BÀI GIẢNG cơ học đất compatibility mode

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 1
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT
1.1. Phần mở đầu
1
đối tượng nghiên cứu
Cơ học đất là một ngành của cơ học ứng dụng chuyên nghiên cứu về đất. Hầu hết các công trình
xây dựng đều đặt trên đất, nghĩa là dùng đất làm nền cho các công trình, số khác các công trình
như nền đường, đê, đập đất thì lại dùng đất làm vật liệu xây dựng.
Như vậy đối tượng nghiên cứu của cơ học đất là các loại đất thiên nhiên, là sản phẩm của quá
trình phong hóa các đá gốc ở lớp trên cùng của vỏ quả đất. Mỗi loại phong hóa có tác dụng phá
hủy đá gốc khác nhau và nó tạo ra các loại đất khác nhau. Đặc điểm cơ bản của đất là một vật thể
gồm nhiều hạt rắn riêng rẽ không gắn với nhau hoặc gắn kết với nhau bằng các liên kết có sức
bền nhỏ hơn nhiều lần so với sức bền của bản thân hạt đất. Do quá trình hình thành đất mà
chúng tồn tại độ rỗng trong đất và độ rỗng này lại có khả năng thay đổi dưới ảnh hưởng của tác
động bên ngoài. Ngoài ra trên bề mặt hạt đất có năng lượng, chúng gây ra các hiện tượng vật lý
và hóa lý phức tạp, dẫn đến làm thay đổi các tính chất vật lý và cơ học của đất. Vì vậy khi nghiên
cứu đất phải nghiên cứu đến nguồn gốc hình thành và các điều kiện tự nhiên mà đất tồn tại.

2 Đặc điểm và nội dung của môn học
Cơ học đất là môn học cần vận dụng các hiểu biết về đất từ các
môn khoa học khác có liên quan như địa chất công trình, thổ chất học... Và
đồng thời vận dụng các kết quả của các ngành cơ học khác như cơ học các
vật thể biến dạng (lý thuyết đàn hồi, lý thuyết dẻo, lý thuyết từ biến). Trên cơ
sở của các lý thuyết này, Cơ học đất đã xây dựng được các lý thuyết riêng
phù hợp với các quá trình cơ học xảy ra đối với đất. Tuy vậy ngoài các
nghiên cứu lý thuyết, các nghiên cứu thực nghiệm và các quan trắc
thực tế cũng đóng vai trò quyết định trong nghiên cứu sử dụng đất trong xây
dựng.
Từ các nghiên cứu lý thuyết và các nghiên cứu thực nghiệm, cơ
học đất tập trung giải quyết các nhiệm vụ và nội dung cơ bản sau:
- Xác lập các quy luật cơ bản về các quá trình cơ học xảy ra đối
với đất, đồng thời xác định được các đặc trưng tính toán ứng với các quá
trình xảy ra đó.
- Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong đất, quan hệ giữa ứng
suất và biến dạng dưới tác dụng của ngoại lực.
- Giải quyết các bài toán về biến dạng, về cường độ, về ổn định
các nền đất, về mái dốc cũng như bài toán áp lực đất tác dụng lên tường
chắn.


3 Sơ lược lịch sử phát triển của môn học
Công trình khoa học đầu tiên của Cơ học đất là của C.A
Coulomb (1736 -1806) thiếu tá kỹ sư công binh, viện sĩ viện khoa
học Pháp, năm 1773 đã đưa ra lý thuyết nổi tiếng về cường độ
chống cắt của đất và cũng là người đầu tiên xây dựng được phương
pháp xác định áp lực đất lên vật chắn. Trải qua hai thế kỷ và cho đến
ngày nay, các phương pháp của ông vẫn được sử dụng rộng rãi.

Sự hình thành của cơ học đất như một môn khoa học độc lập với hệ
thống hoàn chỉnh và các phương pháp riêng biệt của nó được
xem như bắt đầu từ năm 1925, khi K.Terzaghi(1883-1963) cho
xuất bản cuốn “ Cơ học đất trên cơ sở vật lý của đất”.
Năm 1963 Hội nghị khoa học quốc tế về Cơ học đất - Nền
móng họp lần thứ nhất và sau đó cứ 4 năm họp một lần. Hội nghị Cơ
học đất - Nền móng và các hội thảo khoa học liên quan cũng được
tổ chức ở nhiều nước và khu vực.
Đến nay, Cơ học đất đã trở thành một môn khoa học với
nhiều nội dung phong phú, gồm nhiều lĩnh vực khác nhau nhằm
đáp ứng sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp, xây dựng.


