Bài giảng Cơ học đất - Chương 1: Tính chất vật lý của đất

Bài giảng Cơ học đất - Chương 1: Tính chất vật lý của đất cung cấp cho người học những kiến thức như: Các thể hợp thành đất và tác dụng tương hỗ giữa chúng; Kết cấu, liên kết kết cấu và cấu tạo của đất; Các chỉ tiêu tính chất vật lý của đất; Phân loại đất. Mời các bạn cùng tham khảo!

CHƯƠNG I TÍNH CHẤT VẬT

LÝ CỦA ĐẤT

1 Các thể hợp thành đất và tác dụng tương hỗ giữa chúng

2 Kết cấu, liên kết kết cấu và cấu

II.1 Các pha hợp thành đất & tác dụng tương hỗ giữa chúng

Đất thường là sản phẩm của quá trình phong hóa đá gốc, gồm 3 thành phần vật chất:

1) Pha rắn (hạt đất) 2) Pha lỏng (nước trong đất) 3) Pha khí (khí trong đất)

Hình 1: Ba thể hợp thành đất

I.1.1 PHA RẮN (HẠT ĐẤT)

Gồm các hạt đất có kích thước khác nhau, chiếm phần lớn thể tích khối đất tạo thành khung cốt đất Có 3 yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của đất là:

1 THÀNH PHẦN KHOÁNG VẬT HẠT ĐẤT (TPKV)

TPKV phụ thuộc chủ yếu vào TPKV tạo đá & hình thức phong hóa đá Các hình thức phong hóa khác nhau  sản sinh các khoáng vật khác nhau

a) Khoáng vật nguyên sinh: felspar; thạch anh & mica Đất có TPKV nguyên sinh thường có kích thước > 0.005 mm.

b) Khoáng vật thứ sinh: chia ra 2 loại

 Khoáng vật không hòa tan trong nước: kaolinite; ilite…chúng

là thành phần chủ yếu của các hạt sét trong đất → gọi là khoáng vật sét

 Khoáng vật hòa tan trong nước, VD: canxite; dolomit; muscovite,

Các khoáng vật thứ sinh thường có kích thước < 0.005mm

c) Chất hóa hợp hữu cơ là sản phẩm được tạo ra từ di tích động, thực vật ở giai đoạn phá hủy hoàn toàn (mùn hữu cơ)

TPKV là yếu tố quan trọng khi đánh giá tính chấtđất Kích thước hạt đất có quan hệ mật thiết với TPKV

Hạt sét (< 0.005mm) chủ yếu do khoáng vật thứ sinhtạo thành

Đất trong thiên nhiên gồm vô số hạt đất có kíchthước khác nhau tổ hợp thành → không thể xác địnhđược kích thước riêng biệt của từng hạt→ phân thànhcác nhóm hạt → “cấp phối hạt” của đất

+ Nhóm hạt: Tập hợp các hạt trong đất có kích thướcnằm trong một phạm vi nhất định

+ Cấp phối hạt: Lượng chứa tương đối của các nhómhạt trong đất (% tổng lượng đất khô)

+ Quan hệ đường kính hạt ~ lượng chứa tương đối

→ đường cong cấp phối hạt

Xác định đường cong cấp phối hạt như thế nào?

2 THÀNH PHẦN CẤP PHỐI HẠT CỦA ĐẤT

Xác định đường cong cấp phối hạt

Phân chia nhóm hạt & tính lượng chứa % của mỗi nhóm trong mẫu đất dùng thí nghiệm phân tích hạt.

+ Phương pháp sàng (rây): dùng với đất hạt thô (d > 0.1mm) + Phương pháp tỷ trọng kế (phương pháp lắng): dùng cho đất hạt mịn (d ≤0.1mm)

a Phương pháp rây (sàng)

Dùng với hạt có đường kính d > 0.1 mm,phương pháp này dùng hệ thống sàng có kích thướcmắt sàng khác nhau “bộ rây tiêu chuẩn”

Sấy khô đất/ giã

tơi/ đổ vào rây/

lắc đều/ cân

lượng sót trên

các sàng và tính

%

b Phương pháp tỷ trọng kế

Dùng với hạt có đườngkính d ≤ 0.1 mm, phương phápnày dựa trên nguyên lý lắngchìm Stokes: các hạt có đườngkính khác nhau khi lắng chìmtrong nước sẽ lắng đọng với tốc

độ khác nhau

Từ giá trị đo khoảng cách chìmlắng, thời gian chìm lắng, tínhđược đường kính tương ứng dcủa nhóm hạt & lượng chứacủa các hạt < d tính = % trọnglượng mẫu đất

Phương pháp tỷ trọng kế

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐƯỜNG CONG CẤP PHỐI HẠT

Đường cong cấp phối hạt thoải hay dốc thì tốt?

