Giáo trình Cơ học đất: Phần 1 - GS. TSKH. Bùi Anh Định

Chia sẻ: Lê Thị Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:139

Thêm vào BST

Báo xấu

196
lượt xem 37
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Để đảm bảo an toàn, bền vững cho các công trình xây dựng người kĩ sư phải nắm được các tính chất chịu lực của đất qua cuốn sách "Cơ học đất". Phần 1 cuốn sách gồm 3 chương: Các tính chất vật lí của đất, các tính chất cơ học của đất, phân bố tính ứng suất trong đất. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung tài liệu để có thêm tài liệu phục vụ nhu cầu học tập và nghiên cứu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Cơ học đất: Phần 1 - GS. TSKH. Bùi Anh Định

Mở đầu ĐỐI t ư ợ n í; n íỉh iê n ( ll của co hoc đất Bciỉi dọ c khi ỉììỉiôn tr à thùỉììì m ộ ĩ kỹ s ư \ á y (lựng i^iỏi nên h ỏ thời gian tìm hiểu m ột v ấ ỉ ỉ c l é c ó t c h ì ì C/IU ÍỈỈ t r ọ n g l ớ ĩ i c l ì O ì ì ì ọ i c ô n ^ ĩ r ì n l ì â ó l ủ ỉ í t ĩ h c h ấ t c á c t ầ n g lỚ Ị? c ủ a v ỏ t r ú i (ỉất. C ó t h ể ĩ h ấ \ v õ ỈÌỈỌÌ c ô fì^ ĩrìììh x â y dự ìì^ â ề u p ì ì ã i tự a lê n đ ấ t , đ ấ t l ù c ú i n ề n đ ỡ c ô n g ĩỉ ììììỉ. C ô n ^ íỉ ìnli càỉii^ ĩo lớn ỉlìi sức ỉìủìì^ cúư nó đè lên đ ấ t càng mạnh. Klỉi nuỊĩ (ỉủĩ cììỊỉi ĩúc iìiifì^ của các lực (lo ỉìlìủ cửa, cầu công truyền xuống, chúng ta tììiíờììg ĩììăy plìủĩ sinh i úc Ììiệìì ĩiừ/nỵ lúỉỉ, ỉìiịliiẻiì^ lệclì lìoậc nứt n ẻ thậm ch í sụp đ ổ cử rôìì^ ĩrìĩìlì. C úc lìiệ/i ÍIÍỢỈÌ^ ỉỉủ \ đêỉí í^âv tai hại vù ỉìi^ỉỉỵ lìiếni cho người sử dụng. Nììữìì\ị hiện tượỉii^ pììáĩ siỉi/i ỉìói ĩrẻỉi tlìiửrníỊ do đất hi túc d ụ n g của lực qua lớn từ Í ÔỈIÍỊ ĩrìĩììì ĩnixéỉì .\ỉiô)ì
Sưu kìii lìọc .\o n^ m ỗi chươỉì^ CCIC hạn sinlì viên hãy tự hỏi m ình x e m chương đó nói vê ỉìlìữỉĩ^ vẩỉì dê iỊÌ, ứn
Chương 1 C Á C T ÍN H C H Ấ T V Ậ T L Ý C Ủ A Đ Â T 1.1. S ự HÌNH T H À N H CỦA ĐÂT Đ a số các công trình xây dựng đặt trên nền đất, chỉ có một sô lì các công trình đặt trực tiếp lên tầng đá. Bản thân các tầng lớp đá, nếu th ế nàni ổn địiih, ihì do cường độ của đá tương đối lớn m à c ô ng trình đặt trên nó có ihể vững chắc, sử dụng lâu dài mội cách yên tâm. Còn đối với đ ất thì phụ thuộc vào nhiều điều kiện mà có khi cườne dộ rất ió'n hoặc yếu. Trước khi đi sâu tìm hiếu các tính chất củ a đất chúng ta càn phải biết nguổn gốc hình thành của chúng. Thành phần chủ yếu của đất là các hạt đất. Các hạt đất có kích thước to nhỏ khác nhau, chúng được tạo nên do sự phá hoại các tầng lớp đất đá ban đầu bới nhicu nsLivôn nhân. Q uá trình này gọi là phong hoá mà trong m ô n Đ ịa châì côno trình dã được trình bày cụ thể. ở đây chỉ xin nói chung, ngắn gọn như sau: Người ta phân loại quá trình phong hoá đá ra làm ba loại tuỳ vào bản chất của lác d ộ n g phá hoại. Đ ó là phong hoá \'ật lí, phong hoá hoá học và phong hoá sinh vật. Phong hoá vật lí là các tác động tự nhiên của môi trường xung quanh clối với các tầng lớp đá: do tác đ ộ n g cúa nhiều nguyôn nhân như sự thay đổi nhiệt độ, sự dón
Q u á trình di chuycn và láng đ ọ n e trên dược iĩoi la trầm tích. Ba phần tư bề mặl lục địa được bao phủ bời các lớp Irầm tích này, pliaiì con laỉ là các vùng núi đá. Trong khi di chuyến các hạt có kích thước lớn thường CÒIÌ iiiứ diUíL llìànli phần khoáng chất như đá uốc hoặc biến đổi íl, các hạt nàv lắns đọim chỏng ch ứ Icii Iihau, giữa các hạt không có liên kếl gì c h ún g rời rạc tùìiu hạt với nhau, dó ciiinlì la các táim lớp cát, cuội, sỏi Các hạt n hỏ kích Ihưức vài phần ĩVj.h]n milimct ihuòỉm có tính keo dính và lích điện, chúim Ihco uìó hoặc nước đi xa hưn. Khi lánu LÌOỈV2 chúng liên kết với nhau, lâu dần hình ihành các tầim lóp đất sét hay uọi là dal dínli. T uỳ thuộc vào vò vàn diều kiện cũa lự nhièii như Ihời tiết, địa điểm , thời gian... các loại dất dưực hiiih thành râì khác nliau. tíiili cliãt mồi loại, mỗi nơi cũng khác nhau. Trong m ôn học nàv chúiig ta sẽ Iiiỉhién CỨLI lìiiữiìi: ĩíiìh chất chung nhất của đất khi chịu lực còn khi Ihiốt kố. línli [oí\n còne trình CIÌ liciì t|uan íói dat hắt buộc chúng ta phái khảo sál. llìãm dò, ihử nuliiệiiì Iv mi \ à tliạii Iroiìi: dc ỉUìin .ỈLiòc các đặc điểm cụ thể cúa mỗi loại dàì ứ lừng vị trí cụ llic. SÍUI dc> lììới dị) CÌLIIÌU k\cn llìuc chung ỏ’ đâv để giải quyêì cho íliích liợp. 1.2. CẢC TH Ả N H P ílẨ N ( HI VKU C l \ Đ V ! N hư m ục trên chúiìiĩ la cỉ;l lìivi '-v IììiìIị ihàiỉli ilìànli Ị'tlìán chủ véu của đất là các Ikí! (!