Sổ tay dùng cho kĩ sư địa kỹ thuật: Phần 1

Chia sẻ: Lê Thị Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:302

Thêm vào BST

Báo xấu

128
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu dùng cho kĩ sư địa kỹ thuật là tập hợp một số kiến thức và kinh nghiệm đã tích luỹ được dựa theo các tài liệu và tiêu chuẩn quy phạm của các nước phát triển Âu Mỹ với mục đích chia sẻ cùng các đổng nghiệp tham khảo, tra cứu, nhất là với các kỹ sư thực hành. Phần 1 Tài liệu bao gồm: Khái quát địa chất đất đá, tính chất xây dựng đất nền, nước dưới đất, khảo sát thăm dò thí nghiệm,.... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung Tài liệu để lấy thêm Tài liệu phục vụ học tập và nghiên cứu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Sổ tay dùng cho kĩ sư địa kỹ thuật: Phần 1

T R Ầ N V Ă N V IỆ T CAM NANG DÙN G CHO KỸ Sư ĐỊA KỸ THUẬT ■ ■ (Tái bản) NHÀ X U Ấ T BẢN XÂY DựNG HÀ N Ộ I-2 0 1 0
Geotechnical Engineer's Handbook , Cuốn aách được hiệu chỉnh góp ý và bổ sung tà i liệu củ a các chuyên g ia và đồng nghiệp: GS. Vũ Công Ngữ Chương II, V, VI, V II, V III, IX và XII TS. Phạm Tích Xuân Chương I TS. Nguyền Văn Túc Chương III, X ThS. Trương Hữu Hùng Chương IV KS . Nguyễn Gia Chính Chương IV ThS. Nguyền Vủ Tùng Chương IV GS. Nguyền Đình Xuyến Chương XI Cơ quan hầ trợ: - CÔNG TY KHẢO SÁT VÀ XÂY DỰNG - ƯSCo, thuộc BỘ XÂY DỰNG - LIÊ N HIỆP KHSX ĐỊA CHAT, XÂY DỰNG, CAP NƯỚC - GEOWASCO thuôc LIÊN HIẺP CÁC HỒI KHOA HOC KỸ THƯÂT VIỆT NAM
LỜI GIỚI THIỆU Khoảng 1973, quyển sách "SỔ tay Thiết kế nền m óng '' dịch từ tiếng Nga (Sprabotnhic Proektirovsickư) 2 tập được xuất bản và sử dụng ớ nước ta; 30 năm đã trô i qua, đếìĩ nay mới lạ i có một quyển sách tương tự ra mắt bạn đọc. Người viết sách nùy lù một K ỹ sư chuyên nghiệp {Chửi danh K ỹ sư chuyên nghiệp - P.E., Proỷesional Eỉìgineer, được đúỉìlì giú cao ở M ỹ - là người có tay nghề giỏi, nghiệp vụ ĩhnán thục, kinh nghiệm phong phú). T ôi đã cộng tác với anh hơn 2 thập kỷ qitư trong sự tin cậy , chia sẻ vù ĩảm đắc . K h i cầm bản thảo cuốn sách này, tô i vừa mừng vữa lo. Mừng vì ỉĩhữỉìg người ỉùĩĩì n gh é;xảy dựng sáp có thêm một tài liệu tham khảo tiện ích cho công việc của mìnìì. Lo vì tronq sự phút triển hiện nay , thật khó kììủìi để có thể đề cập đến mọi kìỉía cạnh của Đ ịa kỹ thuật, tro n %ỉiĩột ciỉốỉi súc lì có một klìôi lượng khá hạn chế. Củng như tôi, độc ẹìả dẻ d à ttiỊ ỉìììậĩì th ủ y íỊuyển sách nùy còn th iế u khá ĩìh iề ỉi, từ nlìữny vấn đề lớn như: ỳ a cườn^Ị đất (và vật liệu đắp) băỉig cốt, xử lỷ cài tìùện đất bằnq cọc đất+ x i mâm*, đất + vôi; cho đến những khía cạnh mới đansị phút ĩriểỉì như các phương pháp thí nghiệm cọc PỈT, siêu ùm, PDA cúc chương trình (phần niềm) mới rấ t mạnh dùng cho cúc hài toán cơ đất: Geosìope , Plaxis ... Nhưmị cố lè cI ìỉu ỉỉị ỉa klỉônq nên đòi hỏi cữỉiiỊ không nên chờ đợi sự hoàn thiện. Cô yáìig dược đến đáu, clĩúỉiíỊ ta sử dụng ngay kết quá đó. Dù rằng cuốn sách còn thiểu một số phần vù trong những phẩn dữ viết cũng có những sai sót, tôi vân thi chắc rằng cuốn sách là mộí ỉì^ười bự/ỉ tốt của cúc K ỹ SƯ các ngành xây dựng côn%trình và ỉôi xin Ỉrủỉì trọng qiới thiệu quyển sách với bạn đọc. GS.TS. VŨ CÔNG NGỮ
LỜI MỞ ĐẨU Ngcài thành quá về đời sổng kinh tế xã hội, cải cách mở cửa còn làm thay đổi sâu sắc các hoit động nghề nchiệp như công tác khảo sát, thiết kế và thi công các công trình xây dựng. >fếu như cuối những năm 1980 chúng ta còn bở ngỡ khi phải tiến hành công tác khảo sít địa kỹ thuật, theo "yêu cầu kỹ thuật" của Tư vấn nước ngoài, thì đến nay chúng ta có nể đáp ứng cho mọi cấp độ công trình. Các loại thí nghiệm hiện trường (SPT, xuyên tĩnh, xuyên động, nén ngang Menard, cắt cánh..J và thí nghiệm trong phòng (nén ba trục, nén cố kết, nén nở hông, CBR và thí nghiện đầm chặt...) đa được ứng dụng rộng rẫi trong công tác khảo sát. Các thiết bị hiện đại đi kèm với hệ thống tiêu chuẩn tiên tiến: ASTM & AASHTO (M ỹ), BSI (Anh), NF (Pháp)& J13 (Nhật) được sử dụng ngày càng thuần thục và có nhiểu sáng tạo. Thiật ngữ "Địa kỹ thuật- Geotechnique” lúc đẩu còn chưa quen thì nay nhiều người đã dẩn arr hiểu bần chất và ứng dụng càng thành thạo. Có thể hiểu khái quát Địa kỹ thuật là chuyêr môr bao hàm hai chức năne gắn bó hữu cơ với nhau, đó là: - C?