Chương II: Tính chất cơ lý của đất

Ch­¬ng ii TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT Ch­¬ng ii. TÝNH CHÊT C¥ Lý CñA ®Êt Nội dung: Sù h×nh thµnh ®Êt Mét sè tÝnh chÊt c¬ b¶n cña ®Êt th­êng dïng trong x©y dùng. Ph©n lo¹i ®Êt (®¸) I. Sù h×nh thµnh ®Êt Đất được hình thành do kết quả của quá trình phong hoá các loại đá gốc, sau đó được vận chuyển và lắng đọng lại trong quá trình trầm tích trên bề mặt Trái đất. Chúng là những mảnh vụn rời rạc chưa được gắn kết với nhau trong quá trình trầm tích. Các yếu tố quan trọng trong sự hình thành đất là khí hậu, vật liệu gốc, địa hình, sinh vật và thời gian. Theo nguồn gốc và điều kiện hình thành, chia ra: Trầm tích lục địa: gồm các loại đất thành tạo trong đất liền. - Đất tàn tích (eluvi): gồm các sản phẩm phong hoá khác nhau của đá còn lại tại chỗ. I. Sù h×nh thµnh ®Êt Theo nguồn gốc và điều kiện hình thành, chia ra: Trầm tích lục địa: gồm các loại đất thành tạo trong đất liền. - Đất sườn tích (deluvi): gồm các sản phẩm phong hoá khác nhau được vận chuyển xuống sườn dốc hoặc chân sườn dốc do tác dụng của nước mưa hay tuyết tan rồi lắng đọng lại. Theo nguồn gốc và điều kiện hình thành, chia ra: Trầm tích lục địa: gồm các loại đất thành tạo trong đất liền. - Đất bồi tích (aluvi): gồm các sản phẩm được thành tạo ở sông. Theo nguồn gốc và điều kiện hình thành, chia ra: Trầm tích lục địa: gồm các loại đất thành tạo trong đất liền. - Đất lũ tích (proluvi): gồm những trầm tích được thành tạo từ dòng lũ bùn đá của các sông miền núi hay các dòng chảy nhất thời. Theo nguồn gốc và điều kiện hình thành, chia ra: Trầm tích lục địa: gồm các loại đất thành tạo trong đất liền. - Đất hồ tích (lacustrine): gồm các sản phẩm được thành tạo trong các hồ nước. Theo nguồn gốc và điều kiện hình thành, chia ra: Trầm tích lục địa: gồm các loại đất thành tạo trong đất liền. - Đất phong thành (aeolian): gồm các sản phẩm được thành tạo do hoạt động vận chuyển và tích tụ của gió. Đụn cát. Trầm tích vũng vịnh: là dạng đặc biệt của trầm tích thềm lục địa, bao gồm: Trầm tích vũng vịnh, trầm tích tam giác châu, trầm tích cửa sông. Trầm tích biển: là những loại đất được thành tạo ở biển. Một số đặc điểm cơ bản của đất Các thành phần chủ yếu của đất: Hạt rắn; Nước trong đất; Khí trong đất. Các thành phần chủ yếu của đất: Hạt rắn: Là những mảnh vụn đá có thành phần khoáng vật, hình dạng và kích thước khác nhau. Nó quyết định tính chất xây dựng của đất. KV thạch anh và Felspat ít có tác dụng với nước bao quanh; KV monmorilonit tác dụng mạnh với nước làm đất trương nở. Kích thước hạt quyết định tỷ bề mặt. Hạt càng nhỏ thì tỷ bề mặt càng lớn. Khi găp nước, lượng nước bao quanh các hạt sẽ lớn, sự tương tác giữa các hạt với nhau càng nhiều, càng mạnh