Chương 1 bản chất vật lý của đất

CHƯƠNG I: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 8
Chương I

BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT


I.1 Quá trình hình thành của đất

Theo các nhà đòa chất thì sự thành tạo đất đá xảy ra cách đây hơn 3000 triệu
năm và vẫn đang tiếp diễn không ngừng, có thể được tóm tắt như sau:

Đất được tạo thành từ đá gốc, tồn tại trên bề mặt của vỏ quả đất hoặc được
đùn lên trên bề mặt trái đất do các quá trình phún trào nóng chảy, nguội lạnh và đông
đặc lại. Nếu mô tả một cách đơn giản thì quá trình thành tạo của đất như sau: dưới
tác dụng phong hoá ( phong hóa vật lý, cơ học, hoá học và sinh vật ) liên tục của môi
trường, đá gốc bò nứt vỡ thành những mảnh nhỏ – các sản phẩm của phong hóa được
nước, gió v.v… mang đi và dưới những điều kiện nhất đònh nào đó thì nó lắng đọng lại,
và sắp xếp thành từng lớp mà ta gọi là các lớp đất trầm tích, thường gặp trong xây
dựng.

I.2 Thành phần vật chất của đất

Do phương cách thành tạo như đã nêu trên mà đất gồm 3 pha khác nhau là pha
rắn, pha lỏng và pha khí.

Pha rắn: Bao gồm các hạt rắn, tựa vào nhau tạo thành bộ khung chòu lực của
đất, quyết đònh tính chất xây dựng của đất. Dựa vào đường kính hạt người ta chia hạt
rắn thành các nhóm hạt đất như bảng 1.1.

Bảng 1.1: Phân loại đất theo kích thước hạt

Tên hạt đất Kích thước hạt ( mm ) *

Đá lăn > 100
Hạt cuội 100 - 10
Hạt sỏi 10 - 2
Hạt cát 2 – 0.1
Hạt bụi 0.1 – 0.005
Hạt sét < 0.005

( * ) Kích thước hạt có thể khác nhau tùy theo qui đònh của mỗi nước.
CHƯƠNG I: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 9
Cấp phối hạt của đất
Thông thường đất chứa các hạt có kích cỡ rất khác nhau khiến tính chất xây
dựng của đất rất khác nhau. Để giải quyết vấn đề này ta hãy làm quen với khái niệm
cấp phối hạt.
Lượng một cỡ hạt ( tính bằng thành phần phần trăm trọng lượng đất khô ) gọi
là hàm lượng cỡ hạt. Tập hợp hàm lượng tất cả các cỡ hạt khác nhau chứa trong một
loại đất gọi là cấp phối hạt của loại đất đó và được biểu diễn bằng đường cong cấp
phối hạt của đất như hình 1.1.






ASST

Hình 1.1: Đường cong cấp phối hạt của đất

Đường cong cấp phối hạt của đất giúp ta nhận biết sự phân bố các nhóm hạt
trong mẫu đất, tên gọi của đất, các đường kính có hiệu và hệ số không đồng đều của
đất

Pha lỏng: là các loại nước có trong đất. Theo mức độ ảnh hưởng nhiều đến các
tính chất của đất nên ta nói đến hai loại nước sau:

1. Nước màng liên kết
- Nước liên kết chặt: là màng nước nằm sát bề mặt hạt khoáng bám
chặt vào hạt khoáng nhờ lực hút điện phân tử lớn. Loại nước này rất
khó tách được ra khỏi các hạt rắn.

- Nước liên kết yếu: là màng nước bọc ngoài cùng chòu lực hút điện
phân tử nhỏ hơn so với nước liên kết chặt.

CHƯƠNG I: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 10
2. Nước tự do: là nước chứa trong thể tích rỗng giữa các hạt. Nó có thể dòch
chuyển được trong các đường rỗng thông thương dưới tác dụng của lực
trọng trường.

Cần chú ý rằng trong những điều kiện nhất đònh nước tự do có thể trở thành
nước màng liên kết yếu và ngược lại.

Pha khí: Gồm các loại khí dưới dạng tự do hoặc hòa tan trong nước.
Nói chung thành phần khí trong đất ít ảnh hưởng đến tính chất xây dựng
của đất nên đôi khi có thể bỏ qua.

