BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: CƠ HỌC ĐẤT NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT

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 CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP TUY HÒA

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 hiện thành công công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước thìmột vấn đề rất quan trọng đó là phát triển cơ sở hạ tầng (đường giao thông, nhà máyđiện, các khu công nghiệp, các tòa nhà cao tầng,…) Chính vì vậy, đòi hỏi phải nghiêncứu cấu trúc của nền đất xây dựng và phải giải đáp 02 câu hỏi cơ bản sau đây:

1/ Nền đất dự định xây dựng công trình có đặc điểm như thế nào ? (Nền đất cóbao 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

Cơ học đất là môn khoa học chuyên nghiên cứu về đất dựa trên mối quan hệ củacác pha (thành phần) trong đất hoặc tác động của các yếu tố bên ngoài lên đối tượngnghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của Cơ học đất là “đất xây dựng”, gọi tắt là đất Đất được

sử dụng làm nền, làm vật liệu xây dựng và làm đất đắp Nghiên cứu tính chất của đấtxây dựng có quan hệ mật thiết đến yếu tố kinh tế - kỹ thuật công trình

Chương 1 NGUỒN GỐC VÀ THÀNH PHẦN CỦA ĐẤT1.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐẤT

Đất được hình thành chủ yếu do quá trình phá hủy các đá của bề mặt thạch quyểndưới tác động của các yếu tố nội - ngoại sinh

Dưới tác động của các yếu tố phong hóa, bề mặt thạch quyển bị phá hủy và tạo racác hạt có kích thước nhỏ hơn vài chục centimet, được gọi là các hạt đất

Dựa theo đặc điểm phân bố, người ta phân ra các loại nguồn gốc chính sau:

- Đất tàn tích (e - eluvi): phân bố trực tiếp trên đá mẹ (đá gốc) Đặc điểm của loạiđất này là có sự phân đới theo chiều thẳng đứng; ở phía trên là các hạt mịn, xuống phíadưới kích thước hạt tăng dần; màu sắc thường sáng màu (đỏ, nâu đỏ, nâu vàng,…)

- Đất sườn tích (d - deluvi): có sự dịch chuyển tương đối so với vị trí của đá mẹ.Đặc điểm của loại đất này là các loại cỡ hạt phân bố không theo quy luật nhất định,phân bố chủ yếu ở vùng đồi núi và có màu sắc tương tự đất tàn tích

- Trầm tích sông (a - aluvi): được hình thành do quá trình vận chuyển, tích tụ củasông ngòi Đặc điểm nổi bật của trầm tích sông là thường có tính phân lớp nằm ngang.Phân bố chủ yếu ở vùng hạ lưu các con sông

- Trầm tích hồ (l - lake): thường được hình thành tại các lòng hồ, các đoạn sông

bị uốn khúc mạnh mẽ tạo ra “hồ sừng trâu” Đặc điểm nổi bật của trầm tích hồ là ởphần trên thường phân bố các hạt có kích thước lớn hơn phần dưới

- Trầm tích tam giác châu (delta): được thành tạo ở các vùng cửa sông Các lớpđất thường có thế nằm đơn nghiên, gợn sóng và chứa nhiều vật chất hữu cơ

- Ngoài ra, còn có các loại nguồn gốc khác như trầm tích gió, lũ tích, …

Hình 1.1: Trầm tích sông aluvi 1.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA ĐẤT

Đất có cấu tạo gồm 3 thành phần (3 pha): pha rắn (các hạt đất), pha lỏng (nướcchứa trong đất) và pha khí (các lỗ rỗng khí trong đất)

Trong thiên nhiên, đất thường chứa cả 3 pha Tuy nhiên, trong một số trường hợpthì có thể chứa 2 pha như lúc đất khô hoàn toàn (gồm pha rắn và pha khí) hoặc lúc đấtbão hòa nước (gồm pha rắn và pha lỏng).

Hình 1.2: Mô hình 3 pha của đất 1.2.1 Pha rắn của đất

Pha rắn của đất là các hạt đất (cụ thể là các hạt khoáng vật), có kích thước từ vàichục centimet đến vài milimet và nhỏ hơn

Tính chất của đất phụ thuộc nhiều vào thành phần khoáng vật, sự phân bố các

kích thước hạt và các nhóm kích thước hạt chứa trong đất.

1.2.1.1 Thành phần khoáng vật hạt đất

Thành phần khoáng vật hạt đất được biểu thị cụ thể ở sơ đồ dưới đây

Khoáng vật nguyên sinh thường có kích thước lớn hơn 0,002mm, khoáng vật thứ sinh

là khoáng vật đã bị biến đổi để thích nghi với điều kiện hoàn cảnh mới và thường cókích thước bé hơn 0,002mm

1.2.1.2 Cấp phối hạt của đất

Trong đất thường chứa vô số hạt với các kích thước khác nhau, vì vậy để thuậntiện cho việc nghiên cứu tính chất của đất thì người ta phân chia đất thành các nhómhạt trên cơ sở các hạt có kích thước nằm trong một phạm vi nhất định và có những tínhchất chủ yếu

Khoáng vật hạt đất

Khoáng vật vô cơ phẩm phân hủy của động Khoáng vật hữu cơ (sản

thực vật)

Khoáng vật nguyên sinh

(thạch anh, fenspat, mica,

…)

Khoáng vật thứ sinh (canxit, dolomit, caolinit,

iilit,…)

Bảng 1.1: Phân chia các nhóm hạt theo quan điểm xây dựng (TCVN)

Đường cong cấp phối là đường cong thể hiện mối quan hệ giữa kích thước hạt

và hàm lượng phần trăm (%) trong 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 3 loại đường cong cấp phối phổ biến:

- Đường cong A: đường cong A có độ dốc lớn chứng tỏ kích thước các hạt đấtphân bố trong một phạm vi hẹp

- Đường cong B: có độ dốc lớn, chứng tỏ đất có chứa nhiều loại hạt có kíchthước rất khác nhau

- Đường cong C: có độ cong diễn biến không liên tục, bi gián đoạn bởi đoạnthẳng nằm ngang, chứng tỏ trong đất thiếu một số cỡ hạt

Để đánh giá mức độ đều hạt của đất, người ta sử dụng hệ số đồng nhất Cu và hệ

60 10

(d ) C

Ví dụ 1.1: Kết quả phân tích hạt một mẫu đất cát cho trong bảng sau Hãy vẽ đường

cong cấp phối hạt của loại đất đó (biểu diễn trên đồ thị logarit) Đồng thời, hãy đánh giá mức

độ đều hạt của loại đất này ?

Bảng ghi kết quả phân tích thành phần hạt

Kích thước lỗ rây (mm) 10 5 2 1 0,5 0,25 0,1 < 0,1 Trọng lượng trên rây (g) 10 15 20 30 50 60 10 5

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)

Giải thích: Khi thí nghiệm, bộ rây được sử dụng có kích thước lỗ lần lượt là 10; 5; 2; 1;0,5; 0,25; 0,1 (mm) được chồng lên nhau, rây lỗ to ở trên, rây lỗ nhỏ ở dưới và cuối cùng làkhay hứng những hạt bé nhất lọt qua rây 0,1mm Kết quả trên dòng thứ hai trong bảng làtrọng lượng cân được trên các rây 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 và khay hứng Cột thứ 4, ví dụ cókích thước lỗ rây 2mm, trọng lượng trên rây 2g, có nghĩa là nhóm hạt 2-5mm có trọng lượng20g trong mẫu.

Tổng trọng lượng mẫu đem thí nghiệm là (10+15+20+30+50+60+10+5) = 200g

Trong đó: 20 = trọng lượng của nhóm hạt (cột 4);

200 = tổng trọng lượng mẫu đem thí nghiệm

Tương tự, kết quả tính cho tất cả các nhóm cho trong bảng sau:

Nhóm hạt >10 [10-5) [5-2) [2-1) [1-0,5) [0,5-0,25) [0,25-0,1) ≤0,1

Kết quả thí nghiệm sai khi tính toán được tổng hợp trong 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 của mẫu thí nghiệm

* Nhiệm vụ của sinh viên: Từ trên biểu đồ cấp phối hạt, xác định Cu, Cc, đánh giá mức

độ đều hạt của đất

1.2.1.3 Hình dạng hạt đất

Trong thực tế, đất có hình dạng bất kỳ như hình kim, hình que, hình cầu, hìnhtấm phẳng,…vì vậy, để đơn giản hóa thì người ta quy ước hình dạng của hạt đất làhình cầu trong trường hợp nếu có một hạt đất và một quả cầu có cùng tỉ trọng lắngchìm cùng vận tốc với nhau.

Hình 1.6: Mô tả định nghĩa kích thước hạt đất 1.2.2 Thể lỏng của đất

Thể lỏng của đất (hay nước chứa trong đất) có tầm quan trọng ảnh hưởng đếntính chất vật lý, hóa học và cơ học của đất Trong thiên nhiên, đất thường chứa mộtlượng nước nhất định Nước trong đất được phân chia cụ thể theo sơ đồ dưới đây

1.2.2.1 Nước trong hạt khoáng vật

Đây là loại nước gắn liền với kết cấu mạng tinh thể của khoáng vật, thường tồntại dưới dạng phân tử H2O hoặc ion H+, OH- Ví dụ: Thạch cao (CaSO4.2H2O)

Loại nước này chỉ tách khỏi mạng tinh thể của khoáng vật khi nhiệt độ cao (>

1050C)

Nước trong hạt khoáng vật không gây ảnh hưởng đến tính chất xây dựng của đất

1.2.2.2 Nước kết hợp mặt ngoài hạt đất

Trong thiên nhiên, khi kích thước hạt bé đến một giá trị nào đó (nhóm hạt sét) thí

bề mặt của nó sẽ có khả năng tích điện (âm) và tác động lên các phân tử nước ở xungquanh nó Dưới tác dụng của điện trường, hạt đất có xu hướng hình thành màng nước

bao quanh nó, màng nước bao xung quanh hạt đất được gọi là nước kết hợp mặt ngoài.

Hình 1.7: Mối quan hệ giữa hạt đất và phân tử nước trong nước kết hợp mặt ngoài

Nước kết hợp mặt ngoài tồn tại dưới tác dụng của lực hút điện trường nên cácphân tử nước và những ion dương bị hút vào bề mặt được sắp xếp một cách chặt chẽ

có định hướng Càng cách xa bè mặt hạt, lực hút điện trường càng yếu nên sự sắp xếp

đó kém chặt chẽ và thiếu quy tắc hơn Nếu xa hơn, vượt ra khỏi phạm vi ảnh hưởngcủa điện trường thì nước sẽ ở dạng nước tự do thông thường

Như vậy, tính chất của nước kết hợp mặt ngoài rất khác với tính chất của nướcthông thường

Căn cứ vào cường độ lực điện phân tử của hạt khoáng vật, người ta phân nướckết hợp mặt ngoài thành 3 lớp: nước hút bám, nước liên kết mạnh và nước liên kết yếu

- Nước hút bám có tính chất gần với thể rắn, không có khả năng di chuyển,không truyền áp lực thủy tĩnh, Tỷ trọng khoảng 1,5 Ở nhiệt độ dưới -78oC nước hútbám mới đóng băng Khi đất sét chỉ chứa nước hút bám sẽ ở trạng thái rắn

- Nước kết hợp mạnh cũng không giống nước thông thường, nó có khả năng dichuyển theo hướng bất kỳ từ chỗ màng nước dày sang chỗ màng nước mỏng nhưng sự

di chuyển đó không liên quan đến tác dụng của trọng lực, tốc độ di chuyển nhỏ hơn tốc

độ nước thông thường Nước kết hợp mạnh không truyền áp lực thủy tĩnh, có khả năng

đất sẽ ở trạng thái nửa rắn

- Nước kết hợp yếu có tính chất gần với nước thông thường Khi đất sét có chứanước kết hợp yếu vẫn chưa thể hiện tính dẻo Tính dẻo chỉ xuất hiện khi liên kết kếtcấu tự nhiên giữa các hạt đất đã bị phá hoại

Nước kết hợp mặt ngoài ảnh hưởng đến tính chất của đất như tính dẻo, tính dính,

…

1.2.2.3 Nước tự do

Khác với hai loại nước kể trên, nước tự do tồn tại trong đất nhưng không liênquan đến cấu trúc mạng tinh thể của khoáng vật cũng như nằm ngoài phạm vi ảnhhưởng của lực hút điện trường hạt đất

Nước tự do được chia thành hai dạng: nước mao dẫn và nước trọng lực

Hình 1.8: Sơ đồ thí nghiệm chiều cao mao dẫn trong đất

Nước mao dẫn có ảnh hưởng đến công trình xây dựng, ảnh hưởng đến sứcchịu tải, đặc tính biến dạng cũng như hiệu quả sử dụng công trình

Ví dụ: Nền nhà thường bị ứ nước vào mùa đông

b) Nước trọng lực

Nước trọng lực thường được gọi là nước tự do, loại nước này chảy dưới tác dụngcủa trọng lực Tốc độ vận động tùy thuộc vào độ lỗ rỗng và mức độ nứt nẻ của đất đá.Trong một số trường hợp cụ thể, nước trọng lực có tầm quan trọng đối với tínhchất của đất nền và ảnh hưởng nghiêm trọng đến việc sử dụng công trình

Ví dụ: Nước trọng lực gây ra hiện tượng xói ngầm, tạo nên các “hố tử thần”, gây

hư hỏng đường giao thông

1.2.3 Thể khí của đất

Là không khí tồn tại trong đất (trong các khe hở, lỗ rỗng), được phân làm 2 loại:

- Loại thông với khí quyển: không gây ảnh hưởng đến tính chất của đất

- Loại không thông với khí quyển (bọc khí kín): ảnh hưởng đến tính chất đàn hồi,

ép co, tính thấm,… của đất

Ví dụ: Từ hình 1.12 thấy rằng, từ A độ cao

dâng lên của nước mao dẫn chỉ tới điểm a, nhưng

theo một đường rỗng khác lại từ B có thể dâng

lên tới điểm c Vì không khí trong đoạn ac bị bọc

kín, sinh ra lực căng mặt ngoài Sự tồn tại của

các bọt khí này còn làm giảm tính thấm của đất,

làm tăng tính đàn hồi và có ảnh hưởng tới quá

trình ép co của đất dưới tác dụng của lực ngoài

Một số loại khí chứa trong đất còn gây ra

hiện tượng oxy hóa, carbonat hóa,…làm thay đổi

màu sắc của đất, thay đổi trạng thái của đất

1.3 KẾT CẤU, CẤU TRÚC VÀ LIÊN KẾT

Kết cấu hạt đơn: được hình thành do quá trình lắng đọng dưới tác dụng của bản

thân trong điều kiện động năng dòng mang giảm thiểu Trong thiên nhiên, các loại đấthạt thô (cát, cuội, sỏi,…) thường có kết cấu hạt đơn

Kết cấu tổ ong: Kết cấu này hình thành do sự lắng chìm các hạt tương đối nhỏ

trong nước Do trọng lượng các hạt không đủ thắng lực dính giữa chúng với nhau tạichỗ tiếp xúc nên chúng không thể tiếp tục lắng chìm xuống mà dừng lại ngay tại chỗtiếp xúc đầu tiên ở thế không ổn định Đất có kết cấu tổ ong thường có hệ số rỗng lớnkhi mới hình thành

Kết cấu bông: Đặc trưng cho đất hình thành từ các hạt có kích thước cực nhỏ

(hạt keo) chìm lắng trong môi trường nước khi có điều kiện thích hợp Đặc điểm hìnhthành này quy định đất kết cấu bông rất không ổn định, thường gặp trong trầm tíchbiển trẻ

Trong thiên nhiên, đất thường do các hạt lớn nhỏ khác nhau tạo thành cho nênkết cấu của đất không chỉ đơn độc một trong 3 loại cơ bản kể trên mà thông thườngtrong cùng một loại đất có thể gặp cả hai hoặc ba loại kết cấu đó đan xen

1.3.2 Cấu trúc của đất

Cấu trúc của đất (hay cấu trúc địa tầng) là yếu tố mô tả tính phức hợp của nền đất

vầ kết cấu, cấu tạo, tính chất cơ lý trong từng phần hay toàn bộ nền đất được quan tâm.Cấu trúc địa tầng có thể được hiểu là sự phân chia các lớp đất đá tại một vị tríkhảo sát nào đấy Ví dụ: Công trình A có cấu trúc 3 lớp kể từ bề mặt đất: lớp cát pha,lớp sét pha và lớp sét

Thường có 3 loại cấu trúc cơ bản sau: cấu trúc phân lớp; cấu trúc khối và cấu trúc

tổ ong

- Cấu trúc phân lớp: thường gặp đối với đất trầm tích

- Cấu trúc khối: thường gặp đối với đất tàn sườn tích

- Cấu trúc tổ ong: thường gặp đối với đất phong thành (trầm tích gió), băng tích,

… ít thấy ở Việt Nam

Hình 1.11: Đặc điểm cấu trúc của đất

a) Cấu trúc tổ ong b) Cấu trúc phân lớp c) Cấu trúc khối

1.3.3 Liên kết kết cấu của đất

Liên kết kết cấu của đất là khái niệm dùng để chỉ mối liên kết giữa các hạt đấthoặc các nhóm hạt đất

Đặc điểm liên kết kết cấu của đất ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất của đất, đặc biệt

Liên kết sinh sau được tạo nên do kết quả của sự hóa già các chất keo, sự kết tinhcủa các loại muối Đặc điểm của liên kết này có tính cứng, chỉ bị phá hoại khi các hạt

có chuyển dịch tương đối lớn Khác với liên kết ban đầu, liên kết sinh sau bị phá hoạitheo dạng gãy dòn và khi đã bị phá hoại thì không thể phục hồi ngay được

Cần chú ý rằng, liên kết ban đầu hay sinh sau đều có cường độ kém xa cường độcủa bản thân hạt đất Chính điều này kết hợp với đặc điểm đất là môi trường rời, làmcho đất khác hẳn các loại vật liệu liên tục về tính chất cơ lý

Liên kết kết cấu của đất ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cơ lý của nó cho nênmuốn có được những số liệu thí nghiệm phản ánh đúng tình hình thực tế của đất, cácthí nghiệm trong phòng phải được tiến hành với các mẫu đất không bị phá hoại liên kếtkết cấu Tuy nhiên, vì kỹ thuật lấy mẫu chưa tốt nên các mẫu lấy lên ít nhiều đều bịphá hoại kết cấu, do đó hạn chế mức độ chính xác của việc nghiên cứu các tính chấtcủa đất ở trong phòng Chính vì vậy, cần kết hợp xác định các đặc trưng của đất ngaytại thực địa để so sánh, hiệu chỉnh nhằm khắc phục các nhược điểm kể trên

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1

1/ Anh (chị) hãy trình bày tóm tắt về nguồn gốc của đất và phân tích các yếu tốtác động đến sự hình thành đất?

2/ Anh (chị) hãy trình bày đặc điểm pha rắn của đất?

3/ Anh (chị) hãy phân tích mối quan hệ giữa đất nguyên trạng với đặc điểm kếtcấu và liên kết kết cấu của nó?

4/ Kết quả phân tích hạt một mẫu đất cát cho trong bảng sau Hãy vẽ đường congcấp phối hạt của loại đất đó (biểu diễn trên đồ thị logarit) Đồng thời, hãy đánh giámức độ đều hạt của loại đất này ?

Bảng ghi kết quả phân tích thành phần hạt

Hãy vẽ đường cong cấp phối hạt của loại đất đó

Hãy xác định hàm lượng riêng của nhóm hạt có kích thước từ 0,3mm đến 0,4mmtrong mẫu đất đã thí nghiệm

Hãy xác định hệ số đồng đều và hệ số độ cong của mẫu đất đó

2.1.1.1 Khối lượng riêng của đất (ρρ s )

Khối lượng riêng của đất là khối lượng của một đơn vị thể tích phần hạt rắncủa đất

Khối lượng riêng của đất được tính toán bằng tỉ số giữa khối lượng của mẫu đất

đã sấy khô ở nhiệt độ 105oC với thể tích của mẫu đất đó

S S S

G V

Trong đó: Gs - Khối lượng pha rắn của đất (g)

Vs - Thể tích pha rắn của đất (cm3)Khối lượng riêng của đất chỉ phụ thuộc vào thành phần khoáng vật của đất,không phụ thuộc vào trạng thái của đất, khối lượng riêng của đất thay đổi trong mộtphạm vi hẹp (bảng 2.1)

Bảng 2.1: Trọng lượng riêng của một số loại đất phổ biến Loại đất Trọng lượng riêng (g/cm 3 )

Cát và cát pha 2,60 - 2,65Sét pha 2,67 - 2,70Sét 2,69 - 2,70 ÷ 2,75 - 2,80

Khối lượng riêng (ρs) được dùng để tính toán dẫn xuất một số tính chất vật lýkhác như: xác định độ lỗ rỗng, độ đầm chặt của đất sét, được dùng trong thí nghiệmphân tích thành phần hạt của đất,…

Trong phòng thí nghiệm, khối lượng riêng của đất được xác định bằng phương

pháp bình tỷ trọng.

Trong thực tế, người ta thường biểu thị thành phần pha rắn của đất bằng Tỷ trọngcủa đất (∆s) là tỉ số giữa khối lượng riêng của đất (ρs) với khối lượng riêng của nước(ρw)

Lưu ý: Tỷ trọng của đất (∆s) là giá trị không có thứ nguyên (đơn vị)

Ví dụ 2.1: Trong một ống nghiệm thủy tinh có chia độ thấy mực nước dâng cao hơn

ban đầu100cm3 khi ta đổ cát khô vào ống (tất cả các hạt cát đều chìm dưới nước) Tính khốilượng riêng và tỷ trọng của cát đó, biết lượng cát đổ vào ống ở trạng thái khô hoàn toàn cânđược 265g

Giải:

Thể tích hạt cát bằng thể tích nước dâng lên trong ống nghiệm: Vs = 100cm3

Khối lượng riêng của cát là: S S 3

Độ ẩm tự nhiên của đất được tính toán bằng tỉ số phần trăm giữa khối lượng nước

có trong mẫu đất với khối lượng của mẫu đất đã được sấy khô ở nhiệt độ 105oC

w s

G

G

Trong đó: Gw - Khối lượng nước chứa trong đất (g)

Độ ẩm tự nhiên của đất phụ thuộc vào hàm lượng khoáng vật sét trong đất, độ rỗng của đất, vị trí lấy mẫu so với tầng chứa nước và mùa khí hậu

Độ ẩm tự nhiên của đất thay đổi trong một phạm vi rộng từ một vài phần trăm(đất loại cát) đến hơn 100% (đất có chứa hữu cơ, than bùn)

Độ ẩm tự nhiên của đất được sử dụng để tính toán dẫn xuất các tính chất vật lýkhác của đất, làm căn cứ để chọn loại đất làm vật liệu xây dựng, làm căn cứ để lựachọn phương pháp cải tạo tính chất đất xây dựng

Trong phòng thí nghiệm, độ ẩm tự nhiên của đất được xác định bằng phương

pháp sấy khô ở nhiệt độ 1050C Ngoài hiện trường, người ta sử dụng phương pháp đốt

cồn để xác định độ ẩm tự nhiên của đất (không áp dụng đối với đất chứa chất hữu cơ).

Ví dụ 2.2: Một mẫu đất ở trạng thái tự nhiên cân được 15,26g; sau khi sấy khô cân

được 10,53g Tính độ ẩm tự nhiên của mẫu đất đó

Giải:

Độ ẩm của mẫu đất được xác định theo công thức (2.2):

2.1.1.3 Khối lượng thể tích tự nhiên của đất

Khối lượng thể tích tự nhiên của đất khối lượng của một đơn vị thể tích đất.Khối lượng thể tích tự nhiên của đất được tính toán bằng tỉ số giữa khối lượngcủa mẫu đất với thể tích của nó ở trạng thái kết cấu và độ ẩm tự nhiên

W

G V

V - Thể tích của mẫu đất ở trạng thái tự nhiên (cm3)Khối lượng thể tích tự nhiên của đất phụ thuộc vào thành phần khoáng vật củađất, độ lỗ rỗng và độ ẩm của đất

Giá trị khối lượng thể tích tự nhiên của đất thay đổi trong phạm vi rộng (bảng 2.2)

Bảng 2.2: Khối lượng thể tích tự nhiên của một số loại đất điển hình

Loại đất Trạng thái Khối lượng thể tích tự nhiên γ

pha nhẹ

Chặt > 1,75 > 1,65Chặt vừa 1,60 - 1,75 1,50 - 1,65Xốp < 1,60 < 1,50Sét, sét pha, cát pha nặng Được nén chặt 1,70 - 2,0 1,35 - 1,90

Mềm 1,10 - 1,70 0,80 - 1,35

Khối lượng thể tích tự nhiên của đất được sử dụng để tính toán một số tính chấtvật lý khác của đất, xác định khối lượng đất đắp, chọn loại vật liệu xây dựng, tính toánnền móng công trình

Trong phòng thí nghiệm, người ta sử dụng phương pháp dao vòng để xác định

khối lượng thể tích tự nhiên của đất Ngoài ra, người ta còn sử dụng phương pháp bọcparafin để xác định γw của đất có chứa nhiều sỏi sạn, không lấy được dao vòng

Ví dụ 2.3: Dùng dao vòng thể có thể tích là 60cm3 để lấy mẫu đất nguyên dạng, khốilượng của đất ướt là 108g, khối lượng say khi sấy khô là 79,5g, tỷ trọng của hạt đất là 2,68.Hãy xác định khối lượng thể tích tự nhiên của đất ?

2.1.2.1 Khối lượng thể tích khô của đất

Khối lượng thể tích khô của đất là khối lượng phần hạt rắn chiếm một đơn vị thểtích đất Đó là tỉ số giữa khối lượng đất khô và thể tích ban đầu của mẫu đất

S W C

Ví dụ 2.4: Từ các số liệu đã cho ở ví dụ 2.3 Hãy xác định khối lượng thể tích

Độ rỗng của đất là tổng thể tích lỗ rỗng trong một đơn vị thể tích đất

Độ rỗng của đất được tính toán bằng tỉ số giữa tổng thể tích lỗ rỗng và khe nứt tựnhiên với thể tích của mẫu đất

C n

Trong đó: Vn - Tổng thể tích lỗ rỗng và khe nứt của đất (cm3)

Độ rỗng của đất phụ thuộc vào thành phần hạt của đất, thành phần khoáng vật và mức độ nén chặt của đất

Ví dụ 2.5: Từ các số liệu đã cho ở ví dụ 2.3 Hãy xác định độ rỗng của đất ? 2.1.2.3 Hệ số rỗng của đất

Là tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng trong đất và thể tích hạt của mẫu đất Hệ số rỗngcủa đất là giá trị không có thứ nguyên (đơn vị)

S n

độ của chúng

Bảng 2.3: Phân loại đất cát theo e

Loại đất Chặt Chặt vừa Xốp

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

Cát nhỏ e < 0,60 e = 0,60 - 0,75 e > 0,75Cát bụi e < 0,60 e = 0,60 - 0,80 e > 0,80

Ví dụ 2.6: Từ các số liệu đã cho ở ví dụ 2.3 Hãy xác định hệ số rỗng của đất ? 2.1.2.4 Độ bão hòa nước của đất

Với khái niệm độ ẩm, chưa thể hình dung được đất đang xét có mức độ khô hay

ẩm như thế náo vì nó còn tùy thuộc vào độ rỗng của đất Vì vậy, ngoài khái niệm về độ

ẩm (W), trong thực tế còn dùng khái niệm độ bão hòa nước (G) của đất để đánh giámức độ ẩm của chúng

Theo định nghĩa, độ bão hòa của đất là tỉ số giữa khối lượng nước thực chứatrong đất với khối lượng nước chứa đầy toàn bộ lỗ rỗng và khe nứt của nó

2.2.1 Trạng thái và chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất dính

Như ta đã biết, đất dính thường chứa phần lớn những hạt có kích thước của hạtkeo, do đó trạng thái vật lý của loại đất này không chỉ có quan hệ tới lượng chứa tươngđối giữa các thể trong đất mà còn có quan hệ tới tác dụng mãnh liệt giữa hạt đất vớinước

Trạng thái vật lý của đất dính được quyết định bởi độ ẩm và tác dụng lẫn nhaugiữa nước và hạt đất (hình 2.1).

Hình 2.1: Mối quan hệ giữa độ ẩm với sự thay đổi thể tích đối với trạng thái của đất dính

Trên hình 2.1, khi độ ẩm trong đất tăng lên thì đất chuyển từ trạng thái cứng, đếnnửa cứng, đến dẻo, rồi đến chảy, khi độ ẩm giảm xuống thì ngược lại Trạng thái của

đất như vậy được gọi chung là trạng thái sệt và dùng chỉ tiêu độ sệt để đánh giá trạng

thái của đất

2.2.1.1 Giới hạn Atterberg và chỉ số dẻo

Giới hạn Atterberg là những độ ẩm quá độ khi đất chuyển từ trạng thái này sangtrạng thái khác Atterberg phân biệt 3 loại độ ẩm quá độ là giới hạn chảy, giới hạn dẻo

đầu có tính dẻo Vì vậy, độ ẩm này được gọi là độ ẩm giới hạn chảy.

Giới hạn dẻo (WP - plastic limit) là độ ẩm quá độ của đất chuyển từ trạng thái nửacứng sang trạng thái dẻo Lúc này, trong đất chủ yếu chỉ có nước kết hợp mạnh Khilượng nước nhỏ hơn giới hạn dẻo một chút thì tính chất cơ học của đất thay đổi rõ rệt

và mất tính dẻo Vì vậy, độ ẩm này còn được gọi là độ ẩm giới hạn dẻo.

Giới hạn co (We - elastic limit) là độ ẩm quá độ khi đất chuyển từ trạng thái cứngsang nửa cứng Khi độ ẩm trong đất lớn hơn giới hạn co thì cùng với sự thay đổi lượngchứa nước, thể tích của đất cũng thay đổi theo Khi độ ẩm trong đất đạt tới giới hạn cothì các hạt đất sắp xếp tương đối chặt, vì vậy cho dù có giảm độ ẩm, thể tích đất vẫnkhông giảm

Khi độ ẩm của đất dính biến thiên trong phạm vi giữa giới hạn chảy và giới hạndẻo thì đất thể hiện tính dẻo Tính dẻo là một đặc trưng quan trọng của loại đất dính.Dùng IP (Chỉ số dẻo - Plastic Index) để biểu thị phạm vi dẻo của đất dính.

P L P

Chỉ số dẻo của đất dính càng lớn thì tính dẻo của nó càng cao và ngược lại Chỉ

số dẻo phụ thuộc vào tính phân tán của đất, hình dạng và tính đàn hồi của hạt và đặcbiệt là thành phần khoáng trong đất Theo kết cấu mạng tính thể của khoáng vật thì rõràng đất loại sét monmorilonit có chỉ số dẻo lớn hơn loại kaolinit (hình 2.2)

Vì chỉ số dẻo phản ánh được tương đối đầy đủ các nhân tố ảnh hưởng tới tínhchất của đất dính nên trong thực tế, nó được dùng như một chỉ tiêu để phân loại đấtdính trong xây dựng

Bảng 2.4: Phân loại đất theo chỉ số dẻo I P

Đất sét IP > 17Đất sét pha 7 < IP ≤ 17Đất cát pha 1 ≤ IP ≤ 7Đất cát IP < 1

Ví dụ 2.8: Thí nghiệm xác định giới hạn Atterberg của một loại đất cho kết quả

WP = 15%; WL = 34%; W = 30% Hãy xác định tên của loại đất này?

Hình 2.2: Cấu trúc mạng tinh thể của monmorilonit và kaolinit

2.2.1.2 Chỉ tiêu đánh giá trạng thái của đất dính

Như đã nêu trên, khi độ ẩm của đất dính thay đổi thì độ cứng mềm (trạng thái độsệt) của nó cũng thay đổi theo Nếu so sánh độ ẩm tự nhiên W của đât dính với độ ẩmgiới hạn chảy WL là độ ẩm giới hạn dẻo WP thì ta có các trường hợp sau:

Bảng 2.5: Phân loại trạng thái của đất theo độ sệt B

Ví dụ 2.9: Thí nghiệm xác định giới hạn Atterberg của một loại đất cho kết quả

WP = 15%; WL = 34%; W = 34% Hãy xác định tên và trạng thái của loại đất này?

2.2.2 Trạng thái và chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất rời

Để đánh giá trạng thái vật lý của đất rời, thường dùng khái niệm về độ chặt Vìđất rời hoàn toàn không có tính dẻo, cho nên trạng thái của nó được biểu thị bằng độchặt là hợp lý nhất, nó được xác định từ các số liệu thí nghiệm trong phòng và hiệntrường Đất rời càng chặt thì khả năng chịu lực càng lớn, tính ép co và tính thấm càngnhỏ và ngược lại

Trong thực tế, thường dùng hệ số rỗng e và độ chặt D để làm chỉ tiêu đánh giá

trạng thái của đất cát

2.2.2.1 Hệ số rỗng của đất cát

Theo tài liệu tính toán và thống kê các hệ số rỗng ở trạng thái chặt nhất và xốpnhất, xác định được từ trong phòng thí nghiệm, đối với các loại cát thạch anh có nguồngốc khác nhau, đem đối chiếu với độ chặt thiên nhiên của chúng và điều chỉnh lại,người ta lập được bảng đánh giá độ chặt của đất loại cát (bảng 2.5)

Bảng 2.6: Tiêu chuẩn đánh giá độ chặt của đất cát

Cách đánh giá độ chặt của đất cát dựa vào số liệu ở bảng 2.5 tuy tiện lợi nhưng

không dùng được cho mọi trường hợp vì các số liệu này chỉ lập ra cho các loại đất cátthạch anh

Để có thể đánh giá độ chặt của các loại cát bất kỳ và ở những địa phương bất kỳ,trong thực tế thường dùng độ chặt D.

Trong đó: e - hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái tự nhiên

emax - hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái xốp nhất

emin- hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái chặt nhất

Trong phòng thí nghiệm emax được xác định từ mẫu cát khô ở trạng thái xốp nhất.Trạng thái này đạt được bằng cách đổ hoặc rót nhẹ nhàng cát vào trong ống lường cóvạch đo dung tích emin thì ngược lại, được xác định từ mẫu cát ở trạng thái chặt nhất,đạt được bằng cách cho từng lớp cát vào bình (có vạch đo dung tích) rồi đầm hoặcrung hay gõ nhẹ vào bình nhiều lần Sau khi có được thể tích và trọng lượng của cátchặt nhất và xốp nhất sẽ suy ra γcmax và γcmin Từ đó tính được emax và emin theo côngthức (2.12a,b)

S max

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2

1/ Cho một mẫu đất ở trạng thái tự nhiên vào hộp nhôm, cân được 462g Sau đóđem đi sấy khô ở nhiệt độ 1050C, cân lại được 364g Xác định độ ẩm của đất, biết khốilượng hộp nhôm là 39g

2/ Phân tích một mẫu đất sét nguyên dạng trong phòng thí nghiệm cho các số liệuban đầu như sau:

- Thể tích dao vòng là 59cm3

- Trọng lượng dao vòng là 55,4g

- Trọng lượng đất ướt (kể cả dao vòng) là 171,8g

- Trọng lượng sau khi sấy là 157,51g

5/ Muốn chế bị một loại đất để có hệ số rỗng là 0,65 cho một dao vòng đất thể

bao nhiêu ? Biết rằng đất này có tỷ trọng là 2,7

6/ Hãy xác định trạng thái của đất cát sau :

- Mẫu tự nhiên có thể tích là 62cm3

- Cân được trọng lượng là 109,32g

- Sấy khô cân được là 90g

- Cát có tỷ trọng là 2,64

- Thể tích xốp nhất có thể tạo được là 75cm3 và chặt nhất là 50cm3

7/ Thí nghiệm xác định giới hạn Atterberg của một loại đất dính cho kết quả : WP

= 15% ; WL = 34% Hãy xác định trạng thái tự nhiên của đất nếu biết rằng phân tíchmẫu nguyên dạng cho kết quả độ ẩm tự nhiên W = 30%

Trạng thái tự nhiên của đất sẽ thay đổi như thế nào nếu trời mưa đã làm tăng độ

ẩm lên 40%

8/ Muốn chế bị 1 loại đất để có e=0,65 ; W=25% cho một dao vòng đất thể tích

nhiêu Biết đất có tỷ trọng là 2,7

Chương 3 TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT

Trong chương 1 chúng ta đã biết đất có một số đặc điểm chủ yếu như:

- Đất là môi trường rời rạc phân tán có tính rỗng cao do cấu tạo hạt tạo nên.Trong lỗ rỗng thường chứa nước và khí

- Cường độ liên kết giữa các hạt rất nhỏ so với cường độ bản thân hạt đất

Do những đặc điểm đó nên đất có một số tính chất sau đây khi chịu lực và tảitrọng, gọi là tính chất cơ học của đất:

- Dưới tác dụng của chênh lệch cột nước, nước có khả năng thấm qua lỗ rỗng liênthông với nhau trong đất

- Dưới tác dụng của ngoại lực hoặc trọng lượng bản thân, đất bị nén lún, lỗ rỗngtrong đất bị thu hẹp làm cho đất giảm nhỏ thể tích và chặt lại

- Khi chịu tác dụng của lực cắt, khối đất có khả năng chống lại sự trượt nhờ lực

ma sát, lực liên kết và lực cản do sự xen cài của các hạt đất

- Khi đầm, đất có khả năng chặt lại

3.1 TÍNH THẤM CỦA ĐẤT

Tính thấm của đất là tính chất của đất cho phép dòng nước chảy qua trong một

điều kiện thuận lợi nào đó Dòng nước thấm qua được gọi là dòng thấm

Đất sở dĩ có tính thấm vì trong đất luôn luôn tồn tại các lỗ rỗng Dòng chảy có

xuất hiện hay không lại phụ thuộc vào “điều kiện thuận lợi” đã xuất hiện hay chưa.

Điều kiện thuận lợi đó là kích thước của các lỗ rỗng (điều kiện bên trong) và áp lựccủa dòng thấm (điều kiện bên ngoài) đủ lớn Nói chung, kích thước lỗ rỗng và áp lựcdòng thấm càng lớn thì nước càng dễ thấm qua đất; kích thước lỗ rỗng và áp lực dòngthấm đủ bé thì nước không thể thấm qua Khái niệm đủ lớn hay đủ bé có liên quanđồng thời cả hai yếu tố là kích thước lỗ rỗng và áp lực dòng thấm

Khi i = 1 thì v = k, điều đó chứng tỏ k là vận tốc thấm khi độ dốc thủy lực bằngđơn vị k là vận tốc thấm biểu thị tính thấm mạnh yếu, có đơn vị cm/s, cùng đơn vị với

vậ tốc

Như vậy, vận tốc thấm của nước trong đất được hiểu là lưu lượng nước thấm

qua một đơn vị diện tích tiết diện vuông góc với dòng thấm.

Quan hệ tuyến tính giữa vận tốc thấm v và độ dốc thủy lực i đã được thực tếchứng minh Đó là định luật thấm cơ bản của nước thấm trong đất, gọi là định luậtDarcy

Cần lưu ý rằng vì nước chỉ thấm qua diện tích các lỗ rỗng chứ không phải thấmqua toàn bộ diện tích mặt cắt ngang của đất, do đó vận tốc thấm thực tế lớn hơn vậntốc thấm tính theo công thức (3.1) Tuy nhiên, để đơn giản và thuận tiện, trong thiết kếcông trình thường vẫn dùng vận tốc v để tính toán

* Phạm vi ứng dụng của định luật Darcy

Nhiều kết quả nghiên cứu thí nghiệm cho thấy với đất hạt thô (đất cuội sỏi, cáthạt thô,…) vận tốc thấm sẽ tăng lên Nếu khi vượt quá trị số vận tốc giới hạn (vgh) thì v

và i có quan hệ phi tuyến, biểu thị quy luật thấm chảy rối (hình 3.1) Lúc đó định luậtthấm chảy tầng không áp dụng được nữa

Với đất cát và đất sét kém chặt, quy luật thấm rất phù hợp với định luật Darcy

như đường a trên hình 3.2

Còn với đất sét chặt, do sự cản trở của nước màng bao quanh hạt khiến quy luật

thấm đổi khác so với định luật thấm Darcy như đường b trên hình 3.2 Từ đó thấy rằngkhi độ dốc thủy lực còn bé quan hệ giữa v và i không phải là đường thẳng, thậm chíkhi i còn quá bé sự thấm không xuất hiện Chỉ khi độ dốc thủy lực đủ lớn đạt trị số ibđ

đủ khả năng khắc phục sự cản trở của nước màng mỏng thì sự thấm mới xảy ra, ibđ gọi

là độ dốc thủy lực ban đầu Để đơn giản tính toán thường coi gần đúng quy luật thấm

Hình 3.1: Định luật Darcy đối với

đất hạt thô

Hình 3.2: Định luật Darcy đối với

đất loại sét

của đất dính vừa nêu có quan hệ đường thẳng như đường c trên hình 3.2 và có thể viếtphương trình đường thẳng đó như sau:

Thí nghiệm thấm với cột nước không đổi dùng cho đất có tính thấm lớn (k > 10-3cm/s) ví dụ đất cát, còn với cột nước thay đổi dùng cho đất có tính thấm bé (k < 10-3cm/s) ví dụ đất bụi, sét

3.1.2.1 Thí nghiệm thấm với cột nước không đổi

Sơ đồ thí nghiệm với cột nước không đổi

trình bày trên hình 3.3 Trong đó mẫu đất thí

nghiệm có chiều dài L và diện tích mặt cắt F

Trong quá trình thi nghiệm cột nước h giữ không

đổi Muốn xác định hệ số thấm k, khi thí nghiệm

tiến hành đô thể tích nước thấm qua mẫu đất Q

trong thời gian t sau đó dùng định luật Darcy để

xác Muốn có lượng nước thấm qua mẫu đất lớn

đòi hỏi thời gian phải rất dài Do vậy, với đất sét

cần tiến hành thí nghiệm thấm với cột nước thay

đổi mới thích hợp Sơ đồ thí nghiệm thấm với cột

nước thay đổi được thể hiện ở hình 3.4

Trong quá trình thí nghiệm cột nước sẽ thay đổi theo thời gian Ở thời điểm t cộtnước là h Sau một khoảng thời gian dt thể tích nước thấm qua mẫu đất là dQ ứng vớicột nước trong ống (có tiết diện s) hạ thấp xuống một đoạn là dh, ta có:

Hình 3.4: Sơ đồ thí nghiệm thấm với cột nước thay đổi

Mặt khác, theo định luật Darcy ta có:

Bảng 3.1: Hệ số thấm của các đất thường gặp Loại đất Hệ số thấm k (cm/s)

3.1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến hệ số thấm của đất

Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến hệ số thấmcủa đất Sau đây là những nhân tố chủ yếu

3.1.3.1 Kích thước và cấp phối hạt

Kích thước hạt và cấp phối hạt có ảnh hưởng lớn đến hệ số thấm của đất Chẳnghạn hàm lượng hạt sét và hạt bụi trong đất cát nhiều lên sẽ làm giảm hệ số thấm rõ rệt(hình 3.5)

Hình 3.5: Ảnh hưởng của hạt bụi và hạt sét đối với hệ số thấm của đất cát

Theo kinh nghiệm, hệ số thấm của đất cát sỏi có đường kính hạt trong phạm vi

1 10

k c d  (3.9)

Trong đó: c - hằng số thay đổi từ 100 ÷ 150.

Trong đất có tồn tại những bọc khí kín không thông với khí trời Những bọc khí

đó gây tắc nghẽn đường rỗng trong đất làm cho nước khó thấm qua Bọc khí càngnhiều, tính thấm nước càng giảm, hệ số thấm càng bé Hệ số thấm thay đổi theo hàmlượng bọc khí kín tồn tại trong đất

Ngoài những nhân tố trên, hệ số nhớt của nước, sự tồn tại của chất hữu cơ, cáchạt keo trong đất đều gây ảnh hưởng đến hệ số thấm,…

3.2 TÍNH NÉN LÚN CỦA ĐẤT

Biến dạng là sự thay đổi thể tích hoặc hình dạng của khối đất dưới tác dụng củatải trọng công trình và trọng lượng bản thân đất Do cấu tạo đặc trưng của khối đất,biến dạng chủ yếu xuất phát từ sự thay đổi thể tích các lỗ rỗng và một phần là sự sắpxếp lại các vị trí các hạt đất Do đặc điểm của tải trọng công trình lên đất (hình 3.6),biến dạng của đất chủ yếu là biến dạng nén gây chuyển vị đứng và hậu quả là côngtrình có thể bị lún quá mức dẫn đến không thể sử dụng được bình thường, thậm chígây phá hoại công trình hoặc bộ phận công trình (hình 3.7) Do đó, thường khi nói đếnbiến dạng của đất ta thường nói đến biến dạng lún, nói đến đặc tính biến dạng của đấtcũng chủ yếu nói đến tính nén lún của đất

Hình 3.6: Đường ứng suất nén lún dưới

móng công trình xây dựng

Hình 3.7: Ảnh hưởng của hiện tượng lún đối với công trình xây dựng

Các biến dạng dẫn đến chuyển vị ngang ít gặp trong thực tế hơn sẽ được đề cậpriêng khi có nguy cơ xuất hiện.

Tính nén lún của đất được nghiên cứu hoặc trong phòng thí nghiệm thông qua

các thí nghiệm nén thực hiện với các mẫu đất nguyên dạng (thí nghiệm nén một trục

không nở hông) hoặc các nghiên cứu hiện trường bằng các thiết bị chuyên dụng (thí nghiệm nén tĩnh bằng bàng nén).

Trong thực tế, hiện tượng lún của đất nền không xảy ra tức thời mà xảy ra trongmột khoảng thời gian sau đó mới kết thúc Độ lún của nền lúc quá trình lún kết thúc

gọi là độ lún ổn định hay độ lún hoàn toàn, còn độ lún ở một thời điểm nào đó trong quá trình nền đất đang lún gọi là độ lún chưa ổn định hay độ lún theo thời gian.

Nguyên nhân nền đất lún kéo dài khi chịu nén là do các hiện tượng vật lý gây nênlún xảy ra chậm rãi và kéo dài Ví dụ hiện tượng phá vỡ liên kết của đất, quá trình dịchchuyển các hạt và thu hẹp lỗ rỗng, quá trình cố kết của đất,… tất cả đều diễn ra trongmột thời gian chứ không phải xảy ra tức thời

Hiện tượng lún xảy ra nhanh hay chậm, quá trình lún kết thúc sớm hay muộn tùythuộc tính chất đất nền và tải trọng công trình Với nền đất dính, hiện tượng lún xảy rachậm và kéo dài Nói chung, khi thi công xong công trình, độ lún của nền đất dính chỉđạt 50 ÷ 60% độ lún ổn định, sau đó lún còn kéo dài Với nền đất rời, hiện tượng lúnxảy ra nhanh hơn và kết thúc sớm, thường kết thúc khi công trình vừa thi công xong

3.2.1 Thí nghiệm nén một trục không nở hông

Trong nội dung môn học này chỉ trình bày thí nghiệm nén đất trong phòng là thínghiệm nén một trục không nở hông thực hiện trên máy nén Tam Liên (Trung Quốc),

thí nghiệm nén đất ngoài hiện trường sẽ được trình bày cụ thể trong môn Khảo sát Địa

chất công trình.

Thiết bị thí nghiệm nén một trục làm việc theo sơ đồ như trên hình 3.8. Tải trọngmột chiều phân bố đều trên mẫu gây ra chuyển vị thẳng đứng và được đo bằng đồng

hồ biến dạng gắn trực tiếp lên nắp gia tải

Tải trọng nén thí nghiệm P được tăng dần theo từng cấp Tùy thuộc vào loại đất,

độ sâu lấy mẫu, cấp tải trọng đầu tiên ứng với ứng suất nén σ0 , cấp sau gấp đôi cấptrước đó

Dưới mỗi cấp tải trọng, độ lún được theo dõi cho đến khi đạt tới sự ổn định quyước - thường sau 24h lún không quá 0,01mm là được Sự thay đổi độ lún theo thờigian S = f(t) được thu thập ở những khoảng thời gian khác nhau sẽ được sử dụng đểtính toán kết quả thí nghiệm

Như vậy, số liệu thu thập được từ thí nghiệm nén là tổng độ lún Si ứng với mỗi

i

PA

  , trong đó Pi là tải trọng nén và A là diện tích tiết diện ngangcủa mẫu Kết quả thí nghiệm nén thường biểu diễn bằng đồ thị quan hệ giữa ứng suấtnén với hệ số rỗng của đất theo dạng: e = f(σ) (hình 3.9)

Hình 3.8: Mô hình hộp nén và thí nghiệm nén một trục không nở hông

Hình 3.9: Đồ thị đường cong nén lún e = f(σ))

Đồ thị hình 3.9 còn được gọi là đường cong nén lún, trong đó e được tính đổi từ

độ lún S với giả thiết trong quá trình lún thể tích các hạt đất không thay đổi:

e0 là hệ số rỗng ban đầu của đất khi tải trọng nén bằng không (σ = 0)

Trong tự nhiên, để tránh nhầm lẫn giữa hệ số rỗng tự nhiên và hệ số rỗng ban đầunên tính hệ số rỗng ei ứng với từng cấp tải trọng nén theo trình tự ngược lại: sau khinén đến cấp tải trọng cuối cùng, mẫu được thí nghiệm xác định lại γw , γc và W, Δs sau

đó sử dụng các quan hệ thông thường để xác định hệ số rỗng en

S S 1

a     

    (3.13)Khi Δσ → 0 thì giá trị của a dần tới giới hạn xác định hệ số nén lún tại một ứngsuất nén nào đó và được dung trong nghiên cứu các bài toán lý thuyết biến dạng củađất:

Khái niệm a luôn được phát biểu gắn liền với khoảng thay đổi ứng suất

3.2.2 Các nhân tố chủ yếu ảnh hưởng đến biến dạng lún của đất

3.2.2.1 Độ chặt ban đầu của đất

Độ chặt ban đầu của đất có quan hệ chặt chẽ với độ bền vững của khung kết cấu.Đất càng chặt thì khung kết cấu càng vững chắc và tính lún càng bé Vì thế, đối vớicác loại đất có độ rỗng lớn, trước khi xây dựng công trình, người ta thường sử dụngphương pháp nén trước để giảm độ rỗng ban đầu của đất, làm cho công trình xây dựnglên sau đó ít bị lún

3.2.2.2 Tình trạng kết cấu của đất

Kết cấu của đất càng bị xáo trộn thì cường độ liên kết giữa các hạt càng yếu đi,

do đó tính nén lún của đất càng tăng Thực tế đã cho thấy rằng, cùng một loại đất,nhưng nếu kết cấu bị xáo động hay phá hoại thì đất sẽ lún nhiều hơn so với khi kết cấucòn nguyên dạng Vì vậy, khi đào hố móng công trình cần chú ý hết sức bảo vệ saocho đất dưới đáy hố móng khỏi bị phá hoại kết cấu

3.2.2.3 Lịch sử chịu nén

Các đất mà trong lịch sử chưa từng chịu áp lực lớn hơn tải trọng thiết kế hiệnnay, thì gọi là đất nén chặt bình thường Ngược lại, nếu đã bị nén dưới những tải trọnglớn hơn thế gọi là đất quá nén Đất quá nén thường có độ lún rất bé, sức chịu tải tốt

3.2.2.4 Tình hình tăng tải

Tình hình tăng tải bào gồm độ lớn của cấp tải trọng, loạt tải trọng và khoảngthời gian giữa 2 lần tăng tải Cấp gia tải càng lớn và tốc độ gia tải càng nhanh thì kếtcấu của đất càng dễ bị phá hoại và khả năng lún của đất càng lớn Đồng thời với cùnggiá trị cấp gia tải, tốc độ gia tải càng lớn thì khả năng biến dạng sẽ càng lớn Vì vậy, đểđánh giá được đúng đắn các số liệu thí nghiệm, cần nén các mẫu đất theo đúng các quyđịnh về độ lớn cấp tải trọng và tốc độ tăng tải có ghi trong các quy trình về thí nghiệmđất Tải trọng động làm cho đất cát nén chặt nhanh hơn so với đất dính và ngược lạidưới tác dụng của tải trọng tĩnh tính nén lún của đất cát rất yếu so với đất sét

3.3 TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT

Trên phương diện tổng quát, đất cũng là một loại vật liệu xây dựng tham gia vàoviệc hình thành nên công trình Nếu nền đất bị phá hoại thì công trình cũng bị pháhoại, do đó việc nghiên cứu tính bền của đất khi tham gia vào công trình là một trongnhững nhiệm vụ quan trọng mà Cơ học đất phải giải quyết nhằm tìm cách tránh nhữngthiệt hại cho toàn bộ công trình có nguyên nhân từ đất nền

Trong các dạng mất ổn định công trình, biểu hiện chung là sự đổ vỡ hoặcnghiêng lệch của công trình bên trên kèm theo sự trượt của một khối đất gắn liền vớicông trình trên phần nền còn lại Một số trường hợp không phát hiện thấy sự trượt củađất biểu hiện ra ngoài nhưng độ lún tăng nhanh tạo ra độ lún lệch lớn làm cho côngtrình bị phá hoại (hình 3.10)

Hình 3.10: Các dạng mất ổn định công trình

Sự phá hoại của đất còn được gọi là sự phá hoại trượt Cơ chế của sự phá hoạitrượt có thể được nhìn nhận rõ thông qua khảo sát mô hình thí nghiệm nén một trục nởhông tự do sau đây: Một mẫu đất sét cứng hình trụ có tỉ lệ chiều cao/đường kính là(1,5 - 2,0) chịu tải trọng nén dọc trục trên đỉnh với cường độ P (hình 3.11).

Hình 3.11: Sơ đồ thí nghiệm nén một trục nở hông tự do

Khi cường độ của tải trọng tăng dần, mẫu bị biến dạng cả theo phương đứng vàphương ngang, thể tích của mẫu thay đổi Dưới tải trọng đủ lớn, trên mẫu xuất hiện vếtnứt nghiêng và hai phần của mẫu sẽ trượt lên nhau theo mặt nghiêng tương ứng Tạicác vị trí của vết trượt, ứng suất cắt đạt tới giá trị vượt quá khả năng chống lại của đất

do đó đã xảy ra hiện tượng trượt kể trên

Việc nghiên cứu độ bền và sự phá hoại của đất liên quan đến hiện tượng trượtdựa vào các lý thuyết được gọi là các thuyết bền Trong đó, thuyết bền Mohr –Coulomb mô tả quan hệ giữa ứng suất cắt và sức kháng cắt tại một điểm là phổ biếnhơn cả và được ứng dụng rộng rãi trong phân tích các khái niệm cơ bản Thuyết bềnMohr - Coulomb được Terzaghi cải tiến bằng cách đưa khái niệm ứng suất hữu hiệuvào hiệu ứng ma sát của đất để hình thành nguyên lý ứng suất hữu hiệu hiện là thuyếtbền được áp dụng phổ biến trong thực tế

3.3.1 Thuyết bền Mohr - Coulomb về sức chống cắt của đất

Lực ma sát của đất: Sức chống cắt của đất được định nghĩa bằng giá trị ứng suất

chống cắt tối đa hay giới hạn mà đất có thể tạo ra bên trong khối đất trước khi nó bị

chảy Trong hoàn cảnh xác định, chảy sẽ dẫn tới tạo thành mặt trượt cắt, trên đó có thể

xảy ra sự di chuyển trượt tương đối lớn như trượt đất, mái dốc trượt xoay và phá hoại

hố móng Việc đánh giá các thông số của sức chống cắt là một phần cần thiết của trình

tự phân tích và thiết kế có liên quan đến nền móng công trình, tường chắn và mái đất.Sức kháng cắt ở bên trong khối đất chủ yếu là do sự phát triển của lực ma sát giữa các

hạt kề nhau và vì thế việc phân tích chủ yếu dựa trên mô hình ma sát.

Lực truyền giữa hai vật thể tại chỗ tiếp xúc tĩnh (hình 3.12) có thể phân tích

thành 2 thành phần: thành phần pháp tuyến σ vuông góc với bề mặt giao tiếp và thành

phần tiếp tuyến T song song với bề mặt giao tiếp Khi sự di chuyển trượt cắt xảy radọc theo bề mặt này, tỉ số T/σ sẽ đạt tới một giá trị giới hạn là hệ số ma sát fms :

Lực dính của đất: Các hạt đất có thể gắn kết với nhau Sự gắn kết này làm cho

chúng có khả năng chống lại lực kéo trực tiếp tách rời chúng ra, được gọi là lực dính.Nói chung, lực dính phụ thuộc vào các loại đất và có thể chấp nhận bằng nhau tại mọiđiểm và theo mọi hướng Lực dính trên một đơn vị diện tích được gọi là lực dính đơn

vị, ký hiệu c (hay còn gọi là lực dính kết c).

Biểu thức Coulomb (Định luật Coulomb): Sức kháng cắt của đất trên một diện

nào đó là khả năng của đất chống lại ứng lực cắt theo diện đó trên một đơn vị diệntích, ký hiệu là τ Theo Coulomb, sức kháng cắt τ là tổng của lực ma sát đơn vị với lựcdính đơn vị:

Trong đó, φ,c là các đặc trưng sức kháng cắt của đất, φ, c được xác định bằng thínghiệm; σ là ứng suất nén tạo ra ma sát đơn vị, σ do tải trọng gây ra và phụ thuộc vàođiểm khảo sát

Đồ thị mô tả mối quan hệ τ = f(σ) theo (3.17) có dạng các đường thẳng như trên

hình 3.13 phân biệt cho các loại đất khác nhau

Hình 3.13: Góc ma sát trong của đất

Trong trường hợp tổng quát, quan hệ τ-σ là một đường thẳng nghiêng với trụchoành góc φ gọi là góc ma sát trong của đất và cắt trục tung tại giá trị bằng lực dínhđơn vị c như trên hình 3.13a Hình 3.13b cho quan hệ τ-σ của một loại đất đặc biệt vớilực dính đơn vị c = 0, ta nói rằng đất không có tính dính hay đất rời (ví dụ: đất cát, đấtsạn sỏi) Đồ thị hình 3.13c là trường hợp ngược lại đặc trưng cho đất thuần dính có thểgặp trong trường hợp đất sét bão hòa nước (ví dụ: đất bùn sét, trạng thái chảy).

Các giá trị φ, c thực chất chỉ là những mô tả toán học cho đặc trưng kháng cắtcủa đất và được xác định bằng thí nghiệm quan hệ τ-f(σ) Về phương diện vật lý, bànchất của hiệu ứng ma sát giữa các hạt cũng như lực liên kết giữa chúng phức tạp hơnrất nhiều Tuy vậy, những mô tả của Coulomb và tương tự cũng đủ tin cậy cho phầnlớn các bài toán kỹ thuật

Lưu ý rằng, tải trọng công trình nói chung gây ra ứng suất cắt – τ’, nhưng cũng tạo ra bộ phận quan trọng của sức kháng cắt – σtgφ.

Thuyết bền Mohr – Coulomb

Điều kiện bền của đất được thiết lập trên cơ sở so sánh ứng suất cắt với sứckháng cắt trên cùng một diện phẳng được khảo sát Hai tình huống sau đây có thể xảy

- Trạng thái cân bằng giới hạn khi τ’ = τ

* Trạng thái τ’ > τ không thể xảy ra vì τ’ = τ biến dạng sẽ tăng liên tục trong khiứng suất vẫn giữ không đổi và biến dạng như vậy được gọi là biến dạng dẻo Như vậy,nếu gọi ứng suất cắt lớn nhất có thể có trên một diện nào đó là τ’max thì theo Mohr, tính

    (3.18)Biểu thức này cho phép đo ứng suất cắt cực đại - τ’max , khi mẫu bị phá hoại thay

vì đo sức kháng cắt τ, là một đại lượng thuộc “bên trong” của đất mà ta không thể đotrực tiếp được

3.3.2 Ứng suất hữu hiệu

Trong khối đất bão hòa cân bằng dưới tác dụng của tải trọng, ứng suất tổng (σ)vuông góc với mặt phẳng đã cho được tiếp nhận một phần nhờ các hạt rắn thông qua cácđiểm tiếp xúc, một phần nữa nhờ áp lực nước trong lỗ rỗng được gọi là áp lực nước lỗrỗng (σw) Hiệu giữa ứng suất tổng và áp lực nước lỗ rỗng được biết là ứng suất hữu hiệu

và được ký hiệu bởi chữ σ’ Phương trình xác định ứng suất hữu hiệu có dạng:

W '

Phương trình này là cơ sở quan trọng của cơ học đất và được Terzaghi phát biểulần đầu vào năm 1924 Tầm quan trọng của ứng suất hữu hiệu nằm ở phát biểu thứ hai

của Terzaghi: “Mọi ảnh hưởng có thể đo được do sự thay đổi của ứng suất đều phụ

thuộc duy nhất vào sự thay đổi của ứng suất hữu hiệu” Do đó, khi nghiên cứu tính

chất của đất, ứng suất hữu hiệu và sự thay đổi ứng suất hữu hiệu phải được xem xét.Ứng suất hữu hiệu đôi khi được coi là bằng ứng suất giữa các hạt đất Tuy vậy,trong khoảng ứng suất thông thường trogn đất, gần đúng này là chấp nhận được

3.3.3 Thí nghiệm xác định sức kháng cắt của đất: Thí nghiệm cắt trực tiếp

Thiết bị thí nghiệm

Thí nghiệm được thực hiện trên loại thiết bị được gọi là máy cắt phẳng có cấu tạotheo nguyên tắc sau: mẫu thí nghiệm đồng thời chịu tải trọng đứng và tải trọng ngang.Tải trọng đứng tạo ra ứng suất nén phân bố đều không đổi còn tải trọng ngang tạo raứng suất cắt trên một mặt phẳng định trước thay đổi được Khi ứng suất cắt tăng đếnmột giá trị cực đại ứng với sức kháng cắt của đất thì mẫu bị phá hoại cắt (hình 3.14)

Hình 3.14: Sơ đồ thiết bị hộp cắt đất

Cách thí nghiệm

Mẫu nguyên dạng được chuyển từ dao vòng vào máy cắt trực tiếp

Gia tải trọng đứng lên mẫu ứng với ứng suất nén σ định trước

Tăng dần tải trọng ngang cho đến khi mẫu bị phá hoại Mẫu sẽ bị phá hoại khi tảitrọng ngang không tăng mà biến dạng ngang vẫn tăng hoặc khi biến dạng ngang lớnhơn một giá trị nào đó theo tiêu chuẩn phá hoại về biến dạng giới hạn

Làm lại thí nghiệm với các giá trị ứng suất nén khác nhau để có các giá trị sứckháng cắt tương ứng Thông thường các giá trị ứng suất nén được định trước (3 – 4cấp) tùy thuộc loại đất và có số gia không đổi

Kết quả thí nghiệm và xử lý kết quả

Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp là các giá trị ứng suất tổng (σi, τimax) Trong đó,

τimax là ứng suất cắt khi mẫu bị phá hoại tức là sức kháng cắt τi ứng với ứng suất nén σi:(σi, τimax) = (σi, τ’

imax)Kết quả thí nghiệm được biểu

diễn bằng đồ thị quan hệ τmax = f(σ)

(hình 3.15) Dựa vào đồ thị đó, các

đặc trưng chống cắt φ, c của đất được

xác định bằng cách đo trực tiếp hoặc

bằng tính toán Việc xử lý kết quả theo

phương pháp bình phương cực tiểu

được áp dụng trong quy phạm Việt

Nam hiện được nhiều nơi sử dụng

Hình 3.15: Đồ thị sức kháng cắt của đất

3.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt của đất

Sức kháng cắt trong thực tế không phải là những giá trị không thay đổi cho từngloại đất mà chúng phụ thuộc rất nhiều yếu tố

Về bản chất bên trong, đặc trưng kháng cắt của đất trước hết là ma sát giữa cáchạt và mối liên kết giữa chúng do đó đặc trưng kháng cắt của đất phụ thuộc mạnh mẽvào kích thước hạt đất, thành phần cấp phối hạt, hình dạng bề mặt và thành phầnkhoáng vật hạt, vào sự có mặt của nước và khí trong lỗ rỗng giữa các hạt đất

Các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến đặc trưng kháng cắt của đất bao gồm sự phụthuộc vào lịch sử chịu tải trước đó của đất, biến dạng xảy ra trong quá trình chịu tải,…Các yếu tố ảnh hưởng kể trên có tác động khác nhau đối với từng loại đất khácnhau Dưới đây là một số đặc trưng cơ bản ứng với từng loại đất

Sức kháng cắt của đất cát

Sức kháng cắt của đất cát phụ thuộc chủ yếu vào cấp phối hạt và độ chặt ban đầucủa chúng Kết quả thí nghiệm hai mẫu đất cát cùng loại nhưng có độ chặt ban đầukhác nhau cho trên hình 3.16 cho thấy sự phụ thuộc vào sự thay đổi thể tích trong quátrình cắt

Hình 3.16: Đặc trưng kháng cắt của đất cát

Đối với cát chặt, để khắc phục sức kháng ban đầu tạo bởi lực liên kết do các hạtmóc nối vào nhau cát phải được giãn nở vì thế ứng suất cắt tăng đột ngột với biến dạngnén nhỏ sau đó thể tích tăng dần với sự giảm liên kết giữa các hạt làm ứng suất cắtgiảm đến giá trị tới hạn Góc ma sát trong φ ứng với giá trị đỉnh φp giảm xuống giá trịtới hạn φr Tình hình ngược lại đã xảy ra khi cắt mẫu cát rời, thể tích đất giảm theo quátrình cắt làm cho đất chặt hơn cho đến khi đạt được giá trị tới hạn Góc ma sát tăng dầnđến giá trị tới hạn φr

Sức kháng cắt của đất sét

Đối với các loại đất dính nói chung, đất sét nói riêng, sức kháng cắt chịu ảnhhưởng chủ yếu của áp lực nước lỗ rỗng và mối liên kết giữa các hạt đất, đặc biệt là cácliên kết kết tinh do đó các nghiên cứu sức kháng cắt của đất dính và đặc trưng khángcắt của chúng chủ yếu tập trung vào ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng và tình trạng

cố kết của đất

3.4 TÍNH ĐẦM CHẶT CỦA ĐẤT

3.4.1 Nguyên lý cải tạo đất bằng đầm chặt

Tính đầm nén của đất là một tính chất đặc thù so với các loại vật liệu khác Đất

sở dĩ có thể đầm nén được vì giữa các hạt đất có lỗ rỗng, liên kết giữa các hạt thường

có độ bền thấp Khi các liên kết này bị phá vỡ, việc di chuyển vị trí tương đối của cáchạt đất một cách có mục đích có thể được thực hiện để làm cho thể tích các lỗ rỗngtrong đất giảm đi, đất trở nên chặt hơn Biện pháp hữu hiệu để thực hiện công việc này

là đầm nén Đầm nén là dùng các tác động cơ học làm giảm thể tích các lỗ rỗng củađất trước khi sử dụng vào công trình Việc giảm thể tích lỗ rỗng sẽ làm tính biến dạngcủa đất giảm xuống trong khi tính chống cắt tăng lên: đất được làm “tốt lên” nhờ đầmnén Do đó, đầm nén là một phương pháp cải tạo đất và là một phương pháp rất phổbiến, có hiệu quả kinh tế cao

Nghiên cứu tính đầm nén đất trước hết là nghiên cứu khả năng và giới hạn củaviệc đầm nén đất, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng đầm nén và công nghệ đầmnén thích hợp

Khả năng đầm chặt đất phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Cấp phối của đất

- Công đầm

- Độ ẩm của đất khi đầm

a) Đất chỉ có thể đầm nén có hiệu quả khi thành phần cấp phối hạt thích hợp: đất

có cấp phối tốt Để có cấp phối tốt có thể phải pha trộn nhiều loại đất với nhau nhưngviệc này rất khó thực hiện vì khối lượng đất cần thiết rất lớn Cách tốt nhất là lựa chọnnơi khai thác (mỏ đất) thích hợp và chấp nhận cấp phối tự nhiên đó Chính điều này đãquy định việc chấp hành nghiêm việc sử dụng đất tại mỏ đã được chỉ định Thay thếnguồn cấp đất phải được xem xét một cách rất thận trọng

b) Công đầm thể hiện ở tải trọng thiết bị và số lần đầm tại một điểm Yếu tố này cóthể lựa chọn trong một phạm vi hẹp vì độ linh động của thiết bị thường rất bị hạn chếtrong khi số lần đầm chỉ đem lại hiệu quả khi đất chưa đạt tới giới hạn nén chặt (xemđặc tính biến dạng của đất) Trình tự sử dụng thiết bị và số lần đầm qua một vị trí là cácthông số kỹ thuật cần phải tuân thủ khi thi công để đảm bảo công đầm theo yêu cầu.c) Độ ẩm của đất là yếu tố dễ thay đổi và cũng dễ điều chỉnh nhất cho nên rấtđược quan tâm trong thi công đầm nén đất Việc thay đổi độ ẩm sẽ làm thay đổi chiềudày mang nước liên kết quanh hạt đất Khi độ ẩm ban đầu thấp, việc tăng độ ẩm sẽ làmtăng chiều dày màng liên kết, ma sát giữa các hạt giảm xuống, các hạt đất dễ dàng dịch