Bài giảng Địa kỹ thuật: Chương 2&3

Chia sẻ: Manh Manh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:36

Thêm vào BST

Báo xấu

164
lượt xem 26
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trình bày về Tính chất vật lý và cơ học của đất, bài giảng Địa kỹ thuật - Chương 2&3 sẽ giúp người học nắm được một số kiến thức về các thành phần vật chất tạo thành đất và các định nghĩa cơ bản, kết cấu đất thành phần hạt, phân loại đất,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Địa kỹ thuật: Chương 2&3

CHƯƠNG 3 TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 1.1 Các thành phần vật chất tạo thành đất và các định nghĩa cơ bản 1.1.1. Các thành phần tạo thành đất (Pha, thể). Đất gồm 3 thành phần vật chất: Hạt đất. Nước. Vt : Thể tích tổng của đất. Tồn tại trong lỗ Không khí. rỗng của đất VS : Thể tích phần hạt rắn. 1.1.2. Các định nghĩa cơ bản và quan hệ Vv : Thể tích rỗng ; Vv = Va + Vw giữa các pha tạo thành đất. Va : Thể tích khí. Vt = Vs + Vv Vw : Thể tích nước. M Độ ẩm w = w . 100 % (2-4). M s Khối lượng riêng tổng M ρ = t (2-5). V t Khối lượng riêng hạt Vv Hệ số rỗng e = (2-1). M s Vs ρ = s (2-6). Vs Vv Độ rỗng n = (2-2). Khối lượng riêng nước Vt Độ bảo hoà M ρ w = w (2-7). Vw V s = . 100 % (2-3). w Vv (Thường lấy bằng 1T/m3)
Loại đất Khối lượng riêng (Mg/m3) Khối lượng riêng khô ρsat ρd ρ’ M ρ d = s (2-8). Cát và cuội 1.9 – 2.4 1.5 – 2.3 1.0 – 1.3 V t sỏi Bụi sét 1.4 – 2.1 0.6 – 1.8 0.4 – 1.1 Khối lượng riêng bão hoà Sét tảng do 2.1 – 2.4 1.7 – 2.3 1.1 – 1.4 M + M băng ρ sat = s w (2-9). Vt Đá dăm 1.9 – 2.2 1.5 – 2.0 0.9 – 1.2 Than bùn 1.0 – 1.1 0.1 – 0.3 0.0 – 0.1 (Va= 0, S=100%) Bùn sét hữu 1.3 – 1.8 0.5 – 1.5 0.3 – 0.8 cơ Khối lượng riêng đẩy nổi Bảng 2-1 Các giá trị khối lượng riêng của một số loại đất thông thường ρ '= ρ − ρ sat w (2-10). 1.2 Kết cấu đất, xác định thành phần hạt. 1.1.3 Giải quyết các bài toán giữa các thể. 1.2.1 Kết cấu của đất. Ví dụ 2.2 Kết cấu của đất là các biểu hiện bên ngoài của Cho ρ = 1.76 Mg/m3 (khối lượng riêng tổng) đất, phụ thuộc vào kích thước tương đối và hình W = 10% ( Độ ẩm) dạng hạt cũng như độ lớn hay sự phân bố của các hạt. Yêu cầu: Xác định ρd (khối lượng riêng khô), e (hệ Kết cấu đất, đặc biệt là của kết cấu đất hạt thô, số rỗng), n (độ rỗng), S (độ bão hoà) và ρsat (khối có một vài liên quan đến tính chất xây dựng của lượng riêng bão hoà). nó. Theo kết cấu, đất được chia thành đất hạt thô (Vẽ sơ đồ 3 thể và dựa vào công thức định và đất hạt mịn. ( Hạt thô là những hạt có thể nhìn nghĩa để giải) thấy bằng mắt thường d>0.05 mm) Kết cấu và các đặc tính khác của các loại đất được trình bày trong bảng 2-2
1.2.2 Kích thước hạt và phân bố kích thước hạt Tên đất Cuội sỏi, cát Bụi Sét Kích thước hạt Hạt thô, có thể nhìn các hạt Hạt nhỏ, mịn khó phân biệt Hạt nhỏ, mịn không thể phân Kích thước hạt (đặc biệt là hạt thô) ⇒ ảnh bằng mắt thường bằng mắt thường biệt bằng mắt thường hưởng nhiều đến tính chất của đất. Đặc tính Không dính Không dính Dính Kích cỡ hạt phân bố trong phạm vi rất lớn. Không dẻo Không dẻo Dẻo Rời rạc Rời rạc Xác định thành phần hạt (phân tích cơ học) Ảnh hưởng của Không quan Quan trọng Rất quan trọng nước đến các trọng để có phân bố kích cỡ hạt. tính chất xây (Trừ trường hợp dựng vật liệu rời bão Dùng phương pháp rây hoà chịu tác dụng tải trọng (Với hạt có d > 0,05). động) Ảnh hưởng của Quan trọng Tương đối Tương đối Đường kính hạt ⇒ Đường kính tương kích thước hạt không quan không quan đến tính chất trọng trọng đương. xây dựng Các hạt có đường kính nhỏ hơn và bằng Bảng 2-2 Kết cấu và các đặc tính khác của các loại đất 0,05 dùng phương pháp tỷ trọng kế. Tiêu chuẩn Mỹ Lỗ rây Số rây (mm) 4 4.75 10 2.00 20 0.85 40 0.425 Vv e = 60 0.25 Vs Vv 100 0.15 n = 140 0.106 Vt ASTM – Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (1980) AASHTO – Hiệp hội Giao thông và Đường bộ Liên bang (1978) 200 0.075 USCS – Hệ thống phân loại đất thống nhất (Cục cải tạo Hoa Kì, 1974, Hội kĩ thuật quân đội Hoa Kì, 1960 ) M.I.T – Viện Công nghệ Masachusett (Taylor, 1948) Bảng 2-3 Các cỡ rây tiêu chuẩn Mỹ và kích cỡ lỗ tương ứng Hình 2-3 Phạm vi kích cỡ hạt theo một số hệ phân loại đất kỹ thuật (cải biến theoAl-Husaini, 1977)
1.2.3 Hệ số đồng đều D C u = 60 ⇒ D 60 ?; D 10 ? D 10 • Cu nhỏ ⇒ Đất cấp phối xấu (Cu = 1). • Cu lớn (Tối đa 15 hoặc lớn hơn) 1.2.4 Hệ số cấp phối C = (D 30 )2 c (D 10 )(D 60 ) Hình 2.4 Phân bố kích cỡ hạt tiêu chuẩn Ví dụ 2.7 Đường cong thành phần hạt cho trên Hình 2.4. Yêu cầu: Xác định D10, Cu, và Cc cho mỗi đường cong thành phần hạt. 1.2.5 Hình dạng hạt đất Đất hạt thô, hình dạng của từng hạt đất ảnh hưởng đến tính chất xây dựng của đất cũng như sự phân bố kích thước hạt. Đất hạt thô nói chung được phân loại theo hình dạng như trên Hình 2.5. Đất hạt mịn, hình dạng hạt ít ảnh hưởng đến tính chất xây dựng của đất mà đường kính hạt và thành Hình 2.5: Hình dạng đặc thù của các hạt thô lớn (Hình phần khoáng vật vủa hạt mới quyết định thính chất chụp của M. Surendra) của nó.
1.2.6. Giới hạn Atterberq và chỉ số độ chặt Nước trong đất có ảnh hưởng đặc biệt đến Giải thích hình 2-6 ứng xử của đất trong hạt mịn. Atterberq là nhầ thổ nhưỡng người Thụy Cách xác định LL Điển – Phát hiện ra ít nhất hai tham số để xác (Theo casagrande). định độ dẻo của đất dính. Giới hạn chảy (LL – Liquid Limit). Phương pháp thả Giới hạn dẻo (PL – Plastic Limit). chùy vaxiliep. Chỉ số dẻo – Là phạm vi độ ẩm khi đất ở trạng thái dẻo – Dùng để phân loại đất dính. Cách xác định giới hạn dẻo Chỉ số dẻo PI Lăn đất thành dây có đường kính 3mm và nứt đều. PI = LL − PL Dây đất đứt thành từng đoạn có độ dài từ (Dùng phân loại đất hạt mịn) 3mm → 10mm. Chỉ số chảy LI Nếu dây nhỏ hơn → Đất quá ướt. W − PL Nếu dây đứt trước khi d = 3mm → Đất quá LI = n PI khô (Giải thích hình 2-8d) LI ≤ 0 → Đất ở trạng thái giòn. 0 < LI < 1 → Đất ở trạng thái dẻo. LI ≥ 1 → Đất ở trạng thái chảy.
