Tiểu luận Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg

Chỉ tiêu về trọng lượng của đất Chỉ tiêu về khối lượng riêng và trọng lượng riêng Các công thức quy đổi Các thí nghiệm xác định các chỉ tiêu vật lý Khối lượng riêng tự nhiên Wet Density:

Chỉ tiêu về trọng lượng của đất

Chỉ tiêu về khối lượng riêng và trọng lượng riêng

Các công thức quy đổi

Các thí nghiệm xác định các chỉ tiêu vật lý

Khối lượng riêng tự nhiên (Wet Density): ASTM - D2937

Tỉ trọng hạt (Specified Gravity): ASTM- D854

Độ ẩm (Moisture content): ASTM - D2216

Theo tiêu chuẩn Việt Nam

Phân loại đất hạt mịn theo hệ thống thống nhất USCS

Phân loại đất theo hệ thống AASHTO

Tổng kết phân loại đất theo 2 tiêu chuẩn USCS, AASHTO

11

12

14

LỜI MỞ ĐẦU

Theo nhà khoa học người Nga (V.V.Dokuchaev) tiên phong trong lĩnh vực khoa học đất cho rằng: Đất như là một thực thể tự nhiên có nguồn gốc và lịch sử phát triển riêng, là thực thể với những quá trình phức tạp và đa dạng diễn ra trong nó Đất được coi là khác biệt với đá Đá trở thành đất dưới ảnh hưởng của một loạt các yếu tố tạo thành đất như khí hậu, cây cỏ, khu vực, địa hình và tuổi Theo ông, đất có thể được gọi

là các tầng trên nhất của đá không phụ thuộc vào dạng; chúng bị thay đổi một cách tự nhiên bởi các tác động phổ biến của nước, không khí và một loạt các dạng hình của các sinh vật sống hay chết

Các loại đất dao động trong một khoảng rộng về thành phần và cấu trúc theo từng khu vực Các loại đất được hình thành thông quá quá trình phong hóa của các loại đá và sự phân hủy của các chất hữu cơ Phong hóa là tác động của gió, mưa, băng, ánh nắng và các tiến trình sinh học trên các loại đá theo thời gian, các tác động này làm đá vỡ vụn ra thành các hạt nhỏ Các thành phần khoáng chất và các chất hữu

cơ xác định cấu trúc và các thuộc tính khác của các loại đất

Đất có thể chia ra thành hai lớp tổng quát hay tầng: tầng đất bề mặt, là lớp trên cùng nhất, ở đó phần lớn các loại rễ cây, vi sinh vật và các loại hình sự sống động vật khác cư trú và tầng đất cái, tầng này nằm sâu hơn và thông thường dày đặc và chặt hơn cũng như ít các chất hữu cơ hơn

Nước, không khí cũng là thành phần của phần lớn các loại đất Không khí, nằm trong các khoảng không gian giữa các hạt đất, và nước, nằm trong các khoảng không gian cũng như bề mặt các hạt đất, chiếm khoảng một nửa thể tích của đất Cả hai đều đóng vai trò quan trọng trong sự sinh trưởng của thực vật và các loại hình sự sống khác trong thiết diện đứng của đất trong một hệ sinh thái cụ thể

Trong phạm vi nghiên cứu: Các đặc trưng vật lý của đất và phân loại đất sét theo các giới hạn Atterberg, chúng tôi xin trình bày về tính chất vật lý của đất được thể hiện qua các chỉ tiêu vật lý và các giới hạn Atterberg Chỉ tiêu vật lý của đất và các giới hạn Atterberg là một trong những chỉ tiêu cơ bản, quan trọng phục vụ cho công tác đánh giá, phân tích tính chất của đất Việc thí nghiệm, xác định, lựa chọn chính xác các chỉ tiêu vật lý và các giới hạn Atterberg, cũng như phân loại đất hạt mịn là vấn đề đáng được quan tâm bởi vì nó cung cấp một góc nhìn tổng thể về tính chất của đất của khu vực khảo sát Bên cạnh đó là các bảng phân loại đất theo theo TCVN, USCS và AASHTO cũng như đưa ra một số nhận xét và so sánh giữa các bảng phân loại

PHẦN A: XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU VẬT LÝ CỦA ĐẤT

Khi thiết kế nền mĩng cho một cơng trình xây dựng, cần thiết phải đánh giá tính chất của đất khu vực dành cho nĩ Để xác định đất tốt hay xấu về mặt xây dựng phải dựa vào các đặc trưng thể hiện bản chất của đất mà trước nhất là xác định chỉ tiêu vật lý của đất

