Giáo trình Cơ học đất - Địa chất (Trường trung cấp Cầu đường và dạy nghề)
GIÁO TRÌNH:
CƠ HỌC ĐẤT - ĐỊA CHẤT
Giáo trình cơ học đất - địa chất được biên soạn làm cơ sở cho việc giảng dạy và học tập môn học Cơ học đất và địa chất công trình của học viên hệ trung học cầu đường của trường Trung học Cầu đường và dạy nghề thuộc Tổng công ty xây dựng Trường Sơn.
Giáo trình gồm 8 chương:
Chương 1. Các tính chất vật lý của đất
Chương 2. Các tính chất cơ học của đất
Chương 3. Phân bố ứng suất trong đất
Chương 4. Biến dạng lún của nền
Chương 5. Sức chịu tải của đất nền
Chương 6. Ổn định của mái đất
Chương 7. Áp lực đất lên tường chắn
Chương 8. Khái niệm địa chất tự nhiên và địa chất công trình
Phần phụ lục. Thí nghiệm xác định một số chỉ tiêu vật lý của đất
Khi biên soạn giáo trình, chúng tôi đã dựa vào tiêu chuẩn kỹ thuật công trình giao thông đường bộ và các giáo trình địa chất công trình, giáo trình cơ học đất đã và đang được giảng dạy tại các trường chuyên nghiệp nghành Giao thông vận tải.
1. Đối tượng nghiên cứu của môn học
Đối tượng nghiên cứu của môn học là đất đá thiên nhiên lớp trên cùng của vỏ trái đất. Đối với nghành xây dựng các côngtrình giao thông cần phải nắm vững những khái niệm cơ bản về địa chất công trình, quá trình hình thành đất tạo ra nhiều loại đất có tính chất khác nhau.
Đất không phải là vật thể liên tục, mà là vật thể do nhiều hạt khoáng vật bé, có kích thước khác nhau hợp thành. Các hạt này tạo thành một khung kết cấu có nhiều lỗ hổng, trong đó thường chứa nước và khí. Trong khung kết cấu, các hạt đất có thể sắp xếp rời rạc hoặc được gắn kết liền với nhau bởi những liên kết yếu hơn rất nhiều so với cường đọ bản thân hạt.
Chính những đặc điểm đó làm cho đất có những tính chất khác hẳn so với các vật liệu khác, đồng thời làm cho các hiên tượng cơ học xảy ra trong đất theo những quy luật đặc thù riêng.
Để sử dụng đất vào xây dựng công trình giao thông được tốt, cần phải xác định được sức chịu tải và biến dạng của đất dưới tác dụng của tải trọng và áp lực của nó lên các vật chắn.
2. Nội dung và đặc điểm của môn học
Cơ học đất - địa chất là môn học khoa học nghiên cứu các quá trình địa chất tự nhiên và các quá trình cơ học xảy ra trong đất dưới ảnh hưởng của các tác dụng bên trong vàbên ngoài, tìm ra các quy luật tương ứng và vận dụng các quy luật đó để giải quyết các vấn đề có liên quan đến việc xây dựng công trình giao thông.
Nhiệm vụ của môn học là xác định quy luật hoạt động của các hiện tượng địa chất tự nhiên tác dụng đến công trình xây dựng. Việc xác định các quy luật cơ bản của các quá trình cơ học xảy ra trong đất và các đặc trưng tính toán của đất là một vật thể phân tán phức tạp, nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng của đất ở các giai đoạn biến dạng khác nhau, giải quyết các vấn đề về cường độ chịu tải và ổn định của các khối đất cũng như vấn đề áp lực của đất lên vật chắn.
Đặc điểm của môn học là nghiên cứu một đối tượng rất phức tạp, gồm nhiều thành phần với các tính chất khác nhau, đồng thời lại phụ thuộc chặt chẽ với các điều kiện xung quanh. Chính vì vậy trong khi nghiên cứu môn học thì bên cạnh việc sử dụng phương pháp lý thuyết còn phải hết sức coi trọng phương pháp thực nghiệm ở trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường.
CHƯƠNG 1
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT
1.1. Sự hình thành đất
Thành phần chủ yếu của đất là các hạt đất, các hạt đất có kích thước to nhỏ khác nhau, chúng được tạo nên do sự phá hoại các tầng lớp đất đá ban đầu bởi các tác dụng vật lý, hoá học, quá trình này gọi là quá trình phong hoá. Quá trình phong hoá đất đá được phân làm ba loại là: Phong hoá vật lý, Phong hoá hoá học và phong hoá sinh học.
Ba loại phong hoá trên thường tác dụng đồng thời trong thời gian dài làm cho các lớp đá trên mặt bị vỡ vụn, sau đó do tác dụng của dòng nước của gió làm các hạt đó bị cuốn đi nơi khác. Tuỳ theo kích thước các hạt to nhỏ mà trong quá trình di chuyển chúng sẽ lắng đọng lại hoặc rơi xuống tạo thành các tầng lớp đất khác nhau. Quá trình di chuyển và lắng đọng sản phẩm phong hoá gọi là trầm tích, ba phần tư bề mặt lục địa được bao phủ bởi các lớp đất đá trầm tích, phần còn lại là các vùng còn giữ được thành phần khoáng chất như đá gốc hoặc thay đổi ít.
