Đang tải... (xem toàn văn)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI• • • Bộ MÔN ĐỊA KỸ THUẬT cơ HỌC ĐÁT NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA HÀ NỘI Tập thế tác giả PGS TS Hoàng Việt Hùng (Chủ biên) PGS TS Nguyễn Hữu Thái TS Trần Thế Việt TS Nguyễn Thị Ngọc H[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI • • • Bộ MƠN ĐỊA KỸ THUẬT HỌC ĐÁT NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA HÀ NỘI Tập tác giả: PGS TS Hoàng Việt Hùng (Chủ biên) PGS TS Nguyễn Hữu Thái TS Trần Thế Việt TS Nguyễn Thị Ngọc Hương ThS Phạm Huy Dũng TS Nguyễn Văn Lộc Biên mục xuất phẩm Thư viện Quốc gia Việt Nam Cơ học đất / Hoàng Việt Hùng (ch.b.), Nguyễn Hữu Thái, Trần Thế Việt - H : Bách khoa Hà Nội, 2020 - 348tr.; 27cm ĐTTS ghi: Trường Đại học Thủy lợi Bộ môn Địa kỹ thuật Cơ học đất Giáo trình 624.15136071 - dc23 BKK0040p-CIP LỜI NĨI ĐẦU Cơ học Đất mơn học sở kỹ thuật nhằm trang bị cho sinh viên kiến thức đất phục vụ cho mục đích xây dựng Mơn học giúp cho sinh viên có kiến thức đê tiếp cận chun mơn lĩnh vực móng nói riêng cơng trình xây dụng nói chung Mặc dù môn sở dạy từ lâu trường khối kỹ thuật xây dựng, có hệ thống giáo trình sách tham khảo hoàn chỉnh phải thường xuyên cập nhật, chỉnh sửa để đáp ứng tốt nhu cầu học tập, nghiên cúu, ứng dụng sinh viên cán kỳ thuật xây dựng Bộ môn Địa kỹ thuật - Trường Đại học Thủy lợi tiến hành biên soạn sách “Cơ học Đất” với mục tiêu bám sát chương trình giảng dạy trường khối kỹ thuật xây dựng, cung cấp hầu hết yêu cầu kiến thức môn học cập nhật thông tin từ sách chuyên ngành dịch nước Nội dung sách dựa • Cơ học • Đất GS TSKH Cao Văn Chí biên soạn • dịch • cuốn: “Giới thiệu Địa kỹ thuật” Hotz Kovacs Tập tác giả tham gia biên soạn sách bao gồm: - PGS TS Hoàng Việt Hùng biên soạn chương chù biên toàn sách; - PGS TS Nguyễn Hữu Thái biên soạn chương 2; - TS Trần Thế Việt biên soạn chương 3; - TS Nguyễn Thị Ngọc Hương biên soạn chương 4; - ThS Phạm Huy Dũng biên soạn chương 5; - TS Nguyễn Văn Lộc biên soạn chương Cuốn sách tinh giản nội dung theo phương châm bản, đại có kế thừa kiến thức kinh nghiệm lớp thầy cô giảng dạy Bộ môn Mặc dù tập thể biên soạn cố gắng khơng thể tránh sai sót Chúng tơi mong nhận ý kiến đóng góp quý thầy cô, bạn đọc bạn sinh viên để sách ngày hoàn thiện lần xuất sau Trân trọng cảm ơn! CÁC TÁC GIẢ MỤC LỤC LỜI NÓI ĐÀU Chương TÍNH CHÁT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 1.1 Các pha hợp thành đất tác dụng tương hỗ chúng 1.1.1 Pha rắn (hạt đất) 1.1.2 Pha lỏng (nước đất) 16 1.1.3 Pha khí đất 19 1.2 Các tiêu tính chất vật lý trạng thái vật lý đất 19 1.2.1 Các tiêu tính chất vật lý đất 19 1.2.2 Các tiêu trạng thái vật lý đất 25 1.3 Phân loại đất 32 1.3.1 Mục đích 32 1.3.2 Giới thiệu số tiêu chuẩnphân loại đất điển hình 32 1.4 Một số lưu ý đánh giá tínhchất vật lý đất 41 Bài tập chương 42 Chương TÍNH CHÁT HỌC CỦA ĐÁT 44 2.1 Mơ đầu 44 2.2 Tính thấm nước đất 44 2.2.1 Khái niệm dòng thấm đất 44 2.2.2 Định luật Darcy 48 2.2.3 Hệ số thấm phương pháp xác định 50 2.3 Tính ép co biến dạng đất 53 2.3.1 Khái niệm tính ép co biến dạng đất 53 2.3.2 Quan hệ biến thiên thể tích (AV) biến thiên hệ số rỗng (Ae) 54 2.3.3 Thí nghiệm ép co khơng nở hơng định luật ép co 55 2.3.4 Xác định đặc trưng biến dạng đất 65 2.3.5 Cố kết đất dính bão hịa nước chuyển hóa ứng suất trình cố kết thấm 68 2.4 Cường độ chống cắt đất 71 2.4.1 Khái niệm cường độ chống cắt đất 71 2.4.2 Thí nghiệm cắt trực tiếp định luật Coulomb 73 2.4.3 Tiêu chuẩn phá hoại Mohr - Coulomb 76 2.4.4 Thí nghiệm ba trục 90 2.4.5 Cường độ chống cắt đất cát 92 2.4.6 Cường độ chống cắt đất sét 98 2.5 Tính đầm chặt đất 110 2.5.1 Ý nghĩa thực tế mục đích đầm chặt đất 110 2.5.2 Nguyên lý đầm chật đất 111 2.5.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến tính đầm chặt đất 116 Bài tập chương 117 Chương XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT TRONG ĐẤT 120 3.1 Mơ đầu 120 3.1.1 Các loại ứng suất đất 120 3.1.2 Các giả thiết để tính tốn 121 3.2 Xác định ứng suất băn thân 121 3.2.1 ứng suất thân đất 122 3.2.2 ứng suất thân cơng trình đất 128 3.3 Xác định áp suất đáy móng 129 3.3.1 Tính áp suất đáy móng cơng trình chịu tải trọng thẳng đứng đặt tâm 129 3.3.2 Tính áp suất đáy móng cơng trình chịu tải trọng thẳng đứng đặt lệch tâm 130 3.3.3 Trường họp móng cứng hình băng chịu tải lệch tâm 133 3.3.4 Trường họp tải trọng có dạng tống quát 134 3.4 Úng suất tăng thêm cơng trình .136 3.4.1 Hai toán 137 3.4.2 ứng suất tăng thêm đồng chất mặt chịu tải trọng thẳng đứng phân bố diện tích hình chữ nhật 145 3.4.3 ứng suất tăng thêm mặt chịu tải trọng hỉnh băng 167 Bài tập chương 182 Chương sức CHỊU TÃI CỦA NÈN MĨNG NƠNG 187 4.1 Mơ đầu 187 4.2 Các giai đoạn trạng thái ứng suất đất tăng tải 187 4.2.1 Đặc điểm phá hoại đất tăng tải 187 4.2.2 Thí nghiệm bàn nén chịu tải trọng thẳng đứng 190 4.3 Xác định tải trọng giói hạn thứ (Pgh) 193 4.3.1 Lập phương trình đường bao vùng biến dạng dẻo 194 4.3.2 Xác định độ sâu phát triển lớn (Zmax) vùng dẻo ứng với tải trọng p cho trước 195 4.3.3 Xác định tải trọng giới hạn thứ prgh 196 4.4 Các phương pháp phân tích sức chịu tải giới hạn đất - hệ số an toàn sức chịu tải cho phép 201 4.4.1 Phương pháp trường ứng suất 201 4.4.2 Phương pháp cân giới hạn khối rắn 203 4.4.3 Hệ số an toàn sức chịu tải cho phép 206 4.5 Các phương pháp xác định sức chịu tải giới hạn 210 4.5.1 Lời giải