Đối tượng nghiên cứu của cơ học đất là đất tự nhiên. Đó là một vật thể rời phân tán và có cấu trúc phức tạp. Đặc điểm chủ yếu là trong đất ngoài các hạt còn có lỗ rỗng chứa khí và nước, ngoài ra giữa các hạt còn có liên kết với sức bền yếu hơn sức bền của các hạt. Khi chịu tác dụng của ngoại lực, các hạt đất có thể dịch chuyển và trượt lên nhau, các lỗ rỗng có thể bị thu hẹp và nước trong các lỗ rỗng thoát ra ngoài, các liên kết cấu trúc có thể bị phá hủy. Khi mà dưới tác dụng của lực ngoài, trong đất đá xuất hiện lực tiếp tuyến vượt quá lực chống trượt, thì đất đá bắt đầu bị phá hoại, xảy ra sự mất độ bền. Do đó, tính chất cơ học của đất đá đặc trưng bởi tính biến dạng và độ bền của chúng. Người ta biểu diễn và đánh giá chúng bằng các chỉ tiêu biến dạng và chỉ tiêu độ bền: -Về biến dạng: chỉ tiêu nén lún, tức chỉ tiêu mức độ biến dạng -Về độ bền: sức chông trượt (cắt) Trong bài tiểu luận này, em xin trình bày đề tài: “Độ bền của đất (sức chống cắt) và các phương pháp xác định.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐỊA CHẤT ~*~*~*~ BÀI TIỂU LUẬN Mơn Địa chất cơng trình Đề tài: ĐỘ BỀN CỦA ĐẤT (SỨC CHỐNG CẮT) VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH Giảng viên hướng dẫn: PGS.TSKH Trần Mạnh Liểu Sinh viên thực hiện: Đỗ Thị Thanh Thảo Ngày sinh: 23/5/1996 Lớp: K59 – Kỹ thuật địa chất Mã SV: 14000720 Hà Nội, 10/2016 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Đối tượng nghiên cứu học đất đất tự nhiên Đó vật thể rời phân tán có cấu trúc phức tạp Đặc điểm chủ yếu đất ngồi hạt có lỗ rỗng chứa khí nước, ngồi hạt có liên kết với sức bền yếu sức bền hạt Khi chịu tác dụng ngoại lực, hạt đất dịch chuyển trượt lên nhau, lỗ rỗng bị thu hẹp nước lỗ rỗng ngồi, liên kết cấu trúc bị phá hủy Khi mà tác dụng lực ngoài, đất đá xuất lực tiếp tuyến vượt lực chống trượt, đất đá bắt đầu bị phá hoại, xảy độ bền Do đó, tính chất học đất đá đặc trưng tính biến dạng độ bền chúng Người ta biểu diễn đánh giá chúng tiêu biến dạng tiêu độ bền: - Về biến dạng: tiêu nén lún, tức tiêu mức độ biến dạng Về độ bền: sức chông trượt (cắt) Trong tiểu luận này, em xin trình bày đề tài: “Độ bền đất (sức chống cắt) phương pháp xác định Do nhiều thiếu sót, em vui mừng muốn nhận lời góp ý thầy bạn sinh viên để bổ sung hoàn thiện tiểu luận Xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG I: TÍNH BỀN CỦA ĐẤT Tính bền đất khả chống lại tác dụng lực bên khơng gây phá hoại hồn tồn chúng Đất tính bền xảy tác dụng ứng suất cắt (trượt), đứt vỡ (do kéo) ép vỡ (nén trục nở ngang hay nén ba trục…) - CHƯƠNG II: SỨC CHỐNG CẮT Các phương pháp xác định sức chống cắt 1.1 Đặt vấn đề Dưới tác dụng ngoại lực, ứng suất hiệu dụng số phận đất lớn sức bền liên kết hạt đất làm nảy sinh trượt hạt nhóm hạt dẫn đến phá vỡ độ bền số phận đất kéo theo ổn định khối đất Hiện tượng trượt đất hoàn toàn