Cơ học đất ứng dụng và tính toán công trình trên nền đất theo trạng thái giới hạn phần 1

Với đất chứa chủ yếu cát nhóm hạt thỏ thì độ lớn của nhóm hạt, cấp phối của chúng quyê định chủ yếu đến tính chất xây dựng của đất thông qua các đặc tính về thấm về biến dạng và chống tr

PHAN TRƯỜNG PHIỆT

GIÁO SƯ TIẾN SỸ ĐIA KỸ THUÂT

Cơ HỌC ĐẤT ỨNG DỤNG

VÀ TÍNH TOÁN

CÔNG TRÌNH TRÊN NÊN ĐẤT

(Tải bản)

NHÀ XUẤT BẢN XÂY D ự N G

LỜI NÓI ĐẦU

Với :iiốn sách này, tác giả hy vọng giúp sinh viên mới ra trường, k ĩ sư trẻ có tài liệu tham ktảo và lảm quen với các kiến thức cơ bản của k ĩ thuật nền móng hiện đại.

Nhu tên cuốn sách, sách gồm ba phần:

Pliẩi Các tính chất địa k ĩ thuật của dất trên cơ sở nghiên cứu với mẫu đất.

đ ã đạt Ấược trong mấy chục năm xây diữig đất nước x ã hội chủ nghĩa và hiện đại hóa theo

m ột lô d c hợp lí trên kho tàng kiến thức th ế giới đương đại Tuy nhiên, có trang này hay chươniị kia của cuốn sách, địnlì hướng trên khó thực hiện, tác giả đành phải nêu cái này íliuộc vường phcii này, cái kia thuộc trường phái kìa và kèm theo vài lời bình luận chủ quan c,iơ mình Mong dộc giả ìlìônịỉ cảm sự yếu kém của tác giả và góp ý phương thức giải quyếi Cũng vì vậy, cuốn sách này cũng s ẽ lả nguồn cảm hứng của k ĩ sư, học viên cao học khi tìm chọn lựa đ ề tài nghiên cíiìi của mình.

C hõ ': cuốn sách có hai phụ lục, một là mô hình li tâm Địa k ĩ thuật, hai là phương pháp plìần ti' dứng Địa k ĩ thuật - một phương pháp s ố Địa k ĩ thuật Đ ây là hai vấn đ ề lí thú của Đi/I k ĩ iìiiật mà nhiều người làm Địa k ĩ thuật quan tâm Do khuôn k h ổ cuốn sách, hai vấn

d ề trêu chỉ được trình bày nịịắn gọn ỏ dạng phụ lục Bạn đọc quan tâm, xin trao đổi với tác í^iá và ác gicí cữníỊ moni> dợi sựgiơo lưu ấy.

Đ ể ả m rõ ní>liĩa, các thuật ngữ dịa k ĩ tììiiậl tiếng Việt đều có kèm theo tiếng Anh.

N h á i cuốn Síich xiiấỉ bủn túc giả cảm ơn những NC S Việt N am ở nước ngoài gửi tặng

n h iê u i 'ii liệu cỊiiý h iếm và Iìlìữní> N C S tro n g nược đ ã cộng tác tro n g q u á trình ng hiên cứu

và biêì soạn.

M oi í’ m uốn tlìì làii vậy nlìưní’ tài hèn lực m ọn, chắc không th ể không có thiếu sót trong

c u ốn scch n ủ \ T á c í^iíí xi lì cảm ơn írước bạn đọc vê những góp ý clìO lẩn tái bản được tốt ìưxti.

Tác giả

Phần A

C h ư ơ ng 1ĐẶC TÍNH CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐÂT

1.1 ĐẶT VẤN ĐỂ

Phân loại đất với mục đích xây dựng nói chung (làm nền, làm môi trường xây dựng hầm hào, ^àm vật liệu xây dựng), một mặt là để lựa chọn chính xác phương pháp nghiên cứu sử dụng một mặt là đế đánh giá đất cho phù hợp với thực tế khách quan đặng có được những tri thức cần thiết cho việc dùng đất vào các mục đích khác nhau trong xây dựng công trình

IVuốn cho việc phân loại đất vừa có căn cứ lí luận khoa học vừa có giá trị thực tiễn khi chọn đặc tnmíí của đất để phân loai cần phải thoả mãn hai yêu cầu cơ bản sau đây;

1 Phản ánh đầy đủ và khách quan đặc tính biến đổi không ngừng của đất vì đất là sản phẩư tự nhiên, chịu tác dụng không ngừng của hoàn cảnh môi trường tồn tại

2 Làm cãn cứ khoa học đê dự đoán hành vi ứng xử của đất trong điều kiện của môi trưỜTíỉ làm việc cùng với công trình

Kinh nghiệm xây dựng đã chứna tỏ rằng khi phân loại đất phải xét đến tổ hợp các nhóm hạt C 1 bản tạo đất và tác dụng tương hỗ giữa thể rắn và thể lỏng của đất

Với đất chứa chủ yếu cát nhóm hạt thỏ thì độ lớn của nhóm hạt, cấp phối của chúng quyê định chủ yếu đến tính chất xây dựng của đất thông qua các đặc tính về thấm về biến dạng và chống trượt của đất Do vậy đối với loại đất này thì phân loại theo độ lớn và cấp phối hạt là thích hợp

Eối với đất chứa các nhóm hạt mịn thì kích cỡ hạt, cấp phối hạt tuy ở một mức độ nào

đó ciing phản ánh được tính chất của đất nhưng không phản ánh được những đặc tính của đất có liên quan đến thành phần khoáng vật, mức độ phân tán và thành phần ion trao đổi tronị đất Do vậy, đối với đất hạt mịn có tính dính thì cần thiết phải xét đến, ngoài kích cỡ

và C í p phối của đất, các giới hạn Atlerberg của đất

Riân loại đất nhằm mục đích đặt tên cho đất Kèm theo một tên đất là cả một loạt tính chất đặc thù của đất mà các nhà khoa học, các nhà xây dựng đã ngầm hiểu với nhau Các

tính chất đặc thù của mỗi loại đất ấy đã được tích luỹ hệ thống từ bao kinh nghiệm quý báu của bao thế hệ k ĩ sư xây đựng.

Về phân loại đất hiộn nay có hai xu hưóng, một là tách riêng trạng thái vật lí của đất (độ chặt, độ sệt, v.v ) khi đặt tên đất; hai là xét kèm theo trạng thái vật lí của đất

Xu hướng thứ nhất, cho tên đất riêng và trạng thái vật lí của đất riêng Ví dụ như đối với đất cát thì xét riêng cấp phối hạt của đất tốt hay xấu v.v Đối với đất dính thì xét riêng trạng thái dẻo, lỏng của đất v.v

Xu hướng thứ hai, cho biết một vài trạng thái vật lí quan trọng kèm với tên đất Ví dụ đối với đất cát thì phân thành đất cát cấp phối tốt, đất cát cấp phối xấu v.v ; đối với đất dính thì tên đất có kèm theo tính dẻo của đất cao hay thấp v.v

Tuy nhiên, nếu thực hiện đầy đủ các bước đánh giá đất về mặt xây dựng theo các tiêu chuẩn của mỗi quốc gia thì dù theo xu hướng thứ nhất hoặc thứ hai, người kĩ sư đều có đủ thông tin cần thiết để sử dụng đất một cách sáng tạo theo tiêu chuẩn hiện hành của mỗi nước.Chương này gồm những kiến thức cơ bản về đất cần cho sự phân loại đất

1.2 PH Â N N H Ó M H Ạ T Đ Ấ T

Đất có cấu tạo hạt nên có tên gọi là vật liệu hạt (granular material) Kích thước hạt trong đất rất khác nhau, nếu ví hạt nhỏ nhất là viên bi trẻ em chơi thì hạt lớn nhất bằng quả đất chúng ta đang sống Do vậy không thể nghiên cứu từng hạt tạo thành đất mà phải nghiên cứu từng nhóm hạt, mỗi nhóm có tính chất đặc trưng Hiện đã thống nhất được tên

các nhóm hạt cơ bản như sau: nhóm hạt sét (Clay), kí hiệu C; nhóm hạt bụi (Silt), kí hiệu

