HCMC UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION
FACULTY OF CIVIL ENGINEERING
DEPARTMENT OF GEOTECHNICAL ENGINEERING BÀI GI¾NG MÔN HÞC SOIL MECHANICS MSc. LÊ PH¯¡NG BÌNH Contents and Plans Includes 7 chapters 3 60h C. 0 : Introduction 2h
C. 1 : Physical properties of soil 6h
C. 2 : Mechanical properties of soil 8h
C. 3 : Stress - Pressure in soil 14h
C. 4 : Settlement of foundation 12h
C. 5 : Bearing capacity of soil 10h
C. 6 : Lateral earth pressure and retaining wall 8h [ 6 ] CHAPTER 02
MECHANICAL PROPERTIES OF SOIL
2.1. One-dimensional flow of water through soils 2.1.1. Darcy9s law.
2.1.2. Calculating flow parameters.
2.2. One-dimensional consolidation settlement of soils. 2.2.1. Plate load Test.
2.2.2. Oedometer test - Laboratory methods for
determination of compressibility.
2.2.3. Primary Consolidation Parameters. 2.3. Shear strength of soil. 2.3.1. Introduction. 2.3.2. Direct shear test. [ 59 ] CHAPTER 02
MECHANICAL PROPERTIES OF SOIL 2.4. The soil compaction. 2.4.1. Introduction.
2.4.2. Proctor compaction test. [ 60 ]
2.1. ONE-DIMENSIONAL FLOW OF WATER THROUGH SOILS 2.1.1. Darcy9s law. H ô Q ý k
A ý k ô I ô A L
Q / A ý v þ v ý k ôI Trong ó: Q : L±u l±ÿng th¿m m³/n@ k : Hß sß th¿m cÿa @¿t CH : Chênh lßch cßt áp L : Chißu dài @±ßng th¿m A : T/dißn n±ßc th¿m qua. I
: Gradient thÿy lÿc Thí nghißm th¿m cÿa Darcy v : V¿n tßc th¿m [ 61 ]
2.1. ONE-DIMENSIONAL FLOW OF WATER THROUGH SOILS
2.1.2. Calculating flow parameters.
÷ Th¿m th¿u k¿ có @ß chênh cßt n±ßc không @ßi.
Thß tích n±ßc Q thu @±ÿc trong thßi
gian t là Q ý Avt Ta l¿i có: h ö h ö
v ý ki ý k
þ Q ý Avt ý A k t L ÷ L ÷ ø ø QL þ k ý (m/s) ho¿c (cm/s) Aht
A: Ti¿t dißn ngang cÿa m¿u @¿t
h : Vß chênh lßch cßt n±ßc
t : Thßi gian thí nghißm (s)
Q: Thß tích n±ßc thoát ra trong thßi gian t(s) L : Chißu cao m¿u @¿t [ 62 ]
2.1. ONE-DIMENSIONAL FLOW OF WATER THROUGH SOILS
Ví dÿ: Th¿m th¿u k¿ có @ß chênh cßt n±ßc không @ßi.
Mßt m¿u @¿t hình trÿ cao 16.8cm, @±ßng kính 7.3
cm, @±ÿc @o hß sß th¿m có th¿m th¿u k¿ có @ß chênh
cßt n±ßc không @ßi h=75cm. Trong mßt phút l±ÿng
n±ßc th¿m qua m¿u là 945.7cm³. Tính hß sß th¿m k? Gi¿i
Dißn tích m¿t c¿t ngang cÿa m¿u @¿t: 2 2 ðd ð 7 ô .3 A ý ý ý 41.9øcm²ù 4 4
Hß sß th¿m k @±ÿc xác @ßnh theo công thÿc: QL 945.7 1 ô 6.8 k ý ý
ý 0.084øcm / s ù Aht 41.9ô75 6 ô 0 [ 63 ]
2.1. ONE-DIMENSIONAL FLOW OF WATER THROUGH SOILS
2.1.2. Calculating flow parameters.
÷ Th¿m th¿u k¿ có @ß chênh cßt n±ßc thay @ßi.