ức ỈCỈỈĨÍ’ ỉlĩií ỉììập (ỉìôììiị tin về các điểu kiện của đất nền và nước dưới đất, thông qua vicc sứciụne các phương pháp, các kỹ thuật vé khảo sát-thăm dò-thí nghiệm, trên nến kiến tlức đ :\ clìât CÔIÌÍI trình. Đó là chức năng "Khảo sát đấi nền" (Soil Investigation). - Cíửc ìăỉìịị plỉàn tích tlìỏnỊỊ Ỉiỉỉ là kết hợp các số liệu về đất nền và kết cấu công trình để lựachọr loại nen móncu tính toán kích thước móng cho thiết kế, đề xuất giải pháp xử lý-gia :ố vi kiến nehị biện pháp í hi công thích hợp; trôn nền kiến thức cơ đất-nền móng. Đó là chức uam "Phán tích Địa kỹ thuật” (Geotechnical Analysis). Có hể rỏi nen móng là một troníĩ các yếu tố quan trọng nhất bảo đảm ổn định công trình xìy díng; mà Địa kỹ thuật là chuyên môn quyết định việc lựa chọn giải pháp, tính toán thiết k- và xử lv, kiến nghị phục vụ thi CÔIÌ2 . Do vạy, khi mà đâu đó còn xảy ra sự cố về lún nhà. nứt đườne, trượt lở mái dốc, sập cầu v.v... thì không những kiến thức và kỹ năng Địa k thuât có vấn đề, mà trách nhiệm Đia kỹ thuât không thể xem nhe. Để han chế những 'ầt cập, có lẽ cần nhận thức rõ và đánh giá đúng vai trò Địa kỹ thuật trong công tác x;v. đựng; can đào tạo, trang bị đồng bộ và thống nhất các tiêu chuẩn - quy phạriì và tà í lậu kỹ thuật chuyên mòn, sao cho ngang tầm với khu vực và quốc tế, trong tiến trình h:i nhập. Tác giả may mắn đă được hoạt động trong một Đề án viện trợ phát triển của LHQ từ đầu những lãm 1980: VIE-76/105 & 84/003-ƯNDP. Đó là cơ hội được trực tiếp học hỏi cùng cic ciuvên gia Địa kỹ thuật Pháp; được thực tập ở một số hãng giàu kinh nghiệm như: LPC, "EBTP, MENARD; được tham gia soạn thảo “ Code o f Pracíice” , dưới sự chù bicn cửa Gí. Vũ Công Nsữ và chuyên gia Jseux (sau này là tiêu chuẩn 20 TC N -112-84). 5
Trong thời kỳ mở cửa sôi động, từ đẩu Iìhữne năm 1990 đến nay, cấc kiên thirc Đìa kỹ thuật được bổ sung và ứng dụng thực hành trong các dự án lớn, kể cá đáu tư nước nạ oài và trong nước. Cuốn sách là tập hợp một số kiến thức và kinh nghiêm đà tích luỹ được; dựa theo các tài liệu Địa kỹ thuật và tiêu chuẩn-quy phạm của các nước phát triển Âu " Mỹ; với mục đích chia sẻ cùng các đổng nghiệp tham kháo, tra cứu, nhất là với các kỹ SƯ thực hành. Nội dung cuốn sách được kết cấu thành 12 chương, bao gồm: Từ Chương I đến ("hương IV đề cập về công tác kháo sát đất ììểiì. Chương I và Chương II trình bầy khái quát vé môi trường địa chất-đất đá, nơi đặt nền móng cỏng trình; một số tính chất xây đựna cùa chúng và khát quát một số cơ sở lý thuyết. Chương III đề cập về nước dưới đất, yếu tố cấu thành nên tính chất đất đá và tác động lên mọi hoạt động thi công. Chương IV được trình bầy một cách hệ thống và chi tiết các phương pháp, các kỹ thuật và thiết bị phục vụ cho công tác khảo sát; từ mô tả, phân loại đến thăm dò- thí nghiệm các loại đất, đá làm nền móng công trình. Từ Chương V đến chương X II chủ yếu đề cập về công tác phân tích Dỉíi kỹ thuật. Chương V và Chương V I mô tả các phương pháp phân tích, tính toán các loại móng nông và móng cọc thông dụng. Chương V ỈI và Chương V III trình bẩy các phương pháp phân tích ổn định mái dốc và tường chắn. Riêng chương IX để cập sâu về "Nghiên cứu đất đáp trên nển đất yếu", một đối tượng rất quan trọng trong quá trình phát triển hạ tầng cơ sò' của Việt Nam. Chương này còn trình bẩy một số phương pháp và kỹ thuật quan trắc-kiểm tra trong và sau xây dựng; khái quái phương pháp "thiết kế tầng mặt đường” theo tiêu chuẩn tiên tiến. Chương X bàn về các vấn để vé thuý lực công trình. Chương XI đặc biẹt giới thiệu về "Động đất với các công trình xây dựng” , một vân đổ khá mới me với Việt Nam, song là một trong các thiên tai khó lường và khái quát phương pháp thiết kế chóng dộng đất. Chương X II trao đổi vé ứng dụne công nghệ thông lin trong Địa kỹ thuíit ớ Ihời điểm hiện tại. Phạm vi để cạp trong cuốn sách khá rộng, nguồn tài liệu ĩham khảo