intTypePromotion=1
ADSENSE

Bài giảng môn Cơ Học Đất

Chia sẻ: Nguyen Quang Quoc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:97

829
lượt xem
261
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nắm vững đặc trựng chủ yếu và sự làm việc giữa nền đất và móng công trình, đặc điểm cấu tạo và các phƣơng pháp tính toán thiết kế nền – móng. Trên cơ sở số liệu đầu vào: địa chất công trình, tải trọng và tác động Đưa ra các giải pháp nền móng khác` nhau theo các trạng thái giới hạn và thiết kế ` nền móng kinh tế nhất.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng môn Cơ Học Đất

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ... KHOA ... Bài giảng Cơ Học Đất
  2. Bài giảng Cơ Học Đất CHƢƠNG MỞ ĐẦU. 1. Nhiệm vụ, mục đích và thành phần môn học. Nắm vững đặc trựng chủ yếu và sự làm việc giữa nền đất và móng công trình, đặc điểm cấu tạo và các phƣơng pháp tính toán thiết kế nền – móng. Trên cơ sở số liệu đầu vào: địa chất công trình, tải trọng và tác động  đƣa ra các giải pháp nền móng khác` nhau theo các trạng thái giới hạn và thiết kế ` nền móng kinh tế nhất. 2. Nội dung: Hiểu về cấu tạo của đất, tính chất vật lý và tính chất cơ học của đất  giải quyết bài toán về biến dạng của đất dƣới tác dụng của ngoại lực và bài toán liên quan đến độ bền của đất (độ ổn định, độ lún theo thời gian, sức chịu tải của nền đất, xác định áp lực đất lên công trình, bài toán về ổn định). Bao gồm 6 chƣơng: Chƣơng 1: Tính chất vật lý của đất.  Các chỉ tiêu vật lý của đất, sự liên quan giữa chúng  Phân loại đất Chƣơng 2: Phân bố ứng suất trong đất.  Xác định ứng suất do bản thân đất gây ra  Xác định ứng suất do tải trọng ngoài gây ra  ứng suất tiếp xúc dƣới đáy móng Chƣơng 3: Biến dạng và độ lún của nền đất.  Xác định độ lún ổn định của nền đất dƣới móng công trình  Tính lún theo thời gian Chƣơng 4: Sức chịu tải của đất nền.  Phƣơng pháp tính toán dựa vào lý luận nền biến dạng tuyến tính.  Phƣơng pháp tính toán dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn. Chƣơng 5: Ổn định của mái đất. Chƣơng 6: Áp lực đất lên tƣờng chắn.  Áp lực đất chủ động  Áp lực đất bị đông 3. Tài liệu tham khảo. [1] Giáo trình cơ học đất, nhà xuất bản Bộ Giáo dục và Đào tạo (1995), Lê Quý An, Nguyễn Công Mẫn, Nguyễn Văn Quí. [2] Cơ học đất (tập 1, 2), nhà xuất bản Bộ Giáo dục và Đào tạo (1997), Roy Whitlow. [3] Bài tập cơ học đất, nhà xuất bản Giáo dục, Vũ Công Ngữ - Nguyễn Văn Thông. [4] GS.TSKH Bùi Anh Định, PGS.TS Nguyễn Sỹ Ngọc – Nền Móng Tầng hầm nhà cao tầng – NXBXD,2006 [5] Phan Trƣờng Phiệt - Cơ học đất ứng dụng và tính toán công trình trên nền đất theo trạng thái giới hạn. Trang 1
  3. Bài giảng Cơ Học Đất Chƣơng 1 TÍNH CHẤT CƠ LÝ VÀ CƠ HỌC CỦA ĐẤT. Nội dung chính: xét cấu tạo của đất, kết cấu của đất, các tính chất vật lý của đất, các tính chất trạng thái vật lý của đất, phân loại đất. Qúa trình hình thành đất. 1.1 Đất đƣợc hình thành từ đá gốc bị phong hóa do nguyên nhân vật lý, cơ học, hóa học, vi sinh vật tạo thành sản phẩn phong hóa. Có ba dạng phong hó a:  Phong hóa vật lý: là các tác động tự nhiên của môi trƣờng xung quanh đối với các lớp đá (tác động của nhiệt độ, sự đông cứng và tan rã của nước). Sản phẩm của nó là đất đá bị nứt nẻ hoặc nát vụn thành nhiều mãnh với kích thƣớc khác nhau.  Phong hóa hóa học: là sự tác động các hóa chất có trong không khí và trong nƣớc, lên các khoáng vật tạo đá làm cho đá bị biến chất dần dẫn tới nát vụn, hình thành các hạt rất nhỏ, có tính chất khác hẳn so với đá gốc, và ngƣời ta còn gọi là khoáng vật thứ cấp.  