Cơ học đất, ứng dụng và tính toán công trình trên nền đất theo trạng thái giới hạn

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO XÂY DỰNG VIETCONS CHƯƠNG TRÌNH MỖI NGÀY MỘT CUỐN SÁCH PHAN TRƯỜNG PHIỆT GIÁO SƯTIẾN SỸ ĐIA KỸ THT Cơ HỌC ĐẤT ỨNG DỤNG VÀ TÍNH TỐN CƠNG TRÌNH TRÊN NÊN ĐẤT THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN ■ ■ (Tải bản) NHÀ XUẤT BẢN XÂY D ựN G HÀ NƠI -2010 Trung tâm đào tạo xây dựng VIETCONS http://www.vietcons.org LỜI NĨI ĐẦU Với :iiốn sách này, tác giả hy vọng giúp sinh viên trường, k ĩ sư trẻ có tài liệu tham ktảo lảm quen với kiến thức k ĩ thuật móng đại Nhu tên sách, sách gồm ba phần: Pliẩi Các tính chất địa kĩ thuật dất sở nghiên cứu với mẫu đất P hẩi B: Cơ học đất íữig dụng Phẩi C: Nội diing tính tốn thiết k ế theo trạng thái giới hạn phá hoại trạng thái giới hạn sử iụ n g hệ cơn^ trình - đất Do đặc điểm phát triển lịch sử, mơn C học đất móng nước ta chịu lần ỈK0 ảnh hưâng :ủa hai trường phái lớn th ế giới: trường phái Xơ viết trường phái Ấu - Mỹ, nên klìi viết sách tác giả định hướng rõ ràng: k ế thừa có chọn lọc thành tiũi đ ã đạt Ấược chục năm xây diữig đất nước x ã hội chủ nghĩa đại hóa theo m ột lơdc hợp lí kho tàng kiến thức th ế giới đương đại Tuy nhiên, có trang hay chươniị sách, địnlì hướng khó thực hiện, tác giả đành phải nêu íliuộc vường phcii này, thuộc trường phái kèm theo vài lời bình luận chủ quan c,iơ Mong dộc giả ìlìơnịỉ cảm yếu tác giả góp ý phương thức giải quyếi Cũng vậy, sách s ẽ lả nguồn cảm hứng k ĩ sư, học viên cao học tìm chọn lựa đề tài nghiên cíiìi C hõ': sách có hai phụ lục, mơ hình li tâm Địa k ĩ thuật, hai phương pháp plìần ti' dứng Địa kĩ thuật - phương pháp s ố Địa k ĩ thuật Đây hai vấn đề lí thú Đi/I k ĩ iìiiật mà nhiều người làm Địa k ĩ thuật quan tâm Do khn kh ổ sách, hai vấn dề trêu trình bày nịịắn gọn ỏ dạng phụ lục Bạn đọc quan tâm, xin trao đổi với tác í^iá ác gicí cữníỊ moni> dợi sựgiơo lưu Đ ể ả m rõ ní>liĩa, thuật ngữ dịa k ĩ tììiiậl tiếng Việt có kèm theo tiếng Anh N hái Síich xiiấỉ bủn túc giả cảm ơn NCS Việt Nam nước ngồi gửi tặng n h iê u i 'ii liệu cỊiiý Iìlìữní> N C S nược đ ã cộng tác tro n g q u trình nghiên cứu biêì soạn M oi í’ m uốn tlìì làii nlìưní’ tài hèn lực m ọn, khơng th ể khơng có thiếu sót scch n ủ \ T ác í^iíí xi lì cảm ơn írước bạn đọc vê góp ý clìO lẩn tái tốt ìưxti Tác giả Trung tâm đào tạo xây dựng VIETCONS http://www.vietcons.org Phần A TÍNH CHẤT XÂY DựNG CỦA ĐẤT ■ C hương ĐẶC TÍNH CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐÂT 1.1 ĐẶT VẤN ĐỂ Phân loại đất với mục đích xây dựng