Tính toán công trình trên nền đất theo trạng thái giới hạn và Cơ học đất ứng dụng: Phần 1

Chia sẻ: Lê Thị Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:286

Thêm vào BST

Báo xấu

190
lượt xem 68
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 Tài liệu trình bày các tính chất địa kĩ thuật của đất trên cơ sở nghiên cứu với mẫu đất, cơ học đất ứng dụng. Mời các bạn cùng theo dõi nội dung Tài liệu để nắm bắt nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tính toán công trình trên nền đất theo trạng thái giới hạn và Cơ học đất ứng dụng: Phần 1

PHAN TRƯỜNG PHIỆT GIÁO SƯTIẾN SỸ ĐIA KỸ THUÂT Cơ HỌC ĐẤT ỨNG DỤNG VÀ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH TRÊN NÊN ĐẤT THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN ■ ■ (Tải bản) NHÀ XUẤT BẢN XÂY D ựN G HÀ NÔI -2010
LỜI NÓI ĐẦU Với :iiốn sách này, tác giả hy vọng giúp sinh viên mới ra trường, k ĩ sư trẻ có tài liệu tham ktảo và lảm quen với các kiến thức cơ bản của k ĩ thuật nền móng hiện đại. Nhu tên cuốn sách, sách gồm ba phần: Pliẩi Các tính chất địa kĩ thuật của dất trên cơ sở nghiên cứu với mẫu đất. P hẩi B: Cơ học đất íữig dụng. Phẩi C: Nội diing tính toán thiết k ế theo trạng thái giới hạn phá hoại và trạng thái giới hạn sử iụ n g của hệ côn^ trình - nền đất. Do đặc điểm phát triển lịch sử, môn C ơ học đất và nền móng nước ta chịu lần ỈK0 ảnh hưâng :ủa hai trường phái lớn của th ế giới: trường phái Xô viết và trường phái Ấu - Mỹ, nên klìi viết cuốn sách này tác giả định hướng rõ ràng: k ế thừa có chọn lọc các thành tiũi đ ã đạt Ấược trong mấy chục năm xây diữig đất nước x ã hội chủ nghĩa và hiện đại hóa theo m ột lôdc hợp lí trên kho tàng kiến thức th ế giới đương đại. Tuy nhiên, có trang này hay chươniị kia của cuốn sách, địnlì hướng trên khó thực hiện, tác giả đành phải nêu cái này íliuộc vường phcii này, cái kia thuộc trường phái kìa và kèm theo vài lời bình luận chủ quan c,iơ mình. Mong dộc giả ìlìônịỉ cảm sự yếu kém của tác giả và góp ý phương thức giải quyếi. Cũng vì vậy, cuốn sách này cũng s ẽ lả nguồn cảm hứng của k ĩ sư, học viên cao học khi tìm chọn lựa đề tài nghiên cíiìi của mình. C hõ': cuốn sách có hai phụ lục, một là mô hình li tâm Địa k ĩ thuật, hai là phương pháp plìần ti' dứng Địa kĩ thuật - một phương pháp s ố Địa k ĩ thuật. Đây là hai vấn đề lí thú của Đi/I k ĩ iìiiật mà nhiều người làm Địa k ĩ thuật quan tâm. Do khuôn kh ổ cuốn sách, hai vấn dề trêu chỉ được trình bày nịịắn gọn ỏ dạng phụ lục. Bạn đọc quan tâm, xin trao đổi với tác í^iá và ác gicí cữníỊ moni> dợi sựgiơo lưu ấy. Đ ể ả m rõ ní>liĩa, các thuật ngữ dịa k ĩ tììiiậl tiếng Việt đều có kèm theo tiếng Anh. N hái cuốn Síich xiiấỉ bủn. túc giả cảm ơn những NCS Việt Nam ở nước ngoài gửi tặng n h iê u i 'ii liệu cỊiiý hiếm và Iìlìữní> N C S trong nược đ ã cộng tác tro n g q u á trình nghiên cứu và biêì soạn. M oi í’ m uốn tlìì làii vậy nlìưní’ tài hèn lực m ọn, chắc không th ể không có thiếu sót trong cuốn scch n ủ \. T ác í^iíí xi lì cảm ơn írước bạn đọc vê những góp ý clìO lẩn tái bản được tốt ìưxti. Tác giả