Phong hóa sinh học: Là do một số động thực vật có khả năng tiết ra PH làm biến đổi đá gốc, sản phẩm của quá trình có tính chất khác với đá gốc ban đầu. Ba loại phong hóa trên thƣờng có tác dụng đồng tời và lâu dài làm cho các lớp đất đá trên mặt bị vỡ vụn sau đó do tác dụng của dòng nƣớc và gió làm các hạt này bị cuốn đi nơi khác, tùy theo kích thƣớc lớn hay nhỏ mà các hạt này sẽ chuyển đi gần hay xa để hình thành các tầng địa chất khác nhau. Quá trình di chuyển và lắng đọng trên là quá trình trầm tích (3/4 bề mặt lục địa bao bởi lớp trầm tích này, còn lại là núi đá). Các hạt có kích thƣớc tƣơng đối lớn hơn 0.005mm chồng chất lắng đọng lên nhau giữa các hạt không có liên kết gì – rời rạc từng hạt thình thành lên các lớp đất rồi (đất cát, cuội, sỏi, …) Các hạt nhỏ hơn, thƣờng có tính keo dính và tích điện, chúng theo gió và nƣớc đi xa hơn khi lắng đọng, liên kết nhau dần dần thình thành lớp đất sét, sét pha, cát pha, … (đất dính). Các thành phần chủ yếu của đất: 1.2 Sản phẩm của quá trình phong hóa có hai loại:  Đất tàn tích: dịch chuyển gần nơi bị phong hóa.  Đất trầm tích: sản phẩm phong hóa dịch chuyển xa nhờ gió, nƣớc, băng tan … và lắng tụ lại tạo thành 2 loại: Trầm tính lục địa và trầm tích biển: Đặc điểm đất trầm tích: Phân lớp, phân tầng theo quy luật lắng đọng chi phối cách sắp xếp cở hạt đƣợc sắp xếp trong mỗi tần đất, các lớp đất càng ở sâu (trầm tích trước) thƣờng chặt hơn các tầng đất ở bên trên do bị đè nén chặt bởi các tầng phía trên.  Các hạt đất sắp xếp chồng chất lên nhau bao giờ cũng tồn tại khe rỗng, các lỗ rỗng giữa các hạt ảnh hƣởng đến tính chất của đất, vì vậy khi nghiên cứu đất phải xét đến thành phần trong đất. Từ lý do đó ngƣời ta gọi đất là một vật thể có 3 thành phần (3 pha).  Pha rắn: gọi là khung cốt của đất.  Pha lỏng: gồm nƣớc trong lỗ rỗng.  Pha khí: gồm khí, hơi trong lỗ rỗng. Trang 2
  4. Bài giảng Cơ Học Đất Khi các lỗ rỗng chứa đầy nƣớc thì gọi là đất bão hòa nƣớc, khi đó chỉ có 2 pha: pha rắn và pha lỏng, gọi là cơ học đất bảo hòa. Pha thứ 3 là chất khí thực tế thì ít ảnh hƣởng đối với tính chất cơ học của đất. 1.2.1 Pha rắn (hạt đất): Là đối tƣợng chính quyết định tính chất thịu lúc và biến dạng của đất. 1. Thành phần khoáng: Có thể giống hoặc khác đá gốc do quá trình thành tạo, gồm 3 thành phần chính: Nguyên sinh – Thứ sinh và vô cơ:  Nguyên sinh: các thành phần khoáng sunfat, thạch anh, mica, … thƣờng d > 0.005mm  Thứ sinh gồm các thành phần không hòa tan (khoáng vật sét) và khoáng vật hòa tan (canxi, dolonit, thạch cao, ..), thƣờng có d < 0.005mm 2. Kích thước hạt.  Xác định kích thƣớc (cở hạt). Loại hạt Đƣờng kính d (mm) Đặc tính Hạt đất >2 Không có tính dính (đất rời) Hạt cát 0.05 ÷ 2 Hạt bụi 0.005 ÷ 0.05 Có tính dính Hạt sét < 0.005 (hoặc 0.002)  Nhóm hạt: là bao gồm những hạt có kích thƣớc gần bằng nhau. Tính chất Tên nhóm d (mm) Đá lăn, đá tảng 800 – 200 Hệ số thấm rất lớn nên không giữ nƣớc, không Dăm, cuội 200 – 20 dính Sỏi, sạn 20 – 2 Hạt cát  0.5 – 2 Dễ thấm, không dính, Thô (to) không chịu ảnh hƣởng của  0.25 – 0.5 Vừa (trung) nƣớc  Nhỏ (mịn) 0.05 – 0.25 Hạt bụi:  0.05 – 0.01 Có tính dính, chịu ảnh To hƣởng của nƣớc, hệ số  Nhỏ 0.01 – 0.005 thấm nhỏ Hạt mịn:  0.005 – 0.002 Hệ số thấm rất nhỏ, dính, Sét chịu ảnh hƣởng của nƣớc.  Keo < 0.002 3. Biểu diễn cở hạt của một mẩu đất trong xây dựng. Các phƣơng pháp phân tích: Trang 3
  5. Bài giảng Cơ Học Đất  Phương pháp dùng rây: phƣơng pháp này thƣờng áp dụng với hạt thô (lớn) dùng rây: ngƣời ta dùng một hệ thống rây có đƣờng ính lỗ to nhỏ khác nhau, để tiện cho việc sự dụng ngƣời ta dùng loại rây có đƣờng kính lỗ trùng với giới hạn đƣờ ng kính của các nhóm hạt đã phân chia nhƣ trên.  Phương pháp thủy lực: phƣơng pháp này dựa trên cơ sở định luật Stokes, trong đó tốc độ của các hạt hình cầu lắng chìm trong môi trƣờng lỏng là hàm số của đƣờng kính và trọng lƣợng riêng của đất (hiện thường dùng nhất là phương pháp tỷ trọng kế). Phƣơng pháp này thƣờng dùng để xác định thành phần hạt của đất hạt bụi và sét. Hàm lƣợng hạt là tỷ số giửa khối lƣợng hạt đó so với tổng khối lƣợng đất thí nghiệm. Đƣờng cong cấp phối: từ hàm lƣợng hạt ta tính ra đƣợc hàm lƣợng tích lủy, vẽ đƣờng cong câp phối với trục hoành là kích thƣớc hạt, trục tung là % tích lủy. Từ một điểm trên đƣờng cong ta xác định đƣợc % và đƣờng kính tƣơng ứng, ví dụ A(0.01, 50%)  các hạt có đƣờng kính ≤ 0.01 mm chiếm 50%.  Độ dốc: càng dốc thì các cở hạt đồng nhất hơn, càng thoải thì càng phức tạp vị thành phần cở hạt không đồng đều.  Các tham số đặc trƣng.  d10 đƣờng kính cở hạt mà ≤ 10% (đường kính có hiệu)  d60, d30 tƣơng tự.  hệ số đồng nhất , hệ số Cu càng lớn thì đất đó đƣợc cấu tạo bởi các hạt có kích thƣớc không đều nhau, ngƣợc lại Cu càng nhỏ thì đất càng đều hạt. trong thực tế hệ số Cu chỉ áp dụng cho loại đất rời, nếu Cu lớn hơn 3 thì đƣợc gọi là cát không đều và đƣợc xem là có cấp phối tốt, vì l úc này các lỗ rỗng giữa các hạt lớn đƣợc các hạt nhỏ xen kẽ và lấp kín, làm cho độ chặt của đất tăng lên và tính thấm giảm đi, đồng thời đất có tính lún nhỏ và khản năng chống cắt lớn khi chịu tác dụng của tải trọng ngoài. 1.2.2 Pha lỏng : Bao gồm 03 loại.  Nƣớc trong hạt (nước liên kết).  Nƣớc kết hợp mặt ngoài (nước màng).  Nƣớc tự do: nƣớc ở giữa khe, lỗ rổng giữa các hạt (còn gọi là nước lỗ rổng). Trang 4
  6. Bài giảng Cơ Học Đất 1.2.3 Pha khí.  Giữa các khe hở của các hạt, ngoài thành phần nƣớc còn có thể có thành phần khí, nói chung vai trò của khí không ảnh hƣởng đáng kể đối với tính chất của đất. Các chỉ tiêu vật lý của đất. 1.3 Thông thƣờng đất có ba thành phần tạo nên là rắn – lỏng – khí. Trong tự nhiên tỷ lệ giữa ba thành phần này thay đổi rất nhiều, đặc biệt là thành phần nƣớc, có khi chứa đầy trong các lỗ rỗng của đất (đất bảo hòa). Tỷ lệ ba thành phần này thay đổi thì trạng thái vật lý cũng thay đổi theo. Tỷ lệ phân phối về trọng lƣợng và thể tích của ba thành phần trong đất gọi chung là các chỉ tiêu vật lý của đất. Vậy các chỉ tiêu vật lý là những thông số thể hiện tính chất vật lý cơ bản của đất đá. Đây là những thông số cần thiết để định danh đất đá, xác định trạng thái đất đá để tiến hành phân tích và thiết kế công trình. Trong các chỉ tiêu vật lý của đất, có loại thì phải trực tiếp làm thí ngh iệm mới xác định đƣợc – gọi là các chỉ tiêu xác định bằng thí nghiệm, có loại thì có thể tính toán từ các chỉ tiêu thí nghiệm mà ra – gọi là các chỉ tiêu tính toán, ngoài ra trong các chỉ tiên này có những chỉ tiêu dùng để đánh giá (hay xác định) trạng thái của đất, ta có thể đƣa về một nhóm gọi là các chỉ tiêu xác định trạng thái của đất. Để tiện cho việc nghiên cứu các chỉ tiêu vật lý của đất, ta cùng thống nhất dùng các sơ đồ quy ƣớc trên hình bên và các ký hiệu sau: Vk, Vn, Vh, Vr, V: là thể tích khí, nƣớc, hạt rắn, lỗ rỗng, và thể tích của toàn bộ mẫu đất đó; Qn, Qh, và Q: là trọng lƣợng phần nƣớc, hạt rắn và toàn bộ mẫu đất; còn m, n là thể tích hạt, lỗ rỗng trong một đơn vị thể tích. 1. Khối lượng thể tích tự nhiên : Khối lƣợng thể tích tự nhiên hay khối lƣợng thể tích của mẫu đất đá có độ ẩm  đƣợc định Sơ đồ quy ước ba pha của đất nghĩa là tỉ số giữa tổng khối lƣợng ba pha với và tỷ lệ giữa chúng. tổng thể tích.  M : khối lƣợng mẫu đất đá ở trạng thái tự nhiên – 3 pha : rắn, nƣớc, khí (g, kg, T)  Vo : thể tích của mẫu đất đá ở trạng thái tự nhiên – 3 pha : rắn, nƣớc, khí 3 (m ) Khi pha nƣớc chiếm toàn bộ thể tích pha rỗng, ta có khối lƣợng đất đá bão hòa Khi xác định cần dùng mẫu nguyên dạng và tùy theo từng loại đất mà chọn dùng các phƣơng pháp thí nghiệm cho thích hợp. Đất loại sét, hạt nhỏ dính kết, dễ cắt ta có thể dùng phƣơng pháp dao vòng; đất vụn to, chứa sỏi, cuội không cắt đƣợc bằng dao vòng thì ta nên dùng phƣơng pháp bọc parafin. 2. Khối lượng thể tích khô : Khối lƣợng thể tích khô đƣợc định nghĩa là tỉ số giữa khối lƣợng pha rắn với tổng thể tích. Trang 5
