Bài giảng Địa kỹ thuật: Chương 3 - TS. Phạm Quang Tú

Bài giảng Địa kỹ thuật: Chương 3 Tính chất cơ học của đất, cung cấp cho người học những kiến thức như: tính thấm nước của đất; tính ép co và biến dạng của đất; cường độ chống cắt của đất; tính đầm chặt của đất. Mời các bạn cùng tham khảo!

Trang 1

CHƯƠNG III: TÍNH CHẤT CƠ HỌC

CỦA ĐẤT

(mechanical properties of soil)

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

Lou Holtz

3.1 Tính thấm nước của đất 3.2 Tính ép co và biến dạng của đất 3.3 Cường độ chống cắt của đất 3.4 Tính đầm chặt của đất Nội dung

§3.1 TÍNH THẤM NƯỚC CỦA ĐẤT

3

I Khái niệm về dòng thấm trong đất

Đất gồm các hạt phân tán, khoảng rỗng giữa chúngliên thông với nhau, dưới tác dụng của chênh lệch cột nước, nước có thể xuyên qua lỗ rỗng trong đất & chảy từvùng có áp lực cao tới vùng có áp lực thấp

Hạt đất, nước, khí

Trang 2

Tính thấm của đất là khả năng của đất

cho nước đi qua

1 Vấn đề mất nước

- Làm giảmhiệu quả tích nướccủa hồ chứa

- Ảnh hưởng đến thi công do nước chảy vào hốmóng

1 Dòng thấm: ổn định hoặc không ổn định, tương

ứng với các điều kiện là hằng số hoặc biến đổi

theo thời gian

Dòng thấm trong Địa kỹ thuật sinh ra trong

trường ứng suất là dòng không ổn định trong môi

trường có lỗ rỗng thay đổi theo thời gian

2 Dòng thấm có thể phân ra: 1 chiều; 2 chiều; 3

chiều

3 Tùy vận tốc dòng chảy: chảy tầng, chảy rối, và

trạng thái quá độ giữa 2 loại

7

8

Trang 3

Constant total head

Năng lượng tổng (hay cột nước tổng) của hệ là

tổng củacột nước vận tốc, cột nước áp lựcvàcột nước

thế

z g p

u g

v H

w



 2

2

II Định luật thấm Darcy

Darcy dựa vào kết quả

thí nghiệm với đất cát

sạch ở trạng thái chảytầng đã chỉ ra vận tốcthấm& gradien thủy lực

tỷ lệ với nhau

1 Nội dung định luật

Lưu lượng dòng thấm chảy qua 1 mặt cắt bất kỳ:

Vậy, có thể viết lại định luật Darcy dưới dạng

q – lưu lượng thấm trong 1 đơn vị thời gian qua

¤ Kích thước & cấp phối hạt

(mức độ đều hạt) Theo công thức kinh nghiệm

¤ Hệ số rỗng

Nhân tố ảnh hưởng có tính chất quyết định đến k.

Trang 4

3 Phạm vi ứng dụng của định luật Darcy

Nhiều kết quả thí nghiệm cho thấy định luật

Darcy chỉ đúng với 1 số loại đất nhất định

-Với sỏi rất sạch và khối đắp bằng đá cấp phối hở,

dòng thấm có thể là rối và định luật Darcy không có

giá trị

-Với các đất mịn (đất sét) khi gradient thủy lực rất

thấp, mối quan hệ giữa v và i là phi tuyến

3 Phạm vi ứng dụng của định luật Darcy

Với đất sét chặt, do sự cản trở của nước màngbao quanh, quy luật thấm đổi khác so với định luậtthấm Darcy

¤Thí nghiệm hiện trường: Thường sử dụng các

thiết bị bơm trong các thí nghiệm:

Cột nước không đổi

Cột nước giảm dần

1 Thí nghiệm cột nước không đổi

Thể tích nước thu được trongthời gian t

Theo Darcy

Q: tổng thể tích nước thoát ra(m3) trong thời gian t (s)A: Diện tích mặt cắt ngang củamẫu

Trang 5

VD1

- Một mẫu đất hình trụ tròn, đường kính 8cm,dài 20cm, được thí nghiệm với thiết bị đothấm có cột nước không đổi Cột nước 75cmđược duy trì trong suốt thời gian diễn ra thínghiệm Sau 1 phút thí nghiệm, thu được tổngcộng 910 cm3nước

- Yêu cầu:Tính hệ số thấm của mẫu đất?

