bài giảng cơ học đất Chương 2 các tính chất cơ học của đất

CƠ HỌC ĐẤT CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT 5/16/18 ThS Nguyễn Hữu Sà CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT  Là tính chất liên quan đến chuyển động hạt đất, nước, khí biến dạng khung hạt tác dụng ngoại lực  Khi chuyển động: vị trí tương đối phân tố không thay đổi  Khi biến dạng: bên khung hạt xuất ứng suất làm cho vị trí tương đối hạt đất thay đổi  Cơ học đất nghiên cứu trình học xẩy đất tác dụng nội lực ngoại lực, nói đến tính chất học đất nói đến vấn đề biến dạng, độ bền độ ổn định đất chịu tác dụng nội lực ngoại lực  Do đất thể ba pha nên tính chất học đất có tính đặc thù như: Tính thấm, tính nén lún, tính chống cắt tính đầm chặt 5/16/18 ThS Nguyễn Hữu Sà CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT 2.1 Tính thấm đất: 2.1.1 Định nghĩa khái niệm bản:  Tính thấm đất tính chất nước chảy qua lỗ rỗng Dòng nước chảy qua đất gọi dòng thấm Tính thấm đất đặc tính quan trọng đất cần ý nghiên cứu tính chất học Nó ảnh hướng tới trình lún theo thời gian đất nước thấm qua đất xuất áp lực thủy động gây tượng xói đùn đất nền, sụt lở mái rốc, vỡ đê đập  Với hầu hết loại đất dòng thấm đất xem dòng chảy tầng Dòng thấm đất tuân theo định luật Darcy: Ta xét hai điểm A, B khối đất Tại A nước chịu áp lực Pa, B nước chịu áp lực Pb 5/16/18 ThS Nguyễn Hữu Sà CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT ? ng áp Ð? cao th?y l?c Ð? cao áp Hb Ha Ha Hb B A Za Ð? cao v? trí Zb O O Nếu đặt vào A ống nhỏ ta thấy nước dâng lên ống đến chiều cao cho trọng lượng cột nước vừa áp lực Pa, nghĩa Ha = Pa/γ n , B Hb = Pb/γn 5/16/18 ThS Nguyễn Hữu Sà CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT Lấy mặt nằm ngang O-O làm chuẩn ta có chiều cao Ha, Hb chiều cao nước áp tạ A B Nếu Ha > Hb quan sát thấy dòng nước thấm từ A đến B, nghĩa đất nước thấm từ điểm có độ cao nước áp lớn đến điểm có độ cao nước áp nhỏ Cường độ thay đổi độ cao nước áp đơn vị chiều dài đường chảy ký hiệu I gọi Građien thủy lực: I = (Ha-Hb)/L; L – chiều dài đường thấm L = AB 2.1.2 Định luật Darcy: Vận tốc dòng thấm v tỷ lệ với građien thủy lực I v = Kt*I Hệ số Kt – hệ số thấm đất, phụ thuộc vào tính chất đất Lưu lượng thấm: Q = v*A A – Diện tích tiết diện thấm (diện tích mặt cắt vng góc với dòng thấm) 5/16/18 ThS Nguyễn Hữu Sà CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT Trong thực hành, để tiện tính tốn người ta lấy A diện tích mặt cắt đất xét Điều thực xác định v, Kt vận tốc thấm tính vận tốc thấm quy ước Vận tốc tính thực (v*) phải tính theo diện tích n*A, n độ rỗng đất nước qua lỗ rỗng v* = n*A = v(1+e)/e với e hệ số rỗng Vậy nước thấm qua mặt cắt A khoảng thời gian t: Q = Kt*I*A*t 2.1.3 Hệ số thấm đất:  Hệ số thấm đất xác định phòng thí nghiệm Cho nước thấm qua mẫu đất có diện tích tiết diện A, chiều dài L, cột nước áp h ta xác định lưu lượng Q nước thấm qua mẫu đất  Có thể dùng hai dụng cụ thí nghiệm thấm  Thí nghiệm với cột áp khơng đổi: Kt = (Q*L)/(h*A) 5/16/18 ThS Nguyễn Hữu Sà CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT  Thí nghiệm với cột nước áp thay đổi: Từ h0 thời điểm ban đầu t0, tới h1 thời điểm cuối t1, biết tiết diện ống đo nước áp ta có: Kt  Trong đó: h 2,3 * A1 * L * log A2 * (t1  t ) h1 A1 - tiết diện ngang ống đo áp, A2 - tiết diện ngang mẫu đất Hệ số thấm đất biến đổi khoảng rộng số loại đất sau: Tên đất Sỏi cuội khơng có hạt nhỏ 100 – 10 Cát to, cát vừa, Cát nhỏ 10 – 10-3 Cát bụi, Cát pha 10-3-10-5 Sét pha 10-5-10-7 Sét 5/16/18 Kt (cm/s) < 10-7 ThS Nguyễn Hữu Sà CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT 2.1.4 Hệ số thấm tương đương khối đất nhiều lớp K= K1 htd htd K1 < K2 < K3 Trường hợp thấm ngang K = K1 htd htd K1 < K2 < K3 K1 > K2 > K3 Trường hợp thấm đứng 5/16/18 ThS Nguyễn Hữu Sà CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT  Trường hợp dòng thấm vng góc với mặt phân lớp (thấm đứng) K tđ H  hn h1 h2 h3    k1 k k kn Chiều dày tương đương tính đổi lớp đất coi lớp đất có hệ số thấm Kβ chiều dày tương đương lớp đất htđ : h  K tđ  hi  i 1 k i n k1 k1 k1 Nếu Kβ = k1 thì: htđ h1  * h2  * h3  * hn k2 k3 kn Kβ lấy gía trị lớn ki htđ < H Kβ lấy gía trị nhỏ ki htđ > H 5/16/18 ThS Nguyễn Hữu Sà CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT Chú ý: Khi dòng thấm chảy qua khối đất, tác dụng lên đất lực thủy động Tri số áp lực thủy động là: J = I*γn gọi áp lực thấm  Nếu građien thủy lực I tăng áp lực tăng đến mức thắng trọng lượng thân hạt hạt đất bị đẩy lơ lửng (hiện tượng gọi tượng đất sối) Građien thủy lực giới hạn xuất ( tượng sối gọi građien thủy lực tới hạn) Ic : Ic = γđn/γn = (γnn + γn )/γn  Đường thấm gọi đường dòng đường nối tất điểm có cột áp gọi đường  Hệ số an tồn sói ngầm F = γđn/Uth => F = γđn/(I*γn) Uth – áp lực thấm ngược (F > [Fgh ]hiện tượng sói ngầm khơng xẩy ra, F < [Fgh] đất bị sói ngầm 2.2 Tính biến dạng đất:  Khi chịu tác dụng ngoại lực, đất bị biến dạng mà thực chất bị giảm thể tích lỗ rỗng đất (vì hạt rắn nước xem khơng biến dạng 5/16/18 ThS Nguyễn Hữu Sà 10 CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT  Biến dạng đất theo phương thẳng đứng gọi tính nén lún đất  Để nghiên cứu tính nén lún đất người ta dùng phương pháp nén mẫu đất phòng thí nghiệm nén ngồi trường 2.2.1 Thí nghiệm nén đất phòng thí nghiệm: nén thẳng đứng không nở hông P P  Chiều cao ban đầu mẫu đất h0  Thể tích hạt rắn đơn vị  Hệ số rỗng ban đầu e0 e0 h e1  Dưới tác dụng tải trọng P, thể Tích hạt rắn khơng thay đổi mà h1 h0 Giảm thể tích lỗ rỗng Chiều cao h0 giảm đại lượng Δh h1 5/16/18 ThS Nguyễn Hữu Sà 11 CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT e0 e1 ; Biến dạng S mẫu đất: S = Δh = h0 – h1 = (1 + e0) – (1+ e1) = e0 – e1 h e e Biến dạng tương đối mẫu đất nén ép: z  h   e  z * (1  e0 ) e0  e1 0 Nếu tải trọng tác dụng Pi tương ứng hệ số rỗng ei : z * (1  e0 ) e0  ei Công thức dùng để xây dựng đường cong phụ thuộc hệ số rỗng tải trọng, gọi đường cong nén lún Đường cong nén lún có hai nhánh, nhánh nén (1) thu tăng tải, nhánh nở (2) thu giảm tải trọng e e Nếu vẽ đường cong nén e0 hệ trục tọa độ lơgarit, e1 đường cong nến gần đường thẳng 5/16/18 ThS Nguyễn Hữu Sà p P0 Pc P logP 12 CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT Khi phương trình đường cong nén có dạng: e1 = e0 – Cc*(logP1 – logP0) = e0 – Cc*log(P1 /P0) Cc – số nén (độ dốc đường cong nguyên thủy nắn thẳng) Cc = (e0 – e1 )/(logP1 – logP0) Khi tính tốn người ta dùng hệ số nén a hệ số nén thể tích m v (hệ số rút đổi a0) theo công thức: e a = tgα = (e1 - e2)/ (p1 - p 2) e0 mv = a0 = a/(1+e1) e1 – Hệ số rỗng đất ứng với tải trọng nén p1 e2– Hệ số rỗng đất ứng với tải trọng nén p2 e1  e2 P1 5/16/18 ThS Nguyễn Hữu Sà P2 P 13 Nếu: CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT a < 0,035 cm2/kG – đất có tính nén lún nhỏ 0,035 < a < 0,1 cm2/kG – đất có tính nén lún trung bình a > 0,1 cm2/kG – đất có tính nén lún mạnh  Để đặc trưng cho biến dạng lún đất, hệ số nén lún a người ta dùng tiêu khác mô đun tổng biến dạng E đại lượng ngược lại với hệ số nén lún a Mô đun tổng biến dạng khác mô đun đàn hồi xét đến biến dạng dư đất  Khi nén mẫu đất điều kện không nở hơng: E0 = σz / λz Trong đó: σz - Ứng suất nén ép; λz - Biến dạng tương đối mẫu đất tỷ số biến dạng toàn S chiều cao ban đầu h: λz = S/h  Khi xét đến ảnh hưởng nở hông đất,2 mô đun tổng biến2 dạng cảu đất là: E0  5/16/18 z  e1 2 2 2 * (1  )  * (1  ) * (1  ) z 1  mv 1  a 1  ThS Nguyễn Hữu Sà 14 CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT pc – áp lực tiền cố kết Nếu lấy mẫu đất độ sâu h điều kiện tự nhiên trọng lượng lớp đất nằm bên tác dụng lên mẫu đất áp lực nén γ*h  Pc < γ*h – đất cố kết, nghĩa đất chưa lún xong tác dụng trọng lượng lớp đất đè lên nó,  Pc = γ*h – đất cố kết bình thường (đã lún xong tác dụng lớp đất đè lên nó)  Pc > γ*h – đất cố kết (nó bị nén với áp lực lớn áp lực đè lên nó) Đặc tính nén lún đất cát đất sét:  Đặc tính nén lún đất cát:  Quá trình nén lún xẩy đất cát chủ yếu phá hủy cạnh góc nhọn hạt 5/16/18 ThS Nguyễn Hữu Sà 15 CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT  Do tính thấm đất cát lớn nên thời gian lún cát không phụ thuộc vào chiều dày lớp cát đạt tới trị số ổn định vòng ngày đêm  Tính nén lún đất cát phụ thuộc vào độ lỗ rỗng ban đầu  Dưới tác dụng tải trọng tĩnh, tính nén lún đất cát yếu so với đất sét  Nếu đất cát bão hòa nước mà chịu tác dụng tải trọng động cát hóa thành chất lỏng nặng ( tượng hóa lỏng)  Khi cất tải phần độ lún biến dạng đàn hồi, phần lớn biến dạng dư  Đặc tính nén lún đất sét:  Quá trình nén lún xẩy chủ yếu khơng phải phá hủy hạt khoáng vật ma chuyển vị hạt sét phần cấu trúc lực liên kết hạt bị phá hủy 5/16/18 ThS Nguyễn Hữu Sà 16 CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT  Do tính thấm đất sét yếu nên trình nén lún xẩy chậm, phụ thuộc