Để đánh giá mức độ không đều hạt của đất, trong xây dựng dùng hệ số không đều hạt Cu & hệ số đường cong cấp phối Cc

Cu = D60/D10 &

D60: đường kính cỡ hạt mà trọng lượng của tất cả các hạt nhỏ hơn và bằng đường kính đó chiếm 60% trọng lượng mẫu đất khô.

D10 gọi là đường kính hiệu quả, D60 gọi là đường kính chi phối

Cu càng lớn thì đường cong cấp phối càng thoải, đất không đều hạt, ngược lại Cu càng nhỏ thì đất càng đều hạt (cấp phối xấu).

Đất được gọi là có cấp phối tốt với Cu > 4 – 6; Cc = 1 - 3 Nếu Cu = 1 thì đất được gọi là cấp phối xấu

10 60

2 30

.D

D D

C c 

Đánh giá chất lượng đường cong cấp phối hạt

Cấp phối tốt Cấp phối trung bình Cấp phối kém

ĐƯỜNG CONG CẤP PHỐI HẠT DÙNG ĐỂ LÀM GÌ?

Ứng dụng của đường cong cấp phối:

Xác định được cấp phối của đất (TCXD 45 – 78)

Xác định tên đất rời (TCXD 45 – 78)

Xác định Cu và Cc

3 HÌNH DẠNG HẠT ĐẤT

Hình dạng các hạt đất khác nhau có ảnh hưởng nhất định đến tính chất của đất

Nhóm hạt có kích thước nhỏ từ hạt sét trở xuống thường có dạng phiến mỏng hoặc dạng hìnhkim mảnh Trường hợp này hình dạng hạt đất không ảnh hưởng gì rõ rệt đến tính chất của đất.

Nhóm hạt có kích thước lớn từ hạt lớn (cát, cuội, sỏi), thường các hạt có dạng hình khối cầu trơnnhẵn, hình góc cạnh Các hình dạng này có ảnh hưởng lớn tới tính chất của đất, đặc biệt là tính chống cắt.

Hạt có tính góc cạnh lớn → ma sát giữa các hạt cao Hạt tròn → ma sát bé

II.1.2 PHA LỎNG (NƯỚC TRONG ĐẤT)

Đất trong tự nhiên luôn tồn tại 1 lượng nước nhất định & ở những dạng khác nhau Nước tác dụng mạnh với các hạt khoáng vật, đặc biệt là những hạt nhỏ có kích thước hạt keo để tạo nên hoạt tính bề mặt hạt đất Theo quan điểm xây dựng

1 NƯỚC TRONG CÁC HẠT KHOÁNG VẬT

Là nước trong mạng tinh thể của khoáng vật , nó tồn tại dưới dạng phân tử nước H2O hoặc dạng ion H+, OH- Loại nước này chỉ tách ra khỏi khoáng vật khi ở to cao ( >

105oC) Trong xây dựng, coi nó là 1 bộ phận của hạt khoáng vật & không ảnh hưởng gì tới tính chất xây dựng của đất

2 NƯỚC KẾT HỢP MẶT NGOÀI HẠT ĐẤT

Thực nghiệm cho thấy, các hạt khoáng vật củađất thường mang điện tích âm, trong khi đó, nước làphân tử lưỡng cực → những lực tác dụng tương hỗ

điện phân tử xuất hiện khi các hạt đất tiếp xúc vớinước→ hút các phân tử nước lưỡng cực bằng 1 lực rấtlớn Lượng nước kết hợp mặt ngoài do 3 yếu tố quyếtđịnh:

1.Tính ưa nước của khoáng vật

2.Độ lớn của tỷ diện tích mặt ngoài hữu hiệu (là tổngdiện tích bề mặt của các hạt đất/1g đất)

3.Thành phần của nước trong đất, ion trong nước

Căn cứ cường độ lực hút điện phân tử của bề mặthạt khoáng vật, chia nước kết hợp mặt ngoài thành 3 lớp:1)Nước hút bám: lớp nước bám chặt vào mặt ngoài hạt

do sức hút điện phân tử rất mạnh gây ra Đất sét chứanước hút bám sẽ ở trạng thái rắn