giải tích Prandtl cho trường họp đất khơng trọng lượng (y = 0) với tải trọng thắng đứng (ô = 0) 210 4.5.2 Lời giải giải tích Reissner cho trường họp đất không trọng lượng (y = 0) với tải trọng thắng đứng (ỗ = 0) 212 4.5.3 Lời giải giải tích Novotortsev cho trường họp đất khơng trọng lượng (y = 0) với tải trọng nghiêng (ô 0) 212 4.5.4 Trường hợp tổng quát (y * 0, (p * 0, c * 0, q 0) - phương pháp cộng tác dụng Sokolovski 213 4.5.5 Phương trình sức chịu tải Terzaghi 216 4.5.6 Phương trình sức chịu tải tống quát 221 4.5.7 Phương pháp cân giới hạn Evdokimov 235 Bài tập chương 244 Chương ÁP Lực ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN 246 5.1 Mở đầu 246 5.2 Các loại áp lực đất tác dụng lên tường chắn đất điều kiện hình thành 248 5.3 Xác định áp lực đất tĩnh 251 5.3.1 Trường hợp lưng tường thẳng đứng, mật đất nằm ngang 251 5.3.2 Trường họp lưng tường mặt đất đắp nghiêng 253 5.4 Tính tốn áp lực đất theo lý thuyết Rankine 254 5.4.1 Nguyên lý tính tốn 254 5.4.2 Các giả thiết 255 5.4.3 Xác định áp lực đất chủ động 255 5.4.4 Xác định áp lực đất bị động 257 5.4.5 Tính tốn áp lực đất số trường họp khác 259 5.5 Tính tốn áp lực đất theo lý luận Coulomb 268 5.5.1 Các giả thiết 268 5.5.2 Ngun lý tính tốn 268 5.5.3 Xác định áp lực đất chủ động 268 5.5.4 Xác định áp lực đất bị động 273 Bài tập chương .279 Chương XÁC ĐỊNH Độ LÚN CỦA NỀN CỒNG TRÌNH 281 6.1 Mở đầu 281 6.2 Xác định độ lún cố kết on định .282 6.2.1 Tính tốn độ lún cố kết hướng 282 6.2.2 Tính tốn độ lún cố kết có xét đến biến dạng hơng 292 6.3 Xác định độ lún cố kết theo thòi gian ST 297 6.3.1 Lý thuyết cố kết thấm Terzaghi 297 6.3.2 Tính độ lún theo thời gian 302 6.4 Dự tính độ lún móng theo phương pháp lóp tương đương đất 320 6.4.1 Biến thiên độ lún theo thời gian 328 6.4.2 Xác định vùng hiệu nén theo phương pháp lớp tương đương 332 6.4.3 Tính độ lún móng tầng đất phân lớp 335 Bài tập chương .341 TÀI LIỆU THAM KHẢO 346 Chương TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 1.1 CÁC PHA HỢP THÀNH ĐÁT VÀ TÁC DỤNG TƯƠNG HÔ GIỮA CHÚNG Đất sản phẩm phong hóa đá gốc thành hạt đất, hạt đất tự xếp tạo thành khung cốt đất có nhiều lỗ rỗng, lỗ rỗng có chứa nước khơng khí Như vậy, đất gồm ba thành phần vật chất: - Hạt đất (pha rắn); - Nước đất (pha lỏng); - Khí đất (pha khí) Tính chất đất xác định bời yếu tố: - Tính chất pha hợp thành đất; - Tỷ lệ số lượng pha; - Các tác dụng địa phân tử, tác dụng hóa lý, tác dụng học pha với nhóm hạt 1.1.1 Pha rắn (hạt đất) Pha rắn đất bao gồm hạt đất (hạt khống vật) có kích thước khác chiếm phần lớn thể tích khối đất, tạo thành khung cốt đất Có ba yếu tố pha rắn ảnh hưởng đến tính chất đất là: thành phần khống vật hạt đất, kích thước hạt đất, hình dạng hạt đất Sau phân tích đặc điểm chi tiết ba yếu tố 7.7.7.7 Thành phần khoáng vật hạt đất Khoáng vật định nghĩa đơn chất hay hợp chất hóa học tự nhiên, hình thành tồn vỏ Trái Đất hay mặt đất điều kiện địa chất định Hiện nay, khoa học tìm khoảng 2800 khống vật, có khoảng 50 loại khống vật tạo thành đất đá Các đặc tính khống vật trình bày sách chun ngành kỹ thuật địa chất cơng trình Vì đất sản phẩm phong hóa đá gốc, thành phần khoáng vật đất phụ thuộc chủ yếu vào thành phần đá gốc tác dụng phong hóa đá Tác dụng phong hóa khác sản sinh khoáng vật khác tác dụng phong hóa loại đá gốc Thành phần khống vật hạt đất chia thành ba loại: khoáng vật nguyên sinh, khoáng vật thứ sinh (hai loại khống vật vơ cơ) chất hóa họp hữu Khoáng vật nguyên sinh thường gặp felspat, thạch anh mica Các hạt đất có thành phần khống vật ngun sinh thường có kích thước lớn, lớn 0,005 mm Các khoáng vật thứ sinh chia làm hai loại: - Khống vật khơng hịa tan nước, thường gặp kaolinite, ilite montmorillonite, chúng thành phần chủ yếu hạt sét đất nên cịn gọi khống vật sét - Khống vật hòa tan nước thường gặp canxit, dolomite, mica trắng, thạch cao, muối mỏ Các khoáng vật thứ sinh thường có kích thước nhỏ, nhỏ 0,005 mm Chất hóa họp hữu sản phấm tạo từ di tích thực vật động vật, giai đoạn phá hủy hoàn toàn, sản phấm gọi mùn hữu Ánh hưởng thành phần khống vật đến tính chất đất thấy: - Với đất có kích thước hạt lớn: Thành phần khống vật khơng ảnh hường nhiều đến tính chất đất - Với đất có kích thước hạt nhỏ: Thành phần khoáng vật ảnh hưởng nhiều đến tính chất đất chúng ảnh hưởng đến hoạt tính bề mặt hạt đất dẫn đến ảnh hưởng tới lớp nước kết họp mặt ngồi hạt đất Các tính chất ảnh hường phân tích kỹ phần phân tích hình thành lớp nước kết hợp mặt 1.1.1.2 Thành phần cấp phối hạt a) Các khái niệm - Nhóm hạt: tập họp hạt đất có kích thước nằm phạm vi định - Cấp phối hạt: lượng chứa tương đối nhóm hạt đất tính phần trăm tổng lượng đất khô b) Biểu thị cấp phối hạt đắt Lấy đất về, sấy khô, giã nhỏ, làm thí nghiệm phân tích hạt Mục đích thí nghiệm phân tích hạt xác định phạm vi kích cỡ hạt đất phần trăm hạt nhóm kích cờ Có hai phương pháp thường dùng để thí nghiệm phân tích hạt phương pháp sàng (rây) thực với đất hạt thô phương pháp tỷ trọng kế (phương pháp lắng) thực với đất hạt mịn bl) Phương pháp sàng Với hạt có đường kính d > 0,1 mm sử dụng phương pháp sàng Phương pháp dùng hệ thống sàng có kích thước mắt sàng khác thường gọi rây tiêu chuẩn Các tiêu chuẩn ban hành khác có chênh lệch đơi chút kích cỡ mắt sàng Chẳng hạn theo tiêu chuẩn Mỹ (ƯS Standard) quy định sàng số có 10 Tính tốn gần giới hạn (độ sâu cuối cùng) tầng nén lún: Nếu độ sâu