I.3 Các chỉ tiêu vật lý của đất

Để xác đònh các chỉ tiêu vật lý của đất, ta dùng sơ đồ một mẫu đất có diện tích
bằng đơn vò, trong đó 3 pha tạo thành đất được sắp xếp tách riêng như hình 1.2 với
các ký hiệu sau :
V : thể tích toàn bộ.
V
h
: thể tích hạt rắn.
V
n
: thể tích nước.
V
k
: thể tích khí
V
r
= V
n
+ V
k
: thể tích lỗ rỗng.
Q : trọng lượng toàn bộ.
Q
h
: trọng lượng các hạt rắn.

Q
n
: trọng lượng nước trong lỗ rỗng
Q
k
:trọng lượng khí trong lỗ rỗng ( vì khí rất nhẹ nên thực tế có thể
xem trọng lượng khí trong đất bằng không: Q
k
= 0 ).



Q
h
n
Q
Q
Q
k
Hạt đất
Nước
V
h
V
n
V
r
V
Khí
V

k


Hình 1.2 : Sơ đồ biểu diễn ba pha trong đất
CHƯƠNG I: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 11
3.1 Chỉ tiêu trọng lượng riêng của đất, γ ( T/m
3
, KN/m
3
, … )

Đây là một chỉ tiêu vật lý quan trọng, phản ánh độ chặt của đất, được sử dụng
trong nhiều tính toán và đánh giá bởi một loạt các chỉ tiêu chi tiết.


Trọng lượng riêng ướt ( hay trọng lượng riêng tự nhiên ), γ
W

Là trọng lượng của một đơn vò thể tích đất ở trạng thái tự nhiên:

Chỉ tiêu này được xác đònh trực tiếp bằng thí nghiệm, giá trò γ
W
thay đổi trong
phạm vi 1.5-2.0 T/m
3
.

Trọng lượng riêng khô, γ
k
.

Là trọng lượng của một đơn vò thể tích đất ở trạng thái hoàn toàn khô, có nghóa
là trọng lượng hạt rắn trong một đơn vò thể tích đất:

Trò số của γ
k
thay đổi tùy theo độ chặt của đất, có thể xác đònh bằng phương
pháp thí nghiệm trực tiếp, nhưng thường được tính qua các công thức tính đổi nêu
trong bảng 1.7.

Trọng lượng riêng hạt đất, γ
h
.
Là trọng lượng một đơn vò thể tích hạt rắn của đất:

Giá trò γ
h
thay đổi trong một phạm vi nhỏ ( 2.6 ÷ 2.8 T/m
3
).
Chỉ tiêu γ
h
thường được xác đònh bằng phương pháp trực tiếp thí nghiệm.

Tỷ trọng hatï của đất, ∆ .
Là tỉ số giữa trọng lượng riêng hạt và trọng lượng riêng của nước trong điều
kiện tiêu chuẩn:

V
Q
h

k
=
γ
h
h
h
V
Q
=
γ
n
h
γ
γ
=∆
( 1.2 )
( 1.3 )
( 1.4 )
V
Q
w
=
γ
( 1.1 )
CHƯƠNG I: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 12
Trong đó : γ
n
_ trọng lượng riêng của nước ở nhiệt độ 4 độ C

Trọng lượng riêng đất no nước ( hay còn gọi là đất bão hoà ), γ

nn

Là trọng lượng một đơn vò thể tích đất ở trạng thái no nước, nghóa là các lỗ
rổng của nó chứa đầy nước:



Trọng lượng riêng đẩy nổi của đất, γ
đn .
Là trọng lượng riêng của đất có kể đến lực đẩy nổi của nước:


Các đại lượng γ
nn ,
γ
đn
thường được xác đònh gián tiếp bằng cách dùng các công
thức tính đổi trong bảng 1.7 .

3.2 Chỉ tiêu đánh giá mức độ chứa nước trong đất

Lượng nước chứa trong lỗ rỗng của đất có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của
đất. Cùng một loại đất, tùy theo lượng nước chứa trong đất có thể biến đất đó có tính
chất xây dựng tốt trở thành đất yếu và ngược lại.

Độ ẩm của đất, W ( % )
Là tỉ số giữa trọng lượng nước chứa trong lỗ rỗng của đất với trọng lượng hạt
rắn của đất:
Đại lượng W được xác đònh bằng trực tiếp thí nghiệm.

Độ no nước của đất ( hay còn gọi là độ bão hoà của đất ),G
Là tỷ số giữa thể tích nước với thể tích lỗ rỗng:

Cũng như W, đại lượng G có thể là một số thập phân hoặc được tính bằng
thành phần phần trăm.
V
QQ
nh
nn
+
=
γ
nnn
nhh
dn
V
VQ
γγ
γ
γ
−=
−
=
.
r
n
V
V
G =
100x

Q
Q
W
h
n
=
( 1.5 )
( 1. 6 )
( 1. 7 )
( 1.8 )
CHƯƠNG I: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 13
3.3 Chỉ tiêu đánh giá độ rỗng trong đất

Lượng lỗ rỗng của đất phản ánh độ chặt của đất. Để biểu thò mức độ rỗng của
đất, trong tính toán thường dùng hai chỉ tiêu

Độ rổng của đất, n.
Là thể tích lỗ rỗng trong một đơn vò thể tích đất:

Độ rổng của đất có thể biểu thò bằng số phần trăm hoặc số thập phân.

Hệ số rổng của đất, ε.
Là tỷ số giữa thể tích rỗng với thể tích hạt rắn của đất:
Hệ số rỗng ε thường được biểu thò bằng số thập phân. Chỉ tiêu này thường
được xác đònh gián tiếp, nghóa là tính theo các công thức tính đổi trong bảng 1.7 .

Trong thực tế, chỉ cần thí nghiệm để xác đònh giá trò của 3 chỉ tiêu cơ bản :
trọng lượng riêng tự nhiên γ
W
, trọng lượng riêng hạt γ

h
và độ ẩm W, rồi nhờ các công
thức ở bảng 1.7 có thể tính toán được giá trò của các chỉ tiêu khác.

I.4 Các chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất

Tính chất xây dựng của đất không chỉ phụ thuộc vào các chỉ tiêu vật lý đã nêu
trên mà còn được quyết đònh bởi trạng thái vật lý của nó. Để xác đònh trạng thái vật
lý của đất người ta chia đất làm hai loại : đất rời và đất dính.

Đất rời : Chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất rời là độ chặt với ba mức độ : chặt,
chặt vừa và xốp. Để đánh giá độ chặt của đất rời người ta có thể dựa vào cách so
sánh hệ số rổng tự nhiên ε với hệ số rỗng giới hạn như trong bảng 1.2 hoặc dùng độ
chặt tương đối D xác đònh theo công thức sau :

Trong đó : ε
max
hệ số rỗng của đất ở trạng thái xốp nhất
ε
min
hệ số rỗng của đất ở trạng thái chặt nhất
V
V
n
r
=
h
r
V
V

=
ε
minmax
max
εε
εε
−
−
=D
( 1.
9
)
( 1. 10 )
( 1. 11 )
CHƯƠNG I: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 14
ε

hệ số rỗng của đất ở trạng thái tự nhiên
Xác đònh trạng thái vật lý của đất rời theo độ chặt tương đối D nêu ở bảng 1.3.

Đất dính : Tính chất xây dựng của loại đất này phụ thuộc rất nhiều vào độ ẩm.
Khi độ ẩm của đất dính thay đổi từ nhỏ đến lớn, trạng thái vật lý của nó sẽ thay đổi từ
cứng qua dẻo, rồi sang nhão. Những chỉ tiêu sau đây phản ánh đặc điểm ấy của đất
dính.

Giới hạn dẻo, W
d
( còn gọi là giới hạn lăn, W
l
) là độ ẩm giới hạn giữa đất ở

trạng thái rắn và trạng thái dẻo.

Giới hạn sệt, W
s
( còn gọi là giới hạn nhão W
nh
) là độ ẩm giới hạn giữa đất ở
trạng thái dẻo và trạng thái nhão.

W
d
,W
s
được gọi là các giới hạn Atterberg.

Chỉ số dẻo của đất dính, A : hiệu số của giới hạn sệt và giới hạn dẻo

A = W
s
- W
d


Độ đặc ( độ sệt ) của đất dính, B ( I
L
), được tính theo công thức

Chỉ số dẻo A được dùng để phân loại các đất dính ( bảng 1. 4 ), còn chỉ tiêu độ
đặc B thì dùng để đánh giá trạng thái của đất dính ( bảng 1. 5 ).

I.5 Phân loại đất.

1. Đất rời : được phân loại theo kích thước hạt rắn và hàm lượng của cỡ
hạt trong mẫu đất ( bảng 1. 6 ) .
2. Đất dính : được phân loại dựa vào chỉ số dẻo A ( bảng 1.4 ) kèm theo
trạng thái vật lý của nó ghi ở bảng 1.5 .