2)Nước kết hợp mạnh: lớp nước liền kề nước hút bám

do lực hút điện phân tử tương đối mạnh tạo nên Đất sétchứa nước kết hợp mạnh sẽ ở trạng thái nửa rắn

3)Nước kết hợp yếu: lớp nước ngoài cùng do lực hútđiện phân tử tương đối yếu tạo thành, đất sét chứa nướckết hợp yếu & kết cấu đất bị phá hoại thì nó thể hiện tính

dẻo

Các loại nước kết hợp mặt ngoài của hạt đất

b) Nước trọng lực: Tồn tại trong các lỗ rỗng của đất,chịu sự chi phối của trọng lực và tuân theo định luậtDarcy.

1 Khả năng hòa tan và phân giải của nước

2 Ảnh hưởng của áp lực thủy tĩnh với đất và công trình

3 Ảnh hưởng của lực thấm

II.1.3 PHA KHÍ TRONG ĐẤT

Thể khí trong đất phân thành 2loại:

+ Loại thông với khí quyển: không cóảnh hưởng gì đáng kể đối với tínhchất của đất, khi đầm chặt, khí nàythoát ra ngoài

+ Loại không thông với khí quyển

(bọc khí- túi khí) thường thấy trongcác loại đất sét Sự tồn tại của cácbọc khí trong đất làm giảm tính thấm

của đất, tăng tính đàn hồi và có ảnhhưởng tới quá trình ép co của đấtdưới tác dụng của lực ngoài

II.2 CÁC CHỈ TIÊU TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ TRẠNG THÁI VẬT LÝ CỦA ĐẤT

Đất là sản phẩm của quá trình phong hóa, nó gồm 3 pha vật chất: rắn, lỏng và khí Tính chất vật lý của đất phục thuộc vào tính chất của 3 pha vật chất & tỷ lệ định lượng giữa

3 pha này Để biểu thị lượng tỷ phần của 3 pha vật chất này, dùng sơ đồ 3 thể:

Hình Sơ đồ 3 pha vật chất tạo thành đất

Các chỉ tiêu tính chất vật lý của đất được chia làm 2 nhóm:

1 Chỉ tiêu trực tiếp:

 Khối lượng riêng tự nhiên của đất ρ

 Tỷ trọng hạt của đất Gs

2 Chỉ tiêu gián tiếp (𝜌d; 𝜌s; 𝜌sat; 𝜌’; e, n, S)

 Khối lượng riêng khô, hạt, bão hòa: 𝜌d; 𝜌s; 𝜌sat

 Hệ số rỗng của đất e;

 Độ rỗng của đất n

II.2.1 NHÓM CÁC CHỈ TIÊU TÍNH CHẤT VẬT LÝ TRỰC TiẾP

Các chỉ tiêu được xác định trực tiếp từ các thí nghiệm trong phòng.

1 Khối lượng riêng tự nhiên của đất 𝜌

T

TV

2 Độ ẩm của đất W: là tỷ số giữa khối lượng nước và khối lượng hạt trong một mẫu đất

s

W M

M

M W

2

2

1 



3 Tỷ trọng hạt đất G s:

w s

s s

.V

MG





Cách xác định: cân hạt khô để xác định Ms, cho hạt đất khô vào nước để xác định thể tích hạt nhờ thể tích nước dâng lên trong bình.

Ρw = 1000 kg/m 3

𝜌w: khối lượng riêng của nước

II.2.2 NHÓM CÁC CHỈ TIÊU TÍNH CHẤT VẬT LÝ GIÁN TiẾP

1 Khối lượng riêng khô của đất 𝜌d Kg/m 3

Các chỉ tiêu gián tiếp là các chỉ tiêu tính được thôngqua các chỉ tiêu trực tiếp bằng các công thức tính đổi hoặccác liên hệ thông qua mô hình 3 pha vật chất

t

s d

4 Độ rỗng của đất (n)

(%) 100

e

e n



1

5 Khối lượng riêng bão hòa 𝜌sat

Khối lượng riêng của đất khi các lỗ rỗng trong đất chứa đầy nước

t

w

s sat

t

w

v d

t

w t

s t

M V

M V

M





6 Khối lượng riêng đẩy nổi

7 Độ bão hòa của đất S

t

s w s

V

V

M  





e 1

) 1 G

S  s

II.2.3 CÁC CHỈ TIÊU TRẠNG THÁI VẬT LÝ CỦA ĐẤT

Trong xây dựng, nếu chỉ căn cứ các chỉ tiêu vật lý kể trên thì chưa thể nhận biết đầy đủ 1 loại

chỉ do lượng chứa tương đối giữa các thể quyết định mà còn do tác dụng lẫn nhau giữa chúng quyết định, nhất là đối với đất dính.