rời (ví dụ đất cát sạch) diễn ứng suất lớn nội ma sát khớp nối hạt Còn đất dính đất sét có phá vỡ liên kết cấu tạo lực dính màng liên kết keo hạt khoáng Kết nhiều thí nghiệm cho thấy lực kháng cắt chống lại trượt hạt khống vật khơng dính kháng lực lực ma sát tỷ lệ thuận với ngoại lực Còn kháng lực khống vật mà có liên kết keo đất dính kháng lực lực ma sát có lực dính chống lại trượt, phụ thuộc vào mức độ nén chặt tức bền vững khớp nối diện tích tiếp xúc hạt Những tiêu chí xác định sức chống cắt đất tùy thuộc vào áp lực độ bền vững liên kết hạt Việc xác định tiêu có ý nghĩa vơ quan trọng tính tốn sức chịu tải nền, ổn định mái dốc áp lực lên tường chắn Để xác định tiêu tiến hành thí nghiệm theo phương pháp sau đây: - Phương Phương trục Phương tròn Phương pháp cắt trực tiếp pháp nén trục pháp cắt theo mặt pháp xuyên 1.2 1.2.1 Thí nghiệm cắt đất trực tiếp Thí nghiệm Xác định sức chống cắt đất phương pháp tiến hành máy cắt chiều (hình 1) Mẫu đất Đá thấm Nửa hộp cố định Nửa hộp di động Bộ phận nén Hình 1: Sơ đồ cắt ngang Bộ phận truyền tải trọng cắt Mẫu đất trụ tròn nén khơng nén trước tùy theo yêu cầu thí nghiệm Mẫu đất đặt vào máy cho nửa giữ cố định, nửa di chuyển ngang tác dụng tải trọng ngang Tải trọng ngang tăng theo cấp biến đổi liên tục nhờ cách chất tải hay đổ nước vào thùng tăng tải xuất trượt hai nửa mẫu đất Trong trình tăng tải phải đo biến dạng thẳng đứng biến dạng nằm ngang mẫu đất Điều cho phép điều chỉnh q trình cắt thiết lập biểu đồ (hình 2) Hình 2: Biểu đồ biến dạng ngang đất cắt a b Quan hệ τ ~ σ tải trọng tăng lên Quan hệ τ ~ σ tốc độ biến dạng không đổi Đối với cát chặt Đối với cát rời Nếu tốc độ biến dạng thay đổi dang biểu đồ hình 2a Hình 2b thể ảnh hưởng độ chặt ban đầu cát biến dạng cắt mà giữ tốc độ biến dạng không đổi Biểu đồ cho ta thấy rằng: đến trị số định độ biến dạng ngang đất không phụ thuộc vào độ chặt ban đầu đất độ rỗng cát chặt giảm cắt, cát rời tăng lên 1.2.2 Định luật Coulomb – Mor Dưới tác dụng áp lực bên hay trọng lượng thân khối đất đá (như sườn dốc, mái dốc đất đá,…), phát sinh đất ứng suất hữu hiệu Nếu trị số ứng suất thắng trị số độ bền liên kết kiến trúc yếu tố kiến trúc (các hạt) đất, xảy tượng dịch chuyển chúng với Quan hệ ứng suất tiếp tuyến τ pháp tuyến σ biểu diễn điều kiện Coulomb – Mor: τ= σ.tgϕ + C (1) Trong đó: : ứng suất tiếp tuyến (sức chống cắt đất) σ: ứng suất pháp tuyến (lực giữ trượt) tgϕ: hệ số ma sát đất C: lực dính kết đơn vị đất Trị số đất phụ thuộc nhiều vào yếu tố bên (thành phần cấp phối hạt, kiến trúc – cấu tạo,…) yếu tố bên (trị số tốc độ thay đổi lực gây cắt, điều kiện thoát nước áp lực nén…) 1.2.3 Điều kiện cân giới hạn đất Điều kiện cân đất diễn ứng suất cắt nhỏ giá trị tới hạn nó: Τ ≤ = σ.tgϕ, đất rời Τ ≤ = σ.tgϕ + c, đất dính Giá trị tương ứng với thí nghiệm đường thẳng giới hạn biểu đồ cắt người