nói chung (làm nền, làm mơi trường xây dựng hầm hào, ^àm vật liệu xây dựng), mặt để lựa chọn xác phương pháp nghiên cứu sử dụng mặt đế đánh giá đất cho phù hợp với thực tế khách quan đặng có tri thức cần thiết cho việc dùng đất vào mục đích khác xây dựng cơng trình IVuốn cho việc phân loại đất vừa có lí luận khoa học vừa có giá trị thực tiễn chọn đặc tnmíí đất để phân loai cần phải thoả mãn hai u cầu sau đây; Phản ánh đầy đủ khách quan đặc tính biến đổi khơng ngừng đất đất sản phẩư tự nhiên, chịu tác dụng khơng ngừng hồn cảnh mơi trường tồn Làm cãn khoa học đê dự đốn hành vi ứng xử đất điều kiện mơi trưỜTíỉ làm việc với cơng trình Kinh nghiệm xây dựng chứna tỏ phân loại đất phải xét đến tổ hợp nhóm hạt C1 tạo đất tác dụng tương hỗ thể rắn thể lỏng đất Với đất chứa chủ yếu cát nhóm hạt thỏ độ lớn nhóm hạt, cấp phối chúng qu định chủ yếu đến tính chất xây dựng đất thơng qua đặc tính thấm biến dạng chống trượt đất Do loại đất phân loại theo độ lớn cấp phối hạt thích hợp Eối với đất chứa nhóm hạt mịn kích cỡ hạt, cấp phối hạt mức độ ciing phản ánh tính chất đất khơng phản ánh đặc tính đất có liên quan đến thành phần khống vật, mức độ phân tán thành phần ion trao đổi tronị đất Do vậy, đất hạt mịn có tính dính cần thiết phải xét đến, ngồi kích cỡ C íp phối đất, giới hạn Atlerberg đất Riân loại đất nhằm mục đích đặt tên cho đất Kèm theo tên đất loạt tính chất đặc thù đất mà nhà khoa học, nhà xây dựng ngầm hiểu với Các Trung tâm đào tạo xây dựng VIETCONS http://www.vietcons.org tính chất đặc thù loại đất tích luỹ hệ thống từ bao kinh nghiệm q báu bao hệ kĩ sư xây đựng Về phân loại đất hiộn có hai xu hưóng, tách riêng trạng thái vật lí đất (độ chặt, độ sệt, v.v ) đặt tên đất; hai xét kèm theo trạng thái vật lí đất Xu hướng thứ nhất, cho tên đất riêng trạng thái vật lí đất riêng Ví dụ đất cát xét riêng cấp phối hạt đất tốt hay xấu v.v Đối với đất dính xét riêng trạng thái dẻo, lỏng đất v.v Xu hướng thứ hai, cho biết vài trạng thái vật lí quan trọng kèm với tên đất Ví dụ đất cát phân thành đất cát cấp phối tốt, đất cát cấp phối xấu v.v ; đất dính tên đất có kèm theo tính dẻo đất cao hay thấp v.v Tuy nhiên, thực đầy đủ bước đánh giá đất mặt xây dựng theo tiêu chuẩn quốc gia dù theo xu hướng thứ thứ hai, người kĩ sư có đủ thơng tin cần thiết để sử dụng đất cách sáng tạo theo tiêu chuẩn hành nước Chương gồm kiến thức đất cần cho phân loại đất 1.2 PH Â N N H Ĩ M H Ạ T ĐẤ T Đất có cấu tạo hạt nên có tên gọi vật liệu hạt (granular material) Kích thước hạt đất khác nhau, ví hạt nhỏ viên bi trẻ em chơi hạt lớn đất sống Do khơng thể nghiên cứu hạt tạo thành đất mà phải nghiên cứu nhóm hạt, nhóm có tính chất đặc trưng Hiện thống tên nhóm hạt sau: nhóm hạt sét (Clay), kí hiệu C; nhóm hạt bụi (Silt), kí hiệu M; nhóm hạt cát (Sand), kí hiệu s nhóm hạt sỏi(Gravel), kí hiệu G Lớn hạt sỏi hạt cuội đá hộc.