ĐỘ BỀN CỦA ĐẤT (SỨC CHỐNG CẮT) VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH

Đặc điểm chủ yếu là trong đất ngoài các hạt còn có lỗ rỗng chứa khí và nước, ngoài ra giữa các hạt còn có liên kết với sức bền yếu hơn sức bền của các hạt.. Người ta biểu diễn và đánh gi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA ĐỊA CHẤT

~*~*~*~

BÀI TIỂU LUẬN

Môn Địa chất công trình

CHỐNG CẮT) VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

XÁC ĐỊNH

Hà Nội, 10/2016 MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG I: TÍNH BỀN CỦA ĐẤT 4

CHƯƠNG II: SỨC CHỐNG CẮT 4

1 Các phương pháp xác định sức chống cắt 4

1.1 Đặt vấn đề 4

1.2 Thí nghiệm cắt đất trực tiếp 4

1.3 Thí nghiệm cắt đất nén 1 chiều và 3 chiều 6

CHƯƠNG III: SỨC CHỐNG CẮT CỦA CÁC LOẠI ĐẤT 10

1 Sức chống cắt của đất phân tán không kết dính 10

1.1 Sức chống cắt của đất vụn thô 10

1.2 Sức chống cắt của đất cát 10

2 Sức chống cắt của đất dính kết 11

KẾT LUẬN 14

TÀI LIỆU THAM KHẢO 15

LỜI MỞ ĐẦU

Đối tượng nghiên cứu của cơ học đất là đất tự nhiên Đó là một vật thể rời phân tán và có cấu trúc phức tạp Đặc điểm chủ yếu là trong đất ngoài các hạt còn có lỗ rỗng chứa khí và nước, ngoài ra giữa các hạt còn có liên kết với sức bền yếu hơn sức bền của các hạt Khi chịu tác dụng của ngoại lực, các hạt đất có thể dịch chuyển và trượt lên nhau, các lỗ rỗng có thể bị thu hẹp và nước trong các lỗ rỗng thoát ra ngoài, các liên kết cấu trúc có thể bị phá hủy

Khi mà dưới tác dụng của lực ngoài, trong đất đá xuất hiện lực tiếp tuyến vượt quá lực chống trượt, thì đất đá bắt đầu bị phá hoại, xảy ra sự mất độ bền Do đó, tính chất cơ học của đất đá đặc trưng bởi tính biến dạng và độ bền của chúng Người ta biểu diễn và đánh giá chúng bằng các chỉ tiêu biến dạng và chỉ tiêu độ bền:

- Về biến dạng: chỉ tiêu nén lún, tức chỉ tiêu mức độ biến dạng

- Về độ bền: sức chông trượt (cắt)

Trong bài tiểu luận này, em xin trình bày đề tài: “Độ bền của đất (sức chống cắt) và các phương pháp xác định

Do còn nhiều thiếu sót, em rất vui mừng muốn nhận được những lời góp ý của các thầy cô cũng như các bạn sinh viên để bổ sung hoàn thiện hơn bài tiểu luận

Xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I: TÍNH BỀN CỦA ĐẤT

- Tính bền của đất là khả năng chống lại tác dụng của các lực bên ngoài không gây phá hoại hoàn toàn chúng

- Đất mất tính bền có thể xảy ra dưới tác dụng của các ứng suất cắt (trượt), đứt vỡ (do kéo) và ép vỡ (nén một trục nở ngang hay nén

ba trục…)

CHƯƠNG II: SỨC CHỐNG CẮT

1.Các phương pháp xác định sức chống cắt

1.1 Đặt vấn đề

Dưới tác dụng của ngoại lực, ứng suất hiệu dụng tại một số bộ phận trong đất có thể lớn hơn sức bền của các liên kết giữa các hạt đất làm nảy sinh sự trượt giữa các hạt và nhóm hạt dẫn đến sự phá vỡ

độ bền ở một số bộ phận của đất kéo theo sự mất ổn định của khối đất Hiện tượng trượt đất hoàn toàn rời (ví dụ như đất cát sạch) chỉ diễn ra khi ứng suất lớn hơn nội ma sát giữa các khớp nối của các hạt Còn đối với đất dính như đất sét là do có sự phá vỡ liên kết cấu tạo và lực dính giữa các màng liên kết keo của các hạt khoáng

