Bài giảng cơ học đất

Cơ học đất là môn học nghiên cứu các quá trình địa chất tự nhiên và các quá trình cơ học xảy ra trong đất dưới ảnh hưởng của tác dụng bên trong và bên ngoài, tìm ra các quy luật tương ứng và vận dụng các quy luật đó để giải quyết các vấn đề có liên quan đến các công trình xây dựng

http://www.ebook.edu.vn 1 chơng mở đầu: 1. Đối tợng của môn học: + Cơ học đất 1 ngành cơ học ứng dụng chuyên nghiên cứu về đất. + Đất: Kết quả của sự phong hóa đá bên trên. + Có 3 loại phong hoá Vật lý Hóa học Cho các sản phẩm không giống nhau. Sinh học + Chúng xen kẽ tạo nên nhiều loại đất. + Đặc điểm chung: Tính phân vụn nhiều hạt khoáng kích thớc khác nhau Tạo Tạo nên khung KC có lỗ hổng. Chứa nớc, khí T/chất Liên kết yếu nhiều so với cờng độ bản thân hạt đặc biệt Sau khi hình thành luôn biến đổi. 2. Nội dung: Xác định các quy luật cơ bản quá trình cơ học. các đặc trng tính toán. ứng xuất biến dạng. cờng độ chịu tải. ổn định khối đất. áp lực đất lên tờng chắn. Do phức tạp nên ngoài qui luật chung còn tìm quy luật đặc thù rút ra từ đặc tính của đất. Coi trọng thí nghiệm : Do đất luôn thay đổi nên phải chọn biện pháp thử nghiệm thích hợp chọn chỉ tiêu. Thí nghiệm gồm: Th/ng hiện trờng Th/ng trong phòng Theo dõi biến dạng ( quan trắc lún) 3. Lịch sử phát triển: 1925: Terzaghi viết cuốn cơ học đất trên cơ sở vật lý của đất coi cơ đất môn độc lập VNam : phòng thí nghiệm đầu tiên 1956. http://www.ebook.edu.vn 2 chơng 1: các tính chất vật lý của đất v phân loại đất $ .1. Đại cơng về các loại đất: 1.1 Quá trình hình thành đất: Phong hoá chuyển dời lắng đọng. Phong hoá: Ph/hoá vật lý Nhiệt độ chủ yếu (có nơi ngày đêm chênh lệch 40 o ữ50 o ) Băng giá. Đá gốc vỡ vụn nhỏ không phá hoại thành phần khoáng. Cho đất rời: Đất cát. Ph/hoá hoá học Thay đổi áp lực Do nớc, các chất hoà tan: HCl, SO 2 ; SO 3 ; N 2 O 3 các khoáng chất tác dụng lẫn nhau tạo thành hạt rất nhỏ nh hạt keo (<1m) Cho đất dính : Đất loại sét. Chuyển dời Sản phẩm có thể nằm yên. chuyển dời: do nớc;gió Tuỳ cách chuyển dời, điểm lắng đọng các loại khác nhau. Tóm lại: Quá trình trên rất dài có nhiều yếu tố tác động làm cấu tạo và T/chất các lớp đất phức tạp. I.2 Phân loại đất theo gốc phong hoá: Đất rời: Đá dăm, cuội sỏi, các loại cát. đặc điểm : Phong hoá vật lý hạt to. Khô rời; ẩm không dẻo. Thấm lớn, hút nớc nhỏ. 2 loại: Đất dính: các loại đất sét. đặc điểm : Phong hoá hoá học hạt nhỏ. Khô cứng, ẩm dẻo. Thấm bé , hút nớc lớn. Pha trộn: cát có ít sét cát pha sét có ít cát sét pha. http://www.ebook.edu.vn 3 I.3 Phân loại theo hình thức chuyển dời và trầm tích: + Tàn tích, sờn tích: Nằm tại chỗ Chuyển dịch đoạn ngắn theo sờn dốc. Đặc điểm: chiều dày không đều dễ mất ổn định hạt to và rất nhỏ xen lẫn nhau. + Bồi tích, sa tích: Lắng đọng ở xa do nớc ở cửa sông gọi