2.2.1.1. Sự phỏ hoại của đất khi khụng cú cốt
Như đó biết, đất được xem như là một loại vật liệu rời. Khi chịu ngoại lực tỏc dụng thỡ đất sẽ mất ổn đỉnh (khụng bị phỏ hoại cắt trượt) nếu trạng thỏi ứng suất ở bất kỡ điểm nào và theo hướng nào cũng nằm dưới đường bao phỏ hoại của cỏc vũng trũn Mohr (hỡnh vẽ…).
Theo vũng trũn Mohr ta cú thể diễn giải cỏc điều kiện khi đất ở vào trạng thỏi cõn bằng giới hạn như sau:
Khi σR3R<σR1R: 2 3 1. (45 ) 2. . (45 ) 2 2 tg ϕ c tg ϕ σ =σ − − − (2.1) Hay σR3R = σ1R R.KRaR – 2c Ka 2 3 1. (45 ) 2. . (45 ) 2 2 tg ϕ c tg ϕ σ =σ + − + (2.2) Hay σR3R = σ1R R.KRpR – 2c. Kp
Trờn hỡnh vẽ cỏc ký hiệu cú ý nghĩa như sau:
τ, σ : ứng suất cắt và ứng suất phỏp tại điểm đang xột theo hướng đang xột;
ϕ: gúc nội ma sỏt của đất; c : lực dớnh đơn vị của đất;
σ1 và σ3: ứng suất chớnh theo phương thẳng đứng và phương nằm ngang tại điểm đang xột.
K0 ,Ka ,KP lần lượt là hệ số ỏp lực đất ở trạng thỏi tĩnh, hệ số ỏp lực đất chủ động và hệ số ỏp lực đất bị động.
Hỡnh 2. 1: Trạng thỏi ứng suất của một điểm trong đất và đường bao phỏ hoại của vũng Mohr
Theo cụng thức (2.1) với một loại đất c, ϕđó biết, trị số σR1Rdo ngoại lực gõy ra càng lớn mà lỳc đú σR3R khụng đủ lớn thỡ đất sẽ bị phỏ hoại. Trong trường hợp cú tường, nếu ỏp lực hụng dần dần giảm đi (tựa như lỳc chõn tường dịch chuyển ra ngoài, khối đất chủ động trượt xuống) thỡ khi σR3 Rgiảm đến σR3R = OC, khối đất sẽ đạt trạng thỏi cõn bằng giới hạn dẻo và bị phỏ hoại. Do vậy đất là vật liệu chịu nộn khụng thuần tỳy (khi σR3R = 0), khụng thể làm vật liệu xõy dựng cho cỏc cụng trỡnh chịu nộn lớn nếu lực dớnh c cú giới hạn và nếu khụng cú biện phỏp điều chỉnh trạng thỏi ứng suất (làm tăng ỏp lực hụng σR3R). Ngược lại theo cụng thức (2.2) nếu σR3 Rcàng lớn so với σR1 Rthỡ đất cũng bị phỏ hoại. Khi cú tường, nếu ỏp lực hụng σR3 Rtăng lờn
C e a d o τ σ σ3= oe σ3= oc σ1= oa σ3= k 0σ3 σ3<σ1 σ1= oa σ3= od σ > 1 3 = oa σ σ1 τ = tg + C σ ϕ
Tường Tường Tường
Trạng thái tĩnh Trạng thái gây Trạng thái gây áp lực chủ động áp lực bị động
(tựa như lỳc thõn tường dịch vào trong, khối đất bị động và bị đẩy trồi) thỡ khi đạt đến σR3R= OD khối đất cũng bị phỏ hoại. Chớnh vỡ vậy ứng suất chớnh nhỏ nhất σR3R ở cụng thức (2.1) gọi là ứng suất (ỏp lực) chủ động với KRaR là hệ số ỏp lực đất chủ động và σR3Rở cụng thức (2.2) gọi là ứng suất (ỏp lực) bị động với KRpRlà hệ số ỏp lực đất bị động
