Bài giảng Cơ học đất Chương 2 - ThS. Phạm Sơn Tùng

CƠ HỌC ĐẤT Chương Những quy luật học đất Mở đầu • Muốn giải toán Cơ học đất như: tính độ lún, tính sức chịu tải đất nền, tính áp lực lên vật chắn… trước hết phải hiểu rõ tính chất đất tác dụng lực ngồi • Trong học đất sử dụng rộng rãi kết môn học ứng dụng khác học lý thuyết, học vật thể rời, lý thuyết đàn hồi, lý thuyết dẻo… • Đất khác so với vật liệu khác nên áp dụng trực tiếp, nguyên vẹn kết môn học khác → phải nắm vững tính chất học đất để giải đắn toán Cơ học đất Những quy luật học đất 1) 2) 3) 4) Tính thấm đất Tính biến dạng đất Tính chống cắt đất Tính đầm chặt đất Tính thấm nước đất Quy luật thấm Darcy • • Đất tạo hạt rời rạc, khoảng rỗng chúng thông với nên nước chuyển từ vùng có áp lực cao tới vùng có áp lực thấp Mặt nước có áp lực nước lỗ rỗng gọi mặt nước ngầm Quy luật thấm Darcy • Trong điều kiện bão hòa, dòng thấm hướng tuân theo định luật Darcy: v =k.i • k: hệ số thấm đất • i: gradient thủy lực – i = ∆H/∆L • ∆H: độ chênh cột áp nước • ∆L: chiều dài đường thấm điểm xét Thí nghiệm Darcy • Chiều cao bể nước giữ ổn định → ∆H (m) • Sau khoảng thời gian t thu lượng nước V (m3) • Lưu lượng Q = V/t (m3 /s) • A = .D2/4 diện tích mặt cắt ngang mẫu • Vận tốc thấm nước qua mẫu đất: v = Q/A Thí nghiệm Darcy • • • • • • Định luật Darcy: vận tốc thấm tỷ lệ với gradient thủy lực v = k.i Gradient thủy lực i = ∆H/∆L ∆H: độ chênh cột áp nước Hằng số thấm k phụ thuộc vào chất đất Thay đổi độ cao tương đối bể nước → thay đổi gradient thủy lực ∆H1 → i1 ∆H2 → i2 ∆H3 → i3 Nhận xét: v i quan hệ tuyến tính Phạm vi giá trị k 102 101 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 Thoát nước tốt Cuội Cát sạch, cát cuội hỗn hợp Thốt nước tốt Đất sét phong hóa nứt nẻ Cát mịn Bụi cát bụi Thoát nước Bụi sét; Đất sét không nứt nẻ Thực tế không thấm nước Hệ số thấm k • Độ nhớt mật độ nước chịu ảnh hưởng nhiệt độ → k bị ảnh hưởng nhiệt độ • Có số cơng thức tính k gần đúng, thực nghiệm cho thấy khơng có cơng thức hồn tồn tin cậy Thực tế nên tính k theo thí nghiệm phong thí nghiệm ngồi thực địa Hệ số thấm tương đương khối đất gồm nhiều lớp đất khác Thấm ngang: lớp đất song song với dòng thấm song song với mặt phân lớp ktd  (k1h1  k2 h2  k3h3   kn hn ) H Các kết thí nghiệm nén trục CD – đất sét cố kết thường τ σ - Thông thường từ thí nghiệm CU suy thí nghiệm CD - Thí nghiệm CD phải kéo dài lâu đất có độ thấm Tính biến dạng đất Quy luật biến dạng tuyến tính Thí nghiệm nén đơn • • • Hay thí nghiệm nén nở hơng: trường hợp đặc biệt thí nghiệm nén trục UU với áp lực buồng nén Khối đất hình trụ, kích thước H = 2D Tải trọng gia tải tăng mẫu đất bị phá hoại σph Thí nghiệm nén đơn • Biến dạng đứng tỷ đối: h z  h • Biến dạng ngang tỷ đối: r r  h Thí nghiệm nén đơn Thí nghiệm nén đơn • Quan hệ ứng suất biến dạng phi tuyến • Trong trường hợp tải trọng cơng trình lên đất khơng q lớn, ta xem đất vật thể biến dạng tuyến tính → thỏa mãn định luật Hook → với đoạn OA, ta có: E0 = σ3/λ3 E0: module biến dạng tổng quát đất µ = λr/λz : hệ số Poisson (hệ số biến dạng ngang) Thí nghiệm nén đơn • Đất cứng E0 σph lớn ngược lại • Giá trị tham khảo E0 với số loại đất: Đất sét, sét pha trạng thái nhão E0 = 10 - 30 (kg/cm2) Đất sét trạng thái dẻo mềm E0 = 50 – 70 (kg/cm2) Đất sét cứng, cắt chặt E0 = 300 – 500 (kg/cm2) Đá E0 > 1000 (kg/cm2) Tính biến dạng đất Quy luật biến dạng tuyến tính Thí nghiệm nén ép • Cịn gọi thí nghiệm Oedometer • Mẫu đất hình đĩa (D = 75 mm, H = 15 – 20 mm) • Mẫu đất đặt vịng kim loại kẹp đĩa đá xốp • Mẫu đất cho ngập nước Oedometer • Tải trọng P (hay ứng suất σ) gia tăng sau chu kỳ thường 24 – 48 cho đất hoàn toàn cố kết, cấp tải sau thường gấp đơi cấp tải trước • Đo thay đổi bề dày mẫu ∆h cấp tải trọng • Áp lực cho giai đoạn đầu thông thường ứng suất thẳng đứng chỗ độ sâu lấy mẫu, chưa kể đến đất yếu phải dùng giá trị thấp hơn: 25, 12, hay chí kN/m2 Oedometer • Kết thu giá trị (∆h/h, σ) • Vì biến dạng lún mẫu đất thay đổi thể tích lỗ rỗng (thể tích hạt rắn nước xem khơng đổi) → từ ∆h/h ta suy hệ số rỗng e: h e  (1  e1 ) h1 • Đồ thị biểu diễn quan hệ e σ gọi đường cong nén ép đất Oedometer • Đồ thị e = f(σ) • Giả thiết: khoảng ứng suất biến đổi nhỏ, biến thiên hệ số rỗng tỷ lệ bậc với biến thiên áp lực nén ∆e = -a∆σ a: hệ số nén đất Hệ số nén đất a = - ∆e/∆σ • Hệ số nén lớn đất yếu ngược lại • Hệ số nén thể tích biểu thị giá trị biến đổi thể tích đơn vị gây độ tăng đơn vị ứng e suất mv  a0   e1 • Độ lún ổn định cố kết: s = ∆h = a0.∆σ.h0 Liên hệ đặc trưng biến dạng đất Từ λz ≠ 0, λx = λy = 0, ta có: • Hệ số áp lực hông σx = σy = ξ.σz   1  • Module tổng biến dạng: E = β/a0 2 với   1 1  Oedometer • Đồ thị e = f(lgσ) • Có nhánh thẳng • σ < σc: nhánh thẳng có độ dốc nhỏ, độ dốc gọi Cs (chỉ số nở) • σ > σc: nhánh thẳng có độ dốc lớn, độ dốc gọi Cc (chỉ số nén) e1  e2 C lg   lg  • Theo Terzaghi: Cc ≈ 0,009 (LL – 10) • Thừa nhận ước lượng: 0,1.Cc < Cs < 0,25 Cc • Nếu nở nén lại với σ’ nhỏ σc → đất xem vật thể dang hồi lý tưởng • σc: ứng suất cố kết trước σ’hiện tại< σc: đất cố kết σ’hiện tại= σc: đất cố kết bình thường • Ví dụ đất cố kết: trầm tích sau bị xói mịn tan băng Xác định E0 thí nghiệm bàn nén • Module biến dạng E0 thường xác định thí nghiệm nén đất trường • Bàn nén kim loại cứng hình trịn hình vng • Gia tải lên bàn nén đợi đến độ lún ổn định đo độ lún bàn nén Dùng công thức lý thuyết đàn hồi, ta có: N E  (1   ) S d N: tổng tải trọng tác dụng lên nén S: độ lún nén ứng với tải trọng N d: đường kính nén trịn (nếu nén vng dùng đường kính tương đương) µ: hệ số Poisson đất coi biết ... đất Thay đổi độ cao tương đối bể nước → thay đổi gradient thủy lực ∆H1 → i1 ∆H2 → i2 ∆H3 → i3 Nhận xét: v i quan hệ tuyến tính Phạm vi giá trị k 1 02 101 1 0-1 10 -2 1 0-3 1 0-4 1 0-5 1 0-6 1 0-7 1 0-8 ... để giải đắn toán Cơ học đất Những quy luật học đất 1) 2) 3) 4) Tính thấm đất Tính biến dạng đất Tính chống cắt đất Tính đầm chặt đất Tính thấm nước đất Quy luật thấm Darcy • • Đất tạo hạt rời... giải tốn Cơ học đất như: tính độ lún, tính sức chịu tải đất nền, tính áp lực lên vật chắn… trước hết phải hiểu rõ tính chất đất tác dụng lực ngồi • Trong học đất sử dụng rộng rãi kết môn học ứng