bài giảng cơ học đất Chương 2 các tính chất cơ học của đất

CƠ HỌC ĐẤT
CHƯƠNG 2
CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

1


CHƯƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
 Là tính chất liên quan đến sự chuyển động của hạt đất, nước, khí và biến
dạng của khung hạt dưới tác dụng của ngoại lực.
 Khi chuyển động: vị trí tương đối giữa các phân tố không thay đổi
 Khi biến dạng: bên trong khung hạt sẽ xuất hiện ứng suất làm cho vị trí
tương đối giữa các hạt đất thay đổi.
 Cơ học đất nghiên cứu các quá trình cơ học xẩy ra trong đất dưới tác dụng
của nội lực và ngoại lực, vì vậy nói đến tính chất cơ học của đất là nói đến vấn
đề biến dạng, độ bền và độ ổn định của đất khi chịu tác dụng của nội lực và
ngoại lực.
 Do đất là thể ba pha nên tính chất cơ học của đất có những tính đặc thù như:
Tính thấm, tính nén lún, tính chống cắt và tính đầm chặt.

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

2

CHƯƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
2.1. Tính thấm của đất:
2.1.1. Định nghĩa và khái niệm cơ bản:
 Tính thấm của đất là tính chất để cho nước chảy qua các lỗ rỗng của nó.
Dòng nước chảy qua đất gọi là dòng thấm.
Tính thấm của đất là một đặc tính quan trọng của đất cần được chú ý khi
nghiên cứu các tính chất cơ học của nó. Nó ảnh hướng tới quá trình lún theo
thời gian của đất và khi nước thấm qua đất còn xuất hiện áp lực thủy động
gây ra hiện tượng xói đùn đất nền, sụt lở mái rốc, vỡ đê đập.
 Với hầu hết các loại đất dòng thấm trong đất được xem như dòng chảy tầng.
Dòng thấm trong đất tuân theo định luật Darcy:
Ta xét hai điểm A, B trong khối đất. Tại A nước chịu một áp lực Pa, tại B
nước chịu áp lực Pb.
5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

3


CHƯƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
? ng do áp

Ð? cao th?y l?c

Ð? cao do áp Hb

Ha

Ha

Hb

B
A

Za

Ð? cao v? trí Zb

O

O

Nếu đặt vào A một ống nhỏ thì ta thấy nước dâng lên trong ống đến một chiều
cao sao cho trọng lượng cột nước vừa bằng áp lực Pa, nghĩa là Ha = Pa/γ n , tại
B cũng vậy Hb = Pb/γn.
5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

4


CHƯƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
Lấy mặt nằm ngang O-O làm chuẩn ta có các chiều cao Ha, Hb là các chiều
cao nước áp tạ A và B. Nếu Ha > Hb thì quan sát thấy dòng nước thấm từ A
đến B, nghĩa là trong đất nước sẽ thấm từ điểm có độ cao nước áp lớn đến
điểm có độ cao nước áp nhỏ hơn. Cường độ thay đổi độ cao nước áp trên một
đơn vị chiều dài đường chảy ký hiệu I được gọi là Građien thủy lực:
I = (Ha-Hb)/L; L – chiều dài đường thấm L = AB.

2.1.2. Định luật Darcy: Vận tốc dòng thấm v tỷ lệ với građien thủy lực I.
v = Kt*I
Hệ số Kt – là hệ số thấm của đất, phụ thuộc vào tính chất của đất
Lưu lượng thấm:

Q = v*A

A – Diện tích tiết diện thấm (diện tích mặt cắt vuông góc với dòng thấm)

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

5


CHƯƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
Trong thực hành, để tiện tính toán người ta lấy A là diện tích của mặt cắt đất
đang xét. Điều này thực hiện ngay khi xác định v, Kt vận tốc thấm tính như
vậy là vận tốc thấm quy ước.
Vận tốc tính thực (v*) phải tính theo diện tích n*A, n là độ rỗng của đất vì
nước chỉ đi qua lỗ rỗng. v* = n*A = v(1+e)/e với e hệ số rỗng.
Vậy nước thấm qua mặt cắt A trong khoảng thời gian t: Q = Kt*I*A*t
2.1.3. Hệ số thấm của đất:
 Hệ số thấm của đất được xác định trong phòng thí nghiệm. Cho nước thấm
qua một mẫu đất có diện tích tiết diện A, chiều dài L, cột nước áp h vậy ta xác
định được lưu lượng Q của nước thấm qua mẫu đất.
 Có thể dùng hai dụng cụ thí nghiệm thấm
 Thí nghiệm với cột áp không đổi: Kt = (Q*L)/(h*A)
5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

6


CHƯƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
 Thí nghiệm với cột nước áp thay đổi: Từ h0 ở thời điểm ban đầu t0, tới h1
ở thời điểm cuối t1, biết tiết diện của ống đo nước áp ta có:
Kt 

Trong đó:

h
2,3 * A1 * L
* log 0
A2 * (t1  t 0 )
h1

A1 - là tiết diện ngang của ống đo áp, A2 - tiết diện ngang của mẫu đất
Hệ số thấm của đất biến đổi trong một khoảng rất rộng ở một số loại đất
như sau:

Tên đất
Sỏi cuội không có hạt nhỏ

100 – 10

Cát to, cát vừa, Cát nhỏ sạch

10 – 10-3

Cát bụi, Cát pha

10-3-10-5

Sét pha

10-5-10-7

Sét

5/16/18

Kt (cm/s)

< 10-7

ThS. Nguyễn Hữu Sà

7


CHƯƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
2.1.4. Hệ số thấm tương đương của khối đất nhiều lớp.
K= K1

htd khi

htd khi

K1 < K2 < K3

Trường hợp thấm ngang

K = K1

htd khi
htd khi

K1 < K2 < K3

K1 > K2 > K3

Trường hợp thấm đứng
5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

8


CHƯƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
 Trường hợp dòng thấm vuông góc với mặt phân lớp (thấm đứng)

K tđ

H

hn
h1 h2 h3

   ...
k1 k 2 k 3
kn

Chiều dày tương đương tính đổi các lớp đất coi như một lớp đất có hệ số thấm
Kβ thì chiều dày tương đương của lớp đất đó là htđ : h  K
tđ


hi

i 1 k i
n

k1
k1
k1
Nếu Kβ = k1 thì: htđ h1 
* h2  * h3  ... * hn
k2
k3
kn
Kβ lấy gía trị lớn nhất trong các ki thì htđ < H
Kβ lấy gía trị nhỏ nhất trong các ki thì htđ > H
5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

9

CHƯƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
Chú ý: Khi dòng thấm chảy qua khối đất, nó tác dụng lên đất lực thủy động. Tri số của áp
lực thủy động là: J = I*γn hoặc còn gọi là áp lực thấm.
 Nếu građien thủy lực I tăng áp lực tăng đến mức thắng được trọng lượng bản thân các
hạt thì hạt đất bị đẩy nổi lơ lửng (hiện tượng này gọi là hiện tượng đất sối). Građien thủy
lực giới hạn xuất hiện ( hiện tượng sối gọi là građien thủy lực tới hạn) Ic : Ic = γđn/γn = (γnn +
γn )/γn
 Đường thấm gọi là đường dòng còn đường nối tất cả các điểm có cùng cột áp gọi là
đường thế.
 Hệ số an toàn sói ngầm F = γđn/Uth => F = γđn/(I*γn)
Uth – áp lực thấm ngược (F > [Fgh ]hiện tượng sói ngầm không xẩy ra, F < [Fgh] đất bị
sói ngầm
2.2. Tính biến dạng của đất:
 Khi chịu tác dụng của ngoại lực, đất bị biến dạng mà thực chất là bị giảm thể tích lỗ rỗng
trong đất (vì hạt rắn và nước có thể xem như không biến dạng

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

10


CHƯƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
 Biến dạng của đất theo phương thẳng đứng gọi là tính nén lún của đất.
 Để nghiên cứu tính nén lún của đất người ta dùng phương pháp nén mẫu đất
trong phòng thí nghiệm và nén ở ngoài hiện trường.
2.2.1. Thí nghiệm nén đất trong phòng thí nghiệm: nén thẳng đứng không
nở hông.

