Bài giảng Cơ học đất - Chương 4.3: Tính chất cơ học của đất (Trần Thế Việt)

Bài giảng Cơ học đất - Chương 4.3: Tính chất cơ học của đất (Trần Thế Việt) cung cấp đến học viên các kiến thức về khái niệm tính ép co và biến dạng của đất; quan hệ giữa biến thiên thể tích (

1/25/2018 CHƯƠNG IV: TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT (mechanical properties of soil) I never learn anything talking I only learn things when I ask questions Lou Holtz Nội Dung Chương IV: T1 Tính thấm nước đất T2 Tính đầm chặt đất T3 Tính ép co biến dạng đất T4 Cường độ chống cắt đất T2 TÍNH ÉP CO & BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT 1/25/2018 I Khái niệm tính ép co & biến dạng đất I Khái niệm tính ép co & biến dạng đất - Đất gồm hạt xếp cách tự nhiên ⇒ cốt đất có tính rỗng; - Trong lỗ rỗng chứa nước khí - Chỗ tiếp xúc hạt có liên kết với S S S A S S S S S S A S W S 1/25/2018 I Khái niệm tính ép co & biến dạng đất Khi chịu tải: cốt đất bị biến dạng tức thời, liên kết hạt đất bị phá vỡ,các hạt dịch chuyển bị dồn nén Lỗ rỗng bị thu hẹp, V mẫu ↓, đất chặt lại Tính chất gọi tính ép co đất I Khái niệm tính ép co biến dạng đất - Như vậy: Biến thiên thể tích đất chịu tải trọng thể tích lỗ rỗng thu hẹp ∆𝑽 = ∆𝑽𝒗 - Hiện tượng ép co xảy thời gian định sau kết thúc Trong q trình này, phận nước khí đất đồng thời bị ép II QH biến thiên thể tích (𝛥V) & hệ số rỗng (e) 1/25/2018 II QH biến thiên thể tích (𝛥V) & hệ số rỗng (e) Xét khối đất có V1 & e1 Hãy tính biến thiên thể tích V hệ số rỗng e2 (với e1 > e2) Theo mối liên hệ ba thể: + Thể tích hạt đất Vs1 có V1: 𝑽𝒔𝟏 = 𝑽𝟏 𝟏 𝟏 + 𝒆𝟏 + Thể tích hạt đất Vs2 có V2 𝑽𝒔𝟐 = 𝑽𝟐 𝟏 𝟏 + 𝒆𝟐 Do thể tích phần hạt đất ln ko đổi: 𝑽𝒔𝟐 = 𝑽𝑺𝟏  𝑽𝟐 𝟏 𝟏+𝒆𝟐 = 𝑽𝟏 𝟏  𝟏+𝒆𝟏 𝑽𝟐 = 𝑽𝟏 𝟏 + 𝒆𝟐 𝟏 + 𝒆𝟏 10 II QH biến thiên thể tích & hệ số rỗng (e) 𝑽𝟐 = 𝑽𝟏 𝟏 + 𝒆𝟐 𝟏 + 𝒆𝟏 → ∆𝑽 = 𝑽 − 𝑽  𝛥V = 𝑽 𝒆𝟏−𝒆𝟐 𝟏 𝟐 𝟏 𝟏+𝒆𝟏 Đặt ∆𝒆 = 𝒆𝟏 − 𝒆𝟐 : Là biến thiên hệ số rỗng  𝛥V= 𝑽𝟏 𝟏+𝒆𝟏 ∆𝒆 ℎ𝑎𝑦 ∆𝑽 = 𝜶∆𝒆 (2.1) Như vậy: “Biến thiên thể tích đất tỷ lệ bậc với biến thiên hệ số rỗng” 11 II QH biến thiên thể tích (𝛥V) & hệ số rỗng (e) Cũng viết (2.1) dạng biến thiên thể tích tương đối ∆𝜺𝒗 = Với ∆𝑽 ∆𝒆 = 𝑽 𝟏 + 𝒆𝟏 (2.2)  v   x   y   z (lý thuyết đàn hồi) εx: biến dạng theo phương x; εy: biến dạng theo phương y; εz: biến dạng theo phương z; 12 1/25/2018 III TN ép co không nở hông & định luật ép co 13 III TN ép co không nở hông định luật ép co 3.1 Thí nghiệm ép co khơng nở hơng a KN: dùng để nc tính ép co đất Trong TN, mẫu đất lún theo chiều thẳng đứng 14 3.1 Thí nghiệm ép co không nở hông Chi tiết sơ đồ thí