Tài liệu Bài giảng cơ học đất ( www.sites.google.com/site/thuvientailieuvip )

CƠ HỌC ĐẤT NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT Nội dung z Lý thuyết bao gồm trong 6 chương: Tính chất vật lý của đất Tính chất cơ học của đất Xác định ứng suất trong đất Sức chịu tải của Móng nông Áp lực đất lên tường chắn Xác định độ lún của nền công trình z z Bài tập CHĐ Thí nghiệm CHĐ NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 2 Mở đầu Khái quát về Cơ Học Đất 1. Khái niệm về môn học & đối tượng môn học z Vị trí của Cơ học đất trong các môn cơ học ƒ Là cơ học của vật thể phân tán-tự nhiên ƒ Là bộ phận của Địa Cơ Học tổng quát ƒ Là một ngành của cơ học ứng dụng Địa Cơ Học tổng quát bao gồm: z Địa động lực (Tổng quát & Khu vực) z Cơ học đá (Đá khối kết tinh & Đá nứt nẻ) z Cơ học đất z Cơ học khối hữu cơ (bùn, than bùn) NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH z CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 3 Các cơ sở để xây dựng môn cơ học đất ƒ Các định luật Cơ học lý thuyết (cơ học của các vật thể hoàn toàn không biến dạng) ƒ Các định luật của Cơ học công trình (nghiên cứu các vật thể liên tục có tính biến dạng) : định luật đàn hồi, dẻo, từ biến. Các định luật cơ học chất lỏng. ƒ Các định luật mô tả những tính chất cơ học của đất do đặc tính phân tán của nó gây ra : z Tính ép co z Tính biến dạng cấu trúc pha z Tính thấm nước z Tính chống trượt tiếp xúc NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 4 Mở đầ đầu: (tiế (tiếp) z Đối tượng nghiên cứu của cơ học đất ƒ Đất rời tự nhiên là đối tượng nghiên cứu của cơ học đất. ƒ Đất là tất cả các sản phẩm của phong hóa lớp vỏ đá bao quanh trái đất. Chúng gồm vô số các hạt rắn riêng rẽ có thể không gắn kết hoặc có gắn kết, tuy nhiên độ bền của các liên kết nhỏ hơn nhiều lần độ bền của các hạt khoáng. Vì thế người ta coi đất là vật thể tự nhiên - phân tán (đặc điểm này làm đất khác căn bản với đá khối, bê tông…) NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 5 ƒ Tầng phong hóa nói chung có thể phân thành 2 lớp : z Lớp trên cùng của đất tự nhiên gọi là đất trồng trọt. Loại đất này là đối tượng nghiên cứu của môn thổ nhưỡng học. z Lớp dưới là đất khoáng, những vật liệu phân tán tự nhiên – gọi là đất xây dựng, là đối tượng nghiên cứu của cơ học đất. NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 6 Mở đầ đầu: (tiế (tiếp) 2. Ý nghĩa và nội dung môn học z z Trong xây dựng, Đất đóng vai trò rất lớn, mọi công trình đều liên quan chặt chẽ với đất: ƒ Đối với công trình xây trên đất thì đất giữ vai trò là Nền; ƒ Với công trình làm bằng đất thì đất là vật liệu xây dựng (đê, đập, nền đường…) ƒ Với công trình được xây trong đất thì đất là môi trường xây dựng (các công trình ngầm, đường hầm, đường tầu điện ngầm …) Vì thế có thể nói đất xây dựng là Công trình hay là Bộ phận công trình. Nếu không có kiến thức về những nguyên lý cơ học đất thì không thể thiết kế đảm bảo cho công trình làm việc an toàn, bền vững lâu dài. NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 7 Chương 1 TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 8 §1.1. Các pha hợp thành đất & tác dụng tương hỗ giữa chúng Một khối đất nói chung bao gồm: z ƒ Pha rắn: là những hạt nhỏ có thành phần khoáng vật khác nhau. ƒ Pha lỏng: nước có thể chiếm toàn bộ hoặc một phần thể tích rỗng; ƒ Pha khí: có thể chiếm toàn bộ hoặc một phần thể tích rỗng. → Thể tích tổng Vt của khối đất bao gồm thể tích phần hạt rắn Vs và thể tích phần rỗng Vv z Từ đây ta sẽ đi sâu nghiên cứu tính chất mỗi pha: NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT Hình 1.1 CƠ HỌC ĐẤT 9 Chương I: I: Tính chấ chất Vậ Vật lý củ của đấ đất A. Pha rắn: ƒ Bao gồm các hạt khoáng vật (thường gọi là hạt đất), có kích thước thay đổi trong phạm vi lớn, từ khoảng 200 mm xuống đến kích thước hạt keo, tạo thành khung kết cấu của đất (cốt đất). ƒ Tính chất của đất phụ thuộc thành phần khoáng vật, hình dạng và kích thước của các hạt. I. Thành phần khoáng vật của đất: ƒ Thành phần khoáng vật của đất chủ yếu phụ thuộc vào thành phần đá gốc và tác dụng phong hóa đối với đá ấy. Cùng một loại đá gốc, nhưng tác dụng phong hóa khác nhau sẽ cho các thành phần khoáng không giống nhau, và do đó ảnh hưởng khác nhau tới tính chất vật lý và cơ học của đất. - Ví dụ: Phenpat phong hóa trong môi trường axit tạo thành Môngmôrilônit, nhưng trong môi trường kiềm lại tạo thành Kaolinit NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 10 Chương I: I: Tính chấ chất Vậ Vật lý củ của đấ đất Các khoáng vật có trong đất: - KV nguyên sinh: thường gặp là phenpat, thạch anh, mica. Đất có các hạt khoáng đó thường có kích thước lớn (Vd. cát). - KV thứ sinh: chia 2 loại z KV không hòa tan trong nước: là thành phần chủ yếu của các hạt sét và được gọi là KV Sét (kích thước < 0,005 mm, hoặc < 0,002 mm) – có cấu trúc phân tử dạng phiến, dạng kim, sợi; khác nhau về hoạt tính keo bề mặt. ƒ Các khoá khoáng vậ vật sé sét thườ thường gặ gặp: Monmorilonit, Ilit, Kaolinit ƒ Các khoá khoáng vậ vật sé sét khá khác: Haloizit, Clorit, Vecmiculit, Atapungit, đối phổ biến, thí dụ: khoáng vật Monmorolit KV hỗ hỗn hợ hợp (Tương ( pha trộn với Clorit và Inlit). z KV hòa tan trong nước: Canxit, mica trắng, thạch cao, đolomit … NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 11 Chương I: I: Tính chấ chất Vậ Vật lý củ của đấ đất Ảnh hưởng của thành phần KV tới tính chất của đất: z z Đối với nhóm hạt có kích thước lớn: thành phần KV ảnh hưởng không nhiều tới tính chất cơ lý của đất. Đối với nhóm hạt có kích thước càng nhỏ: thành phần KV đóng vai trò chủ yếu quyết định tính chất cơ lý của đất (vì hoạt tính keo được phát huy đầy đủ). KV khác nhau thì hoạt tính keo bề mặt cũng khác nhau, do đó có tính chất khác nhau. Ví dụ: đất chứa Kaolinit, ít dẻo hơn chứa Mongmorilonit; đất chứa nhiều Mongmorilonit có tính co nở nhiều hơn chứa Kaolinit. NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 12 Chương 2: Tính chấ chất Vậ Vật lý củ của đấ đất z Pha rắn (tiếp) II. Thành phần cấp phối của đất: z Khái niệm về nhóm hạt và thành phần cấp phối hạt của đất: ƒ NHÓM HẠT: - Kích thước hạt đất ảnh hưởng tới tính chất của đất. Tuy nhiên, đất tự nhiên nói chung là hỗn hợp của vô số các hạt có kích thước rất khác nhau, trên thực tế khó có thể xác định ảnh hưởng của kích thước từng hạt đất mà chỉ có thể xác định ảnh hưởng của tập hợp các hạt có kích thước nằm