trầm tích tam giác châu: Đồng bằng sông Hồng; sông Cửu long. Đặc điểm: chiều dày khá đều cỡ hạt tơng đối đều gồm: Các loại đất hạt rất nhỏ: Cát bụi, đất sét, đất bùn có lẫn cây cỏ cha ổn định dễ phình nở. Bắc bộ: Vài chục m ở ta: Nam bộ: Trên dới 100m. Phong tích gió. + Ngoài ra còn: Băng tích băng. Trầm tích biển. + Tóm lại: Do sự hình thành mà có các đặc điểm sau: Tính rỗng. Tính phân tán. Tính không đồng nhất, không đẳng hớng. Cờng độ kém cờng độ hạt $. 2.Đất là vật liệu đa nguyên: 2.1 Khái niệm: Đất V/ liệu phân tán 3 thành phần: Hạt ; nớc; khí. Đặc điểm mỗi thành phần, tỷ lệ giữa chúng, tác dụng lẫn nhau tạo nên t/chất đất. Lỗ rỗng chứa đầy nớc Bão hoà. Lỗ rỗng không chứa nớc Đất khô. 2.2 Hạt rắn: Là mảnh vụn của khoáng vật. Kích thớc vài cm đến hạt keo (<1 m) http://www.ebook.edu.vn 4 Có khi là các chất hữu cơ. + T/ch hạt rắn: chủ yếu cỡ hạt hạt nhỏ thành phần khoáng vật. có ảnh hởng đáng kể đến tính chất hạt. Các loại khoáng vật: Khoáng nguyên sinh : Phong hóa cơ học đá mác ma: 2 loại: Phen pat, thạch anh, mi ca, he ma tít( quặng sắt đỏ), ma nhê tít( quặng sắt từ) apatit là thành phần chủ yếu của đất rời. Khoáng thứ sinh: Do phong hoá hoá học khoáng nguyên sinh phân vụn nhỏ thành phần chủ yếu đất loại sét khoáng sét: monmoriolit ítlít. kaolinít. 1. Phân loại theo cỡ hạt: +Đất nhiều loại hạt: Kích thớc khác nhau Hình dạng khác nhau. +Hình dạng: Cầu, tấm mỏng, hình kim. +Kích thớc: Vài cm vài 1/1000 mm và nhỏ hơn. Vậy phân loại dựa vào đờng kính tơng đơng ( Đ/k Thuỷ lực) Đ/k thuỷ lực: Đ/k hạt đất ảo cùng tốc độ chìm lắng. ranh giới phân biệt không phải số cố định xê dịch đôi chút. Ví dụ có nơi hạt sét: < 0.005mm < 0.002mm + Hạt to: rời rạc, dễ thấm +Xét t/chất của đất : cần lu ý: diện tích mặt ngoài: Hạt càng nhỏ S mặt ngoài càng lớn đến mức nào đó thì hiệu ứng bề mặt có tác dụng gây ra tính dính , tính dẻo cản trở thấm. Tính dính, tính dẻo càng cao tính thấm càng nhỏ. monmoriolit 800m 2 /g ítlít. 80m 2 /g kaolinít. 10m 2 /g http://www.ebook.edu.vn 5 bảng phân loại hạt 2 . Cấp phối hạt của một loại đất Thí nghiệm phân tích hạt: Phân hạt đất t/ch rõ rệt thành nhóm gọi là nhóm hạt. Lợng 1 cỡ hạt ( Tính bằng % trọng lợng đất khô) hàm lợng hạt. Tập hợp hàm lợng các cỡ hạt gọi cấp phối. Th/ng: Ph/pháp cơ học: Rây. Ph/pháp thuỷ lực. + Phơng pháp rây: Dùng với hạt d > 0.1mm Dùng bộ rây: Lxô: 10;5;2;1;0.5;0.25;0.1 mm Ph/tây: No4;8;12;20;40;70;100;140;200. + Phơng pháp thuỷ lực: d < 0.1mm. Dựa vào nguyên lý vật lý của Stốck v = 2 18 d ws (I.1) v: Vận tốc chìm lắng. d: đ/k quả cầu. s : Tỉ trọng quả cầu. w : Tỉ trọng chất lỏng. : Độ nhớt chất lỏng. http://www.ebook.edu.vn 6 Dụng cụ: Tỉ trọng kế Nguyên tắc : Cho đất chìm lắng đo V suy ra đ/k. Kết quả th/ng : Trình bày nhiều cách: http://www.ebook.edu.vn 7 Nhận xét: + Đờng