CƠ HỌC ĐẤT ỨNG DỤNG VÀ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH TRÊN NÊN ĐẤT THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN

Với đất chứa chủ yếu cát nhóm hạt thỏ thì độ lớn của nhóm hạt, cấp phối của chúng quyê định chủ yếu đến tính chất xây dựng của đất thông qua các đặc tính về thấm về biến dạng và chống tr

PHAN TRƯỜNG PHIỆT

GIÁO SƯ TIẾN SỸ ĐIA KỸ THUÂT

Cơ HỌC ĐẤT ỨNG DỤNG

VÀ TÍNH TOÁN

CÔNG TRÌNH TRÊN NÊN ĐẤT

(Tải bản)

NHÀ XUẤT BẢN XÂY D ự N G

HÀ NÔI -2010

LỜI NÓI ĐẦU

Với :iiốn sách này, tác giả hy vọng giúp sinh viên mới ra trường, k ĩ sư trẻ có tài liệu tham ktảo và lảm quen với các kiến thức cơ bản của k ĩ thuật nền móng hiện đại.

Nhu tên cuốn sách, sách gồm ba phần:

P hẩi B: C ơ học đất íữig dụng.

P hẩi C: N ội diing tính toán thiết k ế theo trạng thái giới hạn phá hoại và trạng thái giới hạn s ử iụ n g của hệ côn^ trình - nền đất.

Do đặc điểm phát triển lịch sử, môn C ơ học đất và nền móng nước ta chịu lần ỈK 0 ảnh hưâng :ủa hai trường phái lớn của th ế giới: trường phái Xô viết và trường phái Ấu - Mỹ, nên klìi viết cuốn sách này tác giả định hướng rõ ràng: k ế thừa có chọn lọc các thành tiũi

đ ã đạt Ấược trong mấy chục năm xây diữig đất nước x ã hội chủ nghĩa và hiện đại hóa theo

m ột lô d c hợp lí trên kho tàng kiến thức th ế giới đương đại Tuy nhiên, có trang này hay chươniị kia của cuốn sách, địnlì hướng trên khó thực hiện, tác giả đành phải nêu cái này íliuộc vường phcii này, cái kia thuộc trường phái kìa và kèm theo vài lời bình luận chủ quan c,iơ mình Mong dộc giả ìlìônịỉ cảm sự yếu kém của tác giả và góp ý phương thức giải quyếi Cũng vì vậy, cuốn sách này cũng s ẽ lả nguồn cảm hứng của k ĩ sư, học viên cao học khi tìm chọn lựa đ ề tài nghiên cíiìi của mình.

plìần ti' dứng Địa k ĩ thuật - một phương pháp s ố Địa k ĩ thuật Đ ây là hai vấn đ ề lí thú của Đi/I k ĩ iìiiật mà nhiều người làm Địa k ĩ thuật quan tâm Do khuôn k h ổ cuốn sách, hai vấn

d ề trêu chỉ được trình bày nịịắn gọn ỏ dạng phụ lục Bạn đọc quan tâm, xin trao đổi với tác í^iá và ác gicí cữníỊ moni> dợi sựgiơo lưu ấy.

Đ ể ả m rõ ní>liĩa, các thuật ngữ dịa k ĩ tììiiậl tiếng Việt đều có kèm theo tiếng Anh.

N h á i cuốn Síich xiiấỉ bủn túc giả cảm ơn những NC S Việt N am ở nước ngoài gửi tặng

n h iê u i 'ii liệu cỊiiý h iếm và Iìlìữní> N C S tro n g nược đ ã cộng tác tro n g q u á trình ng hiên cứu

và biêì soạn.

M oi í’ m uốn tlìì làii vậy nlìưní’ tài hèn lực m ọn, chắc không th ể không có thiếu sót trong

c u ốn scch n ủ \ T á c í^iíí xi lì cảm ơn írước bạn đọc vê những góp ý clìO lẩn tái bản được tốt ìưxti.

Tác giả

Phần A

C h ư ơ ng 1

ĐẶC TÍNH CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐÂT

1.1 ĐẶT VẤN ĐỂ

Phân loại đất với mục đích xây dựng nói chung (làm nền, làm môi trường xây dựng hầm hào, ^àm vật liệu xây dựng), một mặt là để lựa chọn chính xác phương pháp nghiên cứu sử dụng một mặt là đế đánh giá đất cho phù hợp với thực tế khách quan đặng có được những tri thức cần thiết cho việc dùng đất vào các mục đích khác nhau trong xây dựng công trình

IVuốn cho việc phân loại đất vừa có căn cứ lí luận khoa học vừa có giá trị thực tiễn khi chọn đặc tnmíí của đất để phân loai cần phải thoả mãn hai yêu cầu cơ bản sau đây;

1 Phản ánh đầy đủ và khách quan đặc tính biến đổi không ngừng của đất vì đất là sản phẩư tự nhiên, chịu tác dụng không ngừng của hoàn cảnh môi trường tồn tại

2 Làm cãn cứ khoa học đê dự đoán hành vi ứng xử của đất trong điều kiện của môi trưỜTíỉ làm việc cùng với công trình

Kinh nghiệm xây dựng đã chứna tỏ rằng khi phân loại đất phải xét đến tổ hợp các nhóm hạt C 1 bản tạo đất và tác dụng tương hỗ giữa thể rắn và thể lỏng của đất

Với đất chứa chủ yếu cát nhóm hạt thỏ thì độ lớn của nhóm hạt, cấp phối của chúng quyê định chủ yếu đến tính chất xây dựng của đất thông qua các đặc tính về thấm về biến dạng và chống trượt của đất Do vậy đối với loại đất này thì phân loại theo độ lớn và cấp phối hạt là thích hợp

Eối với đất chứa các nhóm hạt mịn thì kích cỡ hạt, cấp phối hạt tuy ở một mức độ nào

đó ciing phản ánh được tính chất của đất nhưng không phản ánh được những đặc tính của đất có liên quan đến thành phần khoáng vật, mức độ phân tán và thành phần ion trao đổi tronị đất Do vậy, đối với đất hạt mịn có tính dính thì cần thiết phải xét đến, ngoài kích cỡ

và C í p phối của đất, các giới hạn Atlerberg của đất

Riân loại đất nhằm mục đích đặt tên cho đất Kèm theo một tên đất là cả một loạt tính chất đặc thù của đất mà các nhà khoa học, các nhà xây dựng đã ngầm hiểu với nhau Các

tính chất đặc thù của mỗi loại đất ấy đã được tích luỹ hệ thống từ bao kinh nghiệm quý báu của bao thế hệ k ĩ sư xây đựng

Về phân loại đất hiộn nay có hai xu hưóng, một là tách riêng trạng thái vật lí của đất (độ chặt, độ sệt, v.v ) khi đặt tên đất; hai là xét kèm theo trạng thái vật lí của đất

Xu hướng thứ nhất, cho tên đất riêng và trạng thái vật lí của đất riêng Ví dụ như đối với đất cát thì xét riêng cấp phối hạt của đất tốt hay xấu v.v Đối với đất dính thì xét riêng trạng thái dẻo, lỏng của đất v.v

Xu hướng thứ hai, cho biết một vài trạng thái vật lí quan trọng kèm với tên đất Ví dụ đối với đất cát thì phân thành đất cát cấp phối tốt, đất cát cấp phối xấu v.v ; đối với đất dính thì tên đất có kèm theo tính dẻo của đất cao hay thấp v.v

Tuy nhiên, nếu thực hiện đầy đủ các bước đánh giá đất về mặt xây dựng theo các tiêu chuẩn của mỗi quốc gia thì dù theo xu hướng thứ nhất hoặc thứ hai, người kĩ sư đều có đủ thông tin cần thiết để sử dụng đất một cách sáng tạo theo tiêu chuẩn hiện hành của mỗi nước Chương này gồm những kiến thức cơ bản về đất cần cho sự phân loại đất

1.2 PH Â N N H Ó M H Ạ T Đ Ấ T

Đất có cấu tạo hạt nên có tên gọi là vật liệu hạt (granular material) Kích thước hạt trong đất rất khác nhau, nếu ví hạt nhỏ nhất là viên bi trẻ em chơi thì hạt lớn nhất bằng quả đất chúng ta đang sống Do vậy không thể nghiên cứu từng hạt tạo thành đất mà phải nghiên cứu từng nhóm hạt, mỗi nhóm có tính chất đặc trưng Hiện đã thống nhất được tên

các nhóm hạt cơ bản như sau: nhóm hạt sét (Clay), kí hiệu C; nhóm hạt bụi (Silt), kí hiệu

