Từ các nghiên cứu lý thuyết và các nghiên cứu thực nghiệm, cơ học đất tập trung giải quyết các nhiệm vụ và nội dung cơ bản sau:- Xác lập các quy luật cơ bản về các quá trình cơ học xảy r
Trang 1BÀI GiẢNG MÔN CƠ HỌC ĐẤT
HỆ ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH : Xây dựng cầu đường
Giảng viên : Đồng Minh Khánh
Thái nguyên, Năm 2014
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI
Trang 2Chương 1 CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT
1.1 Phần mở đầu
1 đối tượng nghiên cứu
Cơ học đất là một ngành của cơ học ứng dụng chuyên nghiên cứu về đất Hầu hết các công trình xây dựng đều đặt trên đất, nghĩa là dùng đất làm nền cho các công trình, số khác các công trình như nền đường, đê, đập đất thì lại dùng đất làm vật liệu xây dựng
Như vậy đối tượng nghiên cứu của cơ học đất là các loại đất thiên nhiên, là sản phẩm của quá trình phong hóa các đá gốc ở lớp trên cùng của vỏ quả đất Mỗi loại phong hóa có tác dụng phá hủy đá gốc khác nhau và nó tạo ra các loại đất khác nhau Đặc điểm cơ bản của đất là một vật thể gồm nhiều hạt rắn riêng rẽ không gắn với nhau hoặc gắn kết với nhau bằng các liên kết có sức bền nhỏ hơn nhiều lần so với sức bền của bản thân hạt đất Do quá trình hình thành đất mà chúng tồn tại độ rỗng trong đất và độ rỗng này lại có khả năng thay đổi dưới ảnh hưởng của tác động bên ngoài Ngoài ra trên bề mặt hạt đất có năng lượng, chúng gây ra các hiện tượng vật lý
và hóa lý phức tạp, dẫn đến làm thay đổi các tính chất vật lý và cơ học của đất Vì vậy khi nghiên cứu đất phải nghiên cứu đến nguồn gốc hình thành và các điều kiện tự nhiên mà đất tồn tại.
Trang 3Từ các nghiên cứu lý thuyết và các nghiên cứu thực nghiệm, cơ học đất tập trung giải quyết các nhiệm vụ và nội dung cơ bản sau:
- Xác lập các quy luật cơ bản về các quá trình cơ học xảy ra đối với đất, đồng thời xác định được các đặc trưng tính toán ứng với các quá trình xảy ra đó
- Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong đất, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng dưới tác dụng của ngoại lực
- Giải quyết các bài toán về biến dạng, về cường độ, về ổn định các nền đất, về mái dốc cũng như bài toán áp lực đất tác dụng lên tường chắn
2 Đặc điểm và nội dung của môn học
Cơ học đất là môn học cần vận dụng các hiểu biết về đất từ các môn khoa học khác có liên quan như địa chất công trình, thổ chất học Và đồng thời vận dụng các kết quả của các ngành cơ học khác như cơ học các vật thể biến dạng (lý thuyết đàn hồi, lý thuyết dẻo, lý thuyết từ biến) Trên cơ
sở của các lý thuyết này, Cơ học đất đã xây dựng được các lý thuyết riêng phù hợp với các quá trình cơ học xảy ra đối với đất Tuy vậy ngoài các nghiên cứu lý thuyết, các nghiên cứu thực nghiệm và các quan trắc thực tế cũng đóng vai trò quyết định trong nghiên cứu sử dụng đất trong xây dựng
Trang 43 Sơ lược lịch sử phát triển của môn học
Công trình khoa học đầu tiên của Cơ học đất là của C.A Coulomb (1736 -1806) thiếu tá kỹ sư công binh, viện sĩ viện khoa học Pháp, năm 1773 đã đưa ra lý thuyết nổi tiếng về cường độ chống cắt của đất và cũng là người đầu tiên xây dựng được phương pháp xác định áp lực đất lên vật chắn Trải qua hai thế kỷ và cho đến ngày nay, các phương pháp của ông vẫn được sử dụng rộng rãi.
Sự hình thành của cơ học đất như một môn khoa học độc lập với hệ thống hoàn chỉnh và các phương pháp riêng biệt của nó được xem như bắt đầu từ năm 1925, khi K.Terzaghi(1883-1963) cho xuất bản cuốn “ Cơ học đất trên cơ sở vật lý của đất”.
