Cơ học đất - Đại học Thuỷ lợi

TRƯỜNG ĐẠI
HỌC
THỦY LỢI
•
•
•
Bộ MƠN ĐỊA KỸ THUẬT

cơ HỌC ĐÁT

NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA HÀ NỘI


Tập thế tác giả:
PGS. TS. Hoàng Việt Hùng (Chủ biên)
PGS. TS. Nguyễn Hữu Thái

TS. Trần Thế Việt
TS. Nguyễn Thị Ngọc Hương
ThS. Phạm Huy Dũng

TS. Nguyễn Văn Lộc

Biên mục trên xuất bản phẩm của Thư viện Quốc gia Việt Nam

Cơ học đất / Hoàng Việt Hùng (ch.b.), Nguyễn Hữu Thái, Trần Thế Việt... - H. :

Bách khoa Hà Nội, 2020. - 348tr.; 27cm

ĐTTS ghi: Trường Đại học Thủy lợi. Bộ môn Địa kỹ thuật

1. Cơ học đất 2. Giáo trình
624.15136071 1 - dc23

BKK0040p-CIP

2


LỜI NĨI ĐẦU
Cơ học Đất là mơn học cơ sở kỹ thuật nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức
cơ bản về đất phục vụ cho mục đích xây dựng. Mơn học này giúp cho sinh viên có kiến

thức đê tiếp cận chun mơn lĩnh vực nền móng nói riêng và cơng trình xây dụng nói
chung. Mặc dù là môn cơ sở được dạy từ lâu trong các trường khối kỹ thuật xây dựng, đã
có một hệ thống giáo trình cùng sách tham khảo khá hồn chỉnh nhưng vẫn phải thường
xuyên cập nhật, chỉnh sửa để đáp ứng tốt nhất nhu cầu học tập, nghiên cúu, ứng dụng của
sinh viên cũng như cán bộ kỳ thuật xây dựng.
Bộ môn Địa kỹ thuật - Trường Đại học Thủy lợi tiến hành biên soạn cuốn sách
“Cơ học Đất” với mục tiêu bám sát chương trình giảng dạy trong các trường khối kỹ thuật
xây dựng, cung cấp được hầu hết yêu cầu kiến thức cơ bản của môn học và cập nhật được
thông tin từ các sách chuyên ngành mới dịch của nước ngồi. Nội dung của cuốn sách này
cơ bản dựa
• trên cuốn Cơ học
• Đất do GS. TSKH. Cao Văn Chí biên soạn
• và bản dịch
• cuốn:
“Giới thiệu Địa kỹ thuật” của Hotz và Kovacs.

Tập thế tác giả tham gia biên soạn sách bao gồm:

- PGS. TS. Hoàng Việt Hùng biên soạn chương 1 và chù biên toàn bộ cuốn sách;
- PGS. TS. Nguyễn Hữu Thái biên soạn chương 2;
- TS. Trần Thế Việt biên soạn chương 3;
- TS. Nguyễn Thị Ngọc Hương biên soạn chương 4;

- ThS. Phạm Huy Dũng biên soạn chương 5;
- TS. Nguyễn Văn Lộc biên soạn chương 6.

Cuốn sách đã được tinh giản nội dung theo phương châm cơ bản, hiện đại có kế thừa
kiến thức và kinh nghiệm của các lớp thầy cô đã giảng dạy tại Bộ môn. Mặc dù tập thể
biên soạn đã rất cố gắng nhưng không thể tránh được các sai sót. Chúng tơi rất mong nhận
được những ý kiến đóng góp của q thầy cơ, bạn đọc và các bạn sinh viên để cuốn sách

ngày càng được hoàn thiện hơn trong những lần xuất bản sau.
Trân trọng cảm ơn!

CÁC TÁC GIẢ

3


4


MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐÀU............................................................................................................................... 3

Chương 1. TÍNH CHÁT VẬT LÝ CỦA ĐẤT....................................................................... 9
1.1. Các pha hợp thành đất và tác dụng tương hỗ giữa chúng..................................... 9

1.1.1. Pha rắn (hạt đất)...................................................................................................... 9
1.1.2. Pha lỏng (nước trong đất)..................................................................................... 16
1.1.3. Pha khí trong đất................................................................................................... 19
1.2. Các chỉ tiêu tính chất vật lý và trạng thái vật lý của đất....................................... 19

1.2.1. Các chỉ tiêu tính chất vật lý của đất..................................................................... 19
1.2.2. Các chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất...................................................................25
1.3. Phân loại đất................................................................................................................... 32
1.3.1. Mục đích................................................................................................................. 32
1.3.2. Giới thiệu một số tiêu chuẩnphân loại đất điển hình......................................... 32
1.4. Một số lưu ý khi đánh giá tínhchất vật lý của đất.................................................. 41

Bài tập chương 1.................................................................................................................... 42
Chương 2. TÍNH CHÁT cơ HỌC CỦA ĐÁT.................................................................... 44
2.1. Mơ đầu............................................................................................................................. 44
2.2. Tính thấm nước của đất.............................................................................................. 44

2.2.1. Khái niệm dòng thấm trong đất........................................................................... 44
2.2.2. Định luật Darcy....................................................................................................48
2.2.3. Hệ số thấm và phương pháp xác định................................................................ 50
2.3. Tính ép co và biến dạng của đất..................................................................................53

2.3.1. Khái niệm tính ép co và biến dạng của đất........................................................ 53
2.3.2. Quan hệ giữa biến thiên thể tích (AV) và biến thiên hệ số rỗng (Ae)............. 54
2.3.3. Thí nghiệm ép co khơng nở hơng và định luật ép co........................................ 55
2.3.4. Xác định các đặc trưng biến dạng của đất.......................................................... 65
2.3.5. Cố kết của đất dính bão hịa nước và sự chuyển hóa ứng suất trong quá trình
cố kết thấm............................................................................................................. 68
2.4. Cường độ chống cắt của đất........................................................................................ 71

