Cơ học đất,giáo trình dùng cho sinh viên ngành xây dựng cầu đường

Trong khi di chuyển các hạt có kích thước lớn thường còn giữ được thành phần khoáng chất như đá gốc hoặc biến đổi ít, các hạt này lắng đọng chồng chất lên nhau, giữa các hạt không có liê

Chương 1 CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT

1.1 SỰ HÌNH THÀNH CỦA ĐẤT

Đa số các công trình xây dựng đặt trên nền đất, chỉ có một số ít các công trình đặt

trực tiếp lên tầng đá Bản thân các tầng lớp đá, nếu thế nằm ổn định, thì do cường độ của

đá tương đối lớn mà công trình đặt trên nó có thể vững chắc, sử dụng lâu dài một cách

yên tâm Còn đối với đất thì phụ thuộc vào nhiều điều kiện mà có khi cường độ rất lớn

hoặc yếu Trước khi đi sâu tìm hiểu các tính chất của đất chúng ta cần phải biết nguồn

gốc hình thành của chúng

Thành phần chủ yếu của đất là các hạt đất Các hạt đất có kích thước to nhỏ khác

- nhau, chúng được tạo nên do sự phá hoại các tầng lớp đất đá ban đầu bởi nhiều nguyên

nhân Quá trình này gọi là phong hoá mà trong môn Địa chất công trình đã được trình

bày cụ thể Ở đây chỉ xin nói chung, ngắn gọn như sau: Người ta phân loại quá trình

phong hoá đá ra làm ba loại tuỳ vào bản chất của tác động phá hoại Đó là phong hoá vật

lí, phong hoá hoá học và phong hoá sinh vật

Phong hoá vật lí là các tác động tự nhiên của môi trường xung quanh đối với các

tâng lớp đá: do tác động của nhiều nguyên nhân như sự thay đổi nhiệt độ, sự đông cứng

và tan rã của nước, sự kết tinh của muối trong các khe nứt sẵn Do phong Hoá vật lý, đá

bị nát vụn ra nhiều mảnh có kích thước khác nhau và có góc cạnh

Phong hoá hoá học là sự tác động của các hợp chất hoặc nguyên tố hoá học có trong không khí và nước lên các hợp chất của khoáng vật tạo đá làm cho đá bị biến chất dần, dẫn tới nát vụn thành các hạt nhỏ Các vật phẩm sau quá trình phong hoá hoá học có tính

chất khác hẳn với đá gốc, người ta gọi là khoáng vật thứ sinh -

.Phong hoá sinh vật là quá trình phá hoại các tầng lớp đá do các loại động vật, thực vật sống trên mặt đất Các loại động vật và côn trùng đào bới hang hốc làm chỗ ở hoặc

tìm kiếm thức ăn có thể làm nát vụn các loại đá mềm yếu Các loại thực vật mọc trong

kẽ đá trong quá trình phát triển, lớn lên và tiêu huỷ cũng sinh ra những chất hoá học ăn

mòn và làm nứt nẻ đất đá

Ba loại phong hoá kể trên thường tác dụng đồng thời, lâu dài làm cho các lớp đất đá trên mặt bị vỡ vụn Sau đó do tác dụng của dòng nước; của bãng trôi, của gió các hạt đá

bị cuốn đi nơi khác Tuỳ kích thước các hạt to, nhỏ mà trong quá trình di chuyển chúng

sẽ lắng đọng hoặc rơi xuống tạo thành các tầng lớp đất khác nhau

6

Quá trình di chuyển và lắng đọng trên được gọi là trầm tích Ba phần tư bề mặt lục

địa được bao phủ bởi các lớp trầm tích này, phần còn lại là các vùng núi đá Trong khi di chuyển các hạt có kích thước lớn thường còn giữ được thành phần khoáng chất như đá gốc hoặc biến đổi ít, các hạt này lắng đọng chồng chất lên nhau, giữa các hạt không có liên kết gì chúng rời rạc từng hạt với nhau, đó chính là các tầng lớp cát, cuội, sỏi v.v Các hạt nhỏ kích thước vài phần nghìn milimét thường có tính keo dính và tích điện, chúng theo gió hoặc nước đi xa hơn Khi lắng đọng chúng liên kết với nhau, lâu dần -_ hình thành các tầng lớp đất sét hay gọi là đất dính

Tuỳ thuộc vào vô vàn điều kiện của tự nhiên như thời tiết, địa điểm, thời gian các loại đất được hình thành rất khác nhau, tính chất mỗi loại, mỗi nơi cũng khác nhau

Trong môn học này chúng ta sẽ nghiên cứu những tính chất chung nhất của đất khi chịu lực còn khi thiết kế, tính toán công trình có liên quan tới đất bắt buộc chúng ta phải khảo

sát, thăm đò, thử nghiệm tỷ mỉ và thận trọng để nắm được các đặc điểm cụ thể của mỗi loại đất ở từng vị trí cụ thể, sau đó mới áp dụng các kiến thức chung ở đây để giải quyết

cho thích hợp

1.2 CÁC THÀNH PHẦN CHỦ YẾU CỦA ĐẤT

Như mục trên chúng ta đã biết về sự hình thành thành phần chủ yếu của đất là các

hạt đất Các hạt đất có kích thước khác nhau, hình dạng khác nhau nên khi sắp xếp với

nhau sẽ tồn tại các khe rỗng Các lỗ hổng giữa các hạt có ảnh hưởng rất nhiều đến tính

chất của đất, vì vậy khi nghiên cứu đất phải xét đến mọi thành phần trong khối đó Từ lí

- đo này mà người ta gọi đất là một vật thể có ba thành phần, từ chuyên dùng trong cơ học

gọi đất là vật thể ba pha: pha cứng là hạt đất hay còn gọi chung là khung cốt của đất, pha

lỏng là nước trong lỗ hồng, pha khí là các chất hơi trong lỗ hổng

Khi lỗ hồng đầy nước thì người ta gọi là đất bão hoà nước và như vậy chỉ còn hai pha Pha thứ ba là chất khí trong thực tế ít ảnh hưởng đến tính chất cơ học của đất Trái lại

lượng nước hay tỉ lệ pha lỏng so với pha rắn thì lại có ý nghĩa rất lớn

Sau đây chúng ta sẽ đi sâu vào

-_ mà truyền rộng ra và xuống dưới sâu IN

-Vì vậy mà người ta gọi tập hợp các

Các hạt đất có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau tuỳ thuộc vào các tác động phong hoá và quá trình di chuyển, trầm tích Các hạt lớn là những đá tảng đường kính trung bình có khi vài mét, thứ đến các loại hạt nhỏ như đá cục, đá cuội, sỏi sạn, hạt cát, hạt bụi, hạt sét Các hạt nhỏ nhất là các hạt keo đường kính trung bình có khi chỉ bằng

vài phần nghìn milimét

Đối với loại hạt lớn như đá tâng, đá hòn đường kính khoảng 200mm trở lên thì kích

thước ba chiều của hạt đều cần chú ý Đối với các hạt nhỏ hơn 200mm trở xuống, nhất là

những loại sỏi sạn đến cát bụi thì hình dáng các hạt lại càng phức tạp

Để phân loại người ta thường dùng khái niệm đường kính trung bình của hạt Đó là đường kính của vòng tròn bao quanh tiết diện lớn của hạt đất đó (hình 1-1)

Khi phân loại đất người ta thường căn cứ vào tỉ lệ các loại hạt nào chiếm đa số để mà đặt tên Do đó trước hết cần đặt tên cáchạ =

Sau đây là cách gọi tên các hạt đất của các nước khác nhau để các bạn tham khảo

Hệ thống phân loại đất thống nhất của Nhật Bản "tiêu chuẩn kĩ thuật công trình và thiết bị cảng Nhật Bản 1980"

Ở Mỹ có một số cách gọi tên hạt tuỳ vào các công ty, hãng, như bảng dưới đây của

I | | |

Các loại đất có hình dạng rất khác nhau, những

hạt lớn như hạt cát trở lên thường có dạng khối,

kích thước 3 chiều gần bằng nhau Những hạt ít bị

dịch chuyển có cạnh sắc, góc nhọn Những hạt bị

_ địch chuyển nhiều trong quá trình trầm tích, các

góc, cạnh bị cọ sát, va chạm nhau nhiều sẽ trở nên

d, - đường kính của vòng tròn ngoại tiếp nhỏ nhất

Cac chi s6 Ky, va K, càng lớn chứng tỏ các hạt tròn nhắn và;càng gần dạng hình cầu Các hạt đất có kích thước lớn thường có dạng gần giống hình cầu, các hạt nhỏ như

hạt sết, hạt keo lại có dạng vấy hoặc dạng hình kim, dạng tấm mỏng v.È

b) Thanh phần khoáng vật của hạt đất

Thành phần khoáng vật của hạt đất phụ thuộc thành phần khoáng vật tạo đá và tác

dụng phong hóa đá

Các hạt đất có kích thước càng lớn thì thành phần khoáng vật càng giống với đá gốc

hơn Các hạt có kích thước càng nhỏ bị tác dụng của nước và nhiều nguyên nhân phức -

tạp khác, thành phần khoáng vật bị biến chất đi ta gọi là khoáng vật thứ sinh

Khoáng vật hợp thành các hạt đất có thể chia thành 3 loại: Khoáng vật nguyên sinh,

khoáng vật thứ sinh và một thành phần nữa được gọi là các vật chất hoá hợp hữu cơ

Các khoáng vật nguyên sinh tạo nên các hạt thường là 3 loại: felspat, thạch anh và mica Các hạt đất có thành phần khoáng này thường có kích thước lớn từ hạt cát trở lên Các khoáng vật thứ sinh được chia làm 2 loại:

1 Loại không hoà tan trong nước gém kaolinit, ilit va montmorilonit;

2 Loại hoà tan trong nước gồm calcit, mica trắng, thạch cao và muối mỏ (muốn tìm hiểu rõ các thuộc tính của khoáng chất, xin các bạn xem trong giáo trình Địa chất)

Đất gồm các loại hạt lớn thì thành phần khoáng vật thường không có ảnh hưởng gì nhiều đến tính chất đất, nhưng đất gồm những hạt nhỏ đường kính từ 0,005mm trở

xuống thì thành phần khoáng vật lại ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật lí và cơ học của đất Ảnh hưởng này thể hiện ở các hiện tượng tích điện bề mặt và hoạt tính keo của các hạt Hiện tượng tích điện và hoạt tính keo làm các hạt liên kết với nhau và với nước

trong lỗ rỗng Sự liên kết các hạt làm cho nó thành một khối và tạo cho đất chịu được

một lực nhất định, thí dụ như cục đất sét khô

-_ Những hạt lớn như cát, cuội, sôi thành phần khoáng của hạt hầu như không ảnh

- hưởng gì đến nhau Giữa các hạt không có lực liên kết, các hạt chỉ sắp xếp nằm cạnh nhau Chúng ta gọi là đất hạt rời

Khi số lượng hạt sét và hạt keo có một tỉ lệ nhất định trong đất thì sẽ có hiện tượng các hạt dính kết với nhau thành từng lớp hoặc từng khối Những loại như vậy được gọi là đất dính Sự liên kết giữa các hạt phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc của chúng với nhau

Khi đất gồm nhiều hạt càng nhỏ thì tổng diện tích mặt ngoài các hạt càng lớn Người ta

có thể thấy rõ khi so sánh tổng diện tích mặt ngoài của các hạt trong Icm" hoặc 1 gam

đất khi đường kính hạt nhỏ dần, thí dụ bảng 1.2

Bảng 1.2 Tỉ diện tích mặt ngoài các hạt

` Khi đất gồm nhiều hạt càng nhỏ thì tỉ diện sẽ càng lớn, điều đó sẽ dẫn đến hiện

tượng hoạt động mặt ngoài của các hạt đất càng lớn Các liên kết mặt ngoài giữa các hat

sé càng mạnh

10

1.2.2 Nước trong đất

Nước là thành phần thứ hai của đất mà trong chuyên môn thường được gọi là pha lỏng Nước có ảnh hưởng rất lớn đến tính chịu lực của đất vì vậy khi nghiên cứu người ta luôn chú ý đến số lượng nước trong đất

_ Nước tồn tại trong đất dưới nhiều dạng khác nhau Mỗi dạng đều có ảnh hưởng nhất 'định đến các tính chất khác nhau của đất

Người ta thường phân ra các dạng như sau:

- Nước trong khoáng vật của hạt đất

- Nước kết hợp với mặt ngoài hạt đất:

Dưới đây chúng ta sẽ đi sâu hơn vào tính chất của môi loại nước

¿) Nước trong khoáng vật của hạt đất

Đây là loại nước nằm trong tinh thể khoáng vật của hạt đất, tồn tại dưới dang phân tử

HạO hoặc dạng ion H” hay OH Loại nước trong thành phần khoáng vật này không thể

tách ra bằng các biện pháp cơ học, nó liên kết rất chặt chẽ với các phần tử ion khác

Muốn tách nó ra khỏi khoáng vật chỉ có thể sấy ở nhiệt độ Í00° +300°C Loại nước riày

ít ảnh hưởng đến tính chất cơ học của đất nên không cần lưu tâm lắm khi xây dựng

Như trên đã trình bày, chúng ta biết rằng khi đất nhiều hạt nhỏ thì tỉ diện càng lớn

Khi tỉ diện càng lớn thì sự tiếp xúc của các hạt với nhau và với nước xung quanh chúng

càng lớn làm cho đất nói chung có nhiều tính chất phức tạp hơn Các hạt sét là những hạt

nhỏ D * 0,005mm được cấu tạo bởi một số tỉnh thể khoáng vật Mỗi tỉnh thể khoáng vật của một loại đất có mạng lưới các nguyên tử của các nguyên tố được sắp xếp khác nhau Hình 1.3 là cấu tạo của tỉnh thể kaolinit và montmorilônit

Theo một số tác giả như Rây¡s, Grim thì trên bé mat các ic hat sét thuong cé tich dién

âm Do đó giữa các hạt và giữa hạt sết với nước bao bọc quanh nó hình thành các lực tinh điện Trên hình 1.3 là sơ đồ mạng lưới tỉnh thể Kaolinit không đối xứng do tích điện

hai đầu tỉnh thể khác dấu nên nó hút nhau tạo thành từng tập liên kết chặt chẽ không hút nước Trái lại tỉnh thể montmorilônit có cấu tạo đối xứng, do đó các hạt liên kết nhau

không chặt khi có nước bao bọc quanh hạt có thể chứa một lượng nước rất lớn vì các hạt

có thể đẩy xa nhau ra, làm cho đất có tính nở và co rất lớn

ay

Be DI -80

- 6(0}:

Tinh thé montmorifonit Ô

Ghép nối các tinh thé montmorilonit

dương quay vào mặt hạt, phân tử này nối tiếp phân tử kia Lực điện phân tử giảm nhanh khi khoảng cách càng xa dần mặt hạt Đến khoảng cách từ 0,1 + 0,5 tm thì lực tác dụng

giảm gần như bằng 0

“Tuỳ vào khoảng cách đến mặt hạt và tác dụng của lực tính điện, nước được chia thành các loại sau:

b.] Nước hút bám

Đây là các phần tử nước nằm ngay sát mặt hạt đất có liên kết chặt chế với hạt Khi đất

chỉ có nước hút bám thì vẫn ở trạng thái khô Loại nước này không thể hoà tan các loại

muối, tỉ trọng khoảng 1,5; không dẫn nhiệt, không kết tinh, tỉ nhiệt khoảng 0,51 + 0/79

Lượng chứa nước hút bám đối với đất cát là 0,5%, đối với đất sét pha 5 + 7%, đối với đất sét là 10 + 20%

b.2 Nước màng mỏng

Ngoài lớp hút bám là nước màng mỏng Đây là lớp nước gồm các phần tử nước bị tác

dụng của lực fĩnh điện trên mặt hạt đất Các phân tử nước bị phân cực hoá do tác dụng của điện trường của hạt, bị hút vào mặt hạt Lực điện phân tử ở gần mặt hạt thì lớn, càng

xa mặt hạt thì càng nhỏ và giảm nhanh Vì vậy các phân tử nước càng gần mặt hạt sẽ sắp xếp càng trật tự, càng xa mặt hạt thì sự bố trí các phân tử càng lộn xộn hơn Lớp nước màng mỏng được phân thành lớp nước kết hợp mạnh và lớp nước kết hợp yếu

Nước kết hợp mạnh bám tương đối chắc vào mặt hạt Dùng lực li tâm lớn cũng khó tách được loại nước này ra khỏi đất Khi đất chỉ chứa nước hút bám và kết hợp mạnh thì

ta gọi nó là lượng nước phân tử Nước kết hợp mạnh không truyền áp lực thuỷ tính

nhưng có thể hoà tan muối

Khi đất chỉ có nước kết hợp mạnh thì nó ở trạng thái nửa rắn, chưa thể hiện tính dẻo Nước kết hợp yếu là lớp nước bao bọc bên ngoài lớp nước kết hợp mạnh Tính chất của nước kết hợp yếu không khác nhiều với nước thường Chiểu dày của lớp màng mỏng

gồm lớp kết hợp mạnh và lớp kết hợp yếu dày khoảng hơn 10 lần phân tử nước (theo

Hocber) hoặc từ 0,1 + 0,5 micron (theo B U Dériaghin)

Khi đất có chứa nước kết hợp yếu, nếu kết cấu tự nhiên đã bị phá hoại thì thường đất

ở trạng thái dẻo Nếu đất có kết cấu tự nhiên thì đất không thể hiện tính dẻo V A

Priklonxki gọi đó là trạng thái dẻo ngầm Hình 1-4c thể hiện sự bố trí các lớp nước

Nước trọng lực là nước tự nhiên nằm trong lỗ hồng của đất, có thể di chuyển từ nơi

này sang nơi khác dưới tác dụng của trọng lực Ta thường gọi lớp nước này trong đất là

