Địa kĩ thuật - Bài giảng Cơ học đất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI BỘ MÔN ĐỊA KỸ THUẬT --------------------- BÀI GIẢNG CƠ HỌC ĐẤT Hà nội 7/2011 MÆt chảy dÎo ®µn håi E, ν φ, c φ C MỤC LỤC CHƯƠNG 1. TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT §1.1. Các pha hợp thành đất và tác dụng tương hỗ giữa chúng ............................................................. 1 I. Pha rắn (Hạt đất). ........................................................................................................... 1 II. Pha lỏng (Nước trong đất) ............................................................................................ 6 III. Pha khí trong đất ......................................................................................................... 9 §1.2. Các chỉ tiêu tính chất vật lý và trạng thái vật lý của đất ........................................................... 9 I. Các chỉ tiêu tính chất vật lý của đất. .............................................................................. 9 II. Các chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất .......................................................................... 14 §1.3. Phân loại đất .............................................................................................................. 17 I. Mục đích ...................................................................................................................... 17 II. Giới thiệu một số tiêu chuẩn phân loại đất điển hình ................................................. 18 CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT ................................................................... 27 §2.1. Tính thấm nước của đất ............................................................................................. 27 I. Khái niệm dòng thấm trong đất ................................................................................... 27 II. Định luật Darcy .......................................................................................................... 30 III. Hệ số thấm và phương pháp xác định ....................................................................... 32 §2.2. Tính ép co và biến dạng của đất ................................................................................ 35 I. Khái niệm tính ép co và biến dạng của đất .................................................................. 35 II. Quan hệ giữa biến thiên thể tích (∆V) và hệ số rỗng (e) ............................................ 36 III. Thí nghiệm ép co không nở hông và Định luật ép co ............................................... 36 IV. Xác định các đặc trưng biến dạng của đất ................................................................ 44 V. Cố kết của đất dính bão hòa nước và sự chuyển hóa ứng suất trong quá trình cố kết thấm ................................................................................................................................. 47 VI. Nhân tố ảnh hưởng đến tính ép co và biến dạng của đất .......................................... 50 §2.3. Cường độ chống cắt của đất ...................................................................................... 50 I. Khái niệm về cường độ chống cắt của đất ................................................................... 50 II. Thí nghiệm cắt trực tiếp và định luật Coulomb.......................................................... 52 III. Tiêu chuẩn phá hoại Mohr - Coulomb ...................................................................... 56 IV. Thí nghiệm ba trục .................................................................................................... 63 V. Cường độ chống cắt của đất cát ................................................................................. 66 VI. Cường độ chống cắt của đất sét ................................................................................ 