1.2. Nguồn gốc hình thành và cấu tạo đất
1.2.1. Nguồn gốc hình thành
Đất là sản phẩm của sự phong hóa đá gốc thành các hạt đất.
1.2.2. Thành phần cấu tạo 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 ba
thành phần (ba pha):
+ Hạt đất (pha rắn);
Qk
Vk
KhÝ
+ Nước trong đất (pha lỏng);
Vr
+ Khí trong đất (pha khí).
Qn
Vn

N­íc

Q
Qh

H¹t

V


1.2.3. Liên kết kết cấu của đất
- Liên kết nguyên sinh: Là sự tác dụng của lực hút phân tử giữa các hạt

với nhau và giữa các hạt với nước. Các liên kết này thường có tính đàn
hồi và tính nhớt.
- Liên kết thứ sinh: Là liên kết cứng giữa các hạt đất, nó được hình
thành do sự hóa già của các chất keo và sự kết tinh của các muối trong
đất. Liên kết thứ sinh làm cho đất có thể chịu được một tải trọng lớn, tuy
nhiên dễ bị phá hoại giòn, đột biến và khó khôi phục.


1.3. Các tính chất vật lý của đất
1.3.1. Trọng lượng thể tích
1. Trọng lượng thể tích tự nhiên (trọng lượng đơn vị)
- Là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng thái tự nhiên.
- Công thức:

Q(KN/m3)
 
V

Trong đó: Q- trọng lượng của mẫu đất ở trạng thái tự
nhiên (kN).
V- thể tích tự nhiên (m3).
- Thí nghiệm: Bằng phương pháp dao đai
Phương pháp dao đai là phương pháp đơn giản
nhưng tốn nhiều thời gian và sức lực khi thí nghiệm.
Khối lượng m là khối lượng của đất trong dao đai.
Thể tích V là thể tích của dao đai.


Phương pháp rót cát

Phương pháp bóng cao su

Cả hai phương pháp này đều sử dụng chung
một nguyên lý: thể tích lỗ đào trong nền đất
được xác định thông qua một vật liệu khác: cát
có kích thước chuẩn (đối với phương pháp rót
cát) và nước (đối với phương pháp bóng cao
su).


Phương pháp phóng xạ và đo độ dẫn điện đều không cần phải đào lỗ
trong nền đất để xác định khối lượng đất và thể tích của lỗ đào. Độ ẩm và
khối lượng thể tích của đất nền được xác định dựa vào mối quan hệ đã
được xác lập trước giữa độ ẩm và khối lượng thể tích với khả năng lan
truyền phóng xạ hoặc độ dẫn điện.

2. Trọng lượng thể tích no nước:
- Là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng thái no nước.
- Công thức:

 nn

Qh  V r *  n 3
(kN/m )

V

Trong đó: Qh- trọng lượng thành phần hạt của mẫu (kN).
Vr- thể tích lỗ rỗng có trong mẫu đất (m3)
- trọng
lượng riêng của nước (kN/m3)
n
3.Trọng lượng thể tích đẩy nổi:
- Là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất nằm ở dưới nước.
- Công thức:

 đn 

Qh  V h *  n
  nn(kN/m
  n 3)
V

Trong đó: Vh- thể tích thành phần hạt (m3).

4.Trọng lượng thể tích khô:
- Là trọng lượng của hạt đất trong một đơn vị thể tích đất.
- Công thức:

Q
k  h
V

(kN/m3)

5.Trọng lượng riêng hạt:
- Là trọng lượng của một đơn vị thể tích hạt (không có lỗ rỗng)
(kN/m3)

- Công thức:

Qh
* Tỷ trọng: Là tỷ số giữa trọng lượng
Vh riêng hạt với trọng lượng riêng của nước.

h 

- Công thức:

h

n


1.3.2. Độ ẩm và độ bão hòa

1. Độ ẩm:
- Là tỉ số giữa trọng lượng nước ở trong mẫu đất với trọng lượng phần hạt của mẫu.
- Công thức:

Q
W  n .100%
Qh nước có trong mẫu đất.
Trong đó: Qn- trọng lượng
2. Độ bão hòa nước:
- Là tỉ số giữa thể tích nước trong đất so với thể tích lỗ hổng của đất.
-

Công thức:

Vn
Vrhơi ẩm.
Sr < 0,5 – Đất
Sr 

0,5 < Sr < 0,8 – Đất ẩm
0,8 < Sr < 1 - Đất ở trạng thái bão hòa nước.
Sr = 1 – Đất bão hòa.
Sr = 0 – Đất khô.


3. Thí nghiệm xác định độ ẩm của đất:
- Lấy một mẫu đất cho vào hộp nhôm đã biết khối lượng hộp là m1. Cân cả
hộp và đất được khối lượng m2. Đem đặt hộp đất vào trong tủ xấy ở nhiệt
độ cho đến khi khối lượng không đổi. Đem cân hộp và đất đã xấy được
khối lượng m3.

Tính độ ẩm theo công thức:
- Thí nghiệm với 3 mẫu đất để lấy Wtb:

m2  m3
W
%
m3  m1
Wtb 

W1  W2  W3
3


1.3.3. Độ rỗng và hệ số rỗng
1. Độ rỗng:
- Là tỉ số giữa thể tích phần rỗng so với thể tích toàn bộ mẫu đất.
- Công thức:

Vr
n  100 0 0
V

2. Hệ số độ rỗng:
- Là tỉ số giữa thể tích phần rỗng so với thể tích phần hạt có trong mẫu đất.
- Công thức:

e

Vr
Vh

Ví dụ:
Khi thí nghiệm một mẫu đất được số liệu như sau:
Thể ch mẫu đất ẩm V = 80cm3.
Khối lượng mẫu đất ẩm m1 = 148,6g.
Khối lượng mẫu đất sau khi sấy khô m2 = 125,6g.
Tỷ trọng hạt của đất ∆ =2,68.
Hãy nh: Độ ẩm W, trọng lượng thể ch tự nhiên γ, trọng lượng thể ch khô
γk, hệ số rỗng e, độ rỗng n, độ bão hòa G(Sr) của đất đó.