Bài giải

- Diện tích mặt cắt ngang của mẫu

- Vậy hệ số thấm của mẫu đất

dh

2 Thí nghiệm với cột nước giảm dần

Trang 6

Ta có lưu lượng chảy vào mẫu

đất

Dấu (-) biểu thị Q thấm qua

mẫu tăng khi h hạ thấp

Ở thời điểm t, cột nước khi đó

là h, Gradient thủy lực khi đó:

Theo định luật Darcy

h k

log3,2

h

h t A

aL k



Tính theo Log 10:

Trong đó: a – diện tích ống đo áp

A, L – diện tích và chiều dài mẫu đất

∆ t – thời gian để cột nước trong ống đo áp giảm từ h 1 đến h 2

VD2

Thí nghiệm cột nước giảm dần tiến hành với cát

lẫn sỏi thu được kết quả như sau:

a = 6.25 cm2; h1= 160.2 cm; A = 10.73 cm2; h2= 80.1

cm; L = 16.28 cm; t = 90s

Cho cột nước giảm từ h1→ h2

Yêu cầu:Tính hệ số thấm của mẫu đất

Trang 7

) 1 (



3/ Một mẫu đất có hệ số rỗng bằng 0.72, độ

- Trọng lượng thể tích khô của đất?

- Trọng lượng thể tích tự nhiên của đất?

- Trọng lượng của nước cần thêm vào để làm cho mẫu đất bão hòa?

w s

T

V V

M M

V

V M

V

s s s

v

s w s

) 1 (



3

/ 51 , 15 72 0 1

81 , 9 72 , 2 1

.

m kN e

.01

)12,01.(

81,9.72,21

)1(

m kN e

.01

.81,9)

72,072,2(1

)(

m kN e

Trang 8

I Khái niệm về tính nén lún (ép co)

- Trong lỗ rỗng chứa nước và khí

- Chỗ tiếp xúc giữa các hạt có liên kết với nhau

30

S

S S

S

S SS

Khi chịu tác dụng của tải trọng, trước hếtcốt

đất bị biến dạng tức thời, sau đóliên kết giữa các hạt

32

§3.2 TÍNH ÉP CO VÀ BiẾN DẠNG CỦA ĐẤT

v V

V



Trang 9

II Quan hệ giữa biến thiên thể tích ( V)

+ Thể tích hạt đất Vs2có trong V2là thể tích mẫu đất sau khi bị nén:

34

Do thể tích phần hạt đất luôn không đổi:

Đặt : là biến thiên hệ số rỗng

Như vậy, “Biến thiên thể tích của đất tỷ lệ bậc

nhất với biến thiên hệ số rỗng ”

Với

εx: biến dạng theo phương x;

εy: biến dạng theo phương y;

εz: biến dạng theo phương z;

(2.2)

Trang 10

III Thí nghiệm nén không nở hông

và định luật ép co

37

a Khái niệm:Thí nghiệm dùng để nghiên cứu tính ép

co của đất Trong thí nghiệm này, mẫu đất chỉ nén lún theo chiều thẳng đứng, không phình ra 2 bên hông được

1 Thí nghiệm nén không nở hông

38

Khi thí nghiệm, mẫu đất được đưa vào hộp,

trên & dưới mẫu được đặt đá thấm để khi bị nén

nước trong đất thoát ra qua đá thấm

Đất bị nén trong điều kiện như vậy gọi là nén không

b Mục tiêu của thí nghiệm

– Mô phỏng quá trình nén lún của đất dưới tácdụng của tải trọng ngoài

– Xác định thông số môđun của đất khi nén không

nở hông– Dự đoán độ lún của các lớp đất ở hiện trườngbằng cách đánh giá các đặc trưng nén của mẫunguyên dạng tiêu biểu

40

Trang 11

Với mỗi cấp tải trọng tác dụng, chờ cho mẫu lún ổn định (0.01mm/ 24h) và áp lực lỗ rỗng dư trong mẫu xấp xỉ về không.

