CƠ HỌC ĐẤT ỨNG DỤNG VÀ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH TRÊN NÊN ĐẤT THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN

PHAN TRƯỜNG PHIỆT GIÁO SƯTIẾN SỸ ĐIA KỸ THUÂT Cơ HỌC ĐẤT ỨNG DỤNG VÀ TÍNH TỐN CƠNG TRÌNH TRÊN NÊN ĐẤT THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN ■ ■ (Tải bản) NHÀ XUẤT BẢN XÂY D ựN G HÀ NÔI -2010 LỜI NÓI ĐẦU Với :iiốn sách này, tác giả hy vọng giúp sinh viên trường, k ĩ sư trẻ có tài liệu tham ktảo lảm quen với kiến thức k ĩ thuật móng đại Nhu tên sách, sách gồm ba phần: Pliẩi Các tính chất địa kĩ thuật dất sở nghiên cứu với mẫu đất P hẩi B: Cơ học đất íữig dụng Phẩi C: Nội diing tính tốn thiết k ế theo trạng thái giới hạn phá hoại trạng thái giới hạn sử iụ n g hệ cơn^ trình - đất Do đặc điểm phát triển lịch sử, môn C học đất móng nước ta chịu lần ỈK0 ảnh hưâng :ủa hai trường phái lớn th ế giới: trường phái Xô viết trường phái Ấu - Mỹ, nên klìi viết sách tác giả định hướng rõ ràng: k ế thừa có chọn lọc thành tiũi đ ã đạt Ấược chục năm xây diữig đất nước x ã hội chủ nghĩa đại hóa theo m ột lơdc hợp lí kho tàng kiến thức th ế giới đương đại Tuy nhiên, có trang hay chươniị sách, địnlì hướng khó thực hiện, tác giả đành phải nêu íliuộc vường phcii này, thuộc trường phái kèm theo vài lời bình luận chủ quan c,iơ Mong dộc giả ìlìơnịỉ cảm yếu tác giả góp ý phương thức giải quyếi Cũng vậy, sách s ẽ lả nguồn cảm hứng k ĩ sư, học viên cao học tìm chọn lựa đề tài nghiên cíiìi C hõ': sách có hai phụ lục, mơ hình li tâm Địa k ĩ thuật, hai phương pháp plìần ti' dứng Địa kĩ thuật - phương pháp s ố Địa k ĩ thuật Đây hai vấn đề lí thú Đi/I k ĩ iìiiật mà nhiều người làm Địa k ĩ thuật quan tâm Do khuôn kh ổ sách, hai vấn dề trêu trình bày nịịắn gọn ỏ dạng phụ lục Bạn đọc quan tâm, xin trao đổi với tác í^iá ác gicí cữníỊ moni> dợi sựgiơo lưu Đ ể ả m rõ ní>liĩa, thuật ngữ dịa k ĩ tììiiậl tiếng Việt có kèm theo tiếng Anh N hái Síich xiiấỉ bủn túc giả cảm ơn NCS Việt Nam nước gửi tặng n h iê u i 'ii liệu cỊiiý Iìlìữní> N C S nược đ ã cộng tác tro n g q u trình nghiên cứu biêì soạn M oi í’ m uốn tlìì làii nlìưní’ tài hèn lực m ọn, khơng th ể khơng có thiếu sót scch n ủ \ T ác í^iíí xi lì cảm ơn írước bạn đọc vê góp ý clìO lẩn tái tốt ìưxti Tác giả Phần A TÍNH CHẤT XÂY DựNG CỦA ĐẤT ■ C hương ĐẶC TÍNH CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐÂT 1.1 ĐẶT VẤN ĐỂ Phân loại đất với mục đích xây dựng nói chung (làm nền, làm môi trường xây dựng hầm hào, ^àm vật liệu xây dựng), mặt để lựa chọn xác phương pháp nghiên cứu sử dụng mặt đế đánh giá đất cho phù hợp với thực tế khách quan đặng có tri thức cần thiết cho việc dùng đất vào mục đích khác xây dựng cơng trình IVuốn cho việc phân loại đất vừa có lí luận khoa học vừa có giá trị thực tiễn chọn đặc tnmíí đất để phân loai cần phải thoả mãn hai yêu cầu sau đây; Phản ánh đầy đủ khách quan đặc tính biến đổi khơng ngừng đất đất sản phẩư tự nhiên, chịu tác dụng khơng ngừng hồn cảnh mơi trường tồn Làm cãn khoa học đê dự đoán hành vi ứng xử đất điều kiện mơi trưỜTíỉ làm việc với cơng trình Kinh nghiệm xây dựng chứna tỏ phân loại đất phải xét đến tổ hợp nhóm hạt C1 tạo đất tác dụng tương hỗ thể rắn thể lỏng đất Với đất chứa chủ yếu cát nhóm hạt thỏ độ lớn nhóm hạt, cấp phối chúng quyê định chủ yếu đến tính chất xây dựng đất thơng qua đặc tính thấm biến dạng chống trượt đất Do loại đất phân loại theo độ lớn cấp phối hạt thích hợp Eối với đất chứa nhóm hạt mịn kích cỡ hạt, cấp phối hạt mức độ ciing phản ánh tính chất đất khơng phản ánh đặc tính đất có liên quan đến thành phần khoáng vật, mức độ phân tán thành phần ion trao đổi tronị đất Do vậy, đất hạt mịn có tính dính cần thiết phải xét đến, ngồi kích cỡ C íp phối đất, giới hạn Atlerberg đất Riân loại đất nhằm mục đích đặt tên cho đất Kèm theo tên đất loạt tính chất đặc thù đất mà nhà khoa học, nhà xây dựng ngầm hiểu với Các tính chất đặc thù loại đất tích luỹ hệ thống từ bao kinh nghiệm quý báu bao hệ kĩ sư xây đựng Về phân loại đất hiộn có hai xu hưóng, tách riêng trạng thái vật lí đất (độ chặt, độ sệt, v.v ) đặt tên đất; hai xét kèm theo trạng thái vật lí đất Xu hướng thứ nhất, cho tên đất riêng trạng thái vật lí đất riêng Ví dụ đất cát xét riêng cấp phối hạt đất tốt hay xấu v.v Đối với đất dính xét riêng trạng thái dẻo, lỏng đất v.v Xu hướng thứ hai, cho biết vài trạng thái vật lí quan trọng kèm với tên đất Ví dụ đất cát phân thành đất cát cấp phối tốt, đất cát cấp phối xấu v.v ; đất dính tên đất có kèm theo tính dẻo đất cao hay thấp v.v Tuy nhiên, thực đầy đủ bước đánh giá đất mặt xây dựng theo tiêu chuẩn quốc gia dù theo xu hướng thứ thứ hai, người kĩ sư có đủ thơng tin cần thiết để sử dụng đất cách sáng tạo theo tiêu chuẩn hành nước Chương gồm kiến thức đất cần cho phân loại đất 1.2 PH Â N N H Ó M H Ạ T ĐẤ T Đất có cấu tạo hạt nên có tên gọi vật liệu hạt (granular material) Kích thước hạt đất khác nhau, ví hạt nhỏ viên bi trẻ em chơi hạt lớn đất sống Do nghiên cứu hạt tạo thành đất mà phải nghiên cứu nhóm hạt, nhóm có tính chất đặc trưng Hiện thống tên nhóm hạt sau: nhóm hạt sét (Clay), kí hiệu C; nhóm hạt bụi (Silt), kí hiệu M; nhóm hạt cát (Sand), kí hiệu s nhóm hạt sỏi(Gravel), kí hiệu G Lớn hạt sỏi hạt cuội hịn đá hộc.Đặc tính nhóm hạt sau: * Nhóm hạt sỏi: - Tỉ diện tích nhỏ, khơng đáng ỉ ể - Khơng dính ẩm ướt - Độ dâng cao nước mao dẫn nhỏ, không đáng kể - Không giữ nước * Nhóm hạt cát: - Tỉ diện tích nhỏ, khoảng 0,001 - 0,04 m^/g - Tính thấm lớn - Có thể có tính dính ẩm khơng dẻo tính dính bão hồ nước (tính dính giả) - Độ dâng cao nước mao dẫn nhỏ - Giữ đươc nước * N ióm hạt bụi: - Tỉ diện tích vào khoảng 0,04 - 1,0 mVg - T ó h thấm nhỏ - Khi ẩm có tính dính có tính dẻo - Khi sũng nước dễ chảy loãng - H it giữ nước nên thể tích đất tăng lên hút ẩm co lại nước - N lớc m ao dẫn dâng tương đối cao tưcmg đối nhanh * Nióm hạt sét: - Tỉ diện tích lớn, khoảng 20 - 800 m^/g - H ếu không thấm nước - Tính hút ẩm lớn có khả giữ nước nhiều - Khi hút ẩm thể tích tăng lên nhiều, khơ co ngót rõ rệt - Khi sũng nước khơng chảy lỗng nhóm hạt bụi - Tính dính tính dẻo lófn Cần lưu ý rằng, đến nước khơng thống đường kính phân nhóm hạt Do xem xét hệ thống phân loại khác nước cần thiết phải biết đường lính phân nhóm hạt tưcmg ứng Trưđc năm 1993, nước ta quy định phân nhóm hạt theo bảng 1.1 Bảng l í Bảng phán loại nhóm hạt Tên nhóm hạt Kích thước hạt (mm) Đá ăn đá hộc lớn >800 lớn 600 - 400 vừa 400 - 200 nhỏ 0 - 100 Cuội dăm lớn 100 - 60 lớn -4 vừa -2 nhỏ -1 lớn -6 vừa -4 nhỏ -2 Sỏi iạn Kích thước hạt (mnn) Tên nhóm hạt Cát lớn 2-1 lớn -0,5 vừa 0,5 - 0,25 nhỏ 0,25-0,1 lớn 0,1 -0,05 vừa 0,05-0,01 nhỏ 0,01 - 0,005 Bụi < 0,005 Sét Nhóm hạt bụi nhóm hạt sét tách riêng rây có mắt o lm m thuộc rây tiêu chuẩn Liên Xô (cũ) Đến năm 1993, TCVN 5747 : 1993 quy định phân loại nhóm hạt theo bảng 1.2 Bảng 1.2 Phân loại nhóm hạt theo TCVN 5747: 1993 Tên nhóm hạt Kí hiệu (theo tiếng Anh) Đường kính phân nhóm (mm) Đá tảng B (Doiildei ) >300 Cuội dãm Co (Cobble) 300- 150 Sỏi sạn G (Gravel) 150-2,0 Cát s(Sand) - 0,06 Bụi M (Silt, Mo) 0,06 - 0,002 Sét : (Clay) < 0,002 Đối chiếu vói phân loại nhóm hạt dùng, cách phân loại TCVN 5747 : 1993 thay đổi hai giới hạn phân nhóm: lấy 0,002mm (thay cho 0,005mm) làm giới hạn nhóm hạt mịn (gồm nhóm hạt bụi nhóm hạt sét) So với cách phân loại nhóm hạt giới, hai giới hạn TCVN 5747 : 1993 giống với hai giới hạn lương ứng cách phân loại nước Anh, (một điểm khác cách phân loại Anh, giới hạn nhóm hạt mịn mắt rây N" 25 - 63(iin (0,063mm)) Do vậy, người sử dụng đất nhận thấy khó dùng khơng có bơ rây tiêu chuẩn có rây tưcmg ứng với rây N° 25 Anh Tham khảo: Hiện có nhiều dự án nước thực ta; nhiều kĩ sư xây dựng phải tiếp xúc với đồ án thiết kế nước ngồi Đe giúp họ có kiến thức \’ìi tài liệu liêr, quan đến tiêu chuẩn thiết kế, chúng tơi trích dẫn phần tham khảo quan trọng cho đề mục Cách phân loại nhóm hạt dùng Trung Quốc trình bày bảng 1.3 Bảng 1.3 Phân loại nhóm hạt Trung Quốc Tên nhóm hạt Đường kính (mm) Đá tảng >300 Đá lăn đá hộc 300 - 60 Nhóm hạt thơ Cuội dăm to -2 vừa -5 nhỏ -2 at to Nhóm hạt mịn -0 ,5 vừa 0,5 - 0,25 nhỏ 0,25-0,10 Mịn 0,10-0,005 Bụi 0,05 - 0,005 Sét < 0,005 Tneo cách phân nhóm hạt nhóm hạt cuội (dăm) nhóm hạt cát (to, vừa, nhỏ) xêp vào nhóm hạt thơ Nhóm hạt cát mịn, nhóm hạt bụi nhóm hạt sét xếp vào nhórr hit mịn tách rây có mắt 0,1 mm thuộc rây tiêu chuẩn Liên Xô (cũ) rnàở ta thường dùng Trước đây, Trung Quốc chúng ta, thường áp dụng tiêu chuẩn Liên Xơ c3 /à cơng nhận bảng phân nhóm hạt tươiig tự với bảng 1.1 với nhóm hạt sét có d < 0,CO5mm nhóm hạt mịn (gồm nhóm hạt sét nhóm hạt cát) lọt qua rây tiêu c h u ẩ i 0,1 mm dùng rây tiêu chuẩn Liên Xơ mà phịng thí nghiệm cũ n g cc Na>, theo bảng phân nhóm hạt (bảng 1.3), nhóm hạt mịn có đường kính nhỏ ( In m nên sử dụng rây vốn có quy nhóm cát mịn nhóm hạt cát Vì lỶióm hạt mịn Nhiẻu nhà khoa học cho rằng, cách phân nhóm theo bảng 1.3 Trung Quốc thừa hưởng thành tựu Địa kĩ thuật giới thập kỉ cuối kỷ X X ihưng bảo tồn kinh nghiệm quý báu đúc kết hàng nửa kỉ xây dựng đất nướcTiung Hoa cường thịnh Tiêu chuẩn nước Anh quy định phân nhóm hạt theo bảng 1.4 Bảng 1.4 Phân loại nhóm hạt Anh Tên nhóm hạt Nhóm hạt thơ Đường kính (mm) Đá (Stone) Đá lăn (boulder) >200 Cuội dăm (cobble) Nhóm hật thơ 200 - 60 Sỏi sạn (Gravel) G to -2 vừa -6 nhỏ 6-2 Cát(Sand)- s to Nhóm hạt mịn - 0,6 vừa 0,6 - 0,2 nhỏ 0,2 - 0,06 Bụi (Silt) - M to 0,06 - 0,02 vừa 0,02 - 0,006 nhỏ 0,006 - 0,002 Sét (Clay) - c < 0,002 Trong có hạt keo < 0,001 Theo cách phân nhóm nhóm hạt mịn tách phưcíng pháp rây ướt, qua ráy số 25 có mắt lưới 63)j,m rây tiêu chuẩn Anh Hộ thống phân loại đất Cục Đường Giao thông vận tải Mỹ AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) có cách phàn nhóm hạt bảng 1.4 (tên cũ AASHO - American Associatinn of State Highvvay Officials) Bảng 1.5 Phân loại nhóm hạt AASHTO Hoa Kỳ Tên nhóm hạt Nhóm hạt thơ Kích thước (mm) Sỏi (Gravel) G 75 - 2,00 Ghi Trên rây số 10 nhỏ in Cát(Sand)- s 10 to 2,00 - 0,425 Dưới rây số 10 rây sô' 40 nhỏ 0,425 - 0,075 Dưới rây sô' 40 rây sơ' 200 Kích thước (mm) Ghi Bụi (Silt) - M 0,075 - 0,002 Qua rây số 200 Sét (Clay) - c Các lực tạo nên lực ma sát hạt kết cấu hạt rời có thêm khả nãng chu lực cắt Một sàng có lỗ đủ lớn để hạt rời lọt qua dễ dàng, giữ mộl đống đí rời (hình 1.2b) Điểm giải thích: hạt đất tạo nên kết cấu vòm tư nhiên V chịu lực theo nguyên lí biết mịn kết cấu Trong trường hợp này, hạt đất rời ạc tạo nên kết cấu vòm chịu nén mà hạt đất lại chịu nén tốt nên vịm chịu lự néii tỏì nhưiig chịu lưc xơ ngang ràì Hạt đất rời hình dẹt hình nêm cài "răng lực" vào làm cho đất có khả chống cắt (trượt) Dưới tác dụng lực nén góccanh liat dề bị vỡ vụn \'à làm cho kết cấu đất có tính biến dạng lớn 17 1.5.2 Kết cấu đất hạt mịn Kết cấu đất hạt mịn phức tạp nhiều so với đất hạt thơ, hình dạng đặc tính mang điện hạt khống vật sét Mặt vảy G o o G o o © Mặt cắt ngang vảy Thực nghiệm chứng tỏ hạt khống vật sét, hình vảy, mang điện tích âm bề mặt điện tích dương mép cạnh vảy (hình 1.3) Trong q trình trầm tích nước, hạt sét lơ lửng nước, tham gia vào chuyển động hỗn loạn (chuyển động Brovvn) tác dụng lực hút phân tử Van der W aals (Verwey Overbeek 1948; Lambe - -1953) lực tĩnh điện Trong chuyển động Brown có đụng chạm hạt quán tính theo kiểu khác phân làm hai kiểu va chạm điển hình hai hạt sét: là, cạnh hạt đụng vào mặt hạt kia; hai là, mặt hạt xáp mặt hạt Kiểu va chạm "cạnh với hạt", hạt dội lui lại lực hút Van der W aals lực hút tĩnh điện âm dưctng giữ chặt hai hạt với theo ba dạng Ihường gặp tạo nên hạt kép (hình 1.4) >■ v /////r //////A V/7///77/////A ĩểmểểểềỄĩểểầà Hình 1.4 Các hạt kép chưa đủ nặng để chìm lắng nên tham gia vào chuyển động Brown chịu va chạm khác Cuối chùm hạt (hình 1.5) hình thành khối lượng chùm hạt đủ lớn để chìm lắng để tạo nên kết cấu bơng (hình 1.6b) Kết cấu bơng cịn gọi kết cấu rối (turbulent) Hình 1.5 Kiểu va chạm "mặt xáp mặt", lực đẩy tĩnh điện có xu đẩy hai m ặt xa lực Van der Waals hai hạt hút lại Kết hai hạt hình vảy nằm cân gần song song với khoảng cách xác định 18 Sai Ihi chìm lắng, hạt kép kiểu tạo nên kết cấu phân tán (hình 1.6b) Kết ;ấu phân tán cịn gọi kết câi tầng (laminar) Ngoá hai loại kết cấu điển hìnli đí nêu cịn có dạng kê cấu trung gian tác dụng x;o động Các loại kết ;ấu trung gian gọi kết c;u xáo động (rernolded structurO (hình 1.6c) Hạt cát mịn hạt bụi dạng khối Sự liộn diện hạt I ~ ~ iHạt sét dạng vảy bui hạ cát mịn không làm thay đd dạng kết cấu điển Hinh L hình củ; đất sét (hình 1.7) Kết tấu hình thành q trình trầm tích tạo đất gọi kết cấu nguyên sinh Diới tác dụng áp lực nén cắt, kết cấu nguyên sinh bị thay đổi Khi chịu nén hạt ỉược ép sít lại với làm cho đất Khi chịu nén cắt, kết cấu phân tán đất lình thành mặt trượt làin cho đất sét có cường độ chống cắt giảm đến trị số nhỏ - ường độ chống cắt dư (Residual Shear Strength) Trong hình 1.8 (theo Atkinson 1993) riận thấy kết cấu kết cấu phân tán ứng với lúc đất có cường độ chống cắt cao nhâ thấp Cường độ chống cát Đình Cường độ x' chống cắt dinh p Cường độ chống cắt dư / / Dư - Hỉnh L8 Kết cấu p^ản tán Kết cấu bòng 10 100 1000 Chuyển dịch ngang 19 Chừng lực hút tĩnh điện cạnh - mặt hạt sét trì cưịng độ chống cắt đất trì trị số lớn - trị số đỉnh (Peak Shear Strength).Kết cấu đất sét nguyên dạng chuyển thành kết cấu phân tán làm cho trạng thái đấtthay clổi 1.6 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HẠT VÀ CÂP PHỐI HẠT CỦA ĐÂT 1.6.1 Phân tích hạt rây tiêu chuẩn Bỏ mẫu đất vào Mỗi quốc gia có rây tiêu chuẩn riêng tuỳ thuộc vào hệ thống phân loại nhóm hạt Từ trước Rây thó đến nay, ta thường dùng rây tiêu chuẩn Liên Xô (cũ) với mắt rây nhỏ 0,1 mm, đến 0,25; 0,50; 1,00; 2,00; 5,00; 10,00 (mm) Điều có nghĩa phưcíng pháp phân tích hạt ' Các ráy trung gian rây thực hạt đất có đường kính lớn ,lm m Bộ rây tiêu chuẩn xếp chồng đáy rây với rây mịn rây thô (hình 1.9) Cho M gam đất vào rây thô Rây mm cùng, đặt rây vào bàn lắc lắc tay đế thực rây Cân ghi chép khối lượng m, đọng lại rây ứng với mắt rây d| cláy Hình 1.9 rây vào bảng Bảng 1.12 Sơ' hiệu rây Khối lượng hạt rây, m| (g) N“ 10 m, 5,0 m2 2,0 r ĩi3 1.0 0,50 0,25 0,10 đáy rây 20 Mắt rây, d| (mm) Chứa đáy rây: > > M (gam) m