M; nhóm hạt cát (Sand), kí hiệu s và nhóm hạt sỏi (Gravel), kí hiệu G

Lớn hơn hạt sỏi là hạt cuội và hòn đá hộc Đặc tính cơ bản của các nhóm hạt cơ bản như sau:

* Nhóm hạt sỏi:

- Tỉ diện tích rất nhỏ, không đáng ỉ ể

- Không dính ngay cả khi ẩm ướt

- Độ dâng cao của nước m ao dẫn rất nhỏ, không đáng kể

- Không giữ được nước

* Nhóm hạt cát:

- Tỉ diện tích nhỏ, khoảng 0,001 - 0,04 m^/g

- Tính thấm lớn

- Có thể có tính dính khi ẩm nhưng không dẻo và tính dính mất đi khi bão hoà nước (tính dính giả)

- Độ dâng cao của nước m ao dẫn nhỏ

- Giữ đươc nước ít

* N ióm hạt bụi:

- Tỉ diện tích vào khoảng 0,04 - 1,0 mVg

- T ó h thấm khá nhỏ

- Khi ẩm có tính dính và có tính dẻo

- Khi sũng nước dễ chảy loãng

- H it và giữ được nước nên thể tích đất tăng lên khi hút ẩm và co lại khi mất nước

- Nlớc m ao dẫn dâng tương đối cao và tưcmg đối nhanh

* N ióm hạt sét:

- Tỉ diện tích lớn, khoảng 20 - 800 m^/g

- Hếu như không thấm nước

- Tính hút ẩm lớn và có khả năng giữ nước nhiều

- Khi hút ẩm thể tích tăng lên nhiều, khi khô co ngót rõ rệt

- Khi sũng nước không chảy loãng như nhóm hạt bụi

- Tính dính và tính dẻo lófn

Cần lưu ý rằng, đến nay các nước không thống nhất về đường kính phân nhóm hạt Do vậy khi xem xét các hệ thống phân loại khác nhau của mỗi nước cần thiết phải biết các đường lín h phân nhóm hạt tưcmg ứng

Trưđc năm 1993, ở nước ta quy định phân nhóm hạt theo bảng 1.1

Bảng l í Bảng phán loại nhóm hạt

1 Đá ăn và đá hộc

2 Cuội và dăm

3 Sỏi iạn

Tên nhóm hạt Kích thước hạt (mnn)

4 Cát

5 Bụi

Nhóm hạt bụi và nhóm hạt sét được tách riêng bằng rây có mắt o lm m thuộc bộ rây tiêu chuẩn của Liên Xô (cũ)

Đến năm 1993, TCVN 5747 : 1993 quy định phân loại nhóm hạt theo bảng 1.2

Bảng 1.2 Phân loại nhóm hạt theo TC V N 5747: 1993

Tên nhóm hạt Kí hiệu (theo tiếng Anh) Đường kính phân nhóm (mm)

Đối chiếu vói các phân loại nhóm hạt đã từng dùng, cách phân loại của TCVN 5747 : 1993

đã thay đổi hai giới hạn phân nhóm: lấy 0,002mm (thay cho 0,005m m) làm giới hạn trên của nhóm hạt mịn (gồm nhóm hạt bụi và nhóm hạt sét) So với những cách phân loại nhóm hạt trên thế giới, thì hai giới hạn này của TCVN 5747 : 1993 giống với hai giới hạn lương ứng của cách phân loại của nước Anh, (một điểm hơi khác là cách phân loại của Anh, giới hạn trên của nhóm hạt mịn là mắt rây N" 25 - 63(iin (0,063mm)) Do vậy, người sử dụng đất nhận thấy khó dùng nếu không có bô rây tiêu chuẩn trong đó có rây tưcmg ứng với rây N° 25 của Anh

T ham khảo: Hiện nay có nhiều dự án nước ngoài thực hiện ờ ta; nhiều kĩ sư xây dựng

phải tiếp xúc với những đồ án thiết kế của nước ngoài Đe giúp họ có kiến thức \’ìi những tài

liệu liêr, quan đến tiêu chuẩn thiết kế, chúng tôi trích dẫn những phần tham khảo quan trọng cho từng đề mục

