khái quát về cơ học đất (bài giảng cơ học đất)

NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT z Vị trí của Cơ học đất trong các môn cơ học Là cơ học của vật thể phân tán-tự nhiên Là bộ phận của Địa Cơ Học tổng quát

Trang 1

NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT

PGS TS NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT

Trang 2

z Vị trí của Cơ học đất trong các môn cơ học

Là cơ học của vật thể phân tán-tự nhiên

Là bộ phận của Địa Cơ Học tổng quát

Là một ngành của cơ học ứng dụng

Địa Cơ Học tổng quát bao gồm:

z Địa động lực (Tổng quát & Khu vực)

z Cơ học đá (Đá khối kết tinh & Đá nứt nẻ)

z Cơ học đất

z Cơ học khối hữu cơ (bùn, than bùn)

Mở đầu Khái quát về Cơ Học Đất

3

1 Khái niệm về môn học & đối tượng môn học

z Các cơ sở để xây dựng môn cơ học đất

Các định luật Cơ học lý thuyết (cơ học của các vật thể hoàn toàn không biến dạng)

Các định luật của Cơ học công trình (nghiên cứu các vật thểliên tục có tính biến dạng) : định luật đàn hồi, dẻo, từ biến Các định luật cơ học chất lỏng

Các định luật mô tả những tính chất cơ học của đất do đặc tính phân tán của nó gây ra :

z Tính ép co

z Tính biến dạng cấu trúc pha

z Tính thấm nước

z Tính chống trượt tiếp xúc

Trang 3

z Đối tượng nghiên cứu của cơ học đất

Đất rời tự nhiên là đối tượng nghiên cứu của cơ học đất

Đất là tất cả các sản phẩm của phong hóa lớp vỏ đá bao quanh trái đất Chúng gồm vô số các hạt rắn riêng rẽ có thểkhông gắn kết hoặc có gắn kết, tuy nhiên độ bền của các liên kết nhỏ hơn nhiều lần độ bền của các hạt khoáng Vì thế người ta coi đất là vật thể tự nhiên - phân tán (đặc điểm này làm đất khác căn bản với đá khối, bê tông…)

5

Mở đầu: (tiếp)

Tầng phong hóa nói chung có thể phân thành 2 lớp :

z Lớp trên cùng của đất tự nhiên gọi là đất trồng trọt Loại đất này là đối tượng nghiên cứu của môn thổ nhưỡng học

z Lớp dưới là đất khoáng, những vật liệu phân tán tự nhiên – gọi

là đất xây dựng, là đối tượng nghiên cứu của cơ học đất

Trang 4

2 Ý nghĩa và nội dung môn học

z Trong xây dựng, Đất đóng vai trò rất lớn, mọi công trình đều liên quan chặt chẽ với đất:

Đối với công trình xây trên đất thì đất giữ vai trò là Nền;

Với công trình làm bằng đất thì đất là vật liệu xây dựng (đê, đập, nền đường…)

Với công trình được xây trong đất thì đất là môi trường xây dựng (các công trình ngầm, đường hầm, đường tầu điện ngầm …)

Vì thế có thể nói đất xây dựng là Công trình hay là Bộ phận công trình

z Nếu không có kiến thức về những nguyên lý cơ học đất thìkhông thể thiết kế đảm bảo cho công trình làm việc an toàn, bền vững lâu dài

7

Mở đầu: (tiếp)

Chương 1 TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT

Trang 5

z Một khối đất nói chung bao gồm:

Tính chất của đất phụ thuộc thành phần khoáng vật, hình dạng vàkích thước của các hạt

I. Thành phần khoáng vật của đất:

Thành phần khoáng vật của đất chủ yếu phụ thuộc vào thành phần

đá gốc và tác dụng phong hóa đối với đá ấy Cùng một loại đágốc, nhưng tác dụng phong hóa khác nhau sẽ cho các thành phần khoáng không giống nhau, và do đó ảnh hưởng khác nhau tới tính chất vật lý và cơ học của đất

- Ví dụ: Phenpat phong hóa trong môi trường axit tạo thành Môngmôrilônit, nhưng trong môi trường kiềm lại tạo thành Kaolinit

Chương I: ính chất Vật lý của đất

Trang 6

Các khoáng vật có trong đất:

- KV nguyên sinh: thường gặp là phenpat, thạch anh, mica Đất cócác hạt khoáng đó thường có kích thước lớn (Vd cát)