cong dốc hạt đồng đều. + Xác định hàm lợng % của 1 nhóm hạt đ/k: d 1 d 2 nào đó + X/đ: d 10 Đ/k hữu hiệu Đ/k mà hạt chiếm 10% dùng xác định k t theo kinh nghiệm: Ví dụ Ha zen: k t = C k (d 10 ) 2 C k = 0.01 ữ 0.015. + Xác định hệ số đồng đều, hệ số độ cong Mức độ đồng đều về kích cỡ hạt đợc đánh giá bằng hệ số đồng đều, C u : C u = 10 60 d d (I.2) trong đó: d 60 = đờng kính ứng với hàm lợng tích lũy 60%: p d60 = 60% d 10 = đờng kính ứng với hàm lợng tích lũy 10%: p d10 = 10%. * Ta thấy rằng, các hạt thuộc nhóm (d 10 , d 60 ) chiếm 1/2 trọng lợng đất. Do đó, C u chính là mức độ thay đổi kích thớc của một nửa trọng lợng đất và C u càng lớn có nghĩa là càng có nhiều kích cỡ hạt tức là cấp phối càng đa dạng càng tốt. Điều này đặc biệt quan trọng đối với đất rời. Ngời ta qui ớc nếu đất có C u > 4 thì đợc coi là có cấp phối tốt, thích hợp cho sử dụng làm vật liệu xây dựng. Độ cong của đờng cong cấp phối hạt trong khoảng (d 60 , d 10 ), C c , đợc tính theo biểu thức: C c = 1060 2 30 d.d d (I.3) đợc dùng để mô tả sự phân bố của các kích cỡ hạt trong nhóm hạt cơ bản (d 10 ,d 60 ). Nếu C c càng bé thì sự phân phối càng đều đặn. C c đợc dùng kết hợp với C u để đánh giá cấp phối của đất. Nói chung C c trong khoảng (1ữ3) là tốt. 3. Tính chất của những hạt rất nhỏ: Khoáng vật cấu tạo tinh thể Vậy ở bề mặt, nhất là ở góc có 1 lợng điện còn d Vậy hạt đất mang điện. T/n thấy hạt sét mang điện âm. Hút các ion khác tính ( Na+, K+,Ca++, Mg++ ) Nó: Tính hoạt động bề mặt Hút phân tử nớc lỡng cực. Thành phần khoáng: Khoáng ng/sinh kém hơn khoáng th/sinh : Mức độ phân tán: Hạt càng nhỏ S tiếp xúc càng lớn khả năng trao đổi càng lớn Đến một mức nào đó trọng lợng hạt cùng cấp với lực hút điện phân tử hạt di chuyển chịu ảnh hởng của lực hút. Khi chìm nó dừng lại ở chỗ tiếp xúc đầu tiên tạo ra K/C tổ ong, bông tuyết độ rỗng lớn. Kết cấu hạt: đặc trng cho đất rời( sỏi, sạn, cát) http://www.ebook.edu.vn 8 2.3 Nớc trong đất: 1. Nớc liên kết: + Nớc màng (nớc hút bám): Ngay bề mặt hạt ( khoảng 0.1 ) lực hút mạnh nớc ở thể rắn và chui cả vào mạng xem nh 1 phần hạt rắn Không thể hiện rõ T/c + Nớc liên kết chặt ( nớc kết hợp mạnh): xa hơn 1 chút nớc bị giữ tơng đối chặt cùng các ion khác. + Nớc liên kết rời ( nớc kết hợp yếu): Cuối bán kính lực hút lớp này ảnh hởng lớn đến T/c của đất Tính dẻo, tính dính. http://www.ebook.edu.vn 9 2.Nớc tự do: Ngoài ảnh hởng của lực hút chuyển động theo quy luật thuỷ lực học Tuy nhiên: do ảnh hởng lớp trong có đặc điểm riêng. 