Giáo trình Cường độ kháng cắt của đất cát và đất sét

Nội dung text: Giáo trình Cường độ kháng cắt của đất cát và đất sét

1. NỘI DUNG §1 CHƯƠNG 3 3.1 Giới thiệu chung CHƯƠNG VI 3.2 Góc nghỉ của đất cát CƯỜNG ĐỘ KHÁNG CẮT CƯỜNG ĐỘ KHÁNG CẮT CỦA 3.3 Ứng xử của đất cát bão hòa khi cắt ĐẤT CÁTC VÀỦA ĐẤ T SÉT thoát nước ĐẤT CÁT VÀ ĐẤT SÉT 3.4 Ảnh hưởng của hệ số rỗng và áp lực thẳng đứng đến sự thay đổi thể tích NỘI DUNG §2 §1 3.1 Giới thiệu chung 3.5 Ứng xử của đất cát bão hòa khi cắt 1. KN về cường độ kháng cắt của đất (CĐKC) không thoát nước ‘’ ứng suất cắt tới hạn hay cực đại mà đất có thể chịu đựng’’ 3.6 Những yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt của đất cát 2. Ý nghĩa trong xây dựng nói chung - Ý nghĩaquantrọng trong thiếtkế công trình bởivì 3.7 Hóa lỏng và ứng xử linh động chu kỳ khi sử dụng các hệ số an toàn cao thì các ứng của đất cát bão hòa suấtcắtthựctế hình thành trong đấtdướitác dụng củatảitrọng nhỏ hơnrất nhiềuso vớicác ứng suất gây ra phá huỷ công trình.
2. §1 §1 3. Một số phương pháp thí nghiệm xác định 3.2 Góc nghỉ của đất cát CĐKC của đất 1. Giới thiệu chung - Thí nghiệmhiệntrường Khái quát về góc nghỉ của đất và sự hình thành đụn cát - Thí nghiệm trong phòng 4. Yêu cầu kiến thức Chương này sẽ làm sáng tỏ mối quan hệ cơ bản giữa ứng suất và biến dạng và biểu hiện chống cắt của đất thông qua các kết quả thí nghiệm trong phòng của một số loại đất điển hình. Qua đây, hy vọng có thể giúp bạn nhận biết được một số biểu hiện của đất khi bị cắt 5. Giớithiệu các ký hiệu được dùng trong chương Hình 3.1 Sự tạo thành của các cồn cát và minh họa góc nghỉ của cát Hình 3.3 Góc nghỉ của một số loại vật liệu rời Hình 3.2 ảnh các đụn cát ngoài thực tế
3. §1 §1 3.3 Ứng xử của đất cát bão hòa khi cắt thoát 2. Góc nghỉ khô và góc nghỉ ướt nước 1. Sơ đồ thí nghiệm 4. Ý nghĩa của việc nghiên Hình 3.4 cứu xác Sơ đồ thí định góc nghiệm nén nghỉ khô, ba trục cố kết thoát nước ướt (CD) có đo thay đổi thể tích §1 NX: 2. Các cách xác định đất ở trạng thái phá hoại Nếu mẫu đất bão hoà → dễ dàng đo được lượng Sự phá hoại được xác định theo: nước đi vào hoặc đi ra khỏi mẫu, cũng chính là sự biến đổi thể tích và cũng là sự biến đổi hệ số rỗng của 1. Độ lệch ứng suất chính lớn nhất (σ1 – σ3)max mẫu đất. Lượng nước đi ra khỏi mẫu đất trong quá trình cắt thể hiện sự giảm thể tích của mẫu, và ngược 2. Hệ số ứng suất chính hiệu quả lớn nhất, (σ’1/σ’3)max lại là sự tăng thể tích của mẫu. Trong cả hai thí 3. τ = (σ – σ )/2 tại một biến dạng quy định nghiệm, áp lực đẳng hướng σc bằng với σ3 giữ không 1 3 đổi và ứng suất dọc trục gia tăng cho đến khi xảy ra sự phá hoại mẫu đất.
4. Chú ý: 1. (σ1 – σ3)max xác định tại thời điểm phá hoại, cũng là cường độ kháng nén của mẫu đất. 2. Thí nghiệmcắtmẫucátrời, khi ứng suấtgiatăng thì Hình 3.5: Thí hệ số rỗng giảmtừ el (e-rời) xuống ecl (ec -rời), rất nghiệm ba trục trên gầnvớie giớihạnecrit. Casagrande (1936a) gọilàhệ các mẫu ‘xốp’ và số rỗng cuối cùng, tại đóxảyrabiếndạng liên tụckhi ‘chặt’ của một loại cát điển hình(a) độ lệch ứng suất chính không đổi, là e tớihạn. Đường cong ứng suất-biến dạng; (b) 2. Khi cắt mẫu cát chặt, độ lệch ứng suất chính đạt giá Biến đổi hệ số rỗng trị max, sau đó giảm tới gần giá trị (s -s ) của cát rời. khi cắt (theo 1 3 ult Hirschfeld. 1963) Đường cong quan hệ ứng suất-hệ số rỗng cho thấy ban đầu mẫu cát chặt giảm nhẹ thể tích, sau đó phình ra hay nở ra đạt tới ecd (e-chặt) §1 - Biến dạng thể tích 3.4 Ảnh hưởng của hệ số rỗng và áp lực đẳng hướng đến sự thay đổi thể tích 1. Một số KN và công thức cần quan tâm (3-5) - Hệ số ứng suất chính - Hệ số rỗng giới hạn e và, gián tiếp (3-1) - Hệ số rỗng giới hạn ecrit và, gián tiếp - Độ chặt tương đối - Độ lệch ứng suất chính - Độ chặt tương đối (3-2) (3-6) - Tại thời điểm phá hoại (3-3)
5. 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 thí nghiệm nén ba trục thoát nước điển hình của Hình 3.7: Kết quả thí nghiệm nén ba trục thoát nước điển hình của mẫu cát chặt ở sông Sacramento- tỷ số ứng suất chính và biến mẫu cát chặt ở sông Sacramento- biến dạng thể tích với biến dạng dạng dọc trục dọc trục (Theo Lee, 1965) Hình 3.8: Kết quả thí nghiệm nén ba trục thoát nước điển hình của Hình 3.8: Kết quả thí nghiệm nén ba trục thoát nước điển hình của Hình 3.9 Quan hệ giữa biến dạng thể tích lúc phá hoại với hệ số rỗng khi mẫu cát chặt ở sông Sacramento- biến dạng thể tích với biến dạng kết thúc cố kết từ thí nghiệm nén ba trục thoát nước với nhiều cấp áp dọc trục (Theo Lee, 1965) lực đẳng hướng
6. 3. Quan hệ giữa Biến thiên thể tích – hệ số 4. Quan hệ giữa biến thiên thể tích với ứng suất cố kết rỗng ứng với các áp lực buồng hiệu quả với các hệ số rỗng ban đầu khác nhau Hình 3.10: Quan hệ giữa hệ số rỗng giới hạn với áp lực đẳng hướng Hình 3.11 Quan hệ giữa biến dạng thể tích lúc phá hoại với ứng suất từ thí nghiệm nén ba trục thoát nước. Số liệu trong Hình 3.9 cố kết hiệu quả cho các hệ số rỗng ban đầu khác nhau Hình 3.12 Lý tưởng hóa số liệu biến dạng thể tích từ thí nghiệm nén ba trục thoát nước:(a) ∆V/Vo ~ eo; (b) ∆V/Vo~ σ’3 Hình 3.13 Biểu đồ Peacock
