Bài giảng Cơ học đất (Bộ môn Địa kỹ thuật) - Chương 1 trình bày những nội dung cụ thể sau: Sự hình thành của đất, các thành phần chủ yếu của đất, các chỉ tiêu tính chất của đất, các chỉ tiêu trạng thái của đất, đường cong cấp phối của đất, phân loại đất.
Bi giảng học đất Chơng I: chơng I: tính chất vật lý đất Các tính chất vật lý đất Bi 1: hình thnh đất Quá trình hình thành đất: Dới tác dụng nhiều nguyên nhân khác nh thay đổi nhiệt ®é, sù ®«ng cøng vμ tan r· cđa n−íc, sù ăn mòn hoá học lớp đá gốc bị phá hoại tạo hạt có kích thớc to, nhỏ khác gọi l trình phong hoá Sau dới tác động gió, nớc, băng trôi hạt di chuyển v lắng đọng lại tạo thnh lớp đất khác gọi l trình trầm tích Vậy ta nói: - Đất có nguồn gốc từ đá gốc (Đá magma, đá trầm tích, đá biến chất) - Đất đợc hình thnh thông qua trình phong hoá đá gốc để tạo thnh sản phẩm phong hoá (các hạt có kích cỡ khác nhau) v trình di chuyển, trầm tích sản phẩm ny Chúng ta miêu tả trình hình thnh đất sơ đồ sau: Quá trình phong hoá Đá gốc Quá trình trầm tích Hạt đất Tác nhân gây phong hoá (Nhiệt độ, nớc, không khí, sinh vật ) Đất trầm tích Tác động gây trầm tích (Gió, dòng nớc, băng trôi ) Ta thấy đất đợc tạo thông trình phong hoá v trầm tích Bây ta nghiên cứu kỹ hai trình ny a Quá trình phong hoá: - Quá trình phong hoá l trình phá hủy đá gốc dới tác động nhân tố có môi trờng khí, môi trờng nớc tác động sinh vật - Sản phẩm trình phong hoá phụ thuộc vo loại phong hoá l dung dịch ho tan mảnh vụn có kích thớc khác - Tuỳ thuộc vo chất tác động phá hoại m ngời ta phân chia trình phong hoá lm lọai khác ®ã lμ phong ho¸ vËt lý, phong ho¸ ho¸ häc vμ phong ho¸ sinh häc: */ Phong ho¸ vËt lý: - L tác động mang tính học môi trờng xung quanh đến tầng đá gốc thay đổi nhiệt độ, đông cứng v tan r· cđa n−íc, sù kÕt tinh cđa c¸c tinh thĨ muối khe nứt có sẵn - Sản phẩm phong hoá vật lý: Dới tác động nhân tố đá bị nứt nẻ, vỡ vụn tạo thnh hạt có kích thớc khác v có góc cạnh Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang Bi giảng học đất chơng I: tính chất vật lý đất + Kích thớc hạt lớn (d>0,002mm), khác nh hạt bụi, cát, sỏi, cuội, đá dăm + Thnh phần khoáng vật chủ yếu l khoáng vật đá gốc cha bị biến đổi nh fenspat, thạch anh, mica gọi l khoáng vật nguyên sinh => Sản phẩm trình phong hoá vật lý thờng l loại đất rời nh ®Êt c¸t */ Phong ho¸ ho¸ häc: - Lμ c¸c tác động hợp chất nguyên tố hoá học có không khí v nớc lên hợp chất v khoáng vật đá gốc - Sản phẩm phong hoá: Dới tác động hoá học nh đá gốc bị ăn mòn Một phần tạo thnh dung dịch, phần lại bị vỡ vụn tạo thnh hạt có kích thớc nhỏ, có tính chất khác hẳn với đá gốc + Kích thớc hạt tạo thnh nhỏ (d S¶n phÈm cđa trình phong hoá hoá học thờng l loại ®Êt dÝnh nh− ®Êt c¸t pha, sÐt pha, ®Êt sÐt */ Phong hoá sinh học: - L trình phá hoại tầng lớp đá gốc loại ®éng, thùc vËt g©y nh− sù ®μo bíi hang hốc lm chỗ hay kiếm thức ăn lọai động vật lm nát vụn loại đá yếu, thực vật mọc khe đá trình phát triển, lớn lên v tiêu huỷ sinh hoá chất lm ăn mòn đá lm nứt nẻ đá - Sản phẩm phong hoá: Sản phẩm trình phong hoá sinh học bao gồm sản phẩm trình phong hoá vật lý v hoá học b Quá trình trầm tích - L trình di chuyển, lắng đọng, xếp lại hạt đất đợc tạo từ trình phong hoá dới tác động gió dòng nớc - Tuỳ thuộc vo điều kiện nh cách di chuyển v lắng đọng khác m ta có sản phẩm trầm tích khác nh sau: */ Đất tn tích (eluvi): - Đây l loại đất đợc hình thnh trình trầm tích chỗ tn d trình phong hoá đá gốc cha bị di chuyển nơí khác - Thnh phần đất tn tích gồm ®Êt sÐt, ®Êt lo¹i sÐt hay ®Êt rêi xèp nh− cát, dăm, sạnChiều dy lớp tn tích thờng hay biến đổi */ Đất sờn tích (deluvi): - Đây l loại đất đợc trầm tích sờn dốc, khoảng thấp sát đờng phân thuỷ nớc ma hay tuyết tan rửa trôi sản phẩm phong hoá - Thnh phần chủ yếu l lớp sét, sét pha họăc cát pha Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang Bi giảng học đất chơng I: tính chất vật lý đất */Đất bồi tích (aluvi): - Đây l loại đất đợc hình thnh trình trầm tích dới tác động dòng nớc sông - Các tầng tầng bồi tích thờng l đất loại sét v cát hạt mịn Các tầng bên dới thờng đợc cấu tạo cát lẫn sỏi vμ ci */§Êt lò tÝch (proluvi): - §Êt lò tÝch l trầm tích đợc tạo dòng bùn đá sông miền núi hay dòng chảy thời phát sinh thời kỳ ma nhiều - Lũ tích có thnh phần đa dạng gồm cuội, cát, tảng đá sắc v tròn cạnh, đất loại sét */Đất hồ tích : - L loại đất đợc trầm tích hồ - Thnh phần trầm tích hồ đa dạng phụ thuộc vo vị trí, hích thớc v chiều sâu hồ Chúng có chiều dy thay đổi */ Trầm tích gió: - Đây l loại đất đợc hình thnh trình trầm tích dới tác động gió - Dới tác dụng gió hạt đất đợc di chuyển đến nơi khác Các hạt nhỏ nh bụi v cát đợc di chuyển xa, hạt có kích thớc lớn nh cuội, sỏi để lại + Các hạt cát lăn nhảy cóc quãng không khí chất đống lên tạo thnh đụn cát + Các hạt bụi đợc thổi xa trầm tích lại tạo thnh hong thổ Bi 2: Các thnh phần chủ yếu đất Ta biết đất đợc tạo thnh hạt đất có kích thớc, hình dạng khác xếp lại với theo trật tự no Chính kích thớc v hình dạng hạt đất khác nên chúng xếp lại với dù có chặt đến đâu tồn lỗ rỗng hạt Trong lỗ rỗng có nớc khí Vậy đất có thnh phần chủ yếu l hạt đất, nớc v khí, theo nh ngôn ngữ chuyên dùng Cơ Học Đất ta thờng gọi ®Êt lμ vËt thÓ pha (3 thÓ): - Pha cứng gồm hạt đất - Pha lỏng l nớc lỗ rỗng - Pha khí l khí lỗ rỗng Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang Bi giảng học đất chơng I: tính chất vật lý đất Lỗ rỗng Hạt đất Hình 1.2.1: Cấu tạo ®Êt *) NÕu ®Êt kh« kh«ng chøa n−íc lóc ®ã ®Êt cã pha: pha cøng vμ pha khÝ *) Nếu đất bão ho nớc tức l nớc lấp đầy lỗ rỗng lúc đất có pha: pha cứng v pha lỏng *) Nếu đất trạng thái ẩm −ít, ch−a bo· hoμ lóc ®ã ®Êt cã ®đ pha: pha cøng, pha láng vμ pha khÝ C¶ pha cøng, láng vμ khÝ ®Ịu cã ý nghÜa rÊt lớn đến tính chất loại đất Vì ta nghiên cứu kỹ thnh phần ®Êt: Pha cøng cña ®Êt - Pha cøng cña đất gồm hạt đất có hình dạng khác nhau, kích thớc từ vi micromet nhỏ đến vi chục centimet Nó l thnh phần chịu lực ®Êt v× vËy mμ ng−êi ta gäi pha cøng lμ khung cốt đất */Tên gọi hạt đất: Để phân loại đất ta thờng dựa vo tỷ lệ hạt chiếm đa số đất để đặt tên Nh muốn đặt tên đất trớc hết ta phải biết tên hạt đất + Dựa vo kích thớc hạt m nớc có cách gọi tên hạt khác Do hạt có hình dạng phức tạp, để thống cách gọi kích thớc hạt ta sử dụng khái niệm đờng kính trung bình hạt Đó l đờng kÝnh cđa vßng trßn bao quanh tiÕt diƯn lín nhÊt hạt đất Bảng 1.2-1: Tên gọi hạt đất Tên hạt đất Kích thớc hạt (mm) QT 79 TCVN 5747-1993 Đá tảng >200 >300 Hạt cuội, dăm 200-10 300-150 Hạt sỏi, sạn 10-2 150-2 Hạt cát 2-0,1 2-0,06 Hạt bụi 0,1-0,005 0,06-0,002 Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang Bi giảng học đất chơng I: tính chất vật lý đất Hạt sét 3 đợc coi l không v đợc gọi l đất có cấp phèi tèt 100 50 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Ci lg (cì h¹t) 0,05 0,005 0,002 A B C Hạt sỏi Hạt cát Hạt bụi Hạt sét Hạt keo Hình 1.5-3: Các loại ®−êng cong cÊp phèi Trong h×nh 1.5-3 thĨ hiƯn loại đờng cong cấp phối A, B, C Ta dựa vo hình dạng đờng cong cấp phối để đánh giá chất lợng đất: + Đờng cong cấp phối A không liên tục, bị gián đoạn đờng thẳng nằm ngang chứng tỏ loại đất A thiếu số loại hạt => chất lợng đất không tốt + Đờng cong cấp phối B có độ cong diễn biến liên tục không bị đứt quãng loại đất ny có cấp phối hạt bình thờng Tuy nhiên đờng cong B có độ dốc lớn chứng tỏ đất B có chứa hạt m kích thớc hạt thay đổi phạm vi hẹp, hạt có kích thớc đồng đều, đất có chứa nhiều lỗ rỗng => chất lợng đất bình thờng + Đờng cong cấp phối C có độ cong đều, liên tục, thoải chứng tỏ loại đất ny chứa nhiều thnh phần hạt, kích thớc hạt trải di phạm vi rộng => Chất lợng đất tốt Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 32 Bi giảng học đất chơng I: tính chất vật lý đất Bi 6: Phân loại đất Mục đích phân loại đất: Đất đợc hình thnh tự nhiên phức tạp v đa dạng gồm nhiều loại hạt khác Để tiện cho công tác xây dựng, nghiên cứu, ứng dụng ta thấy cần thiết phải đặt tên, xếp v phân loại đất nhằm mục đích: - Lựa chọn phơng pháp nghiên cứu v đánh giá đất phù hợp với thực tế khách quan Để ứng dụng đắn loại đất vo việc xây dựng công trình - Giúp ngời nghiên cứu đất ngnh xây dựng khác có khái niệm, hiĨu biÕt thèng nhÊt ®Ĩ dƠ dμng giao l−u trao đổi Tiêu chuẩn phân loại đất: Qui định tiêu chuẩn để đặt tên đất l vấn đề quan trọng công tác phân loại đất Đối với nớc có cách đặt tên, phân loại đất khác nhng chúng phải đảm bảo yêu cầu sau: - Phản ánh đầy đủ, khách quan đặc ®iĨm, tÝnh chÊt cđa ®Êt - Phï hỵp víi mơc đích sử dụng đất vo xây dựng công trình Hiện hầu hết hệ thống phân loại đất chia ®Êt lμm nhãm chÝnh: ®Êt rêi, ®Êt dÝnh v đất hữu Dới l cách phân loại đất theo quy trình tính toán v thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn 1979 Bộ GT (quy trình 22-TCN 18-79) a/ Tiêu chuẩn phân loại ®Êt rêi: - §Êt rêi lμ ®Êt chøa chđ u hạt thô lớn hạt bụi (d>0,1mm) Thnh phần khoáng vật chủ yếu l khoáng vật nguyên sinh - Đối với đất rời độ lớn v cấp phối hạt có khả phản ánh đầy đủ tính chÊt c¬ häc cđa chóng nh− tÝnh thÊm, tÝnh Ðp co, tính chống trợt Vì m dùng cách phân loại đất theo độ lớn v thnh phần cấp phối hạt l tơng đối thích hợp Bảng 1.5-1: Tiêu chuẩn phân loại đất rời Loại đất Kích thớc hạt (mm) Trọng lợng hạt chiếm % Đá tảng >200 >50 Đá cuội >10 >50 Đất to: Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 33 Bi giảng học đất chơng I: tính chất vật lý đất Đá sỏi >2 >50 Sỏi sạn >2 >25 Cát to >0,50 >50 C¸t trung >0,25 >50 C¸t nhá >0,10 >75 C¸t bơi >0,10 30 Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 34 Bi giảng học đất chơng I: tÝnh chÊt vËt lý cđa ®Êt Khi ®Êt dÝnh cã độ ẩm lớn v độ rỗng lớn trở thnh đất bùn Đất bùn khả chịu lực v thờng chứa nhiều tn tích hữu Để phân loại đất bùn ta dựa vo hệ số lỗ rỗng e Bảng 1.5-3: Tiêu chuẩn phân loại đất bùn Loại bùn Hệ số rỗng Bùn cát pha e ,9 Bïn sÐt pha e ≥1 Bïn sÐt e 1, Ngoi tiêu chuẩn phân loại theo quy trình cũ Liên xô hay quy trình 22TCN 18-79 dùng phân loại đất theo TCVN 574-1993 Các tiêu chuẩn phân loại ny tham khảo thêm SGK v số quy trình khác i phân loại v mô tả đất đá xây dựng Đất xây dựng v mục đích phân loại đất Với mục đích xây dựng, đất đợc xem l loại vật liệu đợc thnh tạo tổ hợp loại hạt, có nguồn gốc địa chất khác nhau, nhng chúng đợc khai đo thủ công thiết bị giới nhẹ m không cần nổ mìn Với mục đích sử dụng có nhiều loại vật liệu đất m theo quan niệm địa chất cho l đá (ví dụ đá phong đá cấp độ cao) Trong thực tế khó phân biệt, đá phong hoá trở thnh đất v đất bị nén chặt gắn kết thnh đá, nên giới hạn phân chia l tơng đối Với đất tuý, cần phân biệt hai loại bản: đất trầm tích có vận chuyển v đất tn tích chỗ Mục đích phần lớn hệ thống phân loại đất l định lợng tơng đối tính chất loại đất phục vụ xây dựng, thông qua phơng pháp khảo sát, mô tả thí nghiệm đơn giản Hệ phân loại thờng đợc sử dụng kết hợp phơng pháp thiết kế kinh nghiệm v tạo phơng thức để giúp cho kỹ s tiếp nhận đợc kinh nghiệm thực tiễn tích luỹ từ nhiều chuyên gia thông thạo, thay kinh nghiệm mò mẫm thân Các hệ thống phân loại đất giúp kỹ s diễn dịch kết loại thí nghiệm tính bền v biến dạng phân chia thnh loại đất khác phù hợp điều kiện thí nghiệm Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 35 Bi giảng học đất chơng I: tính chất vật lý đất Có nhiều hệ thống phân loại đất đợc công bố tiêu chuẩn, quy phạm quốc gia ti liệu Địa kỹ thuật Giới thiệu sau l hệ phân loại đất thông dụng v đợc áp dụng rộng rãi giới Phân loại đất theo nguồn gốc ®Þa chÊt Theo ngn gèc ®Þa chÊt, ®Êt cã thĨ đợc phân loại tổng quát nh thể bảng 1-8 Bảng 1-8 : Phân loại đất theo nguồn gốc địa chất Phân loại Quá trình hình thnh Đất trầm tích Residual Soil (Eluvial- elQ) Trầm tích Sông - Biển Alluvial-Marine (aQ - mQ) S−ên tÝch Colluvial Phong ho¸ ho¸ học đá gốc với phần tử hạt đá không dích chuyển dịch chuyển Bản chất trầm tích Sản phẩm phong hoá triệt để l loại sét, v phân loại phụ thuộc nhiều vo trình phong hoá Sản phẩm phong hoá phần l đất chứa nhiều đá phong hoá với mức độ phụ thuộc đá gốc Đất rời ny thờng chặt hơn, chứa nhiều đá v độ phong hoá theo chiều sâu Vật liệu đợc vận chuyển v trầm tích Do tác động nớc vận chuyển Đất có hạt biến đổi từ hạt mịn l sét đến hạt thô cuội sỏi tảng hộc Đất có đặc điểm bật l tính phân lớp Cuội sỏi trầm tích sông thờng tròn cạnh Vật liệu đợc vận chuyển v trầm tích trọng trờng Bao gồm đá lăn, tảng lăn, ®Êt tr−ỵt, tr−ỵt s−ên ®åi, ®Êt sËp v.v víi thnh phần hạt từ sét đến tảng Vật liệu nhìn chung bÊt ®éng nhÊt gäi lμ s−ên tÝch VËt liƯu đợc vận chuyển v trầm tích băng tuyết L sản phẩm loại trầm tích băng trôi, tuyết lở kéo theo đất mặt Thnh phần biến đổi từ hạt sét đến tảng Phân bố kích cỡ hạt từ thô đến mịn tuỳ theo khoảng cách từ nguồn Phân lớp trầm tích nhìn chung không đồng Hạt đặc trng sắc cạnh Vật liệu đợc vận chuyển v trầm tích gió Mức độ đồng hạt cao, không phân lớp khó phân biệt Cỡ hạt đặc trng l bụi v cát mịn song bề mặt phủ lớp sỏi nhỏ Đất loại loess l cấu trúc thứ sinh nứt nẻ, khe hổng v lỗ rãnh rễ Thnh tạo chỗ trình sinh trởng v phân huỷ thực vật Than bùn l sản phẩm thờng có mầu tối, cấu trúc sợi vô định hình, độ nén lún cao Hỗn hợp vật liệu ny với trầm tích mịn tạo thnh sét hữu bụ sét hữu (bùn) Tro bụi núi lửa đợc trầm tích quanh miệng núi lửa Thnh tạo dạng bụi lẫn mảnh đá Hạt có đặc trng sắc cạnh, dạng túi Phong hoá tạo sản phẩm có độ dẻo dính cao, thnh sét trơng nở Sản phẩm phong hoá bị nén chặt thnh loại đá xốp nhẹ Vật liệu trầm đọng bay từ dung dịch chứa lợng muối cao Thnh tạo nên loại đất gắn kết đá trầm tích mềm, bao gồm trầm tích can-xi nớc biển, lắng đọng: Gypse, Anhydrite, đá muối mỏ v Potash Bay tạo thnh lớp vỏ bề mặt khu vực khô cạn (Delluvial-dlQ) Băng tích Glacial (glQ) Phong tích (Eolian) (eoQ) Tích tụ hữu (Organic) TÝch tơ nói lưa (Volcanic) TÝch tơ bay h¬i (Evaporitic) Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang 36 Bi giảng học đất Bộ môn Địa Kỹ Thuật chơng I: tính chất vật lý đất Trang 37 ... Montmorilonit 5.10 – 1.10 800 Betonit < 5.1 0-6 1300 Bộ môn Địa Kỹ Thuật -4 -6 -5 Trang Bi giảng học đất chơng I: tính chất vật lý đất - Vật chất hữu cơ: Vật chất hữu l sản phẩm đợc tạo tõ di tÝch... 574 7-1 993 Đá tảng >200 >300 Hạt cuội, dăm 20 0-1 0 30 0-1 50 Hạt sỏi, sạn 1 0-2 15 0-2 Hạt cát 2-0 ,1 2-0 ,06 Hạt bụi 0, 1-0 ,005 0,0 6-0 ,002 Bộ môn Địa Kỹ Thuật Trang Bi giảng học đất chơng I: tính chất vật. .. đợc sơ tính chất đất nh sau: e < 0,5 - Đất có độ rỗng nhỏ - Đất tốt, đất có cờng độ cao e = 0,5 - 0,7 - Đất có độ rỗng trung bình - Đất trung bình e = > 0,7 - Đất có độ rỗng lớn - đất yếu, đất có