73 §2.4. Tính đầm chặt của đất ................................................................................................ 81 I. Ý nghĩa thực tế và Mục đích của đầm chặt đất............................................................ 81 II. Nguyên lý đầm chặt .................................................................................................... 81 III. Các nhân tố ảnh hưởng đến tính đầm chặt của đất ................................................... 87 CHƯƠNG 3. XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT TRONG ĐẤT ................................................................... 89 §3.1. Các loại ứng suất trong đất và các giả thiết cơ bản để tính toán ............................... 89 I. Các loại ứng suất trong đất: ......................................................................................... 89 II. Các giả thiết để tính toán: ........................................................................................... 89 §3.2. Xác định ứng suất bản thân ....................................................................................... 90 I. Ứng suất bản thân trong nền đất: ................................................................................. 90 II. Ứng suất bản thân trong công trình đất: ..................................................................... 91 §3.3. Xác định áp suất đáy móng........................................................................................ 94 I. Khái niệm: ................................................................................................................... 94 II. Xác định áp suất đáy móng (cho móng cứng) ............................................................ 95 §3.4. Ứng suất tăng thêm trong nền công trình .................................................................. 98 I. Hai bài toán cơ bản: ..................................................................................................... 98 II. Ứng suất tăng thêm trong nền đồng chất khi mặt nền chịu tải trọng phân bố trên diện tích hình chữ nhật:......................................................................................................... 102 III. Ứng suất tăng thêm trong nền đồng chất – bài toán phẳng: .................................... 116 IV. Một số phương pháp xác định ứng suất tăng thêm: ................................................ 124 CHƯƠNG 4. SỨC CHỊU TẢI CỦA NỀN ĐẤT ................................................................... 139 §4.1. Mở đầu ..................................................................................................................... 139 §4.2. Các hình thức mất ổn định của nền khi chịu tải ...................................................... 139 I. Thí nghiệm bàn nén chịu tải trọng thẳng đứng .......................................................... 139 II. Các hình thức phá hoại nền ...................................................................................... 139 §4.3. Lý thuyết sức chịu tải của Terzaghi ......................................................................... 141 I. Các giả thiết ............................................................................................................... 141 II. Công thức tính toán .................................................................................................. 141 §4.4. Hệ số an toàn ........................................................................................................... 143 §4.5. Phương trình sức chịu tải tổng quát ......................................................................... 144 I. Khái quát .................................................................................................................... 144 II. Phương trình tổng quát của Mayerhof...................................................................... 144 III. Tính sức chịu tải của nền trong trường hợp tải trọng lệch tâm ............................... 148 §4.6. Các phương pháp tính sức chịu tải của nền đất theo tiêu chuẩn Việt Nam ............. 