Bài giảng Cơ học đất nâng cao - Trịnh Minh Thụ, Hoàng Việt Hùng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI<br /> BỘ MÔN ĐỊA KỸ THUẬT<br /> <br /> BÀI GIẢNG<br /> CƠ HỌC ĐẤT NÂNG CAO<br /> Trịnh Minh Thụ<br /> Hoàng Việt Hùng<br /> <br /> Năm 2012<br /> 1<br /> <br /> MỤC LỤC:<br /> CHƯƠNG 1. TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT ....................................................... 3<br /> 1.1. Mở đầu...................................................................................................................................... 3<br /> 1.2. Phân bố cỡ hạt ........................................................................................................................ 3<br /> 1.3. Giới hạn cỡ hạt đất ................................................................................................................. 5<br /> 1.4. Các quan hệ trọng lượng - thể tích ....................................................................................... 6<br /> 1.5. Độ chặt tương đối ................................................................................................................... 9<br /> 1.6. Các giới hạn Atterberg ......................................................................................................... 11<br /> 1.7 Các hệ phân loại đất .............................................................................................................. 12<br /> <br /> CHƯƠNG 2. TÍNH THẤM NƯỚC CỦA ĐẤT ...................................................... 21<br /> 2.1 Định luật thấm Darcy ............................................................................................................ 21<br /> 2.2. Thấm ổn định ......................................................................................................................... 24<br /> 2.3. Ứng suất hiệu quả ................................................................................................................ 26<br /> 2.4. Cố kết..................................................................................................................................... 29<br /> <br /> CHƯƠNG 3. XÁC ĐỊNH ĐỘ LÚN CỦA NỀN.................................................... 34<br /> 3.1. Tính toán độ lún cố kết ban đầu .......................................................................................... 34<br /> 3.2. Tốc độ cố kết theo thời gian ................................................................................................ 35<br /> 3.3. Độ cố kết do gia tải tăng dần ............................................................................................... 41<br /> <br /> CHƯƠNG 4. TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT ....................................................... 44<br /> 4.1. Độ bền chống cắt .................................................................................................................. 44<br /> 4.2. Thí nghiệm nén không hạn hông ......................................................................................... 49<br /> 4.3. Các đường ứng suất ............................................................................................................. 51<br /> 4.4. Cường độ kháng cắt của đất cát ......................................................................................... 65<br /> 4.5. Những đặc trưng ứng suât - biến dạng và cường độ của đất dính bão hoà .................. 89<br /> <br /> CHƯƠNG 5. KHÁI NIỆM VỀ CƠ HỌC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA & TRẠNG THÁI<br /> TỚI HẠN CỦA ĐẤT .......................................................................................... 132<br /> 5.1. Khái niệm về cơ học đất không bão hòa .......................................................................... 132<br /> 5.2. Trạng thái tới hạn của đất ................................................................................................. 