CoDat_Baigiang_(12.9.2017)

BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP HỒ CHÍ MINH -oOo - BÀI GIẢNG MƠN HỌC CƠ HỌC ĐẤT NGÀNH XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Thời gian : 45 tiết lý thuyết + 15 tiết tập lớn Biên soạn : PGS.TS Tô Văn Lận Năm 2017 Trang MỤC LỤC MỞ ĐẦU 0.1 ĐỐI TƯNG NGHIÊN CỨU CỦA CƠ HỌC ĐẤT 0.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA MÔN HỌC CƠ HỌC ĐẤT 0.3 NỘI DUNG CỦA MÔN HỌC CƠ HỌC ĐẤT 0.4 SƠ LƯC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CƠ HỌC ĐẤT 0.5 CÁC LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH CƠ HỌC SỬ DỤNG TRONG CƠ HỌC ĐẤT 0.5.1 Các lý thuyết 0.5.2 Các mô hình học CHƯƠNG : SỰ HÌNH THÀNH VÀ BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 1.1 NGUỒN GỐC VÀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐẤT 1.1.1 Phong hoùa 1.1.2 Chuyển dời 1.1.3 Trầm tích 1.2 CÁC PHA HP THÀNH ĐẤT 1.2.1 Pha raén 1.2.2 Pha loûng 10 1.2.3 Pha khí 11 1.3 KẾT CẤU VÀ CƠ CẤU CỦA ĐẤT 11 1.3.1 Keát cấu đất 11 1.3.2 Cô cấu đất 12 1.4 CAÙC CHỈ TIÊU VẬT LÝ CỦA ĐẤT 12 1.4.1 Các tiêu vật lý 12 1.4.2 Các tiêu vật lý khác 13 1.4.3 Các công thức tính đổi 14 1.5 CÁC CHỈ TIÊU TRẠNG THÁI CỦA ĐẤT 15 1.5.1 Đối với đất cát 15 1.5.2 Đối với đất dính 17 1.6 XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN HẠT ĐẤT 18 1.6.1 Nội dung phương pháp rây saøng (theo TCXD 4198-1995) 19 1.6.2 Nội dung phương pháp lắng đọng (theo TCXD 4198-1995) 19 1.7 PHÂN LOẠI ÑAÁT 21 1.7.1 Đối với đất rời 21 1.7.2 Đối với đất dính 21 1.7.3 Phân loại số loại đất đặc biệt 22 CHƯƠNG .23 PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG ÑAÁT 23 2.1 KHÁI NIỆM 23 2.2 PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DO TRỌNG LƯNG BẢN THÂN ĐẤT NỀN 23 2.2.1 Nền đồng 23 2.2.2 Neàn nhiều lớp 24 2.2.3 Ứng suất tổng, áp lực nước lỗ rỗng, ứng suất hiệu 25 2.3 PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DO TẢI TRỌNG NGOÀI GÂY NÊN – TRƯỜNG HP NỀN ĐỒNG NHẤT 26 2.3.1 Bài toán không gian 26 Trang 2.3.2 Phân bố ứng suất trường hợp toán khoâng gian 30 2.3.3 Phân bố ứng suất trường hợp toán phẳng 36 2.4 PHAÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG NỀN ĐỒNG NHẤT VÀ KHÔNG ĐẲNG HƯỚNG 41 2.4.1 Phân bố ứng suất hai lớp 41 2.4.2 Phân bố ứng suất không đẳng hướng 42 2.5 ỨNG SUẤT THỦY ĐỘNG DO DÒNG CHẢY THẤM GÂY NÊN 42 2.6 PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯỚI ĐÁY MÓNG 45 2.6.1 Phân loại móng theo độ cứng 45 2.6.2 Phân bố ứng suất đáy móng dựa theo lý thuyết đàn hồi 45 2.6.3 Phân bố ứng suất đáy móng dựa theo kết nghiên cứu thực nghiệm 52 CHƯƠNG : .54 BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT VÀ TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN CỦA MÓNG 54 3.1 MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT 54 3.1.1 Tính thấm đất Gradient thuỷ lực ban đầu đất sét 54 3.1.2 Tính nén lún đất 55 3.2 KHÁI NIỆM VỀ LÚN CỦA NỀN ĐẤT 63 3.2.1 Định nghóa 63 3.2.2 Các dạng lún 63 3.3 TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN THEO PHƯƠNG PHÁP CỘNG LÚN TỪN G LỚP 64 3.3.1 Phạm vi áp dụng 64 3.3.2 Noäi dung 64 3.3.3 Tính toán độ lún theo cộng lớp phân tố 64 3.4 TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN CỦA NỀN ĐẤT BẰNG CÁCH ÁP DỤN G CÔNG THỨC CỦA LÝ THUYẾT ĐÀN HỒI 66 3.4.1 Móng tròn đường kính D chịu tải trọng phân bố cường độ p 66 3.4.2 Móng hình chữ nhật chịu tải trọng phân bố cường độ p 66 3.4.3 Độ lún đàn hồi diện chịu tải tròn chữ nhật 66 3.5 TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN THEO PHƯƠNG PHÁP LỚP TƯƠNG ĐƯƠNG 67 3.6 TÍNH LÚN THEO THỜI GIAN 70 3.6.1 Quá trình cố kết đất 70 3.6.2 Bài toán cố kết thấm chiều 70 CHƯƠNG : .54 SỨC CHỊU TẢI CỦA NỀN ÑAÁT 73 4.1 KHÁI NIỆM 73 4.2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THEO LÝ LUẬN CĂN BẰNG GIỚI HẠN DẺO 74 4.2.1 Phương pháp Prang 75 4.2.2 Phương pháp Xôcôlovxki 75 4.2.3 Phương pháp Terzaghi 76 4.3 TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI THEO LÝ LUẬN NỀN BIẾN DẠNG TUYẾN TÍNH (DỰA THEO MỨC ĐỘ PHÁT TRIỂN VÙNG BIẾN DẠNG DẺO ) 77 4.3.1 Bản chất phương pháp 77 4.3.2 Caùc giả thiết 77 4.3.3 Thieát lập phương trình 78 4.4 HỆ SỐ AN TOAØN 80 4.5 OÅN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẤT VÀ MÁI ĐẤT 80 4.5.1 Khaùi nieäm 80 4.5.2 Điều kiện ổn định mái dốc 81 4.5.3 Tính toán ổn định mái dốc 82 Trang CHƯƠNG : .85 ÁP LỰC ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN .85 5.1 KHÁI NIỆM 85 5.2 PHÂN LOẠI TƯỜNG CHẮN 85 5.2.1 Căn vào điều kiện chịu lực 85 5.2.2 Căn theo chiều cao tường 86 5.2.3 Căn theo vật liệu làm tường 86 5.2.4 Căn theo điều kiện thi công 86 5.3 CÁC LOẠI ÁP LỰC TÁC DỤN G LÊN TƯỜNG CHẮN 86 5.4 5.3.1 Áp lực tónh : ET ( = 0) 86 5.3.2 Áp lực chủ động : Ec (Ea) (  0) 87 5.3.3 Áp lực bị ñoäng : Eb Ep (  0) 87 CAÙC QUAN ĐIỂM XÁC ĐỊNH ÁP LỰC CHỦ ĐỘNG VÀ BỊ ĐỘNG LÊN TƯỜNG CHẮN 87 5.4.1 Theo thuyết Coulomb (hay dựa vào điều kiện khối) 87 5.4.2 Theo lý thuyết cân giới hạn (cân điểm thuyết Rankin) 97 5.4.3 Theo lý thuyết cân giới hạn (cân điểm - thuyết Vs Xocoloski) 99 5.4.4 Kiểm tra cường độ ổn định lật ổn định trượt (trượt phẳng trượt sâu tường chaén) .103 Trang MỞ ĐẦU 0.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA CƠ HỌC ĐẤT Đất sản phẩm phong hoá loại đá gốc (đá mácma, đá trầm tích, đá biến chất) lớp vỏ trái đất Đất kết q trình phong hố nên đất có tính vụn rời, gồm nhiều hạt khống vật bé, kích thước khác tạo thành kết cấu khung hạt có nhiều lỗ rỗng thường chứa nước khơng khí Lớp đất dày 0.5-1m dùng để trồng trọt gọi đất nông nghiệp Lớp đất bên sử dụng vào mục đích xây dựng cơng trình gọi đất xây dựng Đất xây dựng thường dùng để: + Làm cơng trình, gọi đất + Đắp đê đập, đường, gọi đất đắp Đối tượng nghiên cứu môn học đất đất xây dựng 0.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA MÔN HỌC CƠ HỌC ĐẤT Là mơn học có liên quan mật thiết với mơn địa chất cơng trình Cơ sở lý thuyết môn học đất lý thuyết đàn hồi, lý thuyết dẻo lý thuyết từ biến Trên sở lý thuyết này, học đất xây dựng cho lý thuyết riêng phù hợp với trình học xảy đất Tuy nhiên phải coi trọng phương pháp thực nghiệm bao gồm thí nghiệm phịng, thí nghiệm trường quan trắc biến dạng công trình Phương pháp quan trắc có ý nghĩa to lớn việc phát triển môn học đất, sở so sánh tính đắn lý thuyết thực nghiệm, từ tìm phương pháp cải tiến thích hợp để đưa mơn học đất ngày phát triển lên tầm cao 0.3 NỘI DUNG CỦA MÔN HỌC CƠ HỌC ĐẤT Bằng nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm, môn học đất tập trung giải nhiệm vụ nội dung sau: - Xác lập định luật trình học xảy đất - Nghiên cứu phân bố ứng suất đất, quan hệ ứng suất biến dạng tác dụng ngoại lực - Giải tốn biến dạng (tính tốn độ lún) cường độ (ổn định đất, mái dốc, áp lực đất lên tường chắn…) Trang 0.4 SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CƠ HỌC ĐẤT Cơ học đất hình thành phát triển thành môn khoa học từ kỷ 19 Theo dịng lịch sử có kiện đáng ý sau: - Năm 1773, K Coulumn (Pháp) nêu lý thuyết sức chống cắt đất áp lực đất lên vật chắn - Năm 1856, H Darci (Pháp) bắt đầu nghiên cứu tính thấm đất - Năm 1857, W.J.M Renkin (Anh) giải toán áp lực đất lên tường chắn theo sở khác - Năm 1885, J Boussinets (Pháp) giải toán xác định ứng suất chuyển vị nửa không gian đàn hồi chịu tải trọng tập trung - Năm 1923, N P Puzưrevxki (Nga) đưa lý thuyết chung ứng suất đất - Năm 1925, K Terzaghi lần trình bày cơng trình nghiên cứu sách vở, tạp chí, giảng xuất “Cơ học đất cơng trình”, ơng gọi người sáng lập môn học học đất - Năm 1931, N.M Gerxevanov đưa lý thuyết sở động học khối đất với Terzaghi hai ông đưa lý thuyết cố kết thấm Terzaghi thành lý thuyết cố kết thấm Terzaghi- Gerxevanov - Đến năm 1940, B.B Xocolovxki cơng bố cơng trình nghiên cứu lý thuyết cân giới hạn, với cơng trình nghiên cứu nhà bác học khác làm cho môn học đất đủ khả giải toán sức chịu tải nền, ổn định mái dốc áp lực đất lên tường chắn Cũng khoảng thời gian này, cơng trình nghiên cứu biến dạng đất Buisman, Taylor, Florin, Txưtovit, Zarexki làm phát triển mạnh mẽ lý thuyết cố kết thấm, cố kết từ biến phương pháp tính lún theo thời gian Cho đến nay, học đất phát triển thành môn khoa học khơng thể thiếu phát triển hồn thiện khoa học chuyên ngành Địa kỹ thuật nhằm giải yêu cầu xây dựng đại, tiên tiến Từ năm 1936 Hội Cơ học đất - Nền móng quốc tế thành lập, từ đến tổ chức nhiều hội nghị quốc tế, đánh dấu phát triển nhanh chóng mơn khoa học Ở Việt Nam, phịng thí nghiệm học đất hình thành vào năm 1956 Tổng cục địa chất, khoa Xây dựng trường Đại học Xây dựng Hà Nội Cho đến nay, ta có đội ngũ cán có nghiệp vụ hiểu biết chuyên ngành tốt, tích luỹ nhiều kinh nghiệm đất Việt Nam, đủ sức giải toán đa dạng phức tạp thực tế xây dựng cơng trình đề Trang 0.5 CÁC LÝ THUYẾT VÀ MƠ HÌNH CƠ HỌC SỬ DỤNG TRONG CƠ HỌC ĐẤT 0.5.1 Các lý thuyết a Lý thuyết đàn hồi Nghiên cứu phụ thuộc ứng suất biến dạng xuất vật thể đàn hồi tác dụng ngoại lực Quan hệ ứng suất biến dạng tuân tuyến tính tuân theo định luật Hook:  = .E b Lý thuyết mơi trường biến dạng tuyến tính Do đất khơng phải vật liệu đàn hồi lý tưởng nên sử dụng toàn lời giải lý thuyết đàn hồi để xác định trạng thái ứng suất biến dạng đất thực tế Do cần có điều kiện để ứng dụng lý thuyết đàn hồi vật thể đất Năm 1930, N.M Gherxeanov nhận xét : Sự phụ thuộc ứng suất biến dạng mơi trường đất phụ thuộc phi tuyến Nhưng phạm vi thay đổi ứng suất nhỏ xem quan hệ tuyến tính áp dụng lý thuyết đàn hồi môi trường đất Môi trường đất mà ứng suất thay đổi nhỏ gọi mơi trường biến dạng tuyến tính Mơi trường xem môi trường liên tục, đồng đẳng hướng, biến dạng phần biến dạng đàn hồi, phần biến dạng dư, tổng biến dạng ứng suất nằm quan hệ tỷ lệ thuận Đối với môi trường này, trạng thái cân ứng lực xuất mơi trường ngoại lực áp dụng lý thuyết đàn hồi thay môđun đàn hồi môđun tổng biến dạng, hệ số poisson hệ số nở hông Lý thuyết dựa sở lý thuyết đàn hồi với biến đổi thông số gọi lý thuyết môi trường biến dạng tuyến tính c Lý thuyết dẻo Nghiên cứu biến dạng vật rắn mà quan hệ ứng suất biến dạng vượt giới hạn đàn hồi Biến dạng dẻo thay đổi hình dạng vật thể thể tích vật thể khơng thay đổi d Lý thuyết lưu biến Nghiên cứu mối quan hệ ứng suất, biến dạng tốc độ biến dạng Sự thay đổi ứng suất biến dạng theo thời gian tác dụng tải trọng gọi chảy vật thể - Nếu biến dạng tăng ứng suất khơng thay đổi gọi tượng từ biến Trang - Nếu ứng suất thay đổi biến dạng số gọi tượng chùng ứng suất 0.5.2 Các mơ hình học Vì đất vật thể tự nhiên phức tạp nên nghiên cứu dạng tổng quát mà phải đơn giản hoá vấn đề cách xét riêng trình học bỏ qua tất q trình lý hố sinh đất Vì học đất nghiên cứu vật thể đất mà tính chất đơn giản nhiều Vật thể đất đặc trưng mơ hình học sau đây: a Mơ hình vật thể liên tục Là vật thể bao gồm điểm vật chất liên tục đặc trưng phụ thuộc liên tục ứng suất biến dạng b Mơ hình vật thể đàn hồi Là vật thể bao gồm điểm vật chất riêng biệt, dịch chuyển cách tương tác dụng ngoại lực Mô hình vật thể đàn hồi đặc trưng lị xo tn theo định luật Hook c Mơ hình vật thể dẻo Dùng để nghiên cứu biến dạng đất quan hệ ứng suất biến dạng vượt q giới hạn đàn hồi Mơ hình áp dụng cho loại đất dính lý tưởng, loại đất khác áp dụng điều kiện mà tải trọng tác dụng vượt tải trọng giới hạn d Mơ hình vật thể rời Là mơ hình vật thể rời lý tưởng phản ánh tính mềm rời đất Bản chất mơ hình xem đất tích luỹ cầu trịn tuyệt đối rắn, hồn tồn khơng có lực dính kết với e Mơ hình mơi trường pha pha Là mơ hình đặc trưng cho bão hồ nước đất có mặt khí lỗ rỗng Những mơ hình áp dụng cho đất dính f Mơ hình lưu biến Là mơ hình xây dựng sở kết hợp mơ hình vật thể đàn hồi, nhớt, dẻo áp dụng cho loại đất dính nghiên cứu vấn đề biến dạng theo thời gian, xác định độ bền vững lâu dài theo chiều sâu khối đất Như vậy, khơng có mơ hình học tuyệt đối cho đất Do đó, nghiên cứu tính chất học quy luật học xảy đất, người ta sử dụng mơ hình nguyên lý chung kết hợp chúng để nghiên cứu loại đất thích hợp Tuy nhiên, kết nghiên cứu đất theo mơ hình thường có sai lệch so với thực tế Vì cần đưa thêm hệ số an toàn vào giá trị sử dụng tính tốn cơng trình Trang Chương SỰ HÌNH THÀNH VÀ BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 1.1 NGUỒN GỐC VÀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐẤT Tất đất mềm mà ta gặp có nguồn gốc từ đá rắn Q trình hình thành đất kết ba trình liên tiếp: Phong hố  chuyển dời  trầm tích 1.1.1 Phong hóa Phong hóa q trình phá hoại làm thay đổi thành phần đá gốc tác dụng vật lý, hoá học, sinh vật thuộc yếu tố khác Có loại phong hố: - Phong hóa vật lý: biến đổi nhiệt độ, đá gốc bị phá hoại vỡ vụn thành hạt to nhỏ không thành đất rời: đá dăm, sỏi, cuội - Phong hóa hóa học: nước, oxy, H 2CO khơng khí gây phản ứng hoá học làm biến đổi thành phần hoá học chúng làm cho đá vỡ vụn thành hạt khống nhỏ (200 200 – 10 10 – 2 – 0.1 0.1 – 0.005 300 300 – 150 150 – 2 – 0.06 0.06 – 0.002 75 75 – 4 – 0.38 0.075 – 0.002