Cơ học đất

Tính chất của đất phụ thuộc vào: ¾ Thành phần khoáng ¾ Thành phần hạt Thành phần khoáng: gồm các hạt nguyên sinh và thứ sinh: • Nguyên sinh: Mica; thạch anh, fenfat… • Thứ sinh: khoáng

TÓM TẮT LÝ THUYẾT CHƯƠNG 1- BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT

1.1 CÁC LOẠI TRẦM TÍCH VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA NÓ

1.1.1 Tàn tích: Sau khi bị phong hóa, đất nằm nguyên tại chỗ, các hạt của nó đều có góc

cạnh và thành phần hóa học không thay đổi so với đá gốc

1.1.2 Sườn tích: Sản phẩm phong hóa bị nước mưa, tuyết cuốn từ trên núi cao xuống lưng

chừng hoặc chân dốc rồi lắng đọng ở đó

1.1.3 Trầm tích: Các sản phẩm phong hóa sẽ được nước, gió cuốn đi nên có đặc điểm hạt

tròn, cạnh… và thành phần hóa học có sự thay đổi lớn so với đá gốc

Tàn tích

Trầm tích

Sườn tích

Hình 1.1 Mô tả các dạng trầm tích của đất

1.2 CÁC PHA TẠO THÀNH ĐẤT VÀ TÁC DỤNG LẪN NHAU GIỮA CHÚNG

Đất là loại vật thể rời, phân tán, không liên tục như các vật liệu khác Ở trạng thái tự nhiên

đất là một hệ thống phức tạp bao gồm các hạt khoáng vật bé có kích thước khác nhau hợp thành

Các hạt này tạo thành khung kết cấu có nhiều lỗ rỗng, trong đó chứa nước và khí Có thể xem đất

Hình 1.2 Mô hình đất 3 pha

1.2.1 Pha rắn: Chiếm phần lớn thể tích của đất và ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của đất,

gồm các hạt khoáng vật (hạt đất) có kích thước từ vài cm đến vài phần 100 hay vài/1000 mm

Tính chất của đất phụ thuộc vào:

¾ Thành phần khoáng

¾ Thành phần hạt

Thành phần khoáng: gồm các hạt nguyên sinh và thứ sinh:

• Nguyên sinh: Mica; thạch anh, fenfat…

• Thứ sinh: khoáng vật sét, mica trắng, thạch cao…

• Thành phần cấp phối của một mẫu đất được xác định từ đường cong cấp phối hạt

Đường Cấp Phối Hạt là đường biểu diễn tỉ lệ % các nhóm hạt khác nhau trong đất, có 2

phương pháp để xác định

- Phương pháp rây sàng: Dùng cho hạt có D > 0,074 mm, cho các hạt lọt qua các sàng với

mắt lưới đã được xác định trước kích thước (thí nghiệm rây sàng) Tính % trọng lượng nhỏ hơn

(khối lượng đất lọt qua rây có đường kính D / khối lượng tổng cộng của mẫu đất)

- Phương pháp lắng đọng: D < 0,074 mm, dựa vào định luật Stockes cho vật thể hình cầu

rơi trong một chất lỏng phụ thuộc vào đường kính D, tỉ trọng hạt, tỉ trọng dung dịch và độ nhớt

log D

% trọng lượng mịn hơn

2 3

1

Cở rây / số hiệu

• Hình dạng hạt đất:

Cĩ nhiều dạng: đơn, cầu, hình gĩc cạnh, hình phiến, lá, que, kim …

Hạt thơ: Phiến, lá Hạt mịn: kim, que

1.2.2 Pha lỏng: Là nước trong các lỗ rỗng của đất, bao gồm:

a/ Nước trong hạt khống vật: là loại nước trong mạng tinh thể của đất tồn tại ở dạng

phân tử H2O hoặc dạng ion Nước này chỉ cĩ thể tách rời hạt khống vật ở nhiệt độ cao hoặc áp

