phân loại đất

1 Chương III Phân loại đất 3.1 Mở đầu Từ những khái niệm về kết cấu và cấp phối hạt của đất đã được đề cập ở chương 2, chúng ta sẽ đưa ra các tiêu chuẩn để phân loại đất trong chương 3. Ở mục 2.4, cát và sỏi được xem như là những hạt thô trong khi bụi và sét thì được coi như là những hạt mịn. Trong mục 2.5, chúng ta đã đưa ra bảng phân chia cỡ hạt và nhóm hạt cho đất (hình 2.3) theo các tiêu chuẩn ASTM hay AASHTO, vv .Tuy nhiên, những thuật ngữ chung chung như cát hay sét bao hàm sự thay đổi lớn của các đặc tính kỹ thuật của đất. Vì vậy, cần thiết phải có những thuật ngữ chuyên sâu hơn để thuận tiện sử dụng trong thực tế. Những thuật ngữ này, được tập hợp trong hệ thống phân loại đất, và thường được sử dụng vào những mục đích kỹ thuật cụ thể. Hệ thống phân loại đất có vai trò như là một ngôn ngữ để trao đổi giữa những nhà khoa học. Nó không những đưa ra phương pháp phân loại dựa theo các đặc trưng kỹ thuật của đất một cách có hệ thống mà còn giúp cho các nhà khoa học có thể học hỏi kinh nghiệm lẫn nhau. Nhưng nó cũng không làm giảm bớt tầm quan trọng của việc xác định tính chất của đất bằng các thí nghiệm trong phòng hay ngoài hiện trường. Tuy nhiên, giữa tính chất của đất và hệ thống phân loại lại có mối quan hệ mật thiết. Chính vì vậy, khi biết cách phân loại đất, người kỹ sư đã hiểu được tương đối chính xác đặc trưng của đất trong trong quá trình xây dựng, quá trình chịu tải hay trong từng hoàn cảnh kỹ thuật khác nhau. Hình 3.1 minh hoạ vai trò của hệ thống phân loại đất trong thực tế địa kỹ thuật. Hình 3.1: Vai trò của hệ thống phân loại đất trong địa kỹ thuật ứng dụng Nhiều hệ thống phân loại đất đã được đề xuất trong thời gian qua. Casagrande (1948) đã nhấn mạnh rằng: “ Hầu hết các hệ thống phân loại đang được sử dụng trong xây dựng có nguồn gốc từ khoa học đất Phân loại và các tính chất (w, e, ρ, S, GSD, LL, PI .) Hệ thống phân loại đất (“ngôn ngữ”) Tính chất kỹ thuật của đất (tính thấm, khả năng chịu nén, tính co ngót và trương nở, sức kháng cắt, vv) Mục đích kỹ thuật (đường cao tốc, sân bay, nền móng, đê đập, vv) 2 trong nông nghiệp”. Điều đó lý giải tại sao trong những hệ thống phân loại đầu tiên, các nhà khoa học phân loại đất theo kết cấu và cấp phối hạt của đất. Atterberg (1905) dường như là người đầu tiên đề xuất việc phân loại đất bằng cách dùng các chỉ tiêu khác. Cuối cùng, năm 1911, Atterberg đã nghiên cứu việc ứng dụng các chỉ tiêu giới hạn để xác định các đặc trưng của đất hạt mịn (mục 2.7) mặc dù thời gian đó chỉ áp dụng trong lĩnh vực nông nghiệp. Sau này, Cục Đường bộ Mỹ hầu như đã dựa vào chỉ tiêu gới hạn Atterberg và các thí nghiệm đơn giản khác để phân loại đất hạt mịn. Casagrande (1948) cũng giới thiệu một vài hệ thống phân loại mà đã được sử dụng trong một số lĩnh vực như giao thông, xây dựng đường băng, nông nghiệp, địa chất và khoa học đất. Ngày nay, chỉ có hệ thống phân loại đất thống nhất (USCS) và hệ thống phân loại của hiệp hội Đường bộ liên bang và giao thông vận tải Mỹ (AASHTO) được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình. Hệ thống phân loại đất thống nhất (USCS) được dùng chủ yếu bởi các cơ quan trực thuộc Chính phủ (các đơn vị quân đội, Cục nội vụ, Vụ khai hoá), các công ty tư vấn địa kỹ thuật và các phòng thí nghiệm. Với một số thay đổi nhỏ, hệ thống này cũng được sử dụng tương đối rộng rãi ở Anh và một số nước khác. Trong khi đó, tiêu chuẩn AASHTO dựa vào việc quan trắc các đặc trưng của đất trong xây dựng đường giao thông thì được sử dụng bởi Cục giao thông và đường bộ Mỹ. Cơ quan quản lý hàng không liên bang của Cục giao thông và đường bộ Mỹ cũng có những tiêu chuẩn riêng dùng trong thiết kế đường băng nhưng sau đó cũng chuyển sang dùng hệ thống phân loại đất thống nhất (USCS). Cả hai hệ thống phân loại đất USCS và AASHTO đều dễ dàng sử dụng trong thực tế khi mà chúng ta đã làm quen với các tiêu chuẩn này. 3.2 Hệ thống phân loại đất thống nhất (USCS) Hệ thống phân loại này được phát triển đầu tiên bởi Casagrande (1948) để ứng dụng trong việc xây dựng đường băng trong chiến tranh thế giới thứ 2. Đến năm 1952, Casagrande đã sửa đổi hệ thống phân loại và nó được Vụ khai hoá và các đơn vị quân đội áp dụng trong việc xây dựng đập, nền móng và các công trình xây dựng khác. Trong USCS, cơ sở để phân loại đất hạt thô được dựa vào cấp phối hạt trong khi các tính chất kỹ thuật của đất hạt mịn thì phụ thuộc vào tính dẻo. Nói cách khác, đối với đất mà những hạt mịn (hạt bụi và sét) không làm ảnh hưởng tới tính chất kỹ thuật thì được phân loại theo cấp phối hạt, còn nếu chúng ảnh hưởng tới tính chất kỹ thuật thì được phân loại theo tính dẻo. Vì vậy, chỉ có phương pháp phân tích sàng và các chỉ tiêu giới hạn Atterberg là cần thiết trong hệ thống phân loại này. Bảng 3.1 đưa ra bốn nhóm đất chính gồm: hạt thô, hạt mịn, đất hữu cơ và bùn. Việc phân loại được thực hiện bằng cách cho mẫu đất qua sàng 75mm, kết quả thí nghiệm được biểu diễn trên hệ toạ độ log hoặc dùng bảng biểu. Những hạt có đường kính tương đương lớn hơn 300 mm được gọi là đá tảng, còn những hạt nằm trong phạm vi từ 75mm đến 300 mm được gọi là cuội sỏi. Đất được phân loại là hạt thô, cát hay sỏi nếu chúng chứa > 50% trọng lượng hạt trên sàng No.200 (0.075 mm) và được phân loại là đất hạt mịn nếu chúng chứa > 50% trọng lượng hạt dưới sàng No.200. Đất hữu cơ hoặc bùn thì có thể phân biệt dễ dàng bằng mắt thường. Việc phân chia chi tiết hơn được minh họa trong bảng 3.1. Những ký hiệu trong bảng 3.1 được kết hợp lại với nhau để tạo thành tên gọi của loại đất tương ứng trong bảng 3.2. 3 Bảng 3-1: Tên đất, ký hiệu và phạm vi kích thước hạt theo USCS Hạt và nhóm hạt Ký hiệu Kích cỡ hạt Đá tảng Đá cuội (1) Đất hạt thô Cuội sỏi Hạt thô Hạt mịn Cát Hạt thô Hạt trung bình Hạt mịn (2) Đất hạt mịn Hạt mịn Hạt bột, phù sa Hạt sét (3)Đất hữu cơ (4) Than bùn Không Không G S M C O Pt > 300 mm Từ 75 mm đến 300 mm Từ 75 mm đến sàng No.4 (4.75 mm) Từ 75 mm đến 19 mm Từ 19 mm đến sàng No.4 (4.75 mm) Từ sàng No.4 (4.75 mm) tới sàng No.200 (0.075 mm) Từ sàng No.4 (4.75 mm) tới sàng No.10 (2.0 mm) Từ sàng No.10 (2.0 mm) tới sàng No. 40 (0.425 mm) Từ sàng No.40 (4.25 mm) tới sàng No.200 (0.075 mm) Kích thước hạt nhỏ hơn kích thước mắt sàng No.200 (0.075 mm) (Không có kích thước hạt cụ thể - sử dụng giới hạn Atterberg) (Không có kích thước hạt cụ thể - sử dụng giới hạn Atterberg) (Không có kích thước hạt cụ thể) (Không có kích thước hạt cụ thể) Ký kiệu phân loại cấp phối Phân cấp đều, W Phân cấp không đều, P Ký hiệu giới hạn chảy Cao LL, H Thấp LL, L Đất hạt thô được phân chia thành sỏi, sỏi pha, cát và cát pha. Chúng được phân loại là sỏi nếu chứa > 50% trọng lượng hạt trên sàng No.4 (4.75 mm) và được phân loại là cát nếu chứa > 50% trọng lượng hạt dưới sàng No.4. Sỏi (G) và cát (S) tiếp tục được phân chia thành những nhóm nhỏ hơn, GW and SW, GP and SP, GM and SM, GC and SC, phụ thuộc vào cấp phối và bản chất các hạt. Đất có chất lượng cấp phối hạt tốt nếu kích thước hạt thay đổi trong phạm vi rộng, ngược lại đất có chất lượng cấp phối không tốt nếu kích thước hạt đều nhau hoặc thay đổi trong phạm vi hẹp. Để đánh giá chất lượng cấp phối của sỏi và đất cát, ta xác định hệ số hạt không đều C u và hệ số cong C c từ đường cong cấp phối. Các hệ số này đã được định nghĩa ở chương 2: Hệ số không đều hạt: 10 60 D D C u = (2-19) Hệ số cong: 6010 2 30 * DD D C c = (2-20) 4 Trong đó: D 60 : đường kính cỡ hạt mà trọng lượng tất cả các hạt nhỏ hơn và bằng đường kính đó chiếm 60% trọng lượng mẫu đất khô. D 30 : đường kính cỡ hạt mà trọng lượng tất cả các hạt nhỏ hơn và bằng đường kính đó chiếm 30% trọng lượng mẫu đất khô. D 10 : đường kính cỡ hạt mà trọng lượng tất cả các hạt nhỏ hơn và bằng đường kính đó chiếm 10% trọng lượng mẫu đất khô. Bảng 3-2 (cột 6) đưa ra tiêu chuẩn phân loại cho sỏi và đất cát. Đối với sỏi và đất cát, GW and SW được phân vào nhóm đất có chất lượng cấp phối tốt nếu chứa <5% trọng lượng hạt dưới sàng No.200 trong khi GP và SP được phân vào nhóm đất có chất lượng cấp phối không tốt nếu chứa rất ít hoặc không chứa các hạt mịn. Đất hạt mịn chứa > 50% trọng lượng hạt dưới sàng No.200 được phân thành hạt bụi (M) hoặc sét (C) dựa vào giới hạn dẻo và chỉ số dẻo của chúng. Đất hữu cơ (O) và than bùn (Pt) cũng thuộc nhóm này nhưng không xác định cỡ hạt cụ thể ( Bảng 3-1). Trên hình 3.2, Casagrande (1948) dùng đường thẳng A để phân loại đất hạt mịn. Nhóm hạt bụi có giới hạn chảy (LL) và chỉ số dẻo (PI) nằm phía dưới đường thẳng A, còn nhóm đất sét có giới hạn chảy (LL) và chỉ số dẻo (PI) nằm phía trên đường thẳng A. Đất sét hữu cơ (OL và OH) cũng nằm phía dưới đường thẳng A vì chúng có tính chất tương tự như các loại đất có tính dẻo thấp. Ngoài ra, dựa vào giới hạn chảy, hạt bụi, sét và sét hữu cơ được phân thành giới hạn chảy cao ( nếu LL > 50%) và giới hạn chảy thấp (nếu LL < 50%). Các loại đất đại diện cho đất hạt mịn được miêu tả trên hình 3.2. Bảng 3-2 ( cột 4 và 5) và bảng 3-3 giúp ta có cách nhìn trực quan trong việc nhận biết và phân loại đất hạt mịn. Chúng ta cũng có thể nhận thấy rằng, một số tên đất khác nhau gần như có cùng vị trí biểu diễn trên hình 3.2 vì chúng có tính chất tương tự nhau. Dưới đây là kết quả nghiên cứu của Casagrande (1948) về các đặc trưng của đất cùng giới hạn chảy nhưng khác nhau chỉ số dẻo hoặc cùng chỉ số dẻo nhưng khác nhau giới hạn chảy. Tính chất Đất có cùng giới hạn chảy nhưng tăng chỉ số dẻo Đất có cùng chỉ số dẻo nhưng tăng giới hạn chảy Cường độ khi khô Độ bền gần PL Tính thấm Tính nén lún Tốc độ thay đổi thể tích Tăng lên Tăng lên Giảm xuống Không đổi Giảm xuống Giảm xuống Giảm xuống Tăng lên Tăng lên --- 5 Bảng 3-2: Hệ thống phân loại đất USCS 6 Bảng 3-2 (tiếp) 7 Hình 3-2 Biểu đồ độ dẻo Casagrande, thể hiện một vài dạng mẫu đất (theo Casagrande, 1948 và Howard, 1977 ) Độ bền và cường độ khô là những tính chất quan trọng để phân loại đất và được nêu ra trong bảng 3-3. Các tính chất còn lại, sẽ được đề cập chi tiết ở các chương tiếp theo. Các giá trị của chỉ số dẻo PI và giới hạn chảy LL nằm trong phạm vi giới hạn trên của đường thẳng U cần được kiểm chứng lại một cách cẩn thận. Một số loại đất sét hoạt tính cao như ben-tô-nít nằm ở vị trí phía trên đường thẳng A và gần kề với đường thẳng U. Các khoáng vật sét chủ yếu trong đất có thể nhận ra một cách định tính bằng cách sử dụng biểu đồ dẻo của Casagrande ở trong chương 4. Bảng 3-3: Phương pháp nhận dạng đất hạt mịn hoặc nhóm hạt ngoài hiện trường Tính trương nở (phản ứng khi rung) Sau khi loại bỏ những hạt trên sàng No.40 và chuẩn bị 1 mẫu đất ẩm có thể tích khoảng 5 cm 3 . Cho thêm nước để làm mềm mẫu đất nhưng không nhão quá. Đặt mẫu đất lên lòng bàn tay, và dùng hai tay rung lắc vài lần. Khi đó, lớp nước sẽ xuất hiên trên bề mặt của mẫu đất. Tuy nhiên, nếu dùng các ngón tay bóp chặt mẫu đất thì lớp nước bề mặt sẽ biến mất, mẫu đất sẽ cứng hơn. Cuối cùng dẫn đến sự xuất hiện các vết nứt hoặc vỡ vụn. Tốc độ xuất hiện lớp nước bề mặt trong quá trình rung lắc và biến mất trong quá trình nén chặt giúp ta nhận ra đặc tính của hạt min trong mẫu đất. Đất cát hạt nhỏ sạch cho phản ứng nhanh nhất với tính trương nở trong khi sét dẻo không có hiện tượng trên. Các đất không chứa hữu cơ có phản ứng ở mức độ trung bình. 8 Cường độ khô (đặc tính biến dạng) Sau khi loại bỏ những hạt trên sàng No.40, cho thêm nước (nếu cần thiết) để chế bị mẫu đất có trạng thái dẻo. Làm khô mẫu đất bằng lò sấy, ánh nắng mặt trời hoặc để ngoài không khí tự nhiên rồi kiểm tra cường độ bằng cách dùng các ngón tay bẻ hoặc bóp vỡ mẫu. Cường độ này nói lên tính chất và số lượng nhóm hạt sét trong mẫu đất. Cường độ khô tỷ lệ thuận với tính dẻo của đất. Đất sét ở nhóm CH cho giá trị cường độ khô cao trong khi đất bụi không chứa hữu cơ có giá trị rất nhỏ. Cát bụi và bụi gần như có giá trị cường độ khô như nhau nhưng ta có thể phân biệt bằng cảm giác khi bóp vụn mẫu đất khô. Cát bụi sẽ cho ta cảm giác sàn sạn còn bụi thì cho cảm giác mịn như bột. Độ bền (độ sệt gần với giới hạn dẻo) Sau khi loại bỏ những hạt trên sàng No.40 và chế bị 1 mẫu đất ẩm có thể tích khoảng 0.5 in 3 . Nếu đất khô, ta cho thêm nước để làm mềm mẫu đất nhưng không nhão quá Sau đó trải mỏng mẫu đất để nước có thể bay hơi rồi dùng lòng bàn tay lăn thành những dây đất có đường kính 3 mm. Dây đất được gấp đi gấp lại vài lần làm cho độ ẩm của dây đất giảm dần và tăng dần độ cứng dây đất. Cuối cùng, dây đất bị đứt gẫy khi đạt tới giới hạn dẻo. Sau khi dây đất bị vỡ vụn, các mẩu đất được vo viên lại và quá trình nhào trộn được tiếp tục đến khi dây đất bị vỡ vụn. Thành phần nhóm hạt sét càng lớn thì độ bền của dây đất gần giới hạn dẻo và độ cứng của viên đất khi được vo viên lại càng tăng lên. Độ bền yếu của dây đất gần giới hạn dẻo và sự suy giảm nhanh tính kết dính của viên đất dưới giới hạn dẻo chỉ ra sự có mặt của các hạt sét vô cơ, độ dẻo thấp hoặc sét hữu cơ và sét loại kaolin. Các loại đất này có vị trí nằm dưới đường thẳng A. Đất chứa hàm lượng hữu cơ cao thì có độ bền rất kém và xốp khi gần với giới hạn dẻo. Đối với đất hạt thô có chứa hàm lượng hạt mịn hơn 12%, được gọi là GM hoặc SM nếu các hạt nhỏ thuộc nhóm hạt bụi (các giá trị giới hạn nằm phía dưới đường thẳng A trong biểu đồ dẻo) và được gọi là GC hoặc SC nếu các hạt mịn thuộc nhóm hạt sét (các giá trị giới hạn nằm phía trên đường thẳng A trong biểu đồ dẻo). Cả hai loại đất có cấp phối hạt tốt và không tốt đều thuộc những nhóm này. Loại đất chứa 5% đến 12% trọng lượng hạt dưới sàng No.200 thì được coi như là ở gianh giới giữa 2 nhóm và có ký hiệu ghép đôi. Phần trước của ký hiệu nói lên phần hạt thô có cấp phối tốt hoặc cấp phối kém, phần thứ 2 mô tả thành phần hạt mịn. Chẳng hạn, nếu một loại đất được phân loại SP-SM có nghĩa đây là đất cát có cấp phối hạt không tốt và chứa từ 5% đến 12% các hạt bụi. Tương tự như vậy, GW-GC có nghĩa đây là đất sỏi có cấp phối hạt tốt và chứa các hạt sét, loại đất này được biểu thị ở phía trên đường thẳng A. Đất hạt mịn cũng có những ký hiệu ghép đôi. Đương nhiên nếu các giá trị giới hạn của đất nằm trong vùng gạch chéo ở hình 3.2 (4 < PI < 7 và 12 < LL < 25) thì đất được phân loại CL-ML. Howard (1977) đề xuất mang tính thực nghiệm rằng nếu các giá trị của LL và PI nằm gần đường thẳng A hoặc gần với đường LL = 50 thì nên dùng ký hiệu ghép đôi. Do đó, các ký hiệu ghép đôi có thể như sau: ML-MH CL-CH 9 OL-OH CL-ML CL-OL CH-MH CH-OH Ngoài ra, các ký hiệu ghép đôi cũng có thể dùng cho các loại đất chứa 50% hạt mịn hoặc các loại đất hạt thô. Trong trường hợp này, các ký hiệu ghép đôi có thể như sau: GM-ML GM-MH GC-CL GC-CH SM-ML SM-MH SC-CL SC-CH Hình 3.3 Chỉ dẫn phân giới các loại đất (theo Howard, 1977) 10 Trình tự các bước phân loại đất theo hệ thống USCS được chỉ dẫn một cách chi tiết trên hình 3.4, theo phương pháp này loại đất được xác định bằng cách loại các trường hợp chưa phù hợp và đến khi trường hợp duy nhất còn lại. Việc phân loại đất nên kết hợp với bảng 3-2 và hình 3.4, các bước chi tiết được thực hiện như sau: Hình 3.4 Chỉ dẫn phân giới các loại đất (theo Howard, 1977) . thống phân loại đất trong thực tế địa kỹ thuật. Hình 3.1: Vai trò của hệ thống phân loại đất trong địa kỹ thuật ứng dụng Nhiều hệ thống phân loại đất đã. hơn 50% thì đất được phân loại thấp (L) và nếu giới hạn chảy LL lớn hơn 50% thì đất được phân loại cao (H). 12 b. Đối với đất thuộc phân loại L: nếu các