Cách phân loại nhóm hạt hiện dùng ở Trung Quốc được trình bày ở bảng 1.3

Bảng 1.3 Phân loại nhóm hạt của Trung Quốc

a t

Tneo cách phân nhóm hạt này thì nhóm hạt cuội (dăm) và nhóm hạt cát (to, vừa, nhỏ) được xêp vào nhóm hạt thô Nhóm hạt cát mịn, nhóm hạt bụi và nhóm hạt sét được xếp vào nhórr hit mịn và được tách ra bằng rây có mắt 0,1 mm thuộc bộ rây tiêu chuẩn của Liên Xô (cũ) rnàở ta thường dùng

Trước đây, Trung Quốc cũng như chúng ta, thường áp dụng các tiêu chuẩn của Liên

Xô c3 /à công nhận bảng phân nhóm hạt tươiig tự với bảng 1.1 với nhóm hạt sét có

d < 0,CO5mm và nhóm hạt mịn (gồm nhóm hạt sét và nhóm hạt cát) lọt qua rây tiêu

c h u ẩ i 0,1 mm và vẫn dùng bộ rây tiêu chuẩn của Liên Xô m à phòng thí nghiệm nào

c ũ n g cc

Na>, theo bảng phân nhóm hạt mới (bảng 1.3), nhóm hạt mịn vẫn có đường kính nhỏ hơn ( I n m nên vẫn sử dụng được bộ rây vốn có nhưng đã quy nhóm cát mịn của nhóm hạt cát V ì lỶióm hạt mịn

Nhiẻu nhà khoa học cho rằng, cách phân nhóm theo bảng 1.3 của Trung Quốc đã thừa hưởng các thành tựu mới của Địa kĩ thuật thế giới trong những thập kỉ cuối cùng của thế kỷ

X X ihưng vẫn bảo tồn được kinh nghiệm quý báu đã đúc kết hàng nửa thế kỉ xây dựng đất nướcTiung Hoa cường thịnh

Tiêu chuẩn của nước Anh quy định phân nhóm hạt theo bảng 1.4.

Bảng 1.4 Phân loại nhóm hạt của Anh

Nhóm hạt thô 1 Đá hòn (Stone)

Cuội và dăm (cobble) 200 - 60 Nhóm hật thô 2 Sỏi và sạn (Gravel) G

3 C át(Sand)- s

Nhóm hạt mịn 4 Bụi (Silt) - M

5 Sét (Clay) - c < 0,002 Trong đó có hạt keo < 0,001 Theo cách phân nhóm này thì nhóm hạt mịn được tách ra bằng phưcíng pháp rây ướt, qua ráy số 25 có mắt lưới 63)j,m của bộ rây tiêu chuẩn của Anh

Hộ thống phân loại đất của Cục Đường bộ và Giao thông vận tải Mỹ AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) có cách phàn nhóm hạt như ở bảng 1.4 (tên cũ là AASHO - American Associatinn of State Highvvay Officials)

Bảng 1.5 Phân loại nhóm hạt của AASHTO Hoa Kỳ

Nhóm hạt thô Sỏi (Gravel) G

C át(Sand)- s

to nhỏ

75 - 2,00

2,00 - 0,425 0,425 - 0,075

Trên rây số 10 và nhỏ hơn 3 in

Dưới rây số 10 và trên rây sô' 40 Dưới rây sô' 40 và trên rây sô' 200

Tên nhóm hạt Kích thước (mm) Ghi chú Nhón hạt mịn Bụi (Silt) - M

Sét (Clay) - c

0,075 - 0,002

<0,002

Qua rây số 200

The* hệ thống phân loại AASHTO thì nhóm hạt mịn được tách ra qua rây số 200 có mắt

rây 0,0"5mm.

