Bài giảng Địa chất công trình - Chương 4: Những đặc trưng kỹ thuật của đất và đá

Bài giảng Địa chất công trình - Chương 4: Những đặc trưng kỹ thuật của đất và đá cung cấp cho người học những kiến thức như: Phân loại đất đá trong xây dựng công trình; Nguồn gốc hình thành đất; Các tính chất cơ lý của đất; Một số tính chất đặc thù của đất; Các loại đất đặc biệt và vấn đề cần lưu ý khi khảo sát, thiết; Tính chất cơ lý của mẫu đá và của khối đá; Các hệ thống kẽ nứt ở trong đá và ảnh hưởng của chúng; Các vấn đề cần lưu ý khi khảo sát, đánh giá nền đá.

Chương 4

NHỮNG ĐẶC TRƯNG KỸ THUẬT

CỦA ĐẤT VÀ ĐÁ

Nội dung:

4.1 Phân loại đất đá trong xây dựng công trình 4.2 Nguồn gốc hình thành đất

4.3 Các tính chất cơ lý của đất 4.4 Một số tính chất đặc thù của đất 4.5 Các loại đất đặc biệt và vấn đề cần lưu ý khi khảo sát, thiết kế

4.6 Tính chất cơ lý của mẫu đá và của khối đá 4.7 Các hệ thống kẽ nứt ở trong đá và ảnh hưởng của chúng

4.8 Các vấn đề cần lưu ý khi khảo sát, đánh giá nền đá

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

1 Mục đích phân loại:

Quả đất thành từng nhóm theo các dấu hiệu về nguồn gốc, thạch học và tính chất, từ đó có thể lập các bản đồ, mặt cắt địa chất công trình và đánh giá được đất

đá về mặt địa chất công trình

phương pháp và phương hướng nghiên cứu đất đá về mặt địa chất công trình

chất đất đá

2 Cơ sở phân loại

 Dựa vào thành phần đất đá

• Thành phần hạt

• Thành phần khoáng vật

 Dựa vào các tính chất vật lý – cơ học

 Dựa vào các tính chất đối với nước

3 Các cách phân loại

a Phân loại tổng quát

- Dựa vào tổ hợp nhiều thông tin

- Sử dụng được cho nhiều lĩnh vực

- Phân loại kém chi tiết

b Phân loại chuyên môn

- Dựa vào chỉ một hoặc một số ít chỉ tiêu của đất đá

- Chỉ dùng cho một mục đích chuyên môn hẹp

4 Phân loại tổng quát của Xavarenxki

Đá: Loại vật liệu cấu tạo nên vỏ quả đất trong đó

các hạt khoáng vật được liên kết với nhau bởi

liên kết cứng (ion, hoá trị, xi măng)

- Đá cứng

- Đá nửa cứng

Đất: loại vật liệu rời hoặc giữa các hạt chỉ có

liên kết keo nước

- Đất mềm dính

- Đất rời xốp

Đất đá có thành phần, tính chất đặc biệt

- Đất yếu (bùn, than bùn, đất chảy )

- Đá có tính hoà tan

5 Các phân loại chuyên môn

1 Phân loại đất theo tiêu chuẩn xây dựng TCXD:

45-78 (TCVN 9362-2012)

