Khả năng chịu lực của đất (Có sơ đồ)

Trong mùa mưa, ngay sau cơn mưa, khi chúng tôi bước vào đất mềm bởi cơn mưa, chiếc giày của chúng tôi thấm vào đất. Đất vắt ra từ dưới giày của chúng tôi và nổi lên xung quanh các cạnh của giày. Trong quá trình này, chúng tôi mất thăng bằng cho đến khi đất bên dưới bề mặt hỗ trợ trọng lượng của chúng tôi và cung cấp cho chúng tôi sự ổn định.

Đất bên dưới giày của chúng tôi chỉ có cách đưa ra đường. Việc nhường đường hoặc chạy trốn khỏi đất được các kỹ sư địa kỹ thuật gọi là sự thất bại về khả năng chịu lực. Thất bại khả năng chịu lực là một thất bại bởi cắt. Vì vậy, kiến thức về khả năng chịu lực của bất kỳ loại đất nào trước khi xây dựng kết cấu là rất cần thiết.

Định nghĩa:

(i) Nền tảng:

Đây là phần thấp nhất của cấu trúc hỗ trợ cấu trúc.

(ii) Giường nền:

Các vật liệu mà một nền tảng dựa trên được gọi là nền tảng.

(iii) Nền tảng nông :

Khi độ sâu của móng nhỏ hơn hoặc bằng chiều rộng của móng, nó được gọi là móng nông.

(iv) Nền tảng sâu:

Khi độ sâu của một nền tảng lớn hơn chiều rộng, nó được gọi là nền tảng sâu.

(v) Khả năng chịu lực:

Đó là khả năng chịu tải của đất.

(vi) Khả năng chịu lực tối đa (q _u ):

Đó là áp lực gộp tối thiểu ở nền móng mà tại đó đất không bị cắt.

(vii) Áp suất gộp (q):

Áp suất gộp là tổng áp lực ở chân đế do trọng lượng của kiến trúc thượng tầng, trọng lượng bản thân của bước chân và trọng lượng của khối đất.

(viii) Cường độ áp suất ròng (q _n ):

Đó là sự khác biệt về cường độ của áp lực gộp và áp lực quá tải ban đầu. Nếu D là độ sâu của móng thì q _n = q - yD

(ix) Khả năng chịu lực tối đa ròng (q _nu ):

Đó là cường độ áp lực ròng tối thiểu gây ra sự phá hủy đất.

Q _u = q _nu + yD

q _nu = q _u + yD

(x) Khả năng chịu lực an toàn (q _s ):

Đó là cường độ áp suất tối đa mà đất có thể mang theo một cách an toàn mà không có nguy cơ bị cắt.

q _s = q _ns + yD

= qnu / F + yD

Trong đó F là yếu tố an toàn

(xi) Khả năng chịu lực an toàn ròng (q _ns ):

Đây là khả năng chịu lực tối đa ròng chia cho một yếu tố an toàn.

Q _ns = q _ns / F

(xii) Khả năng chịu lực cho phép (q _a ):

Đó là cường độ tải ròng mà tại đó đất không bị trượt khi cắt cũng như không có sự lún quá mức gây bất lợi cho cấu trúc.

Khái niệm về khả năng chịu lực:

Tất cả các cấu trúc kỹ thuật dân dụng cho dù chúng là các tòa nhà, đập, cầu, vv được xây dựng trên đất. Một nền tảng là cần thiết để truyền tải trọng của cấu trúc trên một diện tích lớn của đất. Nền tảng của cấu trúc nên được thiết kế sao cho đất bên dưới không bị trượt và cũng không có sự lún quá mức của cấu trúc. Phương pháp thiết kế móng thông thường dựa trên khái niệm khả năng chịu lực.

Khả năng chịu lực của móng là tải trọng tối đa trên một đơn vị diện tích mà đất có thể hỗ trợ mà không bị hỏng. Nó phụ thuộc vào độ bền cắt của đất cũng như hình dạng, kích thước, độ sâu và loại móng. Hình 9.1 cho thấy một tải trọng điển hình so với đường cong giải quyết của một bước chân. Từ hình vẽ, rõ ràng là khi tải trọng bước chân tăng lên, độ lún cũng tăng.

Độ lún tăng tuyến tính với tải ở giai đoạn ban đầu. Khi tăng tải hơn nữa, độ lún tăng nhanh hơn và sau đó tiếp tục tăng mà không có sự gia tăng đáng kể nào về tải. Giai đoạn này được gọi là sự thất bại của nền móng, tức là đất đã đạt đến khả năng chịu tải.

Để tránh khả năng chịu lực của nền móng, điều cần thiết là phải xem xét, trước khi thiết kế móng, hai loại hành động của đất khi chịu tải trọng:

(i) Khả năng chịu lực phải đủ thấp để đảm bảo rằng độ lún gây ra không quá mức.

(ii) Khả năng chịu lực phải sao cho không gây ra biến dạng cắt quá mức.

Khả năng chịu lực của nền móng nông (Phân tích Terzaghi):

Giả định trong phân tích của Terzaghi:

1. Bàn chân là dải một ở độ sâu nông và có nền thô; (L> 5B, D> B, trong đó L = chiều dài, B = chiều rộng và D = chiều sâu của bước chân).

2. Đất là đồng nhất, đẳng hướng # và tương đối không thể nén được.

3. Các vùng thất bại không mở rộng trên mặt phẳng ngang qua chân đế.

4. Vùng đàn hồi có ranh giới thẳng nghiêng џ = φ so với phương ngang và vùng nhựa được phát triển đầy đủ.

Cũng được gọi là phương trình khả năng chịu lực chung cho bước chân

q _u = CN _c + 0, 5 γBNγ + qN _q

Trong đó q _u = khả năng chịu lực tối đa

q = áp lực quá tải tại cơ sở

= yD (sử dụng D, nếu ngập nước) C - sự gắn kết của đất

= đơn vị trọng lượng của đất ở mức cơ sở

(sử dụng số chìm)

B = Chiều rộng của móng

D = Độ sâu của móng

N _C, N _g và N _q là các hệ số khả năng chịu lực phụ thuộc vào φ (góc ma sát trong).

Khả năng chịu lực từ mã xây dựng:

Đối với thiết kế sơ bộ của bất kỳ cấu trúc nào và để thiết kế nền móng của các kết cấu chịu tải nhẹ, khả năng chịu lực giả định có thể được sử dụng. Bảng 9.1 đưa ra khả năng chịu lực an toàn giả định cho các loại đất khác nhau được đề xuất theo mã xây dựng quốc gia của Ấn Độ.

Lưu ý 1:

Giá trị của khả năng chịu lực được liệt kê là từ chỉ xem xét cắt.

Lưu ý 2:

Các giá trị được liệt kê trong bảng rất thô vì những lý do sau:

(i) Ảnh hưởng của chiều sâu, chiều rộng, hình dạng và độ nhám của nền móng chưa được xem xét.

(ii) Ảnh hưởng của góc ma sát, sự gắn kết, mực nước, mật độ, v.v., chưa được xem xét.

(iii) Ảnh hưởng của độ lệch tâm và dấu hiệu của tải trọng chưa được xem xét.

Lưu ý 3:

Khô có nghĩa là mực nước ngầm ở độ sâu không nhỏ hơn chiều rộng của nền móng dưới chân móng.

Lưu ý 4:

Đối với đất dính ít hơn, các giá trị được liệt kê trong bảng sẽ giảm 50% nếu mực nước ở trên hoặc gần chân đế.

Lưu ý 5:

Độ nén của sự gắn kết ít đất hơn có thể được xác định bằng cách lái một hình nón có đường kính 65 mm và góc đỉnh 60 ° bằng búa 65 kg giảm từ 75 cm Nếu giá trị N được hiệu chỉnh cho độ xuyên 30 cm nhỏ hơn 10, đất được gọi là lỏng lẻo, nếu N nằm trong khoảng từ 10 đến 30 thì nó ở mức trung bình và nếu trên 30, đất được gọi là dày đặc.

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của đất

Các yếu tố sau ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của đất:

(i) Loại đất:

(ii) Đặc tính vật lý của nền tảng

(iii) Tính chất của đất

(iv) Loại móng

(v) Bàn nước

(vi) Số tiền thanh toán

(vii) Độ lệch tâm của tải.

(i) Loại đất:

Khả năng chịu lực của đất phụ thuộc vào loại đất. Tùy thuộc vào loại đất, khả năng chịu lực của đất là khác nhau, rõ ràng từ phương trình khả năng chịu lực của Terzaghi.

q _u = CN _C + 0, 5 yBNy + qN _q

Để kết dính hoàn toàn ít đất

C = 0

Phương trình (9.1) giảm xuống

q _u = 0, 5 yBNy _, + qN _q

Đối với đất kết dính hoàn toàn

φ = 0,

các giá trị của các yếu tố khả năng chịu lực là

Nc = 5, 7

Nq = 1 và Nγ = 0

Phương trình (9.1) là sau đó

q _u = 5, 7C + q

(ii) Đặc tính vật lý của nền tảng:

Các đặc tính vật lý như chiều rộng, hình dạng và độ sâu của nền móng ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của đất. Phương trình 9.1 cho thấy khả năng chịu lực của đất phụ thuộc vào chiều rộng B và chiều sâu (D) của móng. Vì vậy, bất kỳ thay đổi trong giá trị của B và D của nền tảng sẽ ảnh hưởng đến khả năng baring.

Hình dạng của móng cũng ảnh hưởng đến khả năng chịu lực như sau:

Đối với chân vuông:

q _u = 1, 2 CNc + 0, 4 γBNγ + γDNq (9.2)

Đối với chân tròn:

q _u = 1, 2 CN _C + 0, 3 BNγ + γDN _{q '} (9.3)

Trong đó B là đường kính của bước tròn.

(iii) Tính chất của đất:

Các đặc tính của đất như cường độ chịu cắt, mật độ, tính thấm, v.v., ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của đất. Cát dày đặc sẽ có khả năng chịu lực nhiều hơn cát rời vì trọng lượng đơn vị của cát dày hơn cát lỏng.

(iv) Loại móng:

Loại móng được chọn cũng ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của đất. Nền móng hoặc thảm được sử dụng hỗ trợ tải trọng kết cấu một cách an toàn bằng cách trải tải trọng đến một khu vực rộng hơn, ngay cả khi đất có khả năng chịu lực thấp.

(v) Bàn nước:

Khi nước ở trên nền móng, trọng lượng đơn vị ngập của đất được sử dụng để tính áp lực quá tải và khả năng chịu lực của đất giảm 50%.

Đối với bất kỳ vị trí nào của mực nước, khả năng chịu lực chung có thể được sửa đổi như dưới đây:

(vi) Số tiền giải quyết:

Lượng lún của kết cấu cũng ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của đất. Nếu độ lún vượt quá độ lún có thể, khả năng chịu lực của đất bị giảm.

(vii) Độ lệch tâm của tải:

Nếu tải trọng tác động lệch tâm theo chiều rộng thì chiều rộng 'B' và chiều dài 'L' nên được giảm xuống như dưới

B '= B - 2e

L '= L - 2e và

A '= B' X L '

Khả năng chịu lực cuối cùng (qu) của các bước chân như vậy được xác định bằng cách sử dụng B 'và L' thay vì 8 và L. Do đó, q _u nhỏ hơn tương ứng với kích thước chân thực như trong hình 9.4.

Khái niệm về phân bố ứng suất dọc trong đất do tải trọng nền tảng:

Khi một khối đất được tải, ứng suất thẳng đứng được phát triển trong đất. Việc ước tính ứng suất dọc tại bất kỳ điểm nào trong khối đất do tải trọng bên ngoài có ý nghĩa rất lớn trong dự đoán độ lún của các tòa nhà, cầu, kè và các cấu trúc khác. Ứng suất do tải bên ngoài lớn nhất ở độ sâu nông, gần với ứng dụng tải điểm và chúng trở nên nhỏ hơn khi khoảng cách thẳng đứng bên dưới tải hoặc khoảng cách ngang từ tải tăng.

Sự phân bố ứng suất thẳng đứng trong một khối đất phụ thuộc vào:

(i) Bản chất của tải tức là cách thức vị trí tải, phân phối tải và hình dạng của khu vực được tải

(ii) Tính chất vật lý của đất như tỷ lệ Poisson, mô đun đàn hồi, độ nén v.v.

Khi xác định ứng suất bên dưới móng, người ta thường cho rằng đất hoạt động như một môi trường đàn hồi có tính chất giống hệt nhau ở tất cả các điểm và theo mọi hướng. Nhiều công thức dựa trên lý thuyết đàn hồi đã được sử dụng để tính toán ứng suất trong đất. Một công thức như vậy lần đầu tiên được phát triển bởi Boussinesq (1885) cho các ứng suất và biến dạng trong phần bên trong của khối đất do tải trọng điểm thẳng đứng. Một nhà khoa học người Anh Westergaard vào năm 1938 cũng đã đề xuất một công thức tính toán ứng suất thẳng đứng trong khối đất do tải trọng điểm thẳng đứng.

Điểm tải:

Công thức của doanh nghiệp:

Công thức của doanh nghiệp dựa trên các giả định sau:

(i) Khối đất có tính đàn hồi tuyến tính, đồng nhất, đẳng hướng và bán vô hạn.

(ii) Tải trọng đóng vai trò là tải trọng tập trung dọc.

(iii) Đất không trọng lượng.

Phương trình ứng suất thẳng đứng tại một điểm như trong hình 9.5

Tải dòng:

Phương trình ứng suất thẳng đứng do tải dòng P ₁ trên một đơn vị chiều dài trên bề mặt tại một điểm nằm ở độ sâu z và khoảng cách x ngang như trong hình 9.6 là

σ _Z = 2p ₁ /

z ³ / (x ² + z ² ) ²

Dải tải đồng đều:

Phương trình ứng suất thẳng đứng do tải trọng đồng đều q trên diện tích dải có chiều rộng B và chiều dài vô hạn theo σ và như trong hình 9.7 là

σ _z = q / π (α + Sin αCos 2θ)

Bên dưới tâm của dải, ứng suất dọc o ở độ sâu z được cho bởi

_Z = q / π (a + sin α) (θ bằng 0 và cos2θ = 1)

hoặc σ ₂ = ql oz

Các giá trị của yếu tố ảnh hưởng được đưa ra trong bảng 9.3,

Thuộc tính đất điều chỉnh sự lựa chọn của loại nền tảng:

Các tính chất sau đây của đất chi phối sự lựa chọn của loại nền tảng:

(i) Khả năng chịu lực của đất

(ii) Giải quyết đất

Kiến thức về khả năng chịu lực và độ lún của đất là rất cần thiết để thiết kế nền móng của bất kỳ cấu trúc nào. Nền tảng của bất kỳ cấu trúc nào phải được chọn sao cho đất bên dưới không bị trượt và độ lún nằm trong giới hạn cho phép.

Nếu khả năng chịu lực của đất ở độ sâu nông là đủ để lấy tải trọng của kết cấu một cách an toàn, thì một nền móng nông được cung cấp. Bước chân bị cô lập, bước chân kết hợp hoặc bước chân dải là lựa chọn cho nền tảng nông. Nền móng sâu được cung cấp khi đất ngay bên dưới cấu trúc không có khả năng chịu lực đầy đủ. Cọc, trụ hoặc giếng là những lựa chọn cho nền móng sâu. Nền móng hoặc bè rất hữu ích cho đất phải chịu độ lún chênh lệch hoặc khi có sự khác biệt lớn về tải giữa các cột liền kề. Bảng 9.4 đưa ra sự phù hợp của nền móng cho các tòa nhà dựa trên loại đất.

Các thử nghiệm trong tình huống để xác định khả năng chịu lực tối đa

Các thử nghiệm tại chỗ sau đây có thể được sử dụng để xác định khả năng chịu lực tối đa hoặc khả năng chịu lực cho phép của đất:

(a) Kiểm tra tải trọng tấm

(b) Kiểm tra thâm nhập tiêu chuẩn

(d) Kiểm tra thâm nhập hình nón tĩnh

(e) Kiểm tra đồng hồ đo áp suất

Kiểm tra tải trọng tấm:

Kiểm tra tải trọng bản chất bao gồm tải một tấm cứng ở cấp độ nền tảng và ghi lại các độ lún tương ứng với từng mức tăng tải. Khả năng chịu lực cuối cùng sau đó được lấy khi tải trọng mà tấm bắt đầu chìm với tốc độ nhanh. Kích thước tối thiểu và tối đa được đề nghị cho tấm thử nghiệm lần lượt là 30 cm vuông và 75 cm vuông. Độ dày của tấm thép không được nhỏ hơn 25 mm. Alam Singh đã khuyến nghị kích thước của tấm thử nghiệm là 32 cm vuông.

Thử nghiệm được tiến hành trong một hố có chiều rộng bằng 5 lần chiều rộng của tấm thử. Ở trung tâm của hố, một lỗ vuông nhỏ được đào có kích thước bằng với kích thước của tấm và mức đáy của hố tương ứng với cấp độ của nền móng thực tế.

Việc tải vào tấm thử có thể được áp dụng theo hai phương pháp sau:

(a) Phương pháp nền tảng tải trọng lực

(b) Phương pháp giàn phản ứng

Tải giàn phản ứng được tìm thấy thuận tiện và ít tốn thời gian, do đó thường được sử dụng. Với mục đích này, một giàn thép được neo xuống đất ngang qua hố. Một kích thủy lực với đồng hồ đo áp suất kèm theo được đặt giữa mặt dưới của giàn và tấm thử. Ít nhất hai máy đo quay số, có độ chính xác 0, 2 mm, được sử dụng để đo độ lún của tấm thử. Đồng hồ đo quay số được gắn trên thanh mốc chuẩn độc lập và chỉ chạm vào tấm thử.

Trước khi bắt đầu thử nghiệm, áp suất ghế 70 gm / cm ² được áp dụng cho tấm (theo khuyến nghị của IS 1888-1962). Sau đó nó được gỡ bỏ và đồng hồ đo quay số được đặt thành không đọc. Tải sau đó được áp dụng theo gia số tích lũy bằng nhau; nói khoảng 1/5 khả năng chịu lực an toàn dự kiến hoặc 1/10 khả năng chịu lực cho phép dự kiến. Việc giải quyết phải được ghi lại cho mỗi lần tăng tải sau một khoảng thời gian 1, 4, 10, 20, 40 và 60 phút và sau đó theo các khoảng thời gian hàng giờ, cho đến khi tốc độ giải quyết trở nên thấp hơn khoảng 0, 02 mm mỗi giờ. Sau này, tải được tăng lên giá trị cao hơn tiếp theo và quá trình được lặp lại.

Tiếp tục thử nghiệm cho đến khi một trong các giai đoạn sau được tham dự:

(a) Giải quyết với tốc độ nhanh hơn cho thấy sự thất bại cắt.

(b) Áp suất áp dụng vượt quá 3 lần áp suất ổ trục cho phép được đề xuất.

(c) Tổng độ lún vượt quá 10 phần trăm chiều rộng của tấm thử. Tải sau đó được giải phóng. Nếu muốn, quan sát phục hồi có thể được thực hiện.