M; nhóm hạt cát (Sand), kí hiệu s và nhóm hạt sỏi (Gravel), kí hiệu G

Lớn hơn hạt sỏi là hạt cuội và hòn đá hộc Đặc tính cơ bản của các nhóm hạt cơ bảnnhư sau:

* Nhóm hạt sỏi:

- Tỉ diện tích rất nhỏ, không đáng ỉ ể

- Không dính ngay cả khi ẩm ướt

- Độ dâng cao của nước m ao dẫn rất nhỏ, không đáng kể

- Không giữ được nước

- Độ dâng cao của nước m ao dẫn nhỏ

- Giữ đươc nước ít

* N ióm hạt bụi:

- Tỉ diện tích vào khoảng 0,04 - 1,0 mVg

- T ó h thấm khá nhỏ

- Khi ẩm có tính dính và có tính dẻo

- Khi sũng nước dễ chảy loãng

- H it và giữ được nước nên thể tích đất tăng lên khi hút ẩm và co lại khi mất nước

- Nlớc m ao dẫn dâng tương đối cao và tưcmg đối nhanh.

* N ióm hạt sét:

- Tỉ diện tích lớn, khoảng 20 - 800 m^/g

- Hếu như không thấm nước

- Tính hút ẩm lớn và có khả năng giữ nước nhiều

- Khi hút ẩm thể tích tăng lên nhiều, khi khô co ngót rõ rệt

- Khi sũng nước không chảy loãng như nhóm hạt bụi

- Tính dính và tính dẻo lófn

Cần lưu ý rằng, đến nay các nước không thống nhất về đường kính phân nhóm hạt Do vậy khi xem xét các hệ thống phân loại khác nhau của mỗi nước cần thiết phải biết các đường lín h phân nhóm hạt tưcmg ứng

Trưđc năm 1993, ở nước ta quy định phân nhóm hạt theo bảng 1.1

Đến năm 1993, TCVN 5747 : 1993 quy định phân loại nhóm hạt theo bảng 1.2.

Bảng 1.2 Phân loại nhóm hạt theo TC V N 5747: 1993

Tên nhóm hạt Kí hiệu (theo tiếng Anh) Đường kính phân nhóm (mm)

Đối chiếu vói các phân loại nhóm hạt đã từng dùng, cách phân loại của TCVN 5747 : 1993

đã thay đổi hai giới hạn phân nhóm: lấy 0,002mm (thay cho 0,005m m) làm giới hạn trên của nhóm hạt mịn (gồm nhóm hạt bụi và nhóm hạt sét) So với những cách phân loại nhóm hạt trên thế giới, thì hai giới hạn này của TCVN 5747 : 1993 giống với hai giới hạn lương ứng của cách phân loại của nước Anh, (một điểm hơi khác là cách phân loại của Anh, giới hạn trên của nhóm hạt mịn là mắt rây N" 25 - 63(iin (0,063mm)) Do vậy, người sử dụng đất nhận thấy khó dùng nếu không có bô rây tiêu chuẩn trong đó có rây tưcmg ứng với rây N° 25 của Anh

T ham khảo: Hiện nay có nhiều dự án nước ngoài thực hiện ờ ta; nhiều kĩ sư xây dựng phải tiếp xúc với những đồ án thiết kế của nước ngoài Đe giúp họ có kiến thức \’ìi những tài

liệu liêr, quan đến tiêu chuẩn thiết kế, chúng tôi trích dẫn những phần tham khảo quan trọng cho từng đề mục.

Cách phân loại nhóm hạt hiện dùng ở Trung Quốc được trình bày ở bảng 1.3

Bảng 1.3 Phân loại nhóm hạt của Trung Quốc

Trước đây, Trung Quốc cũng như chúng ta, thường áp dụng các tiêu chuẩn của Liên

Xô c3 /à công nhận bảng phân nhóm hạt tươiig tự với bảng 1.1 với nhóm hạt sét có

d < 0,CO5mm và nhóm hạt mịn (gồm nhóm hạt sét và nhóm hạt cát) lọt qua rây tiêu

c h u ẩ i 0,1 mm và vẫn dùng bộ rây tiêu chuẩn của Liên Xô m à phòng thí nghiệm nào

c ũ n g cc

Na>, theo bảng phân nhóm hạt mới (bảng 1.3), nhóm hạt mịn vẫn có đường kính nhỏ hơn ( I n m nên vẫn sử dụng được bộ rây vốn có nhưng đã quy nhóm cát mịn của nhóm hạt cát V ì lỶióm hạt mịn

Nhiẻu nhà khoa học cho rằng, cách phân nhóm theo bảng 1.3 của Trung Quốc đã thừa hưởng các thành tựu mới của Địa kĩ thuật thế giới trong những thập kỉ cuối cùng của thế kỷ

X X ihưng vẫn bảo tồn được kinh nghiệm quý báu đã đúc kết hàng nửa thế kỉ xây dựng đất nướcTiung Hoa cường thịnh

Tiêu chuẩn của nước Anh quy định phân nhóm hạt theo bảng 1.4.

Bảng 1.4 Phân loại nhóm hạt của Anh

Nhóm hật thô 2 Sỏi và sạn (Gravel) G

Hộ thống phân loại đất của Cục Đường bộ và Giao thông vận tải Mỹ AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) có cách phàn nhóm hạt như ở bảng 1.4 (tên cũ là AASHO - American Associatinn of State Highvvay Officials)

Bảng 1.5 Phân loại nhóm hạt của AASHTO Hoa Kỳ

Nhóm hạt thô Sỏi (Gravel) G

C át(Sand)- s

to nhỏ

75 - 2,00

2,00 - 0,425 0,425 - 0,075

Trên rây số 10 và nhỏ hơn 3 in

Dưới rây số 10 và trên rây sô' 40 Dưới rây sô' 40 và trên rây sô' 200

Tên nhóm hạt Kích thước (mm) Ghi chú

Bảng 1.6 Phân loại nhóm hạt theo u s c s (H oa Kỳ)

Sỏi (Gavel) - G

to nhỏ

75 - 19,0 19,0 - 4,75

Trên rây 3/4 in và nhỏ hơn 3 in Dưới rây 3/4 in và trên rây số 4Cát (S.nd) - s

tovừanhỏ

4,75 - 2,00 2,00 - 0,425 0,425 - 0,075

Dưới rây sô' 4 và trên rây số 10 Dưới rây số 10 và trên rây số 40 Dưới rây số 40 và trên rây số 200Hạt mn (Fine grain) - F

Lớn hơn nhóm sỏi là nhóm hạt cuội (caiUoux) và lớn nhất là nhóm hòn đá (Enrochenients)

0 ,lm m (Trung Quốc), hoặc 0,063m m (Anh), hoặc 0,075m m (Mỹ), 0,08m m (Phấp) v.v

1.3.1 Thành phần khoáng vật của nhóm hạt thô

Những hạt đất có kích cỡ lófn hơn hạt cát thường được hình thành từ tác dụng phong hoá vật lí của tảng đá mẹ Tảng đá mẹ bị vỡ vụn, mảnh đá vỡ có thành phần đơn khoáng hoặc

đa khoáng và các khoáng vật này đều là khoáng vật nguyên sinh: thạch anh, íenspat, canxit, mica trắng, mica đen, v.v