hơn. Các thành phần chủ yếu của đất: Nước trong đất: Tồn tại trong đất dưới nhiều dạng khác nhau, có thể chia ra: Nước trong khoáng vật của hạt đất: tồn tại trong tinh thể khoáng vật của hạt đất dưới dạng các ion hay phân tử, không bị tách ra khỏi đất bằng biện pháp cơ học và ít ảnh hưởng tới tính chất của đất. Nước kết hợp mặt ngoài hạt đất: là loại nước được giữ trên bề mặt hạt đất do tác dụng hoá học, hoá lý, lực điện phân tử, tính chất khác nước tự do và không chịu tác dụng của trọng lực. Theo cường độ lực điện phân tử chia ra: Nước hút bám: bám chặt vào mặt ngoài hạt đất; Nước kết hợp mạnh: bám rất chắc vào hạt đất; Nước kết hợp yếu: bao bọc bên ngoài nước kết hợp mạnh, không khác nhiều so với nước thường. Nước tự do: Là loại nước nằm ngoài phạm vi tác dụng của lực điện phân tử, chia ra: Nước mao dẫn: dâng lên theo các lỗ rỗng nhỏ giữa các hạt đất, di chuyển trong đất nhờ tác dụng của lực mao dẫn; Nước trọng lực: là nước tự nhiên nằm trong các lỗ rỗng của đất, di chuyển trong đất nhờ tác dụng của trọng lực. Các dạng tồn tại : Nước trong nền đất đá có thể ở cả 3 trạng thái : rắn, lỏng và hơi. Nước có thể được liên kết với các hạt đất đá ở dưới các dạng : liên kết trong mạng tinh thể các khoáng vật (mặt trong) với số lượng tùy thuộc vào loại khoáng vật. Nước liên kết trên bề mặt của các hạt keo (d 30%. §Æc ®iÓm: cã tÝnh dÎo, dÝnh, tr­¬ng në m¹nh, tÝnh thÊm n­íc rÊt kÐm nªn th­êng ®­îc dïng lµm vËt liÖu chèng thÊm; Khi chÞu t¶i träng, ®Êt sÐt bÞ lón nhiÒu vµ l©u æn ®Þnh trong suèt thêi gian dµi. C¸c lo¹i ®Êt th­êng gÆp: 3. §Êt cã thµnh phÇn, tr¹ng th¸i vµ tÝnh chÊt ®Æc biÖt Bao gåm ®Êt bïn, ®Êt than bïn, ®Êt nhiÔm muèi, nhiÔm phÌn, ®Êt tr­¬ng në vµ co ngãt, ®Êt lón ­ít,… Khi x©y dùng ®­îc thÝ nghiÖm riªng vµ thiÕt kÕ biÖn ph¸p xö lý ®Æc biÖt. II. Một số tính chất cơ bản của đất đá thường dùng trong xây dựng 1. Tính chất cơ bản của đất Mô hình đất 3 pha 1. Tính chất cơ bản của đất Các chỉ tiêu đặc trưng cho hàm lượng tương đối các pha trong đất Các chỉ tiêu trạng thái của đất Các tính chất cơ học của đất Tính chất cơ bản của đất Các chỉ tiêu đặc trưng cho hàm lượng tương đối các pha trong đất Trọng lượng thể tích Độ rỗng và hệ số rỗng Các chỉ tiêu liên quan đến pha lỏng Các chỉ tiêu đặc trưng cho pha rắn Trọng lượng thể tích của đất 1. Trọng lượng thể tích tự nhiên của đất (, kN/m3) (Qk  0) Là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng thái tự nhiên (mẫu nguyên trạng có độ ẩm và độ rỗng tự nhiên) Các phương pháp xác định: Phương pháp dao vòng Phương pháp bọc sáp Phương pháp đo thể tích bằng dầu hỏa Trọng lượng thể tích của đất 2. Trọng lượng thể tích khô của đất (c, kN/m3) Là trọng lượng của một đơn vị đất ở trạng thái khô xác định sau khi sấy ở 1050C ± 