Chương 3: Đất đá và tính chất Địa chất công trình của chúng
3.4. Tính chất cơ lý của đất đá
3.4.1. Khái niệm chung
Tính chất cơ lý của đất đá là tính chất thể hiện trạng thái vật lý, độ bền, độ biến dạng và quan hệ đối với nước. Tính chất cơ lý đóng vai trò quyết định đặc tính xây dựng của đất đá. Các loại đất đá khác nhau, tính chất cơ lý không giống nhau, phụ thuộc vào nguồn gốc thành tạo và điều kiện tồn tại của chúng.
- Tính chất vật lý: Tính chất vật lý đặc tr−ng cho trạng thái vật lý của đất đá trong
điều kiện tự nhiên hoặc trong điều kiện nhất định nào đó. Nghiên cứu tính chất vật lý cho phép xác định những đặc tr−ng cơ bản phản ánh điều kiện thành tạo (nguồn gốc hình thành) và tồn tại của đất đá và từ đó có thể xác định gián tiếp độ bền, độ ổn định cũng nh− độ biến dạng của chúng.
- Tính chất cơ học: Tính chất cơ học đặc tr−ng bằng độ bền (khả năng chống cắt),
độ biến dạng khi chịu tác dụng nén ép của lực ngoài. Nghiên cứu tính chất cơ học cho phép trực tiếp đánh giá độ bền, mức độ ổn định, mức độ biến dạng của đất đá dưới nền công trình và trên cơ sở đó, có thể tận dụng tối đa khả năng chịu tải của đất đá khi thiết kế, xây dựng công trình.
- Tính chất đối với nước: Tính chất đối với nước thể hiện ở mối quan hệ của đất đá
đối với nước. Tức là khả năng biến đổi trạng thái, độ bền, độ ổn định khi tác dụng qua lại đối với nước, khả năng hấp thu, giữ nước hoặc thấm nước. Nghiên cứu tính chất đối với nước của đất đá có thể dự báo sự biến đổi độ bền, tính biến dạng và các tính chất khác của chúng, dự báo sự phát sinh, phát triển của các quá trình và hiện t−ợng địa chất
động lực khi có sự tham gia của nước.
3.4.2. Các chỉ tiêu tính chất vật lý 1. Độ ẩm tự nhiên
Độ ẩm tự nhiên (W) đặc trưng cho mức độ chứa nước của đất đá trong điều kiện tồn tại ở tự nhiên. Độ ẩm tự nhiên được xác định bằng tỷ số giữa khối lượng nước chứa trong đất đá và khối l−ợng đất đá khô tuyệt đối (khối l−ợng phần hạt rắn) của mẫu đất
đá ở trạng thái tự nhiên:
100
s w
M
W = M (%) (57) Trong đó: Mw- khối lượng nước trong mẫu đất đá;
Ms- khối l−ợng mẫu đất đá khô tuyệt đối.
Độ ẩm của đất đá thay đổi phụ thuộc vào lượng nước chứa trong lỗ rỗng, vào thành phần hạt, thành phần khoáng vật và mật độ phân bố của chúng, phụ thuộc vào độ rỗng, cấu trúc của đất, .... Trị số độ ẩm của đất đá trong tự nhiên có thể thay đổi trong một phạm vi rất rộng. Nó có thể rất nhỏ, chỉ vài phần trăm nh− các loại đá hoặc rất lớn,
66
tới trên 100% nh− đất hữu cơ, than bùn. Độ ẩm tự nhiên là một chỉ tiêu phản ánh trạng thái tồn tại của đất, khi xác định cần phải sử dụng mẫu còn giữ nguyên lượng nước như
trong điều kiện tự nhiên.
Thí nghiệm xác định độ ẩm tự nhiên bằng phương pháp sấy khô. Sau khi xác định khối l−ợng đất đá ở trạng thái tự nhiên, đem sấy ở nhiệt độ 1050C đến khi khối l−ợng không đổi (Mw), tiến hành cân để xác định khối l−ợng đất đá khô tuyệt đối, khối l−ợng nước trong đất đá (Ms), từ đó xác định được W.