13

Nước mạch chảy từ chỗ cao xuống chỗ thấp, ở trong các lỗ hổng nó tác động lên các hạt áp lực thuỷ tính mà ta gọi là áp lực nước lỗ rỗng Khi lỗ hồng giữa các hạt lớn, nước

có thể thấm nhanh từ chỗ này sang chỗ kia với tốc độ nhất định thí dụ vài mết trong một

giờ hay vài chục mét trong một ngày đêm Khi chảy qua các lỗ hồng nếu tốc độ thấm

lớn có thể sinh ra áp lực thuỷ động lên các hạt đất

Khi lỗ hồng nhỏ thì hiện tượng thấm nước sẽ xảy ra một cách khó khăn hơn do đó

thời gian kéo dài Thí dụ nước thấm trong đất dính khoảng vài mét trong một năm Khi

lỗ hổng quá nhỏ có thể nước không thấm qua được Tốc độ gần bằng 0

c.2 Nước mao dẫn

Nước mao dẫn là nước dâng lên theo các đường lỗ rỗng nhỏ giữa các hạt đất Nước

mao dẫn có thể dâng cao đến hàng chục mét từ mạch nước ngầm Do hiện tượng mao dẫn, nước dâng cao làm thay đối tính chất chịu lực của các lớp đất phía trên, như những

tầng đất dưới đáy nền móng hay nền đường Nước mao dẫn làm tăng độ ẩm của đất,

giảm sức chịu tải của nền và ảnh hưởng xấu đến vật liệu làm móng khi nước có mang

những hoá chất ăn mòn Nguyên nhân sinh ra hiện tượng mao dẫn là lực căng mặt

ngoài của nước thành ống nhỏ

Lực căng mặt ngoài của nước trong ống có tiết diện bất

kì được tính theo công thức La Paplace:

q - lực căng của mặt chất lỏng;

œ - hệ số tỉ lệ, đốt với nước #* = 0,00075 MN/m;

T¡, ïạ - bán kính cong theo hai phương thẳng góc Hình I-5

với nhau của màng nước

Nếu ống là tròn, giả định mặt cong là mặt cầu thì r¡ = rọ = r

Công thức (1.3) được đổi thành

T Chiều cao cột nước mao dẫn có thể suy ra từ công thức:

Yn Tĩn

Tạ - trọng lượng riêng của nước

Lực mao dẫn khác với áp lực thuỷ tĩnh tính theo lực đẩy Archimède Lực mao dẫn

là lực nén, nó tác dụng lên hạt đất một tải trọng phụ, làm tăng thêm trọng lượng

riêng của đất

14

1.2.3 Khí trong đất

Trong các lỗ hồng giữa các hạt đất, ngoài nước còn có các chất khí Người ta gọi

thành phần khí là pha khí của đất Khi đất hoàn toàn khô thì không khí chiếm toàn bộ thể tích lỗ rỗng Khi bão hoà nước thì toàn bộ lỗ rỗng của đất bị chiếm bởi nước và

không còn thành phần khí nữa Nói chung thành phần khí ít ảnh hưởng đến tính chất cơ

học của đất Các bọt khí trong lỗ rỗng của đất có thể làm tăng tính đàn hồi khi chịu nén

của đất, ngoài ra chúng có thể ảnh hưởng tới tính thấm của đất, cản trở dòng thấm của nước làm cho tốc độ thấm giảm nhỏ

Trên đây chúng ta đã nghiên cứu 3 thành phần riêng rẽ của đất, trong thiên nhiên 3

thành phần này có tính liên kết chặt chẽ với nhau, tác động qua lại giữa chúng làm cho

đất có những tính chất vật lí, cơ học khác nhau, theo những quy tắc phức tạp Dưới đây chúng ta nghiên cứu tiếp về các loại kết cấu của đất

1.2.4 Kết cấu của đất

Đất là một vật thể có 3 pha trong đó pha rẻ rắn gồm các hạt là khung cốt chịu lực chính

của nó

Kết cấu của đất hay sự sắp xếp các hạt với nhau ảnh hưởng nhiều tới các tính chất vật

lí, cơ học của chúng Kết cấu của đất phụ thuộc vào quá trình hình thành và tồn tại rất

lâu dài nên rất đa dạng

Người ta thường phân kết cấu của đất thành 3 loại cơ bản như sau:

a) Kết cấu hạt đơn

Đây là dạng kết cấu đơn giản nhất của đất như các loại cát, cuội, sỏi Các loại đất này chỉ bao gồm những loại hạt lớn như hạt cát bụi trở lên Những hạt này.sắp xếp cạnh nhau, giữa chúng không có sự liên kết nào Trong quá trình trầm tích, các hạt cố trọng lượng bản thân lớn hơn các lực tác dụng giữa chúng với nhau, khi rơi xuống hạt nọ tựa lên hạt kia (hình 1-6a)

Kết cấu hat đơn còn được phân loại thành kết cấu xốp và kết cấu chặt Kết cấu xốp là

sự sắp xếp các hạt một cách rời rạc, thường có lỗ hổng lớn Loại đất này khi chịu lực cho

độ lún lớn và sức chịu lực yếu

15

Kết cấu chặt là sự sắp xếp các hạt liền khít, chèn chặt với nhau Đất cát kết cấu

chặt thì thường có hệ số độ rỗng nhỏ, có sức chịu tải cao và độ lún nhỏ khi xây dựng

công trình

-b) Kết cấu tổ ong

- Các loại đất trầm tích gồm các hạt tương đối nhỏ, khi lắng đọng trọng lượng các hạt

không đủ thắng được các lực tác dụng tương hỗ giữa chúng với nhau, các hạt bám vào: nhau, khi lắng xuống tạo thành nhiều lỗ hổng như tổ ong (hình 1-6b)

c) Kết cấu bông

Các loại hạt kích thước rất nhỏ như các hạt keo trở xuống có trọng lượng bản thân rất nhỏ, chúng lơ lửng trong một thời gian nhất định, sau khi kết hợp với nhau thành từng đám rồi lắng xuống Giữa các hạt đã có những lỗ rỗng, đám hạt này lắng xuống lại tạo với các đám đã lắng trước các lỗ rỗng lớn hơn (hình 1-óc) Ta gọi kết cấu như vậy là kết

cấu bông hay kết cấu tổ ong kép

Trên đây là 3 loại kết cấu cơ bản của đất Trong thực tế đất gồm nhiều loại hạt từ nhỏ

đến lớn hợp thành Vì vậy kết cấu của đất tự nhiên phức tạp hơn nhiều Trong đất tự

nhiên có thể tổn tại cả 3 loại kết cấu cơ bản trên

Trong quá trình tồn tại lâu dài hình thành các lực liên kết giữa các hạt đất làm cho đất có thể chịu được một tác dụng nào đó Ta gọi chúng là các liên kết kết cấu của đất, chúng lại được phân thành hai loại: Liên kết nguyên sinh và liên kết thứ sinh

Liên kết nguyên sinh là sự tác dụng của những lực phân tử giữa đất với nước Các liên kết này thường có tính đàn hồi và nhớt

Liên kết thứ sinh là liên kết cứng giữa các hạt đất, nó được hình thành do sự hoá già

của các chất keo và sự kết tỉnh của các muối trong đất Liên

kết thứ sinh làm cho đất có thể chịu được một trọng tải lớn,

đến một mức nào đó thì các liên kết này bị phá hoại Đây

thường là sự phá hoại dòn, đột biến và khó khôi phục lại

Kết cấu của đất tự nhiên thường phức tạp gồm nhiều loại

hạt lớn nhỏ sắp xếp không theo một quy luật nhất định nào

16

Như vậy chúng ta cần chú ý sự phá hoại của đất chính là sự phá hoại các lực liên kết kết cấu giữa các hạt làm cho đất biến dạng lớn chứ không phải là sự phá hoại bản

thân các hạt đất, vì cường độ chịu lực của các hạt thường lớn hơn lực liên kết giữa chúng rất nhiều

Từ những nhận xét trên đây chúng ta cần lưu ý khi thí nghiệm các loại đất phải bảo

vệ kết cấu nguyên dạng của đất, tránh những xáo trộn kết cấu của đất Có như vậy mới đánh giá được đúng đắn các tính chất vật lí và cơ học của đất và từ đó mới có các biện

1.3 CÁC CHỈ TIÊU TÍNH CHẤT CỦA ĐẤT

Người kỹ sư khi thiết kế nền móng cho một công trình xây dựng cần phải biết đánh

giá địa chất công trình của khu vực đành cho nó Ngày nay người ta thường dùng các chỉ

tiêu vật lí để thể hiện một số tính chất của đất

Chúng ta biết rằng đất gồm 3 thành phần là hạt, nước và khí Tỉ l lệ của 3 thành phần

này sẽ gián tiếp chỉ ra cho biết đất là rỗng hay chặt, nặng hay nhẹ, khô hay ướt

Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu định nghĩa các chỉ tiêu vật lí