- KV thứ sinh: chia 2 loại

z KV không hòa tan trong nước:

là thành phần chủ yếu của các hạt sét và được gọi là KV Sét (kích thước < 0,005 mm, hoặc < 0,002 mm) – có cấu trúc phân tử dạng phiến, dạng kim, sợi; khác nhau về hoạt tính keo bề mặt

Kaolinit

Các khoáng vật sét khác: Haloizit, Clorit, Vecmiculit, Atapungit,

KV hỗn hợp ( p (Tương đối phổ biến, thí dụ: khoáng vật Monmorolit

pha trộn với Clorit và Inlit)

z KV hòa tan trong nước:

Canxit, mica trắng, thạch cao, đolomit …

11

Ảnh hưởng của thành phần KV tới tính chất của đất:

z Đối với nhóm hạt có kích thước lớn: thành phần KV ảnh

hưởng không nhiều tới tính chất cơ lý của đất

z Đối với nhóm hạt có kích thước càng nhỏ: thành phần KV

đóng vai trò chủ yếu quyết định tính chất cơ lý của đất (vì hoạt tính keo được phát huy đầy đủ) KV khác nhau thì hoạt tính keo

bề mặt cũng khác nhau, do đó có tính chất khác nhau Ví dụ: đất chứa Kaolinit, ít dẻo hơn chứa Mongmorilonit; đất chứa nhiều Mongmorilonit có tính co nở nhiều hơn chứa Kaolinit

Trang 7

II.Thành phần cấp phối của đất:

z Khái niệm về nhóm hạt và thành phần cấp phối hạt của đất:

NHÓM HẠT:

- Kích thước hạt đất ảnh hưởng tới tính chất của đất Tuy nhiên, đất tự nhiên nói chung là hỗn hợp của vô số các hạt có kích thước rất khác nhau, trên thực tế khó có thể xác định ảnh hưởng của kích thước từng hạt đất mà chỉ có thể xác định ảnh hưởng của tập hợp

các hạt có kích thước nằm trong phạm vi quy định – gọi là nhóm hạt.

- Nhóm hạt khác nhau sẽ ảnh hưởng khác nhau tới tính chất của đất

- Bảng dưới đây thể hiện phạm vi kích thước các nhóm hạt (cỡhạt) theo các tiêu chuẩn Mỹ, Anh và Việt nam

AASHTO – Hiệp hội Giao

thông và Đường bộ Liên

bang (1978)

USCS – Hệ thống phân loại

đất thống nhất (Cục cải tạo

Hoa Kì, 1974, Hội kĩ thuật

quân đội Hoa Kì, 1960 )

Trang 8

THÀNH PHẦN CẤP PHỐI HẠT CỦA ĐẤT:

- Tính chất của đất không những phụ thuộc sự có mặt của nhóm hạt mà còn phụ thuộc vào lượng chứa của chúng: nếu một nhóm hạt có mặt trong đất với lượng chứa quá nhỏ thì không gây tác động gì đáng kể tới tính chất của đất; nhưng nếu lượng chứa lớn thì gây ảnh hưởng rõ rệt

- Hàm lượng cỡ hạt: Lượng chứa một nhóm hạt tính bằng phần trăm (%) khối lượng mẫu đất khô:

- Cấp phối hạt: Tập hợp hàm lượng của tất cả các cỡ hạt chứa

trong một loại đất

Xác định thành phần cấp phối của đất

15

Hàm lượng cỡ hạt (%) = Khối lượng nhóm hạt x 100

Khối lượng mẫu đất khô (1.1)

z Để xác định thành phần cấp phối hạt của

một loại đất người ta phải làm thí nghiệm

gọi là thí nghiệm phân tích hạt (phân tích

Số rây TCMỹ

Lỗ rây TCMỹ (mm)

200 0.075

z Phương pháp rây:

Bộ rây tiêu chuẩn: Giới thiệu hai bộ rây TC Việt nam & Mỹ

Trang 9

Thực hiện:

– Xếp bộ rây có kích thước lỗ rây

giảm dần từ trên xuống dưới

– Cho mẫu đất qua bộ rây bằng

cách lắc kỹ toàn bộ rây rồi lắc

cho từng rây riêng biệt

– Xác định khối lượng của đất còn

lại trên mỗi rây và tính phần trăm

tích lũy của khối lượng mẫu qua

Đối với những hạt cỡ nhỏ thì phương pháp rây

không thể tách nhỏ hơn nữa các cỡ hạt; khi đó

có thể dùng phương pháp lắng đọng các hạt

trong dung dịch huyền phù (thường là nước)

Phương pháp này dựa trên định luật Stoke:

-Trong dung dịch đồng nhất đẳng hướng và vô

Trang 10

Trong đó:

v - tốc độ chìm lắng của hạt.

γh- trọng lượng riêng của hạt (g/cm³)

γn- trọng lượng riêng của dung dịch

(0,98g/cm³)

η - hệ số nhớt của dung dịch ( dyn-giây/cm²)

d – đường kính của hạt hình cầu (cm).

2

18

) (

Nếu biết khoảng cách chìm lắng L và thời gian

chìm lắng tương ứng t , từ công thức trên có thể

tính được đường kính của hạt như sau:

2

) (

n

h γγ

Biểu diễn thành phần cấp phối của đất

Tiến hành phân tích thành phần hạt một mẫu đất bằng rây kết hợp tỷ trọng kế nhận được kết quả ở hình 1.3

Hệ tọa độ của đường cong cấp phối hạt:

Trục tung: biểu thị lượng chứa phần trăm (X %) của các hạt

nhỏ hơn và bằng đường kính nào đó,

Trục hoành: biểu thị đường kính hạt d (mm) trục hoành

dùng toạ độ log để dễ dàng biểu thị mọi cỡ hạt có đường kính lớn nhỏ khác nhau, thậm chí chênh nhau hàng nghìn lần, từ hạt rất thô đến hạt vô cùng bé

Thông thường, trục hoành biểu thị đường kính hạt d (mm) giảm

theo chiều mũi tên trục

Trang 11

PGS TS NGUYỄN HỮU THÁI – NGÀNH ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT 21

Ví dụ thể hiện trên Hình 1.6: Từ đường cong cấp phối hạt kết hợp với bảng phân chia nhóm hạt có thể xác định được lượng chứa của các nhóm hạt trong mẫu đất đó: nhóm hạt dăm (sỏi): 3,2% ; nhóm hạt cát : 71,8% ; nhóm hạt bụi: 13,3% ; nhóm hạt sét: 11,7%

Sét Bụi

(thô, mịn)

Cát (thô, vừa, mịn)

Dăm, Sỏi

Hình 1.6

100

Đất cấp phối tốt: biểu thị các kích cỡ hạt trong một khoảng rộng, và

đường cong thành phần hạt trơn và nói chung lõm hướng lên

Đất cấp phối kém: là đất có quá nhiều hay quá ít số hạt kích cỡ nhất định

hoặc hầu hết các hạt có cùng kích cỡ

Phân bố đồng đều : cỡ hạt như nhau.

Đất cấp phối không liên tục hay gián đoạn

(trong hình vẽ, hàm lượng cỡ hạt giữa 0.5 và 0.1mm là rất ít)

Hình 1.7:

Đường cong phân

bố cỡ hạt điển hình

Đặc tính của đường cong cấp phối:

Trang 12

D D

D

Các đường kính hạt đặc trưng: được xác định trên đường cong phân bố hạt

Các Hệ số cấp phối của đất:

z D10 = đường kính hiệu quả

= đường kính của hạt tương ứng 10% khối lượng mẫu lọt qua rây.

z D60 ; D30 = đường kính hạt tương ứng 60% , 30% khối lượng mẫu lọt qua rây

Hình 1.8

Trang 13

III. Hình dạng hạt đất:

Được xác định bằng phân loại trực quan

Hình dạng hạt rất khác nhau & ảnh hưởng tới tính chất của đất Mức độ ảnh hưởng của Hình dạng hạt đối với những nhóm hạt khác nhau thì khác nhau:

z Nhóm hạt kích thước lớn (vd, từ cát trở lên) thường có dạng

hình cầu trơn nhẵn hoặc góc cạnh, Hình dạng hạt ảnh hưởng nhiều đến tính chất của đất: Î Góc ma sát của đất cát tăng theo

Trang 14

Mức độ ảnh hưởng tùy thuộc dạng tồn tại của các loại nước

Nghiên cứu về nước trong đất đã có lịch sử từ lâu và nhằm các mục đích sử dụng khác nhau

Theo quan điểm xây dựng, một sơ đồ phân loại nước được thừa nhận rộng rãi như sau:

Trang 15

hạt sét

Về căn bản, nguyên nhân gồm 2 yếu tố: Lực hút điện phân tử & và đặc tính của phân tử nước

Sự hình thành Lực hút điện phân tử & Hoạt tính bề mặt hạt đất:

z Khoáng vật sét có cấu trúc mạng tinh thể, bên trong hạt kvật các ion trái dấu cân bằng nhau, còn trên mặt kvật có các ion âm (O2-

và (OH)-) là các điện tích tự do, chưa được cân bằng bởi các ion khác dấu Vì thế bề mặt k/v sét mang điện tích âm