Mặt khác, các chỉ tiêu tính chất vật lý chỉ cho khái niệm về quan hệ giữa lượng chứa của các

(cứng, mềm, chặt, xốp…), vì vậy cần nghiên cứu trạng thái vật lý của đất

1 Trạng thái và các chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất rời

Trạng thái của đất rời phân ra: Trạng thái về độ chặt và trạng thái độ ẩm

- Các chỉ tiêu đánh giá độ chặt

a) Dùng hệ số rỗng e: sau khi tính ra e, so sánh chỉ tiêu quy định của quy phạm → trạng thái của loại đất rời đang xét.

Theo thực nghiệm:

b) Dùng chỉ tiêu độ chặt tương đối Dr:

emax: Hệ số rỗng của loại đất rời đang xét ở trạng thái xốp nhất.

emin : Hệ số rỗng của loại đất rời đang xét ở trạng thái chặt nhất.

eo : Hệ số rỗng của đất ở trạng thái tự nhiên.

Dr = từ 0 → 1, thể hiện sự thay đổi trạng thái độ chặt của đất rời từ xốp nhất → chặt nhất

Đất cát chặt: 1> Dr > 0,67

Đất cát chặt vừa: 0,67  Dr  0,33

Đất cát xốp: 0 < Dr < 0,33

Dùng độ bão hòa S để đánh giá độ ẩm của đất rời

- Các chỉ tiêu đánh giá độ ẩm

S > 0,8 Đất bão hòa 0,5 < S ≤ 0,8 Đất ẩm

S ≤ 0,5 Đất hơi ẩm

2 Trạng thái & các chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất dính

- Trạng thái vật lý của đất dính

Đất dính thường chứa phần lớn hạt có kích thước cỡ hạt keo, do đó trạng thái vật lý của đất dính không những chỉ có quan hệ tới lượng chứa tương đối giữa các thể trong đất mà còn

có quan hệ tới tác dụng giữa các hạt đất & nước.

Đất dính thường ở các trạng thái: rắn (cứng); nửa rắn (cứng); dẻo; chảy

Với đất dính thì chỉ tiêu độ chặt & độ ẩm không thể tách rời nhau:

- Khi độ ẩm tăng thì thể tích cũng tăng lên,

- Sự thay đổi độ ẩm quyết định đến sự thay đổi trạng thái của đất dính

Hình Kết quả thí nghiệm khi thay đổi độ ẩm của đất dính

- Giới hạn Atterberg và chỉ số dẻo

Giới hạn Atterberg là những độ ẩm quá độ khi đất chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác Atterberg phân biệt 3 loại độ ẩm quá độ là: giới hạn chảy (LL), giới hạn dẻo (PL)

Thí nghiệm xác định giới hạn dẻo PL

PL thường xác định bằng phương pháp lăn đất.Lấy đất ở trạng thái dẻo đem lăn trên mặt kính nhámchuẩn bằng mu bàn tay Nếu lăn đất thành con giundài với đường kính đúng 3mm thấy giun bắt đầu xuấthiện các vết nứt và đứt ra thành từng đoạn dài 8 –10mm thì khi đó đất có độ ẩm đúng bằng giới hạn dẻo

(Holtz and Kovacs, 1981)

Thí nghiệm xác định Giới hạn chảy LL

a) Dùng phương pháp Vaxiliep: đặt chùy nhọn xuyênlên mặt mẫu ở trạng thái sệt & thả rơi tự do, nếu sau5’ chùy xuyên ngập sâu vào đất đúng 10mm thì độ ẩmcủa đất khi đó chính là giới hạn chảy

b) Phương pháp Casagrande: cho đất ở trạng thái sệtvào 1 đĩa, gạt bằng mặt đất ở đĩa và vạch một rãnh có

bề rộng và độ sâu theo đúng tiêu chuẩn Sau khi gõđúng 25 lần nếu 2 mép rãnh vừa vặn khít lại thì độ ẩmcủa đất đó chính bằng giới hạn chảy