A
WW
WW
WW
B
d
ds
d
−
=
−
−
=
( 1. 13 )
( 1. 12 )
CHƯƠNG I: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 15
Bảng 1.2

Độ chặt Loại đất
Chặt Chặt vừa Xốp( rời)

Cát sỏi, cát thô, cát vừa
Cát nhỏ
Cát bột (cát bụi)

ε<0.55
ε<0.60
ε<0.60

0.55 ≤ ε≤ 0.70
0.60 ≤ ε ≤ 0.75
0.60 ≤ ε ≤ 0.80

ε > 0.70
ε > 0.75
ε > 0.80



Bảng 1. 3

Loại đất

Độ chặt tương đối D
Đất cát chặt
Đất cát chặt vừa
Đất cát xốp (rời)

1,00 ≥ D > 0,67
0,67≥ D > 0,33
0,33≥ D ≥ 0,00




Bảng 1.4 : Bảng phân loại đất dính theo A


Tên đất dính

Chỉ số dẻo A

Đất cát pha ( á cát)
Đất sét pha ( á sét)
Đất sét

1 ≤ A < 7
7 ≤ A ≤ 17
A >17

CHƯƠNG I: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 16
Bảng 1. 5 : Bảng phân loại trạng thái của đất dính theo B

Tên và trạng thái của đất

Độ đặc B
Cát pha:
Rắn
Dẻo
Sệt

Sét pha và sét:
Rắn
Nửa rắn
Dẻo
Dẻo mềm
Dẻo sệt
Sệt

B < 0
0 ≤ B ≤ 1
B>1


B < 0
0 ≤ B ≤ 0,25
0,25 < B ≤ 0,50
0,50 < B ≤ 0,75

0,75 < B ≤ 1,00
B >1,00





Bảng 1. 6 : Phân loại đất cát theo hàm lượng hạt

Tên đất Hàm lượng hạt theo độ lớn tính bằng %
khối lượng đất khô
Đất hòn lớn:
- Đất dăm, đất cuội,
- Đất sỏi ( sỏi tròn, sỏi góc )
Đất cát:
Cát sỏi
Cát thô
Cát vừa
Cát nhỏ
Cát bột


Khối lượng hạt lớn hơn 10mm trên 50%
Khối lượng hạt lớn hơn 2mm trên 50%

Khối lượng hạt lớn hơn 2mm trên 25%
Khối lượng hạt lớn hơn 0,5 mm trên 50%
Khối lượng hạt lớn hơn 0,25mm trên 50%
Khối lượng hạt lớn hơn 0,10mm trên 75%
Khối lượng hạt lớn hơn 0,10mm dưới 75%

CHƯƠNG I: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 17


Bảng 1.7 : Các công thức tính đổi những chỉ tiêu thường dùng


Chỉ tiêu cần xác đònh


Công thức

Số thứ tự
công thức

Hệ số rỗng







Độ rỗng

Độ bảo hòa G



Trọng lượng riêng hạt



Trọng lượng riêng khô



Trọng lượng riêng đẩy nổi











Ghi chú : Trong các công thức trên W tính theo phần trăm còn G và n tính theo
thập phân.
1
)01.01(
−

+∆
=
w
n
w
γ
γ
ε
1−=
k
h
γ
γ
ε
n
n
−
=
1
ε
ε
ε
+
=
1
n
wn
w
w
w

G
γγ
γ
−+∆
∆
=
)01.01(
01.0
ε
w
G
01.0
∆
=
n
k
h
−
=
1
γ
γ
nh
γ
γ
.
∆
=
)1( n
hk

−
=
γ
γ
)01.01( w
w
k
+
=
γ
γ
ε
γ
γ
+
−
∆
=
1
)1(
n
dn
1
−
=
nndn
γ
γ
( 1. 14 )
( 1. 15 )

( 1. 16 )
( 1. 17 )
( 1. 18 )
( 1. 19 )
( 1. 20 )
( 1. 21 )
( 1. 22 )
( 1. 23 )
( 1. 24 )
( 1. 25 )
CHƯƠNG I: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 18
I.6 Tóm tắt chương

1. Quá trình hình thành đất là một quá trình bao gồm phong hóa, vận chuyển,
trầm tích tạo nên từng lớp và đất gồm có: hạt rắn, nước và không khí.

2. Về cấu tạo đất có nhiều đặc điểm đáng chú ý:
- Đất là môi trường phân tán vụn rời, không liên tục.
- Đất là môi trường có tính rỗng. Độ rỗng trong đất khá lớn. Trong lỗ
rỗng thường chứa nước.

Những đặc điểm này quyết đònh các đặc tính vật lý – cơ học đặc thù
của đất.