có tầng đá khơng nén lún, cần phải xét tới điều kiện biên mới, nghĩa độ sâu cuối tầng nén lún Có thể giả thiết tiếp độ sâu 2htd, đất khơng nén lún với kích thước mật gia tải cho, vậy, khơng phải xét tới độ lún chúng Ngồi ra, độ sâu kế từ đáy móng, độ bền kiến trúc đất lớn áp suất sinh tác dụng tải trọng ngồi lên móng, với áp suất cho, đất xem khơng nén lún Khi tầng nén lún có chiều dày hữu hạn, hệ số co cơng thức lóp đất tương đương (6.51) giá trị biến đổi, phụ thuộc tỷ số độ dày tầng nén lún với chiều rộng móng Đe tính gần giới hạn tầng nén lún theo điều kiện nằm đất không nén lún, độ sâu hai lần chiều dày lóp tương đương, dựa lời giải có, giá trị Aco'đã Giáo sư B I Dalmatop xác định Khi đó, giá trị lớn tương đương tầng đất hữu hạn bằng: h'td=Aco'b (6.61) Trong đó: Aco'- hệ số lóp tương đương chiều dày hữu hạn tầng nén lún, giá trị nhận phương pháp gần liên tiếp mà nêu ngắn gọn bảng 6.4 Trong trường họp này, độ lún ổn định toàn phần xác định theo công thức: s = h'td.a().p (6.62) So sánh giá trị nêu hệ số lóp tương đương Aco' với giá trị bản, ví dụ ứng với p = 0,3 (xem bảng 6.4), thấy việc xét tới giới hạn tầng nén lún làm giảm đáng kế chiều dày vùng hiệu nén đất, có ảnh hường tới độ lún Khi dùng lời giải K E Egorop đế tính giá trị lóp tương đương tầng đất hữu hạn hjd hai lóp, B I Dalmatop nhận kết nhỏ chút so với xác định theo bảng 6.4 Bảng 6.4 Giá trị Aơj chiều dày hữu hạn tầng nén lún Tỷ số cạnh mặt đáy móng chữ nhật oc= l/b ỊẲo 334 1,5 10 lớn 0,1 0,60 0,76 0,82 0,94 1,02 1,07 1,14 0,2 0,67 0,83 0,92 1,05 1,15 1,23 1,26 0,3 0,83 1,00 1,13 1,29 1,44 1,53 1,59 0,4 1,34 1,67 1,85 2,12 2,49 2,65 2,79 Neu độ sâu nằm thục tế cùa đá không nén lún hda nhỏ giá trị 2hJd, tìm từ điều kiện giới hạn tầng nén lún, tính chiều dày tính tốn lớp tương đương, cần phải xét tới độ sâu thực tế nằm đá không nén lún ký hiệu giá trị (ùmh, cần xác định hàm tỷ số (hda/b, 1/b) theo phần phải bảng 6.4 Trong trường họp này, chiều dày lóp tương đương đất: h^Aco^.b (6-63) Chúng tơi cho giới thiệu cách tính gần giới hạn tầng nén lún nằm đá nói chung khơng chịu nén không sâu (nhỏ độ sâu 2htd) diện tích đáy móng lớn (lớn 25-50 m2) Bởi phương pháp lóp tương đương dùng cho tầng đồng nhất, với diện tích chất tải lớn đặc biệt xét tới ảnh hường móng lân cận, cho giá trị độ lún lớn chút 6.4.3 Tính độ lún móng tầng đất phân lớp Khi tầng đất phân lóp, phương pháp lớp tương đương phương pháp chặt chẽ trường họp nửa không gian đồng (mà khơng có lời giải chặt chẽ khác), quy đất tựa đồng (dựa định lý hệ số nén lún tương đối trung bình hệ số thấm trung binh tầng đất phân lớp), phương pháp dùng phương pháp cơng trình dự tính độ lún móng với độ xác đủ cho thực tế