145<br /> <br /> MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP ÔN ........................................................................... 162<br /> <br /> 2<br /> <br /> CHƯƠNG 1. TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT<br /> 1.1. Mở đầu<br /> Khi thiết kế nền móng công trình như nhà ở, cầu đường và đê đập thường cần các<br /> kiến thức về (a) tải trọng truyền từ kết cấu phần trên xuống hệ móng (b) điều kiện địa chất<br /> đất nền (c) tính chất ứng suất - biến dạng của đất mang hệ móng và (d) yêu cầu của các<br /> quy tắc, quy phạm, tiêu chuẩn… xây dựng. Đối với kỹ sư nền móng, hai yếu tố (b) và (c)<br /> là vô cùng quan trọng vì chúng thuộc lĩnh vực cơ học đất.<br /> Các tính chất địa kỹ thuật của một loại đất như phân bố cỡ hạt, tính dẻo, tính nén ép<br /> và tính chống cắt, có thể xác định được từ trong phòng thí nghiệm. Trong thời gian gần đây<br /> đã nhấn mạnh tới việc xác định hiện trường các tính chất về độ bền và tính biến dạng của đất,<br /> vì quá trình này tránh được sự xáo động mẫu đất khi khảo sát hiện trường. Tuy nhiên, trong<br /> những điều kiện nhất định, không phải tất cả các thông số cần thiết đều có thể xác định được<br /> vì điều kiện kinh phí. Trong những trường hợp như vậy, người kỹ sư phải có những giả định<br /> về các tính chất của đất. Để có được độ chính xác các thông số của đất - dù là chúng được xác<br /> định trong phòng hay hiện trường hoặc được giả định - người kỹ sư phải hiểu thấu đáo những<br /> nguyên lý cơ bản của cơ học đất. Đồng thời phải thấy rằng phần lớn các công trình xây dựng<br /> trên đất trầm tích không đồng chất. Do vậy, người kỹ sư phải có một sự hiểu biết thấu đáo về<br /> địa chất của khu vực, đó là nguồn gốc và bản chất của địa tầng cũng như các điều kiện địa<br /> chất thuỷ văn... Kỹ thuật nền móng là một sự phối hợp khéo léo của cơ học đất, địa chất công<br /> trình, và suy đoán riêng có được từ kinh nghiệm thực tế. Ở một mức độ nào đó, kỹ thuật nền<br /> móng có thể được gọi là một lĩnh vực nghệ thuật.<br /> Khi xác định loại móng nào là kinh tế nhất, người kỹ sư phải xem xét tải trọng của kết<br /> cấu phần trên, điều kiện đất nền và độ lún cho phép. Nói chung, có thể phân các móng nhà và<br /> cầu làm hai loại chủ yếu sau: (1) móng nông và (2) móng sâu. Trong hầu hết loại móng nông,<br /> độ sâu đặt móng có thể đều bằng hoặc nhỏ hơn từ ba đến bốn lần chiều rộng móng. Móng<br /> cọc và móng đúc tại chỗ thuộc loại móng sâu. Chúng được chọn dùng khi lớp phần trên có<br /> sức chịu tải thấp và khi dùng móng nông sẽ gây hư hại lớn hoặc mất ổn định kết cấu công<br /> trình.<br /> Chương này chủ yếu là ôn lại những tính chất địa kỹ thuật cơ bản của đất, bao gồm<br /> các vấn đề về phân bố cỡ hạt, tính dẻo, phân loại đất…<br /> <br /> 1.2. Phân bố cỡ hạt<br /> Trong bất kỳ khối đất nào, cỡ hạt thường thay đổi rất lớn. Để phân loại đất được<br /> hợp lý, ta phải biết được phân bố cỡ hạt của nó. Phân bố cỡ hạt của đất hạt thô thường<br /> được xác định bằng phương pháp phân tích rây. Đối với đất hạt mịn, phân bố cỡ hạt<br /> được xác định bằng phân tích tỷ trọng kế. Mục này giới thiệu đặc điểm cơ bản của các<br /> phân loại trên. Có thể xem mô tả chi tiết hơn trong các sổ tay thí nghiệm đất trong phòng<br /> (Das, 2002).<br /> Phân tích bằng phương pháp rây<br /> Phân tích rây được thực hiện bằng cách lấy một lượng đất khô, vụn rời cho qua một<br /> bộ rây có lỗ nhỏ dần, dưới đáy có một khay hứng. Cân và xác định phần trăm luỹ tích lượng<br /> đất được giữ lại trên mỗi rây. Phần trăm này thường được gọi là phần trăm hạt nhỏ hơn<br /> (percent finer). Bảng 1.1 trình bày cỡ bộ rây Hoa kỳ. Bộ rây này thường được dùng phân tích<br /> đất cho phân loại.