Cũn; ở Hoa Kỳ nhưng hệ thống phân loại uscs (Unified Soil Classification System) lại lấy cácl phân loại nhóm hạt khác như nêu trong bảng 1.6

Bảng 1.6 Phân loại nhóm hạt theo u s c s (H oa Kỳ)

Sỏi (Gavel) - G

to nhỏ

75 - 19,0 19,0 - 4,75

Trên rây 3/4 in và nhỏ hơn 3 in Dưới rây 3/4 in và trên rây số 4 Cát (S.nd) - s

to vừa nhỏ

4,75 - 2,00 2,00 - 0,425 0,425 - 0,075

Dưới rây sô' 4 và trên rây số 10 Dưới rây số 10 và trên rây số 40 Dưới rây số 40 và trên rây số 200 Hạt mn (Fine grain) - F

Bụi hoặc sét

Bụi và sét

< 0,075

Thei cách phân nhóm hạt của ưscs thì không xét đường kính phân nhóm giữa nhóm hạt bụi 'à nhóm hạt sét

Phâi loại nhóm hạt thưòng dùng ở Pháp được trình bày ở bảng 1.7

Bảng 1.7

2át (Sable) - s

11

Lớn hơn nhóm sỏi là nhóm hạt cuội (caiUoux) và lớn nhất là nhóm hòn đá (Enrochenients)

có kích cỡ lớn hơn 200mm

Cách phân loại này chính là cách phân loại của Atlerberg, các đưòfng kính phân nhóm tạo nên cấp số có công sai là 1/ 10: 0 ,002, 0 ,02, 0 ,2, 2 , 20, 200

Cách phân loại của Atlerberg được dùng nhiều với một vài thay đổi ở đường kính nhóm hạt bụi: thay đường kính giới hạn trên là 0,063m m (với số tròn (0,06) thay cho 0,02 V í dụ cách phân loại của M IT (M assachusetts Institute of Technology) và cách phân loại theo Tiêu chuẩn của Đức Cần lưu ý rằng cách phân nhóm của mỗi nước quyết định bộ rây tiêu chuẩn của mỗi nước và hệ thống phân loại đất lại có quan hệ với cách phân nhóm hạt và bộ rây tiêu chuẩn Ví dụ phân nhóm hạt m ịn với nhóm hạt thô dùng rây m ịn nhất hoặc là

0 ,lm m (Trung Quốc), hoặc 0,063m m (Anh), hoặc 0,075m m (Mỹ), 0,08m m (Phấp) v.v

1.3 TH ÀNH PHẦN KHOÁNG VẬ T VỚI NHÓM HẠT

Nghiên cứu thực nghiệm đã chứng tỏ rằng giữa đường kính hạt đất và thành phẩn khoáng vật của hạt có quan hệ mật thiết

Hạt đất có hai nguồn gốc sinh thành: khoáng vật tạo đá mẹ và vật hữu cơ, trong đó nguồn gốc thứ nhất là chủ yếu

1.3.1 Thành phần khoáng vật của nhóm hạt thô

Những hạt đất có kích cỡ lófn hơn hạt cát thường được hình thành từ tác dụng phong hoá vật lí của tảng đá mẹ Tảng đá mẹ bị vỡ vụn, mảnh đá vỡ có thành phần đơn khoáng hoặc

đa khoáng và các khoáng vật này đều là khoáng vật nguyên sinh: thạch anh, íenspat, canxit, mica trắng, mica đen, v.v

1.3.2 Thành phần khoáng vật của nhóm hạt cát

Cát có nguồn gốc của mảnh đá vỡ nhưng có mức độ vỡ vụn cao hơn Do đó, hạt cát thường do một trong những khoáng vật tạo đá nguyên sinh như đã nêu trên tạo nên Mỏi hạt cát có thành phần khoáng vật, hoặc là thạch anh, hoặc là fenspat, hoặc là mica đen, mica trắng Do fenspat và mica đen dễ bị phong hoá hoá học để chuyển thành các loại khoáng vật sét nên trong cát hạt nhỏ thường gặp các hạt thạch anh và mica trắng; các hạt thạch anh gây được vết nước lên kính và các hạt mica trắng óng ánh dưới ánh mặt trời Thạch anh và mica trắng không ưa nước

1.3.3 Thành phần khoáng vật của nhóm hạt bụi

Nhóm hạt bụi có thành phần khoáng vật như cát mịn đã nêu ở trên Do tỉ diện tích không lớn, do thành phần khoáng vật không ưa nước nên tính giữ nước và tính dính kết của nhóm hạt bụi nhỏ