[Xây Dựng] Giáo Trình Cơ Học Ứng Dụng - Cơ Học Đất (Lê Xuân Mai) phần 2 pdf

Đặc trưng đất xây dựng Phân loại đất Đất D chứa 95 % vật liệu mịn, giới hạn chảy 48 %, số dẻo IP = 18 vừa chớm nằm đường A-line biểu đồ tính dẻo Như loại CI – tức sét có tính dẻo trung gian • Cả loại đất A, B, C có 12% lọt qua rây số 200 (theo hệ thống phân loại thống Unified Soil Classification System Casagrande đề xuất năm 1948), liệt vào loại GW, GP, SW, SP o Loại đất A: Có ≤ 50 % lọt qua rây số sỏi sạn chiếm trội Vậy phải liệt vào G ωL = 35 % ,chỉ số deûo IP = ωL – ωP = 35% – 22% = 13 (không ký hiệu %), nằm đường A – line Xem loại sét CL Vậy loại Sỏi sạn lẫn sét o Loại đất B: Có < 50 % lọt qua rây số 200 Liệt vào loại Đất hạt thô, sỏi cát Vậy phải liệt vào G Tính toán % lọt qua rây # giữ lại rây #200: 72 % – 38 % = 34 % 100 % – 72 % = 28 % Vì đến 34 % > 28 % cho phần hạt thô chiếm bán loại CÁT Thí dụ 1-1b: Để xác định độ chặt trường khu vực xây dựng vừa san lấp xong, người ta dùng phương pháp phễu rót cát Khối lượng đất moi thìa khỏi lỗ đào bề mặt đất 4.87 kg Hố long đầy cát trút từ bình nhựa, có trọng lượng 3.86kg Khi định chuẩn bình cát, người ta long đầy bình tích 0.0048 m3 phải cần đến trọng lượng cát 6.82 kg Khi xác định độ ẩm, 28.26 gram đất đó, người ta đem sấy khô cân nặng 22.2 g Giả sử tỉ trọng cát 2.67, xác định trọng lượng riêng tự nhiên dung trọng khô đất đó, xác định độ bão hòa đất ủoự Giaỷi: ã 6.82 ì 10 = 14208 N / m = 14.208kN / m 0.0048 3.86 × 10 Thể tích hố đào thí nghiệm: v = = 0.00272m 14208 4.87 × 10 Dung trọng tự nhiên đất γ = = 17904 N / m = 17.90kN / m 0.00272 28.26 − 22.2 Độ ẩm (theo định nghóa) ω = × 100 = 27.3% 22.2 17904 Dung trọng khô (theo định nghóa) γ k = = 14064 N / m + 27.3 γ 1000 Hệ số rỗng e = GS W − = 2.67 × − = 0.899 γk 1406.4 Dung trọng cát bình: γ = Đặc trưng đất xây dựng Độ bão hòa S = ωG S e = Phân loại đất 27.3 × 2.67 × 100 = 81.08% 0.899 Thí dụ 1-1c: Từ kết thí nghiệm rây sàng đây, vẽ đường cong phân bố cỡ hạt Từ a) Xác định cỡ hạt hữu hiệu; b) Hệ số đồng hệ số cấp hạng (hay gọi hệ số độ cong đường cong phân bố cỡ hạt) Kích thước Khối lượng Mắt Rây giữ lại (mm) rây 0.074 26.4 0.15 159.9 0.3 122.5 0.6 38.7 1.2 52.8 2.4 36 Tổng số khối lượng đất đem vào thí nghiệm rây sàng 500g Giải Trong này, người ta không cho khối lượng lọt qua rây, mà người ta lại cho khối lượng giữ lại rây Như vậy, người học cần hiểu cách tính chuyển lại % mịn (chính % lọt qua rây) cách nghiên cứu cách tính bảng sau: Kích thước mắt Khối lượng giữ Phần trăm giữ lại % Cộng dồn giữ % mịn rây (mm) lại rây (g) (%) lại 2.4 36.0 7.2 7.2 92.8 1.2 52.8 10.56 17.76 82.24 0.6 38.7 7.74 25.50 74.5 0.3 122.5 24.5 50.0 50 0.15 159.9 31.98 81.98 18.02 0.074 26.4 5.28 87.26 12.74 Đường A – line (dùng cho phân loại đất – Theo Unified Soil Classification System): 50 CH CHỈ SỐ DẺO IP 40 IP = 0.73(ω L-20) 30 CL 20 10 Phương trình đường A – line CL CL- ML MH OH Dẻo mềm đến dẻo nhão 50 60 90 20 GIỚI HẠN LỎNG ω L Sau có bảng tính % mịn ứng với cỡ hạt cho cột kích thước mắt rây, ta dựng đường cong phân bố cỡ hạt Như sau: ML Đặc trưng đất xây dựng Phân loại đất ♦92.8 % ♦ 82.24 80 % mịn ♦ 74.5 % 60 ♦ 50 % 40 20 ♦18.02 2.4 1.2 0.6 0.3 D60= 0.43 mm 0.1 12.74 ♦ Đường kính hạt (tỷ lệ Log) 0.074 D30= 0.21 mm Dựa vào đường cong vừa dựng được, để xác định đường kính hữu hiệu, tức D10, ta làm sau: - Trên trục tung, trị số 10% mịn hơn, dóng ngang - Đụng đường cong phân bố cỡ hạt chỗ nào, dóng thẳng đứng xuống trục hoành, điểm Điểm D10, tức đường kính mà có 10% khối lượng nhỏ đường kính Ta có D10 = 0.07 mm Lưu ý trục hoành lập theo tỷ lệ Log số 10 (Logarit thập phân) Cách làm tương tự với D60 D30 Ta có D60= 0.43mm, D30=0.21mm Từ theo công thức hệ số đồng C u = D 60 0.43 = = 6.14 D10 0.07 D30 0.212 = = 1.47 Hệ số cấp hạng C g = D 60 × D10 0.43 × 0.07 Như vậy, Cu >5 ta đánh giá đất có cỡ hạt không đồng đều, nghó a cấp phối tốt Vì Cg khoảng từ đến 3, ta hiểu đánh giá đất gồm đủ cỡ hạt, cỡ hạt chiếm ưu cỡ hạt Tức đất có cấp phối tốt Có thể tính hệ số thấm đất theo công thức Allen Hazen) k = 10 -2 (D10)2 đơn vị m/sec D10 tính theo milimet, D10 = 0.07mm Ta tính k = 49 x 10-6 m/s (hay 4.9 x 10-3 cm/s có tính thấm khá) Những mối liên hệ bên đất – Đầm chặit đất Phân loạ Đặc trưng đất xây dựng §3 Những mối liên hệ bên đất Mối liên hệ pha (quan trọng) Có thể phân loại đất theo tổ hợp hay pha; nhiên, học giới hạn lại xét pha rắn lỏng, pha khí nêu diện, mà không nói điều thêm Định danh thông số : Trọng lượng (weight, thí dụ Niutơn) Wt = Wnước + Whạt viết thành Wt = Wn + Wh Khối lượng (Mass, thí dụ gram) Mnước , Mhạt viết thành Mn , Mh Thể tích Vt = Vrỗng + Vhạt = Vkhi’ + Vnước + Vhạt Độ ẩm (m độ): w% = Mnước / Mhạt Hệ số rỗng e/ độ rỗng n: n = Vrỗng/ V e = Vrỗng/ Vhạt Thể tích riêng: v=1+e Tỷ trọng hạt: G s = Ms / ρ W V s ( lưu ý M mass - khối lựợng) Dung trọng (trọng lượng thể thích) tự nhiên đất: γ = W /V (lưu ý W có thứ nguyên lực, thường Niutơn hay kN) Dung trọng đẩy nổi: Khi đất chỗ hoàn toàn bão hòa, tập đoàn hạt rắn (thể tích 1; cân nặng Gs γW ) bị chịu lực đẩy lên (lực Archimede), dung trọng đẩy γ’ = γBH – γW (1-4) Độ chặt tương đối: Dr = e Max − e e Max - e Dưới lược đồ mối liên hệ pha: Thể tích Thể tích riêng e V 1+ e e Phía trọng lượng W = G + Se Vγ w 1+ e Phần nước V V 1+ ε Wn = 1 S e Vγ w G = V γ S Vγ w = 1+ e 1+ e 1+ e Phần rắn Hình 1.6 Lược đồ mối liên hệ pha Dẫn đến công thức cần nhớ e= Gω S Trong G tỷ trọng hạt; ω độ ẩm; S (%) độ bão hòa Thí dụ 1.2 (1-5) Những mối liên