Công trình xây dựng to bé cỡ nào cũng phải đứng trên nền đất, thông qua cái gọi là Móng (chắc từ điển lấy hình ảnh chân con gà). Móng không vững thì công trình có thể đổ gục (ảnh). Do đó kỹ sư xây dựng phải học 1 số giờ tối thiểu về đất và nền móng. Chuỗi bài viết hy vọng bình dân hoá kiến thức khó hiểu này, cho nhiều người cần nhất có thể 🆗
2. Các con số của Đất
(tiếp)
2.1. Tại sao có Cơ học đất?
Như tên gọi, đây là một nhánh của cơ học, đặt ra các bài
toán về trạng thái cân bằng và chuyển động của nền đất. Đất là nơi con người ở
và xây dựng các công trình trên nó (nhà cửa, cầu đường, đê đập…). Nhiệm vụ của
người kỹ sư trong môn học này là dự báo ứng xử của nền đất dưới tác động của
các hoạt động này.
Môn khoa học này cũng khá mới mẻ, ra đời từ đầu thế kỷ 20. Lý
do ra đời, cũng xuất phát từ nhu cầu thực tế, đã phải trả giá cho nhiều công
trình bị hư hại liên quan đến nền đất: trượt lở mái đất, phá hoại móng… nên con
người cần phải tìm tri thức về vấn đề này, dù ở bất cứ quốc gia, miền đất nào.
Công trình xây dựng nào cũng cần nền móng vững chắc để truyền tải trọng lên đất
nền.
Cơ học đất trở thành 1 nhánh độc lập của cơ học, lý do bởi đất
có những tính chất đặc trưng so với các loại vật liệu khác:
💎Độ
cứng của đất phụ thuộc trạng thái ứng suất:
Rất nhiều loại vật liệu làm việc theo kiểu đàn hồi, ít nhất
dưới khoảng nội lực nào đó. Đàn hồi nghĩa là lực tăng 2 lần thì biến dạng cũng
tăng 2 lần, quan ứng suất-biến dạng là đường thẳng.
Đất không tuân theo cách làm việc tuyến tính này: dưới lực
nén, đất càng chặt cứng hơn. Đó là lý do đất càng xuống sâu thường càng cứng
hơn, do bị đè bởi trọng lượng các lớp đất bên trên nó.
💎Phá
hoại đất là dạng cắt:
Khi chịu nén đất trở nên cứng hơn, nhưng khi chịu cắt đất dần
bị rời ra. Sự phá hoại xảy ra khi ứng suất cắt lớn đến giới hạn nào đó so với ứng
suất nén.
💎Tính
trương nở (dilatancy):
Biến dạng cắt của đất thường dẫn đến sự thay đổi thể tích.
Cát rời có xu hướng giảm thể tích, còn cát chặt có xu hướng tăng. Lý do do sự
tăng giảm thể tích của lỗ rỗng giữa các hạt đất khi trượt lên nhau do chịu cắt:
1 ví dụ gần gũi với đời sống để hình dung hiện tượng này:
khi đi bộ trên bãi biển sát mặt nước, cát xung quanh bàn chân bị kéo khô lại.
Nguyên nhân là do cát trên bãi biển, vốn đã bị đầm chặt do ngâm nước, chịu tải
trọng người dẫm chân lên, gây ra biến dạng cắt, làm tăng thể tích khối cát. Đến
lượt nó lại hút nước của khối cát xung quanh.
Ở khía cạch khác, cát rời có xu hướng bị phá hoại sụp đổ khi
chịu cắt, kèm theo sự giảm thể tích. Hiện tượng này càng trở nên nguy hiểm hơn
nếu cát ngập nước, gây ra sự tăng áp lực nước lỗ rỗng. Ví dụ khi có động đất,
cát ngập nước được đầm chặt lại trong một khoảng thời gian ngắn, làm tăng áp lực
nước lên rất nhiều. Do đó làm các hạt cát bắt đầu nổi lên, gọi là hiện tượng đất
bị hoá lỏng.
💎Từ
biến:
Là hiện tượng Tải trọng giữ nguyên trong thời gian dài, dù
không tăng về độ lớn nhưng làm biến dạng đất tăng lên. Đất sét, bùn thể hiện rất
rõ tính chất này.Do đó 1 con đường xây trên nền sét yếu có thể tiếp tục tăng
lún trong hàng chục năm.
💎Nước
ngầm:
Tính chất đặc biệt của đất là nước có thể hiện diện trong
các lỗ rỗng giữa các hạt đất. Nó góp phần vào việc phân phối ứng suất trong nền
đất. Vì phải mất một thời gian để nước rút hết khỏi các lỗ rỗng, sự có mặt của
nước ngăn thể tích sụt giảm quá nhanh.
Việc hạ mực nước ngầm thường dẫn tới tăng ứng suất hữu hiệu
giữa các hạt đất, làm tăng độ lún của nền. điều này xảy ra với nhiều thành phố
lớn (Mexico city), hay các công trình quanh hố móng đang đào tầng hầm cần hạ nước
ngầm bị lún nứt.
💎Tính
đồng nhất thấp:
Không giống như gỗ, thép hay thậm chí bê tông, đất là vật liệu
rất không đồng nhất. Tính chất của nó thay đổi theo chiều sâu, theo chiêu
ngang: kể cả ở 2 điểm gần nhau trên mặt đất nhưng tính chất nền đất có thể hoàn
toàn khác nhau. Do đó công tác khảo sát là không thể thiếu để xác định tính chất
nền đất cho các bài toán nền móng.
2.2. Trạng thái ứng suất
Đầu tiên là Ứng suất trong đất. Được định nghĩa là lực trên
một đơn vị diện tích, khái niệm ứng suất giống như áp suất. Lưu ý với đất, diện
tích đại diện cho mặt phẳng cắt qua cả các hạt đất, lỗ rỗng giữa chúng và các
thứ trong lỗ rỗng (nước, khí – xem ảnh dưới). Điều này cho phép áp dụng các
tính toán cơ học cho đất như đối với một vật thể liên tục.
Trong đất có cả ngoại lực và nội lực tác dụng. Ngoại lực gồm
ví dụ như trọng lượng bản thân đất và tải trọng công trình tác dụng lên. Các lực
này chia cho đơn vị diện tích A được gọi là ứng suất tổng σ=F/A.
Nội lực được đại diện bởi các loại ứng suất:
- áp lực nước lỗ rỗng uw
- áp lực không khí trong lỗ rỗng ua
Quy ước dấu các ứng suất:
- σ có giá trị dương khi có xu hướng đẩy các hạt đất lại gần nhau
(nén). Với đất luôn có σ>0 và
- ua dương khi có xu hướng đẩy các hạt đất ra xa nhau. Các
trường hợp thông thường, lổ rỗng trong đất thông nhau nên ua bằng áp suất khí
quyển trên mặt đất, do đó coi ua=0
- uw âm có xu hướng kéo các hạt đất lại gần nhau (nước chịu kéo). Đất trên mực nước ngầm uw<0, nước luôn có xu hướng hút các hạt đất lại gần nhau. Đất dưới mực nước ngầm (bão hoà) uw>0, nước có xu hướng đẩy các hạt đất rời xa nhau.
Nước trong các lỗ rỗng giữa các hạt đất đóng vai trò quan trọng trong tính chất cơ học của đất. Có thể liên tưởng đến trò chơi trẻ con Lâu đài cát về hiện tượng này. Nếu cát rất khô, việc xây lâu đài cát là không thể vì cát sẽ chảy ngay khi nặn. Khi thêm chút nước (không quá nhiều), nước sẽ tạo lực hút kết dính các hạt cát lại lại gần với nhau để có thể nhào nặn.
Lực kết dính giữa các hạt đất thay đổi khi thay đổi lượng nước (độ ẩm) trong đất như sau:
- Khi độ ẩm tăng: Áp lực nước lỗ rỗng giảm độ lớn (bớt âm
hơn), các hạt đất bị rời nhau ra, thể tích đất tăng lên. Với đất cát, thể tích
tăng rất ít, đất sét tăng nhiều.
- Khi độ ẩm giảm: quá trình diễn ra ngược lại.
Rồi, sau khi đã coi đất từ một môi trường rời rạc thành một
vật thể chất rắn liên tục, bắt đầu xem xét cho 1 Phân tố đất. Như hình hộp kích
thước dx, dy, dz, ở độ sâu z dưới mặt đất. Trạng thái ứng suất được biểu thị bằng
ma trận 3x3 các giá trị ứng suất trên mỗi mặt của phân tố đất (google ma trận
là gì nếu cần hen). Ma trận này gọi là Tensor ứng suất.
Tensor ứng suất trong thiết kế nền móng
Mỗi mặt có 3 thành phần ứng suất tác động theo 3 phương,
phương vuông góc với mặt phân tố gọi là ứng suất pháp (pháp tuyến), ký hiệu bằng
chữ σ
ở đầu. Các ứng suất pháp được xếp vào đường chéo của ma trận. 2 thành phần
trong mặt phẳng là ứng suất tiếp (tiếp tuyến), gây tác động cắt, ký hiệu bằng
chữ τ.
Áp lực nước, khí lỗ rỗng, theo lý thuyết cơ học chất lưu (lỏng,
khí), chỉ có thành phần pháp tuyến và có cùng giá trị bằng ua hay uw theo mọi
phương. Nên ma trận biểu diễn của chúng có dạng như hình trên.
2.3. Ứng suất chính
Trường hợp đặc biệt của trạng thái ứng suất, khi phân tố chỉ
có ứng suất pháp trên 3 phương, các ứng suất tiếp đều bằng 0. Các ứng suất pháp
này gọi là Ứng suất chính, ký hiệu là σ1, σ2, σ3.
Trường hợp đặc biết này khá thường gặp trong các tình huống
cơ học đất. Ví dụ: Nền đất ban đầu chưa chịu bất kỳ tải trọng công trình nào,
khi mặt đất nằm ngang, mỗi phân tố đất sẽ có trạng thái ứng suất chính như hình
trên. Với K là hệ số áp lực ngang tĩnh của đất, 0,5≤K≤0,85.
ứng suất chính trong thiết kế nền móng
2.4. Cường độ của đất
Cường độ là ứng suất giới hạn mà vật thể còn chưa bị phá hoại.
Phá hoại của đất hầu hết là do ứng suất cắt. Dạng phá hoại cắt: Dễ hình dung nhất
trong thực tế là sự sụp đổ của đập hay nền đường do một khối đất trượt trên
vùng đất bên dưới nó.
Dạng phá hoại trượt do cắt của đất xảy ra trên một mặt phẳng
nào đó có ứng suất cắt đủ lớn so với ứng suất pháp tuyến. Một minh hoạ dễ nhất
cho hiện tượng này là bài toán kinh điển của vật lý phổ thông về 1 vật rắn trên
mặt phẳng nghiêng như hình vẽ:
Dựa trên hiện tượng đó, Coulomb (1736-1806) đã đưa ra công thức
kinh điển về cường độ (chịu cắt) của đất:
τ = σ’tgϕ + c
với σ’ là ứng suất pháp tuyến (hữu hiệu)
trên mặt phẳng đang xét. c là lực dính, ϕ là góc ma sát trong; đây là 2 thông số
quan trọng nhất liên quan đến khả năng chịu tải trọng của đất.
Ý nghĩa: Nếu ứng suất cắt trên mặt phẳng
đó nhỏ hơn giá trị τ này, biến dạng cắt có thể giới hạn được, vượt qua τ, biến
dạng là không thể khống chế, lúc đó đất ở trạng thái phá hoại. Sự có mặt của c
thể hiện kể cả khi không có ứng suất pháp σ (nôm na là không có lực tỳ vào mặt
trượt), vẫn phải có một lực cắt nhất định mới lôi đất trượt vào trạng thái phá
hoại.
2.5. Vòng tròn Mohr ứng suất
Rất nhiều thông tin của trạng thái ứng
suất trong đất và (c,ϕ) có thể biểu diễn trực quan bằng phương pháp vẽ vòng
tròn do Mohr () sáng tạo ra.
Tất nhiên vòng tròn Mohr không phải vẽ
ra cho vui, khoa học phương Tây luôn có mục đích thực dụng. Từ từ tôi sẽ giải
thích tính ứng dụng của nó, giờ là phương pháp dựng đường tròn như hình vẽ sau:
Cách dựng vòng tròn Mohr trong cơ học đất
- Bước 1: Dựng hệ trục toạ độ (σn, τn)
- Bước 2: Định vị 2 điểm A(σy, τxy) và
B(σx, -τxy) từ các giá trị ứng suất đã biết σx, σy, τxy (đo từ thí nghiệm)
- Bước 3: đường tròn có tâm là trung
điểm O của AB (nằm trên trục hoành σn, đường kính là AB.
===============================
(còn nữa phần 3)
Tài liệu tham khảo:
1. TCVN 9362:2012 Tiêu
chuẩn thiết kế nền nhà và công trình
2. Thiết kế và tính toán móng nông – Vũ Công Ngữ
3. Basic Soil Mechanics – R.Whitlow
4. SOIL MECHANICS - Arnold Verruijt, Delft University of Technology, 2001, 2006
5. Introducing Unsaturated Soil Mechanics to Undergraduate Students through the Net Stress Concepts - Eddy F. Ramirez
6. Mohr's circle – Wikiwand.com
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét