Giáo trình Cơ học đất (Giản lược) - Phần 1

Nội dung text: Giáo trình Cơ học đất (Giản lược) - Phần 1

1. DÖÔNG HOÀNG THAÅM CÔ HOÏC ÑAÁT (GIAÛN LÖÔÏC) ÑH MÔÛ BC TPHCM, 9 – 2004
2. LÔØI NOÙI ÑAÀU Cuoán saùch naøy ñöôïc vieát ñeå phuïc vuï cho sinh vieân naêm thöù 2 ngaønh Xaây Döïng, Khoa Kyõ thuaät vaø Coâng ngheä ÑH Môû TpHCM. Taùc giaû vieát cuoán saùch naøy vôùi tö töôûng chuû ñaïo laø xaây döïng noäi dung caùc chöông sao cho ngöôøi hoïc coù theå phaùt trieån daàn theo 3 möùc ñoä Bieát – Hieåu – Laøm ñöôïc gì sau khi hoïc xong töøng chöông. - “Bieát” laø töø nhöõng chi tieát trong töøng ñoaïn, töøng muïc vaø tieåu muïc, caùc phöông phaùp, kyõ thuaät tính toaùn ñöôïc choïn ñeå neâu ra trong noäi chöông ñoù, maø ngöôøi hoïc coù ñöôïc kieán thöùc. Bieát laø giai ñoaïn tieáp caän kieán thöùc. - “Hieåu” laø söï suy dieãn ra töø nhöõng chi tieát ñaõ vieát trong töøng ñoaïn vaên, vôùi nguï yù saâu xa hôn, laø söï tö duy ruùt ra ñöôïc ôû caáp ñoä cao hôn moät baäc so vôùi möùc ñoä Bieát. Hieåu coøn laø söï môû roäng ñeán nhöõng öùng duïng thöïc tieãn, giuùp phaân bieät tröôøng hôïp naøy vôùi tröôøng hôïp khaùc, naâng cao trí töôûng töôïng vaø suy luaän theâm caën keõ cho ñeán khi thaáu ñaùo caùc vaán ñeà cuûa kieán thöùc. - “Laøm ñöôïc gì sau khi hoïc xong töøng chöông” laø muïc tieâu quan troïng sau cuøng maø taùc giaû mong muoán ngöôøi hoïc ñaït ñöôïc. Ñoù laø kyõ naêng, tay ngheà thuû thuaät giaûi quyeát caùc yeâu caàu cuûa baøi toaùn ñeå ñi ñeán ñaùp soá, thí duï: kyõ naêng öôùc tính ñoä luùn cuûa moùng baèng phöông phaùp naøy, hoaëc phöông phaùp kia; hoaëc kyõ naêng ñoïc moät ñoà thò coù truïc hoaønh theo tyû leä Logarit Vôùi khoaûng 200 trang saùch, vaø vôùi nhan ñeà Cô hoïc ñaát giaûn löôïc, taùc giaû chöa muoán trình baøy saâu caùc lyù thuyeát tính toaùn cao nhöng ít söû duïng cho coâng vieäc haøng ngaøy cuûa moät nhaø kyõ thuaät, hoaëc bieát chæ ñeå bieát. Caùc thí duï ñöôïc choïn loïc vaø ñöôïc thieát keá ñeå ngöôøi hoïc gaàn guõi vôùi nhöõng tình huoáng thöïc teá trong ñôøi soáng haøng ngaøy, ñöôïc taùc giaû ñuùc keát töø nhöõng kinh nghieäm nhieàu naêm coâng taùc vaø nghieân cöùu cuûa mình. Neáu ñeå yù, ngöôøi hoïc seõ thaáy caùc thí duï ñöôïc giaûi quyeát vaø thöôøng keøm giaûi thích, keâ bieân roõ raøng ñôn vò tính vaø khoâng coù nhieàu caùc bieán ñoåi, pheùp toaùn, pheùp theá trung gian. Ngöôøi hoïc seõ töøng böôùc ñoïc, nghieàn ngaãm caùc thí duï, chính mình laøm caùc pheùp toaùn trung gian ñoù vaø tieán ñeán coù khaû naêng ñoäc laäp giaûi quyeát caùc baøi taäp ôû cuoái caùc chöông. Caùc baøi taäp cuoái caùc chöông laø raát caên baûn, soá löôïng khoâng nhieàu, nhöng theo taùc giaû laø raát caàn thieát, neáu hoïc kyõ thí duï, hieåu baøi, seõ laøm ñöôïc. Ngoaøi ra, taùc giaû thænh thoaûng daønh moät ñoaïn thaûo luaän (in nghieâng) ñeå trao ñoåi laøm roõ theâm, gaàn gioáng nhö ngöôøi hoïc ñang ôû treân lôùp. Ñi keøm vôùi baøi giaûng ñieän töû (seõ sôùm ñöa vaøo thöïc hieän taïi Khoa), ngöôøi sinh vieân ñöôïc khuyeán khích truy caäp, ñöa leân maïng hay phöông tieän phoøng maùy multimedia cuûa Khoa nhöõng noäi dung thaéc maéc cuûa mình ñeå thaûo luaän, gioáng nhö trong phaàn thaûo luaän naøy vaäy. 1
3. Dó nhieân, cuoán saùch naøy khoâng coù tham voïng goùi troïn moïi vaán ñeà cuûa khoa hoïc cô sôû kyõ thuaät xaây döïng laø moân cô hoïc ñaát, theo hoïc thuyeát truyeàn thoáng laãn hieän ñaïi. Thaät ra, kieán thöùc laø voâ cuøng roäng lôùn, vôùi nhöõng thaønh töïu môùi cuûa nhaân loaïi ñöôïc caäp nhaät töøng ngaøy, töøng giôø. Nhöng theo taùc giaû, cuoán saùch laø ñuû ñaùp öùng khoâng chæ cho ngöôøi sinh vieân naêm 2 maø coøn coù theå höõu ích cho ngay caû ngöôøi kyõ sö xaây döïng tröôùc coâng vieäc haøng ngaøy cuûa hoï, nhaát laø giuùp hoï giaûi quyeát nhöõng vaán ñeà mang tính phoå thoâng vôùi ñoä an toaøn kyõ thuaät vaø kinh teá thoaû ñaùng. Sau cuøng, taùc giaû muoán nhaén nhuû ñeán nhöõng sinh vieân khi söû duïng cuoán saùch naøy laø, hoïc moân gì, ngaønh naøo cuõng vaäy, cuõng phaûi naêng reøn luyeän, töï hoïc töï ñoïc, daønh thôøi gian toái thieåu ñeå laøm baøi taäp, töø deã ñeán khoù vöøa, daàn ñeán khoù hôn, trao ñoåi thaûo luaän vôùi baïn vaø giaûng vieân ñeå naém vöõng hôn cho vieäc hoïc moân cô hoïc ñaát noùi rieâng vaø caùc moân hoïc noùi chung, cuõng chính laø seõ tích luõy cho söï nghieäp veà sau cuûa mình. Tuy cuoán saùch naøy ñöôïc vieát giaûn löôïc vôùi söï nhieàu coá gaéng, song khoâng traùnh khoûi coøn nhöõng thieáu soùt trong hình thöùc laãn noäi dung, mong ñoùn nhaän nhöõng goùp yù cuûa ngöôøi ñoïc, ñoàng nghieäp xa gaàn ñeå cuoán saùch ngaøy caøng hoaøn thieän hôn, hoaøn thaønh ñöôïc vai troø cuûa noù laø phöông tieän giuùp ñôõ hoïc taäp cho ngöôøi hoïc. Taùc giaû chaân thaønh caûm ôn GS.TSKH Leâ Baù Löông vaø TS Cao vaên Trieäu ñaõ ñoïc vaø goùp nhöõng yù kieán quí baùu cho noäi dung hoïc thuaät cuûa cuoán saùch. Taùc giaû cuõng chaân thaønh caûm ôn tröôøng Ñaïi Hoïc Môû TpHCM ñaõ taïo ñieàu kieän ñeå cuoán saùch nhoû naøy ñöôïc in vaø phaùt haønh roäng raõi ñeán ngöôøi hoïc. Taùc giaû, Tieán só Döông Hoàng Thaåm (ÑH Môû, thaùng 9/04) NHÖÕNG KYÙ HIEÄU CHÍNH 2
4. A Dieän tích a Soá ñoïc ñoàng hoà ño chuyeån vò trong thí nghieäm neùn treân hoäp neùn B Beà roäng cuûa moùng (khoâng thöù nguyeân B coøn chæ ñoä seät cuûa ñaát) CU Heä soá ñoàng ñeàu Cg Heä soá ñoä cong cuûa ñöôøng cong phaân boá côõ haït CC Chæ soá neùn Cα toác ñoä neùn thöù caáp c thoâng soá ñoä beàn (noùi chung) cu Löïc dính bieåu kieán (öùng suaát toång coäng) c’ Löïc dính thoaùt nöôùc (öùng suaát höõu hieäu) cr Löïc dính thöøa dö cw Löïc dính ngoaøi (giöõa töôøng chaén vaø ñaát sau löng töôøng) cv Heä soá coá keát (thoaùt nöôùc phöông ñöùng) ch Heä soá coá keát (thoaùt nöôùc phöông ngang) D Chieàu saâu choân moùng D10 Côõ haït maø coù 10% khoái löôïng laø mòn hôn côõ haït ñoù d Chieàu daøi loä trình haït nöôùc di chuyeån ñeán bieân thoaùt nöôùc E Moâñuyn ñaøn hoài, Moâñuyn toång bieán daïng ε hay e Heä soá roãng (hay coøn goïi laø tyû soá troáng) F Heä soá an toaøn GS Tyû troïng haït g gia toác troïng tröôøng, baèng 9,81 m/s2 H, h chieàu cao coät nöôùc toång coäng, chieàu cao noùi chung Ip Chæ soá deûo i gradient thuûy löïc J Löïc doøng thaám K Heä soá aùp löïc ngang; Ka heä soá aùp löïc ngang chuû ñoäng Kp heä soá aùp löïc ngang bò ñoäng k Heä soá thaám M khoái löôïng, töùc Troïng löôïng /gia toác troïng tröôøng 3
5. mV Heä soá neùn theå tích N Löïc phaùp tuyeán N Soá thaâm nhaäp chuaån (SPT) Nd Soá ñieåm rôi giaûm theá naêng (cuûa löu voõng) Nf Soá keânh löu Nq Thöøa soá khaû naêng chòu taûi (KNCT) theo chieàu saâu choân moùng NC Thöøa soá KNCT theo löïc dính Nγ Thöøa soá KNCT (coù theå hieåu laø theo ma saùt hay beà roäng moùng) n Ñoä roãng nd Soá ñaúng theá Pa Löïc xoâ chuû ñoäng Pp Löïc choáng ñaåy p Aùp löïc, öùng suaát P Taûi troïng Q Taûi troïng taäp trung qult Taûi troïng tôùi haïn (toái haäu) q löu löôïng thaám q Aùp löïc, aùp löïc tieáp xuùc; qa laø khaû naêng chòu taûi cho pheùp cuûa neàn qn aùp löïc roøng (boû ra aùp löïc do ñaát ñaép) S Ñoä baõo hoøa s, si, sc Ñoä luùn, ñoä luùn töùc thì, ñoä luùn tuyeät ñoái (sau khi hoaøn taát coá keát cô sôû) Tv Thöøa soá thôøi gian (trong baøi toaùn neùn coá keát ) t thôøi gian U Löïc trung hoøa (Löïc nöôùc taïi bieân ) U, Uz Möùc ñoä coá keát u, uW Aùp löïc nöôùc loã roãng ue aùp löïc nöôùc loã roãng thaëng dö u aùp löïc nöôùc loã roãng thuûy tónh V Theå tích 1+ν theå tích rieâng 4
6. v vaän toác doøng löu trong ñaát W Troïng löôïng w ñoä aåm wopt ñoä aåm toái thuaän wL giôùi haïn loûng (laø ñoä aåm taïi ñoù baét ñaàu chuyeån qua traïng thaùi loûng) wp giôùi haïn deûo (Giôùi haïn laên) z Ñoä saâu z Coät nöôùc ñoä cao α Goùc nghieâng cuûa töôøng β goùc nghieâng cuûa maët ñaát , maùi doác β goùc giöõa phöông thaúng ñöùng vôùi tia töø ñieåm ñang xeùt keû ñeán meùp dieän chòu taûi γ Troïng löôïng rieâng γd Troïng löôïng rieâng khoâ γBH Troïng löôïng rieâng baõo hoøa γñn Troïng löôïng rieâng ñaåy noåi γW, γnuoc Troïng löôïng rieâng nöôùc δ Goùc ma saùt ngoaøi ñaát vôùi töôøng ρ Tyû troïng σ ÖÙng suaát phaùp : σ1 öùng suaát phaùp chính lôùn nhaát (chuû yeáu); σ3σ1 öùng suaát phaùp chính lôùn nhaát (chuû yeáu); σ2 öùng suaát phaùp chính trung gian. σ’ ÖÙng suaát chính höõu hieäu τ ÖÙng suaát tieáp (öùng suaát caét): τf öùng suaát caét phaù huûy φ Haøm theá naêng ϕ Goùc ma saùt trong cuûa ñaát ϕ ‘ goùc ma saùt trong (tröôøng hôïp öùng suaát höõu hieäu) 5
7. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng BaûnPhaân chaát loaïicuûa ñaát CHÖÔNG 1 CAÙC ÑAËC TRÖNG CÔ BAÛN CUÛA ÑAÁT Muïc tieâu cuûa chöông naøy laø : - Bieát nguoàn goác cuûa ñaát, caùc yeáu toá hình thaønh lieân keát beân trong ñaát, ñoä beàn cuûa ñaát, caùc tính chaát ñaëc tröng cuûa ñaát xaây döïng vaø coù nhieàu khuynh höôùng ñeå phaân loaïi ñaát Ñaëc bieät, laø caùc moái lieân heä veà pha. - Hieåu quaù trình töø baûn chaát cuûa ñaát xaây döïng, qua phaân loaïi ñaát, ñi ñeán keát luaän ban ñaàu veà khaû naêng söû duïng ñaát laøm neàn coâng trình; sau ñoù muoán söû duïng ñaát ñoù laøm neàn coâng trình phaûi traûi qua quaù trình ñònh löôïng hoaù baèng caùc thí nghieäm, kieåm nghieäm ñeå tìm ra thoâng soá cô lyù vaø thoâng soá veà tính neùn eùp - Laøm ñöôïc gì sau khi hoïc chöông naøy ? Coù theå laøm ñöôïc thí nghieäm raây saøng vaø laéng ñoïng. Laäp soå ño vaø ghi; Phaân loaïi ñaát (theo moät heä thoáng phaân loaïi ñaát xaây döïng naøo ñoù); Laäp ñöôïc ñöôøng cong phaân boá côõ haït; töø ñoù, coù theå tính ra cuï theå ñoä ñoàng ñeàu, côõ haït höõu hieäu, heä soá thaám Töï laäp caùc moái lieân heä veà pha trong ñaát (thay vì nhôù thuoäc loøng) §1. Baûn chaát cuûa ñaát 1. Ñoái töôïng moân hoïc: Moân hoïc naøy giuùp ngöôøi hoïc ñaùnh giaù ñaát laøm neàn cho coâng trình xaây döïng döïa vaøo caùc yeáu toá ñònh löôïng cuûa ñaát ruùt töø thí nghieäm vaø thöïc nghieäm. Nhöõng yeáu toá ñònh löôïng quan troïng nhaát coù theå keå : - Tính chaát vaät lyù cuûa ñaát: Dung troïng töï nhieân, dung troïng haït, ñoä aåm, ñoä baõo hoøa, heä soá roãng, ñoä roãng, heä soá thaám, caùc giôùi haïn traïng thaùi - Tính chaát cô hoïc cuûa ñaát: Löïc dính ñôn vò, goùc ma saùt noäi, - Tính chaát neùn eùp cuûa ñaát: Moñuyn toång bieán daïng, chæ soá neùn Cc , heä soá neùn Cv , heä soá neàn ñaøn hoài k , chæ soá OCR (quaù coá keát overcosolidation ratio). Ngoaøi ra khi noùi ñeán ñaát, cuõng caàn ñaùnh giaù ñaát theo caùc chæ tieâu traïng thaùi: Ñoä chaët, ñoä seät, ñoä linh ñoäng rieâng ñaát haït rôøi, ta thöôøng quan taâm ñeán Goùc tröôït trong ñaát khi coù caáu truùc (töôøng chaén, töôøng cöø baûn) hoaëc khi khoâng coù caáu truùc (maùi doác, söôøn doác). 2. Quaù trình hình thaønh ñaát: 2.1 Caùc cô cheá daãn ñeán söï thaønh töïu cuûa ñaát: Ñaát laø saûn phaåm cuûa quaù trình phong hoùa vaø baøo moøn ñaù; sau phaân hoùa, saûn phaåm ñaát coù theå di chuyeån (do gioù, nöôùc mang ñi) hay laéng ñoïng naèm taïi choã (traàm tích). Ngoaøi cô cheá sinh vaät (do taùc ñoäng cuûa ñoäng thöïc vaät goùp phaàn laøm vôõ naùt caáu truùc haït nguyeân sô) coøn coù caùc cô cheá cô baûn sau ñaây:
8. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng BaûnPhaân chaát loaïicuûa ñaát Theo cô cheá vaät lyù, caùc haït ñaát laên laéng, hoaëc ñoïng taïi ao hoà, traàm tích bò neùn eùp qua haøng ngaøn naêm haït bò baøo moøn, vôõ vuïn hoaëc maøi saéc, cuoái cuøng tuï taäp laïi hôïp thaønh tuùi khoái (bulky) maø traïng thaùi saép xeáp giöõa caùc haït coù theå raát loûng leûo rôøi raõ, khaù chaët hay raát chaët. Theo cô cheá Hoùa hoïc, do Nöôùc, O2 vaø CO2 taùc ñoäng maø caùc caáu truùc maïng tinh theå ñöôïc hình thaønh; phaûn öùng hoùa hoïc taùc ñoäng leân chuû yeáu laø caùc haït kích thöôùc raát nhoû (ñöôøng kính <0.002 mm – laø nhöõng haït keo dính, tích ñieän). Theo lòch söû hình thaønh, maïng caáu truùc coù theå coù nhöõng hình daïng dóa, que kim (raát hieám) vaø ñaëc bieät laø haït cô sôû cuûa moät loaïi ñaát haït mòn laø ñaát seùt. • Töø caáu truùc tinh theå, moâ phoûng cho deã hieåu roài ñi ñeán giaûi thích ñoä beàn cuûa ñaát: Moâ phoûng Si Moâ phoûng Al Silicon Aluminium Oxygen Hydroxyl Lieân keát H H O vaø Cation 2 (Raát yeáu) Lieân keát K+ (yeáu) Kaolin Illite Montmorillonite Kaolin: Caáu truùc maïng löôùi khoâng ñoái xöùng (tích ñieän traùi daáu ôû hai ñaàu) Æ huùt nhau chaët cheõ, khoâng coù choã cho nöôùc chui vaøo Montmorillonite: Coù nöôùc lieân keát yeáu Æ caùc haït ñaåy xa nhau Æ ñaát coù tính nôû vaø co raát lôùn 2.2 Lôùp keùp “Double Layer” laø gì ? Khi beà maët cuûa haït ñaát tích ñieän aâm, vaø coù moät lôùp cation phaân taùn ra xa khoûi beà maët haït ñaát, ta goïi ñoù laø moät lôùp keùp. Xung quanh moät haït seùt seõ laø nhöõng lôùp nöôùc, hình thaønh töø caùc lieân keát hydroâ, tuy nhieân chæ nhöõng phaân töû nöôùc ôû ñuû xa (löïc huùt phaân töû yeáu) seõ coù khuynh höôùng chuyeån ñoäng goïi laø nöôùc töï do. Chuùng ta hoïc cô ñaát laø hoïc loaïi nöôùc töï do naøy. Coù nhieàu thöù nöôùc xung quanh haït ñaát: H2O (dipolar) ƒ Nöôùc trong khoaùng vaät cuûa ñaát: ƒ Nöôùc keát hôïp beà maët: - • Huùt baùm + • Maøng moûng (film 0.1~0.5µm): - Lieân keát maïnh: khoâng truyeàn aùp löïc Lôùp raát cöùng thuûy tónh Lôùp khueách taùn 0.1~0.5µm - Lieân keát yeáu ƒ Hat ñaát Nöôùc töï do (Khoâng coù löïc huùt phaân töû): • Mao daãn: khi W% ↑, KNCT neàn ↓ Hình 1.1: Cô cheá hình thaønh maøng nöôùc lieân ⋅ Troïng löïc (pore water):Nöôùc ngaàm keát quanh haït ñaát. Bieåu ñoà Löïc huùt phaân töû
9. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng BaûnPhaân chaát loaïicuûa ñaát Ghi chuù : Löïc huùt Van der Waals laø löïc huùt giöõa caùc phaàn töû haït, giaûm nhanh khi khoaûng caùch giöõa caùc haït caøng taêng. Hình daùng Ñaëc ñieåm Phaân loaïi caáu truùc seùt Ghi chuù Dieän–Dieän (face-to- Caáu truùc phaân taùn face) Caïnh–Dieän (edge-to- Tôi boâng face) (flocculated) Caïnh–Caïnh (edge to edge) Bulky Töông taùc giöõa phaàn Keä saùch (Bookstore) töû haït khoaùng hieám khi coù khuynh höôùng ñònh höôùng theo kieåu Turbostratic Dieän-dieän; Coù theå noái maïch vôùi caùc haït côõ lôùn hôn. 2.3 Haït laø gì ? - Coù ñöôøng kính D = a. 10-3 mm > 100 mm ( söï phaân loaïi tuøy theo tieâu chí moãi nöôùc ); thí duï: Seùt coù theå laø loaïi ñaát coù tính dính vaø deûo, thöôøng naèm trong daûi côõ haït seùt vaø buïi; - Haït seùt : Ñöôïc lieät vaøo haït mòn, goàm buïi vaø boät; - Ñaát rôøi goàm nhöõng haït vaø hoøn thoâ, caùt laø ñieån hình cuûa ñaát rôøi. • Caáu truùc haït ra sao ? Ñôn haït Caáu truùc boâng Toå ong (Honeycomb) Hình 1.2: Caùc daïng noái gheùp cuûa caáu truùc ñaát Coù theå coù caáu truùc hoãn taïp laø toång hôïp cuûa caùc caáu truùc noùi treân, cöùng khi nguyeân traïng, nhöng raát xoáp khi bò xaùo troän (thí duï: ñaát seùt bieån). Noùi chung ñoä beàn cuûa lieân keát << ñoä beàn cuûa chính baûn thaân caùc haït khoaùng.
10. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng Baûn chaátPhaân cuûa loaïi ñaát ñaát Maøng nöôùc haáp thu Sau haøng traêm naêm Xaùo troän gaây maát ñoä beàn chòu aùp löïc Hình 1.3: Dieãn tieán cuûa tieán trình maát maùt ñoä beàn cuûa ñaát 3. Moät soá vaán ñeà khi xem xeùt cuûa ñaát laøm neàn cho coâng trình xaây döïng: Moät soá vaán ñeà ban ñaàu lieân quan ñeán ñaát maø ngöôøi kyõ sö xaây döïng caàn bieát, ñoù laø: • Tính ñoàng ñeàu cuûa ñaát • Ngöôøi ta xeùt % troïng löôïng haït naèm trong töøng daûi khoaûng kích côõ khaùc nhau. ƒ Phöông phaùp raây saøng: Daønh cho caùc loaïi haït ¾ Xaùc ñònh % giöõ laïi treân raây; ¾ Tính toaùn % tích luõy loït qua ray (% mòn hôn finer) Hieän nay, caùc bieåu ñoà phaân boá côõ haït thöôøng hay bieåu thò theo % mòn hôn (% finer) ƒ Phöông phaùp laéng ñoïng: Aùp duïng cho boät & mòn, coù D > 2.10-4 mm (Luùc ñoù, haït chuyeån ñoäng Brown chöù khoâng Stoke’s kieåu v =const. D2) • Ngöôøi ta xem töø ñöôøng cong phaân boá côõ haït, ñeå xem: ƒ Ñaát coù caáp phoái toát khoâng (well-graded or not): Caáp phoái toát khi khoâng coù daûi (taàm) côõ haït naøo chieám soá öu theá vaø khoâng coù kích thöôùc trung gian naøo bò khieám khuyeát. Noùi khaùc ñi, neáu ñaát coù côõ haït chæ taäp trung ôû moät daûi kích côõ naøo ñoù maø thoâi, ta xem ñaát ñoù khoâng coù caáp phoái toát. Khi ñaát coù caáp phoái toát, ñöôøng cong phaân boá côõ haït thoaûi, ñoä cong ñeàu. ƒ Caáp phoái toài (goïi laø “poor-graded” ): Côõ haït taäp trung vaøo daûi heïp xung quanh moät côõ ñöôøng kính naøo ñoù. Khi ñaát coù caáp phoái toài, ñöôøng cong phaân boá côõ haït gaõy, hay döïng doác gaàn nhö döïng ñöùng. b a Phaàn traêm mòn hôn Côõ haït (mm) Hình 1.4: Ñöôøng cong phaân boá côõ haït :a) thoaûi (caáp phoái toát; b) doác ñöùng (caáp phoái toài)
11. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng BaûnPhaân chaát loaïicuûa ñaát Noùi theâm veà ñöôøng cong phaân boá côõ haït (Phöông phaùp cô hoïc) U.S. Standard Sieve ( Hieän nay ñang xaøi raát phoå bieán taïi caùc phoøng thí nghieäm LAS): Raây saøng soá No. 4 10 20 40 60 100 140 200 Maét raây tính theo mm 4.76 2.00 0.84 0.42 0.25 0.149 0.105 0.074 Ñöôøng cong tích luõy • Tyû leä thaúng khoâng tieän ñeå ñònh côõ taát caû caùc haït (maét rôi töø 200 mm ñeán 0.002 mm, töùc cheânh leäch ñeán chuïc vaïn laàn !). • Tyû leä Logarit luoân ñöôïc duøng ñeå veõ moái lieân heä giöõa % loït qua vaø côõ haït. • Thöôøng hay veõ “ngöôïc”: phía caøng xa goác, côõ haït caøng beù (xem hình 1.4) Töø ñöôøng cong phaân boá côõ haït, ngöôøi ta luoân ruùt ra caùc thoâng soá sau: ƒ Heä soá ñoàng ñeàu: Moät thoâng soá khoâng thöù nguyeân, goïi laø ñoä ñoàng ñeàu Cu (hay heä soá Hazen Coefficient): D 60 Cu = (1-1) D10 D10 ñöôïc goïi laø côõ haït höõu hieäu. Cu 5 ta noùi côõ haït Khoâng ñoàng ñeàu (ñoàng nghóa vôùi “caáp phoái toát” vì coù ñuû thaønh phaàn haït, haït nhoû laáp ñaày khoaûng troáng giöõa caùc haït lôùn, ñaát seõ chaët cheõ hôn ); heä soá naøy caøng lôùn thì côõ haït cuûa ñaát caøng khoâng ñoàng ñeàu. Coù theå hình dung raèng ñaát caøng coù söï phaân boá daõn ra, töùc ñaát daøn traûi ñuû loaïi côõ haït. ƒ Heä soá phaân caáp côõ haït hay coøn goïi laø heä soá ñoä cong Cg (ño löôøng hình daïng cuûa ñöôøng cong phaân boá côõ haït) 2 D 30 C g = (1-2) D 60 × D10 Cg töø 1 ñeán 3, ta noùi caáp phoái raát toát (thuaät ngöõ chuyeân moân laø well graded). Noùi chung heä soá naøy bieåu thò möùc ñoä thieáu huït cuûa moät côõ haït naøo ñoù ƒ Heä soá thaám (Coâng thöùc Allen Hazen) -2 2 k = 10 (D10) (1-3) Luoân nhôù raèng khi duøng coâng thöùc treân, D10 bieåu dieãn theo milimet vaø heä soá thaám tính theo coâng thöùc naøy coù ñôn vò m/s • Tính thaám nöôùc: laø ñaëc tính chung cuûa vaät lieäu coù loã roãng (porous medium); ñaëc tính naøy coù töông quan roõ reät ñeán caùc thoâng soá nhö côõ haït, ñöøông kính ñoä chaët ñaëc bieät khi chòu taûi troïng. Ñieån hình laø caùt. Sau naøy, ta coù theå thaáy heä soá thaám theo hai phöông coù taøi lieäu vieát laø coù giaù trò khaùc nhau (ít).
12. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng Phaân loaïi ñaát • Tính chòu tröông nôû: Söï thay ñoåi theå tích vì coù söï chuyeån ñoåi caáu truùc khi ñoä aåm taêng leân (töôùi aåm, möa luõ keùo daøi, luõ luït ). • Tính töø bieán: - Maïng löôùi caáu truùc tinh theå haït khoaùng bieán hình; - do söï chaûy nhôùt chaäm chaïp cuûa maøng nöôùc lieân keát chaët > saép xeáp laïi chaët daàn caùc haït. Ghi nhôù : Taát caû caùc tính chaát vöøa neâu coù moái lieân heä vôùi caùc thuoäc tính mang tính “chæ soá “ ( ñoù laø nhöõng thuoäc tính chæ ra loaïi traïng thaùi vaø ñieàu kieän cuûa ñaát, thí duï chæ soá deûo) §2. Phaân loaïi ñaát 1. Muïc ñích cuûa vieäc phaân loaïi (Taïi sao caàn phaân loaïi?) Ñeå dieãn taû nhöõng loaïi ñaát khaùc nhau keå ñeán trong thieân nhieân trong moät caùch thöùc coù heä thoáng vaø thu thaäp nhöõng ñaát naøo coù thuoäc tính vaät lyù bieät ñònh thaønh nhöõng nhoùm vaø ñôn vò • Yeâu caàu chung cuûa moät heä thoáng phaân loaïi ñaát: - Döïa treân phöông phaùp khoa hoïc; ñôn giaûn; - cho pheùp phaân loaïi baèng maét vaø nhöõng thí nghieäm kinh ñieån. - dieãn taû nhöõng thuoäc tính kyõ thuaät naøo ñoù - Neân ñöôïc söï chaáp nhaän cuûa moïi kyõ sö 2. Yeâu caàu khi moâ taû caùc loaïi ñaát Moâ taû ñuùng vaø nhanh chính xaùc vaø ñaày ñuû theo hai ñaëc tröng: Vaät lieäu vaø qui moâ khoái taûng; • Ñaëc tröng chính veà vaät lieäu: Laø ñöôøng cong phaân boá côõ haït vaø tính deûo nhôø tieán haønh caùc thí nghieäm tieâu chuaån, nhìn baèng maét hay thuû coâng naøo ñoù. Thöù ñeán, laø maøu saéc vaø hình daïng cuûa ñaát; keá ñeán laø caáu truùc vaø thaønh phaàn caùc haït. • Ñaëc tröng chính veà khoái taûng: Toát nhaát tieán haønh moâ taû maûng khoái (mass) taïi thöïc ñòa, tuy nhieân cuõng coù khi tieán haønh taïi trong phoøng treân caùc maãu nguyeân traïng. Vieäc moâ taû caàn neâu veà : ¾ Ñoä cöùng chaéc; ¾ Chi tieát caùc taûng ñòa taàng; ¾ Coù hay khoâng söï baát lieân tuïc, hay phong hoùa ¾ Giôùi haïn vó moâ cuûa ñòa taàng (chaúng haïn nhö noùi coù nhöõng laêng kính caùt haït mòn vaø buïi trong ñaát seùt, löôõi seùt trong taàng caùt, tuùi boïng hay höõu cô, reã caây ) Coù theå goïi teân theo thuaät ngöõ theâm yeáu toá ñòa lyù ( theàm soâng, cöûa beå, loøng hoà ) • Moät soá ghi nhaän mang tính kinh nghieäm: - Nhöõng haït d = 0.06mm laø côõ haït ranh giôùi cho haït thoâ, coù theå nhìn baèng maét thöôøng vaø hôi caûm thaáy khoâng trôn khi chaø xaùt giöõa caùc ngoùn tay, coøn khi nhöõng haït mòn hôn, thì khi chaø xaùt giöõa nhöõng ngoùn tay thaáy trôn. - Treân 2mm laø saïn hay soûi; nhoû hôn côõ haït naøy thì coù theå nhaäp laïi vôùi nhau khi aåm (löïc huùt mao daãn); - Ñoái vôùi vaät lieäu haït mòn thì quan troïng nhaát laø phaûi bieát nhöõng haït mòn ñoù coù mang tính deûo (seùt ) hay khoâng deûo ( buïi ). Muoán bieát coù tính deûo hay khoâng ta laøm nhö sau: Nhaøo
13. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng Phaân loaïi ñaát naën moät cuïc ñaát, taïi moät ñoä aåm thích hôïp. Löïc dính ñöôïc chæ ra neáu ñaát, ôû ñoä aåm thích hôïp naøo ñoù, coù theå ñuùc keát thaønh moät cuïc töông ñoái cöùng chaéc, seõ mang tính deûo neáu coù theå bieán daïng maø khoâng nöùt hay gaãy maø khoâng maát löïc dính. Neáu tính dính vaø tính deûo khoâng coù hoaëc ít (yeáu) thì haït mòn ñoù chuû yeáu laø khoâng deûo (buïi). • Thí duï veà phaùt bieåu moâ taû ñaát: Döôùi ñaây laø kieåu maãu veà caùch phaùt bieåu moâ taû ñaát (thöôøng thaáy trong nhöõng taäp baùo caùo ñòa chaát coâng trình) CAÙT, laãn soûi saïn, caáp phoái toát, coù ít goùc caïnh, maøu naâu naâu ñoû, traïng thaùi chaët vöøa; SEÙT töøng phieán, maøu xaùm xanh, ñoâi choã coù laãn ít buïi 0.5 ñeán 2mm traïng thaùi deûo cöùng; 3. Caùc kieåu phaân loaïi 3.1 Coù nhieàu caùch phaân loaïi: - Theo kieåu caáu truùc vaø töông taùc vôùi caùc haït xung quanh: Ñaát rôøi vaø ñaát dính; - Theo ñöôøng kính côõ haït: thoâng qua tyû leä giöõa caùc côõ haït, maø ngöôøi ta cho raèng chuùng seõ quyeát ñònh tính chaát cuûa loaïi ñaát; - Theo caùc thoâng soá sau thí nghieäm: Sau moät soá thí nghieäm chuyeân bieät, ngöôøi ta keát luaän ñaát thuoäc loaïi gì theo traïng thaùi, maøu saéc, ñoä beàn vaø ñoä chaët v v - Theo caùc thoâng soá vaät lí cuûa moät ñaïi löôïng naøo ñoù, nhaèm phuïc vuï cho muïc tieâu heïp naøo ñoù veà cô hoïc hay kyõ thuaät (thí duï: döïa vaøo heä soá no nöôùc, ngöôøi ta phaân loaïi ñaát ít aåm, aåm hay no nöôùc). - Theo quan ñieåm cuûa caùc nhaø khoa hoïc veà cô hoïc ñaát khaùc nhau treân theá giôùi maø coù khaù nhieàu tieâu chí phaân loaïi khaùc nhau. - Theo möùc ñoä taùc ñoäng leân ñaát cuûa taûi troïng caùc ngaønh kyõ thuaät khaùc nhau: Ngaønh giao thoâng phaân loaïi ñaát khaùc vôùi ngaønh daân duïng (do taûi troïng vaø möùc ñoä tieáp thu taûi troïng cuûa ñaát ñoái vôùi ngaønh caàu ñöôøng giao thoâng khaùc vôùi ngaønh daân duïng; taûi troïng tónh vaø ñoäng thì do möùc bieán daïng khaùc nhau neân phaân loaïi cuõng khaùc nhau) 3.2 Kieåu phaân loaïi thoâng duïng: a. Phaân loaïi theo kinh nghieäm: Kieåu phaân loaïi chæ döïa vaøo giaùc quan, tröïc quan taïi hieän tröôøng, naêng tính kinh nghieäm vaø khoâng döïa vaøo pheùp phaân tích côõ haït, hay thí nghieäm gì caû (Thí duï tham khaûo Baûng 1-8 trang 34 giaùo trình “ Cô hoïc ñaát” cuûa Buøi Anh Ñònh). b. Phaân loaïi theo caùc thí nghieäm tieâu chuaån cô baûn: • (Baûng trang 25 Peck) • Tieâu chuaån Anh BS: • Tieâu chuaån ASSHO ( Hieäp hoäi caàu ñöôøng boä Myõ) • Tieâu chuaån ASTM ( trang 28 Peck): 1- Geologic Soil Classification System 2- Agronomic Soil Classification System 3- Textural Soil Classification System (USDA) : - Chæ xem Caùt, Buïi, Seùt, vaø soá löôïng hoøn soûi (Gravel) - Coù ñeán 12 nhoùm con trong heä thoáng phaân loaïi naøy
14. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng Phaân loaïi ñaát 4-American Association of State Highway Transportation Officials System (AASHTO) : Coù 7 nhoùm chính A-1 ñeán A-7: Haït A-1 {A-1-a - A-1-b} ;caùt & soûi A-2 {A-2-4 – A-2-5 - A-2-6 - A-2-6} A-3; Haït mòn (> 35% loït qua raây soâ’ # 200_:Haït mòn A-4 A-5; Seùt vaø buïi A-6 A-7 5- Unified Soil Classification System (USCS) :Coù nhöõng nhoùm chính: [G= Soûi saïn; S= Caùt] [M= Buïi; C = Seùt] [O= Höõu cô] ; ñoái vôùi ñaát rôøi, (Gravel and Sand) duøngchöõ P(vieát taétcuûa chö’ Poorly Graded hay W = Well Graded ; ñoái vôùi ñaát dính (Silt & Clay), duøng chöõ L = Low Plastic ( Deûo thaáp ) hoaëc H = High Plastic (deûo cao) Soûi saïn:GW = Well Graded Gravel; GP = Poorly Graded Gravel ; GM = Silty Gravel;GC = Clayey Gravel ;Loït qua raây soá # 4 :SW = Well Graded Sand ; SP = Poorly Graded Sand ;SM = Silty Sand ;SC = Clayey Sand ; Loït qua raây # 200 : ML = Low Plastic Sil (deûo thaáp) ;CL = Seùt deûo thaáp (Low Plastic Clay); MH = High Plastic Silt; CH = High Plastic Clay Caùch goïi cuûa nhoùm phaân loaïi naøy khaù thoâng duïng. 6- American Society for Testing and Materials System (ASTM) 7- Federal Aviation Agency System (FAA) 3.3 Thí duï minh hoïa veà caùch phaân loaïi ñaát Thí duï 1- 1a: Döôùi ñaây laø baûng toång hôïp keát quaû cuûa thí nghieäm raây saøng vaø laéng ñoïng: Phaàn traêm mòn hôn Raây saøng Laéng ñoïng Ñaát A Ñaát B Ñaát C Ñaát C Raây # 4 42 72 95 Raây # 10 33 55 90 Raây # 40 20 48 83 Raây # 60 Raây # 100 18 42 71 100 Raây # 200 0.074 14 38 55 95 0.020 69 0.006 46 0.002 31 Caùc giôùi haïn Atterberg: ωL 35 % 39 % 55 % 48 % ωP 22 % 27 % 24 % 30 % Yeâu caàu: Phaân loaïi. Giaûi:
15. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng Phaân loaïi ñaát • Ñaát D chöùa 95 % vaät lieäu mòn, giôùi haïn chaûy laø 48 %, chæ soá deûo IP = 18 vöøa chôùm naèm treân ñöôøng A-line treân bieåu ñoà tính deûo. Nhö vaäy laø loaïi CI – töùc seùt coù tính deûo trung gian. • Caû 3 loaïi ñaát A, B, C ñeàu coù hôn 12% loït qua raây soá 200 (theo heä thoáng phaân loaïi thoáng nhaát Unified Soil Classification System do Casagrande ñeà xuaát naêm 1948), ngay laäp töùc khoâng theå lieät vaøo loaïi GW, GP, SW, SP. o Loaïi ñaát A: ƒ Coù ≤ 50 % loït qua raây soá 4 Æ soûi saïn chieám noåi troäi. Vaäy phaûi lieät vaøo G ƒ ωL = 35 % ,chæ soá deûo IP = ωL – ωP = 35% – 22% = 13 (khoâng kyù hieäu laø %), vaäy naèm ngay treân ñöôøng A – line Æ Xem laø loaïi seùt CL. Vaäy laø loaïi Soûi saïn laãn seùt. o Loaïi ñaát B: ƒ Coù 28 % cho neàn phaàn haït thoâ chieám quaù baùn Æ ñoù laø loaïi CAÙT Thí duï 1-1b: Ñeå xaùc ñònh ñoä chaët hieän tröôøng cuûa moät khu vöïc xaây döïng vöøa môùi san laáp xong, ngöôøi ta duøng phöông phaùp pheãu roùt caùt. Khoái löôïng ñaát moi baèng thìa ra khoûi moät loã ñaøo taïi beà maët ñaát laø 4.87 kg. Hoá ñoù ñöôïc long ñaày caùt truùt ra töø moät caùi bình baèng nhöïa, coù troïng löôïng 3.86kg. Khi ñònh chuaån bình caùt, ngöôøi ta long ñaày caùi bình aáy coù theå tích 0.0048 m3 phaûi caàn ñeán moät troïng löôïng caùt laø 6.82 kg. Khi xaùc ñònh ñoä aåm, 28.26 gram ñaát ñoù, ngöôøi ta ñem saáy khoâ thì chæ coøn caân naëng 22.2 g. Giaû söû tæ troïng cuûa caùt ñoù laø 2.67, haõy xaùc ñònh troïng löôïng rieâng töï nhieân vaø dung troïng khoâ cuûa ñaát ñoù, cuõng nhö xaùc ñònh ñoä baõo hoøa cuûa ñaát ñoù. Giaûi: 6.82×10 Dung troïng cuûa caùt trong bình:γ = = 14208N / m 3 = 14.208kN / m 3 0.0048 3.86×10 Theå tích cuûa hoá ñaøo thí nghieäm: v = = 0.00272m 3 14208 4.87×10 Dung troïng töï nhieân cuûa ñaát ñoù γ = = 17904N / m 3 = 17.90kN / m 3 0.00272 28.26 − 22.2 Ñoä aåm (theo ñònh nghóa) ω = ×100 = 27.3% 22.2 17904 Dung troïng khoâ (theo ñònh nghóa) γ = = 14064N / m 3 k 1+ 27.3 γ W 1000 Heä soá roãng e = GS. −1 = 2.67× −1 = 0.899 γ k 1406.4
16. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng Phaân loaïi ñaát ωG 27.3× 2.67 Ñoä baõo hoøa S = S = ×100 = 81.08% e 0.899 Thí duï 1-1c: Töø keát quaû thí nghieäm raây saøng döôùi ñaây, haõy veõ ñöôøng cong phaân boá côõ haït. Töø ñoù a) Xaùc ñònh côõ haït höõu hieäu; b) Heä soá ñoàng ñeàu vaø heä soá caáp haïng (hay coøn goïi laø heä soá ñoä cong cuûa ñöôøng cong phaân boá côõ haït). Kích thöôùc Khoái löôïng Maét Raây giöõ laïi treân (mm) raây 0.074 26.4 0.15 159.9 0.3 122.5 0.6 38.7 1.2 52.8 2.4 36 Toång soá khoái löôïng ñaát ñem vaøo thí nghieäm raây saøng laø 500g Giaûi Trong baøi naøy, ngöôøi ta khoâng cho khoái löôïng loït qua raây, maø ngöôøi ta laïi cho khoái löôïng giöõ laïi treân raây. Nhö vaäy, ngöôøi hoïc caàn hieåu caùch tính chuyeån laïi % mòn hôn (chính laø % loït qua raây) baèng caùch nghieân cöùu caùch tính ôû baûng sau: Kích thöôùc maét Khoái löôïng giöõ Phaàn traêm giöõ laïi % Coäng doàn giöõ % mòn hôn raây (mm) laïi treân raây (g) (%) laïi 2.4 36.0 7.2 7.2 92.8 1.2 52.8 10.56 17.76 82.24 0.6 38.7 7.74 25.50 74.5 0.3 122.5 24.5 50.0 50 0.15 159.9 31.98 81.98 18.02 0.074 26.4 5.28 87.26 12.74 Ñöôøng A – line (duøng cho phaân loaïi ñaát – Theo Unified Soil Classification System): 50 CH Phöông trình ñöôøng A – line 40 P IP = 0.73(ω L-20) I 30 MH hoaëc OH CL 20 CHÆ SOÁ DEÛO 10 CL 7 4 CL- ML Deûo meàm ñeán deûo nhaõo ML 50 60 90 20 GIÔÙI HAÏN LOÛNG ω Sau khi coù baûng tính ñöôïc % mòn hôn öùng vôùi caùc côõ haït cho ôûL coät kích thöôùc maét raây, ta döïng ñöôïc ñöôøng cong phaân boá côõ haït. Nhö sau:
17. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng Phaân loaïi ñaát ♦92.8 % ♦ 82.24 80 ♦ 74.5 % 60 50 % ♦ % mòn hôn 40 20 ♦18.02 ♦12.74 Ñöôøng kính haït (tyû leä Log) 2.4 1.2 0.6 0.3 0.1 0.074 D60= 0.43 mm D30= 0.21 mm Döïa vaøo ñöôøng cong vöøa döïng ñöôïc, ñeå xaùc ñònh ñöôïc ñöôøng kính höõu hieäu, töùc D10, ta laøm nhö sau: - Treân truïc tung, taïi trò soá 10% mòn hôn, doùng ngang - Ñuïng ñöôøng cong phaân boá côõ haït choã naøo, doùng thaúng ñöùng xuoáng truïc hoaønh, ñöôïc moät ñieåm. Ñieåm ñoù chính laø D10, töùc ñöôøng kính maø coù 10% khoái löôïng nhoû hôn ñöôøng kính naøy. Ta coù D10 = 0.07 mm. Löu yù laø truïc hoaønh ñöôïc laäp theo tyû leä Log cô soá 10 (Logarit thaäp phaân). Caùch laøm töông töï vôùi D60 vaø D30. Ta coù D60= 0.43mm, D30=0.21mm. D60 0.43 Töø ñoù theo coâng thöùc heä soá ñoàng ñeàu Cu = = = 6.14 D10 0.07 2 2 D30 0.21 Heä soá caáp haïng C g = = = 1.47 D60 × D10 0.43× 0.07 Nhö vaäy, vì Cu >5 ta coù theå ñaùnh giaù ñaát naøy coù côõ haït khoâng ñoàng ñeàu, nghó a laø caáp phoái toát. Vì Cg trong khoaûng töø 1 ñeán 3, ta hieåu raèng coù theå ñaùnh giaù ñaát laø goàm ñuû moïi côõ haït, khoâng coù côõ haït naøo chieám öu theá hôn côõ haït naøo. Töùc ñaát coù caáp phoái toát. Coù theå tính ra heä soá thaám cuûa ñaát naøy theo coâng thöùc Allen Hazen) -2 2 k = 10 (D10) ñôn vò m/sec -6 trong ñoù D10 tính theo milimet, ôû trong baøi D10 = 0.07mm. Ta tính ra k = 49 x 10 m/s (hay 4.9 x 10-3 cm/s Æ coù tính thaám khaù).
18. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng Nhöõng moái lieân heä beân trong ñaát – ÑaàmPhaân chaëtloaïi ñaátñaát §3. Nhöõng moái lieân heä beân trong ñaát 1. Moái lieân heä veà pha (quan troïng) Coù theå phaân loaïi ñaát theo toå hôïp 2 hay 3 pha; tuy nhieân, chuùng ta hoïc caên baûn thì giôùi haïn laïi chæ xeùt pha raén vaø loûng, pha khí chæ neâu söï hieän dieän, maø khoâng noùi ñieàu gì theâm. Ñònh danh caùc thoâng soá : Troïng löôïng (weight, thí duï Niutôn) Wt = Wnöôùc + Whaït vieát thaønh Wt = Wn + Wh Khoái löôïng (Mass, thí duï gram) Mnöôùc , Mhaït vieát thaønh Mn , Mh Theå tích Vt = Vroãng + Vhaït = Vkhi’ + Vnöôùc + Vhaït Ñoä aåm (Aåm ñoä): w% = Mnöôùc / Mhaït Heä soá roãng e/ ñoä roãng n: e = Vroãng/ Vhaït n = Vroãng/ V Theå tích rieâng: v = 1 + e Tyû troïng cuûa haït: Gs = Ms / ρW Vs ( löu yù M laø mass - khoái löïôïng) Dung troïng (troïng löôïng theå thích) töï nhieân cuûa ñaát: γ = W /V (löu yù W coù thöù nguyeân cuûa löïc, thöôøng laø Niutôn hay kN) Dung troïng ñaåy noåi: Khi ñaát taïi choã hoaøn toaøn baõo hoøa, taäp ñoaøn nhöõng haït raén (theå tích 1; caân naëng Gs γW ) bò chòu moät löïc ñaåy leân (löïc Archimede), dung troïng ñaåy noåi γ’ = γBH – γW (1-4) e Max − e Ñoä chaët töông ñoái: Dr = e Max - e min Döôùi ñaây laø löôïc ñoà veà caùc moái lieân heä veà pha: Theå tích Theå tích rieâng Phía troïng löôïng G + Se W = Vγ w 1+ e e V e Phaàn nöôùc 1+ e S.e 1 1 Wn = Vγ w = Vγ w G = V .γ S V 1+ e 1+ e 1+ e 1 V Phaàn raén 1+ ε 1 Hình 1.6 Löôïc ñoà caùc moái lieân heä veà pha Gω Daãn ñeán coâng thöùc caàn nhôù e = (1-5) S Trong ñoù G laø tyû troïng haït; ω laø ñoä aåm; S (%) ñoä baõo hoøa. Thí duï 1.2
19. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng Nhöõng moái lieân heä beân trong ñaát –Phaân Ñaàm loaïi chaët ñaát ñaát Maãu ñaát trong ñieàu kieän töï nhieân coù khoái löôïng 2290gram vaø theå thí 1,15 x 10-3 m3. Sau khi saáy khoâ hoaøn toaøn (105o C) trong loø, khoái ñaát chæ coøn naëng 2035 gram. Tyû troïng haït laø G =2.68, haõy xaùc ñònh ñoä aåm, tyû soá troáng e, ñoä roãng n, ñoä baõo hoøa. Giaûi: M 2290 Maät ñoä töï nhieân ρ= = =1990kg / m3 V 1,15x10 −3 Mg 2290x9.8 Dung troïng (Troïng löôïng rieâng) γ = = =1950 0 N / m3 V 1,15x10 −3 M 2290 − 2035 Ñoä aåm w = nuoc = = 0.125 hay 12.5% V 2035 G (1+ w) Töø coâng thöùc chính thoáng ρ = S ρ 1+ e nuoc ρ ta suy ra e = G (1+ w) nuoc −1 S ρ 1000 Thay caùc trò soá baèng soá vaøo, ta ñöôïc e = [2,68 x(1+ 0.125)x ] = 0.52 1990 Ñoä roãng lieân heä vôùi heä soá roãng theo coâng thöùc: e 0.52 n = = = 0.34 hay 34% 1+ e 1+ 0.52 G ω 2,68x0.125 Ñoä baõo hoøa: S = S = = 0.645 hay 64.5% e 0.52 2. Moái lieân heä veà ñoä aåm – ñoä chaët (ñaëc bieät quan troïng cho baøi toaùn ñaàm neän) 2.1 Khaùi nieäm: • Trong xaây döïng neàn haï ñöôøng loä ñeâ ñaäp baèng ñaát vaø nhieàu döï aùn kyõ thuaät khaùc, ñaát rôøi phaûi ñöôïc ñaàm neän ñeå gia taêng dung troïng cuûa ñaát, gia taêng ñaëc tính cô lyù theo chieàu höôùng coù lôïi vaø giaûm bôùt caùc thuoäc tính baát lôïi • Taïi sao phaûi ñaàm chaët: Vôùi taùc duïng ñaàm ñaït moät coâng naêng ñaàm chaët nhaát ñònh, coù theå laøm cho löôïng nöôùc caàn ñeå ñaát ñaït ñeán ñoä chaët lôùn nhaát, khi ñoù ñoä aåm goïi laø ñoä aåm toái thuaän (hay toái öu), cuøng vôùi ñoä chaët khoâ töông öùng goïi laï ñoä chaët khoâ lôùn nhaát. • Ñaàm neän giuùp: ¾ Gia taêng ñoä beàn cuûa ñaát ¾ Giaûm tính thaám ¾ Giaûm thieåu ñoä luùn cuûa neàn; ¾ Gia taêng doä oån ñònh söôøn doác maùi doác • Ñaàm chaët ñaát coù theå ñöôïc tieán haønh hoaëc baèng taûi troïng tónh hoaëc ñoäng: ¾ Lu baùnh cöùng trôn (Smooth-wheel rollers): Lu ñaù ¾ Lu chaân cöøu (Sheepfoot rollers): Lu ñaát aù caùt pha soûi saïn ¾ Lu baùnh hôi (Rubber-tired rollers): Lu nhöïa ñöôøng
20. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng Nhöõng moái lieân heä beân trong ñaátPhaân – Ñaàm loaïi chaët ñaát ñaát ¾ Ñaàm rung (Vibratory Rollers): Ñaàm daêm ñaù caáp phoái ¾ Thoåi rung (Vibroflotation) ¾ Dóa rung: thích hôïp cho moïi loaïi ñaát, caùc caïnh beû leân, gaén moâ tô, keùo baèng tay ñi khaép beà maët (thöôøng thaáy thi coâng ngaønh coâng chaùnh) 2.2 Nguyeân lyù caên baûn: • Möùc ñoä ñaàm neùn cuûa ñaát ñöôïc ño baèng dung troïng γopt cuûa noù, vaø ñoä aåm toái thuaän cuûa noù, wc. • Quaù trình ñaàm neùn ñôn giaûn laø truïc xuaát khoâng khí ra khoûi khe roãng trong ñaát hay ngaén goïn laø giaûm heä soá roãng • Giaûm thieåu nöôùc trong loã roãng ñoàng nghóa vôùi coá keát. 2.3 Cô cheá ñaàm chaët ñaát: • Baèng caùch giaûm heä soá roãng, nhieàu ñaát coù theå ñöôïc goäp coäng laïi thaønh khoái. Khi ñoä aåm bò coäng theo khoái (water content, wc, ñoä aåm taêng leân), nhöõng haït ñaát seõ tröôït nhieàu leân nhau gaây giaûm thieåu veà theå tích toång coäng, keát quaû laø coäng theâm ñaát vaøo vaø nhö theá ñoâ chaët khoâ seõ gia taêng töông öùng. • Gia taêng Wc seõ gia taêng maät ñoä(ñoä chaët) γkhoâ . Ñeán moät giôùi haïn naøo ñoù (% ñoä aåm cöïc ñaïi, goïi laø ñoä aåm toái thuaän). Sau giôùi haïn naøy, vieäc gia taêng Wc seõ laøm giaûm maät ñoä (ñoä chaët) • Ñoä aåm toái öu coù lieân quan ñeán caùc yeáu toá sau: ¾ Tính deûo cuûa ñaát taêng, thì löôïng ñoä aåm toái öu cuõng taêng; ¾ Tuøy theo söùc ñaàm chaët, ñöôøng cong giöõa löôïng nöôùc vôùi ñoä chaët khoâ dòch leân phía phaûi, löôïng nöôùc toát nhaát giaûm thì ñoä chaët khoâ toát nhaát taêng; ¾ Töông töï, ñaát haït thoâ, coù theå ñaàm chaët ñaït ñeán ñoä chaët khoâ lôùn hôn ñaát haït mòn. ¾ Ñaát caøng coù heä soá roãng lôùn, caøng chòu neùn (töùc laø bò luùn nhieàu) ¾ Moät naêng löôïng ñaàm chaët cao hôn, seõ gaây moät giaù trò toái ña cuûa ñoä chaët khoâ laø lôùn hôn, vaø ñoä aåm toái thuaän coù giaù trò beù hôn. ) 3 Coâng thöùc toång quaùt veà naêng löôïng ñaàm trong thí Ñöôøng baõo hoaø nghieäm Proctor tieâu chuaån: 4.5 kg chuøy E = (Soá chaøy moãi lôùp x Soá lôùp x Trg. Löôïng Buùa x Hrôi) / (THEÅ TÍCH CUÛA COÁI KHUOÂN PROCTOR) 2.5 kg chuøy Ñoä chaët khoâ (Mg/m Ñoä aåm Hình 1.7: Ñöôøng cong ñaàm neän theo thí nghieäm Proctor tieâu chuaån 2.3.1 Thí nghieäm ñaàm chaët ñaát Goïi laø thí nghieäm tieâu chuaån, vì noù gioáng nhau ôû moïi nôi treân theá giôùi. Nhö sau: Khuoân hình truï coù dung tích 1lít. Ñaát, löôïc boû ñi caùc haït saïn d>20mm, ñöôïc ñöavaøo coái. Chaøy naëng 2,5 kg ñöôïc thaû rôi töï do 0.3m, 25 ñeán 27 voà ñaàm quanh khaép nôi trong coái. Neáu duøng loaïi chaøy 4.5 kg thaû rôi
21. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng Nhöõng moái lieân heä beân trong ñaátPhaân – Ñaàm loaïi chaët ñaát ñaát 0.45m thì phaûi laøm 5 lôùp , moãi lôùp 27 voà thí nghieäm ñoù ñöôïc goïi laø thí nghieäm Proctor caûi tieán. Raïch ñeå laøm nhaùm beà maët tieáp xuùc caùc lôùp, cho ñaát lôùp môùi vaøo. Ñaàm töông töï. Sau khi ñaõ ñuû 1lít ñaát ñaõ ñaàm, ñem xaùc ñònh dung troïng chung, ñoä aåm, vaø tính toaùn dung troïng khoâ cuûa ñaát trong coái. Quaù trình ñöôïc laøm laëp laïi ít nhaát 5 laàn, gia taêng ñoä aåm moãi laàn. Ta coù 5 ñieåm ñoä aåm vaø dung troïng khoâ (ñoä chaët khoâ ôû truïc tung, ñoä aåm ôû truïc hoaønh cuûa ñoà thò) Ñoà thò seõ boäc loä cho thaáy coù moät giaù trò ñoä aåm nhaát ñònh maø taïi ñoù ñoä chaët hay dung troïng khoâ laø coù trò soá lôùn nhaát. Ñoù chính laø ñoä aåm toái thuaän, nghóa laø taïi ñoä aåm ñoù vieäc ñaàm neùn thuaän lôïi nhaát; noùi caùch khaùc, neáu ñoä aåm nhoû hôn hoaëc lôùn hôn ñoä aåm toái thuaän, hoaëc coâng ñaàm neùn laø chöa ñaït (ñaát cöùng quaù) hoaëc phí coâng (ñaát aåm quaù) vaãn khoâng ñaït ñoä aåm toát nhaát. 2.3.2 Sau khi xaùc ñònh ñoä aåm toái thuaän trong phoøng thí nghieäm, moät trong caùc vaán ñeà thöïc tieãn laø ñoä aåm toái thuaän taïi hieän tröôøng : Ñoä aåm toái thuaän xaùc ñònh trong phoøng thí nghieäm khoâng aùp duïng ñöôïc cho hieän tröôøng, vì nhöõng khaùc bieät giöõa naêng löôïng ñaàm trong phoøng vaø naêng löôïng duøng ôû hieän tröôøng; ngoaøi ra trong phoøng chæ duøng nhöõng côõ haït <20mm hoaëc 37.5mm ñeå ñaàm. Nhöng may thay, ñoä chaët khoâ toái ña thu ñöôïc trong phoøng duøng voà chuøy 2.5kg vaø 4.5 kg thì “bao truøm” moät quaõng roäng caùc ñoä chaët khoâ gaây ra do caùc thieát bò thi coâng taïi hieän tröôøng. Nghóa laø seõ khoâng aûnh höôûng gì lôùn laém. Soá löôït lu qua moät ñieåm treân hieän tröôøng tuøy thuoäc vaøo khoái löôïng vaø loaïi thieát bò, vaøo chieàu daøy lôùp ñaát ñöôïc lu vaø loaïi ñaát. Noùi chung coù hai giaûi phaùp ñeå ñaït ñöôïc ñoä chaët khoâ toái öu: Ñaàm neùn phöông phaùp: Loaïi thieát bò, khoái löôïng vaø soá löôït lu qua ñöôïc chæ ñònh. Giaûi phaùp naøy ñöôïc duøng trong haàu heát caùc coâng taùc ñaát. Ñaàm neùn saûn phaåm choùt: Ñoä chaët khoâ ñöôïc chæ ñònh vaø phaûi ≥ moät phaàn traêm ñònh tröôùc cuûa ñoä chaët khoâ toái ña coù ñöôïc töø trong soá nhöõng thí nghieäm ñaàm neùn trong phoøng tieâu chuaån. Giaûi phaùp naøy thöôøng duøng moät caùch giôùi haïn trong vaät lieäu ñaép vôùi tro nhieân lieäu taùn nhuyeãn hoïat tính, hay moät soá kieåu ñaép choïn loïc khaùc.
22. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng Tính chaát vaät lyù vaø côPhaân hoïc loaïi cuûa ñaát ñaát §4. Tính chaát Vaät Lyù vaø Cô hoïc cuûa Ñaát Muïc tieâu cuûa phaàn naøy: - Bieát veà caùc thoâng soá tính chaát Vaät lyù, Cô hoïc vaø Tính chòu neùn eùp cuûa ñaát döïa vaøo caùc thí nghieäm trong phoøng, hoaëc ñoâi khi taïi hieän tröôøng; - Hieåu : traïng thaùi cuûa ñaát töø caùc thoâng soá veà vaät lyù, hieåu khaû naêng chòu löïc hay ñoä beàn choáng caét töø caùc thoâng soá veà cô hoïc, vaø hieåu ñöôïc khaû naêng bò bieán daïng (luùn, saït xoâ) nhieàu hay ít, thôøi gian luùn keùo daøi hay mau khi chòu taûi troïng töø caùc thoâng soá veà neùn eùp; - Laøm ñöôïc gì sau khi hoïc xong chöông naøy ? Trình töï veà caùc thí nghieäm thieát yeáu xaùc ñònh ñoä beàn, caùc thoâng soá neùn eùp, ñeå sau cuøng laø döïng ñöôïc caùc ñoà thò ñeå duøng vaøo caùc tính toaùn ñoä luùn, thôøi gian luùn, möùc ñoä luùn sau moät thôøi gian Qua caùc baøi taäp moâ taû keát quaû thí nghieäm, coù theå hình dung caùch laøm thí nghieäm ñeå xaùc ñònh caùc thoâng soá lyù tính nhö troïng löôïng rieâng khoâ, öôùt, ñoä aåm, heä soá roãng Ñaát laø vaät lieäu goàm 3 pha, neân tính chaát vaät lyù vaø cô hoïc cuûa noù khaù phöùc taïp, lieân quan ñeán nhau raát maät thieát; tuy nhieân ta taïm thôøi chuù troïng hôn ôû tính chaát cô hoïc vaø tính chòu neùn eùp. 1. Tính chaát vaät lyù cuûa ñaát Ñaát laø vaät lieäu khoâng ñoàng nhaát, khoâng ñaúng höôùng vaø tính ñaøn hoài khoâng roõ reät laém (phuï thuoäc ñoä lôùn taûi troïng, traïng thaùi vaät lieäu, loaïi ñaát , vò trí ñoä saâu trong neàn ). Cho neân, tröôùc heát, tính chaát vaät lyù cuûa ñaát laáy theo soá lieäu trung bình cuûa maãu ñaïi dieän. Coù 6 ñaïi löôïng vaät lyù quan troïng nhaát caàn nhôù ñònh nghóa, ñoù laø : Heä soá roãng, ñoä roãng, ñoä aåm, ñoä baõo hoøa, troïng löôïng ñôn vò vaø tyû troïng rieâng. a. Troïng löôïng theå tích γ – Maät ñoä ρ & Tyû troïng rieâng Gs: b. Heä soá roãng – Ñoä roãng – Ñoä baõo hoøa – Ñoä aåm c. Caùc ñoä aåm chuyeån ñoåi traïng thaùi (Giôùi haïn Atterberg) – Ñoä seät – Chæ soá deûo d. Vaät lyù veà tính thaám cuûa ñaát – Heä soá thaám Chuùng coù quan heä laãn nhau (Caùc coâng thöùc lieân heä giöõa chuùng neân nhôù caùch laäp ra) Ngoaøi ra, caàn thuoäc kyõ caùch xaùc ñònh giôùi haïn Atterberg (goàm giôùi haïn deûo vaø giôùi haïn loûng), ñònh nghóa ñoä seät B vaø chæ soá deûo Ip . Xaùc ñònh caùc chæ tieâu traïng thaùi cuûa ñaát haït mòn (loït qua raây soá 200) Sau khi tieán haønh thí nghieäm laéng ñoïng ñeå xaùc ñònh phaân boá cho caùc côõ haït D<0.074mm, ngöôøi ta ñöôïc caùc ñaát haït mòn (buïi vaø seùt ); vaø ñeå xaùc ñònh caùc chæ tieâu traïng thaùi cuûa loaïi ñaát naøy phuïc vuï cho caùc baøi toaùn veà moái lieân heä ñoä aåm ñoä chaët (noùi ôû muïc §3.2, ngöôøi ta tieán haønh thí nghieäm xaùc ñònh Atterberg veà caùc giôùi haïn loûng vaø deûo ( Giôùi haïn Atterberg). Duïng cuï thí nghieäm Atterberg xaùc ñònh giôùi haïn loûng: Giôùi haïn chaûy hay giôùi haïn loûng laø trò soá ñoä aåm maø taïi ñoù, ñaát baét ñaàu chuyeån traïng thaùi töø deûo sang chaûy (loûng).
23. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng Tính chaát vaät lyù vaø Phaâncô hoïc loaïi cuûa ñaát ñaát 1 3 1 Maët caét Dao goït 2 1 Cheùn ñoàng 3 Cao su cöùng 4 Hình 1-8 Duïng cuï Casagrande ñeå xaùc ñònh chæ tieâu caùc ñoä aåm giôùi haïn Atterberg [2] Ñaát (khoâng caàn nguyeân traïng) ñöôïc nhaøo troän nhieàu laàn, löôïng nöôùc ñoå vaøo ñeå troän ñöôïc ghi chuù caån thaän ñeå ñoái chieáu vôùi ñoä aåm ñöôïc xaùc ñònh baèng phöông phaùp saáy khoâ trong loø veà sau; sau ñoù pheát vaøo duïng cuï noùi treân, chuaån bò tieán haønh laàn thöù nhaát. Sau khi pheát ñaát ñaõ nhaøo troän vaøo cheùn Atterberg (1) noùi treân, ngöôøi ta duøng dao (2) ñeå raïch moät ñöôøng theo truïc 1-1 (xem maët baèng cheùn treân hình 1.1), ñoaïn quay baèng tay caàn (3) ñeå cheùn (1) naâng leân (hôû khoûi ñeá cao su (4) ñoä 10mm ) vaø haï xuoáng, toác ñoä rôi khoaûng 2 laàn/giaây, ñoàng thôøi ñeám soá nhaùt rôi sao cho ñöôøng hôû cuûa ñaát ôû ñaùy cheùn doïc truïc 1-1 baét ñaàu nhaäp laïi vôùi nhau moät ñoä daøi khoaûng 10-20mm. Ghi ra maãu ñaát aáy vaø nhanh choùng chuyeån maãu ñaát aáy ñi xaùc ñònh ñoä aåm, ñöôïc W1. Tieán haønh laøm töông töï nhö vaäy ñeán laàn thöù 3, xaùc ñònh 3 maãu coù 3 ñoä aåm khaùc nhau W1, W2 , W3 , nhö vaäy, ngöôøi ta coù theå veõ ñöôïc ñöôøng thaúng lieân heä ñoä aåm (truïc tung) vaø soá nhaùt ñaäp (truïc hoaønh, tyû leä log) coù töø 3 löôït thí nghieäm treân. Cuoái cuøng , ngöôøi ta ño doùng töø truïc hoaønh taïi trò soá nhaùt ñaäp 25, doùng qua truïc tung seõ xaùc ñònh ñöôïc moät trò soá ñoä aåm, ñöôïc goïi laø giôùi haïn loûng kyù hieäu laø WL (xem hình 1.2). W(%) ← Hình 1-8 Xaùc ñònh trò soá ñoä aåm goïi laø giôùi haïn deûo (töông öùng vôùi trò soá • 25 nhaùt ñaäp • WL(%) a. Thí nghieäm xaùc ñònh giôùi haïn laên hay coøn goïi laø giôùi haïn deûo • ( kyù hieäu laø WP): Soá nhaùt ñaäp (tæ leä Log) 25
24. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng Tính chaát vaät lyù vaø Phaâncô hoïc loaïi cuûa ñaát ñaát Giôùi haïn deûo laø trò soá ñoä aåm maø taïi ñoù, ñaát chuyeån töø traïng thaùi cöùng sang traïng thaùi deûo. Caùch tieán haønh thí nghieäm nhö sau: Ñaát ñöôïc nhaøo troän vôùi löôïng nöôùc (thöôøng khoâng nhieàu nhö ôû thí nghieäm tröôùc veà xaùc ñònh giôùi haïn chaûy). Ngöôøi ta ngaét ra töøng cuïc nhoû vaø tìm caùch se (laên qua laên laïi treân taám kính) caùc cuïc ñoù thaønh que vôùi löïc eùp ñeàu ñaën vöøa ñuû nheï, sôïi töø 6mm ñöôøng kính se thaønh sôïi coù ñöôøng kính ñoä 3mm, chieàu daøi cuûa sôïi chöøng 50-70mm (baèng chieàu roäng caùc ngoùn tay kheùp laïi maø ta duøng ñeå se). Ñeán luùc caùc que ñoù baét ñaàu xuaát hieän caùc ñöôøng nöùt raïn doïc theo thaân cuûa sôïi ñaát ñöôøng kính 3mm ñoù, ngöôøi ta chuyeån ñi xaùc ñònh ñoä aåm, thì ñoä aåm cuûa ñaát taïi traïng thaùi luùc ñoù ñöôïc goïi laø giôùi haïn deûo cuûa ñaát. 2. Tính chaát chòu neùn cuûa ñaát Noùi chung, caùc tính chaát cô hoïc cuûa ñaát laø raát roäng lôùn, coù theå bao goàm caû tính chòu neùn cuûa ñaát. Tuy nhieân ñeå deã theo doõi, ta taùch rieâng tính chòu neùn khoûi tính chaát cô hoïc. • Tính chòu neùn (ñaát dính): 2.1 Ñöôïc khaûo saùt nhôø moät thí nghieäm trong phoøng laø neùn khoâng nôû hoâng treân hoäp neùn OEDOMETER (hình 1-9). 2.1.1 Muïc tieâu thí nghieäm: Laø coù ñöôïc ñöôøng cong quan heä giöõa taûi troïng neùn vaø bieán daïng (i.e, söï bieán ñoåi heä soá roãng töông öùng vôùi töøng caáp taûi troïng neùn), töø ñoù ngöôøi thieát keá coù theå duøng ñuôøng cong naøy ñeå öôùc toaùn ñoä lôùn veà söï luùn cuûa neàn khi chòu taûi troïng. TAÛI Taám ñaù boït Nöôùc (laøm Baõo hoøa maãu) Vaønh theùp boù hoâng maãu ñaát maãu ñaát Hình 1-9: Hoäp neùn OEDOMETER (neùn khoâng nôõ hoâng maãu ñaát)[1] (ÔÛ caáp taûi nhoû, söï neùn roài dôõ taûi laø gaàn nhö ñaøn hoài.) Moät loaïi thí nghieäm khaùc cuõng treân hoäp neùn naøy nhöng neáu theo doõi ñoä luùn cuûa maãu theo thôøi gian, muïc tieâu seõ laø öôùc tính thôøi gian hoaøn taát luùn, öôùc tính ñoä luùn öùng vôùi moät thôøi gian naøo ñoù. Hai muïc tieâu khaùc nhau veà baûn chaát, moät caùi chæ ñeå bieát ñoä lôùn cuûa luùn, caùi kia ñeå bieát thôøi gian hoaøn taát luùn hay ñeå tính ñoä luùn theo thôøi gian. Ñaây laø ñieàu ngöôøi hoïc caàn heát söùc chuù yù. 2.1.2 Trình töï thöïc hieän: Ñaát nguyeân traïng laáy töø loøng ñaát leân ñöôïc baûo quaûn kyõ löôõng ñeå khoâng thay ñoåi ñoä aåm vaø caáu truùc töï nhieân cuûa maãu, ñöôïc ñöa veà phoøng thí nghieäm.
25. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng Tính chaát vaät lyù vaøPhaân cô hoïc loaïi cuûa ñaát ñaát Dao voøng caét ñaát raát caån thaän vaø ñöa vaøo hoäp neùn (hình 2.1), caùc caáp taûi troïng töø 0.05kgf/cm2 trôû leân ñöôïc aùp ñaët leân maãu, vaø theo doõi ñoä luùn (xeïp) thaúng ñöùng cuûa maãu, khi heát luùn môùi ñöôïc taêng leân caáp taûi keá tieáp. Hai taám ñaù boït treân (raát khít vôùi khuoân hoäp neùn) vaø beân döôùi maãu ñaát, trong ñoù taám treân ñöôïc gaù vôùi heä thoáng gia taûi. Caû hai duøng ñeå cho nöôùc trong loã roãng cuûa ñaát thoaùt töï do ra ngoaøi. Voøng boù hoâng coù theå gaên cheát vôùi hoäp neùn hay töï do, maët trong raát trôn laùng ñeå khoâng caûn trôû maãu bieán daïng ñöùng; vaønh naøy coù coâng duïng taïo ra ñieàu kieän bieán daïng hoâng laø zero, tyû soá öùng suaát ñöùng/ngang luùc ñoù seõ laø heä soá aùp löïc ngang ôû traïng thaùi nghæ Ko . Heä soá roãng ban ñaàu cuûa ñaát (traïng thaùi töï nhieân) laø e0. Döôùi taûi troïng p1 heä soá roãng töông öùng laø ε1. Ñöôøng cong σ’~ e ñöôïc laäp goïi laø ñöôøng cong neùn boù hoâng (Hình 1-10). Ngöôøi ta giaûm daàn caùc caáp taûi, seõ veõ ñöôïc moät ñöôøng cong khaùc goïi laø ñöôøng cong giaûm taûi. Ta coù theå thaáy raèng hai ñöôøng cong taêng taûi vaø giaûm taûi khoâng truøng nhau. Ñoä doác laø Cc e e σ ’ Logσ ’ Hình 1-10: Ñöôøng cong neùn boù hoâng; Truïc hoaønh theo a) öùng suaát höõu hieäu σ’; b) Logσ’ 2.2 Heä soá neùn luùn cuûa moät loaïi ñaát: Ñöôïc ñònh nghóa laø heä soá goùc cuûa ñöôøng cong thí nghieäm neùn luùn. Trò soá naøy caøng lôùn thì ta noùi laø ñaát bieán daïng caøng nhieàu döôùi taùc duïng cuûa taûi troïng. Trò soá cuûa a töø 0.005 ñeán 0.01 (cm2/ kgf) laø tính neùn luùn vöøa, coøn a > 0.1 thì tính neùn luùn raát lôùn e − e a =1 2 (thöù nguyeân [chieàu daøi]2/[Löïc] ) (1-6) σ 2 −σ 1 Coâng thöùc naøy seõ ñöôïc duøng ñeå tính ñoä luùn cuûa neàn ñaát trong moät soá tröôøng hôïp rieâng, chaúng haïn nhö dieän chòu taûi >> chieàu daøy lôùp chòu neùn). Löu yù trò höõu hieäu cuûa öùng suaát (maãu soá) 2.3 Heä soá neùn theå tích mV: Ñöôïc ñònh nghóa laø söï thay ñoåi theå tích moãi ñôn vò theå tích treân moãi ñoä taêng ñôn vò aùp löïc höõu 2 hieäu (seõ hoïc sau). mV coù thöù nguyeân nghòch ñaûo cuûa aùp löïc (thí duï : ñôn vò laø cm /N) 1 e0 − e1 1 H 0 - H1 mv = = (1-7) 1+ e0 σ 1 −σ 0 H 0 σ 1 - σ 0 Trò soá naøy khoâng phaûi haèng soá theo loaïi ñaát maø tuøy thuoäc vaøo khoaûng giaù trò phaân boá öùng suaát ñang xeùt (ñoä gia taêng öùng suaát neùn thöôøng laáy xaáp xæ 10T/m2).
26. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng Tính chaát vaät lyù vaøPhaân cô hoïc loaïi cuûa ñaát ñaát 2.4 Chæ soá neùn CC (khoâng thöù nguyeân): Ñaây laø moät thoâng soá quan troïng trong tính toaùn ñoä luùn coâng trình vì noù noùi leân ñoä lôùn cuûa ñoä luùn sau khi hoaøn taát coá keát cô sôû. Thoâng soá naøy khoâng phaûn aûnh coá keát thöù caáp coù lieân quan ñeán töø bieán (tính chaát töø töø bieán daïng cuûa ñaát döôùi taûi troïng keùo daøi). Ñôn giaûn, chæ soá neùn gioáng nhö heä soá neùn a (coâng thöùc (1-6) khi bieåu thò aùp löïc neùn ñöôïc bieåu thò theo truïc log10 (Coù theå laáy ôû phaàn tuyeán tính cuûa ñöôøng cong e-Logσ, thí duï caáp aùp löïc 0 -2) e0 - e 2 CC = (1-8) Log(σ 2 /σ 0 ) 2.5 Moñuyn toång bieán daïng: Ñaát khoâng chæ coù bieán daïng ñaøn hoài, maø coøn bieán daïng deûo. Vì vaäy, neáu loaïi tröø ñöôïc bieán daïng deûo, Moâñuyn bieán daïng trôû thaønh moâñuyn ñaøn hoài (ñoái vôùi ñaát, ñieàu naøy raát ít xaûy ra) . Noùi caùch khaùc, khi bieán daïng khoâng tuyeán tính, ngöôøi ta söû duïng moâ ñuyn bieán daïng. • Tính chaát coá keát (khi coù söï thoaùt nöôùc loã roãng trong ñaát dính): Ñoä luùn thöôøng xuyeân keùo daøi theo thôøi gian lieân quan ñeán söï thoaùt nöôùc khoûi loã roãng cuûa ñaát coù heä soá thaám nhoû (heä soá thaám k ~ töø a.10-5 ñeán a.10-7 kg/cm). Cho neân, caàn tìm hieåu veà heä soá thaám tröôùc. 2.5 Xuaát phaùt ñieåm cuûa vaán ñeà coá keát ñaát: Ñoù laø Ñònh luaät thaám cuûa Darcy (cho doøng chaûy taàng qua loã roãng cuûa ñaát) v = q/A = k.i Trong ñoù, i laø gradien thuûy löïc, coøn k laø heä soá thaám; v laø vaän toác doøng löu qua tieát dieän toaøn boä A. Heä soá thaám k thì coù theå töø coâng thöùc lieân quan ñeán côõ haït hoaëc xaùc ñònh töø hieän tröôøng giôùi thieäu ôû chöông sau. Tuy nhieân, löu toác thöïc söï cuûa nöôùc trong loã roãng phaûi chia cho ñoä roãng do khoâng phaûi dieän tích toaøn boä (ñaõ chuù yù ôû ñoaïn treân), maø laø dieän tích troáng (xem hình 2.3) Loã roãng A v = n A > v = n vthöïc ( n laø ñoä roãng = e/1+e) ( nghóa laø. vthöïc lôùn hôn v ) Hình 2-3:Söï löu cuûa nöôùc chæ qua dieän tích troáng Haït Söï thaám qua ñaát ñöôïc giôùi thieäu trong moät phaàn lôùn cuûa chöông 2 seõ noùi phía sau. 2.6 Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán tính thaám cuûa ñaát: CAÙT Heä soá thaám cuûa caùt phuï thuoäc raát nhieàu vaøo hình daïng (haèng soá CHD), ñöôøng kính 3 2 γ e haït DS vaø heä soá roãng e theo coâng thöùc sau: k = D C (1-9) S µ 1+ e HD
27. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng Tính chaát vaät lyù vaø Phaâncô hoïc loaïi cuûa ñaát ñaát Löu yù : Caùt khoâng bò söï caûn trôû cuûa maøng nöôùc keát hôïp. Cho neân muoán giaûm tính thaám cuûa ñaát, coù khi chæ caàn pha theâm haït mòn vaøo. SEÙT Tính thaám cuûa Seùt thì hoaøn toaøn khaùc vôùi caùt, do: - Caáu truùc vi moâ cuûa caùc haït seùt coù daïng “saép dóa”; - Lôùp nöôùc maøng moûng bao quanh haït, caûn trôû nöôùc töï do (thu heïp dieän tích löu qua). - Thöïc nghieäm cho thaáy raèng : Ñoái vôùi ñaát haït mòn noùi chung, coù moái quan heä tuyeán tính giöõa (Log k) vaø heä soá roãng (trang 116 saùch cuûa Taylor). Baèng vieäc taùi laëp caùc nghieân cöùu thöïc nghieäm veà moái quan heä naøy cho ñòa chaát VN, caùc sinh vieân coù theå töï tìm ra keát quaû rieâng. - Theo chieàu song song vôùi caùc lôùp ñòa taàng, heä soá thaám thöôøng lôùn hôn k theo chieàu vuoâng goùc vôùi caùc lôùp ñòa taàng. - Maøng nöôùc daøy leân, thöôøng do söï trao ñoåi ion Na+ . Muoán laøm taêng tính thaám, phaûi theâm vaøo caùc chaát ñieän giaûi hoaït tính cao, seõ laøm caùc haït nhoû keát laïi thaønh maûng lôùn hôn > gia taêng loã roãng. 2.7 Gradien thuûy löïc ban ñaàu trong ñaát seùt: Chæ khi gradien thuûy löïc > moät trò soá nhaát ñònh naøo ñoù (goïi laø gradien thuûy löïc ban ñaàu io ) thì doøng thaám môùi sinh ra ( Hình 2.4a ). Moät haït ñaát seõ chòu caùc löïc cuûa doøng thaám vaø ñaåy noåi (hình 2.4b) Löïc ñaåy noåi A v • 3 (Löïc Archimede) Ñöôøng doøng Chæ khi i > iO⇒ coù doøng • 2 thaám xuaát hieän i iO Löïc thaám S i’O Hình 2.4:a) Ñieàu kieän ñeå phaùt sinh doøng thaám;b) Löïc taùc ñoäng leân haït ñaát. 2.8 Quaù trình coá keát ñaát dính no nöôùc : Ta chæ hoïc veà lyù thuyeát coá keát thaám cuûa Terzaghi, theo ñoù: (1) aùp löïc nöôùc loã roãng giaûm daàn; (2) aùp löïc do taûi ngoaøi taêng daàn, truyeàn leân boä khung caùc haït ñaát, tì choáng leân nhau, ñöôïc goïi laø aùp löïc höõu hieäu, seõ ñöôïc nghieân cöùu tæ mæ ôû caùc chöông 3. 2.9 Heä soá coá keát Cv: Trong lyù thuyeát coá keát cuûa Terzaghi, ngöôøi ta kyù hieäu heä soá coá keát CV k(1+ e) 2 CV = ( thöù nguyeân [chieàu daøi (m) ] / [ thôøi gian(naêm)] ) (1-10) aV γ W CV giuùp ñaùnh giaù thôøi gian bao laâu thì hoaøn taát moät % ñònh tröôùc cuûa ñoä luùn coá keát (chöông 4).
28. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng Tính chaát vaät lyù vaø Phaâncô hoïc loaïi cuûa ñaát ñaát Hai ñaïi löôïng CC vaø CV giuùp ñaùnh giaù khaù hoaøn chænh veà caùc vaán ñeà chuû yeáu lieân quan ñeán ñoä luùn cuûa neàn coâng trình (seõ hoïc sau ôû chöông 4). • Moái lieân heä cô hoïc giöõa aùp löïc vaø heä soá roãng coøn tuøy thuoäc vaøo lòch söû öùng suaát: Do coù moät soá loaïi seùt trong quaù khöù voán ñaõ chòu aùp löïc neùn > aùp löïc chòu taïi thôøi ñieåm hieän nay. Ñaát ñoù goïi laø ñaõ coá keát tröôùc, coù nhieàu nguyeân nhaân giaûi thích cho hieän töôïng naøy. 3. Tính chaát cô hoïc cuûa ñaát • Ñoä beàn (khaû naêng choáng caét, ñoä beàn thöøa dö): Laø tính chaát heát söùc quan troïng trong tính toaùn cô ñaát vaø neàn moùng coâng trình. Ñoä beàn (coøn goïi laø söùc choáng caét) ñöôïc hôïp thaønh töø söùc chòu ma saùt beân trong caùc haït khi chòu taûi troïng vaø löïc dính giöõa caùc haït ñaát, coù thöù nguyeân cuûa öùng suaát ([Löïc]/ [dieän tích] thí duï : kN/m2). Coù 2 caùch xaùc ñònh ñoä beàn cuûa ñaát : baèng thí nghieäm trong phoøng hoaëc hieän tröôøng. (i) Troïn goùi, thöôøng kyù hieäu laø su (Ñaây laø xu höôùng nghieân cöùu cô hoïc ñaát hieän ñaïi) (ii) Taùch ra hai thaønh phaàn: löïc dính ñôn vò (C ) vaø löïc ma saùt trong (σ tanϕ ); τf = su = C + σ. tanϕ (1-11) Löu yù löïc dính (Cohesion) vaø ma saùt trong (internal friction) neâu treân laø giöõa vaät lieäu ñaát vôùi ñaát; khi xeùt löïc dính giöõa ñaát vôùi vaät lieäu khaùc nhö theùp hay beâtoâng, ta phaûi duøng löïc dính baùm beát (adhesion) vaø goùc ma saùt ngoaøi (extermal friction angle), ñeàu laø moät phaàn traêm naøo ñoù cuûa löïc dính vaø goùc ma saùt trong. Ñeå xaùc ñònh C vaø tanϕ, trong phoøng thí nghieäm ngöôøi ta tieán haønh • Caét tröïc tieáp ñaát; • Caét ñôn giaûn maãu ñaát baèng voøng xoaén bao quanh maãu; • Neùn treân maùy neùn 3 truïc cho ñeán khi phaù hoaïi maãu; • Neùn ñôn truïc khoâng boù hoâng, xaùc ñònh qu. Treân thöïc ñòa, coù nhieàu caùch ñeå xaùc ñònh ñoä beàn choáng caét cuûa ñaát, coù theå keå: • Caét caùnh (vane test); • Caét ñaát trong hoá theo hieän tröôøng • Baøn neùn hieän tröôøng • Ñoä beàn neùn cuûa neàn ñöôøng boä, saân bay, baõi : Trong ngaønh ñöôøng loä, hoaëc khi phaûi thieát keá neàn baõi cuûa coâng trình kho xöôûng nhòp lôùn ngöôøi ta coù khi söû duïng moät chæ soá goïi laø chæ soá söùc chòu CBR (chöõ vieát taét cuûa California Bearing Ratio). Moät caùch ngaén goïn, Neùn ño chæ soá CBR coù theå ñöôïc tieán haønh baèng caùch neùn thaâm nhaäp moät noøng pixtoâng ñöôøng kính 55mm xuoáng neàn, toác ñoä aán 1.27mm/phuùt cho luùt vaøo ñaát moät ñoaïn 5,08mm (toång haønh trình ñeán 15mm); ño aùp löïc luùc ñoù vaø so vôùi caùch laøm töông töï nhöng vôùi ñaù vuïn, 10,3 Mpa, tyû soá ñoù laø CBR. • Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán cô tính cuûa ñaát
29. Ñaëc tröng cô baûn cuûa ñaát xaây döïng Tính chaát vaät lyù vaøPhaân cô hoïc loaïi cuûa ñaát ñaát Do coù hai loaïi ñoái töôïng ñaát laø (1) Ñaát töï nhieân laøm neàn cuûa coâng trình; (2) Coâng trình laøm baèng ñaát, nhaân taïo (con ngöôøi cheá taïo laïi ñaát töï nhieân) trong boái caûnh coâng trình chòu taùc ñoäng cuûa moâi tröôøng. Coù moät soá yeáu toá aûnh höôûng ñeán tính chaát cô hoïc cuûa ñaát, coù theå keå vaén taét nhö sau: - Töø loaïi ñaát: ñaát rôøi vaø ñaát dính (söï phaân boá khaû naêng tieáp thuï taûi troïng khaùc nhau); - Aûnh höôûng cuûa rung ñoäng, ñoäng ñaát, tính luùn suït hoaëc tröông nôû; - Luõ luït, möa luõ keùo daøi (ñoä aåm daãn ñeán giaûm thieåu ñoä beàn) - Hoùa chaát lan truyeàn trong loøng ñaát (OÂ nhieãm) - Nhöõng phöông phaùp nghieân cöùu toång quaùt khaùc nhau seõ cho ra trò soá ñoä beàn khaùc nhau (maãu ñem nghieân cöùu khoâng ñaïi dieän). 4. Tính löu bieán cuûa ñaát Coù theå neâu leân hai tính löu bieán chính: Töø bieán laø söï bieán daïng cuûa söôøn caáu truùc theo thôøi gian khi taûi troïng khoâng thay ñoåi, coù theå döôùi taûi troïng neùn hoaëc caét. Tính chuøng öùng suaát (relaxation) laø quaù trình suït giaûm öùng suaát trong ñaát döôùi moät bieán daïng khoâng thay ñoåi. Caû hai coù lieân quan ñeán caùc lieân keát dính nhôùt giöõa caùc phaàn töû cuûa söôøn caáu truùc. Thaûo luaän: Döôùi caùc taûi troïng lôùn voâ haïn, ñaát laïi coù moät ñoä beàn nhaát ñònh, goïi laø ñoä beàn daøi haïn. Trong ñieàu kieän giaùo trình naøy, khoâng ñi saâu trình baøy vaán ñeà naøy, chæ giôùi thieäu.
30. Doøng thaám Tính thaám vaø söï thaám CHÖÔNG 2 DOØNG LÖU CUÛA NÖÔÙC TRONG ÑAÁT – TÍNH THAÁM VAØ SÖÏ THAÁM Muïc tieâu cuûa chöông naøy: - Bieát cô cheá hình thaønh doøng löu trong ñaát khi coù söï thaám. Söï phaùt sinh doøng thaám trong ñaát tuøy thuoäc vaøo loaïi ñaát. Bieát caùch xaùc ñònh heä soá thaám vaø caùch döïng löôùi thaám baèng ñoà giaûi Casagrande ñeå tính toaùn löu löôïng vaø aùp löïc cuûa doøng thaám trong ñaát. - Hieåu : doøng thaám aûnh höôûng leân öùng suaát höõu hieäu (laø ñaïi löôïng chuû yeáu trong caùc tính toaùn veà ñoä luùn, thôøi gian hoaøn taát luùn, löïc ñaåy noåi taùc duïng leân ñeâ ñaäp coâng trình thuûy, vaø heä soá aùp löïc hoâng ). Doøng thaám trong ñaát noùi chung gaây ra aûnh höôûng baát lôïi cho neàn coâng trình nhaân taïo hay maùi doác töï nhieân. - Laøm ñöôïc gì sau khi hoïc xong chöông naøy ? Ño ñöôïc aùp löïc nöôùc loã roãng cuûa ñaát baèng oáng ñöùng hôû (piezometer); Tính ñöôïc aùp löïc ñaåy noåi döôùi caùc coâng trình ñeâ ñaäp, töôøng cöø chaén ñaát hoá ñaøo, ñaùnh giaù nguy cô buøng neàn do xuaát hieän doøng thaám Ngöôøi hoïc tính toaùn ñöôïc öùng suaát höõu hieäu trong caùc loaïi ñaát khaùc nhau, phaân tích ñeå lieät keâ ñöôïc moät caùch ñaày ñuû vaø ñònh löôïng trò soá aùp löïc do doøng thaám xung quanh hoá moùng, neàn coâng trình thuûy lôïi daân duïng vaø caàu ñöôøng § 1. DOØNG LÖU CUÛA NÖÔÙC TRONG ÑAÁT – TÍNH THAÁM 1. Moät soá khaùi nieäm ban ñaàu veà doøng löu trong ñaát Ñaát laø moät moâi tröôøng 3 pha (raén loûng vaø khí), coù loã roãng giöõa caùc haït vaø nöôùc töï do coù theå löu qua caùc loã roãng naøy töø ñieåm coù naêng löôïng cao sang ñieåm coù naêng löôïng thaáp (theá naêng). Chuùng ta seõ hoïc nhöõng öùng suaát trong ñaát, khi chòu hay khoâng chòu söï chi phoái cuûa söï löu cuûa nöôùc töï do qua loã roãng cuûa ñaát. 1.1 Taïi sao caàn hoïc söï löu cuûa nöôùc trong moâi tröôøng roãng? - Ñeå öôùc tính löôïng doøng thaám döôùi ñaát - Ñeå xaùc ñònh löôïng nöôùc coù theå thoaùt ra töø döôùi neàn coâng trình thuûy (ñeâ ñaäp), hoá moùng. - Ñeå xaùc ñònh aùp löïc nöôùc loã roãng (pore water pressure)/ öùng suaát höõu hieäu do troïng löôïng baûn thaân cuûa ñaát (effective geostatic stresses). - Ñeå xaùc ñònh söï thay ñoåi theå tích trong caùc lôùp ñaát (coá keát ñaát _ soil consolidation) vaø ñoä luùn cuûa neàn moùng. 1.2 Doøng löu cuûa nöôùc trong ñaát phuï thuoäc vaøo: 1- Ñoä roãng cuûa ñaát 2- Loaïi ñaát (Côõ haït vaø ñoä leøn chaët giöõa caùc haït – particle shape - degree of packing) 3- Ñoä nhôùt cuûa löu chaát trong ñaát - Nhieät ñoä –Nhöõng thaønh phaàn hoùa hoïc; 4- Söï cheânh leäch veà naêng löôïng theå hieän baèng coät nöôùc toång coäng (chieàu cao coät nöôùc toång coäng laø toång cuûa caùc chieàu cao Coät nöôùc aùp löïc+ Coät nöôùc vaän toác (velocity head) + Coät nöôùc ñoä cao (Elevation head )