Quá trình này được lặp lại cho đến khi đủ số điểm để vẽ đường cong quan hệ Ứng suất ~ Biến dạng (s~ σ’)

Từ (2.3) & (2.4); các đường QH (s~ ’vc) & ( ~ ’vc) được xây

dựng

Kết quả thí nghiệm nén - nở của đất

Trang 12

Hai cách thể hiện kết quả thí nghiệm cố kết

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

2 Hệ số rỗng e ~ ứng suất hiệu quả σ ’ vc

(Thí nghiệm với đất bùn tại vịnh San Francisco ở độ sâu -7,3m ).

45

Cả 2 đồ thị này đều cho thấy đất là vật liệu biến dạng tăng bền,

có nghĩa là giá trị môđun (tức thời) tăng khi ứng suất tăng

Trang 13

e Hệ số quá cố kết OCR

Hệ số quá cố kết là tỷ số giữa ứng suất cố kết

trước & ứng suất nén hiệu quả hiện tại theo phương

đứng

’p = áp lực cố kết trước

’vo= áp lực lớp phủ thẳng đứng hiện tạiOCR=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

2 Từ điểm A kẻ đường nằm ngang

3 Từ điểm A kẻ đường tiếp tuyến với đường cong cố kết

4 Kẻ đường phân giác của góc được tạo bởi bước 2 và 3

5 Kéo dài đoạn đường thẳng của đường cong nén nguyên sinh cho đến khi cắt đường phân giác

đã tạo ở bước 4 Giao điểm này cho ta trị số ứng suất cố kết trước (điểm B)

A B

2 Định luật nén không nở hông & các đặc trưng nén lún của đất

Định luật nén không nở hông được lập ra trên cơ sở phân tích

đường cong nén lún (e ~ P)

Độ dốc của đường cong

(e  σ’vc) tại điểm bất kỳ được xác định bằng trị số đạo hàm tại điểm đó:

v v a d de i v

(2.7)

Trang 14

Khi biến thiên của

Khi biến thiên áp lực nén không lớn thìbiến

áp lực”

Lưu ý: đường ép co không phải

là đường thẳng → hệ số ép co a

không phải là hằng số đối với 1

loại đất mà phụ thuộc giá trị vàtrị số áp lực cố kết trước

đường cong nén lún được

gọi là hệ số biến thiên

C c

, 1

, 2 2 1 , 1 , 2 2 1 ,

log log log ) (log

de C

v r

Trang 15

Khi kết quả thí

nghiệm được biểu thị bằng

quan hệ (v~ log σ’v) thìđộ

dốc của đường cong ép

co nguyên sinhđược gọi

số nén lại cải biến C rε ( tỷ số nén lại)

o

r

C C



1



Chỉ số nén lại Crlà độ dốctrung bình của phần nén lạicủa đường cong (e~logσ’vc)

Sau mỗi 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 độtngột, hoặc lún quá lớn, hoặc đất xung quanh bàn nứt nẻ,hay đất trồi lên 2 bên bàn mới thôi

3.2 Một số chú ý

Trang 16

p II gh

gh

TN bàn nén tại hiện trường

3.3 Thí nghiệm bàn nén tại hiện trường & nguyên lý biến

yếu, doV vthu hẹp; biến dạng là

tuyến tính Cuối giai đoạn I (p =

p I

gh) biến dạng dẻo xuất 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, quan hệ S ~ p trong

nền là phi tuyến Khi p → pII

Trang 17

Nguyên lý biến dạng tuyến tính

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

gh ), quan hệ (S

p) có dạng gần thẳng thì có thể xem đất như vật liệu biến

dạng tuyến tính, và quan hệ giữa độ lún & áp lực lên nền

66

Theo định luật Hooke, khi phân tố đất là đàn hồi, đẳng

x = E y = E z = E o

Định luật Hooke được thể hiện dưới dạng

biểu thức

x = 1/E o [x‐o(y+ z)]

y = 1/E o[y‐o (z+ x)]

z = 1/E o[z‐o(x+ y)]

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

x, y , z: các ứng suất pháp tác dụng lên phân tố đất theo

Trang 18

3 Quan hệ giữa Ko~ o

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

công thức

Thí nghiệm nén không nở hông

o o z

x o K

71

4 Xác định môdun biến dạng E 0

E0 là 1 đặc trưng biến dạngquan trọng của đất, có ýnghĩa tương tự môđun đànhồi Ee nhưng khác về bảnchất:

E e biểu thị tính đàn hồi của đất

E 0 biểu thị tính biến dạng của đất

72

Trang 19

4.1 Xác định môdun biến dạng E 0 từ thí nghiệm nén

không nở hông

E0được xác định từ thí nghiệm nén không nở hông:

Theo lý thuyết đàn hồi

)(

21

z y x o

o z

y x

o y

o z o

21

E d

P E S

2 0 0 0

gh, lý thuyết đàn hồi đã chứng minh

được độ lún của một bàn nén tròn đặt trên mặt bán

không gian biến dạng tuyến tính:

Đối với đất thì phạm vi ảnh hưởng của P không

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

chỉnh bằng cách thêm một hệ số thực nghiệm vào

công thức, mo< 1

S

P d m

Trang 20

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 (bỏ qua)

+ 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:

Trang 21

Quá trình ép co của đất dính bão hòa nước

Cố kết là quá trình phụ thuộc vào thời gian,

Notice

Đất dính bão hòa nước gồm 2 pha:

-Pha rắn: gồm các hạt đất → khung kết cấu (cốt đất)-Pha lỏng (nước): chiếm đầy thể tích lỗ rỗng trong đất (S

= 1)

Hai pha này dưới tác dụng của áp lực sẽ có phản ứng khác nhau:

Phần áp lực truyền cho pha rắn, làm đất biến dạng đất,

gọi là ứng suất hiệu quả (’)

Phần áp lực truyền cho pha lỏng, không làm biến dạngđất, chỉ tạo cột nước và gây ra sự thấm trong đất, gọi là

áp lực nước lỗ rỗng hoặc áp lực trung hòa (u).

Mô hình cố kết thấm của Terzaghi

Trang 22

Mô hình thí nghiệm Terzaghi

Dựa vào mô hình này cóthể làm rõ khái niệm áp lực nước lỗ rỗng (ứng suất trung hòa) & ứng suất hiệu quả (áp lực nén chặt)& giải thích sự

chuyển hóa giữa 2 loại ứng suất đó trong quátrình cố kết

86

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

Tác dụng áp lực σ lên nắp

bình, nếu khóa van nước để

nước trong bình không thoát ra

được

Nước bị nén nhưng nó không

bị ép co → Áp lực σ không

truyền được vào lò xo mà

truyền hoàn toàn cho nước.

Áp lực nén do nước chịu gọi là

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

nước lỗ rỗng xuất hiện và cản trở sự nén chặt đất Do vậy, áp lực nước lỗ rỗng U còn gọi làáp lực không hiệu quả hoặc ứng suất trung hòa

88

Trang 23

Ứng suất hiệu quả

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

ngoài, nc thoát càng nhiều, mực nc trong ống đo

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

càng lớn

 Khinc trong lỗ rỗng thoát dần ra,u sẽ tiêu tan

dầnđểchuyển 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

89

90

Quá trình chuyển hóa ứng suất trong mô

hình cố kết thấm mô tả quá trình chuyển hóa

ứng suất trong đất dính bão hòa nước

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

Trang 24

I.1 Sự phá hoại đất khi chịu tải

Dưới tác dụng của tải trọng ngoài, tại những điểm

(vùng) nào đó của khối đất ứng suất hiệu quả có thể lớn hơn

liên kết bên tronggiữa các hạt đất, khi đó → sự trượt(cắt),

phá hoại tính liên tục của đất trong 1 phạm vi nào đó, nghĩa

Trang 25

Các hạt đất trượt lên nhau dọc theo mặt trượt.