1.3.2. Vai trß cña hÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt trong §KT. 1.3. ph©n lo¹i ®Êt. Phân loại và các tính chất (w, e, ρ, S, GSD, LL, PI...) 1.3.1. Môc ®Ých ph©n lo¹i ®Êt. §−a ra mét “ng«n ng÷” chung ®Ó trao ®æi vμ Hệ thống phân loại đất häc hái kinh nghiÖm lÉn nhau gi÷a c¸c nhμ khoa (“ngôn ngữ”) häc. Gióp cho c¸c kü s− x©y dùng hiÓu ®−îc mét Tính chất kỹ thuật của đất c¸ch t−¬ng ®èi c¸c ®Æc tr−ng vμ sù “øng sö” cña (tính thấm, khả năng chịu nén, tính co ngót và trương nở, sức kháng cắt,.. vv) ®Êt trong qu¸ tr×nh x©y dùng. Mục đích kỹ thuật (đường cao tốc, sân bay, nền móng, đê đập,.. vv) Vai trß cña hÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt trong ®Þa kü thuËt øng dông 1.3.3. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt thèng nhÊt (USCS). 1.3.2. Vai trß cña hÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt trong §KT. Lμ mét “ng«n ng÷” ®Ó trao ®æi gi÷a nh÷ng nhμ khoa 1). C¬ së ®Ó ph©n lo¹i. häc. Nã kh«ng nh÷ng ®−a ra ph−¬ng ph¸p ph©n lo¹i Trong USCR c¬ së ®Ó ph©n lo¹i ®Êt h¹t th« ®−îc dùa theo c¸c ®Æc tr−ng kü thuËt cña ®Êt mét c¸ch dùa vµo cÊp phèi h¹t, ®Ó ph©n lo¹i ®Êt h¹t mÞn th× dùa cã hÖ thèng mμ cßn gióp cho c¸c nhμ khoa häc cã vµo tÝnh dÎo. thÓ häc hái lÉn nhau. V× vËy USCR dùa vµo kÕt qu¶ ph©n tÝch h¹t vµ c¸c Gi÷a tÝnh chÊt cña ®Êt vμ hÖ thèng ph©n lo¹i cã mét chØ tiªu giíi h¹n Atterberg ®Ó ph©n lo¹i. mèi liªn hÖ mËt thiÕt víi nhau, v× vËy khi biÕt c¸ch 2). Néi dung cña hÖ thèng ph©n lo¹i USCR. ph©n lo¹i ®Êt ng−êi kü s− ®· hiÓu ®−îc mét c¸ch Bảng 3.1 đưa ra bốn nhóm đất chính gồm: hạt thô, t−¬ng tèi c¸c ®Æc tr−ng vμ sù “øng sö” cña ®Êt trong hạt mịn, đất hữu cơ và bùn. Việc phân loại được thực qu¸ tr×nh x©y dùng. hiện bằng cách cho mẫu đất qua sàng 75mm, kết quả HiÖn nay trªn thÕ giíi sö dông nhiÒu hÖ thèng thí nghiệm được biểu diễn trên hệ toạ độ log hoặc ph©n lo¹i ®Êt kh¸c nhau. Sau ®©y sÏ giíi thiÖu mét dùng bảng biểu. Việc phân chia chi tiết hơn được minh vμi hÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt ®−îc sö dông réng r·i ë họa trong bảng 3.1. Mü vμ ViÖt nam. Những ký hiệu trong bảng 3.1 được kết hợp lại với nhau để tạo thành tên gọi của loại đất tương ứng trong bảng 3.2.
Bảng 3-1: Tên đất, ký hiệu và phạm vi kích thước hạt theo USCS Bảng 3-1: Tên đất, ký hiệu và phạm vi kích thước hạt theo USCS (Tiếp theo) Hạt và nhóm hạt Ký hiệu Kích cỡ hạt Đá tảng Không > 300 mm Hạt và nhóm hạt Ký hiệu Kích cỡ hạt Đá cuội Không Từ 75 mm đến 300 mm (2) Đất hạt mịn (1) Đất hạt thô Hạt mịn Kích thước hạt nhỏ hơn kích thước Cuội sỏi G Từ 75 mm đến sàng No.4 mắt sàng No.200 (0.075 mm) (4.75 mm) (Không có kích thước hạt cụ thể - sử Hạt bột, phù sa M Hạt thô Từ 75 mm đến 19 mm dụng giới hạn Atterberg) Hạt mịn Từ 19 mm đến sàng No.4 (4.75 mm) (Không có kích thước hạt cụ thể - sử Hạt sét C Cát S Từ sàng No.4 (4.75 mm) dụng giới hạn Atterberg) tới sàng No.200 (0.075 mm) (Không có kích thước hạt cụ thể) (3)Đất hữu cơ O Hạt thô Từ sàng No.4 (4.75 mm) (Không có kích thước hạt cụ thể) (4) Than bùn Pt tới sàng No.10 (2.0 mm) Ký hiệu phân loại cấp Ký hiệu giới hạn chảy Hạt trung bình Từ sàng No.10 (2.0 mm) phối tới sàng No. 40 (0.425 mm) Phân cấp đều, W Cao LL, H Hạt mịn Từ sàng No.40 (4.25 mm) Phân cấp không đều, P Thấp LL, L tới sàng No.200 (0.075 mm) 1.3.3. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt thèng nhÊt (USCS). 1.3.3. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt thèng nhÊt (USCS). Bảng 3-2: Hệ thống phân loại đất USCS Bảng 3-2: Hệ thống phân loại đất USCS (Tiếp theo)
1.3.3. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt thèng nhÊt (USCS). 1.3.3. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt thèng nhÊt (USCS). Trên hình 3.2, Casagrande (1948) dùng đường Đất hạt thô được phân chia thành sỏi, sỏi pha, thẳng A để phân loại đất hạt mịn. Nhóm hạt bụi có cát và cát pha. giới hạn chảy (LL) và chỉ số dẻo (PI) nằm phía Để đánh giá chất lượng cấp phối của sỏi và đất dưới đường thẳng A, còn nhóm đất sét có giới hạn cát, ta xác định hệ số hạt không đều hạt Cu và hệ chảy (LL) và chỉ số dẻo (PI) nằm phía trên đường số cong Cc từ đường cong cấp phối. Các hệ số thẳng A. Đất sét hữu cơ (OL và OH) cũng nằm này đã được định nghĩa ở chương 2: phía dưới đường thẳng A vì chúng có tính chất tương tự như các loại đất có tính dẻo thấp. Ngoài Hệ số không đều hạt: C = D60 (2-19) ra, dựa vào giới hạn chảy, hạt bụi, sét và sét hữu u D10 cơ được phân thành giới hạn chảy cao ( nếu LL > D302 50%) và giới hạn chảy thấp (nếu LL < 50%). Các Hệ số cong: C c = (2-20) loại đất đại diện cho đất hạt mịn được miêu tả trên D10 * D60 hình 3.2. Bảng 3-2 (cột 6) đưa ra tiêu chuẩn phân loại (Tham khảo thêm từ trang 74 đến trang 80 của cho sỏi và đất cát. giảo trình Giới thiệu về Địa kỹ thuật) 1.3.3. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt thèng nhÊt (USCS). 1..3. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt thèng nhÊt (USCS). Trình tự các bước phân loại đất theo hệ thống USCS được 3. Nếu là đất hạt mịn: thực hiện như sau: a. Xác định các giá trị giới hạn Artterberg của các hạt dưới sàng No.40, nếu giới hạn chảy LL nhỏ hơn 50% thì đất được phân loại thấp (L) và nếu giới hạn chảy 1. Xác định đất thuộc nhóm hạt thô, hạt mịn hay đất hữu cơ bằng mắt LL lớn hơn 50% thì đất được phân loại cao (H). thường hay dựa vào kết quả phân tích hạt qua sàng No.200. b. Đối với đất thuộc phân loại L: nếu các giá trị giới hạn nằm phía dưới đường 2. Nếu là đất hạt thô: thẳng A và vùng gạch chéo trong biểu đồ dẻo thì chúng được xác định bằng màu sắc, mùi vị hoặc bằng sự thay đổi của giới hạn chảy và giới hạn dẻo khi a. Thực hiện thí nghiệm phân tích hạt và vẽ đường cong cấp phối. mẫu đất được sấy khô. Trong trường hợp này đất được phân thành nhóm hữu Xác định lượng chứa các hạt dưới sàng No.4, đất được phân loại là cơ (OL) hoặc nhóm vô cơ (ML). Nếu các giá trị giới hạn nằm trong vùng gạch sỏi nếu lượng chứa các hạt trên sàng No.4 lớn hơn và được phân chéo, đất sẽ được phân thành nhóm CL-ML. Còn khi các giá trị giới hạn nằm loại là cát nếu lượng chứa các hạt dưới sàng No.4 lớn hơn. phía trên đường thẳng A và vùng gạch chéo thì chúng được phân thành nhóm CL. b. Xác định lượng chứa các hạt dưới sàng No.200, nếu có giá trị < c. Đối với đất thuộc phân loại H: nếu các giá trị giới hạn nằm phía dưới đường 5% thì dựa vào hình dạng của đường cong để phân loại đất thành thẳng A thì chúng được phân thành nhóm hữu cơ (OH) hoặc nhóm vô cơ (MH). GW hay SW ( cấp phối tốt) và GP hay SP (cấp phối không tốt). Khi các giá trị giới hạn nằm phía trên đường thẳng A thì chúng được phân thành nhóm CH. c. Nếu lượng chứa các hạt dưới sàng No.200 có giá trị trong d. Khi các giá trị giới hạn nằm trong vùng gạch chéo và gần với đường thẳng A khoảng 5% đến 12% thì đất được coi là ở giữa ranh giới 2 nhóm và hoặc gần với đường thẳng LL = 50% thì ta sử dụng các ký hiệu ghép đôi như sẽ có các ký hiệu ghép đôi tuỳ thuộc vào chất lượng cấp phối hay trên hình 3.3. (Tr 80) tính dẻo của đất (GW-GM, SW-SM...) Mặc dù hệ thống USCS sử dụng các ký hiệu thuận tiện, nhưng nó không d. Nếu lượng chứa các hạt dưới sàng No.200 có giá trị > 12% thì ta phản ánh đầy đủ tính chất của đất. Vì vậy, nên dùng các thuật ngữ miêu tả kết hợp với các ký hiệu để phân loại đất một cách chính xác. ( Tham khảo thêm xác định các giá trị giới hạn Atterberg của các hạt dưới sàng No.40 Bảng 3-4 (Tr 83). và dùng biểu đồ dẻo để phân loại đất (GM, SM, GC, SC, GM-GC hoặc SM-SC)
1.3.4. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt AASHTO. Trong những năm 20 của thế kỷ trước, Cục đường bộ Mỹ đã chỉ đạo 1.3.4. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt AASHTO. thực hiện nghiên cứu mở rộng về ứng dụng của đất trong xây dựng đường giao thông. Từ những kết quả của nghiên cứu, Hogentogler và Bảng 3-5 Phân chia nhóm hạt sỏi, cát và sét bụi theo Terzaghi (1929) đã phát triển hệ thống phân loại đường bộ này. Ban đầu, hệ thống phân loại dựa vào đặc tính ổn định của đất khi sử dụng làm bề hệ thống AASHTO mặt đường giao thông hoặc kết hợp với việc rải thêm lớp asphalt mỏng trên bề mặt. Sau đó, hệ thống đã được chỉnh sửa nhiều lần kể từ 1929 Nhóm hạt Đường kính hạt tới 1945 và cuối cùng trở thành hệ thống phân loại AASHTO (1978). Khả năng ứng dụng của hệ thống phân loại đã được mở rộng để xác định Đá lăn, đá tảng Lớn hơn 75 mm chất lượng tương đối của đất cho một số lĩnh vực khác có liên quan như Sỏi Từ 75 mm tới sàng No.10 (2.0 đê, nền đường, nền móng. Nhưng cần chú ý đến những mục đích cơ bản khi sử dụng hệ thống phân loại này trong thực tế. mm) Tên nhóm hạt phân loại theo hệ thống AASHTO được đưa ra trong Cát thô Từ sàng No.10 (2.0 mm) đến sàng bảng 3-5. Đá tảng cần được loại trừ khỏi mẫu đất khi phân loại, nhưng theo hệ thống USCS thì phải kể đến lượng chứa đá tảng. Hạt mịn được No.40 (0.425mm) phân loại là hạt bụi nếu chỉ số dẻo PI nhỏ hơn 10 và là sét nếu PI lớn hơn Cát mịn Từ sàng No.40 (0.425 mm) đến 10. Hệ thống AASHTO phân loại đất thành 8 nhóm chính từ A-1 đến A- sàng No.200 (0.075mm) 8, trong đó gồm có vài nhóm tiểu nhóm. Các đất trong mỗi nhóm được Bụi-sét (bao gồm bụi và Nhỏ hơn 0.075 mm (No.200) đánh giá theo chỉ số nhóm, chỉ số nhóm được tính toán bằng các công thức thực nghiêm. Ở đây, ta chỉ cần sử dụng thí nghiệm phân tích hạt và sét) xác định các giới hạn Atterberg. Bảng 3-6 minh hoạ hệ thống phân loại AASHTO sử dụng hiện nay (1978). 1.3.4. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt AASHTO. 1.3.4. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt AASHTO. Đất hạt thô nằm trong phân nhóm từ A-1 đến A-3. Đất thuộc nhóm A-1 có hạt cấp phối tốt trong khi thuộc nhóm A-3 thì ngược lại. Đất thuộc nhóm A-2 cũng là đất hạt thô (nhỏ hơn 35% lượng hạt dưới sàng No.200), nhưng có chứa một lượng đáng kể hạt bụi hoặc hạt sét. Các Bảng 3-6 Phân chia hạt và nhóm hạt theo hệ thống AASHTO nhóm từ A-4 đến A-7 là các đất hạt mịn, chúng khác nhau cơ bản về giới hạn Atterberg. Hình 3.5 có thể được dùng để xác định phạm vi của giới hạn chảy LL và chỉ số dẻo PI cho nhóm A-4 đến A-7 và nhóm A-2. Đất chứa hàm lượng hữu cơ cao và bùn có thể đưa vào nhóm A-8 trong khi với hệ thống USCS chúng được phân loại bằng mắt thường. Chỉ số nhóm được dùng để đánh giá các loại đất trong nhóm. Nó được rút ra từ thực tế với nhiều loại đất khác nhau, đặc biệt là trong việc sử dụng đất làm nền đường. Ngoài ra, chỉ số nhóm cũng có thể xác định từ công thức kinh nghiệm hay dùng trực tiếp phương pháp toán đồ. Việc phân loại đất theo hệ thống AASHTO không phức tạp. Khi đã có các số liệu cần thiết, ta chỉ cần đi từ trái sang phải bảng 3-6 và tìm tên chính xác của nhóm bằng cách loại trừ. Theo AASHTO, tên chính xác của đất là tên nhóm từ trái qua phải đầu tiên thoả mãn các số liệu thí nghiệm. Tên nhóm cũng bao gồm cả chỉ số nhóm (trong dấu ngoặc đơn), như A-2-6(3), A-4(5), A-6(12), A-7-5(17),...vv. Hình 3.7 giúp ta hiểu rõ hơn việc phân loại theo hệ thống AASHTO.
