Kiến trúc xây dựng - Tính chất vật lý của đất

i Hạt thô Hạt mịn Cát Hạt thô Hạt trung bình Hạt mịn Kích cỡ hạtKý hiệuHạt và nhóm hạt Bảng 3-1: Tên đất, ký hiệu và phạm vi kích thước hạt theo USCS (Tiếp theo) Ký hiệu giới hạn chảy Cao LL, H Thấp LL, L Ký hiệu phân loại cấp phối Phân cấp đều, W Phân cấp không đều, P Kích thước hạt nhỏ hơn kích thước mắt sàng No.200 (0.075 mm) (Không có kích thước hạt cụ thể - sử dụng giới hạn Atterberg) (Không có kích thước hạt cụ thể - sử dụng giới hạn Atterberg) (Không có kích thước hạt cụ thể) (Không có kích thước hạt cụ thể) M C O Pt (2) Đất hạt mịn Hạt mịn Hạt bột, phù sa Hạt sét (3)Đất hữu cơ (4) Than bùn Kích cỡ hạtKý hiệuHạt và nhóm hạt 1.3.3. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt thèng nhÊt (USCS). Bảng 3-2: Hệ thống phân loại đất USCS 1.3.3. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt thèng nhÊt (USCS). Bảng 3-2: Hệ thống phân loại đất USCS (Tiếp theo) 1.3.3. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt thèng nhÊt (USCS). Đất hạt thô được phân chia thành sỏi, sỏi pha, cát và cát pha. Để đánh giá chất lượng cấp phối của sỏi và đất cát, ta xác định hệ số hạt không đều hạt Cu và hệ số cong Cc từ đường cong cấp phối. Các hệ số này đã được định nghĩa ở chương 2: Hệ số không đều hạt: (2-19) Hệ số cong: (2-20) Bảng 3-2 (cột 6) đưa ra tiêu chuẩn phân loại cho sỏi và đất cát. 6010 2 30 *DD DCc = 10 60 D DCu = 1.3.3. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt thèng nhÊt (USCS). Trên hình 3.2, Casagrande (1948) dùng đường thẳng A để phân loại đất hạt mịn. Nhóm hạt bụi có giới hạn chảy (LL) và chỉ số dẻo (PI) nằm phía dưới đường thẳng A, còn nhóm đất sét có giới hạn chảy (LL) và chỉ số dẻo (PI) nằm phía trên đường thẳng A. Đất sét hữu cơ (OL và OH) cũng nằm phía dưới đường thẳng A vì chúng có tính chất tương tự như các loại đất có tính dẻo thấp. Ngoài ra, dựa vào giới hạn chảy, hạt bụi, sét và sét hữu cơ được phân thành giới hạn chảy cao ( nếu LL > 50%) và giới hạn chảy thấp (nếu LL < 50%). Các loại đất đại diện cho đất hạt mịn được miêu tả trên hình 3.2. (Tham khảo thêm từ trang 74 đến trang 80 của giảo trình Giới thiệu về Địa kỹ thuật) 1.3.3. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt thèng nhÊt (USCS). Trình tự các bước phân loại đất theo hệ thống USCS được thực hiện như sau: 1. Xác định đất thuộc nhóm hạt thô, hạt mịn hay đất hữu cơ bằng mắt thường hay dựa vào kết quả phân tích hạt qua sàng No.200. 2. Nếu là đất hạt thô: a. Thực hiện thí nghiệm phân tích hạt và vẽ đường cong cấp phối. Xác định lượng chứa các hạt dưới sàng No.4, đất được phân loại là sỏi nếu lượng chứa các hạt trên sàng No.4 lớn hơn và được phân loại là cát nếu lượng chứa các hạt dưới sàng No.4 lớn hơn. b. Xác định lượng chứa các hạt dưới sàng No.200, nếu có giá trị < 5% thì dựa vào hình dạng của đường cong để phân loại đất thành GW hay SW ( cấp phối tốt) và GP hay SP (cấp phối không tốt). c. Nếu lượng chứa các hạt dưới sàng No.200 có giá trị trong khoảng 5% đến 12% thì đất được coi là ở giữa ranh giới 2 nhóm và sẽ có các ký hiệu ghép đôi tuỳ thuộc vào chất lượng cấp phối hay tính dẻo của đất (GW-GM, SW-SM...) d. Nếu lượng chứa các hạt dưới sàng No.200 có giá trị > 12% thì ta xác định các giá trị giới hạn Atterberg của các hạt dưới sàng No.40 và dùng biểu đồ dẻo để phân loại đất (GM, SM, GC, SC, GM-GC hoặc SM-SC) 1..3. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt thèng nhÊt (USCS). 3. Nếu là đất hạt mịn: 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 LL lớn hơn 50% thì đất được phân loại cao (H). b. Đối với đất thuộc phân loại L: nếu các giá trị giới hạn nằm phía dưới đường 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 mẫu đất được sấy khô. Trong trường hợp này đất được phân thành nhóm hữu cơ (OL) hoặc nhóm vô cơ (ML). Nếu các giá trị giới hạn nằm trong vùng gạch chéo, đất sẽ được phân thành nhóm CL-ML. Còn khi các giá trị giới hạn nằm phía trên đường thẳng A và vùng gạch chéo thì chúng được phân thành nhóm CL. c. Đối với đất thuộc phân loại H: nếu các giá trị giới hạn nằm phía dưới đường thẳng A thì chúng được phân thành nhóm hữu cơ (OH) hoặc nhóm vô cơ (MH). Khi các giá trị giới hạn nằm phía trên đường thẳng A thì chúng được phân thành nhóm CH. d. Khi các giá trị giới hạn nằm trong vùng gạch chéo và gần với đường thẳng A hoặc gần với đường thẳng LL = 50% thì ta sử dụng các ký hiệu ghép đôi như trên hình 3.3. (Tr 80) Mặc dù hệ thống USCS sử dụng các ký hiệu thuận tiện, nhưng nó không 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 Bảng 3-4 (Tr 83). 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 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 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 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 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 chất lượng tương đối của đất cho một số lĩnh vực khác có liên quan như 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. Tên nhóm hạt phân loại theo hệ thống AASHTO được đưa ra trong 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 phân loại là hạt bụi nếu chỉ số dẻo PI nhỏ hơn 10 và là sét nếu PI lớn hơn 10. Hệ thống AASHTO phân loại đất thành 8 nhóm chính từ A-1 đến A- 8, trong đó gồm có vài nhóm tiểu nhóm. Các đất trong mỗi nhóm được 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 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. Bảng 3-5 Phân chia nhóm hạt sỏi, cát và sét bụi theo hệ thống AASHTO Nhỏ hơn 0.075 mm (No.200)Bụi-sét (bao gồm bụi và sét) Từ sàng No.40 (0.425 mm) đến sàng No.200 (0.075mm) Cát mịn Từ sàng No.10 (2.0 mm) đến sàng No.40 (0.425mm) Cát thô Từ 75 mm tới sàng No.10 (2.0 mm) Sỏi Lớn hơn 75 mmĐá lăn, đá tảng Đường kính hạtNhóm hạt 1.3.4. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt AASHTO. Bảng 3-6 Phân chia hạt và nhóm hạt theo hệ thống 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 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. Quy ®Þnh chung 1.1. Tiªu chuÈn “§Êt x©y dùng - Ph©n lo¹i” cã kÝ hiÖu lµ TCVN 5747: 1993, ®−îc ¸p dông cho x©y dùng d©n dông vµ c«ng nghiÖp, giao th«ng, thuû lîi, c¸c lÜnh vùc sö dông ®Êt víi môc ®Ých x©y dùng c«ng tr×nh.Tuy nhiªn, ®èi víi tõng ngµnh cã thÓ x©y dùng nh÷ng tiªu chuÈn riªng cho phï hîp víi nh÷ng ®Æc ®iÓm riªng cña m×nh. 1.2. Tiªu chuÈn nµy ®−îc ¸p dông cho c¸c lo¹i ®Êt cã thÓ lµm nÒn, m«i tr−êng ®Ó ph©n bè c«ng tr×nh, hoÆc vËt liÖu ®Ó x©y dùng c«ng tr×nh. 1.3. Tiªu chuÈn ®−îc dïng ®Ó s¾p xÕp ®Êt x©y dùng thµnh nh÷ng nhãm cã tÝnh chÊt t−¬ng tù, nh»m ®Þnh h−íng c¸c vÊn ®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 biÖt; còng ch−a hÒ ®Ò cËp ®Õn viÖc ph©n lo¹i ®Êt theo c¸c thÝ 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. 1.3.4. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt theo tiêu chuẩn Việt Nam. 2. Nguyªn t¾c ph©n lo¹i 2.1. HÖ ph©n lo¹i nªu trong Tiªu chuÈn nµy dùa trªn thµnh phÇn h¹t cña ®Êt. Tr×nh tù ph©n lo¹i ®−îc thùc hiÖn lÇn l−ît nh− sau: - Dùa trªn thµnh phÇn kÝch th−íc h¹t chiÕm −u thÕ trong ®Êt ®Ó ph©n chia nã thµnh hai nhãm lín lµ h¹t kh« vµ h¹t mÞn; - Dùa trªn hµm l−îng c¸c h¹t ®Ó ph©n chia nhãm ®Êt h¹t kh« thµnh c¸c phô nhãm; - Dùa trªn c¸c trÞ giíi h¹n ch¶y, giíi h¹n dÎo, chØ sè dÎo ®Ó ph©n chia nhãm ®Êt h¹t mÞn thµnh c¸c phô nhãm. 2.2. C¸c thuËt ng÷ vµ kÝ hiÖu tªn ®Êt, thµnh phÇn tr¹ng th¸i ®−îc dïng thèng nhÊt theo quy −íc quèc tÕ. 3. Ph©n lo¹i (TCVN 5747 1993) 1.4 C¸c kho¸ng vËt sÐt vμ cÊu tróc cña ®Êt. 1.4.1. C¸c kho¸ng vËt sÐt. Các khoáng vật sét là những vật chất kết tinh rất nhỏ bền vững, được tạo ra chủ yếu từ quá trình phong hóa hóa học các khoáng vật tạo đá có trước xác định. Về mặt hóa học, chúng là các aluminosilicates ngậm nước kết hợp với các ion kim loại khác. Tất cả các khoáng vật sét là các tinh thể cỡ hạt keo, rất nhỏ chỉ nhìn thấy được dưới kính hiển vi điện tử. Những tinh thể riêng lẻ trông giống như các bản mỏng hoặc các đám bông nhỏ và từ các nghiên cứu nhiễu xạ tia X, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng, các đám bông này bao gồm nhiều lớp tinh thể với cấu trúc nguyên tử lặp lại. Trên thực tế, chỉ có hai lớp tinh thể cơ bản đó là các khối tứ diện silic và các khối bát diện alumin. Sự khác nhau trong việc sắp xếp các lớp tinh thể cùng với liên kết và các ion kim loại ở các nút mạng không giống nhau sẽ tạo ra các khoáng vật sét khác nhau. (SV tham khảo thêm từ trang 99 đến trang 108) (Giới thiệu thêm một số Slides phụ nếu có thời gian (BS8)) 1.4.2. Nhận dạng kho¸ng vËt sÐt. Do các khoáng vật sét thường rất nhỏ, không thể nhận dạng 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 hoặc lặp lại của cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu sẽ làm nhiễu xạ tia X. Các khoáng vật khác nhau có cấu trúc mạng tinh thể khác nhau sẽ có kiểu dáng nhiễu xạ khác nhau và dựa vào đó, khoáng vật sẽ được xác định. Căn cứ vào kiểu nhiễu xạ của các khoáng vật đã biết để so sánh tìm ra các khoáng vật chưa biết. Nhưng với những loại đất là 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 vật xáo trộn lẫn nhau. Trong trường hợp này, việc phân tích chi tiết hàm lượng từng khoáng vật là không thể, nên chỉ có thể chỉ ra tương đối bao nhiêu khoáng vật có mặt trong đất và mỗi loại chiếm bao nhiêu phần trăm. Một phương pháp khác được dùng để xác định các khoáng vật sét là phương pháp DTA (differential thermal analysis). Một mẫu đất cần được xác định được đưa vào lò sấy điện ở nhiệt độ khoảng vài 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 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. 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. 1.4.2. Nhận dạng kho¸ng vËt sÐt. 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 sau: tỷ diện tích thể tích = diện tích bề mặt/thể tích (4.1). Ý nghĩa vật lý của đại lượng này được minh họa bằng hình lập phương có các cạnh 1x1x1cm. Tỷ diện tích = Nếu mỗi cạnh có chiều dài 1mm, tỷ số này sẽ là: Nếu mỗi cạnh có chiều dài 1μm, tỷ số này sẽ là: Các ví dụ trên đã chỉ ra rằng, các hạt có đường kính lớn thì có tỷ diện tích nhỏ hơn và ngược lại, các hạt có đường kính nhỏ thì có tỷ diện tích lớn hơn. Để xác định tỷ diện tích theo khối lượng phải chia giá trị thể tích cho dung trọng khối lượng p nên đơn vị có thể là m2/g hoặc m2/kg. 1.4.3. Tỷ diện tích bề mặt. Nếu nước có mặt chỉ đủ để làm ẩm ướt bề mặt các khối lập phương trong các ví dụ trên, sẽ cần khoảng 10 lần lượng nước để làm ướt bề mặt các hạt có kích thước 1mm so với các hạt có 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 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 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 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 bản trong quá trình thiết kế bê tông xi măng hoặc bê tông asphalt. Trong cả hai trường hợp đó cần cung cấp lượng xi măng hoặc asphalt thích hợp để bao phủ hết các bề mặt hợp thể. 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. 1.4.4. Sự tương tác giữa nước và các khoáng vật sét 1.4.4. Sự tương tác giữa nước và các khoáng vật sét. Trong phần trước, ta đã xác định được độ hoạt động của sét: A=PI/hàm lượng sét (2-24). Với hàm lượng sét là phần trăm các hạt sét có đường kính nhỏ hơn 2μm. Giữa tính hoạt động và loại khoáng vật sét có sự liên hệ chặt chẽ với nhau. Liên hệ này được trình bày trong bảng 4.1 (BS1) Các hạt sét hầu như luôn hút nước một cách tự nhiên nên có các lớp nước bao quanh mỗi tinh thể sét. Loại nước này gọi là nước hấp phụ. Nước hấp phụ trên bề mặt các hạt sét như thể nào? : + Thứ nhất, nước là một phân tử lưỡng cực. Mặc dù phân tử nước trung hòa về điện, nó vẫn phân cực thành cực âm và cực dương. Do đó, các phân tử nước sẽ bị hút tĩnh điện lên bề mặt các hạt sét. + Thứ hai, nước liên kết với các tinh thể hạt sét bằng mối liên kết hydro (nguyên tử hydro của nước bị hút bởi các nguyên tử ôxi hoặc hydroxin trên bề mặt các hạt sét). + Nhân tố thứ ba là bề mặt các hạt sét tích điện âm cũng hút các cation có mặt trong nước. Lực hút của nước với bề mặt hạt sét rất lớn khi ở gần và giảm dần khi xa bề mặt. Các phân tử nước ở ngay bề mặt hạt sét bị bám rất chặt và có tính định hướng rất 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) 1.4.5. Sự tương tác giữa các hạt sét. Sự kết hợp các khoáng vật sét và các lớp nước hấp phụ trên bề mặt hạt tạo nên các đặc trưng vật lý cơ bản của cấu trúc đất. Các hạt sét riêng lẻ tương tác với nhau thông qua màng nước hấp phụ bao quanh và sự có mặt của các ion khác nhau, các vật chất hữu cơ, nồng độ khác nhau… đã tác động đến hoặc góp phần tạo ra sự đa dạng trong 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 khác. Tương tự, có sự tương tác nhất định giữa các hạt riêng lẻ do tác 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 dần từ bề mặt khoáng vật ra ngoài. Các hạt có thể bị keo tụ hoặc tách rời. Chúng có thể keo tụ theo một vài cách có thể: cạnh - mặt là thông dụng nhất, ngoài ra có thể gặp các dạng kết hợp khác như cạnh – cạnh hoặc mặt – mặt. Xu hướng keo tụ phụ thuộc vào sự gia tăng của một hoặc một số nhân tố sau: nồng độ các chất điện phân, hóa trị của các ion, nhiệt độ. Hoặc giảm một hoặc một số các nhân tố sau: hằng số điện môi của chất lỏng trong lỗ rỗng của đất, kích thước của các ion hydrat, pH, hấp phụ anion. Tất cả các loại đất sét tự nhiên đều kết tủa (keo tụ) với mức độ nào đó. Chỉ trong các dung dịch rất loãng các hạt sét có thể dưới dạng phân tán. 1.4.6. Cấu tạo và kết cấu của đất . Trong địa kỹ thuật công trình ứng dụng, cấu tạo của đất vừa có nghĩa là sự sắp xếp của các hạt đất hoặc các hạt khoáng vật, vừa có nghĩa là lực tương tác có thể xuất hiện giữa các hạt. Kết cấu của đất chỉ đề cập sự sắp xếp về mặt hình học giữa các hạt. Với các loại đất hạt rời, lực tương tác giữa các hạt rất bé, vì vậy cấu tạo và kết cấu của cuội sỏi, cát ….. gần như giống nhau. Ngược lại, với đất dính hạt mịn lực tương tác giữa các hạt lại tương đối lớn, dẫn đến cả lực tương tác và kết cấu của các loại đất này phải được coi như cấu tạo của đất. Do đó, cấu tạo đất ảnh hưởng lớn hay có thể nói là quyết định đặc tính xây dựng của đất. Tất cả các cấu tạo sét hình thành trong tự nhiên là kết quả của sự kết hợp giữa các yếu tố: Môi trường địa chất tại nơi lắng đọng, lịch sử địa chất, 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 không thể đo đạc trực tiếp được trường lực bao quanh các hạt sét, nên phần lớn các nghiên cứu về kết cấu đất dính chỉ liên quan đến cấu tạo của những loại đất này và thực hiện các suy luận về lực tương tác giữa các hạt. 1.4.7. Kết cấu đất dính . Sự phân loại kết cấu đất dính thành các nhóm đơn giản chỉ dựa theo một số các hạt sét là không thể làm được. Các hạt đơn lẻ hoặc các đơn vị hạt riêng lẻ rất hiếm xuất hiện trong tự nhiên và chỉ tồn tại trong hệ nước-sét pha rất loãng trong các điều kiện môi trường nhất định. Các nghiên cứu gần đây về các loại sét thực tế cho thấy, các loại hạt sét riêng lẻ dường như luôn bị kết tụ hay liên kết với nhau thành các đơn vị kết cấu siêu hiển vi gọi là các bó (tập hợp) – sau đó các bó tập hợp thành nhóm với nhau để thành các cụm đủ lớn để quan sát được với kính hiển vi. Các cụm này sau đó lại tập hợp lại với nhau để hình thành các giỏ và thậm trí nhiều nhóm dạng giỏ. Các giỏ này có thể nhìn thấy mà không cần dùng kính hiển vi và chúng cùng với các cấu tạo vĩ mô khác ví dụ như các khe nứt… cấu tạo thành hệ thống các cấu tạo vĩ mô. Kết cấu vĩ mô, bao gồm sự sắp xếp các lớp trầm tích hạt mịn, có ảnh hưởng quan trọng đến đặc tính kỹ thuật của đất trong thực tế xây dựng. Các khe nứt, kẽ rỗng, các lớp kẹp bùn, 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) 1.4.7. Kết cấu đất dính . Theo quan điểm xây dựng, kết cấu vi mô về cơ bản có vai trò quan trọng hơn. Kết cấu vi mô của sét phản ánh toàn bộ lịch sử hình thành và lịch sử chất tải của nền đất. Gần như tất cả những tác động xảy ra với khối đất mà có ảnh hưởng đến đặc tính xây dựng của đất thì về mức độ nào đó sẽ được ghi dấu trong kết cấu vi mô của nó. Nghiên cứu gần đây về kết cấu vi mô của sét đã chỉ ra rằng đơn nhân tố ảnh hưởng lớn nhất đến kết cấu cuối cùng của một 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 lắng đọng ở gần như tất cả các môi trường trầm tích, như đại dương, nước lợ, hay nước ngọt. (BS2) 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 lượng tồn tại giữa kết cấu vi mô và các đặc tính xây dựng, nhưng 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 . Các hạt của đất mà có thể lắng chìm trong một chất lỏng huyền phù của đất một cách độc lập với các loại hạt khác sẽ tạo thành một loại kiến trúc được gọi là kiến trúc hạt đơn. Kết cấu hạt đơn, có thể “xốp” hay “chặt”, hiện tượng này của khối đất trong thiên nhiên có ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính kỹ thuật 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 hạt có thể chịu được tĩnh tải, nhưng kết cấu lại nhạy cảm với sự phá hoại khi chịu rung động hay tải trọng động. 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 nhỏ nhất và được xác định theo: (4-2) Dung trọng tương đối cũng có thể được trình bày theo mối quan hệ với độ chặt lớn nhất và độ chặt nhỏ nhất như sau 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 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 nông, có thể tiếp cận trực tiếp, có thể dùng các phương pháp khác để xác định độ chặt tại hiện trường. 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) bμi gi¶ng c¬ häc ®Êt ch−¬ng II tÝnh chÊt c¬ häc cña ®Êt 2.1. tÝnh thÊm n−íc cña ®Êt. 2.1.1. Kh¸I niÖm vÒ dßng thÊm trong ®Êt. C¸c lç rçng trong ®Êt ¨n th«ng víi nhau, t¹o ®iÒu kiÖn cho n−íc chuyÓn ®éng ®−îc trong ®Êt. TÝnh chÊt nμy cña ®Êt ®−îc gäi lμ tÝnh thÊm cña ®Êt. TÝnh thÊm cña ®Êt ®· ®−îc nghiªn cøu trong m«n thuû lùc vμm«n ®Þa chÊt thuû v¨n. Trong nh÷ng m«n häc nμy nghiªn cøu dßng thÊm (trong tr−êng träng lùc) t¹o ra do ®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) 2.1.2. Định luật Darcy cho dòng chảy qua môi trường rỗng. Năm 1856 kỹ sư thủy lực người Pháp tên là Darcy (D’Arcy, 1856) thông qua các thí nghiệm đã chỉ ra rằng vận tốc chất lỏng trong cát sạch tỷ lệ với gradien thủy lực : (7-2). Phương trình này thường được kết hợp với phương trình liên tục (7-3) và định nghĩa về gradien thủy lực (7-1). Sử dụng các ký hiệu như trên hình vẽ, định luật Darcy thường được viết là: (7-5) Hình 7-2 v ki= 1 1 2 2q v A v A constant= = = hi l = hq vA kiA k A L Δ= = = 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) 2.1.2. Định luật Darcy cho dòng chảy qua môi trường rỗng. 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 Hình 7.5. Xác định hệ số thấm theo thí nghiệm (a) cột nước không đổi, (b) cột nước giảm dần 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): Từ phương trình 7-5: ta có: (7-8) 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 một hướng trong phòng (cố kết) hoặc thí nghiệm ba trục. (Vi dụ) Q Avt= hv ki k L = = QLk hAt = 2.2. tÝnh ®Çm chÆt cña ®Êt. 2.2.1. Tính đầm chặt . Tính đầm chặt là quá trình nén chặt của đất dưới tác dụng của các lực cơ học. Quá trình này cũng có thể liên quan đến sự thay đổi 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 chặt trong phòng thí nghiệm bằng búa hay vật nặng, hay bằng các máy nén tĩnh. Ngoài hiện trường, các thiết bị thường được dùng như máy đầm tay, máy đầm cóc, máy đầm cao su và các thiết bị đầm loại lớn khác. Mục đích của việc đầm chặt nhằm gia cường các tính chất kỹ thuật của đất. Ngoài ra chúng còn dẫn tới một số lợi ích khác: + Ngăn ngừa hoặc giảm thiểu độ lún. + Gia tăng cường độ chịu lực và ổn định mái dốc. + Tăng cường sức chịu tải của nền. + Có thể được kiểm soát được quá trình thay đổi thể tích đất được gây ra bởi các hiện tượng như đóng băng, trương nở và co ngót. 2.2.2. Nguyên lý đầm chặt . Những nguyên lý cơ bản của quá trình đầm chặt ứng dụng cho đất dính đã được Proctor đưa ra vào năm 1933. Thí nghiệm đầm chặt tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm dựa theo các nguyên lý của ông thường được gọi là thí nghiệm Proctor. Proctor đã chứng tỏ rằng, đầm chặt là hàm của bốn tham số: (1) 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 bằng năng lượng cơ học tác dụng lên khối đất. 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 nghiệm, các phương pháp đầm nén hay đầm động, đầm trộn và đầm tĩnh thường được áp dụng. Trong đó, phương pháp đầm nén là hay được sử dụng nhất bằng cách cho quả đầm rơi tự do nhiều lần lên 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 thể. Ví dụ, trong thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn: quả đầm có khối lượng 2,495 kg (5,5 lb), chiều cao rơi quả đầm 304,88 mm (1 ft). Đất được chia thành 3 lớp, số lần đầm mỗi lớp 25 và thể tích của cối đầm xấp xỉ 1 lít (0,944x 10-3 m3 hoặc 1/30 ft3). 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 ứng với giá trị lớn nhất của dung trọng khô ρd max là độ ẩm tối ưu wopt (cũng là lượng chứa nước tối ưu, OMC). Nhưng chú ý rằng, đó chỉ là dung trọng khô lớn nhất cho một công đầm và một phương pháp đầm cụ thể chứ không phải là dung trọng khô lớn nhất có thể đạt được ngoài thực tế. Vị trí chính xác của đường cong bão hoà chỉ phụ thuộc vào trọng lượng riêng của hạt đất ρs. Chú ý rằng, độ bão hoà tối ưu S của các loại đất thông thường khoảng 75%. Thậm chí khi tăng độ ẩm trong đất thì đường cong đầm nén đều nằm phía dưới đường bão hoà S = 100%. Điều này cũng xảy ra tương tự khi ta tăng công đầm, chẳng hạn như đường cong B trên hình 5.1. Đường cong B là kết quả của thí nghiệm đầm nén Proctor cải tiến (AASHTO cải tiến (1978) và ASTM (1980)). Theo kết quả thí nghiệm, khi tăng công đầm thì dung trọng khô lớn nhất tăng lên và độ ẩm tối ưu giảm xuống. Đường thẳng đi qua các điểm đỉnh của đường cong đầm nén với các giá trị công đầm khác nhau gần như song song với đường cong bão hoà 100%. Nó được gọi là đường tối ưu. 2.2.2. Nguyên lý đầm chặt . Tại sao các đường cong đầm nén lại có hình dạng đặc trưng ở trên hình 5.1 và 5.2. Nếu độ ẩm trong đất nhỏ, khi ta cho thêm nước vào trong đất thì kích thước màng nước bao quanh hạt đất tăng dần lên và làm tăng kích thước hạt đất, do có màng nước bôi trơn nên các hạt đất dễ dàng di chuyển và sắp xếp lại khiến mẫu đất chặt hơn. Tuy nhiên, tới một độ ẩm nào đó thì dung trọng của đất không thể tăng được nữa và nước bắt đầu thay thế vị trí của đất trong cối đầm. Do ρw << ρs nên đường cong đầm nén bắt đầu đi xuống, minh hoạ trên hình 5.3. Hãy chú ý rằng, đất không bao giờ đạt tới trạng thái bão hoà cho dù có cho thêm bao nhiêu nước đi nữa trong quá trình đầm chặt. Những đặc trưng của đất dính trong quá trình đầm chặt đã miêu tả ở trên xảy ra cho cả thí nghiệm đầm chặt trong phòng và ngoài hiện trường. Hình dạng và vị trí các đường cong đầm nén có thể thay đổi nhưng xu thế chung thì tương tự với kết quả được minh hoạ trên hình 5.4 khi đất được đầm nén dưới các điều kiện khác nhau. Thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn và cải tiến trong phòng được sử dụng làm tiêu chuẩn so sánh cho quá trình đầm chặt ngoài hiện trường. 2.2.2. Nguyên lý đầm chặt . Hình 5.2 Quan hệ giữ độ ẩm và dung trọng khô của 8 loại đất nén theo phương pháp thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn (theo Johnson và Sallberg, 1960) 2.2.2. Nguyên lý đầm chặt . Hình 5.3 Quan hệ giữa độ ẩm và dung trọng cho thấy sự tăng của dung trọng khi tưới nước và đầm nén. Đất là loại sét chứa bụi, LL = 37, PI =14. Đầm nén Proctor tiêu chuẩn (theo Johnson và Sallberg, 1960) 2.2.2. Nguyên lý đầm chặt . 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 . 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. 2.2.3. Tính chất và kết cấu của đất dính đầm chặt . Hình 5.5 Ảnh hưởng của công đầm đến kết cấu đất (theo Lambe, 1958a) 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. 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. 2.2.4. Các thiết bị và phương pháp đầm nén ngoài hiện trường . 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 . Các nhân tố ảnh hưởng tới quá trình đầm chặt của đất bao gồm: - Đặc tính của máy đầm: + Khối lượng, kích thước + Tần số làm việc và phạm vi thay đổi của tần số - Đặc tính của đất đầm chặt: + Dung trọng ban đầu + Kích thước và hình dạng hạt + Độ ẩm - Quy trình thi công: + Số lần đầm + Chiều dày lớp đất + Tần suất làm việc của động cơ + Tốc độ di chuyển 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 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) 2.3. Cố kết và lún cố kết 2.3.1 Giới thiệu chung Với vật liệu liên tục → Ứng xử với tải trọng xảy ra tức thời. Với đất thì dưới tác dụng của tải trọng phải mất một thời gian dài mới xuất hiện rõ biến dạng. Biến dạng của đất: Sự thay đổi hình dạng. Sự thay đổi thể tích. Sự thay đổi hình dạng + Thay đổi thể tích. 2.2.2 Các thành phần của lún Độ lún tổng (St) của đất gồm 3 thành phần: St = Si + Sc + Ss Si : Độ lún tức thời. Sc : Độ lún cố kết. Ss : Độ lún từ biến. 2.2.3 Tính nén lún của các loại đất Bài toán : Xét bài toán 1 hướng. Đất khi chịu tải trong, bị ép co bởi: Biến dạng của các hạt đất. Nước và khí trong lỗ rỗng bị ép co. Nước và khí trong lỗ rỗng bị ép thoát ra ngoài. Vật liệu thô bị ép co một hướng Vật liệu thô bị ép co một hướng Vật liệu thô bị ép co một hướng Đất sét bị ép co một hướng Khả năng thoát nước của đất sét nhỏ. Quá trình ứng suất - Biến dạng - Thời gian. Kéo dài hàng tháng, năm, hàng thế kỷ. Cố kết ⇔ Quá trình ép co của đất dính bảo hoà. Mô phỏng lò xo như mẫu đất dính bão hoà nước 9 Lò xo tượng trưng cho các hạt đất. 9 Nước trong bình tượng trưng cho nước trong lỗ rỗng. 9 Van V tượng trưng cho sự liên thông với bên ngoài của đất. 9 Đồng hồ đo áp lực nước lỗ rỗng Uo. Mô phỏng lò xo (tiếp theo) Ban đầu: Van V chưa mở, gia tải Δσ = Δu. Δu : Áp lực thuỷ tĩnh dư (Áp lực lỗ rỗng dư). Trạng thái sau: Mở van V cho nước thoát ra. Δσ chuyển dần sang lò xo. Δu giảm dần. Khi đạt cân bằng : Δu → 0 lò xo chịu lực σv + Δσ • Ứng suất trung hoà - Ứng suất hiệu quả. 2.3.4 Thí nghiệm nén không nở hông Đất chịu tải trọng trên diện rộng → Quá trình ép co được giả thiết như ép theo một hướng. Thiết bị nén không nở hông. Hộp nén cố định Mô tả thao tác thí nghiệm nén không nở hông Cho tải trọng tác dụng tăng dần từng cấp. Ứng với mỗi cấp tải trọng → Chờ cho mẫu lún ổn định ⇒ Ghi lại số đọc đồng hồ ⇒ Tăng tải trọng tiếp theo. Quá trình lặp đi lặp lại ⇒ Đủ điểm dữ liệu thí nghiệm ⇒ Vẽ quan hệ. Kết quả thí nghiệm nén không nở hông Quan hệ giữa lún phần trăm cố kết và ứng suất hiệu quả Quan hệ giữa hệ số rỗng và ứng suất hiệu quả Quan hệ giữa phần trăm cố kết và log ứng suất hiệu quả Quan hệ giữa hệ số rỗng và log ứng suất hiệu quả 2.3.5 Áp lực cố kết trước σ’p : Tải trọng nén trước (Áp lực cố kết trước). σ’vo : Tải trọng nén thẳng đứng hiện tại (Ứng suất bản thân). Cách xác định ứng suất bản thân của đất trong các trường hợp: Tỷ số quá cố kết OCR > 1 ⇒ Đất quá cố kết. OCR = 1 ⇒ Cố kết bình thường. OCR < 1 ⇒ Chưa cố kết. vo p σ' σ' OCR = Cách xác định áp lực cố kết trước Đường cong quan hệ giữa hệ số rỗng và log tải trọng mô tả quá trình trầm tích, lấy mẫu (giảm tải) và cố kết lại trong thiết bị thí nghiệm cố kết. Ví dụ 8.1 (Giải Thích) Cho kết quả thí nghiệm cố kết trong phòng ở hình 8.7. Yêu cầu: Với đường cong nén BCD trong phòng thí nghiệm, xác định: (a) ứng suất cố kết trước theo phương pháp của Casagrande; (b) giá trị nhỏ nhất và lớn nhất có thể có của trị số ứng suất này; (c) trị số OCR nếu ứng suất lớp phủ hiệu quả tại hiện trường là 80 kPa. 2.3.6 Tính toán lún Hay là ⇒ o v L LΔ=ε oo e e H S + Δ== 1H ΔH o oo e e H S + Δ== 1H ΔH o Ví dụ 8.2 Trước khi đổ khối đắp trên một diện tích rộng ở hiện trường, chiều dày của lớp đất nền là 10 m. Hệ số rỗng ban đầu là 1,0. Một thời gian sau khi có khối đắp, xác định được hệ số rỗng trung bình của lớp đất nén lún là 0,8. Yêu cầu: Đánh giá độ lún của lớp đất nền. 2.3.6 Tính toán lún (tiếp theo) Đường quan hệ hệ số rỗng và ứng suất hiệu quả. Hệ số nén lún av Hay là: 12 21 v v ''' a σσσ − −=Δ Δ−= eee v v ' a σd de−= 2.3.6 Tính toán lún (tiếp theo) Đường quan hệ phần trăm cố kết và ứng suất hiệu quả (8.4a). Hệ số thay đổi thể tích mv D là mô đun ép co không nở hông (Eoed). Đường quan hệ hệ số rỗng và ứng suất hiệu quả (8.5a). Chỉ số nén Cc D av 1 e1 m 0 v =+= 1 2 21 c ' 'log C σ σ ee −= Ví dụ 8.9 Hình vẽ ví dụ 8.9 Ví dụ 8.9 (tiếp theo) Cho số liệu thí nghiệm quan hệ giữa hệ số rỗng và log áp lực hiệu quả như hình vẽ bài tập ví dụ-8.9 Yêu cầu: Xác định (a) áp lực cố kết trước , (b) chỉ số nén Cc, và (c) chỉ số nén cải biến Ccε. Tính độ lún cố kết: Kết hợp pt 8-7 và pt 8-4 Với đất cố kết bình thường. 1 2 c ' 'log 1 S σ σ o o c e HC += vo vvo o o c e HC ' 'log 1 Sc σ σσ Δ+ += Tính độ lún cố kết khi sử dụng quan hệ phần trăm độ cố kết và ứng suất hiệu quả. (8-12) Với đất cố kết bình thường. 1 2 c ' 'log..S σ σ ε oc HC= o c e C += 1Ccε Ccε : Chỉ số nén sửa đổi. • Với đất cố kết bình thường. (8-13) vo vvo oc HC ' 'log..Sc σ σσ ε Δ+= Tính toán lún cho đất quá cố kết Đất quá cố kết : σ’p ≥ σ’vo + Δσv Dùng phương trình (8-11) hoặc (8-13) Dùng Cr hoặc Crε thay thế Cc và Ccε (8-15) Cr : Chỉ số nén lại. Crε : Chỉ số nén lại sửa đổi. 0 r e1 C += rC ε Ví dụ 8.12 Cho quan hệ giữa hệ số rỗng e và log áp lực hiệu quả ở hình ví dụ 8.9 Yêu cầu: Tính (a) chỉ số nén lại và (b) chỉ số nén lại cải biến. Tính lún cho đất quá cố kết (tiếp theo) Trường hợp σ’vo + Δσv ≤ σ’p (8-16) vo vvo o o r e HC ' 'log. 1 .Sc σ σσ Δ+ += Hoặc: (8-17) vo vvo or HC ' 'log..Sc σ σσ ε Δ+= Tính lún cho đất quá cố kết (tiếp theo) Trường hợp σ’vo + Δσv > σ’p (8-18b) p vvo o o c vo p o o r e HC e HC ' 'log 1' ' log. 1 .Sc σ σσ σ σ Δ+ +++= Hoặc: (8-19) p vvo oc vo p or HCHC ' 'log.. ' ' log..Sc σ σσ σ σ εε Δ++= Các bước xác định Cr Ví dụ 8.13 Cho dữ liệu ở ví dụ 8.1 và hình 8.7 đại diện cho tầng sét bụi dày 10 m. Yêu cầu: Đánh giá độ lún cố kết nếu tải trọng công trình trên bề mặt sẽ gia tăng ứng suất trung bình trong lớp đất với trị số 35 kPa. 2.3.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến việc xác định σ’p Ba yếu tố ảnh hưởng: Ảnh hưởng bởi mức độ xáo trộn mẫu. Ảnh hưởng bởi tỷ lệ tăng tải. Ảnh hưởng bởi thời gian tăng tải. 2.3.8 Phân bố ứng suất trong đất • Áp suất đáy móng (8-22)1).(z ZB taitrong +=σ )).(( .. )).((z ZLZB LB ZLZB load o ++=++= σσ (8-23) Phương pháp gần đúng 2:1 để xét sự phân bố ứng suất đứng theo chiều sâu Xác định ứng suất tăng thêm trong nền theo lý thuyết dẻo Bài toán cơ bản của Businet (8-24)2/522 3 Z )(2 )3( zr zQ += πσ Hoặc: (8-25) NB ~ r/z thể hiện ở hình 8-20b BNZ Q .2z =σ Ứng suất tăng thêm do tải trọng đứng gây ra (8-26) 4 3 Z . 3 x zP πσ = x = (z2 + r2)1/2 P là tải trọng đứng Ví dụ 8.18 Cho móng chữ nhật có kích thước 3x4 ở ví dụ 8-17 chịu tải trọng phân bố đều với cường độ bằng 117 kPa. Yêu cầu: Xác định ứng suất thẳng đứng tại điểm góc móng ở độ sâu 2 m. Xác định ứng suất thẳng đứng ở độ sâu 2 m dưới tâm móng. So sánh kết quả với hình ví dụ 8.17 a. Ví dụ 8.19 Cho móng chữ nhật có kích thước 5 x10 m chịu tải trọng phân bố đều với cường độ 100 kPa. Yêu cầu: Xác định ứng suất ở độ sâu 5 m dưới điểm A ở hình ví dụ 8.19 Xác định ứng suất tại điểm A nếu nửa bên phải của móng có diện tích 5x10m chịu tải trọng gia tăng thêm 100 kPa. Ví dụ 8.20 Cho bể tròn đường kính 3.91 m chịu tải trọng phân bố đều là 117 kPa. Yêu cầu: Xác định trị số ứng suất ở độ sâu 2 m so với đáy bể, tại vị trí tâm bể. Xác định trị số ứng suất ở độ sâu 2 m so với đáy bể, tại vị trí cạnh bể. Ứng suất tăng thêm do tải trọng khối đắp dài vô hạn Ứng suất tăng thêm do tải trọng phân bố dạng tam giác trên móng chữ nhật 2.4 Vòng Mohr ứng suất và các tiêu chuẩn phá hoại 2.4.1 Giới thiệu chung. 2.4.2 Ứng suất tại một điểm. 2.4.2 Ứng suất tại một điểm. (Tiếp) ασσσσσα 2cos22 yxyx −++= ασστα 2sin2 yx −= (10-3) (10-4) Ứng suất trên mặt nghiêng viết theo các TPUS chính ασσσσσα 2cos22 3131 −++= ασστα 2sin2 31 −= (10-5) (10-6) Vòng tròn Mohr ứng suất: (a) phần tử lúc cân bằng (b) Vòng tròn Mohr Ví dụ 10.1 Các thành phần ứng suất trên một phân tố như trên Hình. Ví dụ . 10.3a Yêu cầu: Xác định ứng suất pháp và ứng suất cắt trên mặt phẳng nghiêng góc so với mặt phẳng quy chiếu nằm ngang. 2.4.3 Quan hệ ứng suất biến dạng và các tiêu chuẩn phá hoại 2.4.4 Tiêu chuẩn phá hoại Mohn - Culumb (10.7) τff : Cường độ chống cắt của vật liệu.σff : Ứng suất pháp tại thời điểm phá hoại. )f(στ ffff = Điều kiện cân bằng bền. Điều kiện cân bằng giới hạn. Giả thiết phá hoại Mohr Góc của mặt phẳng phá hoại. các mặt phẳng phá hoại liên hợp. Phương trình Coulomb τf : Cường độ chống cắt của đất. φ, C : Các thông số độ bền chống cắt của đất. Có khi τ = C khi φ = 0 hoặc τ = σtgφ khi C = 0. Ctgf += φστ Tiêu chuẩn phá hoại Mohr - Coulomb (10-9)Ctgffff += φστ Góc của mặt phá hoại với phương ứng suất chính nhỏ nhất (10-10) 2 450 φα +=f τf : Cường độ chống cắt huy động trên mặt trược khả dĩ. τff :Cường độ chống cắt thực. (10-11) f ff sF τ τ= Các điều kiện ứng suất ở thời điểm phá hoại. Đường bao phá hoại Mohr của vật liệu thuần dính. 2.4.5 Các thí nghiệm về cường độ kháng cắt của đất • Thí nghiệm cắt đất trực tiếp. 2.4.5 Các thí nghiệm về cường độ kháng cắt của đất • Thí nghiệm cắt đất trực tiếp. 2.4.5 Các thí nghiệm về cường độ kháng cắt của đất • Thí nghiệm cắt đất trực tiếp. • Thí nghiệm 3 trục Sơ đồ thiết bị thí nghiệm ba trục • Thí nghiệm 3 trục Các điều kiện ứng suất giả thiết trên mẫu thí nghiệm ba trục CDThoát nước (Drained)-Cố kết (Consolidated) CUKhông thoát nước (Undrained) -Cố kết (Consolidated) UUKhông thoát nước (Undrained) -Không cố kết (Unconsolidated) Ký hiệuTrong khi cắt-Trước khi cắt Hướng thoát nước Ví dụ 10.8 Một thí nghiệm ba trục quy ước loại cố kết - thoát nước (CD) được tiến hành với mẫu là một loại cát. Áp lực buồng là 100 kPa, và ứng suất trục tác dụng lúc phá hoại là 200 kPa. Yêu cầu: a. Vẽ các vòng tròn Mohr cho cả hai trường hợp với điều kiện ứng suất ban đầu và khi mẫu bị phá hoại. b. Xác định (giả thiết là c = 0). c. Xác định ứng suất cắt trên mặt phá hoại tại thời điểm phá hoại , và xác định góc nghiêng lý thuyết của mặt phá hoại trong mẫu thí nghiệm. Xác định thêm phương của mặt với góc nghiêng lớn nhất. d. Xác định ứng suất cắt lớn nhất tại thời điểm phá hoại và góc nghiêng của mặt phẳng mà nó tác động lên; tính toán cường độ chống cắt đạt được trên mặt phẳng này và hệ số an toàn của mặt phẳng này.