Bài giảng địa kỹ thuật (đại học thủy lợi)

Bảng 2-2 Kết cấu và các đặc tính khác của các loại đấtKích thước hạt Hạt thô, có thể nhìn các hạt bằng mắt thường Hạt nhỏ, mịn không thể nhìn bằng mắt thường Hạt nhỏ, mịn không thể nhìn

Giới thiệu về môn học

CƠ HỌC ĐẤT

Cơ học đất là môn cơ học về các khối kết tụ, rời của khoáng vật, vật liệu hữu cơ và trầm tích được tìm thấy phía trên tầng đá gốc.

Cơ học đất ứng dụng các nguyên tắc cơ bản của cơ học bao gồm động lực học, cơ học chất lỏng và cơ học vật liệu của đất.

Cơ học đất đóng vai trò quan trọng cho sự làm việc, tính kinh tế và độ an toàn của bất kỳ công trình xây dựng nào phục vụ con người.

Đặc tính tự nhiên riêng biệt của đất đá

Đất là vật liệu không đồng nhất, rời rạc.

Lịch sử phát triển của ngành cơ học đất

Từ xa xưa con người đã biết sử dụng đất làm vật liệu xây dựng, môi trường xây dựng, nền móng công trình nhưng chỉ làm theo thói quen và rất ít lý thuyết cho đến giữa thế kỷ 18.

Sang thế kỷ 19 ⇒ Hình thành các hiệp hội mang tính chuyên ngành.

Phát triển nhanh vào những năm 1950.

V

V s

v w

=

Độ ẩm (2-4) Khối lượng riêng tổng

(2-5) Khối lượng riêng hạt

(2-6) Khối lượng riêng nước

(2-7) (Thường lấy bằng 1T/m 3 )

% 100

M

M W

Khối lượng riêng khô

(2-8) Khối lượng riêng bảo hoà

Bảng 2-1 Các giá trị khối lượng riêng của một số loại

băng 2.1 – 2.4 1.7 – 2.3 1.1 – 1.4

Đá dăm 1.9 – 2.2 1.5 – 2.0 0.9 – 1.2 Than bùn 1.0 – 1.1 0.1 – 0.3 0.0 – 0.1 Bùn sét hữu

cơ 1.3 – 1.8 0.5 – 1.5 0.3 – 0.8

Kết cấu đất

Kết cấu đất là các biểu hiện bên ngoài, phụ thuộc vào kích thước tương đối và hình dạng hạt cũng như sự phân bố của các hạt.

Kết cấu hạt thô (Cát - Sỏi).

Kết cấu hạt mịn (Bụi – Sét).

Bảng 2-2 Kết cấu và các đặc tính khác của các loại đất

Kích thước hạt Hạt thô, có thể

nhìn các hạt bằng mắt thường

Hạt nhỏ, mịn không thể nhìn bằng mắt thường

Hạt nhỏ, mịn không thể nhìn bằng mắt thường Đặc tính Không dính

Không dẻo Rời rạc

Không dính Không dẻo Rời rạc

Dính Dẻo

(Trừ trường hợp vật liệu rời bão hoà chịu tác dụng tải trọng động)

không quan trọng

Kích thước hạt và phân bố kích thước hạt Kích thước hạt (đặc biệt là hạt thô) ⇒ ảnh hưởng nhiều đến tính chất của đất.

Kích cỡ hạt phân bố trong phạm vi rất lớn.

Xác định thành phần hạt (phân tích cơ học) để có phân bố kích cỡ hạt.

Dùng phương pháp rây (Với hạt có d > 0,075).

Đường kính hạt ⇒ Đường kính tương đương.

Hình 2-3 Phạm vi kích cỡ hạt theo một số hệ phân loại đất kỹ thuật (cải biến theoAl-Husaini, 1977 )

quân đội Hoa Kì, 1960 ) M.I.T – Viện Công nghệ Masachusett (Taylor, 1948)

Bảng 2-3 Các cỡ rây tiêu chuẩn Mỹ và kích cỡ lỗ tương ứng

Với các hạt có đường kính nhỏ hơn

và bằng 0,05 dùng phương pháp tỷ

trọng kế

Định luật Stoke cho hạt cầu lắng trong dung dịch nhớt.

biết thời gian và khoảng cách chìm lắng.

