Bài giảng Địa kỹ thuật: Chương 2 - TS. Phạm Quang Tú

Bài giảng Địa kỹ thuật: Chương 2 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 II 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 tạo của đất

3 Các chỉ tiêu tính chất vật lý của đất

4 Phân loại đất

Nội Dung:

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

Đất thường là sản phẩm của quá trìnhphong 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 chất

đất Kích 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 khoáng vật nguyên sinh tạo

thành

nguyên sinh đã ổn định về hóa học như thạch anh,

felspar…tạo thành

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

tạo thành

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

+ Nhóm hạt: Tập hợp các hạt trong đất có kích thước nằmtrong một phạm vinhất định

+ Cấp phối hạt: Lượng chứa tương đối của các nhóm hạt 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 thước

mắt sàng khác nhau “bộ rây tiêu chuẩn”

Sấy khô đất/ giã

tơi/ đổ vào rây/

lượng sót trên

các sàng và tính

%

b Phương pháp tỷ trọng kế

Dùng với hạt có đường kính d ≤ 0.1 mm, phương pháp này dựa trên nguyên lý lắng chìm Stokes: các hạt có đường kính khác nhau khi lắng chìm trong nước sẽ lắng đọng với tốc

độ khác nhau

Từ giá trị đo khoảng cách chìm lắng, thời gian chìm lắng, tính được đường kính tương ứng d của nhóm hạt & lượng chứa của các hạt < d tính = % trọng lượng 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 &

D 60 : 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.

D10gọi là đường kính hiệu quả, D60gọi 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

Cc

Đánh giá chất lượng đường cong cấp phối hạt

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 hình

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 trơn

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 nênhoạt 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 của

phân tử lưỡng cực→ những lực tác dụng tương hỗ

điện phân tử xuất hiện khi các hạt đất tiếp xúc với nước→ hút các phân tử nước lưỡng cực bằng 1 lực rất lớn Lượng nước kết hợp mặt ngoài do 3 yếu tố quyết định:

1.Tính ưa nước của khoáng vật

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

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

Căn cứcường độ lực hút điện phân tửcủa bề mặt

hạt khoáng vật, chia nước kết hợp mặt ngoài thành 3 lớp:

1)Nước hút bám: lớp nước bám chặt vào mặt ngoài hạt

dosức hút điện phân tửrất mạnhgây ra Đất sét chứa

nước hút bám sẽ ở trạng tháirắn

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

do lực hút điện phân tửtương đối mạnhtạo nên Đất sét

chứa nước kết hợp mạnh sẽ ở trạng tháinửa rắn

3)Nước kết hợp yếu: lớp nước ngoài cùng do lực hút

điện phân tửtương đối yếutạo thành, đất sét chứa nước

kết hợp yếu & kết cấu đất bị phá hoại thì nó thể hiện tính

dẻo

Các loại nước kết hợp mặt ngoài của hạt đất

3 NƯỚC TỰ DO

Loại nước nằm ngoài lực hút điện trường, chia

làm 2 loại:

a)Nước mao dẫn:loại nước bị kéo lên trong các ống

dẫn nhỏ trong đất bên trên mực nước ngầm do sức

căng mặt ngoài của nước Trong xây dựng, nước mao

dẫn làm cho đất ẩm ướt làm sức chịu tải của nền &

tính ổn định của mái dốc giảm

b) Nước trọng lực:Tồn tại trong các lỗ rỗng của đất,

chịu sự chi phối của trọng lực và tuân theo định luật

Darcy

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 2 loại:

+Loại thông với khí quyển:không có ảnh hưởng gì đáng kể đối với tính chất của đất, khi đầm chặt, khí này thoát ra ngoài

+ Loại không thông với khí quyển

(bọc khí- túi khí) thường thấy trong các loại đất sét Sự tồn tại của các bọc khí trong đất làmgiảm tính thấm của đất,tăng tính đàn hồivà cóảnh hưởng tới quá trình ép co của đất dưới tác dụng của lực ngoài

II.2 KẾT CẤU, CẤU TẠO VÀ LIÊN KẾT KẾT CẤU CỦA ĐẤT

II.2.1 Kết cấu của đất

Kết cấu của đất làsự sắp xếp có quy luật của các

hạt hoặc các đám hạtcó độ lớn và hình dạng khác

nhautrong quá trình trầm tích

Kết cấu của đất hình thành do tác dụng lực điện

phân tử giữa các hạtvới nhau, giữa cáchạtvớinước

và tương quan giữa cáclựcđó vớitrọng lượngcủa hạt

Căn cứ vào nguyên nhân hình thành các kết cấu

của đất, thường phân chúng ra3 loại kết cấu cơ bản

a) Kết cấu hạt đơn

b) Kết cấu tổ ong

c) Kết cấu bông

1 Kết cấu hạt đơn

Hình thành do sự chìm lắng của các hạt tương đối totrong môi trường nước

Kết cấu này tạo nên từ các hạt có đường kính lớn, hạt này xếp chồng lên hạt kia ở 1 vị trí ổn định nhất, những hạt nhỏ chui vào lỗ rỗng của những hạt lớn hơn