Đưa thêm chữ m làm ký hiệu vào giá trị trung bình đại lượng cần xác định, tiếp xem chiều sâu vùng hoạt động H = 2htd chiều dày tầng đất có ảnh hưởng tới độ lún, rút công thức cho giá trị trung bình hệ số nén lún tương đối aom hệ số thấm kthm Khi rút định lý hệ số nén lún tương đối trung bình, cần xét tới tính nén lún lớp đất riêng biệt toàn vùng hiệu nén, chiều dày chúng áp suất tác dụng tải trọng mà lớp đất phải chịu Nhân biểu đồ tam giác tương đương áp suất nén chặt làm sở (xem hình 6.21), tính áp suất trung bình nêu mồi lóp: Trong đó: - Áp suất đáy móng pzi; - Khoảng cách từ điểm ứng với độ sâu 2htd, tới lớp sét (xem hình 6.21) 335 Điều vừa nêu cho phép Vì thuờng tính độ lún, hệ số nén lún đuợc xem nhu không phụ thuộc vào giá trị áp suất ngồi, khơng xác lớn xác định áp suất, ảnh hưởng đến giá trị độ lún tính tốn sơ đồ thừa nhận lại làm đơn giản nhiều cho tính tốn Độ lún tồn tồn vùng nén đất rõ ràng tổng độ lún lóp riêng biệt Lấy giá trị 2htd làm chiều dày vùng hiệu nén đất áp suất tầng đất chịu giá trị trung bình P1 (biều thức (nu)), có: htdaomP = hiaol ^ + h2a„2^ + zntd (m2) zntd Giản ước p giải đố với aom, được: i=n Eha z (6.64a) aom = 1_2h2td Nếu biết độ sâu vùng hiệu nén được: om 2Shiaoizi h 2a (6.64b) Định lý hệ số thấm trung bình tầng đất phân lóp Kthm rút từ luận điếm cho rằng, tổn thất cột áp tầng xét tồng tổn thất cột áp lớp đất riêng biệt, nghĩa là: AH = AH, +AH2+AH3+ (ni) Vì theo luật thấm, lưu lượng nước qth qua đơn vị diện tích mặt cắt ngang bằng: (n2) qth=kth.^p Trong đó: kthi - hệ số thấm H - chiều dài đường thấm, thì: AH = %^-; V ^thm ah.=4!A-; ah,=4^ k lvthl (n3) kIvth2 Trong hi, 112 chiều dày lóp riêng biệt Khi đó, theo phương trình (ni), được: qthH _ qthhi Ị qthh2 Ị qthh3 Ị Kthm 336 ^thl kth2 kth3 (n4) Từ đó: V thm —_ I=n h_ (6.65) kthi Chúng ta lưu ý cần phải lấy chiều dày toàn vùng hiệu nén làm giá trị H Có giá trị aom kthm dễ dàng xác định giá trị độ lún on định Sm độ lún thời gian t bất kỳ, nghĩa St tầng phân lớp xem tựa đồng Sm— htdaom.p (6.66) St = SmU (6.67) Trong độ cố kết u xác định tùy thuộc vào dịng thấm nước lỗ rồng phía hay hai phía giá trị cố kết trường họp cho bằng: c™=-^a om / n (6.68) Ví dụ 6.15 Xác định giá trị độ lún ổn định tồn móng có diện tích đáy chữ nhật (b = 1,6 m, = 3,2 m) độ sâu đặt móng hm = 1,5 m, áp suất lên đất p = 0,2 Mpa trọng lượng riêng đất phía mặt đáy móng Y = 18 kN/m3 Móng xây dựng đất phân lớp (chiều dày lớp hình 6.25) đặc trưng bời lóp thứ (á cát) - aoi = 8.1O5 m2/N, lóp thứ hai (á sét) - ao2 = 1,2.1 o7 m2/N lóp thứ ba (tầng sét dày) - ao3 = 1,510-7 m2/N Khi tỷ số cạnh diện tích đáy = 1/b = 3,2/1,6 = theo bảng 6.4 độ lún trung bình (po = 0,3), tìm được: A