- Đất hạt thô: cuội, sỏi, cát theo kích thước nhóm hạt chiếm ưu thế

- Đất hạt mịn: sét, sét pha, cát pha theo chỉ số dẻo

2 Phân loại đất theo tiêu chuẩn xây dựng TCXD 5747:1993

3 Các phân loại không thành tiêu chuẩn riêng

- Theo sự ổn định của đất đá ở mái dốc

- Theo khả năng chịu tải

- Theo khả năng khai thác

- Theo độ kiên cố, chống lại lực phá hoại

- Theo mức độ ngấm nước

Phân loại đất nền theo tiêu chuẩn xây dựng

TCXD: 45-78

1 Nhóm đất rời

Tên đất Tiêu chuẩn phân loại

Dăm, cuội

Sỏi, sạn

Trọng lượng các hạt có d>10mm trên 50%

Trọng lượng các hạt có d>2mm trên 50%

Cát sỏi

Cát thô

Cát vừa

Cát nhỏ

Cát bụi

Trọng lượng các hạt có d>2mm trên 25%

Trọng lượng các hạt có d>0,5mm trên 50%

Trọng lượng các hạt có d>0,25mm trên 50%

Trọng lượng các hạt có d>0,1mm trên 75%

Trọng lượng các hạt có d>0,1mm dưới 75%

Để xác định tên đất cần cộng dồn số phần trăm lượng chứa của các hạt

2 Nhóm đất dính

hạt sét, % Đất sét

Đất sét pha Đất cát pha

A > 17

17 ≥ A > 7

7 ≥ A > 1

>30

30 ÷ 10

10 ÷ 3

Khi không có sự tương thích giữa chỉ số dẻo và hàm lượng hạt sét thì tên

đất xác định theo chỉ số dẻo

Phân loại đất nền theo tiêu chuẩn xây

dựng TCVN: 5747:1993

Định nghĩa Điều kiện Ký hiệu Tên đất

Trọng lượng

hạt d<0,08mm

ít hơn 5%

Cu=D60/D10>4

1<Cc=(D30) 2 <3 GW

Đất sỏi sạn cấp phối tốt Một trong hai điều kiện

của GW không thoả mãn GP

Đất sỏi sạn cấp phối kém Trọng lượng

hạt d<0,08mm

nhiều hơn

12%

Chỉ số dẻo dưới đường A

hay Ip<4 GM Sỏi lẫn bụi

Chỉ số dẻo trên đường A

với Ip >7 GC Sỏi lẫn sét

Nhóm 1 - Đất cuội sỏi-hơn 50% lượng hạt thô có kích thước lớn hơn 2mm

hiệu Tên đất

Trọng lượng hạt có đk d<0,08mm ít hơn 5%

C u =D 60 /D 10 >6 1<C c =(D 30 ) 2 <3 SW

Cát cấp phối tốt Một trong hai điều

kiện của SW không thoả mãn

SP Cát cấp phối kém Trọng lượng

hạt có đk d<0,08mm nhiều hơn 12%

chỉ số dẻo nằm dưới đường A hoặc Ip<5 SM Cát lẫn sét chỉ số dẻo nằm trên

đường A hoặc Ip>7 SC Cát lẫn sét cấp

phối kém

Nhóm 2- Đất cát: hơn 50% lượng hạt thô có kích thước <2mm

Phân loại đất dính theo biểu đồ dẻo

Biểu đồ dẻo I p =0,73(W ch -20)

0

10

20

30

40

50

60

0 20 40 60 80 100

Giới hạn chảy W ch

Đất sét

Đất bụi

CL-ML

Yêu cầu cần đạt được

trong lĩnh vực xây dựng công trình

Xavarenxki

dựng TCXD 45-78

HÌNH THÀNH ĐẤT

1 Đất tàn tích

2 Đất trầm tích

3 Đất sườn tích, sườn tàn tích

Nội dung:

1 Đất tàn tích

 Được hình thành do quá trình phong hoá đá,

vì vậy phụ thuộc chặt chẽ vào loại và thành

phần đá gốc ban đầu

- Đất phong hoá từ đá magma thành phần và

tính chất khá thuần nhất

- Đất phong hoá từ đá trầm tích vụn keo kết

xen kẹp thì rất không đồng nhất

- Đất phong hoá từ đá biến chất thì có thể

đồng nhất hoặc không, phụ thuộc thành

phần của đá gốc

Phong hoá hoá học đá magma cho sản phẩm đồng nhất

 Silicate minerals weather by hydrolysis

to form CLAY

 Feldspar alters to clay (kaolinite) plus dissolved materials (ions)

Phong hoá không đều của các lớp đá trầm tích

với kích thước và hàm lượng tăng dần theo chiều sâu

 Thành phần và tính chất của đất biến đổi mạnh cả theo không gian và theo chiều sâu

 Một số loại đất phong hoá thường có tính chất đặc biệt (lún sập, trương nở)

Chú ý:

Khi khảo sát, đánh giá cần hiểu

biết bản chất của đất, các đặc

điểm và quy luật biến đổi tính chất

của đất, đặc biệt khi khảo sát đất

làm vật liệu xây dựng, để bố trí hố

khoan, lấy mẫu hợp lý

2 Đất trầm tích

trong các sông, biển

ngược chiều dòng chảy

đường kính hạt

đối ổn định hơn so với của đất tàn tích

với đất trầm tích biển

3 Đất sườn tích, sườn tàn tích

dòng chảy tạm thời xô đẩy dịch chuyển

xuống sườn dốc, chân dốc tích luỹ lại

tàn tích

trầm tích

dăm sạn, tính chất biến đổi mạnh như đất

tàn tích

- Đất thường có độ rỗng cao, hệ số thấm tương đối lớn và nén lún mạnh

- Chiều dày của tầng sườn tàn tích biến đổi mạnh

- Thường chứa nước ngầm, nước ngầm thường thoát ra ở chân sườn dốc

Chú ý:

sử dụng làm nền, làm vật liệu xây dựng

xây dựng công trình cần chú ý đến tính

nén lún, mất ổn định trượt và tính thấm

lớn Khi sử dụng làm vật liệu xây dựng

cần chú ý đến tính không đồng nhất về

thành phần và tính chất

Yêu cầu khi học

- Các kiểu hình thành đất, đặc điểm địa chất công trình (thành phần, tính chất, chiều dày, mức độ đồng nhất ) của mỗi loại đất

- Giải thích được mối liên quan giữa các đặc điểm đó với các kiểu hình thành đất, ví dụ,

vì sao đất phong hoá từ đá magma thì đồng nhất nhưng từ đá trầm tích keo kết thì thành phần không đồng nhất, hiểu được thành phần đất tàn tích thì phụ thuộc đá gốc còn thành phần đất trầm tích thì phụ thuộc quá trình tuyển lựa

¤ 4.3 CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ

CỦA ĐẤT

Nội dung:

1 Thành phần hạt của đất

2 Tính chất vật lý của đất

3 Tính chất cơ học của đất

1. Thành phần hạt của đất:

 Thành phần hạt – là hàm lượng các

nhóm hạt trong đất Người ta chia

làm các nhóm:

Nhóm hạt Đường kính, mm Nhóm hạt Đường kính, mm

đá tảng

dăm, cuội

sạn, sỏi

>200 200÷20

20÷2

cát thô cát vừa cát nhỏ

2÷0,5 0,5÷0,25 0,25÷0,05 hạt bụi to

hạt bụi nhỏ

0,05÷0,01

0,01÷0,005

hạt sét hạt keo

0,005÷0,002

<0,002

Phương pháp rây: dùng bộ rây tiêu chuẩn, áp dụng cho những loại đất gồm các hạt có đường kính lớn d>0.1mm

Cu: hệ số đều hạt d60/d10 Cc: hệ số đường cong cấp phối (d 30 ) 2 /(d 10 x d 60 )

Phương pháp tỷ trọng kế: dựa trên nguyên lý

lắng chìm của Stoke, áp dụng cho đất có các hạt

cỡ nhỏ d<0.1mm

Kết quả thí nghiệm xác định thành phần hạt được biểu diễn dưới dạng biểu đồ cấp phối

Đường kính hạt <0,005

0,005÷0, 05

0,05÷0,

25 0,25÷1 1÷2 >2

Trọng

% nhóm

Biểu đồ cấp phối hạt của đất Ý nghĩa của việc xác định thành phần hạt của đất

 Dùng để xác định tên lớp đất (xem bài phân loại đất)

 Tra bảng xác định sức chịu tải của nền đất

 Đánh giá tính thấm của đất, thiết kế tầng lọc ngược

 Đánh giá đất khi sử dụng làm nền

và làm vật liệu xây dựng

2 Tính chất vật lý của đất

Khối lượng riêng (tỷ trọng) - khối lượng của

một đơn vị thể tích phần hạt cứng, khô tuyệt đối,

xếp chặt sít, không lỗ hổng Nói cách khác, khối

lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng thái chặt

tuyệt đối, g/cm 3 hoặc t/m 3

mh: Khối lượng phần hạt cứng của mẫu, g

Vh: thể tích phần hạt cứng của mẫu, cm 3

Chủ yếu phụ thuộc thành phần khoáng vật của đất

h h

V m





- Còn gọi là dung trọng tự nhiên

- Là khối lượng của một đơn vị thể tích đất có kết cấu và độ ẩm tự nhiên, đơn vị đo g/cm 3 hoặc t/m 3

M:Khối lượng của mẫu thí nghiệm, g

V : Thể tích của mẫu thí nghiệm, cm 3

- Là đại lượng phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, độ rỗng và độ ẩm của đất, thông thường biến đổi trong khoảng 1,5 ÷ 1,9 g/cm 3

V

M





 Khối lượng thể tích khô c(dung trọng khô)

(kể cả lỗ rỗng) có kết cấu tự nhiên, t/m3,

g/cm3

W: độ ẩm của đất

khoáng vật và độ rỗng của đất

V

G h

c



W

w c

01 0 1

 



 Độ ẩm tự nhiên , W

- Là tỷ số giữa khối lượng nước chứa trong lỗ rỗng của đất và khối lượng hạt đất, biểu thị bằng phần trăm

- Đối với đất thông thường trong tự nhiên độ ẩm thường trong khoảng 13÷30% Đối với bùn và đất hữu cơ có thể 70 đến trên 100%

(%) 100





h

n

G

G



 Độ rỗng n, hệ số rỗng 

tổng thể tích mẫu đất, biểu thị bằng phần

trăm

và thể tích phần hạt rắn của mẫu đất

(%) 100





v

v

h

r

v

v





• Các chỉ tiêu về trạng thái của đất

a Đối với đất dính:

Trạng thái của đất dính phụ thuộc vào độ ẩm của đất, được thể hiện trên biểu đồ sau:

Giới hạn Atterberg d , ch và chỉ số dẻo A

độ ẩm vượt quá giá trị đó thì đất chuyển

sang trạng thái dẻo

khi độ ẩm vượt quá giá trị đó thì đất

chuyển sang trạng thái chảy

của đất:

d ch

A    

Chỉ số dẻo A của đất là một thuộc tính của

đất, phụ thuộc vào thành phần khoáng vật

khi tham gia vào trong thành phần của đất cùng với A sẽ làm biến đổi trạng thái của đất

Độ sệt B là chỉ tiêu về trạng thái của đất

A

d ch







  







b Đối với đất rời

Trạng thái độ chặt của đất rời được đánh giá thông

qua hệ số rỗng  và độ chặt D hoặc chỉ số búa N30:

Theo hệ số rỗng độ chặt đất cát được chia ra:max min

max















D

cát sỏi, cát to, cát vừa

cát nhỏ

cát bụi

 < 0,55

 < 0,60

 < 0,60

0,55<<0,70 0,60<<0,75 0,60<<0,80

>0,70

>0,75

>0,80

Theo độ chặt tương đối D trạng thái độ chặt đất cát được chia ra:

cát chặt cát chặt vừa cát xốp

D>0,67 0,67≥D≥0,33

D  0,33

Hệ số rỗng khó xác định trong thực tế, vì

vậy, người ta thường xác định theo chỉ số

búa của thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn

(SPT)

Độ chặt của cát Chỉ số búa N 30

Cát rất xốp

Cát xốp

Cát chặt vừa

Cát chặt

Cát rất chặt

0÷4 4÷10 10÷30 30÷50

>50

2 Tính chất cơ học

Tính biến dạng của đất

- Khi chịu tác dụng nén của ngoại lực đất bị ép co

và biến dạng Biến dạng theo phương thẳng đứng gọi là tính nén lún của đất.

- Bản chất quá trình ép co là do dưới tác dụng của ngoại lực, liên kết giữa các hạt bị phá huỷ, các hạt dịch chuyển sắp xếp lại làm thu nhỏ lỗ rỗng giữa các hạt, đất bị nén chặt.

- Tính nén lún được xác định bằng thí nghiệm nén không nở hông ở trong phòng thí nghiệm.