ất. (Vic hal đàí ri.'-' k u ìỉ slìihiv klì:ic nliaii- hin!! úaiv..’ k!iac nliau nên khi sắp xếp với iìiì.ui :on Un c a c klìc ì o n i \ . Các In Ìụnìii Uiứa o.it' luìi a n h h ư ỏ ì m rấl n h i ề u đ ế n tính rh;:l L'ù;i dat, v"\ v:w khi lìiihiõn cứu diVí pluÌ! \ci (ỉv-11 lìiOÌ ỉ!u)!ỉh phẩn Iroim khối đó. T ừ lí cl(ìii;"i\ n u iR M ỉa clâí là m o i \ a l i h c C i i in.i [ h a n ì ì lu \ 'h L iy c n d ùniz t r o n í í c ơ h ọ c uọi dal Lì \ ạl ihc ha plia: Ị)lia c ứ n u là iiạl dal ỈUi) ràì Ị uí i liiiim là k h u n g cỏ ì c ủ a đấ t, p ha long là inróv iroiiLỉ lõ liỏiìiỉ. plia khí là các ih a i lioi !o lionii. Khi lo liổim dâv Iiư()c llìi niĩưòì la UỌI la dal hão Ixx: ÍKIỞC va lìhư vậy chi còn hai pha. l^lia tlnr ba là chai klìí troim thực Ic íĩ ánh huVvnu ứrn tíiih chất c ơ học của đâì. Trái lại l ư r n u n ư ớ c h a y li lộ p h a l ò n g s o \'ới plia rán ihi hu C(') imliĩa rất lớn. Sau dây chúnu la sc di sâu viu) tìiV: hiêu lừim thành phẩn của dấl- 1.2.1. H a t đát Hạt đâì là thành phần chủ vốu của đấ;. Khi lực tác d ụ n a bên imoài lén mãl dấl Ihi các hạl clàì cùnu chịu lực inì: I ru y c n r ộ n ỵ ra \'à XLiốnu dưới sâu. VI \'ậv mà nuười la V.ỌÌ tập hợp các ha: dàl là k h u n a cốt của dáì. Hỉnh 1-1
Các hạt đất có nhiều hình dạno và kích thước khác nhau luỲ thuộc vào các tác động phong hoá và quá trình di ch uvển, trầm tích. Các hạt lớn là những đá tảng đường kính trung bình có khi vài m ét, th ứ đến các loại hạt nhỏ như đá cục, dá cuội, sỏi sạn. hạt cát, hạt bụi, hạt sét... Các hạt nh ỏ nhất là các hạt kco đường kính trung bình có khi chỉ bằng vài phần nghìn milim ét. Đ ối với loại hạt lớn n h ư đá tảng, đá hòn đường kính k h o ả n s 200min trớ lên thì kích thước ba chiều của hạt đ ề u cần chú ý. Đối với các hạt nhỏ hon 200m m trớ xuống, nhất là những loại sỏi sạn đến cát bụi thì hình dáng các hạt lại càng phức tạp. Đ ể phân loại người ta thường dùng khái niệm đường kính trung bình của hạl. Đ ó là đường kính của vòng tròn bao q uanh tiết diện lớn của hạt đất đó (hình 1- 1). Khi phân loại đất người ta thường căn cứ vào tỉ lệ các loại hạt nào chiếm đa sô' để mà đặt tên. Do đó trước hết c ần đặt tên các hạt. a) T ên íỊọi c ứ r hạt đất Tuỳ vào kích cỡ các hạt m à m ỗi nước có m ột cách gọi tên các hạt. Các quy, trình xây dựng của ta hiện nay gọi tên các hạt như bảng 1. 1. B ảng 1.1. Bảng tên gọi các hạt đất Tên hạt đất Kích thước hạt (mm) Đá tảng >200 Hạt cuội 200 4- 10 Hạl sỏi 10^2 Hạt cát 2 ^ 0,1 Hạt bụi 0.1 0,005 Hạt sét < 0,005 Sau đây là cách gọi tên các hạt đất của các nước k hác nhau để các bạn tham khảo. Hệ thống phân loại đất th ốn g nhất của N hật Bản "tiêu chuẩn kĩ thuật công trình và thiết bị cảng N hật Bản 1980". 5^ 74ụ 0,42mm 2 ,0mm 5,0mm 20,0mm 75mm 300mm Sỏi Sỏi trung Cát nhỏ Cát to Sỏi to Hạt Hạt Hạt nhỏ bình Đá Cuôi keo sét bụi tảng a t Sỏi Vật liệu đất Vật liệu dá
ở Mỹ có một số cách ” ỌÌ tên hạt luỳ vào các côim ty, hãng, như bảng dưới đây của us. Bureau oí Soils [9]. 5(.i 1ŨỊ.I Imm 1ŨOmm C'ác loại dat có hình d ạ n ” rất khác nhau, nhũìiíi hat lớn như hal cát Irứ lèn thường có dang khổi, kích thước 3 chiều gấn bàng nhau. N h ữ n s hạt ú bị d ịch ch uy cn có cạnh sắc, sóc nhọn. Những hạt bị dịch chu yến nhiều trone quá trình Irám tích, các góc. cạnh bị cọ sát, va chạm nhau nhiều sẽ irớ nén tròn trặn hơn. Đ ể đ án h giá hình dạng và góc cạnh các hạt người ta dùng các chí số độ tròn K-|Y và chỉ số hình cầu K^.; xem hình 1-2. r vR Kxr = ( 1- 1) N ớ đây: r - bán kính các góc; R - bán kính cù a vòng tròn nội tiếp lớn nhâl; N - là số các góc cùa hạt d., K„ - ( 1.2) d. Ó đây: K^, - chi số hình cầu của hạt; - dường kính cúa hình tròn có diệii lích bang diện lích hình chiếu của hạt khi nằm trên m ột mặt phẳng; d^, - đường kính của vòng tròn ngoại liốp nhỏ nhất. C ác chí số K |-, và K^, càng lớn chứng tó các hạt tròn nhần vìk càng gần dạng hình cầu. C ác hạt đất có kích thước lớn thường có dạna gần siống hình cầu, các hạt nhỏ như hat sét, hạt keo lại có dạng vẩy hoặc dạng hinli kim, dạng tấm m ỏn g v.v... h) Tliùnlì ph ần klìoáng vật của hạt (lất T liành phấn khoáng vât của hạt đâì phu tliuộc thành phần kh oáng vật tạo đá và tác duiiiỉ phong hóa đá. C ác hạt đất có kích thước càno lớn thì thành phần khoáníỉ vật càng giống với đá gốc hơn, Các hạt có kích thước càng nhó bị tác clụim cúa Iiưóc và Iiliiều nguyên nhàn phức tạp kh ác, thành phần khoáníỉ vậl bị biến chất di la ÍỈỌI là khoáng vật thứ sinh.
K hoáng vật hợp thành các hai ilãt có thc chia thànli 3 loại: K hoáim vật iiiiLiycn sinh, khoáng vật thứ sinh và inột tliành |ihần nữa dược gọi là các \'ậl cliat iioá hựp hữu cơ chiếm m ộl ti lệ nhỏ. Các khoáng vật nguyẽii sitih tao Iièii các hạt thườna là 3 loại: rdspat. tliạch anh \'à mica. Các hạt đất có thành phần kỈK)ánR này thườim có kích ihưổc lớn lừ hal cát Irớ lén. Các k hoáng vật Ihứ sinh được chia làm 2 loại: 1. Loại không hoà tan troiie tiLrớc íỉồin kaolinit, ilit \ ’à m ontm orilonil; 2. Loại hoà tan trong nước iiổni calcit, m ica Irắng. Ihạch cao và muối mỏ... (iniiốn tìm hiểu rõ các thuộc tính cua khciáng chất, xin các bạn xem troim iziáo trình Địa chít). Đất gồm các loại liạt 1Ó'I1 thì ihàiih phần khoáim \'ậl Ihườns khõng có anh hưỏng gì nhiéu đến tính chất đâì. iihưnỊỉ đất gồm những hạt nliỏ đườiiỉ: kính từ 0.()05inin trờ xu ốn a thì thành phầii khoáng \ at lai ánh hường ráì lứỉi dcn líiih chai \ ,il lí \ à co' hoc của đất. A nh hướng nà> thế hiên ở các liiện tượnR tích điện hil- mat \ii hoai lính kco cua các liạt. lliẹ n lượng tích điện \'à lioal tính kco làm các hạl |]cn kcl \ó i lìiuiii \'à \'óì niróc trong lỏ rỗng. Sự lièii kèl các hal làm cho nó thành m ội khối \’à lạo d io dất chịu diroc m ộ l lực n h ất đ ịn h , th í d u I i h ư c u c dal sét k h ỏ ... N h ữ n g hạt lớn nliư cát. cuội, sói thầiìli phán k h o á n g cu a hat hâu lílui' khóiie anh hướng gì dcìi Iihaii. Cìiữa các hat khỏna có iực ỈIOÌỊ kili. các lial chi sap xốp nãnỉ ra n h nhau. Chúng ta eọi là đâì lial rò'i. K hi số lượniỉ hal sét \ a hạl keo có Iiiol !i ic nh:V! Í.ÌM!!' [roìM- ciat llii sC' cu ii!> :■ iíơiì;! các hạt dính kòt \'ới nhau lliàiih Iirni: lúp huạc íừni: khoi. Niiữnii liiLii lìlm liiKn :.1»! !:i dủì dính . Sự liC'n kcl íiiĩra eác ỈKil |i!ui ihuoc \'à() tliện lích Ucp \iU; eua diúii!: \'('ìi ihaii. Khi dất oồm nhicLi hal càiii! Iiliu iliì lổiiu diện tích m ậl iiL!()ài các lial càim lỏn. N[rJÙ'i ta có llìC thấy I'õ khi so sánỉì toiiii ilion lícli niậl nuoài cúti lÚl lìạl li\nie U:nì' ỉìDại i gaiii đất khi đường kính liạl nhó ílần. thí dụ bảniz 1.2 . Hànị> 1.2. ri di ện tích m ặ t Iiịỉoài c á c hạt Tên hạt Kích ihước (mm) Tỉ diện m^cam Bịu 5,10''^ - 1.10 ‘ 1 Kaolinit 1. 10"' 10 llit 5.10'-" ^ 1.10'" 80 Montmorilonil 5,10'-% 1,10'" 800 Bctonit
1.2.2. Nước trong đất Nước là thành phần thứ hai của đâì mà troiiiỉ ch IVCII nióii thường được gọi là pha lỏng. Nước có ảnh hưởng rất lớn đến lính chiu liR- cua cỉaì \'ì váy khi nghiên cứu người ta luôn chú ý dến số lượng nước trong đâì. Nước tổn tại trong đất dưới nhiều dạng kliác Iiiiau Moi tlang đều có ảnh hưởng nhất đ ịnh đến các tính chất khác nhau của đất. Người ta thường phán ra các dạng như sau: - Nước trong kho án g vật của hạt đất. - Nước kếl họp với mặl ngoài hạt đất: + Nước hút bám. + Nước m à n g mòng: * Nước kếl hợp mạnh. * Nước kết hợp yếu. - Nước tự do: + Nước m a o dần. + Nước trọng lực. Dưới đây chú ng ta sẽ đi sâu hơn vào tính chãi cua mói kiai nước. a) N ước trong kh o á n g vật củci hạt âcĩt Đàỵ là loại nước nằm trong tinh thể khoáim \ ái cua liai dát. tổn lại dưới dạng phân tử H , 0 hoặc d ạng ion hay OH". Loại nước irong thanh phán khoáng vật này không thể tách ra hàng các biện pháp cơ học, nó liên kêl rai l Ii ;ii l Iiõ \ ới các phần tử ion khác. M uôn tách nó ra khỏi khoáng vật chí có thó sâv o Iiliicỉ cU) i()()° -^30()°c. Loại nước này ít ánh hưừng đến tính chất cơ học của đất nên khdiiỊi caii lim tâin láin khi xây dựng. h) NiCỚc kết hợp inặỉ ní^oài của (lất Như trcn đã trình bày, chúng ta biết rằnu khi dai nliicLi liai nhỏ lliì li diện càng lớn. Khi ti diện c àn g lớn thì sự liếp xúc của các hạt vói Iiliaii \iì \Ớ 1 nước xung q uanh chúng càng lớn làm ch o đất nói chung có nhiều tính chai plìiÌL lap lion. Các hat sét là những hạt nhỏ D 0 ,0 0 5 m m được cấu lạo bứi một số linh ihc klio;uig \'ãi. Mỗi tinh thể khoáng vật c ủ a một loại đất c ó m ạ n g lưới các n g u y ê n tử của cac íitỉLiycn k') dược sắp x ế p khác nhau. H ình 1.3 là cấu tạo cúa tinh thô kaolinit và montiiKinlonii, Theo một số tác giá như Râyis, Grim thì irèn hc inal các liai SCI [hường có tích điện àm. Do đó giữa các hạt \’à giữa hạt sét \ ’ói nước b;ui học (.