Bài giảng địa kỹ thuật chương 2 3

CHƯƠNG 3
TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT
1.1 Các thành phần vật chất tạo thành đất và
các định nghĩa cơ bản
1.1.1. Các thành phần tạo thành đất (Pha, thể).
Đất gồm 3 thành phần vật chất:
Hạt đất.
Nước.
Tồn tại trong lỗ
rỗng của đất
Không khí.
1.1.2. Các định nghĩa cơ bản và quan hệ
giữa các pha tạo thành đất.
Vt = Vs + Vv

Vt : Thể tích tổng của đất.
VS : Thể tích phần hạt rắn.
Vv : Thể tích rỗng ; Vv = Va + Vw
Va : Thể tích khí.
Vw : Thể tích nước.

Độ ẩm w =

M
M

w

. 100 %

(2-4).

s

Khối lượng riêng tổng
ρ =

Hệ số rỗng
Độ rỗng
Độ bảo hoà

Vv
e =
Vs
Vv
n =
Vt

Vw
. 100 %
s =
Vv

M
V

t
t

(2-5).

Khối lượng riêng hạt
M s
Vs

(2-1).

ρ =

(2-2).

Khối lượng riêng nước

s

ρ

(2-3).

w

=

M
V

w
w

(Thường lấy bằng 1T/m3)

(2-6).

(2-7).


Loại đất

Khối lượng riêng khô
ρ

d

M
=
V

s

(2-8).

t

Khối lượng riêng bão hoà
ρ

sat

=

M

s

+ M
Vt

w

(2-9).

(Va= 0, S=100%)

Bùn sét hữu
cơ

Khối lượng riêng đẩy nổi
ρ '= ρ

sat

− ρ

w

Cát và cuội
sỏi
Bụi sét
Sét tảng do
băng
Đá dăm

Than bùn

(2-10).

1.1.3 Giải quyết các bài toán giữa các thể.
Ví dụ 2.2
Cho ρ = 1.76 Mg/m3 (khối lượng riêng tổng)
W = 10% ( Độ ẩm)
Yêu cầu: Xác định ρd (khối lượng riêng khô), e (hệ
số rỗng), n (độ rỗng), S (độ bão hoà) và ρsat (khối
lượng riêng bão hoà).
(Vẽ sơ đồ 3 thể và dựa vào công thức định
nghĩa để giải)

Khối lượng riêng (Mg/m3)
ρsat

ρd

ρ’

1.9 – 2.4

1.5 – 2.3

1.0 – 1.3

1.4 – 2.1
2.1 – 2.4

0.6 – 1.8
1.7 – 2.3

0.4 – 1.1
1.1 – 1.4

1.9 – 2.2
1.0 – 1.1

1.5 – 2.0
0.1 – 0.3

0.9 – 1.2
0.0 – 0.1

1.3 – 1.8

0.5 – 1.5

0.3 – 0.8

Bảng 2-1 Các giá trị khối lượng riêng của một số loại
đất thông thường

1.2 Kết cấu đất, xác định thành phần hạt.
1.2.1 Kết cấu của đất.
Kết cấu của đất là các biểu hiện bên ngoài của
đất, phụ thuộc vào kích thước tương đối và hình
dạng hạt cũng như độ lớn hay sự phân bố của các
hạt.

Kết cấu đất, đặc biệt là của kết cấu đất hạt thô,
có một vài liên quan đến tính chất xây dựng của
nó.
Theo kết cấu, đất được chia thành đất hạt thô
và đất hạt mịn. ( Hạt thô là những hạt có thể nhìn
thấy bằng mắt thường d>0.05 mm)
Kết cấu và các đặc tính khác của các loại đất
được trình bày trong bảng 2-2


Tên đất
Kích thước hạt

Đặc tính
Ảnh hưởng của
nước đến các
tính chất xây
dựng

Ảnh hưởng của
kích thước hạt
đến tính chất
xây dựng

Cuội sỏi, cát
Hạt thô, có thể
nhìn các hạt
bằng mắt
thường
Không dính

Không dẻo
Rời rạc
Không quan
trọng
(Trừ trường hợp
vật liệu rời bão
hoà chịu tác
dụng tải trọng
động)
Quan trọng

Bụi
Hạt nhỏ, mịn
khó phân biệt
bằng mắt
thường
Không dính
Không dẻo
Rời rạc
Quan trọng

