1 Nền đất dự định xây dựng công trình có đặc điểm như thế nào ? (Nền đất có bao nhiêu lớp, độ dày các lớp, sự phân bố của các lớp)2 Tính chất xây dựng của nền đất như thế nào ? (Tính chất cơ lý của các lớp đất, mức độ nén lún, độ thấm, cường độ)Giải quyết các vấn đề này là nhiệm vụ của Cơ học đất
BỘ CƠNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHIỆP TUY HỊA KHOA TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: CƠ HỌC ĐẤT NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT TUY HÒA, NĂM 2014 (Lưu hành nội bộ) PHẦN 1: LÝ THUYẾT CƠ HỌC ĐẤT MỞ ĐẦU Để thực thành cơng cơng cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước vấn đề quan trọng phát triển sở hạ tầng (đường giao thơng, nhà máy điện, khu cơng nghiệp, tịa nhà cao tầng,…) Chính vậy, địi hỏi phải nghiên cứu cấu trúc đất xây dựng phải giải đáp 02 câu hỏi sau đây: 1/ Nền đất dự định xây dựng cơng trình có đặc điểm ? (Nền đất có lớp, độ dày lớp, phân bố lớp) 2/ Tính chất xây dựng đất ? (Tính chất lý lớp đất, mức độ nén lún, độ thấm, cường độ) Giải vấn đề nhiệm vụ Cơ học đất Cơ học đất môn khoa học chuyên nghiên cứu đất dựa mối quan hệ pha (thành phần) đất tác động yếu tố bên lên đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Cơ học đất “đất xây dựng”, gọi tắt đất Đất sử dụng làm nền, làm vật liệu xây dựng làm đất đắp Nghiên cứu tính chất đất xây dựng có quan hệ mật thiết đến yếu tố kinh tế - kỹ thuật cơng trình Chương NGUỒN GỐC VÀ THÀNH PHẦN CỦA ĐẤT 1.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐẤT Đất hình thành chủ yếu trình phá hủy đá bề mặt thạch tác động yếu tố nội - ngoại sinh Dưới tác động yếu tố phong hóa, bề mặt thạch bị phá hủy tạo hạt có kích thước nhỏ vài chục centimet, gọi hạt đất Dựa theo đặc điểm phân bố, người ta phân loại nguồn gốc sau: - Đất tàn tích (e - eluvi): phân bố trực tiếp đá mẹ (đá gốc) Đặc điểm loại đất có phân đới theo chiều thẳng đứng; phía hạt mịn, xuống phía kích thước hạt tăng dần; màu sắc thường sáng màu (đỏ, nâu đỏ, nâu vàng,…) - Đất sườn tích (d - deluvi): có dịch chuyển tương đối so với vị trí đá mẹ Đặc điểm loại đất loại cỡ hạt phân bố không theo quy luật định, phân bố chủ yếu vùng đồi núi có màu sắc tương tự đất tàn tích - Trầm tích sơng (a - aluvi): hình thành q trình vận chuyển, tích tụ sơng ngịi Đặc điểm bật trầm tích sơng thường có tính phân lớp nằm ngang Phân bố chủ yếu vùng hạ lưu sông - Trầm tích hồ (l - lake): thường hình thành lịng hồ, đoạn sơng bị uốn khúc mạnh mẽ tạo “hồ sừng trâu” Đặc điểm bật trầm tích hồ phần thường phân bố hạt có kích thước lớn phần - Trầm tích tam giác châu (delta): thành tạo vùng cửa sông Các lớp đất thường nằm đơn nghiên, gợn sóng chứa nhiều vật chất hữu - Ngồi ra, cịn có loại nguồn gốc khác trầm tích gió, lũ tích, … Hình 1.1: Trầm tích sơng aluvi 1.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA ĐẤT Đất có cấu tạo gồm thành phần (3 pha): pha rắn (các hạt đất), pha lỏng (nước chứa đất) pha khí (các lỗ rỗng khí đất) Trong thiên nhiên, đất thường chứa pha Tuy nhiên, số trường hợp chứa pha lúc đất khơ hồn tồn (gồm pha rắn pha khí) lúc đất bão hòa nước (gồm pha rắn pha lỏng) Hình 1.2: Mơ hình pha đất 1.2.1 Pha rắn đất Pha rắn đất hạt đất (cụ thể hạt khống vật), có kích thước từ vài chục centimet đến vài milimet nhỏ Tính chất đất phụ thuộc nhiều vào thành phần khống vật, phân bố kích thước hạt nhóm kích thước hạt chứa đất 1.2.1.1 Thành phần khoáng vật hạt đất Thành phần khoáng vật hạt đất biểu thị cụ thể sơ đồ Khống vật hạt đất Khống vật vơ Khoáng vật nguyên sinh (thạch anh, fenspat, mica, …) Khoáng vật hữu (sản phẩm phân hủy động thực vật) Khoáng vật thứ sinh (canxit, dolomit, caolinit, iilit,…) Khoáng vật ngun sinh thường có kích thước lớn 0,002mm, khoáng vật thứ sinh khoáng vật bị biến đổi để thích nghi với điều kiện hồn cảnh thường có kích thước bé 0,002mm 1.2.1.2 Cấp phối hạt đất Trong đất thường chứa vô số hạt với kích thước khác nhau, để thuận tiện cho việc nghiên cứu tính chất đất người ta phân chia đất thành nhóm hạt sở hạt có kích thước nằm phạm vi định có tính chất chủ yếu Bảng 1.1: Phân chia nhóm hạt theo quan điểm xây dựng (TCVN) Stt Tên nhóm hạt Kích thước (mm) Tảng > 200 Cuội 200 ÷ 20 Sạn, sỏi 20 ÷ Cát ÷ 0.05 Bụi 0.05 ÷ 0.002 Sét < 0.002 Để biểu thị phân bố nhóm hạt đất, người ta tiến hành phân tích thành phần hạt biểu diễn “Đường cong cấp phối” Đường cong cấp phối đường cong thể mối quan hệ kích thước hạt hàm lượng phần trăm (%) mẫu đất phân tích Hình 1.3: Đường cong cấp phối hạt Hình 1.4: Các loại đường cong cấp phối hạt Trên hình 1.4 trình bày loại đường cong cấp phối phổ biến: - Đường cong A: đường cong A có độ dốc lớn chứng tỏ kích thước hạt đất phân bố phạm vi hẹp - Đường cong B: có độ dốc lớn, chứng tỏ đất có chứa nhiều loại hạt có kích thước khác - Đường cong C: có độ cong diễn biến không liên tục, bi gián đoạn đoạn thẳng nằm ngang, chứng tỏ đất thiếu số cỡ hạt Để đánh giá mức độ hạt đất, người ta sử dụng hệ số đồng nhấ t Cu hệ số đường cong CC Cu d 60 d10 ; CC (d 30 ) d 60 d10 Trong đó: dn kích thước đường kính hạt mà lượng chứa cỡ nhỏ chiếm n% Hình 1.5: Hệ số đồng Hệ số đồng bé đường cong cấp phối dốc, đường kính hạt ngược lại Nếu Cu > 3, Cc nằm ngồi khoảng ÷ đất coi khơng hạt; Cu ≤ 3, Cc nằm khoảng ÷ đất coi hạt Ví dụ 1.1: Kết phân tích hạt mẫu đất cát cho bảng sau Hãy vẽ đường cong cấp phối hạt loại đất (biểu diễn đồ thị logarit) Đồng thời, đánh giá mức độ hạt loại đất ? Bảng ghi kết phân tích thành phần hạt Kích thước lỗ rây (mm) Trọng lượng rây (g) (1) 10 10 (2) 15 (3) 20 (4) 30 (5) 0,5 50 (6) 0,25 60 (7) 0,1 10 (8) < 0,1 (9) Giải thích: Khi thí nghiệm, rây sử dụng có kích thước lỗ 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 (mm) chồng lên nhau, rây lỗ to trên, rây lỗ nhỏ cuối khay hứng hạt bé lọt qua rây 0,1mm Kết dòng thứ hai bảng trọng lượng cân rây 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 khay hứng Cột thứ 4, ví dụ có kích thước lỗ rây 2mm, trọng lượng rây 2g, có nghĩa nhóm hạt 2-5mm có trọng lượng 20g mẫu Tổng trọng lượng mẫu đem thí nghiệm (10+15+20+30+50+60+10+5) = 200g Giải: Trước hết, ta xác định hàm lượng riêng nhóm hạt Ví dụ, nhóm có 5≥d>2 (nhóm hạt cột 4) có hàm lượng là: p(5 d 2) Trong đó: 20 100(%) 10% 200 20 = trọng lượng nhóm hạt (cột 4); 200 = tổng trọng lượng mẫu đem thí nghiệm Tương tự, kết tính cho tất nhóm cho bảng sau: Nhóm hạt >10 [10-5) [5-2) [2-1) [1-0,5) [0,5-0,25) [0,25-0,1) ≤0,1 Hàm lượng, % 7,5 10 15 25 30 2,5 Kết thí nghiệm sai tính tốn tổng hợp bảng sau: Kích thước d (mm) ≤10 ≤5 ≤2 ≤1 ≤0,5 ≤0,25 ≤0,1 Hàm lượng tích lũy P (%) 95 87,5 77,5 62,5 37,5 7,5 2,5 Biểu đồ đường cong cấp phối hạt mẫu thí nghiệm * Nhiệm vụ sinh viên: Từ biểu đồ cấp phối hạt, xác định C u, Cc, đánh giá mức độ hạt đất 1.2.1.3 Hình dạng hạt đất Trong thực tế, đất có hình dạng hình kim, hình que, hình cầu, hình phẳng,…vì vậy, để đơn giản hóa người ta quy ước hình dạng hạt đất hình cầu trường hợp có hạt đất cầu có tỉ trọng lắng chìm vận tốc với Hình 1.6: Mơ tả định nghĩa kích thước hạt đất 1.2.2 Thể lỏng đất Thể lỏng đất (hay nước chứa đất) có tầm quan trọng ảnh hưởng đến tính chất vật lý, hóa học học đất Trong thiên nhiên, đất thường chứa lượng nước định Nước đất phân chia cụ thể theo sơ đồ 1.2.2.1 Nước hạt khoáng vật Đây loại nước gắn liền với kết cấu mạng tinh thể khoáng vật, thường tồn dạng phân tử H2O ion H+, OH- Ví dụ: Thạch cao (CaSO4.2H2O) Loại nước tách khỏi mạng tinh thể khoáng vật nhiệt độ cao (> 105 C) Nước hạt khống vật khơng gây ảnh hưởng đến tính chất xây dựng đất 1.2.2.2 Nước kết hợp mặt hạt đất Trong thiên nhiên, kích thước hạt bé đến giá trị (nhóm hạt sét) thí bề mặt có khả tích điện (âm) tác động lên phân tử nước xung quanh Dưới tác dụng điện trường, hạt đất có xu hướng hình thành màng nước bao quanh nó, màng nước bao xung quanh hạt đất gọi nước kết hợp mặt ngồi Hình 1.7: Mối quan hệ hạt đất phân tử nước nước kết hợp mặt Nước kết hợp mặt tồn tác dụng lực hút điện trường nên phân tử nước ion dương bị hút vào bề mặt xếp cách chặt chẽ có định hướng Càng cách xa bè mặt hạt, lực hút điện trường yếu nên xếp chặt chẽ thiếu quy tắc Nếu xa hơn, vượt khỏi phạm vi ảnh hưởng điện trường nước dạng nước tự thông thường Như vậy, tính chất nước kết hợp mặt ngồi khác với tính chất nước thơng thường Căn vào cường độ lực điện phân tử hạt khoáng vật, người ta phân nước kết hợp mặt thành lớp: nước hút bám, nước liên kết mạnh nước liên kết yếu - Nước hút bám có tính chất gần với thể rắn, khơng có khả di chuyển, không truyền áp lực thủy tĩnh, Tỷ trọng khoảng 1,5 Ở nhiệt độ -78 oC nước hút bám đóng băng Khi đất sét chứa nước hút bám trạng thái rắn - Nước kết hợp mạnh khơng giống nước thơng thường, có khả di chuyển theo hướng từ chỗ màng nước dày sang chỗ màng nước mỏng di chuyển khơng liên quan đến tác dụng trọng lực, tốc độ di chuyển nhỏ tốc độ nước thông thường Nước kết hợp mạnh không truyền áp lực thủy tĩnh, có khả hịa tan muối, nhiệt độ đóng băng oC Khi đất sét có chứa nước kết hợp mạnh, đất trạng thái nửa rắn - Nước kết hợp yếu có tính chất gần với nước thơng thường Khi đất sét có chứa nước kết hợp yếu chưa thể tính dẻo Tính dẻo xuất liên kết kết cấu tự nhiên hạt đất bị phá hoại Nước kết hợp mặt ngồi ảnh hưởng đến tính chất đất tính dẻo, tính dính, … 1.2.2.3 Nước tự Khác với hai loại nước kể trên, nước tự tồn đất không liên quan đến cấu trúc mạng tinh thể khoáng vật nằm phạm vi ảnh hưởng lực hút điện trường hạt đất Nước tự chia thành hai dạng: nước mao dẫn nước trọng lực a) Nước mao dẫn Nước mao dẫn hình thành nước ngầm bị kéo lên đường rỗng liên thông với hạt đất Trên thực tế, tùy thuộc vào đặc điểm kích thước hạt đất mà chiều cao mao dẫn thay đổi từ vài chục centimet (đất cát) đến hàng trăm centimet (đất sét) Hình 1.8: Sơ đồ thí nghiệm chiều cao mao dẫn đất Nước mao dẫn có ảnh hưởng đến cơng trình xây dựng, ảnh hưởng đến sức chịu tải, đặc tính biến dạng hiệu sử dụng cơng trình Ví dụ: Nền nhà thường bị ứ nước vào mùa đông b) Nước trọng lực Nước trọng lực thường gọi nước tự do, loại nước chảy tác dụng trọng lực Tốc độ vận động tùy thuộc vào độ lỗ rỗng mức độ nứt nẻ đất đá Trong số trường hợp cụ thể, nước trọng lực có tầm quan trọng tính chất đất ảnh hưởng nghiêm trọng đến việc sử dụng cơng trình 10 ... nhiệm vụ Cơ học đất Cơ học đất môn khoa học chuyên nghiên cứu đất dựa mối quan hệ pha (thành phần) đất tác động yếu tố bên lên đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Cơ học đất ? ?đất xây dựng”,... thước hạt đất 1.2.2 Thể lỏng đất Thể lỏng đất (hay nước chứa đất) có tầm quan trọng ảnh hưởng đến tính chất vật lý, hóa học học đất Trong thiên nhiên, đất thường chứa lượng nước định Nước đất phân... đất Đất sử dụng làm nền, làm vật liệu xây dựng làm đất đắp Nghiên cứu tính chất đất xây dựng có quan hệ mật thiết đến yếu tố kinh tế - kỹ thuật cơng trình Chương NGUỒN GỐC VÀ THÀNH PHẦN CỦA ĐẤT