Hình 2.4 Phân bố kích cỡ hạt tiêu chuẩn

D D

c

D D

D

Hình 2.5: Hình dạng đặc thù của các hạt thô lớn (Hình chụp

của M Surendra)

Giới hạn chảy (LL – Liquid Limit) Giới hạn dẻo (PL – Plastic Limit).

Chỉ số dẻo – Là phạm vi độ ẩm khi đất ở trạng thái dẻo – Dùng để phân loại đất dính.

Giải thích hình 2-6

Cách xác định LL (Theo casagrande) Phương pháp thả chùy vaxiliep.

Nếu dây nhỏ hơn → Đất quá ướt.

Nếu dây đứt trước khi d = 3mm → Đất quá khô

(Giải thích hình 2-8d)

Chương II

i2-3 Cố kết và lún cố kết

Giới thiệu chung

Với vật liệu liên tục→ Ứng xử với tải trọng xảy ra tức thời.

Với đất thì dưới tác dụng của tải trọng phải mất một thời gian dài mới xuất hiện rõ biến dạng.

Các thành phần của lún

Độ lún tổng (S t ) của đất gồm 3 thành phần:

S t = S i + S c + S s

S i : Độ lún tức thời.

S c : Độ lún cố kết.

S s : Độ lún từ biến.

Tính nén lún của các loại đất

Bài toán : Xét bài toán 1 hướng.

Đất khi chịu tải trong, bị ép co bởi:

Vật liệu thô bị ép co một hướng

Mô phỏng lò xo như mẫu đất dính bão hoà nước

Mô phỏng lò xo (tiếp theo)

Lò xo tượng trưng cho các hạt đất Nước trong bình tượng trưng cho nước trong lỗ rỗng.

thông với bên ngoài của đất.

Đồng hồ đo áp lực nước lỗ rỗng U o

Mô phỏng lò xo (tiếp theo)

Ban đầu: Van V chưa mở, gia tải ∆σ =

Thí nghiệm nén không nở hông

Đất chịu tải trọng trên diện rộng → Quá trình ép co được giả thiết như ép theo một hướng.

Thiết bị nén không nở hông.

Hộp nén cố định

Mô thao tác thí nghiệm nén không nở

hông

Tải trọng tăng dần từng cấp.

Mỗi cấp tải trọng → Chờ cho độ lún mẫu ổn định ⇒ Ghi lại số đọc đồng hồ

⇒ Tăng tải trọng tiếp theo.

Quá trình lặp đi lặp lại ⇒ Đủ điểm

dữ liệu thí nghiệm.

Kết quả thí nghiệm nén không nở hông

Quan hệ giữa lún phần trăm cố kết và ứng

suất hiệu quả

Quan hệ giữa hệ số rỗng và ứng suất hiệu quả

Quan hệ giữa phần trăm cố kết và log ứng suất

hiệu quả

Quan hệ giữa hệ số rỗng và log ứng suất

hiệu quả

Áp lực cố kết trước σ’ p : Tải trọng nén trước (Áp lực cố kết trước).

σ’ vo : Tải trọng nén thẳng đứng hiện tại (Ứng suất bản thân).

Cách xác định ứng suất bản thân của đất trong các trường hợp:

Cách xác định áp lực cố kết trước

Đường cong quan hệ giữa hệ số rỗng và log tải trọng

mô tả quá trình trầm tích, lấy mẫu (giảm tải) và cố kết

lại trong thiết bị thí nghiệm cố kết.

Ví dụ 8.1

Cho kết quả thí nghiệm cố kết trong phòng ở hình 8.7.