3. Nớc mao dẫn: Lỗ rỗng nhỏ nối nhau trong nớc sinh mao dẫn. Cột nớc mao dẫn tạo áp lực phụ sức căng bề mặt. làm cho đất cát hạt nhỏ nh có lực dính nào đó khi ớt. Sét chiều cao mao dẫn vài m 2.4 Khí trong đất: + Khí hở : Thông với khí quyển nhiệt độ , áp xuất khí thoát vào khí trời không ảnh hởng. + Khí kín : Túi khí nằm sâu tăng tính đàn hồi, giảm thấm. Nhìn chung : Khí ảnh hởng không đáng kể đến t/ chất của đất. $.3. Các chỉ tiêu vật lý: V = V h + V n + V k V r = V n + V k G = G h + G n . http://www.ebook.edu.vn 10 3.1. Chỉ tiệu vật lý cơ bản: ( Xác định bằng Thí/nghiệm) 1. Trọng lợng thể tích tự nhiên: = V G (g/cm 3 ; t/m 3 ) Mẫu nguyên dạng: Dao vòng: Đất mềm Bọc sáp cân trong nớc: Đất cứng 2. Độ ẩm: W = h n G G 100% (vài % đến vài trăm % ) Mẫu: nguyên dạng, không nguyên dạng y/cầu: giữ nớc không đổi. Biện pháp: Đốt cồn Bếp xấy 105 o C; có hữu cơ xấy < 105 o C 3. Trọng lợng thể tích hạt: h = h h V G (g/cm 3 ; t/m 3 ) ( 2.6 ữ 2.8) Tỷ trọng: = n h ; n = 1 3.2.Chỉ tiệu vật lý xác định bằng tính toán: 1. Trọng lợng thể tích đất khô: k k = V G h (G/cm 3 ; T/m 3 ) W= h n G G = h h G GG W . G h = G - G h W. G h + G h = V G V Gw h )1( + = V G (W + 1 ) k = k = )1( +w 2 .Độ rỗng: n n = V V r n = V V r = V VV h = 1 - h V V 1 = 1 - h h h G V V G.1 = 1- h h V G . 1. = = 1- h k ; k = )1( +w n = 1- )1( +w h [...]... http://www.ebook.edu.vn 14 http://www.ebook.edu.vn 15 Phân loại đất bùn và đất than bùn: + Đất loại sét: W>Wnh; e > 1.1 ( Đất á cát, á sét) e > 1.5 ( Đất sét) + Những loại đất có chứa vật chất hữu cơ: 10 đến 30 % đất nhiễm than bùn 30 đến 60 % đất than bùn > 60% Than bùn Đất bùn $.6.Một số tính chất và một số hiện tợng đặc biệt của đất: 1 Tính dính: Khả năng chịu đợc lực kéo có thể giữ đợc mái... đn đất thì điểm tiếp xúc giữa các hạt hỏng đất thành dịch thể Dừng áp lực thuỷ động về không cát chặt lại Thực tế: Hay xảy ra động đất nền cát bụi bão hoà http://www.ebook.edu.vn 17 chơng 2 Tính chất cơ học $.1.Tính thấm của đất: 1.1 các định nghĩa: + Vật liệu có lỗ rỗng liên tục để nớc chảy qua V/liệu có tính thấm + Tính thấm: T/chất để cho nớc chảy qua các lỗ rỗng + Dòng nớc chảy qua đất. .. giới hạn áp dụng định luật Darcy cho dòng thấm trong đất kđtđ = 1 .Đất sét: Quan hệ: v = kI (a) đúng cho đất cát (b) đúng cho đất sét Với sét muốn thấm đợc I > Io Io Gradien thuỷ lực ban đầu + Gần đúng công thức tính: v = k(I - I') + Giải thích: Muốn thấm đợc phải thắng đợc ma sát của lớp nớc màng mỏng bao quanh hạt đất ( lớp nớc liên kết) 2 Đất cát: Với cát to, sỏi cuội v phải đủ nhỏ để dòng... trong đất nên gọi là ma sát trong + Lực dính: các hạt gắn với nhau chống lại lực kéo tách chúng ra; : loại đất và chấp nhận bằng nhau tại mọi điểm và theo mọi hớng 2 loại: Lực dính có phục hồi: tạo nên bởi lực hút điện phân tử qua màng nớc liên kết Lực dính dòn: kết tinh các muối không phục hồi Kí hiệu C Tóm lại S = tg + c http://www.ebook.edu.vn 16 a, Đất có c 0; 0 b, Đất có c=0; , 0 c, Đất. .. Có 3 Đ/kiện để xảy ra: + Đất chứa nhiều hạt phân tán nhỏ, keo + Đất bào hoà + Tải chấn động Lu ý: Khi đóng cọc; Móng máy 5 Hiện tợng biến