Bài giảng Cơ học đất - Chương 4.3: Tính chất cơ học của đất (Trần Thế Việt)

Bài giảng Cơ học đất - Chương 4.3: Tính chất cơ học của đất (Trần Thế Việt) cung cấp đến học viên các kiến thức về khái niệm tính ép co và biến dạng của đất; quan hệ giữa biến thiên thể tích (

CHƯƠNG IV: TÍNH CHẤT CƠ

HỌC CỦA ĐẤT

(mechanical properties of soil)

I never learn anything talking I only learn things when I ask questions

Nội Dung Chương IV:

T2 TÍNH ÉP CO & BIẾN DẠNG CỦA

ĐẤT

I Khái niệm về tính ép co & biến dạng của đất

4

5

- Đất gồm các hạt sắp xếp 1 cách tự nhiên ⇒ cốt đất có

tính rỗng;

- Tronglỗ rỗng chứa nước và khí

- Chỗ tiếp xúc giữa các hạt cóliên kếtvới nhau

S

S

S S

I Khái niệm về tính ép co & biến dạng của đất

Khichịu tải:

1 cốt đất bị biến dạng tức thời,

2 liênkết giữa các hạt đất bị phávỡ,cáchạt dịch chuyển

dobị dồn nén

3 Lỗ rỗng bị thu hẹp,Vmẫu ↓, đất chặt lại

Tínhchất như vậy gọi làtính ép cocủa đất

7

- Như vậy: Biến thiên thể tích của đất khi chịu tải

trọng chínhlà do thể tích lỗ rỗng thu hẹp

- Hiện tượng ép co xảy ra trong 1 thời gian nhất định

sau đó mới kết thúc Trong quá trình này, 1 bộ phận

nước và khí trong đất đồng thời bị ép ra ngoài

I Khái niệm về tính ép co và biến dạng của đất

8

II QH giữa biến thiên thể tích (𝛥V)

& hệ số rỗng (e)

II QH giữa biến thiên thể tích (𝛥V) & hệ số rỗng (e)

Theo mối liên hệ giữa ba thể:

+ Thể tích hạt đất Vs1có trong V1: 𝑽𝒔𝟏= 𝑽𝟏

𝟏

𝟏 + 𝒆𝟏+ Thể tích hạt đất Vs2có trong V2 𝑽𝒔𝟐= 𝑽𝟐 𝟏

𝟏 + 𝒆𝟐

Do thể tích phần hạt đất luôn ko đổi:

𝑽𝒔𝟐= 𝑽𝑺𝟏 𝑽𝟐𝟏+𝒆𝟏

𝟐= 𝑽𝟏 𝟏𝟏+𝒆𝟏 𝑽𝟐= 𝑽𝟏𝟏 + 𝒆𝟐

𝟏 + 𝒆𝟏10

Xétmột khối đất có V1& e1 Hãy tínhbiến thiên thể tíchV

II QH giữa biến thiên thể tích (𝛥V) & hệ số rỗng (e)

Cũng có thể viết (2.1) dưới dạng biến thiên thể

      

 (lýthuyết đàn hồi)

Với

εx: biến dạng theo phương x;

εy: biến dạng theo phương y;

εz: biến dạng theo phương z;

(2.2)

12

III TN ép co không nở hông & định luật ép co

13

III TN ép co không nở hông và định luật ép co

a KN: dùngđể nc tính ép co của đất Trong TN, mẫu đất chỉ

lún theochiều thẳng đứng

3.1 Thí nghiệm ép co không nở hông

14

3.1 Thí nghiệm ép co không nở hông

Chi tiết sơ đồ thí nghiệm ép co không nở hông

a Mục tiêu của thí nghiệm cố kết

❖môphỏng sự ép co của đất dưới td của tải trọng

ngoài

❖XĐ thông số môđun của đất khi nén không nở

hông

❖Dự đoán lún của nền ở hiện trường bằng cách

đánh giá các đặc trưng nén của mẫu nguyên

dạng tiêu biểu

3.1 Thí nghiệm ép co không nở hông

16

✓ Thực hiện bằng cách td tải trọng thẳng đứng tăng dần P1;

P2; P3,…lên mẫu (cấp sau gấp 2 cấp kế trước)

✓ Saumỗi cấp, chờ mẫu lún ổn định (0.01mm/ 24h)