ta gọi đường Coulomb đồng thời nằm đường tròn ứng suất Mor Các biểu đồ ứng suất giới hạn Hình 3: Biểu đồ ứng suất cắt giới hạn đất cắt hình 3a đất rời 3b đất dính a Đối với đất rời b Đối với đất dính Khi biết giá trị ứng suất ( > ), dựa vào biểu đồ ta có kết quan trọng sau : Đối với đất rời : Trong : Nên: sinϕ = (a) CM = ; OC = + = sinϕ = Đối với đất dính: (b) (2) sinϕ = (a) Trong đó: CM = ; O’C = c.cotg ϕ + = Nên; sin ϕ = (b) (3) Các biểu thức (2) (3) biểu thức thể điều kiện cân giới hạn đất rời đất dính dùng để tính tốn tải trọng giới hạn tác dụng lên cơng trình, tính tốn ổn định mái dốc áp lực đất lên tường chắn 1.3 1.3.1 Thí nghiệm cắt đất nén chiều chiều Thí nghiệm nén chiều Thí nghiệm nén chiều tiến hành với loại đất sét trạng thái dẻo cứng Người ta tiến hành thí nghiệm với mẫu đất hình trụ tròn có chiều cao 1,5 đến lần đường kính Tải trọng tăng lên chưa xuất phá hoại dòn mẫu đất chưa xuất biến dạng đột biến mẫu đất Thừa nhận ứng suất phân bố mặt cắt ngang ta có giá trị phá hoại tải trọng đơn vị diện tích mặt cắt = (trong P tải trọng nén F diện tích mặt cắt ngang mẫu đất) Nếu lấy phân tố trượt tách nửa xét cân nửa phân tố hình Hình 4: Thí nghiệm nén chiều cho đất sét Từ hình 4b ta có: Từ ta có : ds.1-.dx.sinα.1 = (a) = = cosα.sinα (b) Giả thiết ứng suất cắt ứng suất cắt lực dính (bỏ qua ma sát), ta có ứng suất lớn sinα = Max τ = = c (4) Biểu đồ ứng suất giới hạn trường hợp hình Hình 5: Vòng tròn Morh ứng suất giới hạn nén chiều 1.3.2 Thí nghiệm nén ba trục Thí nghiệm nén cắt chiều gây mẫu đất thí nghiệm trạng thái ứng suất không phù hợp với điều kiện thực tế đất Bởi người ta thí nghệm đất máy nén trục, cho phép mẫu đất chịu áp lực không cần thiết, điều phù hợp với điều kiện thực tế làm việc đất Sơ đồ máy nén ba trục trình bày hình Buồng máy Mẫu đất Đá thấm Màng cao su mỏng Thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng Máy đo áp lực hông Trục áp lực thẳng đứng Hình 6: Sơ đồ máy nén trục Máy gồm buồng máy chứa đầy chất lỏng (thường nước cất) nối với ống dẫn áp lực hông Trên mặt đáy mẫu đặt hai tròn có lỗ thấm khơng thấm (tùy thuộc vào u cầu có nước hay khơng) Mẫu đất dược đặt màng cao su mỏng Mẫu đất nén thẳng đứng nhờ trục truyền tải thẳng đứng Trong suốt thời gian thí nghiệm áp lực lỗ rỗng đất đo hai áp lực kế Biến dạng thẳng đứng mẫu đất đo đồng hồ đo lún, thay dổi thể tích mẫu đất đo ống thủy ngân có khắc độ Thí nghiệm nén đất máy nén ba trục tiến hành sau: Mẫu đất đặt vào máy nén, sau cho nối ống dẫn áp lực hơng = Sau biến dạng áp lực hông ổn định cho áp lực thẳng đứng , áp lực lỗ rỗng u Các ứng suất hiệu dụng tác dụng lên mẫu là: ’= - u ’= - u ’= - u Biến dạng tương đối theo phương thẳng đứng : = (5) Trong đó: : độ lún mẫu đất áp lực tương ứng h : chiều cao mẫu đất Biến dạng tương đối thể tích mẫu đất : Ө= (6) Trong đó: △V : biến đổi thể tích