suất lớn

Loại nước này khơng ảnh hưởng nhiều đến tính ổn định và biến dạng của đất nền

b/ Nước liên kết mặt ngồi: gồm 2 loại

• Nước hút bám: là loại nước bám rất chặt vào mặt ngồi hạt đất Loại nước này

khơng cĩ khả năng hịa tan trong muối, khơng cĩ khả năng dịch chuyển từ hạt này

sang hạt khác, khơng truyền áp lực thủy tĩnh

• Nước màng mỏng: gồm nước liên kết mạnh và nước liên kết yếu

o Nước liên kết mạnh: bám tương đối chặt vào các hạt khống vật, khơng cĩ khả năng hịa tan trong muối, khơng truyền áp lực thủy tĩnh nhưng cĩ khả năng dịch

chuyển từ hạt này sang hạt khác

o Nước liên kết yếu: là lớp nước ngồi cùng của hạt đất cĩ tính chất giống như nước ở thể lỏng thơng thường

c/ Nước tự do: bao gồm nước mao dẫn và nước trọng lực

• Nước mao dẫn: phát sinh do trong đất cĩ lổ rỗng, dưới lực căng mặt ngồi mà

chúng tồn tại trong các lỗ rỗng chằng chịt đĩ

• Nước trọng lực: tồn tại do quá trình chênh lệch cột áp

Nước này cĩ tính chất như nước ở thể lỏng trạng thái thường Dưới tác dụng của tải trọng

ngồi, nước này sẽ thốt ra ngồi gây nên độ lún đáng kể của nền cơng trình

Các cơng nghệ xử lý nền hiện nay như giếng cát, bấc thấm… kết hợp với gia tải trước với

mục đích làm cho nước tự do thốt ra trước khi xây dựng cơng trình nhằm giảm độ lún của nền

Hạt khoáng vật

Nước trong

hạt khoáng vật

Nước hút bám

Nước liên kết mạnhNước liên kết yếu

Nước tự do (trong lỗ rỗng)

Nước màng mỏng

Hình 1.4 Các dạng nước trong hạt khống vật

1.2.3 Pha khí: tồn tại bên trong lỗ rỗng, có thể hòa tan trong nước hoặc không, gồm

• Khí kín: không thông với khí quyển bên ngoài Nó ảnh hưởng rõ rệt đến tính biến

dạng của đất nền, tạo nên tính nén và tăng tính đàn hồi của đất

• Khí hở: thông với khí quyển, khi chịu tải trọng khí này sẽ thoát ra ngoài gây nên độ

1.3.1.1 Trọng lượng riêng (dung trọng): đơn vị kN/m3, T/m3, G/cm3 Đây là một chỉ

tiêu quan trọng phản ánh độ chặt của đất, được sử dụng nhiều trong tính toán

¾ Trọng lượng riêng (dung trọng) tự nhiên : là trọng lượng một đơn vị thể tích

đất ở trạng thái tự nhiên (đất ướt)

Q

γ

V

=Đất tốt: γ > 19 kN/m3Trung bình: γ = 17 ÷ 19 kN/m3

Yếu: γ < 17 kN/m3 Bùn yếu: γ = 14 ÷ 16 kN/m3

Cách xác định γ :

Đối với đất dính, hạt mịn: dùng dao vòng đã biết thể tích V để lấy mẫu, cân trọng lượng

mẫu Q, từ đó xác định được γ

Đối với đất dính, có hạt sỏi sạn: mẫu đất, sau khi cân trọng lượng Q, được nhúng vào

parafin nóng chảy để bọc kín rồi nhúng vào nước xác định thể tích V

Ngoài ra ta có thể dùng các thí nghiệm nón cát, túi nước hoặc phóng xạ để xác định khối

lượng riêng tự nhiên

¾ Trọng lượng riêng (dung trọng) khô : là trọng lượng một đơn vị thể tích đất ở

trạng thái hoàn toàn khô, nghĩa là trọng lượng hạt rắn trong một đơn vị thể tích đất

s d

Q V

γ =

Cách xác định γd : có thể xác định trực tiếp như dung trọng tự nhiên với Qs là khối lượng

hạt đất đã sấy khô hoàn toàn (1050C, trong 24h) hoặc gián tiếp qua các công thức tính đổi