1.3.4. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt AASHTO. Hình 3.5: Phạm vi giới hạn chảy và chỉ số dẻo của nhóm A-4, A-5, A-6 và A-7 1.3.4. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt AASHTO. So sánh các hệ thống phân loại USCS và AASHTO Có thể hiểu được một số điểm khác biệt lớn giữa 2 hệ thống phân loại USCS và AASHTO là do sự khác nhau về lịch sử và mục đích phân loại. So sánh bảng 3-1 và bảng 3-5, ta thấy ngay sự phân loại khác nhau cho đất hạt thô. Sự khác nhau cơ bản trong phân loại đất hạt mịn được chỉ ra trên hình 3.5 bằng cách vẽ đường thẳng A và đường thẳng U lên cùng biểu đồ LL-PI. Hệ thống phân loại AASHTO (1978) cũng sử dụng biểu đồ LL-PI, nhưng chúng ta phải quay biểu đồ đó 1 góc 90o để dễ dàng so sánh với biểu đồ dẻo của Casagrande (hình 3.2). Sự khác nhau này là rất lớn. Ngoài ra, còn có sự khác biệt lớn đó là việc dùng chỉ số dẻo PI = 10 như là một đường để phân chia đất bụi và đất sét. Điều này gần như mang tính ngẫu nhiên và không phản ánh thực tiễn tính chất kỹ thuật của đất hạt mịn. Al-Hussaini (1977) cũng chỉ ra một số điểm khác nhau cơ bản của 2 hệ thống phân loại này. Trong bảng 3-7 (Tr 120) đưa ra so sánh tương quan của các nhóm hạt theo 2 hệ thống USCS và AASHTO.
1.3.4. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt theo tiêu chuẩn Việt Nam. 1.3.4. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt theo tiêu chuẩn Việt Nam. 1. Quy ®Þnh chung 2. Nguyªn t¾c ph©n lo¹i 1.1. Tiªu chuÈn “§Êt x©y dùng - Ph©n lo¹i” cã kÝ hiÖu lµ TCVN 2.1. HÖ ph©n lo¹i nªu trong Tiªu chuÈn nµy dùa trªn thµnh phÇn 5747: 1993, ®−îc ¸p dông cho x©y dùng d©n dông vµ c«ng h¹t cña ®Êt. Tr×nh tù ph©n lo¹i ®−îc thùc hiÖn lÇn l−ît nh− sau: nghiÖp, giao th«ng, thuû lîi, c¸c lÜnh vùc sö dông ®Êt víi môc ®Ých - Dùa trªn thµnh phÇn kÝch th−íc h¹t chiÕm −u thÕ x©y dùng c«ng tr×nh.Tuy nhiªn, ®èi víi tõng ngµnh cã thÓ x©y trong ®Êt ®Ó ph©n chia nã thµnh hai nhãm lín lµ h¹t kh« vµ h¹t dùng nh÷ng tiªu chuÈn riªng cho phï hîp víi nh÷ng ®Æc ®iÓm mÞn; riªng cña m×nh. - Dùa trªn hµm l−îng c¸c h¹t ®Ó ph©n chia nhãm ®Êt h¹t kh« 1.2. Tiªu chuÈn nµy ®−îc ¸p dông cho c¸c lo¹i ®Êt cã thÓ lµm thµnh c¸c phô nhãm; nÒn, m«i tr−êng ®Ó ph©n bè c«ng tr×nh, hoÆc vËt liÖu ®Ó x©y dùng - Dùa trªn c¸c trÞ giíi h¹n ch¶y, giíi h¹n dÎo, chØ sè dÎo ®Ó c«ng tr×nh. ph©n chia nhãm ®Êt h¹t mÞn thµnh c¸c phô nhãm. 1.3. Tiªu chuÈn ®−îc dïng ®Ó s¾p xÕp ®Êt x©y dùng thµnh 2.2. C¸c thuËt ng÷ vµ kÝ hiÖu tªn ®Êt, thµnh phÇn tr¹ng th¸i ®−îc nh÷ng nhãm cã tÝnh chÊt t−¬ng tù, nh»m ®Þnh h−íng c¸c vÊn dïng thèng nhÊt theo quy −íc quèc tÕ. ®Ò vµ ®Æc tÝnh cña ®Êt cÇn ph¶i nghiªn cøu. 1.4. Tiªu chuÈn nµy ch−a hÒ ®Ò cËp ®Õn ®¸ vµ c¸c lo¹i ®Êt ®Æc 3. Ph©n lo¹i biÖt; còng ch−a hÒ ®Ò cËp ®Õn viÖc ph©n lo¹i ®Êt theo c¸c thÝ (TCVN 5747 1993) nghiÖm hiÖn tr−êng nh− xuyªn tÜnh, xuyªn ®éng, c¾t c¸nh, v.v… Ph©n lo¹i ®Êt theo c¸c thÝ nghiÖm kÓ trªn ®−îc nªu trong c¸c tiªu chuÈn t−¬ng øng. Ph©n lo¹i ®¸ vµ c¸c ®Êt ®Æc biÖt sÏ ®−îc so¹n th¶o vµ ban hµnh sau. 1.4.2. Nhận dạng kho¸ng vËt sÐt. 1.4 C¸c kho¸ng vËt sÐt vμ cÊu tróc cña ®Êt. Do các khoáng vật sét thường rất nhỏ, không thể nhận dạng 1.4.1. C¸c kho¸ng vËt sÐt. chúng bằng các kỹ thuật quang học thông thường, cần có phương pháp khác để xác định chúng. Chúng ta biết rằng đặc tính cá biệt Các khoáng vật sét là những vật chất kết tinh rất nhỏ bền hoặc lặp lại của cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu sẽ làm nhiễu xạ tia vững, được tạo ra chủ yếu từ quá trình phong hóa hóa học các X. Các khoáng vật khác nhau có cấu trúc mạng tinh thể khác nhau sẽ khoáng vật tạo đá có trước xác định. Về mặt hóa học, chúng là các có kiểu dáng nhiễu xạ khác nhau và dựa vào đó, khoáng vật sẽ được aluminosilicates ngậm nước kết hợp với các ion kim loại khác. Tất xác định. Căn cứ vào kiểu nhiễu xạ của các khoáng vật đã biết để so cả các khoáng vật sét là các tinh thể cỡ hạt keo, rất nhỏ chỉ nhìn sánh tìm ra các khoáng vật chưa biết. Nhưng với những loại đất là thấy được dưới kính hiển vi điện tử. Những tinh thể riêng lẻ trông hỗn hợp các khoáng vật sét, đất có chứa hữu cơ và chứa các thành phần không thuộc nhóm khoáng vật sét hoặc đất có các lớp khoáng giống như các bản mỏng hoặc các đám bông nhỏ và từ các nghiên vật xáo trộn lẫn nhau. Trong trường hợp này, việc phân tích chi tiết cứu nhiễu xạ tia X, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng, các đám bông hàm lượng từng khoáng vật là không thể, nên chỉ có thể chỉ ra tương này bao gồm nhiều lớp tinh thể với cấu trúc nguyên tử lặp lại. Trên đối bao nhiêu khoáng vật có mặt trong đất và mỗi loại chiếm bao thực tế, chỉ có hai lớp tinh thể cơ bản đó là các khối tứ diện silic và nhiêu phần trăm. các khối bát diện alumin. Sự khác nhau trong việc sắp xếp các lớp Một phương pháp khác được dùng để xác định các khoáng vật tinh thể cùng với liên kết và các ion kim loại ở các nút mạng không sét là phương pháp DTA (differential thermal analysis). Một mẫu đất giống nhau sẽ tạo ra các khoáng vật sét khác nhau. cần được xác định được đưa vào lò sấy điện ở nhiệt độ khoảng vài (SV tham khảo thêm từ trang 99 đến trang 108) (Giới thiệu trăm độ C với một chất hóa học trơ, sự thay đổi diễn ra do cấu trúc mạng tinh thể các khoáng vật sét. Sự thay đổi đó ở nhiệt độ nào đó thêm một số Slides phụ nếu có thời gian (BS8)) được ghi lại và nó đặc trưng cho từng khoáng vật, đây sẽ là cơ sở để so sánh với các khoáng vật đã biết.
1.4.2. Nhận dạng kho¸ng vËt sÐt. 1.4.2. Nhận dạng kho¸ng vËt sÐt. Kính hiển vi điện tử loại truyền dữ liệu hoặc chụp đều có thể sử dụng để xác định các khoáng vật sét trong mẫu đất nhưng đây là quá trình phức tạp và tính định lượng không cao. GS. Casagrande có cách tiếp cận đơn giản sử dụng giới hạn Atterberg. Chúng ta đã biết rằng, hoạt tính có liên quan với đất sét hoạt động hay không hoạt động. Khoáng vật monmorilonit sẽ hoạt động mạnh vì có kích thước nhỏ và có chỉ số dẻo lớn. Sử dụng biểu đồ dẻo của Casagrande (hình 3.2) chúng ta có thể thu nhận được nhiều thông tin phục vụ cho xây dựng, như khi dùng phương pháp nhiễu xạ phức tạp hoặc phương pháp phân tích DTA. Trình tự chi tiết được thấy trong hình 4.14. Ta xác định vị trí mẫu cần xác định trên biểu đồ LL-PI và so sánh nó với vị trí các khoáng vật đã biết. Nếu mẫu của bạn có giới hạn Atterberg cao hơn và nằm trên đường A, gần đường U thì nó có thể chứa nhiều khoáng vật hoạt động mạnh như monmorilonit. Thậm chí, nếu đất được xác định là CL, ví dụ như sét pha (CL) có thể vị trí vẫn nằm gần đường U, hàm lượng sét trong mẫu đất này phần lớn vẫn là khoáng vật monmorilonit. Khoáng vật Kaolinits thuộc nhóm các khoáng vật hoạt động kém và thường nằm dưới đường A trên biểu đồ. Mặc dù chúng là những loại khoáng vật có liên quan nhiều tới công tác xây dựng, chúng có các đặc tính tương tự các vật liệu ML-MH. 1.4.3. Tỷ diện tích bề mặt. 1.4.3. Tỷ diện tích bề mặt. Tỷ diện tích bề mặt là tỷ số của diện tích bề mặt của đất đá với thể tích hay khối lượng của chúng. Giá trị này được xác định như Nếu nước có mặt chỉ đủ để làm ẩm ướt bề mặt các khối lập sau: tỷ diện tích thể tích = diện tích bề mặt/thể tích (4.1). Ý nghĩa phương trong các ví dụ trên, sẽ cần khoảng 10 lần lượng nước vật lý của đại lượng này được minh họa bằng hình lập phương có để làm ướt bề mặt các hạt có kích thước 1mm so với các hạt có các cạnh 1x1x1cm. kích thước 1cm. Nếu chúng ta cố gắng để tách nước ra khỏi bề mặt các hạt đất thì với các hạt nhỏ (1mm) lượng nước đó sẽ lớn Tỷ diện tích = hơn 10 lần các hạt lớn (1cm). Tỷ diện tích tỷ lệ nghịch với đường kính các hạt đất. Thực tế chúng ta không thể xác định giá trị này được vì hình dạng các hạt Nếu mỗi cạnh có chiều dài 1mm, tỷ số này sẽ là: đất không giống nhau, nhưng rõ ràng khối đất được tạo bởi nhiều hạt nhỏ thì sẽ có tỷ diện tích lớn hơn các loại đất tạo bởi các hạt có kích thước lớn. Từ khái niệm tỷ diện tích, chúng ta thấy rằng, đất hạt nhỏ có Nếu mỗi cạnh có chiều dài 1μm, tỷ số này sẽ là: độ ẩm cao hơn đất hạt lớn (hạt thô) cho dù các thông số khác như: độ lỗ rỗng, cấu trúc đất có thể như nhau. Trong môn học vật liệu xây dựng, tỷ diện tích là nhân tố cơ Các ví dụ trên đã chỉ ra rằng, các hạt có đường kính lớn thì có bản trong quá trình thiết kế bê tông xi măng hoặc bê tông tỷ diện tích nhỏ hơn và ngược lại, các hạt có đường kính nhỏ thì có asphalt. Trong cả hai trường hợp đó cần cung cấp lượng xi măng tỷ diện tích lớn hơn. Để xác định tỷ diện tích theo khối lượng phải hoặc asphalt thích hợp để bao phủ hết các bề mặt hợp thể. chia giá trị thể tích cho dung trọng khối lượng p nên đơn vị có thể là m2/g hoặc m2/kg.
1.4.4. Sự tương tác giữa nước và các khoáng vật sét. 1.4.4. Sự tương tác giữa nước và các khoáng vật sét Như đã biết, nước thường không gây ra ảnh hưởng nhiều đến đặc tính các loại đất rời. Chẳng hạn, cường độ chống cắt của đất cát trong trường hợp khô và bão hòa là xấp xỉ nhau. (Trừ trường hợp chịu tác dụng của tải trọng động). Trong khi đó, các loại đất hạt mịn đặc biệt là đất loại sét, bị ảnh hưởng mạnh mẽ khi nước có mặt trong lỗ rỗng của đất. (Lấy ví dụ thực tế hoặc TN xác định giới hạn Atterberg). Sự phân bố đường kính các nhóm hạt không ảnh hưởng nhiều đến các đặc tính của đất hạt mịn. Kích thước tương đối của bốn khoáng vật sét phổ biến với tỷ diện tích của chúng được nêu trong hình 4.15. Khoáng vật Kaolinit có kích thước lớn nhất với bề dày khoảng 1μm, trong khi khoáng vật monmorilonit có kích thước nhỏ nhất với bề dày chỉ khoảng vài nm (nanometer). Với tinh thể có kích thước trung bình gọi là đường kính (dạng tròn) nên thực tế, tỷ diện tích có thể khác biệt so với tính toán ít nhiều. Dĩ nhiên, kích thước các hạt phụ thuộc nhiều vào quá trình phong hóa và các nhân tố khác, nhưng giá trị thường dùng là trị số trung bình. Từ đó ta thấy rằng, bề mặt hoạt động phụ thuộc vào đường kính hạt, chẳng hạn khoáng vật monmorilonit có mức độ hoạt động mạnh hơn khoáng vật kaolinit và tương tự như vậy, bề mặt hoạt động của cát hoặc bụi gần như là bằng không. 1.4.5. Sự tương tác giữa các hạt sét. 1.4.4. Sự tương tác giữa nước và các khoáng vật sét. Sự kết hợp các khoáng vật sét và các lớp nước hấp phụ trên bề Trong phần trước, ta đã xác định được độ hoạt động của sét: mặt hạt tạo nên các đặc trưng vật lý cơ bản của cấu trúc đất. Các hạt A=PI/hàm lượng sét (2-24). sét riêng lẻ tương tác với nhau thông qua màng nước hấp phụ bao Với hàm lượng sét là phần trăm các hạt sét có đường kính nhỏ hơn 2μm. quanh và sự có mặt của các ion khác nhau, các vật chất hữu cơ, nồng Giữa tính hoạt động và loại khoáng vật sét có sự liên hệ chặt chẽ độ khác nhau… đã tác động đến hoặc góp phần tạo ra sự đa dạng trong với nhau. Liên hệ này được trình bày trong bảng 4.1 (BS1) cấu trúc của đất trong tự nhiên. Hạt sét có thể đẩy nhau, quá trình này phụ thuộc vào nồng độ ion, khoảng cách giữa các hạt và một số nhân tố Các hạt sét hầu như luôn hút nước một cách tự nhiên nên có các khác. Tương tự, có sự tương tác nhất định giữa các hạt riêng lẻ do tác lớp nước bao quanh mỗi tinh thể sét. Loại nước này gọi là nước hấp phụ. dụng của liên kết hydro, lực Van der Waal và một số kiểu liên kết hóa học hoặc hữu cơ khác. Lực tương tác giữa các hạt hay điện thế giảm Nước hấp phụ trên bề mặt các hạt sét như thể nào? : dần từ bề mặt khoáng vật ra ngoài. + Thứ nhất, nước là một phân tử lưỡng cực. Mặc dù phân tử Các hạt có thể bị keo tụ hoặc tách rời. Chúng có thể keo tụ theo nước trung hòa về điện, nó vẫn phân cực thành cực âm và cực dương. một vài cách có thể: cạnh - mặt là thông dụng nhất, ngoài ra có thể gặp Do đó, các phân tử nước sẽ bị hút tĩnh điện lên bề mặt các hạt sét. các dạng kết hợp khác như cạnh – cạnh hoặc mặt – mặt. Xu hướng keo + Thứ hai, nước liên kết với các tinh thể hạt sét bằng mối liên kết tụ phụ thuộc vào sự gia tăng của một hoặc một số nhân tố sau: nồng độ hydro (nguyên tử hydro của nước bị hút bởi các nguyên tử ôxi hoặc hydroxin trên bề mặt các hạt các chất điện phân, hóa trị của các ion, nhiệt độ. Hoặc giảm một hoặc sét). một số các nhân tố sau: hằng số điện môi của chất lỏng trong lỗ rỗng + Nhân tố thứ ba là bề mặt các hạt sét tích điện âm cũng hút các của đất, kích thước của các ion hydrat, pH, hấp phụ anion. cation có mặt trong nước. Tất cả các loại đất sét tự nhiên đều kết tủa (keo tụ) với mức độ nào Lực hút của nước với bề mặt hạt sét rất lớn khi ở gần và giảm dần đó. Chỉ trong các dung dịch rất loãng các hạt sét có thể dưới dạng phân khi xa bề mặt. Các phân tử nước ở ngay bề mặt hạt sét bị bám rất chặt và có tính định hướng rất tán. cao. Các đo đạc cho thấy, một số đặc tính nhiệt động và đặc tính điện của nước nằm sát bề mặt hạt sét thì khác biệt so với nước tự do (BS1)
1.4.6. Cấu tạo và kết cấu của đất . 1.4.7. Kết cấu đất dính . Trong địa kỹ thuật công trình ứng dụng, cấu tạo của đất Sự phân loại kết cấu đất dính thành các nhóm đơn giản chỉ vừa có nghĩa là sự sắp xếp của các hạt đất hoặc các hạt dựa theo một số các hạt sét là không thể làm được. Các hạt khoáng vật, vừa có nghĩa là lực tương tác có thể xuất hiện đơn lẻ hoặc các đơn vị hạt riêng lẻ rất hiếm xuất hiện trong tự giữa các hạt. Kết cấu của đất chỉ đề cập sự sắp xếp về mặt nhiên và chỉ tồn tại trong hệ nước-sét pha rất loãng trong các hình học giữa các hạt. Với các loại đất hạt rời, lực tương tác điều kiện môi trường nhất định. Các nghiên cứu gần đây về các giữa các hạt rất bé, vì vậy cấu tạo và kết cấu của cuội sỏi, cát loại sét thực tế cho thấy, các loại hạt sét riêng lẻ dường như ….. gần như giống nhau. Ngược lại, với đất dính hạt mịn lực luôn bị kết tụ hay liên kết với nhau thành các đơn vị kết cấu tương tác giữa các hạt lại tương đối lớn, dẫn đến cả lực tương siêu hiển vi gọi là các bó (tập hợp) – sau đó các bó tập hợp tác và kết cấu của các loại đất này phải được coi như cấu tạo thành nhóm với nhau để thành các cụm đủ lớn để quan sát của đất. Do đó, cấu tạo đất ảnh hưởng lớn hay có thể nói là được với kính hiển vi. Các cụm này sau đó lại tập hợp lại với quyết định đặc tính xây dựng của đất. Tất cả các cấu tạo sét nhau để hình thành các giỏ và thậm trí nhiều nhóm dạng giỏ. hình thành trong tự nhiên là kết quả của sự kết hợp giữa các Các giỏ này có thể nhìn thấy mà không cần dùng kính hiển vi yếu tố: Môi trường địa chất tại nơi lắng đọng, lịch sử địa chất, và chúng cùng với các cấu tạo vĩ mô khác ví dụ như các khe lịch sử chất tải và đặc tính của khoáng vật sét.Việc mô tả đầy đủ về cấu tạo của một loại đất dính hạt mịn là rất khó khăn, vì nứt… cấu tạo thành hệ thống các cấu tạo vĩ mô. không thể đo đạc trực tiếp được trường lực bao quanh các hạt Kết cấu vĩ mô, bao gồm sự sắp xếp các lớp trầm tích hạt sét, nên phần lớn các nghiên cứu về kết cấu đất dính chỉ liên mịn, có ảnh hưởng quan trọng đến đặc tính kỹ thuật của đất quan đến cấu tạo của những loại đất này và thực hiện các suy trong thực tế xây dựng. Các khe nứt, kẽ rỗng, các lớp kẹp bùn, luận về lực tương tác giữa các hạt. cát, phần hổng chứa rễ cây, sét dải và các “khuyết tật” khác thường quyết định đến đặc tính kỹ thuật của toàn bộ khối đất. (BS2) 1.4.8. Kết cấu đất không dính . 1.4.7. Kết cấu đất dính . Các hạt của đất mà có thể lắng chìm trong một chất lỏng huyền phù Theo quan điểm xây dựng, kết cấu vi mô về cơ bản có vai trò của đất một cách độc lập với các loại hạt khác sẽ tạo thành một loại kiến quan trọng hơn. Kết cấu vi mô của sét phản ánh toàn bộ lịch sử trúc được gọi là kiến trúc hạt đơn. hình thành và lịch sử chất tải của nền đất. Gần như tất cả những Kết cấu hạt đơn, có thể “xốp” hay “chặt”, hiện tượng này của khối đất tác động xảy ra với khối đất mà có ảnh hưởng đến đặc tính xây trong thiên nhiên có ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính kỹ thuật của nó. dựng của đất thì về mức độ nào đó sẽ được ghi dấu trong kết cấu vi mô của nó. Dưới một số điều kiện chìm lắng với vật liệu rời có thể tạo thành kết cấu tổ ong, đây là kết cấu có độ lỗ rỗng rất lớn, có tính “giả bền”. Các vòm Nghiên cứu gần đây về kết cấu vi mô của sét đã chỉ ra rằng hạt có thể chịu được tĩnh tải, nhưng kết cấu lại nhạy cảm với sự phá hoại đơn nhân tố ảnh hưởng lớn nhất đến kết cấu cuối cùng của một khi chịu rung động hay tải trọng động. loại sét nào đó là môi trường điện hóa tại thời điểm chìm lắng. Các kết cấu bông hay kết tụ có thể hình thành trong suốt quá trình Dung trọng tương đối Dr hay còn gọi là chỉ số chặt ID, được sử dụng để so sánh hệ số rỗng e của một loại đất cho trước với hệ số rỗng lớn nhất và lắng đọng ở gần như tất cả các môi trường trầm tích, như đại nhỏ nhất và được xác định theo: dương, nước lợ, hay nước ngọt. (BS2) (4-2) Tóm lại, kết cấu của phần lớn các loại đất sét trong tự nhiên rất phức tạp. Đặc tính kỹ thuật của chúng chịu ảnh hưởng rất lớn bởi cả kết cấu vĩ mô và vi mô. Hiện tại, không có liên hệ về định Dung trọng tương đối cũng có thể được trình bày theo mối quan hệ với lượng tồn tại giữa kết cấu vi mô và các đặc tính xây dựng, nhưng độ chặt lớn nhất và độ chặt nhỏ nhất như sau có một sự đánh giá về mức độ phức tạp về kết cấu của các loại đất dính và mối liên hệ giữa chúng với đặc tính kỹ thuật của đất sẽ rất quan trọng cho người kỹ sư.
