Nước ta nằm trong vùng nhiệt đới ẩm, nằm rải từ vĩ độ 8o 60’ Bắc đến 23o40’ Bắc, trong đó khu vực miền Trung nằm trong khoảng từ 11o 00 đến 19o00 Bắc. Mặt khác do ảnh hưởng của địa hình phía đông giáp biển phía tây giáp núi, dãy trường sơn chạy dọc theo bờ biển và phân đỉnh bằng dãy núi cao tạo ra hai miền khí hậu khác nhau giữa đông và tây. Khí hậu miền Trung chia ra làm hai mùa rõ rệt: mùa khô nóng và mùa mưa. Chịu ảnh hưởng mạnh của chế độ khí hậu khắc nghiệt sản phẩm của đất phong hoá từ đá mẹ đã có các tính chất khác thường so vùng núi phía bắc cũng như vùng đất trầm tích phía nam. Kết quả nghiên cứu cho thấy đất miền Trung khi tiếp xúc với nước đã lộ ra các đặc tính cá biệt, đó là : Tính tan rã, tính co ngót lớn, tính trương nở, tính lún ướt và đặc biệt giảm độ bền mạnh và xuất hiện áp lực kẽ rỗng thi công khi đất bị tưới ẩm không đều và ở mức cao.
Trang 1Chương 3: THI CÔNG ĐẤT CÓ TÍNH CHẤT CƠ LÝ ĐẶC BIỆT
VÙNG MIỀN TRUNG
MỞ ĐẦU
Nước ta nằm trong vùng nhiệt đới ẩm, nằm rải từ vĩ độ 8o 60’ Bắc đến 23o40’ Bắc,trong đó khu vực miền Trung nằm trong khoảng từ 11o 00 đến 19o00 Bắc Mặt khác doảnh hưởng của địa hình phía đông giáp biển phía tây giáp núi, dãy trường sơn chạy dọctheo bờ biển và phân đỉnh bằng dãy núi cao tạo ra hai miền khí hậu khác nhau giữa đông
và tây Khí hậu miền Trung chia ra làm hai mùa rõ rệt: mùa khô nóng và mùa mưa Chịuảnh hưởng mạnh của chế độ khí hậu khắc nghiệt sản phẩm của đất phong hoá từ đá mẹ đã
có các tính chất khác thường so vùng núi phía bắc cũng như vùng đất trầm tích phía nam.Kết quả nghiên cứu cho thấy đất miền Trung khi tiếp xúc với nước đã lộ ra các đặc
tính cá biệt, đó là : Tính tan rã, tính co ngót lớn, tính trương nở, tính lún ướt và đặc biệt
giảm độ bền mạnh và xuất hiện áp lực kẽ rỗng thi công khi đất bị tưới ẩm không đều và ởmức cao
3 1 CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÍ CHỦ YẾU, ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA ĐẤT KHI TIẾP XÚC VỚI NƯỚC
Do hình thành từ nguồn gốc khác nhau và chịu tác động của chế độ khí hậu khắcnghiệt, quá trình phong hoá diễn ra liên tục, đất đắp đập miền Trung sau khi đưa vào sửdụng trong thân đập với thiết kế và thi công thông thường đã bộc lộ ra nhiều điểm bất cập.Trong bài giảng này tác giả trình bày tổ hợp nghiên cứu và phân tích các đặc tính cá biệtcủa đất khi tiếp xúc với nước
3.1.1 Tính trương nở
Để có cơ sở phân tích, bài giảng xin nêu một số khái niệm chủ yếu sử dụng trongphân tích đánh giá
3.1.1.1 Các tiêu chuẩn phân loại đánh giá mức độ trương nở đất
Hiện nay có rất nhiều phương pháp phân loại độ trương nở đất Có phương pháp dựavào các giới hạn Atterberg và sự trương nở thể tích để đánh giá, có phương pháp chú ýđến thành phần hạt keo kết hợp các chỉ số khác, có phương pháp chỉ dựa vào khả năng
Trang 2Hệ thống đánh giá 1 : Dựa vào kết quá thí nghiệm trương nở để phân loại (CHốù 2
- 05-08-1985)
Hệ thống đánh giá 2: Dựa vào giới hạn Atterberg và các chỉ số khác làm cơ sở- Hệ
thống phân loại của Mỹ và các nước phương Tây
Phương pháp thứ nhất: Tiêu chuẩn phân loại theo Tiêu chuẩn của Liên xô
cũ-(CHốù 2 - 05-08-1985)
Bảng 3.1: Tiêu chuẩn phân loại theo tiêu chuẩn của Liên xô cũ
Độ trương nở (%) Phân loại trương nở
N<4 Không trương nở4<N<8 Trương nở yếu8<N<12 Trương nở trung bìnhN>12 Trương nở mạnh
Trong đó:
N: là độ trương nở tương đối (%)
hc: là chiều cao cuối cùng của mẫu thí nghiệm
ho: là chiều cao ban đầu mẫu đưa vào thí nghiệm
Phương pháp thứ hai: Dựa vào các chỉ số Atterberg và các thành phần cốt đất.
Phương pháp này chia ra thành nhiều phân cấp đánh giá trong đó có các phương phápthông dụng sau
Phân loại 1: Dựa vào chỉ số trương nở EI
Trong đó :
h : tỉ lệ phần trăm trương nở
F: tỷ lệ % lọt qua sàng tiêu chuẩn số 4 (ASTM)
Tiêu chuẩn đánh giá trương nở theo phương pháp này được quy định trong bảng 3.2
% 100 x
% 100 x
Trang 3Bảng 3.2: Tiêu chuẩn phân loại trương nở dựa theo chỉ số EI
EI Phân loại trương nở
Phân loại 2: phân loại trương nở dựa vào chỉ số dẻo
Bảng 3.3: Phân loại trương nở theo chỉ số dẻo làm cơ sở chính
Chỉ số dẻo (PI) % Phân loại trương nở
Phân loại 3: phân loại trương nở dựa trên chỉ số dẻo (PI) và chỉ số co ngót (SI)
Bảng 3.4: Phân loại trương nở theo chỉ số dẻo kết hợp với chỉ số co ngót
PI (%) SI (%) Phân loại trương nở
Phân loại 4: phân loại trương nở dựa trên độ ẩm giới hạn chảy (LL); chỉ dố dẻo (PI)
và hiệu giữa áp lực không khí và áp lực kẽ hổng (Mbh)
Bảng 3.5: Phân loại dựa trên các đặc trưng cơ lí LL, PI, Mbh
Trang 4% Chất keo
(<0.0001mm) Chỉ số dẻo
(%)
Độ ẩm co ngót (%) Thay đổi thể tích toàn phần(%) trương nở Phân loại
dù có nhiều phương pháp đưa ra sau này đơn giản hơn, song phương pháp phân loại 5, rađờì từ năm 1989 do Holz và Gibs đề xướng vẫn là phương pháp đánh giá toàn diện nhất,được áp dụng rộng rãi trên thế giới Trước đây chúng ta dùng phương pháp đánh giátrương nở thuộc hệ thống một để phân loại (Nga) Hiện nay chúng ta đã bắt đầu sử dựngphương pháp phân loại 5 để phân loại
3.1.1.2 Một số thông số vật lý trong nghiên cứu trương nở
Trang 53.1.1.3 Bản chất của hiện tượng trương nở
Khi tiến hành thí nghiệm trương nở, người ta thấy rằng tính trương nở phụ thuộc cơbản vào thành phần chất keo có trong đất, kích thước hạt keo được giới hạn bởi kíchthước hạt có đường kính nhỏ hơn 0,0001mm Xét dưới quan điểm kỹ thuật thì hạt sétđược xem là chất keo vì nó có hình dạng không thuần nhất và có diện tích bề mặt rất lớn Đối với các hạt keo cơ chế liên kết khác các hạt thô, lực bề mặt đóng vai trò quan trọnghơn lực trọng trường Lực bề mặt có thể là lực hút bám qua các hạt, lực tĩnh điện, lực liênkết ion Các thành phần này quyết định không những đến khả năng trương nở và ngay cảtrường hợp tan rã nó cũng đóng vai trò rất quan trọng Ở các mục sau sẽ chứng minh luậnđiểm này
3.1.1.4 Đặc trưng cơ học của đất trương nở miền Trung
a/ Ảnh hưởng của tổ hợp cấu tạo hạt tới sự trương nở
Đặc tính trương nở của đất phụ thuộc cơ bản vào hàm lượng các hạt keo có trongđất Như ta đã biết, cấu tạo đất gồm ba pha: cốt đất, không khí và nước Khi độ ẩm nhỏnước được hút bám vào bề mặt các cốt đất (Solid) Khi hàm lượng nước tăng lên, trên bềmặt các hạt lớn được bôi trơn Các hạt nhỏ có đường kính nhỏ hơn 0,0001mm (hạt keo)
có khả năng hút nước mạnh hơn Do đặc tính mang điện tích âm, các hạt sét sẽ hút các iontrái dấu (+) và đẩy các ion cùng dấu (-) Lúc này lực giữ các hạt keo với nhau bị tác độngcủa lực liên kết bề mặt hơn là trọng lực Cơ chế trương nở phụ thuộc chính vào sự phân
bố các hạt sét, hạt keo nằm giữa các hạt có đường kính lớn hơn Theo kết quả nghiên cứucho thấy quan hệ giữa độ ẩm và trương nở có quan hệ phi tuyến đối với hạt mịn và quan
hệ tuyến tính đối với thành phần hạt thô (biểu diễn trên hệ trục tọa độ thập phân) Xéttheo toạ độ Logarit thì thấy độ ẩm nhỏ tuân theo quan hệ tuyến tính, độ ẩm lớn theo quan
hệ đường cong Hiện nay đã có rất nhiều thí nghiệm chứng minh cho đặc tính trương nởcủa đất khi tiếp xúc với nước Các thí nghiệm sau đây sẽ chỉ ra các ảnh hưởng của đặctính này khi ta thay đổi các yếu tố tác động
Thí nghiệm ảnh hưởng của đất chứa nhiều hạt sét đến khả năng trương nở
Quan hệ giữa thành phần hạt sét và khả năng trương nở được thể hiện qua hình 3.1.Các số liệu trên chỉ ra ảnh hưởng của thành phần hạt mịn đến đặc tính trương nở.Quan hệ của chúng là phi tuyến như hình biểu diễn 3.1 Nếu ta trộn thêm thành phần hạt
Trang 6Thí nghiệm về ảnh hưởng của thành phần hạt thô đến hành vi trương nở đất (d>2mm)
Hình 3.1: Quan hệ giữa hàm lượng hạt sét và hệ số trương nở tự do
Hình 3.2: Quan hệ trương nở tự do và thành phần hạt thô
Nghiên cứu trương nở ở điều kiện có áp lực
Quan hệ hình 3.2 biểu diễn ảnh hưởng của thành phần hạt thô đến trương nở tự quan hệ tuyến tính Thực tế khối đắp trong thân đập luôn có tải trọng tác dụng Vì vậy cầnxem xét ảnh hưởng của thành phần hạt thô đối trương nở ra sao khi khối đất chịu tác độngcủa áp lực Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng quan hệ giữa thành phần hạt thô và hệ sốtrương nở khi có tải là quan hệ gần tuyến tính Điều này được biểu diễn qua hình 3.3 Mẫuthí nghiệm được nén dưới áp lực p = 20 kPa Sỏi dùng làm thí nghiệm hạt dạng tròn đầmnện trong cối có đường kính 6,35cm, chiều cao mẫu là 2,54 cm
do-0 5 10 15 20 25 30
Trang 710 11 12 13 14 15 16 17
b/ Nghiên cứu ảnh hưởng của dung trọng đến khả năng trương nở
Tính trương nở đất còn chịu ảnh hưởng của dung trọng đầm nện Đất càng đầm nệnchặt thì khi tiếp xúc với nước hệ số trương nở càng lớn, áp lực trương nở càng tăng Quan hệ giữa dung trọng đầm nện và hệ số trương nở tuân theo quy luật gần nhưtuyến tính và được thể hiện qua hình 3.4
Hình 3 4 : Ảnh hưởng của dung trọng khô đầm nện tới hệ số trương nở
0 5 10
Trang 8Hình 3.5: Quan hệ giữa dung trọng đầm nện và áp lực trương nở
c/ Nghiên cứu ảnh hưởng độ ẩm ban đầu đến khả năng trương nở
Trương nở của đất phụ thuộc vào lượng nước bổ sung và thời gian thực hiện thínghiệm Ở một độ ẩm nào đó đất đã tự thực hiện sự trương nở cân bằng theo điều kiệnkhống chế ngoại lực Nếu mẫu đưa vào thí nghiệm có độ ẩm khác nhau thì kết quả trương
nở cuối cùng cũng khác nhau Điều này sẽ mang lại hai kết quả rất có ý nghĩa:
- Minh chứng cho việc áp dụng tiêu chuẩn phân loại 2 sẽ có ưu điểm hơn nhiều sovới tiệu chuẩn phân loại 1
- Có ý nghĩa rất quan trọng cho việc chọn độ ẩm đầm nện để tránh quá trìnhtrương nở sau này, đây là yếu tố quan trọng Các thí nghiệm giữ nguyên dungtrọng đầm nện nhưng cho thay đổi độ ẩm khác nhau, kết quả cho thấy thời gian xảy
ra trương nở tỉ lệ nghịch với độ ẩm gia tăng, điều này được thể hiện ở hình vẽ 3.6
d/Nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm đến độ bền của đất
Thực tế cho thấy khối đắp có thể ổn định ở trạng thái tự nhiên, nhưng khi độ ẩmtăng cao và đột ngột thì xuất hiện trượt mất ổn định Lý do có thể từ nhiều phía song xét
từ góc độ sức bền cắt thì trị số lực học đã bị giảm yếu Xét với đất miền Trung thì yếu tốảnh hưởng này càng thấy rõ nét Để nghiên cứu sự giảm yếu của đất ở trạng thái bão hoà,thí nghiệm dưới đây được thực hiện với các điều kiện:
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Trang 9Trường hợp 1: Mẫu chế bị trong điều kiện đầm nện ở độ ẩm tốt nhất, xác định chỉ số
Hình 3 6 : Ảnh hưởng của độ ẩm ban đầu đến thời gian trương nở
Quan hệ giữa lực dính C và các trạng thái cắt mẫu được thể hiện qua hình dưới đây
Nghiên cứu về độ bền của đất trong các trường hợp khi đất đầm nện ở độ ẩm tốtnhất và cho mẫu đạt độ ẩm bão hoà, kết quả cho thấy: lực cắt C giảm rất mạnh khi độ ẩmđạt trạng thái bão hoà, còn về góc ma sát trong cũng giảm nhưng mức giảm không lớnnhư lực dính Các bảng sau chỉ ra sự sai khác này
0 100 200 300 400 500
Trang 10Qua các kết quả thí nghiệm cho thấy ở độ ẩm tốt nhất các chỉ tiêu cơ lý đạt cao cònkhi đất ở trạng thái bão hoà thì các chỉ tiêu này giảm mạnh, xét về góc ma sát trong giảmtrung bình khoảng 25%, và mẫu có trị số nhỏ nhất đo được là 5,8% Ngược lại hầu hếtcác mẫu có trị số lực dính giảm đi trung bình là trên 50%, cao gấp hai lần so với góc masát trong Trị số cao nhất có mẫu đo được là 77.5%, những mẫu nhỏ hơn 50% chiếm rất ítkhoảng 25% trong tổng số.
Hình 3 7 Quan hệ giữa lực dính C và độ ẩm khi cắt mẫu ở điều kiện khác nhau
Hình 3 8: Quan hệ giữa góc ma sát trong và độ ẩm thí nghiệm cắt
0 20 40 60 80 100
Trang 11Như ta đã biết, lực dính C đóng vai trò khá quan trọng trong tính toán ổn định trượt.
Từ các kết quả trên cho thấy khi đất đạt độ ẩm bão hoà, sức bền cắt giảm đi rất mạnh.Hiện tượng này kết hợp với lún sụt, biến dạng sinh ra trong khối đắp, trạng thái ứng suấtthay đổi là điều kiện tốt cho vết nứt phát triển khi sức bền của đất giảm yếu và đồng thờicũng là cơ hội tốt để cho dòng thấm phát triển
Như vậy tính trương nở đất phụ thuộc vào dung trọng đầm nện, phụ thuộc độ ẩmđầm nện, phụ thuộc vào thành phần tổ hợp các hạt có trong đất và tải trọng tác dụng lênkhối Hiện tượng trương nở của khối khi độ ẩm tăng lên (khi tích nước hồ lần đầu, đườngbão hoà dâng lên), sau đó là hiện tượng lún sụt đã tạo ra một sự dịch chuyển trái chiều,kết hợp với với sự giảm nhỏ của sức kháng cắt, tạo ra sự dịch chuyển tương đối trongkhối đắp Kết hợp với tính tan rã, hiện tượng xói thuỷ lực xảy ra ngay trong khối đắp.Vấn đề này sẽ được tiếp tục nghiên cứu ở các phần sau
Bảng 3.13 : So sánh độ bền của đất tại hai trạng thái độ ẩm tốt nhất và bão hoà tại một số đập
Trang 12Để hạn chế khả năng trương nở của đất trong thân đập cần trộn thêm thành phần hạtthô vào đất trước khi đầm và cần bố trí chúng ở vị trí hợp lý.
3.1.2 Tính tan rã
Hiện nay có nhiều quan niệm khác nhau về tan rã đất Ở Việt nam ta khái niệm về đặctính này của đất cũng cần được xem xét lại Sau đây xin trình bày quan niệm và phươngpháp đánh giá mức độ về tan rã đất từ các nghiên cứu đã thực hiện
Một số khái niệm liên quan
a- Tan rã: Tan rã là hiện tượng vật lí khi ngâm đất trong nước thì thành phần hạt sétcủa đất tan ra trong nước dưới dạng thể keo
b - Các phương pháp xác định và đánh giá mức độ tan rã đất
Hiện nay có năm phương pháp cơ bản phân loại độ tan rã của đất Ở mỗi phươngpháp sẽ có ưu, nhược điểm của nó Các phương pháp này như sau:
(1) Phương pháp phân loại 1: Emersion Class Number
Thủ tục thực hiện phương pháp này như sau :
Lấy vài gam đất khô, sàng qua sàng 4.75mm và 2.36mm giữ lại phần đất thínghiệm trên mắt sàng 2.36mm
Tiến hành thả ba cục đất vào bình chứa 200ml, trọng lượng mỗi viên khoảng
5 gam Nước dùng thí nghiệm có thể là nước tinh lọc hoặc nước giống môitrường tự nhiên (nước của hồ chứa)
Tiến hành lắc nhẹ hoặc không lắc, ghi thời gian thả đất vào nước và thời gianbắt đầu tan rã
- Ghi thời gian các cục đất tan rã hoàn toàn
- Ghi nhiệt độ của nước đang thí nghiệm
Nếu lắc mà đất không tan rã, ta lấy mẫu ra, lấy thêm đất khô, nhào nặn ở độ ẩm giớihạn chảy Nặn ba cục đất tròn có đường kính 3mm rồi đem thả chúng vào nước Có haitrường hợp thí nghiệm sau:
Nếu các cục đất vẫn không tan thì cần kiểm tra hoá chất bằng cách cho thêmdung dịch Cacbonat Canxi hoặc Sunfat Canxi
Trang 13 Trường hợp không cho thêm các dung dịch trên (CaSo4 hoặc CaCo3), người
ta bỏ thêm hai gam đất khô vào và đổ thêm 10ml nước vào dung dịchđất/nước có tỷ lệ 1/5, lắc mạnh trong 10 phút và ghi lại kết quả
(2) Phương pháp phân loại 2: Dựa vào chỉ số PD
Phương pháp phân loại này được dựa trên tỉ lệ phần trăm tan rã để tiên đoán khảnăng xảy ra tan rã hay không Phương pháp thí nghiệm như sau:
Lấy mẫu đất có độ ẩm tự nhiên với trọng lượng khoảng trên 200 gam, sau khi sấykhô còn lại khoảng 100 gam
Sàng đất ẩm này qua sàng 2.36mm, xác định độ ẩm của đất
Lấy mẫu đất lọt qua sàng 2.36mm có trọng lượng sau khi sấy khô khoảng 25 gam.Thả mẫu đất vào đáy bình, đổ nước lọc lên với dung tích khoảng 125ml Dùng bơmchân không hút không khí ra và kéo dài thời gian hút trong khoảng 10 phút Trong quátrình hút chân không nên lắc nhẹ ba lần để toàn bộ khí trong đất có thể ra hết
Đổ dung dịch nước - đất vào bình mới và đổ thêm nước đến vạch 1 lít Lắc đảo đầubình trong 1 phút (tần số 30 lần/phút)
Tiến hành phân loại tỉ lệ theo công thức sau:
% 100
x Q
Cơ sở phân loại của phương pháp này dựa vào hai tiêu chuẩn sau:
- Kết quả thí nghiệm cho thấy nếu phần trăm chất tan chiếm trên 15% thì không cókhả năng sinh ra tan rã
- Nếu phần trăm chất tan chiếm trên 50% thì rất có thể là đất tan rã
(3) Phương pháp phân loại 3: Phương pháp phân tích hóa học
Khi nghiên cứu về cơ chế tan rã người ta thấy rằng có một số ion trong đất đóng vai
Trang 14có thể phân loại và đánh giá khả năng tan rã đất Có rất nhiều công thức được thiết lập vàbiểu đồ tra phân vùng tan rã, ở đây xin nêu hai phương pháp được sử dụng rộng rãi vìnhững ưu điểm nổi bật của nó.
Phương pháp dùng tỉ số hội tụ Natri
Phương pháp hội tụ Nat ri dựa trên chỉ số SAR (Sodium Absorrtion Ratio) Trị sốnày được xác định như sau:
) (
2 /
Mg Ca
Na
Khi có trị số SAR đem tra trên biểu đồ-hình 1.2 của phụ lục số 1 để kiểm tra xemmẫu thí nghiệm nằm trong khu vực nào của phân vùng để đánh giá đất có bị tan rã không.Theo kinh nghiệm chung cho thấy nếu trị số SAR > (1- 2)% thì đất có khả năng tan rã
Phương pháp dựa vào tỉ số ESP (Exchangeable Sodium Percentage)
Tỉ số ESR được xác định như sau:
) Ca Mg
K Na (
Để xác định thành phần của các công thức, các công việc tiến hành như sau:
- Người ta lấy mẫu nước của đất (nước kẽ hổng)
- Sau đó đưa vào loại máy chuyên dùng để xác định các thành phần ion
- Sau khi có thành phần các ion, thay vào các công thức trên được trị số tính toán,đem trị số này tra biểu đồ tra sẵn
Nhiều thí nghiệm cho thấy rằng nếu trị số ESP lớn hơn 2% thì đất có khả năng bị tan
rã Khi ESP khoảng 7% - 10% coi là tan rã trung bình Còn nếu ESP >15% thì được coi làtan rã mạnh
(4) Phương pháp thứ 4: Pinhold Test
Đây còn gọi là phương pháp phân loại tan rã theo thí nghiệm đục lỗ tạo dòng thấmtrước Phương pháp này được giáo sư Jame Sherard và cộng sự của ông thiết lập và trởthành tiêu chuẩn phân loại tan rã có hiệu quả nhất Hiện đang được Australia, Mỹ, Canađa
và một số nước khác sử dụng như làm tiêu chuẩn quốc gia