Tính nén lún của đất phụ thuộc vào:

độ rỗng càng lớn nén lún càng mạnh

nén lún mạnh hơn đất ở trạng thái tự

nhiên

montmorilonit nén lún mạnh hơn sét

kaolinite

- Trị số và đặc tính của tải trọng ngoài

Biểu đồ thí nghiệm nén

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Áp lực thẳng đứng, kG/cm 2

Tính kháng cắt (tính bền) của đất

Là khả năng của đất chống lại sự phá hoại do

ngoại lực Đất có khả năng đó là do:

Tính kháng cắt được đặc trưng bởi cường độ

kháng cắt, xác định theo kết quả thí nghiệm

cắt đất

Biểu đồ thí nghiệm cắt

C

tg 

  



Yêu cầu khi học

tính chất vật lý của đất

hưởng đến cường độ kháng cắt, kháng nén

của đất

của các nhóm hạt, xác định được d60, d30, d10

để từ đó có thể xác định được tên đất)

¤ 4.4 CÁC TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT

CỦA ĐẤT

Nội dung

1.Tính trương nở của đất

2.Tính co ngót của đất

3.Tính tan rã của đất

4.Tính lún ướt (lún sập) của đất

1 Tính trương nở

Là khả năng của đất tăng thể tích khi ngậm nước Tính trương nở của đất phụ thuộc vào thành phần khoáng vật sét, theo thứ tự giảm dần như sau:

montmorilonite > hydromica > kaolinite Sét montmorilonite có thể tăng thể tích lên 25 ÷ 30%, áp lực trương nở có thể đến 10-11 kG/cm2

Khi đất trương nở có thể tạo áp lực trương nở lớn tác động lên các kết cấu của công trình làm nứt, vỡ hư hỏng công trình

Để đánh giá tính chất trương nở người ta

dùng hai đại lượng là độ trương nở tương

đốin và áp lực trương nở Ptn

trước và sau khi trương nở

F, S – tương ứng là lực trương nở và diện

tích tiết diện mẫu

% 100







t

t s n

h

h h



S

F

P tn

2 Tính co ngót

Là tính chất ngược với trương nở, khi mất nước đất sẽ co thể tích làm cho đất

bị nứt nẽ, gây ra các hiện tương bong tróc trong các đường hầm, sụt trượt ở các mái dốc

Sét có tính trương nở cao thì khi khô càng co ngót mạnh

Đất bị phá huỷ kết cấu/bị khô-ướt nhiều lần thì trương nở/co ngót mạnh hơn đất

có kết cấu tự nhiên

3 Tính tan rã

 Một số loại đất bị tan rã khi tiếp xúc

với nước Đất bị tan rã thành từng

cục, hòn không có hình dạng rõ rệt.

 Tính tan rã được đánh giá thông qua

hai đại lượng: thời gian tan rã và đặc

điểm tan rã, được xác định bằng thí

nghiệm trong phòng

 Đất có tính tan rã không dùng làm

vật liệu đắp các công trình thuỷ lợi

4 Tính lún ướt (lún sập)

 Đất loại sét khi chịu tải trọng thì bị biến dạng Hiện tượng biến dạng phụ thêm khi bị thấm ướt gọi là tính lún ướt (xem biểu đồ nén lún)

 Tính lún ướt được đặc trưng bởi:

 hệ số rỗng đại em:

hệ số lún ướt tương đối a m:

 Tính lún ướt chỉ đặc trưng cho một số loại đất nhất định.

 Không sử dụng đất có tính lún ướt làm vật liệu đắp đập

'



 e e

e m  

0 '

0 a a

a m 

Biểu đồ nén lún ướt

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Áp lực thẳng đứng, kG/cm 2

Yêu cầu khi học

 Các tính chất đặc biệt của đất

 Vai trò ảnh hưởng của các tính chất đặc biệt đó đến ứng xử của đất khi xây dựng công trình