Năm 1963 Hội nghị khoa học quốc tế về Cơ học đất - Nền móng họp lần thứ nhất và sau đó cứ 4 năm họp một lần Hội nghị
Cơ học đất - Nền móng và các hội thảo khoa học liên quan cũng được tổ chức ở nhiều nước và khu vực.
Đến nay, Cơ học đất đã trở thành một môn khoa học với nhiều nội dung phong phú, gồm nhiều lĩnh vực khác nhau nhằm đáp ứng sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp, xây dựng.
Trang 51.2 Nguồn gốc hình thành và cấu tạo đất
1.2.1 Nguồn gốc hình thành
Đất là sản phẩm của sự phong hóa đá gốc thành các hạt đất.
1.2.2 Thành phần cấu tạo đất
Các hạt đất tự sắp xếp tạo thành khung cốt đất có nhiều lỗ rỗng,
trong các lỗ rỗng có chứa nước và không khí Như vậy đất gồm ba thành phần (ba pha):
+ Hạt đất (pha rắn);
+ Nước trong đất (pha lỏng);
+ Khí trong đất (pha khí).
KhÝ N í c H¹ t
Qk Qn
Qh Q
Vk Vn Vr V
Trang 61.2.3 Liên kết kết cấu của đất
- Liên kết nguyên sinh: Là sự tác dụng của lực hút phân tử giữa các hạt với nhau và giữa các hạt với nước Các liên kết này thường có tính đàn hồi và tính nhớt.
- Liên kết thứ sinh: Là liên kết cứng giữa các hạt đất, nó được hình thành do sự hóa già của các chất keo và sự kết tinh của các muối trong đất Liên kết thứ sinh làm cho đất có thể chịu được một tải trọng lớn, tuy nhiên dễ bị phá hoại giòn, đột biến và khó khôi phục.
Trang 71.3 Các tính chất vật lý của đất
1.3.1 Trọng lượng thể tích
1 Trọng lượng thể tích tự nhiên (trọng lượng đơn vị)
- Là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng thái tự nhiên.
Phương pháp dao đai là phương pháp đơn giản
nhưng tốn nhiều thời gian và sức lực khi thí nghiệm
Khối lượng m là khối lượng của đất trong dao đai
Thể tích V là thể tích của dao đai
Trang 8Phương pháp rót cát Phương pháp bóng cao su
Cả hai phương pháp này đều sử dụng chung
một nguyên lý: thể tích lỗ đào trong nền đất
được xác định thông qua một vật liệu khác: cát
có kích thước chuẩn (đối với phương pháp rót
cát) và nước (đối với phương pháp bóng cao
su)
Trang 9Phương pháp phóng xạ và đo độ dẫn điện đều không cần phải đào lỗ trong nền đất để xác định khối lượng đất và thể tích của lỗ đào Độ ẩm và khối lượng thể tích của đất nền được xác định dựa vào mối quan hệ đã được xác lập trước giữa độ ẩm và khối lượng thể tích với khả năng lan truyền phóng xạ hoặc độ dẫn điện
Trang 10- trọng lượng riêng của nước (kN/m3)
3.Trọng lượng thể tích đẩy nổi:
- Là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất nằm ở dưới nước.
n h
h đn
V
V Q
γ γ
γ
Trang 11γ γ
∆ =
Trang 12Trong đó: Qn- trọng lượng nước có trong mẫu đất.
2 Độ bão hòa nước:
- Là tỉ số giữa thể tích nước trong đất so với thể tích lỗ hổng của đất.
V V
S =
Trang 13Wtb = + +
Trang 14e =
Trang 15Ví dụ:
Khi thí nghi m m t mẫu đất được số li u như sau: ê ô ê
Thể tích mẫu đất ẩm V = 80cm3.
Khối lượng mẫu đất ẩm m1 = 148,6g.
Khối lượng mẫu đất sau khi sấy khô m2 = 125,6g.
Tỷ trọng hạt của đất ∆ =2,68.
Hãy tính: Đ ẩm W, trọng lượng thể tích tự nhiên γ, trọng lượng thể tích khô ô
γk, h số rỗng e, đ rỗng n, đ bão hòa G(Sr) của đất đó ê ô ô
Trang 16Độ ẩm được xác định theo công thức:
%6.18
%
1003
.125
3.1256
.148
%100
m W
h n
Trọng lượng thể tích tự nhiên và trọng lượng thể tích khô:
3
1 148.6
*9.81 18.22 / 80
m g
kN m V
.071.01
71
01
71.0
136
.15
81.9
*68.21
*1
=
=+
=+
e
k
n k
h
γ
γγ
γ
Độ bão hòa:
702
071
.0
6.18
*01.0
*68.2
*01.0
S r
Trang 171.3.4 Mối liên hệ giữa các chỉ tiêu
Giữa các chỉ tiêu tính chất của đất có những liên hệ về số lượng Từ các chỉ tiêu cơ bản được xác định trực tiếp từ thí nghiệm như trọng lượng thể tích tự nhiên γ , độ ẩm W, trọng lượng riêng hạt γ h ta có thể suy ra các chỉ tiêu khác theo
Trang 191.4 Các chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất
1.4.1 Độ chặt của đất rời
e - e
emax : hệ số rỗng của đất ở trạng thái xốp nhất;
emin : hệ số rỗng của đất ở trạng thái chặt nhất
•Thí nghiệm xác định emax và emin
Ống thép có chiều cao 125mm, đường kính 76mm Quả cân bằng gang có đường kính 71mm, chiều cao 15mm Phễu rót cát và thanh gõ
Trang 20Trình tự thí nghiệm:
Xác định emax
Cân khối lượng của ống (2) là m1 , thể tích của ống là V Lấy 1000
÷1200g đất cát sấy khô Đổ đất đã sấy qua phễu vào ống (2) Khi đất đã đầy thì dùng dao gạt đất cho bằng và cân lại được m2
Kết quả emax tính như sau:
V
−
=với
Xác định emin
Tiếp theo đặt quả cân (3) lên trên và dùng thanh gõ (4) đập vào thành ống trong 1 phút, lần lượt lên trên rồi lại xuống dưới, xung quanh ống (2) Sau đó, đo độ lún của mặt đất trong ống (2) Tiếp tục gõ ba lần nữa, mỗi lần 30 giây và đo độ lún của quả cân Nếu thấy độ lún không tăng thêm tức là đất đã nén chặt và có độ rỗng nhỏ nhất
Kết quả emin tính như sau:
Trang 21Việc xác định độ chặt của đất cát bằng thí nghiệm trong phòng vẫn còn nhiều nhược điểm do biện pháp thực hiện trạng thái xốp nhất, chặt nhất khó đảm bảo chính xác Hơn nữa hệ số rỗng tự nhiên của cát cũng khó xác định được vì không lấy được mẫu đất nguyên trạng Trong thực tế thường dùng các phương pháp thí nghiệm xuyên tĩnh, xuyên tiêu chuẩn để xác định
độ chặt của đất cát theo Bảng 1.8 và Bảng 1.9
Trang 232 Hệ số rỗng e
Để đánh giá độ chặt của đất một cách đơn giản hơn người ta còn căn cứ vào hệ số rỗng e Theo qui trình TCN(45-78), đất cát được phân chia theo độ chặt kết cấu như trong bảng 1.10
Trang 241.4.2 Độ sệt của đất
Độ sệt IL (B) của đất dính là chỉ tiêu nói lên mức độ cứng hay mềm của đất dính ứng với một độ ẩm nhất định Khi độ ẩm của đất thay đổi thì độ sệt cũng thay đổi theo và đất chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác
P
P P
L
P
I
W-
W W
W
W-
Trang 261 Phương phỏp xỏc định độ ẩm giới hạn dẻo W p
Phương phỏp vờ giun: người ta lấy đất lăn thành những que đất như hỡnh vẽ Nếu đến khi que cú đường kớnh D= 3mm mà bắt đầu xuất hiện cỏc vết nứt ngang trờn bề mặt que thỡ lấy những que đất này làm thớ nghiệm độ ẩm Độ ẩm của đất khi đú là Wp
φ =3 mm
hộpưnhômưđựngưmẫu
Tấmưkínhưnhám
Trang 272 Phương pháp xác định độ ẩm giới hạn chảy W L
* Phương pháp Casagrande:
Đĩa thép (hoặc nhôm) được đặt trên một đế cứng (dụng cụ gây va đập) Khi quay tay quay thì đĩa bị nâng lên rồi rơi xuống ở độ cao khoảng 5mm
Trình tự thí nghiệm:
Lấy một phần đất được chia sau khi sàng (hoặc được chuẩn bị
như thí nghiệm xác định WP), cho
thêm nước cất rồi trộn đảo đều Lấy
đất này cho vào đĩa Dựng thanh
chuẩn của bộ thiết bị tạo rãnh tiết
diện hình thang khoảng cách hai mép
rãnh là 10mm chia đất thành hai nửa
như nhau
Trang 28Sau khi quay 25 lần (đĩa va đập vào đáy 25 lần) nếu hai phần mép vạch của hai nửa mẫu đất chập vào nhau thì đất có thể coi là ở độ ẩm giới hạn chảy Nếu cần nhiều lần hơn là đất khô quá, ít lần hơn là đất nhão quá.