nghiệm ép co khơng nở hơng 15 1/25/2018 3.1 Thí nghiệm ép co khơng nở hơng a Mục tiêu thí nghiệm cố kết ❖ mơ ép co đất td tải trọng ❖ XĐ thông số môđun đất nén không nở hơng ❖ Dự đốn lún trường cách đánh giá đặc trưng nén mẫu ngun dạng tiêu biểu 16 b Quy trình thí nghiệm ✓ Thực cách td tải trọng thẳng đứng tăng dần P1; P2; P3,…lên mẫu (cấp sau gấp cấp kế trước) ✓ Sau cấp, chờ mẫu lún ổn định (0.01mm/ 24h) ✓ Lặp lại trình đủ số điểm để vẽ đường cong QH Ứng suất ~ B.dạng (s~ σ’) ’vc1 ’vc2 ’vc3 ’vc (kPa) ’vc s H (s ~’vc) 17 c.Kết thí nghiệm Từ cơng thức (2.1) & (2.2) ∆𝜺𝒗 = ∆𝑽 ∆𝒆 = 𝑽 𝟏 + 𝒆𝒊 ∆𝑽 = 𝑨 𝑺𝒊+𝟏 ; 𝑽𝒊 = 𝑨 𝑯 𝑺𝒊+𝟏 𝑯 = 𝒆𝒊 −𝒆𝒊+𝟏 𝟏+𝒆𝒊 ∆𝑽 𝑽𝒊 = 𝑺𝒊+𝟏 𝑯  𝒆𝒊+𝟏 = 𝒆𝒊 − (𝟏 + 𝒆𝒊 ) 𝜺𝒊+𝟏 = 𝜺𝒊 − 𝑺𝒊+𝟏 𝑯 𝑺𝒊+𝟏 𝑯 (2.3) (2.4) Từ (2.3) & (2.4); XD đường QH (s~𝝈’vc) &(𝜺 ~ 𝝈’vc) 18 1/25/2018 III TN ép co không nở hông định luật ép co (Thí nghiệm với đất bùn vịnh San Francisco độ sâu -7,3m) Hai cách thể KQ TN cố kết % biến dạng Ԑv ~ ứng suất hiệu 𝝈’vc Hệ số rỗng e ~ ứng suất hiệu 𝝈’vc III TN ép co không nở hông định luật ép co Cả đồ thị cho thấy đất VL biến dạng tăng bền, nghĩa giá trị mô dun( tức thời)  ứng suất  20 III TN ép co không nở hông định luật ép co Thể KQTN cố kết hệ trục bán Logarit 21 1/25/2018 III TN ép co không nở hông định luật ép co NX: đồ thị có đoạn gần thẳng nối tiếp với đường cong chuyển tiếp trơn Ưs điểm chuyển tiếp giá trị ứs lớp phủ thẳng đứng max mà mẫu đất chịu khứ- Ưs cố kết trước 𝝈’p 22 III TN ép co không nở hông định luật ép co d Hệ số cố kết OCR Tỷ số Ưs cố kết trước & Ưs nén hiệu theo phương đứng 𝑶𝑪𝑹 = 𝝈′𝒑 𝝈′𝒗𝒐 (𝟐 𝟓) 𝝈’p = áp lực cố kết trước 𝝈’vo = áp lực lớp phủ thẳng đứng OCR=1, nghĩa σ’p = σ’vo  Đất cố kết bình thường OCR>1, nghĩa σ’p > σ’vo  Đất cố kết OCR pIgh , vùng dẻo phát triển theo p tăng, QH S ~ p phi tuyến Khi p → pIIgh b/d dẻo chiếm ưu thế, độ cong lớn p = pIIgh , vùng dẻo phát triển hoàn toàn, t.thái CB GH Nếu p tăng nhỏ, bị phá hoại trượt (ép trồi) 42 14 1/25/2018 3.3 Nguyên lý b.dạng tuyến tính Khi p < pIgh , bd đất chủ yếu thể tích rỗng (Vv) thu hẹp; QH (S  p) có dạng gần thẳng, coi bậc nguyên lý bd tuyến tính “Khi tải trọng tác dụng không lớn (p < pIgh ), quan hệ (S  p) có dạng gần thẳng, xem đất VL biến dạng tuyến tính, QH độ lún & AL lên bậc nhất” 43 3.3.3 Nguyên lý biến dạng tuyến tính So sánh đặc tính bd VL: ✓ Thép (VL đàn hồi) ✓ Đất (VL rời) (Áp lực ~ Biến dạng) QH bậc → Trong giai đoạn bd tuyến tính, biểu thức “lý thuyết đàn hồi” vận dụng cho đất (ĐL Hooke – ĐL liện hệ BD ~ ƯS) 44 3.3 TN bàn nén trường & nguyên lý bd tuyến tính 3.3.3 Nguyên lý biến dạng tuyến tính Theo ĐL Hooke, phân tố đất đàn hồi, đẳng hướng Ex = Ey = Ez = Eo ĐL Hook đc thể dạng biểu thức ’z x = 1/Eo [x - o(y + z)] y = 1/Eo [y - o(z + x)] z = 1/Eo [z - o(x + y)] ’x ’y Eo & o: môđun bd & hệ số nở hông đất x , y , z: ứs pháp td lên phân tố đất theo phương x, y, z x, y , z bd tương đối phân tố đất theo phương x, y, z 45 15 1/25/2018 IV Xác định đặc trưng biến dạng đất 4.1 Xác định hệ số nở hông, 𝛍o a Với phân tố đất chịu nén hướng (nở hông tự do) ൝ 𝝈𝒙 = 𝝈𝒚 = 𝟎 𝜺𝒙 = 𝜺𝒚 ≠ 𝟎 𝝁𝒐 = 𝜺𝒙 𝜺𝒚 = 𝜺𝒛 𝜺𝒛 TN Nén nở hông 46 IV Xác định đặc trưng biến dạng đất 4.2 Xác định hệ số áp lực hông, Ko Với phân tố đất chịu nén không nở hông ൝ 𝝈𝒙 = 𝝈𝒚 ≠ 𝟎 𝜺𝒙 = 𝜺𝒚 = 𝟎 𝑲𝒐 = 𝝈𝒙 𝝈𝒚 = 𝝈𝒛 𝝈𝒛 TN nén ko nở hông 47 IV Xác định đặc trưng biến dạng đất 4.3 Quan hệ Ko~ 𝛍o Xét phân tố đất chịu nén không nở hông: Từ ct ቊ 𝜺𝒙 = 𝜺𝒚 = 𝟎 x = 1/Eo [x − o(y + z)] Ko  x o   z  o TN nén ko nở hông 48 16 1/25/2018 IV Xác định đặc trưng biến dạng đất 4.4 Xác định môdun biến dạng E0 E0 đặc trưng bd quan trọng đất, có ý nghĩa ⩯ mơđun đàn hồi Ee khác chất: ❖ Ee biểu thị tính đàn hồi đất ❖ E0: Biểu thị tính bd đất, 49 IV Xác định đặc trưng biến dạng đất 4.4.1 XĐ môdun biến dạng E0 từ TN nén ko nở hông E0 đc XĐ từ TN nén ko nở hông: ∆𝜀𝑣 = ∆𝑉 ∆𝑒 𝑎𝑣 = = 𝜎 𝑉 + 𝑒1 + 𝑒1 𝑧 (a) Theo lý thuyết đàn hồi  v   x   y   z  ☺ Vì nén ko nở hơng nên: x y   2o ( x   y   z ) (b) Eo o  o z (c) 50 IV Xác định đặc trưng biến dạng đất 4.4.1 XĐ môdun biến dạng E0 từ TN nén ko nở hông Thay (c) vào (b)   o2  v  1    o  Cân (d) với (a) Eo     z  Eo  (d) 1 e1 av (e) Với      1  2 o2     o  51 17 1/25/2018 IV Xác định đặc trưng biến dạng đất VD Một loại đất TN ép co ko nở hơng phịng thí nghiệm với chiều cao ho= 2,54cm cho kết sau: P(kN/m2) S(mm) 100 1,24 200 1,71 300 2,10 400 2,35 Yêu cầu: Tính hệ số rỗng ei & vẽ qh e~p TN ép co ko nở hơng, cho eo=0,814, o = 0.4 Tính mô đuyn biến dạng đất theo ứng với cấp tải trọng từ p=100 đến p=200kN/m2 52 IV Xác định đặc trưng biến dạng đất 4.4.2 XĐ môdun biến dạng E0 từ TN bàn nén Khi p  pIgh , lý thuyết đàn hồi chứng minh đc độ lún bàn nén tròn đặt mặt bán ko gian bd tuyến tính: S   o2 P Eo d Eo    o2 P d S Nếu bàn nén vng, lấy đường kính tương đương theo cơng thức d 2 F  53 IV Xác định đặc trưng biến dạng đất 4.4.2 XĐ môdun biến dạng E0 từ TN bàn nén Biểu thức tính cho mơi trường bán ko gian vô hạn đàn hồi Tuy nhiên đv đất phạm vi ảh P ko vơ mà hữu hạn, dùng cần phải hiệu chỉnh = cách thêm hệ số thực nghiệm vào công thức, mo < Eo  mo   o2 P d S 54 18 1/25/2018 IV Cố kết đất dính bão hịa nước & chuyển hóa ứng suất q trình cố kết thấm saturated clay 55 4.1 Khái niệm tính ép co đất bão hòa nước Xét TH biến dạng lớp đất chịu nén hướng Khi chịu tải trọng, đất bị ép co do: + Biến dạng hạt đất + Nước & khí lỗ rỗng đất bị ép co + Nước khí bị ép khỏi lỗ rỗng Với đất bão hịa: Yếu tố làm thay đổi thể tích đất thoát nước lỗ rỗng: 56 4.1 Khái niệm tính ép co đất bão hịa nước ✓ Nc đất thoát → Các hạt đất tự xếp lại→vị trí ổn định → Khối đất chặt settlement ✓ Thể tích đất giảm → Lún bề mặt time 57 19 1/25/2018 4.1 Khái niệm tính ép co đất bão hòa nước 4.1.1 Sự ép co đất rời (ép co hướng) ✓ Thường với đất cát trình ép co xảy XD, phần lớn kết thúc sau q trình XD hồn thành settlement ✓ Tính thấm lớn, nc nhanh, ép co diễn time ngắn time 58 4.1 Khái niệm tính ép co đất bão hịa nước 4.1.2 Sự ép co đất dính bão hịa nước ✓ Khả nc nhỏ, q trình ép co đc đánh giá = tốc độ thoát nc khỏi lỗ rỗng đất Quá trình ép co đất dính bão hịa nước cịn gọi q trình cố kết thấm, mối QH: Ứng suất Biến dạng Thời gian QT lún kéo dài hàng tháng, hàng năm, trí hàng chục năm 59 Notice Cố kết thấm trình phụ thuộc vào thời gian, khác tốc độ lún phụ thuộc vào khác tính chất thấm đất 60 20 1/25/2018 4.1.2 Sự ép co đất dính bão hịa nước Mơ hình cố kết thấm Terzaghi Đất dính bão hịa nước gồm pha: - Pha rắn: gồm hạt đất → khung kết cấu (cốt đất) Pha lỏng (nước): chiếm đầy thể tích lỗ rỗng đất Hai pha td áp lực có phản ứng ≠: Phần áp lực truyền cho pha rắn, làm đất bd, gọi ứng suất hiệu (’) Phần áp lực truyền cho pha lỏng, ko làm bd đất, → cột nước và→ thấm đất, gọi áp lực nc lỗ rỗng áp lực trung hòa (u) 61 4.1.2 Sự ép co đất dính bão hịa nước Mơ hình cố kết thấm Terzaghi Dụng cụ TN - Một bình đựng đầy nước - Một lị xo đặt đứng bình - Một nắp (đục lỗ) dạng pit tông tựa lên đầu lò xo 62 21 1/25/2018 4.1.2 Sự ép co đất dính bão hịa nước Mơ hình cố kết thấm Terzaghi - Lò xo: tượng trưng cho khung cốt đất tạo nên hạt đất chồng lên - Nước bình: tượng trưng cho nc chiếm đầy lỗ rỗng đất - Các lỗ đục/ nắp: tượng trưng cho lỗ rỗng đất liên thông bên ngồi 64 Mơ hình cố kết thấm Terzaghi Áp lực nước lỗ rỗng (ứng suất trung hòa) U Td AL σ lên nắp bình, khóa van nước để nc bình ko đc: Nc bị nén ko bị ép co → AL σ ko truyền vào lị xo mà truyền hồn tồn cho nc AL nén nc chịu gọi AL nc lỗ rỗng, ký hiệu u, u = g.𝜌w.h, với h độ cao cột nc dâng lên ống áp 65 Mơ hình cố kết thấm Terzaghi Áp lực nước lỗ rỗng ( ứng suất trung hòa) U Vậy: có nc tồn lỗ rỗng áp lực nc lỗ rỗng xuất cản trở nén chặt đất Do vậy, AL nc lỗ rỗng U gọi AL ko hiệu ƯS trung hịa 66 22 1/25/2018 Mơ hình cố kết thấm Terzaghi Ứng suất hiệu ✓ Mở lỗ đục: Tại t = 0; nc bắt đầu đc ép thoát ngồi, nc nhiều, mực nc ống đo áp hạ thấp, nắp bình hạ & bd lò xo lớn ✓ Khi nc lỗ rỗng thoát dần ra, u tiêu tan dần để chuyển hóa thành ưs hiệu σ’ td vào lị xo: σ’ = σ - u; làm lò xo bd ✓ σ‘ có td nén chặt đất nên gọi AL nén chặt hay ƯS có hiệu 67 Mơ hình cố kết thấm Terzaghi Như vậy, mơ hình lị xo mơ q trình cố kết xảy đất dính trường phòng chịu tải trọng, cụ thể sau: 68 Mơ hình cố kết thấm Terzaghi t = 0, nước chưa kịp ra, tồn tải trọng ngồi đc chuyển thành U dư → thời điểm ban đầu ko có thay đổi σ’ đất (lò xo chưa biến dạng, đất chưa bị nén) 69 23 1/25/2018 Mơ hình cố kết thấm Terzaghi Dần dần (0 < t < T) nc thoát td chênh lệch áp lực, cốt đất bị nén lại tiếp nhận tải trọng, σ’ tăng lên (u  < v, ’v  < v) 70 Mơ hình cố kết thấm Terzaghi t = T, nc dư thoát hết, u dư lại trở lại áp lực thủy tĩnh chưa tác dụng tải trọng (u = 0, ’v = v) Lị xo bị nén hồn tồn (Đất cố kết hồn tồn) 71 Mơ hình cố kết thấm Terzaghi Kết luận Có thể nói, trình cố kết đất dính bão hịa nước mặt học q trình chuyển hóa từ áp lực nước lỗ rỗng dư sang ứng suất hiệu 72 24 1/25/2018 4.2 Nhân tố ảnh hưởng đến tính ép co & biến dạng đất Các nhân tố chủ quan Các nhân tố khách quan 73 4.2 Nhân tố ảnh hưởng đến tính ép co & biến dạng đất Các nhân tố chủ quan Liên kết kết cấu đất: LK-KC bị phá hoại tính ép co & BD đất lớn, LK-KC chưa bị phá hoại tính ép co & BD đất nhỏ Loại đất khác tính ép co & BD đất khác Đất dính nói chung BD > đất rời Độ chặt ban đầu đất có ah đến tính ép co & BD Đất rời có độ chặt ban đầu lớn tính ép co & BD nhỏ 74 4.2 Nhân tố ảnh hưởng đến tính ép co & biến dạng đất Các nhân tố khách quan Ảh cách td tải trọng: tính chất nén lún & BD đất khác tăng tải, dỡ tải & nén lại Ảh tốc độ gia tải: Với giá trị tải trọng nhau, tốc độ gia tải lớn, độ biến dạng lớn Ảh tải trọng động: Tải trọng động làm cho đất cát nén chặt mạnh 75 25 ... ép co & BD đất lớn, LK-KC chưa bị phá hoại tính ép co & BD đất nhỏ Loại đất khác tính ép co & BD đất khác Đất dính nói chung BD > đất rời Độ chặt ban đầu đất có ah đến tính ép co & BD Đất rời có...1/25/2018 I Khái niệm tính ép co & biến dạng đất I Khái niệm tính ép co & biến dạng đất - Đất gồm hạt xếp cách tự nhiên ⇒ cốt đất có tính rỗng; - Trong lỗ rỗng chứa nước khí - Chỗ tiếp xúc hạt có... vào khác tính chất thấm đất 60 20 1/25/2018 4.1.2 Sự ép co đất dính bão hịa nước Mơ hình cố kết thấm Terzaghi Đất dính bão hịa nước gồm pha: - Pha rắn: gồm hạt đất → khung kết cấu (cốt đất) Pha