BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI BÀI GiẢNG MÔN CƠ HỌC ĐẤT HỆ ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH : Xây dựng cầu đường Giảng viên : Đồng Minh Khánh Thái nguyên, Năm 2014 Chương CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 1.1 Phần mở đầu đối tượng nghiên cứu Cơ học đất ngành học ứng dụng chuyên nghiên cứu đất Hầu hết công trình xây dựng đặt đất, nghĩa dùng đất làm cho công trình, số khác công trình đường, đê, đập đất lại dùng đất làm vật liệu xây dựng Như đối tượng nghiên cứu học đất loại đất thiên nhiên, sản phẩm trình phong hóa đá gốc lớp vỏ đất Mỗi loại phong hóa có tác dụng phá hủy đá gốc khác tạo loại đất khác Đặc điểm đất vật thể gồm nhiều hạt rắn riêng rẽ không gắn với gắn kết với liên kết có sức bền nhỏ nhiều lần so với sức bền thân hạt đất Do trình hình thành đất mà chúng tồn độ rỗng đất độ rỗng lại có khả thay đổi ảnh hưởng tác động bên Ngoài bề mặt hạt đất có lượng, chúng gây tượng vật lý hóa lý phức tạp, dẫn đến làm thay đổi tính chất vật lý học đất Vì nghiên cứu đất phải nghiên cứu đến nguồn gốc hình thành điều kiện tự nhiên mà đất tồn Đặc điểm nội dung môn học Cơ học đất môn học cần vận dụng hiểu biết đất từ môn khoa học khác có liên quan địa chất công trình, thổ chất học Và đồng thời vận dụng kết ngành học khác học vật thể biến dạng (lý thuyết đàn hồi, lý thuyết dẻo, lý thuyết từ biến) Trên sở lý thuyết này, Cơ học đất xây dựng lý thuyết riêng phù hợp với trình học xảy đất Tuy nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm quan trắc thực tế đóng vai trò định nghiên cứu sử dụng đất xây dựng Từ nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm, học đất tập trung giải nhiệm vụ nội dung sau: - Xác lập quy luật trình học xảy đất, đồng thời xác định đặc trưng tính toán ứng với trình xảy - Nghiên cứu phân bố ứng suất đất, quan hệ ứng suất biến dạng tác dụng ngoại lực - Giải toán biến dạng, cường độ, ổn định đất, mái dốc toán áp lực đất tác dụng lên tường chắn Sơ lược lịch sử phát triển môn học Công trình khoa học Cơ học đất C.A Coulomb (1736 -1806) thiếu tá kỹ sư công binh, viện sĩ viện khoa học Pháp, năm 1773 đưa lý thuyết tiếng cường độ chống cắt đất người xây dựng phương pháp xác định áp lực đất lên vật chắn Trải qua hai kỷ ngày nay, phương pháp ông sử dụng rộng rãi Sự hình thành học đất môn khoa học độc lập với hệ thống hoàn chỉnh phương pháp riêng biệt xem năm 1925, K.Terzaghi(1883-1963) cho xuất “ Cơ học đất sở vật lý đất” Năm 1963 Hội nghị khoa học quốc tế Cơ học đất - Nền móng họp lần thứ sau năm họp lần Hội nghị Cơ học đất - Nền móng hội thảo khoa học liên quan tổ chức nhiều nước khu vực Đến nay, Cơ học đất trở thành môn khoa học với nhiều nội dung phong phú, gồm nhiều lĩnh vực khác nhằm đáp ứng phát triển mạnh mẽ công nghiệp, xây dựng 1.2 Nguồn gốc hình thành cấu tạo đất 1.2.1 Nguồn gốc hình thành Đất sản phẩm phong hóa đá gốc thành hạt đất 1.2.2 Thành phần cấu tạo đất Các hạt đất tự xếp tạo thành khung cốt đất có nhiều lỗ rỗng, lỗ rỗng có chứa nước không khí Như đất gồm ba thành phần (ba pha): + Hạt đất (pha rắn); Qk Vk KhÝ + Nước đất (pha lỏng); Vr + Khí đất (pha khí) Qn Vn N­íc Q Qh H¹t V 1.2.3 Liên kết kết cấu đất - Liên kết nguyên sinh: Là tác dụng lực hút phân tử hạt với hạt với nước Các liên kết thường có tính đàn hồi tính nhớt - Liên kết thứ sinh: Là liên kết cứng hạt đất, hình thành hóa già chất keo kết tinh muối đất Liên kết thứ sinh làm cho đất chịu tải trọng lớn, nhiên dễ bị phá hoại giòn, đột biến khó khôi phục 1.3 Các tính chất vật lý đất 1.3.1 Trọng lượng thể tích Trọng lượng thể tích tự nhiên (trọng lượng đơn vị) - Là trọng lượng đơn vị thể tích đất trạng thái tự nhiên - Công thức: Q(KN/m3)   V Trong đó: Q- trọng lượng mẫu đất trạng thái tự nhiên (kN) V- thể tích tự nhiên (m3) - Thí nghiệm: Bằng phương pháp dao đai Phương pháp dao đai phương pháp đơn giản tốn nhiều thời gian sức lực thí nghiệm Khối lượng m khối lượng đất dao đai Thể tích V thể tích dao đai Phương pháp rót cát Phương pháp bóng cao su Cả hai phương pháp sử dụng chung nguyên lý: thể tích lỗ đào đất xác định thông qua vật liệu khác: cát có kích thước chuẩn (đối với phương pháp rót cát) nước (đối với phương pháp bóng cao su) Phương pháp phóng xạ đo độ dẫn điện không cần phải đào lỗ đất để xác định khối lượng đất thể tích lỗ đào Độ ẩm khối lượng thể tích đất xác định dựa vào mối quan hệ xác lập trước độ ẩm khối lượng thể tích với khả lan truyền phóng xạ độ dẫn điện Trọng lượng thể tích no nước: - Là trọng lượng đơn vị thể tích đất trạng thái no nước - Công thức:  nn Qh  V r *  n (kN/m )  V Trong đó: Qh- trọng lượng thành phần hạt mẫu (kN) Vr- thể tích lỗ rỗng có mẫu đất (m3) - trọng lượng riêng nước (kN/m3) n 3.Trọng lượng thể tích đẩy nổi: - Là trọng lượng đơn vị thể tích đất nằm nước - Công thức:  đn  Qh  V h *  n   nn(kN/m   n 3) V Trong đó: Vh- thể tích thành phần hạt (m3) Và theo cách làm tương tự, cuối kết quả: qK a h E a  K a h   C0 ch 1  tgtg  Cường độ áp lực đất, chiếu theo phương ngang, chiều sâu z là: qK a p a  K a z   C0c 1  tgtg  Trường hợp đặc biệt,  =  =  =0, biểu thức thành: Ea  K a h  qK a h  C0 ch pa  K a z  qK a  C0 c  '  K a  tg  45   2  '   C0  2tg  45    K a 2  Chiều sâu (hc) mà biểu đồ pa = là: C0 c  qK a hc  K a q pa(0)=(q.Ka-C0.c)>0 pa(0)=(q.Ka-C0.c) Ka2 : Ka1  Ka2 h1 A pa(1) B h2 pa'(1) C p'a(2) pa(2)=Ka1.h1+h2) a) Truêng hîp Ka1 > Ka2 Khi 1 > 2  Ka1 < Ka2 h1 A pa(1) B h2 pa'(1) C pa(2)=Ka1.h1+h2) p'a(2) b) Truêng hîp Ka1 < Ka2 b Trường hợp hai lớp đất có 1  2 1 = 2 =  * Khi 1 > 2  Ka1 = Ka2: K =K =K h1 A pa(1) B h2 pa'(1) C p'a(2) pa(2)=Ka1.h1+h2) a) Truêng