Trước hết dé dé nấm được các khái niệm chúng ta tưởng tượng và mô hình hoá vật

thể đất thành 3 thành phần riêng rẽ Thí dụ hình 1.8 là biểu hiện một cục đất có trọng

lượng là Q và thể tích là V Giả dụ phần hạt nén chặt không còn lỗ rỗng có trọng lượng

là Q, và thể tích Vụ, phần rỗng của đất: Q và V, , phần nước trong đất là Q,„ và V„, phần

1.3.1 Trọng lượng thể tích của đất

a) Trọng lượng thể tích tự nhiên là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng

thái tự nhiên, kí hiệu thường dùng là:

V

Để xác định trị số y của một loại đất ta phải dùng phương pháp thí nghiệm sau đây:

Lấy một đoạn ống thép có thể tích nhất định, một đầu được mài sắc như hình 1.9

Dụng cụ này trong phòng thí nghiệm gọi là "dao vòng" _

Khi thí nghiệm ta đo D, H và cân trọng lượng của dao vòng Q„„ Sau đó dùng tay ấn

dao vòng vào chỗ đất muốn xác định trọng lượng thể tích Dùng dao cắt đất thừa ở mặt

trên và dưới "đao vòng" Sau đó đem cân cả dao và đất được Q),

Ta tính ra trọng lượng đơn vị của đất bằng công thức sau:

Trọng lượng thể tích no nước là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng thái

no nước Đó là trạng thái mà các lỗ rỗng đều được lấp đầy bởi nước Đất chỉ còn hai thành phần là hạt và nước Trọng lượng thể tích no nước được tính bằng công thức sau:

Q- - trọng lượng nước lấp đầy lỗ rỗng

Qụy - trọng lượng của đất có nước lấp đầy lỗ rỗng

Yb, - tong hợp đơn vị của đất có nước lấp đầy lỗ rỗng

Đất ở những nơi thường xuyên ẩm ướt, có nước mặt thì có thể ở trạng thái no nước

(bão hoà)

c) Trọng lượng thể tích đẩy nổi

Trọng lượng thể tích đẩy nổi là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất nằm ở đưới

nước Trong trạng thái này đất chịu tác dụng của lực đẩy nổi Archimêde:

Qh ~Yn¥

Yon = FEE = Yep —T) kN/m? (1.9) Trong đó: y„ - trọng lượng đơn vị của nước (9,81kN/m))

18

Trong khi tính toán đôi khi người ta còn dùng khái niệm tỉ trọng hạt A TỈ trọng hạt

là tỉ số trọng lượng của đơn vị thể tích hạt so với trọng lượng của đơn vị thể tích nước:

A=te : _ (12)

Yn

Nếu dùng đơn vị là kN/nỶ thì y„ = 10 kN/m”, do đó: yụ = 10A;

Nếu dùng đơn vi la g/cm’ thi y, = A, T/m? thi y, = 10A về giá trị

Bang 1.3 cho một số giá trị tham khảo về trọng lượng riêng hạt của một số loại đất

Trọng lượng thể tích của đất thay đổi trong một phạm vi lớn phụ thuộc vào bản chất

khoáng vật, độ rỗng, lượng nước trong lỗ rỗng v.v Trọng lượng thể tích của đất cũng là

một loại tải trọng sinh ra ứng suất trong bản thân môi trường và đôi khi tải trọng bản

thân lớn có thể gây ra sự phá hoại vì mất ổn định Vì vậy khi thiết kế nền móng và các

công trình bằng đất ta cần xác định trọng lượng thể tích của đất trong những trạng thái

thực tế của nó

Để xác định trọng lượng thể tích no nước, người ta dùng dụng cụ dao vòng với

các quy định chi tiết đảm bảo cho đất bão hoà nước Chỉ tiết xem trong các quy trình thí nghiệm

Bảng 1.4 cho giá trị tham khảo về các trọng lượng thể tích của các loại đất

19

Bảng 1.4 Giá trị trọng lượng thể tích các loại đất thường gặp

Để xác định độ ẩm của đất W người ta làm thí nghiệm ở trong phòng như sau: Can

một lượng đất nhất định cần xác định độ ẩm Cho đất vào hộp nhôm đã biết trọng lượng

là Q¡ Cân cả hộp là Q› Sau đó đem đặt hộp vào tủ sấy ở nhiệt độ từ 100 + 105°C Thời gian sấy phụ thuộc -vào loại đất Nhiệt độ sấy không được quá 105°C để phòng những phần tử hữu cơ bị cháy Trong quá trình sấy thỉnh thoảng đem cân khi nào thấy trọng lượng hộp va

dat khong thay đổi nữa thì coi như đất đã khô Giả dụ cân được trọng lượng Q›

Tính độ ẩm:

W= Qo = Q3 saga

37Q) Khi thí nghiệm làm đồng thời 3 mẫu lấy giá trị W trung bình

-_b) Độ bão hoà nước (Š,):

Trong khi phân tích tính chất đất, hàm lượng nước W không thể biểu thị rằng đất khô hay ướt, Muốn biết đất khô hay ướt cần biết lượng nước chiếm bao nhiêu:phần lỗ rỗng

Vi vậy trong cơ học đất còn dùng khái niệm độ bao hoa S

Độ bão hoà S, là tỉ số của thể tích nước trong đất so với thể tích lỗ hồng của đất:

SH (1.18)

Khi S, = 0 chứng tỏ đất khô, khi 0 < S, < 1 đất ở trạng thái 3 pha: hạt + nước + khí

Khi S, = l tức là nước lấp đầy lỗ rỗng, ta gọi là đất bão hoà nước, khi đó đất chỉ gồm 2 pha: hạt và nước Tuy nhiên đối với đất cát là loại-đất rời rạc, chỉ gồm có các hạt lớn (từ

hạt bụi trở lên) thì nước có khả năng lấp đầy hoàn toàn lỗ rỗng và S.= 1 Còn đối với các loại đất dính gồm nhiều hạt rất nhỏ như các hạt sét, hạt keo thì nước khó chiếm đây thể tích các lỗ rỗng mà thế nào cũng còn những bọt khí kín không thể thoát ra được nên độ

bão hoà Sr có thể nhỏ hơn 1

Theo tiêu chuẩn thiết kế cầu cống 1979 của Bộ Giao thông vận tải, trạng thấi ướt của đất sét pha, sết tuỳ thuộc vào độ bão hoà S, nhử sau: I

S,< 0,5 - Đất hơi ẩm 0,5<S,< 0,8 - Đất ẩm

Giữa các chỉ tiêu tính chất của đất có những liên hệ về số lượng Từ các chỉ tiêu cơ bản phải xác định bằng thí nghiệm như trọng lượng thể tích y, độ ẩm W, trọng lượng riêng hạt yạ,ta có thể suy ra các chỉ tiêu khác, bảng 1 5

21

1.4 CÁC CHÍ TIÊU TRẠNG THAI CUA DAT

.Để đánh giá trạng thái của đất hiện nay thường dùng hai chỉ tiêu: Độ chặt I¡ và độ

sệt I, D6 chat I, thuéng dùng cho đất cát Độ sệt I¡ thường dùng cho đất dính

1.4.1 Độ chặt của đất

Như phần 1.2 ở trên chúng ta biết rằng các hạt đất là khung cốt chịu lực của đất, nếu _

hạt đất không xếp đặt một cách chặt chẽ thì các lỗ rỗng lớn và sức chịu lực của đất sẽ rất nhỏ Nếu các hạt đất bị chèn với nhau, thể tích lỗ rỗng giảm ởi và sức chịu lực sẽ lớn hơn Vì vậy độ chặt là một chỉ tiêu thể hiện sức chịu lực của đất

Để đánh giá độ chặt người ta dùng chỉ tiêu độ chặt I:

Để đánh giá độ chặt của đất bằng độ chặt I¡ như trên cần phải thí nghiệm và quy ước

thế nào là đất cát rời rạc, hoặc rỗng nhất và như thế nào là chặt nhất, độ rỗng nhỏ nhất

Hiện nay để xác định I; có thể dùng quy

trình thí nghiệm sau: Lấy 1000 - 1200g đất

cát đem sấy khô Lấy đất cát này đổ qua phễu _

i vao 6ng 2, 6ng 2 làm bằng kim loại có

đường kính trong = 76mm, cao H = 125mm

ống 2 thì dùng dao gạt mặt đất cho bằng và đem cân được Q› Day 1a tương ứng trạng

thái xốp, rỗng nhất và có dung trọng khô nhỏ nhất

đo độ lún của mặt đất trong ống 2

Tiếp tục gõ 3 đợt, mỗi đợt kéo dai 1/2 phút và đo độ sâu lún của quả cân 3 Nếu thay

độ lún không tăng thêm tức là đất đã nén chặt, có độ rỗng nhỏ nhất Tính thể tích phần

lún là AV và dùng công thức sau Suy Ta ©m¡n:

(V, - AV)y

Sau đó dùng công thức (1.19) để tính độ chặt của đất I, a

Để đánh giá độ chặt của đất một cách đơn giản hơn người ta còn căn cứ vào hệ số rỗng e (bảng 1.7)