Kết quả của nhiều thí nghiệm cho thấy rằng lực kháng cắt chống lại

sự trượt của những hạt khoáng vật không dính chỉ là kháng lực của lực ma sát tỷ lệ thuận với ngoại lực Còn kháng lực của các khoáng vật mà có liên kết keo trong đất dính thì kháng lực của lực ma sát có lực dính chống lại sự trượt, nó phụ thuộc vào mức độ nén chặt tức là

sự bền vững giữa các khớp nối và diện tích tiếp xúc giữa các hạt Những tiêu chí xác định sức chống cắt của đất tùy thuộc vào áp lực

và độ bền vững của các liên kết giữa các hạt Việc xác định các chỉ tiêu này có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với các tính toán về sức chịu tải của nền, ổn định của mái dốc và áp lực lên tường chắn Để xác định chỉ tiêu đó có thể tiến hành thí nghiệm theo các phương pháp sau đây:

- Phương pháp cắt trực tiếp

- Phương pháp nén 1 trục và 3

trục

- Phương pháp cắt theo mặt

tròn

- Phương pháp xuyên

1.2 Thí nghiệm cắt đất trực tiếp

Xác định sức chống cắt của đất bằng phương pháp này được tiến hành trong máy cắt 1 chiều (hình 1)

1 Mẫu đất

2 Đá thấm.

3 Nửa hộp cố định.

4 Nửa hộp di động.

5 Bộ phận nén.

6 Bộ phận truyền tải trọng cắt.

Mẫu đất trụ tròn được nén được hoặc không nén trước tùy theo yêu cầu của thí nghiệm Mẫu đất được đặt vào trong máy sao cho một nửa được giữ cố định, còn nửa kia có thể di chuyển ngang dưới tác dụng của tải trọng ngang Tải trọng ngang có thể tăng theo từng cấp hoặc biến đổi liên tục nhờ cách chất tải hay đổ nước vào thùng tăng tải cho tới khi xuất hiện trượt giữa hai nửa mẫu đất Trong quá trình tăng tải phải đo biến dạng thẳng đứng và biến dạng nằm ngang của mẫu đất Điều đó cho phép điều chỉnh quá trình cắt và thiết lập biểu đồ (hình 2)

a Quan hệ τ ~ σ khi tải trọng tăng lên

b Quan hệ τ ~ σ khi tốc độ biến dạng không đổi

1 Đối với cát chặt

2 Đối với cát rời

Nếu như tốc độ biến dạng thay đổi thì dang biểu đồ như hình 2a Hình 2b thể hiện ảnh hưởng của độ chặt ban đầu của cát đối với biến dạng của nó khi cắt mà giữ tốc độ biến dạng không đổi Biểu

đồ này cho ta thấy rằng: đến một trị số nhất định nào đó độ biến dạng ngang của đất không phụ thuộc vào độ chặt ban đầu của đất nữa bởi vì độ rỗng của cát chặt sẽ giảm đi khi cắt, còn của cát rời

sẽ tăng lên

Hình 1: Sơ đồ cắt ngang

Hình 2: Biểu đồ biến dạng ngang của đất khi cắt

1.2.2.Định luật Coulomb – Mor

Dưới tác dụng của áp lực bên ngoài hay trọng lượng bản thân của khối đất đá (như sườn dốc, mái dốc đất đá,…), sẽ phát sinh trong đất ứng suất hữu hiệu Nếu trị số của ứng suất này thắng được trị

số độ bền của các liên kết kiến trúc giữa những yếu tố kiến trúc (các hạt) của đất, thì sẽ xảy ra hiện tượng dịch chuyển giữa chúng với nhau Quan hệ giữa ứng suất tiếp tuyến τ và pháp tuyến σ được biểu diễn bằng điều kiện Coulomb – Mor:

τ= σ.tgϕ + C (1) Trong đó:τ: ứng suất tiếp tuyến (sức chống cắt của đất)

σ: ứng suất pháp tuyến (lực giữ trượt)

tgϕ: hệ số ma sát trong đất

C: lực dính kết đơn vị đất

Trị số τ của đất phụ thuộc nhiều vào các yếu tố bên trong (thành phần cấp phối hạt, kiến trúc – cấu tạo,…) và các yếu tố bên ngoài (trị số và tốc độ thay đổi lực gây cắt, điều kiện thoát nước và áp lực nén…)

Điều kiện cân bằng của đất diễn ra khi ứng suất cắt nhỏ hơn giá trị tới hạn của nó:

Τ ≤ τ gh = σ.tgϕ, đối với đất rời

Τ ≤ τ gh = σ.tgϕ + c, đối với đất dính

Giá trị τ gh tương ứng với những thí nghiệm trên đường thẳng giới hạn biểu đồ cắt người ta gọi là đường Coulomb đồng thời nằm trên đường tròn ứng suất Mor Các biểu đồ ứng suất giới hạn như trên

hình 3a đối với đất rời và 3b đối với đất dính

a Đối với đất rời

b Đối với đất dính

Khi biết giá trị của ứng suất chính σ1 và σ2 (σ1 > σ2), dựa vào biểu đồ

3 ta có các kết quả quan trọng sau :