2. Khối l−ợng thể tích tự nhiên
Khối l−ợng thể tích tự nhiên (γw) là khối l−ợng của một đơn vị thể tích đất đá có kết cấu và độ ẩm tự nhiên, đ−ợc xác định bằng tỷ số giữa khối l−ợng và thể tích mẫu
đất đá ở trạng thái tự nhiên:
V M
w =
γ (g/cm3) (58) Trong đó: M- khối l−ợng mẫu đất đá ở trạng thái tự nhiên (g);
V- thể tích mẫu đất đá ở trạng thái tự nhiên (cm3).
Khối l−ợng thể tích tự nhiên là chỉ tiêu trạng thái, phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, đặc điểm cấu trúc (quyết định mức độ chặt, xốp) và lượng nước chứa trong
đất đá. Giá trị khối l−ợng thể tích tự nhiên của đất thay đổi trong khoảng 1,40- 2,00g/cm3, của đá thường từ 2,40 đến trên 2,60g/cm3. Thông thường, đất dính có khối lượng thể tích tự nhiên lớn hơn đất rời do khả năng giữ nước tốt hơn. Tuy nhiên, với cát chặt, cũng có thể ngược lại. Khối lượng thể tích tự nhiên của đất đá là chỉ tiêu thường
đ−ợc sử dụng để tính toán khi thiết kế nền móng công trình.
Để xác định khối l−ợng thể tích tự nhiên của đất đá, cần phải sử dụng mẫu nguyên trạng (mẫu đất đá có kết cấu và độ ẩm tự nhiên). Tuỳ thuộc vào kích thước hạt, kết cấu,
độ cứng, mềm của đất đá, chỉ tiêu khối l−ợng thể tích tự nhiên của đất có thể đ−ợc xác
định bằng phương pháp dao vòng hay bọc sáp (đối với đá, đất cứng hoặc đất có chứa hạt thô). Nguyên tắc xác định của các phương pháp này là đo thể tích, sau đó cân mẫu
đất để xác định khối l−ợng của thể tích tự nhiên của đất đá.
3. Khối l−ợng riêng
Khối l−ợng riêng (γs) là khối l−ợng của một đơn vị thể tích hạt rắn, đ−ợc xác định bằng tỷ số giữa khối l−ợng và thể tích phần hạt khoáng trong mẫu đất đá:
s s
s V
= M
γ (g/cm3) (59) Trong đó: Ms- khối l−ợng hạt khoáng trong mẫu đất đá (g);
Vs- thể tích hạt khoáng trong mẫu đất đá (cm3).
Khối l−ợng riêng là chỉ tiêu bản chất. Nó không thay đổi theo trạng thái của đất
đá và chỉ phụ thuộc vào thành phần khoáng vật trong đất đá (khoáng vật có khối l−ợng riêng lớn thì khối l−ợng riêng của đất đá lớn). Giá trị khối l−ợng riêng của đất đá
thường thay đổi từ 2,50- 2,80g/cm3. Đất đá chứa càng nhiều oxyt, hyđroxyt sắt, magiê, khối l−ợng riêng càng lớn do các hợp chất này có khối l−ợng riêng lớn (khối l−ợng riêng của đất bazan có thể tới 3,00- 3,10g/cm3). Đất đá chứa càng nhiều vật chất hữu cơ, khối l−ợng riêng càng nhỏ do vật chất hữu cơ có khối l−ợng riêng nhỏ (khối l−ợng riêng của đất chứa hữu cơ hay than bùn có thể chỉ bằng 1,20- 1,50g/cm3).
67
Khối lượng riêng được xác định bằng phương pháp bình tỷ trọng, bằng cách cân và đun sôi đất đá (ở trạng thái khô gió) trong nước để xác định chính xác khối lượng và thể tích hạt rắn.
