Cơ học đất ứng dụng trong xây dựng nguyễn ngọc bích pdf

Tùy thuộc vào kết cấu, hai loại cát có cùng hệ số rồng có thổ hiến thị những khả nànt’ kliác nhau về mức độ chặt; vì thế độ chặt tương đối tính theo trọng lượng đơn vị sẽ chc một ý tưởng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

PGS TS NGUYÊN NGỌC BÍCH

ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG

BỌCKHUIlAHb ؛

١Ạ

؛ IRU٠٠I٥

_

r١Ị

؛ | THƯ V

1 0 0 2 5 2 9 5

NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG

LỜI NÓI ĐẨU

Cuổiĩ sách nay chu yéu nhằm mục đích ịĩiai !hích rỗ rùng, đáv đu vc) sâu sâc các nguyên tác cơ hán cua CO' học đất phục vụ nhu cầu cua sinh viên đai học kỹ thuật xây (lựng Sự hiôu hiết vẻ những nguyên tac nùy dược xem ỉà nên tang thiêt yéu mà trong kinh nghiệm thực liên tương lai có thê dược íhiêl lập trong địa kỹ thuật xây dựng Sự lựa chọn tài liệu liên quan lả tùy thuộc từng cá nhản, nhưng nội dung cua cuồn sách ỉìùy dà bao gồm cúc yêu cầu cùa hủu hét cúc khóa học ơ bậc đại học cùng như một phần cua một so cúc khóa hục Thục sĩ ngòỉĩlĩ kỹ thuật xây dựng.

Người ia cho rằng người đọc không cỏ kien thức về cơ học đất, nhưng có một sự hiêu biết íổt về cơ học cơ bàn, thì sau khi đọc cuồn scìch này, trong đó hao gồm khá nhiều ví

du có lời giải và các bải tập cho học sinh cung cố sự hiên biết về cúc nguyên tac cơ han

vù minh họa cho ứng dụng cua họ trong các tình lĩuông thực tê Trong cuốn sách giới thiệu ca hai phương pháp tính toán truyên thỏng và trạng thủi giới hạn, dông thời nỏ còn dê cập tới một so khái niệm về dịa kỳ thuật xcly dựng Tùi liệu tham khao dược xem như công cụ trợ giúp vùo việc nghiên cứu tiên tiên hơn cua hat kỳ chu dế cụ thê nào Hy vọng rang, cuốn sách sẽ vừa phục vụ vừa như một nguồn tủi liệu tham khao hữu ich cho các ky sư thực hành chuyên ngùtdì xảy dựng.

Sách bao gom ỉ 0 chương với cúc nội dung sau;

Chương ỉ ; Thành phần và tính chất cơ han cua đát.

Chương 2: Tính chat thám nước trong đất cát chay và xói ngầm.

Chương 3: Tính nén lún vù độ bền cua dắt.

Chương 4: Õn định cùa các sưtxn dôc dúí.

Chương 5: ưng suất vù chuyên vị trong klìoi dắt.

Chương 6: Lý thuyết cố két,

Chương 7: Lún cùa mủng nông.

Chương 8: Áp lực ngang cua đất vù ôn định cua íưtrng chan đát.

Chương 9: Khá nang chịu tài cùa nền dát.

Chương 10: ưng dụng cúc phương pháp thí nghiệm hiện trường trong xáy dựng Cuồn súch này sẽ có ích cho các kỹ sư và chuyên gia thiết kê công trình xây dựng dãn dụng~công nghiệp, giao thông~công trình ngầm, thủy lợi và kỹ sư địa kỹ thuật có liên quan vói cơ học đút vủ địa kỹ thuật xây dựng.

Cuoi cùng, túc già xin chân thành cám ơn Nhà xuất ban Xây Dựng đã cho những đỏng góp quỷ báu và no lực đảng kè trong việc chuủn bị trước đó đê xuất bủn cuốn scỉch nàv.

Tác giả

và vật liệu xây dựng Cơ học đất là ngành kỹ thuật liên quan đến các tính chất xây dựng của dat và đặc trưng về ứng suất và biến dạng cùa nó.

1.2 SỤ PHÁT TRIỂN CỦA MỒN c ơ HỌC ĐÂT

Thời tiền sử, con người đã biết sử dụng đất cho các mục đích xây dựng Đất được sử dựng không chỉ làm nền công trình mà còn làm vật liệu xây dựnư cho các công trình đất đắp Các kiến thức thu được trong tự nhiên và dựa trên thử nghiệm thành công và thất bại, cùng như kinh nghiệm đúc kết nhiều năm Ví dụ, Vườn treo Babylon đã được chống dỡ bàng hệ thống các bức tường chắn đất khổng lồ, công việc xây dựng công trình này đòi hỏi phải có một số kiến thức, kinh nghiệm thực tế, và sự hiểu biết về áp lực dất Những tòa nhà công cộng to lớn, bon cảim kênh dẫn nước, cầu, đường giao thông và công trình vệ sinh của La Mã khăng dịnh sự hiểu biết của con người về các đặc trưng xây dirng cúa các loại đất Điều này hiên nhiên đã được thê hiện trong những tác phẩm cúa Vitruvius, các kỳ sư La Mã ở thế ký trước, B.C.Mansar và Viswakamia, ở Án

Độ, đã viết cuốn sách về 'khoa học xây dựn؛>' trong thời kỳ Truim cổ Các tháp nghiêng Pisa, Ý, xây vào khoảng 1174 và 1350 cùa thế kỷ 20 là một ví dll rò ràng cho sự thiếu kiến thức đầy đủ về dặc trưng nén lún của dất vào thời kỳ đó

Coulomb, một kỳ sư Pháp, xuất bản lý thuyết nôm áp lực đất năm 1776, đó là sự đóng góp lớn đầu tiên để nghiên cứu khoa học về đặc trưng của đất ô n g là người đầu tiên giới thiệu khái niệm về sức kháng cắt của đất bao gồm hai thành phần, dó là lực dính và ma sát trong Poncelet, Culmann và Rebhann là những người đàn ông khác đã

mở rộng công trinh của Coulomb Darcy và Stokes nối tiếng vì định luật của họ cho dòng nước chảy qua đất và sự lún chim cúa một hạt rắn trong môi trường lỏng, tương ứng Nhũng định luật này vẫn còn hợp lệ và đóng một vai trò quan trọng trong cơ học dất Rankinc đã đưa ra lý thuyết về áp lực dấl năm 1857; ông đã không xem xét tới lực dính kết, mặc dù ông biết về sir tồn tại của nó