Hình 3: Biểu đồ ứng suất cắt giới hạn của đất khi cắt

Đối với đất rời : sinϕ = CM OM (a)

Trong đó : CM = σ1−σ2

2  ; OC = σ2 + σ1−σ2

2 = σ1+σ2

Nên: sinϕ = σ1−σ2

σ1+σ2 (2) Đối với đất dính: sinϕ = O' M CM (a)

Trong đó: CM = σ1−σ2

2  ; O’C = c.cotg ϕ σ2 + σ1−σ2

2 =

2c.cotg ϕ+σ1+σ2

Nên; sin ϕ = σ1−σ2

2c.cotg ϕ+σ1+σ2 (3) Các biểu thức (2) và (3) là những biểu thức thể hiện điều kiện cân bằng giới hạn của đất rời và đất dính dùng để tính toán tải trọng giới hạn tác dụng lên nền công trình, tính toán ổn định của mái dốc

và áp lực đất lên tường chắn

1.3 Thí nghiệm cắt đất nén 1 chiều và 3 chiều

Thí nghiệm nén 1 chiều chỉ có thể tiến hành với những loại đất sét ở trạng thái dẻo và cứng Người ta tiến hành thí nghiệm với những mẫu đất hình trụ tròn có chiều cao 1,5 đến 2 lần đường kính Tải trọng tăng lên cho đến khi chưa xuất hiện phá hoại dòn của mẫu đất hoặc chưa xuất hiện biến dạng đột biến của mẫu đất Thừa nhận ứng suất phân bố đều trên mặt cắt ngang ta có giá trị phá hoại của tải trọng trên một đơn vị diện tích mặt cắt là σ1 = F P (trong

đó P là tải trọng nén còn F là diện tích mặt cắt ngang của mẫu đất) Nếu lấy một phân tố khi trượt tách ra 2 nửa và xét cân bằng của một nửa phân tố như trên hình 7

Hình 4: Thí nghiệm nén 1 chiều cho đất sét

Từ hình 4b ta có: τ α.ds.1-σ1.dx.sinα.1 = 0 (a)

Từ đó ta có : τ α = σ1.dx ds = σ1.cosα.sinα (b)

Giả thiết rằng ứng suất cắt chỉ là ứng suất cắt của lực dính (bỏ qua

ma sát), ta có ứng suất lớn nhất khi sinα = 1 và

Max τ = σ1

2 = c (4) Biểu đồ ứng suất giới hạn trong trường hợp này như trên hình 5

Thí nghiệm nén cắt một chiều gây ra trong mẫu đất thí nghiệm trạng thái ứng suất không phù hợp với điều kiện thực tế của nền đất Bởi vậy người ta còn thí nghệm đất bằng máy nén 3 trục, nó cho phép mẫu đất chịu các áp lực không cần thiết, điều đó phù hợp với điều kiện thực tế làm việc của nền đất Sơ đồ máy nén ba trục được trình bày trên hình 6

1 Buồng máy

2 Mẫu đất

3 Đá thấm

4 Màng cao su mỏng

5 Thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng

6 Máy đo áp lực hông

7 Trục áp lực thẳng đứng

Hình 5: Vòng tròn Morh ứng suất giới hạn

khi nén 1 chiều

Hình 6: Sơ đồ máy nén 3 trục

Máy gồm buồng máy chứa đầy chất lỏng (thường là nước cất) được nối với các ống dẫn áp lực hông Trên mặt và dưới đáy mẫu được đặt hai tấm tròn có lỗ thấm hoặc không thấm (tùy thuộc vào yêu cầu có thoát nước hay không) Mẫu đất dược đặt trong màng cao su mỏng Mẫu đất được nén thẳng đứng nhờ trục truyền tải thẳng đứng Trong suốt thời gian thí nghiệm áp lực lỗ rỗng của đất được

đo bằng hai áp lực kế Biến dạng thẳng đứng của mẫu đất được đo bằng đồng hồ đo lún, còn sự thay dổi thể tích của mẫu đất được đo bằng ống thủy ngân có khắc độ Thí nghiệm nén đất trên máy nén

ba trục được tiến hành như sau:

Mẫu đất được đặt vào máy nén, sau đó cho nối các ống dẫn áp lực hông σ2 = σ3 Sau khi biến dạng do áp lực hông đã ổn định thì cho