Phần A TÍNH CHẤT XÂY DựNG CỦA ĐẤT ■ C hương 1 ĐẶC TÍNH CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐÂT 1.1. ĐẶT VẤN ĐỂ Phân loại đất với mục đích xây dựng nói chung (làm nền, làm môi trường xây dựng hầm hào, ^àm vật liệu xây dựng), một mặt là để lựa chọn chính xác phương pháp nghiên cứu sử dụng một mặt là đế đánh giá đất cho phù hợp với thực tế khách quan đặng có được những tri thức cần thiết cho việc dùng đất vào các mục đích khác nhau trong xây dựng công trình. IVuốn cho việc phân loại đất vừa có căn cứ lí luận khoa học vừa có giá trị thực tiễn khi chọn đặc tnmíí của đất để phân loai cần phải thoả mãn hai yêu cầu cơ bản sau đây; 1 Phản ánh đầy đủ và khách quan đặc tính biến đổi không ngừng của đất vì đất là sản phẩư tự nhiên, chịu tác dụng không ngừng của hoàn cảnh môi trường tồn tại. 2 Làm cãn cứ khoa học đê dự đoán hành vi ứng xử của đất trong điều kiện của môi trưỜTíỉ làm việc cùng với công trình. Kinh nghiệm xây dựng đã chứna tỏ rằng khi phân loại đất phải xét đến tổ hợp các nhóm hạt C1 bản tạo đất và tác dụng tương hỗ giữa thể rắn và thể lỏng của đất. Với đất chứa chủ yếu cát nhóm hạt thỏ thì độ lớn của nhóm hạt, cấp phối của chúng quyê định chủ yếu đến tính chất xây dựng của đất thông qua các đặc tính về thấm về biến dạng và chống trượt của đất. Do vậy đối với loại đất này thì phân loại theo độ lớn và cấp phối hạt là thích hợp. Eối với đất chứa các nhóm hạt mịn thì kích cỡ hạt, cấp phối hạt tuy ở một mức độ nào đó ciing phản ánh được tính chất của đất nhưng không phản ánh được những đặc tính của đất có liên quan đến thành phần khoáng vật, mức độ phân tán và thành phần ion trao đổi tronị đất. Do vậy, đối với đất hạt mịn có tính dính thì cần thiết phải xét đến, ngoài kích cỡ và C íp phối của đất, các giới hạn Atlerberg của đất. Riân loại đất nhằm mục đích đặt tên cho đất. Kèm theo một tên đất là cả một loạt tính chất đặc thù của đất mà các nhà khoa học, các nhà xây dựng đã ngầm hiểu với nhau. Các
tính chất đặc thù của mỗi loại đất ấy đã được tích luỹ hệ thống từ bao kinh nghiệm quý báu của bao thế hệ kĩ sư xây đựng. Về phân loại đất hiộn nay có hai xu hưóng, một là tách riêng trạng thái vật lí của đất (độ chặt, độ sệt, v.v...) khi đặt tên đất; hai là xét kèm theo trạng thái vật lí của đất. Xu hướng thứ nhất, cho tên đất riêng và trạng thái vật lí của đất riêng. Ví dụ như đối với đất cát thì xét riêng cấp phối hạt của đất tốt hay xấu v.v... Đối với đất dính thì xét riêng trạng thái dẻo, lỏng của đất v.v... Xu hướng thứ hai, cho biết một vài trạng thái vật lí quan trọng kèm với tên đất. Ví dụ đối với đất cát thì phân thành đất cát cấp phối tốt, đất cát cấp phối xấu v.v...; đối với đất dính thì tên đất có kèm theo tính dẻo của đất cao hay thấp v.v... Tuy nhiên, nếu thực hiện đầy đủ các bước đánh giá đất về mặt xây dựng theo các tiêu chuẩn của mỗi quốc gia thì dù theo xu hướng thứ nhất hoặc thứ hai, người kĩ sư đều có đủ thông tin cần thiết để sử dụng đất một cách sáng tạo theo tiêu chuẩn hiện hành của mỗi nước. Chương này gồm những kiến thức cơ bản về đất cần cho sự phân loại đất. 1.2. PH Â N N H Ó M H Ạ T ĐẤ T Đất có cấu tạo hạt nên có tên gọi là vật liệu hạt (granular material). Kích thước hạt trong đất rất khác nhau, nếu ví hạt nhỏ nhất là viên bi trẻ em chơi thì hạt lớn nhất bằng quả đất chúng ta đang sống. Do vậy không thể nghiên cứu từng hạt tạo thành đất mà phải nghiên cứu từng nhóm hạt, mỗi nhóm có tính chất đặc trưng. Hiện đã thống nhất được tên các nhóm hạt cơ bản như sau: nhóm hạt sét (Clay), kí hiệu C; nhóm hạt bụi (Silt), kí hiệu M; nhóm hạt cát (Sand), kí hiệu s và nhóm hạt sỏi(Gravel), kí hiệu G. Lớn hơn hạt sỏi là hạt cuội và hòn đá hộc.Đặc tính cơ bản của các nhóm hạt cơ bản như sau: * Nhóm hạt sỏi: - Tỉ diện tích rất nhỏ, không đáng ỉ ể. - Không dính ngay cả khi ẩm ướt. - Độ dâng cao của nước mao dẫn rất nhỏ, không đáng kể. - Không giữ được nước. * Nhóm hạt cát: - Tỉ diện tích nhỏ, khoảng 0,001 - 0,04 m^/g. - Tính thấm lớn. - Có thể có tính dính khi ẩm nhưng không dẻo và tính dính mất đi khi bão hoà nước (tính dính giả). - Độ dâng cao của nước mao dẫn nhỏ. - Giữ đươc nước ít.
* N ióm hạt bụi: - Tỉ diện tích vào khoảng 0,04 - 1,0 mVg. - T ó h thấm khá nhỏ. - Khi ẩm có tính dính và có tính dẻo. - Khi sũng nước dễ chảy loãng. - H it và giữ được nước nên thể tích đất tăng lên khi hút ẩm và co lại khi mất nước. - N lớc m ao dẫn dâng tương đối cao và tưcmg đối nhanh. * Nióm hạt sét: - Tỉ diện tích lớn, khoảng 20 - 800 m^/g. - H ếu như không thấm nước. - Tính hút ẩm lớn và có khả năng giữ nước nhiều. - Khi hút ẩm thể tích tăng lên nhiều, khi khô co ngót rõ rệt. - Khi sũng nước không chảy loãng như nhóm hạt bụi. - Tính dính và tính dẻo lófn. Cần lưu ý rằng, đến nay các nước không thống nhất về đường kính phân nhóm hạt. Do vậy khi xem xét các hệ thống phân loại khác nhau của mỗi nước cần thiết phải biết các đường lính phân nhóm hạt tưcmg ứng. Trưđc năm 1993, ở nước ta quy định phân nhóm hạt theo bảng 1.1. Bảng l . í . Bảng phán loại nhóm hạt Tên nhóm hạt Kích thước hạt (mm) 1. Đá ăn và đá hộc rất lớn >800 lớn 600 - 400 vừa 400 - 200 nhỏ 2 0 0 - 100 2. Cuội và dăm rất lớn 100 - 60 lớn 6 0 -4 0 vừa 4 0 -2 0 nhỏ 2 0 -1 0 3. Sỏi iạn lớn 1 0 -6 vừa 6 -4 nhỏ 4 -2
Tên nhóm hạt Kích thước hạt (mnn) 4. Cát rất lớn 2-1 lớn 1 -0,5 vừa 0,5 - 0,25 nhỏ 0,25-0,1 5. Bụi lớn 0,1 -0,05 vừa 0,05-0,01 nhỏ 0,01 - 0,005 6. Sét < 0,005 Nhóm hạt bụi và nhóm hạt sét được tách riêng bằng rây có mắt o .lm m thuộc bộ rây tiêu chuẩn của Liên Xô (cũ). Đến năm 1993, TCVN 5747 : 1993 quy định phân loại nhóm hạt theo bảng 1.2. Bảng 1.2. Phân loại nhóm hạt theo TCVN 5747: 1993 Tên nhóm hạt Kí hiệu (theo tiếng Anh) Đường kính phân nhóm (mm) Đá tảng B (Doiildei ) >300 Cuội và dãm Co (Cobble) 300- 150 Sỏi và sạn G (Gravel) 150-2,0 Cát s(Sand) 2 - 0,06 Bụi M (Silt, Mo) 0,06 - 0,002 Sét : (Clay) < 0,002 Đối chiếu vói các phân loại nhóm hạt đã từng dùng, cách phân loại của TCVN 5747 : 1993 đã thay đổi hai giới hạn phân nhóm: lấy 0,002mm (thay cho 0,005mm) làm giới hạn trên của nhóm hạt mịn (gồm nhóm hạt bụi và nhóm hạt sét). So với những cách phân loại nhóm hạt trên thế giới, thì hai giới hạn này của TCVN 5747 : 1993 giống với hai giới hạn lương ứng của cách phân loại của nước Anh, (một điểm hơi khác là cách phân loại của Anh, giới hạn trên của nhóm hạt mịn là mắt rây N" 25 - 63(iin (0,063mm)). Do vậy, người sử dụng đất nhận thấy khó dùng nếu không có bô rây tiêu chuẩn trong đó có rây tưcmg ứng với rây N° 25 của Anh. Tham khảo: Hiện nay có nhiều dự án nước ngoài thực hiện ờ ta; nhiều kĩ sư xây dựng phải tiếp xúc với những đồ án thiết kế của nước ngoài. Đe giúp họ có kiến thức \’ìi những tài 8
liệu liêr, quan đến tiêu chuẩn thiết kế, chúng tôi trích dẫn những phần tham khảo quan trọng cho từng đề mục. Cách phân loại nhóm hạt hiện dùng ở Trung Quốc được trình bày ở bảng 1.3. Bảng 1.3. Phân loại nhóm hạt của Trung Quốc Tên nhóm hạt Đường kính (mm) Đá tảng >300 Đá lăn và đá hộc 300 - 60 Nhóm hạt thô Cuội và dăm to 6 0 -2 0 vừa 2 0 -5 nhỏ 5 -2 at to 2 -0 ,5 vừa 0,5 - 0,25 nhỏ 0,25-0,10 Nhóm hạt mịn Mịn 0,10-0,005 Bụi 0,05 - 0,005 Sét < 0,005 Tneo cách phân nhóm hạt này thì nhóm hạt cuội (dăm) và nhóm hạt cát (to, vừa, nhỏ) được xêp vào nhóm hạt thô. Nhóm hạt cát mịn, nhóm hạt bụi và nhóm hạt sét được xếp vào nhórr. hit mịn và được tách ra bằng rây có mắt 0,1 mm thuộc bộ rây tiêu chuẩn của Liên Xô (cũ) rnàở ta thường dùng. Trước đây, Trung Quốc cũng như chúng ta, thường áp dụng các tiêu chuẩn của Liên Xô c3 /à công nhận bảng phân nhóm hạt tươiig tự với bảng 1.1 với nhóm hạt sét có d < 0,CO5mm và nhóm hạt mịn (gồm nhóm hạt sét và nhóm hạt cát) lọt qua rây tiêu c h u ẩ i 0,1 mm và vẫn dùng bộ rây tiêu chuẩn của Liên Xô mà phòng thí nghiệm nào cũ n g cc. Na>, theo bảng phân nhóm hạt mới (bảng 1.3), nhóm hạt mịn vẫn có đường kính nhỏ hơn ( .In m nên vẫn sử dụng được bộ rây vốn có nhưng đã quy nhóm cát mịn của nhóm hạt cát Vì lỶióm hạt mịn. Nhiẻu nhà khoa học cho rằng, cách phân nhóm theo bảng 1.3 của Trung Quốc đã thừa hưởng các thành tựu mới của Địa kĩ thuật thế giới trong những thập kỉ cuối cùng của thế kỷ X X ihưng vẫn bảo tồn được kinh nghiệm quý báu đã đúc kết hàng nửa thế kỉ xây dựng đất nướcTiung Hoa cường thịnh.
Tiêu chuẩn của nước Anh quy định phân nhóm hạt theo bảng 1.4. Bảng 1.4. Phân loại nhóm hạt của Anh Tên nhóm hạt Đường kính (mm) Nhóm hạt thô 1. Đá hòn (Stone) Đá lăn (boulder) >200 Cuội và dăm (cobble) 200 - 60 Nhóm hật thô 2. Sỏi và sạn (Gravel) G to 6 0 -2 0 vừa 2 0 -6 nhỏ 6-2 3. Cát(Sand)- s to 2 - 0,6 vừa 0,6 - 0,2 nhỏ 0,2 - 0,06 Nhóm hạt mịn 4. Bụi (Silt) - M to 0,06 - 0,02 vừa 0,02 - 0,006 nhỏ 0,006 - 0,002 5. Sét (Clay) - c < 0,002 Trong đó có hạt keo < 0,001 Theo cách phân nhóm này thì nhóm hạt mịn được tách ra bằng phưcíng pháp rây ướt, qua ráy số 25 có mắt lưới 63)j,m của bộ rây tiêu chuẩn của Anh. Hộ thống phân loại đất của Cục Đường bộ và Giao thông vận tải Mỹ AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) có cách phàn nhóm hạt như ở bảng 1.4 (tên cũ là AASHO - American Associatinn of State Highvvay Officials). Bảng 1.5. Phân loại nhóm hạt của AASHTO Hoa Kỳ Tên nhóm hạt Kích thước (mm) Ghi chú Nhóm hạt thô Sỏi (Gravel) G 75 - 2,00 Trên rây số 10 và nhỏ hơn 3 in Cát(Sand)- s to 2,00 - 0,425 Dưới rây số 10 và trên rây sô' 40 nhỏ 0,425 - 0,075 Dưới rây sô' 40 và trên rây sô' 200 10
Tên nhóm hạt Kích thước (mm) Ghi chú Nhón hạt mịn Bụi (Silt) - M 0,075 - 0,002 Qua rây số 200 Sét (Clay) - c
Lớn hơn nhóm sỏi là nhóm hạt cuội (caiUoux) và lớn nhất là nhóm hòn đá (Enrochenients) có kích cỡ lớn hơn 200mm. Cách phân loại này chính là cách phân loại của Atlerberg, các đưòfng kính phân nhóm tạo nên cấp số có công sai là 1/ 10: 0 ,002, 0 ,02, 0 ,2, 2 , 20, 200. Cách phân loại của Atlerberg được dùng nhiều với một vài thay đổi ở đường kính nhóm hạt bụi: thay đường kính giới hạn trên là 0,063m m (với số tròn (0,06) thay cho 0,02. Ví dụ cách phân loại của M IT (M assachusetts Institute of Technology) và cách phân loại theo Tiêu chuẩn của Đức. Cần lưu ý rằng cách phân nhóm của mỗi nước quyết định bộ rây tiêu chuẩn của mỗi nước và hệ thống phân loại đất lại có quan hệ với cách phân nhóm hạt và bộ rây tiêu chuẩn. Ví dụ phân nhóm hạt m ịn với nhóm hạt thô dùng rây mịn nhất hoặc là 0 ,lm m (Trung Quốc), hoặc 0,063mm (Anh), hoặc 0,075mm (Mỹ), 0,08m m (Phấp) v.v... 1.3. THÀNH PHẦN KHOÁNG VẬT VỚI NHÓM HẠT Nghiên cứu thực nghiệm đã chứng tỏ rằng giữa đường kính hạt đất và thành phẩn khoáng vật của hạt có quan hệ mật thiết. Hạt đất có hai nguồn gốc sinh thành: khoáng vật tạo đá mẹ và vật hữu cơ, trong đó nguồn gốc thứ nhất là chủ yếu. 1.3.1. Thành phần khoáng vật của nhóm hạt thô Những hạt đất có kích cỡ lófn hơn hạt cát thường được hình thành từ tác dụng phong hoá vật lí của tảng đá mẹ. Tảng đá mẹ bị vỡ vụn, mảnh đá vỡ có thành phần đơn khoáng hoặc đa khoáng và các khoáng vật này đều là khoáng vật nguyên sinh: thạch anh, íenspat, canxit, mica trắng, mica đen, v.v... 1.3.2. Thành phần khoáng vật của nhóm hạt cát Cát có nguồn gốc của mảnh đá vỡ nhưng có mức độ vỡ vụn cao hơn. Do đó, hạt cát thường do một trong những khoáng vật tạo đá nguyên sinh như đã nêu trên tạo nên. Mỏi hạt cát có thành phần khoáng vật, hoặc là thạch anh, hoặc là fenspat, hoặc là mica đen, mica trắng. Do fenspat và mica đen dễ bị phong hoá hoá học để chuyển thành các loại khoáng vật sét nên trong cát hạt nhỏ thường gặp các hạt thạch anh và mica trắng; các hạt thạch anh gây được vết nước lên kính và các hạt mica trắng óng ánh dưới ánh mặt trời. Thạch anh và mica trắng không ưa nước. 1.3.3. Thành phần khoáng vật của nhóm hạt bụi Nhóm hạt bụi có thành phần khoáng vật như cát mịn đã nêu ở trên. Do tỉ diện tích không lớn, do thành phần khoáng vật không ưa nước nên tính giữ nước và tính dính kết của nhóm hạt bụi nhỏ. 12
1.3.4. T h àn h phịần khoáng vật của nhóm hạt sét Nhóm hạt sét là nhóm hạt nhỏ nhất tạo nên đất. Thành phần khoáng vật của nhóm hạt sét rất phức tạp. Ngoài một số ít là khoáng vật nguyên sinh như thạch anh, canxit ở mức độ phân tán cao nhưng vẫn có đường kính lớn hon 0 ,002mm, phần lớn là khoáng vật thứ sinh, chủ yết là khoáng vật sét. Khoáng vật sét là tên gọi chung của các khoáng vật thứ sinh được hìih thành từ quá trình phong hoá hoá học các khoáng vật nguyên sinh tạo đá. Ví dụ, khoáng vật sét kaolinit là kết quả của quá trình phong hoá hoá học của khoáng vật fenspat có troní; đá granit. Các hạt khoáng vật sét rất nhỏ, thường không lớn hơn 0,002mm nên các hạt khcáng vật sét thường thuộc nhóm hạt nhỏ nhất trong đất mà có tên thường dùng là nhóm hỊt sét. Khcáng vật sét, thường gặp là kaolinit, ilUt, montmorillonit và bentonit, là hợp chất alumo-silicát chứa chủ yếu silic (SÌO9) và alumin (AI2O3) (khoảng 70% khối lượng) và một ít sắt, rragiê, canxi và kali. Tinh thể của khoáng vật sét có cấu trúc inạng dạng lớp không ổn định khi gặp nước. Nước ớ dạng ion (O"^, OH") xâm nhập được vào mạng tinh thể và đẩy các lớp ion có liên kết yếu Iroig mạng tinh thể ra xa nhau làm cho klioáng vật sét và do đó, nhóm hạt sét có tính ngậiTi nJỚc lớn và tính nở thế tích lớn (có tính co lớn khi mất nước). Tỉ ciện tích và hoạt tính của các loại khoáng vật sét rất khác nhau như trình bày ở bảng l.s. Báng 1.8 rên khoáng vât sét Ti diện tích Hoạt tính A Montmorillonil (gọi tắt là mông-mô) > 800 (m^/g) >5 Illit 65 - 200 «0,9 Kaolinit 10-20 ^0,4 Ghỉ chú: Chi số dẻo ỉloit tính (Activity) = Lượng chứa nhóm hạt sét (%) Có hể dùng hoạt tính để phán biệt loại khoáng vật sét có trong đất. 1.4. HỈNH DẠNG HẠT V Ớ I NHÓM HẠT Vớ mắt thường, kính lúp, kính hiển vi thường và kính hiển vi điện tử,các nhà khoa học về đít Jã nhận biết các dạng cơ bản cúa hạt như sau: dạng khối, dạng dẹt, dạng tấm (hoặc phiến) dạng kim. 13
Dạng của hạt đất quyết định một số tính chất xây dựng của đất như tính nén lún, tính chống trượt (chống cắt) tứứi lưu biến, v.v... Đất gồm hạt sắc nhọn có tính nén lún lớn khi chịu lực do cạnh sắc nhọn bị sứt vỡ nhưng có tính chống trượt lớn do tác dụng xen cài giữa các hạt. Ngược lại, đất gồm hạt nhẵn có tứứi nén lún rất nhỏ và có nội ma sát rất thấp. Đất cát gồm nhiều vảy mica có hành vi đối xử khi chịu lực nén và lực cắt khác với đất cát bình thường. 1.4.1. Hình dạng và đường kính của hạt đất thuộc nhóm hạt thô và rất thô Mảnh vỡ của đá có dạng bất kì, từ dạng dẹt đến dạng khối. Nguyên thuỷ, hạt có cạnh sắc nhọn, mặt ngoài thô nhám; sau đó do va chạm, mài mòn trong quá trình vận chuyển tự nhiên, hòn đá, hạt đất trở nên tròn nhẵn. Tảng đá trở thành hòn đá lăn, dăm đá trở thành hạt cuội, sạn đá trở thành hạt sỏi, v.v... Do hình dạng không quy tắc của hạt đất nói chung, các nhà khoa học đã đề ra một số đại lượng đặc trưng cho hình dạng không quy tắc của hạt đất thô. 1.4.1.1. H ệ sô' th ể tích (V olum etric coefficient) Theo định nghĩa của Joisel (1948), hệ số thể tích, kí hiệu v.c là tỉ số giữa thể tích hạt đất với thể tích của khối cầu nhỏ nhất chứa trọn vẹn hạt đất. Kí hiệu; V - thể tích hạt đất; a - chiều dài max của hạt đất thì công thức v.c như sau: 6v v.c = ( 1- 1) Tra' Các trị số tham khảo của v.c cho ở bảng 1.9. Bảng 1.9 Hình dạng hạt v .c Hình cầu 1 Hình hộp 0,37 Hình tứ diện 0,22 Hạt sỏi tròn 0,34 Mảnh đá hình nêm 0,22 Hình hạt dẹt 0,07 Hình thỏi dài 0,01 Trong thực tế, đối với nhóm hạt thô, trị sô của hệ số thể tích v.c thav đổi trong phạm vi từ 0,01 -0 ,3 4 . 1.4.1.2. Độ tròn của hạt đát (Roinidness) Độ tròn của hạt, theo Youd (1973), kí hiệu là R, là tỉ số giữa bán kính nhỏ nhất cửa đường bao hạt với bán kính vòng tròn ngoại tiếp của hạt. Các trị số về độ tròn R của hal có thể định lượng bằng mắt, theo thang độ ghi ở bảng 1. 10. 14
Bảng 1.10 14.1.3. Đ ư ờ ng kính của hạt đất thô líc h thước của hạt đất thô được xác định định lượng bằng đường kứứi của hạt. Như đã biết hạt đất thô có hình dạng không quy tắc, hộ số thể tích thay đổi trong phạm vi lớn, tronị khoảng từ 0,01 đến 1, tức khoảng 100 lần nên cần có khái niệm về đường kính hạt. pối với hạt đất thô thì đường kính hạt là đường kính nhỏ nhất của vòng tròn cứng hoặc lỗ r;y mà hạt đất có thể lọt qua được hoặc bằng phương pháp rây khô hoặc bằng phưoíig phá| rây ướt. .4.2. Hình dạng và đường kính của hạt đất thuộc nhóm hạt mịn .4.2.1. H ỉn h dạng '"rừ một ít bột thạch anh, bột silic, các hạt thuộc nhóm hạt sét là hạt khoáng vật sét. Khoáng vật ét thường gặp bao gồm: khoáng vật montmorillonit, khoáng vật illit và khoáng vật kaolinit. Quakứih hiển vi điện tử, có thể phản loại hmh dạjìg hạl klioáng vậl sét làm hai loại: loại vảy vl giốrg vảy cá (hình l.la ) và loại kim vì giống chiếc kim (hình l.lb ). Các hạt sét kaolừũt, illit, mortmorillonit có dạng vảy với độ dày của vảy móng đến 100 - 5(X) so với chiều dài của vảy (bảrg 1.11). Hạt có dạng kim thuộc loại sét attapulgit (N. A. Tsytovich - 1973). a) Hình I.I 15
Bảng 1.11 Tỉ lệ dài, rộng, dày Kích thước vảy (tính bằng Angstrom Ả)* Khoáng vật của vảy Rộng và dài Dày Kaolinit lOx lOx 1 1000 - 20.000 100- 1000 Illit 20 X 20 X 1 100-5000 50 - 500 Montmorillonit 100 X 100 X 1 1000-5000 1 0 -5 0 -10 * lẲ (angstrom) = 10 m. l . 4.2.2. Đ ường kín h hạt đất thuộc nhóm hạt m ịn Các hạt đất mịn, mắt thường khó phân biệt, có đường kính nhỏ hơn 0,06mm không thể dùng rây để phân loại như đất hạt thô. Hơn nữa, các hạt khoáng vật sétcó dạng vảv và dạ kim có tỉ lệ kích thước ba chiều rất khác nhau. Do vậycần thống nhất một quan Jiểm về khái niệm đưèmg kính hạt đất thuộc nhóm hạt mịn. Khuấy nhóm đất hạt mịn vào nước cất để tạo một phù dịch (suspention) rồi để yên lặng. Các hạt đất chuyển động hỗn loạn (chuyển động Brown) trong phù dịch bắt đầu chìm lắng. Hạt đất to chìm lắng nhanh hơn hạt đất nhỏ. Nếu cốc đựng phù dịch cao 12,5cm thì nhận thấy: - Sau 2 giây, hạt 0,4mm đã lắng xuống đáy cốc. - Sau 30 giây, hạt 0,06mm đã lắng xuống đáy cốc. - Sau 10 phút, hạt 0,03mm đã lắng xuống đáy cốc. - Sau 1 giờ hạt, 0 ,0 Imm đã lắng xuống đáy cốc. Chính nhà khoa học Stokes đã lập được công thức liên hệ hai đại lượng; kích cỡ hạt đất (d) và tốc độ chìm lắng (v). ,8 tị d= ( 1- 2 ) ĩh - ĩn Trong đó: Ỵị, - trọng lượng đcfn vị hạt đất; Yn - trọng lượng đơn vị hạt nước; r\ - độ nhớt của nước. Ví dụ, một hạt đất hình dạng không quy tắc, trọng lượng đơn vị = 27 kN/m^ ehìm lắng trong nước yên tĩnh ở 20“c , với trọng lượng đơn vị Yn = 9,81 kN/m^, với tốc độ V = 0,33 cm/g thì đường kính của hạt tính theo công thức Stokes là 0,06mm. Từ cơ sơ lí thuyết nêu trên, hiện nay đường kính cúa hạt đất mịn được lấy bằng đường kính một hạt tròn, cùng vật chất với hạt đất và có cùng tốc độ chìm lắng trong cùng một mỏi trường nước. 16
1.5. KẾ^ CẤU CỦA ĐẤT Kết ấu của đất (Soil structure) là khái niệm về sự sắp xếp hạt đất trong khối đất. Tuỳ theo hìri dạng hạt và môi trường thành tạo - tồn tại, có nhiều loại kết cấu của đất. Hạt đất hoặc chm hạt đất đóng vai trò phần tử tạo kết cấu của đất. Cốt đất, còn gọi là xưoíng đất (Soil Skleton) là kết cấu của đất. Nói đến kết cấu của đất hoặc cốt đất là nói đến phần tử tạo thào kết cấu (hạt đất hay chùm hạt) và liên kết giữa các phần tử, tức liên kết kết cấu của đất.ró thể đưa ra định nghĩa của kết cấu đất theo dạng công thức định nghĩa như sau: C t đất = Hạt đất + Liên kết giữa các hạt ị ị ị Kí cấu Phần tử Liên kết kết cấu + 1 (Ict cấu (hạt đơn, (liên kết nguyên sinh cu đất) hạt chùm) và liên kết thứ sinh) 1.5.. K ết cấu của đất thó Đất lạt thô thưòng ở thể rời. Sau khi chìm lắng các hạt đơn chổng lên nhau tạo nên kết cấu hạt ơn (hoặc kết cấu rời) của đất như hình 1.2 . a) b) H ình 1.2 Troig kết cấu hạt rời, các hạl đất tựa, đè lên nhau qua điếm tiếp xúc hoặc diện tiếp xúc. Thực nhiệm chứng tó rằng diện tích của diện tiếp xúc rất nhỏ so với đường kính của hạt (tính bằg phần vạn). Do vậy, có thê coi đất hạt thô là môi trường rời có tiếp xúc điểm. Khi cốt đất hịu lực, nội lực trong đất phát sinh và truyển từ hạt này sang hạt khác qua các điểm tiếp xú>. Các lực này tạo nên lực ma sát giữa các hạt và do đó kết cấu hạt rời có thêm khả nãng chu lực cắt. Một sàng có lỗ đủ lớn để các hạt rời lọt qua dễ dàng, có thể giữ được mộl đống đí rời (hình 1.2b). Điểm này được giải thích: các hạt đất đã tạo nên kết cấu vòm tư nhiên V chịu lực theo nguyên lí đã biết trong mòn kết cấu. Trong trường hợp này, các hạt đất rời ạc tạo nên kết cấu vòm chịu nén mà hạt đất lại chịu nén rất tốt nên các vòm này chịu lự néii rất tỏì nhưiig chịu lưc xô ngang ràì kém. Hạt đất rời hình dẹt và hình nêm cài "răng lực" vào nhau làm cho đất có khả năng chống cắt (trượt). Dưới tác dụng của lực nén các góccanh của liat dề bị vỡ vụn \'à làm cho kết cấu đất có tính biến dạng lớn. 17
1.5.2. Kết cấu của đất hạt mịn Kết cấu của đất hạt mịn phức tạp hơn nhiều so với đất hạt thô, do hình dạng và đặc tính mang điện của hạt khoáng vật sét. Mặt vảy G o o © G o o Mặt cắt ngang vảy Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng các hạt khoáng vật sét, hình vảy, mang điện tích âm trên bề mặt và điện tích dương ở mép cạnh của vảy (hình 1.3). Trong quá trình trầm tích trong nước, các hạt sét lơ lửng trong nước, tham gia vào chuyển động hỗn loạn (chuyển động Brovvn) dưới tác dụng của những lực hút phân tử Van der W aals (Verwey và Overbeek - 1948; Lambe - -1953) và những lực tĩnh điện. Trong chuyển động Brown có những sự đụng chạm giữa các hạt do quán tính theo các kiểu khác nhau nhưng có thể phân làm hai kiểu va chạm điển hình giữa hai hạt sét: một là, cạnh hạt này đụng vào mặt hạt kia; hai là, mặt hạt này xáp mặt hạt kia. Kiểu va chạm "cạnh với hạt", các hạt không thể dội lui lại được do lực hút Van der W aals và lực hút tĩnh điện âm dưctng giữ chặt hai hạt với nhau theo ba dạng Ihường gặp tạo nên hạt kép (hình 1.4). >■ ĩểmểểểềỄĩểểầà v /////r //////A V/7///77/////A Hình 1.4 Các hạt kép này chưa đủ nặng để chìm lắng được nên vẫn tham gia vào chuyển động Brown và sẽ chịu những va chạm khác. Cuối cùng chùm hạt (hình 1.5) được hình thành và khối lượng chùm hạt đủ lớn để chìm lắng để tạo nên kết cấu bông (hình 1.6b). Kết cấu bông còn gọi là kết cấu rối (turbulent). Hình 1.5 Kiểu va chạm "mặt xáp mặt", lực đẩy tĩnh điện có xu thế đẩy hai m ặt ra xa nhưng lực Van der Waals giữa hai hạt hút lại. Kết quả là hai hạt hình vảy ở một thế nằm cân bằng gần như song song với một khoảng cách xác định. 18
Sai Ihi chìm lắng, các hạt kép kiểu này tạo nên kết cấu phân tán (hình 1.6b). Kết ;ấu phân tán còn gọi là kết câi tầng (laminar). Ngoá hai loại kết cấu điển hìnli đí nêu còn có những dạng kê cấu trung gian do tác dụng x;o động nào đó. Các loại kết ;ấu trung gian còn gọi là kết c;u xáo động (rernolded structurO (hình 1.6c). Hạt cát mịn và hạt bụi dạng khối Sự liộn diện của các hạt I ~ ~ iHạt sét dạng vảy bui. hạ cát mịn không làm thay đd dạng kết cấu điển Hinh L 7 hình củ; đất sét (hình 1.7). Kết tấu được hình thành trong quá trình trầm tích tạo đất được gọi là kết cấu nguyên sinh. Diới tác dụng của áp lực nén và cắt, kết cấu nguyên sinh bị thay đổi. Khi chịu nén các hạt ỉược ép sít lại với nhau làm cho đất chắc hơn. Khi chịu nén và cắt, kết cấu phân tán của đất lình thành ở mặt trượt làin cho đất sét có cường độ chống cắt giảm đến trị số nhỏ nhất - ường độ chống cắt dư (Residual Shear Strength). Trong hình 1.8 (theo Atkinson - 1993) riận thấy kết cấu bông và kết cấu phân tán ứng với lúc đất có cường độ chống cắt cao nhâ và thấp nhất. Cường độ chống cát Cường độ x' Đình chống cắt dinh p Dư Cường độ chống cắt dư / - Kết cấu / Kết cấu bòng p^ản tán 1 1 10 100 1000 Chuyển dịch ngang Hỉnh L8 19
Chừng nào lực hút tĩnh điện giữa cạnh - mặt hạt sét được duy trì thì cưòng độ chống cắt của đất vẫn duy trì ở trị số lớn nhất - trị số đỉnh (Peak Shear Strength).Kết cấu bông của đất sét nguyên dạng sẽ chuyển thành kết cấu phân tán làm cho trạng thái của đấtthay clổi. 1.6. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HẠT VÀ CÂP PHỐI HẠT CỦA ĐÂT 1.6.1. Phân tích hạt bằng bộ rây tiêu chuẩn Bỏ mẫu đất vào đây Mỗi quốc gia có bộ rây tiêu chuẩn riêng tuỳ thuộc vào hệ thống phân loại nhóm hạt. Từ trước Rây thó nhất đến nay, ở ta thường dùng bộ rây tiêu chuẩn của Liên Xô (cũ) với mắt rây nhỏ nhất là 0,1 mm, rồi đến 0,25; 0,50; 1,00; 2,00; 5,00; 10,00 (mm). Điều nay có nghĩa là phưcíng pháp phân tích hạt ' Các ráy trung gian bằng rây chỉ thực hiện đối với các hạt đất có đường kính lớn hơn 0 ,lm m . Bộ rây tiêu chuẩn được xếp chồng trên đáy rây với rây mịn nhất ở dưới và rây thô nhất ớ trên cùng (hình 1.9). Cho M gam đất vào rây thô nhất Rây mm nhất trên cùng, đặt bộ rây vào bàn lắc hoặc lắc tay đế thực hiện rây. Cân và ghi chép khối lượng m, đọng lại trên mỗi rây ứng với mắt rây d| và cláy rây vào bảng. Hình 1.9 Bảng 1.12 Sô' hiệu rây Mắt rây, d| (mm) Khối lượng hạt trên rây, m| (g) > N“ 1 10 m, 2 5,0 m2 3 2,0 r ĩi3 4 1.0 > M (gam) 5 0,50 m
Từ :ố liệu ở bảng tính khối lượng hạt riị lọt qua mỗi rây (tức nhóm hạt có d < dị) theo cách thíc cộng dồn. Ví dụ nhóm có đường kính d < 2,Om là: n2,0 = + ni7 + niô + ni5 + ni4 (g) Nhem hạt có d < 0,25m là: ng 25 = + lĩiy Nhem hạt có d < 0 ,lm là: Hq 1 =(đọng trên ô đáy bộ rây). Nếi đất không chứa nhóm hạt mịn thì thí nghiệip phân tích hạt đến đây là kết thúc. Vấn đề còn lại là biểu thị thành phần hạt bằng đường phân tích hạt. * T iam khảo về bộ rây tiêu chuẩn của các nước; M ỗ hệ thống phân loại đất đều kèm theo một bảng phân loại nhóm hạt và một bộ rây tiêu chiẩn. Để độc giả tiện theo dõi các hệ thống phân loại đất, trong phần tham khảo này xin nêi những bộ rây tiêu chuẩn và một số quy định được dùng ở m ột số nước có quan hệ kinh tế với ta. 1. lộ rây tiêu chuẩn của nước Anh Bộ ây tiêu chuẩn của nước Anh có số hiệu và mắt rây tương ứng cho ở bảng 1.13. Bảng 1.13 íố hiệu rây Mắt rây (mm) 5 3,36 Sỏi, sạn 8 2,06 1 12 1,41 Cát to 18 0,85 25 0,63 ị Cát vừa 36 QM Cát nhỏ 60 0,25 100 0,15 200 0,063 Bụi và sét Th;o bộ tiêu chuẩn phân loại nhóm hạt và bộ rây tiêu chuẩn của Anh thì hạt đất lọt qua rây N° 200 - 0,063mm bằng cách rây ưcft thuộc nhóm hạt đất mịn. T h:0 tiêu chuẩn Anh, đất chế bị dùng làm thí nghiệm về giới hạn Atlerbcrg phải lọt qua rây 36, túc có d < 0.42mm. Nh')m hạt cát dược phân tách bằng hai rây: rây N°. 200 và rây N°. 8. 21
2. Bộ rây tiêu chuẩn của Hoa Kỳ B ảng 1.14 Mắt rây Số hiệu rây Tính theo inch Tính theo mm 4 . 0,187 4,76 6 0,132 3,36 8 0,937 2,38 10 0,0787 2,00 16 0,0469 1,19 20 0,0331 0,840 30 0,0232 0,590 40 0,0163 0,420 50 0,0117 0,297 60 0,0098 0,250 100 0,0059 0,149 140 0,0041 0,105 200 0,0029 0,075 Ngoài bộ rây ghi trong bảng còn có rây 3 in (75mm), rây 1 in, rây 3/4 in, rây 1/2 iii và rây 3/8 in ( lin = 2,54cm). Theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ, nhóm đất hạt mịn lọt qua rây N°. 200 và d = 0,075mm bằng cách rây ướt. Vậy so với tiéu chuẩn Anh thì đất hạt m ịn theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ lớn hơn 0,075 - 0,063 = 0,012mm. Điều này cần chú ý đến khi sử dụng hệ thống phân loại đất của mỗi quốc gia. Theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ, đất dùng để thí nghiệm xác định giới hạn Atlerberg phải lọt qua rây N®. 40 - 0,420mm. Điều này tương tự với tiêu chuẩn Anh với rây N°. 36 - 0,42mm. 3. Bộ rây tiêu chuẩn của Pháp Theo tiêu chuẩn của Pháp (NFX 11-501) thì bộ rây tiêu chuẩn của Pháp được quy định như sau: a) Do hệ thống phân loại đất AASHTO (Hoa Kỳ) được sử dụng ở Pháp nên bộ rây tiêu chuẩn của Hoa Kỳ cũng được chấp nhận ở Pháp nhưng có thay đổi về rây No. 40 và rây N°. 200. - Theo tiêu chuẩn của Pháp thì rây N°. 40 có mắt rây là 0,40mm (của Hoa Ky là 0,42m m ), rây N°. 200 có mắt rây là 0,08mm (của Hoa Kỳ là 0,075mm). 22