P

P

 Chiều cao ban đầu mẫu đất h0
 Thể tích hạt rắn bằng 1 đơn vị
 Hệ số rỗng ban đầu e0

e0

h
e1

 Dưới tác dụng của tải trọng P, thể
Tích hạt rắn không thay đổi mà chỉ

1

h1

h0

Giảm thể tích lỗ rỗng. Chiều cao h0
giảm một đại lượng Δh còn h1
5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

11

CHƯƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
e0 còn e1 ; Biến dạng S của mẫu đất:
S = Δh = h0 – h1 = (1 + e0) – (1+ e1) = e0 – e1
h

e e

0
1
Biến dạng tương đối của mẫu đất khi nén ép: z  h  1  e  z * (1  e0 ) e0  e1
0
0
Nếu tải trọng tác dụng là Pi tương ứng hệ số rỗng là ei : z * (1  e0 ) e0  ei

Công thức này dùng để xây dựng đường cong phụ thuộc giữa hệ số rỗng và
tải trọng, được gọi là đường cong nén lún. Đường cong nén lún có hai nhánh,
nhánh nén (1) thu được khi tăng tải, nhánh nở (2) thu được khi giảm tải trọng.
e

e

Nếu vẽ đường cong nén

e0
1

trong hệ trục tọa độ lôgarit,

e1

2

thì đường cong nến rất gần
một đường thẳng
5/16/18

0

ThS. Nguyễn Hữu Sà

p

0

P0

Pc P 1

logP

12


CHƯƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
Khi ấy phương trình của đường cong nén có dạng:
e1 = e0 – Cc*(logP1 – logP0) = e0 – Cc*log(P1 /P0)
Cc – là chỉ số nén (độ dốc của đường cong nguyên thủy nắn thẳng)
Cc = (e0 – e1 )/(logP1 – logP0)

Khi tính toán người ta dùng hệ số nén a hoặc hệ số nén thể tích m v (hệ số rút
đổi a0) theo công thức:

e

a = tgα = (e1 - e2)/ (p1 - p 2)

e0

mv = a0 = a/(1+e1)
e1 – Hệ số rỗng của đất ứng với tải trọng nén p1
e2– Hệ số rỗng của đất ứng với tải trọng nén p2

e1


e2
P1

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

P2

P

13

Nếu:

CHƯƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
a < 0,035 cm2/kG – đất có tính nén lún nhỏ
0,035 < a < 0,1 cm2/kG – đất có tính nén lún trung bình
a > 0,1 cm2/kG – đất có tính nén lún mạnh

 Để đặc trưng cho biến dạng lún của đất, ngoài hệ số nén lún a người ta dùng
một chỉ tiêu khác là mô đun tổng biến dạng E 0 là đại lượng ngược lại với hệ số
nén lún a. Mô đun tổng biến dạng khác mô đun đàn hồi là xét cả đến biến
dạng dư của đất
 Khi nén mẫu đất ở điều kện không nở hông: E0 = σz / λz
Trong đó: σz - Ứng suất nén ép; λz - Biến dạng tương đối của mẫu đất là tỷ số
giữa biến dạng toàn bộ S và chiều cao ban đầu h: λz = S/h
 Khi xét đến ảnh hưởng nở
hông của đất,2 mô đun tổng biến2 dạng cảu đất là:
2
E0 

5/16/18

z
1  e1
2
1
2
2
* (1 
)  * (1 
)

* (1 
)
z
1 
mv
1 
a
1 

ThS. Nguyễn Hữu Sà

14


CHƯƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
pc – áp lực tiền cố kết
Nếu lấy mẫu đất ở độ sâu h thì trong điều kiện tự nhiên trọng lượng của các
lớp đất nằm bên trên đã tác dụng lên mẫu đất một áp lực nén γ*h
 Pc < γ*h – đất dưới cố kết, nghĩa là đất chưa lún xong dưới tác dụng của
trọng lượng bản các lớp đất đè lên nó,
 Pc = γ*h – đất cố kết bình thường (đã lún xong dưới tác dụng các lớp đất đè
lên nó)
 Pc > γ*h – đất quá cố kết (nó đã bị nén với áp lực lớn hơn áp lực hiện tại đè
lên nó).
Đặc tính nén lún của đất cát và đất sét:
 Đặc tính nén lún của đất cát:
 Quá trình nén lún xẩy ra trong đất cát chủ yếu do sự phá hủy các cạnh và
góc nhọn của các hạt
5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

