Giáo trình cơ học đất part 6 pot

156 Khi cắt mẫu cát chặt, độ lệch ứng suất chính đạt giá trị lớn nhất, sau đó giảm tới gần giá trị ( 1 -  3 ) ult của cát rời. Đường cong quan hệ ứng suất-hệ số rỗng cho thấy ban đầu mẫu cát chặt giảm nhẹ thể tích, sau đó phình ra hay nở ra đạt tới e cd (e-chặt). Lưu ý rằng hệ số rỗng lúc phá hoại e cd rất gần với giá trị e cl . Về lý thuyết, cả hai giá trị đó bằng với giá trị hệ số rỗng tới hạn e crit . Tương 157 tự, các giá trị của ( 1 - 3 ) ult đối với cả hai thí nghiệm phải như nhau. Sự khác biệt là do những khó khăn trong việc xác định chính xác hệ số rỗng cuối cùng cũng như sự phân bố bất đồng nhất của ứng suất trong các mẫu thí nghiệm (Hirschfeld, 1963). Hiện tượng ứng suất phân bố bất đồng nhất trong mẫu đất được chứng minh bằng nhiều cách khác nhau ở đó các mẫu thường bị phá huỷ. Mẫu đất rời rạc chỉ phình ra, trong khi đó mẫu đất chặt thường phá hoạt dọc theo một mặt phẳng rõ ràng nghiêng một góc khoảng 45 0 +(‟/2) với phương nằm ngang (trong đó ‟ là góc chống cắt hiệu quả của cát chặt). Lưu ý rằng có thể, ít nhất là về lý thuyết, tạo một mẫu đất với hệ số rỗng ban đầu mà biến đổi thể tích của mẫu tại thời điểm phá hoại bằng không. Hệ số rỗng đó tất nhiên là hệ số rỗng tới hạn e crit. 11.4 Ảnh hƣởng của hệ số rỗng và áp lực đẳng hƣớng đến sự thay đổi thể tích Để mô tả sâu hơn ứng xử của hai thí nghiệm nén ba trục thoát nước đối với đất cát rời rạc và cát chặt thể hiện trong hình 11.3, các đại lượng vật lý sau được đề cập: độ lệch ứng suất chính biến dạng thay đổi thể tích hệ số rỗng tới hạn e crit và, gián tiếp, độ chặt tương đối (công thức 4-2 và 4-3) Tránh định nghĩa các khái niệm rời và chặt bởi vì sự thay đổi thể tích trong quá trình cắt mẫu đất không chỉ phụ thuộc vào hệ số rỗng ban đầu và độ chặt tương đối mà còn phụ thuộc vào áp lực đẳng hướng. Ảnh hưởng của áp lực đẳng hướng đến ứng suất-biến dạng và các đặc trưng thể tích của đất cát trong cắt thoát nước sẽ được trình bày trong mục này. Những ảnh hưởng của  3 có thể được đánh giá (và, nên nhớ rằng, trong thí nghiệm thoát nước  1 =  3 , và áp lực nước lỗ rỗng dư luôn bằng không) bằng cách chuẩn bị một số mẫu có cùng hệ số rỗng và thí nghiệm chúng ở các cấp áp lực đẳng hướng khác nhau. Có thể nhận thấy sức kháng cắt tăng khi tăng áp lực đẳng hướng  3 . Một cách thông thường để biểu diễn các số liệu giữa độ lệch ứng suất chính với biến dạng là chuẩn hoá số liệu bằng cách vẽ đồ thị quan hệ giữa hệ số ứng suất chính  1 / 3 với biến dạng. Hiển nhiên trong thí nghiệm thoát nước thì  1 / 3 = ‟ 1 /‟ 3 . Tại thời điểm phá hoại, hệ số ứng suất là (‟ 1 /‟ 3 ) max . Từ công thức 10-14 và 10-16, có: trong đó ‟ là góc ma sát trong hiệu quả. Độ lệch ứng suất chính và hệ số ứng suất chính có quan hệ như sau: Tại thời điểm phá hoại, quan hệ là: 158 Trước tiên hãy cùng