4. Khối l−ợng thể tích khô
Khối l−ợng thể tích khô (γc) là khối l−ợng phần cốt đất đá (phần hạt khoáng) trong một đơn vị thể tích đất đá, đ−ợc xác định bằng tỷ số giữa khối l−ợng phần hạt khoáng và thể tích mẫu đất đá:
V Ms
c =
γ (g/cm3) (60) Khối l−ợng thể tích khô đặc tr−ng cho độ chặt của đất đá, nếu khối l−ợng thể tích khô càng lớn, đất đá càng chặt. Chỉ tiêu này thường được dùng để kiểm tra, đánh giá
độ chặt của đất đắp.
Việc xác định trực tiếp khối l−ợng thể tích khô của đất đá rất phức tạp, nên chỉ tiêu này thường được tính toán qua khối lượng thể tích tự nhiên và độ ẩm theo công thức dẫn suất sau:
γc
W M
M M M
M V M V
M w
w s
s w s s
01 , 0 . 1
= +
= +
=
= γ
γ (61)
5. Độ rỗng
Độ rỗng (n) là thể tích lỗ rỗng trong một đơn vị thể tích đất đá, đ−ợc xác định bằng tỷ số giữa thể tích phần lỗ rỗng và thể tích mẫu đất đá.
V 100
n=Vn (%) (62) Trong đó: Vn- thể tích lỗ rỗng trong mẫu đất đá;
V- thể tích mẫu đất đá.
Từ định nghĩa, có thể xác định độ rỗng của đất đá theo công thức:
s
n c
γ
−γ
= 1 (63) 6. Hệ số rỗng
Để tiện lợi hơn, ng−ời ta sử dụng hệ số rỗng (e0). Hệ số rỗng là tỷ số giữa thể tích phần lỗ rỗng và thể tích phần hạt rắn của đất đá:
s n
V e0 =V
Từ định nghĩa trên, hệ số rỗng của đất đá đ−ợc xác định:
n n n
V V V V
V V
e V
n n n s
n
= −
−
=
−
− =
=
= 1
1 1 1 1 1
0 (64)
Chỉ tiêu độ rỗng và hệ số rỗng đều đặc tr−ng cho mức độ rỗng của đất đá. Đất càng rỗng, khả năng bị nén chặt càng nhiều. Một số loại đất nh− đất bùn, độ rỗng có thể lớn hơn 50%, hệ số rỗng lớn hơn 1.
Có thể sử dụng số rỗng để phân loại độ chặt của đất rời, bằng cách xác định độ chặt tương đối (D) theo biểu thức:
min max
0
emax
D e e
e
−
= − (65)
68
Trong đó: e0- hệ số rỗng của đất rời ở trạng thái tự nhiên;
emax- hệ số rỗng của đất rời ở trạng thái xốp nhất;
emin- hệ số rỗng của đất rời ở trạng thái chặt nhất.
Từ trị số D, độ chặt của đất rời đ−ợc phân loại nh− sau:
0,67 < D ≤ 1,00 → Đất chặt;
0,33 < D ≤ 0,67 → Đất chặt vừa;
0 < D ≤ 0,33 → §Êt xèp.
7. Độ bão hoà
Độ bão hoà (G) là tỷ số giữa thể tích nước và thể tích lỗ rỗng trong mẫu đất đá.
Độ bão hoà đặc trưng cho mức độ lấp đầy nước tự do trong lỗ rỗng đất đá:
n w
V
G=V (%) (66) Trong đó: Vw- thể tích nước trong lỗ rỗng khối đất đá;
Vn- thể tích phần lỗ rỗng trong mẫu đất đá.
Từ định nghĩa, có thể xác định độ bão hoà của đất đá theo công thức:
. 100 .
0 n s
e G W
γ
= γ (%) (67) Trong đó: W- độ ẩm tự nhiên của đất;
e0 - hệ số rỗng của đất γs - khối l−ợng riêng đất;
γn - khối l−ợng riêng của n−ớc, th−ờng lấy bằng 1g/cm3.
