TÀI LIỆU ÔN THI CAO HỌC MÔN: CƠ HỌC ĐẤT
TÓM TẮT LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 1- BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT
1.1. CÁC LOẠI TRẦM TÍCH VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA NÓ
1.1.1 Tàn tích: Sau khi bị phong hóa, đất nằm nguyên tại chỗ, các hạt của nó đều có góc
cạnh và thành phần hóa học không thay đổi so với đá gốc.
1.1.2 Sườn tích: Sản phẩm phong hóa bị nước mưa, tuyết cuốn từ trên núi cao xuống lưng
chừng hoặc chân dốc rồi lắng đọng ở đó.
1.1.3 Trầm tích: Các sản phẩm phong hóa sẽ được nước, gió cuốn đi nên có đặc điểm hạt
tròn, cạnh… và thành phần hóa học có sự thay đổi lớn so với đá gốc.
Tàn tích
Tr
ầ
m tích
Sườn tích
Hình 1.1 Mô tả các dạng trầm tích của đất
1.2. CÁC PHA TẠO THÀNH ĐẤT VÀ TÁC DỤNG LẪN NHAU GIỮA CHÚNG
Đất là loại vật thể rời, phân tán, không liên tục như các vật liệu khác. Ở trạng thái tự nhiên
đất là một hệ thống phức tạp bao gồm các hạt khoáng vật bé có kích thước khác nhau hợp thành.
Các hạt này tạo thành khung kết cấu có nhiều lỗ rỗng, trong đó chứa nước và khí. Có thể xem đất
gồm 3 thể (3 pha) tạo thành:
- Pha rắn: Hạt đất
- Pha lỏng: Nước trong đất
- Pha khí: Khí trong đất
Nöôùc
Raén
Khí
Nöôùc
Raén Raén
Khí
Traïng thaùi töï nhieân
Baûo hoøa
moät phaàn
Baûo hoøa
hoaøn toaøn
Khoâ hoaøn
toaøn
Hình 1.2 Mô hình đất 3 pha
GV: ThS.NCS. LÊ HOÀNG VIỆT 1
TÀI LIỆU ÔN THI CAO HỌC MÔN: CƠ HỌC ĐẤT
GV: ThS.NCS. LÊ HOÀNG VIỆT 2
1.2.1 Pha rắn: Chiếm phần lớn thể tích của đất và ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của đất,
gồm các hạt khoáng vật (hạt đất) có kích thước từ vài cm đến vài phần 100 hay vài/1000 mm.
Tính chất của đất phụ thuộc vào:
¾ Thành phần khoáng
¾ Thành phần hạt
Thành phần khoáng: gồm các hạt nguyên sinh và thứ sinh:
• Nguyên sinh: Mica; thạch anh, fenfat…
• Thứ sinh: khoáng vật sét, mica trắng, thạch cao…
Thành phần hạt:
• Kích thước: Tên hạt đất được phân theo từng nhóm tùy thuộc vào kích thước của nó.
TÊN HẠT ĐẤT KÍCH THƯỚC HẠT D (mm)
Đá lăn >100
Hạt cuội 100
÷
10
Hạt sỏi 10
÷
2
Hạt cát 2
÷
0.1
Hạt bụi 0.1
÷
0.005
Hạt sét <0.005
• Thành phần cấp phối của một mẫu đất được xác định từ đường cong cấp phối hạt
Đường Cấp Phối Hạt là đường biểu diễn tỉ lệ % các nhóm hạt khác nhau trong đất, có 2
phương pháp để xác định.
- Phương pháp rây sàng: Dùng cho hạt có D > 0,074 mm, cho các hạt lọt qua các sàng với
mắt lưới đã được xác định trước kích thước (thí nghiệm rây sàng). Tính % trọng lượng nhỏ hơn
(khối lượng đất lọt qua rây có đường kính D / khối lượng tổng cộng của mẫu đất).
- Phương pháp lắng đọng: D < 0,074 mm, dựa vào định luật Stockes cho vật thể hình cầu
rơi trong một chất lỏng phụ thuộc vào đường kính D, tỉ trọng hạt, tỉ trọng dung dịch và độ nhớt
dung dịch (thí nghiệm lắng đọng).
Hình 1.3 Các dạng đường cong cấp phối hạt
Có 3 dạng cấp phối chính:
_ Dạng thoai thoải (1): cấp phối tốt
_ Dạng dốc đứng (2): cấp phối xấu
_ Dạng bậc thang (3): cấp phối trung bình
log D
% trọng lượng mịn hơn
2
3
1
Cởrâ
y
/ số hi
ệ
u
TÀI LIỆU ÔN THI CAO HỌC MÔN: CƠ HỌC ĐẤT
GV: ThS.NCS. LÊ HOÀNG VIỆT 3
• Hình dạng hạt đất:
Có nhiều dạng: đơn, cầu, hình góc cạnh, hình phiến, lá, que, kim …
Hạt thô: Phiến, lá Hạt mịn: kim, que
1.2.2 Pha lỏng: Là nước trong các lỗ rỗng của đất, bao gồm:
a/ Nước trong hạt khoáng vật: là loại nước trong mạng tinh thể của đất tồn tại ở dạng
phân tử H2O hoặc dạng ion. Nước này chỉ có thể tách rời hạt khoáng vật ở nhiệt độ cao hoặc áp
suất lớn.
Loại nước này không ảnh hưởng nhiều đến tính ổn định và biến dạng của đất nền.
b/ Nước liên kết mặt ngoài: gồm 2 loại
• Nước hút bám: là loại nước bám rất chặt vào mặt ngoài hạt đất. Loại nước này
không có khả năng hòa tan trong muối, không có khả năng dịch chuyển từ hạt này
sang hạt khác, không truyền áp lực thủy tĩnh.
• Nước màng mỏng: gồm nước liên kết mạnh và nước liên kết yếu
o Nước liên kết mạnh: bám tương đối chặt vào các hạt khoáng vật, không có
khả năng hòa tan trong muối, không truyền áp lực thủy tĩnh nhưng có khả năng dịch
chuyển từ hạt này sang hạt khác.
o Nước liên kết yếu: là lớp nước ngoài cùng của hạt đất có tính chất giống
như nước ở thể lỏng thông thường.
c/ Nước tự do: bao gồm nước mao dẫn và nước trọng lực
• Nước mao dẫn: phát sinh do trong đất có lổ rỗng, dưới lực căng mặt ngoài mà
chúng tồn tại trong các lỗ rỗng chằng chịt đó.
• Nước trọng lực: tồn tại do quá trình chênh lệch cột áp.
Nước này có tính chất như nước ở thể lỏng trạng thái thường. Dưới tác dụng của tải trọng
ngoài, nước này sẽ thoát ra ngoài gây nên độ lún đáng kể của nền công trình.
Các công nghệ xử lý nền hiện nay như giếng cát, bấc thấm… kết hợp với gia tải trước với
mục đích làm cho nước tự do thoát ra trước khi xây dựng công trình nhằm giảm độ lún của nền.
Haït
khoaùng
vaät
Nöôùc trong
haït khoaùng vaät
Nöôùc huùt baùm
Nöôùc lieân keát maïnh
Nöôùc lieân keát yeáu
Nöôùc töï do
(trong loã roãng)
Nöôùc maøng moûng
Hình 1.4 Các dạng nước trong hạt khoáng vật
TÀI LIỆU ÔN THI CAO HỌC MÔN: CƠ HỌC ĐẤT
GV: ThS.NCS. LÊ HOÀNG VIỆT 4
Q
a
Q
w
Q
s
V
a
V
w
V
s
V
Q
V
v
Khoâng khí
Nöôùc
Raén
1.2.3 Pha khí: tồn tại bên trong lỗ rỗng, có thể hòa tan trong nước hoặc không, gồm
• Khí kín: không thông với khí quyển bên ngoài. Nó ảnh hưởng rõ rệt đến tính biến
dạng của đất nền, tạo nên tính nén và tăng tính đàn hồi của đất.
• Khí hở: thông với khí quyển, khi chịu tải trọng khí này sẽ thoát ra ngoài gây nên độ
lún của đất nền.
1.3. CÁC CHỈ TIÊU TÍNH CHẤT VÀ TRẠNG THÁI CỦA ĐẤT
1.3.1 Các chỉ tiêu tính chất của đất
Q = Qa + Qw + Qs
V = Va + Vw + Vs
Vv = Va + Vw
1.3.1.1 Trọng lượng riêng (dung trọng): đơn vị kN/m3, T/m3, G/cm3 . Đây là một chỉ
tiêu quan trọng phản ánh độ chặt của đất, được sử dụng nhiều trong tính toán..
¾ Trọng lượng riêng (dung trọng) tự nhiên : là trọng lượng một đơn vị thể tích
đất ở trạng thái tự nhiên (đất ướt)
Q
γ
V
Đất tốt: γ > 19 kN/m3
Trung bình: γ = 17
÷
19 kN/m3
Yếu: γ < 17 kN/m3
Bùn yếu: γ = 14
÷
16 kN/m3
Cách xác định γ :
Đối với đất dính, hạt mịn: dùng dao vòng đã biết thể tích V để lấy mẫu, cân trọng lượng
mẫu Q, từ đó xác định được γ.
Đối với đất dính, có hạt sỏi sạn: mẫu đất, sau khi cân trọng lượng Q, được nhúng vào
parafin nóng chảy để bọc kín rồi nhúng vào nước xác định thể tích V
Ngoài ra ta có thể dùng các thí nghiệm nón cát, túi nước hoặc phóng xạ để xác định khối
lượng riêng tự nhiên.
¾ Trọng lượng riêng (dung trọng) khô : là trọng lượng một đơn vị thể tích đất ở
trạng thái hoàn toàn khô, nghĩa là trọng lượng hạt rắn trong một đơn vị thể tích đất.
s
d
Q
V
γ
=
Cách xác định γd : có thể xác định trực tiếp như dung trọng tự nhiên với Qs là khối lượng
hạt đất đã sấy khô hoàn toàn (1050C, trong 24h) hoặc gián tiếp qua các công thức tính đổi.
¾ Trọng lượng riêng (dung trọng) hạt : là trọng lượng một đơn vị thể tích đất ở
trạng thái hoàn toàn chặt khô, nghĩa là trọng lượng hạt rắn trong một đơn vị thể tích hạt.
TÀI LIỆU ÔN THI CAO HỌC MÔN: CƠ HỌC ĐẤT
GV: ThS.NCS. LÊ HOÀNG VIỆT 5
s
s
sV
Q
=
γ
Cách xác định γs : với Qs là khối lượng hạt đất đã sấy khô hoàn toàn (1050C, trong 24h)
và xác định Vs theo nguyên tắc: cho mẫu đất đã sấy khô vào một bình nước đã biết thể tích, đo
thể tích nước do các hạt chiếm chỗ, sau đó loại bỏ các bọt khí bằng cách hút chân không hoặc
đun nóng
¾ Trọng lượng riêng (dung trọng) no nước : là trọng lượng một đơn vị thể tích
đất ở trạng thái no nước (bão hòa, các lỗ rỗng của đất chứa đầy nước).
V
sat
QQ ws
+
=
γ
với Qw là khối lượng của nước khi nước lấp đầy các lỗ rỗng
¾ Trọng lượng riêng (dung trọng) đẩy nổi : là trọng lượng riêng của đất nằn dưới
mực nước ngầm có xét đến lực đẩy Archimède.
V
VQ
V
QQ wssws
γ
γ
−
=
−
='
Nếu mẫu đất hoàn toàn bão hòa thì '
s
at w
γ
γγ
=
−
Với γw là trọng lượng riêng (dung trọng) của nước - thường lấy γw = 10 kN/m3
1.3.1.2 Tỷ trọng: là tỷ số giữa trọng lượng riêng hạt và trọng lượng riêng nước
s
s
w
G
γ
γ
=
Tỉ trọng Gs phụ thuộc vào từng loại đất:
Cát G
s = 2,65
÷
2,67
Cát pha bụi (silt) Gs = 2,67
÷
2,70
Sét G
s = 2,70
÷
2,80
Đất chứa nhiều mica và sắt Gs = 2,65
÷
2,67
Đất hữu cơ G
s < 2,0
1.3.1.3 Độ ẩm (độ chứa nước): là tỷ số giữa trọng lượng nước trong lỗ rỗng Qw và trọng
lượng hạt Qs , đơn vị tính %
100 (%)
w
s
Q
Wx
Q
=
Đất càng yếu thì có độ ẩm càng lớn.
Đất tương đối tốt có W < 30%, đất bùn có W > 50%.
1.3.1.4 Độ bão hòa (độ no nước): là phân lượng nước chứa trong lỗ rỗng của đất, được
định nghĩa là tỷ số giữa thể tích nước Vw và thể tích lỗ rỗng Vv, đơn vị tính %
100 (%)
w
r
v
V
Sx
V
=
Sr ≤ 50% : đất ít ẩm
50% < Sr ≤ 85% : đất hơi ẩm
Sr > 85% : đất bão hòa.