hîp 1 > 2 Khi 1 < 2  Ka1 = Ka2: h1 A pa(1) B h2 pa'(1) C pa(2)=Ka1.h1+h2) p'a(2) b) Truêng hîp 1 < 2 7.2.2 XÁC ĐỊNH ÁP LỰC ĐẤT BỊ ĐỘNG (đất rời)   C   h W  E W  R  180-    R  E    X  E W  sin    ' sin180       '  = 90o -  +  W sin    ' W sin    ' E  sin180       ' sin      ' Tương tự trường hợp áp lực chủ động, cho kết sau: E p  K p h 2 đó: Kp - hệ số áp lực đất chủ động, tính sau: * Khi   ;   ;   Kp  cos  '   sin  ' sin  '    cos  cos   1       cos    cos      2 * Khi  =  =  =  o '  K p  tg  45   2  Cường độ áp lực đất, chiếu theo phương ngang (Hình 6.23), chiều sâu(z) là: z 1 2 d  K p z  dE p   pp    K p z dz dz h pp(z)=p.z z0=h/3 Ep pp(h).h p = .Kp.h p(h) Một cách tổng quát có công thức tính cường độ áp lực đất theo chiều sâu z áp lực đất bị động (trường hợp góc  =  =  = 0) sau: p p  K p z  qK p  C0 c  '  C0  2tg  45    K p 2  VÍ DỤ Vẽ biểu đồ phân bố áp lực đất chủ động lên lưng tường chắn Tính trị số áp lực đất chủ động xác định điểm đặt Trên mặt đất có tải trọng rải kín khắp với cường độ q=15kN/m2 Biết lưng tường nhẵn, thẳng đứng, mặt đất sau lưng tường nằm ngang (hình vẽ) (tức góc  =  =  = 0o) q =15kN/m2 5m  = 19kN/m3  = 24o c = 10 kN/m2 q =15kN/m2 5m  = 19kN/m3  = 24o c = 10 kN/m2 Bài giải: Cường độ áp lực đất chủ động theo chiều sâu z: pa   K a z  q.K a  C0 c (với z   h)  24  2 2 K a  tg  45    tg  45    0,422 2    C0  K a  * 0,422  1,3 - Tại z = - Tại z = h p a  q.K a  C c  15 * 0,422  1,3 *10  6,67 kN / m pa1  pa   K a h  6,67  19 * 0,422 *  33,42kN / m h-hc h hc pao < (+) Ea1 1/3(h-hc) pa1 * Trị số áp lực đất sau lưng tường diện tích phần biểu đồ mang dấu (+) Nếu gọi khoảng cách từ mặt đất đền điểm mà pa = hc , ta có: hc  cC0  q.K a 6, 67   0,832m  K a 19 * 0, 422 h-hc h hc pao < (+) Ea1 1/3(h-hc) pa1 Trị số áp lực đất tính sau: E a  pa1  h  hc  Ea  *33, 42*   0,832   69, 64kN / m 1 t   h  h   5  0,832  1,39m * Điểm đặt trị số Ea cách chân a 3 tường đoạn: VÍ DỤ Vẽ biểu đồ phân bố áp lực đất chủ động lên lưng tường chắn Tính trị số áp lực đất chủ động xác định điểm đặt Biết lưng tường nhẵn, thẳng đứng, mặt đất sau lưng tường nằm ngang, (hình vẽ) (các góc  =  =  = 0o) 3m 1 = 17kN/m3 1 = 30o 2m 2 = 18kN/m3 2 = 30o ... điểm nội dung môn học Cơ học đất môn học cần vận dụng hiểu biết đất từ môn khoa học khác có liên quan địa chất công trình, thổ chất học Và đồng thời vận dụng kết ngành học khác học vật thể biến... thành học đất môn khoa học độc lập với hệ thống hoàn chỉnh phương pháp riêng biệt xem năm 1925, K.Terzaghi(1883-1963) cho xuất “ Cơ học đất sở vật lý đất Năm 1963 Hội nghị khoa học quốc tế Cơ học. .. quốc tế Cơ học đất - Nền móng họp lần thứ sau năm họp lần Hội nghị Cơ học đất - Nền móng hội thảo khoa học liên quan tổ chức nhiều nước khu vực Đến nay, Cơ học đất trở thành môn khoa học với nhiều