mẫu đất V : thể tích ban đầu mẫu đất Thí nghiệm nhiều mẫu đất với khác ta xây dựng biểu đồ quan hệ ~ (hình 7) Từ kết thí nghiệm xác định tiêu biến dạng, tiêu sức chống cắt đất Cách xác định số tiêu nêu - Hình 7: Quan hệ ~ Mô đun biến dạng chung : = (7) Mơ đun biến dạng thể tích = (8) Hệ số biến dạng hông = (9) Đối với đất rời: với mẫu đất ta xây dựng vòng tròn Mor ứng suất giới hạn hình dễ dàng xác định góc ma sát ϕ • Hình 8: Xác định góc ma sát ϕ đất rời thí nghiệm nén trục • Đối với đất dính: cần thí nghiệm với hai mẫu đất với = = áp lực thẳng đứng Từ vẽ hai vòng tròn Mor ứng suất giới hạn biểu đồ cắt tiêp tuyến với hai vòng tròn Mor, từ dó xác định gọc ma sát ϕ lực dính C đất dính (hình 9) Hình 9: Xác định sức chống cắt đất dính CHƯƠNG III: SỨC CHỐNG CẮT CỦA CÁC LOẠI ĐẤT Sức chống cắt đất phân tán khơng kết dính 1.1 Sức chống cắt đất vụn thô Đất vụn thô bao gồm hạt đất đá có kích thước >2mm chiếm >50% khối lượng mẫu đất sấy khơ ngồi khơng khí Sức chống cắt loại đất phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng, thành phần tính chất vật chất nhét lỗ rỗng chúng 10 Khi trộn cát với sạn – sỏi, góc ma sát tăng lên, đặc biệt tăng nhiều lượng hạt sạn – sỏi > 60 – 65% Quan hệ tiêu cắt ϕ C vào hàm lượng pha vụn thô N giới thiệu hình10 Trong trường hợp N > 30%, trị số ϕ C xác định phương pháp nội suy trực tiêp theo công thức M.P.Lusenko: (10) (11) : góc ma sát trng hạt vụn thơ : góc ma sát vật chất lấp nhét lỗ rỗng : lực dính kết chất lấp nhét lỗ trống Hình 10: Đồ thị quan hệ tiêu sức chống căt ϕ C vào hàm lượng hạt vụn thô 1.2 Sức chống cắt đất cát Đất cát bao gồm hạt đất đá có kích thước dao động từ 0,1 đến 2mm Đối với đất tơi xốp, trị số τ phụ thuộc chủ yếu vào góc ma sát ϕ áp dụng lực pháp tuyến σ: (12) Đối với cát nén chặt: (13) Trong đó: : lực dính liên kết móc khớp hạt cát với Đường cong quan hệ τ σ đất cát tơi xốp nén chặt 11 Thành Hình 11: Đường cong quan hệ sức chống cắt đất cát chặt phần (1) cát xốp rời (2) vào biến dạng cắt (a) vào áp lực nén cấp (b) phối hạt, hình dáng mức độ tròn cạnh chúng, độ chặt kết cấu, mức độ bão hòa nước nhiều yếu tố khác có ảnh hưởng nhiều đến sức chống cắt đất cát Thành phần cấp phối hạt cát không đồng nhất, góc ma sát chúng tăng Sự có mặt vảy mica cát, mức độ tròn cạnh hạt cát tăng làm giảm trị số góc ma sát đất Giáo sư Golstein rằng, nâng cao độ chặt kết cấu D cát, góc ma sát ϕ tăng lên cách tỷ lệ thuận: (14) Trong đó: : góc ma sát cát tơi xốp m: hệ số tỷ lệ, thay đổi từ 612 Đối với cát đồng thành phần tròn cạnh m = 67; cát khơng đồng góc cạnh m = 12 Khi thí nghiệm cắt đất cát tơi xốp bão hòa nươc, độ lỗ rỗng cát vào thời điểm cắt bị giảm đi, áp lực lỗ rỗng (hay áp lực thủy động) tăng lên Do đó, sức chống cắt cát bão hòa nước giảm đi: (15) Đối với cát nén chặt bão hòa nước, cắt độ lỗ rỗng tăng lên, nước lỗ rỗng tác dụng