xem xét ứng xử của cát rời rạc. Hình 11.4a thể hiện những kết quả thí nghiệm nén ba trục điển hình cho cát rời sông Sacramento. Lập đồ thị quan hệ giữa hệ số ứng suất chính với biến dạng dọc trục cho các áp lực cố kết hiệu quả ‟ 3c khác nhau. Lưu ý rằng ở các mẫu cát rời rạc không có đường cong nào có điểm cực đại rõ ràng và chúng có hình dạng tương tự đường cong cho cát rời rạc như trong hình 11.3a. Số liệu về thay đổi thể tích cũng được chuẩn hoá bằng cách chia lượng thay đổi thể tích V cho thể tích ban đầu Vo để thu được biến dạng thể tích: biến dạng thể tích, % = (V/Vo).100 (11-4) Để đánh giá chính xác hơn những gì diễn ra trong hình 11.4a, hãy tính độ lệch ứng suất chính ( 1 - 3 ) tương ứng với biến dạng dọc trục là 5% với ứng suất cố kết hiệu quả ‟ 3c =3.9 MPa và 0.1 MPa. Các hệ số ứng suất chính tương ứng là 2.0 và 3.5, được biểu thị bằng các mũi tên trong hình 11.4a. Dùng công thức 11-2, thu được các kết quả như sau: Thật thú vị khi xem xét hình dạng các đường cong quan hệ giữa biến dạng thể tích với biến dạng dọc trục trong hình 11.4b. Khi biến dạng dọc trục tăng, biến dạng thể tích giảm. Điều này phù hợp với ứng xử của đất cát rời, như trong hình 11.3b. Tuy nhiên, ở những cấp áp lực đẳng hướng thấp (ví dụ, 0.1 và 0.2 MPa), biến dạng thể tích có giá trị dương hay nói cách khác thể tích mẫu đất đang nở ra! Vì vậy có thể nói rằng mẫu cát rời ban đầu ứng xử như cát chặt, nghĩa là thể tích tăng nếu ứng suất ‟ 3c đủ nhỏ! Bây giờ xem xét ứng xử của cát chặt. Các kết quả của một vài thí nghiệm nén ba trục thoát nước của cát chặt sông Sacramento được thể hiện trong hình 11.5. Mặc dù các kết quả tương tự nhau như ở hình 11.4, vẫn có những khác biệt quan trọng. Thứ nhất đó là các đỉnh rõ ràng trên các đường cong (‟ 1 /‟ 3 )-biến dạng, chúng đặc trưng cho đất cát chặt (so sánh với hình 11.3a). Thứ hai, quan sát thấy sự tăng lớn của biến dạng thể tích (nở). Tuy nhiên, ở những cấp áp lực đẳng hướng cao hơn, đất cát chặt thể hiện ứng xử của cát rời rạc, đó là giảm thể tích hoặc biến dạng nén. Mối quan hệ giữa biến dạng thể tích lúc phá hoại và hệ số rỗng hay độ chặt tương đối có thể xác định được bằng cách thí nghiệm nhiều mẫu của một loại cát có cùng hệ số rỗng hoặc độ chặt nhưng dưới những cấp áp lực cố kết hiệu quả khác nhau. Trạng thái phá hoại có thể được xác định qua giá trị cực đại của ( 1 - 3 ) hoặc ‟ 1 /‟ 3 . Đối với các thí nghiệm thoát nước, phá hoại xảy ra có biến dạng giống nhau đối với cả hai tiêu chuẩn. Các điểm phá hoại được thể hiện bằng các mũi tên nhỏ trong hình 11.5. 159 Hình 11.6 biểu diễn quan hệ biến dạng thể tích lúc phá hoại với hệ số rỗng khi kết thúc cố kết theo số liệu trong hình 11.4b và 11.5b cho các cấp áp lực đẳng hướng khác nhau (những số liệu khác cũng được thêm vào). Ví dụ, điểm 1 trong hình 11.5b thể được biểu diễn như điểm 1 trong hình 11.6. Có thể nhận thấy rằng đối với một cấp áp lực đẳng hướng cho trước thì biến dạng thể tích giảm (giá trị âm lớn hơn) khi độ chặt giảm (hệ số rỗng tăng). Theo định nghĩa, hệ số rỗng giới hạn là hệ số rỗng lúc phá huỷ khi biến dạng thể tích bằng không. Vì vậy với các giá trị khác nhau của áp lực cố kết hiệu quả ‟ 3c trong hình 11.6, e crit là hệ số rỗng khi V/Vo = 0. Ví dụ, e crit khi ‟ 3c = 2.0 MPa là 0.555. 160 Có thể thấy sự biến đổi của e crit theo áp lực đẳng hướng như thế nào bằng cách lấy các giá trị hệ số rỗng giới hạn trong hình 11.6 và biểu diễn mối quan hệ của chúng với áp lực cố kết hiệu quả ‟ 3c như trong hình 11.7. Ở đây ‟ 3c đã được coi là áp lực đẳng hướng giới hạn ‟ 3crit bởi vì đây là áp lực đẳng hướng hiệu quả tại đó với hệ số rỗng cho trước không có biến dạng thể tích lúc xảy ra phá hoại. Cách tiếp cận thứ hai là sử dụng số liệu trong hình 11.4b và 11.5b (thêm các dữ liệu khác tại các hệ số rỗng trung gian) và biểu diễn mối quan hệ giữa biến dạng thể tích lúc phá hoại và áp lực đẳng hướng đối với nhiều giá trị hệ số rỗng khác nhau sau cố kết. Hình 11.8 thể hiện mối quan hệ đó, mặc dù các hệ số rỗng ở đó là hệ số rỗng ban đầu và không phải là hệ số rỗng sau cố kết. Lưu ý rằng giá trị áp lực cố kết hiệu quả ‟ 3c khi V/Vo = 0 là áp lực đẳng hướng hiệu quả tới hạn, ‟ 3crit . Vì đó là các thí nghiệm thoát nước, ‟ 3c = ‟ 3f . Cũng có thể nhận được mối quan hệ này từ hình 11.6 bằng cách đánh dấu các giá trị biến dạng thể tích tại các hệ số rỗng không đổi và biểu diễn quan hệ giữa V/Vo với ‟ 3c . 161 Có thể biểu diễn những mối quan hệ trong hình 11.6 và 11.8 như trong hình 11.9 (lý tưởng hoá). Vì hình 11.6 và 11.8 có chung một trục, do vậy có thể kết hợp chúng trong một biểu đồ ba chiều đơn giản gọi là biểu đồ Peacock (sau khi William Hubert Peacock lần đầu tiên xây dựng lên biểu đồ này vào năm 1967), như trong hình 11.10. 162 Dựa vào biểu đồ Peacock có thể dự đoán được ứng xử của đất cát ở bất kỳ hệ số rỗng sau cố kết e c và ở bất kỳ áp lực đẳng hướng ‟ 3 nào. Ví dụ, nếu cho trước giá trị áp lực đẳng hướng hiệu quả tại điểm C trong hình 11.10, giá trị này cao hơn giá trị áp lực đẳng hướng tới hạn ‟ 3crit tương ứng với hệ số rỗng e c , thì có thể cho rằng thể tích mẫu đất sẽ giảm hay giá trị V/Vo sẽ âm, tương ứng với tung độ BS. Mặt khác, nếu áp lực đẳng hướng hiệu quả ‟ 3 nhỏ hơn áp lực đẳng hướng tới hạn ‟ 3crit , như điểm A trong hình tương ứng với một giá trị hệ số rỗng e c cho trước, thì mẫu đất sẽ tăng thể tích hay nở ra, tương ứng với tung độ RD. Khi hệ số rỗng sau cố kết dao động dọc theo trục hệ số rỗng, ‟ 3crit biến đổi, thì sẽ có sự thay đổi thể tích của mẫu đất lúc phá hoại. Đối với một loại cát, biểu đồ Peacock là các mặt cong. Ví dụ, đoạn KP trong hình 11.10 sẽ giống với một trong những đường cong trong hình 11.8. Đoạn PW trong hình 11.10 cũng phải cong. Hãy xem đoạn PW trong hình 11.7; mặt phẳng chứa đoạn PW đó là một mặt phẳng trong biểu đồ Peacock ở đó V/V 0 = 0. 163 11.5 Ứng xử của đất cát bão hoà khi cắt không thoát nƣớc Sự khác biệt cơ bản giữa thí nghiệm nén ba trục thoát nước và không thoát nước đó là không cho phép thay đổi thể tích khi gia tải đứng trong thí nghiệm không thoát nước. Tuy nhiên, trừ khi áp lực đẳng hướng mới tác dụng để đạt tới áp lực đẳng hướng giới hạn ‟ 3crit , mẫu đất sẽ có xu hướng thay đổi thể tích trong khi gia tải. Ví dụ, theo biểu đồ Peacock, hình 11.10, nếu thí nghiệm không thoát nước cho mẫu đất có hệ số rỗng e c với áp lực đẳng hướng hiệu quả ‟ 3 tại điểm C, thì mẫu cát sẽ có xu hướng giảm thể tích, nhưng điều đó là không thể. Kết quả là, hình thành áp lực lỗ rỗng dương, ứng suất hiệu quả giảm. Áp lực đẳng hướng hiệu quả nhỏ nhất hay giới hạn tại điểm mẫu phá hoại là ‟ 3crit bởi vì ở áp lực đó biến dạng thể tích V/Vo bằng không. Nếu có xu hướng thay đổi thể tích xảy ra thì không hình thành áp lực lỗ rỗng dư. Do đó áp lực lỗ rỗng cực đại trong ví dụ này bằng ‟ 3c -‟ 3crit , hay chính là khoảng cách BH trong hình 11.10. Các vòng tròn Morh ứng với thời điểm phá hoại trong trường hợp này được thể hiện trong hình 11.11a. Vòng tròn đứt nét E thể hiện các ứng suất hiệu quả, trong khi vòng tròn liền nét T biểu diễn các ứng suất tổng. Vì công thức 7-13 luôn duy trì, hai vòng tròn tách rời nhau bởi giá trị áp lực lỗ rỗng dư u hình thành trong quá trình cắt mẫu. Vì thể tích có xu hướng giảm, áp lực lỗ rỗng dương (gia tăng) hình thành, dẫn tới ứng suất hiệu quả giảm. Vì vậy, trong ví dụ này, áp lực lỗ rỗng dư u = B – H = ‟ 3c – ‟ 3f = ‟ 3c – ‟ 3crit . Độ lệch ứng suất chính tại thời điểm mẫu phá huỷ ( 1 - 3 ) f được tính theo công thức 11-3 khi áp lực đẳng hướng tại thời điểm phá huỷ là ‟ 3crit : 164 Cũng như vậy, nếu tiến hành thí nghiệm thoát nước với áp lực đẳng hướng bằng với ‟ 3c tại điểm C, thì sức kháng cắt thoát nước sẽ lớn hơn lớn hơn rất nhiều so với sức kháng cắt không thoát nước vì vậy vòng tròn Mohr của nó phải tiếp xúc với đường bao phá hoại Mohr ứng suất hiệu quả. Kích thước tương đối của hai vòng Morh ứng suất hiệu quả thể hiện trong hình 11.11a. Ứng xử của đất sẽ khác nếu thí nghiệm với cấp áp lực đẳng hướng hiệu quả nhỏ hơn áp lực đẳng hướng hiệu quả tới hạn ‟ 3crit như điểm A trong hình 11.10. Từ biểu đồ Peacock, có thể cho rằng mẫu đất có xu hướng nở ra (tương ứng với tung độ RD). Vì thực tế không cho phép mẫu đất tăng thể tích, áp lực lỗ rỗng âm hình thành làm tăng ứng suất hiệu quả từ điểm D (A) tới điểm H (‟ 3crit ). Do đó, như trong mẫu trước, ứng suất hiệu quả giới hạn là áp lực đẳng hướng hiệu quả tới hạn ‟ 3crit . (Tình huống này có thể xảy ra khi áp lực nước lỗ rỗng âm đạt tới -100 kPa hoặc -1 atm, hình thành bọt khí trong lỗ rỗng, nhưng vấn đề này sẽ không đề cập ở đây). Mục đích của thí nghiệm này là giúp dự đoán ứng xử của đất cát khi cắt không thoát nước thông qua thí nghiệm cắt thoát nước khi biết những xu hướng thay đổi thể tích như đã được lý tưởng hoá trong biểu đồ Peacock. 165 Vòng Mohr đại diện cho trường hợp ‟ 3c < ‟ 3crit được thể hiện trong hình 11.11b. Thí nghiệm cắt không thoát nước xuất phát ở áp lực đẳng hướng hiệu quả ‟ 3c , điểm A, và vì áp lực nước lỗ rỗng âm, áp lực đẳng hướng hiệu quả tăng cho tới khi xảy ra phá huỷ mẫu tại điểm H. Lưu ý rằng các vòng Mohr ứng suất hiệu quả E lúc phá hoại trong hình 11.11a và b có cùng kích thước bởi vì, với hệ số rỗng e c này, ứng suất hiệu quả khi mẫu bị phá huỷ ‟ 3crit là như nhau. Bảng 11-1 Kết luận những khái niệm trong hình 11.11 Áp lực cố kết hiệu quả Vòng Morh Thoát nước, Hiệu quả = Tổng Không thoát nước, Hiệu quả Không thoát nước, Tổng [...]... kết thường Ứng xử của đất sét khi cắt tương tự như ứng xử cắt thoát nước của đất cát Trong khi cắt đất sét quá cố kết tăng thể tích còn đất sét cố kết thường lại nén chặt hoặc cố kết khi cắt Cũng tương tự như ứng xử của đất cát: đất sét cố kết thường ứng xử tương tự đất cát rời, trong khi đó đất sét quá cố kết ứng xử giống như đất cát chặt Trong thí nghiệm ba trục CD, các đường ứng suất là đường thẳng... biết về ứng xử của đất dính khi cắt, cả trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường Nhớ rằng phần thảo luận tiếp theo đã được đơn giản hoá, và ứng xử của đất ngoài thực tế sẽ phức tạp hơn nhiều Phần cuối chương này sẽ đề cập một số trong những điều phức tạp này Các tài liệu tham khảo cơ bản bao gồm Leonards (1 962 ), Hirschfeld (1 963 ), và Ladd (1 964 và 1971b), cũng như các bài giảng của giáo sư H B Seed... mẫu đất sét chế bị hay đầm chặt được thể hiện trong hình 11.24 Hai mẫu đất mặc dù thí nghiệm với cùng một cấp áp lực đẳng hướng, mẫu đất quá cố kết có cường độ cao hơn mẫu đất sét cố kết thường Cũng cần lưu ý rằng mẫu đất quá cố kết có môđun tổng biến dạng lớn 170 hơn và phá hoại [với thí nghiệm ba trục, Ds lớn nhất bằng ( - )f] xảy ra với biến dạng nhỏ hơn 1 3 so với mẫu cố kết thường Ứng xử của đất. .. triển, quá trình đó được gọi là cố kết (chương 8 và 9) Sự khác biệt cơ bản trong ứng xử của cát và sét, như đã đề cập khi thảo luận về tính nén lún của đất (chương 8), đó là thời gian xảy ra sự thay đổi thể tích của đất Thời gian phụ thuộc hoàn toàn vào sự khác biệt về tính thấm nước giữa cát và sét, hay là một hàm của tính thấm nước Vì đất dính có tính thấm nước nhỏ hơn rất nhiều so với đất cát và... kết quả thí nghiệm CD cho đất sét điển hình được trình bày trong hình 11.25 và 11.26b Đường bao phá hoại của mẫu đất sét chế bị cũng như mẫu đất sét nguyên dạng cố kết thường được thể hiện trong hình 11.25 Dù chỉ thể hiện duy nhất một vòng Morh (thể hiện trạng thái ứng suất tại thời điểm phá hoại trong hình 11.23), cần kết quả của ba hoặc nhiều hơn ba thí nghiệm CD trên các mẫu đất giống hệt nhau với... ứng suất của đất nữa 11.9.2 Giá trị đặc trưng của các thông số sức kháng cắt thoát nước Những đường bao phá hoại Morh trong hình 11.25 và 11. 