trong phạm vi quy định – gọi là nhóm hạt. - Nhóm hạt khác nhau sẽ ảnh hưởng khác nhau tới tính chất của đất. - Bảng dưới đây thể hiện phạm vi kích thước các nhóm hạt (cỡ hạt) theo các tiêu chuẩn Mỹ, Anh và Việt nam. NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 13 CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 14 ASTM – Hội Kiểm tra Vật liệu Mỹ (1980) AASHTO – Hiệp hội Giao thông và Đường bộ Liên bang (1978) USCS – Hệ thống phân loại đất thống nhất (Cục cải tạo Hoa Kì, 1974, Hội kĩ thuật quân đội Hoa Kì, 1960 ) TC Anh M.I.T – Viện Công nghệ Masachusett (Taylor, 1948) TCXD - VN Hình 1.2 NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH Chương I: I: Tính chấ chất Vậ Vật lý củ của đấ đất ƒ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI HẠT CỦA ĐẤT: - Tính chất của đất không những phụ thuộc sự có mặt của nhóm hạt mà còn phụ thuộc vào lượng chứa của chúng: nếu một nhóm hạt có mặt trong đất với lượng chứa quá nhỏ thì không gây tác động gì đáng kể tới tính chất của đất; nhưng nếu lượng chứa lớn thì gây ảnh hưởng rõ rệt. - Hàm lượng cỡ hạt: Lượng chứa một nhóm hạt tính bằng phần trăm (%) khối lượng mẫu đất khô: Hàm lượng cỡ hạt (%) = Khối lượng nhóm hạt x 100 Khối lượng mẫu đất khô (1.1) - Cấp phối hạt: Tập hợp hàm lượng của tất cả các cỡ hạt chứa trong một loại đất. Xác định thành phần cấp phối của đất NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 15 ƒ Xác định thành phần cấp phối của đất z z z Để xác định thành phần cấp phối hạt của một loại đất người ta phải làm thí nghiệm gọi là thí nghiệm phân tích hạt (phân tích cơ học của đất). Lỗ rây TCVN (mm) Thường dùng 2 phương pháp tùy thuộc cỡ hạt: Đối với hạt cỡ lớn, d > 0,1 mm (Mỹ: d > 0,075 mm) thì dùng phương pháp rây. - với d là đường kính tương đương. Đối với hạt cỡ nhỏ, d ≤ 0,1 mm (Mỹ: d ≤ 0.05 đến 0.075mm) thích hợp với phương pháp tỷ trọng kế. Số rây Lỗ rây TCMỹ TCMỹ (mm) 10 4 4.75 5 10 2.00 2 20 0.85 1 40 0.425 0,5 60 0.25 0,25 100 0.15 0,1 140 0.106 200 0.075 Phương pháp rây: Bộ rây tiêu chuẩn: Giới thiệu hai bộ rây TC Việt nam & Mỹ. NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 16 Chương I: I: Tính chấ chất Vậ Vật lý củ của đấ đất ƒ Thực hiện: – Xếp bộ rây có kích thước lỗ rây giảm dần từ trên xuống dưới – Cho mẫu đất qua bộ rây bằng cách lắc kỹ toàn bộ rây rồi lắc cho từng rây riêng biệt – Xác định khối lượng của đất còn lại trên mỗi rây và tính phần trăm tích lũy của khối lượng mẫu qua mỗi rây. Hình 1.3 NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 17 Chương I: I: Tính chấ chất Vậ Vật lý củ của đấ đất z Phương pháp tỷ trọng kế: ƒ Đối với những hạt cỡ nhỏ thì phương pháp rây không thể tách nhỏ hơn nữa các cỡ hạt; khi đó có thể dùng phương pháp lắng đọng các hạt trong dung dịch huyền phù (thường là nước). ƒ Phương pháp này dựa trên định luật Stoke: Trong dung dịch đồng nhất đẳng hướng và vô hạn, tốc độ lắng đọng (v) do trọng lượng của các hạt hình cầu được xác định theo biểu thức sau: v= (γ h − γ n ) 2 d 18η (1.2) Hình 1.4 NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 18 Chương I: I: Tính chấ chất Vậ Vật lý củ của đấ đất v= (γ h − γ n ) 2 d 18η (1.2) Trong đó: v - tốc độ chìm lắng của hạt. γh - trọng lượng riêng của hạt (g/cm³). γn - trọng lượng riêng của dung dịch (0,98g/cm³). η - hệ số nhớt của dung dịch ( dyn-giây/cm²). d – đường kính của hạt hình cầu (cm). ƒ Nếu biết khoảng cách chìm lắng L và thời gian chìm lắng tương ứng t , từ công thức trên có thể tính được đường kính của hạt như sau: ⎡ 18 ηL ⎤ d=⎢ ⎥ ⎣ (γ h − γ n )t ⎦ 1 2 (1.3) NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH Hình 1.5 CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 19 Chương I: I: Tính chấ chất Vậ Vật lý củ của đấ đất ƒ Từ bộ ba trị số ti , Ni , Li có thể tìm được đường kính di và lượng chứa của các hạt nhỏ hơn và bằng di tính bằng phần trăm trọng lượng mẫu đất thí nghiệm. Biểu diễn thành phần cấp phối của đất ƒ Tiến hành phân tích thành phần hạt một mẫu đất bằng rây kết hợp tỷ trọng kế nhận được kết quả ở hình 1.3. ƒ Hệ tọa độ của đường cong cấp phối hạt: Trục tung: biểu thị lượng chứa phần trăm (X %) của các hạt nhỏ hơn và bằng đường kính nào đó, Trục hoành: biểu thị đường kính hạt d (mm). trục hoành dùng toạ độ log để dễ dàng biểu thị mọi cỡ hạt có đường kính lớn nhỏ khác nhau, thậm chí chênh nhau hàng nghìn lần, từ hạt rất thô đến hạt vô cùng bé. ƒ Thông thường, trục hoành biểu thị đường kính hạt d (mm) giảm theo chiều mũi tên trục NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 20 ƒ Ví dụ thể hiện trên Hình 1.6: Từ đường cong cấp phối hạt kết hợp với bảng phân chia nhóm hạt có thể xác định được lượng chứa của các nhóm hạt trong mẫu đất đó: nhóm hạt dăm (sỏi): 3,2% ; nhóm hạt cát : 71,8% ; nhóm hạt bụi: 13,3% ; nhóm hạt sét: 11,7%. 100 Hình 1.6 Dăm, Sỏi Cát (thô, vừa, mịn) NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH Bụi (thô, mịn) CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT Sét 21 Đặc tính của đường cong cấp phối: Đất cấp phối tốt: biểu thị các kích cỡ hạt trong một khoảng rộng, và đường cong thành phần hạt trơn và nói chung lõm hướng lên. Đất cấp phối kém: là đất có quá nhiều hay quá ít số hạt kích cỡ nhất định hoặc hầu hết các hạt có cùng kích cỡ. ƒ Phân bố đồng đều : cỡ hạt như nhau. ƒ Đất cấp phối không liên tục hay gián đoạn. (trong hình vẽ, hàm lượng cỡ hạt giữa 0.5 và 0.1mm là rất ít). Hình 1.7: Đường cong phân bố cỡ hạt điển hình NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 22 Các chỉ tiêu đánh giá đặc tính cấp phối của đất: Các đường kính hạt đặc trưng: được xác định trên đường cong phân bố hạt z z D10 = đường kính hiệu quả. = đường kính của hạt tương ứng 10% khối lượng mẫu lọt qua rây. D60 ; D30 = đường kính hạt tương ứng 60% , 30% khối lượng mẫu lọt qua rây Các Hệ số cấp phối của đất: z Cu = Hệ số không đều hạt Cu = z D60 D10 (1.4) Đất cấp phối kém Cu = 2 – 3 Đất cấp phối tốt Cu > 15 Cc = Hệ số độ cong Cc = (D30 )2 (D10 )(D60 ) Cc = 1 – 3 (1.5) Đất cấp phối tốt Hình 1.8 NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 23 NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 24 Chương I: I: Tính chấ chất Vậ Vật lý củ của đấ đất III. Hình dạng hạt đất: Được xác định bằng phân loại trực quan Hình dạng hạt rất khác nhau & ảnh hưởng tới tính chất của đất. Mức độ ảnh hưởng của Hình dạng hạt đối với những nhóm hạt khác nhau thì khác nhau: z Nhóm hạt kích thước