lên hạt áp lực thủy động bổ sung ( (16) Ảnh hưởng xảy thí nghiệm cắt nhanh khơng cố kết (khơng nước) đất cát bão hòa nước Khi thí nghiệm cắt chậm cố kết (cắt nước tự do), áp lực tương đối nhanh Sức chống cắt đất dính kết Sức chống cắt đất dính kết (sét, sét pha cát pha) có chất phức tạp định bới hai đặc trưng lực dính kết C góc ma sát ϕ Một vấn đề quan trọng nghiên cứu sức chống cắt đất phân tán dính kết xét ảnh hưởng yếu tố kiến trúc đến hai tiêu nêu Dựa quan điểm lý thuyết tác dụng tiếp xúc tương hỗ yếu tố kiến trúc đất phân tán dính kết, người ta phân số lực dính kết khác (: đặc trưng riêng cho cát) 12 Phương trình sức chống cắt đất dính kết có kiểu tiếp xúc kiến trúc keo tụ chuyển tiếp viết dạng: (17) Trị số thay đổi phạm vi rộng: từ 0,050,1 đến 0,4mPa Lực dính phụ thuộc chủ yếu vào độ ẩm độ chặt đất có kiểu tiếp xúc kiến trúc keo tụ chuyển tiếp Khi tăng độ ẩm hay giảm độ chặt (dung trọng) đất, quan sát thấy trị số giảm đáng kể Đất có kiểu tiếp xúc kiến trúc pha chủ yếu, sức chống cắt chúng biểu diễn phương trình: (18) Trị số lực dính kết sinh kiểu tiếp xúc kiến trúc pha, định tính chất bền đất chủ yếu Đất có kiểu tiếp xúc hỗn hợp (có keo tụ, chuyển tiếp pha), biểu thức độ bền cắt chúng viết sau: (19) Trị số lực dính kết tổng thường đạt khoảng 0,03 0,12 mPa Đôi đạt tới trị số cao Nếu áp lực nén σ < trị số đóng vai trò quan trọng nhất; σ > trị số lại giữ vai trò (V.I.Osipov, 1985) Góc ma sát ϕ đất dính kết phụ thuộc nhiều vào thành phần phối hạt độ ẩm đất Khi chuyển từ sét sang cát pha độ sé nhau, góc ma sát chúng tăng lên, lực dính kết giảm Trong đất phân tán dính kết chứa lượng hạt phân tán nhỏ keo, chiều dày màng mỏng nước liên kết gần kích thước hạt đất Khi cắt hạt đất trượt lên nhau, nước liên kết đóng vai trò làm chất bơi trơn, góc ma sát đất bị giảm nhanh tăng thêm độ ẩm Phương pháp thí nghiệm cắt, định đến đặc trưng độ bền cắt đất dính kết Do đó, để đảm bảo hợp lý việc thiết kế cơng trình tài liệu độ bền cắt đất, nên sử dụng phương pháp (hay sơ đồ) thí nghiệm cắt mà mơ hình hóa điều kiện làm việc thức tế chúng cơng trình Trong thực tế, ngưới ta phân ba sơ đồ (phương pháp) thí nghiệm cắt đất dính kết sau: Sơ đồ – cắt nhanh không cố kết – không nước (cắt theo hệ kín) Trong trường hợp này, phá hoại mẫu đất xảy với tốc độ cho độ lỗ rỗng độ ẩm không thay đổi Khi cắt nhanh đất phát sinh áp lực dư Đối với đất sét hoàn toàn bão hòa nước, sức chống cắt xác định theo sơ đồ định chủ yếu lực dính C (hình 12 đường cong số 1) • Sơ đồ – cát cố kết – thoát nước (cắt hữu hiệu) hay gọi cắt theo hệ hở Đất nén áp lực pháp tuyến đến cố kết • 13 toàn toàn (nén lún ổn định áp lực nén định) Sau truyền lực gât cắt mẫu đất với tốc độ, cho độ ẩm (W) độ lỗ rỗng (n) chúng kịp chuyền sang trạng thái cân tải trọng ngoài; đồng thời nước lỗ rỗng không phát sinh áp lực lỗ rỗng dư Cắt theo