Sét
Hạt nhỏ, mịn
không thể phân
biệt bằng mắt
thường
Dính
Dẻo

Tương đối

không quan
trọng

Tương đối
không quan
trọng

Rất quan trọng

Bảng 2-2 Kết cấu và các đặc tính khác của các loại đất

Vv
Vs
Vv
n =
Vt
e =

ASTM – Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (1980)
AASHTO – Hiệp hội Giao thông và Đường bộ Liên bang (1978)
USCS – Hệ thống phân loại đất thống nhất (Cục cải tạo Hoa Kì, 1974, Hội kĩ thuật
quân đội Hoa Kì, 1960 )
M.I.T – Viện Công nghệ Masachusett (Taylor, 1948)

Hình 2-3 Phạm vi kích cỡ hạt theo một số hệ phân loại đất kỹ thuật (cải biến theoAl-Husaini, 1977)

1.2.2 Kích thước hạt và phân bố kích thước hạt
Kích thước hạt (đặc biệt là hạt thô) ⇒ ảnh
hưởng nhiều đến tính chất của đất.
Kích cỡ hạt phân bố trong phạm vi rất lớn.

Xác định thành phần hạt (phân tích cơ học)
để có phân bố kích cỡ hạt.
Dùng phương pháp rây
(Với hạt có d > 0,05).
Đường kính hạt ⇒ Đường kính tương
đương.
Các hạt có đường kính nhỏ hơn và bằng
0,05 dùng phương pháp tỷ trọng kế.

Tiêu chuẩn Mỹ
Số rây
4
10
20
40
60
100
140
200

Lỗ rây
(mm)
4.75
2.00
0.85
0.425
0.25
0.15
0.106
0.075

Bảng 2-3 Các cỡ rây tiêu chuẩn Mỹ và kích cỡ lỗ tương ứng


1.2.3 Hệ số đồng đều
C

u

=

D
D

60

⇒ D

60

?; D

10

?

10

• Cu nhỏ ⇒ Đất cấp phối xấu (Cu = 1).
• Cu lớn (Tối đa 15 hoặc lớn hơn)

1.2.4 Hệ số cấp phối
C

c

=

(D

30

)2

(D 10 )(D

60

)

Hình 2.4 Phân bố kích cỡ hạt tiêu chuẩn

Ví dụ 2.7
Đường cong thành phần hạt cho trên Hình 2.4.
Yêu cầu:
Xác định D10, Cu, và Cc cho mỗi đường cong thành
phần hạt.

1.2.5 Hình dạng hạt đất
Đất hạt thô, hình dạng của từng hạt đất ảnh
hưởng đến tính chất xây dựng của đất cũng như sự

phân bố kích thước hạt. Đất hạt thô nói chung được
phân loại theo hình dạng như trên Hình 2.5.
Đất hạt mịn, hình dạng hạt ít ảnh hưởng đến tính
chất xây dựng của đất mà đường kính hạt và thành
phần khoáng vật vủa hạt mới quyết định thính chất
của nó.

Hình 2.5: Hình dạng đặc thù của các hạt thô lớn (Hình
chụp của M. Surendra)


1.2.6. Giới hạn Atterberq và chỉ số độ chặt
Nước trong đất có ảnh hưởng đặc biệt đến
ứng xử của đất trong hạt mịn.
Atterberq là nhầ thổ nhưỡng người Thụy
Điển – Phát hiện ra ít nhất hai tham số để xác
định độ dẻo của đất dính.
Giới hạn chảy (LL – Liquid Limit).
Giới hạn dẻo (PL – Plastic Limit).
Chỉ số dẻo – Là phạm vi độ ẩm khi đất ở trạng
thái dẻo – Dùng để phân loại đất dính.

Cách xác định giới hạn dẻo
Lăn đất thành dây có đường kính 3mm và
nứt đều.
Dây đất đứt thành từng đoạn có độ dài từ
3mm → 10mm.
Nếu dây nhỏ hơn → Đất quá ướt.
Nếu dây đứt trước khi d = 3mm → Đất quá
khô

(Giải thích hình 2-8d)

Giải thích hình 2-6
Cách xác định LL
(Theo casagrande).
Phương pháp thả
chùy vaxiliep.

Chỉ số dẻo PI

PI = LL − PL
(Dùng phân loại đất hạt mịn)
Chỉ số chảy LI

LI =

W

n

− PL
PI

LI ≤ 0 → Đất ở trạng thái giòn.
0 < LI < 1 → Đất ở trạng thái dẻo.
LI ≥ 1 → Đất ở trạng thái chảy.


1.3.2. Vai trò của hệ thống phân loại đất trong ĐKT.

1.3. phân loại đất.
Phõn loi v cỏc tớnh cht
(w, e, , S, GSD, LL, PI...)

1.3.1. Mục đích phân loại đất.
Đa ra một ngôn ngữ chung để trao đổi v
học hỏi kinh nghiệm lẫn nhau giữa các nh khoa
học.
Giúp cho các kỹ s xây dựng hiểu đợc một
cách tơng đối các đặc trng v sự ứng sử của
đất trong quá trình xây dựng.

H thng phõn loi t
(ngụn ng)

Tớnh cht k thut ca t
(tớnh thm, kh nng chu nộn, tớnh co ngút v trng n, sc khỏng ct,.. vv)

Mc ớch k thut
(ng cao tc, sõn bay, nn múng, ờ p,.. vv)

Vai trò của hệ thống phân loại đất trong địa kỹ thuật ứng dụng

1.3.2. Vai trò của hệ thống phân loại đất trong ĐKT.
L một ngôn ngữ để trao đổi giữa những nh khoa
học. Nó không những đa ra phơng pháp phân loại
dựa theo các đặc trng kỹ thuật của đất một cách
có hệ thống m còn giúp cho các nh khoa học có
thể học hỏi lẫn nhau.
Giữa tính chất của đất v hệ thống phân loại có một

mối liên hệ mật thiết với nhau, vì vậy khi biết cách
phân loại đất ngời kỹ s đã hiểu đợc một cách
tơng tối các đặc trng v sự ứng sử của đất trong
quá trình xây dựng.
Hiện nay trên thế giới sử dụng nhiều hệ thống
phân loại đất khác nhau. Sau đây sẽ giới thiệu một
vi hệ thống phân loại đất đợc sử dụng rộng rãi ở
Mỹ v Việt nam.

1.3.3. Hệ thống phân loại đất thống nhất (USCS).
1). Cơ sở để phân loại.
Trong USCR cơ sở để phân loại đất hạt thô đợc
dựa vào cấp phối hạt, để phân loại đất hạt mịn thì dựa
vào tính dẻo.
Vì vậy USCR dựa vào kết quả phân tích hạt và các
chỉ tiêu giới hạn Atterberg để phân loại.
2). Nội dung của hệ thống phân loại USCR.
Bng 3.1 a ra bn nhúm t chớnh gm: ht thụ,
ht mn, t hu c v bựn. Vic phõn loi c thc
hin bng cỏch cho mu t qua sng 75mm, kt qu
thớ nghim c biu din trờn h to log hoc
dựng bng biu. Vic phõn chia chi tit hn c minh
ha trong bng 3.1.
Nhng ký hiu trong bng 3.1 c kt hp li vi
nhau to thnh tờn gi ca loi t tng ng trong
bng 3.2.


Bảng 3-1: Tên đất, ký hiệu và phạm vi kích thước hạt theo USCS
Hạt và nhóm hạt

Đá tảng
Đá cuội
(1) Đất hạt thô
Cuội sỏi
Hạt thô
Hạt mịn
Cát
Hạt thô
Hạt trung bình
Hạt mịn

Ký hiệu
Không
Không
G

S

Kích cỡ hạt
> 300 mm
Từ 75 mm đến 300 mm
Từ 75 mm đến sàng No.4
(4.75 mm)
Từ 75 mm đến 19 mm
Từ 19 mm đến sàng No.4 (4.75 mm)
Từ sàng No.4 (4.75 mm)
tới sàng No.200 (0.075 mm)
Từ sàng No.4 (4.75 mm)
tới sàng No.10 (2.0 mm)
Từ sàng No.10 (2.0 mm)

tới sàng No. 40 (0.425 mm)
Từ sàng No.40 (4.25 mm)
tới sàng No.200 (0.075 mm)

1.3.3. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt thèng nhÊt (USCS).

Bảng 3-2: Hệ thống phân loại đất USCS

Bảng 3-1: Tên đất, ký hiệu và phạm vi kích thước hạt theo USCS
(Tiếp theo)
Hạt và nhóm hạt

Ký hiệu

(2) Đất hạt mịn
Hạt mịn
Hạt bột, phù sa

M

Hạt sét

C

(3)Đất hữu cơ
(4) Than bùn
Ký hiệu phân loại cấp
phối
Phân cấp đều, W
Phân cấp không đều, P

O
Pt

Kích cỡ hạt
Kích thước hạt nhỏ hơn kích thước
mắt sàng No.200 (0.075 mm)
(Không có kích thước hạt cụ thể - sử
dụng giới hạn Atterberg)
(Không có kích thước hạt cụ thể - sử
dụng giới hạn Atterberg)
(Không có kích thước hạt cụ thể)
(Không có kích thước hạt cụ thể)
Ký hiệu giới hạn chảy
Cao LL, H
Thấp LL, L

1.3.3. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt thèng nhÊt (USCS).