|uanh nó hình thành các lực tĩnh điện. T iên hình 1.3 là sơ đổ m ạng lưới tinh tlic Kaolinil khớim dõì xứim do tích điện hai đầu linh thế khác dấu Iiôn nó hút nhau tạo tliành tuìis lập liên kẽt chật chõ không hút nước. Trái lại tinh thế m ontinorilònil có câu tao ciỏi xứníỉ. do đó các liat liẽn kết nhau k h ò n a chậl klii có nước bao bọc quanh hạt cỏ ihc chứa mõt lưựng nước rái lớn vì các hạt có thế dấy \ a nhau ra. làm cho đấl có tính 110' \'à co r.ít lứii. 11
- 6( 0 ) + 6(0H ) 4AL o 40+ 2(0H) ■ầ- tím + 4Si 'cn •T o'h) Ụ ^ “ ‘S U -b !) .4SÌ 4(0) + 2(0H ) 4ẦL 4(0) + 2(0H ) 4Si - 6 (0) ô ố ò Ghép nối các tinh thể montmorilonit Hinh 1-3 Nước có cấu lạo phân tử H 2O như hình 1.4a. A+ + Hình 1-4 Khi nước bao bọc q u a n h hạt sét có tích điện âm thì phân tử nước bị tác dụng của lực tĩnh điện làm nó bị hút ch ặt vào mặt hạt, các phân tử nước sẽ bị sắp xếp lại, đầu cực 12
d ương quay vào mặt hạt, phân tử nàv nối tiêp phân lử kia. Lực điện phân tử giảm nhanh khi khoảníz cách càng xa d ần mặt hạt. Đốn khíxuig cách từ 0,1 0,5 |am thì lực tác dụng g iám gần như bằng 0 . Tuỳ vào khoáng cách đến mặt hạt \ ’à tác cÌLm'j cua lưc tĩnh điện, nước được chia tliành các loại sau: h . l . Nìíóv h ú t l)á»i Đây là các phần tử nước nằm ngay sát mặt hạt dát có licn kết chặt chẽ với hạt. Khi đất chỉ có nước hút bám thì vẫn ở trạng thái khó. Loại nirớc Iiày không thể hoà tan các loại muối, tỉ trọna khoảng 1,5; không dẫn nhiệt, khòníỉ kêì linh, tỉ nhiệt khoảng 0,51 ^ 0,79. Lượng chứa nước hút bám đối \'ới đất cát là 0.5'^ í . đối \'ứi đất sét pha 5 7%, đối với đất sét là 10 H- 2 0 %. h.2. Niíớc inàin’ inó/HỊ Ngoài lớp hút bám là nước m àng inỏiiíỉ. Đày là lớp Iiước g ồm các phần tử nước bị tác d ụ n g cùa lực tĩnh điện trên mặt hạt đất. Các phân tứ nước bị phân cực ho á do tác dụng c ủ a điện trường của hạt, bị hút vào mặt hạt. Lực diên phân tử ớ gần m ặt hạt thì lófn, càng x a mặt hạt thì càng nhỏ và giảm nhanh. Vì vậy các phàn tử nước càng gần m ặt hạt sẽ sắp x ếp càng trật tự. càng xa m ặt hạt thì sự bố trí các phàn tứ càng lộn xộn hcfn. Lớp nước m à n g m ỏng được phân thành lớp nước kết họp mạnh \à lớp nước kết h ọp yếu. Nước kết hợp m ạnh bám tương đối chắc \'ào mãt hal. lực li tám lớn cũng khó lách được loại nước này ra khỏi đất. Khi đàt chí chứa Iiưóc hút bám và kết hợp m ạnh thì ta gọi nó lù lượng nước phân tử. Nước kết hợp manh kliõng truyền áp lực thuỷ tĩnh nhưng có lliể hoà tan muối. Khi đất chỉ có nước kỏì hợp m ạnh thì nỏ ỡ trạnsi tli.íi nứa rắn, chưa thể hiện tính dẻo. Nước kết h(Tp yêu là l(ýp nước bao bọc bèn nỊi('ài lớp nước kết hợp m ạnh. Tính chất c ủ a nước két hợp yếu khổn g khác nhicii với nưck' Ihưừng. ("hiều dày của lớp m àng m ỏng g ồ m lóp kêl hợp inạnli và lớp kết họp yếu dày klioánc hiĩii 10 lần phân tử nước (theo H ocbcr) hoặc từ 0,1 0,5 m icron (theo 13. u . Đêria^hin). Khi đất có chứa nước kết hợp yếu, nếu kết cấu tự Iihiên đã bị phá hoại thì thường đất ỏ trạng thái dẻo. Nếu đất có kết cấu tự nhiên thì đất không thể hiện tính dẻo. V. A. Priklonxki gọi đ ó là trạng thái dẻo ngầm. Hinh l-4c ihc hiện sự bố trí các lớp nước c h u n g quanh hạt sét. c. Niỉớc tự do. Nước lự d o là nước ở ngoài phạm vi của lực hút điệii tử. Nước tự d o được chia thành nước trọnsì lực và nước m a o dẫn. N i M ' trọniị lực Nước trọng lực là nước tự nhiên nằm trong lỗ hổns cúa đất, có thể di c h uy ển từ nơi này sang nơi khác dưới tác d ụ ng của trọng lực. Ta thưừnti uọi lớp nước này trong đất là nước nơầm, dân gian gọi là nước mạch. 13