15


CHƯƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
 Do tính thấm của đất cát lớn nên thời gian lún của cát không phụ thuộc vào
chiều dày lớp cát và đạt tới trị số ổn định chỉ trong vòng một ngày đêm.
 Tính nén lún của đất cát phụ thuộc vào độ lỗ rỗng ban đầu.
 Dưới tác dụng của tải trọng tĩnh, tính nén lún của đất cát rất yếu so với đất sét.
 Nếu đất cát bão hòa nước mà chịu tác dụng của tải trọng động thì cát có thể
hóa thành chất lỏng nặng ( hiện tượng hóa lỏng)
 Khi cất tải chỉ một phần độ lún là biến dạng đàn hồi, còn phần lớn là biến
dạng dư.
 Đặc tính nén lún của đất sét:
 Quá trình nén lún xẩy ra chủ yếu không phải do sự phá hủy các hạt khoáng
vật ma do sự chuyển vị của các hạt sét khi một phần cấu trúc và lực liên kết
giữa các hạt bị phá hủy
5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

16


CHƯƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
 Do tính thấm của đất sét yếu nên quá trình nén lún xẩy ra chậm, phụ thuộc
vào chiều dày lớp sét và đạt tới trị số ổn định trong thời gian khá dài.
 Tính nén lún của đất sét phụ thuộc vào hệ số rỗng ban đầu
 Dưới tác dụng của tải trọng động tính nén lún không đáng kể, nhưng khi tác

dụng tải trọng tĩnh, tính nén lún đất sét lớn
 Khi cất tải cũng như đất cát.
2.2.2. Cố kết thấm của đất dính no nước. (SGK)
2.2.3. Biến dạng dẻo và từ biến của đất. (SGK)
2.3. Tính chống cắt của đất.
2.3.1. Biểu thức Coulomb về sức chống cắt của đất
Theo Coulomb, sức chống cắt của đất là một hàm số bậc nhất của lực dính
và lực ma sát trong theo biểu thức: τ’ = σ*tgφ + C
5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

17


CHƯƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
Trong đó: τ’ – sức chống cắt của đất; σ – thành phần ứng suất pháp; φ – goc
ma sát trong của đất; C – lực dính kết
Chú ý:
 Cần phân biệt giữa ứng suất tổng σ, ứng suất hữu hiệu σ’ và áp lực nước lỗ
rỗng u. Từ đó phân biệt sức chống cắt không cố kết, không thoát nước với các
thông số φu; Cu , sức chống cắt cố kết, thoát nước với các thông số φ’; C’ và
trường hợp trung gian là sức chống cắt cố kết, không thoát nước
 Đối với đất bão hòa nước thì ứng suất tổng σ, ứng suất hữu hiệu σ’ và áp
lực nước lỗ rỗng có quan hệ: σ = σ’ + u
2.3.2. Điều kiện bền và điều kiện cân bằng giới hạn
 Xét phân tố đất, phân tố này ổn định nếu tại mọi mặt bất kỳ vẫn đảm bảo
điều kiện:
5/16/18

τ < τ’
ThS. Nguyễn Hữu Sà

18


CHƯƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
Trong đó: τ - Ứng suất cắt do tải trong ngoài gây ra; τ’ – sức chống cắt của đất
(phụ thuộc vào loại đất và trạng thái của nó)
 Một phân tố đất không ổn định (bị cắt, bị trượt): τ > τ’
 Khi τ tăng đến mức bằng sức chống cắt của đất rồi thì chỉ cần một số gia
rất bé của τ là phân tố đất đó bị phá hỏng, trượt theo mặt trượt mà τ không
tăng nữa: τ = τ’ ; đây chính là điều kiện cân bằng giới hạn.
2.3.3. Sức chống cắt của đất cát.
Chủ yếu phụ thuộc vào độ chặt của nó, đường sức chống cắt giới hạn của
cát là một đường thẳng: τ’ = σ*tgφ
2.3.4. Sức chống cắt của đất dính.
Chủ yếu phụ thuộc vào φ, C ; đường cắt giới hạn cảu đất dính là một
đường thẳng: τ’ = σ*tgφ + C
5/16/18

(τ’ = C là đất dính lý tưởng)

ThS. Nguyễn Hữu Sà

19


CHƯƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
2.4. Tính đầm chặt của đất.

 Đất có tính chất là: Dưới tác động cơ học như rung, nén, nện, các hạt dịch
chuyển tạo ra một kết cấu mới chặt hơn.
 Tính đầm chặt này của đất rất thuận lợi cho việc dùng đất làm vật liệu xây
dựng những công trình bằng đất như đắp nền đường, đê đập cần phải đạt đến
một độ chặt bền vững.
 Các yếu tố chủ yếu của việc đầm chặt là: cấp phối đât, độ ẩm của đất, công
(năng lượng) đầm chặt.
Các thí nghiệm xem SGK

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

20