Dựa vào độ bão hoà, V.Đ. Lômtađze phân loại mức độ ẩm của đất đá nh− sau:
G = 0 → Đất khô tuyệt đối, gồm 2 pha: rắn và khí;
0,1 ≤ G ≤ 0,5 → Đất ít ẩm, hơi ẩm, gồm 3 pha: rắn lỏngvà khí;
0,5 < G < 0,8- 0,95 → Đất ẩm, ẩm nhiều, gồm 3 pha: rắn lỏng và khí;
G = 1,0 → Đất bão hoà, gồm 2 pha: rắn và lỏng.
8. Các đặc tr−ng tính dẻo của đất dính
Đất dính có thể tồn tại trong tự nhiên ở các trạng thái khác nhau nh− cứng, dẻo hay chảy tuỳ thuộc vào tỷ lệ pha rắn và lỏng trong đất. Các trạng thái này đóng vai trò rất quan trọng đối với tính chất xây dựng của đất. Đất ở trạng thái cứng có sức chịu tải lớn hơn hàng chục lần khi ở trạng thái chảy. Do vậy, khi đánh giá tính chất xây dựng, cần phải xác định độ ẩm giới hạn của đất để từ đó xác định (gần đúng) trạng thái tồn tại của đất trong tự nhiên. Độ ẩm giới hạn của các trạng thái đặc tr−ng cho tính dẻo gồm: độ ẩm giới hạn chảy và độ ẩm giới hạn dẻo.
a. Độ ẩm giới hạn chảy
Độ ẩm giới hạn chảy (WL) là độ ẩm ứng với trạng thái trung gian giữa dẻo và chảy của đất có kết cấu bị phá hoại. Thí nghiệm xác định độ ẩm giới hạn chảy của đấtbằng quả chuỳ Vaxiliev (theo tiêu chuẩn VN) hoặc theo ph−ơng pháp Casagranđe (theo tiêu chuẩn ASTM), sau đó đem cân và sấy khô tương tự như xác định độ ẩm tự nhiên.
b. Độ ẩm giới hạn dẻo
Độ ẩm giới hạn dẻo (WP) là độ ẩm ứng với trạng thái trung gian giữa cứng và dẻo
69
của đất có kết cấu bị phá hoại. Độ ẩm giới hạn dẻo của đất được xác định bằng phương pháp lăn trên kính mờ, sau đó đem cân và sấy khô tương tự như xác định độ ẩm.
c. Chỉ số dẻo
Chỉ số dẻo IP đặc tr−ng cho tính dẻo của đất dính, là khoảng độ ẩm thể hiện tính dẻo và đ−ợc xác định theo giới hạn chảy và giới hạn dẻo:
IP = WL - WP (68) Chỉ số dẻo càng lớn chứng tỏ, tính dẻo của đất càng cao, do đất càng có khả năng giữ được trạng thái dẻo trong khoảng giới hạn lớn của lượng nước chứa trong đất, tức là
đất càng dẻo.
Tính dẻo của đất phụ thuộc chủ yếu vào hàm l−ợng hạt mịn, đặc biệt là hàm l−ợng nhóm hạt sét, phụ thuộc vào thành phần khoáng vật. Ngoài ra, chúng còn phụ thuộc vào thành phần hoá học, nồng độ ion, độ pH của nước trong lỗ rỗng. Đất có hàm lượng nhóm hạt sét, hạt bụi càng lớn, các khoáng vật có tính −a n−ớc càng cao thì tính dẻo của đất càng lớn và ng−ợc lại. Đất rời không có tính dẻo. Nh− vậy, chỉ số dẻo là chỉ tiêu đối với nước của đất có quan hệ chặt chẽ với thành phần của đất, đặc trưng cho sự tham gia của thành phần hạt sét trong đất.