nhiều, chủ yếu ià tiếng Anh, tiếng Pháp. Trình độ của tác giả có hạn, lại hoạt động trong một cơ sở sán xuất nên điều kiện nghiên cứu còn hạn chế. Do đó, sai sót và khiếm khuyết trong cuốn sách là khó tránh khỏi. Rất mong được sự thông cảm, góp ý kiến của các chuyên gia và đồng nghiệp. Cuốn sách được hoàn thành có sự ìiiúp đỡ và góp sức của các chuyên sia và (lồng nghiệp. Qua đà}, tác giả tỏ lòng biết ơn đến GS. Vù Công Ngữ, TS. Nguvẽn Vãn Túc, GS. Nguyễn Đình Xuyên, TS. Phạm Tích Xuân. Ths. Trương Hữu Hùng, KS Neuyỗn Gia Chính. Ths. Nguyễn Vũ Tùng v.v... dà hiệu chinh, góp ý kiến bố sung và cunu cấp thêm các thông tin quý giá. Lời cảm ơn được lán đến các chuyên gia của Đề án V1E 76/105 & 84/003-UNDP; các ông M. Chatelain, Jseux, Prudliomme; đã nhiệt lình hướns đản chuyên môn trong những tháng năin thực hiện dề án, và đã cung cấp nhiều tài liệu kỹ ihuậi và chươne trình tính toán cho đến nay. Tác giả 6
HÌNH ẢNH MỘT s ố CHUYÊN GIA BẬC THẦY NHỮNG NGƯỜI ĐẶT NỀN MÓNG CHO c ơ HỌC ĐẤT » ■ VÀ ĐỊA KỸ THUẬT • ■ K A R L ĨERXAG HI Karl Terxaghi sinh ngày 02 tháng 10 năm 1883 tci Prague và mất ngày 25 tháng 10 năm 1963 tci Vvinchester, bang Massachusetts, Hoa Kỳ. Ônj được coi là cha đẻ của ngành Cơ học đất. Te'xaghi đã dành cả cuộc đời nghiên cứu của mìrh để tìm kiếm những giải pháp lý thuyết cho những vấn đề xây dựng có liên quan tới công tếc đào đắp đất. Những cố gắng của ông đã đượ; đúc kết trong tác phẩm nổi tiếng "Cơ học đá" xuất bản năm 1925. Ngày nay, cuốn sách n.iy được CO! là tác phẩm khai sinh cho ngành Cơ học đất. Từ răm 1925 đến năm 1929, Karl Terxaghi làm việ; tại Học viện công nghệ Massachusetts (M I.T), Tại đây, ông hắt đầu chương trình nghiên cứu đầu tiên của Hoa Kỳ về Cơ học đất và làm cho ngành này được thừa nhận rộrig rã là một yếu tố quan trọng trong lĩnh vực xâydựngdân dụng. Năm 1938 ông vào làm việ; tại Đại học Harvard, ở đây ông đã phát triển vàgiảngdạy những bàigiảng của mình vé Địa chất công trình. Sự rghiệp phi thường của Terxaqhi đã được ghi lại trong cuốn sách nhan đề: “ Từ lý thuyết đến thực tiễn trong Cơ học đất' ( Wiley, 1960). Trong cuốn sách này có danh sách tất cả rnững tác phẩm ông đã viết cho đến năm 1960 (256 sách và bài báo). Terxaghi đã dành đ/Ợc rất nhiều danh hiệu, trong đó có Huy chương Norman của Hội Công trình sư Hoa K ị vào các năm 1930, 1943, 1946 và 1955. ông cũng đã nhận được 9 bằng Tiến sĩ danh d.í của nhỉều trường Đại học của 8 nước khác nhau trên thế giới. Nhiều năm liền ông là Chủ tịch Hội Cơ học đất và Nền móng Quốc tế. Sự rghiệp nghiên cứu của Terxaghi không phải chỉ có Cơ học đất, song ông lại gắn bó với nó ;ho đến tận những ngày cuổi của cuộc đời. Hai ngày trước khi mất, ông vẫn còn miệt m.ìi làm viêc. Các tác phẩm của Karl Terxaghi bao gồm những nghiên cứu đặc sắc trong niiều lĩnh vực khác nhau, trong đó đặc biệt là Lý thuyết cố kết, thiết kế và xây dựng nền mcng, tính toán móng caisson và cơ chế của hiện tượng trượt lở. Song có thể nói sự đóng gjp quan trọng nhất của õng trong công tác nghiên cứu là các giải pháp mà ông luận chứng và giảng dạy trong lĩnh vực xây dựng. Để ưởng nhớ những công lao to lớn của ông, Hội Công trình sư Hoa Kỳ đã lập ra Giải thưởng Terxaghi và danh hiệu: " Thuyết trình viên về Terxaghí’ 7
RALPH B. PECK Tiến sỹ Ralph B. Peck sinh ngày 23 tháng 6 năm 1912 tại VVinnipeg, Canada, ông đã tốt nghiệp Viện đa công nghệ Renssealer và Đại học Harvard. Năm 1939 ỏng bắt đầu thời kỳ cộng tác lâu dài với Terxaghi. Trong thời gian Terxaghi chịu trách nhiệm tại công trình xây dựng đường tàu điện ngầm Chicago giai đoạn đầu thì Peck lãnh đạo phòng thí nghiệm và tiến hành chương trình thí nghiệm ngoài trời tại những hạng mục công trình lớn đầu tiên, trong đó cơ học đất hiện đại đóng vai trò chủ chốt. Tiến sỹ Ralph B. Peck đã đem hết nhiệt huyết của mình vào việc ứng dụng cơ học đất trong thiết kế và thi công công trình, cũng như trong việc đánh giá và trình bày những kết quả nghiên cứu dưới dạng dễ áp dụng nhất đối với các kỹ SƯ thực hành. Ông cũng là một trong những nhà tư vấn địa kỹ thuật đượckính