Tài liệu Tiểu luận Các đặc trưng vật lý của đất phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg

Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg MỤC LỤC TT NỘI DUNG TRANG LỜI MỞ ĐẦU PHẦN A: XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU VẬT LÝ CỦA ĐẤT I Thành phần cấu trúc đất 3 II Các chỉ tiêu vật lý của đất 3 1 Các chỉ tiêu về thể tích 2 Chỉ tiêu về trọng lượng của đất 3 Chỉ tiêu về khối lượng riêng và trọng lượng riêng 4 Các công thức quy đổi III Các thí nghiệm xác định các chỉ tiêu vật lý 1 Khối lượng riêng tự nhiên (Wet Density): ASTM - D2937 2 Tỉ trọng hạt (Specified Gravity): ASTM- D854 3 Độ ẩm (Moisture content): ASTM - D2216 IV Tóm tắt trình tự xác định các chỉ tiêu vật lý cơ bản 5 10 PHẦN B: PHÂN LOẠI ĐẤT SÉT THEO CÁC GIỚI HẠN ATTERBERG I II 1 2 3 Các trạng thái vật lý của đất dính Cách xác định giới hạn lỏng và giới hạn dẻo Xác định giới hạn lỏng của đất dính Xác định giới hạn dẻo Chỉ số dẻo 4 III 1 2 Độ sệt của đất dính Phân loại đất dính 3 4 Phân loại đất theo hệ thống AASHTO Tổng kết phân loại đất theo 2 tiêu chuẩn USCS, AASHTO 11 12 14 Theo tiêu chuẩn Việt Nam Phân loại đất hạt mịn theo hệ thống thống nhất USCS HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI Trang 1 Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg LỜI MỞ ĐẦU Theo nhà khoa học người Nga (V.V.Dokuchaev) tiên phong trong lĩnh vực khoa học đất cho rằng: Đất như là một thực thể tự nhiên có nguồn gốc và lịch sử phát triển riêng, là thực thể với những quá trình phức tạp và đa dạng diễn ra trong nó. Đất được coi là khác biệt với đá. Đá trở thành đất dưới ảnh hưởng của một loạt các yếu tố tạo thành đất như khí hậu, cây cỏ, khu vực, địa hình và tuổi. Theo ông, đất có thể được gọi là các tầng trên nhất của đá không phụ thuộc vào dạng; chúng bị thay đổi một cách tự nhiên bởi các tác động phổ biến của nước, không khí và một loạt các dạng hình của các sinh vật sống hay chết. Các loại đất dao động trong một khoảng rộng về thành phần và cấu trúc theo từng khu vực. Các loại đất được hình thành thông quá quá trình phong hóa của các loại đá và sự phân hủy của các chất hữu cơ. Phong hóa là tác động của gió, mưa, băng, ánh nắng và các tiến trình sinh học trên các loại đá theo thời gian, các tác động này làm đá vỡ vụn ra thành các hạt nhỏ. Các thành phần khoáng chất và các chất hữu cơ xác định cấu trúc và các thuộc tính khác của các loại đất. Đất có thể chia ra thành hai lớp tổng quát hay tầng: tầng đất bề mặt, là lớp trên cùng nhất, ở đó phần lớn các loại rễ cây, vi sinh vật và các loại hình sự sống động vật khác cư trú và tầng đất cái, tầng này nằm sâu hơn và thông thường dày đặc và chặt hơn cũng như ít các chất hữu cơ hơn. Nước, không khí cũng là thành phần của phần lớn các loại đất. Không khí, nằm trong các khoảng không gian giữa các hạt đất, và nước, nằm trong các khoảng không gian cũng như bề mặt các hạt đất, chiếm khoảng một nửa thể tích của đất. Cả hai đều đóng vai trò quan trọng trong sự sinh trưởng của thực vật và các loại hình sự sống khác trong thiết diện đứng của đất trong một hệ sinh thái cụ thể. Trong phạm vi nghiên cứu: Các đặc trưng vật lý của đất và phân loại đất sét theo các giới hạn Atterberg, chúng tôi xin trình bày về tính chất vật lý của đất được thể hiện qua các chỉ tiêu vật lý và các giới hạn Atterberg. Chỉ tiêu vật lý của đất và các giới hạn Atterberg là một trong những chỉ tiêu cơ bản, quan trọng phục vụ cho công tác đánh giá, phân tích tính chất của đất. Việc thí nghiệm, xác định, lựa chọn chính xác các chỉ tiêu vật lý và các giới hạn Atterberg, cũng như phân loại đất hạt mịn là vấn đề đáng được quan tâm bởi vì nó cung cấp một góc nhìn tổng thể về tính chất của đất của khu vực khảo sát. Bên cạnh đó là các bảng phân loại đất theo theo TCVN, USCS và AASHTO cũng như đưa ra một số nhận xét và so sánh giữa các bảng phân loại. HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI Trang 2 Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg PHẦN A: XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU VẬT LÝ CỦA ĐẤT Vv Nöôùc Haït Vs Khí Ms M Nöôùc Khí Vw Vv Mv Ma Haït Mw Khi thiết kế nền móng cho một công trình xây dựng, cần thiết phải đánh giá tính chất của đất khu vực dành cho nó. Để xác định đất tốt hay xấu về mặt xây dựng phải dựa vào các đặc trưng thể hiện bản chất của đất mà trước nhất là xác định chỉ tiêu vật lý của đất. I. Thành phần cúc trúc của đất: − Đất được cấu tạo bởi 3 thành phần (3 pha), đó là: các hạt rắn (pha rắn), dung dịch hoặc nước (pha lỏng) và các chất khí (pha khí) trong lỗ rỗng. Các quan hệ lẫn nhau về khối lượng và thể tích giữa các pha thành phần đóng vai trò rất quan trọng trong việc hình thành tính chất cơ lý của đất. Có thể dùng sơ đồ mô phỏng 3 pha của đất để làm rõ các khái niệm về các đặt trưng tính chất vật lý của đất. (Sơ đồ hóa các thành phần cấu thành đất) − Trong đó: • Vs: Thể tích phần hạt rắn của đất. • Vw: Thể tích nước trong lỗ rỗng • Va: Thể tích khí trong lỗ rỗng • Vv= Vw+Va: Thể tích lỗ rỗng • Ms: Khối lượng hạt đất • Mw: Khối lượng nước trong lỗ rỗng • M=Ms+Mw: Khối lượng đất (Xem khối lượng khí Ma = 0) II. Các chỉ tiêu vật lý của đất: 1. Các chỉ tiêu về thể tích: a. Tỷ số rỗng e (Void ratio) đôi khi gọi là hệ số rỗng − Là tỉ số giữa thể tích phần rỗng và thể tích phần hạt đất. V e= V ; VS − Hệ số rỗng cho đất tự nhiên thông thưòng từ 0,5-0,8. Đất dính ở trạng thái ẩm 0,7-1,1 b. Độ rỗng n (Porosity): − Là tỉ số giữa thể tích phần rỗng (Vv) và thể tích cả mẫu đất (V). V n = V (%) ; (0≤n≤100%) V HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI Trang 3 Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg c. Độ bảo hoà Sr (Degree of saturation): − Là tỉ số giữa thể tích nước và thể tích lỗ rỗng V Sr = W (%) VV − Thông thường đất được gọi là bão hoà khi Sr > 85% 2. Các chỉ tiêu về trọng lượng đất: Độ ẩm hay độ chứa nước w (Moisture content, Water content): − Là tỉ số giữa trọng lượng nước (Ww) và trọng lượng hạt (Ws) W w = W (%) WS − Độ ẩm có thể > 100% 3. Chỉ tiêu về khối lượng riêng (Unit Density) và trọng lượng riêng (Unit weigth): a. Khối lượng riêng tự nhiên: − Khối lượng riêng tự nhiên (ρ hoặc ρn) xác định bởi tỉ số khối lượng (M) và thể tích (V) của mẫu đất M ρ= [g/cm3] V b. Khối lượng riêng khô (ρd): − Khối lượng riêng khô là tỉ số giữa khối lượng phần hạt (Ms) và thể tích mẫu đất (V). M ρ d = S [g/cm3] V (Để có khối lượng hạt Ms, đem mẫu đất sấy ở nhiệt độ 105oC cho đến khi tất cả các loại nước trọng truờng và nước hút bám thoát khỏi mẫu đất, thông thường trong vòng 24 giờ) c. Khối lượng riêng hạt: − Khối lượng riêng hạt (ρs) là tỉ số khối lượng hạt (Ms) và thể tích hạt (Vs). M ρ S = S [g/cm3] VS (Để xác định thể tích hạt Vs thuờng sử dụng nguyên tắc, cho một mẫu đất đã sấy khô vào trong một bình nước đã biết thể tích, đo thể tích nước do các hạt chiếm chỗ, sau khi loại bỏ các bọt khí bằng cách hút chân không hoặc đun nóng hỗn hợp đất và nước) d. Tỷ trọng hạt: − Tỷ trọng hạt (Gs) là tỉ số giữa trọng lượng riêng hạt và trọng lượng riêng nước tinh khiết ở nhiệt độ 20˚C (hoặc 4˚C) γ GS = S γW e. Chỉ tiêu trọng lượng riêng: (Unit weigth): − Thông thường trọng lượng riêng được tính đổi theo công thức cơ bản sau: γ=ρg = 9.81ρ [Lực /thể tích] − Do đó ta có các biểu thức tương ứng sau: • Trọng lượng riêng tự