Theo tiêu chuẩn xây dựng TCVN 9362:2012, dựa vào chỉ số dẻo, có thể phân loại
đất loại sét theo thành phần hạt nh− sau:
IP ≥ 17 → §Êt sÐt;
7 ≤ IP < 17 → §Êt sÐt pha;
1 ≤ IP < 7 → Đất cát pha;
IP < 1 → Đất cát.
d. Độ sệt
Độ sệt (Is) đặc tr−ng gần đúng cho trạng thái tồn tại trong tự nhiên của đất loại sét và đ−ợc xác định theo biểu thức sau:
P P
I W I W
S
= − (69) Độ sệt là chỉ tiêu thường được dùng để phân loại trạng thái của đất. Dựa vào độ sệt, trạng thái của đất loại sét đ−ợc phân chia nh− sau:
Is ≤ 0 → Đất ở trạng thái cứng;
0 < Is ≤ 0,25 → Đất ở trạng thái nửa cứng;
0,25 < Is ≤ 0,5 → Đất ở trạng thái dẻo cứng;
0,5 < Is ≤ 0,75 → Đất ở trạng thái dẻo mềm;
0,75 < Is ≤ 1,0 → Đất ở trạng thái dẻo chảy;
Is >1,0 → Đất ở trạng thái chảy.
3.4.3. Các chỉ tiêu tính chất cơ học 1. Chỉ tiêu đặc tr−ng độ bền a. Cường độ kháng cắt của đất
Cường độ kháng cắt là chỉ tiêu đặc trưng cho độ bền của đất, tức là khả năng chống lại sự phá hoại đất dưới tác dụng của lực ngoài. Cường độ kháng cắt phụ thuộc vào thành phần, trạng thái, kết cấu của đất và cả áp lực tác dụng vuông góc với phương cắt, tức là phụ thuộc vào ma sát giữa các hạt, mối liên kết giữa chúng. Cường độ kháng cắt của đất đ−ợc quyết định bởi hai đại l−ợng: lực dính kết (c) và góc ma sát trong (ϕ).
70
Theo định luật Coulomb, quan hệ giữa cường độ chống cắt và áp lực pháp tuyến là quan hệ đ−ờng thẳng và đ−ợc biểu diễn bằng ph−ơng trình:
τ = σtgϕ + c (kG/cm2) (70) Trong đó: σ- áp lực pháp tuyến (kG/cm2);
tgϕ- hệ số ma sát trong.
Các đặc trưng ϕ, c có thể được xác định bằng phương pháp cắt theo mặt phẳng
định trước, cắt ba trục trong phòng, xác định bằng phương pháp cắt mẫu lớn hay một số ph−ơng pháp khác tại hiện tr−ờng.
Thí nghiệm cắt theo mặt phẳng định trước là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất. Theo ph−ơng pháp này, thí nghiệm cắt th−ờng đ−ợc tiến hành với 3 mẫu theo 3 cấp áp lực pháp tuyến khác nhau(σ1, σ2, σ3). Giá trị của các cấp áp lực thẳng đứng phụ thuộc vào trạng thái của đất thí nghiệm. Đất càng cứng, chênh lệch giữa các cấp áp lực càng lớn. Khi cắt, ứng với 3 cấp áp lực σ1, σ2, σ3, xác định được các giá trị cường độ kháng cắt tương ứng τ1, τ2, τ3. Biểu diễn quan hệ τ = f(σ) trên đồ thị (hình 25), từ đó xác định đ−ợc các giá trị ϕ và c. Ngoài cách xác định ϕ và c theo đồ thị còn có thể xác
định ϕ và c bằng phương pháp giải tích.
Đối với đất rời, giữa các hạt hầu nh− không có mối liên kết, lực dính kết gần nh−
bằng không, phương trình Coulomb biểu diễn quan hệ giữa cường độ kháng cắt và áp lực pháp tuyến có dạng ττττ = σtgϕ (hình 26).
Như vậy, đối với loại đất rời, cường độ kháng cắt được đặc trưng bởi lực ma sát giữa các hạt (tức là góc ma sát trong ϕ của đất).
Trường hợp đất bão hòa nước, phương trình Coulomb có dạng:
τ = (σ-u)tgϕ + c (71) Trong đó: u- áp lực nước lỗ rỗng.