150 I. Các giai đoạn làm việc của đất nền ........................................................................... 150 II. Các phương pháp xác định sức chịu tải của nền ...................................................... 151 III. Xác định sức chịu tải của nền dựa vào sự phát triển của vùng biến dạng dẻo. ....... 151 IV. Xác định sức chịu tải theo tải trọng phá hoại (phương pháp Evdokimov) ............. 155 CHƯƠNG 5. LỰC ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN .................................................................... 163 §5.1. Mở đầu ..................................................................................................................... 163 §5.2. Các loại áp lực đất tác dụng lên tường chắn đất và điều kiện sản sinh ra chúng .... 165 §5.3. Xác định áp lực đất tĩnh ........................................................................................... 167 I. Trường hợp lưng tường thẳng đứng, mặt đất nằm ngang .......................................... 167 II. Trường hợp lưng tường chắn và mặt đất đắp nghiêng ............................................. 168 §5.4. Tính toán áp lực đất tĩnh theo lý thuyết của Rankine .............................................. 169 I. Nguyên lý tính toán ................................................................................................... 169 II. Các giả thiết cơ bản .................................................................................................. 170 III. Xác định áp lực đất chủ động.................................................................................. 170 IV. Xác định áp lực đất bị động .................................................................................... 173 V. Tính toán áp lực đất trong một số trường hợp ......................................................... 174 §5.5. Tính toán áp lực đất theo lý luận của Coulomb ....................................................... 179 I. Các giả thiết cơ bản ................................................................................................... 179 II. Nguyên lý tính toán .................................................................................................. 179 III. Xác định áp lực đất chủ động.................................................................................. 179 IV. Xác định áp lực đất bị động .................................................................................... 183 CHƯƠNG 6. XÁC ĐỊNH ĐỘ LÚN CỦA NỀN CÔNG TRÌNH .......................................... 188 §6.1. Mở đầu ..................................................................................................................... 188 §6.2. XÁC ĐỊNH ĐỘ LÚN CỐ KẾT ỔN ĐỊNH. ............................................................ 188 I. Tính toán độ lún cố kết một hướng. .......................................................................... 188 II. Tính toán độ lún cố kết có xét đến biến dạng hông. ................................................. 195 §6.3. Xác định độ lún cố kết theo thời gian ...................................................................... 200 I. Lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi. ......................................................................... 200 II. Tính độ lún theo thời gian. ....................................................................................... 