50C cho tới trọng lượng không đổi. Trọng lượng thể tích của đất 3. Trọng lượng thể tích bão hòa (no nước) (nn, kN/m3) Là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất khi các lỗ rỗng lấp đầy nước 4. Trọng lượng thể tích đẩy nổi (đn, kN/m3) Là trọng lượng của một đơn vị thể tích xác định khi đất nằm dưới mặt nước chịu tác động của lực đẩy Archimede Chú ý: Trong cùng một loại đất nn >  > c > đn - Độ rỗng và hệ số rỗng Độ rỗng (n, %): Là tỷ số giữa thể tích phần rỗng và thể tích toàn bộ mẫu đất, tính bằng % Hệ số rỗng (e): Là tỷ số giữa thể tích phần rỗng và thể tích phần hạt của mẫu đất. Quan hệ toán học giữa độ rỗng và hệ số rỗng Các chỉ tiêu liên quan đến pha lỏng 1. Độ ẩm (W, %) Là tỷ số giữa trọng lượng nước chứa trong đất và trọng lượng hạt đất có khi mẫu được sấy khô 2. Độ bão hòa (Sr) Là tỷ số giữa thể tích lượng nước chứa trong mẫu đất và thể tích phần lỗ rỗng của mẫu. Các chỉ tiêu liên quan đến pha lỏng 3. Giới hạn Atterberg Độ ẩm giới hạn dẻo (WP %): tương ứng với độ ẩm mà thấp hơn nó, đất sẽ chuyển sang trạng thái cứng. Độ ẩm giới hạn chảy (WL %): tương ứng với độ ẩm mà khi vượt qua nó đất sẽ chuyển sang trạng thái chảy. Chỉ số dẻo Ip: IP=WL-WP (%) Gọi tên đất: Phương pháp xác định: Phương pháp xác định WP: Phương pháp vê giun - Phương pháp xác định WL: Phương pháp chùy Vaxiliev và phương pháp đĩa đập Casagrande Ph­¬ng ph¸p Casagrande Ph­¬ng ph¸p chuú xuyªn Vaxiliev Ph­¬ng ph¸p vª giun Ph­¬ng ph¸p Casagrande Các chỉ tiêu đặc trưng của pha rắn Trọng lượng riêng của đất (trọng lượng riêng của hạt) (s, kN/m3): Là trọng lượng của một đơn vị thể tích của bản thân các hạt rắn tạo nên đất. Tỷ trọng của hạt đất (∆) : Là tỷ số giữa trọng lượng riêng của đất và trọng lượng riêng của nước Phương pháp xác định: Phương pháp bình tỷ trọng Các chỉ tiêu đặc trưng của pha rắn Thành phần hạt: Thành phần hạt là hàm lượng tương đối của các nhóm hạt trong chúng tính theo khối lượng. Đất là một hỗn hợp các loại hạt có hình dạng, kích thước khác nhau. Các hạt gần nhau về kích thước (được đánh giá bằng đường kính hạt) và có các đặc tính ĐCCT tương tự nhau thì được gộp chung vào một nhóm Phương pháp xác định: + Phương pháp rây + Phương pháp tỷ trọng kế * Thµnh phÇn h¹t (cÊp phèi h¹t) cña ®Êt ®­îc biÓu thÞ b»ng tû lÖ phÇn tr¨m khối lượng cña mét cì h¹t nµo ®ã so víi toµn bé mÉu ®Êt kh« tuyÖt ®èi. * Ph­¬ng ph¸p x¸c ®Þnh: - Ph­¬ng ph¸p r©y: + R©y kh«: x¸c ®Þnh ®­îc ®Õn cì h¹t 0,5mm. + R©y ­ít: x¸c ®Þnh ®­îc ®Õn cì h¹t 0,1mm. Vs Các chỉ tiêu đặc trưng của pha rắn Đất là một hỗn hợp các loại hạt có hình dạng, kích thước khác nhau. Các hạt gần nhau về kích thước (được đánh giá bằng đường kính hạt) và có các đặc tính ĐCCT tương tự nhau thì được gộp chung vào một nhóm - Ph­¬ng ph¸p