3. Để sử dụng đất vào mục đích xây dựng, việc đầu tiên là phải phân loại đất.
Nhờ đó ta nhận biết được tên đất kèm theo các đặc tính của nó.

I.7 Bài tập

Bài tập mẫu 1.1

Hãy chứng minh công thức ( 1.15 ) trong bảng 1.7

Bài giải
Theo đònh nghóa về ε ta có công thức:
Trong đó: Vr = V - V
h
Thay các biểu thức Vr , V , V
h
vào công thức đònh nghóa
Viết lại:

1−=
−
=
hh
h
V
V
V
VV
ε
h
r
V
V
=
ε
1−=
k
h

k
h
Q
Q
γ
γ
ε
k
h
Q
V
γ
=
h
h
h
Q
V
γ
=
CHƯƠNG I: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 19
Đơn giản, rút gọn cuối cùng ta tìm được:
Bài tập mẫu 1.2
Người ta dùng một dao vòng có thể tích 55cm
3
để lấy mẫu đất nguyên
dạng đem cân xác đònh được khối lượng của đất tự nhiên là 98g, khối lượng
sau khi sấy khô của mẫu đất đó là 75g, biết tỷ trọng của hạt đất là ∆ = 2.69
Hãy xác đònh trọng lượng riêng tự nhiên γ
w

, độ ẩm W, hệ số rỗng ε và
độ bảo hòa G của mẫu đất đó.

Bài giải
1. Xác đònh trọng lượng riêng tự nhiên γ
w
. Từ công thức đònh nghóa
2. Xác đònh độ ẩm W:
Từ công thức đònh nghóa:
Thay các giá trò Q
n
= 98 – 75 = 23g và Q
h
= 75g ta tìm được
3. Tính hệ số rỗng ε:
Theo công thức tính đổi ε ( công thức 1. 14 )
Thay các giá trò đã biết vào công thức
4. Tính độ bảo hòa G:
Theo công thức tính đổi ( 1.19 )
Thay các giá trò đã biết vào công thức

1−=
k
h
γ
γ
ε
33
/782,1/782,1
55

98
mTcmg
V
Q
w
====
γ
100% x
Q
Q
W
h
n
=
%67,30100
75
23
% == xW
1
)01.01(
−
+
∆
=
w
n
W
γ
γ
ε

973,01
782,1
)67,30.01.01(.1.69,2
=−
+
=
ε
ε
w
G
01.0∆
=
85,0
973,0
67,30.01.0.69,2
==G
CHƯƠNG I: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 20
Bài tập mẫu 1.3

Cho một mẫu đất có độ ẩm tự nhiên là W= 42%. Giới hạn sệt ( giới
hạn nhão ) Ws = 57%, giới hạn dẻo Wd = 36%

Hãy xác đònh tên và trạng thái của mẫu đất đó.

Bài giải

1. Tên đất được xác đònh theo chỉ số dẻo A ( Bảng 1.4 )

Chỉ số dẻo của mẫu đất
A = W

s
- W
d

= 57 – 36 = 21%

Như vậy theo bảng 1.4 : Đây là loại đất sét

2. Trạng thái của đất dính được xác đònh theo độ sệt B

Độ đặc ( độ sệt ) của đất dính được tính theo công thức

Theo bảng 1. 5 ta thấy đất này ở trạng thái dẻo.

Bài tập mẫu 1.4

Cho một mẫu đất sét thấm được ở dưới mực nước ngầm có tỉ trọng hạt
∆ = 2,71, hệ số rỗng ε = 0,85.
Hãy xác đònh trọng lượng riêng tự nhiên, trong lượng riêng đẩy nổi của
mẫu đất đó.

Bài giải

Mẫu đất sét này sẽ ở trạng thái bảo hòa nước ( G = 1 ). Độ ẩm của mẫu
đất đó tính theo công thức sau :
A
WW
WW
WW
B

d
ds
d
−
=
−
−
=
29,0
21
3642
=
−
=B
CHƯƠNG I: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT 21

Trọng lượng riêng tự nhiên tính theo công thức:


Trọng lượng riêng đẩy nổi tính theo công thức:

%37,31
71,2.01,0
85,0.1
.01,0
.
==
∆
=
ε
G
W
3
/924,1
85,01
)37,31.01,01.(1.71,2
1
).01,01.(.
mT
w
n
w
=
+
+
=
+
+
∆
=
ε

γ
γ
3
/924,0
85,01
1).171,2(
1
).1(
mT
n
dn
=
+
−
=
+
−
∆
=
ε
γ
γ