Các hạt lắng đọng chồng chất lên nhau, giữa chúng không có lực liên kết đó là các lớp đất cát, cuội, sỏi, loại này nói chung là đất rời. Các hạt nhỏ với kích thước vài phần nghìn mm thường có tính keo dính và tích điện, khi lắng đọng chúng liên kết với nhau thành các tầng đất gọi chung là đất dính hoặc đất sét.
1-2. Các thành phần chủ yếu của đất
Thành phần chủ yếu của đất là các hạt đất, Các hạt đất có kích thước và hình dáng khác nhau nên khi sắp xếp với nhau sẽ tồn tại các khe rỗng, các khe rỗng này trong tự nhiên thường có nước và không khí. Nước và không khí trong các khe rỗng có ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất của đất vì vậy khi nghiên cứu đất phải sét tới các phần này, vì vậy đất là vật thể ba pha: Pha cứng là hạt đất, Pha lỏng là nước trong khe rỗng, pha khí là khí trong khe rỗng.
1.2.1. Hạt đất
Hạt đất là thành phần chủ yếu ciủa đất. Khi chịu lực tác dụng bên ngoài lên mặt đất thì các hạt đất cùng chịu lực, vì vậy người ta gọi tập hợp các hạt đất là khung cốt của đất. Các hạt đất có hình dạng và kích thước khác nhau tuỳ thuộc vào tác động của quá trình phong hoá và quá trình di chuyển, lắng đọng.
Để phân loại và gọi tên các hạt đất, người ta dùng khái niệm đường kính trung bình của hạt, đây là đường kính của vòng tròn bao quanh tiết diện lớn nhất của hạt đất ấy
1.2.2. Nước trong đất
Nước trong đất có ảnh hưởng lớn đến tính chất chịu lực của đất, nước được tồn tại trong đất dưới nhiều dạng khác nhau, với mỗi dạng đều có ảnh hưởng nhất định đến các tính chất khác nhau của đất ngưới ta phân ra làm ba dạng sau
a, Nước trong khoáng vật của hạt đất
Đây là loại nước nằm trong tinh thể khoáng vật của hạt đất, nó tồn tại dưới dạng phân tử H2O hoặc ở dạng i-on H+ và OH-. Loại nước này ít ảnh hưởng đến tính chất cơ học của đất.
b, Nước kết hợp mặt ngoài của đất
Đây là loại nước được giữ lại trên bề mặt hạt đất dưới tác dụng của các lực hoá lý. Tuỳ theo mức độ kết hợp mạnh yếu khác nhau thì được phân thành 2 loại:
- Nước hút bám: Là loại nước bám rất chặt vào ngay mặt ngoài hạt đất, nó không thể trực tiếp di chuyển từ hạt này sang hạt khác mà chỉ di chuyển dưới dạng bay hơi.
- Nước màng mỏng: Là loại nước bao ở phía ngoài nước hút bám. Loại nước này ít ảnh hưởng đến tính chất cơ học của đất.
- Nước màng mỏng: Là loại nước bao ở phía ngoài nước hút bám. Loại nước này ít ảnh hưởng đến tính chất cơ học của đất.
c, Nước tự do
Đây là loại nước nằm ngoài phạm vi lực hút phân tử, loại này được phân thành 2 loại là: Nước trọng lực và nước mao dẫn.
- Nước trọng lực: Là nước tự nhiên nằm trong các khe hổng của đất, nó có thể di chuyển từ nơi này sang nơi khác dướic tác dụng của trọng lực, thường được gọi là nước ngầm hoặc nước mạch. Khi chảy qua các lỗ hổng, với tốc độ thấm lớn nó có thể sinh ra áp lực thuỷ động lên các hạt đất.
- Nước mao dẫn: là nước dâng lên theo các đường lỗ hổng giữa các hạt đất dưới tác dụng của lực mao dẫn. Nước mao dẫn làm tăng độ ẩm của đất, làm giảm sức chịu tải của nền, làm tăng trọng lượng riêng của đất. Loại nước này có ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ học của đất.
1.2.3. Khí trong đất
Nếu trong các lỗ hổng của đất không có nước thì khí chiếm chỗ trong các lỗ hổng ấy. trong đất có hai loại khí là khí tự do và khí hoà tan trong nước. Nói chung thành phần của khí ít ảnh hưởng đến tính chất cơ học của đất, nó chỉ ảnh hưởng đến tính thấm nước của đất, cản trở dòng thấm của nước.
1.3. Kết cấu của đất
Kết cấu của đất là sự sắp xếp các hạt đất với nhau, có ảnh hưởng đáng kể tới các tính chất vật lý và cơ học của đất. Kết cấu của đất phụ thuộc vào quá trinhg hình thành và tồn tại rất lâu nên rất đa dạng. Người ta thường phân kết cấu của đất thành ba loại sau:
