Bài giảng Cơ học đất - Chương 1: Tính chất vật lý của đất (Trần Thế Việt) cung cấp đến học viên các kiến thức về các thể hợp thành đất và tác dụng tương hỗ giữa chúng; kết cấu, liên kết kết cấu và cấu tạo của đất; các chỉ tiêu tính chất vật lý, trạng thái vật lý của đất; phân loại đất;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!
1/23/2018 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] - Giới thiệu Địa Kỹ Thuật , dịch từ : An introduction to geotechnical engineering Robert D Holtz & William D Kovacs, 1981 [2]- Nguyên lý Kỹ thuật Nền Móng, dịch từ: Principles of foundation engineering / Braja M Das - 5th ed, 2004 [3] - Cơ Học Đất , 2003: giáo trình mơn ĐKT trường ĐHTL [4] – Cơ Học Đất, 2012: giáo trình mơn ĐKT trường ĐHTL [5] – TCVN 5747:1993 Đất xây dựng – Phân loại TÀI LIỆU THAM KHẢO https://sites.google.com/site/geotechnicalengineering class/home CHƯƠNG I TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 1/23/2018 Nội Dung: Các thể hợp thành đất tác dụng tương hỗ chúng Kết cấu, liên kết kết cấu cấu tạo đất Các tiêu tính chất vật lý, trạng thái vật lý đất Phân loại đất T.1.1 Các pha hợp thành đất & td tương hỗ chúng Đất sản phẩm trình phong hóa đá gốc, gồm thành phần vật chất: 1.) Pha rắn (hạt đất) 2.) Pha lỏng (nước đất) 3.) Pha khí (khí đất) Ba thành phần hợp thành đất I Pha rắn (hạt đất) Gồm hạt đất có k.thước khác chiếm phần lớn thể tích khối đất tạo thành khung cốt đất Có yếu tố ảnh hưởng đến tính chất đất: ❖ T.phần k.vật hạt đất ❖ Kích thước hạt đất ❖ Hình dạng hạt đất 1/23/2018 1.1 Thành phần khoáng vật hạt đất (TPKV) TPKV phụ thuộc chủ yếu vào TPKV tạo đá tác dụng phong hóa đá a) Kv nguyên sinh: Đất có TPKV nguyên sinh thường có kích thước > 0.005 mm, VD fenpat; thạch anh & mica b) Kv thứ sinh: Các kv thứ sinh thường có kích thước < 0.05mm, chia loại: ▪ Kv khơng hịa tan nước: kaolinit; ilit… ▪ Kv hòa tan nước VD: canxit; dolomit; mica trắng, c) Chất hóa hợp hữu s.phẩm đc tạo từ di tích thực vật & động vật giai đoạn phá hủy hoàn toàn (mùn hữu cơ) 1.1 Thành phần khoáng vật hạt đất (GT) K.thước hạt đất có quan hệ mật thiết với TPKV ✓ Hạt đất > hạt cát (2mm) có TPKV tương tự đá gốc ✓ Hạt cát (2- 0.05mm) kv nguyên sinh tạo thành ✓ Hạt bụi (0.05 – 0.005mm) chủ yếu kv nguyên sinh ổn định hóa học thạch anh, fenfat…tạo thành ✓ Hạt sét (< 0.005mm) chủ yếu kv thứ sinh tạo thành 1.2 Thành phần cấp phối hạt Do phân tích k.thước riêng biệt hạt ⇒ chia nhóm hạt ⇒ “cấp phối hạt” đất ➢ Nhóm hạt: Tập hợp hạt đất có kích thước nằm phạm vi định ➢ Cấp phối hạt: Lượng chứa tương đối nhóm hạt đất (tính = % tổng lượng đất khơ) ➢ Quan hệ đ.kính hạt ~ lượng chứa tương đối ⇒ đường cong cấp phối hạt Xác định đường cong cấp phối hạt ntn? 1/23/2018 1.2 Thành phần cấp phối hạt Fig 2: Đường cong cấp phối hạt số loại đất 10 1.1.1 Xác định đường cong cấp phối hạt TN phân tích hạt + PP sàng (rây): dùng với đất hạt thô (d > 0.1mm) + PP tỷ trọng kế (pp lắng): dùng cho đất hạt mịn 11 a Phương pháp rây Dùng với hạt có đ.kính d >0.1mm, sử dụng “bộ rây tiêu chuẩn” Sấy khô đất/ giã tơi/ đổ vào rây/ lắc đều/ cân lượng sót rây tính % 12 1/23/2018 b Phương pháp tỷ trọng kế Dùng với hạt có d < 0.1 mm, theo đ.luật Stokes: hạt có đ.kính ≠ có vận tốc lắng chìm nước khác nhau, Từ giá trị đo k.cách chìm lắng & thời gian chìm lắng đ.kính tương ứng d nhóm hạt lượng chứa hạt < d tính % trọng lượng mẫu đất 18L d ( h n )t XĐ t.phần hạt theo p.pháp tỷ trọng kế 13 b Phương pháp tỷ trọng kế Lấy 25 - 35g đất, cho vào bình, đổ đầy nước cất (1l), khuấy Thả bầu tỷ trọng vào đọc thời điểm: t = 5s, 15s, 30s, 1’,2’, 5’, 15’, 30’, 60’… 14 1.1.1 Xác định đường cong cấp phối hạt Fig 5: Bảng kết tính thành phần hạt theo phương pháp rây (ASTM) 15 1/23/2018 1.1.1 Xác định đường cong cấp phối hạt Đường cong cấp phối hạt đất 16 Đánh giá chất lượng đường cong cấp phối hạt ? Đánh giá mức độ không hạt đất, XD dùng: + hệ số không hạt Cu + hệ số cấp phối Cc Cu = D60/D10 Cc D302 D60 D10 D60: Đk cỡ hạt mà trọng lượng tất hạt ≤ đk chiếm 60% trọng lượng mẫu đất khô D10 gọi đk hiệu quả, D60 gọi đk chi phối 17 Đánh giá chất lượng đường cong cấp phối hạt ? Cu = D60/D10 & Cc D302 D60 D10 C𝑢 lớn, đường cong c.phối thoải, đất ko hạt, ngược lại Cu nhỏ, đất hạt Đất đc gọi có c.phối tốt với Cu = ÷ 6; Cc = 1-3 Nếu Cu = đất đc gọi c.phối xấu 18 1/23/2018 Đánh giá chất lượng đường cong cấp phối hạt ? Fig 7: Đất với cấp phối tốt, trung bình xấu 19 Đánh giá chất lượng đường cong cấp phối hạt ? 20 Đánh giá chất lượng đường cong cấp phối hạt ? Example Cho biết: đường cong cấp phối hở loại đất: D10 = 0.022 mm D30 = 0.052 mm D60 = 1.200 mm Theo đó: Cu = D60/D10 = (1.2/0.022) = 55 Cc = (D30)2/(D10)*(D60) = (0.052)2/ (0.022)*(1.2) = 0.1 Đất có cấp phối xấu 21 1/23/2018 1.3 Hình dạng hạt đất H.dạng hạt đất có ah định đến tính chất đất Nhóm hạt có k.thước nhỏ từ hạt sét trở xuống thường có dạng phiến mỏng hình kim mảnh, TH này, h.dạng hạt đất ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất đất Nhóm hạt có k.thước hạt lớn (cát, cuội, sỏi), hạt thường có dạng hình khối cầu trơn nhẵn, hình góc cạnh Hình dạng có ah lớn tới tc đất, đặc biệt tính chống cắt 22 1.3 Hình dạng hạt Càng góc cạnh ma sát lớn tăng cường độ Càng góc cạnh dễ di chuyển dễ chặt 23 II Pha lỏng (nước đất) - TĐ Đất TN t.tại lượng nước định dạng khác Nc t.dụng mạnh với hạt k.vật, đặc biệt hạt nhỏ có k.thước hạt keo hoạt tính bề mặt Theo quan điểm XD:, 24 1/23/2018 2.1 Nước hạt khoáng vật Nước mạng tinh thể kv, tồn dạng phân tử - H2O dạng ion H+, OH- Loại nước tách khỏi kv to cao ( > 105oC) Trong XD, coi phận hạt kv & ko ảnh hưởng tới tc XD đất 25 2.2 Nước kết hợp mặt hạt đất Các hạt kv đất mang điện tích âm, nước phân tử lưỡng cực ⇒ lực tác dụng tương hỗ điện p.tử xuất hạt đất tx với nước ⇒ hút p.tử nước lực lớn Lượng nước KH mặt ngồi yếu tố định: Tính ưa nc k.vật Độ lớn tỷ d.tích mặt ngồi hữu hiệu (là tổng diện tích bề mặt hạt đất/ 1g đất) Thành phần nước đất, ion nước 26 2.2 Nước kết hợp mặt hạt đất Căn cường độ lực hút điện phân tử bề mặt hạt kv, chia nước k.hợp mặt thành lớp: 1) Nc hút bám: lớp nc bám chặt vào mặt hạt sức hút điện phân tử mạnh gây Đất sét chứa nc hút bám trạng thái rắn 2) Nc kết hợp mạnh: lớp nc liền kề nc hút bám lực hút điện phân tử tương đối mạnh tạo nên Đất sét chứa nc KH mạnh trạng thái nửa rắn 3) Nc kết hợp yếu: lớp nc lực hút điện phân tử tương đối yếu tạo thành, đất sét chứa nc k.hợp yếu kết cấu đất bị phá hoại thể tính dẻo 27 1/23/2018 2.3 Nước tự Loại nc nằm lực hút điện trường, chia làm loại: a.) Nc mao dẫn: loại nc bị kéo lên ống dẫn nhỏ đất bên MNN sức căng mặt nc Trong XD, nc mao dẫn làm cho đất ẩm ướt làm giảm sức chịu tải & tính ổn định mái dốc b.) Nc trọng lực: Tồn lỗ rỗng đất, chịu chi phối trọng lực & tuân theo đ.luật Darcy ✓ Khả hòa tan phân giải nc ✓ Ah áp lực thủy tĩnh với đất CT ✓ Ah lực thấm 28 Ảnh hưởng lớp nước kết hợp mặt ngồi đến tính chất XD đất • Trong loại nước kể nước màng mỏng có ảh tới t.chất XD đất nhiều Mức độ ảh tùy thuộc vào t.phần KV, tỷ diện tích, hàm lượng sét • Do chịu lực hút điện phân tử, nước mảng mỏng có tính nhớt nước tự do, bề dày nước mảng mỏng tăng tính nhớt giảm, ngược lại Vì ảh đến tính chất lý đất: tính b.dạng (nén, nở, trượt), tính thấm, tính chống trượt 29 Chú ý! Nghiên cứu nước theo quan điểm XD liên quan đến vấn đề chính: Khả hịa tan phân giải nước (trong Địa chất thủy văn) Ảnh hưởng áp lực thủy tĩnh đất Ảh lực thấm chuyển động nước đất tính ổn định đất 30 10 1/23/2018 T.1.3 Các tiêu, tc vật lý & trạng thái vật lý đất 2.1 T.Thái & tiêu t.thái VL đất dính 2.1.2 Giới hạn Atterberg số dẻo Gh Atterberg độ ẩm độ đất chuyển từ t.thái sang t.thái khác Phân biệt loại độ ẩm độ: GH chảy (LL), GH dẻo (PL) & GH co (SL) ✓ GH chảy (LL): độ ẩm độ đất chuyển từ t.thái dẻo sang t.thái chảy ✓ GH dẻo (PL): độ ẩm độ đất chuyển từ t.thái nửa rắn sang T.thái dẻo ✓ GH co (SL): độ ẩm độ đất chuyển từ t.thái rắn sang nửa rắn Trong loại GH LL PL dùng phổ biến 61 2.1 T.Thái & tiêu t.thái VL đất dính 1.) TN xác định PL PL thường XĐ = pp lăn đất Lấy đất t.thái dẻo đem lăn mặt kính nhám chuẩn mu bàn tay Nếu lăn đất thành giun dài với đường kính 3mm thấy giun bắt đầu xuất vết nứt đứt thành đoạn dài – 10mm đất có độ ẩm giới hạn dẻo 62 63 21 1/23/2018 2.1 T.Thái & tiêu t.thái VL đất dính (Holtz and Kovacs, 1981) 64 2.1 T.Thái & tiêu t.thái VL đất dính 2.) TN xác định giới hạn chay LL a.) Dùng phương pháp xuyên tc b.) PP Casagrande 65 2.1 T.Thái & tiêu t.thái VL đất dính a.) Dùng phương pháp xuyên tc: đặt chùy nhọn xuyên lên mặt mẫu trạng thái sệt & thả rơi tự do, sau 5’ chùy xuyên ngập sâu vào đất 10mm độ ẩm đất GH chảy Hình 9: Dụng cụ xác định LL Đế gỗ; Khuôn; Mẫu đất; Dụng cụ hình nón; Quả cầu thăng bằng; Tay cầm; Vạch dấu 66 22 1/23/2018 2.1 T.Thái & tiêu t.thái VL đất dính Hình 10 Phương pháp dùng chùy xuyên tc 67 2.1 T.Thái & tiêu t.thái VL đất dính 2.) TN xác định giới hạn dẻo LL b.) PP Casagrande: cho đất trạng thái sệt vào đĩa, gạt mặt đất đĩa vạch rãnh có bề rộng độ sâu theo tiêu chuẩn Sau gõ 25 lần mép rãnh vừa vặn khít lại độ ẩm đất GH chảy 68 Hình 12: Phương pháp Casagrande 69 23 1/23/2018 2.1 T.Thái & tiêu t.thái VL đất dính Hình 13: Kết thí nghiệm phương pháp Casagrande 70 2.1 T.Thái & tiêu t.thái VL đất dính *) Chỉ số dẻo PI (plastic index) Khi độ ẩm đất biến thiên phạm vi PL LL đất thể tính dẻo - đặc trưng quan trọng đất dính, để biểu thị nó, dùng số dẻo, PI = LL – PL *) Chỉ số sệt LI (liquid index) LI Trong đó: W: LI > ≤ LI ≤ LI < w PL LL PL Độ ẩm đất trạng thái tự nhiên Đất trạng thái chảy Đất trạng thái dẻo Đất trạng thái rắn 71 2.1 T.Thái & tiêu t.thái VL đất dính Bảng 1.3: Tiêu chuẩn phân loại đất dính 72 24 1/23/2018 T.1.4 Phân loại đất I Mục đích, vai trị: ✓ Làm sở lựa chọn phương pháp nghiên cứu ✓ Có PP sử dụng đắn loại đất với mục đích XD ✓ Thống tên gọi cho đất II Một số tiêu chuẩn phân loại đất hành ❖ Hệ thống phân loại đất thông (Unified Soil Classification System) ❖ Hệ thống phân loại đất theo AASHTO ❖ Hệ thống phân loại đất theo TCVN 73 T.1.4 Phân loại đất USCS - Hệ thống phân loại đất thống (Unified Soil Classification System) Dùng chủ yếu quan trực thuộc Chính phủ (các đơn vị quân đội, Vụ khai hố), cơng ty tư vấn ĐKT phòng TN Với số thay đổi nhỏ, hệ thống sử dụng tương đối rộng rãi Anh số nước khác AASHTO - Hệ thống phân loại hiệp hội Đường liên bang giao thông vận tải Mỹ (American Association of State Highway and Transportation Officials) Dựa vào việc quan trắc đặc trưng đất XD đường giao thông, đc sử dụng Cục giao thông đường Mỹ Hệ thống phân loại đất Việt nam 74 Hệ thống phân loại đất thống (1952) ✓ Thường dùng XD dân dụng (xây dựng đập, móng CT XD khác) ✓ Phát triển Casagrande (1948, 1952) Đất hạt thô Cuội sỏi (G) Cát (S) W - Cấp phối tốt P - Cấp phối xấu Đất hữu (O) Đất hạt mịn Bụi (M) Sét (C) Dẻo thấp – L Dẻo cao – H 75 25 1/23/2018 Hệ thống phân loại đất thống (1952) ❖ Phân nhóm chữ Loại đất G= S= M= C= ❖ ❖ ❖ ❖ Gravel Sand Silt Clay O = Organic L = Low plasticity H = High plasticity Fine fraction : % passing No.200 sieve (0.075 mm) Coarse fraction: % retained on No.200 sieve Gravel fraction : % retained on No.4 sieve (4.75 mm) Sand fraction : (% retained on No 200) – (% retained on No 4) 76 Hệ thống phân loại đất thống (1952) ❖ Phân nhóm chữ Tính chất đất W= Well graded C = Clay P= Poor graded L = Low plasticity M= Silt H = High plasticity ❖ W or P is decided by the values of C c & Cu ❖ C, M, H or L is decided by the value of LL & PL (plasticity chart) 77 Hệ thống phân loại đất thống (1952) 78 26 1/23/2018 Hệ thống phân loại đất thống (1952) Đất có hàm lượng hữu cao Một loại đất phân loại có hàm lượng hữu cao cấu thành chủ yếu Xác sinh vật, Có màu xám nâu xám đen, Có mùi đặc trưng sinh vật odour, trạng thái mềm Nhiều chất sơ (cành, lá, rễ vv.) thành phần 79 Hệ thống phân loại đất thống (1952) Với Cuội sỏi cát > 5% lọt qua sàng số 200 (0.074mm) GW; GP, SW, SP ➢ G cuội (gravel); S cát (sand) ➢ W cấp phối tốt (well); P cấp phối xấu (Poor) Cần kết hợp với hệ số Cu; Cc để phân biệt > 12% lọt qua sàng 200 là: GC; GM; SM; SC ➢ M: bụi; C: sét Cần dựa vào số dẻo biểu đồ dẻo để phân biệt 80 Hệ thống phân loại đất thống (1952) 1.3 Đối với đất hạt mịn ➢ LL < 50% → ML; CL; OL ➢ LL > 50% → MH; CH; OH 81 27 1/23/2018 Hệ thống phân loại đất thống (1952) 82 Biểu đồ dẻo: Đánh giá tính dẻo thấp/cao, Đất bụi/sét - Dưới đường A: M – bụi - Trên đường A: C – Sét Fig 14: Plasticity chart T.1.4 Phân loại đất Hệ thống phân loại đất theo AASHTO Có nhóm p.loại từ A-1 đến A-7 Đất nằm nhóm có t.chất tương tự ✓ Nhóm từ A-1 đến A-3 nhóm hạt thơ ✓ Từ A-4 đến A-7 nhóm hạt mịn P.loại theo AASHTO dựa k.quả phân tích hạt qua sàng số 200, 40, 10 & thí nghiệm chảy - dẻo Sự khác biệt nhóm hạt từ A-1 đến A-7 thể = số GI 84 28 1/23/2018 Hệ thống phân loại đất theo AASHTO 85 Hệ thống phân loại đất theo AASHTO 86 Hệ thống phân loại đất theo AASHTO Fig 15: LL & PI for soils in groups A-2, A-4, A-5, A-6, & A-7 87 29 1/23/2018 Hệ thống phân loại đất theo AASHTO GI = (F-35)[0,2+0,005(LL-40)] +0,01(F-15)(PI-10) Trong F = % lọt qua sàng 200 Chất lượng chung lớp đất thơng qua số nhóm sau: GI = Câp phối tốt GI = 0÷1 Cấp phối tốt GI = 2÷4 Cấp phối trung bình GI = 5÷9 Cấp phối xấu GI = 10÷20 Cấp phối xấu 88 Group Index - GI Vài quy tắc xác định GI Nếu GI LI < 0≤ LI ≤ 0,25 0,25 ≤ LI ≤ 0,50 0,50 ≤ LI ≤ 0,75 0,75 ≤ LI ≤ 1,0 LI>1 92 TCXD 45-78 2) Với đất rời: Tên đất xác định theo thí nghiệm rây Tên đất** Chỉ tiêu phân loại* Đất hạt thô đá lăn, đá tảng Lượng chứa hạt > 200mm 50% cuội, dăm Lượng chứa hạt > 10mm 50% đất sỏi, sạn Lượng chứa hạt > 2mm 50% Đất cát đất cát lẫn sỏi Lượng chứa hạt > 20mm 25% đất cát thô Lượng chứa hạt > 0,5mm 50% đất cát vừa Lượng chứa hạt > 0,25mm 50% đất cát nhỏ Lượng chứa hạt > 0,10mm & 75% đất cát mịn ( cát bụi) Lượng chứa hạt > 0,10mm 75% * Dùng rây tiêu chuẩn Liên Xô: 0,10; 0,25; 0,50; 2,0; 5,0; 10mm ** Tên đất chọn theo thứ tự loại dần từ xuống 93 31 1/23/2018 TCXD 45-78 Trạng thái đất rời gồm trạng thái độ chặt trạng thái độ ẩm Phân loại độ chặt đất rời theo hệ số rỗng Loại đất Độ chặt đất Chặt Chặt vừa Xốp Cát chứa sạn, cát to & cát vừa e < 0,55 0,55 ≤ e ≤ 0,70 e > 0,70 Cát nhỏ e < 0,60 0,60 ≤ e ≤ 0,75 e > 0,75 Cát mịn (cát bụi) e < 0,60 0,60 ≤ e ≤ 0,80 e > 0,80 94 TCXD 45-78 Trạng thái đất rời gồm trạng thái độ chặt trạng thái độ ẩm Phân loại độ chặt đất rời theo độ chặt tương đối Dr Độ chặt tương đối Dr ≥ Dr > 0,66 0,66 ≥ Dr > 0,33 0,33 > Dr ≥ Độ chặt đất Chặt Chặt vừa Xốp 95 TCXD 45-78 Trạng thái đất rời gồm trạng thái độ chặt trạng thái độ ẩm Mức độ ẩm đất rời đc xác định theo Độ bão hòa S* O < S ≤ 0,50 0,50 < S ≤ 0,80 0,80 < S ≤ 1,0 Mức độ ẩm Ẩm Rất ẩm No nước (bão hòa nước) 96 32 1/23/2018 Example Làm TN với loại đất thấy chúng có giới hạn chảy dẻo: LL = 40%; PL = 25% Tuy nhiên, đất có độ ẩm tự nhiên w1 = 45%; w2 = 20% Yêu cầu Xác định tên đất dính theo TCXDVN Hỏi đất dùng làm tốt 97 TCXD 5747: 1993 98 TCXD 5747: 1993 a Nguyên tắc phân loại 1) Dựa TP kích thước hạt chiếm ưu đất chia nhóm: ✓ Nhóm hạt thơ ✓ Nhóm hạt mịn 2) Dựa hàm lượng hạt để phân chia nhóm đất hạt thơ thành phụ nhóm 3) Dựa LL, PL, PI để phân chia nhóm đất hạt mịn thành phụ nhóm 99 33 1/23/2018 TCXD 5747: 1993 b Các ký hiệu tiêu chuẩn 100 c Phân loại đất cát c Phân loại đất cát 102 34 1/23/2018 c Phân loại đất cát d Phân loại đất hạt mịn Tóm tắt nội dung chương i Ba thể hợp thành đất ii Kết cấu, liên kết kết cấu & cấu tạo đất iii Các tiêu & tính chất vật lý đất iv Phân loại đất xây dựng 105 35 ... thành đất 41 T.1.3 Các tiêu, tc vật lý & trạng thái vật lý đất I Chỉ tiêu tính chất vật lý đất Các tiêu tc vật lý đất đc chia làm nhóm: 1.1 Chỉ tiêu trực tiếp: ❖ Khối lượng riêng tự nhiên đất