Nước m ạch chảy từ chỗ cao xuống chỗ thấp, ờ trong các lỗ hổng nó tác động lên các hạt áp lực thuỷ tĩnh m à ta gọi là áp lực nước lỗ rỗntỉ. Khi lỗ hổng giữa các hạt lớn, nước có thể thấm nhanh từ c h ỗ này sang chỗ kia \'ới tốc dộ nhất định thí dụ vài mét trong một giờ hay vài chục m ét trong m ột ngày dèm. Khi cháy qu a các lỗ hổng nếu lốc độ Ihấm lófn có thể sinh ra áp lực thuỷ độn g lên các hạt đất. Khi lỗ hổng n h ỏ thì hiện tượng thấm nước sẽ xảy ra một cách khó khăn hcm do đó thời gian kéo dài. T h í dụ nước thấm trong đất dính khoảng vài m ét trong một Iiăm. Khi lỗ hổn g q uá nhỏ có thể nước không thấm q ua được. Tốc độ gần bằng 0. C.2. N ư ớc m a o dãn Nước m ao dẫn là nước d ân g lên theo các đườiig lỗ rỗng nhỏ giữa các hạt đất. NưiVc m ao dẫn có thể dâng cao đ ến hàng chục mét từ m ạch nước ngầm. Do hiện tượng mao dẫn, nước d âng c ao làm thay đổi tính chất chịu lực của các lớp đất pỉiía trên, như nliữiig tầng đất dưới đáy nền m óng hay nền đường. Nước m ao dẫn làm tâng độ ẩm của đát, giảm sức chịu tải của nền và ảnh hướng xấu đến vật liệu làm m óng khi nước có n'.ang những hoá chất ăn m òn... N g uy ên nhân sinh ra hiện tượng m ao dẫn là lực căng mật ngoài của nước th ành ố n g nhỏ. Lực căng mặt ngoài của nước trong ông có tiết diện bất kì được tính Iheo c ô ng thức L a Paplace: a =a (1.3) q - lực căng củ a m ặt chất lỏng; a - hệ số tỉ lệ, đối với nước * = 0,00075 M N /m ; ĨỊ, r, - bán kính cong theo iiai pliươníi thẩiiíỉ
1.2.3. K hí trong đất T ro ng các lỗ hổng giữa các hạt đất, ngoài nước còn có các chất khí. Người ta gọi thành phần k h í là pha khí cúa đất. Khi đất hoàn toàn kíiò Ihì khô ng khí chiếm toàn bộ thể tích lỗ rỗng. K hi bão hoà nước thì toàn bộ lỏ rỗn» của đất bị chiếm bởi nước và kh ô n g cò n th àn h phần khí nữa. Nói chung thành phần khí ít ảnh hưởng đến tính chất cơ học c ủ a đất. Các bọt khí trong lỗ rỗng của đất có thè làm lãng tính đàn hồi khi chịu nén của đất, n go ài ra chúng có thể ảnh hưởng tới tính thâm của đất, cản trở dò n g thấm của nước làm c h o tốc độ thấm giảm nhỏ. T rên đ ây c h ú n g ta đã nghiên cứu 3 thành phần riêng rẽ của đất, trong thiên nhiên 3 thành phần này có tính liên kết chặt chẽ với nhau, tác đ ộ n s qua lại giữa chúng làm cho đất c ó những tính chất vật lí, cơ học khác nhau, theo những quy tắc phức tạp. Dưới đây c h ú n g ta n g h iê n cứu tiếp về các loại kết cấu của đất. 1.2.4. Kết cấu của đất Đ ất là m ộ t vật thể có 3 pha trong đó pha rắn gồm các hạt là k h u n g cốt chịu lực chính củ a nó. K ết cấu củ a đất hay sự sắp xếp các hạt với nhau ảnh hướng nhiều tới các tính chất vật lí, c ơ học củ a chúng. Kết cấu của đất phụ thuộc vào quá trình hình thành và tồn tại rất lâu dài nên rất đa dạng. Người ta thường phân kết cấu của đất thành 3 loại cư bản như sau: a) K ế t cấ u hạt đơn Đ ày là d ạ n g kết cấu đơn giản nhất cúa đâì như các loại cát, cuội, sỏi... Các loại đất n ày chỉ bao g ồ m những loại hạt lớn như hạt cál bụi tnV lèn. Những hạt này sắp xếp cạnh nhau, giữa c h ú n g khô ng có sự liên kêt nào. Irong quá iriiih trầm tích, các hạt có trọng lượng bản thân lớn hơn các lực tác dụng giữa chúmi \'ới nhau, khi rơi xuống hạt nọ tựa lên hạt kia (hình l - 6 a). c) Hỉnh ỉ -6 Kết cấu hạt đơn còn được phàn loại thành kết cáu xốp \'à kết cấu chặt. Kết cấu xốp là s ự sắp xếp các hạt m ột cách rời rạc, thườiiíỉ có ỉồ hổriii lón. Loại đất này khi chịu lực cho đ ộ lún lớn và sức chịu lực yếu. 15
