Bài giảng địa kỹ thuật chương 6 (phần 1)

NỘI DUNG § 1

CHƯƠNG 3
CHƯƠNG VI

CƯỜNG ĐỘ KHÁNG CẮT

CƯỜNG ĐỘ KHÁNG CẮT CỦA
ĐẤT CÁTCỦA
VÀ ĐẤT SÉT

ĐẤT CÁT VÀ ĐẤT SÉT

NỘI DUNG § 2

3.1 Giới thiệu chung
3.2 Góc nghỉ của đất cát
3.3 Ứng xử của đất cát bão hòa khi cắt
thoát nước
3.4 Ảnh hưởng của hệ số rỗng và áp lực
thẳng đứng đến sự thay đổi thể tích

§1

3.1 Giới thiệu chung
3.5 Ứng xử của đất cát bão hòa khi cắt
không thoát nước
3.6 Những yếu tố ảnh hưởng đến sức
kháng cắt của đất cát
3.7 Hóa lỏng và ứng xử linh động chu kỳ
của đất cát bão hòa

1. KN về cường độ kháng cắt của đất (CĐKC)
‘’ ứng suất cắt tới hạn hay cực đại mà đất có thể
chịu đựng’’

2. Ý nghĩa trong xây dựng nói chung
-

Ý nghĩa quan trọng trong thiết kế công trình bởi vì
khi sử dụng các hệ số an toàn cao thì các ứng
suất cắt thực tế hình thành trong đất dưới tác
dụng của tải trọng nhỏ hơn rất nhiều so với các
ứng suất gây ra phá huỷ công trình.


§1

§1

3. Một số phương pháp thí nghiệm xác định
CĐKC của đất
-

Thí nghiệm hiện trường
Thí nghiệm trong phòng

3.2 Góc nghỉ của đất cát
1. Giới thiệu chung
Khá
Khái quá

quát về góc nghỉ
nghỉ của đất và sự hình thà
thành đụn cát

4. Yêu cầu kiến thức
Chương này sẽ làm sáng tỏ mối quan hệ cơ bản giữ
giữa
ứng suấ
suất và biế
biến dạng và biể
biểu hiệ
hiện chố
chống cắt của đất
thông qua các kết quả
quả thí
thí nghiệ
nghiệm trong phòng của một
số loạ
loại đất điể
điển hình.
nh. Qua đây,
đây, hy vọng có thể
thể giú
giúp
bạn nhậ
nhận biế
biết đượ
được một số biể
biểu hiệ
hiện của đất khi bị cắt

5. Giới thiệu các ký hiệu được dùng trong chương

Hình 3.2 ảnh các đụn cát ngoà
ngoài thự
thực tế

Hình 3.1 Sự tạo thà
thành của các cồn cát và minh họa góc nghỉ
nghỉ
của cát

Hình 3.3 Góc nghỉ
nghỉ của một số loạ
loại vật liệ
liệu rời


§1

2. Góc nghỉ khô và góc nghỉ ướt
4. Ý nghĩa
của việc
nghiên
c ứ u x ác
định góc
nghỉ khô,
ư ớt

§1

3.3 Ứng xử của đất cát bão hòa khi cắt thoát
nước
1. Sơ đồ thí nghiệm
Hình 3.4
Sơ đồ thí
thí
nghiệ
nghiệm nén
ba trụ
trục cố kết
thoá
thoát nướ
nước
(CD) có đo
thay đổi thể
thể
tích

§1

NX:
Nếu mẫu đất bão hoà
hoà → dễ dàng đo đượ
được lượ
lượng
nướ
nước đi vào hoặ
hoặc đi ra khỏ
khỏi mẫu, cũng chí

chính là sự
biế
biến đổi thể
thể tích và cũng là sự biế
biến đổi hệ số rỗng của
mẫu đất. Lượ
Lượng nướ
nước đi ra khỏ
khỏi mẫu đất trong quá
quá
trì
trình cắt thể
thể hiệ
hiện sự giả
giảm thể
thể tích của mẫu, và ngượ
ngược
lại là sự tăng thể
thể tích của mẫu. Trong cả hai thí
thí
nghiệ
nghiệm, áp lực đẳng hướ
hướng σc bằng với σ3 giữ
giữ không
đổi và ứng suấ
suất dọc trụ
trục gia tăng cho đến khi xảy ra
sự phá
phá hoạ
hoại mẫu đất.

