Bài giảng Cơ học đất - Chương 1: Tính chất vật lý của đất (Trần Thế Việt)

Bài giảng Cơ học đất - Chương 1: Tính chất vật lý của đất (Trần Thế Việt) cung cấp đến học viên các kiến thức về 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, trạng thái vật lý của đất; phân loại đất;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

Trang 1

[1] -Giới thiệu Địa Kỹ Thuật , bản dịch từ : An

introduction to geotechnical engineering Robert

D Holtz & William D Kovacs, 1981

[5]– TCVN 5747:1993 Đất xây dựng – Phân loại

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trang 2

Gồm các hạt đất có k.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:

❖ T.phần k.vật của hạt đất

❖ Kích thước hạt đất

❖ Hình dạng hạt đất

Trang 3

1.1 Thành phần khoáng vật hạt đất (TPKV)

TPKVphụ thuộc chủ yếu vào TPKV tạo đá và tác dụng

phong hóađá

a) Kv nguyên sinh:.Đất có TPKV nguyên sinh thường có

kíchthước > 0.005 mm, VD fenpat; thạch anh & mica

b) Kv thứ sinh: Các kv thứ sinh thường có kích thước <

0.05mm, chia ra 2loại:

▪ Kv không hòa tan trongnước: kaolinit; ilit…

▪ Kv hòa tan trongnước VD: canxit; dolomit; mica trắng,

c) Chất hóa hợp hữu cơ là s.phẩm đc tạo ra từ di tích thực

vật & động vật ở giai đoạn phá hủy hoàn toàn (mùn hữu cơ)

7

1.1 Thành phần khoáng vật hạt đất (GT)

K.thước hạt đất có quan hệ mật thiết với TPKV

✓Hạt đất > hạt cát (2mm) có TPKV tương tự đá gốc

✓Hạt cát (2- 0.05mm) do kv nguyên sinh tạo thành

✓Hạt bụi (0.05 – 0.005mm) chủ yếu do kv nguyên sinh đã

ổn định về hóa học như thạch anh, fenfat…tạo thành

✓Hạt sét (< 0.005mm) chủ yếu do kv thứ sinh tạo thành

8

1.2 Thành phần cấp phối hạt

Do khôngthể phân tích được k.thước riêng biệt của từng

hạt ⇒ chia ra cácnhómhạt⇒ “cấp phối hạt” của đất

➢ Nhóm hạt: Tập hợp các hạt trong đất có kích thước nằm

trongmột phạm vinhất định

➢Cấp phối hạt: Lượng chứa tương đối của các nhóm hạt

trongđất (tính = % tổng lượng đất khô)

➢ Quanhệ đ.kính hạt ~ lượng chứa tương đối ⇒đường

cong cấp phối hạt

Xác định đường cong cấp phối hạt ntn?

Trang 4

Fig 2: Đường cong cấp phối hạt của một số loại đất

Dùngvới hạt có đ.kính d >0.1mm, sử dụng “bộ rây tiêu chuẩn”

Sấy khô đất/ giã tơi/

đổ vào rây/ lắc đều/

cân lượng sót trên

các rây và tính %

Trang 5

Từ giá trị đo k.cách chìm lắng &

thời gian chìm lắng  đ.kính tương

ứng d của nhóm hạt và lượng chứa

của các hạt < d tính bằng % trọng

lượng mẫu đất

2

) (

13

b Phương pháp tỷ trọng kế

Lấy 25 - 35g đất, cho vào bình, đổ đầy nước cất (1l), khuấy

đều Thả bầu tỷ trọng vào đọc trong các thời điểm: t = 5s, 15s,

30s, 1’,2’, 5’, 15’, 30’, 60’…

14

Fig 5: Bảng kết quả tính thành phần hạt theo phương pháp rây (ASTM)

1.1.1 Xác định đường cong cấp phối hạt

Trang 6

Đường cong cấp phối hạt của đất

16

1.1.1 Xác định đường cong cấp phối hạt

Đánh giá mức độ không đều hạt của đất, trong XD dùng:

+hệ số không đều hạt Cu

+hệ số cấp phối Cc

Cu= D60/D10và

D60:Đk cỡ hạt mà trọng lượng của tất cả các hạt ≤ đk đó

chiếm 60% trọng lượng mẫu đất khô

 D10gọi làđk hiệu quả,

 D60gọi làđk chi phối

10 60

2 30

.D D

C𝑢cànglớn, đường cong c.phối càng thoải, đất ko đều

hạt, ngược lại Cucàngnhỏ, đất càng đều hạt

Đất đc gọi là có c.phối tốt với Cu= 4÷ 6; Cc= 1-3.Nếu

Cu= 1 thìđất đc gọi là c.phối xấu

10 60

2 30

Trang 7

Fig 7: Đất với cấp phối tốt, trung bình và xấu

19

Đánh giá chất lượng đường cong cấp phối hạt ?

20

Cho biết: đường cong cấp phối

Trang 8

1.3 Hình dạng hạt đất

H.dạng các hạt đất có ah nhất định đến tính chất đất

Nhóm hạt có k.thước nhỏ từ hạt sét trở xuốngthường có dạng

phiến mỏng hoặc hình kim mảnh, TH này,h.dạng hạt đất ít ảnh

hưởng rõ rệt đến tính chất của đất

Nhóm hạt có k.thước hạt lớn (cát, cuội, sỏi),các hạt thường có dạng

hình khối cầu trơn nhẵn, hình góc cạnh.Hình dạng này có ah lớn tới

II Pha lỏng (nước trong đất) - TĐ

Đất trong TN luôn t.tại 1 lượng nước nhất định ở những dạng

khác nhau Nc t.dụng mạnh với các hạt k.vật, đặc biệt là

những hạt nhỏ có k.thước hạt keo hoạt tính bề mặt

Theo quan điểm XD:,

Trang 9

2.1 Nước trong hạt khoáng vật

Nước trong mạng tinh thể của kv, nó tồn tại dưới dạng

phân tử- H2O hoặc dạngion H+, OH- Loại nước này chỉ

tách ra khỏi kv khi ở tocao ( > 105oC) Trong XD, coi nó là

1 bộ phận của hạt kv & ko ảnh hưởng gì tới tc XD của đất

25

2.2 Nước kết hợp mặt ngoài hạt đất

Cáchạt kv của đất mang điện tích âm,nước là phân tử

lưỡng cực⇒những lực tác dụng tương hỗ điện p.tử

xuất hiện khi các hạt đất tx với nước⇒hút các p.tử

Căn cứ cường độ lực hút điện phân tử của bề mặt hạt kv,

chianước k.hợp mặt ngoài thành 3 lớp:

1) Nc hút bám:lớp nc bám chặt vào mặt ngoài hạt do

sức hút điện phân tửrất mạnh gây ra Đất sét chứa

nc hút bámsẽ ở trạng tháirắn

2) Nckết hợp mạnh:lớp nc liền kề nc hút bám do lực

hút điện phân tử tương đối mạnh tạo nên Đất sét

chứa nc KH mạnh sẽ ở trạng tháinửa rắn

3) Nckết hợp yếu:lớp nc ngoài cùng do lực hút điện

phân tử tương đối yếu tạo thành, đất sét chứa nc

k.hợp yếu và kết cấu đất đã bị phá hoại thì thể hiện

tínhdẻo

Trang 10

2.3 Nước tự do

Loại nc nằm ngoài lực hút điện trường, chia làm 2 loại:

a.) Nc mao dẫn: loại nc bị kéo lên trong các ống dẫn nhỏ

trong đất bên trên MNN do sức căng mặt ngoài của nc

Trong XD, nc mao dẫn làm cho đất ẩm ướt làm giảmsức

chịu tải của nền& tínhổn định của mái dốc

b.) Nc trọng lực: Tồn tại trong các lỗ rỗng của đất, chịu sự

chi phối của trọng lực & tuân theo đ.luật Darcy

✓ Khả năng hòa tan và phân giải của nc

✓ Ah của áp lực thủy tĩnh với đất và CT

✓ Ah của lực thấm

28

Ảnh hưởng của lớp nước kết hợp mặt ngoài đến tính

chất XD của đất

• Trong các loại nước kể trên thì nước màng mỏng có ảh

tới t.chất XD của đất nhiều hơn cả Mức độ ảh tùy thuộc

vào t.phần KV, tỷ diện tích, hàm lượng sét

• Do chịu lực hút điện phân tử, nước mảng mỏng có tính

nhớt hơn nước tự do, bề dày của nước mảng mỏng

tăng thì tính nhớt giảm, và ngược lại Vì thế ảh đến tính

chất cơ lý của đất: tính b.dạng (nén, nở, trượt), tính

 Khả năng hòa tan và phân giải của nước

(trong Địa chất thủy văn).

