Chương 1 bản chất vật lý của đất

Nếu mô tả một cách đơn giản thì quá trình thành tạo của đất như sau: dưới tác dụng phong hoá phong hóa vật lý, cơ học, hoá học và sinh vật liên tục của môi trường, đá gốc bị nứt vỡ thà

Chương I

BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT

I.1 Quá trình hình thành của đất

Theo các nhà địa chất thì sự thành tạo đất đá xảy ra cách đây hơn 3000 triệu năm và vẫn đang tiếp diễn không ngừng, có thể được tóm tắt như sau:

Đất được tạo thành từ đá gốc, tồn tại trên bề mặt của vỏ quả đất hoặc được đùn lên trên bề mặt trái đất do các quá trình phún trào nóng chảy, nguội lạnh và đông đặc lại Nếu mô tả một cách đơn giản thì quá trình thành tạo của đất như sau: dưới tác dụng phong hoá ( phong hóa vật lý, cơ học, hoá học và sinh vật ) liên tục của môi trường, đá gốc bị nứt vỡ thành những mảnh nhỏ – các sản phẩm của phong hóa được nước, gió v.v… mang đi và dưới những điều kiện nhất định nào đó thì nó lắng đọng lại, và sắp xếp thành từng lớp mà ta gọi là các lớp đất trầm tích, thường gặp trong xây dựng

I.2 Thành phần vật chất của đất

Do phương cách thành tạo như đã nêu trên mà đất gồm 3 pha khác nhau là pha rắn, pha lỏng và pha khí

Pha rắn: Bao gồm các hạt rắn, tựa vào nhau tạo thành bộ khung chịu lực của

đất, quyết định tính chất xây dựng của đất Dựa vào đường kính hạt người ta chia hạt rắn thành các nhóm hạt đất như bảng 1.1

Bảng 1.1: Phân loại đất theo kích thước hạt

( * ) Kích thước hạt có thể khác nhau tùy theo qui định của mỗi nước

Cấp phối hạt của đất

Thông thường đất chứa các hạt có kích cỡ rất khác nhau khiến tính chất xây dựng của đất rất khác nhau Để giải quyết vấn đề này ta hãy làm quen với khái niệm cấp phối hạt

Lượng một cỡ hạt ( tính bằng thành phần phần trăm trọng lượng đất khô ) gọi là hàm lượng cỡ hạt Tập hợp hàm lượng tất cả các cỡ hạt khác nhau chứa trong một loại đất gọi là cấp phối hạt của loại đất đó và được biểu diễn bằng đường cong cấp phối hạt của đất như hình 1.1

ASST

Hình 1.1: Đường cong cấp phối hạt của đất

Đường cong cấp phối hạt của đất giúp ta nhận biết sự phân bố các nhóm hạt trong mẫu đất, tên gọi của đất, các đường kính có hiệu và hệ số không đồng đều của đất

Pha lỏng: là các loại nước có trong đất Theo mức độ ảnh hưởng nhiều đến các

tính chất của đất nên ta nói đến hai loại nước sau:

1 Nước màng liên kết

- Nước liên kết chặt: là màng nước nằm sát bề mặt hạt khoáng bám chặt vào hạt khoáng nhờ lực hút điện phân tử lớn Loại nước này rất khó tách được ra khỏi các hạt rắn

- Nước liên kết yếu: là màng nước bọc ngoài cùng chịu lực hút điện phân tử nhỏ hơn so với nước liên kết chặt

2 Nước tự do: là nước chứa trong thể tích rỗng giữa các hạt Nó có thể dịch chuyển được trong các đường rỗng thông thương dưới tác dụng của lực trọng trường

Cần chú ý rằng trong những điều kiện nhất định nước tự do có thể trở thành nước màng liên kết yếu và ngược lại

Pha khí: Gồm các loại khí dưới dạng tự do hoặc hòa tan trong nước

Nói chung thành phần khí trong đất ít ảnh hưởng đến tính chất xây dựng của đất nên đôi khi có thể bỏ qua

I.3 Các chỉ tiêu vật lý của đất

Để xác định các chỉ tiêu vật lý của đất, ta dùng sơ đồ một mẫu đất có diện tích bằng đơn vị, trong đó 3 pha tạo thành đất được sắp xếp tách riêng như hình 1.2 với các ký hiệu sau :

V : thể tích toàn bộ

Vh : thể tích hạt rắn

Vn : thể tích nước

Vk : thể tích khí

Vr = Vn + Vk : thể tích lỗ rỗng

Q : trọng lượng toàn bộ

Qh : trọng lượng các hạt rắn

Qn : trọng lượng nước trong lỗ rỗng

Qk :trọng lượng khí trong lỗ rỗng ( vì khí rất nhẹ nên thực tế có thể xem trọng lượng khí trong đất bằng không: Qk = 0 )

Qh

n Q Q Qk

Hạt đất

Nước

Vh

Vn V

r V

Hình 1.2 : Sơ đồ biểu diễn ba pha trong đất

3.1 Chỉ tiêu trọng lượng riêng của đất, γ ( T/m 3 , KN/m 3 , … )

Đây là một chỉ tiêu vật lý quan trọng, phản ánh độ chặt của đất, được sử dụng trong nhiều tính toán và đánh giá bởi một loạt các chỉ tiêu chi tiết

Trọng lượng riêng ướt ( hay trọng lượng riêng tự nhiên ), γW

Là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng thái tự nhiên:

Chỉ tiêu này được xác định trực tiếp bằng thí nghiệm, giá trị γW thay đổi trong phạm vi 1.5-2.0 T/m3

Trọng lượng riêng khô, γk

Là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng thái hoàn toàn khô, có nghĩa là trọng lượng hạt rắn trong một đơn vị thể tích đất:

Trị số của γk thay đổi tùy theo độ chặt của đất, có thể xác định bằng phương pháp thí nghiệm trực tiếp, nhưng thường được tính qua các công thức tính đổi nêu trong bảng 1.7

Trọng lượng riêng hạt đất, γh

Là trọng lượng một đơn vị thể tích hạt rắn của đất:

Giá trị γh thay đổi trong một phạm vi nhỏ ( 2.6 ÷ 2.8 T/m3)

Chỉ tiêu γh thường được xác định bằng phương pháp trực tiếp thí nghiệm

Tỷ trọng hatï của đất, ∆

Là tỉ số giữa trọng lượng riêng hạt và trọng lượng riêng của nước trong điều kiện tiêu chuẩn:

V

Q h

k =

γ

h

h h

V

Q

= γ

n

h

γ

γ

=

∆

( 1.2 )

( 1.3 )

( 1.4 )

V

Q

w =

Trong đó : γn _ trọng lượng riêng của nước ở nhiệt độ 4 độ C

Trọng lượng riêng đất no nước ( hay còn gọi là đất bão hoà ), γnn

Là trọng lượng một đơn vị thể tích đất ở trạng thái no nước, nghĩa là các lỗ rổng của nó chứa đầy nước:

Trọng lượng riêng đẩy nổi của đất, γđn

Là trọng lượng riêng của đất có kể đến lực đẩy nổi của nước:

Các đại lượng γnn , γđn thường được xác định gián tiếp bằng cách dùng các công thức tính đổi trong bảng 1.7

3.2 Chỉ tiêu đánh giá mức độ chứa nước trong đất

Lượng nước chứa trong lỗ rỗng của đất có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của đất Cùng một loại đất, tùy theo lượng nước chứa trong đất có thể biến đất đó có tính chất xây dựng tốt trở thành đất yếu và ngược lại

Độ ẩm của đất, W ( % )

Là tỉ số giữa trọng lượng nước chứa trong lỗ rỗng của đất với trọng lượng hạt

rắn của đất:

Đại lượng W được xác định bằng trực tiếp thí nghiệm

Độ no nước của đất ( hay còn gọi là độ bão hoà của đất ),G

Là tỷ số giữa thể tích nước với thể tích lỗ rỗng:

Cũng như W, đại lượng G có thể là một số thập phân hoặc được tính bằng thành phần phần trăm

V

Q

Q h n

nn

+

=

γ

n nn n h h dn

V

V

Q γ γ γ

r

n V

V

100

x Q

Q W

h

n

=

( 1.5 )

( 1 6 )

( 1 7 )

( 1.8 )