1.4.8. Kết cấu đất không dính . Độ chặt tương đối của khối đất trong thiên nhiên có ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính kỹ thuật của nó. Do đó, cần thiết phải tiến hành các thí nghiệm trong phòng với các mẫu cát có cùng độ bμi gi¶ng c¬ häc ®Êt chặt tương đối như ngoài hiện trường. Việc lấy các mẫu đất hạt thô, đặc biệt với mẫu ở chiều sâu hơn vài mét là rất khó khăn, do vật liệu rất nhạy cảm với ngay cả các rung động nhỏ nhất, nên không thể chắc chắn rằng mẫu thử có cùng độ chặt như ngoài tự nhiên. Vì vậy nhiều loại xuyên kế khác nhau được sử dụng trong thực tế xây dựng, giá trị sức kháng xuyên được lấy xấp xỉ tương quan với giá trị tương quan độ chặt tương đối. Với các khối đất ở ch−¬ng II nông, có thể tiếp cận trực tiếp, có thể dùng các phương pháp khác để xác định độ chặt tại hiện trường. tÝnh chÊt c¬ häc cña ®Êt Cần lưu ý rằng, độ chặt tương đối không phải là yếu tố duy nhất phản ánh đặc tính xây dựng của đất không dính. Chẳng hạn hai loại cát, có cùng hệ số rỗng và độ chặt tương đối, nhưng có kết cấu không giống nhau, thì đặc tính kỹ thuật sẽ rất khác nhau. Lịch sử chất tải là một nhân tố khác phải được xem xét khi tính toán đối với các loại cát và sỏi trong thực tiễn xây dựng. (BS3) 2.1.2. Định luật Darcy cho dòng chảy qua môi trường rỗng. 2.1. tÝnh thÊm n−íc cña ®Êt. Năm 1856 kỹ sư thủy lực người Pháp tên là Darcy (D’Arcy, 2.1.1. Kh¸I niÖm vÒ dßng thÊm trong ®Êt. 1856) thông qua các thí nghiệm đã chỉ ra rằng vận tốc chất lỏng trong cát sạch tỷ lệ với gradien thủy lực : v = ki (7-2). Phương trình C¸c lç rçng trong ®Êt ¨n th«ng víi nhau, t¹o ®iÒu kiÖn này thường được kết hợp với phương trình liên tục cho n−íc chuyÓn ®éng ®−îc trong ®Êt. TÝnh chÊt nμy cña (7-3) và định nghĩa về gradien thủy lực q = v1 A1 = v2 A2 = constant (7-1). ®Êt ®−îc gäi lμ tÝnh thÊm cña ®Êt. Sử dụng các=ký hiệu như trên hình vẽ, định luật Darcy thường i h TÝnh thÊm cña ®Êt ®· ®−îc nghiªn cøu trong m«n thuû được viết là: l lùc vμ m«n ®Þa chÊt thuû v¨n. Trong nh÷ng m«n häc nμy Δh q = vA = kiA = k A (7-5) nghiªn cøu dßng thÊm (trong tr−êng träng lùc) t¹o ra do L ®é chªnh cét n−íc. Trong m«n CH§ tÝnh thÊm n−íc vμ quy luËt thÊm ®−îc nghiªn cøu kh«ng chØ trong tr−êng träng lùc mμ c¶ trong tr−êng øng suÊt. Dßng thÊm trong ®Êt cã thÓ lμ dßng æn ®Þnh, hoÆc kh«ng æn ®Þnh. Dßng thÊm sinh ra trong tr−êng øng suÊt mμ m«n CH§ nghiªn cøu lμ dßng kh«ng æn ®Þnh trong m«i tr−êng cã lç rçng thay ®æi theo thêi gian. (§Ó cã c¬ së nghiªn cøu vÒ dßng thÊm ®Ò nghÞ SV xem l¹i mét sè kiÕn thøc c¬ b¶n vÒ ®éng lùc häc dßng ch¶y tr×nh bμy trong môc 7.2 ch−¬ng 7- GT Giíi thiÖu §Þa kü thuËt) (BS4) Hình 7-2
2.1.2. Định luật Darcy cho dòng chảy qua môi trường rỗng. 2.1.2. Định luật Darcy cho dòng chảy qua môi trường rỗng. Trong phương trình (7-5) q là tổng lượng dòng chảy chảy qua mặt cắt A, hằng số tỷ lệ k được gọi là hệ số thấm Darcy. Đơn vị thường được dùng là m/s, cm/s. (BS5) Các thí nghiệm cho thấy là phương trình 7-5 vẫn đúng cho một phạm vi rộng các loại đất khác nhau với gradien thủy lực kỹ thuật. (BS5) Hình 7.4. Độ lệch khỏi định luật Darcy được quan sát trong đất sét Thụy Điển (theo Hansbo 1960) 2.1.3. Đo hệ số thấm 2.1.3. Đo hệ số thấm Với thí nghiệm cột nước không đổi, thể tích nước Q thu nhận được trong thời gian t là (hình 7.5a): Q = Avt h Từ phương trình 7-5: v = ki = k L QL ta có: k= (7-8) hAt Trong đó: Q - tổng thể tích nước thoát ra (m3) trong thời gian t (s) A - diện tích mặt cắt ngang của mẫu đất (m2) Các nhân tố ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm. + Độ bão hoà của mẫu (Không khí trong mẫu không thể thoát hết ra ngoài) + Sự dịch chuyển của các hạt mịn trong mẫu + Sự thay đổi nhiệt độ thí nghiệm Hệ số thấm cũng có thể xác định được dựa trên các thí nghiệm nén Hình 7.5. Xác định hệ số thấm theo thí nghiệm (a) cột nước không đổi, (b) cột nước giảm dần một hướng trong phòng (cố kết) hoặc thí nghiệm ba trục. (Vi dụ)
2.2. tÝnh ®Çm chÆt cña ®Êt. 2.2.2. Nguyên lý đầm chặt . 2.2.1. Tính đầm chặt . Những nguyên lý cơ bản của quá trình đầm chặt ứng dụng cho Tính đầm chặt là quá trình nén chặt của đất dưới tác dụng của đất dính đã được Proctor đưa ra vào năm 1933. Thí nghiệm đầm chặt các lực cơ học. Quá trình này cũng có thể liên quan đến sự thay đổi tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm dựa theo các nguyên lý của ông thường được gọi là thí nghiệm Proctor. độ ẩm và cấp phối hạt của đất. Đất không dính thì được đầm chặt hiệu quả bởi lực rung động. Đất mịn và đất dính có thể được đầm Proctor đã chứng tỏ rằng, đầm chặt là hàm của bốn tham số: (1) chặt trong phòng thí nghiệm bằng búa hay vật nặng, hay bằng các dung trọng khô ρd, (2) độ ẩm w, (3) công đầm và (4) loại đất (cấp phối hạt, sự có mặt của các khoáng vật sét...). Công đầm được đánh giá máy nén tĩnh. Ngoài hiện trường, các thiết bị thường được dùng như bằng năng lượng cơ học tác dụng lên khối đất. máy đầm tay, máy đầm cóc, máy đầm cao su và các thiết bị đầm loại lớn khác. Ngoài hiện trường, công đầm được đánh giá bằng số lần di chuyển của con lăn trên một thể tích đất xác định. Trong phòng thí Mục đích của việc đầm chặt nhằm gia cường các tính chất kỹ nghiệm, các phương pháp đầm nén hay đầm động, đầm trộn và đầm thuật của đất. Ngoài ra chúng còn dẫn tới một số lợi ích khác: tĩnh thường được áp dụng. Trong đó, phương pháp đầm nén là hay + Ngăn ngừa hoặc giảm thiểu độ lún. được sử dụng nhất bằng cách cho quả đầm rơi tự do nhiều lần lên + Gia tăng cường độ chịu lực và ổn định mái dốc. mẫu đất đựng trong cối đầm. Khối lượng quả đầm, chiều cao rơi tự do, số lần đầm, số lớp đất đầm và thể tích cối đầm đều được xác định cụ + Tăng cường sức chịu tải của nền. thể. Ví dụ, trong thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn: quả đầm có khối lượng + Có thể được kiểm soát được quá trình thay đổi thể tích đất 2,495 kg (5,5 lb), chiều cao rơi quả đầm 304,88 mm (1 ft). Đất được được gây ra bởi các hiện tượng như đóng băng, trương nở và co chia thành 3 lớp, số lần đầm mỗi lớp 25 và thể tích của cối đầm xấp xỉ ngót. 1 lít (0,944x 10-3 m3 hoặc 1/30 ft3). 2.2.2. Nguyên lý đầm chặt . 2.2.2. Nguyên lý đầm chặt . Đối với các kiểu đầm chặt khác, việc xác định công đầm khá phức tạp. Trong phương pháp đầm trộn, máy đầm trộn đất dưới một áp lực nào đó trong khoảng thời gian rất ngắn, phương pháp này được dùng để mô phỏng quá trình đầm chặt đất bằng đầm chân dê và các thiết bị đầm khác ngoài hiện trường. Còn với phương pháp đầm tĩnh, mẫu đất được nén chặt trong cối đầm dưới tác dụng của một lực tĩnh bằng máy trong phòng thí nghiệm. Chúng ta có thể áp dụng thí nghiệm Proctor và các thí nghiệm đầm nén trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu quá trình đầm chặt của đất dính. Trình tự như sau, tiến hành thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn cho một số mẫu đất cùng loại nhưng khác nhau về độ ẩm. Sau đó ta xác định dung trọng ướt và độ ẩm thực tế của các mẫu đất đã được đầm chặt, rồi tính toán dung trọng khô của mỗi mẫu đất theo các công thức đã trình bày trong chương 2 Khi xác định được dung trọng khô và độ ẩm tương ứng của các mẫu đất, ta biểu diễn lên cùng hệ trục toạ độ và xác định được một đường cong gọi là đường cong đầm nén. (đường cong A trên hình 5.1)