Bảng 1.7 Quy định trạng thái chặt của đất theo e

Cát sỏi, cát thô, cát trung e<0,55 0,55<e<0,70 -e>0,70

1.4.2 Độ sệt của đất

Đất dính bao gồm phần lớn là các hạt sét, hạt keo kích thước rất nhỏ (d < 0,005mm)

Khi gặp nước các loại đất dính này bị thay đổi các tính chất vốn có khi khô

Chúng ta quan sát một mẩu đất sét, khi khô nó rất cứng dùng tay không thể bóp vỡ Nếu cho nó hút dần một lượng nước nhỏ nào đó thì đất vẫn rất cứng, nhưng nết cứ tăng - thêm đến một lúc ta thấy mẫu đất có thể tích hơi lớn lên và vẫn cứng Lúc này đất.sét đã

chuyển sang trạng thái nở về thể tích, người ta cho rằng lúc này lượng nước bao quanh

các hạt đã đủ lớn và đẩy dãn khoảng cách giữa các hạt ra, ở trạng thái này nếu lượng nước giảm thì các hạt sít lại với nhau và thể tích đất bị co lại Độ ẩm tương ứng với trạng

thái đất bắt đầu có thể tích nở hoặc co lại gọi là giới hạn nở (hoặc giới hạn co)

24

Nếu lượng nước lại được bổ sung thêm thì đến một lúc đất dẻo ra có thể nặn được,

trạng thái này được gọi là trạng thái dẻo

Nếu lại thêm lượng nước nữa thì đến một lúc đất nhão ra như bùn, trạng thái này gọi

Trạng thái cứng _ Trang thai déo _ Trang thái chảy

We Mp We

Hình 1.11

Như vậy có thể nói rằng có 3 trạng thái chính là trạng thái cứng, trạng thái dẻo và

trạng thái chảy Giữa 3 trạng thái này có 3 giá trị độ ẩm cần chú ý:

- Độ ẩm tương ứng với trạng thái đất bắt đầu nở và co về thể tích gọi là giới hạn co W,

- Độ ẩm làm cho đất chuyển từ trạng thái cứng sang dẻo được gọi là giới hạn dẻo W,

- Độ ẩm làm cho đất từ trạng thái dẻo sang chay duoc goi 1A gidi han chay W,

Giới hạn dẻo W, và chảy WỊ là 2 chỉ tiêu có tính quy ước nhưng ảnh hưởng lớn đến

tính chất chịu lực, chúng được xác định bằng thí nghiệm quy định như sau:

Để xác định giới hạn dẻo W: người ta lấy đất đem lăn thành những que đất Nếu đến khi que có đường kính D = 3mm và bắt đầu xuất hiện những vết nứt ngang trên bề mặt

que thì lấy những que đất này làm thí nghiệm độ ẩm Độ ẩm có được là W,

Nếu que đất có đường kính nhỏ hơn mà mặt que vẫn còn nhắn chứng tỏ độ ẩm của

đất còn cao hơn giới hạn dẻo Nếu que đất có đường kính lớn hơn 3mm mà đã bị nứt nẻ,

gấy thì điều đó chứng tỏ độ ẩm của đất nhỏ hơn giới hạn dẻo Cách thí nghiệm như trên

có vẻ thô sơ nhưng đã được chấp nhận từ lâu ở nhiều nước cho đến nay ưu điểm của

phương pháp thí nghiệm là đơn giản và tương đối dễ thực hiện, sai số không lớn Người

ta đã nghĩ đến nhiều cách thí nghiệm khác để làm sao cho dễ chuẩn hoá hơn nhưng chưa phương pháp nào được công nhận c

Để xác định giới hạn chây WL người ta quy ước làm thí nghiệm sau:

- Dùng quả doi (được gọi là quả doi Vasiliev) nang:

76g có đầu hình chóp nón mũi nhọn œ = 30°,cao -

Đặt mũi quả dọi sát mặt đất, sau đó thả tay cho lún ph

tự do vào đất Nếu sau 10 giây mà quả dọi lún vào

trong đất được 10mm thì độ ẩm của đất đó được gọilà -

%6

25

Nếu khi thả dọi lún hơn hơn 10mm thì điều đó chứng tro đất rất nhão, độ ẩm lớn hơn giới hạn chảy Nếu khi thả quả dọi không lún đến 10mm thì điều đó chứng tỏ đất có

Hai trường hợp này đều phải làm lại bằng cách phơi cho đất giảm bớt độ ẩm hoặc

cho thêm nước để độ ẩm tăng lên I

Một quy ước thứ hai mà các nước Châu Âu và Bắc Mỹ hay dùng là dụng cụ Casagrande

Dụng cụ này gồm một đĩa trũng lỏng 7 được đặt lên một dụng cụ gây va đập 2 (hình 1-13) Khi quay tay quay ở thì đĩa 7 bị nâng lên rồi rơi xuống tự do ở độ cao 5mm

Đất thí nghiệm duoc phét vao dia J Ding dao vạch 4 cắt đất thành 2 nửa, khoảng

cách hai mép rãnh là 10mm Sau khi quay tay quay 25 lần (đĩa va đập vào day 25 lần) nếu hai mép 'vạch của hai nửa mẫu đất chập vào nhau thì chứng tỏ đất có độ ẩm ở gidi

WwW? - ai han chay xác định theo phương pháp quả doi Vasiliev

- gidi han chảy xác định theo phương pháp Casagrande

Để biết đất đang xem xét ở trạng thái nào người ta dùng chỉ tiêu độ sệt Ih:

Trong đó:

W - độ ẩm tự nhiên của đất;

W, W, - tương ứng giới hạn dẻo và giới hạn chảy của đất;

I, ~ chi số dẻo

Căn cứ vào độ sệt Ï¡ người ta xác định trạng thái của đất dính (bảng 1.6)

Bang 1.8 Trạng thái của đất dính theo do sét I,

có thể chịu được tải trọng Các biện pháp xử lí nền đất mềm sẽ được giới thiệu trong

môn học Nền và Móng Đây là những trường hợp phức tạp dễ dẫn đến hỏng công trình, nứt nẻ quá lớn; người Kĩ sư cần phải lưu tâm

Khi đất ở trạng thái chảy người ta coi như không còn khả năng chịu lực, bắt buộc

phải xử ]í sao cho đất giảm độ 4m hoặc đặt móng xuống sâu hơn, bỏ qua tầng đất này 1.5: PHAN LOAI DAT

Ở trên chúng ta đã biết đất được hợp thành bởi 3 thành phần là hạt đất, nước và khí

Trong đó hạt đất là thành phần chủ yếu, nước và khí tác động lên hạt đất làm cho khối đất có nhiều tính chất phức tạp khác nhau

Các hạt đất được hình thành là do sự phong hoá làm vỡ vụn các tâng lớp đá, mà đá

thì có nhiều loại, thành phần khoáng chất khác nhau do các nguyên nhân tạo thành

Khi bị vỡ vụn thành các hạt và do quá trình phong hoá lâu dài các hạt đất có nhiều kích thước khác nhau, lớn thì như đá tảng, đá cuội, nhỏ thì như các hạt bụi, hạt sét và hạt keo

27

Đất ở một vị trí nào đó trên mặt quả đất được tạo thành gồm nhiều loại hạt khác nhau

trộn lẫn Nếu một loại hạt nào đó chiếm đa số thì sẽ quyết định những tính chất chủ yếu của loại đất đó

Nhìn chung các hạt có kích thước lớn (trong cơ học đất gọi các hạt có d > 0,005 mm

là các hạt lớn), thường tồn tại độc lập, không thể hiện những tác động, ảnh hưởng nào đó

đến các hạt xung quanh Trái lại các hạt nhỏ như các hạt sét, hạt keo d < 0,005mm +

0,001mm thì có những tác động hoá, lý phức tạp đến các hạt bên cạnh và nước ở xung quanh, liên kết với nhau thành từng khối đất

Nếu đất gồm những hạt đường kính lớn không có hạt nhỏ thì các hạt rời rạc, hạt nọ

tựa lên hạt kia, giữa chúng chỉ có sự ma sát mặt ngoài với nhau, khi có tác dụng lực đầm nén thì chúng chêm chặt vào nhau Đó là các loại đất cát, cuội, sỏi ta gọi chung là đất rời Nếu trong đất lẫn các hạt nhỏ d < 0,005 mm tức là các hạt sét hoặc hạt keo đến một mức nào đó thì sẽ có sự dính kết các hạt thành một khối, các loại đất như vậy ta gọi

chung là đất dính

Vậy nhìn đại thể ta có thể chia đất thành hai loại lớn là đất rời và đất dính

Trong hai loại trên tuỳ vào số lượng một loại hạt nào đó chiếm đa số thì sẽ quyết định tính chất của đất Thí dụ đất cát có một số loại như: Cát cuội sỏi, cất to, cát nhỏ, cát bụi v.v Đất dính cũng có nhiều loại như: cát pha, sét pha, và sét