2. Các cách xác định đất ở trạng thái phá hoại
Sự phá
phá hoạ
hoại đượ
được xác định theo:
theo:
1. Độ lệch ứng suấ
suất chí
chính lớn nhấ
nhất (σ1 – σ3)max
2. Hệ số ứng suấ
suất chí
chính hiệ
hiệu quả
quả lớn nhấ
nhất, (σ’
( 1/σ’3)max
3. τ = (σ1 – σ3)/2 tại một biế
biến dạng quy định


Chú ý:
1. (σ
( 1 – σ3)max xác định tại thờ
thời điể
điểm phá
phá hoạ
hoại, cũng là
cườ

ờ
ng
đ
ộ
khá
á
ng
n
é
n
c
ủ
a
m
ẫ
u
đ
ấ
t
.
cư
kh
2. Thí nghiệm cắt mẫu cát rời, khi ứng suất gia tăng thì
hệ số rỗng giảm từ el (e-rời) xuống ecl (ec - rời), rất
gần với e giới hạn ecrit. Casagrande (1936a) gọi là hệ
số rỗng cuối cùng, tại đó xảy ra biến dạng liên tục khi
độ lệch ứng suất chính không đổi, là e tới hạn.

Hình 3.5: Thí
Thí

nghiệ
nghiệm ba trụ
trục trên
các mẫu ‘xốp’ và
‘chặ
chặt’ của một loạ
loại
cát điể
điển hình(a
nh(a))
Đườ
Đường cong ứng
suấ
suất-biế
biến dạng;
ng; (b)
Biế
Biến đổi hệ số rỗng
khi cắt (theo
Hirschfeld.
Hirschfeld. 1963)

2. Khi cắt mẫu cát chặ
chặt, độ lệch ứng suấ
suất chí
chính đạt giá
giá
trị
trị max, sau đó giả
giảm tới gần giá

giá trị
trị (s1-s3)ult của cát rời.
Đườ
ờ
ng
cong
quan
h
ệ
ứ
ng
suấ
ấ
t
Đư
su -hệ số rỗng cho thấ
thấy
ban đầu mẫu cát chặ
chặt giả
giảm nhẹ
nhẹ thể
thể tích,
ch, sau đó phì
phình
ra hay nở ra đạt tới ecd (e-chặ
chặt)

§1

3.4 Ảnh hưởng của hệ số rỗng và áp lực đẳng

hướng đến sự thay đổi thể tích

- Biế
Biến dạng thể
thể tích

(3(3-5)

1. Một số KN và công thức cần quan tâm
- Hệ số ứng suấ
suất chí
chính
(3(3-1)

- Hệ số rỗng giớ
giới hạn ecrit và, giá
gián tiế
tiếp
- Độ chặ
chặt tương đối

- Độ lệch ứng suấ
suất chí
chính
(3(3-2)
- Tại thờ
thời điể
điểm phá
phá hoạ
hoại

(3(3-3)

(3(3-6)


2. Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng và hệ
số rỗng đối với cát chặt và cát xốp

Hình 3.6: Kết quả
quả thí
thí nghiệ
nghiệm nén ba trụ
trục thoá
thoát nướ
nước điể
điển hình của
mẫu cát chặ
suất chí
chính và biế
biến
chặt ở sông SacramentoSacramento- tỷ số ứng suấ
dạng dọc trụ
trục

Hình 3.8: Kết quả
quả thí
thí nghiệ
nghiệm nén ba trụ
trục thoá
thoát nướ

nước điể
điển hình của
biế
ế
n
d
ạ
ng
thể
ể
t
í
ch
v
ới biế
mẫu cát chặ
ặ
t
ở
sông
Sacramentoth
biến dạng
ch
Sacramento bi
dọc trụ
trục (Theo Lee, 1965)