✓ Lặp lại quá trình cho đến khi đủ số điểm để vẽ đường

𝑯 =𝒆𝒊−𝒆𝒊+𝟏

𝟏+𝒆𝒊 𝒆𝒊+𝟏= 𝒆𝒊− (𝟏 + 𝒆𝒊)𝑺𝒊+𝟏

𝑯 (2.3)𝜺𝒊+𝟏= 𝜺𝒊−𝑺𝒊+𝟏

Từ (2.3) & (2.4); có thể XD các đường QH (s~𝝈’vc) &(𝜺 ~ 𝝈’vc)

18

c.Kết quả thí nghiệm

Hai cách thể hiện KQ TN cố kết

1 % biến dạng Ԑv~ ứng suất hiệu quả 𝝈’vc

2 Hệ số rỗng e ~ ứng suất hiệu quả 𝝈’vc(Thínghiệm với đất bùn tại vịnh San Francisco ở độ sâu -7,3m)

III TN ép co không nở hông và định luật ép co

Cả 2 đồ thị này đều cho thấy đất là VL biến dạng tăng bền, nghĩa

là giátrị mô dun( tức thời)  khi ứng suất 

III TN ép co không nở hông và định luật ép co

20

Thể hiện KQTN cố kết trên hệ trục bán Logarit

III TN ép co không nở hông và định luật ép co

NX: 2 đồ thị đều có 2 đoạn gần như thẳng nối tiếp với đường cong

chuyển tiếp trơn Ưs tại điểm chuyển tiếp chỉ ra giá trị ứs lớp phủ thẳng

đứng max mà mẫu đất này từng chịu trong quá khứ- Ưs cố kết trước𝝈’p

III TN ép co không nở hông và định luật ép co

OCR=1, nghĩa là σ’p= σ’voĐất cố kết bình thường (NC)

OCR>1, nghĩa là σ’p> σ’voĐất quá cố kết (OC)

OCR<1, nghĩa là σ’p< σ’voĐất chưa cố kết

III TN ép co không nở hông và định luật ép co

3.2 ĐL ép co ko nở hông & các đặc trưng ép co của đất

ĐL ép co ko nở hông đc

lập ra / cơ sở p.tích

đường cong ép co (e ~ P)

25

3.2 ĐL ép co ko nở hông & các đặc trưng ép co của đất

Khibiến thiên của AL ko lớn

III TN ép co không nở hông & định luật ép co

3.2 ĐL ép co ko nở hông & các đặc trưng ép co của đất

3.2 ĐL ép co ko nở hông & các đặc trưng ép co của đất

 Định luật ép co của đất:

Khibiến thiên áp lực nén không lớn thìbiến thiên hệ số

rỗng tỷ lệ bậc nhấtvớibiến thiên áp lực”

3.2 ĐL ép co ko nở hông & các đặc trưng ép co của đất

Khi KQ TNđcbiểu thị theo

3.2 ĐL ép co ko nở hông & các đặc trưng ép co của đất

Khi KQ TNđc biểu diễn bằng

quanhệ (e ~ log σ’v) thì độ

dốc của đường cong ép co

nén C c

, 1

, 2 2 1 , 1 ,

e

C C

3.2 ĐL ép co ko nở hông & các đặc trưng ép co của đất

Nếu KQ TN đc biểu thị = quan hệ (𝜺v~ logσ’vc) thìđộ dốc

C rε ( tỷ số nén lại)

o

r r

e

C C



 1

3.2 ĐL ép co ko nở hông & các đặc trưng ép co của đất

Với đất sét có độ nhạy thấp đến trung bình, Terzaghi &

✓Khi TN,đặt bàn nén trực tiếp lên nền, td tải trọng lên bàn

nén theotừng cấp tăng dần Mỗi cấp 20 → 50 kN/m2

✓Saumỗi cấp, đợi nền lún ổn định (0.1mm/h) thì thực hiện

đo độ lún

✓Tiếp tục tăng tải cho đến khi độ lún của bàn nén tăng đột

ngột, hoặc lún quá lớn, hoặc đất xq bàn nứt nẻ, hay đất

trồi lên 2 bên bàn mới thôi

3.3 TN bàn nén tại hiện trường & nguyên lý bd tuyến tính

3.3.2 Một số chú ý

p II gh

TN bàn nén tại hiện trường

3.3 TN bàn nén tại hiện trường & nguyên lý bd tuyến tính

gh)b.d dẻoxuất hiện

đầu tiên tại 2 mép bàn →vùng dẻo

(sâu khoảng ¼ B)