áp lực thẳng đứng σ1, áp lực lỗ rỗng là u

Các ứng suất hiệu dụng tác dụng lên mẫu là:

σ1’= σ1 - u

σ2’= σ2 - u

σ3’= σ3 - u Biến dạng tương đối theo phương thẳng đứng λ z:

λ z= S i

Trong đó: s i: độ lún của mẫu đất dưới áp lực tương ứng

h : chiều cao của mẫu đất

Biến dạng tương đối của thể tích mẫu đất là :

Ө = △ V V (6) Trong đó: △V : biến đổi thể tích của mẫu đất

V : thể tích ban đầu của mẫu đất

Thí nghiệm nhiều mẫu đất với các σ1'

σ2' khác nhau ta xây dựng được biểu đồ quan hệ σ1'

σ2' ~ λ z (hình 7)

Từ kết quả thí nghiệm trên chúng ta có thể xác định các chỉ tiêu biến dạng, chỉ tiêu sức

chống cắt của đất Cách xác định một số chỉ tiêu được nêu ra dưới đây

- Mô đun biến dạng chung :

E0 = △ σ1

- Mô đun biến dạng thể tích

E tt = △ σ1

- Hệ số biến dạng hông

μ0 = E tt −E0

2.E tt (9)

 Đối với đất rời: với

1 mẫu đất ta xây dựng được vòng tròn Mor ứng suất giới hạn như trên hình 8 và dễ dàng xác định góc ma sát trong ϕ

 Đối với đất dính: cần

thí nghiệm ít nhất với hai mẫu đất với σ2 = σ3

và σ2' = σ3' và những

áp lực thẳng đứng σ1

và σ1' Từ đó có thể vẽ hai vòng tròn Mor ứng suất giới hạn và biểu

đồ cắt sẽ là tiêp tuyến với hai vòng tròn Mor,

từ dó xác định gọc ma sát trong ϕ và lực dính C của đất dính (hình 9)

Hình 7: Quan hệ σ1'

σ2' ~ λ z

Hình 8: Xác định góc ma sát

trong ϕ của đất rời trong thí

nghiệm nén 3 trục

Hình 9: Xác định sức chống

cắt của đất dính

CHƯƠNG III: SỨC CHỐNG CẮT CỦA CÁC LOẠI ĐẤT

1.Sức chống cắt của đất phân tán không kết dính

1.1 Sức chống cắt của đất vụn thô

Đất vụn thô bao gồm các hạt đất đá có kích thước >2mm và chiếm

>50% khối lượng trong mẫu đất đã sấy khô ngoài không khí Sức chống cắt của loại đất này phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng, thành phần và tính chất của vật chất nhét trong các lỗ rỗng của chúng Khi trộn cát với sạn – sỏi, góc ma sát trong tăng lên, đặc biệt tăng nhiều khi lượng hạt sạn – sỏi > 60 – 65% Quan hệ giữa chỉ tiêu cắt ϕ

và C vào hàm lượng các pha vụn thô N được giới thiệu trên hình10 Trong trường hợp N > 30%, các trị số ϕ và C xác định bằng phương pháp nội suy trực tiêp theo công thức của M.P.Lusenko:

ϕ=ϕln+ϕ k −ϕ70 ln(N−30) (10)

C=Cln100−N

70 (11)

của hạt vụn thô

ϕln: góc ma sát trong của vật chất lấp nhét lỗ rỗng

Cln: lực dính kết của chất lấp nhét lỗ trống

1.2 Sức chống cắt của đất cát

Đất cát bao gồm các hạt đất đá có kích thước dao động từ 0,1 đến 2mm

Hình 10: Đồ thị quan hệ giữa các chỉ tiêu

sức chống căt ϕ và C vào hàm lượng các

hạt vụn thô

Đối với đất tơi xốp, trị số τ phụ thuộc chủ yếu vào góc ma sát trong

ϕ và áp dụng lực pháp tuyến σ:

τ =σtgϕ (12) Đối với cát nén chặt: τ =σtgϕ+C mk (13)

Trong đó: C mk: lực dính do liên kết móc khớp giữa các hạt cát với nhau

Đường cong quan hệ giữa τ và σ của đất cát tơi xốp và nén chặt

Thành phần cấp phối hạt, hình dáng và mức độ tròn cạnh của chúng,

độ chặt kết cấu, mức độ bão hòa nước và nhiều yếu tố khác có ảnh hưởng nhiều đến sức chống cắt của đất cát

Thành phần cấp phối hạt của cát càng không đồng nhất, góc ma sát trong của chúng càng tăng

Sự có mặt của các vảy mica trong cát, cũng như mức độ tròn cạnh của các hạt cát tăng đều làm giảm trị số góc ma sát trong của đất Giáo sư Golstein chỉ ra rằng, nâng cao độ chặt kết cấu D của cát, góc ma sát trong ϕ của nó tăng lên một cách tỷ lệ thuận:

ϕ=ϕ tx +mD (14) Trong đó: ϕ tx: góc ma sát trong của cát tơi xốp

m: hệ số tỷ lệ, thay đổi từ 6÷12 Đối với cát đồng nhất về thành phần và tròn cạnh m = 6÷7; cát không đồng nhất

và góc cạnh m = 12

Khi thí nghiệm cắt đất cát tơi xốp bão hòa nươc, độ lỗ rỗng của cát vào thời điểm cắt bị giảm đi, áp lực lỗ rỗng (hay áp lực thủy động) tăng lên Do đó, sức chống cắt của cát bão hòa nước giảm đi:

τ =(σ −σ td)tgϕ (15) Đối với cát nén chặt bão hòa nước, khi cắt độ lỗ rỗng của nó tăng lên, nước lỗ rỗng sẽ tác dụng lên các hạt một áp lực thủy động bổ sung (σ td¿

Hình 11: Đường cong quan hệ sức chống cắt của đất cát chặt (1) và cát xốp rời (2) vào biến dạng cắt (a) và vào áp lực nén

(b)

τ =(σ +σ td)tgϕ (16) Ảnh hưởng của σ td chỉ có thể xảy ra khi thí nghiệm cắt nhanh không

cố kết (không thoát nước) đất cát bão hòa nước Khi thí nghiệm cắt chậm cố kết (cắt thoát nước tự do), áp lực σ td mất đi tương đối nhanh

2.Sức chống cắt của đất dính kết

Sức chống cắt của đất dính kết (sét, sét pha và cát pha) có bản chất phức tạp và được quyết định bới hai đặc trưng cơ bản là lực dính kết

C và góc ma sát trong ϕ

Một trong những vấn đề quan trọng nhất khi nghiên cứu sức chống cắt của đất phân tán dính kết là xét ảnh hưởng của yếu tố kiến trúc đến hai chỉ tiêu cơ bản nêu trên

Dựa trên quan điểm lý thuyết tác dụng tiếp xúc tương hỗ giữa các yếu tố kiến trúc trong đất phân tán dính kết, người ta phân ra một số lực dính kết khác nhau về C mk (C mk: đặc trưng riêng cho cát)

Phương trình sức chống cắt của đất dính kết có kiểu tiếp xúc kiến trúc keo tụ và chuyển tiếp được viết dưới dạng:

τ =σtgϕ+C w (17) Trị số C w thay đổi trong phạm vi rộng: từ 0,05÷0,1 đến 0,4mPa Lực dính C w phụ thuộc chủ yếu vào độ ẩm và độ chặt của đất có kiểu tiếp xúc kiến trúc keo tụ và chuyển tiếp Khi tăng độ ẩm hay giảm độ chặt (dung trọng) của đất, quan sát thấy trị số C w giảm đi đáng kể Đất có kiểu tiếp xúc kiến trúc pha là chủ yếu, sức chống cắt của chúng được biểu diễn bằng phương trình:

τ =σtgϕ+C p (18) Trị số lực dính kết C p sinh ra do kiểu tiếp xúc kiến trúc pha, nó quyết định tính chất bền của đất là chủ yếu

Đất có kiểu tiếp xúc hỗn hợp (có cả keo tụ, chuyển tiếp và pha), biểu thức độ bền khi cắt chúng có thể viết như sau:

τ =σtgϕ+C w +C p (19) Trị số lực dính kết tổng C=C w +C p thường đạt khoảng 0,03 ÷ 0,12 mPa Đôi khi đạt tới trị số cao hơn Nếu dưới áp lực nén σ < P kt thì trị số C p

đóng vai trò quan trọng nhất; còn khi σ > P kt thì trị số C w lại giữ vai trò chính (V.I.Osipov, 1985)

Góc ma sát trong ϕ của đất dính kết phụ thuộc nhiều vào thành phần phối hạt và độ ẩm của đất Khi chuyển từ sét sang cát pha cùng ở độ sé như nhau, góc ma sát trong của chúng tăng lên, còn lực dính kết giảm đi

Trong đất phân tán dính kết chứa lượng hạt phân tán nhỏ và keo, chiều dày màng mỏng nước liên kết có thể gần bằng kích thước hạt đất Khi cắt các hạt đất trượt lên nhau, nước liên kết khi đó đóng vai