[Xây Dựng] Giáo Trình Cơ Học Ứng Dụng - Cơ Học Đất (Lê Xuân Mai) phần 1 ppt

DƯƠNG HỒNG THẨM CƠ HỌC ĐẤT (GIẢN LƯC) ĐH MỞ BC TPHCM, – 2004 LỜI NÓI ĐẦU Cuốn sách viết để phục vụ cho sinh viên năm thứ ngành Xây Dựng, Khoa Kỹ thuật Công nghệ ĐH Mở TpHCM Tác giả viết sách với tư tưởng chủ đạo xây dựng nội dung chương cho người học phát triển dần theo mức độ Biết – Hiểu – Làm sau học xong chương - “Biết” từ chi tiết đoạn, mục tiểu mục, phương pháp, kỹ thuật tính toán …được chọn để nêu nội chương đó, mà người học có kiến thức Biết giai đoạn tiếp cận kiến thức - “Hiểu” suy diễn từ chi tiết viết đoạn văn, với ngụ ý sâu xa hơn, tư rút cấp độ cao bậc so với mức độ Biết Hiểu mở rộng đến ứng dụng thực tiễn, giúp phân biệt trường hợp với trường hợp khác, nâng cao trí tưởng tượng suy luận thêm cặn kẽ thấu đáo vấn đề kiến thức - “Làm sau học xong chương” mục tiêu quan trọng sau mà tác giả mong muốn người học đạt Đó kỹ năng, tay nghề thủ thuật giải yêu cầu toán để đến đáp số, thí dụ: kỹ ước tính độ lún móng phương pháp này, phương pháp kia; kỹ đọc đồ thị có trục hoành theo tỷ lệ Logarit… Với khoảng 200 trang sách, với nhan đề Cơ học đất giản lược, tác giả chưa muốn trình bày sâu lý thuyết tính toán cao sử dụng cho công việc hàng ngày nhà kỹ thuật, biết để biết Các thí dụ chọn lọc thiết kế để người học gần gũi với tình thực tế đời sống hàng ngày, tác giả đúc kết từ kinh nghiệm nhiều năm công tác nghiên cứu Nếu để ý, người học thấy thí dụ giải thường kèm giải thích, kê biên rõ ràng đơn vị tính nhiều biến đổi, phép toán, phép trung gian Người học bước đọc, nghiền ngẫm thí dụ, làm phép toán trung gian tiến đến có khả độc lập giải tập cuối chương Các tập cuối chương bản, số lượng không nhiều, theo tác giả cần thiết, học kỹ thí dụ, hiểu bài, làm Ngoài ra, tác giả dành đoạn thảo luận (in nghiêng) để trao đổi làm rõ thêm, gần giống người học lớp Đi kèm với giảng điện tử (sẽ sớm đưa vào thực Khoa), người sinh viên khuyến khích truy cập, đưa lên mạng hay phương tiện phòng máy multimedia Khoa nội dung thắc mắc để thảo luận, giống phần thảo luận Dó nhiên, sách tham vọng gói trọn vấn đề khoa học sở kỹ thuật xây dựng môn học đất, theo học thuyết truyền thống lẫn đại Thật ra, kiến thức vô rộng lớn, với thành tựu nhân loại cập nhật ngày, Nhưng theo tác giả, sách đủ đáp ứng không cho người sinh viên năm mà hữu ích cho người kỹ sư xây dựng trước công việc hàng ngày họ, giúp họ giải vấn đề mang tính phổ thông với độ an toàn kỹ thuật kinh tế thoả đáng Sau cùng, tác giả muốn nhắn nhủ đến sinh viên sử dụng sách là, học môn gì, ngành vậy, phải rèn luyện, tự học tự đọc, dành thời gian tối thiểu để làm tập, từ dễ đến khó vừa, dần đến khó hơn, trao đổi thảo luận với bạn giảng viên để nắm vững cho việc học môn học đất nói riêng môn học nói chung, tích lũy cho nghiệp sau Tuy sách viết giản lược với nhiều cố gắng, song không