long của cát bo hoà nớc: Đất cát thành 1 dung dịch mất hết khả năng chịu lực Thí/nghiệm: Đặt viên bi Tác dụng nhanh lên thành Bi chìm xuống G/thích: tại chỗ đặt tải xuất hiện áp lực lớn trong nớc lỗ rỗng truyền nhanh lên toàn khối đất hớng về phía có sức... trong phòng 2.2 Thí nghiệm nén đất trong phòng thí nghiệm: 1 Thiết bị thí nghiệm Sơ đồ: 1- Hộp cứng 2- Dao vòng 3- Mẫu đất 4- Đá thấm 5- Nắp 6- Đồng hồ đo biến dạng F = 25 50 cm2 h = 2.54 3.6 cm Tơng tự với thực tế 2 Cách thí nghiệm: +Tăng tải 0.25; 0.5; 1; 2; kg/cm2 Chuyển cấp khi ổn định lún: sau 24giờ s không > 0.01mm Ta vẫn làm: Nén nhanh; Đất tốt; 1;2;3;4 kg/cm2 Đất yếu: 0.25; 0.5; 0.75; 1 kg/cm2... đờng thẳng sau đó mới cong rõ rệt + Đờng nén và nở không trùng nhau biến dạng của đất gồm 2 phần: Phần phục hồi khi dỡ tải Biến dạng đàn hồi Phần không phục hồi khi dỡ tải Biến dạng d Với đất biến dạng d rất đáng kể + Biến dạng của đất không xảy ra tức thời mà phải trải qua một thời gian nhất định mới hoàn thành Với đất cát xảy ra nhanh hơn với cát vừa trở lên thờng biến dạng xong ngay khi xây... có 2 nhánh ( Tây hay làm) http://www.ebook.edu.vn 9 *ý nghĩa c : Trong lịch sử mẫu đất đã đợc nén đến c ss thoải hơn nén thứ cấp tt dốc hơn nén sơ cấp c < h đất dới cố kết: cha lún xong dới tác dụng của trọng lợng bản thân c = h đất cố kết bình thờng: đã lún xong dới tác dụng của trọng lợng bản thân c > h đất quá cố kết: Có lúc nó chịu nén lớn hơn áp lực hiện đang đè lên nó Xác định chỉ số... đơn: ( Nở hông tự do) Mẫu: D=4-6cm; H= (2 3)D Gia tải 0.05kg/cm2 2.5kg/cm2 đo h Kết quả: Đồ thị h/h = Vậy: E = / Dùng cho đất dẻo cứng trở lên Đất thuần dính nén đến phá hoại ph thì lực dính C = ph/2 2.6.Cố kết thấm của đất sét: + Biến dạng kéo dài gọi là hiện tợng cố kết Đất sét: Thời gian cố kết Th/nghiệm vài tuần Thực tế hàng trăm năm 2 nguyên nhân: Nớc cần có thời gian thoát ra khỏi lỗ rỗng... sự phá hỏng nh vậy gọi là phá hỏng về độ bền, phá hỏng về cờng độ hay mất ổn định Trong đất lúc đó hình thành một mặt trợt Sự trợt xảy ra vì dọc trên mặt trợt ứng xuất cắt đã > khả năng chống cắt của đất 3.2.Biểu thức Culông về sức chống cắt của đất: Theo Cu lông S = ma sát + Lực dính + Lực ma sát: Xuất hiện khi đất có xu hớng trợt lên nhau, tơng tự ma sát giữa 2 vật thể thông thờng Lực ma sát tỉ lệ . rời. Ngời ta qui ớc nếu đất có C u > 4 thì đợc coi là có cấp phối tốt, thích hợp cho sử dụng làm vật liệu xây dựng. Độ cong của đờng cong cấp phối hạt trong khoảng (d 60 , d 10 ), C c ,. kết tinh thể Không có khả năng phục hồi sau khi bị phá hoại. 2. Tính co và nở: + Tính nở: V khi W + Tính co: V khi nớc bốc hơi W Khi W sét chuyển dần trạng thái cứng lúc nào đó. http://www.ebook.edu.vn 7 Nhận xét: + Đờng cong dốc hạt đồng đều. + Xác định hàm lợng % của 1 nhóm hạt đ/k: d 1 d 2 nào đó + X/đ: d 10