hệ bên đất –Phâmloại tđất t Đần chặ đấ Đặc trưng đất xây dựng Mẫu đất điều kiện tự nhiên có khối lượng 2290gram thể thí 1,15 x 10-3 m3 Sau sấy khô hoàn toàn (105o C) lò, khối đất nặng 2035 gram Tỷ trọng hạt G =2.68, xác định độ ẩm, tỷ số trống e, độ rỗng n, độ bão hòa Giải: M 2290 = = 1990kg / m −3 V 1,15 x10 Mg 2290 x9.8 Dung trọng (Trọng lượng riêng) γ = = = 1950 N / m −3 V 1,15 x10 M nuoc 2290 − 2035 = = 0.125 hay 12.5% Độ ẩm w = V 2035 Mật độ tự nhiên ρ= Từ công thức thống ta suy ρ= G S (1 + w) ρ nuoc 1+ e e = G S (1 + w) ρ nuoc −1 ρ Thay trị số số vào, ta e = [2,68 x(1+ 0.125)x Độ rỗng liên hệ với hệ số rỗng theo công thức: 1000 ] = 0.52 1990 e 0.52 = hay 34% = 0.34 + e + 0.52 G ω 2,68 x0.125 Độ bão hòa: S = S = = 0.645 64.5% hay e 0.52 n= Mối liên hệ độ ẩm – độ chặt (đặc biệt quan trọng cho toán đầm nện) 2.1 Khái niệm: • Trong xây dựng hạ đường lộ đê đập đất nhiều dự án kỹ thuật khác, đất rời phải đầm nện để gia tăng dung trọng đất, gia tăng đặc tính lý theo chiều hướng có lợi giảm bớt thuộc tính bất lợi • Tại phải đầm chặt: Với tác dụng đầm đạt công đầm chặt định, làm cho lượng nước cần để đất đạt đến độ chặt lớn nhất, độ ẩm gọi độ ẩm tối thuận (hay tối ưu), với độ chặt khô tương ứng gọi lạ độ chặt khô lớn • Đầm nện giúp: Gia tăng độ bền đất Giảm tính thấm Giảm thiểu độ lún nền; Gia tăng dộ ổn định sườn dốc mái dốc • Đầm chặt đất tiến hành tải trọng tónh động: Lu bánh cứng trơn (Smooth-wheel rollers): Lu đá Lu chân cừu (Sheepfoot rollers): Lu đất cát pha sỏi sạn Lu bánh (Rubber-tired rollers): Lu nhựa đường Đặc trưng đất xây dựng Những mối liên hệ bên đấPhâĐầm i đất đất t – n loạ chặ Đầm rung (Vibratory Rollers): Đầm dăm đá cấp phối Thổi rung (Vibroflotation) Dóa rung: thích hợp cho loại đất, cạnh bẻ lên, gắn mô tơ, kéo tay khắp bề mặt (thường thấy thi công ngành công chánh) 2.2 Nguyên lý bản: Mức độ đầm nén đất đo dung trọng γopt nó, độ ẩm tối thuận nó, wc • Quá trình đầm nén đơn giản trục xuất không khí khỏi khe rỗng đất hay ngắn gọn giảm hệ số rỗng • Giảm thiểu nước lỗ rỗng đồng nghóa với cố kết 2.3 Cơ chế đầm chặt đất: • Bằng cách giảm hệ số rỗng, nhiều đất gộp cộng lại thành khối Khi độ ẩm bị cộng theo khối (water content, wc, độ ẩm tăng lên), hạt đất trượt nhiều lên gây giảm thiểu thể tích tổng cộng, kết cộng thêm đất vào đô chặt khô gia tăng tương ứng • Gia tăng Wc gia tăng mật độ(độ chặt) γkhô Đến giới hạn (% độ ẩm cực đại, gọi độ ẩm tối thuận) Sau giới hạn này, việc gia tăng Wc làm giảm mật độ (độ chặt) • Độ ẩm tối ưu có liên quan đến yếu tố sau: Tính dẻo đất tăng, lượng độ ẩm tối ưu tăng; Tùy theo sức đầm chặt, đường cong lượng nước với độ chặt khô dịch lên phía phải, lượng nước tốt giảm độ chặt khô tốt tăng; Tương tự, đất hạt thô, đầm chặt đạt đến