Không có sự vỡ vụn của các hạt riêng lẻ

Sự phá hoại này có liên quan tớiđộ bền chống cắt

hayứng suất lớn nhất hoặc giới hạn mà vật liệu có thể

chịu được ( f ).Trong ĐKT, ta quan tâm đến fcủa đất vì,

phần lớn các vấn đề gặp trong nền móng & thi công đất,

sự phá hoại xảy ra khiứng suất cắt tác dụng vượt quá

§3.3 CƯỜNG ĐỘ CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT

Trang 26

Retaining

wall

Tại thời điểm phá hoại, ứng suất cắt dọc theo mặt phá

hoại (ứng suất huy động chống cắt) đạt giá trị của cường

độ kháng cắt

Failure surface

Mobilized shear resistance

Đất bị phá hoại cắt

Khả năng chống cắt của đất được đánh giá bằngcường độ chống cắt ftại từng điểm trên mặt trượt flà yếu

tố chủ yếu quyết định sự ổn định & an toàn của công trình

 Cường độ chống cắt flà lực chống trượt lớn nhấttrênmột đơn vị diện tíchtại mặt trượtkhi khối đất này trượt lên

khối đất kia

I.2 Khái niệm cường độ chống cắt của đất

I.3 Khả năng chống cắt của đất

Thừa nhận tồn tại 1 mặt phá hoại.Mặt trượt chỉ

có thể đi qua điểm tiếp xúc giữa các hạt mà không thể

cắt qua các hạt, & do đó mặt trượt giữa 2 khối trượt

thường không phẳng

τf trước hếtphụ thuộcvào ứng suất pháp tác dụng

tại mặt trượt Ngoài ra, nó còn phụ thuộc:

Hình Mặt trượt phá hoại, các thành phần ứng suất

Trang 27

106

Như vậy, cường độ chống cắt của 1 loại đất phụ thuộc

vào loại đất & tính chất cơ lý của chúng, cụ thể:

-Kích thước & hình dạng hạt đất

-Thành phần khoáng vật & thành phần cấp phối hạt

-Độ chặt & độ ẩm của đất

-Tốc độ tăng tải & điều kiện thoát nước của đất

•Tóm tại nó là tổng hợp của 2 yếu tố

-Cường độ chống cắt của các liên kết giữa bản thân

Trang 28

II.1 Thí nghiệm cắt đất trực tiếp

Dụng cụ TN: gồm 1 hộp cắt được chia làm 2 nửa theo phương ngang,

1 nửa được giữ cố định, nửa kia có thể bị đẩy hoặc kéo theo phương

ngang

TN với cát: chuẩn bị hộp cắt, cho cát vào hộp 11 0

Trang 29

Quy trình thí nghiệm:

Tải trọng thẳng đứng P được đặt vào hộp cắt nằm

giữa 2 tấm đá thấm Trước khi cắt, mẫu được nén với 1 tải

trọng thẳng đứng P nhất định, sau đó nửa hộp dưới được kéo

bằng 1 lực T đủ lớn Khi T tăng đến 1 giá trị nào đó ta thấy

dù không tăng thêm T nhưng đồng hồ đo vẫn tăng Mẫu bị

phá hoại trượt, T gọi là Tgh

hệ (σ ~ )

Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp với đất cát

(Direct shear test)

Kết quả thí nghiệm với đất dính

KQ này thể hiện PT đường Coulomb với đất dính

Đường (f~) giao với trục tung tại điểm có tọa độ = c

c tg

Định dạng
Số trang	45
Dung lượng	2,58 MB