BÀI GIẢNG CƠ HỌC ĐẤT

Quá Trình Phong Hóa Đó là quá trình mà đá có khối tích lớn bị phong hóa làm vỡ vụn ra thành từng mảng nhỏ, có ba loại phong hóa chính:  Phong hóa vật lý: do các yếu tố vật lý gây nên n

Trang 1

TÀI LIỆU THAM KHẢO

 Châu Ngọc Ẩn Cơ học đất NXB ĐHQG TP.HCM – 2009;

 Lê Quí An và cộng sự Cơ học đất NXB GD Hà Nội – 1995;

 Cao Văn Chí và cộng sự Cơ học đất NXB XD Hà Nội – 2003;

 Bùi Anh Định Cơ học đất NXB XD Hà Nội – 2004;

 Tạ Đức Thịnh và cộng sự Cơ học đất NXB XD Hà Nội – 2002;

1

Trang 2

 R Whitlow Cơ học đất NXB GD Hà Nội – 1999;

 T W Lambe et al Soil mechanics John Wiley, 1979;

 R F Craig Soil mechanics London, 1997;

 J Atkinson An Introduction to the mechanics of soil and foundations Mcgraw Hill, 1993;

 B M Das Soil mechanics laboratory manual Engineering press, 1996.

Trang 3

 P P Raj Geotechnical Engineering McGraw Hill, 1995;

 D P Coduto Geotechnical Engineering – Principles and Practices Prentice Hall, 1998;

 R L Schiffman One dimensional consolidation of saturated clay layers nonlinear finite strain primary consolidatin University of Colorado, 1984;

 B M Das Principles of geotechnical engineering Pws, 1995.

3

Trang 4

CHƯƠNG 1: TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT

1.1 NGUỒN GỐC VÀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐẤT

Đất tự nhiên (đất) là sản phẩm của các quá trình phong hóa

do đá gốc tạo nên

Đá gốc: đá macma, đá trầm tích, đá biến chất,…v.v

 Đá macma: được hình thành do sự nguội lạnh và cứng hóa ở trong hay trên mặt vỏ quả đất từ một dung dịch nóng chảy lỏng, như các đá: granit; bazan; gabro, pocfia…v.v

 Đá trầm tích: được hình thành do các vật liệu lắng đọng trong nước tại biển, hồ, …v.v, như các đá: đá vôi; cuội kết (hạt tròn); than đá; dăm kết (hạt góc cạnh), …v.v

 Đá biến chất: được hình thành từ các đá có sẵn dưới tác động của nhiệt lớn hoặc áp lực thật cao như: đá hoa; đá phiến,…v.v

Trang 5

Sự chuyển biến từ đá thành ra đất thường gồm ba quá trình liên tiếp:

1.1.1 Quá Trình Phong Hóa

Đó là quá trình mà đá có khối tích lớn bị phong hóa làm vỡ vụn ra thành từng mảng nhỏ, có ba loại phong hóa chính:

 Phong hóa vật lý: do các yếu tố vật lý gây nên như gió, mưa, nhiệt độ (tác nhân mạnh nhất) đã tác động vào đá làm cho đá gốc này bị phân hủy và tạo nên sản phẩm đó là các loại đất rời như cuội, sỏi, cát, v.v Các sản phẩm do tác dụng của phong hóa vật lý thường có góc cạnh sắc bén và thành phần rất gần với đá gốc

5

Trang 6

 Phong hóa hóa học: do phong hóa vật lý kèm theo các phản ứng hóa học, trong đó tác nhân mạnh nhất là nước với các acid hòa tan và tạo nên sản phẩm đó là các loại đất dính như sét, sét pha cát (á sét), cát pha sét (á cát) v.v Các sản phẩm do tác dụng của phong hóa hóa học làm thay đổi một số khoáng đá thành khoáng sét và còn một số khoáng đá khác không ảnh hưởng.

 Phong hóa sinh học: các quá trình trên kết hợp thêm xác động vật, thực vật và vi sinh vật tích tụ hoặc phân tán trong đất hình thành loại đất lẫn hữu cơ

Trang 7

1.1.2 Quá Trình Dịch Chuyển

Ba loại phong hóa 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, gió, …v.v, các mãnh vụn bị dịch chuyển đi nơi khác

1.1.3 Quá Trình Trầm Tích

Tùy theo kích thước các hạt to, nhỏ mà trong quá trình dịch chuyển chúng sẽ lắng đọng hoặc rơi xuống tạo thành các tầng lớp đất khác nhau được gọi là trầm tích

7

Trang 8

1.2.CÁC THÀNH PHẦN CHỦ YẾU CỦA ĐẤT

 Thành phần chủ yếu của đất là các hạt đất (hạt rắn) Các hạt đất này chỉ chiếm một phần thể tích của đất, còn lại là lỗ rỗng của đất.

 Trong lỗ rỗng chứa nước và khí Nếu lỗ rỗng của đất chứa đầy nước thì gọi là đất bảo hòa, nếu lỗ rỗng của đất không có nước thì gọi là đất khô.

 Tính chất của đất phụ thuộc vào tính chất và sự tương tác của các thành phần hợp thành là hạt đất + nước + khí

Trang 9

• 1.2.1 Hạt Đất

 Hạt đất là thành phần chủ yếu của đất Khi lực tác dụng bên ngoài lên mặt đất thì các hạt đất cũng chịu lực mà truyền rộng ra và xuống dưới sâu Tập hợp các hạt đất là khung cốt của đất

 Các hạt đất có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau tùy thuộc vào các quá trình phong hóa - dịch chuyển - trầm tích.

 Mỗi nhóm hạt đất có đặc tính riêng như:

• Nhóm hạt cát có tính rời ở trạng thái khô hoặc bảo hòa.

• Nhóm hạt sét có tính dẻo khi chứa một lượng nước nhất

định.

9

Trang 10

 Tựu trung có hai nhóm chính:

• Nhóm hạt thô: đá hộc, cuội, sỏi, cát.

• Nhóm hạt mịn: bột, sét, keo

Hiện nay đã thống nhất được tên gọi của các nhóm hạt cơ bản như sau:

•Bảng 1.1 Ký hiệu tên của nhóm hạt đất

Trang 11

•1.2.1.1 Đặc tính cơ bản các nhóm hạt đất

∀α Nhóm hạt sỏi

•- Tỉ diện tích rất nhỏ, không đáng kể.

•- Không dính ngay cả khi ẩm ướt.

•- Độ dâng cao của nước mao dẫn rất nhỏ, không đáng kể.

•- Không giữ được nước.

∀β Nhóm hạt cát

•- Tỉ diện tích nhỏ, khoảng 0.001 ÷ 0.04m 2 /g.

•- Tính thấm lớn.

•- Có thể có tính dính khi ẩm nhưng không dẻo và tính dính mất đi khi bảo hòa nước (tính dính giả).

•- Độ dâng cao của nước mao dẫn nhỏ.

•- Giữ được ít nước.

11

Trang 12

•1.2.1.1 Đặc tính cơ bản các nhóm hạt đất

∀γ Nhóm hạt sét

•- Tỉ diện tích lớn, khoảng 20 ÷ 800m 2 /g.

•- Hầu như không thấm nước.

•- Tính hút ẩm lớn và có khả năng giữ nước nhiều.

•- Khi hút ẩm thể tích tăng lên nhiều, khi khô co ngót rõ rệt

•- Khi sũng nước không chảy loãng như nhóm hạt bụi

•- Tính dính và tính dẻo lớn.

Trang 13

1.2.1.1 Đặc tính cơ bản các nhóm hạt đất

∀δ Nhóm hạt bụi

•- Tỉ diện tích vào khoảng 0.04 ÷ 1m 2 /g.

•- Tính thấm khá nhỏ.

•- Khi ẩm có tính dính và có tính dẻo.

•- Khi sũng nước dễ chảy loãng.

•- Hút và giữ được nước nên thể tích đất tăng lên khi hút ẩm và co lại khi mất nước.

•- Nước mao dẫn dâng tương đối cao và nhanh.

Để phân loại, người ta thường dùng khái niệm đường kính trung bình của hạt đất (d, mm), đó là đường kính của vòng tròn bao quanh tiết diện lớn của hạt đất đó

13

Trang 14

Bảng 1.2 Phân loại nhóm hạt theo TCVN 5747:1993

Tên nhóm hạt Ký hiệu

(theo tiếng Anh)

Đường kính (mm)

Trang 15

Bảng 1.3 Phân loại nhóm hạt của Nhật Bản

Hạt bụi

Cát nhỏ Cát to

Sỏi nhỏ

Sỏi trung bình

Trang 16

Bảng 1.4 Phân loại nhóm hạt của Trung Quốc

Nhóm hạt thô

Cuội và dăm

to vừa nhỏ Cát

to vừa nhỏ

60 ÷ 20

20 ÷ 5

5 ÷ 2

2 ÷ 0.5 0.5 ÷ 0.25 0.25 ÷ 0.1

Nhóm hạt mịn

Mịn Bụi Sét

0.1 ÷ 0.05 0.05 ÷ 0.005

< 0.005

Trang 17

Bảng 1.5 Phân loại nhóm hạt của Anh

17

Tên nhóm hạt Đường kính

(mm)

Nhóm hạt thô 1 Đá hòn (Stone)Đá lăn (B)

Cuội và dăm (Co)

>200

200 ÷ 60

Nhóm hạt thô

2 Sỏi và sạn (G)

to vừa nhỏ

3 Cát (S)

to vừa nhỏ

60 ÷ 20

20 ÷ 6

6 ÷ 2

2 ÷ 0.6 0.6 ÷ 0.2 0.2 ÷ 0.06

Nhóm hạt mịn

4 Bụi (M)

to vừa nhỏ

5 Sét (C) Trong đó có hạt keo

0.06 ÷ 0.02 0.02 ÷ 0.006 0.006 ÷ 0.002

< 0.002

< 0.001

Trang 18

Bảng 1.6 Phân loại nhóm hạt của AASHTO (Hoa Kỳ)

American Association of State Highway and

to nhỏ

75 ÷ 2

2 ÷ 0.425 0.425 ÷ 0.075

Nhóm hạt mịn Bụi (M)

Sét (C)

0.075 ÷ 0.002

< 0.002

Trang 19

Bảng 1.7 Phân loại nhóm hạt của USCS (Hoa Kỳ)

Unified Soil Classification System

75 ÷ 19

19 ÷ 4.75 Cát (S)

to vừa nhỏ

4.75 ÷ 2

2 ÷ 0.425 0.425 ÷ 0.075 Hạt mịn (Fine grain) – F

Bụi hoặc sét

Bụi và sét

< 0.075

Trang 20

Bảng 1.8 Phân loại nhóm hạt của Pháp

(mm)

Sỏi (Gravier) - G 20 ÷ 2

Cát (Sable) - S

Cát to Cát nhỏ

2 ÷ 0.2 0.2 ÷ 0.02

Trang 21

1.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA ĐẤT

Mô hình 3 pha của đất

Phần lớn thể tích đất là các hạt rắn, phần thể tích còn lại là lỗ rỗng, trong lỗ rỗng chứa nước và khí.

 Mô hình đất gồm 3 pha: rắn (hạt), lỏng (nước) và khí

21

Trang 22

1.2.1 Pha rắn

Hạt rắn chiếm phần lớn thể tích của đất, là cốt chịu lực, tạo thành bộ khung chịu lực của đất

Người ta đánh giá đất chủ yếu dựa vào pha hạt rắn

a Phân loại hạt đất

Dựa trên kích thước, chia thành hai nhóm chính: hạt thô và hạt mịn

Tên hạt đất được phân theo từng nhóm tuỳ thuộc vào kích thước Tuy nhiên ranh giới để phân biệt các loại hạt được quy ước khác nhau theo các quy phạm khác nhau

Trang 23

c Thành phần khoáng

23

Trang 24

1.2.1 Pha rắn

So sánh đất hạt thô và đất hạt mịn

Khả năng chịu tải cao

Khả năng thoát nước tốt

Cường độ và sự thay đổi thể tích

không bị ảnh hưởng bởi độ ẩm

Kích thước và cấu trúc hạt quyết định

tính chất kỹ thuật

Không nén được khi ở trạng thái chặt

Sự rung động làm thay đổi thể tích khi

ở trạng thái rời

Khả năng chịu tải kém Tính thấm kém

Các đặc tính về cường độ và sự thay đổi thể tích bị ảnh hưởng bởi độ ẩm

Tính chất kỹ thuật được kiểm soát bởi yếu tố khoáng vật hơn là kích thước hạt

Trang 25

1.2.2 Pha lỏng

a.Nước trong khoáng vật của đất

Là nước ở trong mạng tinh thể khoáng vật của đất, coi như một bộ phận của khoáng vật  không ảnh hưởng tới tính chất cơ – lý của đất.

b.Nước liên kết

Tạo nên bởi tác dụng của lực hút điện phân tử giữa hạt sét (-) và phân tử nước có tính chất lưỡng cực.

• Nước màng : là loại nước bám rất chặt vào mặt ngoài của hạt đất Nước ở thể rắn và chui cả vào mạng tinh thể khoáng vật  xem như một phần của hạt rắn, do đó không ảnh hưởng tới tính chất của đất.

25

Trang 26

1.2.2 Pha lỏng

b Nước liên kết

 Nước liên kết mạnh : ở xa hạt sét hơn một chút so với nước màng Là lớp nước bám tương đối chặt ở bề mặt hạt Không có ảnh hưởng nhiều đến tích chất của đất

 Nước liên kết yếu : là lớp nước liên kết ngoài cùng của hạt đất, nước vẫn còn bị giữ ở bề mặt hạt nhưng lực hút yếu dần cho đến không còn ảnh hưởng Vành nước liên kết có ảnh hưởng đến tính chất đất, nó làm cho đất có tính dẻo, tính dính

Dạng vỏ nước bao quanh hạt đất

Trang 27

 Khả năng hoà tan và phân giải của nước;

 Ảnh hưởng của áp lực thuỷ tĩnh đối với đất ;

 Ảnh hưởng của lựïc thấm do sự chuyển động của nước trong đất đối với tính ổn định của đất

27

Trang 28

1.2.2 Pha lỏng

c Nước tự do

Nước mao dẫn

Độ cao mao dẫn:

( C apillary)

 T: lực căng bề mặt;

 Vùng từ mực nước ngầm đến chiều cao hc được gọi là đới bão hoà nước mao dẫn → áp lực nước lỗ rỗng u < 0.

 Độ dâng lên của nước mao dẫn thay đổi theo sự lên xuống của mực nước ngầm.

Chiều cao mao dẫn trong ống

=

Trang 29

1.2.2 Pha lỏng

c Nước tự do

Áp lực mao dẫn

 Là áp lực phụ thêm do nước mao dẫn gây ra cho hạt đất trong đới bão hoà nước mao dẫn, làm tăng thêm trọng lượng của đất

 Áp lực mao dẫn là một trong những yếu tố tạo nên tính dính của đất

29

Đới mao dẫn trong đất

Trang 30

Chiều cao mao dẫn của đất (theo Braja M Das)

Trang 31

31

Trang 32

1.3 THÀNH PHẦN HẠT, CẤP PHỐI CỦA ĐẤT

1.3.1 Thí nghiệm phân tích hạt

Mục đích: Xác định hàm lượng (%) theo trọng lượng của mỗi nhóm hạt trong mẫu đất.

Gồm 2 thí nghiệm: thí nghiệm rây sàng và thí nghiệm lắng đọng

a Thí nghiệm rây sàng (cho nhóm hạt thô)

 Áp dụng với những hạt có kích thước ≥ 0.1mm;

Trang 33

a Thí nghiệm rây sàng

33

Máy rây Rây lưới tròn

Trang 34

b Thí nghiệm lắng đọng (cho nhóm hạt mịn)

 Áp dụng với những hạt có kích thước từ 0.1

đến 0.002 mm;

 Tính toán:

Dựa vào Định luật Stokes:

Trong đó:

V: vận tốc giới hạn của hạt đất rơi tự do trong

bán không gian chất lỏng;

d: đường kính hạt đất;

µ: độ nhớt của nước;

γs : dung trọng hạt đất;

γw : dung trọng nước;

Trang 35

35

Trang 36

1.3.2 Các đặc trưng của đường cong cấp phối

 D10 – đường kính hạt có hàm lượng tích luỹ 10%

Trang 37

Hệ số đồng nhất: C u - uniform =

Cu < 3: cỡ hạt đồng đều

3 ≤ Cu ≤ 5: cỡ hạt tương đối không đồng đều

5 ≤ Cu : cỡ hạt không đồng đều

Hệ số cấp phối: C g - grade =

10

60

D D

10 60

2 30

*D

D D

37

Trang 38

Các điều kiện của một mẫu đất cấp phối tốt:

Mẫu đất có nhiều cỡ hạt khác nhau

Cu > 4 – cho sỏi sạn

Cu > 6 – cho cát Đường cong cấp phối thoai thoải, không bị nhảy bậc thang

1< Cg < 3

Trang 39

1.4.1 Các chỉ tiêu tính chất

1.4 CÁC CHỈ TIÊU VẬT LÝ CỦA ĐẤT

Không khí Nước Hạt rắn

Va

Vw

Vs

VvV

Pha Khối lượng Trọng lượng Thể tích

Quốc tế VN Qtế VN Qtế VN

Trang 40

Tên gọi Ký hiệu Tên gọi Ký hiệu

Ghi chú: Dung trọng = trọng lượng riêng

Trang 41

 Tỷ số rỗng (void ratio) = hệ số rỗng

 Độ rỗng (porosity)

 Độ bảo hoà (degree of saturation)

G e

γγ

Độ bảo hoà S Mức độ ẩm

0 < S ≤ 0.5 Ẩm ít

0.5 < S ≤ 0.8 Rất ẩm

0.8 < S ≤ 1 No nước (bảo hoà nước)

Trang 42

 Các quan hệ

 Độ ẩm

n

n V

V V

V

V V

e

e n

Trang 43

 Trọng lượng riêng tự nhiên

 Thể tích riêng, v = 1 + e

 Trọng lượng riêng khô

43

W

W W

V

W

W V

w s

Trang 44

 Trọng lượng riêng khô

S wG G

n G

e G w

s

w

s d

w s d

w

s d

1

γγ

w sat

d

w sat

d

w d

n e e

e w

eS

γγ

γ

γγ

γ

γγ

Trang 45

 Tỷ trọng hạt

 Trọng lượng riêng hạt

 Trọng lượng riêng đẩy nổi

γ’ = γsat - γw

45

w s

s

w

s s

γ

γγ

−

=

'

Trang 46

 Trọng lượng riêng bảo hoà

w d

s sat

w d

sat

w d

sat

w s

sat

w

s sat

G

e e n

n G

n e

e G

γγ

γ

γγ

γ

γγ

γ

γγ

11

1

Trang 47

 Độ chứa không khí (air voids content)

e

S

e v

Trang 48

Va

Vw

Vs

VvV

Se 1

Trang 49

1.4.2 Các chỉ tiêu trạng thái

a Đất rời

Độ chặt tương đối (relative density),

emax - hệ số rỗng của đất ở trạng thái rời nhất

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

e - hệ số rỗng tự nhiên của đất

e, e max , e min đều được xác định từ thí nghiệm

49

min max

max

e e

Bảng trạng thái đất rời (theo Braja M Das)

Trang 50

Bảng trạng thái đất rời (theo tiêu chuẩn Liên Xô)

D Độ chặt của đất

0 ≤ D ≤ 0.33 Xốp (tơi)

0.33 ≤ D ≤ 0.66 Chặt vừa

0.66 ≤ D ≤ 1 Chặt

Cát lẫn sạn, cát to, cát vừa e < 0.55 0.55 ≤ e ≤ 0.7 e > 0.7

Cát nhỏ e < 0.6 0.6 ≤ e ≤ 0.75 e > 0.75 Cát bụi e < 0.6 0.6 ≤ e ≤ 0.8 e > 0.8

Trang 51

Bảng trạng thái đất rời được xác định theo thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn

SPT – Standard Penetration Test (theo tiêu chuẩn Liên Xô)

Định dạng
Số trang	309
Dung lượng	6,11 MB