Độ ẩm được xác định theo công thức:
W

mn
m  m2
148.6  125.3
100%  1
100% 
100%  18.6%
mh
m2
125.3

Trọng lượng thể tích tự nhiên và trọng lượng thể tích khô:


k 

m1 g 148.6

*9.81  18.22kN / m3
V
80

18.22
1  0.01*W



1  0.01*18.6

 15.36kN / m3

Hệ số rỗng và độ rỗng:

 * n
2.68 * 9.81
e  h 1 
1 
 1  0.71
k
k
15.36
n

e
0.71


 0.4152  41.52%
1  e 1  0.71

Độ bão hòa:
 * 0.01*W 2.68 * 0.01*18.6
Sr 

 0.702
e
0.71


1.3.4. Mối liên hệ giữa các chỉ tiêu
Giữa các chỉ tiêu tính chất của đất có những liên hệ về số lượng. Từ
các chỉ tiêu cơ bản được xác định trực tiếp từ thí nghiệm như trọng
lượng thể tích tự nhiên , độ ẩm W, trọng lượng riêng hạt h ta có thể
suy ra các chỉ tiêu khác theo



1.4. Các chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất
1.4.1. Độ chặt của đất rời
1. Độ chặt tương đối Dr ( Id):

e max - e
Dr 
emax - e min

Trong đó:
e: hệ số rỗng tự nhiên của đất;

emax : hệ số rỗng của đất ở trạng thái xốp nhất;
emin : hệ số rỗng của đất ở trạng thái chặt nhất.
Thí nghiệm xác định emax và emin
Ống thép có chiều cao 125mm, đường kính 76mm. Quả cân bằng gang có
đường kính 71mm, chiều cao 15mm. Phễu rót cát và thanh gõ.


Trình tự thí nghiệm:
Xác định emax
Cân khối lượng của ống (2) là m1 , thể tích của ống là V. Lấy 1000
÷1200g đất cát sấy khô. Đổ đất đã sấy qua phễu vào ống (2). Khi đất đã đầy
thì dùng dao gạt đất cho bằng và cân lại được m2.
Kết quả emax tính như sau:

emax

h

 min
 1  minn  1
k
k

với

pkmin 

m2  m1
V

Xác định emin
Tiếp theo đặt quả cân (3) lên trên và dùng thanh gõ (4) đập vào
thành ống trong 1 phút, lần lượt lên trên rồi lại xuống dưới, xung quanh ống
(2). Sau đó, đo độ lún của mặt đất trong ống (2). Tiếp tục gõ ba lần nữa, mỗi
lần 30 giây và đo độ lún của quả cân. Nếu thấy độ lún không tăng thêm tức là
đất đã nén chặt và có độ rỗng nhỏ nhất.
Kết quả emin tính như sau:

emin 

h
 n

1

1
max
max
k
k

với

pkmax 

m2  m1
V  V

Với: V  h.F (h – chiều cao đất trong ống bị lún do quả nặng;
F – diện tích của ống).

Việc xác định độ chặt của đất cát bằng thí nghiệm trong phòng vẫn
còn nhiều nhược điểm do biện pháp thực hiện trạng thái xốp nhất, chặt nhất
khó đảm bảo chính xác. Hơn nữa hệ số rỗng tự nhiên của cát cũng khó xác
định được vì không lấy được mẫu đất nguyên trạng. Trong thực tế thường
dùng các phương pháp thí nghiệm xuyên tĩnh, xuyên tiêu chuẩn để xác định
độ chặt của đất cát theo Bảng 1.8 và Bảng 1.9.



2. Hệ số rỗng e
Để đánh giá độ chặt của đất một cách đơn giản hơn người ta còn
căn cứ vào hệ số rỗng e. Theo qui trình TCN(45-78), đất cát được phân chia
theo độ chặt kết cấu như trong bảng 1.10.


1.4.2. Độ sệt của đất
Độ sệt IL (B) của đất dính là chỉ tiêu nói lên mức độ cứng hay
mềm của đất dính ứng với một độ ẩm nhất định. Khi độ ẩm của đất thay
đổi thì độ sệt cũng thay đổi theo và đất chuyển từ trạng thái này sang
trạng thái khác.
W - WP W - WP
IL 

WL - WP
IP
trong đó:
W: độ ẩm tự nhiên của đất;
W P, W L: độ ẩm tương ứng giới hạn dẻo và giới hạn chảy của

đất.
IP : chỉ số dẻo.
Căn cứ vào độ sệt IL xác định trạng thái của đất dính theo
Bảng 1.11