Do tỉ lệ của loại hạt chủ yếu trong đất sẽ có quyết định tính chất loại đất nén nay

sinh vấn để phải phân tích kích thước các hạt có trong đất, để xem loại đất ta đang nghiên cứu gồm những loại hạt gì và chiếm tỉ lệ bao nhiêu trong tổng số Công việc làm

như vậy trong môn học này gọi là thí nghiệm phân tích hạt

1.5.1 Thí nghiệm phân tích hạt

4) Phân tích thành phần hạt của đất cát

Thành phần hạt còn gọi là cấp phối hạt của đất Đối với

đất cát gồm chủ yếu là các hạt đường kính d > 0,1 mm

Để phân tích thành phần hạt hiện nay người ta thường 1000mm

dùng bộ rây tiêu chuẩn như hình 1.14 5,00mm

cho toàn bộ khối đất, đem sấy khô và cân lấy trọng lượng 1,00mm

chính xác Đem lượng đất thí nghiệm đổ vào rây trên 0,50mm

cùng rồi đậy nắp kín Đặt bộ rây lên máy rung có bộ 025mm | `¬——Z ú phận kẹp chặt Cho máy rung trong khoảng 5 phút Sau ' 010mm

đó tháo bộ rây ra khỏi máy rung Dem phan hat con lai Đáy

trên các ngăn riêng rẽ của bộ rây để cân, ta xác định

được tỉ lệ hạt lớn hơn một đường kính nào đó chiếm bao

nhiêu phần trăm tổng số Thí dụ: Rây 500g cát ta được Hình 1.14

28

Đất dính gồm một tỉ lệ lớn các hạt có đường kính nhỏ hơn 0,1mm Đề phân tích tỉ lệ

các hạt nhỏ này trong tổng số không thể dùng phương pháp rây vì lỗ của các bộ rây hiện

Đất dính đem nghiền bằng chày bọc cao su cho các hạt rời

nhau Dem ray qua ray có mắt 0,06 hay 0,07 Phần trên sàng dùng

nước rửa để đảm bảo lọt hết phần hạt nhỏ xuống để phân tích hạt

Phần lọc qua sàng 0,06 cùng với nước rửa đất nói trên cho vào

ống đo 1000 ml, cho thêm nước và một ít chất ổn định (amoniac

hoặc thuỷ tỉnh lỏng) cho đủ 1000 ml sau đó quấy đều rồi đặt tỉ

trọng kế vào dung dịch đất và đo được chỉ số R chỉ độ chìm của tỉ

trọng kế Từ chỉ số R dùng công thức sau để suy ra khối lượng ©

riêng của dung dịch

_Ðp - khối lượng riêng của hạt;

- Đa - khối lượng riêng của nước

Đo khối lượng riêng của dung dich ở các thời điểm 30 giây, L, 2, S5, 15, 30’, 1 gid,

2 giờ, 4 giờ, 24 giờ, 48 giờ

Mỗi lần đo xong, lấy tỉ trọng kế ra, khi đo lại nhúng vào một cách nhẹ nhàng

Theo công thức Stoke ta có liên hệ giữa đường kính hạt và tốc độ lắng đọng như sau:

bằng tỉ số khoảng cách lắng chìm cho thời gian lắng chìm

Theo (1.25) chúng ta thấy nếu đường kính hạt càng lớn thì

tốc độ lắng càng lớn, có nghĩa là hạt lớn lắng nhanh hơn,

hạt nhỏ lắng chậm hơn Nếu gọi khoảng cách lắng từ trọng

tâm bầu của tỉ trọng kế đến mặt nước là Hạ (hình 1-16) và

biết thời gian t từ khi bắt đầu ngừng khuấy dung dịch đến

Hinh 1.16: Chiéu sdu Hp

Thay vào công thức (1.25) ta có đường kính các hạt đã lắng d, ở thời gian t:

8(Pp —Ðn)t

Trong dung dịch khi đó chỉ còn các hạt nhỏ hơn đ,, các hạt có đường kính lớn hơn hay bang d (d > d,) đều đã chìm xuống đáy

Biết giá trị d, (theo 1.26) và lại đo được khối lượng riêng pạ, (theo 1.24) ta tính ra

được tỉ số phần trăm các hạt trong tổng số trọng lượng hạt đem phân tích

Thí dụ: Lượng đất thí nghiệm là m gam, sau khi loc qua ray 0,06mm con m, gam Vậy thành phần hạt có đường kính d < d, trong tổng trọng m gam là:

30

V - thé tich 6ng do hay thé tich dung dich = 1000ml

Dao - khối lượng riêng ban đầu, đo ngay sau khi khuấy

Thành phần hạt của các hạt có d > 0,06 mm sẽ là:

Z#q sao =2 m | (1.29)

Từ các trị số đo khối lượng riêng tương ứng với từng thời gian t chúng ta tính ra tỉ

số % của hạt ở lúc đó Tiếp đó dùng công thức (1.26) chúng ta tính ra đường kính d, ở thời điểm đó

Sau khi phân tích hạt bằng bộ rây tiêu chuẩn cho các đất cát hoặc phân tích bằng tỉ

trọng kế cho các đất dính người ta sẽ vẽ được biểu đồ biểu diễn cấu tạo thành phần hạt (hay còn gọi là cấp phối hạt) của một loại đất

Biểu đồ thường được biểu diễn trong toạ độ nửa logarit như hình 1.17

Trục hoành là lôgarit của các giá trị đường kính hạt đất Trục tung là tỈ lệ phần trăm `

của các hạt nhỏ hơn một đường kính nào đó Sở dĩ phải dùng các giá trị lôgarit của _

đường kính hạt vì đường kính các loại hạt gấp nhau hàng trăm lần không thể biểu diễn bằng toạ độ bình thường

31

Nhìn biểu đồ cấp phối hạt trên hình 1.17 chúng ta hình dung ra thành phần hạt của một loại đất Loại hạt nào chiếm đa số Thí dụ:

Đường cong cấp phối Í là của cát, không có các hạt đường kính nhỏ

Đường cong 2 là cấp phối hạt của một loại đất dính

Để đánh giá cấp phối đất người ta dùng hệ số đồng đều C\

dạo - đường kính có hiệu tương ứng với nó chiếm 60% lượng hạt;

dịo - đường kính có hiệu tương ứng với nó chiếm 10% lượng hạt

Khi C, càng lớn thì đất càng khôné đều Thường với đất cát C, > 3 đã coi là đất không đều, như vậy gọi là đất cấp phối tốt, trong thành phần có đủ các loại hạt, do đó mà các hạt

nhỏ lấp vào các lỗ rỗng lớn làm cho tỉ lệ khe hở nhỏ đi và đất có thể coi là chặt

1.5.2 Phân loại đất

a) Phan loại đất theo quy trình của Liên Xô

Khi xây dựng công trình ở một vị trí nào đó chúng ta cần phải biết đất ở đó loại gì và tính chất ra sao Tuy nhiên đất là một vật chất phức tạp, do nguyên nhân hình thành phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nên mỗi nơi tính chất của đất lại khác nhau Mỗi một công trình _ xây dựng lớn đều đòi hỏi phải thăm dò, khảo sát để biết tính chất của đất ở đó Sau khi biết tính chất của đất chúng ta cần biết và xác định nó thuộc loại gì, tính chất xây dựng

của chúng ra sao, để có cách xử lí Kĩ thuật thích hợp

Chính vì vậy đã hình thành yêu cầu phân loại đất và đặt tên mỗi loại để dễ phân biệt Hiện nay chúng ta quen dùng cách phân loại đất theo các quy trình của Liên Xô cũ

Thí dụ trong ngành xây dựng cầu đường từ quy trình xây dựng.cầu đường sắt, đường -, bộ CH-200-62; trong ngành xây dựng công nghiệp và xây dựng dân dụng là quy trình SNIP-265-62

Sau đó Liên Xô đã thay đổi, bổ sung nhiều lần Hiện nay ở ta đang có các quy trình

xây dựng cầu cống SNIP 05.03-84 Trong đó quy định phân loại đất đá cần theo Gost

25.100-82 va chỉ dẫn của SNIP2.02.01-83 `

Dưới đây là cách phân loại theo Gost 25.100-82

Vỏ trái đất về mặt xây dựng chia làm 2 loại lớn và đá và đất

a) Đá được phân loại theo độ bền nén một trục, độ mềm hoá trong nước và độ tan rã

trong nước như bảng 1.9

Trong bảng, R, là cường độ chịu nén một trục trong trạng thái bão hoà nước K.„¿ là

hệ số mềm vì nước được tính bằng tỉ số giữa cường độ chịu nén một trục trong trạng thái

bão hoà và trạng thái khô ngoài trời

32

Bằng 1.9 Phân loại đá làm nền công trình xây dựng

Theo hệ số mềm hoá trong nước |

Theo mức độ tan trong nước gam/l

b) Đất làm nền công trình xây đựng được chia ra thành đất hạt to, cát và dính

Bảng 1.10 cho chỉ tiêu phân loại đất hạt to và cát

Bảng 1.10 Phân loại đất hạt to và cát theo thành phần hạt

Đối với các loại đất trên trạng thái bão hoà nước được phân ra theo công thức (1.18) Ngoài ra để đánh giá độ chặt của các loại đất này còn dựa vào hệ số độ rỗng e như bảng 1.7