trọngnhấttnêrthế giới. Những bài giảng của ông tại Trường Đại học luôn để lạidấuấn sâuđậm tnmg lò sinh viên. Cuốn sách giáo khoa ông viết chung với Terxaghi nhan đề "Cơ học đ ấ t thực hành" được sử dụng rộng rãi cho cả sinh viên và cáckỹ sư thực hành. Tiến sỹ Peck đã vinh dự được nhận Huy chương Norman và Huy chương VVelllington của Hội Công trình S Ư Hoa Kỳ. Ông cũng là “ Thuyết trình viên về Terxaghí'. ARTHUR CASAGRANDE Arthur Casagrande sinh ngày 28 tháng 08 năm 1902, lớn lên và học tập tại Áo. Năm 1926 ông di cư tới Hoa Kỳ. Tại đây ông được nhận vào làm trợ lý nghiên cứu trong "Phòng đường giao thông công cộng", làm việc dưới sự lãnh đạo của Terxaghi ở Học viện công nghệ Massachusetts. Trong thời gian làm việc tại đây, giáo sư Casagrande nghiên cứu về Cơ học đất cổ điển làm các thí nghiệm cắt và nghiên cứu tác động của hiện tượng băng giá lên đất. Năm 1932 ông bắt đầu chương trình nghiên cứu Cơ học đất tại Đại học Harvard. Những công trình của Giáo sư Casagrande về Cơ học đất cổ điển, về quá trình thấm trong đất và sức chống cắt cúa đất đã có những ảnh 8
hưởng quan trọng đối với ngành Cơ học đất, ông cũng là một nhà tư vấn tài ba và đã tham gia tư vấn nhiều công trình quan trọng trên khẳp thế giới. Tuy vậy, ảnh hưởng quan trọng nhất của ông đối với ngành Cơ học đất lại là những bài giảng của ông tại Đại học Harvard, nhiều sinh viên được ông truyền cảm hứng nghề nghiệp tại đây sau này đã trở thành những nhà khoa học đầu đàn của ngành Cơ học đất. Giáo sư Casagrande là Chủ tịch hội Cơ học đất và Nền móng Quốc tế từ năm 1961 đến năm 1965. õng là "Thuyết trình viên về Rankirí' tại Học viện đào tạo các kỹ SƯ công trình và là “Thuyết trình viên về Terxaghỉ' tại Hội Công trình S Ư Hoa Kỳ. ông cũng là người đầu tiên được Hội Công trình sư Hoa Kỳ trao tặng Giải thưởng Terxaghi. DONALD WOOD TAYLOR Donald Wood Taylor sinh tại VVorcester, bang Massachusetts năm 1900 và mất ngày 24 tháng 12 năm 1955 tại Arlington, bang Massachusetts. Sau khi tốt nghiệp Học viện đa công nghệ VVorcester năm 1922. Giáo SƯ Taylor đã làm việc 9 năm ở Cục đo đạc và khảo sát bờ biển Hoa Kỳ và Hiệp hội năng lượng New- England. Năm 1932 ông bắt đầu làm việc tại "Phòng xây dựng dân dụng" của học viện công nghệ Massachusetts, và ở đây cho đến cuối đời. Giáo sư Taylor là thành viên của Hội Công trinh s ư Hoa Kỳ và Hội Công trình SƯ Boston. ít lâu trước khi mất ông được đề cử là Chủ tịch Hội Công trình sư Boston. Từ năm 1948 đến năm 1953 ông là Tổng thư ký của Hội Cơ học đất và Nền móng quốc tế. Giáo sư Taylor, một người trầm tĩnh và khiêm tốn, luôn được bạn bè và đồng nghiệp đánh giá cao bởi đức tính cẩn thận và chính xác trong công việc, ông đã có những đóng góp quan trọna trong việc xây dựng những nguyên lý của Cơ học đất, đặc biệt là trong lĩnh vực cố kết, sức chống cắt của đất dính và độ bền của mái dốc. Tác phẩm “ôn định mài dốc" của ông đã nhận được giải thưởng Desrnon- Fitzgerald, giải thưởng cao quý nhất của Hội Công trình SƯ Boston. Cuốn sách giáo kí oa “Những nguyên lý cơ bản của Cơ học đấ t’ do ông viết được sử dụng rộng rãi trong nhiều năm qua. 9
B Ả N G KÝ HIỆU - S Y M B O L Ký hiệu T iếng Việt Tiếng A nh (1) (2) (3) A Diện tích Area av Hệ số nén lún thảng đứng Compressibility Coefficient AASHTO Hạ D hội đường bộ và vận tải Hoa Ky American Association of State Highway And Transportation Officials ASTM Hội Hoa Kỳ về Thí nghiệm và Vật liệu American Socieíy for Testing and Materials B Chiều rộng móng Pooting VVidth Chiều rộng hoặc nửa chiều rộng của diện VVidth or haft vvidth of loaded Area b tích đặt tải BS Tiêu chuẩn Anh British Standard c Lực dính kết Cohesion Lực gẳn kết Adhesion ca Chỉ số nén lún Cornpressibility índex Cc Lưc dính kết không thoát nước Undrained Shear strength cu c' Lực dính kết hữu hiệu Effective Cohesíon Chỉ số nén lún tái gia tải Re-compressibilitv Index cr Hê số cô kết radian Radial consolidation Coeííicienỉ Hệ số cố kết thang đứng Vertical consolidatíon Coeffioient cv CBR Tỷ sức kháng Caliíornia Calííornia Bearing Ratio cm Xãngtỉmét Centimeter D Đường kính Diameíer D (d ) Chiểu sâu chôn móng Foundaíion Embedment d Kích thước hạt Particle Size Deg (ũ) Độ Degree E Môđun đàn hổi (Young) Young Modulus - Eỉastic Modulus Modun Nén ngang Pressuremeter Moduius EP Modun nẻn một ỉruc Oedometer Modulus Eo Hệ số rỗng Void ratio Đô lệch tảm Excentricity e Hằng số mũ e Exponential Constant Cơ số ỉogarit tự nhiên Base oí naturai ỉogarithm. F Lực Force Hệ số hình dạng Shape Factor Hệ số an toàn Saíety Factor Fs 10
ít Bước (đơn vị Anh) Foot G Mỏđun cắt Shear Modulus Gs Tỳ trọng Speciíic gravity of Solid G (g) Gam Gramme GW Nước dưới đất Ground VVater GL Cao độ mặt đất Ground Levei Chiều cao Height H Bế dày Thickness Cột nước Head of VVater H
Max Cực đại Maximum MDD Dung trọng khô lớn nhất Maximum Dry Densitỵ Min Cực tiểu Minimum m! Miìilít Milliliter MN Mega Niutđn Mega Newton N Nevvton Nc Ng Hệ số mang tải Bearing Capacity Factor Ny Nm Niu-tơn mét (đơn vị công) Nevvton- meter ô ô xi Oxygen OMC Độ ẩm tối ưu Optimum Moisture Content Áp lực Pressure p Tải trọng Load pa Lực chủ động Active Thrust Pc Lực bị động Passive Thrust Ph Lực ngang Horizonta! Thrust pv Lực thẳng đứng Vertical Thrust p Áp suất, áp lực Pressure Pa Áp lực cho phép Aílowable Bearỉng Pressure Pc Áp lực tiền cố kết Preconsoliđalion Pressure Pn Áp lực thực tế Net Pressure Po Áp lực cột đất Overburden Pressure pH Độ pH PH Pu Áp lực cực hạn Ultimate Bearing Pressure Pl Chỉ số dẻo Plasticity Index PL Giới hạn dẻo Plasticity Limií p1 Áp lực giới hạn (Nén ngang Menard) Limit Pressure Q Tải trọng Load Qb’ Qp Tải cực hạn mũi coc Ultimate Bearing of Pile End Q S' Qf Tải cực hạn thành cọc Uitimate Bearing of Pile Skin Frìction Qu Sức chịu tải cực hạn cọc Uỉtimate Bearing Capacity of a Pile ứng suất Stress q Vận tốc dòng chảy Rate of Flow qa ứng suấí cho phép Allowable Stress Qu ứng suất tới hạn (cực hạn) Ultimate Stress Sức khảng Resistance R r\ Bán kính Radius 12
Sức kháng của dây neo Resistance of Tie Bán kinh Radius Góc khúc xạ Angle of Retraction r, Tỳ áp iực lỗ rỗng Pore Water Pressure Ratìo Độ lún Settlement Khoảng cách Spacing Q Gia tải Surcharge Bão hoà Saturation Soc Giây Second SPT Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn Standard Penetration Test sub Ngập nước Submerge T Yếu tố độ cứng Stitíness Factor Tv Yếu tố thời gian Time Factor Thời gian Time 1 Tấn Ton t'«0 Thời gian cho 50% cố kết Time for 50% consolidation ^ỈO Thời gian cho 90% cố kết Time for 90% consolidation trrl Phòng thí nghiệm Nghiên cúu Đường và vậ 1 1ải Transport and Road Research Laboratory u Áp íực nước lỗ rỗng Pore Pressure Thể tích Volume V Tai thẳng đứng Vertieal Loacl Dòng chảy Flows w Trọng lượng, độ ẩm VVeight, Water Content Trọng ỉượng đất VVeight of Soil w Tỷ chiều rộng/ dài cùa dòng chảy VVidth/ Length Ratio of Flow Net w 8 Trọng lượng cát VVeight of Sand w, Trọng lượng Weight X Hoành độ gốc Originaỉ Coordinates Phương ngang của hệ toạ độ Horizonta! Coordinates Direction /Y\ , X w Chiểu sâu đến điểm uốn của dải tường :hắn Depíh to point of Contra ílexure in Sheet Pile Y Tung độ gốc Original Coordinates Phương đứng của hệ toạ độ Verticaì Coordinates Direction y Chiếu sâu điểm "0" của dải tường chẳn Depíh to Zero Force in Sheet Piỉe Cao độ Elevaíion 2 Chiếu sâu Depth Chiều dai đường thấm nước Length of Drainage Path Chiều sáu tới hạn Critica! Depth 13
s ố mũ Exponent a Góc dốc Slope Angie Hệ số cấu trúc structure Factor Góc Angle p Góc dốc Slope Angỉe Hệ số Coeffỉcient y Dung trọng Bulk Density Td Dung trọng khô Dry Density, ĩ' Dung trọng hữu hiệu (đẩy nổi) Submerged Density, Effective Densìty Ysub Dung trọng ngập nước Submerged Densìty Yw Dung trọng nước Water Densitỵ Góc Angle ỗ Độ chuyển vị Deílection Góc ma sát giữa các mặt tiếp xúc Friction angle at interíace Biến dạng (tương đối) strain £ Dịch chuyển (của cắt trực tiếp) Movement of Shear box 0 Góc nghiêng Ịncline Angle Hằng số Lame Lame constant X Thành tố Meyerhoí Meyer of Factor ụm Micrõng Micron ụ Một yếu tố, hệ số Factor, Coefficient V Hệ số Poatxỏng Poisson Ratio Hệ số kích thước móng Dimension Factor p Yếu tố hiệu chỉnh của Rowe Rowe reductíon y Tổng Summation ơ ứng suất pháp tuyến, áp lực Normal Stress Ơ1 ứng suất chính lớn nhất Maximum Principa! Stress ơ3 ứng suất chính nhỏ nhất Mínimum Principal Stress T ứng suất cắt Shear Stress (p (40 Góc ma sát trong của đất ỉnternal Frictỉon Angle tp'(4>) Góc ma sát hữu hiệu Effective Friction Angle
Chương I KHÁI QUÁT ĐỊA CHẤT - ĐẤT ĐÁ ■ Ta vẫn thưởng nói "Quả đất là ngôi nhà chung của chúng ta". Hầu như tất cả các công trình xây dựng đều được đặt trên bề mặt của Quả đấts mà đối tương cần quan tâm chỉ là phẩn mỏng trên lớp vỏ Quả đất. Nghiên cứu quá trình hình thành, vận động, cấu tạo và biến đổi của Quả đất cũng như địa tầng, đất đá gọi là ngành Địa Chất Học (Geology). Trên nền địa chất học này, một loạt các bộ môn địa chất kỹ thuật đi sâu nghiên cứu phục vụ mục đích của từng lĩnh vực như: mỏ kim loại, dầu khí, than, nước dưới đất, vật liệu xây dựng v.v..., và trong đó địa chất công trình cũng một lĩnh vực quan trọng. Một cách khái quát, công tác nghiên cứu các quy luật vận động, hlnh thành, các hiện tượng biến đổi của các địa tầng đất, đá và các tính chất của chúng, liên quan trực tiếp đến các công trình xây dựng, gọi là bộ môn địa chất công trình - ĐCCT (Geological Engineering), nghĩa là địa chất phục vụ cho công tác xây dựng. Tuy nhiên, bộ môn ĐCCT vẫn mang tính khái quát cao, nghiên cứu có tính quy luật, định hướng và xác định các vấn đề lớn về môi trường địa chất tác động đến công tác xây dựng, trên diện rộng cho khu vực hoặc lãnh thổ là thích hợp mà ít giải quyết các vấn đề írực tiếp về tính toán thiết kế nền móng. Do đó, trên nền kiến thức ĐCCT Cơ đất & Nền móng đã hình thành một bộ môn nhằm nghiên cứu và xác định các điều kiện của môi trường đất, đá và nước dưới đất cùng các tính chất xây dựng của chúng phục vụ trực tiếp cho các công tác: lựa chọn mặt bằng phù hợp cho một dự án, tính toán thiết kế nền móng và đề ra các giải pháp gia cố, xử lý cần thiết v.v...; được gọi là Địa kỹ thuật (Geotchnique). Các loại công trình xây dựng trên mặt đất đều liên quan đến vấn đề địa chất, và rộng hơn nữa, liên quan đến Quả đất của chúng ta. Vậy Quả đất của chúng ta, nơi ta đang sinh sống và đang tiến hành xây dựng các cônq trình, được cấu tạo như thế nào? Câu trả lời đó là đơn giản với các chuyên gia địa chất hoặc địa chất công trình, song có lẽ không phải chuyên gia thiết kế hoặc xây dựng nào cũng am tường, kể cả các chuyên gia Địa kỹ thuật. I. KHÁI Q U ÁT VỀ CẤU TRÚC QUẢ ĐẤT Quan niệm hiện đại về cấu trúc Quả đất, qua nghiên cứu truyền sóng địa chấn, cho ta thấy Quả đất được chia thành các lớp hình cẩu, đổng tâm với các tính chất vật lý khác biệt nhau, giới hạn bởi các bề mặt hoặc vùng bề mặt không liên tục (discontinuíty). Mỗi một lớp, được cấu tạo bởi vật liệu riêng biệt, cho các giá trị vận tốc truyền sóng địa chấn biến đổi và có xu hướng tăng dần theo chiều sâu. Các bất liên tục tương ứng với sự biến đổi đột ngột về vận tốc sóng địa chấn hay còn gọi là dị thường (anomaly) truyền sóng. 15
Người ta phân ra các lớp cấu tạo nèn Quả đất như sau: - Lớp vỏ ^Crust): Lớp vỏ này là rất mỏng so với bán kính Quả đất, chiều dày trung bình khu vực lục địa khoảng 35 đến 40km, ở các dãy núi cao có chỗ tới 70km và khu vực đại dương trung bình là 10km, có chỗ mỏng tới 5 km. Vận tốc truyền sóng nén (sóng P) khoảng 6.5 km/s và sóng cắt (sóng S) khoảng 3,7km/s. - Lớp Manti (Manteau): Được phân biêt với lóp vỏ qua một bề mặt bất liên tục gọi theo tên của người phát hiện ra là Mohorovicic (gọi tắt là Moho). Lớp Manti được cấu tạo chủ yếu bởi các khoáng vật silicat giàu Fe & Mg có tính chất đàn-chảy. Bề dày lớp này khoảng 2900 km. ở bất liên tục Moho. vàn tốc truyền sóng p khoảng 8,2 km/s và sóng s khoảng 4,4 km/s. Còn trong lớp Manti vận tốc sóng địa chấn tăng nhẹ theo chiều sâu, không tính đến một phân lớp mỏng; ở chiều sâu khoảng 60 đến 200km có vận tốc truyền sóng nhỏ, được gọi là lớp truyền sóng thấp. - Nhân (Core): Nhân Quả đất có chiều sâu đến 2894 km với dấu hiệu hạ đột ngột của vận tốc sóng địa chấn như sóng p từ 13,6 đến 