2 Kết cấu tổ ong

Hình thành do sự lắng

trong nước Dotrọng lượng các

hạt không đủ thắng lực dính

tiếp xúc nên chúng không thể

tiếp tục lắng chìm xuống mà

dừng lại ngay tại chỗ tiếp xúc

đầu tiên ở thế không ổn định

3 Kết cấu bông

Hình thành từ những hạt

có đường kính rất nhỏ (hạt keo)  trạng thái lơ lửng Nếu trong môi trường đó có 1 chất điện giải, các hạt sẽ xích lại với nhau → các đám hạt & đủ trọng lượng để chìm xuống → Kết cấu bông

II.2.2 Cấu tạo của đất

-Cấu tạo lớp

-Cấu tạo porphyre

-Cấu tạo tổ ong

-Cấu tạo khối

Các tính chất cơ lý (tính thấm, tính chống cắt,

tính đàn hồi…) khác nhau theo các phương

(cấu tạo lớp)

Cácliên kết nội tại gắn liền các hạt hoặc các đám hạt với nhaugọi là liên kết kết cấu Sự tồn tại các liên kết kết cấu trong đất cũng như độ cứng, tính đàn hồi, cường

độ và các đặc điểm khác của các liên kết kết cấu đó là những yếu tố rất quan trọng quyết định tính chất của đất dùng làm nền, làm môi trường và làm VLXD.Theo thời gian hình thành, có2 loạiliên kết kết cấu

a)Liên kếtban đầu b)Liên kếtsinh sau

II.2.3 Liên kết kết cấu

a.) Liên kết ban đầu

Tạo ra do lực hút điện phân tử giữa các hạt khoáng

vật với nhau cũng như giữa chúng với nước

Đặc điểm:

- Có tínhđàn hồ i& tínhdẻo nhớt– còn gọi là liên kết“keo

nước”

b) Liên kết sinh sau

Do trong nước có các tạp chất, khi đó hạt đất vừa hút nước, vừa hút các tạp chất trong nước → 1 lớp keo bao quanh hạt đất; chính lớp keo này có tác dụng liên kết các hạt lại với nhau, gọi làsự già hóa keo.

Đặc điểm:

Liên kết cứng chắc, khi bị mất đi thì nó không phục hồi lại ngay được

II.3 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 ( d; s; sat; ’; e, n, S)

 Khối lượng riêng khô, hạt, bão hòa: d; s; sat

 Hệ số rỗng của đất e;

 Độ rỗng của đất n

 Độ bão hòa S

II.3.1 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

T

T V

M



Mt: Khối lượng tổng cộng của mẫu đất (kg)

Vt: Thể tích tổng cộng của mẫu đất (m3)

Xác định bằng cách

dùngdao vòngcắt đất

Trong phòng TN:

V M

M2 1



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

Xác độ ẩm trong phòng TN

100 M M M W

2 2

1



3 Tỷ trọng hạt đất G s:

w s

s s V

M G





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/m3

w: khối lượng riêng của nước

II.3.2 NHÓM CÁC CHỈ TIÊU TÍNH CHẤT VẬT LÝ GIÁN TiẾP

1 Khối lượng riêng khô của đất d Kg/m3

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

t

s

d V

M







2 Khối lượng riêng hạt của đất s (Kg/m 3 )

s

s

s V

M





3 Hệ số rỗng e

s

v

V

V

d

s







4 Độ rỗng của đất (n)

(%) 100





t

v

V

V

n

e

e n



 1

5 Khối lượng riêng bão hòa sat

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

đầy nước

t w s sat V M





là khối lượng nước chứa đầy trong lỗ rỗng của đất

w

M

w d t w v d t w t s t

w s

V V V

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 w











v

w

V

V

S

e w G

II.3.3 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

đất nào đó, vì tính chất của đất không phải phải

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

thể trong đất màchưa nói lên trạng thái của đất

(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.

D r = 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)

và giới hạn co (SL).

+ Giới hạn chảy (LL): độ ẩm quá độ khi đất chuyển từ trạng thái

dẻo sang trạng thái chảy

+ Giới hạn dẻo (PL): độ ẩm quá độ khi đất chuyển từ trạng thái

nửa rắn sang trạng thái dẻo

+ Giới hạn co (SL): độ ẩm quá độ khi đất chuyển từ trạng thái

rắn sang nửa rắn

Trong 3 loại giới hạn trên thì LL và PL được dùng phổ biến.

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 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

Thí nghiệm xác định Giới hạn chảy LL

a) Dùng phương pháp Vaxiliep: đặt chùy nhọn xuyên

lên mặt mẫu ở trạng thái sệt & thả rơi tự do, nếu sau

5’ chùy xuyên ngập sâu vào đất đúng 10mm thì độ ẩm

của đất khi đó chính là giới hạn chảy

b) Phương pháp Casagrande: cho đất ở trạng thái sệt

vào 1 đĩa, gạt bằng mặt đất ở đĩa và vạch một rãnh có

bề rộng và độ sâu theo đúng tiêu chuẩn Sau khi gõ

đúng 25 lần nếu 2 mép rãnh vừa vặn khít lại thì độ ẩm

của đất đó chính bằng giới hạn chảy

Phương pháp dùng chùy  Vaxiliep