τ3 τ2 τ1
τ
σ1 σ2 σ2 σ
ϕ
τ = σ.tgϕ
Hình 26: Đồ thị kháng cắt của đất rời σ
τ
σ
τ
τ3
τ2 τ1
τ
c
σ1 σ2 σ2 σ
ϕ
τ = σ.tgϕ + c
Hình 25: Sơ đồ thí nghiệm cắt phẳng và đồ thị kháng cắt của đất dính nÐn lón
71
b. Cường độ kháng nén, kháng cắt của đá cứng và đá nửa cứng
Đối với đá cứng và đá nửa cứng, đặc trưng cho độ bền là các chỉ tiêu cường độ kháng nén một trục(Rn), cường độ kháng cắt (c, ϕ), kháng kéo (Rk) và kháng uốn (Ru).
Đây là những chỉ tiêu thể hiện khả năng chống lại sự phá hoại đá dưới tác dụng của lực nén, lực cắt và lực kéo từ bên ngoài. Những chỉ tiêu này phụ thuộc tr−ớc hết vào thành phần khoáng vật tạo đá và mối liên kết giữa chúng. Ngoài ra, chúng còn phụ thuộc vào
đặc điểm kiến trúc, cấu tạo, trạng thái, ... và đặc biệt là đặc tính phân lớp, mức độ nứt nẻ, phá huỷ kiến tạo của đá. Trong một loại đá, cường độ kháng nén thường lớn hơn cường độ kháng cắt, kéo, uốn rất nhiều, có thể tới hàng chục, hàng trăm lần.
Để xác định các đặc tr−ng độ bền của đá, cần phải sử dụng các thiết bị chuyên dùng. Trong đó, cường độ kháng nén một trục Rn được xác định bằng thí nghiệm nén một trục trong phòng, cường độ kháng cắt được xác định bằng thí nghiệm nén 3 trục trong phòng hay cắt mẫu lớn trong hầm tại hiện tr−ờng.
2. Chỉ tiêu đặc tr−ng biến dạng a. Hệ số nén lún của đất
Hệ số nén lún (a) là chỉ tiêu biến dạng quan trọng nhất của đất. Nó đặc tr−ng cho khả năng bị nén chặt của đất khi chịu tác dụng của lực ngoài.
Để xác định hệ số nén lún của đất, tiến hành thí nghiệm nén mẫu đất trong phòng ở điều kiện không nở hông với các cấp áp lực nén (σ) khác nhau. Khoảng cách giữa các cấp áp lực nén phụ thuộc vào từng loại đất (có thể là 0,2; 0,5 hay 1,0kG/cm2). Đất có khả năng bị nén lún càng cao, khoảng cách gữa các cấp áp lực càng nhỏ và ng−ợc lại. Độ lún của đất ở mỗi cấp áp lực thí nghiệm đ−ợc đo bằng đồng hồ biến dạng cho
đến khi ổn định. Từ thí nghiệm, xác định đ−ợc các giá trị hệ số rỗng (ei) ứng với mỗi cấp áp lựcnén (σi). Quan hệ giữa σ và e là một đ−ờng cong dạng hình hypecbol. Khi σ càng tăng, e càng giảm (hình 27).
Mức độ giảm hệ số rỗng dưới tác dụng của áp lực nén được đặc trưng bằng hệ số a, đ−ợc gọi là hệ số nén lún:
a = - de/dσ (cm2/kG)
Trong phạm vi thay đổi của σ không lớn lắm, sự biến đổi của đường cong nén lún coi nh− thẳng (đoạn AB), một cách gần đúng có thể thay:
i i
i
i e
e a e
e d
de
σ σ σ σ
σ −
= −
∆
− ∆
⇒ =
∆
= ∆
+ + 1
1 (72)
Trong đó: ei + 1, ei - hệ số rỗng ứng với áp lực nén σi + 1 , σi .
Hình 27: Sơ đồ thí nghiệm xác định hệ số nén lún và đồ thị đường cong nén lún
∆h σ
h
e e1
e2 e3
A
B
σ1 σ2 σ3 σ