7. §2 3.5 Ứng xử của đất cát bão hòa khi cắt thoát nước 1. Sự khác nhau cơ bản giữa thí nghiệm thoát nước với thí nghiệm không thoát nước Hình 3.14 Các vòng - Biến thiên thể tích của mẫu khi gia tải đứng Mohr của thí nghiệm - Áp lực nước lỗ rỗng cực đại nén ba trục không thoát nước và thoát 2. Biểuthứccáctrạng thái ứng suấttạithời điểmpháhoại nước (a)Trường hợp σ’ C > σ’ - Áp lực lỗ rỗng dư 3 3crit (b) Trường hợp σ’3C > σ3crit - Độ lệch ứng suất chính Bảng 3.1 Tổng kếtnhững KN trên các hình trong phầnnày Ví dụ 1 Áp lựccố Vòng Morh kếthiệu Thoát nước, Không thoát nước, Không thoát quả Hiệuquả = Hiệuquả nước, Tổng Cho: Tổng Thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước (CD) với s’ > s’ Lớnhơn không Nhỏ hơn thoát Nhỏ hơn thoát 3c 3crit mẫu đất rời. Mẫu phá hoại khi tỷ số σ’1/σ’3 = 4, ứng thoát nước nước: Phía bên nước: Phía phải suất chính hiệu quả nhỏ nhất σ’ = 100 kPa. trái vòng Morh ứng vòng Morh ứng 3 suấttổng s’ s’ suấthiệuquả 3f 3c c. Vẽ vòng Mohr và đường bao phá hoại Mohr. s’3c = s’3crit Tấtcả các vòng Morh giống nhau: bởi vì không có sự thay đổithể tích, Du = 0 trong khi thí nghiệm
8. Giải: a. Theo công thức 3-1, ta có Thay giá trị, thu được Ф’= 370 b. Từ công thức 3-3, có c. Vòng Mohr và đường bao phá hoại Mohr được vẽ Hình. VD. 3.3 như Hình VD. 3.1 §2 Ví dụ 2 (BTVN) 3.6 Những yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt của đất cát Cho: Những yếu tố ảnh hưởng đến góc ma sát trong Ф Thí nghiệm nén ba trục thoát nước với mẫu đất - Hệ số rỗng hay độ chặt tương đối cát với σ’3 = 150 kPa và (σ’1/σ’3)max = 3.7. - Hình dạng hạt - Sự phân bố cỡ hạt Yêu cầu: - Độ nhám bề mặthạt Xác định - Nước - Ứng suất chính trung gian a. σ’1f - Kích thướchạt b. (σ1 - σ3)f - Quá cố kết hay ứng suấttrước c. Ф’.
9. Chú ý: Bảng 11-2 Góc ma sát trong của đất không dính* Mô tả tổng quát Hình dạng hạt D10 Cu Rời Chặt Số -Hệ số rỗng có lẽ là thông số quan trọng nhấtcóảnh e f e f hưởng đếncường độ kháng cắtcủa cát. VớicácTN 1 Cát chuẩn Ottawa Rấttròn 0.56 1.2 0.70 28 0.53 35 2 Cát từđácátkết ở St. Peter Tròn 0.16 1.7 0.69 31 0.47 37 + cắt thoát nướchoặclàcắttrựctiếphay nénbatrục, 3 Cát biển ở Plymouth MA Tròn 0.18 1.5 0.89 29 - - hệ số rỗng càng nhỏ thì sức kháng cắtcànglớn. 4 Cát pha bụitừđập Franklin, Bán tròn 0.03 2.1 0.85 33 0.65 37 NH - Những ảnh hưởng của độ chặttương đốihoặchệ số 5 Cát pha bụi vùng lân cận Bán sắccạnh 0.04 4.1 0.65 36 0.45 40 rỗng, hình dạng hạtvàkíchthướchạt đếngócma sát đập John Martin, CO tớibántròn trong Ф đượctổng kếtbời Casagrande trong bảng 3-2. 