Đặc tính nhóm hạt sau: * Nhóm hạt sỏi: - Tỉ diện tích nhỏ, khơng đáng ỉ ể - Khơng dính ẩm ướt - Độ dâng cao nước mao dẫn nhỏ, khơng đáng kể - Khơng giữ nước * Nhóm hạt cát: - Tỉ diện tích nhỏ, khoảng 0,001 - 0,04 m^/g - Tính thấm lớn - Có thể có tính dính ẩm khơng dẻo tính dính bão hồ nước (tính dính giả) - Độ dâng cao nước mao dẫn nhỏ - Giữ đươc nước Trung tâm đào tạo xây dựng VIETCONS http://www.vietcons.org * N ióm hạt bụi: - Tỉ diện tích vào khoảng 0,04 - 1,0 mVg - T ó h thấm nhỏ - Khi ẩm có tính dính có tính dẻo - Khi sũng nước dễ chảy lỗng - H it giữ nước nên thể tích đất tăng lên hút ẩm co lại nước - N lớc m ao dẫn dâng tương đối cao tưcmg đối nhanh * Nióm hạt sét: - Tỉ diện tích lớn, khoảng 20 - 800 m^/g - H ếu khơng thấm nước - Tính hút ẩm lớn có khả giữ nước nhiều - Khi hút ẩm thể tích tăng lên nhiều, khơ co ngót rõ rệt - Khi sũng nước khơng chảy lỗng nhóm hạt bụi - Tính dính tính dẻo lófn Cần lưu ý rằng, đến nước khơng thống đường kính phân nhóm hạt Do xem xét hệ thống phân loại khác nước cần thiết phải biết đường lính phân nhóm hạt tưcmg ứng Trưđc năm 1993, nước ta quy định phân nhóm hạt theo bảng 1.1 Bảng l í Bảng phán loại nhóm hạt Tên nhóm hạt Kích thước hạt (mm) Đá ăn đá hộc lớn >800 lớn 600 - 400 vừa 400 - 200 nhỏ 0 - 100 Cuội dăm lớn 100 - 60 lớn -4 vừa -2 nhỏ -1 lớn -6 vừa -4 nhỏ -2 Sỏi iạn Trung tâm đào tạo xây dựng VIETCONS http://www.vietcons.org Kích thước hạt (mnn) Tên nhóm hạt Cát lớn 2-1 lớn -0,5 vừa 0,5 - 0,25 nhỏ 0,25-0,1 lớn 0,1 -0,05 vừa 0,05-0,01 nhỏ 0,01 - 0,005 Bụi < 0,005 Sét Nhóm hạt bụi nhóm hạt sét tách riêng rây có mắt o lm m thuộc rây tiêu chuẩn Liên Xơ (cũ) Đến năm 1993, TCVN 5747 : 1993 quy định phân loại nhóm hạt theo bảng 1.2 Bảng 1.2 Phân loại nhóm hạt theo TCVN 5747: 1993 Tên nhóm hạt Kí hiệu (theo tiếng Anh) Đường kính phân nhóm (mm) Đá tảng B (Doiildei ) >300 Cuội dãm Co (Cobble) 300- 150 Sỏi sạn G (Gravel) 150-2,0 Cát s(Sand) - 0,06 Bụi M (Silt, Mo) 0,06 - 0,002 Sét : (Clay) < 0,002 Đối chiếu vói phân loại nhóm hạt dùng, cách phân loại TCVN 5747 : 1993 thay đổi hai giới hạn phân nhóm: lấy 0,002mm (thay cho 0,005mm) làm giới hạn nhóm hạt mịn (gồm nhóm hạt bụi nhóm hạt sét) So với cách phân loại nhóm hạt giới, hai giới hạn TCVN 5747 : 1993 giống với hai giới hạn lương ứng cách phân loại