18/08/2016 BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT Khái niệm chung BÀI 3:TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT Định luật Coulomb 2.Thuyết bền Morh-Coulomb Xác định đặc trưng kháng cắt (độ bền) đất BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT Móng Cơng trình Tải trọng Tải trọng CT Lún S (1) Lún đất Nền đất (2) Phá hoại Khái niệm chung a Tính bền Khi xây dựng cơng trình, đất bị phá hoại cơng trình bị phá hoại (mất ổn định) → việc nghiên cứu tính bền quan trọng b Cơ chế phá hoại trượt đất Thí nghiệm nén chiều có nở ngang để nghiên cứu chế P phá hoại trượt: Nắp gia tải Mẫu sét hình trụ có h/d = (1,5 2,0) chịu ứng suất nén có cường độ s: Mất ổn định tổng thể trượt Mái dốc Móng tròn s Mặt phá hoại P A A: diện tích tiết diện mẫu BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT d BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT Mẫu sét cứng * Khi ứng suất nén s tăng dần: mẫu bị biến dạng phương đứng phương ngang * Khi ứng suất nén đủ lớn: mẫu xuất vết nứt nghiêng phần mẫu trượt lên theoP mặt nghiêng tương ứng - Xuất vết nứt → mẫu bị phá hoại cắt Ở điểm phá hoại, đất bị trượt lên mặt trượt điểm lân cận nối liền tạo thành vết nứt h b Mẫu sét mềm * Khi tải trọng đủ lớn: mẫu không xuất vết nứt mẫu bị biến dạng dẻo không tắt dần theo thời gian cuối bị phá hoại hoàn toàn - Phá hoại cắt đất theo mặt trượt phân tố điểm vùng phá hoại thể dạng chảy dẻo toàn đất vùng Vết nứt c Kết luận: Xảy tượng trượt kể vị trí vết trượt ứng suất cắt cực đại vượt khả chống cắt đất 18/08/2016 BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT Định luật Coulomb a Lực ma sát đất: Lực ma sát xuất đất có xu hướng trượt lên tương tự ma sát vật thể thông thường Lực ma sát tỷ lệ thuận với lực nén vng góc với mặt trượt hệ số ma sát T: lực gây trượt; Tms: lực ma sát Tms T Tms = P.fms = Ptgj Lực ma sát đơn vị sms: a sms P Q Tms Ptgj stgj A A fms: hệ số ma sát; j: góc ma sát đất; s: ứng suất pháp tác dụng mặt xét b Lực dính đất: Các hạt đất gắn kết với chống lại lực kéo tách rời chúng nhờ lực dính - Lực dính = (loại đất) coi có giá trị điểm theo hướng - Lực dính đơn vị c: Lực dính đơn vị diện tích c Biểu thức Coulomb: * Sức chống cắt s mặt phẳng khả đất chống lại ứng suất cắt theo mặt phẳng đơn vị diện tích: s = sms + c = stgj + c (j, c): đặc trưng chống cắt đất, xác định TN; s: ứng suất nén tạo ma sát đơn vị (do tải trọng gây ra, phụ thuộc vào điểm khảo sát) * Sức chống cắt s theo ứng suất hữu hiệu Terzaghi: s = (s - u)tgj’ + c’ = s’.tgj’ + c’ BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT d Đường sức chống cắt Coulomb 2.Thuyết bền Morh-Coulomb Đồ thị mô tả quan hệ s = f(s): đường sức chống cắt Coulomb TH tổng quát Đất rời * Điều kiện bền thiết lập sở so sánh ứng suất cắt sức chống cắt mặt phẳng - Trạng thái cân bền khi: t < s; - Trạng thái cân giới hạn (CBGH) khi: t = s Lưu ý: Với đất không xảy t > s * Gọi tmax (tf) ứng suất cắt lớn có mặt phẳng qua điểm xét M theo Mohr tính bền đất đảm bảo khi: tmax s = stgj + c