¾ Trọng lượng riêng (dung trọng) hạt : là trọng lượng một đơn vị thể tích đất ở

trạng thái hoàn toàn chặt khô, nghĩa là trọng lượng hạt rắn trong một đơn vị thể tích hạt

Cách xác định γs : với Qs là khối lượng hạt đất đã sấy khô hoàn toàn (1050C, trong 24h)

và xác định Vs theo nguyên tắc: cho mẫu đất đã sấy khô vào một bình nước đã biết thể tích, đo

thể tích nước do các hạt chiếm chỗ, sau đó loại bỏ các bọt khí bằng cách hút chân không hoặc

đun nóng

¾ Trọng lượng riêng (dung trọng) no nước : là trọng lượng một đơn vị thể tích

đất ở trạng thái no nước (bão hòa, các lỗ rỗng của đất chứa đầy nước)

¾ Trọng lượng riêng (dung trọng) đẩy nổi : là trọng lượng riêng của đất nằn dưới

mực nước ngầm có xét đến lực đẩy Archimède

V

V Q V

Q

Nếu mẫu đất hoàn toàn bão hòa thì 'γ =γsat−γw

Với γw là trọng lượng riêng (dung trọng) của nước - thường lấy γw = 10 kN/m3

1.3.1.2 Tỷ trọng: là tỷ số giữa trọng lượng riêng hạt và trọng lượng riêng nước

s s w

1.3.1.3 Độ ẩm (độ chứa nước): là tỷ số giữa trọng lượng nước trong lỗ rỗng Qw và trọng

lượng hạt Qs , đơn vị tính %

100 (%)

w s

Q

Q

=Đất càng yếu thì có độ ẩm càng lớn

Đất tương đối tốt có W < 30%, đất bùn có W > 50%

1.3.1.4 Độ bão hòa (độ no nước): là phân lượng nước chứa trong lỗ rỗng của đất, được

định nghĩa là tỷ số giữa thể tích nước Vw và thể tích lỗ rỗng Vv, đơn vị tính %

100 (%)

w r v

Sr > 85% : đất bão hòa

1.3.1.5 Độ rỗng: là tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng Vv và thể tích mẫu đất V, đơn vị tính theo %

hoặc số thập phân

v

V n V

e V

+

)1

Các công thức qui đổi: dựa vào sơ đồ 3 pha và ý nghĩa vật lý của các chỉ tiêu, ta

chứng minh được các công thức sau: (W, n tính theo đơn vị %)

01.0

γγ

γ

−+

=

W G

W G

S

w s

n

d s

01,01−

= ( 1)

γ6)

1.3.2 Các chỉ tiêu trạng thái của đất

1.3.2.1 Các chỉ tiêu trạng thái của đất dính (sét, sét pha, cát pha)

Tùy theo độ ẩm mà đất hạt mịn có thể ở những trạng thái khác nhau Ta có thể biểu diễn

các trạng thái của đất theo quan hệ W – V

1)

W

01 ,0

1 +(

γ

Thể tích V

Độ ẩm

W %

T.thái rắn

T.thái nữa rắn

T.thái dẻo

T.thái nhão

Độ ẩm tự nhiên W

Hình 1.5 Trạng thái của đất theo quan hệ W – V

W

W −

Các phương pháp xác định giới hạn nhão

¾ Dùng chỏm cầu Casagrande:

_ Dùng khoảng 100 g đất đã được sấy khô, nghiền nhỏ cho qua rây No.40 Trộn đất với

nước vừa đủ nhão trên kính phẳng (hoặc trong chén sứ) và ủ đất tối thiểu trong khoảng thời

gian là 2 giờ

Trét đất vào

chỏm cầu Dùng dao cắt rãnh vạch 1 đường Đất khép lại sau khi quay

2mm

_ Cho đất vào khoảng 2/3 đĩa khum, tránh tạo bọt khí trong đất, để một khoảng trống ở

phần trên chỗ tiếp xúc với móc treo chừng 1/3 đường kính đĩa, đảm bảo độ dày của lớp đất

không nhỏ hơn 10 mm

_ Dùng dao cắt rãnh chia đất ra làm 2 phần theo phương vuông góc với trục quay

_ Quay đều cần quay với vận tốc khoảng 2 vòng/sec, đếm số lần rơi N cho đến khi đất

trong đĩa khép lại một đoạn dài 12,7mm (1/2 inch)

_ Lấy khoảng 10g – 20g đất ở vùng xung quanh rãnh khép để xác định độ ẩm (cân

mẫu đất Ỉ đem sấy khô Ỉ cân mẫu đất khô Ỉ xác định được độ ẩm)

_ Tăng hoặc giảm độ ẩm của mẫu đất và thực hiện lại thí nghiệm như trên khoảng 3

lần sao cho số lần rơi của lần thí nghiệm thứ nhất khoảng 10 đếnđ20; lần hai khoảng 20 đến

30; lần ba khoảng 30 đến 40

Hình 1.6 Biểu đồ xác định giới hạn nhão

¾ Xác định giới hạn dẻo W P :

_ Lấy phần đất dư ở thí nghiệm xác định giới hạn nhão, để khô cho gần đến giới hạn

dẻo (cầm nắm không dính tay nhưng vẫn còn tính dẻo)

_ Dùng 4 đầu ngón tay để lăn đất trên kính mờ cho đến khi trên thân các dây đất có

xuất hiện các vết nứt mà khoảng cách giữa các vết nứt khoảng10mm

3

D≈ mm

o Nếu với đường kính đó, que đất vẫn chưa nứt thì đem vê nó thành hòn và tiếp

tục lăn đến chừng nào đạt được kết quả như trên

o Nếu trên dây đất có D>3mm mà đã xuất hiện vết nứt thì ta thêm nước vào, se

lại

Lấy những dây đất đạt được điều kiện như trên đem xác định độ ẩm Độ ẩm này

chính là giới hạn dẻo của đất

Xác định trạng thái của đất dựa vào độ sệt:

Phân loại trạng thái theo ASTM

Trạng thái của đất dính được phân thành 3 trạng thái chính

IL < 0 : Cứng

0 ≤ IL ≤ 1 : Dẻo

IL > 1 : Chảy

Phân loại trạng thái theo kết quả của thí nghiệm SPT

Phân loại đất dính và đất rời dựa vào số N của SPT

5 ÷ 8 Dẻo mềm (rắn vừa) 11 ÷ 30 Chặt vừa

16 ÷ 30 Nửa cứng (rất rắn) > 50 Rất chặt

1.3.2.2 Các chỉ tiêu trạng thái của đất rời (cát, đất hòn lớn):

Ta xác định trạng thái đất rời dựa vào hệ số rỗng: = s −1

Ngoài hệ số rỗng, ta còn xác định trạng thái đất rời bằng độ chặt tương đối:

D r = emax_ e0

emax_ emin

Với : e0 : hệ số rỗng của đất ở trạng thái tự nhiên

emax : hệ số rỗng của đất ở trạng thái rời rạc nhất

emin : hệ số rỗng của đất ở trạng thái chặt nhất

Theo ASTM xác định trạng thái của đất dựa vào D r

d

d d d

d d r

D

γ

γγγ

γ

min max

min

−

−

=

Cách xác định D r :

• emax : Sấy khô mẫu đất rồi cho nhẹ nhàng vào bình khắc độ từ đó xách định được

V, sau đó cho vào bình chứa nước để xác định Vs , từ đó xác định được emax

• emin : Dùng chấn động để nén chặt mẫu đất đến một thể tích khơng đổi trong bình

cĩ khắc độ, từ đĩ xác định V, cho nước vào thì xác định được Vs, xác định được emin