nước Anh, (một điểm khác cách phân loại Anh, giới hạn nhóm hạt mịn mắt rây N" 25 - 63(iin (0,063mm)) Do vậy, người sử dụng đất nhận thấy khó dùng khơng có bơ rây tiêu chuẩn có rây tưcmg ứng với rây N° 25 Anh Tham khảo: Hiện có nhiều dự án nước ngồi thực ta; nhiều kĩ sư xây dựng phải tiếp xúc với đồ án thiết kế nước ngồi Đe giúp họ có kiến thức \’ìi tài Trung tâm đào tạo xây dựng VIETCONS http://www.vietcons.org liệu liêr, quan đến tiêu chuẩn thiết kế, chúng tơi trích dẫn phần tham khảo quan trọng cho đề mục Cách phân loại nhóm hạt dùng Trung Quốc trình bày bảng 1.3 Bảng 1.3 Phân loại nhóm hạt Trung Quốc Tên nhóm hạt Đường kính (mm) Đá tảng >300 Đá lăn đá hộc 300 - 60 Nhóm hạt thơ Cuội dăm to -2 vừa -5 nhỏ -2 at to Nhóm hạt mịn -0 ,5 vừa 0,5 - 0,25 nhỏ 0,25-0,10 Mịn 0,10-0,005 Bụi 0,05 - 0,005 Sét < 0,005 Tneo cách phân nhóm hạt nhóm hạt cuội (dăm) nhóm hạt cát (to, vừa, nhỏ) xêp vào nhóm hạt thơ Nhóm hạt cát mịn, nhóm hạt bụi nhóm hạt sét xếp vào nhórr hit mịn tách rây có mắt 0,1 mm thuộc rây tiêu chuẩn Liên Xơ (cũ) rnàở ta thường dùng Trước đây, Trung Quốc chúng ta, thường áp dụng tiêu chuẩn Liên Xơ c3 /à cơng nhận bảng phân nhóm hạt tươiig tự với bảng 1.1 với nhóm hạt sét có d < 0,CO5mm nhóm hạt mịn (gồm nhóm hạt sét nhóm hạt cát) lọt qua rây tiêu c h u ẩ i 0,1 mm dùng rây tiêu chuẩn Liên Xơ mà phòng thí nghiệm cũ n g cc Na>, theo bảng phân nhóm hạt (bảng 1.3), nhóm hạt mịn có đường kính nhỏ ( In m nên sử dụng rây vốn có quy nhóm cát mịn nhóm hạt cát Vì lỶióm hạt mịn Nhiẻu nhà khoa học cho rằng, cách phân nhóm theo bảng 1.3 Trung Quốc thừa hưởng thành tựu Địa kĩ thuật giới thập kỉ cuối kỷ X X ihưng bảo tồn kinh nghiệm q báu đúc kết hàng nửa kỉ xây dựng đất nướcTiung Hoa cường thịnh Trung tâm đào tạo xây dựng VIETCONS http://www.vietcons.org Tiêu chuẩn nước Anh quy định phân nhóm hạt theo bảng 1.4 Bảng 1.4 Phân loại nhóm hạt Anh Tên nhóm hạt Nhóm hạt thơ Đường kính (mm) Đá (Stone) Đá lăn (boulder) >200 Cuội dăm (cobble) Nhóm hật thơ 200 - 60 Sỏi sạn (Gravel) G to -2 vừa -6 nhỏ 6-2 Cát(Sand)- s to Nhóm hạt mịn - 0,6 vừa 0,6 - 0,2 nhỏ 0,2 - 0,06 Bụi (Silt) - M to 0,06 - 0,02 vừa 0,02 - 0,006 nhỏ 0,006 - 0,002 Sét (Clay) - c < 0,002 Trong có hạt keo < 0,001 Theo cách phân nhóm nhóm hạt mịn tách phưcíng pháp rây ướt, qua ráy số 25 có mắt lưới 63)j,m rây tiêu chuẩn Anh Hộ thống phân loại đất Cục Đường Giao thơng vận tải Mỹ AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) có cách phàn nhóm hạt bảng 1.4 (tên cũ AASHO - American Associatinn of State Highvvay Officials) Bảng 1.5 Phân loại nhóm hạt AASHTO Hoa Kỳ Tên nhóm hạt Nhóm hạt thơ Kích thước (mm) Sỏi (Gravel) G 75 - 2,00 Ghi Trên rây số 10 nhỏ in Cát(Sand)- s 10 Trung tâm đào tạo xây dựng VIETCONS http://www.vietcons.org to 2,00 - 0,425 Dưới rây số 10 rây sơ' 40 nhỏ 0,425 - 0,075 Dưới rây sơ' 40 rây sơ' 200 Kích thước (mm) Ghi Bụi (Silt) - M 0,075 - 0,002 Qua rây số 200 Sét (Clay) - c .1 T a i I r ọ n i i ” iớ i h a n c u a n c n d ố c 256 263 ( hưiii Nen clất kh ỏ n ịỉ dõtiịỉ chát 7.1 'ỉ'hí Iiiỉhicni mõ hình cùa Tchcim (l’aris - Pháp) Tai T a i llioim i o i m liiứi l i i ứ i tian t i a n ccua u a iicn i i c n hhai a i llóp: ó p : ttrẽn r ẽ n l 1(' lớp t l í i i l i n i c n i \ 'C U d y P h ư i i e pháp iỉck inci a 275 cát mỏng, đất 276 569 Trung tâm đào tạo xây dựng VIETCONS http://www.vietcons.org 7.3 Tải trọng giới hạn hai lớp: cát trên, sét Phương pháp Meyerh (1974) 7.4 Phương pháp hanna Meyerh (1980) tính tải trọng giới hạn hai lớp: cát - sét 279 281 7.5 Xác định tải trọng hai lớp: lớp sét tốt lóp sét Phương pháp Meyerhof Hanna (1978) 7.6 Tính tải trọng giới hạn đất sét chịu tải điều kiện khơng nước Cường độ chống cắt khơng nước Cy tăng tuyến tính theo chiều sâu 284 287 Chương Phương pháp thực nghiệm phá hoại khơi đất Tỉ lệ mơ hình tưcfng tự tĩnh lực học 8.2 Thí nghiệm bàn nén 289 294 8.3 Thí nghiệm bàn đẩy trượt 300 8.4 Thí nghiệm mỏ hình li tâm địa kĩ thuật 304 Chương Dòng nước ngầm tác dụng đến ổn định khơi đất Dòng thấm cơng trình 9.2 Dòng thấm trọng lực khối đất đắp 9.3 Dòng thấm mao dẫn khối đất ngăn nước 9.4 Tác dụng dòng thấm đến an tồn ổn định khối đất ứng suất thấm 307 330 338 348 Chương 10 Các thành phần lún đất 10.1 Một số khái niệm 366 10.2 Phân loại lún theo nguồn gốcvật lí Cácthành phần lún 10.3 Độ lún tức thời 367 368 10.4 Xác định độ lún tức thời số liệu thí nghiệm nén khơng nở hơng 10.5 Tính độ lún ổn định theo lí ti uyết biến dạng tuyến tính 10.6 Tính độ lún đất theo ngun lí nén chặt 10.7 Lún theo thời gian cố kết thấm 10.8 Lún theo thời gian từ biến 373 375 390 396 412 Phần c - TÍNH TỐN CƠNG TRÌNH TRÊN NỂN ĐẤT t h e o TTGH Chương 11 Những quy định tính tốn cơng trình đất theo TTGH 11.1 Mở đầu 419 11.2 Các trạng thái giới hạn cơng trình đất 420 11.3 Chỉ tiêu tiêu chuẩn tiêu tính tốn đất Hệ số tin cậy đất 421 11.4 Tải trọng tác động lên cơng trình, hệ số tin cậy tải trọng 431 11.5 Tổ hợp tải trọng hệ số tổ hợptải trọng 434 570 Trung tâm đào tạo xây dựng VIETCONS http://www.vietcons.org 11.6 Fíộ số an tồn sức chịu tải nển 435 11 Tải trọng cho phép hệ số tải trọng 442 Chương 12 Ngun tắc tính tốn ổn định cơng trình mái đất theo ứng