Hình 3.7: Kết quả
quả thí
thí nghiệ

nghiệm nén ba trụ
trục thoá
thoát nướ
nước điể
điển hình của
biế
ế
n
d
ạ
ng
thể
ể
t
í
ch
v
ới biế
mẫu cát chặ
ặ
t
ở
sông
Sacramentoth
biến dạng
ch
Sacramento bi
dọc trụ
trục (Theo Lee, 1965)

Hình 3.9 Quan hệ giữ
giữa biế
biến dạng thể
thể tích lúc phá
phá hoạ
hoại với hệ số rỗng khi
kết thú
thí nghiệ
nghiệm nén ba trụ
trục thoá
thoát nướ
nước với nhiề
nhiều cấp áp
thúc cố kết từ thí
lực đẳng hướ
hướng


3. Quan hệ giữa Biến thiên thể tích – hệ số
rỗng ứng với các áp lực buồng

Hình 3.10: Quan hệ giữ
giữa hệ số rỗng giớ
giới hạn với áp lực đẳng hướ
hướng
từ thí
thí nghiệ
nghiệm nén ba trụ
trục thoá
thoát nướ

nước. Số liệ
liệu trong Hình 3.9

4. Quan hệ giữa biến thiên thể tích với ứng suất cố kết
hiệu quả với các hệ số rỗng ban đầu khác nhau

Hình 3.11 Quan hệ giữ
giữa biế
biến dạng thể
thể tích lúc phá
phá hoạ
hoại với ứng suấ
suất
cố kết hiệ
khác nhau
hiệu quả
quả cho các hệ số rỗng ban đầu khá

Hình 3.12 Lý
tưở
tưởng hóa số
liệ
biế
liệu
biến
dạng thể
thể tích
từ thí
thí nghiệ
nghiệm

nén ba trụ
trục
thoá
thoát
nướ
nước:(a)
c:(a)
∆V/Vo ~ eo;
(b)
∆V/Vo~
σ ’3

Hình 3.13 Biể
Biểu đồ Peacock


§2

3.5 Ứng xử của đất cát bão hòa khi cắt thoát nước
1. Sự khá
khác nhau cơ bản giữ
giữa thí
thí nghiệ
nghiệm thoá
thoát nướ
nước với thí
thí
nghiệ
nghiệm không thoá
thoát nướ

nước
- Biế
Biến thiên thể
thể tích của mẫu khi gia tải đứng
- Áp lực nướ
nước lỗ rỗng cực đại

Hình 3.14 Các vòng
Mohr của thí
thí nghiệ
nghiệm
nén ba trụ
trục không
thoá
thoát nướ
nước và thoá
thoát
nướ
ờng hợp
nước (a)Trư
a)Trườ
σ’3C > σ’3crit
(b) Trườ
Trường hợp
σ’3C > σ3crit

2. Biểu thức các trạng thái ứng suất tại thời điểm phá hoại
- Áp lực lỗ rỗng dư

- Độ lệch ứng suấ

suất chí
chính

Bảng 3.1 Tổng kết những KN trên các hình trong phần này
Áp lực cố
kết hiệu
quả

Ví dụ 1

Vòng Morh
Thoát nước,
Hiệu quả =
Tổng

Không thoát nước,
Hiệu quả

Không thoát
nước, Tổng

s’3c > s’3crit Lớn hơn không Nhỏ hơn thoát
thoát nước
nước: Phía bên
trái vòng Morh ứng
suất tổng s’3f < s’3c

Nhỏ hơn thoát
nước: Phía phải
vòng Morh ứng

suất hiệu quả

s’3c < s’3crit Nhỏ hơn không Lớn hơn thoát
thoát nước
nước: Phía phải
vòng Morh ứng
suất tổng s’3f > s’3c

Lớn hơn thoát
nước: Phía trái
vòng Morh ứng
suất hiệu quả

s’3c = s’3crit Tất cả các vòng Morh giống nhau: bởi vì không có sự
thay đổi thể tích, Du = 0 trong khi thí nghiệm

Cho:
Thí
Thí nghiệ
nghiệm nén ba trụ
trục cố kết thoá
thoát nướ
nước (CD) với
mẫu đất rời. Mẫu phá
phá hoạ
hoại khi tỷ số σ’1/σ’3 = 4, ứng
suấ
suất chí
chính hiệ
hiệu quả

quả nhỏ
nhỏ nhấ
nhất σ’3 = 100 kPa.
kPa.
Yêu cầu:
a.
b.
c.

