Bài giảng Địa kỹ thuật: Chương 2 - TS. Phạm Quang Tú

Bài giảng Địa kỹ thuật: Chương 2 Tính chất vật lý của đất, cung cấp cho người học những kiến thức như: 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 của đất; phân loại đất. Mời các bạn cùng tham khảo!

8/3/2015 Nội Dung: CHƯƠNG II TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 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 đất Phân loại đất II.1 Các pha hợp thành đất & tác dụng tương hỗ chúng Đất thường 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) Hình 1: Ba thể hợp thành đất 8/3/2015 I.1.1 PHA RẮN (HẠT ĐẤT) Gồm hạt đất có kích thước khác nhau, chiếm phần lớn thể tích khối đất tạo thành khung cốt đất Có yếu tố ảnh hưởng đến tính chất đất là:  Thành phần khống vật hạt đất  Kích thước hạt đất  Hình dạng hạt đất THÀNH PHẦN KHOÁNG VẬT HẠT ĐẤT (TPKV) TPKV phụ thuộc chủ yếu vào TPKV tạo đá & hình thức phong hóa đá Các hình thức phong hóa khác  sản sinh khống vật khác a) Khoáng vật nguyên sinh: felspar; thạch anh & mica Đất có TPKV ngun sinh thường có kích thước > 0.005 mm b) Khoáng vật thứ sinh: chia loại Khống vật khơng hịa tan nước: kaolinite; ilite…chúng thành phần chủ yếu hạt sét đất → gọi khoáng vật sét Khoáng vật hịa tan nước, VD: canxite; dolomit; muscovite, Các khống vật thứ sinh thường có kích thước < 0.005mm c) Chất hóa hợp hữu sản phẩm tạo từ di tích động, thực vật giai đoạn phá hủy hoàn toàn (mùn hữu cơ) THÀNH PHẦN CẤP PHỐI HẠT CỦA ĐẤT TPKV yếu tố quan trọng đánh giá tính chất đất Kích thước hạt đất có quan hệ mật thiết với TPKV Hạt đất > hạt cát (2mm) có TPKV tương tự đá gốc Đất thiên nhiên gồm vơ số hạt đất có kích thước khác tổ hợp thành → khơng thể xác định kích thước riêng biệt hạt→ phân thành nhóm hạt → “cấp phối hạt” đất Hạt cát (2- 0.05mm) khoáng vật nguyên sinh tạo thành + Nhóm hạt: Tập hợp hạt đất có kích thước nằm phạm vi định Hạt bụi (0.05 – 0.005mm) chủ yếu khoáng vật nguyên sinh ổn định hóa học thạch anh, felspar…tạo thành + Cấp phối hạt: Lượng chứa tương đối nhóm hạt đất (% tổng lượng đất khô) Hạt sét (< 0.005mm) chủ yếu khoáng vật thứ sinh tạo thành + Quan hệ đường kính hạt ~ lượng chứa tương đối → đường cong cấp phối hạt Xác định đường cong cấp phối hạt nào? 8/3/2015 Xác định đường cong cấp phối hạt Phân chia nhóm hạt & tính lượng chứa % nhóm mẫu đất dùng thí nghiệm phân tích hạt + Phương pháp sàng (rây): dùng với đất hạt thô (d > 0.1mm) + Phương pháp tỷ trọng kế (phương pháp lắng): dùng cho đất hạt mịn (d ≤0.1mm) a Phương pháp rây (sàng) b Phương pháp tỷ trọng kế Dùng với hạt có đường kính d > 0.1 mm, phương pháp dùng hệ thống sàng có kích thước mắt sàng khác “bộ rây tiêu chuẩn” Dùng với hạt có đường kính d ≤ 0.1 mm, phương pháp dựa nguyên lý lắng chìm Stokes: hạt có đường kính khác lắng chìm nước lắng đọng với tốc độ khác Từ giá trị đo khoảng cách chìm lắng, thời gian chìm lắng, tính đường kính tương ứng d nhóm hạt & lượng chứa hạt < d tính = % trọng lượng mẫu đất Sấy khơ đất/ giã tơi/ đổ vào rây/ lắc đều/ cân lượng sót sàng tính % 8/3/2015 Phương pháp tỷ trọng kế ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐƯỜNG CONG CẤP PHỐI HẠT Đường cong cấp phối hạt thoải hay dốc tốt? Để đánh giá mức độ khơng hạt đất, xây dựng dùng hệ số không hạt Cu & hệ số đường cong cấp phối Cc Cu = D60/D10 & Cc  D302 D60 D10 D60: đường kính cỡ hạt mà trọng lượng tất hạt nhỏ đường kính chiếm 60% trọng lượng mẫu đất khô D10 gọi đường kính hiệu quả, D60 gọi đường kính chi phối Cu lớn đường cong cấp phối thoải, đất không hạt, ngược lại Cu nhỏ đất hạt (cấp phối xấu) Đất gọi có cấp phối tốt với Cu > – 6; Cc = - Nếu Cu = đất gọi cấp phối xấu 8/3/2015 Đánh giá chất lượng đường cong cấp phối hạt Cấp phối tốt ĐƯỜNG CONG CẤP PHỐI HẠT DÙNG ĐỂ LÀM GÌ? Cấp phối trung bình Cấp phối Ứng dụng đường cong cấp phối: Xác định cấp phối đất (TCXD 45 – 78) Xác định tên đất rời (TCXD 45 – 78) Xác định Cu Cc HÌNH DẠNG HẠT ĐẤT Hình dạng hạt đất khác có ảnh hưởng định đến tính chất đất Nhóm hạt có kích thước nhỏ từ hạt sét trở xuống thường có dạng phiến mỏng dạng hình kim mảnh Trường hợp hình dạng hạt đất khơng ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất đất Nhóm hạt có kích thước lớn từ hạt lớn (cát, cuội, sỏi), thường hạt có dạng hình khối cầu trơn nhẵn, hình góc cạnh Các hình dạng có ảnh hưởng lớn tới tính chất đất, đặc biệt tính chống cắt 8/3/2015 II.1.2 PHA LỎNG (NƯỚC TRONG ĐẤT) Đất tự nhiên tồn lượng nước định & dạng khác Nước tác dụng mạnh với hạt khoáng vật, đặc biệt hạt nhỏ có kích thước hạt keo để tạo nên hoạt tính bề mặt hạt đất Theo quan điểm xây dựng Hạt có tính góc cạnh lớn → ma sát hạt cao Hạt tròn → ma sát bé NƯỚC TRONG CÁC HẠT KHỐNG VẬT Là nước mạng tinh thể khống vật, tồn dạng phân tử nước H2O dạng ion H+, OH- Loại nước tách khỏi khoáng vật to cao ( > 105oC) Trong xây dựng, coi phận hạt khống vật & khơng ảnh hưởng tới tính chất xây dựng đất NƯỚC KẾT HỢP MẶT NGOÀI HẠT ĐẤT Thực nghiệm cho thấy, hạt khống vật đất thường mang điện tích âm, đó, nước phân tử lưỡng cực → lực tác dụng tương hỗ điện phân tử xuất hạt đất tiếp xúc với nước→ hút phân tử nước lưỡng lớn Lượng nước kết hợp mặt yếu tố định: 1.Tính ưa nước khống vật 2.Độ lớn tỷ diện tích mặt ngồi hữu hiệu (là tổng diện tích bề mặt hạt đất/1g đất) 3.Thành phần nước đất, ion nước 8/3/2015 Căn cường độ lực hút điện phân tử bề mặt hạt khoáng vật, chia nước kết hợp mặt thành lớp: 1)Nước hút bám: lớp nước bám chặt vào mặt hạt sức hút điện phân tử mạnh gây Đất sét chứa nước hút bám trạng thái rắn 2)Nước kết hợp mạnh: lớp nước liền kề nước hút bám lực hút điện phân tử tương đối mạnh tạo nên Đất sét chứa nước kết hợp mạnh trạng thái nửa rắn 3)Nước kết hợp yếu: lớp nước lực hút điện phân tử tương đối yếu tạo thành, đất sét chứa nước kết hợp yếu & kết cấu đất bị phá hoại thể tính dẻo Các loại nước kết hợp mặt hạt đất NƯỚC TỰ DO Loại nước nằm lực hút điện trường, chia làm loại: a) Nước mao dẫn: loại nước bị kéo lên ống dẫn nhỏ đất bên mực nước ngầm sức căng mặt nước Trong xây dựng, nước mao dẫn làm cho đất ẩm ướt làm sức chịu tải & tính ổn định mái dốc giảm b) Nước trọng lực: Tồn lỗ rỗng đất, chịu chi phối trọng lực tuân theo định luật Darcy Khả hòa tan phân giải nước Ảnh hưởng áp lực thủy tĩnh với đất cơng trình Ảnh hưởng lực thấm II.1.3 PHA KHÍ TRONG ĐẤT Thể khí đất phân thành loại: + Loại thông với khí quyển: khơng có ảnh hưởng đáng kể tính chất đất, đầm chặt, khí ngồi + Loại khơng thơng với khí (bọc khí- túi khí) thường thấy loại đất sét Sự tồn bọc khí đất làm giảm tính thấm đất, tăng tính đàn hồi có ảnh hưởng tới q trình ép co đất tác dụng lực 8/3/2015 II.2 KẾT CẤU, CẤU TẠO VÀ LIÊN KẾT KẾT CẤU CỦA ĐẤT II.2.1 Kết cấu đất Kết cấu đất xếp có quy luật hạt đám hạt có độ lớn hình dạng khác q trình trầm tích Kết cấu đất hình thành tác dụng lực điện phân tử hạt với nhau, hạt với nước tương quan lực với trọng lượng hạt Căn vào nguyên nhân hình thành kết cấu đất, thường phân chúng loại kết cấu Kết cấu hạt đơn Hình thành chìm lắng hạt tương đối to môi trường nước Kết cấu tạo nên từ hạt có đường kính lớn, hạt xếp chồng lên hạt vị trí ổn định nhất, hạt nhỏ chui vào lỗ rỗng hạt lớn a) Kết cấu hạt đơn b) Kết cấu tổ ong c) Kết cấu Kết cấu tổ ong Kết cấu bơng Hình thành lắng chìm hạt tương đối nhỏ nước Do trọng lượng hạt khơng đủ thắng lực dính chúng với chỗ tiếp xúc nên chúng tiếp tục lắng chìm xuống mà dừng lại chỗ tiếp xúc không ổn định Hình thành từ hạt có đường kính nhỏ (hạt keo)  trạng thái lơ lửng Nếu mơi trường có chất điện giải, hạt xích lại với → đám hạt & đủ trọng lượng để chìm xuống → Kết cấu bơng 8/3/2015 II.2.2 Cấu tạo đất II.2.3 Liên kết kết cấu -Cấu tạo lớp Các liên kết nội gắn liền hạt đám hạt với gọi liên kết kết cấu Sự tồn liên kết kết cấu đất độ cứng, tính đàn hồi, cường độ đặc điểm khác liên kết kết cấu yếu tố quan trọng định tính chất đất dùng làm nền, làm môi trường làm VLXD Theo thời gian hình thành, có loại liên kết kết cấu -Cấu tạo porphyre -Cấu tạo tổ ong -Cấu tạo khối Các tính chất lý (tính thấm, tính chống cắt, tính đàn hồi…) khác theo phương (cấu tạo lớp) a)Liên kết ban đầu b)Liên kết sinh sau a.) Liên kết ban đầu b) Liên kết sinh sau Tạo lực hút điện phân tử hạt khoáng vật với chúng với nước Do nước có tạp chất, hạt đất vừa hút nước, vừa hút tạp chất nước → lớp keo bao quanh hạt đất; lớp keo có tác dụng liên kết hạt lại với nhau, gọi già hóa keo Đặc điểm: - Có tính đàn hồi & tính dẻo nhớt – gọi liên kết “keo nước” Đặc điểm: Liên kết cứng chắc, bị khơng phục hồi lại 8/3/2015 II.3 CÁC CHỈ TIÊU TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ TRẠNG THÁI VẬT LÝ CỦA ĐẤT Đất sản phẩm trình phong hóa, gồm pha vật chất: rắn, lỏng khí Tính chất vật lý đất phục thuộc vào tính chất pha vật chất & tỷ lệ định lượng pha Để biểu thị lượng tỷ phần pha vật chất này, dùng sơ đồ thể: Các tiêu tính chất vật lý đất chia làm nhóm: Chỉ tiêu trực tiếp:  Khối lượng riêng tự nhiên đất ρ  Độ ẩm W;  Tỷ trọng hạt đất Gs Chỉ tiêu gián tiếp ( d; s; sat; ’; e, n, S)  Khối lượng riêng khơ, hạt, bão hịa: d; s; sat  Hệ số rỗng đất e;  Độ rỗng đất n  