Yêu cầu: Với đường cong nén BCD

trong phòng thí nghiệm, xác định: (a) ứng suất cố kết trước theo phương pháp của Casagrande; (b) giá trị nhỏ nhất và lớn nhất có thể có của trị số ứng suất này; (c) trị số OCR nếu ứng suất lớp phủ hiệu quả tại hiện trường là 80 kPa.

o o

H

H e

Tính toán lún theo sơ đồ 3 pha

Ví dụ 8.2

Trước khi đổ khối đắp trên một diện tích rộng ở hiện trường, chiều dày của lớp đất nền là 10 m Hệ số rỗng ban đầu là 1,0 Một thời gian sau khi có khối đắp, xác định được hệ số rỗng trung bình của lớp đất nén lún là 0,8.

Yêu cầu: Đánh giá độ lún của lớp

đất nền.

Tính toán lún (tiếp theo)

Đường quan hệ hệ số rỗng và ứng suất hiệu quả.

Hệ số nén lún a v

Hay là:

1 2

2 1

v

v

' '

'

a

σ σ

Tính toán lún (tiếp theo)

Đường quan hệ phần trăm cố kết

và ứng suất hiệu quả (8.4a).

Hệ số thay đổi thể tích m v

D là mô đun ép co không nở hông (E oed ).

D

av 1 e

Tính toán lún (tiếp theo)

Đường quan hệ hệ số rỗng và ứng suất hiệu quả (8.5a).

Chỉ số nén C c

1 2

2

1 c

'

' log

Ví dụ 8.9

H ình vẽ ví dụ 8.9

Ví dụ 8.9 (tiếp theo)

Cho số liệu thí nghiệm quan hệ giữa

hệ số rỗng và log áp lực hiệu quả như hình vẽ bài tập ví dụ-8.9

Yêu cầu: Xác định (a) áp lực cố kết

trước , (b) chỉ số nén Cc, và (c) chỉ số nén cải biến Ccε.

' log

e

H C

+

=

vo

v vo

o

o c

e

H C

'

' log

Tính độ lún cố kết khi sử dụng quan hệ phần trăm độ cố kết và ứng suất hiệu quả.

(8-12) Với đất cố kết bình thường.

1

2 c

'

'log

c H

C

'

' log

.

=

Tính toán lún cho đất quá cố kết

Đất quá cố kết : σ’ p ≥ σ’ vo + ∆σv

Dùng phương trình (8-11) hoặc (8-13) Dùng C r hoặc C rε thay thế C c và C cε

C

+

= Cr

ε

Ví dụ 8.12

Cho quan hệ giữa hệ số rỗng e và log áp lực hiệu quả ở hình ví dụ 8.9

Yêu cầu: Tính (a) chỉ số nén lại và (b) chỉ

số nén lại cải biến.

Tính lún cho đất quá cố kết (tiếp theo)

Trường hợp σ’ vo + ∆σv ≤ σ’ p

(8-16)

vo

v vo

o

o r

e

H C

'

'log

.1

r H

C

'

' log

.

=

Tính lún cho đất quá cố kết (tiếp theo)

Trường hợp σ’ vo + ∆σv > σ’ p

(8-18b)

p

v vo

o

o c

vo

p

o

o r

e

H C

e

H C

'

' log

1 '

' log

1

+

+ +

o c

vo

p o

C

'

' log

.

'

' log

.

Sc

σ

σ

σσ

σ

ε ε

∆

+ +

=

Các bước xác định C r

Ví dụ 8.13

Cho dữ liệu ở ví dụ 8.1 và hình 8.7 đại diện cho tầng sét bụi dày 10 m.

Yêu cầu: Đánh giá độ lún cố kết nếu

tải trọng công trình trên bề mặt sẽ gia tăng ứng suất trung bình trong lớp đất với trị số 35 kPa.

Các yếu tố ảnh hưởng đến việc xác

Ba yếu tố ảnh hưởng:

Ảnh hưởng bởi mức độ xáo trộn mẫu.

Ảnh hưởng bởi tỷ lệ tăng tải.

Ảnh hưởng bởi thời gian tăng tải.