Xác định độ ẩm của 20-30g đất sau khi thử đạt yêu cầu sẽ có WL
Thực tế, làm nhiều lần mẫu đất với các độ ẩm khác nhau, sau đó vẽ đồ thị quan hệ giữa độ ẩm - W và số lần đập - n Xác định WL trên biểu đồ tương ứng với n=25
W
n n=25
0
WL
Trang 29* Phương pháp quả dọi Vasiliev:
Dùng quả dọi nặng 76 g có đầu
hình chóp nón mũi nhọn α = 300,
cao h=25mm như hình vẽ Đặt mũi
quả dọi sát mặt đất, sau đó thả tay
cho lún tự do vào trong đất Nếu
sau 10 giây mà quả dọi lún vào
trong đất được 10 mm thì độ ẩm
của đất được coi là độ ẩm giới hạn
chảy Đem xác định độ ẩm của đất
Trang 301.5 Phân loại đất
1.5.1 PHÂN LOẠI ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM TCVN 5747 – 1993.Tiêu chuẩn này phân loại đất dựa theo thành phần hạt của đất Trình tự phân loại được thực hiện như sau:
Dựa trên thành phần kích thước hạt chiếm ưu thế trong đất để phân chia thành hai nhóm lớn là hạt thô và hạt mịn
Dựa trên hàm lượng các hạt để phân chia nhóm đất hạt thô thành các nhóm phụ
Dựa trên các trị giới hạn chảy, giới hạn dẻo, chỉ số dẻo để phân chia nhóm đất hạt mịn thành các nhóm phụ
1 Đối với đất hạt thô
Đất hạt thô được phân loại từ các kết quả thí nghiệm phân tích hạt trong phòng thí nghiệm
Đất hạt thô được chia thành đất sỏi sạn ký hiệu (G) và cát ký hiệu (S) Đất cuội sỏi và đất cát được chia thành các nhóm phụ được ký hiệu bằng
2 chữ cái: Chữ cái đầu tiên mô tả tên các loại đất, chữ cái sau mô tả đặc tính của các loại đất Các loại đất hạt thô là GW, GP, SW, SP, GC, GM,
SM, SC, cụ thể theo Bảng1.12
(trong đó: G là cuội (Gravel); W là cấp phối tốt (Well); P là cấp phối xấu (Poor), M là hạt mịn không dẻo (Mud), C là hạt mịn dẻo (Clay))
Trang 33Phân loại nhanh đất hạt thô: Các đất hạt thô được phân loại nhanh
ở hiện trường, theo mô tả trong Bảng 1.13 Dựa trên cách nhận dạng các hạt đất ở hiện trường bằng mắt và kinh nghiệm
Trang 35(trong đó: M là bụi (Mo tiếng Thụy Điển, Silt); C là sét (Clay); O là hữu cơ (Organic); H là tính nén cao (High compressibility); L là tính nén thấp (Low compressibility)
Trang 381.5.2 PHÂN LOẠI ĐẤT THEO TCXD 45 - 78
1 Phân loại đất dính theo TCXD 45-78
Đất dính được phân loại theo chỉ số dẻo Ip (hoăc A)
Giới hạn chảy WL được xác định theo phương pháp Vasiliev với đất chế bị, hạt qua sàng 0,1mm
Tùy theo chỉ số dẻo, đất dính được phân loại theo Bảng 1.15
Trang 39Á sét pha cuội (dăm), pha sỏi (sạn)
Sét pha cuội (dăm), pha sỏi (sạn)
* Khi đất chứa trên 50% khối lượng những hạt > 2mm thì đất được xếp vào loại
đất hạt thô (bảng phân loại đất rời)
Đất dính còn bao gồm: Đất bùn, đất lún ướt và đất trương nở Đất lún ướt và đất trương nở được xếp vào loại đất đặc biệt.
Trang 412 Phân loại đất rời theo TCXD 45-78 (nền nhà và công trình)
Đất rời được phân thành: Đất hạt thô và đất cát Mỗi loại được phân thành từng loại theo chỉ dẫn của Bảng 1.17
Trang 42Chương 2: Ứng suất trong đất
2.1 ỨNG SUẤT TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT
2.1.1 Các loại ứng suất trong đất và các giả thiết tính toán
2.1.1.1 Các loại ứng suất trong đất
Theo tính chất tải trọng tác dụng trên đất, ứng suất được chia thành:
+ Ứng suất do trọng lượng bản thân đất gây nên (ứng suất vốn có)
+ Ứng suất do tải trọng ngoài gây lên (ứng suất phụ thêm)
+ Ứng suất tiếp xúc: Áp lực do tải trọng ngoài tác dụng lên đất nền ở chiều sâu đáy móng
Đất về cơ bản không chịu kéo, để thuận tiên trong tính toán, ứng suất nén trong đất quy ước là dấu dương (+), ứng suất kéo quy ước là dấu âm (-)
Trang 43Trong cơ học đất, thường dùng lý thuyết đàn hồi để nghiên cứu và tính toán quy luật phân bố ứng suất trong đất (trừ ứng suất thấm) Vì đất là môi trường rời rạc, phân tán, không liên tục cho nên khi dùng lý thuyết đàn hồi để tính ứng suất trong đất đưa vào một số giả thiết sau đây:
Coi nền đất là một vật thể bán không gian vô hạn biến dạng tuyến tính
Điều này có thể xem là thỏa mãn nếu khống chế tải trọng p không vượt quá tải trọng giới hạn tuyến tính p0 (p < p0)
Đất là một vật thể liên tục đồng nhất đẳng hướng Điều này có thể xem
là thỏa mãn đối với đất sét dẻo hoặc đất cát chặt thuần chất
Coi trạng thái ứng suất – biến dạng của đất là trạng thái lúc cố kết đã kết thúc, tức trị số ứng suất ở đây là ứng suất tổng đã hoàn toàn truyền
vào cốt đất, tức ứng suất có hiệu khi quá trình cố kết đã hoàn thành (cố kết hoàn toàn)
2.1.1.2 Các giả thiết để tính toán
Trang 442.1.2 Khỏi niệm ứng suất cú hiệu và ỏp lực nước lỗ rỗng của Terzaghi
Terzaghi đó đưa ra mụ hỡnh lý thuyết giải thớch sự khỏc nhau giữa ứng suất cú hiệu và ỏp lực nước lỗ rỗng như sau:
Ban đầu mẫu đất chịu tỏc dụng
ỏp lực σ (Hỡnh a), bằng cỏch đặt lờn
mẫu đất một tấm chỡ nặng Áp lực của
chỡ truyền qua cỏc hạt đất xuống đỏy
bỡnh làm cho mẫu đất bị lỳn; hệ số rỗng
của đất giảm từ e0 tới e1, Áp lực gõy
ra sự thay đổi độ chặt của đất được quy
ước gọi là ứng suất cú hiệu, ký hiệu là
σ’
Mẫuưđất
hw
Nư ớ cMẫuưđất
Tấmưchì
Trang 45Thay tấm chỡ và đổ đầy nước vào bỡnh
cú chiều cao hn với hn=σ/γn (Hỡnh b)
Ứng suất trờn mặt cắt ngang của mẫu
tăng thờm một lượng σ Áp lực nước
thụng qua nước lỗ rỗng trong đất
truyền trực tiếp xuống đỏy bỡnh nờn
khụng làm thay đổi độ chặt của đất Do
đú, ỏp lực sinh ra do ỏp lực nước trong
lỗ rỗng được gọi là ỏp lực nước lỗ
rỗng, ký hiệu u, được xỏc định như
sau:
Mẫuưđất
hw
Nư ớ c Mẫuưđất