Mohr, năm 187إ , đã biểu diễn trạng thái ứng suất duới dạng dồ thị, duợc gọi là vOng

trOn 'Mohr's ứng suất' Đồ thị này dược sử dụng rộng rãi trong ly thuyết về độ bền cửa dất Boussinesq, vào năm 1885, dâ dưa ra ly thuyết về sự phân bố ứng suất trong một môi trường dàn hồi dưới tảỉ trọng tập trung trên bề mặt

Atterberg, một nhà khoa học Thụy Điển về dất, vào năm 1911, ông dâ dưa ra khiải niệm về 'giới hạn độ sệt' cho dất Diều này có thể tạo khả năng hiểu biết thêm về càc tinh chất vật ly của dất Phương pháp pliân mảnh dể phân tích sự ổn dinh sườn dốc Thụiy Điển dược Fellenius phát triển vào năm 1926 ô n g là chủ tlch ủ y ban Dịa Kỹ Thuật Thụy Điển

Prandtl da dưa ra ly thuyết cân bằng dẻo vào năm 1920 và nó da trở thành cơ sở chio

sự phát triển các lý thuyết khác nhau về khả năng mang tải

Terzaghi da dưa ra ly thuyết cố kết vào năm 1923 và nó trở thành nền tảng quan trọng cho sự phát triể môn cơ học dất Vào năm 1925, ông cũng da công bố luận án dầu tiên về cơ học dất, một thuật ngữ gắn liền với cuộc dời của ông (theo tiếng DUc, là Eird bau mechanik) Do dó, ông dược coi là cha dẻ của cơ học dất hiện dại về sau này, R.R Proctor và A Casagrande và một loạt các nhà nghiên cứu khác phát triển môn cơ học dất hoàn toàn dựa trên cơ sở lý thuyết của ông như là một bộ luật

Chương này nhàm nêu bật dược những thành phần và tinh chất cơ bản cùa dất nnà

người dọc sẽ quan tâm Nó dược chia thành bốn phần chinh: 1) Các tương quan thể tích

- trọng lượng cho hệ dất ba pha; 2) Thdnh phần cảp phổi hạt và củc hệ thống phUn lo.at

dát; 3) Trạng thai của dổt dinh, và 4) Độ đầm chặt của dất.

1.3 cAC TƯƠNG QUAN THỂ TÍCH TRQNG LƯỢNG

1.3.1 Các định nghĩa Cơ bản

Hlnh l l a bỉểu diễn một khối dất có tổng thể tích V và tổng trọng lượng w Để phiát triển các mối tương quan giữa thể tích - trọng lượng, ta xét khối dất có ba pha, dó là c:ác hạt dất rắn, không khi và nước, da dược phân tách trên hlnh l.lb Lưu ý ràng:

Trọna lượn Thếticlì Trọng lượn Thè tích

Giả thiết trọng lượng của khí bằng không Các lương quan thể tích được sử dựng chủ yếu trong địa kỹ thuật xây dựng là hệ số rỗng, độ rỗng, và mức độ bão hòa nước

1 Hệ số rỗng, e, được xác định bằng tỷ số giữa thề tích lồ rỗng với thể tích cùa các hạt đất:

V

( ỉ 4)

e = V.

2 Độ rỗng, n, được xác định bằng tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng với thể tích cửa toàn bộ mẫu đất:

Tham số trọng !ượng dơn vị đất đô؛ khi còn dược 1ا؛خاا như trọng ؛U’ợ!ig đơn vị dất ân١

vỉ chl có xét t،'ri trợng lượng nước và trọng lượng các hạt rắn Nếu toàn bộ lồ rỗng cUíi đất đư'(.yc lấp đầy nước (tú'c là, Va = 0), tlii đó là loại đất bâo hòa hoàn to؛'،n; klii đó pliuong trinli (1.9) sẽ du'ợc sử dụng là trọng lượng dơn vị bão liOa

6 Trọng lư'ợng đơn vị dất khô, Yd , là tỷ số giữa trọng lượng của các hạt rắn và tông

thế tícli niẫư đất:

V 1 + ح

7 Trọng lu'ợng dơn vị của các liạt dất, Ys, là tỷ số giữ'a trọng lu'ợng cưa cdc hạt rắn

và thê tícli của chúng:

w.

8 Trọng lượng đơn vị đất bị nước đẩy nổi hay trọng lượng đơn vị hữu hiệu, y ’ , được

lấy bàng trọng lượng đơn vị đất bão hòa, , trừ đi trọng lượng dơn vị của nước , y ٠, :

10 Khối lượng đơn vị

Thuật ngữ khối lượng đơn vị ở đây là để chỉ tương quan cúa khối lượng (M) với trọng lượng (W) của vật liệu Tuy nhiên, một số tham chiếu, đặc biệt nhũng người cao tuổi, hay dùng thuật ngữ trọng lượng đơn vị đã mô tả trên Khối lượng đơn vị được ký

hiệu bằng chữ p Khi đó, ta có:

trong đó: g - gia tốc lực trọng trường tại nơi thí nghiệm (g = 9,81m/s؛)

Thuật ngữ trọng lượng đơn vị được định nghĩa ở trên có thế được chuyển đổi sang khối lượng đơn vị như sau:

(2ﺀ , , ل ﺎ ﻐ ﻠ ﻳ ة ( ٠

؛

٧ dụ có loi gỉảl 1.-1: Một mẫu dất có tống thể tícli là 2,5xlO"3 щ] \ầ tổng khối

bàng 4,85 kg Độ ẩm cùa dất là 28% Giả thiết rằng tỷ trọng ctia liạt đất là 2,72

Hăy xác đỊnli klrối lượng dơn vị, trọng lượng dơn V؛, khối lư'ợng đất khô; trọng lượng đơn vỊ khô, liệ số rSng; và mú'c độ bẫo liOa nu'ớc của đất?

