Bài giảng Cơ học đất Chương 2 - ThS. Phạm Sơn Tùng

CƠ HỌC ĐẤT
Chương 2
Những quy luật cơ bản trong cơ
học đất


Mở đầu
• Muốn giải quyết các bài toán cơ bản của Cơ học đất
như: tính độ lún, tính sức chịu tải của đất nền, tính
áp lực lên các vật chắn… thì trước hết phải hiểu rõ
các tính chất của đất dưới tác dụng của các lực
ngoài
• Trong cơ học đất sử dụng rộng rãi những kết quả
của các môn cơ học ứng dụng khác như cơ học lý
thuyết, cơ học các vật thể rời, lý thuyết đàn hồi, lý
thuyết dẻo…
• Đất rất khác so với các vật liệu khác nên không thể
áp dụng trực tiếp, nguyên vẹn kết quả của các môn
cơ học khác → phải nắm vững các tính chất cơ học
của đất để giải quyết đúng đắn các bài toán của Cơ
học đất


Những quy luật cơ bản trong cơ
học đất
1)
2)
3)
4)

Tính thấm của đất

Tính biến dạng của đất
Tính chống cắt của đất
Tính đầm chặt của đất


Tính thấm nước của đất
Quy luật thấm Darcy
•

•

Đất tạo bởi các hạt rời rạc, các khoảng rỗng giữa chúng được thông
với nhau nên nước có thể chuyển từ vùng có áp lực cao tới vùng có
áp lực thấp
Mặt nước có áp lực nước lỗ rỗng được gọi là mặt nước ngầm


Quy luật thấm Darcy
• Trong điều kiện bão hòa, dòng thấm một
hướng tuân theo định luật Darcy: v =k.i
• k: hệ số thấm của đất
• i: gradient thủy lực – i = ∆H/∆L
• ∆H: độ chênh cột áp nước
• ∆L: chiều dài đường thấm giữa 2 điểm
đang xét


Thí nghiệm Darcy
• Chiều cao của 2 bể
nước được giữ ổn định

→ ∆H (m)
• Sau một khoảng thời
gian t thu được lượng
nước V (m3)
• Lưu lượng Q = V/t (m3
/s)
• A = .D2/4 là diện tích
mặt cắt ngang mẫu
• Vận tốc thấm của nước
qua mẫu đất:
v = Q/A


Thí nghiệm Darcy
•

•
•
•
•

•

Định luật Darcy: vận tốc
thấm tỷ lệ với gradient thủy
lực
v = k.i
Gradient thủy lực
i = ∆H/∆L
∆H: độ chênh cột áp nước

Hằng số thấm k phụ thuộc
vào bản chất của đất
Thay đổi độ cao tương đối
giữa 2 bể nước → thay đổi
gradient thủy lực
∆H1 → i1
∆H2 → i2
∆H3 → i3
Nhận xét: v và i quan hệ
tuyến tính


Phạm vi các giá trị k
102
101
1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8

Thoát nước rất tốt
Cuội sạch

Cát sạch, cát và cuội hỗn hợp Thoát nước tốt
Đất sét phong hóa và nứt nẻ

Cát rất mịn
Bụi và cát bụi
Thoát nước kém
Bụi sét; Đất sét không nứt nẻ

Thực tế không thấm
nước


Hệ số thấm k
• Độ nhớt và mật độ của nước chịu ảnh hưởng
của nhiệt độ → k bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ
• Có một số công thức tính k gần đúng, nhưng
thực nghiệm cho thấy không có công thức nào
là hoàn toàn tin cậy
Thực tế nhất là nên tính k theo thí nghiệm trong
phong hoặc thí nghiệm ngoài thực địa


Hệ số thấm tương đương của khối
đất gồm nhiều lớp đất khác nhau
1. Thấm ngang: các lớp đất song song với
nhau và dòng thấm song song với mặt
phân lớp

1
ktd  (k1h1  k2 h2  k3h3  ...  kn hn )
H

Hệ số thấm tương đương của khối
đất gồm nhiều lớp đất khác nhau
2. Thấm đứng:
các lớp đất
song song với
nhau và dòng
thấm vuông góc
với mặt phân
lớp
H
ktd 
hn
h1 h2 h3
   ... 
k1 k2 k3
kn


Lực thấm
• Là lực mà dòng thấm tác động lên đất mà
nó thấm qua.
• Lực thấm cho một đơn vị thể tích:
j = iγw


Hiện tượng xói ngầm
• Điều kiện mất ổn định xảy ra khi áp lực thấm
thẳng đứng hướng lên > trọng lượng của đất
hướng xuống.
• Mất ổn định làm cho các hạt đất di chuyển theo

dòng thấm. Đây là hiện tượng xói ngầm.
• Hệ số an toàn để tránh hiện tượng xói ngầm:
F = trọng lượng hướng xuống/lực thấm hướng lên
Để F↑ => j↓ =>i↓


•
•

•
•

Sức chống cắt của đất
Quy luật Coulomb
Mở đầu
Sự phá hoại của khối đất là phá hoại trượt
(hay phá hoại cắt)
Phá hoại cắt xảy ra khi trên mặt trượt (mặt
phá hoại) ứng suất tiếp (τ) lớn hơn sức
kháng cắt của đất (τf): τ > τf
Phá hoại cắt gây nguy hiểm cho công trình
xây dựng → τf = ?
Thực nghiệm cho thấy: với mỗi mẫu đất, ứng
với mỗi σ → có một giá trị τf


Thí nghiệm cắt trực tiếp
• Mục đích: vẽ đường liên hệ τ – σ
• Thí nghiệm trực tiếp tại hiện trường hoặc trong
phòng thí nghiệm

• Sơ đồ hộp cắt Casagrande:


Thí nghiệm cắt trực tiếp
• Chuẩn bị 3, 4 mẫu như nhau. Mẫu đất hình trụ, phù hợp
kích thước của hộp cắt
• Cho mẫu đất vào hộp cắt
• Gia tải P theo phương thẳng đứng
• Thí nghiệm cắt nhanh - không thoát nước: tăng tức thời
lực cắt đến khi phần dưới của hộp cắt trượt theo mặt
phá hoại, ta có Tgh
• Thí nghiệm cắt chậm - thoát nước: tăng từ từ lực cắt
đến khi phần dưới của hộp cắt trượt theo mặt phá hoại,
ta có Tgh
• Làm tương tự với các mẫu đất còn lại nhưng với các giá
trị khác nhau của tải trọng thẳng đứng (P1,P2, P3, P4)


• Tiết diện ngang mẫu đất: S
P


• Ứng suất pháp:
S
Tgh
• Ứng suất tiếp giới hạn:  gh 
i

i

S



Hộp cắt

Chuẩn bị mẫu


Đưa hộp cắt
vào vị trí dưới
tải thẳng đứng
P

Giữ cố định nửa
trên của hộp cắt


τ= σ.tgφ + c

Nhược điểm: chỉ có thể đo ứng suất tổng, trừ khi tốc độ cắt
được khống chế chậm để đảm bảo không làm tăng áp lực
nước lỗ rỗng
Muốn kiểm soát áp lực nước lỗ rỗng → thí nghiệm nén 3 trục


Thí nghiệm cắt gián tiếp mẫu đất
trong máy nén 3 trục
• Là thí nghiệm độ bền chống cắt được sử dụng rộng rãi
nhất

• Mẫu đất hình trụ: tỉ số chiều cao/đường kính là 2:1 (76 x
38 mm hoặc 100 x 50 mm)
• Chất lỏng được chứa đầy buồng và tăng áp lực tới giá trị
quy định → σ3
• Tăng tải dọc trục ∆σ1 → σ1 = σ3 + ∆σ1
• Các thông số cần đọc:
–
–
–
–
–

Đo áp lực buồng
Tải dọc trục
Thay đổi chiều dài mẫu
Đo áp lực nước lỗ rỗng trong thí nghiệm cố kết - không thoát nước
Đo thể tích nước thoát ra → sự thay đổi thể tích trong thí nghiệm thoát
nước


Thí nghiệm cắt gián tiếp mẫu đất
trong máy nén 3 trục
σ1 - σ3

σ3

σ3