K ết cấu chặt là sự s ắ p x ế p các hạt liền khít, ch èn chậl \'ứi nhau. Đ ất cát kết cấu chặt thì thư ờ n g có hộ số độ rỗ n g nhỏ. có sức chịu lái cao \ ’à dộ lún nhó khi xãy dựng c ô n g Irình. ì)) K ế t cấu t ổ oníị Các loại đất trầm tích gồm các hạt tươns đối nhó, khi lắng đ ọ n s trọng lượng các hạl không đủ thắng được các lực tác dụng lương hỗ giữa chúntì \'ới nhau, các hạt bám vào nhau, khi lắng xuốn g tạo thành nhiều lỗ hổng như tổ ong (hình l - 6 b). c) K ế t cấn hô/iiỊ Các loại hạt kích thước rất nhỏ như các hạt keo trớ x u ố n s có irọn s lượng bán thân ràt nhỏ, chúng lư lửng trong một thời sian nhất định, sau khi kết hợp vớinhau thành lừng đ ám rồi lắng xuống. G iữa các hạt đã có những lỗ rỗng, đ ám hạt nàv láno xuốnơ lại tạo với các đám đã lắng trước các lỗ rỗng lớn hơn (hình l - 6 c). Ta gọi kết cấu như vậv là kết cấu bông hay kết cấu tố ong kép. Trên đâv là 3 loại kết cấu cơ bán của đất. Trong thực tế đất uổm nhiều loại hạt từ nhỏ đến lớn hợp thành. Vì vậy kết cấu của đất tự nhiẻn phức tạp hơn nhiều. Trong đất tự nhiên có thể tồn tại cả 3 loại kết cấu cơ bản trên. Trong quá trìnli tồn tại lâu dài liình thành các lực liên kct ỉiiữa các hạt đất làm cho đất có thể chịu được m ột tác dụng nào đó. Ta gọi c hú ng là các liên kết kết cấu của đất, chúng lại được phân thành hai loại: Liên kết nguvên sinh \ ’à !ién kết thứ sinh. Liên kết nguyên sinh là sự tác dụn a của những lực phán tử aiữa đất với nước. Các liên kết này thường có tính đàn hồi và nhói. Liên kết thứ sinh là liên kết cứne íMũa các hat đất, nó cliroc hình thành do sư lioá eià của các chất keo và sự kết tinh của các inuỏi troníi dâ'i. Licn kết thứ sinh làm ch o đất có thc chịu được mội trọno tái lóìi, đến m ột mức nào đó thì các liên kết này bị phá hoại. Đày thường là sự phá hoại dòn, đột hiếii \'à khó khôi phục lại. Kếl cấu của đất tự nhiên thường phức lạp gồm nhiều loại hạt lớn nhỏ sắp xếp khôn g th eo một quy luật nhất định nào Hình 1.7 như hình 1.7. Do lực liên kết kết cấu m à đất có thể chịu được một lực tác đ ộ n a nào đó, khi chịu lực các hạt đất bị dịch ch uy ển. Các lực ma sát íỉiữa các hạt, lực điện phân tử giữa các hạt nhỏ và giữa hạt nhỏ với nước, lực liên kết giữa các chất keo \'à các muối kết tinh chống lại sự dịch chuyển của các hạt. Đ ến một giá irỊ tái trọ n s nào đó lớn hơn các lực kết cấu này thì các hạt đất bị trượt lên nhau ta gọi là đất bị phá hoại. 16
N h ư v ậy c h ú n g ta cần chú ý sự phá hoại cùa (la! chính là sự p h á h oại các lực liên kết kết cấu giữ a các hạt làm c h o d ấl biên d ạ n ạ lớii chứ không ph ả i là sự p há h o ạ i bản th á n c á c hạt đ ấ t. vì cường độ chịu lực cú a các hạt thường lớn h ơ n lực liên k ết giữa c h ú n g rất nh iều. Từ những nh ận xét Irên đàv chúng ta cần lưu V khi thí nghiệm các loại đất phải bảo vệ kết cấu n g u y ên dạng cúa đất, tránh những xáo trộn kết cấu của đất. Có n hư vậy mới đ á n h giá được đ ú n g đắn các tính chất vật lí \'à cơ học của đất và từ đó mới có các biện p háp xử lí tính toán, thiết k ế thích hợp. 1.3. CÁC CHỈ TIÈL TÍNH CH Â T CỦA ĐÂT Người kỹ sư khi Ihiốt kô nền m óng cho một CỎII” tn n h xâv dựng cần phải biết đánh giá địa chất côim n in h cùa khu vực dành cho nó. Nizàv nay người ta thường dùng các chỉ tiêu vật lí để thc hicn một sò' lính chài của đất. Cliúnsỉ la bici rãim đât aổm 3 thành pliầii là hạt, nươc \'à khí. Tỉ lệ của 3 thành phần này sẽ íiián tiếp chỉ ra cho biết đất là rỗnỵ hav chặt, nãn^ạ hay nhẹ, khô hay ướt. Sau d ây chiine la sẽ tìm hiếu định nuliĩa các chi tièu vạt lí. 'Ĩruéĩc hõt đc dc iKun dược các khái lìiôin chúna la iư
1.3.1. T rọn g lượng thể tích của đất a ) T r ọ n g lượuỊị t h ể tích rựììlúêiì là trọng lượim của rnột đơn vị thể lích đất ở trạng thái tự nhiên, kí h iệu thường dùng là: Y = -^kN/m-^ ( 1.6 ) Đ ể xác đ ịn h trị số y của một loại đất ta phải d ù n a phưona pháp thí nghiệm sau đây: Lấy m ộ t đo ạ n ống thép có thể tích nhất định, m ộ t đầu được mài sắc như h ình 1.9. D ụng cụ n ày tro ng ph ò n g thí nghiệm gọi là "dao v ò n g ”. Khi thí n g h iệ m ta đo D, H và cân trọng lượng của dao vòng Sau đó dùng tay ấn dao vòng vào c h ỗ đ ất m u ốn xác định trọng lượng thể tích. D ùng dao cắt đất thừa ở mặt trên và dưới "d ao vòng". Sau đó đem cân cả dao và đất được Q |. Ta tính ra trọn g lượng đơn vị của đất bằng cóng thức sau: r = " = % ^ ™ .k N /m ’ (L 7 ) V "P- H 4 T u ỳ vào loại đất trọng lượng