Bảng 3-2: Hệ thống phân loại đất USCS (Tiếp theo)


1.3.3. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt thèng nhÊt (USCS).

1.3.3. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt thèng nhÊt (USCS).

Bảng 3-2 (cột 6) đưa ra tiêu chuẩn phân loại
cho sỏi và đất cát.

Trên hình 3.2, Casagrande (1948) dùng đường

thẳng A để phân loại đất hạt mịn. Nhóm hạt bụi có
giới hạn chảy (LL) và chỉ số dẻo (PI) nằm phía
dưới đường thẳng A, còn nhóm đất sét có giới hạn
chảy (LL) và chỉ số dẻo (PI) nằm phía trên đường
thẳng A. Đất sét hữu cơ (OL và OH) cũng nằm
phía dưới đường thẳng A vì chúng có tính chất
tương tự như các loại đất có tính dẻo thấp. Ngoài
ra, dựa vào giới hạn chảy, hạt bụi, sét và sét hữu
cơ được phân thành giới hạn chảy cao ( nếu LL >
50%) và giới hạn chảy thấp (nếu LL < 50%). Các
loại đất đại diện cho đất hạt mịn được miêu tả trên
hình 3.2.
(Tham khảo thêm từ trang 74 đến trang 80 của
giảo trình Giới thiệu về Địa kỹ thuật)

1.3.3. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt thèng nhÊt (USCS).

1..3. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt thèng nhÊt (USCS).

Đất hạt thô được phân chia thành sỏi, sỏi pha,
cát và cát pha.
Để đánh giá chất lượng cấp phối của sỏi và đất
cát, ta xác định hệ số hạt không đều hạt Cu và hệ
số cong Cc từ đường cong cấp phối. Các hệ số
này đã được định nghĩa ở chương 2:
Hệ số không đều hạt: C = D60 (2-19)
u
D10
D302
Hệ số cong: C c =

(2-20)
D10 * D60

Trình tự các bước phân loại đất theo hệ thống USCS được
thực hiện như sau:
1. Xác định đất thuộc nhóm hạt thô, hạt mịn hay đất hữu cơ bằng mắt
thường hay dựa vào kết quả phân tích hạt qua sàng No.200.
2. Nếu là đất hạt thô:
a. Thực hiện thí nghiệm phân tích hạt và vẽ đường cong cấp phối.
Xác định lượng chứa các hạt dưới sàng No.4, đất được phân loại là
sỏi nếu lượng chứa các hạt trên sàng No.4 lớn hơn và được phân
loại là cát nếu lượng chứa các hạt dưới sàng No.4 lớn hơn.
b. Xác định lượng chứa các hạt dưới sàng No.200, nếu có giá trị <
5% thì dựa vào hình dạng của đường cong để phân loại đất thành
GW hay SW ( cấp phối tốt) và GP hay SP (cấp phối không tốt).
c. Nếu lượng chứa các hạt dưới sàng No.200 có giá trị trong
khoảng 5% đến 12% thì đất được coi là ở giữa ranh giới 2 nhóm và
sẽ có các ký hiệu ghép đôi tuỳ thuộc vào chất lượng cấp phối hay
tính dẻo của đất (GW-GM, SW-SM...)
d. Nếu lượng chứa các hạt dưới sàng No.200 có giá trị > 12% thì ta
xác định các giá trị giới hạn Atterberg của các hạt dưới sàng No.40
và dùng biểu đồ dẻo để phân loại đất (GM, SM, GC, SC, GM-GC
hoặc SM-SC)

3. Nếu là đất hạt mịn:
a. Xác định các giá trị giới hạn Artterberg của các hạt dưới sàng No.40, nếu giới
hạn chảy LL nhỏ hơn 50% thì đất được phân loại thấp (L) và nếu giới hạn chảy
LL lớn hơn 50% thì đất được phân loại cao (H).
b. Đối với đất thuộc phân loại L: nếu các giá trị giới hạn nằm phía dưới đường
thẳng A và vùng gạch chéo trong biểu đồ dẻo thì chúng được xác định bằng