Độ bão hịa S Hình Sơ đồ pha vật chất tạo thành đất II.3.1 NHÓM CÁC CHỈ TIÊU TÍNH CHẤT VẬT LÝ TRỰC TiẾP Các tiêu xác định trực tiếp từ thí nghiệm phòng Khối lượng riêng tự nhiên đất  MT VT (Kg/m3) Mt: Khối lượng tổng cộng mẫu đất (kg) Vt: Thể tích tổng cộng mẫu đất (m3) Độ ẩm đất W: tỷ số khối lượng nước khối lượng hạt mẫu đất W MW Ms (%) Xác độ ẩm phòng TN M  M2 100 W M2 Trong phòng TN: Xác định cách dùng dao vòng cắt đất M  M1  V 10 8/3/2015 II.3.2 NHĨM CÁC CHỈ TIÊU TÍNH CHẤT VẬT LÝ GIÁN TiẾP Tỷ trọng hạt đất Gs: w: Gs  Ms Vs  w Các tiêu gián tiếp tiêu tính thơng qua tiêu trực tiếp cơng thức tính đổi liên hệ thơng qua mơ hình pha vật chất khối lượng riêng nước Cách xác định: cân hạt khô để xác định Ms, cho hạt đất khô vào nước để xác định thể tích hạt nhờ thể tích nước dâng lên bình Ρw = 1000 kg/m3 Khối lượng riêng khô đất d  Ms Vt Kg/m3  1 w Khối lượng riêng hạt đất s (Kg/m3) M s  s Vs Hệ số rỗng e e Độ rỗng đất (n) V n  v  100(%) Vt Khối lượng riêng bão hòa n e 1 e sat Khối lượng riêng đất lỗ rỗng đất chứa đầy nước M s  Mw sat  Vt Mw khối lượng nước chứa đầy lỗ rỗng đất sat  d d  Vv Vs e s 1 d Khối lượng riêng đẩy M   w Vs (G  1). w   s   s Vt 1 e Độ bão hòa đất S S Vw Vv S G s w e M s  Mw M s Mw V     d  v w  d  n. w Vt Vt Vt Vt 11 8/3/2015 II.3.3 CÁC CHỈ TIÊU TRẠNG THÁI VẬT LÝ CỦA ĐẤT Trạng thái tiêu trạng thái vật lý đất rời Trong xây dựng, tiêu vật lý kể chưa thể nhận biết đầy đủ loại đất đó, tính chất đất phải lượng chứa tương đối thể định mà tác dụng lẫn chúng định, đất dính Trạng thái đất rời phân ra: Trạng thái độ chặt trạng thái độ ẩm - Các tiêu đánh giá độ chặt a) Dùng hệ số rỗng e: sau tính e, so sánh tiêu quy định quy phạm → trạng thái loại đất rời xét Theo thực nghiệm: Mặt khác, tiêu tính chất vật lý cho khái niệm quan hệ lượng chứa thể đất mà chưa nói lên trạng thái đất (cứng, mềm, chặt, xốp…), cần nghiên cứu trạng thái vật lý đất b) Dùng tiêu độ chặt tương đối Dr: Đất cát chặt: 1> Dr > 0,67 Đất cát chặt vừa: 0,67  Dr  0,33 Đất cát xốp: < Dr < 0,33 - Các tiêu đánh giá độ ẩm Dùng độ bão hòa S để đánh giá độ ẩm đất rời S > 0,8 0,5 < S ≤ 0,8 S ≤ 0,5 Đất bão hòa Đất ẩm Đất ẩm emax: Hệ số rỗng loại đất rời xét trạng thái xốp emin : Hệ số rỗng loại đất rời xét trạng thái chặt eo : Hệ số rỗng đất trạng thái tự nhiên Dr = từ → 1, thể thay đổi trạng thái độ chặt đất rời từ xốp → chặt 12 8/3/2015 Trạng thái & tiêu trạng thái vật lý đất dính - Trạng thái vật lý đất dính Đất dính thường chứa phần lớn hạt có kích thước cỡ hạt keo, trạng thái vật lý đất dính khơng có quan hệ tới lượng chứa tương đối thể đất mà cịn có quan hệ tới tác dụng hạt đất & nước Đất dính thường trạng thái: rắn (cứng); nửa rắn (cứng); dẻo; chảy Với đất dính tiêu độ chặt & độ ẩm khơng thể tách rời nhau: -Khi độ ẩm tăng thể tích tăng lên, -Sự thay đổi độ ẩm định đến thay đổi trạng thái đất dính Hình Kết thí nghiệm thay đổi độ ẩm đất dính - Giới hạn Atterberg số dẻo Giới hạn Atterberg độ ẩm độ đất chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác Atterberg phân biệt loại độ ẩm độ là: giới hạn chảy (LL), giới hạn dẻo (PL) giới hạn co (SL) + Giới hạn chảy (LL): độ ẩm độ đất chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái chảy Thí nghiệm xác định giới hạn dẻo PL PL thường xác định phương pháp lăn đất Lấy đất trạng 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 + Giới hạn dẻo (PL): độ ẩm độ đất chuyển từ trạng thái nửa rắn sang trạng thái dẻo + Giới hạn co (SL): độ ẩm độ đất chuyển từ trạng thái rắn sang nửa rắn Trong loại giới hạn LL PL dùng phổ biến 13 8/3/2015 (Holtz and Kovacs, 1981) Thí nghiệm xác định Giới hạn chảy LL a) Dùng phương pháp Vaxiliep: 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 giới hạn chảy b) Phương pháp 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 giới hạn chảy Phương pháp dùng chùy  Vaxiliep 14 8/3/2015 Phương pháp  Casagrande - Chỉ số dẻo PI (plastic index) Khi độ ẩm đất biến thiên phạm vi PL LL đất thể tính dẻo Tính dẻo đặc trưng quan trọng đất dính, để biểu thị người ta dùng số dẻo, PI = LL – PL - Chỉ số sệt LI (liquid index) LI  Trong đó: W  PL LL  PL W: Độ ẩm đất trạng thái tự nhiên LI > Đất trạng thái chảy ≤ LI ≤ Đất trạng thái dẻo LI < Đất trạng thái rắn 15 8/3/2015 II.3.4 phân loại đất T.1.4 PHN LOI T I Mc đích, vai trị phân loại đất  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 USCS(1952) phân loại đất thống Đất chia làm nhóm: Đất hạt thơ: cuội sỏi; cát Đất hạt mịn: bụi, sét Đất hữu cơ: bụi hữu sét hữu  Hệ thống phân loại đất thông (Unified Soil Classification System)  Hệ thống phân loại đất theo AASHTO  Hệ thống phân loại đất theo TCVN BẢNG PHÂN LOẠI ĐẤT RỜI 16 8/3/2015 1.1 Cuội sỏi cát 1.2 Đối với đất hạt mịn > 5% lọt qua sàng số 200 (0.074mm) GW; GP, SW, SP LL < 50% → ML; CL; OL G cuội (gravel); S cát (sand) LL > 50% → MH; CH; OH 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(silt): bụi; C (Clay): sét H: high plasticity; L: low plasticity Cần dựa vào số dẻo biểu đồ dẻo để phân biệt Hệ thống phân loại đất theo AASHTO Có nhóm phân loại từ A-1 đến A-7 Đất nằm nhóm có tính chất tương tự Nhóm từ A-1 đến A-3 nhóm hạt thơ Từ A-4 đến A-7 nhóm hạt mịn Phân loại theo AASHTO dựa kết 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 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 thông 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 17 8/3/2015 So sánh tương quan nhóm hạt AASHTO USCS Theo Liu (1970) So sánh tương quan nhóm hạt AASHTO USCS Theo Liu (1970) Hệ thống phân loại đất theo TCVN Ở Việt Nam có tiêu chuẩn phân loại đất: 1.TCXD 45-78 (TCVN 9362-2012) 2.TCVN 5747-1993 Các giáo trình hành phần lớn dùng TCXD 4578 để phân loại đất 18 8/3/2015 a TCXD 45-78 (TCVN 9362-2012) : Đất chia thành đất dính & đất rời + Với đất dính: Phân loại đất theo số dẻo Ip (A) A = WL - Wp + Với đất rời: phân thành đất hạt thô & đất cát 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 > 2mm 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% (75%) đất cát mịn (cát bụi) Lượng chứa hạt > 0,10mm 75% (