8,2 km/s và toàn bộ không xuất hiện sóng s. Đây được gọi là bất liên tục mang tên Gutenberge. Ta có thể thấy rằng môi trường vật liệu của Nhân không truyền sóng s nên lõi Quả đất ở trạng thái lỏng. Tổn tại một bất liên tục nữa ở chiều sâu khoảng 5121 km, với vận tốc sóng p í.au khi bị hạ thấp một chút lại tăng từ 9,5 km/s đến 11,2 km/s. Điều này cho phép ta chia Nhân thành hai là Nhân ngoài và Nhân trong, ma phần trong có thể là vật chất ở trạng thái rắn. Mật độ trung bình của vật chất trong Nhân biến đổi từ 2,7 đến 3,0 g/cm3. Phần cac lục địa cũng như đại dương được xem như nổi trên lớp Manti mà ở đó mật độ tăng nhiều, biến đổi từ 3,3 g/cm3 (phía mặt trên) lên đến 5,7 g/cm3 (phía đáy). Mô phỏng cấu trúc Quả đất Iht' hiện như hình 1.1 Hình 1.1: Cấu trúc Quả đất 16
II. CÁC LOẠI ĐẤT - ĐÁ CHÍNH Một trong các mục tiêu của công tác Địa kỹ thuật là diễn giải thành con số cụ thể về tình trạng của vật liệu gọi là đất nền (bao hàm cả đá) mà chúng có thành phần cấu tạo hết sức khác nhau, không đồng nhất và dị hướng. Trong thực tế, việc nghiên cứu địa chất một cách chi tiết là không thể tách rời trong toàn bộ tiến trình nghiên cứu Địa kỹ thuật (hoặc trong phân tích nền móng) phục vụ thiết kế và thi công công trình. Chỉ có hiểu biết thấu đáo về địa chất mới cho phép ta lý giải đươc một sô' tính chất cơ-lý rất khác biệt trong quá trình khảo sát, thí nghiệm hiện trường và trong phòng, mới có thể phân tích một cách khoa học và sát thực tế các giải pháp nền móng cần áp dụng, cung như làm sáng tỏ những khác biệí cục bộ ảnhhưởng thế nào đến điều kiện cân bằng của cả khối đất, đá và công trình. Chương này nêu các khái niệm tổng quát nhất về môi trường đất đá, mà trên đó các công trình xây dựng được đặt lên, làm tiền đề cho các hoạt động Địa kỹ thuật được tiến hành trên môi trường ấy. Đó là các loại đất đá thông dụng, thường gặp trong xây dựng công trình và các loại khoáng vật cơ bản tạo thành nền đất đá đó. Một số khái niệm về các chuyển động kiến tạo của vỏ trái đất tác động lên sự thành tạo và tính chất của các loại đất đá. Các đất đá cấu tạo nên vỏ Quả đất được chia thành các loại đá chính: đá magma, đá trầm tích và đá biến chất. 11.1. ĐÁ MAGMA 11.1.1. Định nghĩa - Khái niệm Đá magma là sản phẩm kết tinh của dung nham (magma) ở bề mặt hay trong lòng Quả đất. Đá magma được chia thành hai loại: đá thâm nhập (Intrusive) khi magma kết tinh dưới sâu trong vỏ trái đất và đá phún trào (extrusive, volcanic hay còn gọi là đá núi lửa) khi dung nham magma phun lên trên mặt Quả đất. 11.1.2. Thành phần khoáng vật cơ bản Thành phẩn khoáng vật trung bình của đá magma gốm: - Feldspath 60 % - Thạch anh (quartz) 12 % - Amphiboie + pyroxene 17 % - Mica 4% - Silicat khác 6% - Các khoáng vật còn lại 1% 1) Thạch anh: (quartz): Là dạng kết tinh của silic S i0 2 2.) Felsdpath:là loại silicat nhôm được chia thành hai nhóm chính: - Feldsp£th kiềm: là loại silicat kiềm (K, Na)(Si3AL08), thường gặp là sanidine, microcline 17
- Plagioclages: là lọai íeldspath kiềm và kiểm thổ, gồm dãy các khoáng vật có haii cực là albite và muscovite. Trong quá trình phong hoá các íeldspath kiềm có biến màu hổng và plagioclagie cc biến màu xanh lá cây. . 3) Feldspathoid: Là loại khoáng vật đặc trưng cho đá kiềm và á kiềm. Ví dụ: - Nepheline Na3K (SiAL04)4 - Leucite K (Si2A L 0 6) - Sodalite (Na8 Cl2) (Si2AL04)6, v.v... 4) Mica: Là loại silicat nhôm ngậm nước, chứa Mg+2 , Fe+2, Fe+3, Al+3, các iôn kiề n K+, Na+, Li+, và các ion phụ khác nhưOH , F . - Muscovite (mica trắng): KAI2 [Si3AIO10] (OH,F)2 - Biotite (mica đen): K(Fe,Mg)3 [Si3AIO10] (OH,F)2 5) Am phibole: Là loại silicat phức hợp, thường gặp hornblende (đá sừng). 6) Pyroxene: Là loại silicat phức hợp, thường phân biệt ra orthopyroxene và clinopyroxene thường gặp là augite và diopsite. 7) Olivine: Là loại ortho-silicat, olivene trong suốt thường được gọi là peridote. 8) Sílicat khác: 9) Oxit khác: Chứa trong kim loậi. đậc biệt ôxit sắt và titan. 11.1.3. Các loại đá magma chinh Theo thành phần hoá học (chủ yếu là hàm lượng S i0 2) người ta chia thành các loại: - Siêu bazơ < 45% S i0 2 (peridotit, dunit, pyroxenit). - Bazơ 45 - 52% S i0 2 (gabro, bazan). - Trung tính 52 - 66% S i0 2 (diorite, andezite). - Axit > 66 % S i0 2 (granite, piolite) 2) Theo đặc đii - Kiến trúc hạt. - Kiến trúc vi hạt. - Kiến trúc vi tinh. - Kiến trúc phi tinh - Kiến trúc đặc biệt. Việc thành tạo các loại kiến trúc nêu trên có liên quan chặt chẽ đến tốc độ nguội dần của dung nham magma trong quá trình thâm nhập lên vỏ Quả đất. - Dung nham magma nguội nhanh => kiến trúc phi tinh (vitreuse). - Dung nham magma nguội chậm => kiến trúc tinh thể hoặc kiến trúc hạt. 18
