GIÁO TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT, ĐẠI HỌC CÔNG NGHÊ GTVT

MC LC Trang M u MC LC I M U CHNG 1: CC TNH CHT VT Lí CA T CHNG NG SUT TRONG T .34 CHNG 3: BIN DNG CA T NNNN T 59 CHNG CNG CHNG CT CA T 113 CHNG N NH CA T NN V MI DC 131 CHNG P LC T LấN TNG CHN .162 TI LIU THAM KHO 194 MC LC I M U CHNG 1: CC TNH CHT VT Lí CA T 1.1.THNH PHN CU TO CA T THNH PHN CU TO T 1.1.1 HT THt t 1.1.2.NC TRONG T 12 1.1.3.PHA KH TRONG T 15 1.2.CC TNH CHT VT Lí CA T .15 1.2.1.TRNG LNG TH TCH CA T 15 1.2.2. M V BO HềA NC CA T 18 1.2.3. RNG V H S RNG CA T 19 1.3.CC CH TIấU TRNG THI CA T .21 1.3.1. CHT CA T RI 21 1.3.2. ST CA T 23 1.3.3.PHNG PHP XC NH M GII HN DO V M GII HN CHY .26 1.4.PHN LOI T 27 1.4.1.PHN LOI T THEO TIấU CHUN VIT NAM TCVN 5747 - 1993 27 1.4.2.PHN LOI T THEO TCXD 45 - 78 31 CHNG NG SUT TRONG T .34 2.1.NG SUT TRONG MễI TRNG T 34 2.1.1.CC LOI NG SUT TRONG T V CC GI THIT C BN .34 2.1.2.KHI NIM NG SUT Cể HIU V P LC NC L RNG 34 2.1.3.CC LOI NG SUT TRONG T V CC GI THIT C BN .36 i 2.2.NG SUT DO TRNG LNG BN THN CA T 36 2.2.1.NG SUT TNG 36 2.2.2.NG SUT Cể HIU 37 2.3.1.TC DNG CA LC TP TRUNG 39 2.3.2.PHN B NG SUT TRONG TRNG HP BI TON KHễNG GIAN 42 2.3.3.PHN B NG SUT TRONG TRNG HP BI TON PHNG 49 2.4.NG SUT TIP XC DI Y MểNG 56 2.4.1.KHI NIM 56 2.4.2.PHNG PHP N GIN TNH NG SUT DI Y MểNG CNG 56 CHNG 3: BIN DNG CA T NNNN T 59 3.1.KHI NIM TNH THM CA T 59 3.1.1.KHI NIM TNH THM CA T 59 3.1.2.XC NH H S THM (K) TRONG PHềNG TH NGHIM .61 3.2.KHI NIM V BIN DNG CA T NNCC THNH PHN LN CA NN T .64 3.3.LN N HI Se 65 3.3.1.NG SUT TIP XC V MT CT LN 65 3.3.2. LN N HI Se 67 3.4.LN C KT S CP .69 3.4.1.KHI NIM C KT 69 3.4.2.TH NGHIM C KT MT CHIU 72 3.4.3. C KT CA T NN 82 3.4.4.GIA TI TRC 91 3.4.5.P DNG Lí THUYT C KT GII BI TON THC T 96 3.5.LN C KT TH CP 102 3.6.BI TON TNH LN MT MểNG CễNG TRèNH 102 3.6.1.TI TRNG PHN B U RNG KHP 103 3.6.2.TI TRNG PHN B CC B 103 3.7.TNH CHT M NẫN CA T P .108 3.7.1.TH NGHIM PROCTOR 108 3.7.2.TH NGHIM CBR 110 CHNG CNG CHNG CT CA T 113 4.1.KHI NIM 113 4.2.Lí THUYT CNG CHNG CT THEO COULOMB V IU KIN BN MOHR-COULOMB 114 4.2.1.Lí THUYT CNG CHNG CT THEO COUMLOMB .114 4.2.2.IU KIN BN MOHR COULOMB 115 4.3.TH NGHIM XC NH CNG CHNG CT 117 4.3.1.TH NGHIM CT TRC TIP 117 4.3.2.TH NGHIM CT BNG MY NẫN TRC 120 4.3.3.TH NGHIM NẫN N HễNG 125 CHNG N NH CA T NN V MI DC 131 5.1 N NH CA T NN 131 5.1.1.CC HèNH THC PH HOI CA T NN KHI TNG TI 131 ii 5.1.2.TNH TON SC CHU TI CA MểNG NễNG THEO TERZAGHI 133 5.1.3.H S AN TON 138 5.1.4.TI TRNG GII HN CHO MểNG NễNG CHU TI TRNG LCH TM THEO MEYERHOF .139 5.1.5.TNH TON SC CHU TI CA MểNG SU THEO TERZAGHI .141 5.2.KHI NIM CHUNG V N NH MI DC 142 5.2.1.KHI NIM V MI DC 142 5.2.2.CC HèNH THC PH HOI MI DC 142 5.2.3.CC PHNG PHP TNH TON N NH MI DC 143 5.2.4.TNH TON N NH MI DC TRT PHNG 144 5.2.5.PHN TCH N NH MI DC Vễ HN VI CUNG TRT TRềN 149 5.2.6.TNH TON N NH CA MI T DNH NG NHT 150 5.2.7.V TR CUNG TRT NGUY HIM NHT 151 5.2.8.TNH TON N NH CA MI DC BNG PHNG PHP PHN MNH 155 5.2.9.TNH TON N NH CA MI DC TRONG T Cể CT 159 CHNG P LC T LấN TNG CHN .162 6.1.KHI NIM CHUNG V PHN LOI P LC T LấN TNG CHN .162 6.1.1.KHI NIM 162 6.1.2.PHN LOI TNG CHN T 163 6.1.3.CC LOI P LC TC NG LấN TNG CHN 166 6.2.XC NH P LC T LấN TNG CHN 168 6.2.1.PHNG PHP XC NH P LC TNH CA T LấN TNG CHN 168 6.2.2.XC NH P LC T CH NG 169 6.2.3.XC NH P LC T B NG 180 TI LIU THAM KHO 194 iii M U nh ngha v i tng nghiờn cu C hc t l mt ngnh ca c hc ng dng chuyờn nghiờn cu v t Hu ht cỏc cụng trỡnh xõy dng u t trờn t, ngha l dựng t lm nn cho cỏc cụng trỡnh, s khỏc cỏc cụng trỡnh nh nn ng, ờ, p t thỡ li dựng t lm vt liu xõy dng Vỡ vy, mun cho cỏc cụng trỡnh c tt, ngha l cụng trỡnh n nh, bn lõu v tit kim thỡ nht thit phi nm rừ cỏc tớnh cht ca t dựng nú lm vt liu xõy dng hay lm nn cho cỏc cụng trỡnh xõy dng Nh vy i tng nghiờn cu ca c hc t l cỏc loi t thiờn nhiờn, l sn phm ca quỏ trỡnh phong húa cỏc ỏ gc lp trờn cựng ca v qu t Mi loi phong húa cú tỏc dng phỏ hy ỏ gc khỏc v nú to cỏc loi t khỏc c im c bn ca t l mt vt th gm nhiu ht rn riờng r khụng gn vi hoc gn kt vi bng cỏc liờn kt cú sc bn nh hn nhiu ln so vi sc bn ca bn thõn ht t Do quỏ trỡnh hỡnh thnh t m chỳng tn ti rng t v rng ny li cú kh nng thay i di nh hng ca tỏc ng bờn ngoi Ngoi trờn b mt ht t cú nng lng, chỳng gõy cỏc hin tng vt lý v húa lý phc tp, dn n lm thay i cỏc tớnh cht vt lý v c hc ca t Vỡ vy nghiờn cu t phi nghiờn cu n ngun gc hỡnh thnh v cỏc iu kin t nhiờn m t tn ti c im v ni dung ca mụn hc C hc t l mụn hc cn dng cỏc hiu bit v t t cỏc mụn khoa hc khỏc cú liờn quan nh a cht cụng trỡnh, th cht hc V ng thi dng cỏc kt qu ca cỏc ngnh c hc khỏc nh c hc cỏc vt th bin dng (lý thuyt n hi, lý thuyt do, lý thuyt t bin) Trờn c s ca cỏc lý thuyt ny, C hc t ó xõy dng c cỏc lý thuyt riờng phự hp vi cỏc quỏ trỡnh c hc xy i vi t Tuy vy ngoi cỏc nghiờn cu lý thuyt, cỏc nghiờn cu thc nghim v cỏc quan trc thc t cng úng vai trũ quyt nh nghiờn cu s dng t xõy dng T cỏc nghiờn cu lý thuyt v