Góc ma sát trong là gì?
Góc ma sát trong (internal friction angle), ký hiệu φ (phi), là thông số cơ học đất biểu thị khả năng kháng cắt của đất do ma sát giữa các hạt. Cùng với lực dính c (cohesion), φ tạo thành cặp thông số Mohr-Coulomb mô tả sức kháng cắt của đất. Góc ma sát trong ảnh hưởng quyết định đến sức chịu tải móng, ổn định mái dốc và áp lực đất lên tường chắn.
Tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb
Tiêu chuẩn Mohr-Coulomb mô tả sức kháng cắt τ tại mặt phá hoại:
τ = c + σ × tan(φ)
Trong đó: τ = sức kháng cắt (kPa); c = lực dính (kPa); σ = ứng suất pháp tuyến hiệu quả (kPa); φ = góc ma sát trong (độ). Trên đồ thị Mohr-Coulomb, đường phá hoại là đường thẳng với hệ số góc = tan(φ) và tung độ gốc = c.
Giá trị φ tiêu biểu theo loại đất
| Loại đất | c (kPa) | φ (độ) | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Cát sạch rời | 0 | 28-34° | Phụ thuộc độ chặt |
| Cát chặt | 0 | 35-45° | Góc giãn nở cao |
| Cuội sỏi | 0 | 35-45° | Hạt góc cạnh φ cao hơn |
| Cát pha (silt) | 5-15 | 25-35° | Có lực dính nhỏ |
| Sét mềm | 10-30 | 15-25° | Phụ thuộc OCR |
| Sét cứng | 30-100 | 20-30° | Quá cố kết φ cao hơn |
| Bùn sét | 0-10 | 5-15° | Sức kháng cắt thấp |
Phương pháp xác định φ
Thí nghiệm cắt trực tiếp (Direct Shear Test)
Mẫu đất đặt trong hộp cắt hai phần; ứng suất pháp σ cố định từ trên; lực cắt tăng dần đến phá hoại. Tiêu chuẩn: ASTM D3080. Ưu điểm: đơn giản, nhanh; nhược điểm: không kiểm soát được thoát nước.
Thí nghiệm nén ba trục (Triaxial Test)
Mẫu đất hình trụ đặt trong buồng áp lực; kiểm soát áp lực buồng σ₃ và thoát nước. Các điều kiện thử: UU (không cố kết không thoát nước), CU (cố kết không thoát nước), CD (cố kết thoát nước). Tiêu chuẩn: ASTM D4767. Kết quả chính xác nhất cho thiết kế.
Thí nghiệm cắt cánh (Vane Shear Test)
Thực hiện hiện trường trong sét mềm; xác định sức kháng cắt không thoát nước Su; từ Su tính được φ_u = 0 trong phân tích tổng ứng suất.
Ứng dụng φ trong thiết kế địa kỹ thuật
Sức chịu tải móng (Terzaghi, Meyerhof)
Công thức sức chịu tải qult phụ thuộc các hệ số Nq, Nγ là hàm của φ. Đất có φ cao → sức chịu tải lớn hơn.
Ổn định mái dốc
Hệ số an toàn ổn định mái dốc (Bishop, Fellenius) tính dựa trên c và φ. Mái cát (c=0) ổn định khi góc dốc < φ (quy tắc ngón tay cái).
Áp lực đất chủ động lên tường chắn
Ka = tan²(45° – φ/2); φ lớn → Ka nhỏ → áp lực đất lên tường nhỏ hơn, kinh tế hơn khi thiết kế tường.
Các yếu tố ảnh hưởng đến φ
- Hình dạng hạt: Hạt góc cạnh (angular) có φ cao hơn hạt tròn (rounded).
- Độ chặt tương đối Dr: Đất chặt có φ cao hơn đất rời; cát chặt có góc giãn nở (dilatancy) tăng φ.
- Cỡ hạt: Cuội sỏi thường có φ cao hơn cát mịn.
- Khoáng vật: Đất chứa mica, montmorillonite có φ thấp hơn do tiếp xúc hạt trơn.
- Lịch sử ứng suất (OCR): Đất quá cố kết có φ_residual thấp hơn φ_peak.
- Cát có lực dính c không?
- Cát sạch có c = 0 kPa vì không có liên kết điện hóa giữa các hạt. Chỉ có góc ma sát trong φ kháng cắt. Cát ẩm có thể có lực dính biểu kiến do sức căng mặt nước.
- φ của sét đo bằng thí nghiệm nào chuẩn nhất?
- Thí nghiệm ba trục CD (consolidated drained) cho φ hiệu quả chính xác nhất cho sét, phù hợp phân tích dài hạn. Thí nghiệm UU cho sức kháng cắt ngắn hạn (Su).
- Tại sao cùng là cát nhưng φ khác nhau nhiều?
- Cát rời (Dr thấp) có φ = 28-32°; cát chặt (Dr cao) có φ = 38-45° do hiệu ứng giãn nở (dilatancy). Đây là lý do thí nghiệm phải xác định Dr trước khi tra φ.