1.3.2 Thành phần khoáng vật của nhóm hạt cát

Cát có nguồn gốc của mảnh đá vỡ nhưng có mức độ vỡ vụn cao hơn Do đó, hạt cát thường do một trong những khoáng vật tạo đá nguyên sinh như đã nêu trên tạo nên Mỏi hạt cát có thành phần khoáng vật, hoặc là thạch anh, hoặc là fenspat, hoặc là mica đen, mica trắng Do fenspat và mica đen dễ bị phong hoá hoá học để chuyển thành các loại khoáng vật sét nên trong cát hạt nhỏ thường gặp các hạt thạch anh và mica trắng; các hạt thạch anh gây được vết nước lên kính và các hạt mica trắng óng ánh dưới ánh mặt trời Thạch anh và mica trắng không ưa nước

1.3.3 Thành phần khoáng vật của nhóm hạt bụi

Nhóm hạt bụi có thành phần khoáng vật như cát mịn đã nêu ở trên Do tỉ diện tích không lớn, do thành phần khoáng vật không ưa nước nên tính giữ nước và tính dính kết của nhóm hạt bụi nhỏ

1.3.4 T h àn h phịần khoáng vật của nhóm h ạt sét

Nhóm hạt sét là nhóm hạt nhỏ nhất tạo nên đất Thành phần khoáng vật của nhóm hạt sét rất phức tạp Ngoài một số ít là khoáng vật nguyên sinh như thạch anh, canxit ở mức độ phân tán cao nhưng vẫn có đường kính lớn hon 0 ,002mm, phần lớn là khoáng vật thứ sinh, chủ yết là khoáng vật sét Khoáng vật sét là tên gọi chung của các khoáng vật thứ sinh được hìih thành từ quá trình phong hoá hoá học các khoáng vật nguyên sinh tạo đá Ví dụ, khoáng vật sét kaolinit là kết quả của quá trình phong hoá hoá học của khoáng vật fenspat

có troní; đá granit Các hạt khoáng vật sét rất nhỏ, thường không lớn hơn 0,002mm nên các hạt khcáng vật sét thường thuộc nhóm hạt nhỏ nhất trong đất mà có tên thường dùng là nhóm hỊt sét

Khcáng vật sét, thường gặp là kaolinit, ilUt, montmorillonit và bentonit, là hợp chất alumo-silicát chứa chủ yếu silic (SÌO9) và alumin (AI2O3) (khoảng 70% khối lượng) và một

ít sắt, rragiê, canxi và kali

Tinh thể của khoáng vật sét có cấu trúc inạng dạng lớp không ổn định khi gặp nước Nước ớ dạng ion (O"^, OH") xâm nhập được vào mạng tinh thể và đẩy các lớp ion có liên kết yếu Iroig mạng tinh thể ra xa nhau làm cho klioáng vật sét và do đó, nhóm hạt sét có tính ngậiTi nJỚc lớn và tính nở thế tích lớn (có tính co lớn khi mất nước)

Tỉ ciện tích và hoạt tính của các loại khoáng vật sét rất khác nhau như trình bày ở

Vớ mắt thường, kính lúp, kính hiển vi thường và kính hiển vi điện tử, các nhà khoa học

về đít Jã nhận biết các dạng cơ bản cúa hạt như sau: dạng khối, dạng dẹt, dạng tấm (hoặcphiến) dạng kim

Dạng của hạt đất quyết định một số tính chất xây dựng của đất như tính nén lún, tính chống trượt (chống cắt) tứứi lưu biến, v.v Đất gồm hạt sắc nhọn có tính nén lún lớn khi chịu lực do cạnh sắc nhọn bị sứt vỡ nhưng có tính chống trượt lớn do tác dụng xen cài giữa các hạt Ngược lại, đất gồm hạt nhẵn có tứứi nén lún rất nhỏ và có nội ma sát rất thấp Đất cát gồm nhiều vảy mica có hành vi đối xử khi chịu lực nén và lực cắt khác với đất cát bình thường.

1.4.1 Hình dạng và đường kính của hạt đất thuộc nhóm hạt thô và rất thô

M ảnh vỡ của đá có dạng bất kì, từ dạng dẹt đến dạng khối Nguyên thuỷ, hạt có cạnh sắc nhọn, m ặt ngoài thô nhám; sau đó do va chạm, mài mòn trong quá trình vận chuyển tự nhiên, hòn đá, hạt đất trở nên tròn nhẵn Tảng đá trở thành hòn đá lăn, dăm đá trở thành hạt cuội, sạn đá trở thành hạt sỏi, v.v

Do hình dạng không quy tắc của hạt đất nói chung, các nhà khoa học đã đề ra một số đại lượng đặc trưng cho hình dạng không quy tắc của hạt đất thô

1.4.1.1 H ệ sô' t h ể tích (V olum etric coefficient)

Theo định nghĩa của Joisel (1948), hệ số thể tích, kí hiệu v.c là tỉ số giữa thể tích hạt đất với thể tích của khối cầu nhỏ nhất chứa trọn vẹn hạt đất

Kí hiệu; V - thể tích hạt đất; a - chiều dài max của hạt đất thì công thức v.c như sau:

6 v

v.c =

Tra'Các trị số tham khảo của v.c cho ở bảng 1.9

Bảng 1.10

14.1.3 Đ ư ờ ng kín h của h ạ t đất thô

líc h thước của hạt đất thô được xác định định lượng bằng đường kứứi của hạt Như đã biết hạt đất thô có hình dạng không quy tắc, hộ số thể tích thay đổi trong phạm vi lớn, tronị khoảng từ 0,01 đến 1, tức khoảng 100 lần nên cần có khái niệm về đường kính hạt.pối với hạt đất thô thì đường kính hạt là đường kính nhỏ nhất của vòng tròn cứng hoặc

lỗ r;y mà hạt đất có thể lọt qua được hoặc bằng phương pháp rây khô hoặc bằng phưoíig phá| rây ướt

.4.2 Hình dạng và đường kính của hạt đất thuộc nhóm hạt mịn

.4.2.1 H ỉn h dạng

'"rừ một ít bột thạch anh, bột silic, các hạt thuộc nhóm hạt sét là hạt khoáng vật sét Khoáng vật ét thường gặp bao gồm: khoáng vật montmorillonit, khoáng vật illit và khoáng vật kaolinit Quakứih hiển vi điện tử, có thể phản loại hmh dạjìg hạl klioáng vậl sét làm hai loại: loại vảy vl giốrg vảy cá (hình l.la ) và loại kim vì giống chiếc kim (hình l.lb ) Các hạt sét kaolừũt, illit, mortmorillonit có dạng vảy với độ dày của vảy móng đến 100 - 5(X) so với chiều dài của vảy (bảrg 1.11) Hạt có dạng kim thuộc loại sét attapulgit (N A Tsytovich - 1973)

a)

Hình I I

Các hạt đất mịn, mắt thường khó phân biệt, có đường kính nhỏ hơn 0,06mm không thể

dùng rây để phân loại như đất hạt thô Hơn nữa, các hạt khoáng vật sét có dạng vảv và dạngkim có tỉ lệ kích thước ba chiều rất khác nhau Do vậy cần thống nhất một quan Jiểm về

khái niệm đưèmg kính hạt đất thuộc nhóm hạt mịn

Khuấy nhóm đất hạt m ịn vào nước cất để tạo một phù dịch (suspention) rồi để yên

lặng Các hạt đất chuyển động hỗn loạn (chuyển động Brown) trong phù dịch bắt đầu

chìm lắng Hạt đất to chìm lắng nhanh hơn hạt đất nhỏ Nếu cốc đựng phù dịch cao

12,5cm thì nhận thấy:

- Sau 2 giây, hạt 0,4mm đã lắng xuống đáy cốc

- Sau 30 giây, hạt 0,06mm đã lắng xuống đáy cốc

- Sau 10 phút, hạt 0,03mm đã lắng xuống đáy cốc

- Sau 1 giờ hạt, 0 ,0 Imm đã lắng xuống đáy cốc

Chính nhà khoa học Stokes đã lập được công thức liên hệ hai đại lượng; kích cỡ hạt đất

(d) và tốc độ chìm lắng (v)

ĩ h - ĩ nTrong đó: Ỵị, - trọng lượng đcfn vị hạt đất;

Yn - trọng lượng đơn vị hạt nước;

r\ - độ nhớt của nước.

