Bài giảng Cơ học đất Chương 2 - ThS. Phạm Sơn Tùng

• Đất rất khác so với các vật liệu khác nên không thể áp dụng trực tiếp, nguyên vẹn kết quả của các môn cơ học khác → phải nắm vững các tính chất cơ học của đất để giải quyết đúng đắn c

CƠ HỌC ĐẤT

Chương 2 Những quy luật cơ bản trong cơ

học đất

• Đất rất khác so với các vật liệu khác nên không thể

áp dụng trực tiếp, nguyên vẹn kết quả của các môn

cơ học khác → phải nắm vững các tính chất cơ học của đất để giải quyết đúng đắn các bài toán của Cơ học đất

Những quy luật cơ bản trong cơ

Tính thấm nước của đất Quy luật thấm Darcy

• Đất tạo bởi các hạt rời rạc, các khoảng rỗng giữa chúng được thông với nhau nên nước có thể chuyển từ vùng có áp lực cao tới vùng có

áp lực thấp

• Mặt nước có áp lực nước lỗ rỗng được gọi là mặt nước ngầm

Quy luật thấm Darcy

• Trong điều kiện bão hòa, dòng thấm một hướng tuân theo định luật Darcy: v =k.i

Thí nghiệm Darcy

• Chiều cao của 2 bể

nước được giữ ổn định

→ ∆H (m)

• Sau một khoảng thời

gian t thu được lượng

• Thay đổi độ cao tương đối

giữa 2 bể nước → thay đổi

Hệ số thấm k

• Độ nhớt và mật độ của nước chịu ảnh hưởng của nhiệt độ → k bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

• Có một số công thức tính k gần đúng, nhưng

thực nghiệm cho thấy không có công thức nào

là hoàn toàn tin cậy

Thực tế nhất là nên tính k theo thí nghiệm trong phong hoặc thí nghiệm ngoài thực địa

Hệ số thấm tương đương của khối đất gồm nhiều lớp đất khác nhau

1 Thấm ngang: các lớp đất song song với

nhau và dòng thấm song song với mặt

Hệ số thấm tương đương của khối đất gồm nhiều lớp đất khác nhau

H k

Hiện tượng xói ngầm

• Điều kiện mất ổn định xảy ra khi áp lực thấm thẳng đứng hướng lên > trọng lượng của đất hướng xuống.

• Mất ổn định làm cho các hạt đất di chuyển theo dòng thấm Đây là hiện tượng xói ngầm.

• Hệ số an toàn để tránh hiện tượng xói ngầm:

F = trọng lượng hướng xuống/lực thấm hướng lên

Để F↑ => j↓ =>i↓

Sức chống cắt của đất Quy luật Coulomb

Thí nghiệm cắt trực tiếp

• Chuẩn bị 3, 4 mẫu như nhau Mẫu đất hình trụ, phù hợp kích thước của hộp cắt

• Cho mẫu đất vào hộp cắt

• Gia tải P theo phương thẳng đứng

• Thí nghiệm cắt nhanh - không thoát nước: tăng tức thời

lực cắt đến khi phần dưới của hộp cắt trượt theo mặt

phá hoại, ta có Tgh

• Thí nghiệm cắt chậm - thoát nước: tăng từ từ lực cắt

đến khi phần dưới của hộp cắt trượt theo mặt phá hoại,

ta có Tgh

• Làm tương tự với các mẫu đất còn lại nhưng với các giá trị khác nhau của tải trọng thẳng đứng (P1,P2, P3, P4)

• Tiết diện ngang mẫu đất: S

• Ứng suất pháp:

• Ứng suất tiếp giới hạn:

i i

P S

gh gh

T S

Hộp cắt

Chuẩn bị mẫu

Đưa hộp cắt vào vị trí dưới tải thẳng đứng P

Giữ cố định nửa

trên của hộp cắt

τ= σ.tgφ + c

Nhược điểm: chỉ có thể đo ứng suất tổng, trừ khi tốc độ cắt được khống chế chậm để đảm bảo không làm tăng áp lực nước lỗ rỗng

Muốn kiểm soát áp lực nước lỗ rỗng → thí nghiệm nén 3 trục

Thí nghiệm cắt gián tiếp mẫu đất

– Thay đổi chiều dài mẫu

– Đo áp lực nước lỗ rỗng trong thí nghiệm cố kết - không thoát nước

– Đo thể tích nước thoát ra → sự thay đổi thể tích trong thí nghiệm thoát nước

Thí nghiệm cắt gián tiếp mẫu đất

trong máy nén 3 trục

σ1 - σ3

σ3

σ3

Các loại thí nghiệm 3 trục

1) Thí nghiệm không thoát nước UU:

- Thí nghiệm nhanh không thoát nước

- Chủ yếu thích hợp cho đất dính bão hòa hoàn toàn (φu = 0)

