Tài liệu Cơ học đất nâng cao

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN ĐỊA KỸ THUẬT BÀI GIẢNG CƠ HỌC ĐẤT NÂNG CAO Trịnh Minh Thụ Hoàng Việt Hùng Năm 2012 1 MỤC LỤC: CHƯƠNG 1. TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT ....................................................... 3 1.1. Mở đầu...................................................................................................................................... 3 1.2. Phân bố cỡ hạt ........................................................................................................................ 3 1.3. Giới hạn cỡ hạt đất ................................................................................................................. 5 1.4. Các quan hệ trọng lượng - thể tích ....................................................................................... 6 1.5. Độ chặt tương đối ................................................................................................................... 9 1.6. Các giới hạn Atterberg ......................................................................................................... 11 1.7 Các hệ phân loại đất .............................................................................................................. 12 CHƯƠNG 2. TÍNH THẤM NƯỚC CỦA ĐẤT ...................................................... 21 2.1 Định luật thấm Darcy ............................................................................................................ 21 2.2. Thấm ổn định ......................................................................................................................... 24 2.3. Ứng suất hiệu quả ................................................................................................................ 26 2.4. Cố kết..................................................................................................................................... 29 CHƯƠNG 3. XÁC ĐỊNH ĐỘ LÚN CỦA NỀN.................................................... 34 3.1. Tính toán độ lún cố kết ban đầu .......................................................................................... 34 3.2. Tốc độ cố kết theo thời gian ................................................................................................ 35 3.3. Độ cố kết do gia tải tăng dần ............................................................................................... 41 CHƯƠNG 4. TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT ....................................................... 44 4.1. Độ bền chống cắt .................................................................................................................. 44 4.2. Thí nghiệm nén không hạn hông ......................................................................................... 49 4.3. Các đường ứng suất ............................................................................................................. 51 4.4. Cường độ kháng cắt của đất cát ......................................................................................... 65 4.5. Những đặc trưng ứng suât - biến dạng và cường độ của đất dính bão hoà .................. 89 CHƯƠNG 5. KHÁI NIỆM VỀ CƠ HỌC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA & TRẠNG THÁI TỚI HẠN CỦA ĐẤT .......................................................................................... 132 5.1. Khái niệm về cơ học đất không bão hòa .......................................................................... 132 5.2. Trạng thái tới hạn của đất ................................................................................................. 145 MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP ÔN ........................................................................... 162 2 CHƯƠNG 1. TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 1.1. Mở đầu Khi thiết kế nền móng công trình như nhà ở, cầu đường và đê đập thường cần các kiến thức về (a) tải trọng truyền từ kết cấu phần trên xuống hệ móng (b) điều kiện địa chất đất nền (c) tính chất ứng suất - biến dạng của đất mang hệ móng và (d) yêu cầu của các quy tắc, quy phạm, tiêu chuẩn… xây dựng. Đối với kỹ sư nền móng, hai yếu tố (b) và (c) là vô cùng quan trọng vì chúng thuộc lĩnh vực cơ học đất. Các tính chất địa kỹ thuật của một loại đất như phân bố cỡ hạt, tính dẻo, tính nén ép và tính chống cắt, có thể xác định được từ trong phòng thí nghiệm. Trong thời gian gần đây đã nhấn mạnh tới việc xác định hiện trường các tính chất về độ bền và tính biến dạng của đất, vì quá trình này tránh được sự xáo động mẫu đất khi khảo sát hiện trường. Tuy nhiên, trong những điều kiện nhất định, không phải tất cả các thông số cần thiết đều có thể xác định được vì điều kiện kinh phí. Trong những trường hợp như vậy, người kỹ sư phải có những giả định về các tính chất của đất. Để có được độ chính xác các thông số của đất - dù là chúng được xác định trong phòng hay hiện trường hoặc được giả định - người kỹ sư phải hiểu thấu đáo những nguyên lý cơ bản của cơ học đất. Đồng thời phải thấy rằng phần lớn các công trình xây dựng trên đất trầm tích không đồng chất. Do vậy, người kỹ sư phải có một sự hiểu biết thấu đáo về địa chất của khu vực, đó là nguồn gốc và bản chất của địa tầng cũng như các điều kiện địa chất thuỷ văn... Kỹ thuật nền móng là một sự phối hợp khéo léo của cơ học đất, địa chất công trình, và suy đoán riêng có được từ kinh nghiệm thực tế. Ở một mức độ nào đó, kỹ thuật nền móng có thể được gọi là một lĩnh vực nghệ thuật. Khi xác định loại móng nào là kinh tế nhất, người kỹ sư phải xem xét tải trọng của kết cấu phần trên, điều kiện đất nền và độ lún cho phép. Nói chung, có thể phân các móng nhà và cầu làm hai loại chủ yếu sau: (1) móng nông và (2) móng sâu. Trong hầu hết loại móng nông, độ sâu đặt móng có thể đều bằng hoặc nhỏ hơn từ ba đến bốn lần chiều rộng móng. Móng cọc và móng đúc tại chỗ thuộc loại móng sâu. Chúng được chọn dùng khi lớp phần trên có sức chịu tải thấp và khi dùng móng nông sẽ gây hư hại lớn hoặc mất ổn định kết cấu công trình. Chương này chủ yếu là ôn lại những tính chất địa kỹ thuật cơ bản của đất, bao gồm các vấn đề về phân bố cỡ hạt, tính dẻo, phân loại đất… 1.2. Phân bố cỡ hạt Trong bất kỳ khối đất nào, cỡ hạt thường thay đổi rất lớn. Để phân loại đất được hợp lý, ta phải biết được phân bố cỡ hạt của nó. Phân bố cỡ hạt của đất hạt thô thường được xác định bằng phương pháp phân tích rây. Đối với đất hạt mịn, phân bố cỡ hạt được xác định bằng phân tích tỷ trọng kế. Mục này giới thiệu đặc điểm cơ bản của các phân loại trên. Có thể xem mô tả chi tiết hơn trong các sổ tay thí nghiệm đất trong phòng (Das, 2002). Phân tích bằng phương pháp rây Phân tích rây được thực hiện bằng cách lấy một lượng đất khô, vụn rời cho qua một bộ rây có lỗ nhỏ dần, dưới đáy có một khay hứng. Cân và xác định phần trăm luỹ tích lượng đất được giữ lại trên mỗi rây. Phần trăm này thường được gọi là phần trăm hạt nhỏ hơn (percent finer). Bảng 1.1 trình bày cỡ bộ rây Hoa kỳ. Bộ rây này thường được dùng phân tích đất cho phân loại. 3 Bảng1.1. Cỡ rây tiêu chuẩn Hoa Kỳ Rây số 4 6 8 10 16 20 30 40 50 60 80 100 140 170 200 270 Lỗ rây 4.750 3.350 2.360 2.360 1.180 0.850 0.600 0.425 0.300 0.250 0.180 0.150 0.106 0.088 0.075 0.053 (mm) Phần trăm hạt nhỏ hơn (theo khối lượng) Hình 1.1 Cho đường cong bán log, xác định theo phân tích rây, biểu thị quan hệ giữa phần trăm khối lượng nhóm hạt có kích thước nhỏ hơn D theo thang số học với đường kính D theo thang logarit. Cỡ hạt, D (mm) Hình 1.1. Đường phân bố cỡ hạt đất hạt thô từ phân tích bằng phương pháp rây Từ đường cong phân bố cỡ hạt có thể xác định hai thông số của đất hạt thô: (1) hệ số đồng đều (C u ) và (2) hệ số cấp phối hay hệ số độ cong (C c ), được biểu thị lần lượt như sau: D Cu = 60 (1.1) D10 D302 Cc = ( D60 )( D10 ) và (1.2) Trong đó: D 10 , D 30 và D 60 theo thứ tự là các đường kính tương ứng với các phần trăm các hạt nhỏ hơn 10%, 30% và 60%. Theo đường cong phân bố cỡ hạt nêu trên hình 1.1, D 10 = 0,08mm, D 30 = 0,17mm, và D 60 = 0,57mm. Như vậy các giá trị C u và C c là Cu = Cc = 0,57 = 7,13 và 0,08 ( 0 ,17 ) 2 (0 , 57 )(0 , 08 ) = 0,63 Các thông số C u và C c được dùng trong hệ phân loại đất thống nhất (USC) sẽ được nêu sau này. 4 Phân tích bằng phương pháp tỷ trọng kế Phân tích tỷ trọng kế dựa trên nguyên lý lắng đọng của các hạt đất trong nước. Thí nghiệm này cần dùng 50 gam bột đất khô cho vào 125cc tác nhân phá keo, thường dùng nhất là sodium hexametaphosphate 4%. Đất được ngâm ít nhất là 16 giờ trong tác nhân phá keo. Sau khi ngâm, đổ thêm nước cất vào hỗn hợp đất - tác nhân phá keo rồi lắc kỹ. Sau đó đổ mẫu đất vào ống lường thuỷ tinh 1000 ml. Cho thêm nước cất vào ống lường tới vạch 1000 ml rồi lại lắc kỹ hỗn hợp. Thả một tỷ trọng kế vào ống lường để đo tỷ trọng của thể vẩn đất - nước quanh nó trong khoảng thời gian thường trên 24 giờ (hình 1.2). Các tỷ trọng kế được hiệu chỉnh để thấy được lượng hạt đất vẫn lơ lửng ở bất kỳ thời gian nào đã quy định. Đường kính lớn nhất của các hạt đất vẫn còn ở thể vẩn tại thời điểm t có thể được xác định bằng luật Stoke. 18η (Gs − 1)γ w D= L t (1.3) Trong đó: D = đường kính hạt đất G s = tỷ trọng của hạt đất η = độ nhớt của nước γ w = trọng lượng đơn vị của nước L = độ dài hiệu quả (độ dài đo từ mặt nước trong ống lường đến tâm tỷ trọng kế; xem hình 1.2) t = thời gian H×nh 1.2. Ph©n tÝch tû träng kÕ Những hạt đất có đường kính lớn hơn những hạt tính theo phương trình 1.3 có thể lắng ngoài vùng đo. Theo đó, nhờ số đọc trên tỷ trọng kế lấy tại các thời điểm khác nhau có thể tính được phần trăm những hạt nhỏ hơn một đường kính D đã cho và từ đó vẽ được đường phân bố cỡ hạt. Vậy có thể kết hợp kỹ thuật rây và tỷ trọng kế đối với đất có cả thành phần hạt thô và mịn. 1.3. Giới hạn cỡ hạt đất Nhiều tổ chức đã căn cứ vào các cỡ hạt có trong đất để nêu lên giới hạn các cỡ hạt sỏi - sạn (gravel), cát (sand), bụi (silt) và sét (clay). Bảng 1.2 biểu thị các giới hạn kích cỡ do Hiệp hội các Cơ quan Đường bộ và Giao thông Quốc gia Hoa kỳ (AASHTO) và Hệ phân loại đất thống nhất (USC) do ba cơ quan (Quân đoàn kỹ sư, bộ Quốc phòng, và Cục Cải tạo đất) khuyến nghị. Bảng này cho thấy các hạt nhỏ hơn 0.002 mm được xếp vào loại sét. Tuy nhiên, sét tự nhiên có tính dính và có thể cuốn lại thành ống khi ướt. Tính chất này gây ra bởi sự có mặt của các khoáng vật sét như kaolinite, illite, và montmorillonite. Ngược lại, một số khoáng vật như quartz và feldspar có thể có trong loại 5 đất hạt nhỏ như các khoáng vật sét, nhưng những hạt này không có tính dính như các khoáng vật sét. Do vậy, chúng được gọi là các hạt cỡ hạt sét, mà không phải là các hạt sét. Bảng 1.2. Giới hạn các cỡ hạt Hệ phân loại Thống nhất (USC) AASHTO Cỡ hạt (mm) Sỏi - sạn: 75 mm ÷ 4.75 mm Cát: 4.75 mm to 0.075 mm Bụi và sét (hạt mịn): < 0.075 mm Sỏi - sạn: 75 mm ÷ 2mm Cát: 2 mm to 0.05 mm Bụi: < 0.05 mm ÷ 0.002 mm Sét: < 0.002 mm 1.4. Các quan hệ trọng lượng - thể tích Trong tự nhiên đất là một hệ ba pha, bao gồm các hạt rắn, nước và không khí (hoặc khí). Để lập các quan hệ trọng lượng - thể tích, có thể tách riêng ba pha như nêu trên hình 1.3a. Dựa trên sơ đồ đó có thể thiết lập các quan hệ nêu trên. Hệ số rỗng e là tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng và thể tích hạt rắn của đất trong một khối đất đã cho hay V e= v (1.4) Vs Thể tích Va Không khí Vw Nước Vs Hạt rắn Vv W Ư V Trọng lượng Thể tích Trọng lượng Wa = 0 Ww Ws (a) Chú ý: Vw = wGs = Se Trọng lượng Thể tích Va Không khí Vv = e Vw = wGs Vs = 1 Nước Hạt rắn Trọng lượng Thể tích Wa = 0 Vw = wGs = e Ww = wGsγw Ws = Gsγw Vs = 1 Nước Ww = wGsγw = eγw Hạt rắn (c) Đất bão hoà: Vs = 1 (b) Đất không bão hoà: V = 1 Hình 1.3 Các quan hệ trọng lượng - thể tích trong đó: V v = thể tích lỗ rỗng; V s = thể tích hạt rắn của đất 6 Ws = Gsγw Độ rỗng, n, là tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng với thể tích mẫu đất, hay V n= v V trong đó: V - tổng thể tích của đất Vv Vs Vv Vv e n= = = = V Vs + Vv Vs + Vv 1 + e Vs Vs Hơn nữa (1.5) (1.6) Độ bão hoà, S, là tỷ số giữa thể tích nước trong lỗ rỗng với thể tích lỗ rỗng, thường biểu thị theo phần trăm, hay V S (% ) = w × 100 (1.7) Vn Trong đó: V w = thể tích nước Chú ý rằng, đối với các đất bão hoà, độ bão hoà là 100%. Các quan hệ trọng lượng là độ ẩm, trọng lượng đơn vị ẩm, trọng lượng đơn vị khô, và trọng lượng đơn vị bão hoà, thường được định nghĩa như sau: Độ ẩm = w(% ) = Ww × 100 Ws Trong đó W s = trọng lượng hạt rắn của đất; W w = trọng lượng nước W Trọng lượng đơn vị ẩm = γ = V Trong đó W = tổng trọng lượng của mẫu đất = W s + W w (1.8) (1.9) Trọng lượng khí, W a , trong khối đất giả định không đáng kể. W Trọng lượng đơn vị thể tích khô (1.10) γd = s V Khi mẫu đất hoàn toàn bão hoà (nghĩa là nước chiếm toàn bộ lỗ rỗng), trọng lượng đơn vị (TLĐV) ẩm của đất [PT. (1.9)] bằng TLĐV bão hoà (γ sat ). Vậy γ = γ sat nếu V v = V w. Bây giờ có thể lập các quan hệ tiện dụng hơn bằng cách coi một mẫu đất đại biểu trong đó phần hạt rắn lấy bằng đơn vị, như nêu trong Hình 1.3b. Chú ý rằng nếu V = 1, thì, từ PT. (1.4), V v = e và trọng lượng hạt rắn là Ww = Gs γw Trong đó G s = tỷ trọng hạt rắn của đất γ w = TLĐV của nước (9,81 kN/m3 , hay 62.4 lb/ft3) Cũng vậy, từ PT. (1.8), trọng lượng của nước W w = wWs . Như vậy, đối với mẫu đất xét, W w = wW s = wG s γ w . Bây giờ, đối với quan hệ tổng quát của TLĐV ẩm cho trong PT. (1.9), W W + Ww Gsγ w (1 + w) γ= = s = 1+ e V Vs + Vv (1.11) Tương tự, TLĐV khô [PT (1.10)] là : γd = 7 Ws Ws Gγ = = s w V Vs + Vv 1 + e (1.12) Từ các PT (1.11) và (1.12), chú ý rằng γd = γ 1+ w (1.13) Nếu mẫu đất hoàn toàn bão hoà, như nêu trên hình 1.3c thì V v = e. Cũng vậy đối với trường hợp này, Như vậy, Vv = Ww γw = wGsγ w γw = wGs e = wG s (chỉ đối với đất bão hoà) (1.14) và trọng lượng đơn vị bão hoà của đất là γ sat = Ws + Ww Gsγ w + eγ w = Vs + Vv 1+ e (1.15) Quan hệ tương tự như PT (1.11), (1.12), và (1.13) tính theo tính rỗng cũng có thể nhận được xét theo mẫu đất biểu thị với thể tích đơn vị. Các quan hệ đó như sau γ = Gsγ w (1 − n )(1 + w) (1.16) γ d = (1 − n )Gsγ w (1.17) γ sat = [(1 − n )Gs + n]γ w (1.18) Trừ bùn và đất có hàm lượng hữu cơ cao, phạm vi chung các giá trị tỷ trọng hạt đất (G s ) thấy trong tự nhiên thường nhỏ. Bảng 1.3 cho một số giá trị tiêu biểu. Trong thực tế, có thể lấy một giá trị chấp nhận được thay cho việc phải tiến hành thí nghiệm. Bảng 1.3 Tỷ trọng của một số loại đất Loại đất Gs 2,64 ÷ 2,66 2,67 ÷ 2,73 2,70 ÷ 2,90 2,65 ÷ 2,73 1,30 ÷ 1,9 Bụi Sét Đá phấn Hoàng thổ Bùn Bảng 1.4 giới thiệu một số giá trị tiêu biểu về hệ số rỗng, TLĐV khô và độ ẩm (trong trạng thái bão hoà) của một số loại đất thường gặp ở tự nhiên. Chú ý rằng trong hầu hết đất rời, hệ số rỗng biến đổi từ khoảng 0,4 đến 0,8. TLĐV khô của loại đất này thường ở vào khoảng 14 ÷ 19 kN/m3 (90 ÷ 120 lb/ft3) 8 Bảng 1.4. Giá trị tiêu biểu của hệ số rỗng, độ ẩm, TLĐV khô của một số đất Loại đất Hệ số rỗng E Độ ẩm tự nhiên bão hoà (%) 0,8 0,45 0,65 0,4 0,6 0,9 ÷ 1,4 0,9 2,5 ÷ 3,2 0,3 30 16 25 15 21 30 ÷ 50 25 90 ÷120 10 Cát xốp đều hạt Cát chặt đều hạt Cát bụi xốp hạt góc cạnh Cát bụi chặt hạt góc cạnh Sét cứng Sét mềm Hoàng thổ Sét hữu cơ mềm Sét băng TLĐV khô, γ d (kN/m3) (lb/ft3) 14,5 18 16 19 17 11,5 ÷ 14,5 13,5 6÷8 21 92 115 102 120 108 73 ÷ 92 86 38 ÷ 51 134 1.5. Độ chặt tương đối Trong đất hạt rời, độ chặt hiện trường có thể được đo bằng độ chặt tường đối (ĐCTĐ), được xác định như sau: Dr (% ) = emax − e × 100 emax − emin (1.19) Trong đó: e max - hệ số rỗng của đất ở trạng thái xốp nhất; e min - hệ số rỗng của đất ở trạng thái chặt nhất; e - hệ số rỗng hiện trường Các giá trị e max được xác định trong phòng thí nghiệm theo lộ trình thí nghiệm nêu trong Tiêu chuẩn ASTM (2000, D - 4254). Bảng 1.5. Độ chặt của đất hạt rời Độ chặt tương đối (%) 0 ÷ 20 Mô tả Rất xốp rời 20 ÷ 40 Xốp rời 40 ÷ 60 Chặt vừa 60 ÷ 80 Chặt 80 ÷100 Rất chặt Độ chặt tương đối cũng có thể biểu thị theo TLĐV khô, hay  γ d − γ d (min )  γ d (max ) Dr (% ) =  × 100   γ d (max ) − γ d (min )  γ d (1.20) Trong đó: γ d - TLĐV khô hiện trường; γ d(max) - TLĐV khô ở trạng thái chặt nhất; đó là khi hệ số rỗng là e min γ d(min) - TLĐV khô ở trạng thái xốp nhất; đó là khi hệ số rỗng là e max 9 Mức chặt của đất hạt rời đôi khi có quan hệ với độ chặt tương đối. Bảng 1.5 cho tương quan chung của mức độ chặt và D r . đối với cát tự nhiên, độ lớn của e max và e min [PT. (1.19)] có thể biến đổi rộng. Lý do chủ yếu của sự biến đổi rộng đó là ở hệ số đồng đều C u và trạng thái tròn nhẵn hay sắc cạnh của các hạt. Ví dụ 1.1. Một mẫu đất có tính đại diện lấy từ hiện trường có trọng lượng 1,8kN và thể tích là 0,1m3. Độ ẩm xác định trong phòng là 12,6%. Cho G s =2,71, hãy xác định các chỉ tiêu sau: a) TLĐV ẩm; b) TLĐV khô; c) Hệ số rỗng; d) Độ rỗng; e) Độ bão hoà Lời giải: a) TLĐV ẩm. Từ PT. (1.9): W 1,8kN = = 18kN / m 2 V 0,1m 3 γ = γ b) TLĐV khô. Từ PT (1.13) γ d = 1+ w c) Hệ số rỗng. Từ PT. (1.12) γ d = hay: e= d) Độ rỗng. Từ PT. (1.6) n= = 18 = 15,99kN / m 3 12,6 1+ 100 Gs γ w 1+ e Gs γ w γd −1 = (2,71)(9,81) − 1 = 0,66 15,99 e 0,66 = = 0,398 1 + e 1 + 0,66 e) Độ bão hoà. Từ PT. (1.3b) và theo hình 1.3b, ta có: S= Vw wG s (0,126 )(2,71) = = × 100 = 51,7% Vv e 0,66 Ví dụ 1.2. Thí nghiệm một loại đất rời (cát) trong phòng thí nghiệm, tìm được hệ số rỗng lớn nhất và nhỏ nhất theo thứ tự là 0.84 và 0.38. Giá trị G s xác định được là 2.65. Một trầm tích đất tự nhiên cùng loại cát đó có độ ẩm 9% vàTLĐV ẩm là 18,64kN/m3. Xác định độ chặt tương đối của đất tại hiện trường. Lời giải: Từ PT. (1.13) Cũng vậy γd = γd γ 1+ w Gs γ w 1+ e 10 = 18,64 = 17,1kN / m 3 9 !+ 100 e= Hay Từ PT. (1.19) Dr = Gs γ w γd −1 = (2,65)(9,81) − 1 = 0,52 17,1 emax − e 0,84 − 0,52 = = 0,696 = 69,6% emax − emin 0,84 − 0,38 1.6. Các giới hạn Atterberg Khi đất sét được trộn với lượng nước qúa mức, nó có thể chảy như một bán dịch thể. Nếu đất đó được làm khô dần, nó sẽ giống như một vật liệu đàn hồi, nửa cứng hoặc rắn cứng tuỳ thuộc hàm lượng nước chứa trong đó. Độ ẩm, tính theo phần trăm, tại đó đất biến đổi từ trạng thái chảy sang dẻo được định nghĩa là giới hạn chảy (LL). Tương tự, độ ẩm, tính theo phần trăm, tại đó đất biến đổi từ trạng thái dẻo sang nửa cứng và từ nửa cứng sang cứng rắn được định nghĩa theo thứ tự là giới hạn dẻo (PL) và giới hạn co (SL). Những giới hạn này được xem là các giới hạn Atterberg (hình 1.4): • Giới hạn chảy của đất được xác định bằng dụng cụ Casagrande, (ASTM D - 4318), là độ ẩm tại đó độ khép của rãnh khía là 12.7 mm (1/2 in.) xảy ra sau 25 lần đập. • Giới hạn dẻo được quy định là độ ẩm tại đó dây đất vê thành đường kính 3,18mm (1/8 in) (ASTM D - 4318), bị nứt rạn. • Giới hạn co được quy định là độ ẩm tại đó đất không bị thay đổi thể tích khi mất nước (ASTM D - 427). Trạng thái cứng Trạng thái nửa cứng Trạng thái dẻo Trạng thái nửa dịch thể V §é Èm w Hình 1.4: Định nghĩa các giới hạn Atterberg Hiệu giữa hạn chảy và hạn dẻo được quy định gọi là chỉ số dẻo (PI), hay PI - LL - PL 11 (1.21) Bảng 1.6 cho một số giá trị tiêu biểu của hạn chảy và hạn dẻo một số khoáng vật và đất. Tuy nhiên các giới hạn Atterberg của các đất khác nhau biến đổi rất lớn, tuỳ thuộc nguồn gốc của đất và lượng khoáng sét có trong đó. Bảng 1.6. Giới hạn chảy và dẻo của một số khoáng sét và đất Mô tả Kaolinite Lllite Montmorillonite Sét xanh Boston Sét Chicago Sét Louisiana Sét London Sét Cambridge Sét Montana Mississippi gumbo Đất dạng hoàng thổ tại miền bắc và tây bắc TQ Hạn chảy 35 ÷ 100 50 ÷100 100 ÷ 800 40 60 75 66 39 52 95 25 ÷ 35 Hạn dẻo 25 ÷35 30 ÷ 60 50 ÷100 20 20 25 27 21 18 32 15÷20 1.7 Các hệ phân loại đất Các hệ phân loại chia đất thành các nhóm và phụ nhóm dựa trên các tính chất công trình chung như phân bố cỡ hạt, hạn chảy, và hạn dẻo. Hai hệ phân loại chủ yếu hiện dùng là (1) Hệ của Cơ quan Đường bộ và Giao thông Quốc gia Hoa kỳ (AASHTO) và (2) Hệ phân loại đất thống nhất (USC). Hệ AASHTO chủ yếu dùng để phân loại nền đường bộ. Nó không dùng trong xây dựng móng. Hệ phân loại đất theo AASHTO Hệ phân loại đất AASHTO nguyên là do đề nghị của Uỷ ban Nghiên cứu Đường bộ về Phân loại Vật liệu cho Nền đường và các Đường loại hạt [Granular Type Roads] (1945). Theo hệ thống này, đất có thể được xếp thành tám nhóm chủ yếu, A-1 đến A-8, dựa trên phân bố cỡ hạt, hạn chảy và chỉ số dẻo của chúng. Đất xếp trong các nhóm A-1, A-2 và A-3 là vật liệu hạt thô, và trong các nhóm A-4, A-5, A-6 và A-7 là vật liệu hạt mịn. Bùn, than bùn, và các đất chứa hữu cơ cao được xếp vào A-8. Chúng được nhận biết bằng mắt thường. Hệ phân loại AASHTO (cho các đất từ A-1 đến A-7), được trình bày trong bảng 1.7. Chú ý rằng nhóm A-7 gồm hai loại đất. Đối với loại A-7-5, chỉ số dẻo của đất nhỏ hơn hay bằng hạn chảy trừ 30. Đất loại A-7-6, chỉ số dẻo lớn hơn hạn chảy trừ 30. Để đánh giá chất lượng về tính thích ứng của một vật liệu nền đường, một thông số gọi là chỉ số nhóm cũng đã được lập. Đối với một loại đất đã cho, giá trị này càng cao đất dùng làm nền đường càng kém. Chỉ số nhóm bằng 20 hoặc lớn hơn biểu thị vật liệu dùng làm nền đường càng xấu. Công thức cho chỉ số nhóm như sau : GI = (F 200 - 35)[0,2 + 0,005 (LL - 40)] + 0,01 (F 200 - 15) (PI - 10) Trong đó F 200 = phần trăm qua rây n o 200, biểu thị theo số nguyên LL = giới hạn chảy PI = chỉ số dẻo 12 (1.22) Khi tính chỉ số nhóm cho đất thuộc nhóm A-2-6 hay A-2-7, chỉ dùng một phần phương trình chỉ số nhóm theo chỉ số dẻo: GI = 0.01(F 200 - 15) ( P I - 10) đất (1.23) Chỉ số nhóm được làm tròn số tới số nguyên gần nhất và được viết cạnh số nhóm cho trong ngoặc kép; ví dụ ta có: A-4 Nhóm đất (5) Chỉ số nhóm Hệ phân loại thống nhất (USCS) Hệ UCSS đầu tiên do Casagrande đề nghị năm 1942 và sau này được soát xét lại và chấp nhận bởi Cục Cải tạo đất Hoa Kỳ và Quân đoàn kỹ sư Hoa Kỳ. Hệ thống này hiện nay được dùng trong thực tế trong các công tác địa kỹ thuật. Bảng 1.7 . Hệ phân loại đất theo AASHTO Phân loại tổng quát Vật liệu hạt (35% tổng khối lượng mẫu đất hoặc ít hơn qua rây số 200) A-1 Phân loại nhóm Phân tích rây (% lọt qua) Rây số No.10 50 max Rây số No. 40 30 max Rây số No. 200 15 max A-1-a A-3 A-1-b 50 max 25 max Loại vật liệu thường dùng Chỉ số xếp loại nền (Subgrade rating) Phân loại tổng quát Phân loại nhóm Phân tích rây (% lọt qua) Rây số No.10 Rây số No. 40 Rây số No. 200 Đối với các hạt lọt Rây số No. 40 Hạn chảy (LL) A-2-5 A-2-6 A-2-7 35 max 35 max 35 max 35 max 40 max 41 min 11 min 11 min 51 min 10 max Đối với các hạt lọt Rây số No. 40 Hạn chảy (LL) Chỉ số dẻo (PI) A-2 A-2-4 40 max 6 max mảnh vỡ đá, sỏi, cát Không dẻo Cát nhỏ 10 max 41min 10 max Bụi hoặc cát sỏi pha sét Tuyệt hảo đến tốt Vật liệu sét - bụi (Trên 35% tổng khối lượng mẫu đất qua rây số No. 200) A-4 A-5 A-6 A-7 A - 7 - 5a A - 7 - 6b 36mm 36mm 36mm 36mm 40 max 41 min 40 max 41 min 13 Chỉ số dẻo (PI) Loại vật liệu thường dùng Chỉ số xếp loại nền (Subgrade rating) a b 10 max 10 max Thường là đất bụi 11 min 11 min Thường là đất sét Khá đến kém NÕu PI ≤ LL -30, ph©n lo¹i lµ A-7-5 NÕu PI > LL -30, ph©n lo¹i lµ A-7-6 ChØ sè dÎo, PI §­êng U §­êng A Giới hạn chảy H×nh 1.5 §å thÞ dÎo Trong hÖ thèng thèng nhÊt, c¸c ký hiÖu sau ®­îc dïng ®Ó nhËn d¹ng: Ký hiệu G S M C O Pt H L W P Mô tả Sạnsỏi Cát Bụi Sét Bụi hữu cơ và sét Bùn và đất hữu cơ cao Tính dẻo cao Tính dẻo thấp Cấp phối tốt Cấp phối xấu Đồ thị dẻo (hình 1.5) và Bảng 1.8 cho biết lộ trình xác định ký hiệu nhóm cho các loại đất khác nhau. Khi phân loại đất cần tìm tên nhóm thường để mô tả đất kèm theo ký hiệu nhóm. Các hình 1.6, 1.7 và 1.8 cho các biểu đồ phát triển tìm tên nhóm theo thứ tự cho đất hạt thô, đất hạt mịn không hữu cơ, và đất hạt mịn hữu cơ. 14 Bảng 1.8. Biểu đồ Phân loại đất theo hệ USCS (ASTM - 2001, D.2847 ) Phân loại đất Tiêu chuẩn ký hiệu và định tên nhóm đất dùng kết quả thí nghiệm trong phònga ĐẤT HẠT THÔ Nhóm hạt lớn hơn 0,075 mm (N0 200) chiếm trên 50% Sỏi Nhóm hạt thô lớn hơn 4,75 mm (N0 4) chiếm trên 50% Cát Nhóm hạt nhỏ hơn 4,75 mm (N0 4) chiếm bằng hoặc trên 50% Đất bụi và sét Giới hạn chảy nhỏ hơn 50 ĐẤT HẠT MỊN Nhóm hạt nhỏ hơn 0,075 mm (N0 200) chiếm bằng hoặc trên 50% Đất bụi và sét Giới hạn chảy bằng hoặc lớn hơn 50 Đất chứa nhiều hữu cơ Ký hiệu nhóm Tên nhómb Cu ≥ 4 và 1 ≤ Cc ≤ 3e GW Cu < 4 và/hoặc 1 > Cc > 3e GP Sỏi lẫn hạt mịnc Trên 12% hạt mịn Cát sạchd Dưới 5% hạt mịn Hạt mịn phân là ML hoặc MH GM Sỏi cấp phối tốtf Sỏi cấp phối không tốtf Sỏi lẫn bụif,g,h Hạt mịn phân là CL hoặc CH GC Sỏi lẫn sétf,g,h Cu ≥ 6 và 1 ≤ Cc ≤ 3e SW Cu < 6 và/hoặc 1 > Cc > 3e SP Cát lẫn hạt mịnd Trên 12% hạt mịn Hạt mịn phân là ML hoặc MH SM Cát cấp phối tốti Cát cấp phối không tốti Cát lẫn bụig,h,i Hạt mịn phân là CL hoặc CH SC Cát lẫn sétg,h,i PI > 7, nằm trên hoặc ở phía trên đường "A" PI < 4 nằm dưới đường "A" CL Sỏi sạch Dưới 5% hạt mịn Không có hữu cơ Có hữu cơ Sét gầyk,l,m Bụik,l,m ML Sét hữu cơk,l,m,n CH Bụi hữu cơk,l,m,o Sét béok,l,m Không có hữu cơ Hạn chảy sấy khô < 0,75 Hạn chảy không sấy khô PI nằm trên hoặc ở phía trên đường "A" PI nằm dưới đường "A" MH Bụi đàn hồik,l,m Có hữu cơ Hạn chảy sấy khô < 0,75 Hạn chảy không sấy khô OH Sét hữu cơk,l,m,p Pt Bụi hữu cơk,l,m,p Bùn Chủ yếu là vật hữu cơ, màu sẫm và có mùi hữu cơ OL Chú thích cho hình 1.5 và bảng 1.8 a. Dùng các hạt đất sàng qua rây số 3-in (75mm); b. Nếu trong mẫu lấy ở hiện trường có chứa đá tảng, cuội hay cả hai, thêm vào tên nhóm đất "lẫn đá tảng", "lẫn cuội" hoặc "lẫn đá tảng và cuội"; c. Nếu trong cuội có từ 5 đến 12% hạt mịn, cần dùng ký hiệu kép: GW- GM: Cuội cấp phối tốt lẫn bụi hoặc GW – GC: Cuội cấp phối tốt lẫn sét; GP – GM: Cuội cấp phối xấu lẫn bụi hoặc GP – GC: Cuội cấp phối xấu lẫn sét; d. Nếu trong cát có từ 5 đến 12% hạt mịn, cần dùng ký hiệu kép: SW- SM: Cát cấp phối tốt lẫn bụi hoặc SW – SC: Cát cấp phối tốt lẫn sét; SP – SM: Cát cấp phối xấu lẫn bụi hoặc SP – SC: Cátcấp phối xấu lẫn sét; 15 e. Xem bảng 2.10 hay: Cu = d 60 /d 10 và C c = d 302 ; d10 .d 60 f. Nếu trong cuội sỏi chứa ≥15% cát, thêm vào tên nhóm đất "lẫn cát"; g. Nếu hạt mịn được xếp là CL – ML, dùng ký hiệu kép: GC – GM hay SC – SM; h. Nếu hạt mịn là hữu cơ, thêm vào tên nhóm đất "lẫn hạt mịn hữu cơ"; i. Nếu trong đất chứa ≥15% cuội, thêm vào tên nhóm đất "lẫn cuội"; k. Nếu trong đất chứa từ 15% đến 29% các hạt lớn hơn 75mm, thêm vào tên nhóm "lẫn cát " hoặc "lẫn sỏi" theo loại nào nhiều hơn; l. Nếu trong đất chứa ≥ 30% các hạt lớn hơn 75mm phần lớn là cát, thêm vào tên nhóm "lẫn cát "; m. Nếu trong đất chứa ≥ 30% các hạt lớn hơn 75mm phần lớn là sỏi, thêm vào tên nhóm "lẫn sỏi "; n. Ip ≥ 4 và đặt nằm trên hoặc phía trên đường "A"; o. Ip < 4 hay đặt dưới đường "A"; p. Ip đặt nằm trên hoặc phía trên đường "A"; q. Ip đặt dưới đường "A". Ví dụ 1.3. Phân loại đất sau đây theo hệ AASHTO: Phần trăm qua rây N0 4 = 82 Phần trăm qua rây N0 10 = 71 Phần trăm qua rây N0 40 = 64 Phần trăm qua rây N0 200 = 41 Giới hạn dẻo = 31 Chỉ số dẻo =12 Lời giải Theo Bảng 1.7, thấy rằng trên 35% hạt đất lọt qua rây N0. 200, nên đó là vật liệu sét bụi. Nó có thể là A-4, A-5, A-6, or A-7. Đối với đất này, LL = 31 (nghĩa là LL < 40) và PI = 12 (nghĩa là PI lớn hơn 11), nên đất rơi vào nhóm A-6. Từ PT. (1.22): GI = (F 200 - 35)[0.2 + 0.005(LL - 40)] + 0.01(F 200 - 15) (PI - 10) nên GI = (41 - 35)[0.2 + 0.005(31 - 40)] + 0.01(41 - 15) (12 - 10) = 1.45 Do vậy, đất này thuộc nhóm A - 6(l). 16 Hình 1.6 Lưu đồ phân loại đất hạt thô (Trên 50% giữ lại trên Rây 200) (Theo ASTM, 2000) 17 Hình 1.7 Lưu đồ phân loại đất hạt mịn (50% hay hơn qua Rây N0. 200) (Theo ASTM, 2000) 18 Hình 1.8 Lưu đồ phân loại đất hạt mịn chứa hữu cơ (50% hay hơn qua Rây N0. 200) (Theo ASTM, 2000 19 Ví dụ 1.4. Phân loại đất nêu trong Ví dụ 1.3 theo hệ phân loại đất USCS Lời giải Ta đã biết F 200 = 41, LL = 31, và PI = 12. Vì 59% khối lượng mẫu nằm trên rây N 0 . 200 đất này là vật liệu hạt thô. Phần trăm qua rây N 0 . 4 là 82%, nên 18% được giữ lại trên rây N 0 . 4 (sỏi sạn). Thành phần hạt thô qua rây N 0 . 4 (hạt cát) là 59 - 18 = 41% (chiếm trên 50% tổng lượng hạt thô). Vậy mẫu đất là cát. Bây giờ dùng bảng 1.8 và Hình 1.5, ta xác định được ký hiệu nhóm đất là SC. Mặt khác từ Hình 1.6, vì thành phần sỏi sạn lớn hơn15%, nên tên nhóm đất này là cát sét pha sỏi sạn 20