lớn (vd, từ cát trở lên) thường có dạng hình cầu trơn nhẵn hoặc góc cạnh, Hình dạng hạt ảnh hưởng nhiều đến tính chất của đất: Î Góc ma sát của đất cát tăng theo sự tăng mức độ góc cạnh của các hạt. Hình 1.9 NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 25 Chương I: I: Tính chấ chất Vậ Vật lý củ của đấ đất z Nhóm hạt kích thước nhỏ (sét, keo) thường có dạng phiến mỏng hoặc kim mỏng ƒ Tính chất của đất không chịu ảnh hưởng rõ rệt của hình dạng hạt, mà chủ yếu phụ thuộc vào thành phần khoáng vật hạt đất. Hình 1.10 NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH Hình 1.11 CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 26 Chương I: I: Tính chấ chất Vậ Vật lý củ của đấ đất B. Pha lỏng: Ở điều kiện tự nhiên, trong đất thường chứa một lượng nước nhất định tồn tại dưới dạng khác nhau. Nước có tác dụng mạnh với các khoáng vật trong đất, nhất là các hạt nhỏ và vật chất hữu cơ và ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của đất. Mức độ ảnh hưởng tùy thuộc dạng tồn tại của các loại nước. 1. Sơ đồ đồ phân loạ loại nướ nước trong đấ đất Nghiên cứu về nước trong đất đã có lịch sử từ lâu và nhằm các mục đích sử dụng khác nhau. Theo quan điểm xây dựng, một sơ đồ phân loại nước được thừa nhận rộng rãi như sau: NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 27 Chương I: I: Tính chấ chất Vậ Vật lý củ của đấ đất a- Nước trong khoáng vật hạt đất b- Nước kết hợp mặt ngoài hạt đất: chia 2 loại ƒ Nước hút bám. ƒ Nước màng mỏng: • Nước màng kết hợp mạnh: • Nước màng kết hợp yếu. c- Nước tự do: gồm 2 loại ƒ Nước mao dẫn ƒ Nước trọng lực Hình 1.12 NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 28 2. Nguyên nhân hì hình thà thành lớ lớp nướ nước kế kết hợ hợp mặ mặt ngoà ngoài hạt sé sét Về căn bản, nguyên nhân gồm 2 yếu tố: Lực hút điện phân tử & và đặc tính của phân tử nước. Sự hình thành Lực hút điện phân tử & Hoạt tính bề mặt hạt đất: z z z Khoáng vật sét có cấu trúc mạng tinh thể, bên trong hạt kvật các ion trái dấu cân bằng nhau, còn trên mặt kvật có các ion âm (O2và (OH)-) là các điện tích tự do, chưa được cân bằng bởi các ion khác dấu. Vì thế bề mặt k/v sét mang điện tích âm. Xung quanh hạt sét mang điện âm hình thành một trường tĩnh điện với lực điện phân tử. Do đó giữa chúng và môi trường xảy ra những tương tác vật lý và hóa học nhất định, tạo thành hoạt tính bề mặt hạt đất. Cường độ điện tích bề mặt phụ thuộc mức độ phân tán và thành phần k/v của hạt. NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 29 Chương I: I: Tính chấ chất Vậ Vật lý củ của đấ đất Đặc tính của phân tử nước: z z z Phân tử nước (H2O) là lưỡng cực. Mặc dù phân tử nước trung hòa về điện, nó vẫn phân cực. một đầu mang điện tích dương (H+), đầu kia mang điện tích âm (OH)- . Do đó, các phân tử nước sẽ bị hút tĩnh điện lên bề mặt các hạt sét. Chúng định hướng xung quanh hạt và bám trên bề mặt k/v theo từng lớp, bởi liên kết hydro (H3O)+ Bề mặt các hạt sét tích điện âm cũng hút các cation có mặt trong nước. Khi các cation được hydrat hóa cũng góp phần tạo ra sức hút của nước về bề mặt các hạt sét. NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 30 Chương I: I: Tính chấ chất Vậ Vật lý củ của đấ đất z z z Sát bề mặt k/v các phân tử nước chịu tác dụng của lực điện phân tử rất lớn (hàng trăm MPa) tạo thành lớp bám dính chắc. Càng xa bề mặt hạt khoáng, trị số lực hút điện phân tử càng giảm nhanh, và tại khoảng cách bằng 0,5μm nó gần bằng không. Tính chất của nước phụ thuộc vào cường độ tác dụng của lực điện phân tử. Dựa vào đó người ta có thể phân loại nước. NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 31 Chương I: I: Tính chấ chất Vậ Vật lý củ của đấ đất 3. Một số số tính chấ chất củ của cá các loạ loại nướ nước Theo chiều giảm của lực điện phân tử, lần lượt xét các loại nước sau: a) Nước trong khoáng vật hạt sét : ƒ Nằm trong mạng lưới tinh thể khoáng vật của hạt đất, tồn tại dưới dạng phân tử (H2O), hoặc ion (H+, OH-). ƒ Có thể coi là một bộ phận của hạt kv, không ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của đất. b) Nước kết hợp mặt ngoài ƒ Là loại nước bám xung quanh bề mặt hạt đất chịu tác động của lực điện p.tử. ƒ Nói chung không chịu chi phối của trọng lực và không truyền áp lực thủy tĩnh. ƒ Tùy theo mức độ kết hợp mạnh yếu khác nhau có thể chia 2 loại: NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 32 Chương I: I: Tính chấ chất Vậ Vật lý củ của đấ đất z z Nước hút bám: –Bám rất chặt ngay sát bề mặt hạt đất, dày khoảng 1-3 lớp phân tử nước. Mật độ phân tử nước lớn, có tính chất gần với thể rắn. –Không di chuyển dưới tác dụng của trọng lực, có thể di chuyển dưới dạng hơi nước. –Tỷ trọng > 1, vào khoảng 1,5; không dẫn điện, không kết tinh ở cả nhiệt độ rất thấp (-78oC). – Khi đất sét chỉ có nước hút bám thì đất ở trạng thái rắn. Nước màng mỏng: Tùy theo mức độ kết hợp chia làm 2 loại: ƒ Nước màng kết hợp mạnh: - Bám tương đối chặt xung quanh hạt đất; có thể di chuyển từ chỗ ẩm lớn sang chỗ ẩm nhỏ. Nhiệt độ kết tinh thấp hơn 0oc (bề dày càng mỏng nhiệt độ kết tinh càng thấp). Không truyền áp lực thủy tĩnh. – Khi trong đất có đến nước kết hợp mạnh thì đất ở trạng thái nửa rắn và chưa biểu hiện tính dẻo. NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 33 Chương I: I: Tính chấ chất Vậ Vật lý củ của đấ đất ƒ Nước màng kết hợp yếu: Là lớp nước ngoài cùng chịu ảnh hưởng của lực đptử yếu, có tính chất tương tự nước thông thường. – khi trong đất chứa vừa đủ loại nước này và nếu kết cấu đất đã bị phá hoại thì đất biểu hiện tính dẻo, nhưng nếu ở trạng thái tự nhiên thì không xuất hiện tính dẻo. Ảnh hưở hưởng củ của lớ lớp nướ nước kế kết hợ hợp mặ mặt ngoà ngoài đế đến tí tính chấ chất xây dự dựng củ của đấ đất z Trong các loại nước kể trên thì nước màng mỏng có ảnh hưởng tới tính chất xây dựng của đất nhiều hơn cả. Mức độ ảnh hưởng tùy thuộc vào thành phần khoáng vật, tỷ diện tích, hàm lượng sét: ƒ Do chịu lực hút điện phân tử, nước màng mỏng có tính nhớt hơn nước tự do. Bề dày của nước mảng mỏng tăng thì tính nhớt giảm, và ngược lại. Vì thế ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của đất: tính biến dạng (nén , nở, trượt), tính thấm, tính chống trượt. NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 34 c) Nước tự do: Là loại nước nằm ngoài phạm vi tác dụng của lực điện phân tử của hạt đất. Chia làm 2 loại: nước mao dẫn và nước trọng lực. Nước mao dẫn: ƒ Là loại nước dâng cao trong ống nhỏ (trên mực nước ngầm) do tác động của lực căng bề mặt (lực hấp dẫn) lên bề mặt tiếp xúc giữa các vật chất có trạng thái vật lý khác nhau như : - Lỏng với Khí, - Rắn với Lỏng. ƒ Hiện tượng mao dẫn trong đất khác với mao dẫn trong ống thủy tinh do nhiều yếu tố ảnh hưởng: - Tính chất hình học phức tạp của các lỗ rỗng, - Tác dụng hóa lý phức tạp giữa hạt đất và nước, - Ảnh hưởng của tính nhớt cũng như bề dày lớp nước màng mỏng, - Sự tồn tại của các bọc khí (khí giam hãm). NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH Hình 1.13 CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 35 Tuy nhiên, có thể sử dụng sự tương tự của hiện tượng mao dẫn trong các ống thủy tinh đường kính nhỏ để mô tả hiện tượng mao dẫn trong đất. ƒ Lực hút dính giữa thành thủy tinh và nước làm nước dâng lên trong ống và hình thành mặt khum mao dẫn. ƒ Chiều cao dâng tỷ lệ nghịch với đường kính ống; đường kính bên trong của ống càng nhỏ thì chiều cao mao dẫn càng lớn. Mặt khum có bề lõm lên phía trên cùng với sự treo nước trên thành ống thủy tinh. Hình 1.14: Hình dạng mặt khum dâng cao của nước mao dẫn trong ống thủy tinh. NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 36 • Lực hướng xuống dưới (coi là dương) = ∑ Fdown ⎛π ⎞ = Vw γ w = hc ⎜ d 2 ⎟γ w ⎝4 ⎠ trọng lượng của cột nước (1.6) • Lực hướng lên phía trên là thành phần thẳng đứng tác dụng kéo mặt khum theo chu vi ống ∑F up =π d T cos α (1.7) Trong đó, T = sức căng bề mặt của mặt phân cách nước không khí tác dụng xung quanh chu vi ống, (Lực / Chiều dài). Hình 1.15 NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH ∑F Cân bằng lực: − (hc ) π 4 v CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 37 =0 d 2γ w − πdT cos α = 0 ƒ Chiều cao mao dẫn dâng: − 4T hc = cos α γ wd (1.8) (1.9a) Hình 6.2 ƒ Đối với ống thủy tinh sạch và nước tinh khiết, α→0 và cosα→1. Do vậy: hc = − 4T γ wd (1.9b) ƒ Sự dâng mao dẫn hướng lên phía trên mực nước tự do, nhưng có giá trị âm (bởi dấu quy ước như trên Hình vẽ). ƒ hc và d có quan hệ tỷ lệ nghịch: d ↘ , hc ↗ ƒ Trong thực tế, chiều cao mao dẫn thường thấp hơn so với tính theo CT(1.9). NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 38 Bảng 1-1: Chiều cao mao dẫn gần đúng của các loại đất khác nhau* Cát hạt thô Cát hạt trung Cát hạt mịn Bụi Sét Xốp Chặt 0,03 – 0,12 m 0,04 – 0,15m 0,05 – 0,12 m 0,10 – 0,35 m 0,30 – 2,0 m 0,40 – 3,5 m 1,5 – 10 m 2,5 – 12 m ≥ 10 m *Theo Hansbo (1975) NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 39 Chương I: I: Tính chấ chất Vậ Vật lý củ của đấ đất z z Phân bố áp lực nước thủy tĩnh : uw = z γw (1.11) (tuyến tính) Tại mặt nước, z = 0 → uw = 0 Dưới mặt nước, z = (+) → uw = áp lực nước dương Trên mặt nước, z = (-) → uw = áp lực nước âm Áp lực mao dẫn: Xét cân bằng của mặt khum. khi áp lực khí quyển = 0, từ công thức 1-9 và với α ≈ 0, ta xác định áp lực mao dẫn: uc = hc γ w = −4T −2T = (1.12) d rm rm là bán kính mặt cong. Khi α ≈ 0, thì rm =d/2 ƒ Ứng suất giữa các hạt hay ứng suất hiệu quả σ’: σ’ = σ - uc NGUYỄN PGS. TS. NGUYỄN HỮU THÁIHỮU – NGÀNH THÁI –ĐỊA NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA KỸ CÔNG THUẬT TRÌNH CÔNG TRÌNH CƠ HỌC ĐẤT CƠ HỌC ĐẤT 40