=)3د

» ;/

9,81)(

/« ;

ﺞﻠﺟ516.ا(

=ج

ﺢﻤﻟ

=

ﻢﻟ

^,

e - liệ số rSng của dất ở trạng thái tự nhiên.

Phương trinh (1.22) cUng có tliể dược biểu diễn dưới dạng thuật ngữ trọng lu'ợng dơnا

vị dất khô;

ﻵ١ ﻝ

nliO nhất, và tự nhiên Sau khi thay các phương trinh (1.24),(1.25), và (1.26) vào) phương trinli (1.22) sẽ nhận dược:

(1.28)

(1.29)

(1.30)(1.31)

Sau khi thay ctgO từ phương trình (1.29) vào phương trình (1.31), ta có:

(e ١ niax —e ١riìin /

RO ràng, nếu Co = Cmax, thỉ Dr = 0; và, nếu eo = Cmm, thi Dr = 1

Dối vớỉ các loại cát lẫn sỏi sạn rất chặt, dôi khi Dr lớn hơn một dơn vị Diều này sẽ chi ra cho thấy, kết cấu tự nhiên của dất khOng thể tải híện lại dược ở trong phOng thi nghiệm.Các trị sổ chỉ tiêu độ chặt tương dôi dại diện và khoảng các trị số trọng lượng dơn vị tiêu biểu dược giới thiệu trong bảng 1.1 dưới đây

Bảng 1.1 Cảc tr؛ độ chặt tưong dối dạí díện và các trọng lưọng don vi tiêu bỉều

Tùy thuộc vào kết cấu, hai loại cát có cùng hệ số rồng có thổ hiến thị những khả nànt’ kliác nhau về mức độ chặt; vì thế độ chặt tương đối tính theo trọng lượng đơn vị sẽ chc một ý tưởng tốt hơn so với tính theo hệ số rỗng.

Khái niệm độ chặt tương đổi được ứng dụng trong công tác đầm chặt vật liệu dạng hạt, hiện tượng hóa lỏng đất cát khác nhau do rung động liên quan đến công tác thi cône đất, công tác đóng cọc, nền của nhà máy, rung động của xe ô tô và xe lửa truyền lên đất loại cát, v.v Thông qua các trị số độ chặt tương đối sẽ giúp chúng ta có biện pháp xù

lý lún nền đất dạng hạt dưới móng công trình do ảnh hưởng của tải trọng động gây ra

1.4 THÀNH PHẦN CẤP PHỐI HẠT CỦA ĐÂT VÀ CÁC HỆ THỐNG PHÂN LOẠI ĐẤT 1.4.1 Thành phần cấp phối hạt của đất

Đe hiểu biết cơ bản về bản chất của đất, cần tìm hiểu dạng phân bố kích cỡ các hạt trong một khối đất xác định

Thành phần cấp phối hạt của các loại đất vụn thô (ví dụ như cuội sỏi hay cát) thường được xác định bằng phương pháp rây (sàng) Xác định trọng lượng đất khô giữ lại trẽn mỗi sàng, và dựa trên phần trăm trọng lượng hạt tích lũy lọt qua từng sàng nhất định để lập biểu đồ quan hệ giữa phần trăm trọng lượng hạt với đường kính của chúng (xem hình 1.4) Số của các sàng tiêu chuẩn và kích thước lỗ sàng sử dụng ở Hoa Kỳ được chi

Sàng số, No

D10

troiig đó: D(١ o !à đường kinh lọt qua nó cliiẻni 6٥٥/ tống kliối lượng dất khô.

Tham số trên đây có thể tliu dược từ đường cong phân phối kích thước hạt n,hư thế hiện trong hình 1.4

o ất dược gọi là rất dồng nhất, nếu Cu < 5; dất dược gọi là dồng nhất trung binh, nếu

Cu = 5 dển 15; và dất dược gọi là dồng nhất thấp hay rất kliOng đồng nhất, nếu Cu > 15

Một tham số hay chỉ tiêu khác biểu diễn hình dạng của dường cong cấp phối hạt dirợc biết dến như "Hệ số cấ p phốỉ / hoặc Độ cong, Cc", dược xác dinh như sau:

)ت ٠ ( ﻪ ﻟ

(٠٥٥)(٠ اﻻ)trong dó: 0ه د là đường kinh hạt khi lọt qua nó có 30% tổng khối lượng dất khô.

Hệ thống phân loại dảt thổngnhát

Người dầu tiên dưa ra hệ thống phân loại dất thống nhất la A Casagrande vào năm 1942

và dược tập thể các kỹ sư và Cục cải tạo dất toàn Liên Bang Mỹ sửa dổi vào năm 1952

Hệ thống phân loại đất thống nhất phân đất ra hai loại chính: đất hạt thô (bao gòm cuội, sởi và cát), nếu hàm lượng của chúng (tính theo khối lượng hay trọng Iượnu) nàm trên sàng số 200 chiếm trên 50%; và đất hạt mịn (bao gồm bụi và sét), nếu hàm lượng đất (tính theo khối lượng hay trọng lượng) lọt sàng số 200 chiếm trên 50% Tiếp đó, dấi còn được phân loại chi tiết hơn như chi ra trong bảng 1.3.

1) Hộ thống phân loại đất của Anh Quốc (British Standard - BS)

2) Hệ thống phân loại đất của Hiệp hội về thí nghiệm và vật liệu Mỹ (America!

