Kiến trúc xây dựng - Cường độ kháng cắt của cường độkháng cắt của đất cát và đất sét

CHƯƠNG 3 CƯỜNG ĐỘ KHÁNG CẮT CỦA ĐẤT CÁT VÀ ĐẤT SÉT CHƯƠNG VI CƯỜNG ĐỘ KHÁNG CẮT CỦA ĐẤT CÁT VÀ ĐẤT SÉT NỘI DUNG § 1 3.1 Giới thiệu chung 3.2 Góc nghỉ của đất cát 3.3 Ứng xử của đất cát bão hòa khi cắt thoát nước 3.4 Ảnh hưởng của hệ số rỗng và áp lực thẳng đứng đến sự thay đổi thể tích NỘI DUNG § 2 3.5 Ứng xử của đất cát bão hòa khi cắt không thoát nước 3.6 Những yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt của đất cát 3.7 Hóa lỏng và ứng xử linh động chu kỳ của đất cát bão hòa § 1 3.1 Giới thiệu chung 1. KN về cường độ kháng cắt của đất (CĐKC) 2. Ý nghĩa trong xây dựng nói chung ‘’ ứng suất cắt tới hạn hay cực đại mà đất có thể chịu đựng’’ - Ý nghĩa quan trọng trong thiết kế công trình bởi vì khi sử dụng các hệ số an toàn cao thì các ứng suất cắt thực tế hình thành trong đất dưới tác dụng của tải trọng nhỏ hơn rất nhiều so với các ứng suất gây ra phá huỷ công trình. § 1 - Thí nghiệm hiện trường 5. Giới thiệu các ký hiệu được dùng trong chương 3. Một số phương pháp thí nghiệm xác định CĐKC của đất - 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 § 1 3.2 Góc nghỉ của đất cát 1. Giới thiệu chung Hình 3.1 Sự tạo thành của các cồn cát và minh họa góc nghỉ của cát Khái quát về góc nghỉ của đất và sự hình thành đụn cát Hình 3.2 ảnh các đụn cát ngoài thực tế Hình 3.3 Góc nghỉ của một số loại vật liệu rời § 1 2. Góc nghỉ khô và góc nghỉ ướt 4. Ý nghĩa của việc nghiên cứu xác định góc nghỉ khô, ướt § 1 3.3 Ứng xử của đất cát bão hòa khi cắt thoát nước 1. Sơ đồ thí nghiệm Sơ đồ thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước (CD) có đo thay đổi thể tích Hình 3.4 Nếu mẫu đất bão hoà → dễ dàng đo được lượng 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 mẫu đất. Lượng nước đi ra khỏi mẫu đất trong quá trình cắt thể hiện sự giảm thể tích của mẫu, và ngược lại là sự tăng thể tích của mẫu. Trong cả hai thí nghiệm, áp lực đẳng hướng σc bằng với σ3 giữ không đổi và ứng suất dọc trục gia tăng cho đến khi xảy ra sự phá hoại mẫu đất. NX: § 1 2. Các cách xác định đất ở trạng thái phá hoại Sự phá hoại được xác định theo: 1. Độ lệch ứng suất chính lớn nhất (σ1 – σ3)max 2. Hệ số ứng suất chính hiệu quả lớn nhất, (σ’1/σ’3)max 3. τ = (σ1 – σ3)/2 tại một biến dạng quy định 1. (σ1 – σ3)max xác định tại thời điểm phá hoại, cũng là cường độ kháng nén của mẫu đất. Chú ý: 2. Thí nghiệm cắt mẫu cát rời, khi ứng suất gia tăng thì hệ số rỗng giảm từ el (e-rời) xuống ecl (ec - rời), rất gần với e giới hạn ecrit. Casagrande (1936a) gọi là hệ số rỗng cuối cùng, tại đó xảy ra biến dạng liên tục khi độ lệch ứng suất chính không đổi, là e tới hạn. 2. Khi cắt mẫu cát chặt, độ lệch ứng suất chính đạt giá trị max, sau đó giảm tới gần giá trị (s1-s3)ult của cát rời. 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) Hình 3.5: Thí nghiệm ba trục trên các mẫu ‘xốp’ và ‘chặt’ của một loại cát điển hình(a) Đường cong ứng suất-biến dạng; (b) Biến đổi hệ số rỗng khi cắt (theo Hirschfeld. 1963) § 1 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 - Độ lệch ứng suất chính - Tại thời điểm phá hoại - Hệ số ứng suất chính (3-1) (3-2) (3-3) - Độ chặt tương đối - Hệ số rỗng giới hạn ecrit và, gián tiếp - Biến dạng thể tích (3-5) (3-6) 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 mẫu cát chặt ở sông Sacramento- tỷ số ứng suất chính và biến dạng dọc trục Hình 3.7: Kết quả thí nghiệm nén ba trục thoát nước điển hình của mẫu cát chặt ở sông Sacramento- biến dạng thể tích với biến dạng dọc trục (Theo Lee, 1965) Hình 3.8: Kết quả thí nghiệm nén ba trục thoát nước điển hình của mẫu cát chặt ở sông Sacramento- biến dạng thể tích với biến dạng dọc trục (Theo Lee, 1965) Hình 3.9 Quan hệ giữa biến dạng thể tích lúc phá hoại với hệ số rỗng khi kết thúc cố kết từ thí nghiệm nén ba trục thoát nước với nhiều cấp áp lực đẳng hướng 3. Quan hệ giữa Biến thiên thể tích – hệ số rỗng ứng với các áp lực buồng Hình 3.10: Quan hệ giữa hệ số rỗng giới hạn với áp lực đẳng hướng từ thí nghiệm nén ba trục thoát nước. Số liệu trong Hình 3.9 Hình 3.11 Quan hệ giữa biến dạng thể tích lúc phá hoại với ứng suấtcố kết hiệu quả cho các hệ số rỗng ban đầu khác nhau 4. Quan hệ giữa biến thiên thể tích với ứng suất cố kết hiệu quả với 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 § 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 - Biến thiên thể tích của mẫu khi gia tải đứng - Áp lực nước lỗ rỗng cực đại 2. Biểu thức các trạng thái ứng suất tại thời điểm phá hoại - Áp lực lỗ rỗng dư - Độ lệch ứng suất chính Hình 3.14 Các vòng Mohr của thí nghiệm nén ba trục không thoát nước và thoát nước (a)Trường hợp σ’3C > σ’3crit (b) Trường hợp σ’3C > σ3crit Bảng 3.1 Tổng kết những KN trên các hình trong phần này Tất cả các vòng Morh giống nhau: bởi vì không có sự thay đổi thể tích, Du = 0 trong khi thí nghiệm s’3c = s’3crit Lớn hơn thoát nước: Phía trái vòng Morh ứng suất hiệu quả Lớn hơn thoát nước: Phía phải vòng Morh ứng suất tổng s’3f > s’3c Nhỏ hơn không thoát nước s’3c < s’3crit Nhỏ hơn thoát nước: Phía phải vòng Morh ứng suất hiệu quả Nhỏ hơn thoát nước: Phía bên trái vòng Morh ứng suất tổng s’3f < s’3c Lớn hơn không thoát nước s’3c > s’3crit Không thoát nước, Tổng Không thoát nước, Hiệu quả Thoát nước, Hiệu quả = Tổng Vòng MorhÁp lực cố kết hiệu quả Cho: Ví dụ 1 Thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước (CD) với mẫu đất rời. Mẫu phá hoại khi tỷ số σ’1/σ’3 = 4, ứng suất chính hiệu quả nhỏ nhất σ’3 = 100 kPa. a. Tính Ф’. b. Tính độ lệch ứng suất chính khi mẫu phá hoại c. Vẽ vòng Mohr và đường bao phá hoại Mohr. Yêu cầu: a. Theo công thức 3-1, ta có Giải: b. Từ công thức 3-3, có Thay giá trị, thu được Ф’= 370 c. Vòng Mohr và đường bao phá hoại Mohr được vẽ như Hình VD. 3.1 Hình. VD. 3.3 Cho: Ví dụ 2 (BTVN) Thí nghiệm nén ba trục thoát nước với mẫu đất cát với σ’3 = 150 kPa và (σ’1/σ’3)max = 3.7. a. σ’1f b. (σ1 - σ3)f c. Ф’. Yêu cầu: Xác định § 2 3.6 Những yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt của đất cát Những yếu tố ảnh hưởng đến góc ma sát trong Ф - Hệ số rỗng hay độ chặt tương đối - Hình dạng hạt - Sự phân bố cỡ hạt - Độ nhám bề mặt hạt - Nước - Ứng suất chính trung gian - Kích thước hạt - Quá cố kết hay ứng suất trước Chú ý: - Hệ số rỗng có lẽ là thông số quan trọng nhất có ảnh hưởng đến cường độ kháng cắt của cát. Với các TN cắt thoát nước hoặc là cắt trực tiếp hay nén ba trục, hệ số rỗng càng nhỏ thì sức kháng cắt càng lớn. - Những ảnh hưởng của độ chặt tương đối hoặc hệ số rỗng, hình dạng hạt và kích thước hạt đến góc ma sát trong Ф được tổng kết bời Casagrande trong bảng 3-2. Những giá trị trong bảng được xác định từ TN ba trục trên các mẫu bão hòa ở cấp áp lực đẳng hướng vừa phải. - Kích thước hạt, ở hệ số