cỏc nghiờn cu thc nghim, c hc t trung gii quyt cỏc nhim v v ni dung c bn sau: - Xỏc lp cỏc quy lut c bn v cỏc quỏ trỡnh c hc xy i vi t, ng thi xỏc nh c cỏc c trng tớnh toỏn ng vi cỏc quỏ trỡnh xy ú - Nghiờn cu s phõn b ng sut t, quan h gia ng sut v bin dng di tỏc dng ca ngoi lc - Gii quyt cỏc bi toỏn v bin dng, v cng , v n nh cỏc nn t, v mỏi dc cng nh bi toỏn ỏp lc t tỏc dng lờn tng chn S lc lch s phỏt trin ca mụn hc C hc t l mụn hc c hỡnh thnh chm hn nhiu so vi cỏc mụn hc ng dng khỏc, nhng t lõu loi ngi ó cú nhng nghiờn cu v t, nhiờn xó hi lc hu nờn cỏc kin thc v t xõy dng ch nm mc nhn thc cm tớnh, cha c nõng cao thnh nhn thc lý lun Nhiu nh khoa hc ó cú nhng cng hin to ln v ó cú cụng xõy dng nờn mụn Cc hc t ngy õy ch gii thiu hai nh bỏc hc ó cú cụng lao ln n s phỏt trin ca c hc t Cụng trỡnh khoa hc u tiờn ca C hc t l ca C.A Coulomb (1736 -1806) thiu tỏ k s cụng binh, vin s vin khoa hc Phỏp, nm 1773 ó a lý thuyt ni ting v cng chng ct ca t v cng l ngi u tiờn xõy dng c phng phỏp xỏc nh ỏp lc t lờn vt chn Tri qua hai th k v cho n ngy nay, cỏc phng phỏp ca ụng c s dng rng rói S hỡnh thnh ca c hc t nh mt mụn khoa hc c lp vi h thng hon chnh v cỏc phng phỏp riờng bit ca nú c xem nh bt u t nm 1925, K.Terzaghi(1883-1963) cho xut bn cun C hc t trờn c s vt lý ca t Nm 1963 Hi ngh khoa hc quc t v C hc t - Nn múng hp ln th nht v sau ú c nm hp mt ln Hi ngh C hc t - Nn múng v cỏc hi tho khoa hc liờn quan cng c t chc nhiu nc v khu vc n nay, C hc t ó tr thnh mt mụn khoa hc vi nhiu ni dung phong phỳ, gm nhiu lnh vc khỏc nhm ỏp ng s phỏt trin mnh m ca cụng nghip, xõy dng Vit Nam, C hc t c bt u nghiờn cu t nm 1956 n i ng nhng ngi lm cụng tỏc nghiờn cu C hc t ó trng thnh c v cht lng v s lung, sc gii quyt cỏc bi toỏn a dng v phc thc t xõy dng cỏc cụng trỡnh Tuy vy iu kin kinh t v xó hi cũn hn ch nờn trang thit b chuyờn nghnh u t cha y v ng b, vỡ vy vic phỏt trin kin thc v cụng ngh v C hc t cn ũi hi nhng n lc ln hn Chng 1: CC TNH CHT VT Lí CA T 1.1 THNH PHN CU TO CA T THNH PHN CU TO T t l sn phm ca s phong húa ỏ gc thnh cỏc ht t, cỏc ht t t sp xp to thnh khung ct t cú nhiu l rng, cỏc l rng cú cha cỏc nc v khụng khớ Nh vy t gm ba thnh phn (ba pha): + Ht t (pha rn); + Nc t (pha lng); + Khớ t (pha khớ) - Tớnh cht ca t c xỏc nh bi cỏc yu t: + Tớnh cht ca cỏc pha hp thnh t + T l v s lng gia cỏc pha + Cỏc tỏc dng a phõn t, tỏc dng húa lý, tỏc dng c hc gia cỏc pha vi v gia cỏc pha vi v gia cỏc nhúm ht 1.1.1 HT THt t Pha rn ca