3.3 Chỉ tiêu đánh giá độ rỗng trong đất

Lượng lỗ rỗng của đất phản ánh độ chặt của đất Để biểu thị mức độ rỗng của đất, trong tính toán thường dùng hai chỉ tiêu

Độ rổng của đất, n

Là thể tích lỗ rỗng trong một đơn vị thể tích đất:

Độ rổng của đất có thể biểu thị bằng số phần trăm hoặc số thập phân

Hệ số rổng của đất, ε

Là tỷ số giữa thể tích rỗng với thể tích hạt rắn của đất:

Hệ số rỗng ε thường được biểu thị bằng số thập phân Chỉ tiêu này thường được xác định gián tiếp, nghĩa là tính theo các công thức tính đổi trong bảng 1.7

Trong thực tế, chỉ cần thí nghiệm để xác định giá trị của 3 chỉ tiêu cơ bản : trọng lượng riêng tự nhiên γW , trọng lượng riêng hạt γh và độ ẩm W, rồi nhờ các công thức ở bảng 1.7 có thể tính toán được giá trị của các chỉ tiêu khác

I.4 Các chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất

Tính chất xây dựng của đất không chỉ phụ thuộc vào các chỉ tiêu vật lý đã nêu trên mà còn được quyết định bởi trạng thái vật lý của nó Để xác định trạng thái vật lý của đất người ta chia đất làm hai loại : đất rời và đất dính

Đất rời : Chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất rời là độ chặt với ba mức độ : chặt,

chặt vừa và xốp Để đánh giá độ chặt của đất rời người ta có thể dựa vào cách so sánh hệ số rổng tự nhiên ε với hệ số rỗng giới hạn như trong bảng 1.2 hoặc dùng độ chặt tương đối D xác định theo công thức sau :

Trong đó : εmax hệ số rỗng của đất ở trạng thái xốp nhất

εmin hệ số rỗng của đất ở trạng thái chặt nhất

V

V

n = r

h

r

V

V

=

ε

min max

max

ε ε

ε

ε

−

−

=

D

( 1 9 )

( 1 10 )

( 1 11 )

ε hệ số rỗng của đất ở trạng thái tự nhiên Xác định trạng thái vật lý của đất rời theo độ chặt tương đối D nêu ở bảng 1.3

Đất dính : Tính chất xây dựng của loại đất này phụ thuộc rất nhiều vào độ ẩm

Khi độ ẩm của đất dính thay đổi từ nhỏ đến lớn, trạng thái vật lý của nó sẽ thay đổi từ cứng qua dẻo, rồi sang nhão Những chỉ tiêu sau đây phản ánh đặc điểm ấy của đất dính

Giới hạn dẻo, Wd ( còn gọi là giới hạn lăn, Wl ) là độ ẩm giới hạn giữa đất ở trạng thái rắn và trạng thái dẻo

Giới hạn sệt, Ws ( còn gọi là giới hạn nhão Wnh ) là độ ẩm giới hạn giữa đất ở trạng thái dẻo và trạng thái nhão

Wd ,Ws được gọi là các giới hạn Atterberg

Chỉ số dẻo của đất dính, A : hiệu số của giới hạn sệt và giới hạn dẻo

A = Ws - Wd

Độ đặc ( độ sệt ) của đất dính, B ( IL ), được tính theo công thức

Chỉ số dẻo A được dùng để phân loại các đất dính ( bảng 1 4 ), còn chỉ tiêu độ đặc B thì dùng để đánh giá trạng thái của đất dính ( bảng 1 5 )

I.5 Phân loại đất

1 Đất rời : được phân loại theo kích thước hạt rắn và hàm lượng của cỡ

hạt trong mẫu đất ( bảng 1 6 )

2 Đất dính : được phân loại dựa vào chỉ số dẻo A ( bảng 1.4 ) kèm theo

trạng thái vật lý của nó ghi ở bảng 1.5

A

W W W

W

W W

d s

=

−

−

( 1 12 )

Bảng 1.2

Độ chặt

Loại đất

Chặt Chặt vừa Xốp( rời)

Cát sỏi, cát thô, cát vừa

Cát nhỏ Cát bột (cát bụi)