Ví dụ, một hạt đất hình dạng không quy tắc, trọng lượng đơn vị = 27 kN/m^ ehìm

lắng trong nước yên tĩnh ở 20“c , với trọng lượng đơn vị Yn = 9,81 kN/m^, với tốc độ

V = 0,33 cm/g thì đường kính của hạt tính theo công thức Stokes là 0,06mm

Từ cơ sơ lí thuyết nêu trên, hiện nay đường kính cúa hạt đất mịn được lấy bằng đường

kính một hạt tròn, cùng vật chất với hạt đất và có cùng tốc độ chìm lắng trong cùng một

mỏi trường nước

1.5 KẾ^ CẤU CỦA ĐẤT

Kết ấu của đất (Soil structure) là khái niệm về sự sắp xếp hạt đất trong khối đất Tuỳ theo hìri dạng hạt và môi trường thành tạo - tồn tại, có nhiều loại kết cấu của đất Hạt đất hoặc chm hạt đất đóng vai trò phần tử tạo kết cấu của đất Cốt đất, còn gọi là xưoíng đất (Soil Skleton) là kết cấu của đất Nói đến kết cấu của đất hoặc cốt đất là nói đến phần tử tạo th ào kết cấu (hạt đất hay chùm hạt) và liên kết giữa các phần tử, tức liên kết kết cấu của đ ất.ró thể đưa ra định nghĩa của kết cấu đất theo dạng công thức định nghĩa như sau:

"răng lực" vào nhau làm cho đất có khả năng chống cắt (trượt) Dưới tác dụng của lực nén các góccanh của liat dề bị vỡ vụn \'à làm cho kết cấu đất có tính biến dạng lớn

Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng các hạt khoáng vật sét, hình vảy, m ang điện tích âm trên

bề mặt và điện tích dương ở m ép cạnh của vảy (hình 1.3) Trong quá trình trầm tích trong nước, các hạt sét lơ lửng trong nước, tham gia vào chuyển động hỗn loạn (chuyển động Brovvn) dưới tác dụng của những lực hút phân tử Van der W aals (Verwey và Overbeek - 1948; Lambe - -1953) và những lực tĩnh điện Trong chuyển động Brown có những sự đụng chạm giữa các hạt do quán tính theo các kiểu khác nhau nhưng có thể phân làm hai kiểu va chạm điển hình giữa hai hạt sét: một là, cạnh hạt này đụng vào mặt hạt kia; hai là, mặt hạt này xáp mặt hạt kia

Kiểu va chạm "cạnh với hạt", các hạt không thể dội lui lại được do lực hút Van der

W aals và lực hút tĩnh điện âm dưctng giữ chặt hai hạt với nhau theo ba dạng Ihường gặp tạo nên hạt kép (hình 1.4)

>■

V/7///77/////A

Hình 1.4 Các hạt kép này chưa đủ nặng để chìm lắng được nên vẫn tham gia vào chuyển động

Brown và sẽ chịu những va chạm khác Cuối cùng chùm hạt (hình 1.5) được hình thành và khối lượng chùm hạt đủ lớn để chìm lắng để tạo nên kết cấu bông (hình 1.6b) Kết cấu bông còn gọi là kết cấu rối (turbulent)

Hình 1.5

Kiểu va chạm "mặt xáp mặt", lực đẩy tĩnh điện có xu thế đẩy hai m ặt ra xa nhưng lực Van der W aals giữa hai hạt hút lại K ết quả là hai hạt hình vảy ở một thế nằm cân bằng gần như song song với một khoảng cách xác định

Sai Ihi chìm lắng, các hạt kép kiểu này tạo nên kết cấu phân tán (hình 1.6b).

Kết ;ấu phân tán còn gọi

loại kết ;ấu trung gian còn gọi

là kết c;u xáo động (rernolded

1 10 100 1000

Hỉnh L8 Chuyển dịch ngang

Bỏ mẫu đất vào đây

Rây thó nhất

Chừng nào lực hút tĩnh điện giữa cạnh - mặt hạt sét được duy trì thì cưòng độ chống cắt của đất vẫn duy trì ở trị số lớn nhất - trị số đỉnh (Peak Shear Strength) Kết cấu bông củađất sét nguyên dạng sẽ chuyển thành kết cấu phân tán làm cho trạng thái của đất thay clổi

1.6 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HẠT VÀ CÂP PHỐI HẠT CỦA ĐÂT

1.6.1 Phân tích hạt bằng bộ rây tiêu chuẩn

Mỗi quốc gia có bộ rây tiêu chuẩn riêng tuỳ

thuộc vào hệ thống phân loại nhóm hạt Từ trước

đến nay, ở ta thường dùng bộ rây tiêu chuẩn của

Liên Xô (cũ) với mắt rây nhỏ nhất là 0,1 mm, rồi

đến 0,25; 0,50; 1,00; 2,00; 5,00; 10,00 (mm)

Điều nay có nghĩa là phưcíng pháp phân tích hạt

bằng rây chỉ thực hiện đối với các hạt đất có

đường kính lớn hơn 0 ,lm m

Bộ rây tiêu chuẩn được xếp chồng trên đáy

rây với rây mịn nhất ở dưới và rây thô nhất ớ trên

cùng (hình 1.9) Cho M gam đất vào rây thô nhất

trên cùng, đặt bộ rây vào bàn lắc hoặc lắc tay đế

thực hiện rây Cân và ghi chép khối lượng m,

đọng lại trên mỗi rây ứng với mắt rây d| và cláy

' Các ráy trung gian

Rây mm nhất

Bảng 1.12Sô' hiệu rây Mắt rây, d| (mm) Khối lượng hạt trên rây, m| (g)

Từ :ố liệu ở bảng tính khối lượng hạt riị lọt qua mỗi rây (tức nhóm hạt có d < dị) theocách thíc cộng dồn Ví dụ nhóm có đường kính d < 2,Om là:

n2,0 = + ni7 + niô + ni5 + ni4 (g)Nhem hạt có d < 0,25m là: ng 25 = + lĩiy

Nhem hạt có d < 0 ,lm là: Hq 1 = (đọng trên ô đáy bộ rây)

Nếi đất không chứa nhóm hạt mịn thì thí nghiệip phân tích hạt đến đây là kết thúc.Vấn đề còn lại là biểu thị thành phần hạt bằng đường phân tích hạt

* T ia m kh ả o về bộ rây tiêu chuẩn của các nước;

M ỗ hệ thống phân loại đất đều kèm theo một bảng phân loại nhóm hạt và một bộ rây tiêu chiẩn Để độc giả tiện theo dõi các hệ thống phân loại đất, trong phần tham khảo này xin nêi những bộ rây tiêu chuẩn và một số quy định được dùng ở m ột số nước có quan hệ kinh tế với ta

1 lộ rây tiêu chuẩn của nước Anh

Bộ ây tiêu chuẩn của nước Anh có số hiệu và mắt rây tương ứng cho ở bảng 1.13

Th;o bộ tiêu chuẩn phân loại nhóm hạt và bộ rây tiêu chuẩn của Anh thì hạt đất lọt qua

rây N° 200 - 0,063mm bằng cách rây ưcft thuộc nhóm hạt đất mịn

T h:0 tiêu chuẩn Anh, đất chế bị dùng làm thí nghiệm về giới hạn Atlerbcrg phải lọt qua rây 36, túc có d < 0.42mm

Nh')m hạt cát dược phân tách bằng hai rây: rây N° 200 và rây N° 8

2 Bộ rây tiêu chuẩn của H oa K ỳ

4,763,362,382,001,190,8400,5900,4200,2970,2500,1490,1050,075

Ngoài bộ rây ghi trong bảng còn có rây 3 in (75m m ), rây 1 in, rây 3/4 in, rây 1/2 iii và rây 3/8 in ( lin = 2,54cm)

Theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ, nhóm đất hạt m ịn lọt qua rây N° 200 và d = 0,075m m bằng cách rây ướt Vậy so với tiéu chuẩn Anh thì đất hạt m ịn theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ lớn hơn0,075 - 0,063 = 0,012m m Điều này cần chú ý đến khi sử dụng hệ thống phân loại đất của mỗi quốc gia

Theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ, đất dùng để thí nghiệm xác định giới hạn Atlerberg phải lọt

qua rây N® 40 - 0,420m m Điều này tương tự với tiêu chuẩn A nh với rây N° 36 - 0,42mm.