V¿n tßc h¿ th¿p mÿc n±ßc trong ßng a dh dh v ý ý þ q ý va ý ý a in dt dt
L±u l±ÿng n±ßc @i qua m¿u @¿t: h
q ý vA ý kiA ý k
A Tính liên tÿc: q ý q L in h dh û k A ý ý a L dt t h 2 2 A dh aL h û k dt ý ýa ò ò 1 þ k ý 2.3 log L h A t ô h2 1 t 1 h [ 64 ]
2.1. ONE-DIMENSIONAL FLOW OF WATER THROUGH SOILS
Ví dÿ: Th¿m th¿u k¿ có @ß chênh cßt n±ßc thay @ßi.
M¿u @¿t cát l¿n sßi hình trÿ cao 16.28cm, dt ti¿t dißn
ngang A=10.73cm², @±ÿc @o hß sß th¿m có th¿m th¿u
k¿ có @ß chênh cßt n±ßc thay @ßi có a=6.25cm². Trong
1.5 phút chißu cao cßt n±ßc tÿ h1=160.2cm gi¿m xußng
h2=80.1cm. Tính hß sß th¿m k? Gi¿i
Hß sß th¿m k @±ÿc xác @ßnh theo công thÿc: aL h 6.25 16 ô .28 160.2 1 k ý 2.3 log ý 2.3 log
ý 0.073øcm / sù A t ô h 10.73 ô90 80.1 2 [ 65 ]
2.1. ONE-DIMENSIONAL FLOW OF WATER THROUGH SOILS
2.1.3. The equivalent permeability.
Theo ßnh lu¿t Darcy:
v ý k .I ý k .ôH / L 1 1 1 1 1 1
v ý k .I ý k . H ô / L 2 2 2 2 2 2
v ý k .I ý k . H ô / L n n n n n n
Tính liên tÿc cÿa dòng ch¿y:
v ý v ý ... ý v ý v 1 2 n ôH
v ý k .I ý k tb tb L [ 66 ]
2.1. ONE-DIMENSIONAL FLOW OF WATER THROUGH SOILS
2.1.3. The equivalent permeability. Suy ra: L L L û ... û Lû 1 2 n H ô ý v ý v k k tb tb
Tßng tßn th¿t áp lÿc khi n±ßc ch¿y qua n t¿ng @¿t:
ôH ý ôH û H ô ... û Hô 1 2 n L L L ö L L L ö 1 2 n 1 2 H ô ý v v û ... û vû v ý û ... n û û 1 2 n ÷ ÷ k k k k k k 1 2 n ø 1 2 n ø
Hß sß th¿m trung bình khi th¿m vuông góc vßi các m¿t phân lßp: ö ö k ý ø L L L L L û ... û Lû û û û n ù 1 2 / ... n tb 1 2 ÷ ÷ k k k ø 1 2 n ø [ 67 ]
2.1. ONE-DIMENSIONAL FLOW OF WATER THROUGH SOILS
2.1.3. The equivalent permeability.
Theo ßnh lu¿t Darcy:
q ý k .L I 1 1 1
q ý k .L I 2 2 2
q ý k .L I n n n
L±u l±ÿng dòng ng¿m cÿa t¿ng chÿa n±ßc: n q ý q ý k L k û L û k L û õ I i ø ... 1 1 2 2 n n ù i 1 ý [ 68 ]
2.1. ONE-DIMENSIONAL FLOW OF WATER THROUGH SOILS
2.1.3. The equivalent permeability.
M¿t khác, n¿u thay t¿ng chÿa n±ßc có n lßp b¿ng
t¿ng chÿa n±ßc t±¡ng @ßi @ßng nh¿t có hß sß th¿m k , tb
thì l±u l±ÿng ¡n vß cÿa t¿ng chÿa n±ßc t±¡ng u¡ng
xác ßnh theo công thÿc:
q ý k LI ý k øL L û ... û Lû I tb tb 1 1 n ù
Trong @ó: h là bß dày cÿa t¿ng chÿa n±ßc t±¡ng @±¡ng.
Suy ra: Hß sß th¿m trung bình khi th¿m song song vßi các m¿t phân lßp: k L k û L ... û k L û 1 1 2 2 n n k ý tb L L û ... û Lû 1 2 n [ 69 ]
2.1. ONE-DIMENSIONAL FLOW OF WATER THROUGH SOILS
2.1.3. The equivalent permeability.
Ví dÿ: Cho m¿t c¿t @ßa ch¿t thÿy von nh± hình:
Bi¿t: L1=40m; L =80m; k =10m/ng@; k =20m/ng@. 2 1 2
Yêu c¿u: XV hß sß th¿m trung bình khi n±ßc th¿m qua hai lßp @¿t ktb (m/ng@)? Gi¿i:
Hß sß th¿m trung bình khi th¿m qua hai lßp: ö L L ö k ý L L û ÷ û tb ø ù 1 2 / 1 2 ÷ ø k k 1 2 ø ø ù ö 40 80 40 80 / ö ý û û 15 ý ÷ 10 20 ÷ ø ø [ 70 ]
2.2. ONE-DIMENSIONAL CONSOLIDATION SETTLEMENT OF SOILS 2.2.1. Plate load Test.
Vß kh¿o sát sÿc chßu t¿i, bi¿n d¿ng cÿa
nßn d±ßi móng nông, nßn @±ßng. [ 71 ]
2.2. ONE-DIMENSIONAL CONSOLIDATION SETTLEMENT OF SOILS 2.2.1. Plate load Test. Pm = 1.5 - 2 P ax ø ù tk Hß sß nßn: k ø Ã kN / m² 3 kN / m ù ø ù = Søm ù [ 72 ]
2.2. ONE-DIMENSIONAL CONSOLIDATION SETTLEMENT OF SOILS 2.2.1. Plate load Test.
Hß sß nßn tiêu chu¿n cÿa Terzaghi Lo¿i @¿t Tr¿ng thái k0.3 (MN/m³) Rßi 8÷25 Cát khô Ch¿t TB 25÷125 ho¿c ¿m Ch¿t 125÷375 Rßi 10÷15 Cát bão hòa Ch¿t TB 35÷40 Ch¿t 130÷150 D¿o (qu=100-200kPa) 12÷25 Sét D¿o cÿng (q =200-400 kPa) 25÷50 u Cÿng (q >400 kPa) >50 u
qu là sÿc chßu nén mßt trÿc cÿa @¿t nßn [ 73 ]
2.2. ONE-DIMENSIONAL CONSOLIDATION SETTLEMENT OF SOILS 2.2.1. Plate load Test.
Hß sß nßn k cÿa móng vuông kích th±ßc BxB(m²) @±ÿc
xác @ßnh tÿ thí nghißm bàn nén vuông 0.3x0.3(m²): 2 ö B 0 û .3 ö
÷ Trên nßn cát: k ý k0.3 ÷ 2B ÷ ø ø ö 0.3ö
÷ Trên nßn sét k ý k0.3 ÷ B ÷ ø ø ö B ö 1û ÷ ÷
Móng chÿ nh¿t kích th±ßc BxL(m²): ø L k k ø ý øB Bôù 1.5 2
Móng bFng c¿nh B: k ý kø ô ù 3 B B [ 74 ]
2.2. ONE-DIMENSIONAL CONSOLIDATION SETTLEMENT OF SOILS 2.2.1. Plate load Test.
Xác @ßnh Gß lún cÿa móng nông tÿ k¿t qu¿ thí nghißm bàn nén hißn tr±ßng: ö B ö ÷ V¿t lo¿i sét: S ý S ÷ ÷ p ÷ B ÷ ø p ø ù B øB û ù p ù 2 0.3 ÷ V¿t lo¿i cát: S ý S ú ú p ú B B û p ø 0.3ù ú û û Trong ó:
3 S; Sp: Vß lún cÿa móng và bàn nén
3 B; Bp: Bß rßng cÿa móng và bàn nén [ 75 ]
2.2. ONE-DIMENSIONAL CONSOLIDATION SETTLEMENT OF SOILS 2.2.2. Oedometer test :
÷ V¿c tr±ng bi¿n d¿ng cÿa nßn @ß tính lún cho công trình.
÷ V¿c tr±ng bi¿n d¿ng theo thßi gian @ß tính thßi gian lún ho¿c lún theo thßi gian. Máy nén mßt trÿc không nß hông [ 76 ]
2.2. ONE-DIMENSIONAL CONSOLIDATION SETTLEMENT OF SOILS 2.2.2. Oedometer test : V AH H H ý H H H v v v s e ý ý ý ý ý ý1 þ H ý s V AH H H H 1 e û s s s s s Trong ó:
Hs=const là chißu cao cÿa ph¿n h¿t; H là
chißu cao cÿa m¿u @¿t ÿng vßi c¿p t¿i
trßng khác nhau và e là hß sß rßng t±¡ng
ÿng vßi c¿p t¿i trßng tác dÿng.
Tr¿ng thái tr±ßc và sau khi tong ±/s hÿu hißu: H H 1 e û 1 2 2 H ý ý þ H ý H s 2 1 1 e û 1 e û 1 eû 1 2 1 1 e û e ý e ;ß lún S: 2 1 2
S ý H ý H ý H ý H þ S ý H 1 2 1 1 1 1 e û 1 e û 1 1 [ 77 ]
2.2. ONE-DIMENSIONAL CONSOLIDATION SETTLEMENT OF SOILS
2.2.3. Primary Consolidation Parameters:
Hß sß rßng cÿa m¿u @¿t t±¡ng ÿng vßi mßi c¿p áp lÿc: ôhi e ý e ý e û i o ø1 o ù ho Vß dßc e ý e ôe 1 2 tgñ ý a ý ý ý @±ÿc M p ý p p ô 2 1
gßi là hß sß nén lún a (m²/kN) e ý e Tr±ßng hÿp tßng quát: n 1 ý n a ý n 1 ý ,n p ý p n n 1 ý N [ 78 ]
2.2. ONE-DIMENSIONAL CONSOLIDATION SETTLEMENT OF SOILS
2.2.3. Primary Consolidation Parameters: a ý e ô
Hß sß nén t±¡ng ßi a (m²/kN) a ý ý o o 1 e û p ô 1 e û 1 ø 1 ù 2 Mô@un bi¿n d¿ng E (kN/m²): ö 2þ ö 1 ò E ý 1 ÷ ý ÷ ý 1 þ ý a a ø ø o o
Tßng quát theo ph±¡ng pháp nén cß k¿t: Mô@un bi¿n d¿ng E: 1 e û n 1 E ý ò ý n 1 ý , n aný1,n
Vß lún cÿa lßp @¿t có chißu dày H e ý e ýôe ôp ò 1 2 S ý H ý H þ S a ý p ô H ý p ôH 1 e û 1 o e û p ô E 1 ø 1 ù [ 79 ]
2.2. ONE-DIMENSIONAL CONSOLIDATION SETTLEMENT OF SOILS
2.2.3. Primary Consolidation Parameters:
Hß sß Poisson ¿ phÿ thußc vào tÿng lo¿i @¿t: 3 V¿t cát = 0.25-0.30
3 V¿t cát pha sét = 0.20-0.30
3 V¿t sét pha cát = 0.33-0.37 3 V¿t sét = 0.38-0.45 [ 80 ]
2.2. ONE-DIMENSIONAL CONSOLIDATION SETTLEMENT OF SOILS
2.2.3. Primary Consolidation Parameters:
B¿ng tra mô Gun bi¿n d¿ng dÿa vào tên G¿t Mô @un bi¿n d¿ng E Hß sß Poisson v Lo¿i @¿t (Mpa) Cát rßi 10.35÷24.15 0.20÷0.40 Cát ch¿t trung bình 17.25÷27.60 0.25÷0.40 Cát ch¿t 34.50÷55.20 0.30÷0.45 Cát l¿n @¿t bßt 1.035÷17.25 0.20÷0.40 Cát sßi 39.00÷172.5 0.15÷0.35 Sét mßm 2.07÷5.18 0.20÷0.50 Sét d¿o trung bình 5.18÷10.35 0.20÷0.50 Sét cÿng 10.35÷24.15 0.20÷0.50 [ 81 ]
2.2. ONE-DIMENSIONAL CONSOLIDATION SETTLEMENT OF SOILS
2.2.3. Primary Consolidation Parameters:
Chß sß nén Cc @±ÿc xác @ßnh theo e ý e công thÿc: 1 2 tgñ ý C ý c log p ý log p 2 1 e ý e Tßng quát: n 1 ý n C ý c log p ý log p n n 1 ý [ 82 ]
2.2. ONE-DIMENSIONAL CONSOLIDATION SETTLEMENT OF SOILS
2.2.3. Primary Consolidation Parameters:
Áp lÿc tißn cß k¿t pc : là áp lÿc mà b¿n thân nßn @¿t @ã
tÿng chßu @ÿng @±ÿc trong quá khÿ.
Cách xác @ßnh áp lÿc tißn cß k¿t p : c
B±ßc 1: Chßn @ißm A có bán kính @±ßng cong nhß nh¿t.
B±ßc 2: V¿ @±ßng (1) song song trÿc hoành.
B±ßc 3: V¿ @±ßng (2) ti¿p tuy¿n @±ßng cong t¿i A. [ 83 ]
2.2. ONE-DIMENSIONAL CONSOLIDATION SETTLEMENT OF SOILS
Cách xác @ßnh áp lÿc tißn cß k¿t pc (ti¿p theo):
B±ßc 4: V¿ @±ßng (3) là phân giác cÿa góc hÿp bßi @±ßng (1) và (2).
B±ßc 5: V¿ @±ßng (4) là @±ßng
kéo dài cÿa @o¿n cußi cùng cÿa
@±ßng cong e-logP. V±ßng (4) B c¿t (3) t¿i B.
B±ßc 6: Tÿ @ißm B h¿ xußng trÿc hoành s¿ thu @±ÿc Pc [ 84 ]
2.2. ONE-DIMENSIONAL CONSOLIDATION SETTLEMENT OF SOILS
2.2.3. Primary Consolidation Parameters:
Tß sß tißn cß k¿t (hß sß cß k¿t tr±ßc) OCR: (Over Consolidation Ratio) pc OCR ý ' óv Trong @ó: '
ó ÿng su¿t hÿu hißu hißn t¿i theo ph±¡ng @ÿng v
do trßng l±ÿng b¿n thân @¿t nßn gây ra. ÷
OCR=1: V¿t cß k¿t th±ßng (NC: Normally consolidation) ÷
OCR>1: V¿t cß k¿t tr±ßc (OC: Overconsolidation) ÷
OCR<1: V¿t kém cß k¿t ho¿c ch±a @¿t @ÿ quá trình cß k¿t. [ 85 ]
2.3. SHEAR STRENGTH OF SOIL
Hißn t±ÿng ma sát và kh¿ nong chßng tr±ÿt ÷
Khi m¿t bàn nghiêng mßt góc ³,
trßng l±ÿng P @±ÿc chia thành hai
thành ph¿n Psin³ và Pcos³. ÷
T=Psin³ là lÿc tr±ÿt có xu h±ßng
kéo v¿t xußng. Lÿc N=Pcos³ t¿o ra lÿc ma sát S giÿ v¿t l¿i. ÷ Khi ³ nhß thì Ttr±ÿt. ÷
Khi ³ @ÿ lßn (³=Ç) thì T=S khi @ó
³ chính là góc ma sát Ç cÿa m¿t bàn ÷ Khi ³=Ç thì S=PsinÇ mà P=N/cosÇ suy ra S=N.tg Ç [ 86 ]
2.3. SHEAR STRENGTH OF SOIL ÷
Ç là góc tßi @a @ß t¿o ra ma sát S, cho dù ³ có tong lÿc ma sát cing chß là S=N.tgÇ ÷
Khi ³>Ç lÿc gây tr±ÿt T> lÿc ma sát S ³ Sÿ tr±ÿt x¿y ra 'ßi vßi ¿t nßn: ÷
Lÿc nén N ³ ÿng su¿t pháp à ÷
Lÿc tr±ÿt T³ ÿng su¿t c¿t Ç ÷
Ma sát S ³ sÿc chßng c¿t s Ta có S=N.tgÇ ³ s= Ã.tgÇ
Trong ¿t có lÿc dính t¿o bßi các h¿t
sét nên sÿc chßng c¿t ±ÿc tGng thêm c. Theo Coulumb: s= Ã.tgÇ+c
Ç- là góc ma sát trong cÿa @¿t (@ß)
c- là lÿc dính giÿa các h¿t trong @¿t [ 87 ]
2.3. SHEAR STRENGTH OF SOIL
Tr±ßng hÿp ¿c bißt ÷ V¿t cát thu¿n túy (c=0) ³ s= Ã.tgÇ ÷ V¿t sét thu¿n túy (Ç =0) ³ s= c [ 88 ]
2.3. SHEAR STRENGTH OF SOIL Direct shear test: Ti¿n hành vßi 3 c¿p t¿i trßng: Ã1; Ã2; à ³ 3 Ç1; Ç2; Ç3 t±¡ng ÿng. N T ó ý vàô ý A A [ 89 ]
2.3. SHEAR STRENGTH OF SOIL Direct shear test: ÷ Xác @ßnh c và Ç b¿ng ph±¡ng pháp v¿ @ß thß. ÷ Xác @ßnh c và Ç b¿ng cách dùng hàm linest trong Excel ÷ Xác @ßnh c và Ç b¿ng ph±¡ng pháp bình ph±¡ng cÿc tißu. n n n n n n n nõøô ó ýõ ôõ ó 2 ô õ õ ó ýõ ó õ ô ó i i i ø i i ù i i ù i i i 1 ý i 1 ý i 1 tgú ý ý i 1 ý i 1 ý i 1 ý i 1 c ý ý 2 n n 2 n n 2 ö ö ö ö nõó ý õó 2 nõó ý õó i ÷ i ÷ i ÷ i ÷ iý1 ø i 1 ý ø iý1 ø i ø [ 90 ]
2.4. THE SOIL COMPACTION 2.4.1. Introduction.
÷ ;¿m ch¿t ¿t là dùng bißn pháp nh¿m làm gia tong
trßng l±ÿng riêng cÿa @¿t khô.
÷ ;ß ch¿t tiêu chu¿n là @ß ch¿t t±¡ng ÿng vßi khßi
l±ÿng thß tích khô lßn nh¿t ³dmax cÿa m¿u @¿t sau khi
@ã @±ÿc @¿m nén (¿m ch¿t), ÿng vßi khßi l±ÿng thß
tích khô lßn nh¿t có l±ÿng ng¿m n±ßc thích hÿp Ë . opt ÷ Mÿc @ích: o
Làm gi¿m @ß lún cÿa công trình trong t±¡ng lai o
Làm gi¿m @ß th¿m n±ßc qua công trình b¿ng @¿t o
Tong sÿc chßng c¿t cÿa @¿t o
Tong kh¿ nong chßu t¿i cÿa @¿t nßn. [ 91 ]
2.4. THE SOIL COMPACTION 2.4.1. Introduction.
÷ Tÿ sß ¿m ch¿t k @±ÿc xác @ßnh b¿ng công thÿc sau: ÷ dht k ý ÷ Trong ó: d max o
³dht:dung trßng khô cÿa @¿t sau khi @¿m ch¿t t¿i hißn tr±ßng (kN/m³) o
³dmax: dung trßng khô lßn nh¿t vßi thí nghißm
trong phòng b¿ng Protor tiêu chu¿n ho¿c c¿i ti¿n (kN/m³) [ 92 ]
2.4. THE SOIL COMPACTION 2.4.2. Protor compaction test. [ 93 ]
2.4. THE SOIL COMPACTION 2.4.2. Protor compaction test. Dung trßng cÿa @¿t ¿m: W ÷ ý økN / m³ù V Dung trßng cÿa @¿t khô: ÷ ÷ ý kN m d ø / ³ù 1 w û
;ßnh cÿa ß thß chi¿u sang trÿc tung thu ±ÿc ³dmax, chi¿u xußng trÿc hoành thu ±ÿc wopt [ 94 ]