  7. Bài giảng Cơ Học Đất  Mh : khối lƣợng mẫu đất đá ở trạng thái khô – pha rắn (g, kg, T)  Vo : thể tích của mẫu đất đá ở trạng thái tự nhiên – 2 pha : rắn, rỗng (m3) Khối lƣợng thể tích khô phụ thuộc vào loại vật liệu, cấu trúc đất đá (độ đặc / rỗng) 3. Khối lượng thể tích bão hòa : Khối lƣợng thể tích bão hòa là khối lƣợng thể tích của mẫu đất đá khi pha nƣớc chiếm toàn bộ thể tích pha rỗng  Mbh : khối lƣợng mẫu đất đá ở trạng thái bão hòa nƣớc (g, kg, T) Mbh = Mh + Mnbh = Mh + Vr .n  Vo : thể tích của mẫu đất đá ở trạng thái bão hòa nƣớc (m3) 4. Khối lượng thể tích đẩy nổi : Khối lƣợng thể tích đẩy nổi hay khối lƣợng thể tích ngập nƣớc là khối lƣợng hiệu quả của một đơn vị thể tích đất đá khi bị ngập nƣớc. Khi đó dƣới tác dụng của lực đẩy Archimere, khối lƣợng thực của một đơn vị thể tích đất đá sẽ là : đn = bh - n (g/cm3, T/m3) 5. Khối lượng riêng của hạt đất: Là trọng lƣợng một đơn vị thể tích hạt rắn của đất  Mh : khối lƣợng mẫu đất đá ở trạng thái khô – pha rắn (g, kg, T)  Vh : thể tích của hạt đất đá (cm3 , m3) 6. Tỷ trọng hạt : Tỷ trọng hạt đƣợc định nghĩa là tỉ số giữa khối lƣợng riêng pha rắn hạt với khối lƣợng riêng pha nƣớc 7. Độ ẩm : Độ ẩm của đất là tỷ số giữa trọng lƣợng nƣớc chứa trong đất và trọng lƣợng hạt đất trong một khối đất tự nhiên. Độ ẩm W (%) là chỉ tiêu đánh giá lƣợng nƣớc có thật Mn trong mẫu đất đá tại thời điểm thí nghiệm.  Mn : khối lƣợng nƣớc có trong đất đá ở trạng thái tự nhiên – do hút khí ẩm trong không khí  Mh : khối lƣợng mẫu đất đá khô (pha rắn)  M : khối lƣợng mẫu đất đá tự nhiên (pha rắn + khí + nƣớc) Trang 6
  8. Bài giảng Cơ Học Đất Để xác định độ ẩm của đất ngƣời ta tìm trọng lƣợng của mẩu đất trƣớc và sau khi sấy ở nhiệt độ 100oC ÷ 105oC đến trọng lƣợng không đổi, từ đó biết đƣợc trọng lƣợng của nƣớc và trọng lƣợng của hạt 8. Độ bão hòa : Độ bão hòa Sr (%) biểu diễn lƣợng nƣớc chiếm chỗ trong cấu trúc đất đá. Chỉ tiêu độ bão hòa đƣợc định nghĩa là tỉ số giữa thể tích nƣớc chiếm chổ với thể tích pha rỗng của mẫu đất đá. Vn Sr  Vr Mẫu đất đá đạt trạng thái bão hòa khi pha nƣớc chiếm chỗ toàn bộ pha rỗng, Sr = 1 Mẫu đất đá đạt trạng thái khô hoàn toàn khi Sr = 0 Phân nhóm đất theo độ bão hòa Độ bão hòa Đất hạt mịn Độ bão hòa Đất hạt thô 0  0,2 0  0,5 Ít ẩm Khô 0,2  0,4 0,5  0,8 Ít ẩm Am 0,4  0,8 0,8  1,0 Am Bão hòa 0,8  1,0 Bão hòa 9. Độ rỗng của vật liệu : Độ rỗng n (%) là tỉ số giữa thể tích pha rỗng với tổng thể tích của mẫu đất đá. 10. Hệ số rỗng : Hệ số rỗng e (%) là tỉ số giữa thể tích pha rỗng với thể tích pha rắn của mẫu đất đá. Các biểu thức quy đổi: Chỉ tiêu cần xd Công thức STT 1 Hệ số rỗng 2 3 Độ rỗng 4 Độ bão hòa 5 Trang 7
  9. Bài giảng Cơ Học Đất 6 7 Trọng lƣợng riêng của hạt 8 9 Trọng lƣợng riêng khô 10 11 Trọng lƣợng riêng đẩy nổi 12 Trọng lƣợng riêng ƣớt 13 Trọng lƣơng riêng bảo hòa 14 Các chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất – phân loại đất. 1.4 Đất đá thƣờng đƣợc chia thành hai dạng cơ bản : dạng rời (cát, đá) và dạng dính (đất sét) 1.4.1 Đất rời : dùng chỉ tiêu độ chặt để đánh giá trạng thái Độ chặt là khái niệm nói lên tính rời rạc hay chặt sít của đất đá ứng với một độ ẩm nhất định và liên quan trực tiếp đến hệ số rỗng của đất đá đó. a) Dùng hệ số rỗng đánh giá độ chặt đất rời : Bảng tiêu chuẩn phân loại độ chặt của đất rời theo hệ số rỗng Độ chặt Loại đất Chặt Chặt trung bình Rời rạc 0,55  e  0,70 Cát sỏi, hạt thô, hạt trung e < 0,55 e > 0,70 0,60  e  0,75 Cát hạt nhỏ e < 0,60 e > 0,75 0,60  e  0,80 Cát bột e < 0,60 e > 0,80 b) Dùng độ chặt tƣơng đối để đánh giá trạng thái đất rời : Phƣơng pháp dùng hệ số rỗng chỉ thích hợp với loại đất cát thuần túy do thông số sử dụng để so sánh đƣợc lập cho loại cát sạch. Đối với các loại đất rời khác, có hàm lƣợng sét tƣơng đối thì cần sử dụng độ chặt tƣơng đối để đánh giá trạng thái của đất. Độ chặt tƣơng đối Dr hay chỉ số độ chặt ID phụ thuộc vào trạng thái nén chặt, hệ số rỗng thực tế của đất đá Đất ở trạng thái chặt nhất có Dr = 1 Đất ở trạng thái rời rạc nhất có Dr = 0 Trong đó: Trang 8