t bao gm cỏc ht t (ht khoỏng vt) cú kớch thc khỏc chim phn ln th tớch t, to thnh khung ct t Cú ba yu t ca pha rn nh hng n nhng tớnh cht ca t l: Kớch thc, thnh phn khoỏng vt v hỡnh dng ht t 1.1.1.1 Tờn gi cỏc ht t Cỏch gi tờn cỏc ht t tu thuc vo quy nh mi nc Theo Tiờu chun Vit Nam TCVN 5747:1993 v TCXD 45-78, tờn gi cho cỏc ht t nh Bng Bng 1.1 Bng tờn gi cỏc ht t a)TCVN 5747:1993 Tờn ht t ỏ tng b)TCXD45-78 Kớch thc (mm) > 30 0Cui v dm 150 ữ 300Si v sn 2ữ 150Ht cỏt 0,06 ữ Ht bi 0,002 ữ 0,06 Ht sột 20 0Ht cui 200ữ 10 Ht s i Ht cỏt10 ữ 2 ữ 0,1 Ht bi 0,1 ữ 0,005 Ht sột < 0,005 Cỏch gi tờn cỏc ht t ca cỏc nc cú cỏc h thng tiờu chun khỏc thng khỏc Vớ d theo h thng phõn loi t thng nht ca Nht Bn tiờu chun k thut cụng trỡnh v thit b cng Nht Bn 1980, thỡ gi tờn ht t theo Bng Bng 1.2 : Bng tờn gi cỏc ht t- Tiờu chun Nht Bn 1àm 5àm 74àm 0,42mm 2,0mm 5,0mm 20,0mm Ht keo Ht sột Ht bi Cỏt nh Cỏt to Si nh Si trung Si to bỡnh Cỏt 75mm 30mm Cui ỏ tng Si Vt liu t Vt liu ỏ 1.1.1.2 Hỡnh dng ht t t cú kớch thc ht ln (cỏc loi cỏt, cui si, ỏ dm) thng cỏc ht cú dng hỡnh khi, hỡnh cu trn nhn, hỡnh gúc cnh Cỏc hỡnh dng ny nh hng nhiu n tớnh cht ca t, c bit tớnh chng ct t cú kớch thc ht nh (cỏc loi sột) thng cỏc ht cú dng hỡnh phin, hỡnh kim Cỏc hỡnh dng ny ớt nh hng n tớnh cht ca t 1.1.1.3 Thnh phn khoỏng vt ca t t l sn phm ca s phong húa ỏ gc vy thnh phn khoỏng vt ca t ph thuc ch yu vo thnh phn ỏ gc v tỏc dng phong húa ỏ Thnh phn khoỏng vt ca ht t cú th chia thnh ba loi: Khoỏng vt nguyờn sinh, khoỏng vt th sinh (hai loi ny l khoỏng vt vụ c) v cht húa hp hu c Khoỏng vt nguyờn sinh thng gp l fenspat, thch anh v mica Cỏc ht t cú thnh phn khoỏng vt nguyờn sinh thng cú kớch thc ln, ln hn 0,002 mm Cỏc khoỏng vt th sinh chia lm hai loi: + Khoỏng vt khụng hũa tan nc, thng gp l kaolinit, silic v monmorilonit, chỳng l thnh phn ch yu ca cỏc ht sột t nờn cũn gi l khoỏng vt sột + Khoỏng vt hũa tan nc thng gp l can xớt, dolomite, mica trng, thch cao, mui m Cỏc khoỏng vt th sinh thng cú kớch thc rt nh, nh hn 0,002mm Cht húa hp hu c l sn phm c to t di tớch thc vt v ng vt, giai on phỏ hy hon ton, sn phm ny c gi l mựn hu c nh hng ca thnh phn khoỏng vt n cỏc tớnh cht ca t cú th thy: + Vi t cú kớch thc ht ln: Thnh phn khoỏng vt khụng nh hng nhiu n tớnh cht ca t + Vi t cú kớch thc ht nh: Thnh phn khoỏng vt nh hng nhiu n tớnh cht ca t vỡ chỳng nh hng n hot tớnh b mt ht t dn n nh hng ti lp nc kt hp mt ngoi ht t 1.1.1.4 Mt s c tớnh khoỏng vt sột