Co hoc dat nang cao- hoan thien

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ VIỆN KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH ĐẶC BIỆT NGUYỄN TƯƠNG LAI, NGUYỄN HUY HIỆP CƠ HỌC ĐẤT NÂNG CAO (BÀI GIẢNG CHUYÊN ĐỀ SAU ĐẠI HỌC) HÀ NỘI- 2016 MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT 1.1 Sự hình thành đất 1.1.1 Quá trình hình thành đất 1.1.2 Các dạng phong hoá 1.1.3 Các dạng trầm tích 10 1.2 Các thành phần đất .10 1.2.1 Khái niệm 10 1.2.2 Hạt rắn đất 11 1.2.3 Nước đất 14 1.2.4 Khí đất 15 1.3 Các tiêu vật lý đất trạng thái đất 15 1.3.1 Các tiêu vật lý (xác định thí nghiệm) 15 1.3.2 Các tiêu vật lý khác thường dùng (xác định tính toán - tiêu dẫn suất) 16 1.3.3 Trạng thái vật lý đất rời (cát) 18 1.3.4.Trạng thái vật lý đất dính (sét) 19 1.4 Phân loại đất .20 1.4.1 Phân loại đất theo tiêu chuẩn 9362-2012 Việt Nam 20 1.4.2 Phân loại đất theo tiêu chuẩn AASHTO Hoa Kỳ 22 CHƯƠNG II PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG ĐẤT 26 Khái niệm 26 2.2 Ứng suất đất trọng lượng thân đất gây .27 2.3 Phân bố ứng suất bán không gian đàn hồi tải trọng gây 28 2.3.1 Lực tập trung thẳng đứng đặt mặt đất - Bài toán Boussinesq 29 2.3.2 Lực tập trung nằm ngang đặt mặt đất 30 2.3.3 Lực tập trung thẳng đứng đặt đất - Bài toán Midlin 31 2.3.4 Bài toán FLAMANT 31 Tính toán ứng suất đế móng .32 2.4.1 Khái niệm 32 2.4.2 Ứng suất tiếp xúc đế móng cứng 33 Phân bố ứng suất tải trọng gây .36 2.5.1 Khái niệm 36 2.5.2 Biểu thức tổng quát 36 2.5.3 Tải trọng phân bố diện tích hình chữ nhật 38 2.5.4 Tải trọng phân bố dạng tam giác diện tích hình chữ nhật 41 2.5.5 Tải trọng phân bố hình băng 43 2.5.6 Sơ đồ đơn giản để tính ứng suất đất 44 Phân bố ứng suất có xét đến tính không đồng không đẳng hướng 45 Phân bố ứng suất đất bão hòa nước 50 2.7.1 Lý thuyết tổng quan 50 2.7.2 Mô đun biến dạng thể tích nước lỗ rỗng có xét đến độ bão hòa 50 CHƯƠNG III LÝ THUYẾT THẤM VÀ CỐ KẾT THẤM CỦA NỀN ĐẤT 53 3.1 Tổng quan 53 3.1.1.Định nghĩa khái niệm 53 3.1.2 Định luật thấm Darcy 54 3.1.3 Hệ số thấm đất 55 3.1.4 Hệ số thấm tương đương khối đất nhiều lớp 56 3.1.5 Gradien thủy lực ban đầu đất sét 56 3.1.6 Các yếu tố ảnh hưởng tới tính thấm đất 57 3.2 Ứng suất đất tác dụng dòng thấm .57 3.2.1 Ứng suất trung hòa ứng suất hiệu đất điều kiện thủy tĩnh 57 3.2.2 Ứng suất hữu hiệu tác dụng dòng thấm 58 3.3 Lực thấm biến hình thấm 59 3.3.1 Lực thấm 59 3.3.2 Biến hình thấm 60 3.3.3 Những dạng biến hình thấm 61 3.3.4 Độ dốc thủy lực giới hạn 62 3.4 Lưới thấm ứng dụng để tính toán ổn định thấm 62 3.4.1 Phương trình Laplace biểu diễn dòng thấm ổn định 63 3.4.2 Vẽ lưới thấm 66 3.4.3 Ứng dụng lưới thấm để tính toán ổn định thấm khối đất 69 3.5 Lý thuyết cố kết đất 70 3.5.1 Định nghĩa – Mô hình cố kết thấm K.TERZAGHI 70 3.5.2 Phương trình vi phân cố kết thấm toán chiều 72 CHƯƠNG IV BIẾN DẠNG VÀ ĐỘ LÚN CỦA NỀN ĐẤT 75 4.1.Tính biến dạng đất 75 4.1.1.Thiết bị thí nghiệm 75 4.1.2 Bộ phận nén đất (hộp nén) 75 4.1.3 Nguyên tắc thí nghiệm 75 4.1.4 Đặc tính biến dạng đất 77 4.1.5 Định luật nén 78 4.1.6 Các yếu tố ảnh hưởng tới tính biến dạng đất 78 4.1.7 Quan hệ module biến dạng hệ số nén lún Độ lún ổn định mẫu đất phân tố 79 4.2.Độ lún .80 4.3.Các phương pháp tính lún tức thờicủa đất 81 4.3.1 Dùng lý thuyết đàn hồi để tính toán dự báo độ lún tức thời đất rời 81 4.3.2 Tính lún tức thời cho đất dính 85 4.4 Tính lún ổn địnhcủa đất 89 4.4.1 Tính lún theo lý thuyết đàn hồi 90 4.4.2 Xác định độ lún theo giá trị SPT 90 4.4.3 Thí nghiệm bàn nén 90 4.4.4 Sử dụng số CPT để tính lún ổn định 91 4.4.5 Sử dụng phương pháp lớp tương đương để tính lún ổn định 92 4.4.6 Tính lún ổn định đất cách cộng lún lớp phân tố 94 4.4.7 Tính lún ổn định đất số nén Cc số nở Cs 96 4.5.Độ lún theo thời gian .99 4.5.1 Lún cố kết 99 4.5.2 Lún từ biến (lún cố kết thứ cấp) 101 CHƯƠNG V SỨC CHỊU TẢI CỦA NỀN 104 5.1 Độ BềN CHốNG CắT CủA ĐấT 104 5.1.1.KHÁI NIệM 104 5.1.2 ĐịNH LUậT CHốNG CắT CủA C.A.COULOMB 104 5.1.3 THI NGHIệM XAC DịNH SứC CHốNG CắT CủA DấT 105 5.1.4 Điều kiện cân giới hạn Mohr - Coulomb đất 110 5.2.Sức chịu tải đất 115 5.2.1 Khái niệm 115 5.2.2 Sức chịu tải đất dựa theo lý thuyết CBGH 116 5.2.3 Áp lực tính toán quy ước (trong áp lực tiêu chuẩn nền) dùng TCVN (dựa mức độ phát triển vùng biến dạng dẻo) 119 5.2.4 Sức chịu tải theo phương pháp dùng mặt trượt giả định 122 5.2.5 Sức chịu tải cực hạn đất điều kiện không thoát nước thoát nước 124 5.2.6 Sử dụng kết thí nghiệm trường xác định sức chịu tải đất 126 CHƯƠNG VI ÁP LỰC ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN 127 6.1 Khái niệm 127 Các loại áp lực đất tác dụng lên tường chắn .127 Lý thuyết áp lực đất Coulomb .130 6.3.1 Các giả thiết 130 6.3.2 Áp lực chủ động đất rời lên tường chắn 130 6.3.2.1 Phương pháp giải tích Rebhan 131 6.3.2.2 Phương pháp đồ giải Culman 132 6.3.2.3 Phương pháp J.V.Poncelet 132 6.3.2.4 Áp lực chủ động đất dính lên tường chắn 133 6.3.2.5 Xác định áp lực chủ động đất trường hợp đặc biệt 134 6.3.3 Áp lực bị động đất lên tường chắn 135 6.4 Vấn đề ổn định mái đất .136 6.4.1 Ổn định mái đất rời dài vô hạn 137 6.4.2 Ổn định mái đất rời có dòng thấm song song với mặt đất 137 6.4.3 Ổn định mái đất dính dài vô hạn có dòng thấm song song với mặt đất 138 6.4.4 Ổn định mái đất hữu hạn 139 CHƯƠNG VII CÁC MÔ HÌNH ĐỊA KỸ THUẬT 140 7.1 Tổng quan 140 7.2 Trạng thái biến dạng tuyến tính đất 143 7.3 Trạng thái biến dạng phi tuyến đất 146 7.3.1 Lý thuyết biến dạng dẻo 146 7.3.2 Lý thuyết chảy dẻo 149 7.4 Mô hình Địa kỹ thuật 150 7.4.1 Mô hình đàn hồi 151 7.4.2 Mô hình đàn hồi- dẻo Mohr- Culomb 153 7.4.3 Mô hình đất yếu Cam- Clay 155 7.4.4 Mô hình đàn hồi- dẻo có kể đến tái bền: mô hình đất tăng bền (Hardening soil) 160 MỞ ĐẦU Đối tượng môn học Đất sản phẩm tạo thành phong hóa từ đá gốc, đất tồn phổ biến tự nhiên, tồn khắp nơi bề mặt vỏ trái đất Đất gồm hạt đất (hạt khoáng vật) tổ hợp thành, hạt hình thành lỗ rỗng, lỗ rỗng thường chứa nước (hoặc) khí Chỗ tiếp xúc hạt đất liên kết (đất rời) có liên kết (đất dính) cường độ liên kết bé so với cường độ thân hạt đất; Do có tác động bên hạt đất dễ dàng trượt lên Trong tự nhiên đất bề mặt vỏ trái đất thường có cấu tạo nhiều lớp Lớp đất bề mặt vỏ trái đất thường có nhiều tạp chất hữu dùng để trồng trọt nên gọi đất nông nghiệp hay “thổ nhưỡng” Lớp đất thường có chiều dày từ 0,5÷1m Lớp đất thường không sử dụng vào mục đích xây dựng Các lớp đất nằm bên dưới, cách mặt đất khoảng 0,5÷1m sâu sử dụng vào mục đích xây dựng công trình, gọi đất “xây dựng” Tác dụng đất xây dựng thường dùng để: làm công trình (gọi đất), làm vật liệu xây dựng (đắp đê, đập, đường, nhà,…) gọi đất đắp, đào hầm hay xây dựng công trình nằm ngầm đất (gọi môi trường xây dựng) Tính chất độ bền đất xây dựng có ảnh hưởng trực tiếp lớn đến chất lượng khả khai thác công trình nghiên cứu đất xây dựng có quan hệ mật thiết đến tiêu kinh tế-kỹ thuật công trình Đối tượng nghiên cứu môn Cơ học đất đất xây dựng gọi ngắn gọn đất Nhiệm vụ, nội dung, đặc điểm môn học Nhiệm vụ môn học Nhiệm vụ chủ yếu môn Cơ học đất dựa vào thành tựu nghiên cứu học vật thể môi trường liên tục kết hợp kết thực nghiệm khoa học đất xây dựng để tìm định luật tính thấm, tính ép co biến dạng đất, cường độ chịu lực khả đầm chặt đất chịu lực tải trọng tác dụng Những định luật sở để xây dựng lý thuyết môn học đất gồm: - Lý thuyết ứng suất biến dạng đất - Lý thuyết thấm cố kết thấm - Lý thuyết cân giới hạn Nội dung môn học Nội dung học tập nghiên cứu môn học đất bao gồm vấn đề chủ yếu sau đây: Tính chất vật lý đất Nguyên lý phương pháp thí nghiệm xác định tiêu vật lý đất Tính chất học đất Nguyên lý phương pháp thí nghiệm xác định tiêu liên quan đến định luật thấm, ép co, biến dạng, cường độ chống cắt khả đầm chặt đất Quy luật phân bố ứng suất đất tác dụng tải trọng trọng lượng thân đất Xác định độ lún đất đê đập Ứng dụng định luật tính ép co, định luật Hook lý thuyết đàn hồi để tính toán độ lún Ứng dụng định luật cường độ chống cắt điều kiện cân giới hạn khối đất để xác định tải trọng giới hạn sức chịu tải Ứng dụng định luật cường độ chống cắt điều kiện cân giới hạn khối đất để xác định áp lực đất lên vật chắn kết cấu ngầm đất Phân tích ổn định mái dốc tự nhiên nhân tạo Các mô hình Địa kỹ thuật Đặc điểm môn học Do đặc điểm chủ yếu đất là: (1) đất sản phẩm lịch sử tự nhiên hình thành trình phong hóa khác loại đá gốc khác đất tồn tự nhiên phức tạp đa dạng; (2) đất có tính phân vụn có nhiều lỗ rỗng tính chất lý đất nhạy cảm dễ biến đổi chí biến đổi mạnh tác dụng nhiệt độ, độ ẩm (do nước mặt nước đất) áp lực (do tải trọng công trình) Đặc điểm môn học: kết hợp Lý thuyết + Thực nghiệm + Quan trắc thực tế Các môn học liên quan đến môn Cơ học đất Cơ học đất môn kỹ thuật sở, môn học trung gian môn khoa học sở môn kỹ thuật chuyên ngành Muốn nghiên cứu tốt môn Cơ học đất cần nắm vững kiến thức môn sở như: học lý thuyết, sức bền vật liệu, lý thuyết đàn hồi, địa chất công trình, địa chất thủy văn Trong ngành xây dựng, thủy lợi, giao thông kiến thức môn Cơ học đất cần thiết cho môn học chuyên ngành như: móng công trình, kết cấu công trình thủy công, móng đường, móng mố trụ cầu Sơ lược lịch sử phát triển môn Cơ học đất Thời kỳ cổ xưa phong kiến: Do nhu cầu sản xuất, đời sống chiến đấu, từ xa xưa loài người biết sử dụng đất để xây dựng công trình như: hệ thống thành lũy, hệ thống đê ngăn lũ, hệ thống kênh tưới, hệ thống sông đào văn minh cổ Trung Quốc, La Mã, Ai Cập, chí Việt Nam Giai đoạn công tác sử dụng đất vào mục đích xây dựng dừng phạm vi kinh nghiệm nhận thức cảm tính đất xây dựng Thời kỳ TK18-TK20: Từ cuối kỷ 18 sau cách mạng công nghiệp với đời lớn mạnh CNTB, nhu cầu xây dựng sở hạ tầng phát triển mạnh bước đầu thúc đẩy nhà khoa học nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm đất xây dựng - Năm 1773 A.C.Coulomb nêu lý thuyết cường độ chống cắt đất tính toán áp lực đất lên tường chắn - Cuối TK19 đến đầu TK20 nhà KH bắt đầu nghiên cứu lý thuyết cường độ, tính thấm, tính biến dạng nghiên cứu làm sở để giải toán móng nghiên cứu lẻ tẻ (H.Darcy, 1856), (J.Boussinesq, 1885) Thời kỳ sau TK20: năm 1925 “Cơ học đất” K.Terzaghi đời đánh dấu trưởng thành môn Cơ học đất từ trở thành môn khoa học độc lập hoàn chỉnh có hệ thống Ở Việt Nam bắt đầu nghiên cứu Cơ học đất từ năm 1958 CHƯƠNG I TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT 1.1 Sự hình thành đất 1.1.1 Quá trình hình thành đất Quá trình phá hoại làm thay đổi thành phần đá gốc ảnh hưởng tác dụng vật lý, hóa học trình tồn đá gốc gọi trình phong hóa Do tác dụng phong hóa nên khối đá gốc không giữ trạng thái ban đầu mà biến đổi, vỡ vụn, bở rời, bị dòng nước gió lắng đọng lại đường chuyển dời tạo thành lớp đất bao quanh phần lớn mặt vỏ trái đất Như trình hình thành đất gồm ba giai đoạn: Phong hoá – vận chuyển – lắng đọng (trầm tích) Quá trình hình thành đất diễn nhiều năm → tính chất đất phức tạp 1.1.2 Các dạng phong hoá Dựa vào đặc trưng biến đổi đá gốc ảnh hưởng tác nhân phong hóa, chia phong hóa vật lý, phong hóa hóa học phong hóa sinh học Trong đó, theo quan điểm xây dựng, có phong hóa vật lý phong hóa hóa học đáng quan tâm nghiên cứu Phong hoá vật lý: Sinh chủ yếu có liên quan với thay đổi nhiệt độ, gây nên nở nhiệt không thể tích, làm cho đá gốc bị phá hoại phân vụn thành hạt to nhỏ không nhau, không làm thay đổi thành phần hóa học khoáng vật Do sản phẩm phong hóa vật lý tạo loại đất rời (đá dăm, cuội sỏi, hạt cát, v.v…) có thành phần khoáng vật tương tự với đá gốc Phong hoá hoá học: Sinh tác nhân nước, Ôxy, axit cacbonic axit hòa tan nước, làm cho đá gốc bị phá hoại kèm theo thay đổi thành phần khoáng vật thành dạng ổn định hơn, tạo loại đất sét có kích thước hạt nhỏ cực nhỏ, phần lớn không phân biệt mắt thường * Phong hoá vật lý → đất rời có thành phần khoáng vật giống đá gốc (hạt thô - phân biệt mắt) khô rời rạc, ẩm không dẻo Tính thấm lớn khả hút nước nhỏ * Phong hoá hóa học → đất dính (hạt nhỏ - không phân biệt mắt) khô cứng thành khối, ẩm bị dẻo, thấm chí không thấm nước lượng hút nước lớn Thường có hai loại → cát sét Các sản phẩm cuối phong hóa nằm chỗ hình thành ban đầu bị chuyển dời chỗ khác bới dòng nước gió tạo thành dạng trầm tích đất 1.1.3 Các dạng trầm tích - Trầm tích tàn tích (Eluvian) : Là trầm tích sản phẩm phong hóa lớp đá nằm chỗ hình thành ban đầu Đặc điểm bật bao gồm hạt có dạng góc cạnh nhọn sắc phân loại theo kích thước hạt, thành phần thạch học nói chung giống đá gốc nước ta, khí hậu nhiệt đới nên trình phong hóa hóa học xảy mãnh liệt biến loại đá gốc thành loại đất sét có màu đỏ, nâu, vàng, thường gọi đất Laterit Quá trình Laterit hóa trình hình thành đất chủ yếu nước ta - Trầm tích sườn tích (Deliuvian) : Chủ yếu tích lũy lại sườn dốc chân sườn dốc, khoảnh thấp sát đường chia nước Trầm tích tạo thành nước mưa trôi sản phẩm rời xốp phong hóa từ vùng cao đưa xuống Đặc điểm gồm loại đất rời rạc, hạt nhỏ lẫn với hạt lớn, không ổn định, thường hay bị trượt lở theo bề mặt lớp đá gốc bên dưới, chiều dày lớp đất không đồng - Trầm tích bồi tích (Aluvian): loại đất hình thành trình trầm tích sông hợp thành thung lũng cổ, đại lòng sông Đặc điểm tính phân lớp rõ rệt theo thành phần hạt, lớp có cỡ hạt nhỏ sét hay cát mịn lớp thường có cỡ hạt to đất cát lẫn sỏi cuội Ngoài có phong tích, băng tích trầm tích biển 1.2 Các thành phần đất 1.2.1 Khái niệm Trường hợp tổng quát, đất gồm ba thành phần: Các hạt khoáng chất rắn thường chiếm phần lớn thể tích đất, thể lỏng chiếm phần hay toàn khoảng trống hạt rắn đất thành phần khí chiếm phần lại lỗ rỗng đất, gồm chủ yếu không khí Các tính chất thành phần này, tỷ lệ số lượng chúng đất, tác dụng điện phân tử, hóa - lý, 10 Gt = dτ i τ* = G0 * i (τ i + γ i G0 ) dγ i (4.34) Biến dạng đàn hồi trường hợp nén xác định từ phương trình (4.3): σ −σ σ (4.35) ε1 = + 2G (γ i ,σ ) K (σ ) đây: σ= σ1 +ν σ − 2ν 2ε , τi = , γi = −ν +ν Từ phương trình (4.35) sử dụng phần mềm Mathcad để xây dựng đồ thị Trong trường hợp cần phân chia ứng suất tổng thành hai phần ứng suất hữu hiệu áp lực nước lỗ rỗng, sử dụng công thức Terzaghi: σ=σ/+u (4.36) Để mô tả quan hệ ứng suất trượt biến dạng trượt, sử dụng phương trình: τ i = τ i* 1 + ( A / τ i* ) lg(γ i / γ i* )  , 0