s tmax s tmax j c j s 0 s s tmax B(sB, tB): tB < sB.tgj + c Đất dính túy s c cu t tf = stgj + c A A(sA, tA): tA = sA.tgj + c B t = f(sx, sz) c s s sA BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT z txz Xét phân tố điểm M(x,z) đất s(M) ={sx, sz, txz} sa ta sx txz xM sz x sa Ma sát j a sx y BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT s sz 2.Thuyết bền Morh-Coulomb ta a Trên mặt a: zM sx z txz Trên mặt a: s(a) = {sa, ta}: sa ta sx sz sx sz s x s z sx a sa = satgj + c txz Mô sa s(a) = {sa, ta}: ta cos2a t xz sin 2a cos2a t xz sin 2a sa txz ta Lực dính c sz M(xM, zM) sB Lực kháng trượt sx sz sx sz sx sz sx sz cos2a t xz sin 2a cos2a t xz sin 2a Lực gây trượt sa sa tgj c Cân giới hạn xảy ta = sa Cân “bền” ta < sa 18/08/2016 BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT VỊNG TRÒN MORH ỨNG SUẤT Biểu diễn {sa, sa, ta} mặt phẳng (s,t) sa M(x,z) ta a sa ta sx s z sx sz sa = sa.tgj + c t sa sx sz R c s3 a sa s1 s s s s sa ² ta ² ² Ptr đường tròn: Thay đổi tùy vị trí điểm M phụ thuộc szM, sxM, txzM Đường thẳng (sức kháng cắt) s Không thay đổi theo điểm M ( c, j) t Điểm M1: TT ỔN ĐỊNH R O( sa sa tgj c Ptr đường thẳng s1 s3 s1 s j ,0) s1, s3 :ứng suất BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT Lực s tác dụng s s ' u s w lên đất s' s x s z ² Vòng Mohr điểm M cos2a t xz sin 2a Gây ứng suất tác dụng lên khung đất sx sz sa ² t a ² sa sa tgj c ta cos2a t xz sin 2a Đường tròn: uw Khí Hạt đất Khung đất Nước Có biến dạng Khơng nén Có sức kháng cắt Khơng có kháng cắt Sức kháng cắt đất có s '.tg ' c ' nhờ liên kết hạt đất Biến dạng đất (lún, biến gây dạng thể tích, ) Ứng suất hữu hiệu s’ Độ bền cắt (sức kháng cắt) s s Điểm M2: TT CBGH Điểm M3: TT PHÁ HOẠI BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT Nước Gây ứng suất tác dụng lên nước c sc tgj j Xác định đặc trưng kháng cắt (độ bền) đất: Thí nghiệm xác định: • Thí nghiệm cắt trực tiếp (cắt phẳng) • Thí nghiệm cắt gián tiếp (nén ba trục) Các bước TN cắt • Bước 1: Nén • Bước 2: Cắt Các chế độ cắt Để kiểm soát ảnh hưởng điều kiện thoát nước, điều kiện liên quan đến áp lực u đơn giản hóa theo chế độ sau: • TN với u = 0; • TN với s’ = 0; • TN trung gian: u = chịu lực nén u chịu lực cắt BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT Xác định đặc trưng kháng cắt (độ bền) đất: A/ Thí nghiệm cắt phẳng (cắt trực tiếp) Chế độ cắt: chế độ kiểm soát/khống chế áp lực nước lỗ rỗng giai đoạn thí nghiệm cắt: • Cắt chậm (CD: Consolidated Drained Test): cố kết hoàn toàn chịu lực nén, sau cắt chậm để nước tiếp tục thốt: j’, c’ (jCD, cCD) • Cắt nhanh (UU: Unconsolidated Undrained Test) : nước khơng chịu lực nén cắt: j u, cu (jUU, cUU) • Cắt nhanh cố kết (CU: Consolidated Undrained Test): nước thoát hết tác dụng lực nén chịu cắt nhanh điều kiện khơng nước: j cu, ccu Chọn phuơng pháp thí nghiệm phù hợp phản ánh với trạng thái làm việc đất thực tế Sơ đồ nguyên lý: P Bi thép Tấm gia tải Đá thấm S T Vòng ứng biến Bước 1: Gia tải đứng ứng suất nén Bước 2: Gia tải cắt T tạo ứng suất