Khi σR1R.KRaR – 2c Ka < σR3R< σR1R.KRpR – 2c. Kp thỡ đất chưa đạt trạng thỏi cõn bằng giới hạn và lỳc này σR3 Rnằm giữa ỏp lực đất chủ động và ỏp lực đất bị động, đất khụng dịch chuyển và ở trạng thỏi tĩnh với hệ số ỏp lực đất ở trạng thỏi tĩnh với hệ số ỏp lực đất ở trạng thỏi tĩnh KR0R (KRa R< KR0 R< KRpR)
2.2.1.2. Vai trũ của cốt
Vai trũ của cốt chớnh là nhằm tạo ra ỏp lực hụng σR3 Rngay từ bờn trong khối đất cú bố trớ cốt (σR3 Rkhụng phải do ngoại lực gõy ra). Điều này cũng tương ứng với việc tạo ra lực dớnh c lớn hơn bờn trong khối đất
Xột một khối đất cú những lớp cốt nằm ngang bố trớ đủ gần nhau như hỡnh 2. 2
Hỡnh 2. 2: Vai trũ của cốt hạn chế khối đất nở ngang khi chịu lực tỏc dụng thẳng đứng
Khi khối đất chịu nộn theo phương thẳng đứng với ỏp lực σR1R, nếu khụng cú cốt (σR3R= 0) đất sẽ bị phỏ hoại vỡ nở hụng tự do. Nhưng khi cú bố trớ cốt (khối đất sẽ bị kẹp giữa hai lớp cốt) và giả thiết giữa chỳng cú đủ sức neo bỏm cần thiết (tức là đất và cốt bỏm chặt và cựng chuyển vị với nhau), thỡ khi chịu nộn, đất chỉ cú thể chuyển vị ngang trong phạm vi chuyển vị ngang của cốt. Vỡ mụđuyn biến dạng của
1Khối đất Khối đất σ1 Cốt Cốt εu≈0
cốt cao hơn rất nhiều so với mụđuyn biến dạng của đất nờn trị số biến dạng ngang
εRnR của đất hầu như khụng đỏng kể (εRnR ≅ 0) và đất xem như chịu nộn theo 3 trục cú hạn chế nở hụng với trị số ỏp lực hụng σR3R:
σR3R = K.σR1R (2.3)
Trong đú:
K: hệ số ỏp lực ngang của đất, nếu ở trạng thỏi tĩnh (εRnR = 0 thỡ K = KR0Rvới KR0
RlàRRhệ số ỏp lực đất ở trạng thỏi tĩnh. Theo Jaky, KR0R = 1- sinϕ)
Áp lực hụng σR3R chớnh là do cốt tỏc dụng vào đất thụng qua giữa lực ma sỏt giữa cốt và đất
2.2.1.3. Sự neo bỏm giữa đất và cốt
Việc truyền lực giữa cốt và đất hay sự tạo ra sức neo bỏm giữa đất và cốt phụ thuộc vào cấu tạo hỡnh dạng cốt và cú hai phương thức cơ bản là phương thức truyền lực thụng qua ma sỏt giữa chỳng và phương thức truyền lực thụng qua sức cản bị động của đất. Đối với cỏc loại cốt như cốt dạng đai mỏng, cốt dạng tấm, cốt dạng khung, dạng lưới, dạng mạng (lưới hoặc mạng polime), tất cả đều truyền lực thụng qua ma sỏt. Nhưng chỉ những loại cốt dạng khung, dạng lưới, dạng mạng là những loại cốt cú cỏc phần tử vuụng gúc với phương truyền lực kộo thỡ mới cú thờm phương thức truyền lực thụng qua sức cản bị động của đất (tức là mới cú hiệu ứng neo).
Hỡnh 2. 3 Cốt dạng khung, dạng lưới bằng thộp trũn tạo ra sức cản bị động của đất nhờ cú cỏc thanh cốt bố trớ vuụng gúc với phương truyền lực PRp
a) Nhỡn theo chiếu đứng; b) nhỡn trờn mặt bằng
Cơ cấu truyền lực thụng qua ma sỏt giữa cốt và đất được miờu tả ở hỡnh dưới đõy
Hỡnh 2. 4: Cơ cấu truyền lực thụng qua ma sỏt giữa cốt và đất
Sự cõn bằng của một phõn đoạn nhỏ đất cú cốt dl với bề rộng b, ta cú thể thấy lực truyền qua dl là:
dT = TR2R – TR1R = 2bdl.τ (2.4)
Trong đú: τ - ứng suất cắt trượt do ma sỏt bề mặt trờn mặt tiếp xỳc giữa đất và cốt trong phõn đoạn dl Pp Sức cản bị động của đất Pp Pp Thanh ngang Thanh ngang Sb Sb (a) (b) T2 T1 v dl
τ = à.σRv R(2.5) Với: σRvRlà ứng suất phỏp tỏc dụng trờn bề mặt cốt Hệ số ma sỏt giữa cốt và đất 2. . . f v v P b L τ à σ σ = = (2.6) Trong đú: L: chiều dài cốt
PRfR: lực kộo tuột (sức chống kộo tuột)
Với cơ cấu truyền lực thụng qua sức cản bị động của đất được xỏc định theo quan hệ sau:
PRp R= NRpR.σRvR.n.ARbR (2.7)
PRpR: sức chống kộo tuột do cốt truyền cho đất thụng qua sức cản bị động của đất.
σRvR: ứng suất phỏp tỏc dụng trờn mặt cốt
n: số lượng cỏc phần tử cốt vuụng gúc với phương truyền lực kộo ARbR: diện tớch tiếp xỳc với đất của một thanh nằm ngang
NRpR: hệ số sức cản bị động của đất (hệ số này được xỏc định bằng phương phỏp thớ nghiệm kộo tuột cốt chụn trong đất và phụ thuộc vào cường độ của đất cũng như khả năng xốp nở của đất khi đất bị biến dạng trượt)
Như vậy với những loại cốt tạo ra cả hai phương thức truyền lực là ma sỏt và sức cản bị động của đất thỡ tổng sức kộo tuột của cốt trong đất là:
PRktR = PRfR + PRpR = σRvR(à.ARsR + NRpR.n.ARbR) (2.8) Trong đú:
PRf R: sức chống kộo tuột do ma sỏt tạo ra. ARsR: diện tớch bề mặt của cỏc đơn nguyờn cốt
PRpR : sức chịu kộo tuột do cốt truyền cho đất thụng qua sức cản bị động của đất
Túm lại:
Qua sự phõn tớch giữa cốt trong đất ta thấy để thực hiện được một cụng trỡnh tường chắn bằng đất cú cốt thỡ phải bảo đảm được cỏc điều kiện sau:
- Cú đủ sức neo bỏm giữa đất và cốt (tổng quan thỡ sức neo bỏm được xỏc định theo (2.8)).
- Cốt phải chịu được lực kộo lớn nhất cú thể phỏt sinh khi cụng trỡnh ở trạng thỏi làm việc.
- Đất phải chịu được cường độ chịu nộn và chịu cắt để tiếp nhận lực kộo của cốt truyền cho đất
- Mặt bờn của cụng trỡnh phải cú vỏ bao để bảo vệ bề mặt chống những hư hại từ cỏc tỏc nhõn bờn ngoài và chống lở đất trong phạm vi giữa cỏc lớp cốt.
Cỏc điều kiện trờn chớnh là túm tắt cỏc nguyờn lý để tạo ra vật liệu đất cú cốt và nguyờn lớ xõy dựng một cụng trỡnh bằng đất cú cốt