I Thành phần cúc trúc của đất:

− Đất được cấu tạo bởi 3 thành phần (3 pha), đĩ là: các hạt rắn (pha rắn), dung dịch hoặc nước (pha lỏng) và các chất khí (pha khí) trong lỗ rỗng Các quan hệ lẫn nhau về khối lượng và thể tích giữa các pha thành phần đĩng vai trị rất quan trọng trong việc hình thành tính chất cơ lý của đất Cĩ thể dùng sơ đồ mơ phỏng 3 pha của đất để làm

rõ các khái niệm về các đặt trưng tính chất vật lý của đất

(Sơ đồ hĩa các thành phần cấu thành đất)

• Mw: Khối lượng nước trong lỗ rỗng

• M=Ms+Mw: Khối lượng đất (Xem khối lượng khí Ma = 0)

II Các chỉ tiêu vật lý của đất:

V

n= V ; (0≤n≤100%)

Khí

Nước Hạt

c Độ bảo hoà S r (Degree of saturation):

− Là tỉ số giữa thể tích nước và thể tích lỗ rỗng

(%)V

VS

Độ ẩm hay độ chứa nước w (Moisture content, Water content):

− Là tỉ số giữa trọng lượng nước (Ww) và trọng lượng hạt (Ws)

(%)W

Ww

S W

− Độ ẩm có thể > 100%

3 Chỉ tiêu về khối lượng riêng (Unit Density) và trọng lượng riêng (Unit weigth):

a Khối lượng riêng tự nhiên:

− Khối lượng riêng tự nhiên (ρ hoặc ρn) xác định bởi tỉ số khối lượng (M) và thể tích (V) của mẫu đất

V

M

ρ= [g/cm3]

b Khối lượng riêng khô (ρ d ):

− Khối lượng riêng khô là tỉ số giữa khối lượng phần hạt (Ms) và thể tích mẫu đất (V)

V

M

d = [g/cm3]

(Để có khối lượng hạt M s , đem mẫu đất sấy ở nhiệt độ 105 o C cho đến khi tất cả các loại nước trọng

truờng và nước hút bám thoát khỏi mẫu đất, thông thường trong vòng 24 giờ)

c Khối lượng riêng hạt:

− Khối lượng riêng hạt (ρs) là tỉ số khối lượng hạt (Ms) và thể tích hạt (Vs)

S

S S

G

γ

γ

=

e Chỉ tiêu trọng lượng riêng: (Unit weigth):

− Thông thường trọng lượng riêng được tính đổi theo công thức cơ bản sau:

γ=ρg = 9.81ρ [Lực /thể tích]

− Do đó ta có các biểu thức tương ứng sau:

• Trọng lượng riêng tự nhiên: γ = W/V (Trong đó: V=Vs+Vw+Va)

• Trọng lượng riêng đất khô: γd = Ws/V

• Trọng lượng riêng hạt: γs = Ws/Vs

• Trọng lượng riêng đất bão hoà: γsat = W/V (Trong đó: V=Vs+Vw)

• Trọng lượng riêng đẩy nổi (cho đất dưới MNN): γsub = γsat - γw

4 Các công thức quy đổi:

Công thức tính đổi

γ

w)(1γG

e= s w + −

γ

γe

ne

−

=

e1

en(%)

Sr

n s

s

−+

γ

γd+

=

e1

1)γ(G

III Các thí nghiệm xác định các chỉ tiêu vật lý:

− Thông thường ta xác định được 3 chỉ tiêu vật lý cơ bản sau:

1 Khối lượng riêng nhiên (Wet Density): ASTM - D2937

a Đối với đất dính: Xác định bằng dao vòng:

− Dao vòng bằng thép không gỉ có đường kính trong D, chiều cao H

− Cân dao được M , thể tích dao V = H.π.D2/4

− Ấn dao vòng vào trong đất, khoét khối đất, gọt bỏ xung quanh, gạt bằng mặt trên và dưới

− Cân tất cả dao và đất, được M2

− Khối lượng riêng đất ẩm là: ρ = (M2-M1)/V

− Thông thường tại một độ sâu lấy mẫu thí nghiệm khối lượng riêng ẩm 2 lần sau đó lấy giá trị trung bình

b Đối với đất có lẫn sỏi sạn (bọc parafin)