cắt t T tăng mẫu bị phá hoại Kết quả: từ s = P/A, tf = T/A → {s, tf} hay {s, s} s = tf 18/08/2016 BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT P BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT Bi thép Thiết bị thí nghiệm cắt phẳng Tấm gia tải Đá thấm S Vòng ứng biến T Bước 1: Gia tải đứng ứng suất nén Bước 2: Gia tải cắt T tạo ứng suất cắt t T tăng mẫu bị phá hoại Kết quả: từ s = P/A, tf = T/A → {s, tf} hay {s, s} s = tf BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT t Kết xử lý kết Hộp cắt phẳng s3 s1 o Mỗi mẫu thu (s, s), nhiều mẫu {si, si}, i = 1,n o Vẽ đồ thị (s, s) s1 o Cách xác định j, c • Cách 1: Đo j, c đồ thị • Cách 2: Tính trị trung bình từ giá trị j, c theo cơng thức sau: tgjik BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT tf2 tf1 c j s1 t fi t fk ,i k si sk s2 s3 s ci t fis itgj * Sơ đồ thí nghiệm B/ Thí nghiệm trục * Nguyên lý TN: TN thực máy trục tạo áp lực nén lên mẫu theo phương vng góc, ứng suất nén theo phương thay đổi mẫu bị phá hoại (thường giữ nguyên ứng suất nén theo phương ngang) s(tf) Xả khí s1 s1 = s + s3 Mũ cứng s Đá thấm s3 Màng cao su s1 s3 s2 = s3 s3 Back Pressure u 18/08/2016 BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT THÍ NGHIỆM TRỤC (Triaxial Test) B/ Thí nghiệm trục Ứng suất lệch,s = q Sơ đồ nguyên lý: Thiết bị đo lực dọc tạo s Thiết bị đo thay đổi thể tích mẫu Áp lực buồng s3 Biến dạng thể tich q Mẫu đất Bơm nước tạo áp lực buồng s Áp lực nước Các biến ứng suất s3 = s & s1 = s + s3 lỗ rỗng BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT s Cách thực thí nghiệm nén ba trục: • Bơm nước vào buồng để tạo áp lực buồng, s → s1 = s3 = s Duy trì áp lực buồng suốt trình thí nghiệm • Gia tải dọc để tạo số gia ứng suất dọc, s1, mẫu phá hoại ta ghi nhận cặp số liệu (s1, s3)f : t Cách thực thí nghiệm nén ba trục: s3 s3 s3 s t o s1 = s + s o s3 = s s1 • Thay mẫu, thí nghiệm với trị áp lực buồng khác s (kPa) s3 s3 s • Kết quả: {s1i, s3i}, i=1,n s3 s1 BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT • Với cặp (s1i, s3i) vẽ vòng tròn Morh hệ trục tf – s tf • Vẽ đường bao vòng tròn Morh j đường sức kháng cắt c s31 s s11 32 s12 s f Ưu, nhược điểm Xử lý kết quả: • Xác định j, c từ đường sức kháng cắt s3 s (kPa) s * Ưu điểm: - Đất bị cắt theo mặt yếu tình hình phá hoại đất gần với thực tế - Diện tích mặt cắt khơng thay đổi trình TN - Ứng suất mặt cắt mẫu phân bố - Thực chế độ cắt khác - TN ngồi xác định (j, c) xác định môđun biến dạng Eo, môđun biến dạng thể tích Ett, hệ số nở ngang o, hệ số nén ngang (Ko) * Nhược điểm: - Giá thành cao - Thiết bị phức tạp, thao tác khó khăn, người TN cần có chun mơn cao - Khối lượng mẫu đất đòi hỏi nhiều 18/08/2016 BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT Phân loại thí nghiệm trục Ví dụ: Thí nghiệm cắt đất máy trục với mẫu đất Khi mẫu đất bị phá hoại đo ứng suất giới hạn: Lớn Ứng suất (kPa) Nhỏ Mẫu số 280 100 Mẫu số 500 200 Mẫu số 720 300 sc Bước sc sc BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT Có mở van nước khơng? yes Mẫu cố kết Khơng cố kết – Khơng nước: Unconsolidated-undrained (UU or Q) Test Cố kết – không nước: Consolidated-undrained (CU or R) Test BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT Thoát nước Drained no Ko thoát nước Undrained BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT Phân loại thí nghiệm trục a Khơng cố kết – Khơng nước (UU): Thí nghiệm UU cho đất sét Đường bao phá hoại, t=cu ju = cu cu yes • Tính chất cu, ju thu thí nghiệm UU dùng để kiểm tra ổn định cơng trình TRONG q trình thi cơng (Đắp nhanh, đất bão hòa nước,…) thường kiểm tra với đất sét Cố kết – thoát nước: Consolidated-drained (CD or S) Test Cu : lực dính khơng nước Mẫu ko cố kết Unconsolidated Có mở van nước khơng? a Khơng cố kết – Khơng nước (UU): • Thí nghiệm gọi thí nghiệm cắt nhanh, s3 s gia tải nhanh đất khơng có thời gian để cố kết • Thí nghiệm thực với tất van nước đóng lại (khơng cho nước) • UU thí nghiệm ngắn hạn cho đất sét, thu kết : = ’ = s = cu = Su = (s1 - s3)/2 (gọi cường độ kháng cắt khơng nước đất sét) Có loại thí nghiệm: s1 no Gia tải cắt BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT Phân loại thí nghiệm trục s s1 s sc+ q Dưới áp lực xung quanh sc Consolidated s3 sc sc sc Yêu cầu : Xác định thông số sức chống cắt (j, c) góc nghiêng a mặt trượt so với phương ứng suất lớn Ứng suất cắt, t Ứng suất lệch (s = q) Bước s1 Ứng suất pháp s s’ b Cố kết – Không nước (CU): • Gia tải s3 đợi mẫu đất cố kết • Van nước mẫu đất mở cố kết đóng lại cắt đất • Mẫu đất phải cố kết xong thực cắt • Thí nghiệm mô tả cường độ dài hạn, ngắn hạn cho đất dính áp lực nước lỗ rỗng ghi lại trình cắt đất (phá hoại) • Thí nghiệm có đặc điểm: cT ≠ c’ jT = j’ • Số liệu thu là: c’, j’ and u (ứng suất hữu hiệu) cT, jT (ứng suất tổng) s1 s 18/08/2016 BÀI TÍNH CHỐNG CẮT Phân CỦA ĐẤT loại thí nghiệm trục b Cố kết – Khơng nước (CU): s’1 = s3 + (sd)f - uf t Đường bao phá hoại Mohr - Coulomb dùng ứng suất hữu hiệu s’3 = s3 - uf uf Đường bao phá hoại Mohr - Coulomb dùng ứng suất tổng Ứng suất hữu hiệu mặt phá hoại j’ jT C’ cT ua s’3b s’3a s3a s3b s’1a (sd)fa ub BÀI TÍNH CHỐNG CẮT Phân CỦA ĐẤT loại thí nghiệm trục c Cố kết – Thốt nước (CD): • • • • Gọi thí nghiệm cắt chậm Van nước mở suốt q trình thí nghiệm Mẫu đất cố kết hồn tồn trước tiến hành cắt mẫu Gia tải tốc độ chậm để việc xếp lại hạt đất không làm gia tăng áp lực nước lỗ rỗng đất (có thể kéo dài tuần) • Do khơng có áp lực nước lỗ rỗng nên ứng suất tổng ứng suất hữu hiệu • Thí nghiệm mơ tả làm việc lâu dài đất dính s’1b s1a sor s’ s1b BÀI TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT c Cố kết – Thốt nước (CD): t t ' c ' s '.tgj ' j = j’ BÀI 4: TÍNH ĐẦM CHẶT CỦA ĐẤT N° 1e C’ s3a s3b N° 2e s1a sor s’ s1b BÀI TÍNH ĐẦM CHẶT CỦA ĐẤT Nguyên lý cải tạo đất đầm chặt: Đầm chặt tác động học làm giảm thể tích lỗ rỗng đất • VR tiếp xúc hạt–hạt tăng ma sát tăng cường độ tăng • VR hệ số rỗng giảm tính biến dạng giảm Đầm chặt làm đất “tốt” lên Khả đầm chặt (làm VR) phụ thuộc: • Cấp phối đất • Cơng đầm • Độ ẩm đầm Cấp phối tốt : Có nhiều cỡ hạt khác → xếp “hợp lý” để có VR nhỏ BÀI TÍNH ĐẦM CHẶT CỦA ĐẤT Cơng đầm thích hợp Có thể dễ dàng làm hạt dịch chuyển đến vị trí gần → VR .Công đầm thể qua trọng lượng thiết bị số lần đầm: o Trọng lượng thiết bị thay đổi phạm vi hẹp; o Tăng số lần đầm có tác dụng khoảng chưa nén chặt Độ ẩm đầm o Độ ẩm thấp : ma sát hạt lớn → khó dịch chuyển o Độ ẩm cao : làm phát sinh áp lực nước lỗ rỗng → hiệu đầm thấp o Độ ẩm thích hợp : làm giảm ma sát hạt di chuyển → dễ dàng đầm chặt đồng thời không tạo áp lực nước lỗ rỗng cản trở dịch chuyển Sự thay đổi độ ẩm tương đối dễ dàng → cần tìm độ ẩm thích hợp! 18/08/2016 BÀI TÍNH ĐẦM CHẶT CỦA ĐẤT BÀI TÍNH ĐẦM CHẶT CỦA ĐẤT Ứng dụng: Độ ẩm thích hợp : gọi độ ẩm tối ưu, Wopt, dùng để hướng dẫn thi công Độ chặt lớn : thể qua trọng lượng riêng khô lớn nhất, gkmax, dùng để đánh giá chất lượng thi công thông qua hệ số đầm nén, K, xác định theo công thức: K Thiết bị thí nghiệm đầm chặt: Cối đầm Tấm chặn Thanh dẫn H g k t g k max 100 (%) Quả búa Vành Trong đó: Thân cối • gk.t : trọng lượng riêng khơ đạt thi cơng • gkmax : lượng riêng khơ lớn xác định phòng thí nghiệm H Bàn đầm Tấm đáy Mẫu đất TN Chất lượng thi công đạt yêu cầu K [K] theo yêu cầu thiết kế BÀI TÍNH ĐẦM CHẶT CỦA ĐẤT BÀI TÍNH ĐẦM CHẶT CỦA ĐẤT Cách thực hiện: • Chuẩn bị đất làm nhiều phần, phần có độ ẩm khác • Mỗi phần chia làm vài phần nhỏ (3 tùy theo kiểu cối) • Cho phần nhỏ vào cối, san đều, đầm với số nhát định • Tháo vành trên, cắt ngang thân cối, cân xác định trọng lượng • Lấy mẫu đất sau đầm (trong khối đất) xác định độ ẩm W • Lặp lại với phần có độ ẩm khác chuẩn bị (ở bước 1) Một số loại cối đầm thông dụng: Proctor tiêu chuẩn: V = 2317cm3, Q = 2.5kG, H = 30.5cm → e = 5.4 kG.cm/cm3 Việt nam tiêu chuẩn: V = 1000cm3, Q = 2.5kG, H = 30.0cm → e = 5.6 – 9.0 kG.cm/cm3 Proctor cải tiến AASHTO: V = 926.8cm3, Q = 4.54kG, H = 45.7cm Kết quả: • Mỗi mẫu sau đầm xác định g = Q/V W • Với n mẫu, có n cặp giá trị {gi, Wi}, i = 1,n → e = 27.5 kG.cm/cm3 BÀI TÍNH ĐẦM CHẶT CỦA ĐẤT BÀI TÍNH ĐẦM CHẶT CỦA ĐẤT 4.5 gkmax Wopt số loại đất: Xử lý kết quả: • {gi, Wi } → {gki, Wi} : g k i • Vẽ đồ thị gk = f(W) gk gi Giá trị trung bình Wi Loại đất Ứng với S = gkmax • Xác định gkmax - Wopt đồ thị Wopt Cát cấp phối tốt Cát cấp phối xấu Sét pha cát Cát pha lẫn bụi Sét tính dẻo thấp Sét tính dẻo cao (SW) (SP) (SC) (ML) (CL) (CH) gkmax (kN/m3) W opt (%) 22 18 19 17 18 15 12 15 17 15 25 W Khoảng W thích hợp cho thi công ... ta}: ta cos2a t xz sin 2a cos2a t xz sin 2a sa txz ta Lực dính c sz M(xM, zM) sB Lực kháng trượt sx sz sx sz sx sz sx sz cos2a t xz sin 2a cos2a t xz sin 2a Lực gây trượt sa sa... s z ² Vòng Mohr điểm M cos2a t xz sin 2a Gây ứng suất tác dụng lên khung đất sx sz sa ² t a ² sa sa tgj c ta cos2a t xz sin 2a Đường tròn: uw Khí Hạt đất Khung... tiêu chuẩn: V = 23 17cm3, Q = 2. 5kG, H = 30.5cm → e = 5.4 kG.cm/cm3 Việt nam tiêu chuẩn: V = 1000cm3, Q = 2. 5kG, H = 30.0cm → e = 5.6 – 9.0 kG.cm/cm3 Proctor cải tiến AASHTO: V = 926 .8cm3, Q =