tránh khỏi thiếu sót hình thức lẫn nội dung, mong đón nhận góp ý người đọc, đồng nghiệp xa gần để sách ngày hoàn thiện hơn, hoàn thành vai trò phương tiện giúp đỡ học tập cho người học Tác giả chân thành cảm ơn GS.TSKH Lê Bá Lương TS Cao văn Triệu đọc góp ý kiến q báu cho nội dung học thuật sách Tác giả chân thành cảm ơn trường Đại Học Mở TpHCM tạo điều kiện để sách nhỏ in phát hành rộng rãi đến người học Tác giả, Tiến só Dương Hồng Thẩm (ĐH Mở, tháng 9/04) NHỮNG KÝ HIỆU CHÍNH A Diện tích a Số đọc đồng hồ đo chuyển vị thí nghiệm nén hộp nén B Bề rộng móng (không thứ nguyên B độ sệt đất) CU Hệ số đồng Cg Hệ số độ cong đường cong phân bố cỡ hạt CC Chỉ số nén Cα tốc độ nén thứ cấp c thông số độ bền (nói chung) cu Lực dính biểu kiến (ứng suất tổng cộng) c’ Lực dính thoát nước (ứng suất hữu hiệu) cr Lực dính thừa dư cw Lực dính (giữa tường chắn đất sau lưng tường) cv Hệ số cố kết (thoát nước phương đứng) ch Hệ số cố kết (thoát nước phương ngang) D Chiều sâu chôn móng D10 Cỡ hạt mà có 10% khối lượng mịn cỡ hạt d Chiều dài lộ trình hạt nước di chuyển đến biên thoát nước E Môđuyn đàn hồi, Môđuyn tổng biến dạng ε hay e Hệ số rỗng (hay gọi tỷ số trống) F Hệ số an toàn GS Tỷ trọng hạt g gia tốc trọng trường, 9,81 m/s2 H, h chiều cao cột nước tổng cộng, chiều cao nói chung Ip Chỉ số dẻo i gradient thủy lực J Lực dòng thấm K Hệ số áp lực ngang; Ka hệ số áp lực ngang chủ động Kp hệ số áp lực ngang bị động k Hệ số thấm M khối lượng, tức Trọng lượng /gia tốc trọng trường mV Hệ số nén thể tích N Lực pháp tuyến N Số thâm nhập chuẩn (SPT) Nd Số điểm rơi giảm (của lưu võng) Nf Số kênh lưu Nq Thừa số khả chịu tải (KNCT) theo chiều sâu chôn móng NC Thừa số KNCT theo lực dính Nγ Thừa số KNCT (có thể hiểu theo ma sát hay bề rộng móng) n Độ rỗng nd Số đẳng Pa Lực xô chủ động Pp Lực chống đẩy p p lực, ứng suất P Tải trọng Q Tải trọng tập trung qult Tải trọng tới hạn (tối hậu) q lưu lượng thấm q p lực, áp lực tiếp xúc; qa khả chịu tải cho phép qn áp lực ròng (bỏ áp lực đất đắp) S Độ bão hòa s, si, sc Độ lún, độ lún tức thì, độ lún tuyệt đối (sau hoàn tất cố kết sở) Tv Thừa số thời gian (trong toán nén cố kết ) t thời gian U Lực trung hòa (Lực nước biên ) U, Uz Mức độ cố kết u, uW p lực nước lỗ rỗng ue áp lực nước lỗ rỗng thặng dư u áp lực nước lỗ rỗng thủy tónh V Thể tích 1+ν thể tích riêng v vận tốc dòng lưu đất W Trọng lượng w độ ẩm wopt độ ẩm tối thuận wL giới hạn lỏng (là độ ẩm bắt đầu chuyển qua trạng thái lỏng) wp giới hạn dẻo (Giới hạn lăn) z Độ sâu z Cột nước độ cao α Góc nghiêng tường β góc nghiêng mặt đất , mái dốc β góc phương thẳng đứng với tia từ điểm xét kẻ đến mép diện chịu tải γ Trọng lượng riêng γd Trọng lượng riêng khô γBH Trọng lượng riêng bão hòa γđn Trọng lượng riêng đẩy γW, γnuoc Trọng lượng riêng nước δ Góc ma sát đất với tường ρ Tỷ trọng σ Ứng suất pháp : σ1 ứng suất pháp lớn (chủ yếu); σ3σ1 ứng suất pháp lớn (chủ yếu); σ2 ứng suất pháp trung gian σ’ Ứng suất hữu hiệu τ Ứng suất tiếp (ứng suất cắt): τf ứng suất cắt phá hủy φ Hàm ϕ Góc ma sát đất ϕ‘ góc ma sát (trường hợp ứng suất hữu hiệu) Đặc trưng đất xây dựng BảnPhânt loại đất chấ đất CHƯƠNG CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA ĐẤT - - - Mục tiêu chương : Biết nguồn gốc đất, yếu tố hình thành liên kết bên đất, độ bền đất, tính chất đặc trưng đất xây dựng có nhiều khuynh hướng để phân loại đất…Đặc biệt, mối liên hệ pha Hiểu trình từ chất đất xây dựng, qua phân loại đất, đến kết luận ban đầu khả sử dụng đất làm công trình; sau muốn sử dụng đất làm công trình phải trải qua trình định lượng hoá thí nghiệm, kiểm nghiệm để tìm thông số lý thông số tính nén ép … Làm sau học chương ? Có thể làm thí nghiệm rây sàng lắng đọng Lập sổ đo ghi; Phân loại đất (theo hệ thống phân loại đất xây dựng đó); Lập đường cong phân bố cỡ hạt; từ đó, tính cụ thể độ đồng đều, cỡ hạt hữu hiệu, hệ số thấm… Tự lập mối liên hệ pha đất (thay nhớ thuộc lòng) §1 Bản chất đất Đối tượng môn học: Môn học giúp người học đánh giá đất làm cho công trình xây dựng dựa vào yếu tố định lượng đất rút từ thí nghiệm thực nghiệm Những yếu tố định lượng quan trọng kể : - Tính chất vật lý đất: Dung trọng tự nhiên, dung trọng hạt, độ ẩm, độ bão hòa, hệ số rỗng, độ rỗng, hệ số thấm, giới hạn trạng thái… - Tính chất học đất: Lực dính đơn vị, góc ma sát nội, - Tính chất nén ép đất: Muyn tổng biến dạng, số nén Cc , hệ số nén Cv , hệ số đàn hồi k , số OCR (quá cố kết overcosolidation ratio) Ngoài nói đến đất, cần đánh giá đất theo tiêu trạng thái: Độ chặt, độ sệt, độ linh động… riêng đất hạt rời, ta thường quan tâm đến Góc trượt đất có cấu trúc (tường chắn, tường cừ bản) cấu trúc (mái dốc, sườn dốc) Quá trình hình thành đất: 2.1 Các chế dẫn đến thành tựu đất: Đất sản phẩm trình phong hóa bào mòn đá; sau phân hóa, sản phẩm đất di chuyển (do gió, nước mang đi) hay lắng đọng nằm chỗ (trầm tích) Ngoài chế sinh vật (do tác động động thực vật góp phần làm vỡ nát cấu trúc hạt nguyên sơ) có chế sau đây: Đặc trưng đất xây dựng BảnPhânt loại đất chấ đất Theo chế vật lý, hạt đất lăn lắng, đọng ao hồ, trầm tích bị nén ép qua hàng ngàn năm… hạt bị bào mòn, vỡ vụn mài sắc, cuối tụ tập lại hợp thành túi khối (bulky) mà trạng thái xếp hạt lỏng lẻo rời rã, chặt hay chặt Theo chế Hóa học, Nước, O2 CO2 tác động mà cấu trúc mạng tinh thể hình thành; phản ứng hóa học tác động lên chủ yếu hạt kích thước nhỏ (đường kính 100 mm ( phân loại tùy theo tiêu chí nước ); thí dụ: Sét loại đất có tính dính dẻo, thường nằm dải cỡ hạt sét bụi; - Hạt sét : Được liệt vào hạt mịn, gồm bụi bột; - Đất rời gồm hạt thô, cát điển hình đất rời • Cấu trúc hạt ? Đơn hạt Cấu trúc Tổ ong (Honeycomb) Hình 1.2: Các dạng nối ghép cấu trúc đất Có thể có cấu trúc hỗn tạp tổng hợp cấu trúc