vào chiều dày lớp sét đạt tới trị số ổn định thời gian dài  Tính nén lún đất sét phụ thuộc vào hệ số rỗng ban đầu  Dưới tác dụng tải trọng động tính nén lún khơng đáng kể, tác dụng tải trọng tĩnh, tính nén lún đất sét lớn  Khi cất tải đất cát 2.2.2 Cố kết thấm đất dính no nước (SGK) 2.2.3 Biến dạng dẻo từ biến đất (SGK) 2.3 Tính chống cắt đất 2.3.1 Biểu thức Coulomb sức chống cắt đất Theo Coulomb, sức chống cắt đất hàm số bậc lực dính lực ma sát theo biểu thức: τ’ = σ*tgφ + C 5/16/18 ThS Nguyễn Hữu Sà 17 CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT Trong đó: τ’ – sức chống cắt đất; σ – thành phần ứng suất pháp; φ – goc ma sát đất; C – lực dính kết Chú ý:  Cần phân biệt ứng suất tổng σ, ứng suất hữu hiệu σ’ áp lực nước lỗ rỗng u Từ phân biệt sức chống cắt khơng cố kết, khơng nước với thơng số φu; Cu , sức chống cắt cố kết, thoát nước với thông số φ’; C’ trường hợp trung gian sức chống cắt cố kết, khơng nước  Đối với đất bão hòa nước ứng suất tổng σ, ứng suất hữu hiệu σ’ áp lực nước lỗ rỗng có quan hệ: σ = σ’ + u 2.3.2 Điều kiện bền điều kiện cân giới hạn  Xét phân tố đất, phân tố ổn định mặt đảm bảo điều kiện: 5/16/18 τ < τ’ ThS Nguyễn Hữu Sà 18 CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT Trong đó: τ - Ứng suất cắt tải gây ra; τ’ – sức chống cắt đất (phụ thuộc vào loại đất trạng thái nó)  Một phân tố đất khơng ổn định (bị cắt, bị trượt): τ > τ’  Khi τ tăng đến mức sức chống cắt đất cần số gia bé τ phân tố đất bị phá hỏng, trượt theo mặt trượt mà τ không tăng nữa: τ = τ’ ; điều kiện cân giới hạn 2.3.3 Sức chống cắt đất cát Chủ yếu phụ thuộc vào độ chặt nó, đường sức chống cắt giới hạn cát đường thẳng: τ’ = σ*tgφ 2.3.4 Sức chống cắt đất dính Chủ yếu phụ thuộc vào φ, C ; đường cắt giới hạn cảu đất dính đường thẳng: τ’ = σ*tgφ + C 5/16/18 (τ’ = C đất dính lý tưởng) ThS Nguyễn Hữu Sà 19 CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT 2.4 Tính đầm chặt đất  Đất có tính chất là: Dưới tác động học rung, nén, nện, hạt dịch chuyển tạo kết cấu chặt  Tính đầm chặt đất thuận lợi cho việc dùng đất làm vật liệu xây dựng cơng trình đất đắp đường, đê đập cần phải đạt đến độ chặt bền vững  Các yếu tố chủ yếu việc đầm chặt là: cấp phối đât, độ ẩm đất, công (năng lượng) đầm chặt Các thí nghiệm xem SGK 5/16/18 ThS Nguyễn Hữu Sà 20 ... Do đất thể ba pha nên tính chất học đất có tính đặc thù như: Tính thấm, tính nén lún, tính chống cắt tính đầm chặt 5/16/18 ThS Nguyễn Hữu Sà CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT 2. 1 Tính thấm đất: ... e2– Hệ số rỗng đất ứng với tải trọng nén p2 e1  e2 P1 5/16/18 ThS Nguyễn Hữu Sà P2 P 13 Nếu: CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT a < 0,035 cm2/kG – đất có tính nén lún nhỏ 0,035 < a < 0,1 cm2/kG... nở hông đất, 2 mô đun tổng biến2 dạng cảu đất là: E0  5/16/18 z  e1 2 2 2 * (1  )  * (1  ) * (1  ) z 1  mv 1  a 1  ThS Nguyễn Hữu Sà 14 CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT pc