3 Bộ rây tiêu chuẩn của Pháp

Theo tiêu chuẩn của Pháp (NFX 11-501) thì bộ rây tiêu chuẩn của Pháp được quy định như sau:

a) D o hệ thống phân loại đất A A SH TO (Hoa K ỳ) được sử dụng ở Pháp nên bộ rây tiêu ch u ẩn của H oa Kỳ cũng được chấp nhận ở Pháp nhưng có thay đổi về rây No 40 và rây N° 200

- Theo tiêu chuẩn của Pháp thì rây N° 40 có mắt rây là 0,40m m (của Hoa Ky là0,42m m ), rây N° 200 có mắt rây là 0,08m m (của Hoa K ỳ là 0,075m m)

b) Nhóm đất hạt mịn được quy định là lọt qua rây N° 200 theo tiêu chuẩn Pháp, tức có đưrtig kính nhỏ hơn 0,080mm.

c) Đất dùng làm thí nghiệm Atlerberg phải lọt qua rây 0,40m m (rây số 27 của bộ rây tiêi chuẩn AFNOR)

4 Bộ rây tiêu chuẩn của Liên Xô với bảng phân nhóm hạt của Trung Q uốc theo Quy

trìih 79 v ề p h â n loạ i đ ấ t

Bộ rây tiêu chuẩn của Liên Xô với các mắt rây: 0,10m m; 0,25m m; 0,50m m ; l,00m m ; 2,C0mni; 5mm và 10,00mm được dùng theo Quy trình 62 của Trung Quốc và cũng được dùig ở nước ta cho đến nay

Mặc dù chưa có tài liệu nào hiện nay của Trung Quốc đánh giá bộ rây tiêu chuẩn của Litn Xô nhưng theo tác giả cuốn sách này thì với Quy trình 79 về phân loại đất và phân nh^m hạt (bảng 1.3) của Trung Quốc, bộ rây tiêu chuẩn của Liên Xô với các m ắt rây nêu trêi vẫn thích hợp:

- Nhóm hạt mịn được tách bằng rây 0,10mm

- Nhóm hạt cát nhỏ được tách bằng rây 0,10mm và rây 0,25mm

- Nhóm hạt cát vừa được tách bằng rây 0,25mm và rây 0,50mm

- Nhóm hạt cát to được tách bằng rày 0,50mm và rây 2,00mm

- Nhóm hạt cuội (dăm) được tách bằng rây 2,00mm và rây 5,00mm

Nhân đây cẩn nói ihẻni lằiig, sụ tliày dổi eách phân nhóm hạt từ Tiêu chuẩn Liên Xô (tứ; Quy trình 62 - TQ) sang cách phân loại nhóm hạt mới (bảng 1.3) có hai ưu điểm nổi

bậ, một là thừa hưởng được các tiên bộ khoa học kĩ thuật thế giới hai là k ế thừa được các thinh tựu xây dựng trong gần nửa thế kỉ trước

1.6.2 Phân tích hạt bằng phương pháp tỉ trọng kế

Nếu đất có chứa nhóm hạt mịn lọt qua rây mịn nhất, thì nhóm hạt này sẽ đọng lại ở

ô liáv bộ rây tiêu chuẩn (tức khối lượng đã nêu ở mục trên) Từ nhóm hạt này tách ra một lượng (vào khoảng 50g) để làm thí nghiệm phân tích theo phương pháp

tỉ :rọng kế Theo bộ rây thường dùng của ta và Trung Q uốc thì nhóm hạt m ịn này

có đường kính d < 0,1 mm, theo Hoa Kỳ thì d < 0,075m m (rây N° 200 của M ỹ), theo Anh thì d < 0,063 (rây mịn nhất của Anh) Theo TCVN 5747 - 1993 thì hạt m ịn

có d < 0,08m m

Ngâm mẫu thí nghiệm vào nước cấl (khoảng 300m l) có pha hoá chất phá keo, ví

dụ hoá chất natri hexam etaphosphate với nồng độ 2 g/lít nước cất Sau đó thêm nước cất vàJ dê tạo phù dịch (suspension, có người gọi là huyển phù) với thể tích V vào khoảng 5C0ml hoặc lOOOml tuv thuộc dung tích ống lường làm thí nghiệm , v ề nguyên tắc, ống lưjng có đường kính càng lớn càng tốt vì giảm nhỏ được độ dâng cao m ặt thoáng của

phù dịch khi nhúng tỉ trọng k ế để đo tỉ

trọng của phù dịch Tỉ trọng k ế gồm

phao và cần đọc được ch ế tạo đặc biệt

để thích ứng với thí nghiệm Với nước

cất ở 20°c, vạch đọc ở cần, ngay m ặt

thoáng phù dịch là 1,0 , tức tỉ trọng nước

A = 1 K hoảng cách từ trọng tâm của tỉ

trọng k ế đến vạch đọc là L (hình 1.10)

Khuấy đều phù dịch rồi để yên lặng

(lấy mốc thời gian chìm lắng hạt đất t = 0

từ đây), tỉ trọng k ế cho số đọc ở cần là A^;

Aq chính là tỉ trọng của phù dịch tại t = 0

Khi t - 0 các hạt to nhỏ, lơ lửng trong phù

dịch và phân bố đều từ mặt thoáng đến

đáy ống lường thí nghiệm nên tại độ sâu

Lq ngang trọng tâm của tỉ trọng kế, lcm^

phù dịch đồng chất có khối lượng đơn vị

Po tính theo công thức:

Po m m

Vạch đọc (A ,)

Pn

(1-4)

Sau thời gian tj, phù dịch không đồng nhất nữa và tỉ trọng k ế chỉ số đọc là A] A] là tỉ trọng của phù dịch có khối lượng P i với P | là khối lượng của lcm^ phù dịch lấy ở độ sâu L] ngang với trọng tâm của tỉ trọng kế

Trong phù dịch để yên lặng, các hạt lófn chìm nhanh hcfn các hạt nhỏ, do đó sau thời gian t|, những hạt lớn có đưòtig kính d > d] không có m ặt trong phù dịch trong phạm vi từ mặt thoáng đến độ sâu Lj tính từ mặt thoáng Trị số dj xác định được từ công thức Stokes

đã biết:

Trong công thức (1-5), trị số pj được xác định theo công thức lí thuyết:

Pl V

l _ M d ,

P h V

Trorg đó M j| là khối lượng của những hạt có d < dj

Mặt khác, từ định nghĩa về tỉ trọng của phù dịch, có công thức:

Pn

Từ công thức (1-7), suy ra: Pi = AịPn

với \ - khối lượng riêng của nước đã biết;

- tỉ trọng của phù dịch, ứng với thời điểm t| đã đo được bằng tỉ trọng kế

Từ íai biểu thức ( 1-6) và (1-8) có phương trình;

(1-7)

( 1-8)

M dl V+ 1 -

Mdl

P h V/Pn

^đáy

M mLưrng chứa tính % khối lượng hạt có d < d I chứa trong m ẫu đất ban đầu phân tích hạt là:

n

P d iW = —

1.63 Đường phân bò hạt và cấp phối của đất

Kết quả phân tích hạt được biểu thị bằng đường phân bố hạt trong hệ trục bán logarit, trục tung biiu thị khối lượng nhóm hạt (tính bằng Pị%), nhỏ hơn và bằng đường kính (dị) nào đó, trục hoinh biểu thị đường kứứi hạt được xác định bằng rây của bộ rây tiêu chuẩn hoặc bằng trị số tjnh theo công thức Stokes Trục tung chia đều từ 0% đến 100% Trục hoành chia theo thcUig bgarit với 5 chu kì: 0,001 - 0,01 - 0,1 - 1,0 - 10 - 100 (mm) với đường kính nhỏ dần từ trái qu£ phải (hình ] 12) trừ nước Anh quy định ngược lại (hình 1.11)

Tronị: đó: d |0 - đường kính (lỗ rây) cho lọt qua 10% khối lượng mẫu;

d30 - đưcmg kính (lỗ rây) cho lọt qua 30% khối lượng mẫu;

Cá; t ị số d |0, djo, dgo thường được xác định từ đường phân bố hạt (hình 1.12) Đườiigkúih 1|( có tên riêng là đưòng kính hiệu quả Đưòfng kính dgo, cũng được dùng, gọi làđườnị k n h giữa (median)

Đất ;ó đường phân tích hạt, cong lõm chút ít, có 0,5 < Q < 2 Có tác giả gọi hệ số cong

là bệ số :ấp phối Cj, (coefficient of gradation)

Dất lều hạt li tưcmg có Cy = 1 thì cũng có c^, = 1 Đât, có < 3, được coi như đất có hạt đồng đéi Đất có cấp phối tốt, trị số Qj > 4, đối với đất cuội sỏi; Cy > 6 đối với đất cát Đất không <ỂU hạt, có trị sô' Q, vào khoảng từ 1 đến 3, là đất có cấp phối tốt (TCVN 5747: 1993).Thei Quy trình 79 - Trung Quốc, đất sỏi và đất cát có Cy > 5 và Q = 1 -ỉ- 3, là đất có cấp phô tốt (well graded)

Thei ASTM - Mỹ thì cát có > 6 và 1 < < 3 là cát có cấp phối tốt, cát có Cy < 6,

1 > C (,: 3 là không tốt về cấp phối Theo hệ thống phân loại đất xây dựng của Anh thì mức

độ tốt xíu của cấp phối hạt của đất hạt thô được c in cứ vào lượng chứa các nhóm hạt

Đ ất ;ấp phối tốt có cỡ hạt to nhỏ dàn đểu, nên lỗ rỗng giữa các hạt lớn hơn được các hạt nhỏ láp>ít do đó đất có tính thấm nhỏ, tính nén lún nhỏ và cường độ chống cắt thường cao

1.7, G D I HẠN ATLERBERG VÀ CÁC TRẠNG THÁI VẬT LÍ CỦA ĐÂT HẠT MỊN

Atleberg, nhà khoa học Thuỵ Điển, là người đầu tiên phân trạng thái vật lí của đất dứứi (đất hạim ịn) làm 4 trạng thái tuỳ thuộc độ ẩm của đất: trạng thái chảy (hoặc lỏng - liquid

State), tạng thái dẻo (plastic State), trạng thái nửa cứng (sem isolid State) và trạng thái cứng

(soliđ site)

Đ'ộ m của đất chuyển từ trạng thái chảy sang trạng thái dẻo gọi là giới hạn lỏng, kí hiệu "VV hoặc LL (Liquid Limit) Độ ẩm của đất chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái

nửa cứng gọi là giới hạn dẻo, kí hiệu Wp hoặc PL (Plastic Lim it) Độ ẩm của đất chuyển từ trạng thái nửa cứng gọi là giới hạn co (ngót), kí hiệu là W s (Shrinkage Limit) Các giới hạn Atlerberg thay đổi tuỳ thuộc nhiều yếu tố: lượng hạt sét, loại khoáng vật sét và loại ioii hấp phụ ở bề mặt hạt sét v.v Tuy nhiên, đối với các bài toán kĩ thuật nền m óng thì các ảnh hưcíng của các đặc trưng về độ phân tán, khoáng vật, hoá học được phản ánh đầy đủ trong các giới hạn Atlerberg.

M ẫu đất hạt mịn chế bị (đất có kết cấu bị phá hoại), ở trạng thái lỏng quá (độ ẩni lốfn giới hạn chảy) được để khô gió, có thể tích giảm dần (hiện tượng co ngót) và trải qua các trạng thái lỏng, dẻo, nửa cứng Khi độ ẩm của đất giảm đến giới hạn co ngót thì thế tích không đổi và đất ở trạng thái cứng (hình 1.13)

Hinh 1.13

Để định lượng được các trị số Wp và Wl cần phải có quy định về các trạng thái quá độ: quá độ từ nửa cứng sang dẻo và quá độ từ dẻo sang lỏng Thực tế đất chuyển trạng thái từ từ

và không có sự thay đổi đột ngột về tính chất vật lí

Trừ giới hạn co, giới hạn dẻo và giới hạn lỏng được dùng phổ biến để phân loại đất hạt m ịn Giới hạn co không dùng trực tiếp để phân loại đất nhưng lại có giá trị khi xác định kết cấu của đất dính Đ ất dính có kết cấu bông co ngót m ãnh liệt hơn đất dính có kết cấu phân tán

1.7.1 Xác định giới hạn dẻo của đất hạt mịn (đất dính)

Đất có độ ẩm bằng giới hạn dẻo, thể hiện tính dẻo Đất, có độ ẩm nhỏ hơn giới hạn dẻo, không thể hiện tính dẻo nên không thể lăn vê thành những thỏi hoặc nặn thành những hình hài mà không có vết rạn nứt

Đến nay, các nhà khoa học đã quy ước thống nhất về giới hạn dẻo như sau: đất được coi là

ở trạng thái quá độ từ nửa cứng sang dẻo khi đất có thể lăn vê bằng tay (hình 1.14a) thành thỏi có đường kính 3mm thì bị nứt vỡ thành từng đoạn dài từ 3mm đến lOmm (hình 1.14b) Dùng những đoạn đứt vỡ này để làm thí nghiệm xác định độ ẩm Độ ẩm tmh bằng % xác

định đư(c chính là giới hạn dẻo Thoạt nhìn, phương pháp thủ công này thật thô sơ nhưng đến nay vẫn;hưa có một phương pháp nào khác đáng tin cậy hơn.

Hiệỉ nay thường dùng hai loại phương pháp: phưong pháp dùng xuyên côn và phưcíng pháp dìiig ihiẻl bị cliuấii Casagiáiide

1.71.1 Phương pháp dùng xuyên côn (cone penetration)

Thit bị thí nghiệm gồm một mũi côn làm

bằng ưíp không gỉ và cần côn, góc đính côn là

30° và Jiối lượng kể cả cần là 76g (còn Vaxiliev)

hoặc 8'g (côn Anh)

Đ ấư h í nghiệm đựng trong cốc kim loại có

đường cính đủ lớn và đủ sâu để thành cốc và

đáy cô không ánh hưởng đến cơ chế làm việc

của đ ấ k h i côn ngập vào đất

T ho phưoíng pháp Vaxiliev (hình 1.15) thì

đất ở tdng thái quá độ từ lỏng sang déo khi đất

giữ đưc côn ớ thế cân bằng với độ ngập sâu

lOmm au 15 giây; Phương pháp này dùng phố biến ở ta, Liên Xô cũ và Trung Quốc,

T h e phương pháp của tiêu chuấn Anh (hình 1.16) thì đất ở trạng thái quá độ từ trạng thúi lỏ g sang dẻo khi đất giữ được côn ở thế cần bằng sau 5 giây với độ ngập sâu 20mm Klió cb' bị một mẫu đất thoả mãn ngay điều kiện quy định này Do vậy, cho phép xác định

Cẩn thảng bầng

Hinh 1.15

độ ẩm ở trạng thái quá độ từ dẻo sang lỏng

bằng phương pháp nội suy tuyến tm h (hình

1.17) từ 5 đến 6 lần thí nghiệm với 6 độ ẩm

khác nhau

Vì độ ngập sâu của mũi côn vào đất phụ

thuộc ma sát của mặt ngoài của côn và tốc

độ rơi ban đầu của côn Do đó phải quy

định mấy điểm sau:

- M ặt ngoài của côn phải sạch

- Côn thả rcfi tự do, với mũi côn ban đầu

chạm mặt đất trong cốc (xem hình 1.16)

- Loại các hạt thô trong đất thí nghiệm:

nếu dùng côn Vaxiliev thì đất thí nghiệm

phải lọt rây 0 ,lm m , dùng côn Anh thì đất

thí nghiệm phải lọt rây 425nm (0,425mm)

1.18b) Dùng tay quay có lẫy để chén đựng

đất đã vạch rãnh đập tự do vào đế của thiết

bị Với mỗi lần đập, đáy rãnh khép lại một

ít, nếu sau 25 lần đập, đáy rãnh khép kín lại

thì theo quy định, đất thí nghiệm trong chén H ình 1.17

là ở trạng thái quá độ từ dẻo sang lỏng Độ ẩm tưoíng ứng của đất là giới hạn lỏng

ì) t e

Khó oó thể tạo được mẫu đất vừa đủ ẩm

thoả mản ngay được yêu cầu đề ra Cho

phép dùng nội suy tuyến tính từ đường quan

hệ độ ẩ n - log (số lần đập) (hình 1.19) của

5 hoặc 0 thí nghiệm với độ ẩm bất kì với số

lần đập bất kì để rãnh khép kín đáy rãnh để

xác định độ ẩm ứng với số lần đập 25

Một lần nữa cần lưu ý là mỗi hệ thống

phân loâi đất hạt mịn có kèm theo quy trình

thí nghiỉm xác định giới hạn lỏng cũng như

40

V.•V.

>

1 1 ĩ "

Thuỷ ngân (đã biết thể tích)

1.7.3 Xác định giới hạn co của đất dính

Khác với giới hạn lỏng, giới hạn dẻo, giới hạn

co (Wsi đã được xác định từ định nghĩa về sự

co ngót

Mẫu đất thí nghiệm được chế bị như mẫu đất

để xác iịn h giới hạn lỏng và biết chắc là độ ẩm

bằng hoặc lớn hcín giới hạn lỏng để mẫu đất ở

trạng ưái bão hoà Đo thể tích ban đầu và khối

lưọng cia mẫu đất (có dạng hình trụ có chiều cao

gấp ha đường kính Theo tiêu chuẩn Anh thì — Mầu đất thi nghiệmđưc'mg iính bằng 38mm) rồi để mẫu đất khô gió

để tránh rạn nứt bề mật 'Cách quãng thời gian, đo

thê tích và khối lượng mẫu đất để tính độ ẩm của

đâì (lưL ý rằng trong điều kiện khố gió, lượng

nươc bốc hơi bề mặt không vượt quá lượng nước chuyển dịch từ trong ra ngoài mặt mẫu nêr> m ải đất luôn luôn bão hoà nước) Vẽ đường quan hệ giữa thể tích mẫu và độ ẩm của đấi ứng với từng thời điểm đo thể tích như ở hình 1.13 để xác định giới hạn co

Hình 1.20

Trong thí nghiệm này, việc khó là đo thể tích mẫu Theo tiêu chuẩn Anh, phương pháp

đo thể tích bằng cách nhúng mẫu vào thuỷ ngân như ở hình 1.20 được chọn dùng

1.8 CHỈ SỐ DẺO CỦA ĐẤT VÀ QUAN HỆ GIỮA CHỈ s ố DẺO VỚI LƯỢNG CHỨA HẠT SÉT

1,8.1 Chỉ sô dẻo (plasticily Index)

Theo định nghĩa, chỉ số dẻo là hiệu số của giới hạn lỏng với giới hạn dẻo, được kí hiệu

là A hoặc Ip:

Như vậy, chỉ số dẻo là khoảng thay đổi độ ẩm của đất để đất giữ được trạng thái dẻo Ngoài ra, chỉ số dẻo còn cho biết phạm vi thay đổi độ ẩm của đất có liên quan đến sự thay đổi thể tích lớn nhất cũng như tính nén lún của đất (soil com presibility) Độ ẩm gần với giới hạn dẻo thì đất ở trạng thái dẻo nhưng hơi cứng - quy ước gọi là dẻo cứng Độ ẩm gần với giới hạn lỏng (tức giới hạn chảy)thì đất ở trạng thái dẻo nhưng hơi lỏng - quy ước goi là dẻo nhão (hoặc dẻo chảy)

Chỉ số dẻo có quan hệ với lượng chứa nhóm hạt sét và loại khoáng vật sét của hạt sét Hình 1.21 cho thấy quan hệ ấy là quan hệ tuyến tính (Skempten - 1953)

Hình 1.21

Skempton đề nghị dùng mức hoạt tính, kí hiệu M HT để biểu thị hoạt tính của đấl;

Lượng chứa (%) nhóm hạt sét với nhóm hạt sét có đường kính nhỏ 0 ,002mm

(1-1 6)

M íc hoạt tính của một số khoáng vật thưèmg gặp trong đất dính (đất hạt mịn) cho ở bảng ;.16 (Skempton - 1953).

Đì't sét có mức hoạt tính thấp, thường là đất sét chứa nhóm hạt sét có thành phần

khoátg vật sét kaolinit, có tính ổn định cao (tức tính co, nở ít) Đất sét có hoạt tính trung bình, chứa chủ yếu hạt sét illit, có tính ổn định bình thường Đất sét có hoạt tính cao, chủ yếu ciứa khoáng vật montmorillonit, có tính ổn định thấp, lức đất có độ co nở nhiều, khi độ

ẩm thay đổi

l.s.2 C hỉ sỏ dẻo, giới h ạ n iỏng với các loại đất

A lerberg là người đầu tiên nhận thấy giữa các loại đất và chỉ số dẻo, giới hạn lỏng (còngọi u giới hạn chảy) của chúng có liên quan với nhau (bảng 1.18)

Trên cơ sở của ý tưởng nêu ở bảng 1.18, về sau Casagrande đã đưa ra cách phân loại chi tiết dựa vào phưcíng trình:

Độ chắc của đất hạt mịn được đánh giá bằng độ sệt tương đối B Đ ộ sệt B còn có tên chỉ

số lỏng (liquidly index), kí hiệu II được định nghĩa theo biểu thức:

W - W p

Wl - Wp

(1-18)

Trong đó w - độ ẩm của đất chế bị đang xét

Khi B < 0, tức đất có w < Wp đất ở trạng thái cứng, lúc này độ ẩm nhỏ kéo theo lớp nước hấp phụ rất mỏng, các hạt đất sít lại gần nhau làm cho đất chắc thêm Khi B > 1 lức đất có w > W l, độ ẩm khá lớn làm cho lớp nước hấp phụ dày lên, các hạt đất tách xa nhau làm cho đất kém chắc và có trạng thái gần như lỏng Khi 0 < B < 1, đất ở trạng thái dẻo.Đất dính có trị số B càng nhỏ càng chắc và làm nền tốt

Đất có Ip lớn, ví dụ lớn hơn 7 thì trong phạm vi từ 0 I , còn chia nhỏ như bảng 1.19

Với một loại đất, khi xác định tên đất cần thiết phải nêu rõ trạng thái vật lí nay của ỉài

1.^.2 Độ chặt của đất hạt thô

Cíng như đất hạt mịn, đất hạt thò cũng có những giới hạn về độ chắc của đất Độ chắc của đ á hạt thô quyết định bởi độ chật của đất Đất hạt thô có cấp phối càng tốt, có độ chặt càng lớn nên có độ chắc càng lớn Một loại đất hạt thô có hai giới hạn về độ chắc, một là trạng hái tơi xốp nhất và trạng thái chật nhất Đất ở trạng thái tơi xốp nhất, có độ chắc kém nhất rèn khả năng chịu tải kém nhất Đật ở trạng thái chặt nhất thì chắc nhất và có sức chịu tải lới nhất Đất hạt thô trong điểu kiện tự nhiên ở trong phạm vi giữa hai trạng thái giới hạn my

Đ( chắc của đất hạt thô được đánh giá định lượng bằng độ chặt tương đối (relative densit/), kí hiệu là D:

^max ^min

^max ^minllico quan điểm này thì các giới hạn về độ chắc của đất nói chung được tổng quát hóa như ở bảng 1.2 0

thể hiên ' như vát thề cứng *

1 0

độ Sệt tương đối B

1 1

trạng thái ' độ chắt

1i' trạng íháịĐất hạt thô < chãi cứng '

Ịi,0 tương đối D • Ịo tơi rời nhất

Thto tiêu chuẩn Liên Xô mà ta thường dùng trạng thái chặt của đất cát được phân làm mấy cíp như ở bảng 1.21

H in h ì 2 2

Mặt cắt bửa

^ ị đôi qua tâm

‘ Chân cắt mài dũa bằng thép, tối tại mép

8 đường ren tột đỉnh cho mõi in

Tạo từ hai Ống khônọ nổi để cho đủ đường

24 "

có mạch ính

dụ, theo Liên Xô thì búa'có khối lượng 63,5kg và chiểu cao rơi là 71cm; theo M ỹ thì khối lưcừig à 65kg và chiều cao rơi là 76,2cm Số lần đóng để ống lấy mẫu cắm sâu vào đất 30cni lì "trị sô' N" (N value) của thí nghiệm SPT (trị số N) đặc trưng cho độ chắc của đất Giữa tn số N và độ chặt tương đối (theo Liên Xô) có quan hộ như ở bảng 1.24

Trường phái cơ học đất Xô viết không công nhận số liệu thí nghiệm đóng ống lấy mâu trong đất hạt mịn vì sự hình thành áp lực nước lỗ rỗng dưới tác dụng của lực đóng.

Đối với cát mịn hay chứa bụi, chặt hoặc rất chặt bão hoà nước, trị số N có thể lớn khác thưòíig vì đất có xu thế giãn nở khi bị cắt trong điều kiện không thoát nước Do vậy, trong những trường hợp như vậy, kết quả thí nghiệm SPT (tức trị số N, phải được giải thích cẩn thận).Ngoài ra, trị số N của đất dính chịu ảnh hưởng của độ sâu tiến hành thí nghiệni SPT Dưới tác dụng của áp lực tầng phủ, tức ứng suất bản thân hiệu quả, trị số N có được ở hiện trường có thể sai khác Do vậy, nhiều tác giả đã đề nghị hiệu đính trị số N hiện trưìíng để thích hợp với áp lực tầng phủ Hộ số hiệu chỉnh C|^ (correction íactor) có dạng như sau (L Menard, Y Broise - 1975)

1915

Trong đó p' là ứng suất bản thân hiệu quả tại

độ sâu thí nghiệm tính bằng kN/m^ Lưu ý rằng

công thức xác định C|SJ vừa nêu có giá trị khi

Thí nghiệm đóng ống lấy mẫu (SPT) ở độ

sâu 6m trong đất cát có trọng lượng đơn vị

Q

3 CT

Hệ ố hiệu chỉnh cũng có thể xác định theo công thức khác:

Cm = - - với p' < 72 kN/m^ (72kPa)

^ l + 0,0418p'

và Cv, = -r -với p' > 72 kN/m^ (72kPa)

3,25 + 0,0104p’

V í cụ 1.2: Hiệu chỉnh trị số N có được từ SPT hiện trường.

Thí nghiệm đóng ống lấy mẫu chuẩn (SPT) trong đất cát có trọng lượng đơn vị

20 kN/n^, ở độ sâu 8,5m được trị số N là 38 Đề nghị xác định trị sô' N thực

- Ti số N thực:

Na,uc = Cn Nh,en ™.',ng = 0,80 x 38 = 30

3 Niận xét:

H ai:ông thức tính hệ số hiệu chỉnh đã nêu cho kết quả tưcfng tự

V7 (ỊI 1.3: Hiệu chỉnh trị số N từ SPT hiện trường có xét đến áp lực nước lỗ rỗng.

Số ệu đất hiện trường như sau; đất cát có trọng lượng riêng bão hoà là 20,04 kN/m^

Mực ni5c ngầm ở độ sâu 1,5in tính từ mặt đất Thí nghiệm SPT ở độ sâu 8,5m cho trị số N

là 38 ỉề nghị xác định irị số N ihực theo hai phương pháp

G ic:

1 íiệu chinh theo còng thức thứ nhất:

Cn = 0,77 log,0 p' > 24

Do vậy, khi thí nghiệm SPT cần đảm bảo mực nước ngầm ở hố khoan bằng hoặc cao hơn một ít so với mực nước ngầm Đối với cát mịn Terzaghi và Peck cho biểu thức liên hệ giữa trị số N với trị sô' N'có được từ thí nghiệm SPT dưới mực nước ngầm;

N = 15 + - ( N '- 1 5 )

2

(1-22)

Đối với đất cát, M arcuson và Bieganousky (1977) có biểu thức kinh nghiệm liên hệ gi ưa

độ chặt tương đối của đất cát với trị số N từ đáy ống lẫu mẫu ở hiện trường (SPT):

D ( % ) = 11,7 + 0 ,7 6 (2 2 2 N + 1 6 0 0 -5 3 ơ 'z -5 0 C ^ )® "‘' (1-23)Trong đó: Cy - hệ số đều hạt của đ ú;

ơ'ỵ - ứng suất bản thân hiệu quả thẳng đứng tại độ sâu thí nghiệm

Sau đây là một số trị số tham khảo ở bảng 1.26 (Brajam DAS)

1.9.4 Thí nghiệm xuyên côn tĩnh (Static Cone Penetration Test - S-CPT) xác định

độ chặt của đất hạt mịn

Độ chắc của đất dính (đất hạt mịn) có thể xác

định được từ sức kháng xuyên côn tĩnh ở hiện trường

Hiện nay thường dùng thiết bị xuyên côn (Cone

penetrom eter) có hình dạng và kích thước như sau

(hình 1.25)

- Góc mũi côn: 60°

- Đường kính: 3,57 - 3,60cm để có diện tích hình

chiếu bằng của côn là lOcm^

Thiết bị xuyên côn này thường gọi là xuyên côn

Hà Lan

Nén lên đầu cần xuyên một lực để mũi côn được

ấn sâu vào đất 80mm với tốc độ 20 mm/s Tỉ số

cường độ lực nén (kG) với diện tích đáy (cm^) cho trị

số sức kháng xuyên côn tĩnh q^ (Cone penetration

resistance) Đất càng chắc trị số kháng xuyên côn

đất được phân loại theo bảng 1.28 (theo G I Chevesova - Matxcơva 1991).

Lực dính của đất cho phép tạo được mẫu đất dạng

hình trụ để thí nghiệm nén m ột hướng M ẫu đất có

chiều cao từ 1,5 lần đến hai lần đường kính Nén một

hưótig là nén nở hông tự do, là trường hợp đặc biệt

của nén ba hướng với máy ba trục Thường dùng máy

nén một trục để thí nghiệm (hình 1.26) Tốc độ tăng

áp lực nén được khống chế sao cho tốc độ biến dạng

dọc trục vào khoảng 0,5 đến 2% chiều cao mẫu trong

một phút Như vậy một thí nghiệm kéo dài trong

khoảng 5 đến 20 phút Có quy trình hướng dẫn thí

nghiệm này

K Terzaghi, trên cơ sở số liệu nén một trục và chỉ

thị nhận biết ở hiện trường đưa ra thang độ chắc của

đất dính (bảng 1.29) Thang độ chắc này cũng được