Society for Testing and Materials ٠ ASTM, D - 2487, 200a)

mm3) Hệ thống phân loại đất của Hiệp hội các nhà quản lý giao thông và đường cao tốc

Mỹ (AASHT(3)

mm4) Hệ thống phân loại đất theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCXD 5747: 1993)

mm5) Hệ thống phân loại đất theo Thống nhất của Thế Giới

(The Unified Soil Classification System - uses)

ỉỉaiig 1.3: Hệ thổng phàn loại đất thOng nhát

3

ﺎ ﺑ

= )

ه

06 )(

0 / ( 2 )

ه

03 (

KhOng dUng dược ha؛ tiêu chuẩn c٧ va

Cr như dổi với GM

ﺎﻫ 0 ( ا 2 ) ه 03 ( ت : 0

SP

Cát có cấp phổi hạt xấu) cát lẫn sạn sỏi (có ít hay khOng

Sét vó cơ (độ dẻo thấp dến trung), sét lẫn sạn sỏi, sét lẫn cát, sét lẫn bụi, sét tinh

OL Bụi hữu cơ, sét pha bụí hữu

cơ (độ dẻo thấp)MH

b Bụ\và sét

c Bất chửa nh\êu hữu ca

Bụi vO cơ, cát mjn hay dất bụi chứa mi ca hay tảo cát,

CH Set vO cơ (dẻo cao), sét béo

OH Set hữu cơ (dẻo trung binh dến

cao), bụi h t ^ ^

Pt Than bUn, bUn thổi vá dất

chưa nhiéu hữu cơ khác

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Độ ầm giới hạn chảy Wí (%)

trăm Itcit m ill iât ١

؛ trên p

** Các giới hạn Atterberg nằm trên đường "A" và chỉ s ố dẻo I p : 4 i 7 đó là các tritò' ٠ìg ١iợp p؛ián ﺍﻵ ﺍﺍﺍ giỏi, nên cần có dấu nối (ﻁﺅ hiệu g١١ép١ ١

Ví dụ có lồi gíảỉ 1.2: Sau khi thi nghiệm dất cho kết quả sau:

Lọt sàng N0.4 = 92% Lọt sàng No.40 = 78٥/٥

Lọt sàng N0.10 = 81% Lọt sàng N0.2OO = 65%

Độ ẩm giới hạn chảy = 48% Chi số dẻo = 32%

Hãy phân loại đất trên theo hệ thống phân loại dất thống nhất?

B àigìải

Do khối luợng hạt dất lọt qua sàng số 200 dạt trên 50%, nên loạ٤ dất này thuộc loại dất hạt mịn, có thể là dất ML, CL, OL, MH, CH, hay OH Bây giờ chUng ta vẽ lên sơ dồ dẻo các trị số w48 = ٠/٥ và Ip = 32٥/٥ cho trong bảng 1.3, loại đất này rơi vào vUng CL

Vậy, đcit được xếp vào loại CL.

1.5 TRẠNG THAI c ủ a BẤT DÍNH

1.5.1 Các gíól hạn Atterberg

Vào klioảng năm 1911, một nhà khoa học Thụy Điển, A Atterberg, dẫ phát triển một phương pháp dể mô tả giới hạn t r n g thái của các loại dất hạt mịn dựa trên cơ sở độ ẩm Các giới hạn này ỉà giới hạn chảy, giới hạn dẻo và giớí hạn co ngOt (xem hlnh 1.6)

Trạnsthái cliảv Trạng tliái dCo Trgns thái nUa cứng Trạns thái cứng

Giới hạn chay, V\ ٠ L

Hiiih 1.6 Trạug ، hái của cdc loại đất dinh (theo Casagrande, 1932, 1948).

- Độ ẩm gỉól hạn chảy, Wj,, là giới hạn độ ẩm, tinh bằng phần trăm, khi vưẹrt quá

nó dất sẽ chuyển từ trạng thái chảy sang dẻo Độ ẩm giới hạn chảy thường dược xác định bằng dụng cụ tiêu clìuẩn của Casagrande (Casagrande, 1932, 1948)

- Độ ani gíó'؛ hạn (Jco, W|., !à gi(Vi hạn độ ة ااا tliih bằng phần trăni, khl vượt quá nỏ

dâl SC ﺀ!اا!ؤ'ة!ا tíi' ti-ạng t!١íii ا!ة،ل Síing trạnư l!١íii nua c(rng Độ ấm giới hạn dco thường duxTc xác dịn!i banu dựng cụ 1 جﻻ ؛ chưấn cا'ιa Casagrandc ( Casagrande, 1932, 1948).

- Độ âm gỉó'í hạn co ngót, \v١, là giới liạn độ âm, tínli bàng phần trăm, klii vượt qưá nó đdl SC clluyجn líi ti'ạng thái ntra cú'ng sa!iư trụ!ig tliái cúng Độ ấm giới hạn co ngOt thường dưọc' xdc dỊ!١h bàng dụng cụ tiêư chưấn cưa Casagrande (Casagrande, 1932, 1948).

Các gicri hạn ٨ tterberge của đất dilih phq tliưộc vào nliiềư yếư tố cliăng liạn như số

lư'0'ng và loại khoáng vật sét và các loại cation hấp pliụ

- Chi' số dco, l|> ١ là hiộư số giữa độ ،1111 giOi liạn cháy và độ ẩin gíới liạn dẻo cUa đất:

trong dó; W|, là độ ấm giơ؛ liạn chay, và '٠Vị> là độ ấni g؛ới dCo

Klii độ giới liạii déo kliOiig thế xác địnli, tlií vật líệu dược gọi là kliônư dẻo (NP) Clií

sô ddo clio cát bằng kliOng

Burmister (1947) pliân loại tliưộc tíiili ddo cUa các loại dất tlieo các clií số dẻo cUa cliling nliu sau (xcm bdiig 1.4);

Biing 1.4 Các dặc trung dẻo cùa dất

- Chỉ số sệt, 1„ 'Chỉ số sệt' hay 'độ sệt tương dối,' là ty sổ giữa liiệư độ ẩm giới hạn

chay và độ ấm tự nliíên với clil số dẻo cUa đất:

- Chỉ số chảy, I|,, là tỷ số của hiệu số giữa độ ấm tự nhiên và độ ấm giới hạn dẻo vói

CứngTương đối mềm Mem Rất mềm

Ví dụ có lòi giải 1.3: Một loại đất có độ ẩm giới hạn dẻo là 25% và một chỉ số dẻo

bằng 30 Nếu độ ẩm tự nhiên của đất là 34%, hỏi chỉ số chảy và chỉ số sệt của đất đó là bao nhiêu? Hãy mô tả chỉ số sệt của đất?