ε<0.55 ε<0.60 ε<0.60

0.55 ≤ ε≤ 0.70 0.60 ≤ ε ≤ 0.75 0.60 ≤ ε ≤ 0.80

ε > 0.70

ε > 0.75

ε > 0.80

Bảng 1 3

Loại đất Độ chặt tương đối D

Đất cát chặt Đất cát chặt vừa Đất cát xốp (rời)

1,00 ≥ D > 0,67 0,67≥ D > 0,33 0,33≥ D ≥ 0,00

Bảng 1.4 : Bảng phân loại đất dính theo A

Tên đất dính Chỉ số dẻo A

Đất cát pha ( á cát) Đất sét pha ( á sét) Đất sét

1 ≤ A < 7

7 ≤ A ≤ 17

A >17

Bảng 1 5 : Bảng phân loại trạng thái của đất dính theo B

Tên và trạng thái của đất Độ đặc B

Cát pha:

Rắn Dẻo Sệt

Sét pha và sét:

Rắn Nửa rắn Dẻo Dẻo mềm Dẻo sệt Sệt

B < 0

0 ≤ B ≤ 1 B>1

B < 0

0 ≤ B ≤ 0,25 0,25 < B ≤ 0,50 0,50 < B ≤ 0,75 0,75 < B ≤ 1,00

B >1,00

Bảng 1 6 : Phân loại đất cát theo hàm lượng hạt

Tên đất Hàm lượng hạt theo độ lớn tính bằng %

khối lượng đất khô Đất hòn lớn:

- Đất dăm, đất cuội,

- Đất sỏi ( sỏi tròn, sỏi góc )

Đất cát:

Cát sỏi Cát thô Cát vừa Cát nhỏ Cát bột

Khối lượng hạt lớn hơn 10mm trên 50%

Khối lượng hạt lớn hơn 2mm trên 50%

Khối lượng hạt lớn hơn 2mm trên 25%

Khối lượng hạt lớn hơn 0,5 mm trên 50% Khối lượng hạt lớn hơn 0,25mm trên 50% Khối lượng hạt lớn hơn 0,10mm trên 75% Khối lượng hạt lớn hơn 0,10mm dưới 75%

Bảng 1.7 : Các công thức tính đổi những chỉ tiêu thường dùng

Chỉ tiêu cần xác định Công thức Số thứ tự

công thức Hệ số rỗng

Độ rỗng

Độ bảo hòa G

Trọng lượng riêng hạt

Trọng lượng riêng khô

Trọng lượng riêng đẩy nổi

Ghi chú : Trong các công thức trên W tính theo phần trăm còn G và n tính theo thập phân

1 ) 01 0 1 (

− +

∆

=

w

γ

γ ε

1

−

=

k

h

γ

γ ε

n

n

−

= 1

ε

ε

ε +

= 1

n

w n

w

w

w G

γ γ

γ

− +

∆

∆

=

) 01 0 1 (

01 0

ε

w

G= ∆0.01

n

k

h = 1−

γ γ

n

) 1

h

γ

) 01 0 1

w

k = +

γ γ

ε

γ γ

+

−

∆

= 1

) 1

dn

1

−

= nn

dn γ γ

( 1 14 ) ( 1 15 ) ( 1 16 )

( 1 17 )

( 1 18 ) ( 1 19 ) ( 1 20 ) ( 1 21 ) ( 1 22 ) ( 1 23 ) ( 1 24 ) ( 1 25 )

I.6 Tóm tắt chương

1 Quá trình hình thành đất là một quá trình bao gồm phong hóa, vận chuyển, trầm tích tạo nên từng lớp và đất gồm có: hạt rắn, nước và không khí

2 Về cấu tạo đất có nhiều đặc điểm đáng chú ý:

- Đất là môi trường phân tán vụn rời, không liên tục

- Đất là môi trường có tính rỗng Độ rỗng trong đất khá lớn Trong lỗ rỗng thường chứa nước

Những đặc điểm này quyết định các đặc tính vật lý – cơ học đặc thù của đất

3 Để sử dụng đất vào mục đích xây dựng, việc đầu tiên là phải phân loại đất Nhờ đó ta nhận biết được tên đất kèm theo các đặc tính của nó