Tính Ф’.
Tính độ lệch ứng suấ
suất chí
chính khi mẫu phá
phá hoạ
hoại
Vẽ vòng Mohr và đườ
đường bao phá
phá hoạ
hoại Mohr.


Giải:
a. Theo công thứ
thức 3-1, ta có

Thay giá
giá trị
trị, thu đượ
được Ф’= 370
b. Từ công thứ

thức 3-3, có

c. Vòng Mohr và đườ
đường bao phá
phá hoạ
hoại Mohr đượ
được vẽ
như Hình VD. 3.1

Hình.
nh. VD. 3.3

§2

Ví dụ 2 (BTVN)

3.6 Những yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt
của đất cát

Cho:

Nhữ
Những yếu tố ảnh hưở
hưởng đến góc ma sát trong Ф

Thí
Thí nghiệ
nghiệm nén ba trụ
trục thoá
thoát nướ

nước với mẫu đất
cát với σ’3 = 150 kPa và (σ’1/σ’3)max = 3.7.

-

Yêu cầu:

-

Xác định
a.
b.
c.

σ’1f
(σ 1 - σ 3 )f
Ф’.

-

Hệ số rỗng hay độ chặ
chặt tương đối
Hình dạng hạt
Sự phân bố cỡ hạt
Độ nhám bề mặt hạt
Nước
Ứng suất chính trung gian
Kích thước hạt
Quá cố kết hay ứng suất trước

Bảng 11-2 Góc ma sát trong của đất không dính*

Chú ý:

Mô tả tổng quát

- Hệ số rỗng có lẽ là thông số quan trọng nhất có ảnh
hưởng đến cường độ kháng cắt của cát. Với các TN
cắt thoát nước hoặc là cắt trực tiếp hay nén ba trục,
hệ số rỗng càng nhỏ thì sức kháng cắt càng lớn.
- Những ảnh hưởng của độ chặt tương đối hoặc hệ số
rỗng, hình dạng hạt và kích thước hạt đến góc ma sát
trong Ф được tổng kết bời Casagrande trong bảng 3-2.
Những giá trị trong bảng được xác định từ TN ba trục
trên các mẫu bão hòa ở cấp áp lực đẳng hướng vừa
phải.
- Kích thướ
thước hạt, ở hệ số rỗng không đổi dườ
dường như
không ảnh hưở
hưởng đáng kể đến Ф.

Hình dạng hạt

Số

D10

Cu

Rời

Chặt

e

f

e

f

1

Cát chuẩn Ottawa

Rất tròn

0.56

1.2

0.70

28

0.53

35

2

Cát từ đá cát kết ở St. Peter

Tròn

0.16

1.7

0.69

31

0.47

37 +

3

Cát biển ở Plymouth MA

Tròn

0.18

1.5

0.89

29

-

-

4

Cát pha bụi từ đập Franklin,
NH

Bán tròn

0.03

2.1

0.85

33

0.65

37

5

Cát pha bụi vùng lân cận
đập John Martin, CO

Bán sắc cạnh
tới bán tròn

0.04

4.1

0.65

36

0.45

40

6

Cát pha bụi nhẹ vùng vai
đập Ft. Peck, MT

Bán sắc cạnh
tới bán tròn

0.13

1.8

0.84

34

0.54

42

7

Cát băng tích, Mancheter,
NH

Bán sắc cạnh

0.22

1.4

0.85

33

0.60

43

8

Cát từ đê biển, dự án
Quabbin, MA

Bán sắc cạnh

0.07

2.7

0.81

35

0.54

46

9

Hỗn hợp cát và sỏi cuội chế
bị cấp phối tốt số 7 và số 3

Bán tròn tới
bán sắc cạnh

0.16

68

0.41

43

0.12

57

10

Cát lấp hồ Great Salt

Sắc cạnh

0.07

4.5

0.82

38

0.53

47

11

Mảnh đá nén chặt, cấp phối
tốt

Sắc cạnh

-

-

-

-

0.18

60

Bảng 1111-3 Nhữ
Những yếu tố ảnh hưở
hưởng đến Ф
Yếu tố

Ảnh hưởng

Hệ số rỗng e

e tăng, φ giảm

Độ sắc cạnh A

A tăng, φ giảm

Cấp phối hạt

Cu tăng, φ tăng

Độ nhám bề mặt R

R tăng, φ tăng

Độ ẩm W

W tăng, φ giảm nhẹ

Kích thước hạt S

Không ảnh hưởng (với hệ số rỗng
e không đổi)