1.6 ĐỘ ĐẦM CHẶT CỦA ĐẤT

1.6.1 Lý thuyết đầm chặt và thí nghiệm đầm chặt

Công tác đầm chặt các loại đất đắp là phương pháp đơn giản nhằm làm tăng tính ổn dịnh và khả năng chịu tải của đất Để đạt được mục đích này, người ta thường dùng máy

lu, máy đầm, máy vừa đầm vừa rung

Thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn trong phòng lần đầu tiên được nhà bác học người Mỹ

tên là Proctor (1933) phát minh ra, và nó được mang tên là Thi nghiêm liêu chuân Proctor (tiêu chuẩn thiết kế ASTM D-698; AASHTO T-99) Thí nghiêm được thực hiện

bằnư cách đầm nén ba lớp đất trong cối có thể tích bàng 944 cm٠\ Mồi lớp đất được đầm

25 nhát búa có trọng lượng bằng 24,5 N vơi độ cao rơi búa là 304,8 mm Từ thể tích cối, trọng lượng đất ẩm trong cối, và độ ẩm của đất được đầm chặt đã biết, cỏ thế xác định được trọng lượng đon vị đất khô như sau;

trong đó: w - độ ẩm ban đầu cúa đất

1.6.2 Dộ ẳm tốt nhất và trọng luọng đon vị khô lón nhất

Mức độ đầm chặt của đất được đánh giá theo trọng lượng đơn vị khô của nó Với

một công đầm nén xác định, nếu đồ thị quan hệ giữa٠trọng lưọng đơn vị khô và độ ẩm

được thiết lập như chi ra trên hình 1.7, thì độ ẩm tương ứng với trọng lượng đơn vị khô

lớn nhất ( y,y(,١٥,،)) được gọi là độ ẩm tốt nhất (hay độ ầm tối ưu) ( vv ).

Hình 1.7 Đồ thị quan hệ giũa trọng lượng đơn vị khô và

độ ám cùa đất trong thí nghiệm đầm nén.

Đường biểu diễn quan hệ giữa độ ẩm và trọng lượng đơn vị khô ứim với mức độ bão hòa không đổi, Sr , có thể được xác định bàng phương trình sau:

r i

1 + ١V.G,

؟ ٠

trong đó: 7،i(bh) - trọng lượng đơn vị khô không còn khí trong lồ rỗng

Ví dụ có Iò’ỉ giải 1.4: Cho các kết quả thí nghiệm đầm chặt tiêu chuẩn nhu’ sau:

Tỷ trọng hạt là 2.65 Hãy thiết lập các đồ thị sau đây:

(a) Đường cong trọng lượng khô - độ ẩm;

(b) Đường cong các lỗ rỗng không có khí, và

(c) Đường cong lồ rỗng chứa 10% khí (mức độ bão hòa bàng 90%)?

Xác định độ ẩm tối ưu và trọng lượng đơn vị khô lớn nhất của đất?

Đồng thời xác định các giá trị chính xác của trọng lượng đơn vị khô lớn nhất và độ

ẩm tối ưu nếu có trong thử nghiệm ở trên, hàm lượng đất được giữ lại trôn sàng có đường kính 20 mm, bị loại 9%, Tỷ trọng hạt là 2,79

Bài giải

Các trị số trọng lượng đơn vị khô của đất được tính theo công thức

r,i =

(l + vv/lOO) , và được thống kê trong bảng 1.5 dưới đây.

Bảng 1.5 Các trị số trọng luọng đon vị đất khô

Từ các phương trình trên, chúng ta tính được các trị số như liệt kê trong bảng 1.6

Bảng 1.6 Các kết quả tính toán trọng lu'ọ’ng đon vị khô của đất

Dộ ấm , w,

(%)

Trọng lượng đơn vị đất khỏ,7d, (kN/m^)Điều kiện các lỗ rỗng

T ừاا؛لا vỗ trên ta có: ا!

- Độ ẩni tốt n!iất١ w،>p = 12%;

- Trọng lượng dơn vị dất khô lớn nhất, 7،i(niax) = 19,5 kN/mو

Hiệu clilnli cho thành phần hạt quá kích tliước:

Gs = 2,79 dối vớí cuội sỏi n ٠= 0,09; П2 = 0,91 Trọng lượng dơn vị dất kliô lớn nhất hiệu chinh

Bàí tập 1.2 : Một lơạl dất có tổng trọng lượng dơn vi bàng 20,1 kN/m^ và độ ấm là

15% Hây tinh toán độ ẩm của dất sau khi da sấy khô dến trọng lượng dơn vị bàng 19,4 kN/mو với hệ số rỗng giữ nguyên không dổi?

Bàí tập 1.3: Một mẫu dất có tỷ trọng hạt bằng 2,67 dược đố dầy vào một hộp có

dung tích là 1000 ml, ở trạng thái tơi xốp nhất trọng lượng khô của dất cân nặng 14,75

N Tiếp dó, đổ dầy vào hộp như vậy loạỉ dất ở trạng thái chặt nhất trọng lượng khô của dất cân dược 17,70 N Hệ số rỗng của dất ở trạng thái tự nliỉên bằng 0,63 Hãy xác định chi số độ chặt của dất ở trạng thái tự nhiên?

Bàí tập 1.5: Trọng lượng dơn vị khô của mẫu cát ở trạng thái tơi xốp nhất là 13,34

kN/m^ và ở trạng tháí chặt nhất là 21,19 kN/m^ Hây xác dinh chi số nén chặt cUa loại cát này khi nó có độ rỗng bằng 33./.? Giả th؛ết tỷ trọng hạt bằng 2,68

Bàí tập 1.6: Một mẫu dất cO độ ẩm giới hạn chảy bằng 2Ο./0 và độ ẩm giới hạn dẻo

bằng 12٥/o Bằng pliương pháp sàng cho ta các số liệu dưới dây:

Bàỉ tập 1.7: Các số liệu dưới dây Ihư dược bàng thl nghiệm dầm tlCu cliưẩn Procter

c tron« phỏng trên Irầni tích dất:

Chương 2 TÍNH CHẤT THÂM NƯỚC TRONG ĐÂT,

CÁT CHẢY VÀ XÓI NGẦM

2.1 TÍNH CHẤT THẤM NƯỚC TRONG ĐẤT

Bất kỳ khối đất nhất định nào đều bao gồm các hạt rắn kích thước khác nhau, giữa chúng là các lỗ rồng nối liền với nhau Các không gian lỗ rỗng liên tục trong đất sẽ cho phép nước chảy từ một điểm có năng lượng cao đến một điểm có năng lượng thấp Tính thấm được định nghĩa là tính chất của đất cho phép dung dịch thấm qua không gian lỗ rỗng nối liền với nhau Phần này sẽ tập trung nghiên cứu về các thông số cơ bản liên quan đến dòng chảy của nước qua đất

2.1.1 Định luật Darcy

Darcy (1856) công bố một mối quan hệ đơn giản giữa tốc độ xả và gradient thủy lực:

trong đó: V - tốc độ vận động của nước, cm/s hay m/ngày đêm;

i - građiên thủy lực = (Hi - H2)/L, và

k - hệ số thấm nước, cm/s hay m/ ngày đêm

Do đó, lưu lượng đơn vị (q) của dòng nước dưới đất có thể xác định:

Chú ý, A là diện tích tiết diện ngang của dòng chảy ngầm,

trong đó: B - chiều dài, m;

hi và h2 - chiều cao mực nước dưới đất tại B.l và B.2 (xem hình 2.1)

Hệ số thấm nước (k) cùng đơn vị với tốc độ thấm, cm/s hay mm/s

c ầ n chú ý rằng, tốc độ vận động của nước dưới đất như chỉ ra trong công thức (2.1)

là tốc độ thấm tính cho toàn bộ diện tích tiết diện ngang của đất đá nào đó mà nước chay qua Thực tế dòng nước dưới đất chi chảy qua các khoảng không gian lỗ rỗng liên tục giữa các hạt đất đá, nên tốc độ thấm thực của nước, Vtiic, chảy qua đất đá được biếu diễn bằng công thức sau:

trong đó: n - độ rỗng của đất

Một số trị số liêu biểu của hệ số thấm nước của đất được cho trong bảng 2.1

Bang 2.1: Một số trị số tiêu biểu của hệ số thấm nu'ó'c của các đất khác nhau

(2.4)

1 Điều kiệu đất nền đẳng hướng

Điều kiện đất nền đẳng hướng về thấm như chi ra trên hình 2.2

L

؛ -

irinh 2.2 Sơ đồ các đưòvg dòng và đườìỉg đăng ủp cùa nước dưới đất.

Già thiết rằng, nền đất đồng nhất, đẳng hướng về tính thấm nước Đại đa số các loại trâm tích đất tự nhiên có tínli dị hướng về tính thấm nước, có trị số hệ số thấm lớn nhất theo phương song song với bề mặt lớp và có trị số hệ số thấm nhỏ nhất theo phương

vuông góc với bè níặt !ớp; các phương này dược ký hlệư !ần lượt là X và z DOng dăng liướng có:

Dây là trường hợp tổng quát của định luật Darcy (xem các phương trinh 2,1 và 2,2)

Ví dụ có lòi giảí 2.1: Klioảng cách giữa ba giếng A, B, và c, tương ứng là, a = 31 ni;

b = 32 m, và c = 25 ni (xem hìnli 2.3) Dất có độ ẩm, w = 25%; trọng lượng dơn vị ) = 1 8 ,3 kN/m^, và tỷ trọng hạt dất, Gs = 2,70

1) Hây xác dịiíh gradiên thUy lực?

2) Nếu thả một chất chỉ thị màu xuống giếng A, sau dó 30 phUt chất clil thỊ màu này

sẽ xuất hiện tại hố dào có trục trUng với dường cUng độ cao mực nước BK Hỏi hệ số thấm nước của dất là bao nhiêu?

B / 1 8 m

A /2 4 m

dùng đề tinh toủn độ dổc thUy lt.rc cUa ví dụ 2.1.

Mặt kliác, chUng ta có diện tích tam g؛ác ABK:

19١81

ه

62-

ت

20,7

ا ١ ت

':

A ' H : I ỉ ỉ ỉ 2 - A A

:4neam đirợc xác dinh như sau

2) Xác dinh liệ số thấm nاrớc của dOng nاiớc ngầm theo Darcy:

- Vậ!i tốc lliấni thực của dOng nước ngầm dược xảc định như sau:

+ e

2 Diều kiện nền đất không đồng nhát phân lớp

Hiện tượng thấm nước theo phương ngang trong nền đất không đồng nhất phân lóp được chỉ ra trên hình 2.4

Hiiih 2.4 Hiện luợng tlidm nưức trong nền đất không dồng nhát phân lớp

.

,Theo dinh luật Darcy, chúng ta có

y dêm (

ﺓ

ng

ﺭﺇ ١ ﺍﺍ

( ,

٠

/ k

؟

١ h k٦

h\.k ١١h٦

؛

T vh، -k

tiĩ/ngày đềm

;(

(

, , , ,

\

ﺍ1

ầ H H ١ - H i

rn.+m.'

nt} , (tn (

؛

2

, ? ؛ +

ﺈ ﻤ ﻟ

=

A

:Sau khi thay các tham số dã có vào phương trinh (2.2), ta cỏ

Ví dụ có lò'i gíảỉ 2.2: Một mặt cắt dất nền bao gồm 2 m sét pha cát ( ) = 1 8

kN/mو; k١ , = 2x 10 ل ٠ m/ng.dêm) nằm trên 2,5 m cát plia bụi ( ) = 1 7 kN/mو; k v = l x l 0 " 2

m/ng.đêm) nằm trên 3 m cuội sỏi (k٧=10 m/ng.đêm) và nằm trên dáy cácli nước như clil

ra trên liinh 2.5 dưới dây Giả thiết dOng thấm là một chiều theo phương ngang Hây xác dịnli lưu lượng dOng ngầm dơn V؛ , q, bằng bao nliiêu m2/ng.dêm/m2? Giả thiết, trọng lượng dơn vị của nước, ) w = 10 kN/m^

k ìV h ١

k١ v h ٦

h١ ؛ k

)10.000(

3+)10(2.5+)2)(

1+2(0,5-

-

3

؛2,5+)1+2(0,5r

ا

0 , 0 :