Phân bố ứng suất trong đất

• ÁP SUẤT ĐÁY MÓNG

• ỨNG SUẤT TĂNG THÊM

(8-22)

1 ).

(

z

Z B

(

)

).(

(

z

Z L

Z B

L B Z

L Z

B

+ +

= +

+

Phương pháp gần đúng 2:1 để xét sự phân bố ứng suất

đứng theo chiều sâu

Xác định ứng suất tăng thêm trong

nền theo lý thuyết dẻo

Bài toán cơ bản của Businet

(8-24)

2 / 5 2 2

3

Z

)(

2

)3

(

z r

Ứng suất tăng thêm do tải trọng đứng

Ví dụ 8.19

Cho móng chữ nhật có kích thước 5 x10 m chịu tải trọng phân bố đều với cường độ 100 kPa.

Yêu cầu:

Xác định ứng suất ở độ sâu

5 m dưới điểm A ở hình ví

dụ 8.19 Xác định ứng suất tại điểm

chịu tải trọng gia tăng thêm

100 kPa.

Ứng suất tăng thêm do tải trọng khối đắp dài vô hạn

Ứng suất tăng thêm do tải trọng phân bố dạng tam giác

trên móng chữ nhật

i2-4 Vòng Mohr ứng suất và các tiêu

chuẩn phá hoại

Giới thiệu chung.

Các ký hiệu ở bảng.

Ứng suất tại một điểm

α

σ σ

σ

σ

22

y x

Ứng suất trên mặt nghiêng viết theo

các thành phần ứng suất chính

α

σ σ

σ

σ

22

3 1

Vòng tròn Mohr ứng suất: (a) phần tử lúc cân bằng;

(b) Vòng tròn Mohr

Quan hệ ứng suất biến dạng và các tiêu chuẩn phá hoại

Tiêu chuẩn phá hoại Morh – Coulomb

(10.7)

τff : Cường độ chống cắt của vật liệu.

σff : Ứng suất pháp tại thời điểm phá hoại.

) f( σ

τff = ff

Điều kiện cân bằng bền.

Điều kiện cân bằng giới hạn.

Giả thiết phá hoại Mohr

Góc của mặt phẳng phá hoại.

các mặt phẳng phá hoại liên hợp.

Phương trình Coulomb

τf : Cường độ chống cắt của đất.

φ, C : Các thông số độ bền chống cắt của đất.

Có khi τ = C khi φ = 0 hoặc τ = σtgφ khi C = 0.

C

tg

f = σ φ +

τ

Tiêu chuẩn phá hoại Morh - Coulomb

(10-9)

C

tgff

τ

Góc của mặt phá hoại với phương ứng suất chính nhỏ nhất

(10-10)

2

τf : Cường độ chống cắt huy động trên mặt trược khả dĩ.

τff : Cường độ chống cắt thực.

(10-11)

f

ff s

F

τ τ

=

Các điều kiện ứng suất ở thời điểm phá hoại Đường bao phá hoại Mohr của vật liệu thuần dính.

Các thí nghiệm về cường độ kháng cắt

của đất

• Thí nghiệm cắt đất trực tiếp.

Các thí nghiệm về cường độ kháng cắt

của đất

• Thí nghiệm cắt đất trực tiếp.

Các thí nghiệm về cường độ kháng cắt

của đất

• Thí nghiệm cắt đất trực tiếp.

Thí nghiệm 3 trục

Sơ đồ thiết bị thí nghiệm ba trục

Thí nghiệm 3 trục

Các điều kiện ứng suất giả thiết trên mẫu

thí nghiệm ba trục

Hướng thoát nước Trước khi cắt - Trong khi cắt Ký

hiệu Không cố kết

CD

d Xác định ứng suất cắt lớn nhất tại thời điểm phá hoại và góc nghiêng của mặt phẳng mà nó tác động lên; tính toán cường độ chống cắt đạt được trên mặt phẳng này và hệ số an toàn của mặt phẳng này.