- Xác định cu , φu

2) Thí nghiệm cố kết – không thoát nước CU:

- Mẫu trước hết được cố kết đến σ3 với sự thoát nước hoàn toàn

- Đóng van nước để tiến hành thí nghiệm không thoát nước Gia tải dọc trục ∆σ1

- Xác định các thông số (ccu,φcu) và (c’, φ’)

3) Thí nghiệm cố kết – thoát nươc CD:

- Mẫu trước hết được cố kết đến σ3 với sự thoát nước hoàn toàn

- Van nước để mở Gia tải dọc trục ∆σ1 thật chậm để áp lực nước lỗ rỗng không đổi

- Xác định các thông số (c’d, φ’d)

- Trên lý thuyết: c’ = c’d, φ’ = φ’d

Các kết quả của thí nghiệm nén 3

Các kết quả của thí nghiệm nén 3

trục

τ

σ

CU – đất sét cố kết thường

Với đất sét quá cố kết: c’ > 0 là do sự tăng thể tích → giảm áp lực nước lỗ rỗng

và ứng suất hiệu quả tăng lên

Các kết quả của thí nghiệm nén 3

trục

τ

σ

CD – đất sét cố kết thường

- Thông thường từ thí nghiệm CU có thể suy ra thí nghiệm CD

- Thí nghiệm CD có thể phải kéo dài rất lâu nhất là đối với đất có độ thấm kém

Tính biến dạng của đất Quy luật biến dạng tuyến tính

Thí nghiệm nén đơn

• Hay thí nghiệm nén nở hông: là một

trường hợp đặc biệt của thí nghiệm nén

3 trục UU với áp lực buồng nén bằng 0.

• Khối đất hình trụ, kích thước H = 2D

• Tải trọng gia tải được tăng cho tới khi

mẫu đất bị phá hoại σph

  

r

r h

  

Thí nghiệm nén đơn

• Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là phi tuyến

• Trong trường hợp tải trọng công trình lên đất không quá lớn, ta xem đất như là vật thể biến dạng tuyến tính

→ thỏa mãn định luật Hook

→ với đoạn OA, ta có: E0 = σ3/λ3

E0: module biến dạng tổng quát của đất

µ = λr/λz : hệ số Poisson (hệ số biến dạng ngang)

Thí nghiệm nén đơn

• Đất càng cứng thì E0 và σph càng lớn và ngược lại

• Giá trị tham khảo của E0 với một số loại đất:

Đất sét, sét pha ở trạng thái nhão E0 = 10 - 30 (kg/cm2)Đất sét ở trạng thái dẻo mềm E0 = 50 – 70 (kg/cm2)Đất sét cứng, cắt chặt E0 = 300 – 500 (kg/cm2)

Tính biến dạng của đất Quy luật biến dạng tuyến tính

• Tải trọng P (hay ứng suất σ) được gia tăng dần dần sau một chu kỳ thường là 24 – 48 giờ cho đất hoàn toàn cố kết, cấp tải sau thường gấp đôi cấp tải trước đó

• Đo sự thay đổi bề dày mẫu ∆h ở mỗi cấp tải trọng

• Áp lực cho giai đoạn đầu thông thường

bằng ứng suất thẳng đứng tại chỗ ở độ

sâu lấy mẫu, chưa kể đến đất yếu còn

phải dùng giá trị thấp hơn: 25, 12, 6 hay

thậm chí 1 kN/m2

• Kết quả thu được là các giá trị (∆h/h, σ)

• Vì biến dạng lún của mẫu đất chỉ là do thay đổi thể tích lỗ rỗng (thể tích hạt rắn và nước xem như không đổi) → từ ∆h/h ta sẽ suy ra được hệ số rỗng e:

• Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa e và σ gọi là đường

cong nén ép của đất

1 1

Hệ số nén của đất

a = - ∆e/∆σ

• Hệ số nén càng lớn thì đất càng yếu và ngược lại

• Hệ số nén thể tích biểu thị giá trị biến đổi thể tích đơn vị gây ra do độ tăng đơn vị của ứng suất.

• Độ lún ổn định do cố kết:

s = ∆h = a0.∆σ.h0

0

11

Liên hệ giữa các đặc trưng biến

• σc: ứng suất cố kết trước

σ’hiện tại< σc: đất quá cố kết

σ’hiện tại= σc: đất cố kết bình thường

• Ví dụ đất quá cố kết: các trầm tích sau bị xói mòn hoặc tan băng

• Gia tải lên bàn nén

đợi đến khi nào độ

S: độ lún của tấm nén ứng với tải trọng N

d: đường kính tấm nén tròn (nếu tấm nén vuông thì dùng đường kính tương đương)

µ: hệ số Poisson của đất coi như

S d



 