6 Cát pha bụinhẹ vùng vai Bán sắccạnh 0.13 1.8 0.84 34 0.54 42 đập Ft. Peck, MT tớibántròn Những giá trị trong bảng đượcxácđịnh từ TN ba trục 7 Cát băng tích, Mancheter, Bán sắccạnh 0.22 1.4 0.85 33 0.60 43 trên các mẫubãohòaở cấpáplực đẳng hướng vừa NH 8 Cát từđêbiển, dự án Bán sắccạnh 0.07 2.7 0.81 35 0.54 46 phải. Quabbin, MA - Kích thước hạt, ở hệ số rỗng không đổi dường như 9 Hỗnhợp cát và sỏicuộichế Bán tròn tới 0.16 68 0.41 43 0.12 57 bị cấpphốitốtsố 7 và số 3 bán sắccạnh không ảnh hưởng đáng kể đến Ф. 10 Cát lấphồ Great Salt Sắccạnh 0.07 4.5 0.82 38 0.53 47 11 Mảnh đánénchặt, cấpphối Sắccạnh - - - - 0.18 60 tốt Bảng 11-3 Những yếu tố ảnh hưởng đến Ф Yếutố Ảnh hưởng Hệ số rỗng e e tăng, φ giảm Độ sắccạnh A A tăng, φ giảm Cấpphốihạt Cu tăng, φ tăng Độ nhám bề mặt R R tăng, φ tăng Độẩm 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 hiệuquả với dung trọng khô, độ chặttương đối và phân loại đất trong thí nghiệm nén ba trục
10. §2 Hình 3.16 Hóa 3.7 Hóa lỏng và ứng xử linh động chu kỳ của cát lỏng trong nền đất bão hòa cát rờiliềukề bờ sông 1. Hiện tượng hóa lỏng - Khi cát rời bão hòa nướcchịutácdụng củabiếndạng hoặc lựcxungkích, cátcóxuhướng giảmthể tích. Điều này gây ra sự tăng củaápsuấtlỗ rỗng và dẫn đếnsự suy giảm ứng suất hiệuquả trong khối đất. Khi áp suấtlỗ rỗng cân bằng với ứng suấthiệuquả thì cát mất toàn bộ cường độ và chuyển sang trạng thái hóa lỏng. 2. Hóa lỏng trong thực tế Bờ sông đượccấutạobởi đấtcáthạtmịn đềuhạtrờirạccó thể hoá lỏng khi có những biếndạng lớnnhư quá trình xói mòn làm bờ sông dốc đứng và những biếndạng gây gia tăng áp lựclỗ rỗng. Hiệntượng đó được trình bày trong hình 3.16 §2 1. Hiện tượng HL - Khi xảyraxóimònở sườndốc, ứng suấttrong đấtgia tăng, áp lựcnướclỗ rỗng gia tăng → HL ở một vùng giớihạn (Hình 3.16a) - Khi đấtchảyxuống sông, nền đất ởđósẽ chịu thêm ứng suấtphụ thêm và chúng cũng có thể bị HL (Hình 3.16b)Æ theo cách này, quá trình HL tiếpdiễn đếnkhi đất đạttớitrạng thái cân bằng vớimáidốcrấtthoải( Hình 3.16c) 2. Tính chất và một số kiểu trượt khác nhau
11. 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 suấttổng và ứng suấthiệuquả từ thí nghiệmCU (mẫu A) và thí nghiệm CD trong Hình 11.16. Hình vẽ thể hiện ở cả hai điềukiện độ lệch ứng suấtcực đại và trong khi phá hoại Hình 3.19 Kếtquả Hình 3.20 Kếtquả thí nghiệm nén ba thí nghiệm nén ba trục ứng suấtchukỳ trục ứng suấtchukỳ điểnhìnhtrênmẫu điểnhìnhtrênmẫu cát rời (theo Seed và cát chặt (theo Seed Lee, 1966) và Lee, 1966)
12. Hình 3.21 (a) Quan hệ tổng quát giữa ứng suấtchukỳ cực đạivàsố chu kỳ gây ra phá hoại linh động chu kỳ; thể hiệnnhững ảnh hưởng của độ chặt và áp lực đẳng hướng ban đầu; (b) định nghĩavềứng suấtchukỳ ∆σ trong thí nghiệmbatrục hoặc τhv trong thí nghiệmcắttrựctiếp chu kỳ Hình 3.22 biểu đồ trạng thái thể hiệnkhả năng hóa lỏng dựatrênkết quả TN không thoát nước đốivới cát bão hòa