 Ảnh hưởng của áp lực thủy tĩnh đối với đất.

 Ảh của lực thấm do sự chuyển động của

nước trong đất đối với tính ổn định của đất.

Trang 11

III Pha khí trong đất (TĐ)

Thể khí trong đất phân thành 2 loai:

+Thông với khí quyển: không có ah

gìđáng kể đến tính chất của đất, khi

đầm chặt, khí này thoát ra ngoài

+ Ko thông với khí quyển(bọc

khí-túi khí)thường gặp trong đất sét Sự

tồn tại của các bọc khí trong đất làm

độ lớn và hình dạng khác nhautrong quá trìnhtrầm tích,

hình thành do t.dụng củalực điện phân tử giữa các hạtvới

Trang 12

1.2 Kết cấu tổ ong

Hình thành dosự chìm lắng các

hạttương đối nhỏtrongnước Do

trọng lượng các hạt ko đủ thắng

lực dính giữa chúng với nhautại

chỗ tiếp xúc nên chúng dừng lại

ngaytại chỗ tiếp xúc đầu tiên ở

lắng chìm đc mà lơ lửng trong môi

trường nước Nếu trong môi trường

T.1.2 Kết cấu- Liên kết kết cấu – Cấu tạo của đất (GT)

II Liên kết kết cấu

Cácliên kết nội tại gắn liền các hạt hoặc các đám hạt

với nhaugọi là LK – KC Sự tồn tại các LK-KC trong

đất cũng như độ cứng, tính đàn hồi, cường độ vv đó

lànhững yếu tố rất quan trọng quyết định t.chất của

đất.Theo thời gian hình thành, có2 loạiLKKC

a) Liên kết ban đầu

Trang 13

II Liên kết kết cấu của đất

a.) Liên kết ban đầu

Tạo ra do lực hút điện phân tử giữa các hạt kv với nhau

cũng như giữa chúng với nước

II Liên kết kết cấu của đất

b.) Liên kết sinh sau

Do trong nc có cáctạp chất, hạt đất vừa hút nc, vừa

hút cáctạp chất trong nc → 1 lớp keo bao quanh hạt

đất; chính lớp keo này có td liên kết các hạt lại với

nhau,gọi làsự già hóa keo.

Đ2: Liên kết cứng chắc, khi bị mất đi thì nó không

phục hồi lại ngay được

38

II Liên kết kết cấu của đất

LK banđầu hay sinh sau đều có cường độ kém xa cường

độ của bản thân hạt đất

Khi dùngđất là VLXD, LK-KC tự nhiên của đất bị phá hoại

Nhưng với thời gian, giữa các hạt đất đắp sẽ hình thành

LK-KCmới

Trang 14

III Cấu tạo của đất (GT)

Có 3 dạng cơ bản:

Mỗi loại cấu tạo có đ2khác nhau  cóảnh hưởng khác

nhautới tính chất của đất

Thực tế, “cấu tạo lớp” thường gặp nhiều hơn cả Với cấu

tạo nàyđất có tính dị hướng→ Các tc cơ lý (thấm, chống

cắt, đàn hồi, ) khác nhau theo các phương

Vì c.tạo của đất có ah tới tính chất đất nên khi khảo sát &

thiết kế nền cần phải chú ý đến yếu tố này

40

T.1.3 Các chỉ tiêu, tc vật lý & trạng thái vật lý của đất

Đất gồm 3 pha:rắn, lỏng, khí.Tínhchất VL của đất phụ

thuộc vào t.chất và 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:

Sơ đồ 3 pha vật chất tạo thành đất

1.2 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

Trang 15

1.1 Nhóm các chỉ tiêu tính chất vật lý trực tiếp

Chỉ tiêu được xác định trực tiếp từ các TN trong phòng.