tû träng kÕ: + X¸c ®Þnh c¸c cì h¹t 0 Thí nghiệm cắt trực tiếp Đối với đất rời: c=0,>0 Thí nghiệm cắt trực tiếp Đối với đất dính bão hòa, trong điều kiện không thoát nước: Su=f=cu ; u  0 Thí nghiệm cắt trực tiếp Ưu điểm của thí nghiệm cắt trực tiếp Dễ dàng áp dụng và nhanh đối với đất rời Nhược điểm của thí nghiệm cắt trực tiếp Mặt trượt quy định trước, không phù hợp với thực tế Diện tích mẫu đất khi bị cắt giảm, dẫn đến không chính xác Không đo được áp lực nước lỗ rỗng, chỉ xác định được thành phần sức chống cắt trong điều kiện không thoát nước(điều kiện ứng suất tổng), nên độ chính xác không cao. Thí nghiệm cắt trực tiếp * Áp lực buồng Đo áp lực nước lỗ rỗng và thay đổi thể tích Màng cao su Áp lực nước Đá thấm Bình hình trụ Tải trọng thẳng đứng Mẫu đất Thí nghiệm cắt đất bằng máy nén ba trục * Áp lực buồng Áp lực nước O-ring seals Đá thấm Mặt phẳng phá hoại Thí nghiệm cắt đất bằng máy nén ba trục Trình tự thí nghiệm Mẫu đất hình trụ được bọc bằng màng cao su mỏng và đặt vào buồng nén của máy nén 3 trục Cung cấp nước áp lực vào buồng nén tác động vào mẫu đất ứng suất đẳng hướng (2= 3) Giữ nguyên áp lực buồng và tăng tải trọng dọc trục cho đến khi mẫu bị phá hoại cắt, đo tải trọng P Độ lệch ứng suất lúc phá hoại là =P/F; với F là diện tích mẫu đất Đo sự thay đổi chiều dày mẫu dh, và thay đổi thể tích dV mẫu đất Tính toán Biến dạng dọc trục Biến dạng thể tích Thí nghiệm cắt đất bằng máy nén ba trục Diện tích mặt cắt ngang của mẫu h0 là chiều cao mẫu ban đầu, Vo là thể tích mẫu ban đầu Ứng suất chính lớn nhất Thí nghiệm cắt đất bằng máy nén ba trục Kết quả thí nghiệm Từ các cặp giá trị 3 ~ σ1 vẽ 3 vòng tròn Morh, xác định được các đặc trưng sức chống cắt Thí nghiệm cắt đất bằng máy nén ba trục 3. Tính chất cơ học của đất * Đặc tính đầm chặt của đất Thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn Dùng thiết bị cối đầm proctor để xác định độ ẩm tối ưu và trọng lượng thể tích khô lớn nhất TN Proctor tiêu chuẩn: TN Proctor cải tiến: 3 lớp 25 lần đầm/1lớp 5 lớp 25 lần đầm/1lớp Búa 2.7 kg Chiều cao rơi 300 mm Búa nặng 4.9 kg Chiều cao rơi 450 mm V=1000 ml 3. Tính chất cơ học của đất Đặc tính đầm chặt của đất * Trình tự thí nghiệm MÉu ®Êt, sau khi ®­îc hong kh« giã, sµng qua cì r©y 20mm råi trén ®Òu víi mét l­îng n­íc nhÊt ®Þnh ĐÊt chÕ bÞ ®ã ®­îc cho vµo cèi ®Çm víi sè líp vµ sè bóa ®Çm trong mét líp tu©n theo tiªu chuÈn Ên ®Þnh tr­íc Sau khi ®Çm xong, bá thµnh ch¾n ra, dïng dao s¾c c¹o ph¼ng bÒ mÆt, ®em c©n c¶ cèi vµ ®Êt Sau ®ã, lÊy ®Êt trong cèi ra, lÊy mét phÇn lµm mÉu ®Êt ®Ó thÝ nghiÖm ®é Èm W1 BiÕt ®­îc träng l­îng ®Êt trong tõng lÇn ®Çm vµ ®é Èm t­¬ng øng cho phÐp ta x¸c ®Þnh ®­îc träng lượng thể tích kh«: Tiếp tục thêm nước vào và tiến hành tương tự , xác định được k2 Thí nghiệm dừng lại khi tăng độ ẩm nhưng k lại giảm( làm khoảng 5 lần) 3. Tính chất cơ học của đất Đặc tính đầm chặt của đất * Kết quả thí nghiệm Hệ số đầm chặt Víi nÒn ®­êng ®¾p K=0.95 ~ 0.98. 3. Tính chất cơ học của đất Đặc tính đầm chặt của đất Tỷ số sức chịu tải California (CBR – California Bearing Ratio) Là tỷ số % giữa áp lực cần thiết để ấn 1 trục thép hình trụ có d = 51mm ngập sâu vào mẫu đất 2,54mm hoặc 5,08mm và áp lực cần thiết để ấn chính trục đó ngập sâu vào mẫu đá dăm tiêu chuẩn các đoạn cũng bằng như vậy (Các áp lực này đã tính bằng 6,9 và 10,3MPa) Tỷ số sức chịu tải CBR thể hiện khả năng chịu tải của các loại đất, cốt liệu đất khi chúng được đầm chặt trong phòng thí nghiệm, giúp cho việc đánh giá các lớp đất nền, đất sét. 2. Tính chất cơ bản của đá a. Tính chất cơ bản của mẫu đá b. Tính chất cơ bản của khối đá a. Tính chất cơ bản của đá Các chỉ tiêu đặc trưng cho hàm lượng tương đối giữa các pha trong đá (giống như phần đất) Các loại độ bền của đá 1. Tính chất cơ bản của mẫu đá Các loại độ bền của đá Trong đó: Pmax lực nén lớn nhất làm phá huỷ mẫu F0 diện tích tiết diện ngang ban đầu của mẫu Độ bền của đá là tính chất của đá chống lại sự phá hủy tạo nên biên dạng dư lớn dưới tác dụng của tải trọng. Độ bền của đá bao gồm các loại sau: + Độ bền nén (n , MPa) : là chỉ tiêu đặc trưng cho khả năng chống nén của đá. Về trị số, nó bằng tỷ số giữa lực nén lớn nhât làm phá hủy mẫu và diên tích tiết diện ngang ban đầu của mẫu. 1. Tính chất cơ bản của đá Các loại độ bền của đá * Độ bền nén có thể xác định bằng 2 phương pháp sau: Phương pháp nén mẫu hình dạng chuẩn : mẫu phải được mài nhẵn, sai lệch về độ song song giữa 2 mặt mẫu không quá 0,05mm, sai lệch về độ vuông góc giữa mặt mẫu và đường sinh không quá 0,05mm, độ lồi của mặt mẫu không quá 0,03mm. Phương pháp nén mẫu hình dạng bán chuẩn : chỉ cần mài nhẵn 2 mạt để chúng song song với nhau, độ sai lệch không quá 0,05mm. Hệ số hoá mềm khm: là tỷ số giữa hai độ bền của cùng một loại đá ở trạng thái no nước và trạng thái khô gió. 1. Tính chất cơ bản của đá Các loại độ bền của đá * Độ bền kéo (k, MPa): là đặc trưng cho khả năng chống kéo của đá. Tùy theo cách thức thí nghiệm mà công thức độ bền kéo cũng khác nhau. Phương pháp kéo trực tiếp : mẫu được gia công thành các hình dạng khác nhau rồi được kẹp 2 đầu vào bộ phận kéo bằng những đồ gá đặc biệt. Dưới tác dụng của lực kéo, mẫu bị phá huỷ. Trong đó: Pmax­­ lực kéo lớn nhất làm phá huỷ mẫu Fp diện tích tiết diện ngang của mẫu tại đó xảy ra sự phá huỷ 1. Tính chất cơ bản của đá Các loại độ bền của đá * Độ bền cắt (): là chỉ tiêu đặc trưng cho khả năng chống lại của đá với các ngoại lực làm dịch chuyển phần này so với phần khác của nó. Về trị số, độ bền cắt được xác định bằng tỷ số giữa lực tiếp tuyến (lực cắt) T và diện tích mẫu đá ban đầu F0 * Phương pháp cắt trực tiếp: Dựa vào lực cắt làm phá hủy mẫu theo 1 hay 2 mặt phẳng và diện tích các mặt cắt trong các phương pháp khác nhau mà người ta sẽ tính được độ bền cắt. Phương pháp này hiện nay ít được sử dụng. * Phương pháp cắt có nén : Mẫu đá được đặt trong khuôn thép có góc vát khác nhau (đối với đá cứng góc vát  = 45 và 600, đối với đá yếu  = 300). Dưới tác dụng của lực nén, khuôn thép dịch chuyển ngang và mẫu sẽ bị phá huỷ theo mặt vát của khuôn. 1. Tính chất cơ bản của đá * Độ bền cắt (): Trong đó: T - thành phần lực cắt tính theo P (tải trọng phá huỷ mẫu) F - tiết diện của mẫu khi bị phá huỷ, chính bằng d.h. p - áp lực trên 1 đơn vị diện tích mặt mẫu. * Độ bền uốn: Trong đó: Mu – Mômen uốn lớn nhất ứng với tải trọng phá huỷ mẫu Wu – Mômen chống uốn của tiết diện 2. Tính chất cơ bản của khối đá Mức độ phong hóa Dùng hệ số phong hoá kph kph = 1 ®¸ kh«ng bÞ phong ho¸ kph = 1 - 0,9 ®¸ phong ho¸ nhÑ kph = 0,9 - 0,8 ®¸ phong ho¸ võa kph 100000kG/cm2 Tính ổn định cao, hệ số kiên cố k>8 Thấm nước yếu, hệ số thấm k<10m/ngàyđêm Các đá magma, trầm tích, biến chất: thuận lợi làm nền công trình xây dựng, thuận lợi, không cần xử lý. Phân loại theo quan điểm ĐCCT Đá nửa cứng Cường độ cao, R = 150 – 500kG/cm2 Biến dạng nhỏ, E=100000-20000kG/cm2 Tính ổn định khá, hệ số kiên cố kck= 2 - 8 Thấm nước trung bình, hệ số thấm k=0.5 - 10m/ngđ Các đá magma, trầm tích, biến chất bị phong hóa nhẹ, nứt nẻ ít . Khá tốt, chủ yếu chỉ xử lý chống thấm Phân loại theo quan điểm ĐCCT Đất rời Cường độ thấp, Biến dạng trung bình, E<1000kG/cm2 Tính ổn định cao, hệ số kiên cố kck<2 Thấm nước lớn, Các đất cuội sỏi, dăm, cát không có liên kết xi măng Khi xây dựng cần xử lý thấm, tăng cường độ Phân loại theo quan điểm ĐCCT Đất dính Cường độ thấp, Biến dạng trung lớn, kéo dài, E<300kG/cm2 Tính ổn định cao, hệ số kiên cố kck<2 Thấm nước nhỏ Các đất sét pha, sét… có tính biến dạng lâu dài, cường độ thấp, khi xây dựng cần xử lý chống lún, mất ổn định Phân loại theo quan điểm ĐCCT Đất có thành phần và tính chất đặc biệt Cường độ thấp, Biến dạng trung lớn Tính ổn định thấp Có tính chất đặc biệt Các loại đất bùn, than bùn, bùn hữu cơ…đất thổ nhưỡng, đất nhiễm muối, đá chứa muối, đá dễ hòa tan. Cần có biện pháp xử lý đặc biệt CÂU HỎI KIỂM TRA 1. Thành phần đất: Sơ đồ 3 pha của đất; Thành phần hạt, khí, nước. 2. Sơ đồ 3 pha của đất; Trọng lượng thể tích tự nhiên, trọng lượng thể tích khô, trọng lượng thể tích đẩy nổi; Trọng lượng riêng thành phần hạt; 3. Sơ đồ 3 pha của đất; Trọng lượng thể tích bão hòa, độ ẩm, độ bão hòa 4. Sơ đồ 3 pha của đất; Độ rỗng; Hệ số rỗng; Tỷ trọng hạt; 5. Chỉ số dẻo của đất là gì?