bài giảng chương 1 cơ học đất

Quá trình hình thành đất: Quá trình hình thành đất là quá trình chuyển biến từ đá thành đất gồm ba quá trình liên tiếp: quá trình phong hóa, chuyển rời và trầm tích  Quá trình phong hóa

CHƯƠNG 1 CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ

PHÂN LOẠI ĐẤT

1.1 Đại cương về các loại đất.

1.1.1 Quá trình hình thành đất:

Quá trình hình thành đất là quá trình chuyển biến từ đá thành đất gồm ba

quá trình liên tiếp: quá trình phong hóa, chuyển rời và trầm tích

 Quá trình phong hóa xẩy ra chủ yếu do các tác động vật lý hoặc hóa học

 Phong hóa vật lý: Do sự thay đổi về nhiệt độ và sự va chạm

 Phong hóa hóa học: Do nước với các axit hòa tan

 Quá trình chuyển rời do các mảnh vỡ vụn bị dịch chuyển trên mặt dốc do

ảnh hưởng của trọng lượng bản thân, của nước, gió

 Quá trình trầm tích các mảnh vỡ di chuyển do trọng lượng, nước, gió

mang đến một vị trí nào đó dần dần hình thành các lớp đất

1.1.2 Phân loại đất theo gốc phong hóa.

Căn cứ vào gốc phong hóa ta có thể phân biệt hai loại đất

 Đất rời: Đá dăm, cuội sỏi, các loại cát do phong hóa vật lý

Đặc điểm: Khi khô thì rời rạc, khi ẩm không dẻo, tính thấm lớn, lượng hút

nước nhỏ

 Đất dính: Sét, á sét (sét pha: sét lẫn một ít cát), á cát (cát pha: Cát có lẫn ít

sét) do phong hóa hóa học

Đặc điểm: Khi khô cứng thành khối, khi ẩm thì dẻo, ít thấm nhưng lượng hút

nước lớn

1.1.3 Phân loại đất theo hình thức chuyển rời và trầm tích.

 Đất tàn tích, sườn tích (đêluvi): Sản phẩm phong hóa nằm ngay tại chỗ

hoặc do trọng lượng bản thân, chuyển dịch một đoạn ngắn theo sườn dốc (thường có ở trung du, miền núi)

Đặc điểm: Chiều dày của lớp đất không đều thường là mặt đá gốc nghiêng,

làm cho lớp đất rễ mất ổn định Các hạt đất không đều, các hạt nhỏ lẫn với những hạt lớn

 Đất bồi tích, sa tích (aluvi): Sản phẩm phong hóa do dòng nước mang đi

đến những khoảng cách xa rồi lắng đọng lại

Đặc điểm: Chiều dày lớn và đều, cỡ hạt đều, lớp đất ở giai đoạn đầu của quá

trình lắng đọng thường rất rỗng, xốp, chứa nước nhiều đến mức chảy nhão

1.2 Đất là một vật liệu đa nguyên.

1.2.1 Khái niệm: Đất là một tổ hợp của các hạt rời nên giữa chúng không có

liên kết với nhau hoặc có thi rất yếu so với bản thân các hạt Vì rời rạc nên giữa chúng có các khe hở Các khe hở đó có thể có nước hoặc không khí các

loại là những thứ có sẵn trong môi trường xung quanh chèn lấp vào Vậy thành

phần của đất bao gồm các hạt đất, nước, không khí , Các hạt đất là thành

phần chính, tạo ra khung kết cấu của đất Các thành phần của đất tác động qua lại với nhau và ảnh hưởng đến tính chất chung của cả tập hợp

1.2.2 Hạt rắn của đất: Hạt đất là thành phần chủ yếu của đất, tạo thành

khung kết cấu và được gọi là cốt đất Hạt đất được đặc trưng bởi kích thước, hình dạng và thành phần khoáng vật

Kích thước hạt đất

Hạt đất có tỷ trọng Δ và hình dạng bất kỳ chìm lắng trong một dung môi nào đó với vận tốc bằng vận tốc một quả cầu làm bằng vật liệu có cùng ty trọng với hạt đất thì đường kính quả cầu chính là kích thước hạt đất

 Nhóm hạt là khái niềm dùng để chỉ một tập hợp các hạt đất có kích thước

thay đổi trong một phạm vi nhất định nào đó và được gọi tên theo khoảng cách kích thước (VD Nhóm các hạt có kích thước 1mm-:-2mm gọi là nhóm 1-2)

 Hàm lượng một nhóm hạt là % theo trọng lượng khô của nhóm hạt đó trong

loại đất đang nghiên cứu và được ký hiệu là p(d1<d≤d2) trong đó d1,d2 là kích thước của nhóm hạt

Hàm lượng nhóm hạt tính theo CT: p(d1<d≤d2)=[Q(d1<d≤d2)/Q∑]*100%

Q(d1<d≤d2) – Trọng lượng của nhóm; Q∑ - Tổng trọng lượng của mẫu đất

 Phân loại và đặt tên các nhóm hạt theo kích thước tùy theo kích thước hạt,

người ta phân hạt đất làm mấy nhóm chính sau:

Bảng 1.1 Tên hạt đất theo kích thước

Hạt cuộiHạt sỏiHạt cátHạt bụiHạt sét

10 <d≤ 100

2 <d≤ 100,05 <d≤ 20,005 <d≤ 0,05d< 0,005

Hình dạng hạt đất

Rất đa dạng tùy thuộc vào kích thước, bản chất và tác động của sự hình

thành Có thể nhận dạng ba kiểu chính: Dạng khối 3 chiều, dạng tấm 2 chiều, dạng thanh 1 chiều.

 Thứ sinh: Đã thay đổi, thường gặp ở đất sét, hạt rất nhỏ và gọi là khoáng

vật sét

 Các hợp chất hữu cơ: Là các tàn tích động thực vật và các sản phẩm từ

chúng đã hoặc chưa phân hủy

1.2.3 Nước trong đất

 Nước liên kết tồn tại trên bề mặt các hạt mịn, có ba loại

 Nước màng bao gồm các lớp phần tử nước chịu hút rất lớn từ bề mặt hạt đất

và được coi là một bộ phận của hạt đất

 Nước liên kết mạnh ảnh hưởng nhiều đến tính dính của đất, có tỷ trọng và

độ nhớt cao, không di chuyển trong đất do trọng lượng bản thân (có thể tách ra được ở nhiết độ cao)

Nước liên kết yếu chịu ảnh hưởng yếu của lực hút bề mặt hạt đất do đó có

tính tương tự nước thông thường

 Nước tự do là nước trong đất nằm ngoài phạm vi ảnh hưởng của lực hút bề

mặt

1.2.4 Khí trong đất

Chủ yếu là khí tự nhiên, ngoài ra có thể có các dạng gas tư nhiên khác nhưng ít phổ biến

 Khí trong đất có đường thông với khí bên ngoài gọi là khí hở

 Khí bị bao kín trong đất hoặc hòa tan trong nước lỗ rỗng gọi là khí kín

1.2.5 Kết cấu và cấu trúc của đất

1.2.5a Khái niệm

 Kết cấu là sự sắp xếp các hạt đất trong một khối đất nhỏ có cùng thời điểm

hình thành và cùng tồn tại tạo nên khung kết cấu đất còn gọi là khung đất

 Cấu trúc của đất là sự sắp xếp các lớp đất trong nền tại thời điểm khảo sát

(cấu trúc của đất còn gọi là cấu trúc địa tầng khi mô tả kết quả khảo sát địa chất một khu vực nào đó)

1.2.5b Kết cấu của đất

Kết cấu của đất phụ thuộc chủ yếu vào kích thước hạt và môi trường chìm

lắng Các loại đất thường được hình thành từ ba dạng kết cấu cơ bản: Kết cấu hạt đơn, kết cấu tổ ong và kết cấu đơn

 Kết cấu hạt đơn hình thành khi các hạt có kích thước lớn chìm lắng trong

nước một cách tự do dưới tác dụng của trọng lượng bản thân trong điều kiện vận tốc dòng mang đã giảm thiểu Trong trường hợp này các hạt trực tiếp tiếp xúc với nhau, ma sát giữa các hạt hình thành nên bản chất độ bền của chúng

do đó thành phần cấp phối hạt là yếu tố chính ảnh hưởng đến tính chất xây dựng của đất có kết cấu hạt đơn, các loại đất hạt thô cát cuội sỏi thường có kết cấu hạt đơn và tồn tại dưới hai dạng: kết cấu chặt và kết cấu rời tùy theo cấp phối hạt và điều kiện trầm tích

 Kết cấu tổ ong hình thành do sự chìm lắng các hạt có kích thước nhỏ, sự có

mặt nước hút bám mặt ngoài làm cho lực hút bám giữa các hạt tăng nên đã làm cản trở sự sắp xếp các hạt theo ảnh hưởng của trọng lượng bản thân,

Kết quả là các hạt đất tồn tại trong trạng thái chưa ổn định và giữa chúng có những khoảng trống lớn, loại đất này thường có hệ số rỗng lớn khi mới hình thành

 Kết cấu bông đặc trưng cho đất hình thành từ các hạt kích thước cực nhỏ

như hạt sét, hạt bụi (gọi chung là hạt keo) chìm lắng trong môi trường nước khi có điều kiện thích hợp Các hạt keo có lớp nước liên kết rất dày so với kích thước bản thân do đó tỷ trọng xấp xỉ bằng tỷ trọng nước Khi có điều kiện thích hợp các hạt liên kết với nhau tạo thành những đám kích thước lớn dạng bông và chìm lắng được để tạo thành đất có kết cấu bông Đất có kết cấu bông rất không ổn định thường gặp trong trầm tích biển trẻ

1.2.5c Cấu trúc của đất

Cấu trúc của đất hay cấu trúc địa tầng là tổng hợp các yếu tố mô tả tính phức hợp của nền đất về kết cấu, cấu tạo nền, tính chất cơ lý trong từng phần hay toàn bộ nền đất được quan tâm Có 3 kiểu cơ bản để nhận dạng cấu trúc

địa tầng Cấu trúc phân lớp, cấu trúc dạng khối, cấu trúc tổ ong (cấu trúc tổ

ong xuất hiện nhiều trong đá trầm tích gió, băng tuyết ít thấy ở VN)

 Cấu trúc phân lớp hình thành do sự lựa chọn kích thước, thành phần

khoáng vật trong quá trình trầm tích theo nhiều dạng khác nhau, lớp dày, lớp mỏng, dải xiên, dải chéo, thấu kính…xen kẽ nhau liên tục Đất có cấu trúc phân lớp thể hiện rõ tính dị hướng về độ bền, biến dạng, thấm… rất cần phân biệt khi nghiên cứu

Cấu trúc khối là sự sắp xếp một cách hỗn độn, không tuân theo quy luật các

thành tạo phong hóa với nhiều mức độ khác nhau về độ chặt, sự biến đổi liên kêt bên trong theo thời giạn Đất có cấu trúc khối thường gặp ở các loại tàn tích, sườn tích, lũ tích… Trong xây dựng thường quan tâm đến hai dạng cấu trúc khối chặt và khối xốp

1.3 Các chỉ tiêu vật lý của đất

Đánh giá tính chất của đất trên cơ sở bản chất vật lý của chúng, người ta phải dựa vào mối quan hệ giữa các thành phần của chúng về thể tích và trọng lượng, các quan hệ đó gọi là các chỉ tiêu vật lý của đất

 Thể tích hạt Vh, thể tích nước Vw, thể tích khí Vk, thể tích lỗ rỗng Vr = Vw + Vk

1.3.1 Các chỉ tiêu vật lý cơ bản (Xác định bằng thí nghiệm mẫu)

1.3.1a Trọng lượng thể tích đất tự nhiên ký hiệu: γ

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

(

; 1

) 01 , 0 1 (

*

m T cm

g e

W V

1.3.1d Các chỉ tiêu khác thường dùng.