1.1.1 KL riêng tự nhiên của đất 𝜌

M

MMMW2 2

s s V

M G





CáchXĐ: cân hạt khô để XĐ Ms, chohạt đất khô vào nước

để XĐ thể tích hạt nhờ thể tích nc dâng lên trong bình

𝜌w:khối lượng riêng của nc

Trang 16

1.2 Nhóm các chỉ tiêu tính chất vật lý gián tiếp

1.2.1 Khối lượng riêng khô của đất 𝜌d

t

s d



1

1.2.5 Khối lượng riêng bão hòa 𝜌sat

KL riêng của đất khi các lỗ rỗng trong đất chứa đầy nước

t w s satVM

V.VVMVMV

1.2.6 Khối lượng riêng đẩy nổi

1.2.7 Độ bão hòa của đất S

t

s w

s

V





e 1 ).

1 G

Trang 17

Example 1:

Xuất phát từ công thức định nghĩa chứng minh:

  1 W

Trang 18

Example 4

Một loại đất có = 17 kN/m3, ứng với w = 15%, xác

định trọng lượng riêng của đất đó khi độ ẩm là 25%

(chobiết thể tích của đất không đổi khi độ ẩm thay đổi)

52

53

e w V

Se

w s s w s

w s



1



e e

w w s

TÓM TẮT CÁC CÔNG THỨC QUY ĐỔI THƯỜNG DÙNG

Có thể chứng minh các c.thức trên xuất phát từ các c.thức định

nghĩa:

Trang 19

II Các chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất

Tínhchất của đất ko chỉ do lượng chứa tương đối giữa các

thể quyết định mà còn do td lẫn nhau giữa chúng, VD đất

sét, á sét

Cácchỉ tiêu tính chất VL chỉ cho k.niệm về q.hệ giữa lượng

chứa của các thể trong đất màchưa nói lên trạng thái của

đất(dẻo, cứng, mềm, chặt, xốp…)

Cần nghiên cứu t.thái VL của đất

55

2.1 T.Thái & các chỉ tiêu t.thái VL của đất rời

TTcủa đất rời phân ra: Trạng thái về độ chặt và TT độ ẩm

emax: Hsr của đất ở t.thái xốp nhất

emin: Hsr của đất ở t.thái chặt nhất

eo : Hsr của đất ở t.thái tự nhiên

Dr= 0 → 1, t.thái độ chặt của đất rời từ xốp nhất → chặt nhất

Trang 20

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

2.2 T.Thái & các chỉ tiêu t.thái VL của đất dính

2.2.1 Trạng thái vật lý của đất dính

T.Thái VL của đất dính ko chỉ có q.hệ tới lượng chứa tương đối

giữa các thể trong đất mà còn có q.hệ tới t.dụng giữa các hạt

đất với nước.

Đất dính thường ở các T.Thái: rắn; nửa rắn; dẻo; chảy

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

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

- Sự thay đổi độ ẩm q.định đến sự thay đổi t.thái đất dính

59

Trang 21

2.1.2 Giới hạn Atterberg và chỉ số dẻo

Gh Atterberg là những độ ẩm quá độ khi đất chuyển từ t.thái này

sang t.thái khác Phân biệt 3 loại độ ẩm quá độ:GH chảy (LL), GH

Lấy đất ở t.thái dẻo đem lăn trên mặt kính nhám chuẩn bằng

mu bàn tay Nếu lăn đất thành con giun dài với đường kính

đúng 3mm thấy giun bắt đầu xuất hiện các vết nứt và đứt ra

thành từng đoạn dài 8 – 10mm thì khi đó đất có độ ẩm đúng

bằng giới hạn dẻo

62

Trang 22

(Holtz and Kovacs, 1981)