204 LỜI NÓI ĐẦU Cơ học Đất là môn học cơ sở kỹ thuật nhằm trang bị cho sinh viên kiến thức cơ bản về Đất phục vụ cho mục đích xây dựng. Giúp cho sinh viên có kiến thức để tiếp cận chuyên môn lĩnh vực Nền Móng nói riêng và Công trình xây dựng nói chung. Mặc dù là môn môn cơ sở được dạy từ lâu trong các trường khối kỹ thuật xây dựng, đã có một hệ thống giáo trình và sách tham khảo khá hoàn chỉnh nhưng vẫn phải thường xuyên cập nhật, chỉnh sửa để đáp ứng tốt nhất nhu cầu học tập, nghiên cứu, ứng dụng của sinh viên cũng như cán bộ kỹ thuật xây dựng. Bộ môn Địa kỹ thuật -Trường Đại học Thuỷ lợi đã biên soạn cuốn Bài giảng Cơ học Đất với mục tiêu sao cho sát với chương trình giảng dạy, cung cấp được hầu hết kiến thức cơ bản của môn học và cập nhật được thông tin từ các sách chuyên ngành mới dịch của nước ngoài. Nội dung của cuốn Bài giảng này cơ bản dựa trên nội dung của cuốn Cơ học Đất do GS.TSKH Cao Văn Chí và bản dịch cuốn: “ Giới thiệu Địa kỹ thuật” của Hotz và Kovacs Tham gia biên soạn gồm các thầy cô trong bộ môn: ThS Hoàng Việt Hùng viết chương 1 PGS.TS Nguyễn Hữu Thái viết chương 2 ThS Mạc Thị Ngọc viết chương 3 PGS.TS Nguyễn Hồng Nam viết chương 4 ThS Phạm Huy Dũng viết chương 5 GVC.ThS Nguyễn Việt Quang viết chương 6 Cuốn bài giảng đã được tinh giản nội dung theo phương châm cơ bản, hiện đại có kế thừa kiến thức và kinh nghiệm của các lớp thầy cô đã giảng dạy tại bộ môn. Mặc dù tập thể biên soạn đã rất cố gắng nhưng không thể tránh được các sai sót. Rất mong nhận được sự góp ý của các bạn sinh viên và đọc giả để cuốn bài giảng ngày càng hoàn chỉnh hơn. Các tác giả CHƯƠNG 1. TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT §1.1. Các pha hợp thành đất và tác dụng tương hỗ giữa chúng Đất là sản phẩm của sự phong hóa đá gốc thành các hạt đất, các hạt đất tự sắp xếp tạo thành khung cốt đất có nhiều lỗ rỗng, trong các lỗ rỗng có chứa nước và không khí. Như vậy đất gồm 3 thành phần vật chất: • Hạt đất ( pha rắn). • Nước trong đất ( pha lỏng). • Khí trong đất ( pha khí). Tính chất của đất được xác định bởi các yếu tố: • Tính chất của các pha hợp thành đất. • Tỷ lệ về số lượng giữa các pha. • Các tác dụng địa phân tử, tác dụng hóa lý, tác dụng cơ học giữa các pha với nhau và giữa các nhóm hạt. I- Pha rắn (Hạt đất). Pha rắn của đất bao gồm các hạt đất ( hạt khoáng vật) có kích thước khác nhau chiếm phần lớn thể tích khối đất, tạo thành khung cốt đất. Có ba yếu tố của pha rắn ảnh hưởng đến những tính chất của đất là: Thành phần khoáng vật của hạt đất, kích thước hạt đất, hình dạng hạt đất. Sau đây sẽ đi phân tích đặc điểm chi tiết của ba yếu tố này. 1. Thành phần khoáng vật hạt đất Khoáng vật được định nghĩa là những đơn chất hay hợp chất hóa học trong tự nhiên, hình thành và tồn tại trong vỏ trái đất hay trên mặt đất trong những điều kiện địa chất nhất định. Hiện nay khoa học đã tìm được khoảng 2800 khoáng vật trong đó có khoảng 50 loại khoáng vật tạo thành đât đá. Các đặc tính của khoáng vật được trình bày ở các sách chuyên ngành kỹ thuật địa chất công trình. Vì đất là sản phẩm của sự phong hóa đá gốc do vậy thành phần khoáng vật của đất phụ thuộc chủ yếu vào thành phần đá gốc và tác dụng phong hóa đá. Tác dụng phong hóa khác nhau sẽ sản sinh các khoáng vật khác nhau ngay cả khi tác dụng phong hóa trên cùng một loại đá gốc. Thành phần khoáng vật của hạt đất có thể chia thành ba loại: Khoáng vật nguyên sinh, khoáng vật thứ sinh ( hai loại này là khoáng vật vô cơ), và chất hóa hợp hữu cơ. Khoáng vật nguyên sinh thường gặp là fenpát, thạch anh và mica. Các hạt đất có thành phần khoáng vật nguyên sinh thường có kích thước lớn, lớn hơn 0,005 mm. Các khoáng vật thứ sinh chia làm hai loại: • Khoáng vật không hoà tan trong nước, thường gặp là kaolinít, ilit và monmorilonít, chúng là thành phần chủ yếu của các hạt sét trong đất nên còn gọi là khoáng vật sét. • Khoáng vật hoà tan trong nước thường gặp là canxit, dolomít, mica trắng, thạch cao, muối mỏ v.v .... Các khoáng vật thứ sinh thường có kích thước rất nhỏ, nhỏ hơn 0,005 mm. Chất hoá hợp hữu cơ là sản phẩm được tạo ra từ di tích thực vật và động vật, ở giai đoạn phá huỷ hoàn toàn, sản phẩm này được gọi là mùn hữu cơ. Ảnh hưởng của thành phần khoáng vật đến các tính chất của đất có thể thấy: Với đất có kích thước hạt lớn: Thành phần khoáng vật không ảnh hưởng nhiều đến tính chất của đất. Với đất có kích thước hạt nhỏ: Thành phần khoáng vật ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất của đất vì chúng ảnh hưởng đến hoạt tính bề mặt hạt đất dẫn đến ảnh hưởng tới lớp nước kết hợp mặt ngoài hạt đất. Các tính chất ảnh hưởng này sẽ được phân tích kỹ hơn trong phần phân tích sự hình thành lớp nước kết hợp mặt ngoài. 