Phương pháp này cịn hạn chế vì do ảnh hưởng của cách thực hiện xác định emax , emin chưa thực

sự chính xác

Dr Trạng thái của đất

0 ≤ Dr < 0,33 Xốp 0,33 ≤ Dr < 0,67 Chặt vừa 0,67 ≤ Dr ≤ 1,0 Chặt

1.4 TÍNH ĐẦM CHẶT CỦA ĐẤT

1.4.1 Định nghĩa về đầm chặt

Đầm chặt đất là cho tải trọng động lập đi lập lại nhiều lần để

làm cho nền đất được đặc chắc nhất, sau đĩ cĩ thể xây dựng cơng

trình lên trên

Quá trình đầm chặt làm tăng dung trọng của đất là do thể tích

lỗ rỗng giảm, tức là nước và khí sẽ nhanh chĩng thốt ra ngồi

Đầm chặt thường được thực hiện bằng cách cơ học như đần

lăn, đầm nện hoặc rung đất

1.4.2 Mục tiêu của việc đầm chặt

Giảm hệ số rỗng Ỉ giảm hệ số thấm của đất

Tăng độ bền chống cắt, do đĩ, tăng sức chịu tải của đất

Làm giảm độ lún của cơng trình

1.4.3 Thí nghiệm đầm chặt

¾ Dụng cụ:

_ Khuôn đầm Proctor tiêu chuẩn, có thể tích V = 944cm3 , trọng lượng khuôn và

đáy khuôn Q = 4250g (đối với thiết bị tại bộ môn đđịa cơ nền móng ĐHBK)

_ Búa đầm có trọng lượng 2,5kg ; chiều cao rơi 30,48 cm

¾ Trình tự :

_ Dùng khoảng 3 Ỉ 5 kg đất đã sấy hoặc phơi khô, dùng chày làm tơi đất và cho qua

rây No.4 (4,76mm)

_ Thêm nước vào đất khô để tạo độ ẩm ban đầu cho mẫu đất, trộn đều

Nếu khối lượng đất bị hạn chế cho phép sử dụng lại đất sau lần làm thí nghiệm đầu

tiên để chế bị mẫu cho lần làm thí nghiệm tiếp theo

Độ ẩm yêu cầu cho lần thí nghiệm đầu tiên đối với cát là khoảng 5%; đối với đất sét

là khoảng10% Những lần tiếp theo độ ẩm sẽ tăng lên 2-3%

_ Cho đất vào khuôn và tiến hành đầm làm 3 lớp Tùy theo mỗi loại đất mà số búa

đầm trên mỗi lớp như sau:

Loại đất Số búa đầm

Đất á sét và đất sét có IP < 30 30 40÷

Đất sét có IP > 30 40 50÷

Khi đầm lớp thứ 3 cố gắng sao cho sau khi đầm thì đất nhô cao hơn mặt khuôn một

lơp không lớn hơn 2 - 5mm Bảng: Số búa đầm ứng với từng loại đất

_ Tháo cổ khuôn và dùng dao gạt bằng mặt

_ Cân đất ướt và khuôn để xác định khối lượng riêng đất ẩm Dùng một ít đất trong

khuôn sau khi cân để xác định độ ẩm (cân mẫu đất Ỉ đem sấy khô Ỉ cân mẫu đất khô Ỉ

xác định được độ ẩm)

_ Lặp lại thí nghiệm với độ ẩm tăng dần khoảng 4 – 6 lần cho đến khi khối lượng thể

V (cm3): thể tích đất = thể tích khuôn đầm

2./ Xác định khối lượng thể tích đất khô:

W

w d

.01.0

1+

γ3./ Qua các điểm này vẽ biểu đồ quan hệ W – γd ( đường cong đầm chặt)

Ỉ Xác định các giá trị dung trọng khô lớn nhất γdmax và độ ẩm tốt nhất Wopt

4./ Đường bão hòa được thiết lập theo công thức: (1 )

01,01

N W

ργ

Trong đó: γ - trọng lượng riêng hạt, g/cm3

γw – trọng lượng riêng của nước

W – độ ẩm (%)

