Đang tải... (xem toàn văn)
Đất thiên nhiên được thành tạo do quá trình phong hoá từ đá gốc; trừ các trầm tích trẻ nói chung các loại đất có quá trình thành tạo hàng triệu năm ví dụ như đối với đất sét Campơri là gần 500 triệu năm. Trong thời gian tồn tại lâu dài như vậy đất không ngừng bị biến đổi: có thể nó bị nén lún do những tầng đất bên trên, có thể ngập nước hoặc bị nước, gió, băng hà ...vận chuyển từ nơi này sang nơi khác. Các quá trình tự nhiên này làm cho đất có cấu tạo đa dạng và mang nhiều tính chất vật lý và cơ học khác nhau.
BẢN CHẤT CỦA ĐẤT - SỰ HÌNH THÀNH VÀ CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 1.1 Q trình hình thành đất Đất thiên nhiên thành tạo trình phong hố từ đá gốc; trừ trầm tích trẻ nói chung loại đất có q trình thành tạo hàng triệu năm ví dụ đất sét Campơri gần 500 triệu năm Trong thời gian tồn lâu dài đất không ngừng bị biến đổi: bị nén lún tầng đất bên trên, ngập nước bị nước, gió, băng hà vận chuyển từ nơi sang nơi khác Các trình tự nhiên làm cho đất có cấu tạo đa dạng mang nhiều tính chất vật lý học khác Như cần phải phân loại đất theo nguồn gốc thành tạo để tiến hành nghiên cứu chúng Đất thuộc loại trầm tích sau: 1.1.1 Trầm tích lục địa bao gồm 1) Tầng trầm tích (eluvi) trầm tích nằm chõ phong hố đá gốc, có kích thước khơng đều, sắc cạnh mang nhiều tính chất đá gốc 2) Tầng sườn tích (deluvi) trầm tích nằm sườn chân dốc nước vận chuyển sản phẩm phong hố đến 3) Tầng sung tích (aluvi) trầm tích nước vận chuyển sản phẩm phong hố xa tạo thành, thường có chiều dày lớn 4) Trầm tích băng hà trầm tích tạo thành phá huỷ đá băng tan 5) Phong tích trầm tích hình thành gió vận chuyển hạt có kích thước bé xa 1.1.2 Trầm tích biển sơng biển Là trầm tích hình thành lắng đọng hạt đất biển cửa sông Chúng thường sét, sét pha, đất hữu bùn than bùn 1.2 Các thành phần tạo nên đất Đất cấu tạo thành phần sau đây: - Những khoáng vật cứng; - Nước dạng trạng thái khác nhau; - Khí ng trạ ng thái khác 1.2.1 Hạt khoáng vật Các hạt khống vật có hình dạng, kích thước cấu tạo tính chất khác Kích thước hạt từ vài cm cuội sỏi đến hạt keo có kích thước nhỏ Li.m chứa đất sét Người ta đưa kích thướchạt sau: - Hạt cát : đường kính lớn 0,05 mm; - Hạt bụi : đường kính từ 0,05 mm - 0,005 mm; - Hạt sét : đường kính nhỏ 0,005 mm Kích thước hạt khống có ảnh hưởng lớn đến tính chất đất, hạt nhỏ tỷ diện tích lớn, số khớp nối hạt tăng lên, hạt tiếp xúc với nước nhiều lên Ví dụ hạt sét cao lanh có tỷ diện tích 10m2/gr; hạt montmorilonit có tỷ diện tích 800m2/gr, tức 1gr đất chứa hạt montmorilonit có tỷ diện tích hàng trăm mét vng điều làm cho tính chất hạt sét khác ca với loại sét cao lanh Ngồi kích thước, thành phần khống vật định đến tính chất đất Ví dụ: khống thạch anh khơng tác dụng với nước Bởi xem xét tính chất vật lý đất cần phải xem xét thành phần khống vật Dựa vào thành phần hạt (kích thước hàm lượng) Quy phạm phân chia đất rời thành loại bảng 1-1 Bảng 1- Bảng phân loại đất rời theo thành phần hạt (TCXD 45-78) Loại đất** Chỉ tiêu phân loại* Đất hạt thô Lượng chứa hạt lớn 200mm 50% Đá lăn, đá tảng Cuội, dăm Lượng chứa hạt lớn 10mm 50% Đất sỏi, sạn Lượng chứa hạt lớn 2mm 50% Đất cát Lượng chứa hạt lớn 2mm 25% Đất cát lẫn sỏi Đất cát thô Lượng chứa hạt lớn 0,5mm 50% Đất cát vừa Lượng chứa hạt lớn 0,25mm 50% Đất cát nhỏ Lượng chứa hạt lớn 0,1mm > 75% Đất cát mịn (cát bụi) Lượng chứa hạt lớn 0,1mm 75% * Dùng rây tiêu chuẩn Liên Xô: 0,1; 0,25; 0,5; 2,0; 5,0; 10 ** Tên đất lựa chọn theo thứ tự loại dần từ xuống Còn đất dính tính chất phân loại lại phụ thuộc nhiều vào hàm lượng hạt sét, thành phần khoáng vật tác dụng chúng với nước Vì để phân loại đất dính người ta dựa tiêu vật lý khác đưa tiết chương 1.2.2 Nước đất Hạt khoáng vật điện tích âm phân tử nước (H 2O) đầu mang điện tích dương (Cation H+) đầu mang điện tích âm (anion OH -) Khi hạt khống vật tiếp xúc với nước nhờ lực hút điện phân tử hạt khoáng, phân tử nước hút vào bề mặt hạt khoáng Càng gần bề mặt hạt khoáng vật, lực hút điện phân tử lớn, có giá trị lớn bề mặt hạt khoáng giảm dần xa bề mặt hạt khoáng Căn vào quan hệ tương hỗ bề mặt hạt khoáng nước mà người ta chia nước đất thành dạng sau: 1.2.2.1 Nước màng (còn gọi nước liên kết) bao gồm: - Nước liên kết chặt: màng nước nằm gần bề mặt hạt khống nhất, có chiều dày mỏng từ 1^ tầng phân tử nước Nó hình thành vỏ mỏng bền vững bọc chặt lấy hạt khoáng nhờ lực hút điện phân tử lớn Bởi vậy, ngoại lực áp lực thuỷ tĩnh có lớn đến hàng vạn Kpa khơng thể tách màng nước liên kết chặt khỏi hạt - Nước liên kết yếu: màng nước bọc nước liên kết chặt; ch ị u lự c hút đ iện phân tử nhỏ so với nước liên kết chặt nên cần áp lực không lớn (chừng khoảng 1Mpa) tách khỏi hạt 1.2.2.2 Nước tự Là nước nằm hạt Do không chịu tác dụng lực hút phân tử nên nước tự chuyển dịch trạng thái lỏng tác dụng ngoại lực; áp lực thuỷ tĩnh áp lực mao dẫn 1.2.3 Khí đất Trong đất ln chứa lượng khí gồm khơng khí, nước loại khác tồn dạng sau đây: - Dạ ng kín: nhữ ng bong bóng khí n ằ m lỗ rỗ ng giữ a hạ t khoáng, tiế p xúc với màng nước liên kết - Dạng tự do: khí thơng với khí - Dạng hồ tan: khí tan nước lỗ rỗng Trong ba dạng khí kín khí hào tan nước lỗ rỗng có ảnh hưởng lớn đến đặc điểm biến dạng đất 1.3 Những liên kết cấu tạo đất Cấu trúc đất xác định xếp hạt nhóm hạt khống, độ rỗng mối liên hệ hạt Cấu trúc tự nhiên đất yếu tố định đến tính chất lý loại đất Đất rời có cấu trúc hạt trạng thái rời, loại đất dính có cấu trúc phức tạp Theo kết nghiên cứu cá nhà khoa học Maxlov, Denhixi v.v đất dính có dạng liên kết sau đây: - Liên kế t keo: thể hiệ n bở i l ự c hút đ i ệ n phân tử giữ a hạ t khoáng vật màng nước liên kết hoạt tính keo hạt khống Độ lớn lực hút điện phân tử phụ thuộc vào chiều dày màng nước liên kết Khi màng nước liên kết mỏng, tức độ ẩm đất nhỏ liên kết keo lớn liên kết keo thể tính dẻo đất Khi độ ẩm đất tăng lên liên kết keo dễ bị phá huỷ đất có khả hồn tồn tính dẻo - Liên kết tinh thể: thể liên kết hoá học khớp nối hạt khoáng vật Liên kết thường cứng, giòn, khơng thể phục hồi sau đất bị phá huỷ kết cấu Độ bền liên kết tinh thể phụ thuộc vào thành phần khoáng vật hạt đất, ví dụ đất có chứa Thạch cao Canxi có liên kết yếu dễ hồ tan, đất có chứa Oxit Sắt Silic liên kết tinh thể bền vững khó hồ tan Tuỳ thuộc vào dạng liên kết đất, quan hệ phân bố hạt nhóm hạt hạt với nước khí đất mà đất sét thường có cấu trúc sau: - Cấ u trúc thành lớ p mỏ ng; - Cấ u trúc thành khố i; - Các loại cấu trúc phức tạp khác 1.4 Những tiêu, tính chất, trạng thái vật lý phân loại đất 1.4.1 Những tính chất vật lý đất Trong tự nhiên đất hợp thể phức tạp thể rắn, thể lỏng thể khí Khi lỗ rỗng đất chứa đầy nước đất gồm hai thể thể rắn thể lỏng Nếu sử dụng sơ đồ thể hình 1-2 dễ dàng phân lượng thể đất qua xây dựng số tiêu đánh giá phân lượng Bởi ngồi tính chất thể phân lượng thể đất thay đổi làm thay đổi tính chất đất T—ì f—ì Q Q, ‘ - Qk Khí vk Q„ Nuớc v„ Qh A '/////////// r—ì r—T ' vr V v„ //////////A Hình 1- Sơ đồ ba thể đất Trong đó: Vk,Vn,Vh,Vr,V _lần lượt thể tích khí, nước, hạt rắn, lỗ rỗng thể tích tồn mẫu đất Qk,Qn,Qh,Qr,Q_lần lượt trọng lượng phần khí, nước, hạt rắn, lỗ rỗng trọng lượng toàn mẫu đất 1.4.1.1 Dung trọng tự nhiên Là trọng lượng đơn vị thể tích đất trạng thái tự nhiên (ký hiệu YW )• YW = Q +Qh (N/cm3, KN/m3) (1-1) xác định trực tiếp từ mẫu đất nguyên dạng lấy từ hố khoan hay hố đào Nó biến đổi phạm vi lớn phụ thuộc vào độ ẩm, độ rỗng đất Ngoài dung trọng tự nhiên người ta sử dụng dung trọng no nước lỗ rỗng chứa đầy nước (Ynn) dung trọng đẩy (Ynn) đất nằm mực nước ngầm 1.4.1.2 Dung trọng bão hồ (no nước) 1.4.1.4 Dung trọng khơ Là trọng lượng hạt đất đơn vị thể tích đất (1-4) 1.4.1.5 Dung trọng hạt tỷ trọng hạt * Dung trọng hạt: trọng lượng riêng đơn vị thể tích hạt đất Dung trọng hạt có đơn vị giống dung trọng tự nhiên, điều đáng ý thay đổi phạm vi hẹp từ 26 28 KN/m3 (1-5) * Tỷ trọng hạt (1-6) 1.4.1.6 Độ ẩm tự nhiên (1-7) 1.4.1.7 Độ bão hoà Độ bão hoà thường biểu thị theo số thập phân Hế số thường gần đất sét tự nhiên nằm mực nước ngầm, với đất cát quy phạm phân trạng thái sau: - Đất ẩm G < 0,50; - Đất ẩm 0,50 < G < 0,80; - Đất bão hoà G > 0,80 1.4.1.8 Độ rỗng hệ số rỗng * Độ rỗng Là thể tích lỗ rỗng đơn vị thể tích đất * Hệ số rỗ ng Là thể tích lỗ rỗng đơn vị thể tích đất 1.4.1.9 Cơng thức tính đổi tiêu thường dùng khác Bảng 1- Các cơng thức tính tiêu vật lý đất 1.4.2 Phân loại đất đánh giá trạng thái đất 1.4.2.1 Đối với đất dính Phân loại đất để sơ đánh giá tính chất xây dựng đất để lựa chọn phương án tính tốn cho phù hợp Đối với đất rời ta biết cách phân loại theo bảng 1-1 Sau xem xét phân loại đất dính theo số dẻo Chỉ số dẻo, kí hiệu Id hiệu số giới hạn nhão Wnh giới hạn dẻo Id =Wnh -Wd (1-11) V Rắn Dẻo Nửa rắn w Wd Chảy w„h w% Hình 1- Sự co nở tan rã đất dính Trong đó: 6) 1.Giới hạn nhão Wnh độ ẩm giới hạn đất chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái nhão Nó xác định phương pháp xuyên côn (cone penetration) dùng thiết bị chuẩn Casagrande Với phương pháp xuyên côn, ta nhào đất tự nhiên với nước trạng thái mà thả chuỳ tiêu chuẩn nặng 76gr đầu nhọn 30o (cơn Vaxiliev - hình 1-3) mũi chuỳ lún sâu vào đất 10mm 15 giây (phương pháp phổ biến nước ta, Liên Xô cũ Trung Quốc) 80gr (cơn Anh) đất giữ cân sau giây với độ ngập sâu 20mm Vì độ ngập sâu mũi vào đất phụ thuộc vào ma sát mặt ngồi côn tốc độ rơi ban đầu côn nên phải quy định điểm sau đây: - Mặt ngồi phải sạch; - Cơn thả rơi tự với mũi côn ban đầu chạm mặt đất cốc; Hình 1- Thí nghiệm xun xác định giới hạn chảy đất 7) Giới hạn dẻo Wd độ ẩm giới hạn đất chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái cứng Nó xác định độ ẩm đất ta lăn đất thành giun đất có đường kính 3mm đất bị nứt vỡ thành đoạn có chiều dài từ 3mm đến 10mm (hình 1-4) Hình 1- Thí nghiệm lăn đất xác định giới hạn dẻo Quy phạm dùng số dẻo để phân loại đất dính có quan hệ với lượng chứa nhóm hạt sét đất theo bảng 1-3 Bảng 1- Phân loại đất dính Lượng chứa nhóm hạt sét Loại đất Chỉ số dẻo (%) Đất sét >17 >30 Đất sét pha 7÷ 17 30 - 10 Đất cát pha Đất sét pha sét: rắ n nửa rắn dẻo dẻo mềm IS < 0 < IS < 0,25 0,25 < IS < 0,50 0,50 < IS < 0,75 0,75 < IS < 1,00 IS > 1,00 Trạng thái đất xác định phương pháp xuyên tĩnh trường theo lực kháng ấn mũi xuyên vào đất Một số số liệu sức kháng xuyên trạng thái tương ứng đất ghi bảng 1-5 Tuy sử dụng kết cần phải kiểm tra lại theo tiêu độ sệt xác định qua độ ẩm dẻo chảy chảy Bảng 1- Đánh giá trạng thái đất theo kết xuyên tĩnh Sức kháng mũi xuyên (Kpa) 10.000 10.000 - 5.000 5.000 - 2.000 Trạng thái đất Cứng Nửa cứng Dẻo 2.000 - 1.000 < 1.000 Dẻo mềm Dẻo chảy 1.4.1.2 Đối với đất cát Độ chặt tiêu quan trọng để đánh giá trạng thái đất cát, xác định từ số liệu thí nghiệm phòng trường Theo tài liệu tính tốn thống kê hệ số rỗng trạng thái chặt xốp xác định phòng thí nghiệm loại cát thạch anh thuộc nguồn gốc khác nhau, sau đối chiếu với độ chặt tự nhiên người ta lập bảng (1-6) phân loại độ chặt đất cát theo hệ số rỗng (1-13) Bảng 1- Tiêu chuẩn độ chặt đất cát Độ chặt Loại cát Chặt Chặt vừa Xốp Cát sỏi, cát to, cát vừa e < 0,55 e > 0,70 0,55 < e < 0,70 Cát nhỏ e < 0,60 e < e > 0,75 e > 0,60 < e < 0,75 Cát bụi 0,60 0,80 0,60 < e 50 Chặt chặt o Xun tĩnh CPT: đường kính mũi xun 36mm, góc đầu xuyên 60 ấn xuống đất xác định sức kháng mũi xuyên độ chặt đất cát bảng 1-8 Bảng 1- Sức kháng mũi xuyên theo độ chặt đất cát (100kPa) Cát thô Cát vừa Độ sâu Chặt Chặt vừa Chặt Chặt vừa 10 150 220 150 - 100 220 - 150 100 150 100 - 60 150 - 90 Cát nhỏ Chặt Chặt vừa 60 - 30 60 90 90 - 40 ... hạt sét đất theo bảng 1-3 Bảng 1- Phân loại đất dính Lượng chứa nhóm hạt sét Loại đất Chỉ số dẻo (%) Đất sét >17 >30 Đất sét pha 7÷ 17 30 - 10 Đất cát pha