độ chặt khô lớn đất hạt mịn Đất có hệ số rỗng lớn, chịu nén (tức bị lún nhiều) Một lượng đầm chặt cao hơn, gây giá trị tối đa độ chặt khô lớn hơn, độ ẩm tối thuận có giá trị bé Độ chặt khô (Mg/m3) • Đường bão hoà 4.5 kg chùy Công thức tổng quát lượng đầm thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn: E = (Số chày lớp x Số lớp x Trg Lượng Búa x Hrơi) (THỂ TÍCH CỦA CỐI KHUÔN PROCTOR) 2.5 kg chùy / Độ ẩm Hình 1.7: Đường cong đầm nện theo thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn 2.3.1 Thí nghiệm đầm chặt đất Gọi thí nghiệm tiêu chuẩn, giống nơi giới Như sau: Khuôn hình trụ có dung tích 1lít Đất, lược bỏ hạt sạn d>20mm, đưavào cối Chày nặng 2,5 kg thả rơi tự 0.3m, 25 đến 27 vồ đầm quanh khắp nơi cối Nếu dùng loại chày 4.5 kg thả rơi Đặc trưng đất xây dựng Những mối liên hệ bên đấtPhân loạchặtt đất – Đầm i đấ 0.45m phải làm lớp , lớp 27 vồ thí nghiệm gọi thí nghiệm Proctor cải tiến Rạch để làm nhám bề mặt tiếp xúc lớp, cho đất lớp vào Đầm tương tự Sau đủ 1lít đất đầm, đem xác định dung trọng chung, độ ẩm, tính toán dung trọng khô đất cối Quá trình làm lặp lại lần, gia tăng độ ẩm lần Ta có điểm độ ẩm dung trọng khô (độ chặt khô trục tung, độ ẩm trục hoành đồ thị) Đồ thị bộc lộ cho thấy có giá trị độ ẩm định mà độ chặt hay dung trọng khô có trị số lớn Đó độ ẩm tối thuận, nghóa độ ẩm việc đầm nén thuận lợi nhất; nói cách khác, độ ẩm nhỏ lớn độ ẩm tối thuận, công đầm nén chưa đạt (đất cứng quá) phí công (đất ẩm quá) không đạt độ ẩm tốt 2.3.2 Sau xác định độ ẩm tối thuận phòng thí nghiệm, vấn đề thực tiễn độ ẩm tối thuận trường : Độ ẩm tối thuận xác định phòng thí nghiệm không áp dụng cho trường, khác biệt lượng đầm phòng lượng dùng trường; phòng dùng cỡ hạt > chiều dày lớp chịu nén) Lưu ý trị hữu hiệu ứng suất (mẫu số) 2.3 Hệ số nén thể tích mV: Được định nghóa thay đổi thể tích đơn vị thể tích độ tăng đơn vị áp lực hữu hiệu (sẽ học sau) mV có thứ nguyên nghịch đảo áp lực (thí dụ : đơn vị cm2/N) mv = H - H1 e − e1 = + e0 σ − σ H σ - σ (1-7) Trị số số theo loại đất mà tùy thuộc vào khoảng giá trị phân bố ứng suất xét (độ gia tăng ứng suất nén thường lấy xấp xỉ 10T/m2) Đặc trưng đất xây dựng Tính chất vật lý học icủat đất Phân loạ đấ 2.4 Chỉ số nén CC (không thứ nguyên): Đây thông số quan trọng tính toán độ lún công trình nói lên độ lớn độ lún sau hoàn tất cố kết sở Thông số không phản ảnh cố kết thứ cấp có liên quan đến từ biến (tính chất từ từ biến dạng đất tải trọng kéo dài) Đơn giản, số nén giống hệ số nén a (công thức (1-6) biểu thị áp lực nén biểu thị theo trục log10 (Có thể lấy phần tuyến tính đường cong e-Logσ, thí dụ cấp áp lực -2) CC = e0 - e Log (σ /σ ) (1-8) 2.5 Muyn tổng biến dạng: Đất biến dạng đàn hồi, mà biến dạng dẻo Vì vậy, loại trừ biến dạng dẻo, Môđuyn biến dạng trở thành môđuyn đàn hồi (đối với đất, điều xảy ra) Nói cách khác, biến dạng không tuyến tính, người ta sử dụng mô đuyn biến dạng • Tính chất cố kết (khi có thoát nước lỗ rỗng đất dính): Độ lún thường xuyên kéo dài theo thời gian liên quan đến thoát nước khỏi lỗ rỗng đất có hệ số thấm nhỏ (hệ số thấm k ~ từ a.10-5 đến a.10-7 kg/cm) Cho nên, cần tìm hiểu hệ số thấm trước 2.5 Xuất phát điểm vấn đề cố kết đất: Đó Định luật thấm Darcy (cho dòng chảy tầng qua lỗ rỗng đất) v = q/A = k.i Trong đó, i gradien thủy lực, k hệ số thấm; v vận tốc dòng lưu qua tiết diện toàn A Hệ số thấm k từ công thức liên quan đến cỡ hạt xác định từ trường giới thiệu chương sau Tuy nhiên, lưu tốc thực nước lỗ rỗng phải chia cho độ rỗng diện tích toàn (đã ý đoạn trên), mà diện tích trống (xem hình 2.3) Lỗ rỗng A v = n A > v = n vthực ( n độ rỗng = e/1+e) ( nghóa vthực lớn v ) Hình 2-3:Sự lưu nước qua diện tích trống Hạt Sự thấm qua đất giới thiệu phần lớn chương nói phía sau 2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính thấm đất: CÁT Hệ số thấm cát phụ thuộc nhiều vào hình dạng (hằng số CHD), đường kính hạt DS hệ số rỗng e theo công thức sau: k = D S γ e3 C HD µ 1+ e (1-9) Đặc trưng đất xây dựng SÉT Tính chất vật lý Phân loại a đất học củ đất Lưu ý : Cát không bị cản trở màng nước kết hợp Cho nên muốn giảm tính thấm đất, có cần pha thêm hạt mịn vào Tính thấm Sét hoàn toàn khác với cát, do: - Cấu trúc vi mô hạt sét có dạng “sắp dóa”; - Lớp nước màng mỏng bao quanh hạt, cản trở nước tự (thu hẹp diện tích lưu qua) - Thực nghiệm cho thấy : Đối với đất hạt mịn nói chung, có mối quan hệ tuyến tính (Log k) hệ số rỗng (trang 116 sách Taylor) Bằng việc tái lặp nghiên cứu thực nghiệm mối quan hệ cho địa chất VN, sinh viên tự tìm kết riêng - Theo chiều song song với lớp địa tầng, hệ số thấm thường lớn k theo chiều vuông góc với lớp địa tầng - Màng nước dày lên, thường trao đổi ion Na+ Muốn làm tăng tính thấm, phải thêm vào chất điện giải hoạt tính cao, làm hạt nhỏ kết lại thành mảng lớn > gia tăng lỗ rỗng 2.7 Gradien thủy lực ban đầu đất sét: Chỉ gradien thủy lực > trị số định (gọi gradien thủy lực ban đầu io ) dòng thấm sinh ( Hình 2.4a ) Một hạt đất chịu lực dòng thấm đẩy (hình 2.4b) Lực đẩy A v •3 (Lực Archimede) Đường dòng Chỉ i > iO⇒ có dòng •2 thấm xuất i iO Lực thấm S i’O Hình 2.4:a) Điều kiện để phát sinh dòng thấm;b) Lực tác động lên hạt đất 2.8 Quá trình cố kết đất dính no nước : Ta học lý thuyết cố kết thấm Terzaghi, theo đó: (1) áp lực nước lỗ rỗng giảm dần; (2) áp lực tải tăng dần, truyền lên khung hạt đất, tì chống lên nhau, gọi áp lực hữu hiệu, nghiên cứu tỉ mỉ chương 2.9 Hệ số cố kết Cv: Trong lý thuyết cố kết Terzaghi, người ta ký hiệu hệ số cố kết CV CV = k (1 + e) ( thứ nguyên [chiều dài (m)2] / [ thời gian(năm)] ) aV γ W (1-10) CV giúp đánh giá thời gian hoàn tất % định trước độ lún cố kết (chương 4) Đặc trưng đất xây dựng Tính chất vật lý Phân loại a đất học củ đất Hai đại lượng CC CV giúp đánh giá hoàn chỉnh vấn đề chủ yếu liên quan đến độ lún công trình (sẽ học sau chương 4) • Mối liên hệ học áp lực hệ số rỗng tùy thuộc vào lịch sử ứng suất: Do có số loại sét khứ vốn chịu áp lực nén > áp lực chịu thời điểm Đất gọi cố kết trước, có nhiều nguyên nhân giải thích cho tượng Tính chất học đất • Độ bền (khả chống cắt, độ bền thừa dư): Là tính chất quan trọng tính toán đất móng công trình Độ bền (còn gọi sức chống cắt) hợp thành từ sức chịu ma sát bên hạt chịu tải trọng lực dính hạt đất, có thứ nguyên ứng suất ([Lực]/ [diện tích] thí dụ : kN/m2) Có cách xác định độ bền đất : thí nghiệm phòng trường (i) Trọn gói, thường ký hiệu su (Đây xu hướng nghiên cứu học đất đại) (ii) Tách hai thành phần: lực dính đơn vị (C ) lực ma saùt (σ tanϕ ); τf = su = C + σ tanϕ (1-11) Lưu ý lực dính (Cohesion) ma sát (internal friction) nêu vật liệu đất với đất; xét lực dính đất với vật liệu khác thép hay bêtông, ta phải dùng lực dính bám bết (adhesion) góc ma sát (extermal friction angle), phần trăm lực dính góc ma sát Để xác định C tanϕ, phòng thí nghiệm người ta tiến hành • Cắt trực tiếp đất; • Cắt đơn giản mẫu đất vòng xoắn bao quanh mẫu; • Nén máy nén trục phá hoại mẫu; • Nén đơn trục không bó hông, xác định qu Trên thực địa, có nhiều cách để xác định độ bền chống cắt đất, kể: • Cắt cánh (vane test); • Cắt đất hố theo trường • Bàn nén trường • Độ bền nén đường bộ, sân bay, bãi : Trong ngành đường lộ, phải thiết kế bãi công trình kho xưởng nhịp lớn… người ta có sử dụng số gọi số sức chịu CBR (chữ viết tắt California Bearing Ratio) Một cách ngắn gọn, Nén đo số CBR tiến hành cách nén thâm nhập nòng pixtông đường kính 55mm xuống nền, tốc độ ấn 1.27mm/phút cho lút vào đất đoạn 5,08mm (tổng hành trình đến 15mm); đo áp lực lúc so với cách làm tương tự với đá vụn, 10,3 Mpa, tỷ số CBR • Các yếu tố ảnh hưởng đến tính đất ... (mm) lại rây (g) (%) lại 2. 4 36.0 7 .2 7 .2 92. 8 1 .2 52. 8 10.56 17.76 82. 24 0.6 38.7 7.74 25 .50 74.5 0.3 122 .5 24 .5 50.0 50 0.15 159.9 31.98 81.98 18. 02 0.074 26 .4 5 .28 87 .26 12. 74 Đường A – line (dùng... đất xây dựng Phân loại đất ♦ 92. 8 % ♦ 82. 24 80 % mịn ♦ 74.5 % 60 ♦ 50 % 40 20 ♦18. 02 2.4 1 .2 0.6 0.3 D60= 0.43 mm 0.1 12. 74 ♦ Đường kính hạt (tỷ lệ Log) 0.074 D30= 0 .21 mm Dựa vào đường cong vừa... 22 90 − 20 35 = = 0. 125 hay 12. 5% Độ ẩm w = V 20 35 Mật độ tự nhiên ρ= Từ công thức thống ta suy ρ= G S (1 + w) ρ nuoc 1+ e e = G S (1 + w) ρ nuoc −1 ρ Thay trị số số vào, ta e = [2, 68 x(1+ 0. 125 )x