rỗng không đổi dường như không ảnh hưởng đáng kể đến Ф. Bảng 11-2 Góc ma sát trong của đất không dính* 600.18----Sắc cạnhMảnh đá nén chặt, cấp phối tốt 11 470.53380.824.50.07Sắc cạnhCát lấp hồ Great Salt10 570.12430.41680.16Bán tròn tới bán sắc cạnh Hỗn hợp cát và sỏi cuội chế bị cấp phối tốt số 7 và số 3 9 460.54350.812.70.07Bán sắc cạnhCát từ đê biển, dự án Quabbin, MA 8 430.60330.851.40.22Bán sắc cạnhCát băng tích, Mancheter, NH 7 420.54340.841.80.13Bán sắc cạnh tới bán tròn Cát pha bụi nhẹ vùng vai đập Ft. Peck, MT 6 400.45360.654.10.04Bán sắc cạnh tới bán tròn Cát pha bụi vùng lân cận đập John Martin, CO 5 370.65330.852.10.03Bán trònCát pha bụi từ đập Franklin, NH 4 --290.891.50.18TrònCát biển ở Plymouth MA3 37 +0.47310.691.70.16TrònCát từ đá cát kết ở St. Peter2 350.53280.701.20.56Rất trònCát chuẩn Ottawa1 fefe ChặtRờiCuD10Hình dạng hạtMô tả tổng quát Số Ít ảnh hưởngQuá cố kết hoặc áp lực tiền cố kết φps ≥ φtx (xem công thức 11-5a, b)Ứng suất chính trung gian Không ảnh hưởng (với hệ số rỗng e không đổi) Kích thước hạt S W tăng, φ giảm nhẹĐộ ẩm W R tăng, φ tăngĐộ nhám bề mặt R Cu tăng, φ tăngCấp phối hạt A tăng, φ giảmĐộ sắc cạnh A e tăng, φ giảmHệ số rỗng e Ảnh hưởngYếu tố Bảng 11-3 Những yếu tố ảnh hưởng đến Ф Hình 3.15 Tương quan giữa góc ma sát trong hiệu quả với dung trọng khô, độ chặt tương đối và phân loại đất trong thí nghiệm nén ba trục § 2 3.7 Hóa lỏng và ứng xử linh động chu kỳ của cát bão hòa 1. Hiện tượng hóa lỏng - Khi cát rời bão hòa nước chịu tác dụng của biến dạng hoặc lực xung kích, cát có xu hướng giảm thể tích. Điều này gây ra sự tăng của áp suất lỗ rỗng và dẫn đến sự suy giảm ứng suất hiệu quả trong khối đất. Khi áp suất lỗ rỗng cân bằng với ứng suất hiệu quả thì cát mất toàn bộ cường độ và chuyển sang trạng thái hóa lỏng. 2. Hóa lỏng trong thực tế Bờ sông được cấu tạo bởi đất cát hạt mịn đều hạt rời rạc có thể hoá lỏng khi có những biến dạng lớn như quá trình xói mòn làm bờ sông dốc đứng và những biến dạng gây gia tăng áp lực lỗ rỗng. Hiện tượng đó được trình bày trong hình 3.16 Hình 3.16 Hóa lỏng trong nền đất cát rời liều kề bờ sông § 2 1. Hiện tượng HL - Khi xảy ra xói mòn ở sườn dốc, ứng suất trong đất gia tăng, áp lực nước lỗ rỗng gia tăng → HL ở một vùng giới hạn (Hình 3.16a) - Khi đất chảy xuống sông, nền đất ở đó sẽ chịu thêm ứng suất phụ thêm và chúng cũng có thể bị HL (Hình 3.16b)Æ theo cách này, quá trình HL tiếp diễn đến khi đất đạt tới trạng thái cân bằng với mái dốc rất thoải ( Hình 3.16c) 2. Tính chất và một số kiểu trượt khác nhau 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 suất tổng và ứng suất hiệu quả từ thí nghiệm CU (mẫu A) và thí nghiệm CD trong Hình 11.16. Hình vẽ thể hiện ở cả hai điều kiện độ lệch ứng suất cực đại và trong khi phá hoại Hình 3.19 Kết quả thí nghiệm nén ba trục ứng suất chu kỳ điển hình trên mẫu cát rời (theo Seed và Lee, 1966) Hình 3.20 Kết quả thí nghiệm nén ba trục ứng suất chu kỳ điển hình trên mẫu cát chặt (theo Seed và Lee, 1966) Hình 3.21 (a) Quan hệ tổng quát giữa ứng suất chu kỳ cực đại và số chu kỳ gây ra phá hoại linh động chu kỳ; thể hiện những ảnh hưởng của độ chặt và áp lực đẳng hướng ban đầu; (b) định nghĩa về ứng suất chu kỳ ∆σ trong thí nghiệm ba trục hoặc τhv trong thí nghiệm cắt trực tiếp chu kỳ Hình 3.22 biểu đồ trạng thái thể hiện khả năng hóa lỏng dựa trên kết quả TN không thoát nước đối với cát bão hòa