  10. Bài giảng Cơ Học Đất  e : hệ số rỗng của đất đá ở trạng thái tự nhiên  emax : hệ số rỗng tối đa – hệ số rỗng của đất đá ở trạng thái rời rạc nhất  emin : hệ số rỗng tối thiểu – hệ số rỗng của đất đá ở trạng thái chặt nhất Trạng thái nén chặt tƣơng đối Trạng thái của đất Dr (%) 0  15 Rất rời rạc 15  35 Rời rạc 35  65 Trung bình 65  85 Chặt 85  100 Rất chặt 1.4.2 Đất dính: dùng chỉ tiêu độ sệt để đánh giá trạng thái Độ sệt là đặc trƣng trạng thái vật lý cứng hay mềm của loại đất dính tại một độ ẩm nhất định. Đất dính có 4 trạng thái : cứng, nửa cứng, dẻo và chảy. Khi độ ẩm của đất tăng dần thì đất sẽ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác - theo thứ tự cứng đến nửa cứng rồi đến dẻo và cuối cùng là trạng thái chảy, đồng thời thể tích của nó cũng thay đổi theo. Sự thay đổi trạng thái này có thể đƣợc biểu diễn qua quan hệ sau :  c : giới hạn co ngót - tại độ ẩm này đất bắt đầu thay đổi thể tích do hút nƣớc d : giới hạn dẻo : là độ ẩm giới hạn ứng với trạng thái trung gian giữa nửa cứng và dẻo. Lúc này, trong đất lƣợng nƣớc chủ yếu là nƣớc hoá học và nƣớc hoá lý. Đối với đất đang ở trạng thái dẻo, khi độ ẩm vừa giảm nhỏ hơn giới hạn dẻo thì đất lập tức mất tính dẻo chuyển sang trạng thái nửa cứng, rất dễ gãy vỡ. Lợi dụng đặc điểm này, dùng thí nghiệm lăn đất để xác định giới hạn dẻo.  ch : giới hạn chảy : là độ ẩm giới hạn ứng với trạng thái trung gian giữa dẻo và sệt. Lúc này, trong đất có thành phần nƣớc tự do nên các hạt có thể chuyển dịch khá dễ dàng. Giới hạn này xác định bằng dụng cụ Casagrande Quan hệ độ ẩm và thể tích đất đá Trang 9
  11. Bài giảng Cơ Học Đất Hai giới hạn độ ẩm quan trọng nhất đối với đất dính là giới hạn dẻo ( d) và giới hạn chảy ( ch) – biểu thị tƣơng ứng là biên trái và biên phải của quan hệ độ ẩm và thể tích. Phạm vi trạng thái dẻo xác định bởi chỉ số dẻo Id Id =  ch – d Chỉ số dẻo dùng để xác định loại đất (sét / á sét / á cát) Chỉ số sệt Is dùng để đánh giá độ đặc của đất dính : Trong đó: ω (W) là độ ẩm tự nhiên của đất. Chỉ số dẻo của đất loại sét Loại đất Chỉ số dẻo (%) 1 < Id  7 Cát pha 7 < Id  17 Sét pha Sét Id > 17 Bảng tiêu chuẩn đánh giá độ đặc của đất dính Tên đất và trạng thái Độ sệt (Is) Đất cát pha sét Cứng Is < 0 0  Is < 1 Dẻo Sệt Is  1 Đất sét pha và đất sét Cứng Is < 0 Nửa cứng 0  Is < 0,25 Dẻo cứng 0,25  Is < 0,50 Dẻo mềm 0,50  Is < 0,75 Dẻo sệt / chảy 0,75  Is < 1 Sệt / chảy Is  1 Ví dụ: Một mẫu đất dự đoán là đất dính, khi đƣợc thí nghiệm cho ra các số liệu sau : Độ ẩm tự nhiên 45% , độ ẩm giới hạn dẻo 37% , độ ẩm giới hạn sệt 59%. Hãy xác định loại đất và trạng thái của nó. Giải Id = ch - d = 59% - 37% = 22% Dự đoán là đất dính, tính chỉ số dẻo : Vì Id > 17% : đây là đất sét Đánh giá trạng thái, tính chỉ số sệt : ω  ω P 45%  37%  0,36 Is   22% Id Tra bảng :  trạng thái dẻo cứng Trang 10
  12. Bài giảng Cơ Học Đất Tính chất cơ học của đất. 1.5 Tính chất cơ học của đất đá là tính chất sinh ra khi có ngoại lực tác dụng lên chúng. Ngoại lực có thể là tải trọng công trình, lực kiến tạo.. Ngoại lực có thể gây biến dạng nền đất đá và nếu đủ mạnh có thể làm phá hủy c ấu trúc nền. Khi chịu tác dụng của ngoại lực, trong đất đá xuất hiện nội lực chống lại hình thành ứng suất: nội ứng suất. Nếu ngoại lực < lực liên kết cấu trúc trong đất : biến dạng không xảy ra Nếu ngoại lực = lực liên kết cấu trúc trong đất : đất đá ở trạng thái ứng suất tới hạn Nếu ngoại lực > lực liên kết cấu trúc trong đất : đất đá bị biến dạng / phá hoại  Ứng suất của đất đá do tải trọng công trình Khi chịu tác động của ngoại lực, trong đất đá hình thành trƣờng ứng suất để chống lại. Trạng thái ứng suất trong đất đá có thể là một hƣớng (tải tập trung), hai hƣớng (tải phân bố hình băng), ba hƣớng (tải phân bố đều trên diện tích xác định).  Ứng suất do tải tập trung gây ra: trong thực tế không thể có trƣờng hợp tải tập trung tại một điểm. Tải trọng bao giờ cũng truyền tới đất nền trên một diện tích nhất định. Đây chỉ là dạng bài toán cơ bản dùng để giải quyết những bài toán phẳng và không gian.  