suất hiệu theo ứng suất tổng 12.1 Sự tãng tải nước (drained loading) chuyển hóa áp lực lỗ rỗng táng thêm thành ứng suất hiệu 445 12.2 Sự tãng tải khơng nước (undrained loading) cố kết thấm 447 12.3 Tính tốn ổn định cường độ khối đất theo ứng suất tổng Cường độ chống cắt khơng nước đất hạt mịn bão hòa nước 448 12.4 Tính tốn ổn định cường độ khối đất theo ứng suất hiệu Cường độ chống cắt nước đất 454 Chưưng 13 Tải trọng cho phép kích thước móng cơng trình khơng chịu lực ngang thưòTig xuvén đất 13.1 Độ sâu đặt móng ý nghĩa học 464 13.2 Tải trọng cho phép nén hệ số tải trọng 466 13.3 Xác định kích thước móng 472 Chưưng 14 Tính tốn cơng trình khơng chịu lực ngang thường xun đất theo trạng thái giói hạn M , Ouan niêm trang thái iíiới han cơng trình đất 480 14.2 lìn h tốn cơng trình Irẻn ncn đất theo trạng thái giới hạn phá hoại 481 14.3 Tính tốn cơng trình đất theo trạng thái giới hạn sử dụng 494 Chinmg 15 Tính tốn cơng trình chịu lực ngang thường xun theo TTGH 15.1 Tính tốn cơng trình chịu lực ngang thường xun đất theo trạng thái giới hạn phá hoại 507 15.2 Ảnh hưởng lực thấm đến trạng thái giới hạn phá hoại cơng trình Ihủy lợi ngăn dâng nước 518 15.3 Tính tốn cơng trình chịu lực ngang thưòTig xun theo trạng thái giới hạn sử dụng 534 Fhu lục Phu lục 547 Phu lục 549 Phu luc 557 'íài liệu tham khảo 564 571 Trung tâm đào tạo xây dựng VIETCONS http://www.vietcons.org HỌC ĐẤT ÚNG DỊỊNG VÀ TÌNH TỐN CỐNG TRÌNH TRÊN NIỂN DAT THEO TRẠNG THÁI GIỜI HẠN • a I (T i h ả n ) C h ịu t rá c ề ì n h iệ m x u ấ t h n : TRÍNH XN SƠN B iê n tạ p : C h ê h c ỉ ii d i ệ n t : ĐÀO NGỌC DUĨY TRẦN k im ANFH S ứ a h a n iiì : ĐÀO NGỌC DU ĩ Y T r ìn h h y h ìa vũ BÌNH MINHl In 0 khố 19 X 27cm Xưởng in Nhà xuất Xây dựng Giấyy chấp nhận đăng ký k ếhoạch xuất s ố 1-201 /C X B /5 -6 /ỵ D n g y 30-12- 2009 Quyet đ ị n h xi b n s ố 249 /Q Đ -X B X D ngày -8 -2 In xong nộp Iưu chiếu t h an g - 10 572 Trung tâm đào tạo xây dựng VIETCONS http://www.vietcons.org ... đến độ cong đường phân bố hạt, lức xét đến hệ số cong, kí hiệu c (coefficient of Curvature) phần đường phân bố hạt Cc = ‘30 ^60 ^^10 26 Trung tâm đào tạo xây dựng VIETCONS http://www.vietcons.org... đường phân tích hạt, cong lõm chút ít, có 0,5 < Q < Có tác giả gọi hệ số cong bệ số:ấp phối Cj, (coefficient of gradation) Dất lều hạt li tưcmg có Cy = có c^, = Đât, có < 3, coi đất có hạt đồng... ngoại tiếp hạt Các trị số độ tròn R hal định lượng mắt, theo thang độ ghi bảng 10 14 Trung tâm đào tạo xây dựng VIETCONS http://www.vietcons.org Bảng 1.10 14.1.3 Đ ng kính hạt đất thơ líc h thước