2.4.1. Khái niệm về cường độ chống cắt của đất....................................................... 71

5


2.4.2. Thí nghiệm cắt trực tiếp và định luật Coulomb............................................... 73
2.4.3. Tiêu chuẩn phá hoại Mohr - Coulomb............................................................. 76
2.4.4. Thí nghiệm ba trục................................................................................................ 90
2.4.5. Cường độ chống cắt của đất cát.......................................................................... 92
2.4.6. Cường độ chống cắt của đất sét.......................................................................... 98
2.5. Tính đầm chặt của đất.............................................................................................. 110

2.5.1. Ý nghĩa thực tế và mục đích của đầm chặt đất................................................ 110
2.5.2. Nguyên lý đầm chật đất..................................................................................... 111
2.5.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến tính đầm chặt của đất......................................... 116
Bài tập chương 2................................................................................................................ 117

Chương 3. XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT TRONG ĐẤT......................................................... 120
3.1. Mơ đầu..........................................................................................................................120

3.1.1. Các loại ứng suất trong đất................................................................................. 120
3.1.2. Các giả thiết để tính tốn.................................................................................... 121
3.2. Xác định ứng suất băn thân...................................................................................... 121

3.2.1. ứng suất bản thân trong nền đất....................................................................... 122
3.2.2. ứng suất bản thân trong cơng trình đất.............................................................128
3.3. Xác định áp suất đáy móng....................................................................................... 129

3.3.1. Tính áp suất đáy móng khi cơng trình chịu tải trọng thẳng đứng
đặt đúng tâm........................................................................................................ 129

3.3.2. Tính áp suất đáy móng khi cơng trình chịu tải trọng thẳng đứng
đặt lệch tâm.......................................................................................................... 130

3.3.3. Trường họp móng cứng hình băng chịu tải lệch tâm...................................... 133
3.3.4. Trường họp tải trọng có dạng tống quát............................................................134
3.4. Úng suất tăng thêm trong nền cơng trình...............................................................136

3.4.1. Hai bài tốn cơ bản............................................................................................. 137
3.4.2. ứng suất tăng thêm trong nền đồng chất khi mặt nền chịu tải trọng

thẳng đứng phân bố trên diện tích hình chữ nhật........................................... 145

3.4.3. ứng suất tăng thêm trong nền khi mặt nền chịu tải trọng hỉnh băng................ 167
Bài tập chương 3.................................................................................................................. 182

6


Chương 4. sức CHỊU TÃI CỦA NÈN MĨNG NƠNG................................................. 187
4.1. Mơ đầu.......................................................................................................................... 187
4.2. Các giai đoạn trạng thái ứng suất của đất khi tăng tải....................................... 187

4.2.1. Đặc điểm phá hoại nền đất khi tăng tải........................................................... 187
4.2.2. Thí nghiệm bàn nén chịu tải trọng thẳng đứng.............................................. 190
4.3. Xác định tải trọng giói hạn thứ nhất (Pgh)............................................................193

4.3.1. Lập phương trình đường bao vùng biến dạng dẻo......................................... 194
4.3.2. Xác định độ sâu phát triển lớn nhất (Zmax) của vùng dẻo ứng với
một tải trọng p cho trước................................................................................... 195

4.3.3. Xác định tải trọng giới hạn thứ nhất prgh......................................................... 196
4.4. Các phương pháp phân tích sức chịu tải giới hạn của nền đất - hệ số an toàn
và sức chịu tải cho phép............................................................................................. 201

4.4.1. Phương pháp trường ứng suất.......................................................................... 201
4.4.2. Phương pháp cân bằng giới hạn khối rắn........................................................ 203
4.4.3. Hệ số an toàn và sức chịu tải cho phép........................................................... 206
4.5. Các phương pháp xác định sức chịu tải giới hạn của nền..................................210

4.5.1. Lời giải giải tích của Prandtl cho trường họp đất khơng trọng lượng (y = 0)
với tải trọng thắng đứng (ô = 0)....................................................................... 210

4.5.2. Lời giải giải tích của Reissner cho trường họp đất không trọng lượng (y = 0)
với tải trọng thắng đứng (ỗ = 0)....................................................................... 212

4.5.3. Lời giải giải tích của Novotortsev cho trường họp đất không trọng lượng
(y = 0) với tải trọng nghiêng (ô

0)................................................................212

4.5.4. Trường hợp tổng quát (y * 0, (p * 0, c * 0, q

0) - phương pháp cộng tác

dụng của Sokolovski......................................................................................... 213

4.5.5. Phương trình sức chịu tải của Terzaghi........................................................... 216
4.5.6. Phương trình sức chịu tải tống quát................................................................. 221
4.5.7. Phương pháp cân bằng giới hạn của Evdokimov........................................... 235

Bài tập chương 4................................................................................................................. 244
Chương 5. ÁP Lực ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN..........................................................................246

5.1. Mở đầu.......................................................................................................................... 246
5.2. Các loại áp lực đất tác dụng lên tường chắn đất và điều kiện hình thành......248
5.3. Xác định áp lực đất tĩnh............................................................................................ 251

7


5.3.1. Trường hợp lưng tường thẳng đứng, mật đất nằm ngang.............................. 251
5.3.2. Trường họp lưng tường và mặt đất đắp nghiêng............................................. 253
5.4. Tính tốn áp lực đất theo lý thuyết của Rankine................................................. 254

5.4.1. Ngun lý tính tốn............................................................................................ 254
5.4.2. Các giả thiết cơ bản............................................................................................ 255
5.4.3. Xác định áp lực đất chủ động............................................................................ 255
5.4.4. Xác định áp lực đất bị động.............................................................................. 257
5.4.5. Tính tốn áp lực đất trong một số trường họp khác........................................ 259
5.5. Tính tốn áp lực đất theo lý luận của Coulomb....................................................268

5.5.1. Các giả thiết cơ bản............................................................................................ 268
5.5.2. Nguyên lý tính tốn............................................................................................ 268
5.5.3. Xác định áp lực đất chủ động............................................................................ 268
5.5.4. Xác định áp lực đất bị động.............................................................................. 273
Bài tập chương 5.................................................................................................................279
Chương 6. XÁC ĐỊNH Độ LÚN CỦA NỀN CỒNG TRÌNH...................................................... 281

6.1. Mở đầu......................................................................................................................... 281

6.2. Xác định độ lún cố kết on định.................................................................................282

6.2.1. Tính tốn độ lún cố kết một hướng...................................................................282
6.2.2. Tính tốn độ lún cố kết có xét đến biến dạng hông........................................292
6.3. Xác định độ lún cố kết theo thòi gian ST............................................................... 297

6.3.1. Lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi................................................................. 297
6.3.2. Tính độ lún theo thời gian.................................................................................. 302
6.4. Dự tính độ lún của móng theo phương pháp lóp tương đương của đất................. 320

6.4.1. Biến thiên của độ lún theo thời gian................................................................ 328
6.4.2. Xác định vùng hiệu quả nén theo phương pháp lớp tương đương............... 332
6.4.3. Tính độ lún của móng trên tầng đất phân lớp................................................. 335
Bài tập chương 6.................................................................................................................341
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................... 346

8


Chương 1

TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT
1.1. CÁC PHA HỢP THÀNH ĐÁT VÀ TÁC DỤNG TƯƠNG HÔ GIỮA CHÚNG

Đất là sản phẩm của sự phong hóa đá gốc thành các hạt đất, các hạt đất tự sắp xếp tạo
thành khung cốt đất có nhiều lỗ rỗng, trong các lỗ rỗng có chứa nước và khơng khí. Như
vậy, đất gồm ba thành phần vật chất:

- Hạt đất (pha rắn);

- Nước trong đất (pha lỏng);
- Khí trong đất (pha khí).
Tính chất của đất được xác định bời các yếu tố:

- Tính chất của các pha hợp thành đất;
- Tỷ lệ về số lượng giữa các pha;
- Các tác dụng địa phân tử, tác dụng hóa lý, tác dụng cơ học giữa các pha với nhau
và giữa các nhóm hạt.
1.1.1. Pha rắn (hạt đất)
Pha rắn của đất bao gồm các hạt đất (hạt khống vật) có kích thước khác nhau chiếm
phần lớn thể tích khối đất, tạo thành khung cốt đất. Có ba yếu tố của pha rắn ảnh hưởng
đến những tính chất của đất là: thành phần khoáng vật của hạt đất, kích thước hạt đất, hình
dạng hạt đất. Sau đây sẽ phân tích đặc điểm chi tiết của ba yếu tố này.

7.7.7.7. Thành phần khoáng vật hạt đất

Khoáng vật được định nghĩa là những đơn chất hay hợp chất hóa học trong tự nhiên,
hình thành và tồn tại trong vỏ Trái Đất hay trên mặt đất trong những điều kiện địa chất nhất
định.

Hiện nay, khoa học đã tìm được khoảng 2800 khống vật, trong đó có khoảng 50 loại
khống vật tạo thành đất đá.
Các đặc tính của khống vật được trình bày ờ các sách chuyên ngành kỹ thuật địa
chất công trình.

Vì đất là sản phẩm của sự phong hóa đá gốc, do vậy thành phần khoáng vật của đất
phụ thuộc chủ yếu vào thành phần đá gốc và tác dụng phong hóa đá. Tác dụng phong hóa
khác nhau sẽ sản sinh các khoáng vật khác nhau ngay cả khi tác dụng phong hóa trên cùng
một loại đá gốc.

9


Thành phần khống vật của hạt đất có thể chia thành ba loại: khoáng vật nguyên
sinh, khoáng vật thứ sinh (hai loại này là khống vật vơ cơ) và chất hóa họp hữu cơ.

Khống vật ngun sinh thường gặp là felspat, thạch anh và mica. Các hạt đất có
thành phần khống vật ngun sinh thường có kích thước lớn, lớn hơn 0,005 mm.
Các khoáng vật thứ sinh chia làm hai loại:

- Khống vật khơng hịa tan trong nước, thường gặp là kaolinite, ilite và
montmorillonite, chúng là thành phần chủ yếu của các hạt sét trong đất nên cịn gọi là
khống vật sét.

- Khống vật hịa tan trong nước thường gặp là canxit, dolomite, mica trắng, thạch
cao, muối mỏ...
Các khoáng vật thứ sinh thường có kích thước rất nhỏ, nhỏ hơn 0,005 mm.

Chất hóa họp hữu cơ là sản phấm được tạo ra từ di tích thực vật và động vật, ờ giai
đoạn phá hủy hoàn toàn, sản phấm này được gọi là mùn hữu cơ.

Ánh hưởng của thành phần khoáng vật đến các tính chất của đất có thế thấy:

- Với đất có kích thước hạt lớn: Thành phần khống vật khơng ảnh hường nhiều đến
tính chất của đất.
- Với đất có kích thước hạt nhỏ: Thành phần khống vật ảnh hưởng rất nhiều đến
tính chất của đất vì chúng ảnh hưởng đến hoạt tính bề mặt hạt đất dẫn đến ảnh hưởng tới
lớp nước kết họp mặt ngoài hạt đất. Các tính chất ảnh hường này sẽ được phân tích kỹ hơn
trong phần phân tích sự hình thành lớp nước kết hợp mặt ngoài.
1.1.1.2. Thành phần cấp phối hạt

a) Các khái niệm

- Nhóm hạt: là tập họp các hạt trong đất có kích thước nằm trong một phạm vi nhất
định.

- Cấp phối hạt: lượng chứa tương đối của các nhóm hạt trong đất tính bằng phần
trăm tổng lượng đất khô.

b) Biểu thị cấp phối hạt của đắt
Lấy đất về, sấy khơ, giã nhỏ, làm thí nghiệm phân tích hạt. Mục đích của thí nghiệm
phân tích hạt là xác định phạm vi kích cỡ hạt trong đất và phần trăm các hạt của mỗi nhóm
kích cờ. Có hai phương pháp thường dùng để thí nghiệm phân tích hạt là phương pháp
sàng (rây) được thực hiện với đất hạt thô và phương pháp tỷ trọng kế (phương pháp lắng)
được thực hiện với đất hạt mịn.

bl) Phương pháp sàng
Với các hạt có đường kính d > 0,1 mm sẽ sử dụng phương pháp sàng. Phương pháp
này sẽ dùng một hệ thống các sàng có kích thước mắt sàng khác nhau và thường được gọi

là bộ rây tiêu chuẩn. Các tiêu chuẩn ban hành khác nhau thì có sự chênh lệch đơi chút về
kích cỡ mắt sàng. Chẳng hạn theo tiêu chuẩn Mỹ (ƯS Standard) thì quy định sàng số 4 có

10


đường kính mắt sàng là 4,76 mm, sàng số 10 có
đường kính 2 mm... Nhưng ngun lỷ chung khi
phân tích hạt thì khơng thay đổi.

Để phân tích hạt theo phương pháp sàng, mẫu
đất được sấy khơ sau đó giã nhỏ để làm tơi mẫu đất
bằng cối sứ - chày cao su. Đất sau khi giã tơi được
đố vào hệ thống sàng và lắc đều. Các hạt lớn đọng
ờ các sàng bên trên, các hạt nhỏ hơn đọng lần lượt

ở các sàng phía dưới. Các nhóm hạt đọng trên các
sàng sẽ được cân để xác định cấp phối hạt.
b2) Phương pháp tỷ trọng kế
Với các hạt có đường kính nhỏ (d < 0,1 mm),
dùng phương pháp tỷ trọng kế đế phân tích hạt (lưu
ý: tiêu chuẩn Mỹ quy định d < 0,074 mm). Phương

pháp này dựa trên định luật Stokes, các hạt có
đường kính khác nhau khi lắng chìm trong nước sẽ
lắng đọng với các tốc độ khác nhau. Định luật
Stokes đưa ra vận tốc lắng chìm của hạt hình cầu:
V = Is_y^d2

18r|

(1.1)

Cái hứng

Hình 1.1. Hệ thống rây tiêu chuẩn.

Trong đó:

v: vận tốc của hạt hình cầu lắng đọng trong chất lỏng;

d: đường kính hạt;
ỵs: trọng lượng riêng hạt;
yw: trọng lượng riêng của nước;

ĩ|: độ nhớt của chất lỏng.
Neu biết khoảng cách lắng chìm là (h) và thời gian chìm lắng là (t) thì sẽ tính được:
h

V=—

t

(1.2)

Từ đó suy ra đường kính hạt (kết hợp với cơng thức 1.1).
Sau khi làm thí nghiệm phân tích hạt, biếu diễn cấp phối hạt bằng đường cong
cấp phối.

11


Bình dung dịch
đất - nước

Đo tỷ trọng
dung dịch

Hình 1.2. Phương pháp tỷ trọng kế.
Ví dụ 1.1.

Có 300 gam đất khơ, sau khi cho vào rây xác định được khối lượng riêng trên mỗi

rây như sau:
Bảng 1.1. Kết quả phân tích hạt trên rây

12

Đường kính rây

Khối lượng

2 mm

15 g

1 mm

15 g

0,5 mm

30 g

0,25 mm

60 g

0,1 mm

120 g

Đáy hứng

60 g


Các hạt có đường kính d < 0,1 mm có khối lượng là 60 g, tiếp tục làm thí nghiệm tỷ
trọng kế xác định được:

0,05 mm < d < 0,1 mm

=> 30 g

0,01 mm < d < 0,05 mm

=> 15 g

0,005 mm < d < 0,01 mm => 9 g
d < 0,005 mm

=> 6 g

Lập bảng tính x%.
Bảng 1.2. Phần trăm cấp phối và lũy tích cấp phối

d
>2 2-? 1 1 4-0,5 0,5 4- 0,25 0,25 4-0,1 0,1 4-0,05 0,05 4- 0,01 0,01 4-0,005 < 0,005
(mm)

x%

5

5

10

20

40

10

5

3

95

90

80

60

20

10

5

2

Vẽ đường cong cấp phối:
Để vẽ đường cong cấp phối, dùng hệ trục bán logarit, việc dùng hệ trục này giúp thu
gọn hệ trục và nổi bật các hạt có đường kính nhỏ.

Nếu khơng sử dụng giấy logarit, có thể vẽ trực tiếp theo trình tự như sau:
- Kẻ trục tung với tỷ lệ chọn theo phần trăm cấp phối tích lũy.
- Kẻ hai trục hoành, một trục hoành Igd và một trục d.
Nhận xét: IglO = 1; Igl =0; lg0,l = -1; lg0,01 = -2; lg0,001 = -3. Sau khi Ig thì kết

quả đều nhau. Vì vậy, trục Igd sẽ giúp hỗ trọ định vị vị trí đường kính hạt.

Hình 1.3. Ví dụ về vẽ đường cong cấp phối (theo TCVN 8217-2009).