nói trên, cứng nguyên trạng, xốp bị xáo trộn (thí dụ: đất sét biển) Nói chung độ bền liên kết 2.10-4 mm (Lúc đó, hạt chuyển động Brown không Stoke’s kiểu v =const D2) • Người ta xem từ đường cong phân bố cỡ hạt, để xem: Đất có cấp phối tốt không (well-graded or not): Cấp phối tốt dải (tầm) cỡ hạt chiếm số ưu kích thước trung gian bị khiếm khuyết Nói khác đi, đất có cỡ hạt tập trung dải kích cỡ mà thôi, ta xem đất cấp phối tốt Khi đất có cấp phối tốt, đường cong phân bố cỡ hạt thoải, độ cong Cấp phối tồi (gọi “poor-graded” ): Cỡ hạt tập trung vào dải hẹp xung quanh cỡ đường kính Khi đất có cấp phối tồi, đường cong phân bố cỡ hạt gãy, hay dựng dốc gần dựng đứng b a Cỡ hạt (mm) Hình 1.4: Đường cong phân bố cỡ hạt :a) thoải (cấp phối tốt; b) dốc đứng (cấp phối tồi) Đặc trưng đất xây dựng BảnPhânt loại đất chấ đất Nói thêm đường cong phân bố cỡ hạt (Phương pháp học) U.S Standard Sieve ( Hiện xài phổ biến phòng thí nghiệm LAS): Rây sàng số No Mắt rây tính theo mm 4.76 10 20 40 60 100 140 200 2.00 0.84 0.42 0.25 0.149 0.105 0.074 Đường cong tích lũy • Tỷ lệ thẳng không tiện để định cỡ tất hạt (mắt rơi từ 200 mm đến 0.002 mm, tức chênh lệch đến chục vạn lần !) • Tỷ lệ Logarit dùng để vẽ mối liên hệ % lọt qua cỡ hạt • Thường hay vẽ “ngược”: phía xa gốc, cỡ hạt bé (xem hình 1.4) Từ đường cong phân bố cỡ hạt, người ta rút thông số sau: Hệ số đồng đều: Một thông số không thứ nguyên, gọi độ đồng Cu (hay hệ số Hazen Coefficient): Cu = D 60 D 10 (1-1) D10 gọi cỡ hạt hữu hiệu Cu < ta nói cỡ hạt Khá đồng đều; Cu =5 ta nói cỡ hạt có Tính đồng trung bình; Cu > ta nói cỡ hạt Không đồng (đồng nghóa với “cấp phối tốt” có đủ thành phần hạt, hạt nhỏ lấp đầy khoảng trống hạt lớn, đất chặt chẽ ); hệ số lớn cỡ hạt đất không đồng Có thể hình dung đất có phân bố dãn ra, tức đất dàn trải đủ loại cỡ hạt Hệ số phân cấp cỡ hạt hay gọi hệ số độ cong Cg (đo lường hình dạng đường cong phân bố cỡ hạt) D 30 Cg = D 60 × D 10 • (1-2) Cg từ đến 3, ta nói cấp phối tốt (thuật ngữ chuyên môn well graded) Nói chung hệ số biểu thị mức độ thiếu hụt cỡ hạt Hệ số thấm (Công thức Allen Hazen) k = 10 -2 (D10)2 (1-3) Luôn nhớ dùng công thức trên, D10 biểu diễn theo milimet hệ số thấm tính theo công thức có đơn vị m/s Tính thấm nước: đặc tính chung vật liệu có lỗ rỗng (porous medium); đặc tính có tương quan rõ rệt đến thông số cỡ hạt, đừơng kính độ chặt… đặc biệt chịu tải trọng Điển hình cát Sau này, ta thấy hệ số thấm theo hai phương có tài liệu viết có giá trị khác (ít) Đặc trưng đất xây dựng Phân loại đất Tính chịu trương nở: Sự thay đổi thể tích có chuyển đổi cấu trúc độ ẩm tăng lên (tưới ẩm, mưa lũ kéo dài, lũ lụt…) • Tính từ biến: - Mạng lưới cấu trúc tinh thể hạt khoáng biến hình; - chảy nhớt chậm chạp màng nước liên kết chặt > xếp lại chặt dần hạt Ghi nhớ : Tất tính chất vừa nêu có mối liên hệ với thuộc tính mang tính “chỉ số “ ( thuộc tính loại trạng thái điều kiện đất, thớ duù chổ soỏ deỷo) ã Đ2 Phaõn loaùi ủaỏt Mục đích việc phân loại (Tại cần phân loại?) Để diễn tả loại đất khác kể đến thiên nhiên cách thức có hệ thống thu thập đất có thuộc tính vật lý biệt định thành nhóm đơn vị • Yêu cầu chung hệ thống phân loại đất: - Dựa phương pháp khoa học; đơn giản; - cho phép phân loại mắt thí nghiệm kinh điển - diễn tả thuộc tính kỹ thuật - Nên chấp nhận kỹ sư Yêu cầu mô tả loại đất Mô tả nhanh xác đầy đủ theo hai đặc trưng: Vật liệu qui mô khối tảng; • Đặc trưng vật liệu: Là đường cong phân bố cỡ hạt tính dẻo nhờ tiến hành thí nghiệm tiêu chuẩn, nhìn mắt hay thủ công Thứ đến, màu sắc hình dạng đất; cấu trúc thành phần hạt • Đặc trưng khối tảng: Tốt tiến hành mô tả mảng khối (mass) thực địa, nhiên có tiến hành phòng mẫu nguyên trạng Việc mô tả cần nêu : Độ cứng chắc; Chi tiết tảng địa tầng; Có hay không bất liên tục, hay phong hóa Giới hạn vó mô địa tầng (chẳng hạn nói có lăng kính cát hạt mịn bụi đất sét, lưỡi sét tầng cát, túi bọng hay hữu cơ, rễ ) Có thể gọi tên theo thuật ngữ thêm yếu tố địa lý ( thềm sông, cửa bể, lòng hồ ) • Một số ghi nhận mang tính kinh nghiệm: - Những hạt d = 0.06mm cỡ hạt ranh giới cho hạt thô, nhìn mắt thường cảm thấy không trơn chà xát ngón tay, hạt mịn hơn, chà xát ngón tay thấy trơn - Trên 2mm sạn hay sỏi; nhỏ cỡ hạt nhập lại với ẩm (lực hút mao dẫn); - Đối với vật liệu hạt mịn quan trọng phải biết hạt mịn có mang tính dẻo (sét ) hay không dẻo ( bụi ) Muốn biết có tính dẻo hay không ta làm sau: Nhào Đặc trưng đất xây dựng Phân loại đất nặn cục đất, độ ẩm thích hợp Lực dính đất, độ ẩm thích hợp đó, đúc kết thành cục tương đối cứng chắc, mang tính dẻo biến dạng mà không nứt hay gẫy mà không lực dính Nếu tính dính tính dẻo (yếu) hạt mịn chủ yếu không dẻo (bụi) • Thí dụ phát biểu mô tả đất: Dưới kiểu mẫu cách phát biểu mô tả đất (thường thấy tập báo cáo địa chất công trình) CÁT, lẫn sỏi sạn, cấp phối tốt, có góc cạnh, màu nâu nâu đỏ, trạng thái chặt vừa; SÉT phiến, màu xám xanh, đôi chỗ có lẫn bụi 0.5 đến 2mm trạng thái dẻo cứng; Các kiểu phân loại 3.1 Có nhiều cách phân loại: - Theo kiểu cấu trúc tương tác với hạt xung quanh: Đất rời đất dính; - Theo đường kính cỡ hạt: thông qua tỷ lệ cỡ hạt, mà người ta cho chúng định tính chất loại đất; - Theo thông số sau thí nghiệm: Sau số thí nghiệm chuyên biệt, người ta kết luận đất thuộc loại theo trạng thái, màu sắc, độ bền độ chặt v v - Theo thông số vật lí đại lượng đó, nhằm phục vụ cho mục tiêu hẹp học hay kỹ thuật (thí dụ: dựa vào hệ số no nước, người ta phân loại đất ẩm, ẩm hay no nước) - Theo quan điểm nhà khoa học học đất khác giới mà có nhiều tiêu chí phân loại khác - Theo mức độ tác động lên đất tải trọng ngành kỹ thuật khác nhau: Ngành giao thông phân loại đất khác với ngành dân dụng (do tải trọng mức độ tiếp thu tải