Vaxiliep

Phương pháp  Casagrande

- Chỉ số dẻo PI (plastic index)

Khi độ ẩm của đất biến thiên trong phạm vi PL và LL thì đất thể hiện tính dẻo Tính dẻo là 1 đặc trưng quan trọng của đất dính, để biểu thị nó người ta dùng chỉ số dẻo,

PI = LL – PL

- Chỉ số sệt LI (liquid index)

PL LL

PL

W LI

T.1.4 PHÂN LOẠI ĐẤT

I Mục đích, vai trò của phân loại đất

 Làm cơ sở lựa chọn phương pháp nghiên cứu.

 Có PP sử dụng đúng đắn các loại đất với mục đích XD

 Thống nhất tên gọi cho đất.

II Một số tiêu chuẩn phân loại đất hiện hành

 Hệ thống phân loại đất thông nhất (Unified Soil Classification System)

 Hệ thống phân loại đất theo AASHTO

 Hệ thống phân loại đất theo TCVN

II.3.4 ph ân lo ại đất

1 Hệ thống phõn loại đất thống nhất USCS(1952)

BẢNG PHÂN LOẠI ĐẤT RỜI

1.1 Cuội sỏi và cát

> 5% lọt qua sàng số 200 (0.074mm) thì có thể là GW;

GP, SW, SP

G là cuội (gravel); S là cát (sand)

W là cấp phối tốt (well); P là cấp phối xấu (Poor)

Cần kết hợp với hệ số Cu; Cc để phân biệt

> 12% lọt qua sàng 200 thì có thể là: GC; GM; SM; SC

M(silt): bụi; C (Clay): sét

H: high plasticity; L: low plasticity

Cần dựa vào chỉ số dẻo ở biểu đồ dẻo để phân biệt

1.2 Đối với đất hạt mịn

LL < 50% → ML; CL; OL

LL > 50% → MH; CH; OH

2 Hệ thống phân loại đất theo AASHTO

Có 7 nhóm phân loại chính từ A-1 đến A-7 Đất nằm trong 1 nhóm sẽ có tính chất tương tự nhau

 Nhóm từ A-1 đến A-3 là nhóm hạt thô

So sánh tương quan các nhóm hạt giữa AASHTO và USCS

Theo Liu (1970)

So sánh tương quan các nhóm hạt giữa AASHTO và USCS

Theo Liu (1970)

3 Hệ thống phân loại đất theo TCVN

Ở Việt Nam đang có 2 tiêu chuẩn phân loại đất:

Các giáo trình hiện hành phần lớn dùng TCXD

45-78 để phân loại đất

a TCXD 45-78 (TCVN 9362-2012) : Đất chia ra

thành đất dính & đất rời

+ Với đất dính: Phân loại đất theo chỉ số dẻo Ip (A)

A = W L - W p

a TCXD 45-78

Trạng thái đất dính còn được phân loại theo độ sệt LI(B)

Độ sệt của đất dính Độ sệt tương đối B

+ Với đất rời: phân thành đất hạt thô & đất cát

Tên đất** Chỉ tiêu phân loại*

Đất hạt thô

đá lăn, đá tảng Lượng chứa hạt > 200mm trên 50%

cuội, dăm Lượng chứa hạt > 10mm trên 50%

đất sỏi, sạn Lượng chứa hạt > 2mm trên 50%

Đất cát

đất cát lẫn sỏi Lượng chứa hạt > 2mm trên 25%

đất cát thô Lượng chứa hạt > 0,5mm trên 50%

đất cát vừa Lượng chứa hạt > 0,25mm trên 50%

đất cát nhỏ Lượng chứa hạt > 0,10mm bằng và trên 75% (75%) đất cát mịn (cát bụi) Lượng chứa hạt > 0,10mm dưới 75% (<75%)

* Dùng bộ rây tiêu chuẩn Liên Xô: 0,10; 0,25; 0,50; 2,0; 5,0; 10mm.

** Tên đất được chọn theo thứ tự loại dần từ trên xuống dưới.

Tính chất xây dựng của đất rời phụ thuộc vào

độ chặt, cấp phối và độ ẩm của đất Do vậy, đối với đất rời, ngoài tên đất, cần xác định độ ẩm, độ chặt & cấp phối của đất.

Độ bão hòa S* Mức độ ẩm

Mức độ ẩm của đất rời được xác định theo