đơn vị tự nhiôn thưcfng vào khoảng 12 -r 20 kN/m^. h) T rọ n g lượng t h ể tích no nước T rọ ng lượng thể tích no nước là trọng lượng của m ột đơn vị thể tích đất ở trạng thái no nước. Đ ó là trạng thái m à các lỗ rỗng đều được lấp đầy bởi nước. Đ ất chỉ còn hai thành phần là hạt và nước. Trọng lượng thể tích no nước được tính bằng công ihức sau: ĩ„ h = ~ =^ ~ .k N /n v ' ( 1.8 ) Trong đó: Q'n - trọng lượng nước lấp đầy lỗ rỗng. Qj,i, - trọ ng lượng c ủ a đất có nước lấp đầy lỗ rỗng. Ỵ(,h - tổ n g hợp đơn vị của đất có nước lấp đầy lỗ rỗng. Đ ất ở nh ữn g nơi thường xuyên ẩm ướt, có nước m ặt thì có thể ở trạng thái no nước (bão hoà). c) Trọng, lượng t h ể tích đ ẩy nổi T rọn g lượng thể tích đ ẩy nổi là trọng lượng của m ột đơn vị thể tích đất nằm ở dưới nước. T ro n g trạng thái này đất chịu tác dụng của lực đẩy nối A rchim êde; ĩ d „ = - 5 ^ " ^ ^ = Y bh-Y „. k N /m ’ (1.9) T ro ng đó: Yn - trọ n g lượng đcm vị của nước (9,81kN/m^). 18
(I) T rọ ìì^ lượiìíỊ thè tích khó T rọng lượnụ thê' tích khô Yi- là trọníz lượnt> cua bal đâì t.roniíỉ in ộl đrín vị thể tích đất: Q ( 1. 10) = — , k.N/iiv' V Có thế ihủy ră n ” đối vứi cùníì một loại dát: 7j,|| > ■/ > /|^ > e) Trọiiiị lỉCợiì^ riẽiìư hạt T rọ n s lượng ricne hạl Yi, là trọng lượno của mồt đon \’ị the túch h;at (không có lỗ rỗng): Q Yh = ^ ■ kN/m V TroriR khi tính toán đôi khi người la còii dùiiíi khái niệm ti trong hạt A. Tỉ trọng hạt là ti số trọng lượng cúa đon \'Ị ihc tích hạt so \'ới uọna lượn2 c;úa điưn vị thể tích nước: A=- 7n N ế u d ù n g đ ơ n \ Ị là k N /iiv ' thì = 10 k N / n r ' , do đ ó : 7|, = lOA; Nếu d ù n g đơn vị là g/cnv"' ihì y,, = ủ , 'ĩ/nr"’ thì Yi, = lOA V'é gia t;rị B á n tỉ 1.3 c h o m ộ t s ỏ u iá trị th a m k lia o \ c iro iiu lươTig ricriỊU hạl c ù a một s ố lo ạ i đ ất. lỉani? 1.3 1 Tioiiiỉ hrựn i! r,'iêiig hạt Đâì 1 ' 7 |, (k N /n ri ; 7|, ining bình (kN/m^) Cat 26.5 - 20.7 26,6 Cát pha 26.S - 27,2 27,0 Sét plia 2 6 , ') - 2 7 , .í 27,1 Sél 2 7 ,1 -2 7 ,0 27,4 T rọng lượno thê tích cúa đất ihay dổi troni' IIIÓI phain vi lón Ịọ h ự thuộc vào bản chất khoáng vật, độ rỗng, lượng nước tron
Bảng 1.4. Giá trị trọng lượng thể tích các loại đất thường gập Tên đất y (kN/m^) Ybh (kN/m^) Yi, (kN/m^) Cát sỏi chặt 21,00 22,40 20,00 Cát xốp 15,00 19,00 12,00 Cát chặt 17,00 21,00 13,30 Đất sét pha 16,00 19,00 15,40 Đất sét cứng 18,00 20,00 16,10 Đất sét dẻo 15,00 17,70 Đất sét dẻo có hữu cơ 13,00 14,30 1.3.2, Độ rỗng và hệ sô rông của đất Đ ể x em đất có nh iều h a y ít lỗ rỗng giữa các hạt người ta d ùn g hai chỉ tiêu: độ rỗng và hệ số rỗng. Đ ộ rỗng n là tỉ s ố thể tích phần rỗng so với thể tích toàn bộ m ẫu đất: n = ^100% (1.13) H ệ sô' rỗng e là tỉ s ố thể tích phần rỗ n g so với thể tích phần hạt của m ẫu đất. V e=^ (1.14) G iữa hai chỉ tiêu này c ó các liên hệ sau: e n = --------- (1.15) (1 + e) n - — -— (116) (1- n ) Đ ất m à c ó đ ộ rỗ n g c à n g lớn thì c ư ờ n g đ ộ c h ịu lực c à n g n h ỏ và biến d ạ n g càn g lớn. V ì vậy k h i n g h iê n c ứ u c á c chỉ tiêu độ rỗ n g ta c ũ n g c ó th ể sơ bộ b iế t tín h chất đất. T h í dụ: e < 0 ,50 là độ rỗng nhỏ. e = 0,50 4- 0,70 là độ rỗng thường gặp. e > 0,70 là độ rỗng lớn, đất yếu. 1.3.3. Đ ộ ẩm và độ bão hoà nước của đất a) Đ ộ ẩm (W ) Đ ộ ẩm của đất w c ò n gọi là h à m lượng nước, đ ó là tỉ số giữa trọng lượng nước ở trong m ẫu đất với trọng lượng phần hạt củ a mẫu. W - ^ - 1 00 % (1.17) Qh 20
Đ ể xác định độ ẩm của đất w người ta làiĩi Ihí nohiém ớ trong phò ng như sau: Cân m ột lượng đất nhất định cần xác (lịnh độ ẩm. Cho đấi vào hộp n h ỏ m đ ã biết trọng lượng là Q | . Cân cả hộp là Q 2. Sau đó đem đặt hộp vào tủ sấy ở nhiệt dộ lừ 100 105°c. Thời gian sấy phụ thuộc vào loại đất. Nhiệt độ sấy không đirơc quá 105°c để phòng những phần tử hữu cơ bị cháy. Trong quá trìiili sấy thỉnh thoàníí đcm cân khi nào thấy trọng lượng hộp và đất không thay đổi nữa thì coi như đất đã khô. Giả dụ cùn được trọng lượng Q 3. T ín h độ ẩm: W = ậ -^ ^ -1 0 0 % Q ^ -Q , Khi thí nghiệm làm đồng thời 3 m ẫu lấy giá trị w trung bình. h) Đ ộ h ã o Ììoù nước (S,.): Trong khi phân tích tính chất đất, hàm lượno nuức w không thể biểu thị rằng đất khô hay ướt, M u ố n biết đất khô hay ướt cần biết lượng nước chiếm bao nhiêu phần lỗ rỗng. Vì vậy trong cơ học đất còn dùng khái niệm độ bão hoà s,. Đ ộ bão hoà là tỉ số của thể tích nước trong dát so \ ới thế tích lỗ hổng, của đất: s, ( 1. 18) Khi s,. = 0 chứng tỏ đất khô, khi 0 < s, < 1 đất ớ trạng thái 3 pha: hạt + nước + khí. Khi s,. = 1 tức là nước lấp đầy lỗ rống, ta gọi là dãì bão hoà nước, khi đó đất chỉ gồm 2 pha: hạl và nước. Tuy nhiên đối với đất cát là loại (.iat ròi rac. chỉ g ồ m có các hạt lớn (từ hạt bụi trở lên) thì nước có khả năng lâp dây hoaii tdàii lỗ lổii” và Sj. = 1. Còn đối với các loại đất dín h gồm nhiều hạt rất nhỏ như các hat sél, hạt ki:o thi nước k hó chiếm đầy thể tích các lỗ rỗng m à th ế nào cũng còn nhữnu bọt klií kín không lliể thoát ra được nên độ bão hoà Sr có thể n hỏ hơn 1. T heo tiêu ch uẩn thiết k ế cẩu cống 1979 của Bộ Giao Ihòim vận tải, trạng thái ưót của đất sét pha, sét tuỳ thuộc vào độ bão hoà s,. như sau: < 0,5 - Đất hưi ám 0,5 < s,. < 0,8 - Đát ẩm Sj. > 0,8 - Đất no nước G iữa các chỉ tiêu tính chất của đất có những Hỏn hệ vc sỏ lượng. T ừ các chỉ tiêu cơ bản phải xác định bằng thí nghiệm như trọng lưọns thé’ tích y, đ ộ ẩm w , trọng lượng riêng hạt Ỵ|^ ta có thể sưv ra các chỉ tiêu khác, bảne 1.5, 21
Bảng 1.5. Các còng thức liên hệ giữa các chỉ tiêu vật lí của đất Chỉ tiêu Công thức tính cần xác định lượng ________ Y 7k Yh Yh = 7 k ( l + e) Yh = Yh = Yh = h hạt (l + 0 , 0 1 . w ) ( l - n ) 1- n lựơng thể y h (l + 0,0 1 .w ) s,n(l + Y = y h (l + 0 , 0 1 . w ) ( l - n ) y = y k (l + 0 , 01.w ) y= Y= nhiên 1+ e 0 iượng thể y Yk ĩk = Tk = ^ ( 1 - 1 ) hô l + 0 ,01.w y ng n- n = 1- n = 1 - liL 1+ e Yh(l + 0 , 0 l . w ) Yh 7h (l + 0 ,0 1.w ) rỗng e= e= 1- n Yk m w w = . 100% w - . 100% w - Y-Yk . 100% Yh Yk _ Ỵh.0,01.W Ỵ^,.0,01.W Ỵ.0 ,01.w Y h .0 o hoà Sr Sr s, = Yn-e ^Yn n ( l + 0 ,0 l)Y„
1.4. CÁC CHỈ TIÊU t r ạ n í; t h á i c ủa đả I Đ ể đánh giá trạng ihái của đất hiện nay thuờni; tlun.i hai chí tiêu: Đ ộ c h ặt và độ sệt l ị . Đ ộ chặt 1(1 thường dù ng cho đất cát. Đò sct 1| Iluiòng dùng cho đất dính. 1.4.1. Độ chặt của đât N hư phần 1.2 ở trên chúng ta hiêì rằng các hạt đấl là khung cốt chịu lực của đất, nếu hạt đất k h ô n g xếp đặt inột cách chặt chẽ thì các lỗ rỗng lớn và sức chịu lực củ a đất sẽ rất nhỏ. N ếu các hạt đất bị chèn với nhau, thê tích lỗ rỗng giảm đi và sức chịu lực sẽ lớn h ơn. Vì vậv đ ộ chặt là m ộ t chỉ liêu thê hiện sức chịu lực của đất. Đ ể đ ánh giá độ chặl naưòl ta dùii” chi úcu độ chặt I^|; (1.19) '“ỉnax - hệ SỐ rỏitg ớ t r ạ n u Ihái ròi rạc của cỉaí iỉii s o I-Ổrg lớn n h ấ t x ủ c định theo quy trìỉìh íitỉ /ìíỉlìiợỉỉì (Íấí). - hẹ số rồim o’ trạng thái dám clìặl ịhe s ố nho ììhủí xúc định theo q uy trình ĩììí ỉìí>ỉìiệỉỉì (ỉu ĩ. . c - hệ s ố rỏiụ: UJ' n h u' ị] cu;i đấl. Banu ỉ . 6 l à qt ! \ - ( l i n l i M . ì iì ii l ỉ i a ỉ c u a (l al c a t . B anii L 6 , T n ìn i: thai Cỉỉa daí eal cỉat O ô chặt Đ : ìỉ c ;íl r l iiìí ỉ 00 I^ J> 0 ,6 7 Đ ấ t C iii c h ạ t \ 'ìr a 0 ,6 7 > 1, > 0 ,3 3 Đ ấ t c á t rờ i rạc > í, > 0,00 Đ ể đ á n h giá d ộ chạl của đất bằng đ ộ chạt ỉ I ỉiliLí licn can pl iải th í n g h i ệ m và q u y ước Ihế nào là đất cál rời rạc, hoặc rỗng nlìâì và như tỉỉế Iiàc) là chạl nhất, đ ộ rỗng n h ỏ nhất. Hiệii nay đc xác định 1^1 có thổ dùnií qiiv (|.76 trình thí níihiộm sau: r.ấv 1000 - 1200íz đâì cát đem sấy khô. Lấy dấl cál này đổ qua phỗLi I vào ốnií 2, ốim 2 làm bằne kim loại có đườiig kính tronií = 76iTìnì, cao H = 125mm (xem hình 1.10). T rọne krựne của ốim 2 aiá dụ đã bìối là Q], ihể lích là V |. Khi cál đầv lỉ ỉ n h I 10 23