trọng đất ngành cầu đường giao thông khác với ngành dân dụng; tải trọng tónh động mức biến dạng khác nên phân loại khác nhau) 3.2 Kiểu phân loại thông dụng: a Phân loại theo kinh nghiệm: Kiểu phân loại dựa vào giác quan, trực quan trường, tính kinh nghiệm không dựa vào phép phân tích cỡ hạt, hay thí nghiệm (Thí dụ tham khảo Bảng 1-8 trang 34 giáo trình “ Cơ học đất” Bùi Anh Định) b Phân loại theo thí nghiệm tiêu chuẩn bản: • (Bảng trang 25 Peck) • Tiêu chuẩn Anh BS: • Tiêu chuẩn ASSHO ( Hiệp hội cầu đường Mỹ) • Tiêu chuẩn ASTM ( trang 28 Peck): 1- Geologic Soil Classification System 2- Agronomic Soil Classification System 3- Textural Soil Classification System (USDA) : - Chỉ xem Cát, Bụi, Sét, số lượng sỏi (Gravel) - Có đến 12 nhóm hệ thống phân loại Đặc trưng đất xây dựng Phân loại đất 4-American Association of State Highway Transportation Officials System (AASHTO) : Có nhóm A-1 đến A-7: Hạt A-1 {A-1-a - A-1-b} ;cát & sỏi A-2 {A-2-4 – A-2-5 - A-2-6 - A-2-6} A-3; Haït mịn (> 35% lọt qua rây sô’ # 200_:Hạt mịn A-4 A-5; Sét bụi A-6 A-7 5- Unified Soil Classification System (USCS) :Có nhóm chính: [G= Sỏi sạn; S= Cát] [M= Bụi; C = Sét] [O= Hữu cơ] ; đất rời, (Gravel and Sand) dùngchữ P(viết tắtcủa chư’ Poorly Graded hay W = Well Graded ; đất dính (Silt & Clay), dùng chữ L = Low Plastic ( Dẻo thấp ) H = High Plastic (dẻo cao) Sỏi sạn:GW = Well Graded Gravel; GP = Poorly Graded Gravel ; GM = Silty Gravel;GC = Clayey Gravel ;Lọt qua rây số # :SW = Well Graded Sand ; SP = Poorly Graded Sand ;SM = Silty Sand ;SC = Clayey Sand ; Loït qua raây # 200 : ML = Low Plastic Sil (dẻo thấp) ;CL = Sét dẻo thấp (Low Plastic Clay); MH = High Plastic Silt; CH = High Plastic Clay Cách gọi nhóm phân loại thông dụng 6- American Society for Testing and Materials System (ASTM) 7- Federal Aviation Agency System (FAA) 3.3 Thí dụ minh họa cách phân loại đất Thí dụ 1- 1a: Dưới bảng tổng hợp kết thí nghiệm rây sàng lắng đọng: Rây sàng Lắng đọng Rây # Raây # 10 Raây # 40 Raây # 60 Rây # 100 Rây # 200 Đất A 42 33 20 Phần trăm mịn Đất B Đất C 72 95 55 90 48 83 Đất C 18 14 42 38 71 55 100 95 69 46 31 ωL 35 % 39 % 55 % 48 % ωP 22 % 27 % 24 % 30 % 0.074 0.020 0.006 0.002 Các giới hạn Atterberg: Yêu cầu: Phân loại Giải: ... loại đất 4-American Association of State Highway Transportation Officials System (AASHTO) : Có nhóm A -1 đến A-7: Hạt A -1 {A -1 - a - A -1 - b} ;cát & sỏi A-2 {A- 2-4 – A- 2-5 - A- 2-6 - A- 2-6 } A-3; Hạt... ì D 10 ã ( 1- 2 ) Cg tửứ đến 3, ta nói cấp phối tốt (thuật ngữ chuyên môn well graded) Nói chung hệ số biểu thị mức độ thiếu hụt cỡ hạt Hệ số thấm (Công thức Allen Hazen) k = 10 -2 (D10)2 ( 1- 3 )... Peck): 1- Geologic Soil Classification System 2- Agronomic Soil Classification System 3- Textural Soil Classification System (USDA) : - Chỉ xem Cát, Bụi, Sét, số lượng sỏi (Gravel) - Có đến 12 nhóm