64

a.) Dùng phương pháp xuyên tc: đặt chùy nhọn xuyên lên

mặt mẫu ở trạng thái sệt & thả rơi tự do, nếu sau 5’ chùy

xuyênngập sâu vào đất đúng 10mm thì độ ẩm của đất khi đó

chính là GHchảy

Trang 23

Hình 10 Phương pháp dùng chùy xuyên tc

67

2.) TN xác định giới hạn dẻo LL

b.) PP Casagrande: chođất ở trạng thái sệt vào 1 đĩa, gạt

bằng mặt đất ở đĩa và vạch một rãnh có bề rộng và độ sâu

theođúng tiêu chuẩn Sau khi gõ đúng 25 lần nếu 2 mép

rãnhvừa vặn khít lại thì độ ẩm của đất đó chính bằng GH

chảy

68

Hình 12: Phương

pháp Casagrande

Trang 24

Hình 13: Kết quả thí nghiệm phương pháp Casagrande

70

*) 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 - 1 đặc trưng quan trọng của đất dính, để biểu thị

nó, dùng chỉ số dẻo,

PI = LL – PL

*) Chỉ số sệt LI (liquid index)

PL LL PL w LI



Trong đó: W: Độ ẩm của đất ở trạng thái tự nhiên

LI > 1 Đất ở trạng thái chảy

0 ≤ LI ≤ 1 Đất ở trạng thái dẻo

LI < 0 Đất ở trạng thái rắn

71

Bảng 1.3: Tiêu chuẩn phân loại đất dính

Trang 25

T.1.4 Phân loại đất

I Mục đích, vai trò:

✓ Làmcơ 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

73

 USCS - Hệ thống phân loại đất thống nhất (Unified Soil

Classification System)

Dùngchủ yếu bởi các cơ quan trực thuộc Chính phủ (các đơn

vị quân đội, Vụ khai hoá), các công ty tư vấn ĐKT và các

phòng TN.Với một số thay đổi nhỏ, hệ thống này cũng được

sử dụng tương đối rộng rãi ở Anh và một số nước khác

 AASHTO -Hệ thống phân loại của hiệp hội Đường bộ liên

bang và giao thôngvận tải Mỹ (American Association of State

Highway and Transportation Officials)

Dựa vào việc quan trắc các đặc trưng của đất trong XD đường

giao thông,đc sử dụng bởi Cục giao thông và đường bộ Mỹ

 Hệ thống phân loại đất Việt nam

W -Cấp phối tốt

P -Cấp phối xấu

Đất hạt thô Đất hạt mịn Đất hữu cơ

(O) Cuội sỏi

(G)

Cát

(S)

Bụi (M)

Sét (C)

Trang 26

1 Hệ thống phân loại đất thống nhất (1952)

❖ Phân nhómbằng 2 chữ cái

1 Loại đất

M = Silt H = High plasticity

❖ W or P is decided by the values of Cc& Cu

❖ C, M, H or L is decided by the value of LL & PL

(plasticity chart)

77

Trang 27

3 Đất có hàm lượng hữu cơ cao

Một loại đất được phân loại là có hàm lượng hữu cơ cao

nếu nó được cấu thành chủ yếu bởi

 Xác sinhvật,

 Có màu xám nâuhoặc xám đen,

 Có mùiđặc trưng của sinh vật và odour, ở trạng thái

➢ G làcuội (gravel); S là cát (sand)

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

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

Trang 28

82

Fig 14: Plasticity chart

Biểu đồ dẻo: Đánh giá tính dẻo thấp/cao, Đất là bụi/sét

- Dưới đường A: là M – bụi - Trên đường A: là C – Sét

T.1.4 Phân loại đất

2 Hệ thống phân loại đất theo AASHTO

Có 7 nhóm p.loại chính từ A-1 đến A-7 Đất nằm trong 1 nhóm

sẽ cót.chất tương tự nhau

✓ Nhóm từ A-1 đến A-3 là nhóm hạt thô

✓ Từ A-4 đến A-7 là nhóm hạt mịn

P.loại theo AASHTO dựa trên k.quả phân tích hạt qua các sàng

số 200, 40, 10 & của các thí nghiệm chảy - dẻo Sự khác biệt

giữa các nhóm hạt từ A-1 đến A-7 thể hiện = chỉ số GI

Định dạng
Số trang	35
Dung lượng	3,16 MB