CHƯƠNG 5 SỨC CHỊU TẢI CỦA ĐẤT NỀN

CHƯƠNG 5, SỨC CHỊU TẢI CỦA ĐẤT NỀN

Trang 1

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT

CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT

CHƯƠNG 3: ỨNG SUẤT TRONG ĐẤT

CHƯƠNG 4: BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT NỀN

CHƯƠNG 5: SỨC CHỊU TẢI CỦA ĐẤT NỀN

CHƯƠNG 6: ÁP LỰC ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN

5.1 SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT 5.2 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CHỐNG CẮT5.3 ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG MOHR – RANKINE 5.4 SỨC CHỊU TẢI CỦA NỀN ĐẤT

5.5 ỔN ĐỊNH MÁI DỐC

5.1 SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT

5.1.1 Khái niệm chung

Trong tự nhiên thường có hiện tượng trượt lở sườn đồi, sườn núi,

mái dốc, lũ bùn, trượt lở bờ sông, bờ biển…

Do nước mưa lũ thấm vào đất làm thay đổi tính chất cơ lý của đất

Do tác động của gió, của dòng nước chảy, của tác động kiến tạo

địa chất làm thay đổi hình dạng của sườn dốc

Đôi khi do những nguyên nhân gián tiếp như độ ẩm không khí

thay đổi do xây dựng các hồ chứa nước trong khu vực gây ra,…

Tóm lại, là điều kiện cân bằng cơ học vốn có của sườn dốc bị

xâm phạm dẫn đến sự trượt.

Trang 2

5.1.1 Khái niệm chung

Đối với công trình nhân tạo như nhà ở, nhà máy, đập, đê, cầu,

đường, tunnel và các công trình phụ trợ cũng bị trượt, bị lật trong

quá trình thi công hay giai đoạn khai thác

Khi xây dựng công trình trên nền đất sẽ gây ra trong nền đất một

trường ƯS gia tăng

Các số gia ƯS pháp gây ra sự thay đổi thể tích của các phân tố

đất

Các số gia ƯS tiếp gây ra biến hình các phân tố trong nền đất, có

khuynh hướng gây trượt hoặc cắt đất Và hậu quả là nền công trình

bị trượt, kéo theo công trình bị lật; bị sập; bị phá hỏng khi ƯS tiếp

tuyến lớn hơn sức chống cắt của nền

5.1.2 Lý thuyết sức chống cắt của đất

Sức chống cắt của đất bao gồm hai thành phần: ma sát giữa các

hạt và lực dính giữa các hạt đất

a Sức chống cắt của đất rời:

Sức chống cắt chỉ có một thành phần ma sát

Ma sát trượt khi các hạt trượt lên nhau, phụ thuộc vào ƯS pháp

tác động lên các hạt

Ma sát lăn khi các hạt lăn tròn lên nhau

Ma sát gài móc giữa các hạt trong thế nằm hết sức phức tạp trong

khung hạt

Hệ số rỗng tới hạn

Đất rời ở trạng thái rời, không bão hoà, có xu hướng giảm thể tíchđến khi trượt và đạt thể tích lỗ rỗng không đổi tương ứng với hệ sốrỗng tới hạn ecỴ Đất chặt lại và góc ma sát tăng dần và đạt giá trịlớn nhất ở trạng thái tới hạn Ỵ quá trình tăng bền

Trang 3

Hệ số rỗng tới hạn

Đất rời ở trạng thái chặt, không bão hoà có xu hướng tăng thể

tích đến khi trượt Độ tăng thể tích đạt lớn nhất ứng với lúc mẫu đạt

sức chống cắt đỉnh, khi trượt đạt thể tích lổ rỗng không đổi, tương

ứng với hệ số rỗng tới hạn ec Góc ma sát tăng dần đạt lớn nhất lúc

đạt trạng thái đỉnh sau đó giảm dần về góc ma sát ở trạng thái tới

hạn

Hiện tượng hoá lỏngVới đất rời bão hoà nước khi chịu cắt thể tích lỗ rỗng giảm Nếunước thoát ra không kịp thì áp lực pháp tuyến truyền lên nước lỗrỗng Ỵ khi chịu cắt nhanh có thể mất đi sức chống cắt của nó –hiện tượng hoá lỏng

Với đất cát chặt có hệ số rỗng nhỏ hơn hệ số rỗng tới hạn Khi bịcắt nhanh, nước lỗ rỗng thoát ra không kịp để bù vào phần thể tíchlỗ rỗng gia tăng nên không có hiện tượng áp lực pháp tuyến truyềnvào lỗ rỗng, do đó, hiện tượng hoá lỏng không xảy ra

b Sức chống cắt của đất dính:

Sức chống cắt của đất mịn hay đất dính gồm hai thành phần là

ma sát như đất rời và lực dính

Với đất dính bão hoà nước, khi chịu tải ƯS gánh đỡ bởi khung hạt

phụ thuộc vào độ thoát nước lỗ rỗng Ỵ có hai biên giới hạn:

Ứng với điều kiện áp lực nước lỗ rỗng thặng dư thoát hết (lâu dài)

Ứng với điều kiện không thoát nước (tức thời)

ỴTrong thực tế khi tính toán phải lựa chọn sức chống cắt của đất

dính bão hòa nước trong điều kiện thoát nước lỗ rỗng hoàn toàn,

hoặc không thoát nước hoặc thoát nước một phần

5.1.3 Định luật Morh - Coulomb

Trang 4

5.1.3 Định luật Morh - Coulomb

Các nghiên cứu sau Morh – Coulomb cho thấy các thông số

chống cắt c, ϕ còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: trạng thái

ƯS ban đầu, độ ẩm của đất, điều kiện thoát nước, điều kiện thí

nghiệm,…

Theo Terzaghi:

Sức chống cắt phụ thuộc vào ƯS pháp hữu hiệu chứ không phải là

ƯS pháp tổng, vì chỉ có phần ƯS hữu hiệu mới phát sinh ma sát

Nhóm các thí nghiệm hiện trường: Thí nghiệm xuyên động chuẩn(SPT); Thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT); Thí nghiệm nén ép ngang; Thínghiệm cắt cánh Nhóm thí nghiệm hiện trường cho kết quả trựctiếp trên mẫu nguyên dạng, tránh tình trạng xáo trộn mẫu do quátrình lấy mẫu, quá trình vận chuyển, bảo quản,… và đặc biệt là vớicác loại đất khó lấy mẫu như cát, sỏi, đất dính quá yếu,…

5.2.1 Các phương pháp thí nghiệm

Các thí nghiệm xác định sức chống cắt của đất đều có hai giai

đoạn cơ bản:

Giai đoạn 1: Tác động hệ lực lên mẫu tao trạng thái ƯS tương tự

như mẫu đất ở thế nằm tự nhiên (trừ thí nhiệm nén đơn)

Giai đoạn 2: Tác động độ thay đổi áp lực lên mẫu tương ứng với

mẫu đất hoạt động khi xây dựng công trình

5.2 TN XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CHỐNG CẮT

5.2.1 Các phương pháp thí nghiệm

Có 3 phương pháp TN xác định đặc trưng chống cắt của đất:

Phương pháp thí nghiệm không cố kết – không thoát nước (UU)

GĐ 1: không cho nước trong mẫu thoát ra, tức là không cố kết –

Unconsolidated GĐ2: không cho nước thoát ra – Undrained

Phương pháp thí nghiệm cố kết – thoát nước (CD)

GĐ 1: cho nước trong mẫu đất thoát ra, tức là cho cố kết –

Consolidated GĐ 2: cho nước trong mẫu thoát ra – Drained

Phương pháp thí nghiệm có kết – không thoát nước (CU)

GĐ 1: cho nước trong mẫu thoát ra – Consolidated GĐ2: không cho nước trong mẫu thoát ra – Undrained, kết hợp đo áp lực nước lỗ rỗng

trong mẫu đất

Trang 5

5.2.2 Thí nghiệm trong phòng

a Thí nghiệm cắt trực tiếp ( cắt phẳng)

Là thí nghiệm cổ nhất và đơn giản nhất xác định các đặc trưng biến

dạng của đất

Hộp cắt Vòng ứng biến

Chuyển vị kế

Thớt di động

Thớt cố định Mẫu đất

T

N δv δh

Hộp cắt Casagrande có tiết diện vuông hoặc tròn, tiết diện ngang khoảng 25cm 2 và chiều cao khoảng 2,5cm.

N

T σ

τ Mẫu đất

Phần hộp cố định Phần hộp di động

τ3

τ2

τ1τ

σ’ 2

ϕ

cA

TA

N'

=τ

=σ

Các máy cắt trực tiếp thường cắt đất trong điều kiện không

thoát nước (UU), nhưng cũng có nước thoát qua khe cắt Hiện

nay đã có một số máy cắt trực tiếp kiểm tra được khả năng

thoát nước của mẫu đất trong quá trình cắt, tức là có thể tiến

hành cả 3 phương pháp thí nghiệm cắt UU, CU, và CD

N

T

Sơ đồ thí nghiệm cắt trực tiếp có kiểm soát thoát nước

Trang 6

Thí dụ 5.1 : Một thí nghiệm cắt trực tiếp thông thường (không kiểm soát áp lực

nước lỗ rỗng) trên một mẫu đất cát pha sét có kết quả trong bảng dưới:

118,1103,9

89,773,9

63,147,8

τ(kN/m2)

160134,4108,3

81,956,130

b Ứng xử của cát chặt và cát rời trong thí nghiệm cắt phẳng.

Cát rời: chỉ có một giá trị góc ma sát ϕcứng với trạng thái tới hạn(lúc bị trượt)

Cát chặt: có góc ma sát ứng với trạng thái đỉnh ϕpvà ứng với trạngthái tới hạn ϕc(lúc bị trượt)

Điểm uốn

0 50 100 150 200 250 300 350 400

261 195 131 66 Lực cắt tới hạn (T) Ultimate shear load

432 324 216 110 Lực đứng (N)

Trang 7

b Thí nghiệm nén 3 trục

Thí nghiệm nén ba trục là thí nghiệm tin cậy nhất để xác định

các đặc trưng sức chống cắt của đất, vì:

Mô tả xác thực nhất mẫu đất trong những điều kiện chịu tải

trong đất nền khi gánh đỡ các loại công trình khác nhau

Có thể mô phỏng các điều kiện thoát nước khác nhau của đất

nền

Có thể xác định đồng thời các đặc trưng biến dạng của đất

nền đồng thời với các chỉ tiêu sức chống cắt

Ỵ Hiện nay, chỉ có loại thí nghiệm ba trục đối xứng trục là được sử dụng rộng rải Thí nghiệm này gồm một mẫu đất hình trụ có chiều cao bằng hai lần đường kính, thông thường là h = 7,6cm và d = 3,8 cm hoặc h=10cm và d = 5cm.

ỴMẫu đất được bọc cao su mỏng thật kỷ rồi đạt vào một buồng nén kín nước

Bơm nước hoặc glycerine Mẫu đất được bọc cao su mỏng thật kỷ rồi đạt vào một buồng nén kín nước Bơm nước hoặc glycerine vào buồng nén tạo áp lực đẵng hướng lên mẫu đất nhằm tái tạo trạng thái áp lực trong thế nằm tự nhiên Sau đó tăng áp lực đứng trong khi giữ yên áp lực ngang (áp lực buồng nén) cho tới khi mẫu đất bị phá hoại

ỴThí nghiệm được tiến hành ít nhất với ba giá trị áp lực buồng nén ổn định khác nhau Trạng thái ứng suất lúc mẫu đất bị phá sẽ được biểu thị trên hệ tọa trục (τ,σ) bằng ba vòng tròn ứng suất Mohr, đường tiếp tuyến chung của ba vòng Mohr là đường chống cắt Mohr-Coulomb, như hình IV.13 Từ đó xác định được các thông số chống cắt của mẫu đất.

Bước 1/ Đặt mẫu có bọc cao su mỏng niềng kỷ lên đế

Bước 2/ Lắp buồng nén Bước 3/ Tăng áp lực đẵng

hướng Bước 4/ Giữ áp lực ngang, tăng áp lực đứng, cho đến

khi mẫu phá hoại

εf= biến dạng tương ứng giai đoạn sụp đổ, chọn ε f = 3% cho sét cứng hoặc sét cố kết trước, εf= 6% cho các trường hợp khác

Trang 8

Biến dạng dọc trục, ΔL Lực đứng, P

Aùp lực

buồng, σ 3

Aùp lực nước lỗ rỗng, u=0

Thể tích thay đổi, ΔV

Cắt cố kết – thoát nước (CD)

.8,5

o f H V

t

ε

=

Cắt cố kết – thoát nước (CD) σ’3

Cắt cố kết – thoát nước (CD)

-ΔV(nén)

εa%

Cắt cố kết – thoát nước (CD): NC: giảm V khi có thoát nước

OC: tăng V khi có thoát nước5.2 TN XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CHỐNG CẮT

Cát chặt, sét cứng (OC)Cát rời, sét mềm (NC)

Cát rời, sét mềm (NC)

Trang 9

Biến dạng dọc trục, ΔL Lực đứng, P

Aùp lực

buồng, σ 3

Aùp lực nước lỗ rỗng, u

Thể tích thay đổi, ΔV=0

Cắt cố kết – không thoát nước (CU)

Đất cố kết thường (NC): ALNLR u sẽ tăng

s = σ’t gϕ’

Cắt cố kết – không thoát nước (CU)Đất quá cố kết (OC): ALNLR u sẽ giảm5.2 TN XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CHỐNG CẮT

Trang 10

NC

OC

Thí dụ 5 3: Kết quả thí nghiệm nén ba trục cố kết – không thoát nước một mẫu

đất dính cố kết thường cho trong bảng sau:

147 86 28 Aùp lực nước lỗ rỗng khi mẫu bị trượt: uf(kPa)

283 210 137 Độ lệch ứng suất cực hạn: (σ1f- σ3) (kPa)

300 200 100 Aùp lực trong buồng nén: σc = σ3(kPa)

0 20 60 100 140

0 100 200 300 400 500 600 700

b Thí nghiệm nén 3 trục: giả thiết là khung hạt đất đàn hồi đẳng

hướng, các lỗ rỗng chứa nước và không khí, Sr< 100%

Hệ số A và B của Skempton:

Theo mô hình cố kết của Terzaghi, khi nước không thoát ra, áp

lực nước lỗ rỗng thặng dư tăng lên bằng với tải trọng ngoài

Δu = Δp

Năm 1954, Skempton đã định nghĩa những hệ số áp lực nước lỗ

rỗng, cho phép thiết lập quan hệ quan hệ tỷ số giữa gia số áp lực

nước lỗ rỗng và gia số ứng suất tổng trong quá trình gia tải không

thoát nước

Hệ số A và B của Skempton:

Theo Skempton, trong thí nghiệm nén 3 trục không thoát nước:

uBσ

Trang 11

b Thí nghiệm nén 3 trục: Hệ số A và B của Skempton:

Các lọai sét rất cứng 0.913 0.1

Các loại cát rất chặt

Phần lớn các lọai cát 0.9877 0.51

Các loại sét cứng cố kết trước mạnh

Các loại sét cố kết trước nhẹ 0.9988 0.93

Các loại sét và đất bột đầm chặt

0.986 0.9998 Các lọai sét mềm cố kết thường

0.00 > 0.50 Đất sét cố kết trước nhẹ

0.25 > 0.75 Đất á sét đầm chặt

0.50 > 1.00 Đất sét cố kết thường

0.75 > 1.50 Đất sét rất nhạy

Giá trị hệ số A f ứng với mẫu khi phá hoại Lọai đất sét

Bảng tra hệ số A f của Skempton

Cắt không cố kết – không thoát nước (UU)Xét mẫu bão hoà nước nằm dưới MNN, ở độ sâu z Ỵ σ’bt ,u

Khi lấy mẫu lên mặt đất, rồi mở mẫu trong phòng TN:

Cắt không cố kết – không thoát nước (UU)

Trong quá trình tăng áp lực đẳng hướng : Δuo= BΔσc= Δσc

Cắt không cố kết – không thoát nước (UU)Trong quá trình áp ƯS lệch: Δu1= A(σ1- σ3) = A.Δσ15.2 TN XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CHỐNG CẮT

Trang 12

Cắt không cố kết – không thoát nước (UU)

Lúc mẫu đất bị trượt, các ứng suất hữu hiệu độc lập với áp lực

buồng nén, do đó chỉ có một vòng tròn Morh ứng suất

σ’1σ‘3

c Thí nghiệm nén đơn (Unconfined Compressive Test)

TN nén 3 trục theo phương pháp UU cho thấy không phụ thuộcvào áp lực buồng nén Ỵ sử dụng thí nghiệm nén đơn – mẫu đấtđược nén thẳng đứng không có áp lực hông

5.2.3 Thí nghiệm trong phòng: một số chỉ tiêu kinh nghiệm

4 >6 6 >8 ϕ

5 >10 10 >15 c

Đất bùn sét

8 >10 10 >12 12 >14 14 >16 ϕ

5 >10 15 >20 30 >40 40 >50 c

Đất sét

10 >12 12 >14 14 >16 16 >18 18 >20 ϕ

6 >10 10 >15 15 >20 20 >30 30 >40 c

Đất sét chất bột

19 >21 21 >24 22 >24 23 >25

ϕ

0 0 >3

2 >4 3 >6

c

Đất bột

30 >32 32 >34 34 >36

ϕ'

0 0 0

c'

Cát mịn bột

>1.5 1 >1.5 0.95 >1 0.8 >0.95 0.7 >0.8 0.6 >0.7 0.5 >0.6 0.4 >0.5

Hệ số rỗng của đất Lọai đất

TRỊ THAM KHẢO CHỈ TIÊU CƯỜNG ĐỘ CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT

5.2.4 Thí nghiệm hiện trường: dùng cho đất cát sạch, sét rất mềm

Nguyên lý của xuyên tĩnh là đo sức kháng của đất

qckhi ấn một hình nón kim loại vào đất

Để tránh ma sát đất xung quanh, thanh xuyên được đặt trong một ống rỗng nhằm chỉ đo lực kháng qcở mũi Mỗi thanh xuyên dài 1m đặt bên trong các ống rỗng có thể nối được với nhau Mũi xuyên gồm một hình nón kim loại để đo lực kháng đứng của đất và có thể có thêm một manchon di đông độc lập với mũi để đo lực ma sát của đất.

Với mũi xuyên đơn giản và mũi xuyên có manchon tiến hành đo mỗi 20 cm chiều sâu và chỉ có thể đo sức kháng xuyên không thoát nước của đất vì không đo được áp lực nước lỗ rỗng của đất khi xuyên Vận tốc thường áp dụng là 2cm/s

Định dạng
Số trang	23
Dung lượng	910,92 KB