Sức kháng cắt của đất là gì?
Sức kháng cắt (shear strength) là khả năng chống lại sự trượt (sliding) của đất khi chịu lực. Đây là tính chất nền tảng trong cơ học đất (soil mechanics), quyết định on định của mái doc, Sức chịu tải của nền móng, áp lực đặt lên tường chắn và nhiều bai toàn địa kỹ thuật khác.
Tiêu chuẩn Coulomb (1776) mỏ ta Sức kháng cắt bảng công thức đơn giản những hiệu quả:
tau = c + sigma × tấn(phí)
Trong đó: tau = Sức kháng cắt (kN/m2); c = luc định (cohesion, kN/m2); sigma = ứng suất pháp hiệu quả (kN/m2); phí = góc ma sắt trong (angle of internal friction, độ).
Luc định (c) là gì?
Luc định thể hiện luc hut tính điện và hóa học giữa các hat đất, tôn tại ngày ca khí ứng suất pháp sigma = 0. Luc định đặc trưng cho đất hat min (sét, but): khí sét bị ep, các hat sét tích điện âm tiếp xuc nhau tạo luc hut.
Giá trị luc định tham khảo:
- Cat sạch, cuoi: c = 0 kN/m2 (không có luc định)
- Cat pha sét nhẹ: c = 5–20 kN/m2
- Sét mem (soft clay): c = 10–40 kN/m2
- Sét cung (stiff clay): c = 50–150 kN/m2
- Sét cung rất (very stiff): c > 150 kN/m2
Góc ma sắt trong (phí) là gì?
Góc ma sắt trong thể hiện ma sắt và luc khóa (interlocking) giữa các hat đất khí truot. Đất cat thô, cuoi góc có phí cao nhờ các hat có bề mặt nham và số độ lớn. Đất sét có phí thấp nhờ hat min tron trụ.
Giá trị góc ma sắt trong tham khảo:
- Cat rồi (loose sand): phí = 28–32 độ
- Cat chất (dense sand): phí = 35–42 độ
- Cuoi cuon (gravel): phí = 36–45 độ
- Sét mem, but: phí = 5–15 độ
- Sét thường (medium clay): phí = 15–25 độ
- Sét sét thuoc trước cố kết (OC clay): phí = 20–30 độ
Phương pháp xác định c và phí
Thí nghiệm cat trực tiếp (Direct Shear Test) — ASTM D3080
Mau đất hình vuong (60x60mm hoặc 100x100mm) đất vào hợp cat (shear box) gồm 2 nua. Giá tải trọng pháp tuyen (sigma) lên mau rồi keo truot nua dưới theo tốc độ chuan. Độ luc cat max tại tung mức sigma. Về bieu độ tau vs sigma, độ thi tuyen tính: c = giao với trực tung, phí = góc nghiêng.
Ưu điểm: đơn giản, nhanh, rẻ. Nhược điểm: mặt phẳng cat bị ep bước theo mặt phân chia hợp, không mỏ phòng dùng vi tri truot tự nhiên của đất.
Thí nghiệm nền 3 trực (Triaxial Test) — ASTM D2850 / D4767
Mau trụ D38–100mm đất trong bao cao sự (membrane), nền trong buong nước áp suất (cell pressure = sigma3). Sau độ tầng tải trọng doc trực đến khí pha vỏ (deviator stress = sigma1-sigma3). Nền nhiều mau ở các sigma3 khác nhau, về đường Mohr-Coulomb lay c và phí.
Các loại triaxial: UU (Undrained Unconsolidated) — kết quả nhanh cho đất bao hóa; CU (Consolidated Undrained) — phổ biến nhất; CD (Consolidated Drained) — cho c’ và phí’ hiệu quả.
Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) — ASTM D1586
Giá trị N-SPT có thể quy đổi ra phí (đất cat) và cũ và sự cường độ cat (đất sét) theo tường quan kính nghiem (Bowles, Meyerhof). Không chính xác bảng thí nghiệm phòng thí nghiệm những nhanh và rẻ.
Ứng dụng c và phí trong thiết kế
Tính toán on định mái doc (Slope Stability)
Phương pháp Bishop, Spencer, Janbu — phân tích mặt truot tron hoặc gap khuc. Hệ số on định FS = Sức kháng cắt huy đồng / ứng suất cat gay truot. Yêu cầu: FS >= 1.3 (Điều kiện binh thường), >= 1.1 (Điều kiện động đất).
Tính Sức chịu tải mỏng (Foundation Bearing Capacity)
Phương trình Terzaghi / Meyerhof: qu = c.Nc + q.Nq + 0.5.gamma.B.Ngamma. Hệ số Nc, Nq, Ngamma phụ thuộc phí. Đất phí cao (cat): Nq và Ngamma lớn, đất có Sức chịu tải lớn. Đất sét (phí ~ 0): sử dụng Sức kháng cắt sự = cũ, qu = 5.14.cũ (Skempton).
Tính áp lực đặt lên tường chắn
Sử dụng công thức Rankine: Ka = tan2(45 – phí/2). Đất cat (phí=35 độ): Ka = 0.27. Đất sét (phí=15 độ): Ka = 0.59 — áp lực chủ đồng lớn hơn gan gap đổi với đất sét!
Lưu y quan trọng
- Nền sử dụng c và phí hiệu quả (effective stress parameters c’, phí’) cho tính toán lâu dài (thoát nước).
- Đất bao hóa cần xem xét áp lực nước lo rồi (pore water pressure) riêng — không công gop vào ứng suất pháp.
- Số liệu SPT tại hiện trường cần kết hợp với thí nghiệm phòng thí nghiệm để tầng độ chính xác.
- c và phí phụ thuộc lich sự nền (stress history): đất trước cố kết (OC) có phí cao hơn đất binh thông (NC) cung cấp độ.
Kết luận
Luc định c và góc ma sắt trong phí là hai thấm số cơ bản nhất trong cơ học đất, cần thiết cho mới bai toàn địa kỹ thuật. Việc xác định chính xác quá thí nghiệm và sử dụng dùng loại thấm số (thoát nước / không thoát nước) theo tung bai toàn là nền tầng của thiết kế nền móng an toàn và kính tế.