Bài giảng Cơ học đất - Chương 6: Sức chịu tải của nền đất (Trần Thế Việt) cung cấp đến học viên các kiến thức về các hình thức mất ổn định của nền khi chịu tải; lý thuyết sức chịu tải của Terzaghi; phương trình sức chịu tải tổng quát; phương pháp tính sức chịu tải của đất nền theo TCVN;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!
3/2/2018 CHƯƠNG VI SỨC CHỊU TẢI CỦA NỀN ĐẤT (SOIL ULTIMATE BEARING CAPACITY) “Remember Yesterday, Dream about Tomorrow but Live Today” T1 Khái niệm chung I Mở đầu 1.1 Mục đích làm TN nén đất trường: Với CT lớn quan trọng, thường phải làm TN nén đất trường để tìm hiểu giai đoạn BD vị trí XD cơng trình nhằm mục đích: Làm tài liệu để XĐ đặc trưng b.dạng đất Nghiên cứu khả chịu tải 3/2/2018 I Mở đầu 1.2 Thí nghiệm bàn nén chịu tải trọng thẳng đứng Xét TN bàn nén trường, chịu td tải trọng thẳng đứng, KQ TN thể quan hệ (tải trọng ~ độ lún) II Các hình thức ổn định chịu tải II Các hình thức ổn định Theo Das (2007), td tải trọng thẳng đứng, có hình thức phá hoại SCT nền: 1.Phá hoại cắt tổng quát 2.Phá hoại cắt cục 3.Phá hoại cắt xuyên ngập 3/2/2018 2.1 Phá hoại cắt tổng qt (phá hoại hồn tồn) ✓ Khi móng đặt cát chặt (Dr > 67%) đất dính cứng ✓ Các mặt trượt phát triển liên tục nền, phần đất bề mặt bị đẩy chồi Dễ dàng xác định mặt trượt ✓ Sự phá hoại xảy cách đột ngột ✓ Biểu đồ ứng suất – độ lún có điểm cực đại 2.1 Phá hoại cắt tổng qt (phá hoại hồn tồn) Hình 4.1 Phá hoại cắt tổng quát 2.2 Phá hoại cắt cục ✓ Móng tầng cát sét có độ chặt trung bình (30% - 67%) ✓ Mặt trượt phát triển sâu có đoạn ko liên tục mặt đất, ✓ Đất bị đẩy chồi so với TH phá hoại cắt tổng quát ✓ Biểu đồ ưs- độ lún ko có điểm cực đại, c.vị đứng lớn 3/2/2018 II Các hình thức ổn định Hình 4.2 Phá hoại cắt cục 10 2.3 Phá hoại cắt xuyên ngập ❖ Móng đặt tầng đất tương đối xốp rời Dr < 30% ❖ Mặt trượt phát triển sâu nền, đất chủ yếu bị lún, ko bị đẩy trồi, khó xác định mặt trượt ❖ Biểu đồ ưs - độ lún ko có điểm cực đại, c.vị đứng lớn 11 II Các hình thức ổn định Chú ý: Hình thức phá hoại chủ yếu phụ thuộc độ chặt đất Trong Chương nghiên cứu TH phá hoại tổng quát 12 3/2/2018 C4 SỨC CHỊU TẢI CỦA NỀN ĐẤT T2 Lý thuyết sức chịu tải Terzaghi 13 I Các giả thiết sơ đồ tính tốn 1.1 Giả thiết tốn ❖ Xét móng băng có chiều rộng B, đặt nơng, chiều sâu đặt móng Df ❖ Nền đồng nhất, đẳng hướng, dẻo tuyệt đối, có trọng lượng riêng , góc ma sát ’ & lực dính c’ ❖ Dưới td tải trọng ngồi đặt tâm, móng bị phá hoại theo hình thức cắt tổng quát Cần tính SCT qu 14 1.2 Sơ đồ tính tốn Vùng đất đáy móng đc xem tải trọng chất thêm tương đương (tải trọng bên), có cường độ q = Df Khi bị phá hoại, chia vùng phá hoại thành phần: Vùng tam giác ACD sát đáy móng Vùng cắt tia ADF & CDE, với đường cong DF DE cung xoắn ốc logarit Hai tam giác bị động Rankine AFH & CEG Các góc CAD & ACD; xem = ' Bỏ qua sức chống cắt đất dọc theo mặt GI & HJ 15 3/2/2018 1.2 Sơ đồ tính tốn Hình 4.5: Hình thức phá hoại móng băng 16 II Cơng thức tính tốn Với TH phá hoại cắt tổng quát qu c' N c qN q BN Trong đó: c’ lực dính đất, γ trọng lượng riêng đất q tải trọng bên Nc, Nq, Nγ hệ số sức chịu tải, không thứ nguyên phụ thuộc vào ' 17 II Cơng thức tính tốn Với TH phá hoại cắt tổng quát e 3 / 4 '/ tan ' N c cot ' 1 cot ' N q 1 cos ' Nq e 23 / 4 '/ tan ' cos 45 ' / N K p 1 tan ' cos ' Trong đó: Kpγ hệ số áp lực bị động 18 3/2/2018 Bảng 4.1: Các hệ số sức chịu tải móng băng theo Terzaghi 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Nc 5.7 6.3 6.62 6.97 7.34 7.73 8.15 8.6 9.09 9.61 10.16 10.76 11.41 12.11 12.86 13.68 14.6 15.12 16.56 17.69 18.92 20.27 21.75 23.36 25.13 Nq 1.1 1.22 1.35 1.49 1.64 1.81 2.21 2.44 2.69 2.98 3.29 3.63 4.02 4.45 4.92 5.45 6.04 6.7 7.44 8.26 9.19 10.23 11.4 12.72 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 Ng 0.01 0.04 0.06 0.1 0.14 0.2 0.27 0.35 0.44 0.56 0.69 0.85 1.04 1.26 1.52 1.82 2.18 2.59 3.07 3.64 4.31 5.09 7.08 8.34 Nc 27.09 29.24 31.61 34.24 37.16 40.41 44.04 48.09 52.64 57.75 63.53 70.01 77.5 85.97 95.66 106.81 119.67 134.58 151.95 172.28 196.22 224.55 258.28 298.71 347.5 Nq 14.21 15.9 17.81 19.98 22.46 25.28 28.52 32.23 36.5 41.44 47.16 53.8 61.55 70.61 81.27 93.85 108.75 126.5 147.74 173.28 204.19 241.8 287.85 344.63 415.14 Ng* 9.84 11.6 13.7 16.18 19.13 22.65 26.87 31.94 38.04 45.41 54.36 65.27 78.61 95.03 115.31 140.51 171.99 211.56 261.6 325.34 407.11 512.84 650.67 831.99 1072.8 II Cơng thức tính tốn Sức chịu tải móng vng qu 1.3 c' N c qN q 0.4 BN (4.5) Sức chịu tải móng trịn qu 1.3 c' N c qN q 0.3 BN (4.6) 20 III Hệ số an tồn Để tính tốn SCT cho phép, qall móng nơng, cần biết hệ số an toàn FS HSAT sức chịu tải 𝑞𝑎𝑙𝑙 = 𝑞𝑢 𝐹𝑆 (4.5) qu: SCT tính tốn qall: SCT cho phép (allowable) SCT giới hạn thực qnet(u) (áp suất GH móng mà đất chịu đc) 𝑞𝑢 − 𝑞 𝑞𝑛𝑒𝑡(𝑎𝑙𝑙) = 𝐹𝑆 Với q = γDf 21 3/2/2018 VD tính tốn VD 4.1 (tr144) Móng vng có kích thước mặt 1.5 m x 1.5 m Đất có góc ma sát ’ = 20°, lực dính c' = 15.2 kN/m2 Trọng lượng đơn vị đất, = 17.8 kN/m2 Hãy XĐ tổng tải trọng cho phép móng với FS = Cho độ sâu đặt móng (Df) = 1.5 m xảy phá hoại cắt tổng thể đất 22 T3 Phương trình sức chịu tải tổng quát 24 I Khái quát Các PT SCT GH (4.2), (4.5), (4.6) dùng cho móng băng, móng vng & móng trịn, khơng dùng cho móng hct Khơng xét sức chống cắt dọc theo mặt trượt đất phía đáy móng (GI & HJ) Tải trọng td móng nghiêng ⇒ Để xét tới tất thiếu sót trên, Meyerhof (1963) đề xuất PT tính SCT tổng quát 25 3/2/2018 II Phương trình tổng qt Mayerhof Trong đó: Fcs, Fqs , Fs = hệ số hình dạng móng Fcd, Fqd , Fd = hệ số chiều sâu Fci, Fqi, Fi = hệ số độ nghiêng tải trọng Nc, Nq , N = Các hệ số sức chịu tải 26 2.1 Các hệ số sức chịu tải Theo Mayerhof, góc 𝛼 Hình đc thay (45 + 𝛷’/2) ko phải 𝛷’ theo Terzaghi Nc; Nq; Nγ đc tính lại sau ' N q tan 45 e tan ' 2 Reissner (1924) N c cot ' N q 1 Prandtl (1921) N N q 1cot ' Vesic (1973) 27 2.1 Các hệ số sức chịu tải Bảng 4-2: Các hệ số sức chịu tải Nc; Nq; Nγ (PT 4.12; 4.13; 4-14) 10 11 12 13 14 Nc 5.14 5.38 5.63 5.9 6.19 6.49 6.81 7.16 7.53 7.92 8.35 8.8 9.28 9.81 10.37 Nq 1.09 1.2 1.31 1.43 1.57 1.72 1.88 2.06 2.25 2.47 2.71 2.97 3.26 3.59 Ng 0.07 0.15 0.24 0.34 0.45 0.57 0.71 0.86 1.03 1.22 1.44 1.69 1.97 2.29 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 Nc 22.25 23.94 25.8 27.86 30.14 32.67 35.49 38.64 42.16 46.12 50.59 55.63 61.35 67.87 75.31 Nq 11.85 13.2 14.72 16.44 18.4 20.63 23.18 26.09 29.44 33.3 37.75 42.92 48.93 55.96 64.2 Ng 12.54 14.47 16.72 19.34 22.4 25.99 30.22 35.19 41.06 48.03 56.31 66.19 78.03 92.25 109.41 28 3/2/2018 2.2 Các hệ số hình dạng Đc XD từ nhiều TN phịng (theo De Beer (1970)) B N Fcs q L N c B Fqs tan ' L B F s 0, L Trong L = chiều dài móng (L > B) 29 2.3 Các hệ số độ sâu Theo Hansen (1970) Khi Df/B ≤ Fcd 1 0,4 Df B D Fqd tan ' 1 sin ' f B Fd = Khi Df/B > Fcd 0,4 tan 1 Df B Df Fqd tan ' 1 sin ' tan 1 Fd = B Số hạng tan-1(Df /B) tính theo radian 30 2.4 Các hệ số độ nghiêng Meyerhof (1981) o Fci Fqi 1 90 o Fi 1 ' 2 góc nghiêng tải trọng móng so với đường thẳng đứng 31 10 3/2/2018 SV tự nghiên VD 4.2 Móng cột vng chống đỡ tổng khối lượng thực cho phép 15200 kg Độ sâu đặt móng 0,7m Tải trọng nghiêng góc 200 với phương đứng Xác định bề rộng B móng với Fs = 32 III Tính SCT TH tải trọng lệch tâm (Eccentrically loaded foundations) Khi móng chịu tác dụng đồng thời mơ men uốn & tải trọng đứng ⇒ ASDM tải trọng phân bố 33 III Tính SCT TH tải trọng lệch tâm 3.1 XĐ phân bố ASĐM: (4.26) (4.27) Q = tổng tải trọng td theo phương thẳng đứng, M = momen tác dụng móng Đợ lệch tâm tổng tải trọng (4.28) 34 11 3/2/2018 III Tính SCT TH tải trọng lệch tâm ⇒ Phân bố ASĐM đc viết lại: (4.29) (4.30) Khi e = B/6; qmin = Khi e > B/6; qmin < ⇒ Xuất kéo đất, đất ko chịu kéo đc ⇒ xẩy phân tách móng & đất 35 III Tính SCT TH tải trọng lệch tâm Giá trị qmax TH đc tính theo: Dự tính đc phân bố ASĐM khó Hình 4-6: Mặt phá hoại chịu tải trọng lệch tâm III Tính SCT TH tải trọng lệch tâm 3.2 Xác định kích thước hữu hiệu móng Phải đưa tải trọng tâm đặt lên móng với kích thước hiệu 1) Chiều rộng hiệu :B’ = B - 2e 2) Chiều dài hiệu :L’ = L Chú ý: độ lệch tâm theo phương chiều dài móng, thì: L’ = L - 2e, B’ = B 37 12 3/2/2018 III Tính SCT TH tải trọng lệch tâm 3.3 Dùng PT (4-14) cho SCT giới hạn Để đánh giá Fcs, Fqs Fs dùng PT từ (4.15) đến (4.17) với chiều dài & chiều rộng hiệu B’ & L’ thay cho L B Để XĐ Fcd, Fqd Fd, dùng PT từ (4.18) đến (4.23) Không thay B B’ 38 III Tính SCT TH tải trọng lệch tâm 3.4 Tổng SCT giới hạn mà móng chịu A’: diện tích hữu hiệu 39 III Tính SCT TH tải trọng lệch tâm 3.5 Hệ số an toàn chống lại phá hoại SCT 40 13 3/2/2018 III Tính SCT TH tải trọng lệch tâm B.5 Kiểm tra hệ số an toàn chống lại qmax, hay FS = q′u /qmax 41 T3 Phương pháp tính sức chịu tải đất theo TCVN 42 I Các giai đoạn làm việc đất Dựa KQTN bàn nén trường, TH cắt tổng quát, chia đường QH tải trọng độ lún → giai đoạn Hình 4.7 Các giai đoạn làm việc đất 43 14 3/2/2018 I Các giai đoạn làm việc đất 1.1 Giai đoạn biến dạng đường thẳng Khi tải trọng nhỏ (0 tải trọng GH tuyến tính po làm SCT Theo KN thực tế, với đất bt có cường độ kháng cắt trung bình SCT nên lấy = trị số tải trọng gây vùng bd dẻo đạt độ sâu Zmax = 1/(4B); Ký hiệu p1/4 ⇒ p1/4 ⇔ Zmax = 1/(4B) cot / cot 0.25 c hm B P1 / cot / cot / cot / 56 III XĐ SCT theo phát triển vùng BD dẻo cot / cot 0.25 c hm B P1 / cot / cot / cot / P1/ cN *c qN *q 1BN * N * 0.25 cot / N *c cot cot / N *q cot / cot / N*c, N*q, N*γ, hệ số SCT nền, tra theo Bảng 4.3 57 III XĐ SCT theo phát triển vùng BD dẻo Nhận xét ✓ Công thức xác định P1/4 đơn giản, thuận tiện CT chịu tải trọng hình băng, thẳng đứng, phân bố ✓ Tuy nhiên, dùng lời giải đàn hồi vùng biến dạng dẻo mở rộng chưa hợp lý ✓ Giả thiết ứng suất trọng lượng thân tuân theo luật áp lực thuỷ tĩnh chưa hợp lý 58 19 3/2/2018 IV XĐ SCT theo tải trọng phá hoại (PP Evdokimov) 59 Tính PghII theo lý thuyết phá hoại dẻo, có hai PP: - PP dùng đường cong đặc trưng (theo lý luận cân giới hạn điểm) - PP phân tích cân giới hạn (cịn gọi lý thuyết cân giới hạn cố thể) IV XĐ SCT theo tải trọng phá hoại (PP Evdokimov) 60 4.1 Xác định PghII dựa PP đường cong đặc trưng khối đất trạng thái CB GH điểm khối đất đạt trạng thái CB GH Tại điểm đạt trạng thái CB GH có mặt trượt qua điểm làm với góc (90- ) Lời giải dựa vào đk cân tĩnh ứs tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb IV XĐ SCT theo tải trọng phá hoại (PP Evdokimov) 61 4.2 Xác định PghII dựa phân tích CBGH cố thể khối đất trạng thái CB GH đất hình thành mặt trượt liên tục bao khối trượt Chỉ điểm mặt trượt trạng thái cân giới hạn Khối trượt xem khối rắn Để tính PghII , trước hết giả thiết hình dạng mặt trượt, sau từ đk cân lực khối trượt (trạng thái giới hạn) tính PghII 20 3/2/2018 IV XĐ SCT theo tải trọng phá hoại (PP Evdokimov) 62 4.2 Xác định PghII dựa phân tích CBGH cố thể Có hai cách tiếp cận tốn: Đồ giải a) Tính PghII TH đất rời b) Tính PghII TH đất dính Giải tích I XĐ PghII theo phương pháp đồ giải 63 1.1 TH đất rời a Đk giả thiết phương pháp - Đất đất rời đồng chất, mặt nằm ngang - Móng băng, chịu tải trọng thẳng đứng nằm ngang phân bố - Coi trọng lượng lớp đất bên móng tải trọng phân bố - Giả thiết đất VL dẻo lý tưởng Dưới td tải trọng giới hạn, đất bị phá hoại hoàn toàn - Giả thiết khối trượt vật rắn tuyệt đối Các điểm mặt trượt thoải mãn đk ƯS giới hạn I XĐ PghII theo phương pháp đồ giải 64 b Tính PghII theo phương pháp đồ giải B1 Giả thiết hình dạng mặt trượt, khối trượt B2 Xác định lực td vào khối trượt B3 Vẽ đa giác lực trạng thái CBGH B4: ĐK để khối trượt cân đa giác hệ lực phải khép kín B5 Dựa vào quan hệ lượng giác ⇒ RghII 21 3/2/2018 b Tính PghII theo phương pháp đồ giải 65 Tải trọng GH Pgh & Tgh làm cho đất bị trượt theo mặt ABCD bị ép chồi phía DE, khối trượt gồm khu: Khu I : ABE – Khu chủ động – bị nén Khu II : EBC – Khu độ Khu III: ECD – Khu bị động – bị ép chồi b Tính PghII theo phương pháp đồ giải 66 Xét CB toàn khối & vẽ đa giác lực cho toàn hệ đc thực cách xét CB & vẽ đa giác lực cho khu I, II, III Nếu vẽ tỷ lệ, XĐ RghII Tính PghII TH đất rời 67 b Tính PghII theo phương pháp đồ giải Sau XĐ đc RghII, tải trọng GH đc tính theo cơng thức sau: p II gh II gh PghII F TghII F R II gh cos B R II gh sin B 22 3/2/2018 I XĐ PghII theo phương pháp đồ giải 68 1.2 TH đất dính Áp dụng nguyên lý áp lực dính tương đương Caquot, thay lực dính đất áp lực ngồi n = c/tg𝛷 ⇒ Khi đất đc coi đất rời Nếu vẽ tỷ lệ, XĐ RghII I XĐ PghII theo phương pháp đồ giải 69 1.2 TH đất dính Sau XĐ đc RghII, tải trọng GH TH đất dính đc tính theo cơng thức sau: p II gh R II gh cos ' n B 𝑛= II gh R II gh sin ' B 𝑐 𝑡𝑔𝜙 II XĐ PghII theo phương pháp giải tích 70 Theo TCVN 4253-86, tải trọng phá hoại đc tính theo cơng thức R II gh N c cB N q qB N B 2 Trong đó: Nc; Nq; Nγ: hệ số phụ thuộc vào 𝜙; 𝛿’ γ, c, 𝜙: trọng lượng riêng, lực dính & góc ma sát đất đáy móng q = γ1h1- tải trọng bên 23 ... thức phá hoại chủ yếu phụ thuộc độ chặt đất Trong Chương nghiên cứu TH phá hoại tổng quát 12 3/2/2018 C4 SỨC CHỊU TẢI CỦA NỀN ĐẤT T2 Lý thuyết sức chịu tải Terzaghi 13 I Các giả thiết sơ đồ tính... TH đất rời a Đk giả thiết phương pháp - Đất đất rời đồng chất, mặt nằm ngang - Móng băng, chịu tải trọng thẳng đứng nằm ngang phân bố - Coi trọng lượng lớp đất bên móng tải trọng phân bố - Giả... (1921) N N q 1cot ' Vesic (1973) 27 2.1 Các hệ số sức chịu tải Bảng 4-2 : Các hệ số sức chịu tải Nc; Nq; Nγ (PT 4.12; 4.13; 4-1 4) 10 11 12 13 14 Nc 5.14 5.38 5.63 5.9 6.19 6.49 6.81