Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất

07 chỉ tiêu cơ lý của đất áp dụng cho mẫu đất không nguyên dạng, không có tính dính

  1. Thành phần hạt của đất                                                     (TCVN 4198 – 2014)
  2. Độ ẩm của đất                                                                    (TCVN 4196 – 2012)
  3. Dung trọng tự nhiên (dung trọng ướt) của đất                   (TCVN 4202 – 2012)
  4. Khối lượng riêng của đất                                                   (TCVN 4195 – 2012)
  5. Tính nén lún của đất                                                          (TCVN 4200 – 2012)
  6. Góc ma sát trong của đất                                                  (TCVN 4199 – 1995)
  7. Lực dính của đất                                                               (TCVN 4199 – 1995)

Đối với đất cát không dính có thí nghiệm xác định góc nghỉ tự nhiên (góc nghỉ khô và góc nghỉ ướt) bằng phương pháp rót cát (TCVN 8724 – 2012) và không có kết quả góc ma sát trong và lực dính.

09 chỉ tiêu cơ lý của đất áp dụng cho mẫu đất nguyên dạng bao gồm

  1. Thành phần hạt của đất                                                       (TCVN 4198 – 2014)
  2. Độ ẩm của đất                                                                      (TCVN 4196 – 2012)
  3. dung trọng tự nhiên (dung trong ướt) của đất                     (TCVN 4202 – 2012)
  4. Khối lượng riêng của đất                                                     (TCVN 4195 – 2012)
  5. Giới hạn chảy của đất                                                          (TCVN 4197 – 2012)
  6. Giới hạn dẻo của đất                                                           (TCVN 4197 – 2012)
  7. Tính nén lún của đất                                                            (TCVN 4200 – 2012)
  8. Góc ma sát trong của đất                                                    (TCVN 4199 – 1995)
  9. Lực dính kết của đất                                                            (TCVN 4199 – 1995)

Đối với đất không có tính dính (hàm lượng sét < 10%) sẽ không thí nghiệm chảy – dẻo.

Đối với đất sét pha có chứa nhiều sạn sỏi (hàm lượng > 30%) sẽ không có thí nghiệm cắt, nén. Trường hợp sạn sỏi có hàm lượng > 50% sẽ không có thí nghiệm chảy – dẻo.

17 chỉ tiêu cơ lý của đất bao gồm 09 chỉ tiêu thí nghiệm và 08 chỉ tiêu tính toán ra từ 09 chỉ tiêu thí nghiệm

  1. Thành phần hạt của đất                                                       (TCVN 4198 – 2014)
  2. Độ ẩm của đất                                                                      (TCVN 4196 – 2012)
  3. Khối lượng (dung trọng) thể tích của đất                             (TCVN 4202 – 2012)
  4. Khối lượng riêng của đất                                                      (TCVN 4195 – 2012)
  5. Dung trọng khô của đất
  6. Dung trọng đẩy nổi của đất
  7. Hệ số rỗng của đất
  8. Độ rỗng của đất
  9. Độ bão hòa của đất
  10. Giới hạn chảy của đất                                                          (TCVN 4197 – 2012)
  11. Giới hạn dẻo của đất                                                            (TCVN 4197 – 2012)
  12. Chỉ số dẻo
  13. Độ sệt
  14. Góc ma sát trong của đất                                                     (TCVN 4199 – 1995)
  15. Lực dính của đất                                                                   (TCVN 4199 – 1995)
  16. Hệ số nén lún của đất                                                           (TCVN 4200 – 2012)
  17. Môđun tổng biến dạng của đất

 

NỘI DUNG MỘT SỐ CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA ĐẤT

 

Để hiểu rõ các chỉ tiêu này cần phải xem xét mối quan hệ giữa các pha trong đất.

Đất bao gồm các pha rắn, lỏng và khí. Pha rắn có thể là các tinh thể khoáng vật, chất hữu cơ và cả hai. Khoảng không gian giữa pha rắn được gọi là các lỗ rỗng. Pha rắn thì nước chiếm ưu thế và không khí chiếm ưu thế trong pha khí. Nếu các lỗ rỗng trong đất được lấp đầy bởi nước, ta gọi là đất bão hòa, ngược lại là đất không bão hòa. Nếu tất cả các lỗ rỗng là không khí, ta gọi là đất khô.

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất

Muni Budhu (2007) – Soil Mechanics and Foundations (2nd edition)

 

Như vậy, Tổng thể tích (V) của mẫu đất bao gồm thể tích pha rắn (VS), thể tích pha lỏng (VW) và thể tích pha khí (Va)

V = Vs + Vw + Va = Vs + Vv (1)

Trong đó Vv = Vw + Va là thể tích lỗ rỗng.

Khối lượng của mẫu đất bao gồm khối lượng của pha rắn (Ws) và khối lượng của pha lỏng (Ww). Do đó:

W = WS + WW (2)

 

1. Độ ẩm của đất (w) – (Water content hay Moisture content)

Là lượng nước chứa trong đất, được tính bằng (%) so với khối lượng đất khô.

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất  (3)

2. Hệ số rỗng của đất (e) – (Void ratio)

Là tỷ sổ giữa thể tích lỗ rỗng trong đất và thể tích hạt đất trong mẫu đất đó.

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất  (4)

3. Độ rỗng (n) – (Porosity)

Độ rỗng của đất là tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng trong đất và thể tích đất ở trạng thái tự nhiên

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất  (5)
Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất  (6)

4. Tỷ trọng hạt (Gs) – (Specific gravity)

Là tỷ số khối lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng thái rắn, khô tuyệt đối và xếp chặt sít không lỗ rỗng.

Hay nói cách khác là tỷ số trọng lượng của hạt rắn khô tuyệt đối với trọng lượng của nước có cùng thể tích.

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất  (7)

5. Độ bão hòa của đất (S) – (Degree of saturation)

Là tỷ số giữa thể tích nước trong một khối đất và thể tích lỗ rỗng của đất trong khối đất đó.

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất  (8)

6. Dung trọng tự nhiên (dung trọng ướt – khối lượng thể tích tự nhiên) – (Unit weight – Bulk unit weight)

Là khối lượng của một đơn vị thể tích đất có kết cấu và độ ẩm tự nhiên.

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất  (9)

7. Dung trọng bão hòa của đất (Saturated unit weight)

Là dung trọng của đất khi các lỗ rỗng của đất chứa đầy nước. Trong trường hợp này đất chỉ gồm hai thành phần: hạt rắn và nước.

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất  (10)

 

8. Dung trọng đẩy nổi của đất (Effective unit weight)

Là dung trọng của đất khi bị ngập dưới mặt nước tự do, tức là bằng tỷ số giữa trọng lượng nổi của phần thể rắn trong khối đất và thể tích của khối đất đó.

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất  (11)

9. Dung trọng khô của đất (Dry unit weight)

Dung trọng khô của đất hay còn gọi là khối lượng thể tích khô của đất. Là tỷ số giữa khối lượng hạt rắn trong đất và thể tích đất ở trạng thái tự nhiên

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất  (12)

10. Chỉ số dẻo – độ sệt (Plasticity Index – Liquidity Index)

Tính chất cơ lý của đất dính được liên kết với 4 trạng thái tách biệt: cứng, nửa cứng, dẻo và chảy. Nếu chúng ta vẽ sơ đồ khối lượng với hàm lượng nước như hình bên dưới, chúng ta có thể xác định trạng thái chảy ban đầu là điểm A.

Tại điểm B, đất trở nên cứng đến mức không còn khả năng chảy. Hàm lượng nước (độ ẩm) tại ranh giới điểm B được gọi là giới hạn chảy (Liquid limit – ký hiệu LL).

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất

Muni Budhu (2007) – Soil Mechanics and Foundations (2nd edition)

Khi đất tiếp tục khô, có một loạt hàm lượng nước mà tại đó đất có thể được đúc thành bất kỳ hình dạng mong muốn nào mà không bị nứt. Đất ở trạng thái này được cho là thể hiện hành vi dẻo, khả năng biến dạng liên tục mà không bị nứt. Nhưng nếu việc sấy khô được tiếp tục vượt quá phạm vi hàm lượng nước đối với hành vi dẻo, đất sẽ trở thành nửa cứng. Đất không thể được đúc ngay bây giờ mà không xuất hiện vết nứt. Hàm lượng nước tại đó đất thay đổi từ dẻo sang nửa cứng được gọi là giới hạn dẻo (Plastic limit – ký hiệu là PL)

Phạm vi hàm lượng nước mà đất biến dạng dẻo được gọi là chỉ số dẻo (Plasticity index – ký hiệu PI):

PI = LL – PL (13)

Khi đất tiếp tục khô, nó sẽ chuyển sang trạng thái rắn gọi là trạng thái cứng. Ở trạng thái này, không có sự thay đổi thể tích nào nữa xảy ra do gần như toàn bộ nước trong đất đã bị loại bỏ. Hàm lượng nước tại đó đất thay đổi từ nửa cứng thành cứng được gọi là giới hạn co ngót (shrinkage limit – ký hiệu là SL). Giới hạn co ngót rất hữu ích cho việc xác định độ trương nở và khả năng co ngót của đất. Các giới hạn chảy và dẻo được gọi là giới hạn Atterberg; được đặt theo tên người khởi xướng, nhà khoa học đất Thụy Điển, A. Atterberg (1911).

Chúng ta có thể liên kết các đặc tính cường độ cụ thể với từng trạng thái của đất. Ở trạng thái chảy, đất có cường độ thấp nhất và biến dạng lớn nhất. Ở trạng thái cứng, đất có cường độ lớn nhất và biến dạng thấp nhất. Một thước đo cường độ đất bằng cách sử dụng các giới hạn Atterberg được gọi là Độ sệt(Liquidity Index – ký hiệu LI)

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất  (14)

11. Góc ma sát trong và lực dính của đất (Internal friction angle – Coefficient cohesive)

Hai thông số góc ma sát trong và lực dính của đất thể hiện cường độ kháng (chống) cắt của đất.

Để xác định cường độ chống cắt của đất, người ta có thể dùng thí nghiệm cắt trực tiếp trên máy cắt phẳng.

Sau khi nén mẫu đất trên với một tải trọng thẳng đứng P nhất định, đợi cho mẫu đất hoàn toàn ổn định về biến dạng lún. Rồi đem cắt trực tiếp mẫu đất với tải trọng ngang tăng dần đến một vị trí tối đa nào đó (Q), mẫu đất bị cắt hoàn toàn. Trị số ứng suất cắt τ tại một điểm trên mặt trượt, khi đất bị trượt dưới áp lực nén σ được xác định bằng cách lấy lực cắt chia cho diện tích mặt cắt của mẫu đất.

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất

Trong đó F là tiết diện ngang của mẫu đất

Cứ làm như vậy, ta thực hiện nhiều thí nghiệm để xác định sức chống cắt cực đại của đất ứng với mỗi áp lực nén khác nhau (thường 3 – 4 mẫu). Dựa vào kết quả thí nghiệm cắt đất, có thể xây dựng đồ thị của sự phụ thuộc giữa ứng suất nén σ và ứng suất cắt τ.

  • Đối với đất rời:

Biểu thức toán học của đồ thị như sau:

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất  (15)

Trong đó:

S là sức chống cắt cực đại của đất;

τgh là ứng suất cắt giới hạn;

σ là áp lực nén;

φ là góc ma sát trong của đất.

Biểu thức trên là biểu thức sức chống cắt của đất rời do C.A. Coulomb tìm ra đầu tiên vào năm 1773 mang tên là định luật cắt của đất hay còn gọi là định luật Coulomb.

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất

Sức chống cắt cực hạn của đất rời là sức cản ma sát, tỷ lệ thuận với áp lực nén thẳng đứng

  • Đối với đất dính

Đất dính khác với đất rời ở chỗ là giữa các hạt đất liên kết với nhau bởi màng nước hấp phụ, các vật chất keo dính và các vật chất gắn kết xi măng. Do đó, ngay khi biến dạng trượt còn rất nhỏ, đất dính cũng đã có một cường độ chống cắt nhất định. Vì vậy đối với đất dính, ngoài thành phần ma sát trong còn có thành phần lực dính cũng tham gia vào sức chống cắt của đất.

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất

Bằng các thí nghiệm tương tự như đất rời, người ta được đồ thị sự phụ thuộc giữa ứng suất cắt τ và ứng suất nén thẳng đứng có dạng một đường thẳng cắt qua trục tung một đoạn bằng C.

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất  (16)

 

Trong đó: C là lực dính kết đơn vị của đất

Định luật Coulomb viết cho đất dính được phát biểu như sau:

“Sức chống cắt cực đại của đất dính là hàm số bậc nhất đối với áp  lực nén thẳng đứng và gồm hai thành phần: lực dính kết C không phục thuộc vào áp lực nén thẳng đứng và σ.tgφ tỷ lệ thuận với lực nén thẳng đứng.”

12. Hệ số nén lún và môđun biến dạng của đất (Coefficient of compressibility and Modulus of Deformation)

Xét một mẫu đất phân tố có chiều cao h và giả sử mẫu đất phân tố này gồm hai phần: thể tích hạt rắn và thể tích lỗ rỗng ứng với hệ số rỗng ban đầu e0. Dưới tác dụng của tải trọng P, biến dạng của mẫu đất chỉ do sự giảm thể tích lỗ rỗng gây ra, còn thể tích hạt rắn thì không thay đổi.

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất  (17)

Nhưng ΔV = Δh.F và V = h.F

F là diện tích mặt cắt ngang của mẫu đất;

Δh là chênh lệch chiều cao trước và sau khi nén lún của mẫu đất.

Do đó biểu thức (17) được viết lại

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất
 

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất

(18)

 

Biểu thức (18) thể hiện quan hệ e = f(P). Quan hệ này biểu diễn khả năng nén chặt của mỗi loại đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài, trong cơ học đất gọi là đường cong nén.

Đường cong nén ép đặc trưng cho khả năng nén chặt của đất. Với đất có tính nén lún lớn, khi tăng tải trọng nén, hệ số rỗng giảm nhanh, đường cong nén hạ thấp đột ngột. Ngược lại với đất có tính nén lún nhỏ, với cùng áp lực đơn vị như vậy lượng biến thiên của hệ số rỗng rất nhỏ, đường cong nén thoải.

Tính nén lún của đất ứng với tải trọng P1 được đặc trưng bởi độ dốc của đường cong nén ép tại điểm ứng với P1 ấy (điểm C). Nếu tăng P1 một gia số ΔP thì hệ số rỗng sẽ giảm đi một lượng Δe với điểm tương ứng P2.

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất  (19)

Trong đó:

a = tgα là hệ số góc đoạn thẳng CD, đặc trưng cho tính nén lún của đất, gọi là hệ số nén lún.

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất

Cơ học đất, Nguyễn Trung Hòa

Với lượng biến thiên áp lực nén nhỏ (khoảng 1 – 3 kG/cm2), đoạn cong CD của đường cong nén có thể coi gần đúng là đường thẳng. Do đó, biểu thức (19) sẽ được viết lại

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất  (20)
 

Hay              Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất

(21)

Định luật nén lún được phát biểu:

Với những lượng biến thiên không lớn lắm của áp lực nén, biến thiên của hệ số rỗng tỷ lệ bậc nhất với biến thiên của áp lực ấy

Ngoài hệ số nén lún a, để mô tả biến dạng lún của đất, trong Cơ học đất còn thường dùng chỉ tiêu Môđun tổng biến dạng

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất

Hãy bình luận đầu tiên

Để lại một phản hồi

Thư điện tử của bạn sẽ không được hiện thị công khai.


*