13


Một số ứng dụng cơ bản của đường cong cấp phối:

* ứng dụng thứ nhât là xác định được cấp phối của đât (theo TCVN 8217-2009).
Ví dụ:

Cát là những hạt có 0,05 < d < 0,2 mm, đọc trên đường cong cấp phối vừa vẽ, xác
định được cát chiếm 85%.
Bụi là những hạt có 0,005 < d < 0,05 mm, nên bụi chiếm 8%.
Sét là những hạt có d < 0,005 mm, nên sét chiếm 2%.

Kích thước các nhóm hạt được quy định theo theo từng tiêu chuẩn ở các nước. Ví dụ
theo TCVN 8217-2009 Phân loại đất xây dựng cơng trình thủy lợi, các hạt rắn tạo đất
được phân thành các nhóm hạt theo kích thước đường kính hạt quy đổi:
- Nhóm đá tảng (Boulder), ký hiệu bằng chữ B: kích thước lớn hơn 200 mm;
- Nhóm cuội (hoặc dăm) (Cobble), ký hiệu bằng chữ Cb: kích thước từ 60 mm đến
200 mm;

- Nhóm sơi (hoặc sạn) (Gravel), ký hiệu bằng chữ G: kích thước từ 2 mm đến 60
mm;

- Nhóm hạt cát (Sand), ký hiệu bằng chữ S: kích thước từ 0,05 mm đến 2 mm;

- Nhóm hạt bụi (Silt), ký hiệu bằng chữ M: kích thước tù’ 0,005 mm đến 0,05 mm;
- Nhóm hạt sét (Clay), ký hiệu bằng chữ C: kích thước nhỏ hơn 0,005 mm, trong đó:
sét hạt thơ: từ 0,005 mm đến 0,002 mm; sét hạt nhỏ: nhỏ hơn 0,002 mm.

Nhưng theo một số hệ phân loại trên thế giới thì giới hạn các hạt có một chút quy
định khác biệt, được trình bày ở bảng 1.3.
Bảng 1.3. Giới hạn các cỡ hạt riêng theo hệ uses V AASHTO

Hệ phân loại

Cỡ hạt (mm)

Sỏi - sạn: 75 mm

uses

4,75 mm

Cát: 4,75 mm đến 0,075 mm
Bụi và sét (hạt mịn): < 0,075 mm

Sỏi - sạn: 75 mm -ỉ- 2 mm
AASHTO

Cát: 2 mm đến 0,05 mm
Bụi: < 0,05 mm 4- 0,002 mm

Sét: < 0,002 mm

14


* ứng dụng cơ bán thứ hai là xác định tên đất rời.

Theo TCXD 9362-2012 được trích dẫn ra bảng 1.15 (ờ cuối chương này) thì loại đất
vừa dùng để xác định thành phần hạt được gọi là cát hạt mịn.
* ưng dụng cơ bản thứ ba là xác định được hệ sơ đơng đêu Cu:
Cu = Dóo/Dio

(1.3)

Và hệ số cấp phối Cc:

c = _ Dl°

(1.4)

Déo-Dio

Dóo là đường kính của hạt, mà các hạt có đường kính nhỏ hơn và bằng nó chiếm 60%
khối lượng đất khơ.

D10 là đường kính của hạt, mà các hạt có đường kính nhơ hơn và bằng nó chiếm 10%
khối lượng đất khơ. D10 thường được gọi là đường kính hiệu quả của đất.
D30 là đường kính của hạt, các hạt có đường kính nhỏ hơn và bằng nó chiếm 30%
khối lượng đất khơ.
Hệ số Cu càng lớn thì đường cong cấp phối càng có độ dốc nhỏ (xoải đều). Đất
không đều hạt (cấp phối tốt). Ngược lại, nếu hệ số Cu nhỏ thì đất đều hạt (cấp phối xấu) và
đường cong dốc, hoặc dốc cục bộ.

Thông thường đất được gọi là cấp phối tốt với Cu > 4 -ỉ- 6 và Cc từ 1 4- 3. Neu Cu = 1
thì đất được gọi là cấp phối xấu.
1.1.1.3. Hình dạng hạt đất

Đất có kích thước hạt lớn (các loại cát, cuội, sỏi, đá dăm) thường các hạt có dạng
hình khối, hình cầu trơn nhằn, hình góc cạnh. Các hình dạng này ảnh hưởng nhiều đến tính
chất của đất, đặc biệt là tính chống cắt.
Đất có kích thước hạt nhỏ (các loại sét) thường các hạt có dạng hình phiến, hình kim.
Các hình dạng này ít ảnh hưởng đến tính chất của đất.

Hình 1.4. Hình dạng hạt đất.

15


1.1.2. Pha lỏng (nước trong đất)
1.1.2.1. Mở đầu

Đất trong tự nhiên luôn tồn tại một lượng nước nhất định và ờ những dạng khác
nhau. Nước tác dụng mạnh với những hạt khống vật, đặc biệt là những hạt nhỏ có kích
thước hạt keo tạo nên hoạt tính bề mặt hạt đất.

Theo quan điểm xây dựng, nước trong đất được phân thành các loại:

- Nước trong hạt khoáng vật.

' Nước hút bám;
- Nước kết họp mặt ngoài hạt đất

< Nước màng mỏng kết họp mạnh;
^Nước màng mỏng kết họp yếu.

- Nước tự do r Nước mao dẫn;
L Nước trọng lực.

1.1.2.2. Đặc điểm từng loại nước trong đất

a) Nước trong hạt khoáng vật
Là loại nước ờ trong mạng tinh thể của hạt khống vật, nó tồn tại dưới dạng phân tử

H2O hoặc dạng ion H+, OH_. Loại nước này chỉ có thế tách khỏi khoáng vật khi ở nhiệt độ
cao (> 105 °C). Theo quan diêm xây dựng, loại nước này được coi là một bộ phận của hạt
khoáng vật.

b) Nước kêt hợp mặt ngoài hạt đât

Nước kết hợp mặt ngoài tồn tại dưới tác dụng của lực hút điện trường nên các phân
tử nước và những ion dương bị hút vào bề mặt hạt đất và được sắp xếp một cách chặt chẽ,

có định hướng. Càng cách xa bề mặt hạt đất, lực hút càng yếu nên sự sắp xếp đó kém chặt
chẽ và thiếu quy tắc hơn. Do vậy, tính chất của nước kết họp mặt ngoài rất khác so với tính
chất của nước thơng thường.
- Nước hút bám: Có tính chất gắn với thể rắn, khơng có khả năng di chuyển, không
truyền áp lực thủy tĩnh, tỷ trọng khoảng 1,5. Ở nhiệt độ -78 °C, nước hút bám mới đóng
băng. Khi đất sét chỉ chứa nước hút bám sẽ ở trạng thái rắn.

- Nước màng mỏng kết họp mạnh: Có khả năng di chuyển theo hướng bất kỳ từ chỗ
màng nước dày sang chồ màng nước mỏng, nhưng sự di chuyến không liên quan đến tác
dụng của trọng lực. Khi đất sét chứa nước kết hợp mạnh, đất sẽ ở trạng thái nửa rắn.

- Nước màng mỏng kết họp yếu: Có tính chất gần giống với nước thơng thường. Khi
đất sét chứa lóp nước màng mỏng kết họp yếu và kết cấu đất bị phá hoại thì đất thể hiện

tính dẻo.

16


Sự hình thành của lớp nước kết hợp mặt ngồi ảnh hường nhiều đến tính chất xây
dựng của đất. Một giải thích ngắn gọn về sự hình thành nước kết hợp mặt ngoài là: Các hạt

sét mang điện âm nên xung quanh hạt sét có một điện trường và lực hút mà nó tạo ra gọi là
lực hút điện phân tử. Nước là phân tử lưỡng cực khi nằm trong điện trường hạt đất thì bị
hút định hướng xung quanh hạt đất. Tùy theo lực hút điện phân tử mạnh hay yếu mà hình

thành các lóp nước màng khác nhau như đã trình bày ở trên. Các lớp nước màng này ảnh
hưởng lớn đến tính chất xây dựng của đất, ví dụ do sự cản trở của lớp nước màng bao
quanh hạt mà đất dính có tính thấm nước kém, hoặc do sự dày mỏng của lớp nước màng
quanh hạt đất mà thể tích của đất dính thay đổi dẫn đến tính chất co ngót hay trương nờ của

đất dính. Hoặc cũng do sự thay đổi chiều dày màng nước bao quanh hạt mà tính chất chống
cắt của đất dính thay đổi đi...
c) Nước tự do
Là loại nước nằm ngoài lực hút điện trường và chia làm hai loại: nước mao dẫn và

nước trọng lực.

cl) Nước mao dẫn
Là loại nước bị kéo lên trong các ống dẫn nhò trong đất, bên trên mực nước ngầm, do
sức căng bề mặt của nước. Hiện tượng này có thể mơ tả và giải thích tương tự hiện tượng

mao dẫn trong ống thủy tinh nhị.

a) Mao quản

Hình 1.5. Hiện tượng mao dẫn và lực mao dẫn tại mặt phân cách.

17


Độ cao mao dẫn có thể xác định từ điều kiện cân bằng giữa tổng sức căng bề mặt
(còn gọi là lực nâng mao dẫn) và tổng trọng lượng của cột nước dâng lên trong ống:

rr „ .
____ rcd2
l.ĩi.d.cosa =
,hv
'w 4
k

4T
=——cosa
d-Yw

(1.6)

Trong đó:

hk: độ cao mao dẫn;
Ỵw: trọng lượng riêng của nước;

d: đường kính ống thủy tinh;
T: sức căng bề mặt, lấy gần đúng T = 0,075.10_3KN/m;

oc: góc nghiêng của sức căng bề mặt với thành ống.
Từ điều kiện cân bằng (1.6) có thể rút ra trị số áp lực mao dẫn Pk:

4T
Pk = Ywhk = ^cosa
d

(1.7)

Áp lực mao dẫn Pk có tác dụng như một lực dính kết níu chặt các hạt đất vào nhau.

Điều này trái ngược với bản thân áp lực nước lỗ rỗng trong đất và có thể coi áp lực mao
dẫn là áp lực nước lồ rồng âm.
Pk = Yw.hk = -Uw

(1.8)

Trong xây dựng cần chú ý hiện tượng mao dần, độ cao mao dẫn và tốc độ dâng lên
của nước mao dẫn. Nước mao dẫn sẽ làm cho đất ấm ướt khiến sức chịu tải của nền và tính

ồn định của mái dốc giảm. Đối với những cơng trình nền ở vị trí thấp gần mực nước ngầm,
cần chú ý hiện tượng mao dẫn.

c2) Nước trọng lực

Nước trọng lực tồn tại trong các lỗ rỗng của đất, chịu sự chi phối của trọng lực và

tuân theo định luật Darcy, cần quan tâm đến các vấn đề sau đây của nước trọng lực.
- Khả năng hòa tan và phân giải của nước;
- Ánh hường của áp lực thủy tĩnh đối với đất và cơng trình;
- Ảnh hưởng của lực thấm.

18


1.1.3. Pha khí trong đất

Neu các lỗ rỗng của đất khơng chứa đầy nước thì khí (thường là khơng khí) sẽ chiếm

những chồ còn lại. Căn cứ ảnh hưởng của khí đối với tính chất cơ học của đất, có thể phân
thể khí trong đất thành hai loại:
- Loại thơng với khí quyến;
- Loại khơng thơng với khí quyến.

Khí thơng với khí quyển khơng có ảnh hưởng gì đáng kế đối với tính chất của đất,
khi đầm chật, khí này sẽ thốt ra ngồi.

Khí khơng thơng với khí quyển (bọc khí - túi khí) thường thấy trong các loại đất sét.

Loại khí này có nhiều ảnh hưởng đến tính chất của đất, đặc biệt là tính thấm và tính đầm
chặt của đất.

1.2. CÁC CHỈ TIÊU TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ TRẠNG THÁI VẬT LÝ CỦA ĐẤT

1.2.1. Các chỉ tiêu tính chất vật lý của đất

Đất là sản phẩm của sự phong hóa đá gốc và gồm ba pha vật chất: pha rắn, pha lỏng,

pha khí. Tính chất vật lý của đất phụ thuộc vào tính chất của ba pha vật chất và tỷ lệ về số
lượng giữa ba pha vật chất này.
Để biểu thị định lượng tỷ phần của ba pha vật chất hợp thành đất, người ta thường

dùng sơ đồ ba thế đế minh họa:
Thê tích
-;—J

Khơi lượng
Khơng khí

M,□ = 0

V,
Nưàc

t

M
Rắn

M.

2■

Hình 1.6. Sơ đồ ba pha vật chắt tạo thành đất.
Các chỉ tiêu tính chất vật lý của đất có thể được chia làm hai nhóm:

19


1.2.1.1. Nhóm các chỉ tiêu tính chất vật lý trực tiếp

Là các chỉ tiêu được xác định trực tiếp từ thí nghiệm trong phịng. Các chỉ tiêu này
bao gồm:
a) Khối lượng riêng tự nhiên của đất: kỷ hiệu p
p = ^y- (kg/m3)

(1.9)

’t

Mt: khối lượng tống cộng của mẫu đất (kg);

Vt: thế tích tống cộng của mẫu đất (m3).
Nguyên lý xác định khối lượng riêng tự nhiên của đất: Dùng một dao vịng có thể

tích V (cm3) và khối lượng Ml (gam). Có nhiều loại dao vịng với các kích cỡ khác nhau,

dao vịng cắt cho đất hạt mịn thường có kích thước bé hơn dao vịng dùng cho các loại đất

sạn sỏi. Dùng dao vòng này để cắt mẫu đất đang cần xác định khối lượng riêng, cắt sao
cho đất ngập đầy dao vịng, sau đó gọt bằng hai mật của mẫu đất và cân mẫu. Xác định
được khối lượng cả đất và dao là M2 (gam). Theo định nghĩa đã nêu ở trên ta có:
p=

L (g/cm3)

(1.10)

b) Độ âm của đât: w

Độ ấm của đất là tỳ số giữa khối lượng nước và khối lượng hạt trong đất.
M„, zz_
W = ^(%)
Ms

(1.11)

Nguyên lý xác định độ ẩm của đất: Dùng mẫu đất có kết cấu khơng cịn ngun dạng

nhưng độ ẩm phải còn nguyên vẹn. Cân mẫu và xác định được khối lượng Ml của mẫu.
Mang mẫu sấy khô trong điều kiện tủ sấy để nhiệt độ 105 °C và thời gian sấy trong khoảng

8 giờ, đủ để đẩy hết nước ra khỏi mẫu. Sau khi sấy khô cân xác định được khối lượng M2.
w=

M, -M.
1

2-.100 (%)
M2

(1.12)

c) Tỷ trọng hạt đất: Gs
M„
Gs=-^vs.pw

(1.13)

Nguyên lỷ xác định: Cân hạt khô để xác định Ms, cho hạt đất khô vào nước để xác
định thể tích hạt nhờ thể tích nước dâng lên trong bình. Theo định nghĩa ở trên sẽ xác định

được Gs, pw là khối lượng riêng của nước và có giá trị bằng 1000 kg/m3.

20


Bảng 1.4. Tỷ trọng của một số loại đất

Loại đất

Gs

Bụi

2,64 4- 2,66

Sét

2,67 4- 2,73

Đá phấn

2,70 4- 2,90

Hoàng thổ

2,65 4- 2,73

Bùn

1,30 4-1,9

1.2.1.2. Nhóm các chì tiêu gián tiếp

Các chỉ tiêu gián tiếp là các chỉ tiêu tính được thơng qua các chỉ tiêu trực tiếp bằng

các cơng thức tính đối hoặc các liên hệ thơng qua mơ hình ba pha vật chất.
Các chỉ tiêu gián tiếp bao gồm:
a) Khối lượng riêng khô của đất: ký hiệu pd

Pd=v

(kg/m3)

(1-14)

*t

Cách xác định: Từ công thức định nghĩa trên, có thể chứng minh được một trong các
công thức sau đây:

Pd=J7^ (kg/m3)

(1-15)

p và w là các chỉ tiêu tính chất vật lý trực tiếp, xác định từ thí nghiệm trong phịng,

từ đây tính ra được Pd.

Pd là chỉ tiêu đánh giá độ chặt của đất đắp.
b) Khối lượng riêng hạt Ps

Ps=“““ (kg/m3)

(1.16)

Cách xác định: Từ công thức định nghĩa, chứng minh được:
ps — Gs. Pw

(1.17)

21


c) Hệ số rỗng của đất (e)
(1.18)

Cách xác định: Từ công thức định nghĩa, chứng minh được công thức:
e = —-1
Pd

(1.19)

d) Độ rông của đất (n)
n=-^xl00(%)

(1.20)

Cách xác định: Từ công thức định nghĩa, chứng minh được công thức:

e

(1.21)

n =------

1+e

e) Khối lượng riêng bão hòa (psat)
Là khối lượng riêng của đất khi các lỗ rỗng trong đất chứa đầy nước.

^Ms + M'v
Psat

(1.22)

-1 T

M'w là khối lượng nước chứa đầy trong lỗ rỗng của đất. Từ cơng thức trên có thể
chứng minh được cơng thức xác định Psat.
Psat

Ms+M'w
vt

mS|m;

vt

vt

Pd

Vv.pw
vt = pd+n-p«

(1.23)

f) Khối lượng riêng đẩy nổi (p’ì
Là khổi lượng riêng của đất khi bị ngập trong nước, các hạt đất bị đẩy nổi bởi lực

đẩy Acsimet.

p, = Ms-pw.Vs

(1.24)

Cách xác định: Từ công thức định nghĩa, chứng minh được công thức:

p

22

(Gs-l).pw
1+e

(1.25)


g) Độ bão hỏa của đất (S)

(1.26)

8 = -^

Cách xác định: Từ công thức định nghĩa, chứng minh được công thức:

s=—
e

(1.27)

Ví dụ 1.2.

Xuất phát từ cơng thức định nghĩa của khối lượng riêng đẩy nổi, chứng minh công
thức sau:

p

r = (Gs - l).pw
1+e

Giải

Công thức định nghĩa của khối lượng riêng đẩy nổi là:

Chia cả tử và mẫu số cho Vs ta được: p' =

——
1+e

Với ps = Gs. Pw ta được p' = -^“5—-2^- (đpcm)
1+e

Ví dụ 1.3.

Một loại đất có các chỉ tiêu tính chất vật lý trực tiếp được xác định là:
p = 1760 kg/m3; w = 10%; Ps = 2700 kg/m3

Yêu cầu: Dùng sơ đồ ba pha, xác định các chỉ tiêu pd, e, n, s và

Psat.

Giải
Với các bài tập dùng sơ đồ ba pha đế xác định các chỉ tiêu tính chất vật lý của đất thì

phải thực hiện điền tất cả các đại lượng trên sơ đồ ba pha. Các chỉ tiêu sẽ được tính sau đó

theo công thức định nghĩa.

23


Thề tích (m5)

Khối lượng (Mg)

Hình 1.7. Ví dụ sử dụng sơ đồ ba pha đề xác định các chì tiêu của đất.
Giả thiết Vt = 1 (m3), thì có Mt = p.Vt = 1760 (kg).
Với w =10%, nên Mw = 0,lMs.

Nên Mt = 0,lMs + Ms = 1760 (kg).

=>

Ms = 1600 (kg)

Mw = 160 (kg)
Với Ps = 2700 kg/rn3; Ms = 1600 kg => Vs = 0,593 m3.
Với Mw = 160 kg; Pw = 1000 kg/m3 => Vw = 0,16 m3.
Với Vt = 1 m3; Vw = 0,16 m3; Vs = 0,593 m3 => Va = 0,247 m3.

Vv = Va + Vw = 0,407 m3.
Như vậy, việc điền đầy các đại lượng trong sơ đồ ba pha đã hồn thành.
Tính toán các chi tiêu:

pd=^ = ^ = 1600 (kg/m3).

vs
n=

0,593

vs
x

vt

■ x
vt

! -.0-247 + 0,160100 =
1,0

7%

V,
V,
1,160
s = -2^ = .. w.. 100 = „ _
„ 100 = 39,3%
V
V+V
0,247 + 0,160
V

a

M+M'
Psat =

24

sV

w

(247+ 160)+ 1600

= - --------

1

----------------- = 2070 (kg/m


Ví dụ 1.4.

Một loại đất có khối lượng riêng p = 1700 kg/m3.
Yêu cầu: tính trọng lượng riêng của đất đó.
Giải
Trọng lượng riêng của đất (ký hiệu y) được tính theo định luật 2 của Newton:

Y = p X g = 1700 X 9,81 = 16677 (N/m3) hay 16,677 (kN/m3).

Bảng 1.5 trình bày một số giá trị tiêu biếu của hệ số rỗng, độ ẩm và trọng lượng riêng
khô của một số loại đất để tham khảo. Có một số loại đất khơng có tại Việt Nam, tuy nhiên
vẫn để các trị số tham khảo cho những ai cần thông tin trao đổi cấp độ rộng hơn.

Bảng 1.5. Giá trị tiêu biểu của hệ số rỗng, độ ẩm, trọng lượng riêng khô của một số đất

Hệ số rông

Độ ăm tự nhiên

e

bão hòa (%)

(kN/m3)

(Ib/ft3)

Cát xốp đều hạt

0,8

30

14,5

92

Cát chặt đều hạt

0,45

16

18

115

Cát bụi xốp hạt góc cạnh

0,65

25

16

102

Cát bụi chặt hạt góc cạnh

0,4

15

19

120

Sét cứng

0,6

21

17

108

Sét mềm

0,9-? 1,4

30 4-50

11,5 4-14,5

73 4-92

0,9

25

13,5

86

2,5 4- 3,2

90 4-120

6 4-8

38 4-51

0,3

10

21

134

Loại đất

Hồng thổ
Sét hữu cơ mềm
Sét băng

Trọng lượng riêng khơ, Ỵd

1.2.2. Các chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất
1.2.2.1. Mục đích

Trong xây dựng, nếu chỉ căn cứ các chỉ tiêu vật lý đã nêu ở trên thì chưa thế có được
nhận biết đầy đủ về một loại đất nào đó. Nhưng nếu nói đất ở trạng thái xốp hay chặt, dẻo
hay mềm, chảy hay rắn thì sơ bộ đã đánh giá được loại đất nào dùng cho xây dựng sẽ tốt hơn.

25