sơ đồ cho kết độ bền đất lớn (hình 12 đường cong số 2) • Sơ đồ – cát cố kết – khơng nước (cát trung tính) Trước tiên nên cho mẫu đất cố kết hoàn toàn cấp tải trọng nén theo yêu cầu, truyền lực gây cắt theo sơ đồ cắt nhanh Trị số τ nhận theo sơ đồ trung gian sơ đồ – cắt không cố kết – khơng nước – cắt cố kết – thoát nước Hình 12: Đồ thị quan hệ τ σ đất phan tán dính kết theo sơ đồ cắt Sức chống cắt đất dính kết bão hòa nước phụ thuộc vào điều kiện chế độ tác dụng tải trọng lên chúng Vào giai đoạn đầu gia tải gây cắt, phần áp lực truyền lên nước phát sinh áp lực lỗ rỗng Khi đó, áp lực ngồi mà cốt (hạt) đất tiếp nhận nhỏ, sức chống cắt đất địn chủ yếu lực dính ban đầu, góc ma sát giữ vai trog nhỏ Phương trình sức chống cắt đất sét bão hòa nước lúc có dạng: (20) Trong dó: = áp lực lỗ rỗng : áp lực hữu hiệu Theo kết thí nghiệm cắt đất sét bão hòa nước giáo sư G.P.Trebotarov, cho thấy: cắt cố kết – khơng nước (cắt trung bình) cho ϕ = 0; cắt nhanh ϕ = 1220; cắt hữu hiệu ϕ = 30 Nếu loại bỏ ảnh hưởng áp lực lỗ rỗng, kết thí nghiệm cắt theo sơ đồ nêu Do đó, việc lựa chọn sơ đồ thí nghiệm cắt tùy thuộc vào điều kiện làm việc đất công trình xây dựng 14 Sơ đồ cắt 1: ứng với điều kiện làm việc đập đất, đường đất sét (đất dính kết) bão hòa nước có độ sệt > 0,75 • Sơ đồ cắt 2: phải ứng điều kiện làm việc đất mái đốc sườn dốc giai đoạn sử dụng lâu dài, độ sệt cúa đất < 0,5 • Sơ đồ cắt 3: dâng nước nhanh vào hồ chứa nước, hay gây nổ mìn, có động đất • KẾT LUẬN Các tính chất học đất đá định tính cách chúng chịu tác dụng lực – tải trọng Các tiêu biểu diễn sức chống trượt đất đá giúp ta thiết kế độ nghiêng mái dốc đê, đập, đường đắp, đường đào, bờ mỏ với công tác làm đất nhất, xác định ổn định sườn khối trượt, trị số áp lực đất đá lên vật chắn chống hầm lò ngầm, xác định tiết diện hợp lý độ ổn định tường chắn, đập bê tông, cơng trình ngầm cơng trình khác Vì vậy, thiết kế cơng trình, cần phải đặc biết ý nghiên cứu tính chất biến dạng độ bền đất cát đất loại sét 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO Địa chất công trình thạch luận cơng trình (V.Đ.Lomtadze) Thổ chất địa chất cơng trình (Nguyễn Ngọc Bích) Đất xây dựng (Trần Hữu Nhân) http://tailieu.tv/tai-lieu/cac-tinh-chat-co-hoc-cua-dat-8197/ 16 ... hoại, xảy độ bền Do đó, tính chất học đất đá đặc trưng tính biến dạng độ bền chúng Người ta biểu diễn đánh giá chúng tiêu biến dạng tiêu độ bền: - Về biến dạng: tiêu nén lún, tức tiêu mức độ biến... hạt dẫn đến phá vỡ độ bền số phận đất kéo theo ổn định khối đất Hiện tượng trượt đất hoàn toàn rời (ví dụ đất cát sạch) diễn ứng suất lớn nội ma sát khớp nối hạt Còn đất dính đất sét có phá vỡ... việc đất mái đốc sườn dốc giai đoạn sử dụng lâu dài, độ sệt cúa đất < 0,5 • Sơ đồ cắt 3: dâng nước nhanh vào hồ chứa nước, hay gây nổ mìn, có động đất • KẾT LUẬN Các tính chất học đất đá định