Giáo trình Cơ học đất - Chương 1: Các tính chất của đất

Nội dung text: Giáo trình Cơ học đất - Chương 1: Các tính chất của đất

1. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất Ch−ơng I: Các tính chất vật lý của đất Bμi 1: sự hình thμnh của đất 1. Quá trình hình thành đất: D−ới tác dụng của nhiều nguyên nhân khác nhau nh− sự thay đổi nhiệt độ, sự đông cứng vμ tan rã của n−ớc, sự ăn mòn hoá học các lớp đá gốc bị phá hoại tạo ra các hạt có kích th−ớc to, nhỏ khác nhau gọi lμ quá trình phong hoá. Sau đó d−ới sự tác động của gió, n−ớc, băng trôi các hạt đó di chuyển vμ lắng đọng lại tạo thμnh các lớp đất khác nhau gọi lμ quá trình trầm tích. Vậy ta có thể nói: - Đất có nguồn gốc từ các đá gốc (Đá magma, đá trầm tích, đá biến chất). - Đất đ−ợc hình thμnh thông qua quá trình phong hoá đá gốc để tạo thμnh các sản phẩm phong hoá (các hạt có kích cỡ khác nhau) vμ quá trình di chuyển, trầm tích các sản phẩm nμy. Chúng ta có thể miêu tả quá trình hình thμnh đất bằng sơ đồ sau: Quá trình phong hoá Quá trình trầm tích Đá gốc Hạt đất Đất trầm tích Tác nhân gây phong hoá Tác động gây trầm tích (Nhiệt độ, n−ớc, không (Gió, dòng n−ớc, băng khí, sinh vật ) trôi ) Ta thấy rằng đất đ−ợc tạo ra thông quá 2 trình phong hoá vμ trầm tích. Bây giờ ta sẽ nghiên cứu kỹ hơn hai quá trình nμy. a. Quá trình phong hoá: - Quá trình phong hoá lμ quá trình phá hủy đá gốc d−ới tác động của các nhân tố có ở môi tr−ờng khí, môi tr−ờng n−ớc hoặc tác động của sinh vật. - Sản phẩm của quá trình phong hoá phụ thuộc vμo từng loại phong hoá có thể lμ dung dịch hoμ tan hoặc các mảnh vụn có kích th−ớc khác nhau. - Tuỳ thuộc vμo bản chất của tác động phá hoại mμ ng−ời ta phân chia quá trình phong hoá lμm 3 lọai khác nhau đó lμ phong hoá vật lý, phong hoá hoá học vμ phong hoá sinh học: */ Phong hoá vật lý: - Lμ các tác động mang tính cơ học của môi tr−ờng xung quanh đến các tầng đá gốc do sự thay đổi nhiệt độ, sự đông cứng vμ tan rã của n−ớc, sự kết tinh của các tinh thể muối trong các khe nứt có sẵn - Sản phẩm phong hoá vật lý: D−ới sự tác động của các nhân tố trên đá sẽ bị nứt nẻ, vỡ vụn tạo thμnh các hạt có kích th−ớc khác nhau vμ có góc cạnh. Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 1
2. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất + Kích th−ớc các hạt lớn (d>0,002mm), khác nhau nh− hạt bụi, cát, sỏi, cuội, đá dăm + Thμnh phần khoáng vật chủ yếu vẫn lμ những khoáng vật của đá gốc ch−a bị biến đổi nh− fenspat, thạch anh, mica gọi lμ khoáng vật nguyên sinh. => Sản phẩm của quá trình phong hoá vật lý th−ờng lμ các loại đất rời nh− đất cát. */ Phong hoá hoá học: - Lμ các tác động của các hợp chất hoặc các nguyên tố hoá học có trong không khí vμ n−ớc lên các hợp chất vμ khoáng vật của đá gốc. - Sản phẩm phong hoá: D−ới các tác động hoá học nh− trên đá gốc bị ăn mòn. Một phần tạo thμnh dung dịch, phần còn lại bị vỡ vụn tạo thμnh các hạt có kích th−ớc nhỏ, có tính chất khác hẳn với đá gốc. + Kích th−ớc các hạt tạo thμnh nhỏ (d Sản phẩm của quá trình phong hoá hoá học th−ờng lμ các loại đất dính nh− đất cát pha, sét pha, đất sét */ Phong hoá sinh học: - Lμ quá trình phá hoại các tầng lớp đá gốc do các loại động, thực vật gây ra nh− sự đμo bới hang hốc lμm chỗ ở hay kiếm thức ăn của các lọai động vật lμm nát vụn các loại đá yếu, thực vật mọc trong các khe đá trong quá trình phát triển, lớn lên vμ tiêu huỷ cũng sinh ra những hoá chất lμm ăn mòn đá hoặc lμm nứt nẻ đá. - Sản phẩm phong hoá: Sản phẩm của quá trình phong hoá sinh học bao gồm cả sản phẩm của quá trình phong hoá vật lý vμ hoá học. b. Quá trình trầm tích - Lμ quá trình di chuyển, lắng đọng, sắp xếp lại các hạt đất đ−ợc tạo ra từ quá trình phong hoá d−ới sự tác động của gió hoặc dòng n−ớc. - Tuỳ thuộc vμo các. điều kiện nh− cách di chuyển vμ lắng đọng khác nhau mμ ta có các sản phẩm trầm tích khác nhau nh− sau: */ Đất tμn tích (eluvi): - Đây lμ loại đất đ−ợc hình thμnh do quá trình trầm tích tại chỗ các tμn d− của quá trình phong hoá đá gốc ch−a bị di chuyển đi nơí khác. - Thμnh phần của đất tμn tích gồm đất sét, đất loại sét hay đất rời xốp nh− cát, dăm, sạn Chiều dμy của lớp tμn tích th−ờng hay biến đổi. */ Đất s−ờn tích (deluvi): - Đây lμ loại đất đ−ợc trầm tích tại các s−ờn dốc, các khoảng thấp sát đ−ờng phân thuỷ do n−ớc m−a hay tuyết tan rửa trôi các sản phẩm phong hoá. - Thμnh phần chủ yếu lμ các lớp sét, sét pha họăc cát pha. Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 2
3. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất */Đất bồi tích (aluvi): - Đây lμ loại đất đ−ợc hình thμnh do quá trình trầm tích d−ới sự tác động của dòng n−ớc sông. - Các tầng trên cùng của tầng bồi tích th−ờng lμ đất loại sét vμ cát hạt mịn. Các tầng bên d−ới th−ờng đ−ợc cấu tạo bởi cát lẫn ít sỏi vμ cuội. */Đất lũ tích (proluvi): - Đất lũ tích lμ những trầm tích đ−ợc tạo ra bởi các dòng bùn đá của các sông miền núi hay các dòng chảy nhất thời phát sinh trong thời kỳ m−a nhiều. - Lũ tích có thμnh phần rất đa dạng gồm cuội, cát, các tảng đá sắc vμ tròn cạnh, đất loại sét. */Đất hồ tích : - Lμ loại đất đ−ợc trầm tích trong các hồ. - Thμnh phần của trầm tích hồ rất đa dạng nó phụ thuộc vμo vị trí, hích th−ớc vμ chiều sâu hồ. Chúng có chiều dμy thay đổi. */ Trầm tích gió: - Đây lμ loại đất đ−ợc hình thμnh do quá trình trầm tích d−ới sự tác động của gió. - D−ới tác dụng của gió các hạt đất đ−ợc di chuyển đến nơi khác. Các hạt nhỏ nh− bụi vμ cát đ−ợc di chuyển đi xa, các hạt có kích th−ớc lớn hơn nh− cuội, sỏi thì để lại. + Các hạt cát lăn trên nhau hoặc nhảy cóc từng quãng trong không khí rồi chất đống lên nhau tạo thμnh các đụn cát. + Các hạt bụi đ−ợc thổi đi xa hơn rồi trầm tích lại tạo thμnh hoμng thổ. Bμi 2: Các thμnh phần chủ yếu của đất Ta biết rằng đất đ−ợc tạo thμnh do các hạt đất có kích th−ớc, hình dạng khác nhau sắp xếp lại với nhau theo một trật tự nμo đó. Chính vì kích th−ớc vμ hình dạng của các hạt đất khác nhau nên khi chúng sắp xếp lại với nhau dù có chặt đến đâu vẫn tồn tại các lỗ rỗng giữa các hạt. Trong các lỗ rỗng đó có thể có n−ớc hoặc khí. Vậy đất có 3 thμnh phần chủ yếu lμ hạt đất, n−ớc vμ khí, theo nh− ngôn ngữ chuyên dùng trong Cơ Học Đất ta th−ờng gọi đất lμ vật thể 3 pha (3 thể): - Pha cứng gồm các hạt đất. - Pha lỏng lμ n−ớc trong lỗ rỗng. - Pha khí lμ khí trong lỗ rỗng. Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 3
4. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất Lỗ rỗng Hạt đất Hình 1.2.1: Cấu tạo đất *) Nếu đất khô không chứa n−ớc lúc đó đất có 2 pha: pha cứng vμ pha khí. *) Nếu đất bão hoμ n−ớc tức lμ n−ớc lấp đầy lỗ rỗng lúc đó đất có 2 pha: pha cứng vμ pha lỏng. *) Nếu đất ở trạng thái ẩm −ớt, ch−a boã hoμ lúc đó đất có đủ 3 pha: pha cứng, pha lỏng vμ pha khí. Cả 3 pha cứng, lỏng vμ khí đều có ý nghĩa rất lớn đến tính chất của từng loại đất. Vì vậy ta sẽ đi nghiên cứu kỹ từng thμnh phần của đất: 1. Pha cứng của đất - Pha cứng của đất gồm các hạt đất có hình dạng khác nhau, kích th−ớc từ vμi micromet hoặc nhỏ hơn đến vμi chục centimet. Nó lμ thμnh phần chịu lực chính của đất vì vậy mμ ng−ời ta gọi pha cứng lμ khung cốt của đất. */Tên gọi hạt đất: Để phân loại đất ta th−ờng dựa vμo tỷ lệ các hạt chiếm đa số trong đất để đặt tên. Nh− vậy muốn đặt tên đất tr−ớc hết ta phải biết tên hạt đất. + Dựa vμo kích th−ớc các hạt mμ mỗi n−ớc có cách gọi tên hạt khác nhau. Do các hạt có hình dạng rất phức tạp, để thống nhất cách gọi kích th−ớc hạt ta sử dụng khái niệm đ−ờng kính trung bình của hạt. Đó lμ đ−ờng kính của vòng tròn bao quanh tiết diện lớn nhất của hạt đất đó. Bảng 1.2-1: Tên gọi các hạt đất Kích th−ớc hạt (mm) Tên hạt đất QT 79 TCVN 5747-1993 Đá tảng >200 >300 Hạt cuội, dăm 200-10 300-150 Hạt sỏi, sạn 10-2 150-2 Hạt cát 2-0,1 2-0,06 Hạt bụi 0,1-0,005 0,06-0,002 Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 4
5. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất Hạt sét <0,005 <0,002 Cũng dựa vμo kích th−ớc hạt để đặt tên nh−ng một số n−ớc có cách đặt tên khác so với TCVN 5747-1993 của n−ớc ta. Chúng ta có thể tham khảo cách đặt tên hạt của một số n−ớc trong SGK. Thμnh phần khoáng vật, hình dạng, kích th−ớc hạt lμ những yếu tố thuộc pha cứng ảnh h−ởng đến tính chất của đất. Ta sẽ đi sâu phân tích từng yếu tố nμy: */ Hình dạng, của hạt đất: Hình dạng của các hạt đất rất khác nhau nó phụ thuộc vμo quá trình phong hoá, di chuyển vμ trầm tích. - Đối với quá trình phong hoá hoá học các hạt đ−ợc tạo ra có kích th−ớc nhỏ nh− hạt sét , có hình dạng t−ơng đối đồng đều. Trong tr−ờng hợp nμy hình dạng hạt không gây ảnh h−ởng gì rõ rệt đến tính chất của đất. - Đối với quá trình phong hoá vật lý các hạt đ−ợc tạo ra th−ờng có kích th−ớc lớn vμ có góc cạnh. Nếu các hạt đ−ợc trầm tích ngay tại chỗ thì các hạt có góc cạnh sẽ sắp xếp, xen kẽ cμi chặt vμo nhau lμm cho đất có c−ờng độ cao. - Đối với quá trình phong hoá vật lý mμ các hạt bị dịch chuyển nhiều trong quá trình trầm tích thì góc cạnh của các hạt bị mμi mòn sẽ trở lên tròn trặn hơn. Khi đó các hạt sắp xếp không thể khít chặt vμo nhau đ−ợc, có nhiều lỗ rỗng lμm cho đất có c−ờng độ kém. - Để đánh giá hình dạng vμ góc cạnh của các hạt ta sử dụng các chỉ số độ tròn vμ chỉ số hình cầu: + Chỉ số độ tròn (Ktr): ⎛ r ⎞ ∑⎜ ⎟ ⎝ R ⎠ (1.2-1) K = tr N Trong đó: r - Bán kính các góc. R - Bán kính của vòng tròn nội tiếp lớn nhất. N - Số các góc của hạt. + Chỉ số hình cầu (Kc): Dd K c = (1.2-2) D c Trong đó: Dd - Đ−ờng kính của hình tròn có diện tích bằng diện tích hình chiếu của hạt khi nằm trên một mặt phẳng. Dc - Đ−ờng kính vòng tròn ngoại tiếp nhỏ nhất. Các chỉ số Ktr vμ Kc cμng lớn thì các hạt cμng tròn nhẵn vμ gần với dạng hình cầu hơn. Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 5
6. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất */ Thμnh phần khoáng vật của hạt đất: - Thμnh phần khoáng vật của hạt đất phụ thuộc thμnh phần khoáng vật của đá gốc vμ loại hình phong hoá tạo ra các hạt đất. Với cùng một lọai đá gốc nh−ng d−ới tác dụng của phong hoá vật lý hay hoá học sẽ cho ta các sản phẩm phong hoá có thμnh phần khoáng vật khác nhau. Chính vì vậy chúng ta phân thμnh phần khoáng vật của hạt đất lμm 3 loại gồm: Khoáng vật nguyên sinh, khoáng vật thứ sinh vμ vật chất hữu cơ. - Khoáng vật nguyên sinh: - Khoáng vật nguyên sinh lμ những khoáng vật có trong thμnh phần của đá gốc ch−a bị biến đổi d−ới tác dụng của quá trình phong hoá. Chúng gồm có các loại chính sau: felspat, thạch anh, mica. - Khoáng vật nguyên sinh th−ờng chứa trong các hạt đất có kích th−ớc lớn (d>0,002mm) nh− hạt bụi, cát, sỏi Chúng đ−ợc tạo ra do quá trình phong hoá vật lý đá gốc. - Đối với các hạt lớn thì khoáng vật không có nhiều ảnh h−ởng đến tính chất của đất vì giữa các hạt chỉ có lực ma sát bề mặt mμ không có lực liên kết. - Khoáng vật thứ sinh: - Thông qua các phản ứng hoá học giữa các khoáng vật có trong đá gốc với các hoá chất có trong n−ớc, không khí (quá trình phong hoá hoá học) lμm cho đá gốc bị phá hủy, tạo ra các khoáng vật mới có tính chất khác hoμn toμn so với các khoáng vật có trong đá gốc gọi lμ khoáng vật thứ sinh. - Khoáng vật thứ sinh lμ thμnh phần khoáng vật của các hạt sét, hạt bụi có kích th−ớc rất nhỏ (d<0,002mm) vμ nó đ−ợc chia lμm 2 loại sau: + Khoáng vật không hoμ tan trong n−ớc: gồm có 1 số loại chính nh− kaolinit, ilit vμ monmorilonit. Chúng lμ thμnh phần chủ yếu của các hạt sét nên gọi lμ khoáng vật sét. + Khoáng vật hoμ tan trong n−ớc th−ờng gặp lμ: Calcit, đolomit, thạch cao, muối mỏ - Đối với các hạt có kích th−ớc nhỏ (d<0,002mm) thì thμnh phần khoáng vật ảnh h−ởng rất lớn đến tính chất của đất do giữa các hạt có sự tích điện vμ hoạt tính keo lμm các hạt liên kết với nhau vμ với n−ớc trong lỗ rỗng tạo thμnh khối đất. Sự liên kết giữa các hạt phụ thuộc vμo diện tích tiếp xúc giữa chúng với nhau, khi các hạt cμng nhỏ thì tổng diện tích bề mặt ngoμi của các hạt trong 1 đơn vị thể tích hay 1 đơn vị khối l−ợng cμng lớn. Chúng ta có thể so sánh đ−ợc mối quan hệ giữa kích th−ớc hạt vμ tỷ diện tích bề mặt tiếp xúc nh− trong bảng 1.2 - SGK. Bảng 1.2-2: Tỷ diện tích mặt ngoμi các hạt Tên hạt Kích th−ớc (mm) Tỷ diện m2/gam Bụi 5.10-3 – 1.10-1 1 – 2 Kaolinit 1.10-4 – 1.10-3 10 Ilit 5.10-5 – 5.10-4 80 Montmorilonit 5.10-6 – 1.10-5 800 Betonit < 5.10-6 1300 Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 6
7. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất - Vật chất hữu cơ: Vật chất hữu cơ lμ sản phẩm đ−ợc tạo ra từ di tích động vật, thực vật. Khi chúng bị phân huỷ hoμn toμn sẽ tạo thμnh mùn hữu cơ nh− than bùn. Nếu có lẫn thêm các khoáng vật vô cơ thì mùn hữu cơ sẽ trở thμnh đất hữu cơ. 2. các loại n−ớc trong đất N−ớc hay pha lỏng lá 1 trong 3 thμnh phần của đất. N−ớc có ảnh h−ởng rất lớn đến tính chịu lực của đất vì vậy khi nghiên cứu ta phải luôn chú ý đến l−ợng n−ớc chứa trong đất. Theo nhμ thổ chất học ng−ời Liên xô cũ V.A. Priklonxki đã phân chia đất lμm 3 loại chính: ⎧ ⎪ ⎪- N−ớc trong hạt khoáng vật ⎪ ⎧- N−ớc hút bám ⎪ ⎪ N−ớc trong dất ⎨- N−ớc kết hợp mặt ngoài hạt dất ⎨- N−ớc kết hợp mạnh ⎪ ⎪- N−ớc kết hợp yếu ⎪ ⎩ ⎪ ⎧- N−ớc mao dẫn ⎪- N−ớc tự do ⎨ ⎩⎪ ⎩- N−ớc trọng lực a. N−ớc khoáng vật: - Lμ loại n−ớc nằm trong mạng tinh thể của khoáng vật d−ới dạng phân tử H2O hay dạng ion H+; OH-. Nó lμ một thμnh phần của khoáng vật không thể tách rời bằng cơ học. Muốn tách n−ớc trong hạt khoáng vật ra ta phải sấy khô đến 1000C – 3000C. - Loại n−ớc nμy không ảnh h−ởng đến tính chất xây dựng của đất. b. N−ớc kết hợp mặt ngoμi hạt đất: Theo một số tác giả nh− Râyis, Grim thì trên bề mặt các hạt sét có tích điện âm. Do vậy xung quanh các hạt sét hình thμnh tr−ờng điện tích âm. Tr−ờng điện tích âm nμy sẽ hút cực d−ơng của các phân tử n−ớc l−ỡng cực vμo sát bề mặt hạt sét. Những phân tử n−ớc nμo ở gần hạt sét đ−ợc hút chặt vμo bề mặt hạt sét, các phân tử xa hơn đ−ợc hút với lực yếu hơn vμ đến khi khoảng cách khoảng 0,1~0,5 μm thì lực tác dụng giảm xuống bằng 0. Căn cứ vμo c−ờng độ lực hút điện phân tử của bề mặt khoáng vật mμ ta chia n−ớc kết hợp mặt ngoμi lμm 3 loại: */ N−ớc hút bám: - Lμ lớp n−ớc bám chặt vμo mặt ngoμi hạt đất do sức hút điện phân tử rất mạnh gây lên. - N−ớc hút bám không hoμ tan muối, không có khả năng di chuyển, không truyền áp lực thuỷ tĩnh, không dẫn nhiệt, không kết tinh, tỷ trọng khoảng 1,5, nhiệt độ đóng băng - 780C. Nếu đất chỉ chứa n−ớc hút bám thì đất vẫn chỉ ở trạng thái khô. Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 7
8. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất Hình 1.2.2: Các loại n−ớc kết hợp mặt ngoμi */ N−ớc kết hợp mạnh: - Lμ lớp n−ớc liền kề với lớp n−ớc hút bám do sức hút điện phân tử t−ơng đối mạnh gây nên. Khi đất chỉ chứa n−ớc hút bám vμ n−ớc kết hợp mạnh thì ta gọi lμ l−ợng n−ớc phân tử. - N−ớc kết mạnh có khả năng di chuyển từ chỗ mμng n−ớc dμy sang chỗ mμng n−ớc mỏng, không truyền áp lực thuỷ tĩnh, có khả năng hoμ tan muối, nhiệt độ đóng băng 00C. Khi đất sét chứa n−ớc kết hợp mạnh thì đất sẽ ở trạng thái nửa rắn, ch−a thể hiện tính dẻo. */ N−ớc kết hợp yếu: - Lμ lớp n−ớc ngoμi cùng do sức hút điện phân tử t−ơng đối yếu tạo thμnh. - N−ớc kết hợp yếu có tính chất gần giống với n−ớc thông th−ờng. Khi đất chứa n−ớc kết hợp yếu thì đất vẫn ch−a thể hiện tính dẻo. Tính dẻo chỉ xuất hiện khi kết cấu tự nhiên giữa các hạt đất bị phá huỷ vì vậy mμ Priklonxki gọi lμ trạng thái dẻo ngầm. - N−ớc kết hợp mạnh vμ n−ớc kết hợp yếu bao quanh hạt đất tạo thμnh mμng mỏng có chiều dμy khoảng 10 phân tử n−ớc. Do đó ng−ời ta gọi n−ớc kết hợp yếu vμ n−ớc kết hợp mạnh lμ n−ớc mμng mỏng. c. N−ớc tự do: Lμ n−ớc nằm ngoμi pham vi chịu lực hút phân tử của các hạt sét. N−ớc tự do đ−ợc chia lμm 2 loại n−ớc mao dẫn vμ n−ớc trọng lực. */ N−ớc mao dẫn: Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 8
9. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất - N−ớc mao dẫn lμ n−ớc dâng lên theo các đ−ờng lỗ rỗng nhỏ giữa các hạt đất do lực căng mặt ngoμi của n−ớc với vật liệu của thμnh ống nhỏ t−ơng tự hiện t−ợng mao dẫn trong ống thuỷ tinh nhỏ. */ N−ớc trọng lực: - N−ớc trọng lực lμ n−ớc tự nhiên nằm trong các lỗ rỗng của đất, nó có thể di chuyển từ nơi nμy sang nơi khác d−ới tác dụng của trọng lực. - N−ớc trọng lực trong các lỗ rỗng tác động lên các hạt áp lực thuỷ tĩnh hay còn gọi lμ áp lực n−ớc lỗ rỗng. Tốc độ thấm của n−ớc trọng lực phụ thuộc vμo kích th−ớc lỗ rỗng giữa các hạt, nếu lỗ rỗng cμng lớn thì tốc độ thấm cμng nhanh. - N−ớc trọng lực gây ra áp lực thuỷ tĩnh lên đất vμ công trình nên th−ờng gây ra trở ngại khi đμo hố móng xây dựng các công trình ngầm. III. khí trong đất Nếu trong các lỗ rỗng của đất không chứa đầy n−ớc thì phần còn lại sẽ chứa khí. Căn cứ vμo ảnh h−ởng của khí đối với tính chất cơ học của đất ta chia lμm 2 loại khí trong đất: + Loại thông với khí quyển, loại nμy không có ảnh h−ởng gì nhiều đối với tính chất của đất. + Loại không thông với khí quyển (khí kín), loại nμy th−ờng xuất hiện trong đất sét. Sự tồn tại của các bọc khí nμy lμm giảm tính thấm, tăng tính đμn hồi vμ ảnh h−ởng đến quá trình ép co của đất d−ới tác dụng của trọng lực. 3. Kết cấu vμ các liên kết kết cấu của đất a. Kết cấu của đất - Kết cấu của đất lμ sự sắp xếp có quy luật các hạt hoặc các đám hạt có kích th−ớc vμ hình dạng khác nhau trong quá trình trầm tích. - Kết cấu của đất đ−ợc hình thμnh do lực điện phân tử giữa các hạt, giữa các hạt với n−ớc vμ t−ơng quan giữa các lực đó với trọng l−ợng các hạt. - Kết cấu đất có ảnh h−ởng rất lớn đến tính chất cơ lý của đất. Dựa vμo cách thức liên kết giữa các hạt mμ ta chia lμm 3 loại kết cấu cơ bản sau: */ Kết cấu hạt đơn: - Kết cấu hạt đơn đ−ợc hình thμnh do sự lắng đọng các hạt t−ơng đối lớn (cát, cuội, sỏi) trong quá trình trầm tích. Trong quá trình nμy các hạt có trọng l−ợng bản thân lớn hơn lực tác dụng giữa chúng, khi rơi xuống chúng sắp xếp cạnh nhau, hạt nμy tựa lên hạt kia vμ không có sự liên kết nμo giữa chúng. - Kết cấu hạt đơn còn đ−ợc phân loại thμnh kết cấu chặt vμ kết cấu xốp. + Kết cấu chặt lμ kết cấu mμ các hạt đ−ợc sắp xếp liền khít, chèn chặt với nhau. Chúng có độ rỗng nhỏ, c−ờng độ chịu tải cao, độ lún nhỏ thích hợp để đặt nền móng tại các lớp nμy. + Ng−ợc lại trong kết cấu xốp các hạt đ−ợc sắp xếp với nhau một cách rời rạc, nhiều lỗ rỗng lớn, sức chịu lực kém không tốt trong xây dựng. Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 9
10. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất b) Kết cấu tổ ong c) Kết cấu bông a) Kết cấu hạt Hình 1.2-3: Các loại kết cấu đất */ Kết cấu tổ ong: - Kết cấu nμy do sự lắng đọng của các hạt t−ơng đối nhỏ (hạt bụi, hạt sét) trong quá trình trầm tích. Trong quá trình lắng đọng trọng l−ợng các hạt nμy không thắng đ−ợc lực liên kết giữa các hạt với nhau để tiếp tục lắng xuống mμ dừng lại ngay tại chỗ tiếp xúc. Các hạt tiếp theo cứ chìm lắng theo quy luật đó tạo ra một loại kết cấu nhiều lỗ hổng nh− tổ ong. - Do đặc thù của loại kết cấu nμy rất rỗng nên tạo ra loại đất có c−ờng độ kém, độ lún cao. */ Kết cấu bông: - Các hạt có kích th−ớc rất nhỏ nh− các hạt keo trở xuống có trọng l−ợng bản thân rất nhỏ, chúng lơ lửng trong môi tr−ờng n−ớc trong một thời gian nhất định sau đó kết hợp với nhau thμnh từng đám rồi lắng xuống, các đám lắng xuống liên kết với nhau tạo thμnh kết cấu bông rất xốp kém ổn định. - Trong thực tế đất đ−ợc tạo thμnh do các hạt lớn nhỏ khác nhau cho nên kết cấu của đất có sự kết hợp của 3 loại kết cấu cơ bản trên. b. Liên kết kết cấu của đất - Trong quá trình hình thμnh vμ tồn tại lâu dμi các kết cấu trong đất có sự hình thμnh các liên kết nội tại gắn chặt các hạt hoặc đám hạt với nhau gọi lμ liên kết kết cấu. - Theo thời gian hình thμnh ta chia ra lμm 2 loại liên kết kết cấu lμ liên kết nguyên sinh vμ liên kết thứ sinh. + Liên kết nguyên sinh: lμ liên kết đ−ợc tạo nên bởi các lực điện phân tử tác dụng giữa các hạt khoáng vật với nhau hoặc giữa các hạt khoáng vật với n−ớc. Đặc điểm: Loại liên kết nμy có tính đμn hồi vμ tính nhớt cao. + Liên kết thứ sinh: Lμ sự liên kết cứng giữa các hạt đất do sự hoá giμ của các chất keo vμ sự kết tinh của các muối trong đất. Đặc điểm: Loại liên kết nμy có tính cứng lμm cho nó chịu đ−ợc những tải trọng lớn. Liên kết nμy bị phá hoại theo dạng gãy giòn, đột biến không hồi phục ngay đ−ợc. Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 10
11. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất Các liên kết kết cấu của đất có c−ờng độ nhỏ hơn rất nhiều so với c−ờng độ hạt đất vì vậy khi đất d−ới tác dụng của ngọai lực đến mức nμo đó mẫu đất bị phá hoại lμm cho các hạt tr−ợt lên nhau. Tức lμ sự phá hoại của đất chính lμ sự phá hoại kết cấu đất chứ không phải sự phá hoại các hạt đất. Bμi 3: Các chỉ tiêu tính chất của đất Trong xây dựng để đánh giá định l−ợng đ−ợc các tính chất của đất chúng ta phải dựa vμo các chỉ tiêu vật lý, các chỉ tiêu nμy sẽ phản nh đ−ợc tính chất vật lý của đất, từ đó ta có cơ sở để đánh giá, phân loại vμ lựa chọn đất sao cho phù hợp. Ta sẽ lần l−ợt đi xác định từng chỉ tiêu vật lý của đất. Nh− các bμi tr−ớc chúng ta biết rằng đất gồm 3 pha cứng, lỏng vμ khí. Tỷ lệ của 3 pha nμy trong đất sẽ chỉ cho ta biết đất rỗng hay chặt, nặng hay nhẹ, −ớt hay khô. Để biểu thị định l−ợng tỷ phần 3 pha nμy chúng ta th−ờng sử dụng sơ đồ 3 pha nh− hình 1.3-1. Qk Khí Vk Vr Qn N−ớc Vn Q V Qh Hạt đất Vh Hình 1.3-1: Sơ đồ 3 pha của đất Trong sơ đồ trên V, Q lần l−ợt biểu thị thể tích, trọng l−ợng. Các chỉ số h, n, k lần l−ợt biểu thị hạt đất, n−ớc vμ khí. I. Các chỉ tiêu tính chất vật lý trực tiếp của đất. Chỉ tiêu vật lý trực tiếp của đất lμ những chỉ tiêu đ−ợc xác định trực tiếp bằng các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. 1. Trọng l−ợng thể tích của đất. Trọng l−ơng thể tích của đất lμ trọng l−ợng của một đơn vị thể tích đất. Nó đ−ợc xác định theo công thức sau: Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 11
12. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất Q γ = (kN/m 3 ) (1.3-1) V Các thí nghiệm trong phòng xác định khối l−ợng thể tích của đất: (1) Ph−ơng pháp dao vòng: - Phạm vi áp dụng: Th−ờng dùng với đất dính nh− cát pha, sét pha không chứa các hạt dăm sạn lớn. Mẫu đất phải nguyên dạng. - Dụng cụ: + Dao vòng có kích th−ớc H, D(D=64cm, D=80cm), dμy từ 0,04mm - 2mm tuỳ thuộc vμo loại đất thí nghiệm. Cấu tạo nh− hình vẽ. + Th−ớc cặp. + Cân kỹ thuật có độ chính xác 0,01g. + Các tấm kính hoặc tấm kim loại nhẵn, phẳng có kích th−ớc lớn hơn đ−ờng kính dao vòng. - Trình tự thí nghiệm: + Dùng th−ớc kẹp đo các kích th−ớc đ−ờng kính trong (D) vμ chiều cao (H) của dao vòng để xác định thể tích đất V chứa trong dao vòng. + Cân dao vòng để xác định khối l−ợng dao vòng m1 + ấn dao vòng vμo mẫu đất nguyên dạng có kích th−ớc lớn hơn kích th−ớc dao vòng đến khi dao vòng hoμn toμn đầy đất. + Dùng dao thẳng cắt gọt phần đất thừa nhô ra khỏi dao vòng vμ đặt lên tấm kính hay tấm kim loại đã xác định khối l−ợng (m2). + Đem cân dao vòng có đất vμ các tấm kính (tấm kim loại) đậy 2 mặt với độ chính xác 0,1% khối l−ợng ta đ−ợc khối l−ợng m. - Xử lý kết quả: + Khối l−ợng thể tích của đất đ−ợc xác định theo công thức sau: m − m − m ρ = 1 2 (g/cm3 ) (1.3-2) V Trong đó: m, m1, m2 : khối l−ợng (g) đ−ợc xác định nh− trên. V : Thể tích mẫu đất (cm3) Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 12
13. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất H D Hình 1.3-2: Cấu tạo vμ kích th−ớc dao vòng (2) Ph−ơng pháp bọc sáp: - Phạm vi áp dụng: Th−ờng dùng với đất dính nh− cát pha, sét pha không chứa các hạt dăm sạn lớn. Mẫu đất phải nguyên dạng. - Dụng cụ: + Cân thuỷ tĩnh hoặc cân kỹ thuật có giá đỡ, độ chính xác 0,01g. + Cốc thuỷ tinh đựng n−ớc, dung tích 500cm3. + Sáp trắng nguyên chất vμ dụng cụ nấu sáp. + Kim, chỉ, giấy thấm, dao cắt gọt đất. - Trình tự thí nghiệm: + Dùng dao cắt lấy mẫu đất thí nghiệm có tính chất điển hình cho toμn khối đất. Cắt gọt mẫu đất sao cho nó có dạng hình bầu dục, mẫu đất có thể tích >30cm3. + Cân mẫu đất bằng cân kỹ thuật ta xác định đ−ợc khối l−ợng mẫu đất m (g). + Nấu sáp nóng chảy ở nhiệt độ 57-600C. Nhúng mẫu đất vμo trong sáp sao cho đất đ−ợc bọc kín một vỏ sáp dμy 0,5-1mm. + Cân mẫu đất đã đ−ợc bọc sáp (cân trong không khí) trên cân kỹ thuật ta đ−ợc khối l−ợng m1 (g). + Cân mẫu đất bọc sáp trong n−ớc bằng cân kỹ thuật ta đ−ợc khối l−ợng m2(g) - Xử lý kết quả: + Ta có thể tích của đất đ−ợc tính nh− sau: m1 − m 2 m1 − m Vd =Vd + p −V p = − (1.3-3) ρ n ρ p + Khối l−ợng thể tích của đất đ−ợc xác định theo công thức sau: m 3 ρ = (g/cm ) (1.3-4) Vd Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 13
14. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất Trong đó: m : khối l−ợng mẫu đất tr−ớc khi bọc sáp (g). m1 : khối l−ợng mẫu đất bọc sáp (g). m2 : khối l−ợng mẫu đất bọc sáp cân trong n−ớc (g). 3 ρn : khối l−ợng riêng của n−ớc, lấy bằng 1,0g/cm . 3 ρp : khối l−ợng riêng của sáp, lấy bằng 0,9g/cm (hoặc xác định tr−ớc) 3 Vd : Thể tích mẫu đất (cm ) 3 Vp : Thể tích sáp (cm ) 3 Vd+p : Thể tích mẫu đất vμ sáp (cm ) g : Gia tốc trọng tr−ờng (m/s2). Th−ờng lấy g=9,81 m/s2. Sau khi tính đ−ợc khối l−ợng thể tích của đất, biết gia tốc trọng tr−ờng ta có thể xác định đ−ợc trọng l−ợng thể tích của đất. Ngoμi các thí nghiệm trên ta còn có một số ph−ơng pháp xác định trọng l−ợng thể tích của đất khác nh− ph−ơng pháp rót cát, ph−ong pháp đo thể tích bằng dầu hoả. 2. Trọng l−ợng thể tích vμ tỷ trọng của hạt đất. a/ Trọng l−ợng thể tích hạt ( γh ): Lμ trọng l−ợng của hạt đất trên một đơn vị thể tích hạt đất. Q h 3 γ h = (kN/m ) (1.3-5) Vh b/ Tỷ trọng hạt (Δ ): Trong khi tính toán ng−ời ta còn th−ờng dùng khái niệm tỷ trọng hạt Δ. Tỷ trọng hạt lμ tỷ số trọng l−ợng của đơn vị thể tích hạt so với trọng l−ợng của đơn vị thể tích n−ớc. γ h Q h /V h Q h Δ = = = (1.3-6) γ n γ n γ nV h 3 Trọng đó trọng l−ợng thể tích n−ớc th−ờng lấy bằng γn = 10kN/m => γh =10*Δh Chúng ta tham khảo giá trị trọng l−ợng thể tích hạt của một số loại đất trong bảng 1-3 vμ trọng l−ợng thể tích của một số loại đất trong bảng 1-4 SGK. Thí nghiệm trong phòng xác định tỷ trọng của đất: Ph−ơng pháp bình tỷ trọng: - Dụng cụ: + Cân kỹ thuật có độ chính xác 0,01g. + Bình tỷ trọng có dung tích 100cm3. Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 14
15. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất + Cối sứ vμ chμy + Tủ sấy điều chỉnh đ−ợc nhiệt độ. + Rây có mắt l−ới 2mm. - Trình tự thí nghiệm: + Đổ đầy n−ớc vμo bình tỷ trọng đem cân ta đ−ợc khối l−ợng bình +n−ớc lμ m1 (g). + Lấy khoảng 10g mẫu đất đ−ợc sấy khô đến 1050C, giã nhỏ bằng cối sứ vμ cho qua rây 2mm. Đem cân khối l−ợng đất la đ−ợc khối l−ợng hạt m(g). + Cho l−ợng đất nμy vμo bình tỷ trọng chứa 1/2 n−ớc rồi đun sôi để lùa hết khí ra. Đối với đất cát vμ cát pha ta đun sôi 30phút, đối với đất sét vμ sét pha ta đun sôi 1 giờ. + Sau khi để nguội ta đổ đầy bình n−ớc vμ đem cân ta đ−ợc khối l−ợng bình+n−ớc+đất m2 (g). - Xử lý kết quả: Tỷ trọng của hạt đất sẽ đ−ợc tính theo công thức sau: m Δ = (1.3-7) m1 + m − m 2 Trong đó: m : khối l−ợng đất sau khi sấy khô (g). m1 : khối l−ợng bình + n−ớc (g). m2 : khối l−ợng bình + n−ớc + đất (g). 3. Độ ẩm của đất (ω). - Độ ẩm của đất lμ tỷ số giữa trọng l−ợng n−ớc trong mẫu đất vμ trọng l−ợng hạt của mẫu đất đó vμ th−ờng đ−ợc biểu thị bằng %. Q n ω% = 100% (1.3-8) Q h Thí nghiệm trong phòng xác định độ ẩm của đất: Ph−ơng pháp tủ sấy: - Dụng cụ: + Tủ sấy có thể điều chỉnh đến nhiệt độ 3000C. + Cân kỹ thuật có độ chính xác đến 0,01g. + Bình hút ẩm có clorua calci. + Hộp nhôm có nắp, thể tích lớn hơn 30cm3. + Khay men để phơi đất. - Trình tự thí nghiệm: Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 15
16. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất + Cân khoảng 15-20g đất cần xác định độ ẩm cho vμo hộp nhôm đã biết trọng l−ợng lμ m (g). + Sau đó đóng nắp hộp đem cân đ−ợc khối l−ợng m1 (g) bao gồm khối l−ợng hộp + khối l−ợng n−ớc + khối l−ợng hạt. + Mở nắp hộp đem sấy trong tủ ở nhiệt độ 105±20C đối với đất có chứa l−ợng hữu cơ nhỏ hơn 5%, 80±20C đối với loại đất có chứa l−ợng hữu cơ lớn hơn 5%. Mỗi hộp đất phải sấy ít nhất 2 lần với thời gian qui định nh− sau: • Đối với lần sấy khô đầu tiên: 5 giờ - đối với đất sét vμ sét pha. 3 giờ - đối với đất cát vμ cát pha. 8 giờ - đối với đất chứa thạch cao vμ đất chứa hμm l−ợng hữu cơ lớn hơn 5% • Đối với lần sấy khô thứ 2: 2 giờ - đối với đất sét, sét pha vμ đất chứa thạch cao hoặc tạp chất hữu cơ. 1 giờ - đối với đất cát vμ cát pha. + Sau khi sấy đủ thời gian, lấy hộp ra khỏi tủ sấy đậy nắp lại vμ đặt vμo bình hút ẩm có chữa clorua calci khoảng 45 phút đến 1 giờ để lμm nguội mẫu. + Sau khi mẫu nguội đem cân ta đ−ợc khối l−ợng m0 (g) gồm khối l−ợng của hộp + khối l−ợng đất khô. - Xử lý kết quả: Độ ẩm của đất (w) đ−ợc tính bằng % theo công thức sau: m1 − m0 w = * 100% (1.3-9) m 0 − m Trong đó: m : Khối l−ợng hộp sấy có nắp (g). m0 : Khối l−ợng đất đã đ−ợc sấy khô + khối l−ợng hộp sấy có nắp (g). m1 : Khối l−ợng của đất vμ hộp sấy có nắp (g). Thí nghiệm nμy phải lμm với 3 mẫu sau đó lấy giá trị trung bình. II. Các chỉ tiêu vật lý gián tiếp của đất. Các chỉ tiêu vật lý gián tiếp của đất lμ những chỉ tiêu không đ−ợc xác định trực tiếp bằng các thí nghiệm mμ chúng đ−ợc xác định từ các chỉ tiêu vật lý trực tiếp thông qua các công thức liên hệ. 1. Nhóm các chỉ tiêu về trọng l−ợng a/ Trọng l−ợng thể tích bão hoμ (no n−ớc) γbh: Lμ trọng l−ợng một đơn vị thể tích ở trạng thái bão hoμ. Khi đó đất chỉ gồm 2 pha lμ pha cứng vμ pha lỏng. Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 16
17. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất ' Q Q + Q n γ = bh = h (kN/m3 ) (1.3-10) bh V V , Trong đó: Q n lμ trọng l−ợng n−ớc lấp đầy lỗ rỗng. b/ Trọng l−ợng thể tích khô ( γk ): Lμ trọng l−ợng của hạt đất trên một đơn vị thể tích đất. Đây lμ chỉ tiêu đánh giá độ chặt của đất: Q γ = h (kN/m3 ) (1.3-11) k V b/ Trọng l−ợng thể tích đẩy nổi ( γđn ): Lμ trọng l−ợng một đơn vị thể tích đất nằm d−ới n−ớc. Trong tr−ờng hợp nμy sau khi đất no n−ớc còn chịu lực đẩy nổi Archimède: Q Q −γ V γ = dn = h n h (kN/m3 ) (1.3-12) dn V V Ta có thể thấy ngay rằng với cùng một loại đất thì: γbh> γ > γk > γđn 2. Nhóm chỉ tiêu về thể tích a/ Độ rỗng của đất (n): Để biết đ−ợc đất có nhiều hay ít lỗ rỗng ta dùng hai chỉ tiêu: độ rỗng vμ hệ số rỗng. Độ rỗng n lμ tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng so với thể tích của cả mẫu đất đó. Độ rỗng th−ờng biểu thị bằng tỉ lệ %. V n = r 100% (1.3-13) V b/ Hệ số rỗng của đất (e): Để xác định độ rỗng của đất ngoμi chỉ số độ rỗng ta còn sử dụng hệ số rỗng e. Hệ số rỗng e lμ tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng so với thể tích hạt của mẫu đất đó. Hệ số rỗng th−ờng biểu thị bằng số thập phân. Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 17
18. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất Vr e = (1.3-14) Vh Đất có độ rỗng cμng lớn thì c−ờng độ chịu lực cμng nhỏ vμ biến dạng cμng lớn. Theo kinh nghiệm từ hệ số rỗng ta có thể biết đ−ợc sơ bộ tính chất của đất nh− sau: e 0,7 - Đất có độ rỗng lớn - đất yếu, đất có c−ờng độ thấp. Giữa độ rỗng vμ hệ số rỗng có liên hệ nh− sau: V r V V e n = r = h = (1.3-15) V V r +V h e + 1 V h V r V n e = r = V = − (1.3-16) Vh V V r 1 − n V c/ Độ bão hoμ của đất (Sr): - Chỉ với khái niệm độ ẩm ta ch−a xác định đ−ợc đất đang xét có mức độ khô hay ẩm vì nó còn phụ thuộc vμo độ rỗng của đất. Muốn biết đất khô hay −ớt ta cần phải biết n−ớc lấp đ−ợc bao nhiêu phần lỗ rỗng vì vậy mμ ngoμi chỉ tiêu về độ ẩm ω ta còn sử dụng thêm chỉ tiêu độ bão hoμ của đất Sr. - Độ bão hoμ của đất lμ tỷ số giữa thể tích n−ớc trong đất vμ thể tích lỗ rỗng có trong mẫu đất đó. Chỉ số nμy th−ờng biểu thị bằng số thập phân. Vn S r = (1.3-17) Vr Đối với đất cát mức độ bão hoμ đ−ợc phân ra nh− sau: Sr = 0,8 - Đất bão hoμ Các công thức liên hệ th−ờng dùng đ−ợc cho trong bảng 1-5 SGK. Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 18
19. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất Bμi 4: Các chỉ tiêu trạng thái của đất Để đánh giá đầy đủ đ−ợc một loại đất về cả độ ẩm, độ bão hoμ, độ rỗng, độ chặt, độ cứng thì ngoμi việc xác định đ−ợc số l−ợng các thμnh phần của đất ta còn phải xác định sự tác dụng lẫn nhau giữa chúng nhất lμ với đất dính. Các chỉ tiêu tính chất vật lý ta đã tính toán ở trên chỉ có thể cho ta biết đ−ợc mối quan hệ giữa 3 pha cấu tạo nên đất, muốn biết đ−ợc trạng thái của đất cứng hay mềm, chặt hay xốp ta phải dựa vμo các chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất đ−ợc nghiên cứu sau đây: I. Trạng thái vμ chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất rời. Để đánh giá trạng thái vật lý của đất rời ta th−ờng dùng khái niệm về chỉ tiêu độ chặt. Đất rời cμng chặt thì khả năng chịu lực cμng lớn, tính lún vμ tính thấm cμng nhỏ vμ ng−ợc lại. Chính vì vậy mμ độ chặt lμ một chỉ tiêu thể hiện tính chịu lực của đất. 1. Dùng chỉ tiêu độ chặt Id để đánh giá độ chặt của đất. Chỉ tiêu độ chặt Id đ−ợc xác định nh− sau: e max −e I d = (1.4-1) e max −e min Trong đó: emax - Hệ số rỗng của đất ở trạng thái xốp nhất. emin - Hệ số rỗng của đất ở trạng thái chặt nhất. e - Hệ số rỗng của đất ở trạng thái tự nhiên. Theo QT 79 để tiện cho việc đánh giá độ chặt của đất rời ta chia độ chặt Id thμnh các mức khác nhau nh− bảng d−ới đây: Bảng 1.4-2: Đánh giá độ chặt của đất theo chỉ tiêu độ chặt Id Loại đất Độ chặt Đất cát chặt 0,67 < I d ≤ 1 Đất cát chặt vừa 0,33 < I d ≤ 0,67 Đất cát rời rạc 0,00 ≤ I d ≤ 0,33 Thí nghiệm xác định độ chặt của đất rời: Ph−ơng pháp rót cát: - Dụng cụ: Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 19
20. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất + Phễu đổ cát (1). + ống bằng kim loại có vạch chia, đ−ờng kính trong D=76mm, cao H=125mm (2). + Quả cân bằng gang có đ−ờng kính D=71mm, cao h=15mm (3). + Dụng cụ đập thμnh ống (4). + Tủ sấy, dao gạt. D=76 D=71 3 15 3 Đất rời 4 125 2 1 Hình 1.4-1: Các dụng cụ trong thí nghiệm rót cát - Trình tự thí nghiệm: + Cân ống kim loại ta đ−ợc khối l−ợng m1 (g). + Lấy khoảng 1000-1200g đất cát đem sấy khô sau đó đổ qua phễu vμo ống. + Dùng dao gạt đất cho bằng miệng ống sau đó đem cân ta đ−ợc khối l−ợng m2 (g) gồm khối l−ợng ống vμ khối l−ợng đất ở trạng thái xốp nhất. + Đặt quả cân lên miệng ống sau đó dùng dụng cụ đập thμnh ống đập xung quanh thμnh ống từ trên xuống d−ới, từ d−ới lên trên đến khi độ lún của quả cân không đổi. + Dựa vμo các vạch chia trên ống ta xác định đ−ợc thể tích lún ΔV. Khi đó đất ở trạng thái chặt nhất. - Xử lý kết quả: + ứng với trạng thái xốp nhất ta có thể xác định đ−ợc hệ số rỗng lớn nhất theo công thức sau: Q 2min − Q1 γ k min = V1 Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 20
21. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất γ h e max = − 1 (1.4-2) γ kmin + ứng với trạng thái chặt nhất ta có thể xác định đ−ợc hệ số rỗng nhỏ nhất theo công thức sau: Q 2max − Q1 γ k max = V1 γ h e min = −1 (1.4-3) γ kmax - Hệ số rỗng tự nhiên (e), trọng l−ợng thể tích khô (γk) sẽ đ−ợc tính từ các chỉ tiêu vật lý trực tiếp. - Cuối cùng ta dựa vμo công thức 1.4-1 để tính ra độ chặt của đất Id. 2. Đánh giá độ chặt của đất bằng ph−ơng pháp kinh nghiệm. Hiện nay chúng ta th−ờng dựa vμo kết quả của một số ph−ơng pháp thí nghiệm hiện tr−ờng nh− các ph−ơng pháp xuyên để đánh giá độ chặt của đất cát. Ph−ơng pháp xuyên nμy dựa trên sự đo sức kháng của đất tới sự xuyên của một dụng cụ gọi lμ máy xuyên. Nếu máy xuyên đ−ợc ấn từ từ vμo đất thì đ−ợc gọi lμ ph−ơng pháp xuyên tĩnh, còn nếu máy xuyên đ−ợc đóng vμo trong đất thì gọi lμ ph−ơng pháp xuyên động. a/ Ph−ơng pháp xuyên tĩnh(CPT): - Xuyên tĩnh lμ dùng lực tĩnh để ấn một mũi xuyên hình côn có kích th−ớc nhất định vμo trong đất với tốc độ không đổi. - Theo tiêu chuẩn ngμnh 20TCN-174-89 về ph−ơng pháp thí nghiệm xuyên tĩnh thì ta có xác định đ−ợc độ chặt của đất cát dựa theo sức kháng ở mũi xuyên qc theo bảng 1.4-3 sau: Bảng 1.4-3: Mối quan hệ giữa sức kháng qc vμ độ chặt của đất rời 2 2 Loại cát Sức kháng qc (10 kN/m ) Độ chặt > 150 Chặt Cát hạt thô vμ cát hạt vừa = 50 - 150 Chặt vừa 120 Chặt Cát hạt mịn = 40 - 120 Chặt vừa 100 Chặt Cát hạt bụi = 30 - 100 Chặt vừa Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 21
22. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất 70 Chặt Cát bụi bão hoμ = 20 - 70 Chặt vừa 50 > 0,85 Rất chặt II. Trạng thái vμ chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất dính. - Khác với đất rời (chủ yếu lμ đất cát) đất dính đ−ợc cấu tạo bởi phần lớn các hạt có kích th−ớc nhỏ từ hạt sét trở xuống (th−ờng gọi lμ đất sét). Chính vì vậy mμ trạng thái vật lý của đất dính không chỉ phụ thuộc vμo l−ợng chứa t−ơng đối của các pha trong đất mμ nó còn phụ thuộc rất nhiều vμo tác dụng giữa các hạt với nhau vμ giữa các hạt với n−ớc. - Qua thí nghiệm vμ quan sát ta thấy trạng thái của đất dính gắn liền với độ ẩm của đất. Khi độ ẩm tăng lên thì đất dính chuyển qua các trạng thái khác nhau từ cứng đến chảy đồng thời thể tích tăng lên vμ ng−ợc lại. Trạng thái của đất nh− cứng, mềm, dẻo, nhão đ−ợc gọi chung lμ trạng thái sệt của đất dính. Để dặc tr−ng cho các trạng thái khác nhau của đất ta dùng các độ ẩm giới hạn hay gọi lμ giới hạn Atterberg. 1. Các giới hạn Atterberg (TCVN 4197-86). Giới hạn Atterberg lμ những độ ẩm mμ ở đó đất loại sét chuyển từ trạng thái nμy sang trạng thái khác. Atterberg phân ra lμm 3 độ ẩm t−ơng ứng lμ 3 trạng thái chảy, dẻo vμ co. Theo TCVN 4197-86 ta có thể định nghĩa các trạng thái giới hạn nh− sau: - Giới hạn chảy (wL): Lμ độ ẩm mμ khi lớn hơn nó đất loại sét có kết cấu bị phá hoại chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái chảy. ( Lúc nμy trong đất có xuất hiện n−ớc tự do lμm cho các hạt dễ dịch chuyển với nhau). Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 22
23. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất - Giới hạn dẻo (wP): Lμ độ ẩm mμ khi lớn hơn nó đất loại sét có kết cấu bị phá hoại chuyển từ trạng thái cứng sang trạng thái dẻo. (Lúc nμy trong đất chủ yếu chỉ có n−ớc kết hợp mạnh). - Giới hạn co (wC): Lμ độ ẩm mμ ở đó đất loại sét có sự nở co về thể tích. Khi độ ẩm trong đất lớn hơn giới hạn co thì cùng với sự tăng của độ ẩm thể tích của đất cũng tăng theo vμ ng−ợc lại hay nói cách khác đất bắt đầu nở, co về thể tích. Trạng thái cứng Trạng thái dẻo Trạng thái chảy co vμ nở 1/2 cứng dẻo cứng dẻo mềm dẻo chảy w% w=0 wc wp wL Hình 1.4-2: Sơ đồ các trạng thái của đất dính Trong 3 loại giới hạn trên thì giới hạn chảy vμ giới hạn dẻo đ−ợc dùng phổ biến để xác định tính chịu lực của đất dính. Chúng đ−ợc xác định bằng các thí nghiệm nh− sau: a/ Thí nghiệm xác định giới hạn chảy (wL): (1) Dùng qủa dọi Vasiliev: a=30° 25 mm 25 10 mm Hình 1.4-3: Thí nghiệm quả dọi Vasiliev - Dụng cụ: + Dùng quả dọi nặng 76±2g có đầu hình nón mũi nhọn 300, cao h=25mm (Hình 1.4-3). Bộ phận thăng bằng gồm 2 quả cầu bằng kim loại gắn vμo 2 đầu thanh thép đ−ợc uốn tròn đ−ờng kính 85cm. ở đáy quả dọi có một núm tay cầm. + Khuôn hình trụ bằng kim loại không rỉ có đ−ờng kính lớn hơn 40mm vμ chiều cao lớn hơn 20mm. + Rây có kích th−ớc lỗ rây 1mm. + Cối sứ vμ chầy có đầu bọc cao su. + Bát tráng men hoặc sứ. + Bình thuỷ tinh có nắp. + Hộp nhôm, tủ sấy để xác định độ ẩm. + Cân kỹ thuật. Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 23
24. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất + Tấm kính nhám hoặc vật để hút n−ớc. + Dao để nhμo trộn đất. - Trình tự thí nghiệm: + Lấy khoảng 300g đất đã đ−ợc hong khô trong điều kiện tự nhiên rồi cho vμo cối sứ để nghiền nhỏ. + Cho đất đã nghiền qua rây 1mm vμ loại bỏ phần hạt trên rây. + Cho đất vμo bát, đổ từ từ n−ớc cất hoặc n−ớc ngầm ở nơi lấy mẫu vμo bát rồi dùng dao trộn đều đến trạng thái nh− hồ đặc. + Cho mẫu vμo bình thuỷ tinh đậy kín trong khoảng 2 giờ tr−ớc khi thí nghiệm. + Đặt mũi quả dọi sát mặt đất, thả tay cho lún tự do vμo đất. - Kết quả thí nghiệm: + Nếu sau 10 giây quả dọi lún đ−ợc 10mm vμo trong đất thì khi đó độ ẩm của đất chính lμ giới hạn chảy. Ta lấy đất ở trạng thái đó cho vμo hộp sấy để xác định độ ẩm. + Nếu sau 10 giây quả dọi lún sâu hơn 10mm vμo trong đất thì khi đó độ ẩm lớn hơn giới hạn chảy. Ta dùng dao đảo lên vμ dùng khăn thấm thấm bớt n−ớc rồi tiếp tục thí nghiệm. + Nếu sau 10 giây quả dọi lún ít hơn 10mm vμo trong đất thì khi đó độ ẩm nhỏ hơn giới hạn chảy. Ta thêm n−ớc vμo đất dùng dao đảo đều lên vμ tiếp tục thí nghiệm. + Mỗi mẫu đất phải tiến hμnh tối thiểu hai lần song song để xác định giới hạn chảy. Sai số giữa hai lần xác định không lớn hơn 2%. (2) Ph−ơng pháp Casagrande: - Dụng cụ: + Đĩa cong đựng mẫu, bằng đồng khối l−ợng 200g gắn vμo tay quay trục cam vμ một đế có đệm cao su. Điều chỉnh sao cho độ cao rơi xuống của đĩa cong lμ 10±0,2mm. + Que gạt chuyên môn để tạo rãnh đất có chiều sâu 8mm, d−ới rộng 2mm trên rộng 11mm. + Một số dụng cụ khác để tạo mẫu đất vμ xác định độ ẩm nh− thí nghiệm trên. - Trình tự thí nghiệm: + Tạo mẫu đất nh− thí nghiệm trên sao cho mẫu có độ ẩm lớn, đất ở trạng thái chảy. + Đặt dụng cụ thí nghiệm lên vị trí vững chắc, dùng dao cho từ từ đất đã nhμo trộn vμo đĩa sao cho độ dầy của đất lớn hơn 10mm. + Dùng que gạt để rạch đất trong đĩa thμnh một rãnh dμi 40mm vuông góc với trục quay. Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 24
25. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất + Quay đập với vận tốc 2 vòng/giây vμ đếm số lần đập cần thiết để phần d−ới rãnh khép lại một đoạn 13mm. Lấy khoảng 10g đất ở vùng xung quanh rãnh đã khép kín để xác định độ ẩm. + Lấy đất ra khỏi đĩa cho thêm n−ớc vμ nhμo trộn lại, tiếp tục thí nghiệm vμ xác định số lần đập nh− b−ớc trên. Cứ tiếp tục thí nghiệm nh− vậy với độ ẩm tăng lên. Xác định ít nhất 4 giá trị của độ ẩm ứng với số lần đập thay đổi từ 12 đến 35 để rãnh khép lại. - Xử lý kết quả: + Dựa vμo các số liệu thu đ−ợc ta vẽ đồ thị quan hệ giữa độ ẩm vμ số lần đập. Từ đồ thị nμy ta xác định độ ẩm t−ơng ứng với 25 lần đập. Đó chính lμ giới hạn chảy xác định theo ph−ơng pháp Casagrande. + Giới hạn chảy của đất xác định theo ph−ơng pháp Casagrande lớn hơn giới hạn chảy xác định theo ph−ơng pháp quả dọi Vasiliev. Theo công thức của G.Stephanov thì mối quan hệ của hai giá trị nμy nh− sau: Va Ca w L = 0,69w L + 5,1% (1.4-3) Trong đó: Va wL : Giới hạn chảy xác định theo ph−ơng pháp quả dọi Valisiev. Ca wL : Giới hạn chảy xác định theo ph−ơng pháp Casagrande. Theo TCVN 5747-1993 thì mối quan hệ của hai giá trị nμy nh− sau: Va Ca w L = 0,73w L + 6,47% (1.4-4) b/ Thí nghiệm xác định giới hạn dẻo (wL): - Dụng cụ: + Dụng cụ thí nghiệm xác định giới hạn dẻo t−ơng tự nh− TN xác định giới hạn chảy. - Trình tự thí nghiệm: + Mẫu đất đ−ợc tạo ra nh− phần thí nghiệm xác định giới hạn chảy. Nếu đất −ớt quá ta có thể dùng vải thấm khô để thấm bớt n−ớc. + Lấy ít đất dùng lòng bμn tay hoặc các ngón tay lăn đều trên kính nhám cho đến khi thμnh que tròn có đ−ờng kính 3mm. - Kết quả thí nghiệm: + Khi giun đất có đ−ờng kính 3mm, không rỗng giữa mμ bắt đầu rạn nứt ngang vμ gẫy thμnh từng đoạn dμi khoảng 3-10mm thì đất ở trạng thái dẻo. Nhặt các que đất vừa đứt gãy cho vμo hộp nhôm để xác định độ ẩm của đất nh− thí nghiệm xác định độ ẩm bằng tủ sấy đã trình bμy ở trên. + Nếu đ−ờng kính giun đất lớn hơn 3mm đã rạn nứt tức lμ độ ẩm của đất thấp hơn giới hạn dẻo, ta cho thêm n−ớc vμo đảo đều vμ tiếp tục lăn. Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 25
26. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất + Nếu đ−ờng kính giun đất đạt 3mm mμ vẫn ch−a xuất hiện vết nứt thì ta vê tròn nó thμnh hòn vμ tiếp tục lăn cho đến khi giun đất đạt 3mm vμ bắt đầu bị rạn nứt vμ gẫy ra. 2. Độ sệt của đất dính. - Chỉ tiêu độ sệt (IL): Trong thực tế ta th−ờng sử dụng chỉ tiêu độ sệt IL để đánh trạng thái đất dính. Công thức xác định chỉ tiêu độ sệt: W −W P W −W P I L = = (1.4-5) WL −W P I P Đối với đất sét, sét pha thì phạm vi biến đổi từ giới hạn chảy sang giới hạn dẻo t−ơng đối lớn vì vậy mμ ta th−ờng phân chia trạng thái đất chi tiết hơn nhằm đánh giá chính xác hơn trạng thái của đất. Dựa vμo chỉ tiêu độ sệt ta có bảng đánh giá trạng thái đất nh− sau: Bảng 1.4-5: Tiêu chuẩn đánh giá trạng thái đất dính Loại đất Trạng thái Độ sệt Cứng IL 1 Cứng IL 1 Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 26
27. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất Bμi 5: Đ−ờng cong cấp phối của đất Chúng ta đã biết rằng hạt đất lμ thμnh phần chủ yếu cấu tạo nên đất. Chúng có hình dạng, kích th−ớc, thμnh phần khoáng vật rất khác nhau do quá trình phong hoá vμ trầm tích khác nhau. Trong thiên nhiên đất gồm vô số các hạt đất tạo thμnh, sự pha trộn nhiều loại thμnh phần hạt trong một mẫu đất tạo lên cấp phối hạt của đất. Tính chất của mỗi loại đất phụ thuộc vμo hμm l−ợng hạt chiếm đa số trong đất đó quyết định. Vậy muốn phân loại đ−ợc đất ta phải đi xác định kích th−ớc từng loại hạt có trong đất vμ hμm l−ợng của chúng (tỷ lệ phần trăm) bằng các thí nghiệm phân tích hạt. 1. Thí nghiệm phân tích hạt. a/ Phân tích thμnh phần hạt của đất bằng ph−ơng pháp rây (Theo TCVN 4198-86). Nh− các bμi trên chúng ta đã biết đất rời gồm chủ yếu các hạt có kích th−ớc lớn d>0,002mm. Để phân tích thμnh phần hạt của đất rời hiện nay ta th−ờng dùng ph−ơng pháp rây. Hình 1.5-1: Dụng cụ thí nghiệm phân tích hạt a) Rây dùng để phân tích hạt lớn b) Bình tỷ trọng dùng để phân tích hạt nhỏ - Dụng cụ: + Cân kỹ thuật có độ chính xác đến 0,01g. + Bộ rây có kích th−ớc lỗ sμng 10; 5; 2;1; 0,5; 0,25 vμ 0,1mm. + Cối sứ vμ chμy bọc cao su. + Tủ sấy điều chỉnh nhiệt độ. Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 27
28. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất + Bình hút ẩm có Clorua calci. + Bát đựng đất. + Quả lê bằng cao su để rửa hạt, hút n−ớc. + Dao con. + Máy sμng lắc. - Trình tự thí nghiệm: + Lấy một mẫu đất trung bình vμ cân khối l−ợng của nó. + Đổ mẫu đất lên rây trên cùng vμ sμng nó bằng tay hoặc bằng máy (Nếu mẫu đất có khối l−ợng lớn hơn 1000g thì ta phải đổ đất vμo sμng thμnh 2 đợt). + Lần l−ợt từ sμng trên cùng những nhóm hạt còn lại trên sμng đ−ợc đổ vμo cối sứ để nghiền lại sau đó lại sμng qua chính sμng đó cho đến khi đạt yêu cầu. + Cân riêng từng nhóm hạt bị giữ lại trên các sμng vμ lọt xuống ngăn đáy. Lấy tổng khối l−ợng của tất cả các sμng đem so sánh với khối l−ợng mẫu đất trung bình nếu sai lệch khối l−ợng quá 1% thì phải phân tích lại. - Kết quả thí nghiệm: + Hμm l−ợng của mỗi nhóm hạt đ−ợc biểu diễn bằng phần trăm đ−ợc tính theo công thức: m P = h * 100% (1.5-1) m Trong đó: mh : Khối l−ợng nhóm hạt tính bằng (g). m : Khối l−ợng mẫu đem phân tích (g). b. Phân tích thμnh phần hạt bằng ph−ơng pháp tỷ trọng kế. Đối với các hạt có kích th−ớc d<0,1mm ta không thể dùng rây để phân tích thμnh phần hạt đ−ợc khi đó ta sử dụng ph−ơng pháp tỷ trọng kế. - Dụng cụ: Ngoμi các dụng cụ nh− trong ph−ơng pháp rây ta còn cần thêm 1 số dụng cụ sau: + Tỷ trọng kế có vạch chia (Loại A có thang chia 0-60; Loại B có thang chia 0,995-1,030). + Bộ phận đun vμ lμm lạnh bằng n−ớc (Hệ thống ruột gμ). + Các phễu có đ−ờng kính 2-3cm vμ 14cm. + ống đo bằng thuỷ tinh có dung tích 1000cm3 + Nhiệt kế có độ chính xác 0,50C. + Que khuâý. - Trình tự thí nghiệm: Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 28
29. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất + Mẫu đất sau khi lọt qua rây 0,1mm đ−ợc cho vμo ống đo. + Dùng que khuâý để khuấy huyền phù trong thời gian 1 phút. Sau khi khuấy xong 20 phút thận trọng thả tỷ trọng kế vμo trong huyền phù. + Đọc số đo trên tỷ trọng kế tại các thời điểm 30 giây, 1 phút, 2 phút vμ 5 phút. + Lấy tỷ trọng kế ra khỏi ống đo vμ cho nó vμo ống đựng n−ớc cất. + Khuấy lại huyền phù lần 2. Cho tỷ trọng kế vμo vμ đọc số đo tại các thời điểm 15 phút, 30 phút, 1,5; 2; 3; 4 giờ. - Xử lý kết quả: Từ chỉ số R đọc đ−ợc trên tỷ trọng kế ta có thể tìm đ−ợc tỷ trọng của dung dịch theo công thức sau: Rρ h ρ dt = (1.5-4) (ρ h − ρ n ).100 Trong đó: ρdt – Khối l−ợng thể tích dung dịch ở thời điểm t R – Chỉ số của tỷ trọng kế ρh – Khối l−ợng thể tích hạt ρn – Khối l−−ọgn thể tích n−ớc Ph−ơng pháp nμy dựa trên nguyên tắc lμ các hạt có kích th−ớc to nhỏ khác nhau sẽ chìm lắng trong n−ớc với tốc độ khác nhau. Dựa vμo tốc độ chìm lắng để phân chia cỡ hạt. Theo định luật Stokes thì tốc độ chìm lắng của một hạt hình cầu đ−ợc tính theo công thức sau: (γ h − γ ) 2 v = n d (1.5-1) 18η Trong đó: v - Tốc độ chìm lắng của hạt 3 γh - Trọng l−ơng riêng của hạt (kN/m ) 3 γn - Trọng l−ơng riêng của n−ớc (9,81kN/m ) η - Độ nhớt của n−ớc (N.s/m2) d - Đ−ờng kính của hạt hình cầu (cm) Theo công thức trên ta thấy nếu đ−ờng kính hạt cμng lớn thì tốc độ lắng cμng lớn vμ ng−ợc lại. Nếu gọi khoảng cách lắng từ trọng tâm của bầu tỷ trọng kế đến mặt n−ớc lμ HR Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 29
30. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất vμ biết đ−ợc thời gian t từ khi bắt đầu ngừng khuâý dung dịch đến lúc đó thì ta có tốc độ lắng đọng trung bình lμ: H v = R (1.5-2) t Từ 2 công thức trên ta có thể tính đ−ợc đ−ờng kính của hạt ứng với khoảng cách chìm lắng HR vμ thời gian chìm lắng t nh− sau: 18ηH R d t = (1.5-3) (γ h − γ n )t Nh− vậy đ−ờng kính tìm đ−ợc theo ph−ơng pháp nμy lμ đ−ờng kính t−ơng đ−ơng theo tốc độ chìm lắng. Dù hạt có kích th−ớc, hình dạng thế nμo nh−ng chỉ cần tốc độ chìm lắng nh− nhau thì có thể gán cho chúng cùng loại đ−ờng kính. Tại thời điểm t những hạt có đ−ờng kính lớn hơn dt đã bị lắng xuống. Từ công thức 1.5- 4 ta tìm đ−ợc tỷ trọng của dung dịch tại thời điểm t. Dựa vμo ρdt ta sẽ tính đ−ợc % các hạt có đ−ờng kính nhỏ hơn dt vμ các hạt có đ−ờng kính lớn hơn dt nh−ng nhỏ hơn 0,06mm theo các công thức sau: ρ V Z%(d ≤ d ) = dt 100 (1.5-5) t m (ρ −ρ )V Z%(d 0,06mm) V - Thể tích dung dịch đo (ml) ρdo – Khối l−ợng thể tích dung dịch ban đầu, đo ngay sau khi khuâý. Vậy từ các chỉ số đo tỷ trọng t−ơng ứng với từng thời gian t chúng ta tính ra chỉ số % của các hạt. Từ công thức 1.5-3 ta tính đ−ợc đ−ờng kính hạt tại thời điểm đó. 2. Đ−ờng cong cấp phối hạt. - Trong thực tế đất có thμnh phần cấp phối, rất phức tạp chúng chứa các hạt từ lớn đến nhỏ do vậy để phân tích một mẫu đất ta phải tiến hμnh kết hợp cả hai ph−ơng pháp thí nghiệm cho đất rời vμ đất dính. Sau khi thí nghiệm xong kết quả sẽ đ−ợc biểu thị bằng đ−ờng cong gọi lμ đ−ờng cong cấp phối hạt - Trên đ−ơng cong cấp phối hạt trục tung biểu thị % các hạt có đ−ờng kính nhỏ hơn vμ bằng đ−ờng kính nμo đó. Đối với loại đất chỉ gồm các hạt có đ−ờng kính lớn thì trục hoμnh biểu thị đ−ờng kính hạt d(mm), đối với loại đất có chứa nhiều thμnh phần hạt từ to đến nhỏ thì trục hoμnh dùng giá trị logarit của các giá trị đ−ờng kính hạt vì đ−ờng kính các hạt có thể gấp nhau hμng trăm lần không thể biểu diễn bằng toạ độ bình th−ờng đ−ợc. Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 30
31. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất lg (cỡ hạt) 100 50 2 0,05 0,005 0,002 100 90 ờng kính o đó (%) 80 − μ 70 60 50 40 ờng kính n ờng kính − Đ−ờng cong cấp phối hạt 30 20 10 ợng chứa các hạt có đ có hạt các chứa ợng − nhỏ hơn đ 0 L Cuội Hạt sỏi Hạt cát Hạt bụi Hạt sét Hạt keo Hình 1.5-2: Đ−ờng cong cấp phối điển hình - Để đánh giá chất l−ợng đất ta dựa vμo các đặc tr−ng thμnh phần hạt sau đây: + Hệ số đồng đều: D 60 C u = (1.5-7) D 10 + Hệ số cấp phối: 2 (D 30 ) C c = (1.5-8) D 60 * D 10 Trong đó: D60 - Đ−ờng kính cỡ hạt mμ trọng l−ợng của tất cả các hạt nhỏ hơn vμ bằng đ−ờng kính đó chiếm 60% trọng l−ợng mẫu khô. D30 - Đ−ờng kính cỡ hạt mμ trọng l−ợng của tất cả các hạt nhỏ hơn vμ bằng đ−ờng kính đó chiếm 30% trọng l−ợng mẫu khô. D10 - Đ−ờng kính cỡ hạt mμ trọng l−ợng của tất cả các hạt nhỏ hơn vμ bằng đ−ờng kính đó chiếm 10% trọng l−ợng mẫu khô. D10 gọi lμ đ−ờng kính hiệu quả, D60 gọi lμ đ−ờng kính chi phối. *) ý nghĩa đ−ờng cong cấp phối. - Lựa chọn vμ phân loại đất: Dựa vμo đ−ờng cong cấp phối ta có thể biết đ−ợc các thμnh phần hạt chứa trong đất từ đó xác định đất thuộc loại nμo vμ đánh giá đ−ợc tính chất của đất. - Xác định hệ số thấm: Theo Hazen hệ số thấm đ−ợc tính gần đúng nh− sau: Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 31
32. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất 2 k = Ck (d10 ) m/s (1.5-9) Với Ck – Hệ số, thay đổi từ 0,01 đến 0,015 - Đánh giá chất l−ợng đất: Từ đ−ờng cong cấp phối ta xác định đ−ợc các đặc tr−ng thμnh phần hạt nh− hệ số đồng đều Cu vμ hệ số cấp phối Cc. Thông qua các hệ số nμy ta có thể đánh giá đ−ợc chất l−ợng đất: Cu cμng lớn đ−ờng cong cấp phối cμng thoải, đ−ờng kính các hạt không đồng đều, chất l−ợng của đất tốt do các hạt nhỏ lấp vμo khe rỗng giữa các hạt lớn lμm giảm lỗ rỗng tăng c−ờng độ đất. Với Cu nhỏ thì ng−ợc lại. Th−ờng với đất cát có Cu>3 đ−ợc coi lμ không đều vμ đ−ợc gọi lμ đất có cấp phối tốt. lg (cỡ hạt) 100 50 2 0,05 0,005 0,002 100 90 ờng kính 80 o đó (%) − μ 70 A 60 50 B 40 ờng kính n C − 30 20 10 ợng chứa các hạt có đ chứa các hạt có ợng 0 − nhỏ hơn đ L Cuội Hạt sỏi Hạt cát Hạt bụi Hạt sét Hạt keo Hình 1.5-3: Các loại đ−ờng cong cấp phối Trong hình 1.5-3 thể hiện 3 loại đ−ờng cong cấp phối A, B, C. Ta sẽ dựa vμo hình dạng từng đ−ờng cong cấp phối để đánh giá chất l−ợng đất: + Đ−ờng cong cấp phối A không liên tục, bị gián đoạn bởi một đ−ờng thẳng nằm ngang chứng tỏ rằng loại đất A đã thiếu một số loại hạt => chất l−ợng đất không tốt. + Đ−ờng cong cấp phối B có độ cong diễn biến liên tục không bị đứt quãng do đó loại đất nμy có cấp phối hạt bình th−ờng. Tuy nhiên đ−ờng cong B có độ dốc lớn chứng tỏ đất B có chứa các hạt mμ kích th−ớc hạt thay đổi trong phạm vi hẹp, các hạt có kích th−ớc đồng đều, đất có chứa nhiều lỗ rỗng => chất l−ợng đất bình th−ờng. + Đ−ờng cong cấp phối C có độ cong đều, liên tục, thoải chứng tỏ loại đất nμy chứa nhiều thμnh phần hạt, kích th−ớc hạt trải dμi trên phạm vi rộng => Chất l−ợng đất tốt. Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 32
33. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất Bμi 6: Phân loại đất 1. Mục đích phân loại đất: Đất đ−ợc hình thμnh trong tự nhiên rất phức tạp vμ đa dạng gồm nhiều loại hạt khác nhau. Để tiện cho công tác xây dựng, nghiên cứu, ứng dụng ta thấy cần thiết phải đặt tên, sắp xếp vμ phân loại đất nhằm mục đích: - Lựa chọn ph−ơng pháp nghiên cứu vμ đánh giá đất phù hợp với thực tế khách quan. Để ứng dụng đúng đắn các loại đất vμo việc xây dựng công trình. - Giúp những ng−ời nghiên cứu đất ở các ngμnh xây dựng khác nhau có những khái niệm, hiểu biết thống nhất để dễ dμng giao l−u trao đổi. 2. Tiêu chuẩn phân loại đất: Qui định tiêu chuẩn để đặt tên đất lμ vấn đề quan trọng nhất trong công tác phân loại đất. Đối với mỗi n−ớc đều có cách đặt tên, phân loại đất khác nhau nh−ng chúng phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Phản ánh đầy đủ, khách quan nhất các đặc điểm, tính chất của đất. - Phù hợp với mục đích sử dụng đất vμo xây dựng công trình. Hiện nay hầu hết các hệ thống phân loại đất đều chia đất lμm 3 nhóm chính: đất rời, đất dính vμ đất hữu cơ. D−ới đây lμ cách phân loại đất theo quy trình tính toán vμ thiết kế cầu cống theo các trạng thái giới hạn 1979 của Bộ GT (quy trình 22-TCN 18-79). a/ Tiêu chuẩn phân loại đất rời: - Đất rời lμ đất chứa chủ yếu các hạt thô lớn hơn hạt bụi (d>0,1mm). Thμnh phần khoáng vật chủ yếu lμ khoáng vật nguyên sinh. - Đối với đất rời thì độ lớn vμ cấp phối hạt có khả năng phản ánh đầy đủ các tính chất cơ học của chúng nh− tính thấm, tính ép co, tính chống tr−ợt Vì vậy mμ dùng cách phân loại đất theo độ lớn vμ thμnh phần cấp phối hạt lμ t−ơng đối thích hợp. Bảng 1.5-1: Tiêu chuẩn phân loại đất rời Loại đất Kích th−ớc hạt (mm) Trọng l−ợng hạt chiếm % Đất hòn to: Đá tảng >200 >50 Đá cuội >10 >50 Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 33
34. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất Đá sỏi >2 >50 Đất cát: Sỏi sạn >2 >25 Cát to >0,50 >50 Cát trung >0,25 >50 Cát nhỏ >0,10 >75 Cát bụi >0,10 17 >30 Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 34
35. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất Khi đất dính có độ ẩm lớn vμ độ rỗng lớn thì nó trở thμnh đất bùn. Đất bùn không có khả năng chịu lực vμ th−ờng chứa nhiều tμn tích hữu cơ. Để phân loại đất bùn ta dựa vμo hệ số lỗ rỗng e. Bảng 1.5-3: Tiêu chuẩn phân loại đất bùn Loại bùn Hệ số rỗng Bùn cát pha e ≥ 0,9 Bùn sét pha e ≥ 1 Bùn sét e ≥ 1,5 Ngoμi tiêu chuẩn phân loại theo các quy trình cũ của Liên xô hay quy trình 22TCN 18-79 hiện nay chúng ta còn dùng phân loại đất theo TCVN 574-1993. Các tiêu chuẩn phân loại nμy chúng ta tham khảo thêm trong SGK vμ một số quy trình khác. i. phân loại vμ mô tả đất đá trong xây dựng 1. Đất xây dựng vμ mục đích phân loại đất Với mục đích xây dựng, đất đ−ợc xem lμ một loại vật liệu đ−ợc thμnh tạo bởi tổ hợp các loại hạt, có nguồn gốc địa chất khác nhau, nh−ng chúng có thể đ−ợc khai đμo thủ công hoặc bằng thiết bị cơ giới nhẹ mμ không cần nổ mìn. Với mục đích sử dụng trên thì có nhiều loại vật liệu đất mμ theo quan niệm địa chất cho lμ đá (ví dụ đá phong đá cấp độ cao). Trong thực tế cũng khó phân biệt, vì đá phong hoá trở thμnh đất vμ đất bị nén chặt hoặc gắn kết thμnh đá, nên giới hạn phân chia chỉ lμ t−ơng đối. Với đất thuần tuý, cần phân biệt hai loại cơ bản: đất trầm tích có vận chuyển vμ đất tμn tích tại chỗ. Mục đích cơ bản của phần lớn các hệ thống phân loại đất lμ có thể định l−ợng t−ơng đối tính chất của từng loại đất phục vụ xây dựng, thông qua ph−ơng pháp khảo sát, mô tả hoặc những thí nghiệm đơn giản. Hệ phân loại th−ờng đ−ợc sử dụng kết hợp cùng ph−ơng pháp thiết kế kinh nghiệm vμ tạo một ph−ơng thức để giúp cho các kỹ s− tiếp nhận đ−ợc những kinh nghiệm thực tiễn đã tích luỹ từ nhiều chuyên gia thông thạo, thay vì những kinh nghiệm mò mẫm của bản thân. Các hệ thống phân loại đất còn giúp các kỹ s− diễn dịch kết quả các loại thí nghiệm về tính bền vμ biến dạng khi phân chia thμnh các loại đất khác nhau phù hợp điều kiện thí nghiệm. Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 35
36. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất Có nhiều hệ thống phân loại đất đ−ợc công bố trong các tiêu chuẩn, quy phạm quốc gia hoặc tμi liệu Địa kỹ thuật. Giới thiệu sau đây lμ các hệ phân loại đất thông dụng vμ đ−ợc áp dụng rộng rãi trên thế giới. 2. Phân loại đất theo nguồn gốc địa chất Theo nguồn gốc địa chất, đất có thể đ−ợc phân loại tổng quát nh− thể hiện trong bảng 1-8. Bảng 1-8 : Phân loại đất theo nguồn gốc địa chất Phân loại Quá trình Bản chất trầm tích hình thμnh Đất trầm tích Phong hoá hoá học của Sản phẩm phong hoá triệt để lμ loại sét, vμ phân loại phụ đá gốc với các phần tử thuộc nhiều vμo quá trình phong hoá. Residual Soil hạt đá không dích Sản phẩm phong hoá từng phần lμ đất chứa nhiều đá phong (Eluvial- elQ) chuyển hoặc dịch hoá với mức độ phụ thuộc đá gốc. Đất rời nμy th−ờng chặt chuyển ít hơn, chứa nhiều đá hơn vμ độ phong hoá kém hơn theo chiều sâu. Trầm tích Vật liệu đ−ợc vận Đất có hạt biến đổi từ hạt mịn nhất lμ sét đến hạt thô nhất Sông - Biển chuyển vμ trầm tích. của cuội sỏi tảng hộc. Đất có đặc điểm nổi bật lμ tính phân Alluvial-Marine Do tác động của n−ớc lớp. Cuội sỏi trầm tích sông th−ờng tròn cạnh. (aQ - mQ) vận chuyển. S−ờn tích Vật liệu đ−ợc vận Bao gồm đá lăn, tảng lăn, đất tr−ợt, tr−ợt s−ờn đồi, đất sập chuyển vμ trầm tích do v.v với thμnh phần hạt từ sét đến tảng. Vật liệu nhìn Colluvial trọng tr−ờng. chung bất động nhất gọi lμ s−ờn tích. (Delluvial-dlQ) Băng tích Vật liệu đ−ợc vận Lμ sản phẩm các loại trầm tích do băng trôi, tuyết lở kéo chuyển vμ trầm tích do theo đất trên mặt. Thμnh phần biến đổi từ hạt sét đến tảng Glacial (glQ) băng tuyết. hòn. Phân bố kích cỡ hạt từ thô đến mịn tuỳ theo khoảng cách từ nguồn. Phân lớp trầm tích nhìn chung không đồng đều. Hạt đặc tr−ng sắc cạnh. Phong tích Vật liệu đ−ợc vận Mức độ đồng nhất của hạt rất cao, không phân lớp hoặc khó chuyển vμ trầm tích do phân biệt. Cỡ hạt đặc tr−ng lμ bụi vμ cát mịn song đôi khi bề (Eolian) (eoQ) gió. mặt phủ lớp sỏi nhỏ. Đất loại loess lμ cấu trúc thứ sinh của các nứt nẻ, khe hổng vμ lỗ rãnh rễ cây. Tích tụ hữu cơ Thμnh tạo tại chỗ của Than bùn lμ sản phẩm th−ờng có mầu tối, cấu trúc sợi hoặc quá trình sinh tr−ởng vô định hình, độ nén lún cao. Hỗn hợp vật liệu nμy với trầm (Organic) vμ phân huỷ của thực tích mịn tạo thμnh sét hữu cơ hoặc bụ sét hữu cơ (bùn). vật. Tích tụ núi lửa Tro bụi núi lửa đ−ợc Thμnh tạo dạng bụi lẫn mảnh đá. Hạt có đặc tr−ng sắc cạnh, trầm tích quanh miệng dạng túi. Phong hoá tạo sản phẩm có độ dẻo dính cao, thỉnh (Volcanic) núi lửa. thoảng thμnh sét tr−ơng nở. Sản phẩm phong hoá rồi bị nén chặt thμnh loại đá xốp nhẹ. Tích tụ do Vật liệu trầm đọng Thμnh tạo nên loại đất gắn kết hoặc đá trầm tích mềm, bao hoặc bay hơi từ dung gồm cả trầm tích can-xi trong n−ớc biển, lắng đọng: Gypse, bay hơi dịch chứa l−ợng muối Anhydrite, đá muối mỏ vμ Potash. Bay hơi còn tạo thμnh lớp (Evaporitic) cao. vỏ trên bề mặt ở khu vực khô cạn. Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 36
37. Bμi giảng cơ học đất ch−ơng I: các tính chất vật lý của đất Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 37