Ứng suất do tải phân bố hình băng gây ra: bài toán phẳng. Khi tải trọng phân bố giới hạn theo một phƣơng và vô hạn theo phƣơng vuông góc, ta có tải phân bố hình băng. Trong thực tế không có tải nào phân bố vô hạn cả, nhƣng khi chiều dài diện chịu tải lớn hơn rất nhiều lần chiều rộng (như : đê, đập, nền đường,..) ta có thể xem nhƣ là dạng bài toán phẳng.  Ứng suất do tải tác dụng trên một diện tích xác định: bài toán không gian. Đây là bài toán phù hợp thực tế nhất (móng cột...). Trong tự nhiên, đất đá thƣờng ở trạng thái ứng suất 3 hƣớng do chịu ảnh hƣởng đồng thời của tải trọng bản thân các lớp đất đá bên trên, lực kiến tạo, gradient nhiệt.. Nếu ứng suất theo 3 hƣớng bằng nhau : ta nói đất đá đó có tính chất đẳng ứng suất (khả năng chịu lực theo mọi phương là như nhau)  Ứng suất do lực kiến tạo : Quá trình kiến tạo không ngừng tiếp diễn làm phát sinh sóng dọc, són g ngang trong khối đá, từ đó, dẫn đến trạng thái ứng suất ban đầu của khối đá thay đổi. Do ảnh hƣởng của lực kiến tạo lên thành phần ứng suất của đá, tỷ số ứng suất theo phƣơng ngang và phƣơng đứng tăng nhanh ở vị trí gần mặt đất là nơi xảy ra chuyển dịch vỏ trái đất rõ rệt nhất. 1.5.1 Độ bền của đất đá : Độ bền của đất đá là khả năng chống lại sự phá hủy đá do tác dụng của ngoại lực. Theo dạng ngoại lực tác dụng, độ bền đƣợc chia thành: độ bền nén đơn trục (cường độ chịu nén), độ bền kéo đơn trục (cường độ chịu kéo), độ bền cắt (cường độ chịu cắt). Độ Trang 11
  13. Bài giảng Cơ Học Đất bền phụ thuộc thành phần khoáng vật tạo đá, kiến trúc, cấu tạo, tính dị hƣớng, độ nứt nẻ, độ ẩm… Ngoài ra, giá trị độ bền xác định đƣợc còn phụ thuộc vào kích thƣớc mẫu, phƣơng pháp thí nghiệm, độ chính xác của thiết bị thí nghiệm.. 1- Độ bền chịu nén : Độ bền chịu nén (n): là giá trị ứng suất nén tối đa mà đất đá có thể sinh ra bên trong khối đất khi chịu tác dụng của lực nén theo 1 trục ( ) Trong đó:  Pn/max : lực nén đơn trục lớn nhất khi mẫu bị phá hủy (kN)  Ao : diện tích tiết diện ngang ban đầu của mẫu (m2) 2- Cƣờng độ chịu kéo : Cƣờng độ chịu kéo (k) : ứng suất kéo tối đa mà đất đá có thể sinh ra bên trong khối đất khi chịu tác dụng của lực kéo theo 1 trục Theo thí nghiệm kéo trực tiếp : ( ) Theo thí nghiệm nén theo đƣờng sinh (thí nghiệm Braxin): ( ) Theo thí nghiệm uốn : ( ) Trong đó:  Pk/max : lực kéo đơn trục lớn nhất khi mẫu bị phá hủy (kN)  Ao : diện tích chịu lực ban đầu của mẫu (m2)  d,l : đƣờng kính, chiều dài mẫu (m)  b, h : chiều rộng, chiều cao mẫu (m)  L : khoảng cách giữa các gối tựa (m) 3- Độ bền chống cắt : Độ bền chống cắt là giá trị ứng suất chống cắt tối đa mà đất có thể sinh ra bên trong khối đất khi nó bị chảy. Đất bị chảy khi trong cấu trúc hình thành mặt trƣợt, các hạt rắn có khuynh hƣớng di chuyển theo mặt trƣợt này làm phá vỡ cấu trúc ổn định ban đầu. Để đánh giá độ bền chống cắt của đất (khả năng chống lại lực cắt), C.A.Coulomb đã thiết lập điều kiện bền của đất dựa trên cơ sở so sánh cƣờng độ chống cắt s của đất theo 1 mặt phẳng bất kỳ đi qua điểm đang xét với ứng suất gây cắt  tác dụng lên mặt đó. Đất còn đảm bảo độ bền khi :  < s =s Đất ở trạng thái cân bằng giới hạn khi : Cƣờng độ chống cắt theo Coulomb xác định nhƣ sau : Trang 12
  14. Bài giảng Cơ Học Đất s = tg + C (1)   : ứng suất nén tác dụng lên mặt phẳng đang xét (kN/m2)   : góc nội ma sát của đất (o)  C : lực dính của đất (kN/m2) Đất có thể chống lại phá hoại cắt nhờ vào các nhân tố sau :  Lực ma sát trên bề mặt các hạt thƣờng gọi là ma sát trong  Lực hóc giữa các hạt với nhau do hình dạng của chúng  Lực dính của các hạt đất do lực dính keo nhớt, lực dính liên kết cứng sinh ra 1.5.2 Tính biến dạng của đất đá : Dƣới tác dụng của tải trọng, đất đá bị thay đổi về hình dạng, kích thƣớc của vật thể nhƣng không thay đổi về khối lƣợng : đất đá bị biến dạng. Các dạng biến dạng của đất đá: biến dạng đàn hồi, biến dạng phả huỷ kết cấu và kiến trúc, biến dạng dẻo. Dƣới tác dụng của cùng 1 lực, đất đá khác nhau sẽ cho biến dạng không giống nhau. Mức độ biến dạng của đất đá đƣợc xác định thông qua các chỉ tiêu : 1- Hệ số nén thể tích (mv) : là thông số biểu thị giá trị biến đổi 1 đơn vị thể tích đất do tăng 1 đơn vị ứng suất Từ số liệu thí nghiệm nén lún, lập biểu đồ quan hệ e ~  V e Xác định hệ số nén thể tích : mv  V    1  eo  2- Hệ số nén lún (a) : Từ biểu đồ quan hệ e ~  e Xác định hệ số nén lún : a   Đánh giá tính biến dạng của nền đất đá  a < 0,001 cm2/ kG : Đất không nén lún (hầu như k bị biến dạng)  0,001  a < 0,005 cm2/ kG : Nén lún ít  0,005  a < 0,01 cm2/ kG : Nén lún trung bình  a > 0,01 cm2/ kG : Nén lún mạnh 3- Module biến dạng (Eo) : Hệ số nở hông  của các loại đất đá Hệ số  Loại đất đá 0,4  0,45 Sét 0,35  0,4 Sét pha 0,30  0,35 Cát pha 0,25  0,30 Cát Đá 0,1  0,25 Từ hệ số nở hông , xác định module biến dạng :  với β  1  2 μ 2 Eo  1 μ mv  2 μ 2  1  eo Eo   1   1 μ  a hay    Trang 13
  15. Bài giảng Cơ Học Đất  Xác định độ lún của đất nền dƣới tác dụng của tải trọng ngoài :  S  mv  .H   .H Eo 4- Chỉ số nén Cc , chỉ số nở Cs: Cc là độ dốc của đoạn thẳng trên đƣờng cong e ~ lg Biểu diễn quan hệ e theo lg Xác định các chỉ số nén : e1  e p Khi  < p  Cs  lg  p  lg  1 e p  e2 Khi  > p  Cc  lg σ 2  lg σ p p : áp lực tiền cố kết (nén trƣớc)  ep : hệ số rỗng tƣơng ứng áp lực p 1 : áp lực nén (tải trọng công trình)  e1 : hệ số rỗng tƣơng ứng áp lực 1 Cs : Chỉ số nở tƣơng ứng lúc tải trọng công trình < tải trọng nền đất đá đã từng trãi qua Cc : Chỉ số nén tƣơng ứng lúc tải trọng công trình > tải trọng nền đất đá đã từng trãi qua  Xác định độ lún cố kết của đất nền dƣới tác dụng của tải trọng ngoài :  i   ipz    i  i n H Sc   i i C r . lg i   Cci . lg z i vz      i 1 1  eo   vz     pz Trong đó:  Hi : chiều dày lớp đất tính lún thứ i i  eo : hệ số rỗng ban đầu của lớp đất thứ i pz : áp lực tiền cố kết (nén trước)  vz : áp lực nén do trọng lượng bản thân các lớp đất tự nhiên nằm bên trên  lớp i z : áp lực nén do tải trọng ngoài (công trình)  5- Bài tập áp dụng: Trang 14
  16. Bài giảng Cơ Học Đất Chƣơng 2 PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG ĐẤT. Khái niệm. 2.1 Xác định ứng suất trong đất khi có tải trọng ngoài tác dụng, cũng nhƣ dƣới tác dụng của trọng lƣợng bản thân của đất là một vấn đề có tác dụng thực tế lớn. Vì không có những hiểu biết và tính toán cụ thể về sự phân bố ứng suất trong đất thuộc phạm vi nghiên cứu, thì không thể giải quyết đ ƣợc những vấn đề mà ngoài thực tế quan tâm nhƣ: Nghiên cứu tính ổn định, cƣờng độ chịu tải và tình hình biến dạng của đất nền dƣới móng các công trình xây dựng, v.v... Tuỳ nguyên nhân gây ra ứng suất trong đất mà có thể phân biệt các loại ứng suất sau:  Ứng suất trong đất do trọng lƣợng bản thân của đất gây ra gọi là ứng suất bản thân.  Tải trọng của công trình tác dụng lên nền đất thƣờng thông qua đế móng mà truyền lên nền đất. Do đó, ứng suất ở mặt tiếp xúc giữa đáy móng và nền đất gọi là ứng suất tiếp xúc.  Ứng suất trong nền đất do ứng suất đáy móng gây ra gọi là ứng suất phụ thêm. Nhƣ đã biết, đất là một vật thể nhiều pha tạo thành, ứng suất trong đất bao giờ cũng bao gồm ứng suất tiếp nhận bởi các hạt rắn (gọi là ứng suất hữu hiệu ζh) và ứng suất đƣợc truyền dẫn bởi nƣớc (gọi là ứng suất trung tính – hay gọi là áp lực nước lỗ rỗng u). Do đất là một vật liệu rời, giữa các hạt đất có lỗ rỗng. Cho nên khi nói ứng suất của đất tại một điểm, là nói ứng suất trung bình giả định tại điểm đó trên một đơn vị tiết diện của cả hạt đất và lỗ rỗng, chứ thực ra không phải là ứng suất tác dụng lên hạt đất. Ngoài ra cũng cần phải lƣu ý rằng, trị số ứng suất sẽ xét trong chƣơng này ứng với khi biến dạng của đất đã hoàn toàn ổn định dƣới tác dụng của tải trọng. Để xây dựng công trình an toàn ngƣời ta cần dự tính đƣợc biến dạng của nền sau khi đặt công trình, do đó cần phải dự tính ứng suất do tải trọng công trình gây ra. Hiện nay để tính toán ngƣời ta vẫn sử dụng phƣơng pháp tách biệt kết cấu bên trên để tính toán các ứng lực dƣới chân cột, sau đó mới truyền ứng lực dƣới chân cột lên móng và tính toán nền móng (trừ những trường hợp đặc biệt). Phân bố ứng suất do trọng lương bản thân đất. 2.2 Một phân tố bất kỳ nằm tron g nền đất bao giờ cũng chịu một ứng suất do các lớp đất phía trên gây ra. Trang 15
  17. Bài giảng Cơ Học Đất Ứng suất do trọng lƣợng bản thân gây ra khi một điểm nằm dƣới mặt đất một khoảng nào đó  Đối với nền gồm nhiều lớp đất khác nhau. ∑ ∑  Trong đó:  n Số lớp đất.  γi trọng lƣợng riêng của lớp đất thứ i.  hi Chiều cao mỗi lớp đất.  µo Hệ số nở hông của đất (hệ số psotxong)  Đối với các lớp đất nằm dƣới mực nƣớc ngầm thì phải tính toán với trọng lƣợng đẩy nổi. Ứng suất do tải trọng ngoài gây ra – nền đồng nhất. 2.3 2.3.1 Khái niệm. Việc áp dụng lời giải của lý thuyết đàn hồi cân phải thận trọng để đảm bảo nền đất đƣợc tính toán gần với vật liệu đã đƣợc xét lý thuyết đàn hồi, thực tế điều này sẽ gần đúng khi:  Áp lực tác dụng lên nền cần phải khá nhỏ, vì áp lực càng nhỏ quan hệ ứng suất càng gần ứng suất biến dạng tuyến tính.  Khi nền đất gồm nhiều lớp, thƣờng vẫn xem nhƣ bán không gian th uần nhất về tính ứng suất, nhƣng sự sai khác của lớp đất là lớn  khó có thể đảm bảo độ ti cậy của nền móng. 2.3.2 Bài toán cơ bản – Lực tác dụng tập trung. Trong thực tế ít gặp trƣờng hợp lực tập trung tác dụng trên nền đất, vì tải trọng tác dụng bao giờ cũng thông qua đáy móng rồi truyền lên nền đất trên một diện tích nhất định (đáy móng). Song bài toán này vó ý nghĩa cơ bản về mặt lý thuyết và cũng l à cơ sở để giải quyết các bài toán ứng suất khi tải trọng phân bố trên những diện tích và hình dạng nhất định. Trong trƣờng hợp này đƣợc phân ra ba trƣờng hợp: Lực tập trung tác dụng thẳng đứng trên mặt đất, lực tập trung tác dụng nằm ngang trên mặt đất và lực tập trung đặt trong mặt đất. Lực tập trung tác dụng thẳng đứng trên mặt đất. 2.3.2.1 Trang 16
  18. Bài giảng Cơ Học Đất Xét một điểm M bất kỳ trong nền đất đƣợc xác định trong tọa độ cực là R và β hoặc tọa độ đề các M(x,y,z), khi trên mặt phẳng nửa không gian biến dạng tuyến tính có tác dụng một lực tập trung. Bài toán cơ bản này đã đƣợc nhà khoa học Pháp J.Boussinesq giải quyết và rút ra các chuyển vị tại điểm M(x,y,z) từ năm 1885 nhƣ sau: Ứng suất pháp tuyến: , * +- , * +- Ứng suất tiếp tuyến: * + Tổng ứng suất chính: Các chuyển vị theo chiều cảu các trục: * + [ ] [ ] Trong đó: , Eo – là hệ số nở hông, mô đun tổng biến dạng của đất. √ thay vào biểu thức (1a) ta có: [ ⁄ ] Trƣờng hợp có nhiều lực tập trung thì ứng suất tại một điểm bất kỳ trong nên đất sẽ bằng tổng ứng suất do từng lực tập trung gây ra tại điểm đó. Trang 17
  19. Bài giảng Cơ Học Đất ∑ Với k hệ số tra bảng, phụ thuộc vào r/z tra bảng trang 136 – SBT Trường hợp lực tập trung tác dụng theo phương nằm ngang. 2.3.2.2 Biểu thức tính toán ứng suất của một điểm M(x,y,z) đƣợc xác định theo biểu thức Với  √  x, y, z: Tọa độ điểm xét đối với điểm đặt lực.  Lực ngang tác dụng lên mặt đất. Q: Trường hợp lực tập trung thẳng đứng tác dụng trong nền đất. 2.3.2.3 Trang 18
  20. Bài giảng Cơ Học Đất Trong thực tế khi tính toán công trình, có khi cần phải xác định ứng suất và chuyển vị của đất nền dƣới tác dụng của lực tập trung đặt ngay trong nền đất. Biểu thức tính ứng suất nén thẳng đứng và chuyển vị thẳng đứng đƣợc xác định theo biểu thức sau: Trong đó:  c - Là chiều sâu đặt lực tập trung.   √  √  Eo, µ - Mô đun biến dạng và hệ số nở hông của đất.  r - Khoảng cách từ trục tác dụng của lực tập trung đến điểm đang xét.  z - Tọa độ điểm đang xét. Phân bố ứng suất trong trường hợp bài toán không gian. 2.3.3 Trường hợp tải trọng thẳng đứng phân bố đều trên diện tích chữ nhật. 2.3.3.1 Trang 19
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2