Khi p > p I

gh, vùng dẻo phát triển

theo p tăng, QH S ~ p trong nền là

phi tuyến Khi p → p II

gh b/d dẻochiếm ưu thế, độ cong càng lớn

3.3 Nguyên lý b.dạng tuyến tính

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

gh ), quan hệ (S

p) có dạng gần thẳng, có thể xem đất như VL biến dạng

tuyến tính , QH giữa độ lún & AL lên nền là bậc nhất”

→ Trong giai đoạn bd tuyến tính,

hồi” có thể vận dụng cho đất

(ĐL Hooke – ĐL liện hệ BD ~ ƯS)

44

3.3.3 Nguyên lý biến dạng tuyến tính

Theo ĐL Hooke, khi phân tố đất là đàn hồi, đẳng hướng

E o&o: môđun bd & hệ số nở hông của đất

x, y , z:các ứs pháp td lên phân tố đất theo phương x, y, z

x, y , zlà các bdtương đối của phân tố đất theo phương x, y, z

IV Xác định các đặc trưng biến dạng của đất

IV Xác định các đặc trưng biến dạng của đất

4.3 Quan hệ giữa Ko~ 𝛍o

Xét 1 phân tố đất chịu nén không nở hông: Từ các ct

TN nén ko nở hông

o o z

x o

IV Xác định các đặc trưng biến dạng của đất

4.4 Xác định môdun biến dạng E 0

E0là 1đặc trưng bd quan trọng của đất, có ý nghĩa

⩯ môđun đàn hồi Eenhưng khác về bản chất:

❖ E e biểu thị tính đàn hồi của đất

❖ E 0 : Biểu thị tính bd của đất,

49

IV Xác định các đặc trưng biến dạng của đất

4.4.1 XĐ môdun biến dạng E 0 từ TN nén ko nở hông

) (

2 1

z y x o

o z y x

o y

IV Xác định các đặc trưng biến dạng của đất

4.4.1 XĐ môdun biến dạng E 0 từ TN nén ko nở hông

Thay (c) vào (b)

Cân bằng (d) với (a)

(d)

(e)Với

o z o v

v o

212

Một loại đất khi TN ép co ko nở hông trong phòng thí

nghiệm với chiều cao ho= 2,54cm chokết quả sau:

P(kN/m2) 100 200 300 400

Tính cáchệ số rỗng ei&vẽ qh e~p trong TN ép co ko

nở hông, cho eo=0,814,o= 0.4

Tính môđuyn biến dạng của đất theo ứng với cấp tải

trọng từ p=100 đến p=200kN/m2

52

IV Xác định các đặc trưng biến dạng của đất

IV Xác định các đặc trưng biến dạng của đất

4.4.2 XĐ môdun biến dạng E 0 từ TN bàn nén

Khi p pI

gh, lýthuyết đàn hồi đã chứng minh đc độ lún

của 1 bàn nén tròn đặt trên mặt bán ko gian bd tuyến

tính:

d

P E

Nếu bàn nén vuông, có thể lấy đường kính tương

đương theo công thức

Biểu thức trên tính cho môi trường bán ko gian vô hạn

đàn hồi Tuy nhiên đv đất thì phạm vi ảh của P ko ra

vô cùng mà hữu hạn, vì thế khi dùng cần phải hiệu

chỉnh = cách thêm 1 hệ số thực nghiệm vào công

thức, m o< 1

S

P d m

o o

2



54

IV Cố kết của đất dính bão hòa nước & sự chuyển

hóa ứng suất trong quá trình cố kết thấm

saturated clay

55

4.1 Khái niệm về tính ép co của đất bão hòa nước

Xét TH biến dạng của lớp đất chịu nén 1 hướng

Khi chịu tải trọng, đất bị ép co do:

+Biến dạng của các hạt đất

+Nước & khí trong các lỗ rỗng của đất bị ép co

+Nước và khí bị ép thoát ra khỏi lỗ rỗng

Với đất bão hòa:

Yếu tố làm thay đổi thể tích của đất chính là

sự thoát ra của nước trong lỗ rỗng:

4.1 Khái niệm về tính ép co của đất bão hòa nước

4.1 Khái niệm về tính ép co của đất bão hòa nước

✓ Khả năng thoát nc nhỏ, quá trình ép co đc đánh giá =

tốc độ thoát nc khỏi lỗ rỗng của đất

Quá trình ép cocủa đất dính bão hòa nước còn gọi quá

Cố kết thấm là quá trình phụ thuộc vào thời

gian, sự khác nhau về tốc độ lún phụ thuộc

vào sự khác nhau về tính chất thấm của đất

Notice

60

Đất dính bão hòa nước gồm 2 pha:

- Pharắn: gồm các hạt đất → khung kết cấu (cốt đất)

- Phalỏng (nước): chiếm đầy thể tích lỗ rỗng trong đất

4.1.2 Sự ép co trong đất dính bão hòa nước

Hai pha này dưới td của áp lực sẽ có phản ứng ≠:

Phần áp lực truyền cho pha rắn, làmđất bd, gọi là ứng

suất hiệu quả (’)

Phần áp lực truyền cho pha lỏng, ko làm bdđất, chỉ →

cột nước và→ sự thấm trong đất, gọi là áp lực nc lỗ

rỗng hoặc áp lực trung hòa (u).

Mô hình cố kết thấm của Terzaghi

4.1.2 Sự ép co trong đất dính bão hòa nước

Mô hình cố kết thấm của Terzaghi

Dụng cụ TN

62

- Lò xo: tượng trưng cho

khung cốt đất tạo nên bởi

cáchạt đất chồng lên nhau

- Nước trong bình: tượng

trưng cho nc chiếm đầy lỗ

rỗng trong đất

- Các lỗ đục/ nắp: tượng

trưng cho lỗ rỗng trong đất

liên thông ra bên ngoài

4.1.2 Sự ép co trong đất dính bão hòa nước

Mô hình cố kết thấm Terzaghi

64

Áp lực nước lỗ rỗng (ứng suất trung hòa) U

Td ALσ lên nắp bình, nếu khóa

van nước để nc trong bình ko

Áp lực nước lỗ rỗng ( ứng suất trung hòa) U

Vậy: hễ có nc tồn tại trong lỗ rỗng thì áp lực nc lỗ

rỗng xuất hiện và cản trở sự nén chặt đất Do vậy,

AL nc lỗ rỗng U còn gọi là AL ko hiệu quả hoặc

ƯS trung hòa

Mô hình cố kết thấm của Terzaghi

66

Ứng suất hiệu quả

✓ Mở lỗ đục: Tại t = 0; nc bắt đầu đc ép thoát ra

ngoài, nc thoát càngnhiều, mực nc trong ống đo

áp cànghạ thấp, nắp bình hạ & bd của lò xo càng

lớn

✓ Khinc tronglỗ rỗng thoát dần ra,usẽ tiêu tan dần

đểchuyển hóa thànhưs hiệu quả σ’td vào lò xo:

σ’ = σ - u; làm lò xo bd

✓ σ‘ có td nén chặt đất nên gọi làAL nén chặthay

ƯS có hiệu quả

Mô hình cố kết thấm của Terzaghi

67

Như vậy, mô hình lò xo đã mô phỏng được

trường và ở trong phòng khi chịu tải trọng, cụ

thể như sau:

Mô hình cố kết thấm của Terzaghi

68

t = 0, nước chưa kịp thoát

ra, toàn bộ tải trọng ngoài đc

chuyển thành U dư → tại

thời điểm ban đầu ko có sự

thay đổi về σ’ trong đất (lò

xo chưa biến dạng, đất

chưa bị nén).

Mô hình cố kết thấm của Terzaghi

t = T, nc dư thoát ra hết, u dư lại

trở lại áp lực thủy tĩnh như khi

chưa tác dụng tải trọng (u = 0,

’v= v) Lò xo bị nén hoàn

toàn (Đất cố kết hoàn toàn)

Mô hình cố kết thấm của Terzaghi

71

Có thể nói, 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

Mô hình cố kết thấm của Terzaghi

Kết luận

72

Liên kết kết cấu của đất:nếu LK-KC bị phá hoại thì

tính ép co & BDcủa đất lớn, nếu LK-KC chưa bị phá

hoại thì tính ép co & BD của đất sẽ nhỏ hơn

Loại đấtkhác nhau thì tính ép co & BDcủa đất sẽ

khác nhau.Đất dính nói chung BD > đất rời

Độ chặt ban đầu của đất có ahđến tính ép co &

BD.Đất rời có độ chặt ban đầu càng lớn thì tính ép

Ảh do cách td tải trọng: tínhchất nén lún & BD của

đất rất khác nhau khi tăng tải, dỡ tải & 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