¤ 4.5 CÁC LOẠI ĐẤT ĐẶC BIỆT VÀ

CÁC VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI

KHẢO SÁT, THIẾT KẾ

Nội dung

1 Bùn

2 Than bùn và đất than bùn hóa

3 Đất nhiễm muối

4 Đất đắp – đất nhân sinh

Theo sự phân loại khái quát đất đá

trong Địa chất công trình, các đất đá có

thành phần và tính chất đặc biệt thuộc

nhóm thứ 5 trong nhóm này có: bùn,

than bùn, đất than bùn hóa, muối và đất

nhiễm muối, đất đóng băng…

1/ Bùn

tạo chủ yếu do kết quả tích tụ các vật liệu phân tán mịn và nhỏ theo phương thức cơ học hoặc hóa học ở đáy biển, vũng vịnh,

hồ, đầm lầy…

cơ dưới 10%, ở trạng thái chảy có độ sệt

B > 1 và hệ số rỗng như trong bảng sau:

Loại bùn Hệ số rỗng

bùn cát pha

bùn sét pha

bùn sét

≥ 0,9

≥ 1

≥ 1,5

và lớn hơn nữa, hệ số rỗng tới mấy đơn

vị, hệ số rỗng tới mấy đơn vị, khối lượng

thể tích khô nhiều khi bằng 0.8 –

0.9g/cm3

xây dựng trên chúng chỉ có thể thực hiện được với điều kiện là phải áp dụng các biện pháp chuyên môn, nhằm cải tạo các tính chất của bùn (nén chặt, gia cố, thoát nước bằng giếng cát…)

2 Than bùn và đất than bùn

lượng tương đối q trong khoảng:

0,1 < q  0,6

lượng hữu cơ

xây dựng, cần phải xét đến mức độ phân

giải của các di tích thực vật tạo nên than

bùn, bởi vì độ ẩm, độ sệt, tính thấm nước,

độ bền, tính biến dạng…của than bùn đều

biến đổi theo mức độ phân giải

3 Đất nhiễm muối

 Đất cát và đất loại sét, nếu lượng muối quá 0.3% khối lượng đất khô, thì đất đó được coi là có nhiễm muối

 Khi có sự rửa lũa các muối thì ngoài sự biến đổi các tính chất của đất, thành phần và các tính chất của nước thẩm thấu cũng thay đổi Nước trở thành có tính ăn mòn đối với xi măng và kim loại

 Khi có muối kết tinh lấp đầy các lỗ rỗng của đất thì

có sự tăng biểu kiến độ chặt của đất, nhưng khi ẩm ướt, thì các muối lại bị hòa tan, thể tích của các hạt khoáng trong một đơn vị thể tích đất, trở nên nhỏ hơn

so với đất không bị nhiễm muối, do đó phát sinh hiện tượng lún ướt (lún sập)

 Khi thiết kế và xây dựng công trình ở

những vùng đất bị nhiễm muối, cần

phải biết:

- Mức độ nhiễm muối của đất

- Thành phần của các muối dễ hòa

tan và hòa tan trung bình

- Chế độ ẩm và chế độ muối, điều

kiện nhiễm muối của chúng

4 Đất đắp – đất nhân sinh

 Lãnh thổ của những thành phố, những diện tích xây dựng lớn…thường được phủ lên một lớp đất đắp nhân tạo.

 Tính chất của chúng không những phụ thuộc thành phần và cấu trúc của các loại đất đắp, mà còn vào thành phần trạng thái và tính chất của các lớp đất nằm dưới

 Độ chặt kết cấu và độ ổn định của những loại đất đá này khác nhau, phụ thuộc vào thành phần cũng như thời gian tồn tại của chúng

 Cần phải đánh giá sự ổn định, cũng như thiết kế các biện pháp công trình để đề phòng biến dạng trượt,

Yêu cầu khi học

 Các loại đất đặc biệt

 Các tính chất đặc biệt của các loại đất này

 Kết quả thí nghiệm của 5 mẫu đất cho trong bảng sau,

Mẫu Độ ẩm tự

nhiên

Giới hạn

chảy

Giới hạn dẻo

Hệ số rỗng

Lượng hữu cơ

1

2

3

4

5

44,2%

78,6%

32,1%

64,4%

80,4%

38,9%

60,3%

30,8%

45,7%

60,5%

21,6%

30,2%

18,5%

30,1%

31,2%

1,56 1,82 1,24 1,02 2,01

5%

20%

18%

8%

65%

Hãy xác định tên của các mẫu đất đó

MẪU ĐÁ VÀ KHỐI ĐÁ