép co & biến dạng càng nhỏ

Các nhân tố khách quan

Ảnh hưởng do cách tác dụng của tải trọng : tính chất nén lún & BD của đất rất khác nhau khi tăng tải, dỡ tải cũng như khi nén lại

Ảh do tốc độ gia tải : Với cùng giá trị tải trọng như nhau, nếu tốc độ gia tải càng lớn, độ biến dạng sẽ càng lớn Thực tế xây dựng đã dùng biện pháp gia tải với tốc độ chậm để hạn chế độ lún tăng nhanh

Ảh của tải trọng động : Tải trọng động làm cho đất cát được nén chặt mạnh