2. Thành phần cấp phối hạt 2.1. Các khái niệm • Nhóm hạt: Là tập hợp các hạt trong đất có kích thước nằm trong một phạm vi nhất định. • Cấp phối hạt: Lượng chứa tương đối của các nhóm hạt trong đất tính bằng phần trăm tổng lượng đất khô. 2.2. Biểu thị cấp phối hạt của đất Lấy đất về, sấy khô, giã nhỏ, làm thí nghiệm phân tích hạt. Mục đích của thí nghiệm phân tích hạt là xác định phạm vi kích cỡ hạt trong đất và phần trăm các hạt của mỗi nhóm kích cỡ. Có hai phương pháp thường dùng để thí nghiệm phân tích hạt là phương pháp sàng (rây) được thực hiện với đất hạt thô và phương pháp tỷ trọng kế ( phương pháp lắng) được thực hiện với đất hạt mịn. a) Phương pháp sàng Với các hạt có đường kính d > 0,1mm sẽ sử dụng phương pháp sàng. Phương pháp này sẽ dùng một hệ thống các sàng có kích thước mắt sàng khác nhau và thường được gọi là bộ rây tiêu chuẩn. Các tiêu chuẩn ban hành khác nhau thì có sự chênh lệch đôi chút về kích cỡ mắt sàng. Chẳng hạn theo tiêu chuẩn Mỹ ( US Standard) thì quy định sàng số 4 có đường kính mắt sàng là 4,76mm, sàng số 10 có đường kính 2mm vv. Nhưng nguyên lý chung khi phân tích hạt thì không thay đổi. Hình 1.1: Hệ thống rây tiêu chuẩn Để phân tích hạt theo phương pháp sàng, mẫu đất được sấy khô sau đó giã nhỏ để làm tơi mẫu đất bằng cối sứ - chày cao su. Đất sau khi giã tơi được đổ vào hệ thống sàng và lắc đều. Các hạt lớn đọng ở các sàng bên trên, các hạt nhỏ hơn đọng lần lượt ở các sàng phía dưới. Các nhóm hạt đọng trên các sàng sẽ được cân để xác định cấp phối hạt. b) Phương pháp tỷ trọng kế Với các hạt có đường kính nhỏ d ≤ 0,1mm dùng phương pháp tỷ trọng kế để phân tích hạt (Lưu ý tiêu chuẩn Mỹ thì qui định d ≤ 0,074mm). Phương pháp này dựa trên định luật Stokes, các hạt có đường kính khác nhau khi lắng chìm trong nước sẽ lắng đọng với các tốc độ khác nhau. Định luật Stokes đưa ra vận tốc lắng chìm của hạt hình cầu: v = η γ−γ 18 ws d2 (1.1) Trong đó: v: Vận tốc của hạt hình cầu lắng đọng trong chất lỏng. d: Đường kính hạt. sγ : Trọng lượng riêng hạt. γw: Trọng lượng riêng của nước. η: Độ nhớt của chất lỏng. Nếu biết khoảng cách lắng chìm là (h) và thời gian chìm lắng là (t) thì sẽ tính được: t hv = (1.2) Từ đó suy ra đường kính hạt ( kết hợp với công thức 1.1). Sau khi làm thí nghiệm phân tích hạt, biểu diễn cấp phối hạt bằng đường cong cấp phối. Hình 1.2: Phương pháp tỷ trọng kế Ví dụ 1.1: Có 300gam đất khô, sau khi cho vào rây xác định được khối lượng riêng trên mỗi rây như sau: Các hạt có đường kính d ≤ 0,1mm có khối lượng là 60g, tiếp tục làm thí nghiệm tỷ trọng kế xác định được: 0,05 mm 30g 0,01 mm 15g 0,005 mm 9g d ≤ 0,005mm => 6g Đường kính rây Khối lượng 2mm 15g 1mm 15g 0,5mm 30g 0,25mm 60g 0,1mm 120g Đáy hứng 60g Lập bảng tính X% d (mm) >2 2÷1 1÷0,5 0,5÷ 0,25 0,25÷ 0,1 0,1÷ 0,05 0,05÷ 0,01 0,01÷ 0,005 <0,005 X% 5 5 10 20 40 10 5 3 2 95 90 80 60 20 10 5 Vẽ đường cong cấp phối: Để vẽ đường cong cấp phối, dùng hệ trục bán logarit, việc dùng hệ trục này giúp để thu gọn hệ trục và nổi bật các hạt có đường kính nhỏ. Nếu không sử dụng giấy logarit, có thể vẽ trực tiếp theo trình tự như sau: Kẻ trục tung với tỷ lệ chọn theo phần trăm cấp phối tích lũy. Kẻ hai trục hoành, một trục hoành lgd và một trục d. Nhận xét : lg10 =1 ; lg1 = 0; lg0,1 = -1; lg0,01 = -2, lg 0,001 = -3. Sau khi lg thì kết quả đều nhau. Vì vậy trục lgd sẽ giúp hỗ trợ định vị vị trí đường kính hạt. lg= 0,3 ; lg0,5 = -0,3 ; lg0,25 = -0,6 ; lg0,05 = -1,3. X% d 10 1 0,1 0,01 0,001 20 40 60 80 100 lgd 0 -2 -3 2 0,3 0,5 0,25 0,05 -1-0,3 -0,6 -1,3 Hình 1.3: Ví dụ về vẽ đường cong cấp phối (Theo TCXD 45-78) Ứng dụng của đường cong cấp phối: • Xác định được cấp phối của đất Ví dụ: Cát là những hạt có 0,1<d ≤ 0,2mm, đọc trên đường cong cấp phối vừa vẽ, xác định được cát chiếm 75%. Bụi là những hạt có 0,005<d≤0,