nhiên: γ = W/V (Trong đó: V=Vs+Vw+Va) • Trọng lượng riêng đất khô: γd = Ws/V HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI Trang 4 Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg • Trọng lượng riêng hạt: γs = Ws/Vs • Trọng lượng riêng đất bão hoà: γsat = W/V (Trong đó: V=Vs+Vw) • Trọng lượng riêng đẩy nổi (cho đất dưới MNN): γsub = γsat - γw 4. Các công thức quy đổi: Các chỉ tiêu đã biết Gs w (%) γ γd γs γsat (kN/m3) (kN/m3) (kN/m3) (kN/m3) x x x e n Chỉ tiêu tính đổi e x x e Công thức tính đổi G s γ w (1 + w) −1 γ γ e = s −1 γd e= n n − 100 x x x x x x γs γs = γd 1 − 0,01n Sr = G s γ.0,01w G s γ n (1 + 0,01w) − γ Sr Sr = 0,01wG s e γ d = γ s (1 − 0,01n) γd = γsub γ sub = γsub γ sub = γ sat − γ w Sr x x x γs = G s γ w γd x n(%) = γd x e= γs x e n x x x x x e 100 1+ e γ 1+ w (G s − 1)γ w 1+ e III. Các thí nghiệm xác định các chỉ tiêu vật lý: − Thông thường ta xác định được 3 chỉ tiêu vật lý cơ bản sau: 1. Khối lượng riêng nhiên (Wet Density): ASTM - D2937 a. Đối với đất dính: Xác định bằng dao vòng: − Dao vòng bằng thép không gỉ có đường kính trong D, chiều cao H − Cân dao được M1, thể tích dao V = H.π.D2/4 HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI Trang 5 Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg − Ấn dao vòng vào trong đất, khoét khối đất, gọt bỏ xung quanh, gạt bằng mặt trên và dưới. − Cân tất cả dao và đất, được M2 − Khối lượng riêng đất ẩm là: ρ = (M2-M1)/V − Thông thường tại một độ sâu lấy mẫu thí nghiệm khối lượng riêng ẩm 2 lần sau đó lấy giá trị trung bình b. Đối với đất có lẫn sỏi sạn (bọc parafin) − Lấy mẫu bất kì cân được M1 − Nhúng mẫu đất vào parafin nóng chảy sao cho parafin phủ hết bề mặt ngoài của đất. − Cân mẫu (đất + parafin) được M2 − Khối lượng parafin Mp = M2-M1. Suy ra thể tích parafin Vp = Mp/ρp − Nhúng mẫu (đất + parafin) vào bình chứa nước. Suy ra (Vđất + Vp) = V − Từ đó Vđất = (V – Vp) − Suy ra khối lượng riêng mẫu đất là: ρ = M1/Vđất c. Đối với lớp đất ít dính hạt to gần mặt đất: Phương pháp nón cát (ASTM D1556) (Dụng cụ và thi nghiệm nón cát để xác định thể tích lỗ đục trong đất) − Đào hố thí nghiệm; − Cân mẫu đất đào lên M; − Cát dùng thí nghiệm phải khô, sạch, có cỡ hạt lớn nhất phải lọt qua sàng No10 (2mm) và phải ít hơn 3% lọt sàng No.60 (0.025mm). Ngoài ra hệ số không đồng nhất Cu=D60/D10 <2, − Dùng thí nghiệm đổ cát từ bình vào hố. Dựa vào thể tích cát còn lại → Vhố = Vđất − Khối lượng riêng mẫu đất được tính ρ = M/Vđất * Ngoài ra: Trong trường hợp cát hoặc đất chứa nhiều hạt to dính ít không lấy mẫu nguyên dạng được có thể suy từ kết quả hiện trường như xuyên động(SPT), hoặc xuyên tĩnh (CPT), đôi khi cần phải sử dụng các phương pháp phức tạp hơn như đo vận tốc sóng đi qua lớp đất này từ đáy hố khoan dò. HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI Trang 6 Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg 2. Tỉ trọng hạt (Specified Gravity): ASTM- D854 − Dùng cho hạt vượt qua mắt rây No. 4 (4.76mm). Trong trường hợp hạt còn trên rây số 4, có thể tiến hành phân tích thông qua ASTM-C127. Ở đây chỉ trình bày trường hợp phổ biến theo ASTM-D854. − Có 2 phương pháp tiến hành phân tích tỉ trọng hạt: o Phương pháp A: Phân tích theo mẫu ẩm: Thường dùng cho đất hữu cơ, đất có tính nén lún cao, đất hạt mịn ... o Phương pháp B: Phân tích theo mẫu được đã sấy khô − Việc lựa chọn phương pháp phân tích tuỳ theo yêu cầu của chủ đầu tư. Tuy nhiên phổ biến nhất là phân tích theo ASTM-D854 cho mẫu ẩm − Mẫu đem thí nghiệm trong điều kiện tự nhiên phải có các thành phần khoáng không hoà tan trong nước. − Dụng cụ: • Bình tỉ trọng, thông dụng là V=500ml • Cân kĩ thuật độ chính xác 0.01g • Nhiệt kế • Bơm chân không • Sàng No.4, No.10 • Cối sứ, chày sứ − Khối lượng đất: • 100% hạt lọt qua sàng No.10 (2mm): 20g • 100% hạt lọt qua sang No.4 (4.75mm):100g − Tiến hành: o Phương pháp B: § Sấy khô mẫu ở nhiệt độ 110±5˚C cho nước thoát ra. § Cân bình tỉ trọng được Mp (Bình phải được lau khô và sạch) § Cho mẫu đất vào bình. Cân bình và đất được Mp’ § Khối lượng đất khô là: Ms = Mp’-Mp § Cho nước vào bình. Lượng nước phải đủ bao lấy toàn bộ mẫu đất. Ngâm tối thiểu trong 12h cho nước thấm đều trong đất HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI Trang 7 Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg § § § § Loại bỏ khí trong đất bằng cách đun sôi tối thiểu 10’. Khi đó trong bình chỉ còn khối lượng của đất ẩm và nước. Để nguội Cho nước cất vào bình đến vạch hiệu chỉnh (tiến hành nhẹ nhàng để không làm xuất hiện bong bong nước trong mẫu đất). Cân xác định được Mpws là khối lượng của (bình+đất ẩm+nước) Đặt nhiệt kế vào trong nước để xác định nhiệt độ của nước khi xác định Mpws là Tx Xác định khối lượng (bình + nước) Mpw như sau: • Cân bình tỉ trọng Mp • Cho nước cất vào bình cân Mpw • Cho nhiệt kế vào xác định nhiệt độ nước đang thí nghiệm Ti • Do khối lượng riêng của nước thay đổi theo nhiệt độ nên tiến hành hiệu chỉnh giá trị Mpw tại nhiệt độ Ti theo nhiệt độ Tx bằng công thức KLRwater (Tx ) Mpw(Tx ) = [ Mpw(Ti ) − Mp] + Mp KLRwater (Ti ) • Tỉ trọng hạt ở nhiệt độ 20˚C là: Gs = KMs Ms + Mpw(Tx ) − Mpws Trong đó K (tra bảng): Hệ số chuyển đổi từ nhiệt độ Tx về nhiệt độ 20˚C (Do tại 20˚C: K=1) TT Nhiệt độ o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 ( C) 16,0 16,5 17,0 17,5 18,0 18,5 19,0 19,5 20,0 20,5 21,0 21,5 22,0 22,5 23,0 23,5 24,0 24,5 25,0 25,5 26,0 Khối lượng riêng của nước (g/ml) 0,99897 0,99889 0,99880 0,99871 0,99862 0,99853 0,99843 0,99833 0,99823 0,99812 0,99802 0,99791 0,99780 0,99768 0,99757 0,99745 0,99732 0,99720 0,99707 0,99694 0,99681 Hệ số điều chỉnh HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI K 1,0007 1,0007 1,0006 1,0005 1,0004 1,0003 1,0002 1,0001 1,0000 0,9999 0,9998 0,9997 0,9996 0,9995 0,9993 0,9992 0,9991 0,9990 0,9988 0,9987 0,9986 Trang 8 Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg o Phương pháp A: Cho mẫu đất ẩm § Lấy đất xác định độ ẩm w § Cân bình tỉ trọng được Mp (Bình phải được lau khô và sạch) § Cho mẫu đất vào bình. Cân bình và đất được Mp’ § Khối lượng đất ẩm M=Mp’-Mp § Xác định khối lượng đất khô trong mẫu dựa vào công thức M Ms = 1 + 0.01w § Cách xác định Mpws, Mpw, Gs tương tự như trên − Các giá trị tham khảo: Loại đất Gs Cát (Sand) 2.65-2.67 Á cát (Silty sand) 2.67-2.70 Sét (Inorganic clay) 2.70-2.80 Đất có lẫn mica hoặc sắt 2.75-3.00 (Soil with mica or iron) Đất hữu cơ (Organic soil) Khác nhau, nhưng có thể dưới 2.00 3. Độ ẩm (Moisture content) : ASTM – D2216 − Tóm tắt: • Mẫu thí nghiệm được đem sấy ở nhiệt độ 110˚ ± 5˚C. • Khối lượng mất đi trong khi sấy được xem là khối lượng nưóc • Độ ẩm được tính dựa vào khối lượng nước và khối lượng mẫu. − Điều kiện mẫu: • Mẫu đem thí nghiệm trong điều kiện tự nhiên phải có các thành phần khoáng không hoà tan trong nước. • Trong trường hợp mẫu có tính xi măng, vật liệu hữu cơ (dễ bị phân huỷ ở 110º C) hay mẫu có chứa nhiều khoáng thạch cao (dễ bị mất nước khi sấy). Người ta sấy ở nhiệt độ 60ºC. Tuy nhiên độ ẩm sẽ khác với trường hợp sấy ở 110ºC. Ngoài ra có thể tham khảo ASTM D-2974 xác định độ ẩm cho đất bùn. • Mẫu được bảo quản trong kho chứa ở nhiệt độ xấp xỉ 3ºC – 30ºC. Tránh tiếp xúc mẫu với ánh sáng − Cân kĩ thuật : • Độ chính xác 0.01g cho mẫu có khối lượng dưới 200g • Độ chính xác 0.1g cho mẫu có khối lượng trên 200g − Tiến hành • Dụng cụ: Hộp nhôm, cân kĩ thuật, tủ sấy • Cân hộp nhôm, được M1 • Lấy mẫu đất thí nghiệm cho vào hộp cân, được M2 HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI Trang 9 Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg • Mở nắp cho vào tủ sấy ở nhiệt độ 105ºC cho đến lúc khô, cân được M3 (Thời gian sấy tùy thuộc vào kích cỡ mẫu, loại tủ sấy ... Tuy nhiên thông thường, ngưòi ta thường để mẫu qua đêm (từ 12–16h) − Kết quả: • (M 2 − M 3 ) 100% (M 3 − M 1 ) Độ ẩm được tính theo công thức sau: w = − Thông thường tại một độ sâu lấy mẫu thường thí nghiệm 2 lần sau đó lấy độ ẩm bằng giá trị trung bình độ ẩm của 2 lần thí nghiệm IV. Tóm tắt trình tự xác định các chỉ tiêu vật lý cơ bản Bình tỷ trọng Gs γ s = γ w Gs PP dao vòng Đất ẩm W, V w= Sr = W − Ws Ww = (%) Ws Ws Vw wγ s = Vv eγ w Vs = γ= γd = W V γ 1+ω Ws γs Vv = V-Vs γ sub = γs −γw 1+ e e= Vv γ s = −1 Vs γ d HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI n= e (%) 1+ e Trang 10 Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg PHẦN B: PHÂN LOẠI ĐẤT SÉT THEO CÁC GIỚI HẠN ATTERBERG Đất sét hay sét là một thuật ngữ được dùng để miêu tả một nhóm các khoáng vật phyLLosilicat nhôm ngậm nước (xem khoáng vật sét), thông thường có đường kính hạt nhỏ hơn 2 μm (micromét). Đất sét bao gồm các loại khoáng chất phyLLosilicat giàu các ôxít và hiđrôxít của silic và nhôm cũng như bao gồm một lượng lớn nước tham gia vào việc tạo cấu trúc và thay đổi theo từng loại đất sét. Đất dính thường là đất hạt mịn và có một hàm lượng hạt sét lớn hơn 3%, nó thay đổi trạng thái theo độ chứa nước và thể hiện tính dẻo. I. Các trạng thái vật lý của đất dính Khi đất hoàn toàn khô, độ ẩm bằng không, trạng thái tương ứng là rất cứng hoặc rắn. Độ ẩm tăng dần ứng với lớp nước hút bám mạnh thể tích mẫu đất chưa thay đổi, cho tới lúc lớp nước hút bám đạt đầy đủ thể tích đất bắt đầu tăng dần do độ dày các vỏ nước lớn dần đẩy các hạt đất ra xa nhau, đất chuyển sang trạng thái nửa cứng rồi dẻo và khi có nước tự do đất chuyển thay trạng thái lỏng. Nếu khi quá nhiều nước, đất sang trạng thái huyền phù. • Trạng thái huyền phù (Suspension) • Trạng thái lỏng (chảy) (Liquid state) • Trạng thái dẻo (Plastic state) • Trạng thái nửa cứng (Semisolid state) • Trạng thái cứng (Solid state) Giôùi haïn co, Ws Traïng thaùi cöùng Giôùi haïn deûo, Wp Ñoä aåm (W) Traïng thaùi Traïng thaùi Traïng thaùi Traïng thaùi nöûa cöùng deûo loûng huyeàn phuø Cöùng hoaëc Chòu löïc toát raén V Giôùi haïn loûng, WL Dính Nhö vöõa Nöôùc Theå tích maãu ñaát Vo Ñoä aåm (W) Traïng thaùi ñaát dính theo ñoä aåm HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI Trang 11 Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg − Giới hạn lỏng (Liquid limit): Là độ chứa nước ứng với biên giới giữa trạng thái dẻo và lỏng (chảy). Ký hiệu: WL hoặc LL. − Giới hạn dẻo (Plastic limit): Là độ chứa nước ứng với biên giới giữa trạng thái dẻo và nửa cứng. Ký hiệu: WP hoặc PL. − Giới hạn co (Shrinkage Limit): Là độ chứa nước ứng với biên giới giữa trạng thái cứng và nửa cứng. Ký hiệu: Ws. − Mẫu đất hạt mịn chuyển từ trạng thái lỏng → dẻo → nửa cứng thì thể tích giảm dần. Khi độ ẩm của đất giảm đến giới hạn co ngót thì thể tích không đổi và đất ở trạng thái cứng. II. Cách xác định giới hạn lỏng và giới hạn dẻo 1. Xác định giới hạn lỏng của đất dính − Hiện nay thường dùng hai phương pháp: Phương pháp dùng thiết bị chuẩn Casagrande và Phương pháp dùng xuyên côn a. Phương pháp dùng thiết bị chuẩn Casagrande − Chọn mẫu đất đã sấy khô, tách rời hạt bằng chày cao su, rây qua sàn No 40, trộn đều đến trạng thái lỏng, đặt vào trong bình kín khí 24h, để nước bao quanh các hạt đầy đủ. − Chỉnh chỏm cầu đến cao độ rơi 10mm, khi quay tay quay một vòng. − Tráng đất vào chỏm cầu một lớp dày khoảng 10mm. − Dùng dao tách đất thành hai phần cách nhau 2mm, khi tách giữ dao thẳng góc với mặt chỏm cầu. − Quay đều chỏm cầu rơi và đếm số lần rơi cho đến khi phần đất chạm nhau dọc theo đường cắt 1.2cm, lấy một mẩu đất nhỏ trong lon xác định độ ẩm. − Tiến hành thí nghiệm ít nhất 3 lần trên mẫu đất đã chuẩn bị, sao cho số lần rơi trong khoảng 10-:-35. Vẽ kết quả thí nghiệm trên đồ thị với trục hoành là số lần rơi, trục tung là độ ẩm. Độ ẩm ứng với số lần rơi N=25 là giới hạn lỏng. Thiết bị chuẩn Casagrande HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI Trang 12 Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg b. Phương pháp dùng xuyên côn − Phương pháp tiêu chuẩn Anh • Mặt côn thép không gỉ có góc đỉnh 30o dài 35mm, trọng lượng côn là 80g, được lắp trên giá giữ. Cho đất đã chuẩn bị (như phương pháp Casagrande) vào lon chứa mẫu sao cho không lẫn bọt. • Đặt lon vào vị trí dưới côn rơi, chỉnh cho mũi côn rơi tiếp xúc với mặt đất trong lon, chỉnh đồng hồ đo chuyển dịch đứng côn. • Nhả khớp giữ côn để côn xuyên vào đất 5giây. • Khóa khớp giữ yên côn, đọc độ xuyên côn vào đất. • Lấy một mẫu đất nhỏ trong lon xác định độ ẩm. • Tiến hành nhiều lần với các độ ẩm của mẫu khác nhau. • Vẽ kết quả thí nghiệm độ xuyên (trục tung) theo độ ẩm (trục hoành). Giới hạn lỏng là độ ẩm ứng với độ xuyên côn là 2cm. (Dụng cụ côn rơi xác định giới hạn lỏng WL) − Phương pháp Vaxiliev • Một côn thép không gỉ có góc đỉnh 30o dài 35mm, trọng lượng côn là 76g, được lắp trên giá giữ. • Mẫu đất thí nghiệm lọt qua rây 0.1mm. • Các bước tiến hành tương tự như phương pháp tiêu chuẩn Anh. Nhưng thời gian côn xuyên vào đất 10giây và giới hạn lỏng là độ ẩm ứng với độ xuyên côn là 10mm. HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI Trang 13 Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg Bảng so sánh giữa 2 phương pháp xuyên côn Phương pháp tiêu chuẩn Anh Phương pháp Vaxiliev o • Côn thép có góc đỉnh 30 dài 35mm, • Côn thép có góc đỉnh 30o dài 35mm, trọng lượng côn là 80g. trọng lượng côn là 76g • Mẫu đất thí nghiệm lọt qua rây No40 • Mẫu đất thí nghiệm lọt qua rây (d<0.425mm) 0.1mm. • Thời gian côn xuyên vào đất 5giây • Thời gian côn xuyên vào đất 10giây • Giới hạn lỏng là độ ẩm ứng với độ xuyên • Giới hạn lỏng là độ ẩm ứng với độ côn là 2cm. xuyên côn là 10mm. − Hai thí nghiệm theo phương pháp Casagrande và Vaxiliev cho kết quả giới hạn chảy khác nhau. Hiện có một số công thức tính đổi của tác giả khác nhau. Thí dụ: 1 W LCASA = (W LVA + b ) a Trong đó : a, b : các hệ số phụ thuộc vào lọai đất. Đối với đất WL > 20%, a=0,73 ; b=6,47% WLCASA : giới hạn chảy xác định theo phương pháp Casagrande WLVA : giới hạn chảy xác định theo phương pháp Vaxiliev 2. Xác định giới hạn dẻo − Giới hạn dẻo là độ chứa nước của que đất đang được se bằng tay, trên mặt kính phẳng, bắt đầu rạn nứt. − Lấy một mẫu đất sau khi làm thí ngiệm giới hạn lỏng, tráng mỏng đất để giảm độ ẩm. − Sau đó lấy một mẩu nhỏ tiến hành se đất thành que, khi que nhỏ hơn 3mm chưa bị rạn nứt, nhồi lại thành viên và se tiếp cho đến khi có đường kính là 3mm bắt đầu rạn nứt thì đem đi xác định độ ẩm. Thí nghiệm mẩu đất được tiến hành ít nhất hai lần trên một mẩu. (Thí nghiệm giới hạn dẻo) HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI Trang 14 Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg 3. Chỉ số dẻo − Là hiệu số của giới hạn lỏng và giới hạn dẻo, ký hiệu IP IP = WL-WP = LL - PL − Dựa vào chỉ số dẻo để sơ bộ gọi tên một mẩu đất Đất rời Đất sét Đất á cát Đất á sét Ip < 1 Ip > 17 1 < Ip < 7 7 < Ip < 17 4. Độ sệt của đất dính − Độ chắc của đất hạt mịn được đánh giá bằng độ sệt tương đối B hay còn gọi là chỉ số lỏng IL w − wP w − wP B = IL = = w L − wP IP Trong đó: w: độ ẩm của đất Giá trị độ sệt B quyết định đến trạng thái của đất, được đề cập chi tiết ở phần VII. − Trạng thái của đất và độ bền chống cắt không thóat nước của đất loại sét có thể được tính gần đúng thông qua giá trị SPT: Gía trị N30 của SPT <2 2~4 4~8 8~15 >15 Trạng thái của đất Trạng thái chảy, rất yếu Trạng thái dẻo chảy, yếu Trạng thái dẻo cứng, cứng vừa Trạng thái nửa cứng, chặt sít. Trạng thái cứng, rất chặt sít. kN/m2(gần đúng) <20 20~40 40~75 75~150 >150 Về quan điểm cơ học mà nhận xét chung thì đất dính ở trạng thái cứng, nửa cứng hoặc dẻo cứng có thể làm nền cho công trình xây dựng. Đất ở trạng thái dẻo mềm cũng có thể đặt móng lên được nhưng chỉ cho công trình nhỏ, tải trọng không lớn. Đất ở trạng thái dẻo chảy thì không thể đặt móng công trình trực tiếp lên được. Gặp trường hợp này người xây dựng bắt buộc phải nghĩ đến các biện pháp xử lý sao cho nền có thể chịu tải trọng III. Phân loại đất dính Do đặc điểm của hạt sét nên căn cứ vào giá trị chỉ số dẻo Ip và giới hạn nhão WL có thể ước lượng được khối lượng hạt sét trong đất và hai giá trị này thường được dùng để phân loại đất sét. Để xác định trạng thái đất loại sét người ta thường sử dụng chỉ tiêu độ sệt B (IL). 1. Theo tiêu chuẩn Việt Nam a. Phân loại đất dính theo TCXD 45-78 − Với quy định • Phân nhóm hạt theo “Bảng phân loại nhóm hạt” • Dùng bộ rây tiêu chuẩn của Liên xô. • Giới hạn chảy xác định thep phương pháp Vaxiliev với đất chế bị, hạt qua rây 0,1mm. HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI Trang 15 Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg TT 1 (%) hạt có D>2mm Chỉ số Ip Tên đất Phân loại chi tiết B <0 0≤ B ≤1 B >1 Pt >2 1< Pt <2 0,5≤ Pt <1 Pt <0,5 B<0 0< B ≤0,25 0,25< B≤ 0,5 0,5< B ≤0,75 0,75< B ≤1 B>1 Pt>2 150% (Đất hạt thô) 1< Ip ≤7 Á cát 7< Ip ≤17 Á sét Ip >17 2 Chỉ số B và Pt Sét F <50% (Đất hạt mịn) Ghi chú: - F: % hạt có D>2mm; - B: Độ sệt - Ip: Chỉ số dẻo Pt: Sức chống xuyên (Kg/cm2) b. Phân loại đất hạt mịn theo TCVN 5747:1993 − Đất dính được phân loại theo chỉ số dẻo Ip và giới hạn chảy LL và căn cứ vào đường A IP = 0,73(WL - 20) TT 1 (%) hạt qua rây N200 Chỉ số LL Tên đất Phân loại chi tiết F<=50% (Đất hạt thô) Vô cơ WL (LL) <50% 2 Chỉ số Ip Ip >7 & trên A CL (Sét dẻo thấp) 7≤ Ip ≤17 và CL-ML (Sét bột dẻo thấp) trên A Ip <4 ML (Đất bột dẻo thấp) OL ( Đất hữu cơ dẻo thấp) Hữu cơ F> 50% (Đất hạt mịn) Vô cơ Ip trên A CH (Sét dẻo cao) Ip dưới A MH (Đất bột dẻo cao) WL (LL) <50% Hữu cơ OH (Đất hữu cơ dẻo cao) Ghi chú: - F: % hạt qua rây N200 - WL (LL): Giới hạn lỏng - Ip: Chỉ số dẻo HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI Trang 16 Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg So sánh giữa 2 tiêu chuẩn Việt Nam: TCXD 45-78 • Dùng bộ rây tiêu chuẩn Liên xô • Thí nghiệm LL theo thiết bị Vaxilive • Sử dụng chỉ số IP và B để phân loại đất • Đất á sét và đất sét có các trạng thái: Cứng-nửa cứng-dẻo cứng-dẻo mềmdẻo nhão -lỏng TCVN 5747:1993 Dùng bộ rây tiêu chuẩn của Mỹ Thí nghiệm LL theo thiết bị Casagrande Sử dụng chỉ số IP và LL để phân loại đất Đất sét có các trạng thái: Dẻo cao- dẻo thấp • • • • 70 A-LINE 60 ÑAÁT SEÙT DEÛO CAO 50 CHÆ SOÁ DEÛO PLASTICITY INDEX I P CH CL 40 = IP ÑAÁT SEÙT ÍT DEÛO 0) -2 L 3( L .7 0 30 20 CL-ML 10 MH & OH ML & OL 7 ÑAÁT BUÏI & ÑAÁT HÖÕU CÔ 4 0 ÑAÁT BUÏI & ÑAÁT HÖÕU CÔ DEÛO CAO ÍT DEÛO 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 LIQUID LIMIT - L (%) L GIÔÙI HAÏN CHAÛY BIEÅU ÑOÀ DEÛO 2. Phân loại đất hạt mịn theo hệ thống thống nhất USCS (Unified Classification System) − Để phân loại đất theo hệ thống này cần phải xác định: • Tỷ lệ % hạt sỏi (sạn) qua rây 3in(76,2mm) và % hạt còn lại trên rây No 4 (4,75mm) • Tỷ lệ % hạt cát qua rây No 4 (4,75mm) và % hạt còn lại trên rây No 200 (4,75mm) • Tỷ lệ % hạt mịn và hạt sét còn lại trên rây No 200 (4,75mm) • Hệ số không đều hạt Cu và hệ số cong Cc § Cu = D60/D10 § Cc = D230 /(D10 * D60) • Giới hạn chảy, chỉ số dẻo của phần hạt qua rây No.40 − Các bước để phân loại đất • Bước 1: Xác định % hạt qua rây No 200 – Ký hiệu F § F < 50% → đất hạt thô (sỏi, sạn, đất cát) → tiếp theo bước 2. HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI Trang 17 Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg § F > 50% → đất hạt mịn → tiếp theo bước 3. Bước 2: Đất thô → xác định % hạt qua rây No.4, và % hạt còn lại trên rây No.200 – Ký hiệu F1 § F1<(100-F)/2 → đất nhiều sỏi hơn cát → đất sỏi (xem bảng phân loại) § F1> (100-F)/2 → đất cát (xem bảng phân loại) Bưóc 3: đất hạt mịn (xem bảng phân loại) • • 70 U-LINE = I P 50 CHÆ SOÁ DEÛO PLASTICITY INDEX I P 60 A-LINE ) -8 L L 9( 0. 40 CH or OH = I P (L 73 0. 0) -2 L 30 CL or OL 20 CL-ML 10 MH or OH 7 ML or OL 4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 LIQUID LIMIT - L (%) L GIÔÙI HAÏN CHAÛY BIEÅU ÑOÀ DEÛO TT 1 (%) hạt qua rây N200 Chỉ số LL Tên đất Phân loại chi tiết F<=50% (Đất hạt thô) Vô cơ WL (LL) <50% 2 Chỉ số Ip Ip >7 & trên A CL (Sét dẻo thấp) 7≤ Ip ≤17 và CL-ML (Sét bột dẻo thấp) trên A Ip <4 ML (Đất bột dẻo thấp) OL ( Đất hữu cơ dẻo thấp) Hữu cơ F> 50% (Đất hạt mịn) Vô cơ Ip trên A CH (Sét dẻo cao) Ip dưới A MH (Đất bột dẻo cao) WL (LL) <50% OH (Đất hữu cơ dẻo cao) Hữu cơ Ghi chú: - F: % hạt qua rây N200; WL (LL): Giới hạn lỏng; Ip: Chỉ số dẻo SEÙT DEÛO THAÁP <15% 15-:-29% %CAÙT<%SOÛI SEÙT CHÖÙA SOÛI DEÛO THAÁP <15% SOÛI SEÙT PHA CAÙT DEÛO THAÁP SEÙT PHA CAÙT CHÖÙA SOÛI DEÛO THAÁP <15% CAÙT SEÙT PHA SOÛI DEÛO THAÁP >=15% CAÙT %CAÙT>=%SOÛI SEÙT CHÖÙA CAÙT DEÛO THAÁP %CAÙT<%ÑAÙ CL %CAÙT>%ÑAÙ >=15% SOÛI IP>7 & TREÂN A SEÙT PHA SOÛI CHÖÙA CAÙT DEÛO THAÁP HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI Trang 18 Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI Trang 19 Đề tài tiểu luận số 9: Các đặc trưng vật lý của đất, phân loại đất loại sét theo các giới hạn Atterberg * Ví dụ: Kết quả thí nghiệm Atlerberg và phân tích hạt của một mẫu đất như sau: − Thí nghiệm rây với bộ rây tiêu chuẩn của Mỹ: Số hiệu rây Số % hạt lọt qua rây (%) No4 100 No10 93.2 No40 81 No200 60.2 − Có giới hạn chảy LL=42.3% − Giới hạn dẻo PL=15.8% 1. F = 60.2% >50% → đất hạt mịn 2. LL = 42.3% < 50% → đất có tính dẻo thấp 3. IP = LL - PL = 26.5 > 7 → CL : đất sét dẻo thấp 4. 100 – F = 39.8% > 30% ( Đất sét pha cát dẻo thấp) 3. Phân loại đất theo hệ thống AASHTO − Theo bảng phân loại theo hệ thống này, đất được phân thành 7nhóm chính: • % hạt qua rây No200 < 35% → đất thuộc nhóm A-1, A-2, A-3 • % hạt qua rây No200 > 35% → đất thuộc nhóm A-4, A-5, A-6, A-7 − Hệ thống phân loại này dựa theo các tiêu chuẩn sau: • Đất hạt thô § Sỏi: tỉ lệ % hạt qua rây 3in và còn lại trên rây No10. § Cát: tỉ lệ % hạt qua rây No10 và còn lại trên rây No200. § Đất bột và đất sét: tỉ lệ % hạt qua rây No200. • Đất hạt mịn § Chỉ số dẻo IP < 10 → Đất bột 70 50 CHÆ SOÁ DEÛO PLASTICITY INDEX I P 60 40 A-7-6 30 A-2-6 A-6 20 A-2-7 A-7-5 10 A-2-5 A-5 A-2-4 A-4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 LIQUID LIMIT - L (%) L GIÔÙI HAÏN CHAÛY § Chỉ số dẻo IP > 11→ Đất sét HVTH: VÕ THANH TOÀN; VĂN ANH TRÍ ; TÔN NỮ PHƯƠNG NHI Trang 20