29

z Xung quanh hạt sét mang điện âm hình thành một trường tĩnh điện với lực điện phân tử Do đó giữa chúng và môi trường xảy ra những tương tác vật lý và hóa học nhất định, tạo thành hoạt tính

bề mặt hạt đất

z Cường độ điện tích bề mặt phụ thuộc mức độ phân tán và thành phần k/v của hạt

Đặc tính của phân tử nước:

z Phân tử nước (H2O) là lưỡng cực Mặc dù phân tử nước trung hòa về điện, nó vẫn phân cực một đầu mang điện tích dương (H+), đầu kia mang điện tích âm (OH)- Do đó, các phân tử nước

Trang 16

z Sát bề mặt k/v các phân tử

nước chịu tác dụng của lực điện

phân tử rất lớn (hàng trăm MPa)

z Tính chất của nước phụ thuộc

vào cường độ tác dụng của lực

điện phân tử Dựa vào đó người

ta có thể phân loại nước

31

Theo chiều giảm của lực điện phân tử, lần lượt xét các loại nước sau:

a) Nước trong khoáng vật hạt sét :

Nằm trong mạng lưới tinh thể khoáng vật của hạt đất, tồn tại dưới dạng phân tử (H2O), hoặc ion (H+, OH-)

Có thể coi là một bộ phận của hạt kv, không ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của đất

Trang 17

z Nước hút bám: –Bám rất chặt ngay sát bề mặt hạt đất, dày khoảng

1-3 lớp phân tử nước Mật độ phân tử nước lớn, có tính chất gần với thể rắn –Không di chuyển dưới tác dụng của trọng lực, có thể di chuyển dưới dạng hơi nước –Tỷ trọng > 1, vào khoảng 1,5; không dẫn điện, không kết tinh ở cả nhiệt độ rất thấp (-78oC) – Khi đất sét

tinh càng thấp) Không truyền áp lực thủy tĩnh – Khi trong đất

có đến nước kết hợp mạnh thì đất ở trạng thái nửa rắn và chưa biểu hiện tính dẻo.

Nước màng kết hợp yếu: Là lớp nước ngoài cùng chịu ảnh hưởng của lực đptử yếu, có tính chất tương tự nước thông

thường – khi trong đất chứa vừa đủ loại nước này và nếu

kết cấu đất đã bị phá hoại thì đất biểu hiện tính dẻo, nhưng nếu ở trạng thái tự nhiên thì không xuất hiện tính dẻo

Ảnh hưởng của lớp nước kết hợp mặt ngoài đến tính

chất xây dựng của đất

z Trong các loại nước kể trên thì nước màng mỏng có ảnh hưởng

tới tính chất xây dựng của đất nhiều hơn cả Mức độ ảnh hưởng tùy thuộc vào thành phần khoáng vật, tỷ diện tích, hàm lượng sét:

Do chịu lực hút điện phân tử, nước màng mỏng có tính nhớt hơn nước tự do Bề dày của nước mảng mỏng tăng thì tính nhớt giảm, và ngược lại Vì thế ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của đất: tính biến dạng (nén , nở, trượt), tính thấm, tính chống trượt

Trang 18

Hiện tượng mao dẫn trong đất khác với

mao dẫn trong ống thủy tinh do nhiều yếu

- Ảnh hưởng của tính nhớt cũng như bề dày

Lực hút dính giữa thành thủy tinh và nước làm nước dâng lên trong ống và hình thành mặt khum mao dẫn

Hình 1.14: Hình dạng mặt khum dâng cao

Chiều cao dâng tỷ

Trang 19

•Lực hướng xuống dưới (coi là dương) = trọng lượng của cột nước

w c

w w down V h d

w c

Đối với ống thủy tinh sạch và nước

tinh khiết, α→0 và cosα→1 Do vậy:

d

T h

w

c γ4

−

Trang 20

Dưới mặt nước, z = (+) → uw= áp lực nước dương

Trên mặt nước, z = (-) → uw= áp lực nước âm

z Áp lực mao dẫn: Xét cân bằng của mặt khum

khi áp lực khí quyển = 0, từ công thức 1-9 và với α ≈ 0, ta xác

c

r

T d

T

h

u = γ =−4 =−2 (1.12)

Ứng suất giữa các hạt hay

ứng suất hiệu quảσ’:

σ’ = σ - u

Trang 21

Ảnh hưởng của nước mao dẫn

đến t/ch của đất:

Quan sát cột đất bão hòa nước:

Các mặt khum mao dẫn bám vào các

hạt làm tăng lực tiếp xúc giữa các hạt

Tại đỉnh của cột đất–nước, sức căng ở

nước kéo các hạt đất lại với nhau Lực

căng mao dẫn càng lớn ứng suất tiếp xúc

(σ’) giữa các hạt càng lớn và do đó, sức

kháng ma sát hình thành giữa các hạt cao

hơn

Hình ảnh phóng to của hai hạt cát được

gắn kết bởi các mặt khum mao dẫn có

bán kính rm Ứng suất tiếp xúc giữa các

hạt làσ’ (tăng lên do sức căng mao dẫn)

41

Hình 1.16

Tính mao dẫn cho phép thực hiện các hố đào trong đất bụi và cát rất mịn, những vật liệu này khi khô dễ sụp đổ tới góc nghỉ tự nhiên (Hình 1.17)

Hình 1.17: Minh họa góc nghỉ

cát khô

cát ướt

Trang 22

• Ảnh hưởng của áp lực thủy tĩnh đối với đất

• Ảnh hưởng của lực thấm do sự chuyển động của nước trong đất đối với tính ổn định của đất

C. Pha khí:

I. Phân loại:

Khí tự do: - Loại thông với khí quyển

- Loại không thông với khí quyển (khí

giam hãm, bọc khí)

Khí hòa tan trong nước.

II. Ảnh hưởng tới tính chất của đất:

1. Khí thông với khí quyển: Khi đầm đất có thể

thoát ra → không ảnh hưởng đến tính chất của

đất

2. Khí không thông với khí quyển:

z Tồn tại trong đất dính có độ ẩm lớn, giữa

các hạt khoáng rắn được bao bọc bởi màng

nước liên kết → được gọi là khí giam hãm

hoặc bọc khí

Hình 1.18: Sự hình

thành bọc khí liên quan với những đường rỗng chằng chịt phức tạp trong đất

Trang 23

z Sinh ra lực căng mặt ngoài hoặc áp lực mao dẫn

z Làm tăng tính đàn hồi của đất, gây hiện tượng bùng nhùng khi đầm, - ảnh hưởng đến quá trình ép co của đất dưới tác dụng của ngoại lực, - làm giảm tính thoát nước của đất, - Khả năng chống trượt kém

3. Khí hòa tan trong nước:

z Tùy theo thành phần khác nhau nó tác động với các hạt khoáng vật, gây ra quá trình ôxy hóa, hoặc quá trình cacbonat hóa…

z Khi nhiệt độ tăng lên và áp lực giảm đi → bốc hơi trở thành khí tự do, làm thể tích khí nở ra và tạo thành các bọc khí, cóthể phá hoại kết cấu của đất

Đất là môi trường rời gồm 3 pha, tính

chất vật lý của đất thay đổi theo tỷ lệ

tương đối 3 pha đó

Dùng sơ đồ 3 pha để thuận tiện cho

biểu thị các chỉ tiêu tính chất vật lý của

đất, đồng thời thấy rõ quan hệ giữa

Trang 24

Có thể phân chia các chỉ tiêu tính chất vật lý của đất thành 2 loại:

- Chỉ tiêu trực tiếp:

z Bao gồm: ρ, w, Gs

z Xác định trực tiếp từ thí nghiệm (qua 3 đại lượng đo được là thể

tích tổng V t , khối lượng nước Mwvà khối lượng hạt khô Ms.)

ρ = Khối lượng [ kg/m 3 hoặc Mg/m 3 ]

Thể tích

47

(1.13)

1. Khối lượng riêng của đất:

- Chỉ tiêu gián tiếp:

z Bao gồm: ρd, ρs, ρsat, ρ’, e, n, S

z Xác định: dựa vào các chỉ tiêu trực

tiếp và thông qua các công thức

biến đổi

c) Khối lượng riêng nước:

-Phần lớn các loại cát: 2.6 - 2.7 Mg/m3

- Trong thực tế xây dựng thường lấy ρw=1000 kg/m3(= 1 Mg/m3)

b) Khối lượng riêng hạt:

a) Khối lượng riêng tổng:

còn gọi là khối lượng riêng ướt hay ẩm (ρwet)

t w s t

t

t V

M M V

=

Định dạng
Số trang	48
Dung lượng	4,1 MB

khái quát về cơ học đất (bài giảng cơ học đất)

Hệ thống phân loại đất USCS

Hệ thống phân loại đất TCVN