Khái quát phân loại đá magma thể hiện trong bảng 1.1 sau: Bảng 1.1 - Phân loại đá magma Trung tính Bazơ Siêu bazơ Hàm lượng S i02 Axit (>66%) (52 - 66 %) (45-52%) (< 45%) \ Khoáng vật Thạch anh Feldspath Plagioclase Plagioclase Olivine \ chính Feldspath Plagioclase Amphibol Pyroxen Pyroxen Mica Pyroxen Pyroxen Olivine (Horblen) Amphibol ± Thạch anh Cấu tạo \ Fendpatoid ± Feldspath Đông kết chậm K Hạt Pegmatit Syenit Diorit Gabro Peridotit, Granit Dunit Pyroxenit Vĩ hạt Microgranit Microsyenit Microdiorrit Microgabro Aplit Dolenit Vi tinh \' Phi tinh Ryolit Trachit Andesit Bazan Komatit Đông kết nhanh II.2. ĐÁ TRẦM TÍCH Sản phẩm phong hoá được vận chuyển (bằng dòng nước, gió) ở dạng hạt cứng hoặc dạtig hoà tan khi lắng đọng cho đá trầm tích. Người ta phân biệt: - Trầm tích cơ học (lắng đọng các hạt). - Trầm tích hoá học (kết tủa các thành phần hoà tan). - Trầm tích sinh hoá (có sự tham gia của sinh vật). 11.2.1. Nguồn gốc thành tạo Nguồn gốc tạo nên đất, đá trầm tích là quá trình tích tụ, trầm lắng các vật chất nguyên thế và các vật chất biến đổi hoá học. Đất, đá trầm tích được tạo ratừ nhiều nguồn nguyên vật liệu thiên nhiên như: - Các vật chất tạo ra từ quá trình phong hoá, bào mòn, phân tách các loại đá mẹ. - Thực vật là sản phẩm của sự biến đổi hoá học từ các thớ tế bào thực vật. - Động vật là sản phẩm của quá trình trầm đọng các vỏ sò hến, san hô. Để xem xét sự hình thành một bể trầm tích các loại đất đá ta cẩn phân biệt ba yếu tố sau: - Nguồn gốc các thành phần cấu thành nên đất đá. - Phương thức trầm tích. 19
- Quá trình biến đổi thư sinh là qua trinh làm cho đất đá trầm tích trở nên chặt cứng dưới trọng lượng bản thân. H:ện tương này liên quan đến bể dày, các lớp trầm tích sa (J đè lên lớp trước làm gia tăng quá trình cố kết, đôi khi làm thay đổi cả thành phần hoá họ>c (ví dụ quá trình xi-măng hoa). Tên gọi đất là vật liệu trấm tich mà qua trình biến đổi thứ sinh diễn ra không đan g kể hoặc độ cố kết chặt cứng là quá kém. 11.2.2. Đặc điểm đá trầm tích Đất đá trầm tích có cac đăc điểm cơ bản sau: 1. Tính chất phân lớp: Bề mật phân lớp tương ứng với từng lớp đất trong quá trình trầm tích và nhìn chung các bề mặt phân lớp nằm ngang trong quá trình thành tạo nguyên sinh. Do bản chất thành tạo nêu trên, các bể trầm tích (mà thường là đáy biển), đất, đá trầm tích có đặc điểm là dị hưởng. 2. Chứa các hoá thạch. Các đất đá trấm tích thường có chứa các hoá thạch. Có cả một bộ môn nghiên cứu, gọi là cổ Sinh Học (Paleonthology), chuyên nghiên cứu để xác định tuổi của trầm tích trong địa chất lịch sử. 11.2.3. Các khoáng vật của đá trẩm tích ành phần khoáng vặt trung bình ủa đá trầm tích - Thạch anh 34,8 % - Mica, xerexit, hydromiCc'1 15,11 % - Khoáng vật sét 14,51 % - Orthoclage 11,02 % - Albite 15,11 % - Dolomit, siderite 9,07 % - Canxit 4,25 % - Thạch cao, anhyđrit 0,97 % - Vật chất hữu cơ 0,73 % - Magnetií 0,07 % - Titanit, ilmenit 0,02 % Đá trầm tích được thành tạo từ hai nhóm khoáng chất chính sau: 1) Khoáng chất nguyên sinlr. Đây là các khoáng chất nguyên thể của đá mẹ, do phong hoá cơ học, phân tách, bồo mòn, rửa trôi rồi trầm tích lại để thành tạo nên đá trầm tích hiện thời. 2) Khoáng chất thứ sinh: Là các khoáng chất tạo thành chủ yếu do phong hơá các khoáng chất gốc là íeldspsth, mica va quá trình kết tinh đá cacbonat sau: a) Sét - Là silicat nhòm ngậm nước đươc tạo thành do phân huỷ íeldspath và mica. Cống thức hoá học của chung có dạng: (Si02),n(AL20 3)n(0H )p 20