Trọng lượng thể tích đất khô

Là trọng lượng một đơn vị thể tích đất ở trạng thái khô:

Trọng lượng thể tích đất no nước γnn

Là trọng lượng một đơn vị thể tích đất ở trạng thái no nước

Trọng lượng thể tích đất đẩy nổi:

Là trọng lượng của đất có kể đến lực đẩy nổi của nước (đất nằm dưới mực

nước ngầm:

% 100

n h

G

h

h k

01 , 0 1

* ) 01 , 0 1

 Độ bão hòa của đất

Là phần lượng nước chứa trong lỗ rỗng của đất:

% 100

* 1

* ) 1

(

1

e

e W

V

V n

V m





* ) 1

*

*1

V

k

h h

r

e

W e

W V

V G

n

h r

1.4 Trạng thái của đất và chỉ tiêu đánh giá trạng thái

1.4.1 Đất cát: Đất cát có hai trạng thái đó là độ chặt và độ ẩm

1.4.1a Chỉ tiêu đánh giá độ chặt của đất cát:

D – Độ chặt của đất cát:

e – Hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái tự nhiên

emax – Hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái xốp nhất

emin – Hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái chặt nhất

γkmax – Trọng lượng riêng khô cát ở trạng thái chặt nhất

γkmin – Trọng lượng riêng khô cát ở trạng thái xốp nhất

min max

max

e e

e

e D

2/3 < D ≤ 1 Cát ở trạng thái chặt 1/3 < D ≤ 2/3 Cát ở trạng thái chặt vừa

D ≤ 1/3 Cát ở trạng thái rời 1.2 Bảng phân loại trạng thái của cát theo hệ số rỗng

Loại cát Hệ số rỗng e ứng với trạng thái

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 > 0,75Cát bụi e < 0,6 0,6 ≤ e ≤ 0,8 e > 0,8

1.4.1b Chỉ tiêu đánh giá độ ẩm của cát:

Trạng thái độ ẩm của cát được đánh giá theo độ bão hòa G

G < 0,5 Cát ở trạng thái ít ẩm 0,5 ≤ G ≤ 0,8 Cát ở trạng thái rất ẩm

G > 0,8 Cát ở trạng thái bão hòa

1.4.2 Đất sét Có trạng thái độ cứng là sự kết hợp của hai yếu tố chặt và ẩm

Đất được coi ở trạng thái dẻo khi ta có thể tạo hình từ mẫu đất mà vẫn giữ nguyên được hình dạng đó Nếu không giữ được hình dạng thì đất được coi là

ở trạng thái chảy Trường hợp khô cứng đất có thể bị bóp vỡ mà không thể tạo hình được.

Khi độ ẩm thay đổi thì trạng thái của đất thay đổi, độ ẩm ranh giới giữa các trạng thái gọi là độ ẩm giới hạn

 Độ ẩm ranh giới giữa trạng thái cứng và dẻo gọi là giới hạn dẻo Wd

Độ ẩm ranh giới giữa trạng thái dẻo và chảy gọi là giới hạn chảy Wch

Các giới hạn này được gọi là giới hạn Atterberg các giới hạn này dùng kết hợp với độ ẩm tự nhiên để phân biệt trạng thái của đất

1.3 Bảng phân loại trạng thái của đất cát pha

1.4 Bảng phân loại trạng thái của đất sét, á sét

0,5 < B ≤ 0,75 Đất ở trạng thái dẻo mềm 0,75 < B ≤ 1 Đất ở trạng thái dẻo chảy

B > 1 Đất ở trạng thái chảy

1.5 Phân loại đất

Dùng chỉ số dẻo để phân loại đất: I = A = Wch – Wd

I < 7 Á cát; 7 ≤ I ≤ 17 Á sét; I ≥ 17 Sét

 Bảng hệ thống phân loại đất thống nhất USCS – ASTM D.2487 (SGK)

 Bảng phân loại đất theo quy phạm Việt Nam (SGK)

 Phân loại đất bùn và đất than bùn

 Những đất loại sét

 Độ ẩm tự nhiên lớn hơn độ ẩm giới hạn W > Wch

 Bùn á cát là đất á cát có e > 1,1; Bùn á sét và bùn sét có e >1,5

Những loại đất có chứa vật chất hữu cơ

10 -:- 30 đất nhiễm than bùn, 30 -:- 60 đất than bùn; > 60 than bùn