<br /> 3<br /> <br /> Bảng1.1. Cỡ rây tiêu chuẩn Hoa Kỳ<br /> Rây<br /> số<br /> <br /> 4<br /> <br /> 6<br /> <br /> 8<br /> <br /> 10<br /> <br /> 16<br /> <br /> 20<br /> <br /> 30<br /> <br /> 40<br /> <br /> 50<br /> <br /> 60<br /> <br /> 80<br /> <br /> 100<br /> <br /> 140<br /> <br /> 170<br /> <br /> 200<br /> <br /> 270<br /> <br /> Lỗ rây<br /> 4.750 3.350 2.360 2.360 1.180 0.850 0.600 0.425 0.300 0.250 0.180 0.150 0.106 0.088 0.075 0.053<br /> (mm)<br /> <br /> Phần trăm hạt nhỏ hơn<br /> (theo khối lượng)<br /> <br /> Hình 1.1 Cho đường cong bán<br /> log, xác định theo phân tích rây,<br /> biểu thị quan hệ giữa phần trăm<br /> khối lượng nhóm hạt có kích<br /> thước nhỏ hơn D theo thang số<br /> học với đường kính D theo<br /> thang logarit.<br /> <br /> Cỡ hạt, D (mm)<br /> <br /> Hình 1.1. Đường phân bố cỡ hạt đất<br /> hạt thô từ phân tích bằng phương pháp rây<br /> Từ đường cong phân bố cỡ hạt có thể xác định hai thông số của đất hạt thô: (1) hệ<br /> số đồng đều (C u ) và (2) hệ số cấp phối hay hệ số độ cong (C c ), được biểu thị lần lượt như<br /> sau:<br /> D<br /> Cu = 60<br /> (1.1)<br /> D10<br /> 2<br /> D30<br /> Cc =<br /> ( D60 )( D10 )<br /> <br /> và<br /> <br /> (1.2)<br /> <br /> Trong đó: D 10 , D 30 và D 60 theo thứ tự là các đường kính tương ứng với các phần<br /> trăm các hạt nhỏ hơn 10%, 30% và 60%.<br /> Theo đường cong phân bố cỡ hạt nêu trên hình 1.1, D 10 = 0,08mm, D 30 = 0,17mm,<br /> và D 60 = 0,57mm. Như vậy các giá trị C u và C c là<br /> Cu =<br /> <br /> Cc =<br /> <br /> 0,57<br /> = 7,13 và<br /> 0,08<br /> <br /> ( 0 ,17 ) 2<br /> (0 , 57 )(0 , 08 )<br /> <br /> = 0,63<br /> <br /> Các thông số C u và C c được dùng trong hệ phân loại đất thống nhất (USC) sẽ được<br /> nêu sau này.<br /> <br /> 4<br /> <br /> Phân tích bằng phương pháp tỷ trọng kế<br /> <br /> Phân tích tỷ trọng kế dựa trên nguyên lý lắng đọng của các hạt đất trong nước. Thí<br /> nghiệm này cần dùng 50 gam bột đất khô cho vào 125cc tác nhân phá keo, thường dùng<br /> nhất là sodium hexametaphosphate 4%. Đất được ngâm ít nhất là 16 giờ trong tác nhân<br /> phá keo. Sau khi ngâm, đổ thêm nước cất vào hỗn hợp đất - tác nhân phá keo rồi lắc kỹ.<br /> Sau đó đổ mẫu đất vào ống lường thuỷ tinh 1000 ml. Cho thêm nước cất vào ống lường<br /> tới vạch 1000 ml rồi lại lắc kỹ hỗn hợp. Thả một tỷ trọng kế vào ống lường để đo tỷ trọng<br /> của thể vẩn đất - nước quanh nó trong khoảng thời gian thường trên 24 giờ (hình 1.2). Các<br /> tỷ trọng kế được hiệu chỉnh để thấy được lượng hạt đất vẫn lơ lửng ở bất kỳ thời gian nào<br /> đã quy định. Đường kính lớn nhất của các hạt đất vẫn còn ở thể vẩn tại thời điểm t có thể<br /> được xác định bằng luật Stoke.<br /> 18η<br /> (Gs − 1)γ w<br /> <br /> D=<br /> <br /> L<br /> t<br /> <br /> (1.3)<br /> <br /> Trong đó:<br /> D = đường kính hạt đất<br /> G s = tỷ trọng của hạt đất<br /> <br /> η = độ nhớt của nước<br /> γ w = trọng lượng đơn vị của nước<br /> L = độ dài hiệu quả (độ dài đo từ mặt nước trong ống<br /> lường đến tâm tỷ trọng kế; xem hình 1.2)<br /> t = thời gian<br /> H×nh 1.2. Ph©n tÝch tû träng kÕ<br /> <br /> Những hạt đất có đường kính lớn hơn những hạt tính theo phương trình 1.3 có thể<br /> lắng ngoài vùng đo. Theo đó, nhờ số đọc trên tỷ trọng kế lấy tại các thời điểm khác nhau<br /> có thể tính được phần trăm những hạt nhỏ hơn một đường kính D đã cho và từ đó vẽ được<br /> đường phân bố cỡ hạt. Vậy có thể kết hợp kỹ thuật rây và tỷ trọng kế đối với đất có cả<br /> thành phần hạt thô và mịn.<br /> <br /> 1.3. Giới hạn cỡ hạt đất<br /> Nhiều tổ chức đã căn cứ vào các cỡ hạt có trong đất để nêu lên giới hạn các cỡ hạt<br /> sỏi - sạn (gravel), cát (sand), bụi (silt) và sét (clay). Bảng 1.2 biểu thị các giới hạn kích<br /> cỡ do Hiệp hội các Cơ quan Đường bộ và Giao thông Quốc gia Hoa kỳ (AASHTO) và Hệ<br /> phân loại đất thống nhất (USC) do ba cơ quan (Quân đoàn kỹ sư, bộ Quốc phòng, và Cục<br /> Cải tạo đất) khuyến nghị. Bảng này cho thấy các hạt nhỏ hơn 0.002 mm được xếp vào<br /> loại sét. Tuy nhiên, sét tự nhiên có tính dính và có thể cuốn lại thành ống khi ướt. Tính<br /> chất này gây ra bởi sự có mặt của các khoáng vật sét như kaolinite, illite, và<br /> montmorillonite. Ngược lại, một số khoáng vật như quartz và feldspar có thể có trong loại<br /> 5<br /> <br />