Tớnh l kh nng to v trỡ hỡnh dng mi ộp hay nn Tớnh cht ny quyt nh bi kớch thc v bn cht ca ht khoỏng sột cng nh ca lp hp ph Tớnh cao t cú t din tớch b mt ln Tớnh dớnh l st ca hn hp sột/nc thay i rừ rt theo m Khi m thp, nc ch yu lp hp ph, vỡ th gia cỏc ht sột lc hp dn mnh hn Tỏc ng dớnh kt ny hay to mt dng ng sut trong, gi l tớnh dớnh Khi m tng thỡ hiu qu hỳt kộm i v tớnh dớnh gim Tớnh trng n ca t l kh nng tng th tớch ca t quỏ trỡnh tỏc dng tng h vi nc hay dung dch Trng n ca t sột l mt quỏ trỡnh hoỏ-lý phc tp, theo B.V Rebinder cho rng, trng n xy di tỏc dng thỏo nờm ca mng mng nc liờn kt bao quanh cỏc ht sột v hp th ca chỳng Tuy nhiờn, t sột luụn tn ti lc dớnh kt, tr s lc dớnh ph thuc nhiu vo kiu tip xỳc kin trỳc gia cỏc ht Chớnh lc dớnh ny cú tỏc dng chng li ỏp lc thỏo nờm ca mng mng nc liờn kt Khi lc dớnh t ln hn lc thỏo nờm ca h t sột + H2O thỡ s khụng xy trng n; ngc li s xy trng n Cỏc yu t nh hng n tớnh trng n ca t: Thnh phn hoỏ hc v khoỏng vt ca t, thnh phn hoỏ hc v nng dung dch tỏc dng tng h vi t, yu t bờn ngoi nh ỏp lc ngoi v liờn kt kin trỳc t Kh nng trng n ca t dớnh c c trng bng cỏc ch tiờu sau: * trng n tng i (Rh): Rh = Vh Vo h h 100% = h o 100 Vo ho (1.1) tTtrong ú: Vh, h : th tớch, chiu cao mu t sau trng n; V0, h0: th tớch, chiu cao ban u ca mu t * m trng n (Wh): bng phn trm, ng vi trng thỏi m ú quỏ trỡnh hp th nc hay dung dch lng khỏc ca t ngng li Wh = mh ms 100% ms (1.2) Tttrong ú: mh: lng mu t sau trng n; mS: lng mu t khụ tuyt i * p lc trng n (P h): l ỏp lc phỏt sinh quỏ trỡnh trng n, ỏp lc trng n c o bng ỏp lc ngoi, m ú h t sột+H2O khụng trng n Theo tr s Rh v Ph phõn t cỏc loi sau (bng 3) Bng 1.3: Phõn chia t trng n theo SNiP II-15-74 (TCN 45-78) Loi t Rh (%) Ph (MPa) Khụng trng n Trng n yu 15 > 0,.25 Tớnh co ngút ca t l s gim th tớch t kt qu mt (tỏch) nc hong khụ hay xut hin cỏc quỏ trỡnh hoỏ-lý (co vỡ mt nc, thm thu), c gi l co ngút ca t Co ngút vỡ mt nc l hin tng ngc li vi trng n Co ngút l mt quỏ trỡnh hoỏ-lý phc tp, lm thay i tớnh liờn kt kin trỳc gia cỏc yu t kin trỳc, phõn b li thnh phn hoỏ hc ó c ho tan bng nc l rng t trc ú Kh nng co ngút vỡ mt nc ca t c c trng bi: * Tr s co ngút th tớch (bV) hay co ngút tuyn tớnh (bL) hay co ngút th tớch (bV) bV = V0 VL 100% V0 ; bL = L0 LL 100% L0 (1.3) tTtrong ú: VL, LL: th tớch, chiu di mu t sau co ngút; V0, L0: th tớch, chiu di ban u ca mu t * H s co ngút th tớch (V): l gim th tớch tng i ca t thay i m V = bV (W0 WL ) bV W0 (1.4) tTtrong ú: WL: m ca mu t sau co ngút; W0 : m ban u ca mu t 1.1.1.5 Cp phi ht ca t Cỏc khỏi nim: Nhúm ht: L hp cỏc ht t cú kớch thc nm mt phm vi nht nh Cp phi ht ca t: Lng cha tng i ca cỏc nhúm ht t tớnh bng phn trm tng lng t khụ 6.2.3 XC NH P LC T B NG Xột mt tng chn t vi chiu cao tng l h, t sau lng tng l t ri ng nht (hỡnh 22) Xột cỏc lc tỏc dng lờn lng th ABC, gm cú: + Trng lng lng th trt W + Phn lc ca t cũn li l R lờn lng th trt ABC + Phn lc ca mt phng lng tng E lờn lng th trt ABC trng thỏi cõn bng gii hn thỡ ba lcW, R, E s ng qui ti mt im (im K) v to thnh tam giỏc lc khộp kớn Theo h thc lng tam giỏc thng, ta cú: E W = sin ( + ') sin [180 ( + + ') ] E= ú: W sin ( + ') W sin ( + ') = sin[180 ( + + ') ] sin ( + + ') (6.30) = 90o - + C + R W E 180-(+ + ) h W R E =90+ X Hỡnh 6.22: S cỏc lc tỏc dng lờn trt ABC Bng li gii tng t nh trng hp ỏp lc ch ng, cho kt qu nh sau: (6.31) E p = K p h 2 ú: Kp - l h s ỏp lc t ch ng, tớnh nh sau: * Khi ; ; Kp = cos ( '+ ) sin ( '+ ) sin ( '+ ) cos cos( ) cos( ) cos( ) * Khi = = = (6.32) (6.33) ' K p = tg 45 o + 180 z h pp(z)=.p.z z0=h/3 E p = 1/2.pp(h).h p =.Kp.h p(h) Hỡnh 6.23 Biu phõn b ỏp lc t b ng theo chiu sõu Cng ỏp lc t, chiu theo phng ngang (Hỡnh 6.23), ti chiu sõu(z) s l: (6.34) d K p z dE p = K z pp = = p dz dz Mt cỏch n gin v d nh hn l cú th s dng cụng thc ỏp lc ch ng tớnh ỏp lc t b ng bng cỏch cụng thc ỏp lc t ch ng ch no cú du (-) s c thay bng du (+) Mt cỏch tng quỏt chỳng ta cú cỏc cụng thc tớnh cng ỏp lc t theo chiu sõu z ca ỏp lc t b ng (trng hp cỏc gúc = = = 0) nh sau: (6.35) p p = K p z + qK p + C0 c ú: ' C0 = 2tg 450 + = K p V D MINH HO V D 6.1 V biu phõn b ỏp lc t ch ng lờn lng tng chn Tớnh tr s ỏp lc t ch ng v xỏc nh im t Trờn mt t cú ti trng ri u kớn khp vi cng q=15kN/m2 Bit lng tng nhn, thng ng, mt t sau lng tng nm ngang (hỡnh v) (tc l cỏc gúc = = = 0o) q =15kN/m2 5m =19kN/m3 =24o c =10 kN/m2 Bi gii: V biu ỏp lc t ch ng sau lng tng (hỡnh 24) Cng ỏp lc theo chiu sõu z: pa = K a z + q.K a C0 c (vi z = ữ h) 181 24 2 H s ỏp lc ch ng: K a = tg 45 = tg 45 = 0,422 2 C = K a = * 0,422 = 1,3 - Ti z = p a = q.K a C0 c = 15 * 0,422 1,3 *10 = 6,67 kN / m - Ti z = h pa1 = pa + K a h = 6,67 + 19 * 0,422 * = 33,42kN / m 2 Tớnh tr s ỏp lc t sau lng tng v im t: * Tr s ỏp lc t sau lng tng chớnh bng din tớch phn biu mang du (+) - Nu gi khong cỏch t mt t n im m ti ú pa = l h0 , thỡ ta cú: hc C q.K a 6,67 = = 0,832m K a 19 * 0,422 h-hc - Tr s ỏp lc t c tớnh nh sau: h h0 = pao