I.7 Bài tập

Bài tập mẫu 1.1

Hãy chứng minh công thức ( 1.15 ) trong bảng 1.7

Bài giải

Theo định nghĩa về ε ta có công thức:

Trong đó: Vr = V - Vh

Thay các biểu thức Vr , V , Vh vào công thức định nghĩa Viết lại:

1

−

=

−

=

h h

h V

V V

V V

ε

h

r V

V

= ε

1

−

=

k h k h Q Q

γ

γ ε

k h Q V

γ

=

h

h h

Q V

γ

=

Đơn giản, rút gọn cuối cùng ta tìm được:

Bài tập mẫu 1.2

Người ta dùng một dao vòng có thể tích 55cm3 để lấy mẫu đất nguyên dạng đem cân xác định được khối lượng của đất tự nhiên là 98g, khối lượng sau khi sấy khô của mẫu đất đó là 75g, biết tỷ trọng của hạt đất là ∆ = 2.69

Hãy xác định trọng lượng riêng tự nhiên γw, độ ẩm W, hệ số rỗng ε và độ bảo hòa G của mẫu đất đó

Bài giải

1 Xác định trọng lượng riêng tự nhiên γw Từ công thức định nghĩa

2 Xác định độ ẩm W:

Từ công thức định nghĩa:

Thay các giá trị Qn = 98 – 75 = 23g và Qh = 75g ta tìm được

3 Tính hệ số rỗng ε:

Theo công thức tính đổi ε ( công thức 1 14 )

Thay các giá trị đã biết vào công thức

4 Tính độ bảo hòa G:

Theo công thức tính đổi ( 1.19 )

Thay các giá trị đã biết vào công thức

1

−

=

k

h

γ

γ ε

3

3 1,782 / /

782 , 1 55

98

m T cm

g V

Q

γ

100

Q

Q W

h

n

=

% 67 , 30 100 75

23

W

1 ) 01 0 1 (

− +

∆

=

w

γ

γ ε

973 , 0 1 782

, 1

) 67 , 30 01 0 1 ( 1 69 , 2

=

−

+

=

ε

ε

w

G = ∆0.01

85 , 0 973

, 0

67 , 30 01 0 69 ,

=

G

Bài tập mẫu 1.3

Cho một mẫu đất có độ ẩm tự nhiên là W= 42% Giới hạn sệt ( giới hạn nhão ) Ws = 57%, giới hạn dẻo Wd = 36%

Hãy xác định tên và trạng thái của mẫu đất đó

Bài giải

1 Tên đất được xác định theo chỉ số dẻo A ( Bảng 1.4 )

Chỉ số dẻo của mẫu đất

A = Ws - Wd = 57 – 36 = 21%

Như vậy theo bảng 1.4 : Đây là loại đất sét

2 Trạng thái của đất dính được xác định theo độ sệt B

Độ đặc ( độ sệt ) của đất dính được tính theo công thức

Theo bảng 1 5 ta thấy đất này ở trạng thái dẻo

Bài tập mẫu 1.4

Cho một mẫu đất sét thấm được ở dưới mực nước ngầm có tỉ trọng hạt

∆ = 2,71, hệ số rỗng ε = 0,85

Hãy xác định trọng lượng riêng tự nhiên, trong lượng riêng đẩy nổi của mẫu đất đó

Bài giải

Mẫu đất sét này sẽ ở trạng thái bảo hòa nước ( G = 1 ) Độ ẩm của mẫu đất đó tính theo công thức sau :

A

W W

W W

W W

d s

=

−

−

=

29 , 0 21

36

=

B

Trọng lượng riêng tự nhiên tính theo công thức:

Trọng lượng riêng đẩy nổi tính theo công thức:

% 37 , 31 71 , 2 01 , 0

85 , 0 1

01 , 0

=

=

∆

= G ε

W

3

/ 924 , 1 85

, 0 1

) 37 , 31 01 , 0 1 (

1 71 , 2

1

) 01 , 0 1 (

m T

w n

w

= +

+

=

+

+

∆

=

ε

γ γ

3

/ 924 , 0 85 , 0 1

1 )

1 71 , 2 ( 1

)

1 (

m T

n dn

= +

−

=

+

−

∆

=

ε γ γ