2.2.2. Nguyên lý đầm chặt . 2.2.2. Nguyên lý đầm chặt . Điểm đỉnh của đường cong đóng vai trò quan trọng. Tương Tại sao các đường cong đầm nén lại có hình dạng đặc trưng ở ứng với giá trị lớn nhất của dung trọng khô ρd max là độ ẩm tối ưu trên hình 5.1 và 5.2. Nếu độ ẩm trong đất nhỏ, khi ta cho thêm wopt (cũng là lượng chứa nước tối ưu, OMC). Nhưng chú ý rằng, nước vào trong đất thì kích thước màng nước bao quanh hạt đất đó chỉ là dung trọng khô lớn nhất cho một công đầm và một tăng dần lên và làm tăng kích thước hạt đất, do có màng nước bôi phương pháp đầm cụ thể chứ không phải là dung trọng khô lớn trơn nên các hạt đất dễ dàng di chuyển và sắp xếp lại khiến mẫu nhất có thể đạt được ngoài thực tế. đất chặt hơn. Tuy nhiên, tới một độ ẩm nào đó thì dung trọng của Vị trí chính xác của đường cong bão hoà chỉ phụ thuộc vào đất không thể tăng được nữa và nước bắt đầu thay thế vị trí của trọng lượng riêng của hạt đất ρs. Chú ý rằng, độ bão hoà tối ưu S đất trong cối đầm. Do ρw
2.2.2. Nguyên lý đầm chặt . 2.2.3. Tính chất và kết cấu của đất dính đầm chặt . Kết cấu và tính chất của đất dính đầm chặt phụ thuộc chủ yếu vào phương pháp hoặc kiểu đầm, công đầm, loại đất và độ ẩm đất. Thông thường độ ẩm của đất đầm chặt liên hệ mật thiết với độ ẩm tối ưu tương ứng với một kiểu đầm chặt nào đó. Tùy thuộc vào giá trị của độ ẩm mà đất được cho là ở trạng thái khô tối ưu, ở độ ẩm tối ưu hoặc ướt tối ưu. Với cùng một công đầm, nếu ta tăng độ ẩm thì kết cấu của đất càng phân tán. Đất ở trạng thái khô tối ưu thì luôn có xu hướng kết tụ trong khi ở trạng thái ướt tối ưu lại dễ dàng phân tán. Ở trên hình 5.5, kết cấu của đất tại điểm C thì dễ dàng phân tán hơn tại điểm A. Thậm chí khi đất ở trạng thái khô tối ưu, nếu ta tăng công đầm thì đất cũng trở nên dễ phân tán hơn. Cũng trên hình 5.5, kết cấu của đất tại điểm E thì dễ dàng phân tán hơn tại điểm A. Còn khi đất ở trạng thái ướt tối ưu, thì kết cấu của đất tại điểm D dễ dàng phân tán hơn tại điểm B một chút mặc dù mức độ ảnh hưởng không lớn như khi đất ở trạng thái khô tối ưu. Hình 5.4 Nén ngoài hiện trường và nén trong phòng (1)Thí nghiệm nén tĩnh trong phòng, 2000psi; (2)Thí nghiệm Proctor cải tiến; (3)Thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn; (4)Thí nghiệm nén tĩnh trong phòng; (5)Thí nghiệm nén ở hiện trường ) 2.2.3. Tính chất và kết cấu của đất dính đầm chặt . 2.2.3. Tính chất và kết cấu của đất dính đầm chặt . Với cùng một công đầm, khả năng thấm của đất giảm đi khi ta tăng độ ẩm của đất và đạt tới giá trị nhỏ nhất khi đất có độ ẩm tối ưu. Nếu công đầm tăng lên thì hệ số thấm sẽ giảm xuống do hệ số rỗng giảm . Khả năng chịu nén của đất sét đầm chặt phụ thuộc vào độ lớn ứng suất trong khối đất. Khi ứng suất tương đối nhỏ thì đất dính có khả năng nén lún lớn hơn khi độ ẩm lớn và điều này xảy ra ngược lại đối với ứng suất lớn. Đất sét đầm chặt có tính trương nở lớn hơn khi ở trạng thái khô tối ưu. Vì khi đó đất thiếu nước nhiều hơn nên có xu thế hút bám nước nhiều hơn và tính trương nở sẽ cao hơn. Cường độ của đất sét đầm chặt khá phức tạp. Cường độ ở trạng thái khô tối ưu lớn hơn cường độ ở trạng thái ướt tối ưu. Cường độ ở trạng thái ướt tối ưu cũng phụ thuộc một chút vào kiểu đầm do có sự khác nhau về kết cấu của đất. Nếu ngâm mẫu đất vào nước, hình dạng của đất sẽ thay đổi do tính trương nở, đặc biệt khi đất ở trạng thái khô tối ưu. Cường độ của đất hầu như không đổi khi đất ở trạng thái ướt tối ưu và tăng lên đáng kể khi đất ở trạng thái khô tối ưu. Hình 5.5 Ảnh hưởng của công đầm đến kết cấu đất (theo Lambe, 1958a)
2.2.4. Các thiết bị và phương pháp đầm nén ngoài hiện trường . 2.2.4. Các thiết bị và phương pháp đầm nén ngoài hiện trường . Đất dùng trong xây dựng thường được khai thác từ các bãi tự nhiên. Người ta thường sử dụng các loại máy đào, máy xúc và máy cạp để khai thác đất. Trên hình 5.9a và 5.9b minh hoạ một số loại máy được dùng trong thực tế. Các bãi khai thác đất có thể ở gần hay xa vị trí xây dựng công trình. Máy cạp thường được dùng để chuyên chở và rải đất lên nền công trình. Người ta cũng có thể dùng xe tải có các kiểu đổ đất khác nhau để vận chuyển đất. Trong quá trình thi công nhà thầu thường tận dụng các máy móc chuyên chở đất di chuyển qua vị trí đất chưa đầm chặt do đó làm giảm công đầm cần thiết. Khi vật liệu khai thác được vận chuyển đến vị trí xây dựng công trình. Các loại máy ủi, máy xúc và máy san sẽ rải đất thành những lớp đất có bề dày phù hợp. Bề dày của các lớp đất thông thường dao động từ 150 đến 500 mm (6 đến 18 in) hoặc phụ thuộc vào kích thước và loại máy đầm hay phụ thuộc vào kíck thước hạt lớn nhất của đất đắp. Hình 5.9 Hai loại máy cạp đất: (a) Máy cạp đất thông thường hay máy cạp tự chất tải. Đôi khi một hoặc hai máy ủi giúp đẩy đầm để chất tải. Hai chiều máy cạp đất này đang hỗ trợ lẫn nhau để đẩy-kéo. (b)Máy cạp nâng là máy tự nâng tải và loại bỏ những thứ cần thiết cho bàn đẩy 2.2.4. Các thiết bị và phương pháp đầm nén ngoài hiện trường . 2.3. Cố kết và lún cố kết Các nhân tố ảnh hưởng tới quá trình đầm chặt của đất bao gồm: 2.3.1 Giới thiệu chung - Đặc tính của máy đầm: + Khối lượng, kích thước Với vật liệu liên tục → Ứng xử với tải trọng xảy + Tần số làm việc và phạm vi thay đổi của tần số - Đặc tính của đất đầm chặt: ra tức thời. + Dung trọng ban đầu + Kích thước và hình dạng hạt Với đất thì dưới tác dụng của tải trọng phải mất + Độ ẩm - Quy trình thi công: một thời gian dài mới xuất hiện rõ biến dạng. + Số lần đầm + Chiều dày lớp đất Biến dạng của đất: + Tần suất làm việc của động cơ + Tốc độ di chuyển Sự thay đổi hình dạng. Các đặc tính của máy đầm ảnh hưởng tới độ lớn ứng suất và chiều sâu phạm vi làm việc của lực rung, dung trọng ban đầu cũng Sự thay đổi thể tích. tác động lớn tới hiệu quả đầm chặt. Sau khi đã lựa chọn được máy đầm, thì quy trình thi công là nhân tố quyết định hiệu quả đầm chặt. (BS7) Sự thay đổi hình dạng + Thay đổi thể tích.