− Lấy mẫu bất kì cân được M1

− Nhúng mẫu đất vào parafin nóng chảy sao cho parafin phủ hết bề mặt ngoài của đất

− Cân mẫu (đất + parafin) được M2

− Khối lượng parafin Mp = M2-M1 Suy ra thể tích parafin Vp = Mp/ρp

− Nhúng mẫu (đất + parafin) vào bình chứa nước Suy ra (Vđất + Vp) = V

− Từ đó Vđất = (V – Vp)

− Suy ra khối lượng riêng mẫu đất là: ρ = M1/Vđất

c Đối với lớp đất ít dính hạt to gần mặt đất: Phương pháp nón cát (ASTM D1556)

(Dụng cụ và thi nghiệm nón cát để xác định thể tích lỗ đục trong đất)

− Đào hố thí nghiệm;

− Cân mẫu đất đào lên M;

− Cát dùng thí nghiệm phải khô, sạch, có cỡ hạt lớn nhất phải lọt qua sàng No10 (2mm)

và phải ít hơn 3% lọt sàng No.60 (0.025mm) Ngoài ra hệ số không đồng nhất Cu=D60/D10 <2,

− Dùng thí nghiệm đổ cát từ bình vào hố Dựa vào thể tích cát còn lại → Vhố = Vđất

− Khối lượng riêng mẫu đất được tính ρ = M/Vđất

* Ngoài ra: Trong trường hợp cát hoặc đất chứa nhiều hạt to dính ít không lấy mẫu nguyên dạng được có thể suy từ kết quả hiện trường như xuyên động(SPT), hoặc xuyên tĩnh

(CPT), đôi khi cần phải sử dụng các phương pháp phức tạp hơn như đo vận tốc sóng đi qua lớp đất này từ đáy hố khoan dò

2 Tỉ trọng hạt (Specified Gravity): ASTM- D854

− Dùng cho hạt vượt qua mắt rây No 4 (4.76mm) Trong trường hợp hạt còn trên rây số

4, có thể tiến hành phân tích thông qua ASTM-C127 Ở đây chỉ trình bày trường hợp phổ biến theo ASTM-D854

− Có 2 phương pháp tiến hành phân tích tỉ trọng hạt:

có tính nén lún cao, đất hạt mịn

− Việc lựa chọn phương pháp phân tích tuỳ theo yêu cầu của chủ đầu tư Tuy nhiên phổ biến nhất là phân tích theo ASTM-D854 cho mẫu ẩm

− Mẫu đem thí nghiệm trong điều kiện tự nhiên phải có các thành phần khoáng không hoà tan trong nước

§ Sấy khô mẫu ở nhiệt độ 110±5˚C cho nước thoát ra

§ Cân bình tỉ trọng được Mp (Bình phải được lau khô và sạch)

§ Cho mẫu đất vào bình Cân bình và đất được Mp’

§ Khối lượng đất khô là: M s = M p’ -M p

§ Cho nước vào bình Lượng nước phải đủ bao lấy toàn bộ mẫu đất Ngâm tối thiểu trong 12h cho nước thấm đều trong đất

§ Loại bỏ khí trong đất bằng cách đun sôi tối thiểu 10’ Khi đó trong bình chỉ còn khối lượng của đất ẩm và nước Để nguội

§ Cho nước cất vào bình đến vạch hiệu chỉnh (tiến hành nhẹ nhàng để không làm xuất hiện bong bong nước trong mẫu đất) Cân xác định

được M pws là khối lượng của (bình+đất ẩm+nước)

§ Đặt nhiệt kế vào trong nước để xác định nhiệt độ của nước khi xác định

Mpws là T x

§ Xác định khối lượng (bình + nước) M pw như sau:

• Cân bình tỉ trọng Mp

• Cho nước cất vào bình cân Mpw

• Cho nhiệt kế vào xác định nhiệt độ nước đang thí nghiệm T i

• Do khối lượng riêng của nước thay đổi theo nhiệt độ nên tiến hành hiệu chỉnh giá trị Mpw tại nhiệt độ Ti theo nhiệt độ Tx bằng công thức

Mp Mp Ti Mpw Ti

KLRwater

Tx KLRwater Tx

)(

)()

(

• Tỉ trọng hạt ở nhiệt độ 20˚C là:

Mpws Mpw

Ms

KMs Gs

+

=

) (

Trong đó K (tra bảng): Hệ số chuyển đổi từ nhiệt độ Tx về nhiệt

o Phương pháp A: Cho mẫu đất ẩm

§ Lấy đất xác định độ ẩm w

§ Cân bình tỉ trọng được Mp (Bình phải được lau khô và sạch)

§ Cho mẫu đất vào bình Cân bình và đất được Mp’

§ Khối lượng đất ẩm M=Mp’-Mp

§ Xác định khối lượng đất khô trong mẫu dựa vào công thức

w

M Ms

01.0

1+

=

§ Cách xác định Mpws, Mpw, Gs tương tự như trên

− Các giá trị tham khảo:

Cát (Sand) 2.65-2.67

Á cát (Silty sand) 2.67-2.70 Sét (Inorganic clay) 2.70-2.80 Đất có lẫn mica hoặc sắt 2.75-3.00

(Soil with mica or iron)

Đất hữu cơ (Organic soil) Khác nhau, nhưng có thể dưới 2.00

3 Độ ẩm (Moisture content) : ASTM – D2216

− Tóm tắt:

• Mẫu thí nghiệm được đem sấy ở nhiệt độ 110˚ ± 5˚C

• Khối lượng mất đi trong khi sấy được xem là khối lượng nưóc

• Độ ẩm được tính dựa vào khối lượng nước và khối lượng mẫu

− Điều kiện mẫu:

• Mẫu đem thí nghiệm trong điều kiện tự nhiên phải có các thành phần khoáng không hoà tan trong nước

• Trong trường hợp mẫu có tính xi măng, vật liệu hữu cơ (dễ bị phân huỷ ở 110º C) hay mẫu có chứa nhiều khoáng thạch cao (dễ bị mất nước khi sấy) Người ta sấy ở nhiệt độ 60ºC Tuy nhiên độ ẩm sẽ khác với trường hợp sấy ở 110ºC Ngoài ra có thể tham khảo ASTM D-2974 xác định độ ẩm cho đất bùn

• Mẫu được bảo quản trong kho chứa ở nhiệt độ xấp xỉ 3ºC – 30ºC Tránh tiếp xúc mẫu với ánh sáng

− Cân kĩ thuật :

• Độ chính xác 0.01g cho mẫu có khối lượng dưới 200g

• Độ chính xác 0.1g cho mẫu có khối lượng trên 200g

− Tiến hành

• Dụng cụ: Hộp nhôm, cân kĩ thuật, tủ sấy

• Cân hộp nhôm, được M1

• Lấy mẫu đất thí nghiệm cho vào hộp cân, được M2

PP dao vòng Bình tỷ trọng

• Mở nắp cho vào tủ sấy ở nhiệt độ 105ºC cho đến lúc khô, cân được M3 (Thời gian sấy tùy thuộc vào kích cỡ mẫu, loại tủ sấy Tuy nhiên thông thường, ngưòi ta thường để mẫu qua đêm (từ 12–16h)

− Kết quả:

• Độ ẩm được tính theo công thức sau: 100%

)(

)(

1 3

3 2

M M

M M w

+

=1

+

=

e

w s

γ

s s

W Vs γ

Ws W

Vw Sr

γ

γ

=

=

PHẦN B: PHÂN LOẠI ĐẤT SÉT THEO CÁC GIỚI HẠN ATTERBERG

Đất sét hay sét là một thuật ngữ được dùng để miêu tả một nhóm các khoáng vật phyLLosilicat nhôm ngậm nước (xem khoáng vật sét), thông thường có đường kính hạt nhỏ hơn 2 μm (micromét) Đất sét bao gồm các loại khoáng chất phyLLosilicat giàu các ôxít và hiđrôxít của silic và nhôm cũng như bao gồm một lượng lớn nước tham gia vào việc tạo cấu trúc và thay đổi theo từng loại đất sét Đất dính thường là đất hạt mịn và có một hàm lượng hạt sét lớn hơn 3%, nó thay đổi trạng thái theo độ chứa nước và thể hiện tính dẻo

I Các trạng thái vật lý của đất dính

Khi đất hoàn toàn khô, độ ẩm bằng không, trạng thái tương ứng là rất cứng hoặc rắn Độ

ẩm tăng dần ứng với lớp nước hút bám mạnh thể tích mẫu đất chưa thay đổi, cho tới lúc lớp nước hút bám đạt đầy đủ thể tích đất bắt đầu tăng dần do độ dày các vỏ nước lớn dần đẩy các hạt đất ra xa nhau, đất chuyển sang trạng thái nửa cứng rồi dẻo và khi có nước tự do đất chuyển thay trạng thái lỏng Nếu khi quá nhiều nước, đất sang trạng thái huyền phù

• Trạng thái huyền phù (Suspension)

• Trạng thái lỏng (chảy) (Liquid state)

• Trạng thái dẻo (Plastic state)

• Trạng thái nửa cứng (Semisolid state)

• Trạng thái cứng (Solid state)

− Giới hạn lỏng (Liquid limit): Là độ chứa nước ứng với biên giới giữa trạng thái dẻo

và lỏng (chảy) Ký hiệu: WL hoặc LL

− Giới hạn dẻo (Plastic limit): Là độ chứa nước ứng với biên giới giữa trạng thái dẻo và

nửa cứng Ký hiệu: WP hoặc PL

− Giới hạn co (Shrinkage Limit): Là độ chứa nước ứng với biên giới giữa trạng thái

cứng và nửa cứng Ký hiệu: Ws

− Mẫu đất hạt mịn chuyển từ trạng thái lỏng → dẻo → nửa cứng thì thể tích giảm dần Khi độ ẩm của đất giảm đến giới hạn co ngót thì thể tích không đổi và đất ở trạng thái cứng

II Cách xác định giới hạn lỏng và giới hạn dẻo

1 Xác định giới hạn lỏng của đất dính

− Hiện nay thường dùng hai phương pháp: Phương pháp dùng thiết bị chuẩn Casagrande và Phương pháp dùng xuyên côn

a Phương pháp dùng thiết bị chuẩn Casagrande

− Chọn mẫu đất đã sấy khô, tách rời hạt bằng chày cao su, rây qua sàn No 40, trộn đều đến trạng thái lỏng, đặt vào trong bình kín khí 24h, để nước bao quanh các hạt đầy đủ

− Chỉnh chỏm cầu đến cao độ rơi 10mm, khi quay tay quay một vòng

− Tráng đất vào chỏm cầu một lớp dày khoảng 10mm

− Dùng dao tách đất thành hai phần cách nhau 2mm, khi tách giữ dao thẳng góc với mặt chỏm cầu

− Quay đều chỏm cầu rơi và đếm số lần rơi cho đến khi phần đất chạm nhau dọc theo đường cắt 1.2cm, lấy một mẩu đất nhỏ trong lon xác định độ ẩm

− Tiến hành thí nghiệm ít nhất 3 lần trên mẫu đất đã chuẩn bị, sao cho số lần rơi trong khoảng 10-:-35 Vẽ kết quả thí nghiệm trên đồ thị với trục hoành là số lần rơi, trục

tung là độ ẩm Độ ẩm ứng với số lần rơi N=25 là giới hạn lỏng

Thiết bị chuẩn Casagrande

b Phương pháp dùng xuyên côn

− Phương pháp tiêu chuẩn Anh

• Mặt côn thép không gỉ có góc đỉnh 30o dài 35mm, trọng lượng côn là 80g, được lắp trên giá giữ Cho đất đã chuẩn bị (như phương pháp Casagrande) vào lon chứa mẫu sao cho không lẫn bọt

• Đặt lon vào vị trí dưới côn rơi, chỉnh cho mũi côn rơi tiếp xúc với mặt đất trong lon, chỉnh đồng hồ đo chuyển dịch đứng côn

• Nhả khớp giữ côn để côn xuyên vào đất 5giây

• Khóa khớp giữ yên côn, đọc độ xuyên côn vào đất

• Lấy một mẫu đất nhỏ trong lon xác định độ ẩm

• Tiến hành nhiều lần với các độ ẩm của mẫu khác nhau

• Vẽ kết quả thí nghiệm độ xuyên (trục tung) theo độ ẩm (trục hoành)

Giới hạn lỏng là độ ẩm ứng với độ xuyên côn là 2cm

(Dụng cụ côn rơi xác định giới hạn lỏng W L )

− Phương pháp Vaxiliev

• Một côn thép không gỉ có góc đỉnh 30o dài 35mm, trọng lượng côn là 76g, được lắp trên giá giữ

• Mẫu đất thí nghiệm lọt qua rây 0.1mm

• Các bước tiến hành tương tự như phương pháp tiêu chuẩn Anh Nhưng thời gian côn xuyên vào đất 10giây và giới hạn lỏng là độ ẩm ứng với độ xuyên côn là 10mm