N – Tỷ lệ phần lỗ rỗng (không có chứa nước) trong đất

5./ Độ rỗng của đất:

)1(

01,01

Hình 1.7 Biểu đồ thí nghiệm đầm chặt

- Độ ẩm của đất : công đầm sẽ đạt được hiệu quả cao nhất khi mẫu đất đạt đến một độ

ẩm thích hợp nhất đối vơi loại đất đó độ ẩm đó gọi là độ ẩm tốt nhất (Wopt)

Độ ẩm tốt nhất (W opt ) là lượng ngậm nước thích hợp để đạt được khối lượng thể tích

khô lớn nhất ứng với một công đầm tiêu chuẩn nào đó

Giải Thích Hiện Tượng Trên:

- Khi độ ẩm cuả mẫu đất còn nhỏ ma sát giữa các hạt rất lớn làm cho các hạt khó di

chuyển dưới tác dụng của công đầm do đó dung trọng khô của đất cũng chưa lớn

- Khi độ ẩm cuả mẫu đất đạt đến độ ẩm thích hợp nhất (Wopt) thì xung quanh các hạt

đất xuất hiện nước liên kết mặt ngoài làm cho các hạt đất dễ dàng dịch chuyển dưới tác dụng

của công đầm từ đó các hạt sắp xếp chặt lại γd dung trọng khô của đất đạt được dung trọng

khô lớn nhất

- Khi độ ẩm cuả mẫu đất tăng lên nữa thì dung trọng khô của đất sẽ giảm xuống do

công đầm chỉ truyền lên phần áp lực nước lỗ rổng trong đất làm cho ứng suất có hiệu giảm

- Xác định hệ số đầm chặt k:

) ( max

γd,(site) : dung trọng khơ tác định tại hiện trường, được xác định bằng phương pháp

dao vịng, nĩn cát, túi nước…

Lưu ý: Theo TCVN, giới hạn nhão WL sẽ được xác định từ thí nghiệm chùy xuyên

Vaxiliev, vốn cho giá trị sai lệch đôi chút với phương pháp thí nghiệm dùng chỏm cầu

Casagrand Nếu dùng dụng cụ Casagrande để xác định giới hạn nhão, muốn phân loại đất

theo TCVN, ta có thể chuyển đổi :

b w

b=6,47% ứng với đất có giới hạn chảy từ 20% ÷ 100%

1.5.2- Phân loại theo ASTM

Đất hạt thô: khi có ≥50% hạt trên rây #200 (0,074 mm)

Đất hạt mịn: khi có ≥50% hạt dưới rây #200

Sỏi, sạn (G) : ≥ 50% là hạt thô (trên rây #200; 0,074 mm) và >50% trên rây #4 (4,76 mm)

Æ W (well) khi Cu ≥4 và 1 ≤ Cg ≤3 => GW

Æ P (poor) ngược lại => GP

Cát (S) : ≥50% là hạt thô (trên rây #200) và > 50% trên rây #4

Æ W (well) khi Cu ≥ 6 và 1 ≤ Cg ≤3 => SW

Æ P (poor) ngược lại => SP

Æ khi C hay M chứa trên 12% là đất hạt mịn và căn cứ vào đường AÆ GC hay GM

Æ khi C hay M chứa khoảng 5 % - 12% dùng kí hiệu kép: GW-GC, GP-GC

Sét (C) : > 50% là hạt mịn (lọt qua rây #200) và trên đường A (giản đồ Casagrande)

Bụi (silt) (M) : > 50 % là hạt mịn (lọt qua rây #200) và dưới đường A

Æ H (high) khi wL ≥ 50% => CH hay MH

Æ L (low) khi wL < 50% => CL hay ML

Bùn sét IL > 1 WL > W e > 1.5 IP > 17

Bùn á sét IL > 1 WL > W e > 1.1 7 ≤ IP ≤17

Bùn á cát IL > 1 WL > W e > 0.9 IP < 7