2٠ ا.ؤ ٠ Dòng nu ٠ ٠ c ngầm ồn định mộí chi٤٠u (!D) theo phuong dứng ()

0 ﺎﳰ ﺑ( 6 ﺏ ﺍﺃ / ﺔ ﺗ ) ﺕ

ر M ỉệ VC nước ngầm có áp nằm dưới ntivc ninrc ngầnt khang áp

Hiện lượim tham nước theo phương đime trong nèn d ؛٤t hhOng dồng nhất phân !ớp khi

mẹ!'c nườc khỏng ảp (MNN) nằíii trên mục nước cO áp (MNA) nliư chl ra trCn hinh 2.6

trong (lui nền (1 ﺓﺃ khỏng، 1( ٠ ig n ﺍ ١ ﺍﺍﺓﺍ (MNN ﺍﺍﺓﺍ ١ ﺍ trén MNA).

Theo dỊnh !uật Darcy, chúng ta có,

١

ﻩ-ﻝ ١ ﺁ

= 1١

Ví dụ có 1اة gỉiiỉ 2.3: Một mặt cắt dất nền nlirr chi ra trên hình 2.6 Cho biết, hi = 2 m,

Ti = 18 kN/m"١, kvi = 4x 10 "2 m/ngày đêm ;13 = 2ا m, 17 = ﻵ kN /nl, k٧2 = Ix 10 ل ٠ m/ngày

dCm, và h.i = 2 m, )2 = 1 6 kN/m^, k\.2 = 5x 10 ﻰ ﺑ m/ngày dêm Mực nước ngầm không áp (MNN) nầm dưới mặt dất là 0,5 m Một ống do áp dặt tại dinh lớp cuội sOi và do dược

áp lực nước bằng 42 kPa Gia thiết, dOng thấm xảy ra một chiều theo pliưong dứng Hãy xác dịnli tốc độ dOng thấm bằng bao nhiêu m^/ngày dêm/m2 Giả thiết, trọng lirợng don

vị ctia nước, ) ١٧=10 kN /nl

Sau khi thay các tham số đã tìm được vào phưoTig trình (2.7), ta có:

Ợv = (0.92x 10 m/ng.đêm) ( 0.354) (Im ') =0.33x 10 m^/ng.đêm/m'.

Hiện tượng thấm nước theo phưoiig đứng trong nền đất không đồng nhất phân lóp klii mực nước có áp (MNA) nàm trên mực nước không áp (MNN) nliư chỉ ra trên hình 2.7

Hình 2.7 Sơ đồ dòng thấm ôn định theo phương đủng trong đất nền đất không đồng nhất (MNA nam trên MNN).

Theo định luật Darcy, chúng ta có,

(2.13)

Av = 1

Sau khi thay các tham, sổ trên vào phương trình (2.7), chúng ta tìm được,

Ví dụ có lò'؛ g؛؛ii 2.4: M ột mặt cắt đất nền như chi ra trên hỉnh 2.7 Clio biết, h 2 = ا ni,

)1 = 18 ص/!ا ١ وا k٧i = 4x 10"2 m /ngày dêm; hỉ = 3 m, )2 = 17 kN /mو, kv2 = 1X 10 -٠ ٩ m /ngày đêm, và h٩ = 2 m, )3 = 16 kN /m٩, k٧3 = 5x 10 -ؤ m/ngày dêm Mụ'c nước ngầm không ảp (MNN) nằm dưới mặt dất là 2,8 m M ột ống do áp dặt tại dinh lớp cuộí sỏi và do dược

áp Iụ'c nước bàng 65 kPa Giả tlriểt, dOng thấm xảy ra m ột chiều theo phương dứng Hày xác dỊnh tốc độ dOng thấm bằng bao nhiêu m٩/ngày đêm /m ؛ G iả thiết, trọirg lượng dơn

Tôn؛j, lượng ا1ا ة ! اا mất !iước tír lliượiig lư'u xưổng hạ lưu dược xảc đỊnli như : ة3ا ا

Bài giai

Tồng Urcrng thấm mất nước tír thượng lưu xuống hạ lưu du'ợc xảc địnlr nliư sau;

Uov\g,ồó■ k ,b = 4 k Ị x k ١ .

κ =

v k ١ ١ i4-m ٦

k\.m \-vk ٦

؛

х ١ п

؛ к

3 / »

m/ng.đêm),\4i (

Iк \ і

١١١١

؛ к

؛ !

^ Ііг

+ =

1 + 2 + 51/1 + 2 /2 + 5/10

Hệ số thấ١ii trung bínli có thể dược tínli nhir sau:

)

ﺍ ١ ﺄﺟﺍ

.،

ﺝ ١ ﺍ

/

ﺍ ١ ﺍ

, ) ( 2

ؤ ١

Wỉ I

+/،،

6 0

’ ) - 5 + 2 + 1

Dưới dây, chUng ta xét một số dOng ngầm chảy ba chiều (3D) tiêư biểư.

ر Giếng thu nước trọng lực (cho nước ngầm không áp), Q = 2 ĩ k xy dy/(Lx

Dòng ngầm ôn định c!iảy dối xUng trục vào một gỉếng thu nu'ớc hoàn chinh tliăng dLrng nhu chi ra trCn hlnh 2.11

irinh 2.11 Dòìigngầni ôn định chay đổỉ ximg trục VC 10 niột

giếng thn nưởc hoàn chinh thằng di'mg.

Tlieo dịnli luật Darcy, ở trạng thai ổn định, luu lượng bơm hút nước dơn vị cO thể dược biều diễn nlirr sau:

أ ﺀ 2 , ﻢ ﻟ " - ﺀ

Ví dụ có lòi giải 2.6: Hình 2.12 chỉ ra lóp đất có tính thấm nước được trải dưới bàng

một tầng đất đá không thấm nước Hệ số thấm nước của lóp đất trên cùng có thể được xác định bằng cách bơm hút nước thí nghiệm từ giếng khoan với lưu lượng không đổi

và bố trí hai giếng quan sát mực nước ngầm (QS.l và QS.2) về một phía cùa giếng bơm hút nước thí nghiộm Trạng thái ổn định được thiết lập khi mực nước tại giếng hút nước thí nghiệm và hai giếng quan sát không thay đôi

ﺭ ﺍ ﺍﺍ ١ ﺍﺍ!ﺍ

' 111

Cị = k j - 1 7 ĩ x y clx

) , 70/15

-(2,303)2(log

'٦

"

ةﺪﻤﺜﻛة

"

ا٦

"

2

’ه١ﺀ)

Hìnli 2.13 giới tliiệu một giếng artesian có chiều sâu xuyên hết tầng chứa nước có áp

và tír dó nu'ớc dược bơm liUt với lưu lượng không dổi

lư u lượng bơm liUt nước dơn vị ổn định dược tinh nliư sau:

R = r + ÌO S\ỉk Hiiih 2.13 Sơ đồ gìếng artesian.

V؛ dụ có lòi giải 2.7 : Hỉnh 2.14 giới thiệu giếng artesian xuyên hết chỉều dày tầng chứa nước có áp và bơm hút nước với tốc độ không dổi B i nước dược tỉến hành cho dến khi lưu lượng bơm dạt tới trạng thái ổn định Hẫy xác dinh hệ số thấm nước trong tầng chUa nước có áp, k?

Hình 2.14 Sơ đồ xác định hệ sổ thấm nước bang cách bơm hút nước

từmột gieng artesian hoàn chinh (cho V،' dụ.2.7).

X 2 dx 2 u k T 0 2 1

q h g jX ilX x ) 2.727 T {y 2 - y \ )

k = (2)log(70/15) (24)(60) ~ 30,70 m/ngày đêm.

là độ cao cột nước = h(.x,z) = hàng số) Hình 2.15 dưới dây giới thiệu ví dụ của mạng lirói tham cho hàng các cọc cừ đơn

Đê vẽ dược mạng lưới thấm, cần chú ý đến các điều kiện biên của chúng Ví dụ, trên hình 2.15 có các điều kiện sau:

Công dụng của mạng lưới thấm được dùng để tính toán thấm mất nước, xói ngầm, đất chảy dưới nền đê, đập và tháo khô các hố móng công trình,

Dối với mạng lưới thấm bao gồm các phân tố dòng chảy gần như vuông (xem hình 2.15), lưu lượng thẩm mất nước cho một đơn vị chiều dài kết cấu công trình, q, được xác định bàng công thức sau:

N

trong đó: h - ứộ chCnh cột nước g؛ữa thượng 1 اا ا với hạ lưư; ٢

k - hệ số thấm nước của đất đá;

N|■ - sổ !n'ợng kênh dương dòng chảy;

Nj - số !ưọ'ng vhiig giảm áp

Song trong tlitre tế, có thể vẽ mạng lưới tliấm bao gồm nliQiig pliâii tố dOng chảy là các hinh chữ nhật Trong trường liợp này, nếu tỷ số giữa chiều rộng, b, với chiều dài, I, cUa mọi pliân tố dOng chảy là;

١ ﺍ

:

ﺓ ﺃ ٠٠,٠

٧ dụ có lò'i gíảỉ 2.8: Cho một mạng lưới thấm như chỉ ra trên hình 2.16 Giả thiết,

liệ số tliấm nước của dất nền, k = 0,01 mm/gĩây Hãy xác định:

1) chiều cao cột nước dâng lên bao nhiêu nếu ta dặt các ống do áp tại ba điểm A, B, vàC ?

2) Imi lượng thấm mất nước từ tliuợng lưu xuống hạ lưu qua dáy dập là bao nhiêu m^/ngày dêm?

Hinh 2.16 Sơ đồ mạng lưới thảm dưới nền dộp.

! ) Xác ةﻻا!ا chiềư cao cột nước áp tại các điểm A, B, và c:

- Đề đạt tới d؛ểni A, nước phải chảy qua ha c!iỗ giảm ảp١ vì thế tổn thất cột nirớc áp dược tínli:

٧ậy, ta có: Cj : ( 0 ,8 6 4 ) ( 1 0 ) !ت3,6 0ﺎﺗ/ ngày dêm

2.2 CÁT CHAY VÀ XÓI NGAM

2 2 I.C á t chảy

Xét dOng ngầm tliấm qua lớp dất theo phương dứng từ dưới lên trên như chi ra trên hình2.17

Tổng ứng suất tại điểm 0 dược xác định:

Nẻu tốc độ dOng nước chảy qua khối dất tiếp tục tăng, trị số X sẽ tăng dến khi dạt tới

diều kiện mà ở dó σ' = 0 về cơ bản, diều kiện này sẽ dẫn tới hiện tuçmg bUng (bục) dáy liố dào

hay (2.33)

Do ứng suất hũu hiệu trong dất bằng không, nên khối dất sẽ mất ổn định Khi đó ta có:

ơ ' = h i ỵ ' - X Ỵ w = 0

, x _ γ ' I'h

trong dó : ifh = gradiên thUy lực tới hạn.

Ví dụ có 101 gíảỉ 2.9: Một lớp cát chứa nuOc cỏ áp trong mặt cắt dất nền nliir clií ra trên liìnti 2.18 Người ta tiến hành dào một hố mOng trong lớp sét dến độ sâu 4 m Hây xác định

độ sâu mục nước dưới dất (h) là bao nhiêu dể loại bỏ dược hiện tượng bục dáy hố mOng?

Hifth 2.18 Sơ đồ pỉiục vụ cho ví dụ 2.9.

Đô có Ihc xủv la lilện tượng bìing (bục) đáy hố inb!١g١ (mg suất hữư h؛ệu ơ ' = 0 ٧ậy,

a) Đìeit kiện cân cho củỉ chay trong nen đồng nhốt:

Phíii có gradiên thấna tới hạn, ith, có thế dược xác định như trên hinh 2.19

Htiih 2 ٠ 1 ٠ Đlẻu kiện chh^ trong clat dọng hr.ỉt.

Trong quá trinh dOng nước ngầm chảy hướng lên trên, tại điềm X sẽ có: