1. TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐÂT ĐÁ
2.3. Cường độ (sức chịu) của đất đá
trong đó: Pph - lực phá hỏng mẫu, kG;
F - diện tích tiết diện bị phá hỏng, cm2.
Cường độ chống kéo là chỉ tiêu cần thiết khi xác định độ dốc cho phép của mái đá, tính toán biến dạng hướng tâm và ứng suất cho phép trong đường hầm áp lực, khi thiết kế đập bê tông.
P(kG/cnf)
(b)
Hình 2-32: Biến dạng của đất đá khi nén một trục
a) Hình dạng của mẫu đất dá trước và sau thí nghiệm; b) Đồ thị áp lực - biến dạng 1. Mầu trước khi thí nghiệm; 2. Phá hoại giòn; 3. Phá hoại nửa giòn; 4. Phá hoại dẻo.
Độ bền chống kéo của đá phụ thuộc vào thành phần thạch học, độ thô của hạt, độ bền liên kết giữa các hạt, khe nứt vi mô... và thường không vượt quá 100 -í- 150kG/cm2.
Cường độ chống kéo của đất rất nhỏ, như đất sét không quá 1,30 + 1,50kG/cm2, thường nhỏ hơn lkG/cm 2. Độ bền chống kéo nhỏ hơn độ bền chống nén rất nhiều, thường chỉ bằng 2 + 5% độ bền chống nén. Cường độ chống nén và chống kéo của một sô' đá được cho trong bảng 2-8.
Bảng 2-8. Cường độ chống nén (ơ j vò chống kéo (ơk) của m ột sô đá
Loại đá n,% ơn,kG/cm2 ơk, kG/cm2
Granit 0,64 2640 4 4 - 121
Điaba - 900 50
Q uaczit 0,81 3280 6 7 - 159
Đá hoa 0,46 1510 1 0 - 1 6 3
Đá vôi 9,22 1450 5 0 - 100
Cát kết - - 5 0 - 104
Đá phiến - 1 8 0 -2 6 0 1 0 - 8 0
1 0 0
2.3.2. Cường độ chông trươt của dát dá
Dưới tác dụng của ngoại lực, trong mót bộ phận nào đó của khối đất đá, liên kết giữa các hạt bị phá huỷ và xảy ra trượt (chuyển dịch) của phần này với phần khác, ví dụ như trượt mái dốc, trồi đất dưới móng công trình...
Cường độ chống trượt được xác định bàng thí nghiệm trong phòng hay ngoài trời nhằm xác định lực cần thiết để cắt mẫu dưới tác dụng của áp lực pháp tuyến đã biết (hình 2-34). Nói chung khi áp lực pháp tuyến tăng thì cường độ chống trượt của đất đá tăng theo (hình 2-34).
Hình 2-33: Thiết bị cất đất trực tiếp p - tái trọng nén; Q - lực cắt
Hình 2-34: Quan hệ cường độ chống trượt và áp lực pháp tuyến
a) Đất dinh; b) Đất không dính
Trong vùng áp lực nén, về nguyên lý sức chống trượt tăng lên không hạn chế. Trong vùng áp lực kéo, sức chống trượt có trị số xác địnhqđường cong sức chống trượt cắt trục tung của đồ thị (hình 2-34a), còn đất không dính không có cường độ chống kéo nên dường cong cường độ xuất phát từ gốc toạ độ (hình 2-34b).
Mô hình ma sát cho một cơ sở hữu ích để từ đó hình thành mô hình toán học về trạng thái cắt của đất. Mô hình này bao hàm cả một số yếu tố quan trọng riêng cho đất như: biến đổi thể tích lớn khi đặt tải, tốc độ thay đổi dộ ẩm khống chế bởi tính thấm trong đất bão hoà, giá trị ứng suất cắt giới hạn chịu tác động bởi độ lớn và tốc độ biến dạng...
Xem xét ảnh hưởng của độ lớn biến dạng trên đường cong ứng suất cắt - chuyển vị (biến dạng) (hình 2-35) khi cắt một phần tử lăng trụ đất. Khi phần tử bị cắt với ứng suất pháp ơp là hằng sỏ, đầu tiên ứng suất cắt tăng nhanh trong khi biến dạng tăng chậm.
Khi đất chảy, biến dạng tăng đột ngột trong khi ứng suất cất san bằng tại ứng suất cắt tối da - ứng suất đỉnh và bắt đầu giảm cho tới lúc san bằng tại ứng suất cực hạn. Trong
hầu hết các trường hợp, giá trị cực hạn đạt được vào lúc biến dạng nằm giữa 10% và 20%.
Lúc biến dạng rất lớn, ứng suất cắt giới hạn còn giảm nhiều hon nữa, chỉ bằng 10% ứng suất đính. Giá trị biến dạng rất lớn này được làm cơ sở cho ứng suất dư. Giá trị ứng suất dư liên quan với sự sắp xếp lại dần dần các hạt sét trên bề mặt trượt, sự mài mòn hoặc mài bóng do trượt.
Vào năm 1776, Coulomb là người đầu tiên đưa ra lý thuyết và một phương trình đơn giản liên hệ độ bền chống trươt của đất với ứng suất pháp tác dụng. Với một loại đất đá đã cho, lực dính kháng căt c được giả thiết là hằng số và không phụ thuộc ứng suất tác dụng, trong khi sức cản ma sát biến đổi trực tiếp với độ lớn của ứng suất pháp ơ p biểu lộ trên bề mặt trượt. Phương trình Coulamb biểu thị cường độ chống trượt giới hạn Tgh của đất đá có dạng (hình 2-36a):
T,
1 0 2
Hình 2-36: Phương trình Coulomb và đường bao phá hoại a) Đôi với ứng suất tổng; b) Đối với ứng suất hiệu quả
(2-9 la) 'tgh = c + ơ p tg (p
ở đây: cp - góc ma sát trong của đất đá.
Trong thực tế: độ bền chống cắt liên hệ với ứng suất hiệu quả, do vậy biểu thức trở thành (hình 2-36b):
ở đây: c', cp' - lực dính góc ma sát trong tạo bởi ứng suất hiệu quả;
ơ 'p - ứng suất hiệu quả trên mặt trượt; ơ'p = ơp - u, u - áp lực nước lỗ rỗng tác dộng trên mặt trượt.
Với một loại đất đá đã cho, c' và cp' là hằng số nếu hệ số rỗng, dung trọng, áp lực nước lỗ rỗng không đổi với các giá trị ứng suất pháp khác nhau. Điều này không xảy ra được vì khi đặt tải thoát nước thì thê’ tích sẽ thay đổi, còn khi đặt tải không thoát nước, áp lực nước lỗ rỗng sẽ biến đổi. Điều kiện thoát nước trong lúc thí nghiệm có ảnh hưởng nhiều tới giá trị đo, vì thế chia ra ba điểu kiện thí nghiệm sau:
Thí nghiệm không thoát nước (cắt nhanh): nước lỗ rỗng không thoát ra ngoài, mẫu
đất không được cố kết dưới tải trọng tác dụng và độ chặt của đất không tăng lên so với độ chặt ban đầu. Khi này Tgh = cu và (pu = 0, cu và cpu - lực dính, góc ma sát trong không thoát nước.
Thí nghiệm c ố kết - không thoát nước: mẫu thí nghiệm được cố kết trong điều kiện
ứng suất đẳng hướng là hằng số và thoát nước hoàn toàn, sau đó tăng tải dọc trục và không cho thoát nước. Kết quả thí nghiệm cho Ccu và (pcu.
Thí nghiệm thoát nước: mẫu trước tiên được cố kết trong điều kiện ứng suất đẳng
hướng là hằng số và thoát nước hoàn toàn. Khi hoàn thành cố kết, tăng tải trọng dọc trục với tốc đô nhỏ để không xảy ra việc tăng áp lực nước lỗ rỗng.
Với đất chật hay cố kết quá mức: T h = c' + ơ'p tg(p'c, Đất cố kết thông thường: Tgh = ơ'p tgcp'gh Điều kiện dư liên quan biến dạng lớn: T „ = ơ'p tgcp'd ở đây tp'j, cp'gh, (p'd - góc ma sát đỉnh, góc ma sát giới hạn và góc ma sát dư (hình 2-37).
Tgh = c' + ơ ’p tg(p' (2-9lb)
T
Hình 2-37: Độ bền chống trượt đinh, giới liạn và dư
Các tham số cp và c của đá biến đổi trong phạm vi rộng: trị số góc ma sát trong khác nhau 1,5 -ỉ- 5 lần, lực dính tới hàng chục, hàng trăm lần. Với đất cát, cường độ chống cắt phụ thuộc chủ yếu vào độ chặt ban đầu. Với đất sét, cường độ chống cắt phụ thuộc vào độ ẩm, độ cố kết, tình hình tăng tải. Giá trị cp và c khi cắt nhanh thì nhỏ nhất, còn khi cắt chậm thì giá trị lớn nhất, còn cắt nhanh cố kết cho giá trị trung gian.
Khi tính ổn định mái dốc các công trình bằng đất mà mới đắp hoặc tính sức chịu tải của nền đất dính trong điều kiện thoát nước không thuận lợi lại phải xây dựng nhanh thì dùng giá trị tp, c của phương pháp cắt nhanh. Còn khi tính ổn định mái dốc trong đất nguyên thể, xác định sức chịu tải nền đất dính thoát nước dễ dàng và tốc độ xây dựng chậm thì dùng giá trị (p, c trong thí nghiệm cắt chậm. Còn khi đất ở điều kiện làm việc trung gian thì dùng kết quả thí nghiệm cắt nhanh cố kết.
Giá trị cường độ chống trượt của đá, của đất cắt, đất sét được cho trong các bảng 2-9, 2-10,2-11.
Bảng 2-9. Giá trị góc ma sát của đá (theo G.I. Fixenko, M.N. Gondstein)
GÓC ma sát tro n g khi cắt phiến với phiến
hoặc theo khe nứt, độ
Mau cắt Mau kiểm tra Bể mặt cắt GÓC ma sát
khi cắt, độ Nhẵn khô
Nhám
Khô Thấm ướt
G ra n it G ra n it 34 33 32 -
S ie n it S ie n it - 2 2 - 3 1 - 3 5
Đ á p h iế n s é t Đ á p h iế n sé t - 13 10 -
Đ á vồi Đ á v ố i - 1 9 - 2 5 31 - 3 5 -
Đ á m a c n ơ Đ á m a c n ơ - 46 14 -
C á t kết C á t k ế t - 2 6 - 31 - 3 6
B ộ t k ế t B ộ t k ế t - 2 3 - 2 8 - 3 3
S é t k ế t S é t k ế t - 1 9 - 2 6 - 2 7 - 3 0
B ê tô n g S e c p e n tin it - 3 3 ,0 - -
B ê tô n g S é t b e n to n it - 23 - 33
B ê tô n g B ê tô n g - 2 8 - 3 2 1 7 - 3 3 3 3
104
Bảng 2-10. Cường độ chông trượt của đất cát có độ chặt trung bình
Loại đất Lực dính C,kG/cm2 Góc ma sát trong ẹ, độ Hệ s ố ma sát tro n g f
C á t d ă m 0,01 - 0 , 2 38 - 40 0 ,7 8 - 0 ,8 6
C á t h ạ t th ô 0,01 - 0 , 2 3 6 - 38 0 , 7 3 - 0 , 7 8
C á t h ạ t lớn 0,01 - 0 ,1 34 - 36 0 , 7 0 - 0 , 7 3
C á t h ạ t tru n g 0,01 - 0,1 33 - 34 0 , 6 5 - 0 , 6 8
C á t h ạ t n h ỏ 0 , 0 2 - 0 , 2 31 - 3 2 0 , 6 0 - 0 , 6 3
C á t h ạ t m ịn 0 , 0 2 - 0 , 2 26 - 30 0 , 4 9 - 0 , 5 8
B ảng 2-11. Cường độ chòng trượt của đất sét tuổi Đệ T ứ kh i 0 <B < 1
Đ ộ ẩm ỏ g iớ i h ạ n d ẻ o
Đ ặ c trư n g của đ ấ t
c và Ọ khỉ hệ s ố rỗ n g e 0,41-0,5 0,51-0,6 0,61-0,7 0,71-0,8 0 ,8 1-0,95 0,96-1,1
9 , 5 - 1 2 , 4 c 0,12 0,08 0,06 - - -
25 24 23 - - -
tgcp 0,47 0,45 0,42 - - -
12,5 - 15,4 c 0,42 0,21 0,14 0,07 - -
<p 24 23 22 21 - -
tgcp 0,45 0,40 0,40 0,38 - -
15,5 - 18,4 c - 0,50 0,25 0,19 0,11 0,08
<p - 22 21 20 19 18
tg<p - 0,40 0,38 0,36 0,34 0,33
1 8 ,5 - 2 2 ,4 c - - 0,68 0,34 0,28 0,19
<p - - 20 19 18 17
tg<p - - 0,31 0,34 0,33 0,31
22,5 - 2 6 ,4 c - - - 0,82 0,41 0,36
<p - - - 18 17 16
tg<p - - - 0,33 0,31 0,29
26.5 - 30,4 c - - - - 0,94 0,47
<p - - - - 16 15
tgtp - - - - 0,29 0,27
Ví dụ 2-8.
Tiến hành thí nghiệm hộp cắt cho một mẫu sét chứa cát được các kết quả sau đây:
T ả i trọ n g p h á p tu y ế n (N ) 108 202 2 9 5 390 4 8 4 5 76
T ả i trọ n g c ắ t lú c p h á h o ạ i (N ) 172 227 266 323 3 7 4 4 2 5
Diện tích bề mặt cắt là óOxóOcm.
Hãy xác định lực dính và góc ma sát trong của đất.
Bài giải
Diện tích bề mặt cắt: 60 X 60 X 104 n r Với mẫu thứ nhất
ứng suất pháp ơ' = ^ = 30,0 kN / m2
3.6 X 10 !
Úng suất cắt lúc phá hoại Tf = ^ x ^ = 47,8kN / m 2