chuong 1 tcvl cua dat

Các sản phẩm do tác dụng của phong hóa hóa học làm thay đổi một số khoáng đá thành khoáng sét và còn một số khoáng đá khác không ảnh hưởng. Phong hóa sinh học: các quá trình trên kết hợ

Chương 1: TÍNH CHẤT VẬT LÝ

CỦA ĐẤT

1 Nguồn gốc và quá trình thành

tạo

2 Các thành phần của đất

3 Thành phần hạt và cấp phối

của đất

4 Các chỉ tiêu vật lý của đất

5 Đầm chặt đất

6 Phân loại đất

7 Tóm tắt và bài tập chương

1.NGUỒN GỐC VÀ QUÁ TRÌNH HÌNH

THÀNH ĐẤT

1.1 Nguồn gốc

Đất tự nhiên (đất) là sản phẩm của các

quá trình phong hóa do đá gốc tạo nên

Đá gốc: đá macma, đá trầm tích, đá biến chất,…v.v

 Đá macma: được hình thành do sự nguội lạnh và cứng hóa ở trong hay trên mặt vỏ quả đất từ một dung dịch nóng chảy lỏng, như các đá: granit; bazan; gabro, pocfia…v.v

 Đá trầm tích: được hình thành do các vật liệu lắng đọng trong nước tại biển, hồ, …v.v, như các đá: đá vôi; cuội kết (hạt tròn); than đá; dăm kết (hạt góc cạnh), …v.v

 Đá biến chất: được hình thành từ các đá có sẵn dưới tác động của nhiệt lớn hoặc áp lực thật cao như: đá hoa; đá phiến,…v.v

2

1.2 Các quá trình hình thành

Sự chuyển biến từ đá thành ra đất thường gồm ba quá trình liên tiếp:

1 Quá Trình Phong Hóa

Đó là quá trình mà đá có khối tích lớn bị phong hóa làm vỡ vụn ra thành từng mảng nhỏ, có ba loại phong hóa chính :

 Phong hóa vật lý: do các yếu tố vật lý gây nên như gió, mưa, nhiệt độ (tác nhân mạnh nhất) đã tác động vào đá làm cho đá gốc này bị phân hủy và tạo nên sản phẩm đó là các loại đất rời như cuội, sỏi, cát, v.v Các sản phẩm do tác dụng của phong hóa vật lý thường có góc cạnh sắc bén và thành phần rất gần với đá gốc

 Phong hóa hóa học: do phong hóa vật lý kèm theo các phản ứng hóa học, trong đó tác nhân mạnh nhất là nước với các acid hòa tan và tạo nên sản phẩm đó là các loại đất dính như sét, sét pha cát (á sét), cát pha sét (á cát) v.v Các sản phẩm do tác dụng của phong hóa hóa học làm thay đổi một số khoáng đá thành khoáng sét và còn một số khoáng đá khác không ảnh hưởng.

 Phong hóa sinh học: các quá trình trên kết hợp thêm xác động vật, thực vật và vi sinh vật tích tụ hoặc phân tán trong đất hình thành loại đất lẫn hữu cơ

5

2 Quá Trình Dịch Chuyển

Ba loại phong hóa kể trên thường tác dụng đồng thời, lâu dài làm cho các lớp đất đá trên mặt bị vỡ vụn Sau đó do tác dụng của dòng nước, gió, …v.v, các mãnh vụn bị dịch chuyển đi nơi khác.

3 Quá Trình Trầm Tích

Tùy theo kích thước các hạt to, nhỏ mà trong quá trình dịch chuyển chúng sẽ lắng đọng hoặc rơi xuống tạo thành các tầng lớp đất khác nhau được gọi là trầm tích

2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA ĐẤT

Đất có 3 thành phần (pha) chủ

yếu:

Thành phần chính của đất là các

hạt đất (hạt rắn) Các hạt đất này

chỉ chiếm một phần thể tích của

đất, còn lại là lỗ rỗng của đất.

 Trong lỗ rỗng chứa nước và khí

Nếu lỗ rỗng của đất chứa đầy

nước thì gọi là đất bão hòa, nếu

lỗ rỗng của đất không có nước thì

gọi là đất khô.

 Tính chất của đất phụ thuộc vào

tính chất và sự tương tác của các

thành phần hợp thành là: hạt đất

+ nước + khí

Đất = 3 pha

Solid

 Hạt đất là thành phần chủ yếu của đất Khi lực tác dụng bên ngoài lên mặt đất thì các hạt đất cũng chịu lực mà truyền rộng ra và xuống dưới sâu Tập hợp các hạt đất là khung cốt của đất

 Người ta đánh giá đất chủ yếu dựa vào pha hạt rắn.

 Các hạt đất có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau tùy thuộc vào các quá trình phong hóa - dịch chuyển - trầm tích.

 Mỗi nhóm hạt đất có đặc tính riêng như:

o Nhóm hạt cát có tính rời ở trạng thái khô hoặc

a Thành phần hạt

Dựa trên kích thước, chia thành hai nhóm chính: hạt thô và hạt mịn

Tên hạt đất được phân theo từng nhóm tuỳ thuộc vào kích thước Tuy nhiên ranh giới để phân biệt các loại hạt được quy ước khác nhau theo các quy phạm khác nhau.

b.Thành phần khoáng

Khoáng vật nguyên sinh

Khoáng vật thứ sinh

So sánh đất hạt thô và đất hạt mịn

Khả năng chịu tải cao Khả năng thoát nước tốt Cường độ và sự thay đổi thể tích không bị ảnh hưởng

bởi độ ẩm

Kích thước và cấu trúc hạt quyết định tính chất kỹ thuật

Không nén được khi ở trạng thái chặt

Sự rung động làm thay đổi thể tích khi ở trạng thái rời.

Khả năng chịu tải kém

Tính thấm kém Các đặc tính về cường độ và sự thay đổi thể tích bị ảnh hưởng bởi độ ẩm

Tính chất kỹ thuật được kiểm soát bởi yếu tố khoáng vật hơn là kích thước hạt.

a.Nước trong hạt khoáng vật:

Là nước ở trong mạng tinh thể khoáng vật của

không ảnh hưởng tới tính chất cơ – lý của đất.

b Nước liên kết mặt ngoài

Tạo nên bởi tác dụng của lực hút điện phân tử giữa hạt sét (-) và phân tử nước có tính chất lưỡng cực.

 Nước hút bám: là loại nước bám rất chặt vào mặt ngoài của hạt đất Nước ở thể rắn và chui cả vào mạng tinh thể khoáng vật 

xem như một phần của hạt rắn, do đó không ảnh hưởng tới tính chất của đất.

2.2 Pha lỏng

 Nước liên kết mạnh: ở xa hạt sét hơn một

chút so với nước màng Là lớp nước bám tương

đối chặt ở bề mặt hạt Không có ảnh hưởng

nhiều đến tích chất của đất

 Nước liên kết yếu: là lớp nước liên kết ngoài cùng của hạt đất, nước vẫn còn bị giữ

ở bề mặt hạt nhưng lực hút yếu dần cho đến không còn ảnh hưởng Vành nước liên kết có ảnh hưởng đến tính chất đất, nó làm cho đất có tính dẻo, tính dính

Dạng vỏ nước bao quanh hạt đất

c Nước tự do

Là loại nước nằm ngoài phạm vi tác dụng

của lực điện phân tử của hạt đất, gồm có nước trọng lực và nước mao dẫn.

 Nước trọng lực : Có những tính chất thông thường của nước ở trạng thái lỏng nói chung Nó thấm trong đất dưới tác dụng của trọng lực Nước trọng lực ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ – lý của đất và chúng ta phải giải quyết các vấn đề sau đây:

o Khả năng hoà tan và phân giải của nước;

o Ảnh hưởng của áp lực thuỷ tĩnh đối với đất ;

o Ảnh hưởng của lựïc thấm do sự chuyển động của nước trong đất đối với tính biến dạng và ổn định của nền đất

 Nước mao dẫn

Độ cao mao dẫn:

( C apillary)

 T: lực căng bề mặt;

 Vùng từ mực nước ngầm đến chiều cao hc được gọi là đới bão hoà nước mao dẫn → áp lực nước lỗ rỗng u < 0.

 Độ dâng lên của nước mao dẫn thay đổi theo sự lên xuống của mực nước ngầm.

Chiều cao mao dẫn trong ống

γ

αcos4

=

Chiều cao mao dẫn của đất (theo

Braja M Das)

2.3 Pha khí

Khí tồn tại trong lỗ rỗng của đất (khí tự do) hoặc

hoà tan trong nước, khí tự do bao gồm hai dạng khí kín và khí hở

a Khí kín

Là khí không thông thương với khí quyển bên ngoài Có ảnh hưởng lớn tới tính biến dạng của đất, tạo nên tính nén, tăng tính đàn hồi của đất, đặc biệt với đất dính.

b Khí hở

Là khí có thông thương với khí quyển bên ngoài, khi chịu tải trọng khí này sẽ thoát ra ngoài gây nên độ lún của đất nền

 Ảnh hưởng của khí đối với các tính chất của đất là không đáng kể và khó tính toán  Trong cơ học đất cổ điển, người ta bỏ qua vai trò của pha khí, coi đất là bão hoà lý tưởng (đất 2 pha).

3 THÀNH PHẦN HẠT & CẤP PHỐI

CỦA ĐẤT

3.1 Thí nghiệm xác định thành phần hạt

trong phòng thí nghiệm

Mục đích: Xác định thành phần hạt của đất là hàm lượng (%) theo khối lượng của mỗi nhóm hạt trong mẫu đất khô tuyệt đối đã lấy để phân tích.

Gồm 2 thí nghiệm: thí nghiệm rây sàng và thí nghiệm lắng đọng

a Thí nghiệm rây sàng (cho nhóm hạt thô)

 Áp dụng với những hạt có kích thước ≥ 0.074mm; có 2cách:

o Rây khô để phân chia các hạt có kích thước đến 2mm (No 10), số:

4’’; 2’’; 1’’; 3/4’’; 1/2’’; 3/8’’ (cỡ rây), N o 4; N o 6; N o 10 (số hiệu)

o Rây có rửa nước để phân chia các hạt có kích thước đến

Máy rây

Rây lưới tròn

Dụng cụ thí nghiệm rây sàng

Rây lưới tròn

Dụng cụ thí nghiệm rây sàng

Máy rây

Rây lưới tròn

Dụng cụ thí nghiệm rây sàng

b Thí nghiệm lắng đọng (cho nhóm hạt

mịn)

 Áp dụng với những hạt có kích

thước sét có kích thước < 0.074mm.

 Nguyên lý tính toán:

Dựa vào Định luật Stokes :”Vận tốc

giới hạn của một vật thể hình cầu rơi

trong một chất lỏng, phụ thuộc vào

đường kính hạt, tỷ trọng hạt, tỷ trọng

của dung dịch và độ nhớt của dung

dịch”.

Trong đó:

v: vận tốc giới hạn của hạt đất rơi tự do

trong bán không gian chất lỏng;

d: đường kính hạt đất; γ s : dung trọng hạt đất;

µ : độ nhớt của nước; γ w : dung trọng nước;

Bình thí nghiệm lắng đọng với tỷ trọng kế

Chú ý:

 Cỡ hạt d (mm) trong thí nghiệm rây sàng được hiểu là tương ứng với đường kính mắt rây trong thí nghiệm phân tích thành phần hạt;

Cỡ hạt d (mm) trong thí nghiệm lắng đọng là tương đương với hạt hình cầu có đường kính d (mm) cùng tỷ trọng và tốc độ chìm lắng trong nước.

3.2 Các đặc trưng của đường cong cấp phối

 D10 – đường kính hạt có hàm lượng tích luỹ 10%

 D60 – đường kính hạt có hàm lượng tích luỹ 60%

 D30 – đường kính hạt có hàm lượng tích luỹ 30%

Kích thước hạt (mm)

• Hệ số đồng nhất: C u - uniform =

 Cu < 3: cỡ hạt đồng đều

 3 ≤ Cu ≤ 5: cỡ hạt tương đối không đồng đều

 5 ≤ Cu : cỡ hạt không đồng đều

Hệ số cấp phối: C g - grade =

10

60

D D

10 60

2 30

* D

D D

Các điều kiện của một mẫu đất cấp phối tốt

o Cu > 4 – cho sỏi sạn

Pha

Khối lượng lượng Trọng Thể tích

Quốc tế VN Qtế VN Qtế VN

Rắn(Soil) Ms Qh Ws Qh Vs Vh

Rỗng(Void) Mv Qr Wv Qr Vv Vr

Nước

(Water) Mw Qn Ww Qn Vw VnKhí (Air) Ma Qk Wa Qk Va Vk

Va

Vw

Vs

VvV

Các chỉ tiêu tính chất cơ bản

 Dung trọng khô:

 Dung trọng hạt:

Các định nghĩa

V

W

= γ

s

s s

V

W

= γ

V

Ws

d = γ

 Dung trọng bão hòa:

 Dung trọng đẩy nổi:

 Tỷ trọng hạt:

Xác định trong phòng thí nghiệm bằng một dụng cụ đặc biệt là bình đo tỷ trọng (pycnometer) 500

phương pháp đun sôi.

s

G = γ / γ

 Độ ẩm (độ chứa nước):

 Xác định tại phòng TN bằng lò xấy.

 Độ bão hòa (độ no nước):

 Độ rỗng:

 Hệ số rỗng:

 Độ chứa không khí:

x V

V S

V v

v

V A

s

a

v = , = =1+

Độ bảo hoà S Mức độ ẩm

 Nhận xét

Trong các chỉ tiêu tính chất của đất,

chỉ có 3 đại lượng là dung trọng tự

nhiên, tỷ trọng hạt (hoặc dung trọng

tiếp từ thí nghiệm Các đại lượng còn

lại sẽ được xác định từ những công

thức liên hệ.

Các công thức liên hệ:

n

n w

) 1

(

γ γ

Các công thức liên hệ cơ bản

w

n

s d

γγ

%

100

1 e

e n

γ

−+

=

)1

( w G

w

G S

w s

s

e

S e

(1

γ

a Đất rời (cát, đất hòn lớn)

Độ chặt tương đối (relative density):

emax - hệ số rỗng của đất ở trạng thái rời

nhất

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

e - hệ số rỗng tự nhiên của đất

e, e max , e min đều được xác định từ thí nghiệm

4.2 Các chỉ tiêu trạng thái

min max

max

e e

thái Rất rời Rời

Chặt trung bình

Chặt Rất

chặt

Bảng xác định trạng thái đất rời

(theo Braja M Das)

Bảng xác định trạng thái đất rời

(theo tiêu chuẩn Liên Xô)

Cát lẫn sạn, cát

to, cát vừa e < 0.55

0.55 ≤ e ≤

0.7 e > 0.7Cát nhỏ e < 0.6 0.6 ≤ e ≤

0.75

e >

0.75 Cát bụi e < 0.6 0.6 ≤ e ≤

0.8 e > 0.8

Bảng xác định trạng thái đất rời theo thí

nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT – Standard

Penetration Test (theo tiêu chuẩn Liên Xô)

Trị số N Dr Độ chặt

Bảng xác định trạng thái đất rời theo thí

nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT – Standard

Penetration Test (theo Peck và cộng sự – Hoa Kỳ)

b.Đất dính

giữ được trạng thái dẻo → thay đổi thể tích → tính nén

lún của đất (soil compresibility).

Ip < 1 Đất rời

1 < Ip < 7 Á cát

7 < Ip < 17 Á sét

Ip > 17 Sét

 Chỉ số nhão (độ sệt):

p

p L

Đất á cát

IL > 1 Lỏng

Loại đất

bùn

Hệ số rỗng e

 Đối với các công trình đất đắp, lõi chống thấm của đập, nền đường, đường băng sân bay, …v.v thì việc đầm chặt đất khi thi công là rất cần thiết

 Dưới tác động cơ học như rung, nén, nện, …v.v các hạt đất trong đất dịch chuyển sắp

xếp lại tạo ra một kết cấu chặt hơn (do sự

gài móc của các hạt) → tính thấm, tính nén lún giảm, sức chống cắt tăng

 Khi đầm chặt, Vs gia tăng (nở) do Vv giảm →

áp lực nước lỗ rỗng u giảm → ứng suất hữu hiệu tăng → đất ở trạng thái ổn định

5 ĐẦM CHẶT ĐẤT

5.1 Các định nghĩa

 Đầm chặt đất là sử dụng một trong nhiều phương thức nhằm làm gia tăng dung trọng khô (γd) của đất

 Nén chặt đất là làm giảm đi thể tích lỗ rỗng bằng cách làm cho các hạt đất xích lại gần nhau

 Độ chặt C: C = 100 - n (%)

 Tỷ số đầm chặt k:

γd: trọng lượng riêng khô của đất đạt được tại công trường

γdmax : trọng lượng riêng khô lớn nhất của đất xác định bằng thí nghiệm đầm chặt Proctor (đầm tiêu chuẩn)

max

d

d k

γγ

=

5.2 Thí nghiệm đầm

chặt Proctor

 Chế bị đất với nhiều

mức độ ẩm khác nhau →

tiến hành đầm chặt →

quan hệ giữa (w, γd) →

đường cong đầm chặt

(đường cong Proctor)

Dụng cụ thí nghiệm

Nhận xét:

 Khi w < wopt: đất còn khô, hệ số thấm lớn, sức chống cắt lớn, độ trương nở cao khi ngập nước

 Khi w ≅ wopt: đất có hệ số thấm bé nhất, sức chống cắt còn khá lớn, độ trương nở thấp

 Khi w > wopt: đất có hệ số thấm bé, sức chống cắt bé, tính nén lớn

 Khi tăng năng lượng đầm chặt → đỉnh của đường Proctor có khuynh hướng tăng γ dmax,

giảm w

 Tựu trung có hai nhóm chính:

o Nhóm hạt thô: đá hộc, cuội, sỏi, cát.

o Nhóm hạt mịn: bột, sét, keo

Hiện nay đã thống nhất được tên gọi

của các nhóm hạt cơ bản như sau:

• Bảng 1.1 Ký hiệu tên của nhóm

hạt đất

Ký hiệu Gravel G = S = Sand C = Clay M = Mo; Silt

6 PHÂN LOẠI ĐẤT

α Nhóm hạt sỏi

 Tỉ diện tích rất nhỏ, không đáng kể.

 Không dính ngay cả khi ẩm ướt.

 Độ dâng cao của nước mao dẫn rất nhỏ, không đáng kể.

 Không giữ được nước.

β Nhóm hạt cát

 Tỉ diện tích nhỏ, khoảng 0.001 ÷ 0.04m 2 /g.

 Tính thấm lớn.

 Có thể có tính dính khi ẩm nhưng không dẻo và

tính dính mất đi khi bảo hòa nước (tính dính giả).

 Độ dâng cao của nước mao dẫn nhỏ.

 Giữ được ít nước.

6.1 Đặc tính cơ bản các nhóm hạt

đất

γ Nhóm hạt sét

 Tỉ diện tích lớn, khoảng 20 ÷ 800m 2 /g.

 Hầu 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 lớn.

δ Nhóm hạt bụi

 Tỉ diện tích vào khoảng 0.04 ÷ 1m 2 /g.

 Tính thấm khá nhỏ.

 Khi ẩm có tính dính và có tính dẻo.

 Khi sũng nước dễ chảy loãng.

 Hút và giữ được nước nên thể tích đất tăng lên khi hút ẩm và co lại khi mất nước.

 Nước mao dẫn dâng tương đối cao và nhanh.

 Để phân loại, người ta thường dùng khái niệm đường kính trung bình của hạt đất (d, mm), đó là đường kính của vòng tròn bao quanh tiết diện lớn của hạt đất đó

Đường kính (mm)

Đá tảng B = Boulder >300

Bảng 1.3 Phân loại nhóm hạt của Nhật Bản

1 µ 5 µ 74 µ 0.42mm 2mm 5mm 20mm 75mm 300mm

Hạt

keo sétHạt Hạtbụi

Cát nhỏ Cát to nhỏSỏi

Sỏi trun g bình

Sỏi

to Cuộ

i

Đá tản g

Vật liệu đất Vật liệu đá

Chú thích: 1µ = 10-3mm