Cơ học đất - Chương 1: Bản chất vật lý của môi trường đất

CƠ HỌC ĐẤT Chương 1 Bản chất vật lý của môi trường đất ThS Phạm Sơn Tùng Sự hình thành các loại đất Toàn bộ đất có nguồn gốc trực tiếp hay gián tiếp từ đá cứng: 1) Đá macma: thành tạo từ vật liệu nóng chảy 2) Đá trầm tích: thành tạo ở dạng lớp do các vật liệu lắng đọng trong nước 3) Đá biến chất: thành tạo từ các đá đã tồn tại trước, sau bị biến đổi do quá nóng hoặc áp lực quá cáo Quá trình biến đổi Đá→Đất chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố => các loại đất khác nhau. Các loại đất đều được hình thành do quá trình Phong hóa, Chuyển dời và Lắng đọng. Quá trình phong hóa • Là quá trình đá bị biến đổi thành đất dưới tác dụng của các tác nhân tự nhiên • Các tác nhân tự nhiên: vật lý, hóa học, hóa sinh • Ví dụ: – Nước → vụn đá sắc, góc cạnh – Gió → các hạt tròn – Hóa học → một số khoáng vật bền, không bị biến đổi (thạch anh, muxcovit), một số khoáng vật khác không bền, bị biến đổi → hình thành các loại đất khác nhau Quá trình chuyển dời • Quá trình các hạt đất được di chuyển từ nơi này sang nơi khác dưới tác dụng của gió, nước, sông băng, trọng lượng bản thân • Tác dụng chính của chuyển dời là sự tuyển lựa • Sự chuyển dời sẽ kéo theo quá trình lắng đọng (nước), hoặc trầm đọng (gió, sông băng) → hình thành trầm tích Các thành phần cấu tạo chính của đất Pha rắn • Các vụn đá, hạt cuội: d > 2 mm • Các hạt khoáng: 2 mm ≥ d > 1µm – Hạt cát: 2 mm ≥ d > 0,05 mm – Hạt bụi: 0,05 mm ≥ d > 0,005 mm – Hạt sét: 0,005 mm ≥ d > 0,001 mm • Vật chất hữu cơ: đất mùn, thường nằm trên cùng, không dày quá 0,5 m. Có tính nén lún cao, hấp thụ nhiều nước Nước trong đất Các đới nước ngầm - Chiều cao mao dẫn với đất cát khoảng từ vài đến vài chục cm - Chiều cao mao dẫn với đất sét có thể lến đến hàng trăm cm Khí trong đất • Đất không hoàn toàn khô hay hoàn toàn bão hòa • Thực tế: đất “khô” vẫn chứa hơi nước, đất “hoàn toàn bão hòa” vẫn có 2% lỗ rỗng khí • Không khí chịu nén và hơi nước có thể đóng băng nên có ảnh hưởng tới tính chất của đất Đất rời và Đất dính • Hàm lượng các hạt sét chiếm trên 3% khối lượng đất khô thì đất có tính dẻo dính → đất dính • Các hạt sét có thể ở dạng cấu trúc Kết bông hoặc cấu trúc Phân tán Đường cong tích lũy thành phần hạt • Đường cong tích lũy thành phần hạt của đất là đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa đường kính các hạt đất và phần trăm khối lượng của chúng trong mẫu đất khô • Hệ số không đồng đều: • Hệ số cấp phối: • d60: những cỡ hạt có đường kính bằng và nhỏ hơn nó chiếm 60 % trọng lượng đất khô 60 10 u d C d  2 30 10 60 ( ) *c d C d d  Phân loại cấp phối • W: cấp phối tốt (đường 1) • P: cấp phối kém (đường 2) • ĐCCP càng thoải thì đất càng không đồng đều (W), và ngược lại, càng dốc thì đất càng đồng đều (P) • Cu càng lớn đất càng không đồng đều và ngược lại Phân loại đất rời theo hàm lượng hạt • Đất hòn lớn (sỏi, cuội): khối lượng hạt lớn hơn 2 mm trên 50% • Đất cát: – Cát sỏi: khối lượng hát lớn hơn 2 mm trên 25 % – Cát thô: khối lượng hát lớn hơn 0,5 mm trên 50 % – Cát vừa: khối lượng hát lớn hơn 0,25 mm trên 50 % – Cát nhỏ: khối lượng hát lớn hơn 0,1 mm trên 75 % – Cát bột: khối lượng hát lớn hơn 0,1 mm dưới 75 % • Các phương pháp xác định thành phần hạt trong phòng thí nghiệm: TCVN 4198:1995 Tính chất vật lý của đất Ba chỉ tiêu vật lý cơ sở 1) Trọng lượng riêng tự nhiên của đất (γw): trọng lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng thái tự nhiên 2) Trọng lượng riêng hạt của đất (γh): trọng lượng một đơn vị thể tích hạt rắn của đất 3) Độ ẩm của đất (W): tỷ số giữa trọng lượng nước chứa trong lỗ rỗng của đất với trọng lượng hạt của đất Trọng lượng riêng của đất tự nhiên • Đơn vị: N/cm3 hoặc kN/m3 • Thường được xác định bằng thí nghiệm: TCVN 4202:1995 w Q V   Trọng lượng riêng hạt của đất • Đơn vị: N/cm3 hoặc kN/m3 • Thường được xác định bằng thí nghiệm: TCVN 4195:1995 • Tỷ trọng hạt: h h h Q V   h n     Độ ẩm của đất • Đơn vị: biểu thị bằng phần trăm (%) hoặc dưới dạng số thập phân • Thường được xác định bằng thí nghiệm: TCVN 4196:1995 W n h Q Q  Các chỉ tiêu vật lý khác • Trọng lượng riêng khô: trọng lượng một đơn vị thể tích đất ở trạng thái hoàn toàn khô • Đơn vị: N/cm3 hoặc kN/m3 • Thường được xác định gián tiếp bằng những công thức tính đổi h k Q V   • Trọng lượng riêng của đất no nước (hay đất bão hòa): trọng lượng một đơn vị thể tích đất ở trạng thái no nước (các lỗ rỗng chứa đầy nước) • Đơn vị: N/cm3 hoặc kN/m3 • Thường được xác định gián tiếp bằng những công thức tính đổi n h nn Q Q V    • Trọng lượng riêng đẩy nổi của đất (hay trọng lượng riêng của đất nằm dưới mực nước ngầm): trọng lượng của đất có kể đến lực đẩy nổi của nước (lực Acsimet) • Đơn vị: N/cm3 hoặc kN/m3 • Thường được xác định gián tiếp bằng những công thức tính đổi d .h h n n nn n Q V V         • Độ bão hòa: là phân lượng nước chứa trong lỗ rỗng, hay nói cách khác là tỷ số giữa thể tích nước với thể tích lỗ rỗng • Đơn vị: biểu thị bằng phần trăm (%) hoặc dưới dạng số thập phân • G = 0: đất khô hoàn toàn • G = 1: đất bão hòa hoàn toàn n r V G V  Độ bão hòa của đất cát • Độ bão hòa có liên quan tới một số tính chất cơ học của đất, đặc biệt là đất cát • G < 0,5: cát ít ẩm • 0,5 ≤ G ≤ 0,8: cát ẩm • G > 0,8: cát no nước • Độ rỗng: • Độ đặc: • Hệ số rỗng: • m + n = 1 • Đất cát: 0,3 ≤ e ≤ 0,8 • Đất sét: 0,3 ≤ e ≤ 2 • Than bùn: 2 ≤ e ≤ 10 rVn V  hVm V  r h V e V  Các công thức tính đổi w . (1 0,01 ) 1n W e       k 1he     0,01 .W G e   w 1 0,01k W     (%) 100 1 e n e   ( 1). 1 n dn e       Độ chặt của đất rời Loại đất Hệ số rỗng e Chặt Chặt vừa Xốp (rời) Cát sỏi, cát thô, cát vừa Cát nhỏ Cát bột (cát bụi)  0,55  0,60  0,60 0,55  0,70 0,60  0,75 0,60  0,80  0,70  0,75  0,80 Độ chặt tương đối của đất rời • Độ chặt tương đối của đất rời: • emax: hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái xốp nhất • emin: hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái chặt nhất • e: hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái tự nhiên • e = emax → D = 0: đất ở trạng thái xốp nhất • e = emin → D = 1: đất ở trạng thái chặt nhất ax ax min m m e e D e e    Độ chặt tương đối của đất rời Loại đất Độ chặt tương đối D Cát chặt Cát chặt vừa Cát xốp (rời) 1,00 ≥ D > 0,67 0,67 ≥ D > 0,33 0,33 ≥ D > 0 Một số thí nghiệm tại hiện trường để xác định độ chặt của đất rời • Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT (xem TCXD 226:99): đo được số N là số nhát đập để ống mẫu tiêu chuẩn (D = 51 mm, d = 38 mm) xuyên sâu vào đất 30 cm; búa đập nặng 63,5 kg được thả rơi tự do ở độ cao 76 cm Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT N D Trạng thái của cát 0  4 4  10 10  30 30  50  50 0,2 0,20  0,4 0,4  0,6 0,6  0,8 > 0,8 Rất xốp Xốp Chặt vừa Chặt Rất chặt Thí nghiệm xuyên tĩnh CPT • Thí nghiệm xuyên tĩnh CPT (xem TCXD 174:89): là thí nghiệm ấn một mũi côn (tiết diện ngang 10 cm2 góc mũi 60o) vào trong đất bằng lực ép tĩnh của kích thủy lực. Ta đo được sức kháng xuyên qc của đất ở mũi. Thí nghiệm xuyên tĩnh CPT Loại cát Trạng thái cát tùy thuộc qc, kg/cm2 Chặt Chặt vừa Rời Cát to, cát vừa (không phụ thuộc độ ẩm) Cát nhỏ (không phụ thuộc độ ẩm) Cát bụi – ít ẩm và ẩm Cát bụi – no nước 150 120 100 70 150 – 50 120 – 40 100 – 30 70 - 20 <50 <40 <30 <20 Sự đầm chặt đất • Ba mục tiêu chính của việc đầm chặt đất: – Giảm hệ số rỗng → Giảm hệ số thấm – Tăng độ bền chống cắt → Tăng sức chịu tải – Khả năng nén chặt của đất giảm đi → đất kém nhạy cảm với các thay đổi thể tích → tính lún giảm đi • Đầm chặt → thể tích lỗ rỗng khí giảm, thể tích nước không đổi → tăng dung trọng khô của đất • Hiệu quả của quá trình đầm chặt được đánh giá thông qua dung trọng khô đạt được của đất sau khi đầm. Dung trọng khô càng lớn thì hiệu quả đầm chặt càng cao • Hệ số đầm chặt: • γknht: dung trọng khô của đất ngoài hiện trường • γkmaxtc: dung trọng khô lớn nhất của đất đạt được sau khi được đầm chặt theo điều kiện tiêu chuẩn • Phương pháp xác định k trong phòng thí nghiệm: TCVN 4201:1995 max knht k tc k    -Độ ẩm tối ưu (W optimum) là lượng ngậm nước thích hợp để đạt được dung trọng khô lớn nhất ứng với một công đầm tiêu chuẩn nào đó - Mội loại đất có 1 giá trị độ ẩm tối ưu riêng. Ứng với độ ẩm này khi đầm đất sẽ cho dung trọng khô lớn nhất Một số phương pháp đầm chặt đất • Đầm lăn bánh láng: cho tất cả các loại đất trừ đất cát, cát bụi có độ đồng nhất cao (cấp phối kém) • Đầm bánh hơi: đất dính ẩm ướt • Đầm lăn kết hợp rung: đặc biệt hiệu quả với sét pha hoặc cát pha • Đầm chân cừu: dùng cho đất dính trong điều kiện độ ẩm thấp • Đầm rung điểu khiển bằng tay: cho đất rời ít ẩm Đầm lăn bánh láng Lăn kết hợp rung Đầm lăn bánh hơi Đầm chân cừu Đầm rung điều khiển bằng tay Tên và trạng thái của đất dính • Dựa vào chỉ số dẻo IP và độ sệt B IP = Wnh – Wd B = (W - Wd)/IP • Xác định Wnh và Wd : TCVN 4197:1995 Tên và trạng thái của đất dính • Giới hạn co ngót: là hàm lượng nước của mẫu mà sau đó mẫu sẽ không giảm thể tích nữa cho dù lượng nước có giảm thêm • Giới hạn dẻo: là hợp lượng nước thích hợp cho phép các hạt trượt qua với nhau mà không xuất hiện các vết nứt • Giới hạn chảy: khi độ ẩm tăng cao tới mức đất không còn khả năng hút ẩm và biểu hiện giống như một dịch thể (chảy tự do dưới trọng lượng bản thân) Phân loại đất dính theo chỉ số dẻo IP Tên đất dính IP Đất pha cát (á cát) Đất pha sét (á sét) Đất sét 1 ≤ IP ≤ 7 7 < IP ≤ 17 IP > 17 Phân loại đất dính theo độ sệt B Tên và trạng thái của đất Độ sệt B Cát pha: Rắn Dẻo Sệt Sét, pha sét: Rắn Nửa rắn Dẻo Dẻo mềm Dẻo sệt Sệt (nhão) B < 0 0 ≤ B ≤ 1 B > 1 B < 0 0 ≤ B ≤ 0,25 0,25 ≤ B ≤ 0,5 0,5 ≤ B ≤ 0,75 0,75 ≤ B ≤ 1 B > 1 Bài tập về đường cong cấp phối • I-20 Bài tập 1 Khối đất ẩm có thể tích 964 cm3, bằng cân tìm được khối lượng 1956 g. Độ ẩm xác định là 13% và tỉ trọng hạt là 2,7 g. Tính: – Dung trọng tự nhiên và dung trọng khô – Độ rỗng và hệ số rỗng – Độ bão hòa Bài tập 2 Một mẫu đất ẩm có độ rỗng 42%, tỉ trọng hạt 2,69 và độ bão hòa 84%. Hãy tính: - Hệ số rỗng - Dung trọng khô và dung trọng tự nhiên - Độ ẩm - Dung trọng tự nhiên bão hòa (no nước) Bài tập 3 • Một ống trụ cắt lõi có đường kính trong 100 mm, dài 125 mm được dùng để lấy mẫu đất. Sau khi gọt hai đầu, khối lượng tổng cộng của ống trụ và đất là 3508 g; khối lượng trụ rỗng là 1525 g. Sau khi sấy khô, riêng đất cân được 1633 g. Nếu tỉ trọng hạt tìm được là 2,71, hãy tính: – Dung trọng tự nhiên và dung trọng khô – Độ ẩm – Hệ số rỗng Bài tập 4 Trong thí nghiệm đầm chặt Proctor, các số liệu sau đã được ghi chép: Thể tích của khuôn là 0,945.10-3 m3. Khối lượng đất ẩm trong khuôn (kg) 1,791 1,937 2,038 2,050 2,022 1,985 Độ ẩm 8,4 10,6 12,9 14,4 16,6 18,6 Vẽ đường cong quan hệ dung trọng khô – độ ẩm và từ đó xác định dung trọng khô tối đa và độ ẩm tốt nhất cho đất được đầm chặt Bài tập • Đất cát có độ rỗng 38% và tỉ trọng hạt là 2,9. Hãy xác định: – Hệ số rỗng – Trọng lượng đơn vị khô – Trọng lượng đơn vị bão hòa – Trọng lượng đơn vị tự nhiên tại độ ẩm 27%