_ Đối với loại đất dính quy trình này phân loại theo chỉ số dẻo 1

Trong dé: W,, W, - giới hạn chảy và giới hạn dẻo của đất

Kết quả nghiên cứu thí nghiệm của nhiều nhà khoa học đã cho thấy rằng lượng hạt

sết trong đất có ảnh hưởng nhiều đến giá trị giới hạn chảy và giới hạn dẻo Khi lượng hạt sét càng nhiều thì giới hạn chảy càng có giá trị lớn hơn và tăng nhanh hơn so với giá trị dẻo Do đó để phân loại đất dính quy trình này dựa trên chỉ số dẻo như bảng 1.11

Trạng thái của đất dính được gọi tên tuỳ thuộc vào giá trị d6 sét I, như bảng 1.8

Bang 1.12 dẫn ra các giá trị trung bình của khối lượng riêng pụ (g/cm?) cha cdc loại dat dinh

Bảng 1.12 Giá trị trung bình của pạ các loại đất dính

trưng bởi độ ẩm lớn hơn giới hạn chảy và hệ số độ rỗng e > 0,9

Bảng 1.13 quy định hệ số rỗng của các loại đất bùn Trong đất bùn thường có các tàn tích hữu cơ và chiếm không quá 10%

Cách phân loại đất trong quy trình xây dựng cầu cống 1979 của ta tương tự như trên b) Phân loại đất làm đường theo tam giác Phêrê

Ngoài cách phân loại kể trên, hiện nay một số cơ quan xây dựng ở nước ta còn dùng

cách phân loại dựa vào lượng chứa tương đối của 3 nhóm hạt cát, hạt bụi và hạt sét Để

tiện sử dụng, cách phân loại đó được trình bày trên một biểu đồ tam giác, gọi là tam giác Phêrê, trong đó các cạnh được lấy làm trục biểu diễn lượng chứa tương đối của 3 nhóm hạt kể trên, còn điện tích thì được chia ra từng khu vực với các loại đất khác nhau Khi

dùng tam giác này để xác định tên đất, thì cần lấy các điểm trên các trục ứng với lượng chứa tương đối của nhóm hạt tìm được bằng thí nghiệm, rồi từ các điểm đó vẽ các đường

SOng song với các trực Giao điểm tìm được của các đường này cho phép xác định tên gọi của loại đất đang xét (hình 1-18)

Đất sét pha vừa gã sét pha vừa lẫn tụ

s0 Đất sét pha nhẹ Đất sát pha nhẹ lẫn bụi 7

Đất sét pha nhẹ / V2 sét He? nhẹ cát lân búi

400 / Đất \J/Gát \/Bựi \/cat_\/ Bul \Zpat \/ Bui

35

của đất ở một vài khu vực trên miền Bắc nước ta nhằm giải quyết vấn đề tồn tại ấy Các

công trình nghiên cứu đó đã thu được một số kết quả tốt đẹp, góp phần đặt cơ sở để xây dựng nên trong tương lai các tiêu chuẩn phân loại đất phù hợp với tình hình địa chất của nước ta

Dựa vào kết quả thí nghiệm để phân loại đất, như trình bày ở trên là tương đối chính xác, nhưng trong thực tế, có khi không có khả năng hoặc không cần thiết tiến hành thí

nghiệm, mà chỉ cần sơ bộ đánh giá tình hình đất, chẳng hạn như khi điều tra sơ bộ ở

hiện trường Trong trường hợp này, thường dựa vào kinh nghiệm thực tế, qua quan sát bằng các giác quan hoặc dùng một số dụng cụ đơn giản đễ mang để xác định các đặc ` thù của đất mà tiến hành phân loại đất

36

Phu luc 1

PHAN LOAI DAT THEO TIEU CHUAN MOI CUA BO XÂY DỰNG

TCVN 5747 - 1993

NHÓM H

TIÊU CHUẨN VIỆT NAM TCVN 5747: 1993

ĐẤT XÂY DỰNG - PHÂN LOẠI

Soil Classification for Civil Engineering

1 QUY ĐỊNH CHUNG ©

1.1 Tiêu chuẩn "đất xây dựng - phân loại" có kí hiệu là'TCVN 5747 - 1993, được ấp dụng

cho xây dựng dân dụng và công nghiệp, giao thông, thuỷ lợi, các lĩnh vực sử dụng đất với mục đích xây dựng công trình Tuy nhiên, đối với từng ngành có thể xây dựng những tiêu chuẩn riêng

cho phù hợp với những đặc điểm riêng của mình

_ 1.2 Tiêu chuẩn này được áp dụng cho các loại đất có thể làm nền, môi trường để phân bố công trình, hoặc vật liệu để xây dựng công trình - _

1.3 Tiêu chuẩn được dùng để sắp xếp đất xây dựng thành những nhóm có tính chất tuciig tự, nhằm định hướng các vấn đề và đặc tính của đất cần phải nghiên cứu

1.4 Tiêu chuẩn này chưa để cập đến đá và các loại đất đặc biệt; cũng chưa để cập đến việc phân loại đất theo các thí nghiệm hiện trường như xuyên tĩnh, xuyên động, cất cán], v.v

Phân loại đất theo các thí nghiệm kể trên được nêu trong các tiêu chuẩn tương ứng Phân loại

đá và các đất đặc biệt sẽ được soạn thảo và ban hành sau

2 NGUYEN TAC PHAN LOẠI

2.1 Hệ phân loại nêu trong tiêu chuẩn này dựa trên thành phần của hạt đất

Trình tự phân loại được thực hiện lần lượt như sau:

- Dựa trên thành phần kích thước hạt chiếm ưu thế trong đất để phân chia nó thành hai nhóm lớn là hạt thô và hạt mịn

- Dựa trên hàm lượng các hạt để phân chia nhóm đất hạt thô thành các rhụ nhóm

- Dựa trên các vị trí giới hạn chảy, giới hạn dẻo, chỉ số đẻo để phân chia nhóm đất hạt mịn thành các phụ nhóm

2.2 Các thuật ngữ và kí hiệu tên đất, thành phần trạng thái được đùng thống nhất theo quy

3, PHAN LOAI

3.1 Định nghĩa và kí hiệu quy ước

3.1.1 Định nghĩa

+ Đất xây dựng: ' Là mọi loại đất hoặc đá, kể cả đất trồng và những vật phế thải của sản

xuất và đời sống, vốn là một hệ nhiều thành phần, biến đổi theo thời gian, - được sử dụng làm nền, môi trường phân bố công trình hoặc vật liệu để xây dựng công trình

- 37

đất gồm hon 50% trọng lượng là những hạt có kích thước nhỏ hơn 0,08mm

đất hạt thô, trong đó thành phần chủ yếu là các cuội sỏi

đất hạt thô, trong đó thành phần chủ yếu là các hạt cát

đất hạt mịn trong đó hàm lượng sét chiếm ít hơn 20% trọng lượng của thành phần hạt mịn

đất hạt mịn, trong đó hàm lượng sét chiếm hơn 20% trọng lượng của

thành phần hạt mịn

đất, trong đó độ bền chống cát chủ yếu phụ thuộc vào lực ma sát giữa các hạt

đất, trong đó độ bền chống cắt gồm lực ma sát giữa các hạt và lực dính giữa các hạt

tính chất của vật liệu có khả năng chịu được những biến dạng tức thời không đàn hồi, có biến dạng thể tích không đáng kể và không bị rạn nứt khả năng biến dạng của đất dưới tác dụng của lực nén

hàm lượng nước ở ranh giới quy ước giữa trạng thái dẻo và trạng thái chảy của đất

hàm lượng nước ở ranh giới quy ước giữa trạng thái dẻo và trạng thái cứng của đất

3.1.2 Kí hiệu quy ước

Các kí hiệu trong tiêu chuẩn này được sử dụng theo quy ước quốc tế:

Tên đất “Tên gọi quốc tế thông dụng (tiếng Anh) Kí hiệu

Tên đất Tên gọi quốc tế thông dụng (tiếng Anh) Kí hiệu

3.2 Phân loại đất hạt thô |

3.2.1 Các đất hạt thô được phân loại từ kết quả thí nghiệm phân tích hạt trong phòng thí nghiệm

Mỗi phụ nhóm trong đất hạt thô được kí hiệu bằng hai chữ cái Chữ đầu tiên mô tả tện của đất, chữ sau mô tả đặc tính của đất Ý nghĩa của các nhóm chữ được biểu hiện như sau:'

a) Đất sỏi sạn: đất, gồm phần lớn là các hạt sỏi sạn, được kí hiệu bằng chữ G

b) Đất cát: đất, gồm phần lớn các hạt cát, được kí hiệu bằng chữ S

Đất cuội sỏi và đất cát được chia thành 4 nhóm: (xem các bảng 3.1 và 3.2):

‘1 Đất chứa ít hoặc không chứa hạt mịn, không có loại hạt nào chiếm ưu thế về hàm lượng; cấp phối tốt, được kí hiệu bằng chữ W Kết hợp với hai chữ cái của tên đất, có GW và SW

2 Đất chứa ít hoặc không chứa hạt mịn, có một loại hạt chiếm ưu thế về hàm lượng; cấp

phối kém, được kí hiệu bằng chữ P Kết hợp với các chữ cái của tên đất có GP và SP

3 Đất hạt thô có chứa một lượng đáng kể hạt mịn, (chủ yếu là hạt bụi) không có tính dẻo được kí hiệu bằng chữ M Kết hợp với chữ cái của tên đất có GM và SM

4 Đất hạt thô có một lượng đáng kể hạt sét được kí hiệu bằng chữ C Kết hợp với các chữ cái tên đất, có GC và SC

3.2.1.1 Nhóm dat GW va SW thuộc loại đất hạt thô có cấp phối tốt, các gid tri cha C, > 4 va

Hàm lượng hat min chiểm ít hơn 5% tổng lượng đất

3.2.1.2 Nhóm đất GP và SP là các loại đất.trong đó có một loại hạt chiếm ưu thế về hàm lượng, thiếu các loại có kích thước khác Các nhóm đất này có C\ < 4 va C, = 1 + 3, hàm lượng

hạt mịn có ít hơn 5% tổng trọng lượng đất

3.2.1.3 Nhóm đất GM và SM là các loại đất có lượng chứa các hạt mịn Hàm lượng hạt mịn

chiếm hơn 12% tổng trọng lượng đất

3.2.1.4 Nhóm GC và $C có hàm lượng hạt mịn chiếm hơn 12% tổng trọng lượng đất Các hạt mịn có tính dẻo thay đổi từ trung bình đến dẻo Chỉ số dẻo của phần hạt mịn > 7

3.2.1.5 Đối với đất hạt thô có lượng hạt mịn chiếm từ 5% + 12%, để phân loại có thể sử

dụng kí hiệu kép Thí dụ: GP - SP chỉ ra rằng đây là một loại sỏi sạn có cấp phối kém, có chứa từ

5 + 12% các hạt sét a

39

Bảng 3.1 Phân loại đất hạt thô

Đất sỏi | có kích co - (Px Ỷ giữa 1 và 3

Đất lượng íthơn 5% | Qp Một trong hai đu kiện | Đấtsỏi sạn cấp

cuối thành của GW không thoả mãn | phối kém

sai | * thô có Trongl _ |Giới hạn Atterbergnăm |Sỏi lẫn bụi,hôn

ae rong lugng} (v4 |dudi dudng A (xem biéu |hợp sỏi - cát - bụi

kích thước | Đất sỏi | hạt có kích " ep „ 5 "

>2mm | sạn có thước đồ 3.1) hoac I, <4 cấp phối kém

lẫn hạt | <0,08mm Giới han Atterberg nam Sdi Jin sét, hon min | nhieuhon | Gc |trén dudng A (xem biểu |hợp lẫn cát - sét

Hon 50% | linhat | +5 trọng min |~ 0,08mm Một trong hai điều kiện Í Cát cấp phối kém, ———

lượng ít hơn 5% | sp |của SE không thoả mãn |cátlẫn sỏi có ít hoặc

cát | phần hạt

kích thước Trọng lượng | s, | dưới đường A (xem biểu |hợp cát - sét cấp

| <2mm | Cáccó | hết 6 kích đỏ 3.1) hoặc I„ < 7 phối kém

lẫn hạt <008mm TT" ——

min nhiều hơn : '|Giới hạn Atterbergnằm | Cát lẫn sét, hỗn

i 3% SG, | trên đường A (xem biểu [hop cat - sét cấp

_|đồ 3.1) hoặc I, >7: phối kém

40

Bảng 3.2 Bảng phân loại nhanh đất hạt thơ

Cĩ tất cả các loại kích thước | GW |_ Đất sỏi, sạn

" Sach, khong {hat va khơng cĩ loại hạt nào cấp phối tốt

Đái sĩt sạn" Ì cĩ hộc ít | v.„ ; chiếm ưu thế về hàm lượng vA LS

hơn 50% _ | thành phần :

trọng lượng | hat min Cĩ một loại hạt chiếm ưu GP | Đấtsỏi, sạn

Hơn 50% phần đất hạt thế về hàm lượng : cấp phối kém

trọng lượng đất cĩ kích | _„ thơ cĩ , C6 thành Cĩ chứa thành phần hạt mịn,| GM |Dat soi, san cap đa na ^ was we

> 0,08mm min C6 chifa thanh phan hat min,} GC | Dat soi, san

thơ cĩ |Cĩ chứa thành phần hạt mịn,| SM | Đất cát lẫn bụi

kích thước | Cĩ thành khơng cĩ tính đẻo

<2mm phần hạt min Cĩ chứa thành phần hạt mịn,| SC_ | Đất cát lần sét ` a aE

3.2.1.6 Đối với đất hạt thơ khơng thuộc hẳn nhĩm nào, cũng cần phải sử dụng kí hiệu kép

Ví dụ: GW - SW, cĩ nghĩa đây là loại sỏi sạn - cát cĩ cấp phối tốt, hàm lượng hạt mịn chiếm ít

hơn 5% tổng trọng lượng đất; trọng lượng của sỏi sạn và cát là như nhau

3.2.2 Bảng 3.1 mơ tả cách phân loại nhanh ở hiện trường, theo mơ tả, trong bảng 3.2, dựa

- trên cách nhận dạng các hạt đất ở hiện trường b bản mất và kinh nghiệm

3.3 Phân loại hạt mịn

3.3.1 Dat hat min được phân loại dựa trên kết quả thí nghiệm xác định giới hạn chảy (WL)

và giới hạn dẻo (Wp); dua vao biểu đồ déo trong hinh 3.1, sé x4c định được loại đất

3.3.2 Biểu thức cĩ thể sử dụng được để chuyển giá trị giới hạn chảy xác định theo phương pháp Vasiliev sang giá trị giới hạn chảy xác định theo phương pháp Casagrande là:

3.3.7 Mỗi phụ nhóm trong đất hạt mịn được kí hiệu bằng hai chữ cái; chữ cái đầu tiên là tên gọi của đất, chữ cái sau mô tả tính nén của đất Sau đây là ý nghĩa của các kí hiệu:

a) Đất bụi được kí hiệu bằng chữ M;

b) Đất sét được kí hiệu bằng chữ C;

c) Đất hữu cơ được kí hiệu bằng chữ O ˆ

Mỗi loại đất đặc trưng kể trên được phân thành 2 phụ nhóm dựa theo giá trị giới hạn chảy W¡ Nếu W < 50%, đất có tính nén từ thấp đến trung bình, được ki hiệu bằng chữ L Kết hợp

với các tên đất, sẽ có 3 phụ nhóm: CL„ ML và OL Khi W¡ >.50% đất có tính nén cao, được kí hiệu bằng chữ H Ba phụ nhóm tương ứng là CH, MH và OH

3.3.3.1 Nhóm đất CL và CH bao gồm các sét vô cơ Nhóm CL nằm ở trên vùng đường thẳng

“A7, được xác định bởi giá trị W¡ nhỏ hơn 50% và I, > 7% Nhóm CH cũng nằm trên đường

thằng "A", được xác định bởi giá trị W¡ > 50%

3.3.3.2 Nhóm đất ML và MH Nhóm ML nằm ở vùng dưới đường thẳng "A", có giá trị

Wy <50% và có l„ < 4 Nhóm MH tương ứng với vùng nằm dưới đường thẳng "A", có WL,> 50%

Nhóm đất này bao gồm các đất bụi vô cơ và bụi sét Các đất hoàng thổ có gid tri 25% < W,

< 35% cùng nằm ở nhóm này Những đất hạt mịn nằm ở trên đường thẳng "A" với giá trị 4% <

I, < 7% được coi là trường hợp biên và được mô tả bằng kí hiệu kép CL - ML

3.7.7.3 Nhóm OL và OH phân bố gần trùng với hai nhóm ML và MH; khi trong các đất này

có chứa một hàm lượng hữu cơ, chúng nằm gần sát với đường thẳng "A"

3.7.7.4 Nhóm P, c6 gid tri Wy, từ 300 + 500% va I, tir 100 + 200%, khong nam trong biéu

Hình 1.19: Phân loại đất hạt mịn trong phòng thí nghiệm - biểu đô dẻo

3.3.3.5 Đất hạt mịn được phân loại nhanh ở hiện trường dựa trên các thử nghiệm ước lượng sau:

- Sức bền của đất ở trạng thái khô khi bị bóp vỡ được đánh giá theo cảm tính

- Độ bền của đất - được tiến hành giống như thí nghiệm xác định giới hạn dẻo, nhưng không nhằm xác định giá trị độ ẩm của đất, mà đánh giá độ bền của đất ở lân cận giới hạn dẻo

42