Ứng suất chính trung φps ≥ φtx (xem công thức 11-5a, b)
gian
Quá cố kết hoặc áp lực Ít ảnh hưởng
tiền cố kết

Hình 3.15 Tương quan giữa góc ma sát trong hiệu quả với dung trọng
khô, độ chặt tương đối và phân loại đất trong thí nghiệm nén ba trục


§2

3.7 Hóa lỏng và ứng xử linh động chu kỳ của cát
bão hòa
1. Hiệ
Hiện tượ
tượng hóa lỏng
Khi cát rời bão hòa nước chịu tác dụng của biến dạng hoặc

lực xung kích, cát có xu hướng giảm thể tích. Điều này gây ra
sự tăng của áp suất lỗ rỗng và dẫn đến sự suy giảm ứng suất
hiệu quả trong khối đất. Khi áp suất lỗ rỗng cân bằng với ứng
suất hiệu quả thì cát mất toàn bộ cường độ và chuyển sang
trạng thái hóa lỏng.

-

2. Hóa lỏng trong thự
thực tế
Bờ sông được cấu tạo bởi đất cát hạt mịn đều hạt rời rạc có
thể hoá lỏng khi có những biến dạng lớn như quá trình xói
mòn làm bờ sông dốc đứng và những biến dạng gây gia
tăng áp lực lỗ rỗng. Hiện tượng đó được trình bày trong hình
3.16

§2

1. Hiện tượng HL
-

-

Khi xảy ra xói mòn ở sườn dốc, ứng suất trong đất gia
tăng, áp lực nước lỗ rỗng gia tăng → HL ở một vùng
giới hạn (Hình 3.16a)
Khi đất chảy xuống sông, nền đất ở đó sẽ chịu thêm
ứng suất phụ thêm và chúng cũng có thể bị HL (Hình
3.16b)Æ theo cách này, quá trình HL tiếp diễn đến khi
đất đạt tới trạng thái cân bằng với mái dốc rất thoải (

Hình 3.16c)

2. Tính chất và một số kiểu trượt khác nhau

Hình 3.16 Hóa
lỏng trong nền đất
cát rời liều kề bờ
sông


Hình 3.17 So sánh kết
quả của ba thí nghiệm
CU và một thí nghiệm
CD trên mẫu cát gia tải
tới phá hoại (theo
Casagrande, 1975,
Castro, 1969)

Hình 3.18 Các vòng Mohr ứng suất tổng và ứng suất hiệu quả từ thí
nghiệm CU (mẫu A) và thí nghiệm CD trong Hình 11.16. Hình vẽ thể
hiện ở cả hai điều kiện độ lệch ứng suất cực đại và trong khi phá hoại

Hình 3.19 Kết quả
thí nghiệm nén ba
trục ứng suất chu kỳ
điển hình trên mẫu
cát rời (theo Seed và
Lee, 1966)

Hình 3.20 Kết quả

thí nghiệm nén ba
trục ứng suất chu kỳ
điển hình trên mẫu
cát chặt (theo Seed
và Lee, 1966)


Hình 3.21 (a) Quan
hệ tổng quát giữa
ứng suất chu kỳ cực
đại và số chu kỳ gây
ra phá hoại linh
động chu kỳ; thể
hiện những ảnh
hưởng của độ chặt
và áp lực đẳng
hướng ban đầu; (b)
định nghĩa về ứng
suất chu kỳ ∆σ trong
thí nghiệm ba trục
hoặc τhv trong thí
nghiệm cắt trực tiếp
chu kỳ
Hình 3.22 biểu đồ trạng thái thể hiện khả năng hóa lỏng dựa trên kết
quả TN không thoát nước đối với cát bão hòa