Diễn dịch:

Cường độ tải và quan sát độ lún của thử nghiệm được vẽ, như trong hình 9.11, trong thang đo tuyến tính cũng như thang đo log-log. IS 1888-1962, khuyến nghị một biểu đồ log-log đưa ra hai đường thẳng giao nhau có thể được coi là sự thất bại của đất. Khi điểm thất bại không rõ ràng trong biểu đồ, thất bại có thể được giả định ở độ lún 10% chiều rộng tấm. Cường độ tải tương ứng với điểm hỏng cho khả năng chịu lực tối đa và hệ số an toàn là 2, 5 hoặc 3 trên khả năng chịu lực cuối cùng có thể được sử dụng để có được khả năng chịu lực an toàn của đất.

Ảnh hưởng của kích thước của tấm đến khả năng chịu lực:

Khả năng chịu lực của cát và sỏi tăng theo kích thước của móng. Khả năng chịu lực thu được từ thử tải tấm cho đất cát sẽ khác với khả năng chịu lực thực tế của móng vì kích thước của móng sẽ nhiều hơn so với tấm. Đối với tất cả các mục đích thực tế, dữ liệu thử tải tấm được ngoại suy để có được khả năng chịu lực của bước chân thực tế.

Đối với đất cát :

q _uf = q _lên × B _F / B _P

Ở đâu

q _uf = khả năng chịu lực tối đa của bước chân thực tế

q _up = khả năng chịu lực tối đa từ kiểm tra tải trọng tấm

B _f = chiều rộng của bước chân

B _p = chiều rộng của tấm

Đối với đất sét

q _uF = q _lên

Ảnh hưởng của kích thước của tấm đến độ lún :

Độ lún của chân thay đổi theo kích thước của nó. Vì vậy, độ lún thu được từ kiểm tra tải trọng tấm có thể không giống với bước chân thực tế.

Mối quan hệ sau đây được sử dụng để tìm hiểu giải quyết của bước chân thực tế:

Đối với đất sét:

S _F = S _P × B _F / B _P

S _p = Giải quyết bước chân thực tế tính bằng mm

S _p = Giải quyết từ thử tải tấm trong

B _f = Chiều rộng của bước chân tính bằng mét

B _P = Chiều rộng của tấm tính bằng mét

Đối với đất cát:

S _F = S _P [B _F (Bp + 0, 3) / B _p (B _F +0.3)] ^-2

Hạn chế:

(1) Dữ liệu kiểm tra tải trọng tấm phản ánh các đặc tính của đất chỉ trong một độ sâu bằng hai lần chiều rộng của tấm. Do nền móng thực tế lớn hơn kích thước của tấm, thử nghiệm tải trọng tấm không thực sự đại diện cho điều kiện đất thực tế trong trường hợp đất không đồng nhất như trong hình 9.12.

(ii) Kiểm tra tải trọng bản chất là một thử nghiệm thời gian ngắn (chạy trong vài giờ), do đó, không có dấu hiệu của việc giải quyết hợp nhất dài hạn trong đất sét.

(iii) Không nên dựa vào thử nghiệm này để có được khả năng chịu lực tối đa của đất Sandy vì hiệu ứng quy mô cho kết quả rất sai lệch.

(iv) Sự gần gũi của mực nước có thể nằm trong phạm vi ảnh hưởng của bước chân chứ không phải của tấm thí nghiệm, vì tác dụng của ngập nước là làm giảm 50% khả năng chịu lực của đất dạng hạt.

Khả năng chịu lực dựa trên thử nghiệm thâm nhập tiêu chuẩn (SPT):

Trong trường hợp đất không dính, kết quả SPT được sử dụng để xác định khả năng chịu lực cuối cùng của đất bằng các phương pháp sau:

(i) Bằng cách sử dụng biểu đồ được đưa ra bởi Peck, Hanson và Thornburn :