26 không chỉ ra bất kỳ giá trị định lượng nào cho thông số sức kháng cắt hiệu quả ‟ Giá trị trung bình của ‟ cho đất sét nguyên dạng biến đổi trong khoảng 200 cho đất sét cố kết thường, lên tới 300 hoặc hơn với đất sét chứa bụi và cát Giá trị ‟ cho đất sét đã... ‟ đạt giá t ị cực đại cần có r biến dạng rất lớn phá vỡ kiến trúc của đất và gần như các hạt đất xắp xếp lại trong phạm vi mặt phẳng phá hoại Các quan hệ thực nghiệm giữa ‟ và chỉ số dẻo của đất sét cố kết thường được trình bày trong hình 11.27 Các quan hệ này dựa trên công trình nghiên cứu của Kenney (1959), Bjerrum và Simons (1 960 ), U.S Navy (1971), và Ladd và nnk (1977) Vì có sự phân tán đáng kể... móng và đập đất Cần phải lưu ý rằng, không dễ để tiến hành một thí nghiệm CD trên mẫu đất sét trong phòng thí nghiệm Để đảm bảo không tạo ra áp lực lỗ rỗng trong mẫu đất khi cắt đối với đất có hệ số thấm rất nhỏ, tốc độ gia tải phải rất chậm Thời gian cần thiết để mẫu bị phá hoại dao động từ một ngày đến vài tuần (Bishop và Henkel, 1 962 ) Thời gian dài như thế gây ra những vấn đề trong quá trình thí nghiệm... đối với đất sét cố kết thường chưa xi măng hoá rất nhỏ và có thể bỏ qua trong thực tế Nếu đất quá cố kết thì ‟ có thể nhỏ hơn và c‟ lớn hơn đối với phần cố kết thường của đường bao phá hoại (xem hình 11.26b) Theo Ladd (1971b), đối với đất sét quá cố kết chưa xi măng hoá tự nhiên với áp lực tiền cố kết nhỏ hơn 500 đến 1000 kPa, c‟ sẽ có thể nhỏ hơn 5 đến 10 kPa tại các ứng suât thấp Đối với đất sét... lực dính của đất sét cố kết thông thường chưa xi măng hoá là bằng không 172 Đối với đất sét quá cố kết thì thông số c‟ lớn hơn không, như trong hình 11.26b Phần quá cố kết của đường bao phá hoại (DEC) nằm trên đường bao cố kết thường (ABCF) Phần DEC này của đường bao phá hoại Morh được gọi là dốc tiền cố kết Đường cong quan hệ e và ‟ trong hình 11.26a giải thích cho đặc tính này của đất (khi vẽ đường . những điều phức tạp này. Các tài liệu tham khảo cơ bản bao gồm Leonards (1 962 ), Hirschfeld (1 963 ), và Ladd (1 964 và 1971b), cũng như các bài giảng của giáo sư H. B. Seed và S. J. Poulos. 11.9.1. kết khi cắt. Cũng tương tự như ứng xử của đất cát: đất sét cố kết thường ứng xử tương tự đất cát rời, trong khi đó đất sét quá cố kết ứng xử giống như đất cát chặt. Trong thí nghiệm ba trục. Morh từ các kết quả thí nghiệm CD cho đất sét điển hình được trình bày trong hình 11.25 và 11.26b. Đường bao phá hoại của mẫu đất sét chế bị cũng như mẫu đất sét nguyên dạng cố kết thường được