màu sắc, mùi vị hoặc bằng sự thay đổi của giới hạn chảy và giới hạn dẻo khi
mẫu đất được sấy khô. Trong trường hợp này đất được phân thành nhóm hữu
cơ (OL) hoặc nhóm vô cơ (ML). Nếu các giá trị giới hạn nằm trong vùng gạch
chéo, đất sẽ được phân thành nhóm CL-ML. Còn khi các giá trị giới hạn nằm
phía trên đường thẳng A và vùng gạch chéo thì chúng được phân thành nhóm
CL.
c. Đối với đất thuộc phân loại H: nếu các giá trị giới hạn nằm phía dưới đường
thẳng A thì chúng được phân thành nhóm hữu cơ (OH) hoặc nhóm vô cơ (MH).
Khi các giá trị giới hạn nằm phía trên đường thẳng A thì chúng được phân thành
nhóm CH.
d. Khi các giá trị giới hạn nằm trong vùng gạch chéo và gần với đường thẳng A
hoặc gần với đường thẳng LL = 50% thì ta sử dụng các ký hiệu ghép đôi như
trên hình 3.3. (Tr 80)
Mặc dù hệ thống USCS sử dụng các ký hiệu thuận tiện, nhưng nó không
phản ánh đầy đủ tính chất của đất. Vì vậy, nên dùng các thuật ngữ miêu tả kết
hợp với các ký hiệu để phân loại đất một cách chính xác. ( Tham khảo thêm
Bảng 3-4 (Tr 83).


1.3.4. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt AASHTO.
Trong những năm 20 của thế kỷ trước, Cục đường bộ Mỹ đã chỉ đạo
thực hiện nghiên cứu mở rộng về ứng dụng của đất trong xây dựng
đường giao thông. Từ những kết quả của nghiên cứu, Hogentogler và
Terzaghi (1929) đã phát triển hệ thống phân loại đường bộ này. Ban đầu,
hệ thống phân loại dựa vào đặc tính ổn định của đất khi sử dụng làm bề
mặt đường giao thông hoặc kết hợp với việc rải thêm lớp asphalt mỏng
trên bề mặt. Sau đó, hệ thống đã được chỉnh sửa nhiều lần kể từ 1929
tới 1945 và cuối cùng trở thành hệ thống phân loại AASHTO (1978). Khả
năng ứng dụng của hệ thống phân loại đã được mở rộng để xác định
chất lượng tương đối của đất cho một số lĩnh vực khác có liên quan như

đê, nền đường, nền móng. Nhưng cần chú ý đến những mục đích cơ bản
khi sử dụng hệ thống phân loại này trong thực tế.
Tên nhóm hạt phân loại theo hệ thống AASHTO được đưa ra trong
bảng 3-5. Đá tảng cần được loại trừ khỏi mẫu đất khi phân loại, nhưng
theo hệ thống USCS thì phải kể đến lượng chứa đá tảng. Hạt mịn được
phân loại là hạt bụi nếu chỉ số dẻo PI nhỏ hơn 10 và là sét nếu PI lớn hơn
10.
Hệ thống AASHTO phân loại đất thành 8 nhóm chính từ A-1 đến A8, trong đó gồm có vài nhóm tiểu nhóm. Các đất trong mỗi nhóm được
đánh giá theo chỉ số nhóm, chỉ số nhóm được tính toán bằng các công
thức thực nghiêm. Ở đây, ta chỉ cần sử dụng thí nghiệm phân tích hạt và
xác định các giới hạn Atterberg. Bảng 3-6 minh hoạ hệ thống phân loại
AASHTO sử dụng hiện nay (1978).

1.3.4. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt AASHTO.
Bảng 3-5 Phân chia nhóm hạt sỏi, cát và sét bụi theo
hệ thống AASHTO
Nhóm hạt

Đường kính hạt

Đá lăn, đá tảng

Lớn hơn 75 mm

Sỏi

Từ 75 mm tới sàng No.10 (2.0
mm)

Cát thô

Từ sàng No.10 (2.0 mm) đến sàng
No.40 (0.425mm)

Cát mịn

Từ sàng No.40 (0.425 mm) đến
sàng No.200 (0.075mm)

Bụi-sét (bao gồm bụi và
sét)

Nhỏ hơn 0.075 mm (No.200)

1.3.4. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt AASHTO.
1.3.4. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt AASHTO.

Bảng 3-6 Phân chia hạt và nhóm hạt theo hệ thống AASHTO

Đất hạt thô nằm trong phân nhóm từ A-1 đến A-3. Đất thuộc nhóm
A-1 có hạt cấp phối tốt trong khi thuộc nhóm A-3 thì ngược lại. Đất thuộc
nhóm A-2 cũng là đất hạt thô (nhỏ hơn 35% lượng hạt dưới sàng
No.200), nhưng có chứa một lượng đáng kể hạt bụi hoặc hạt sét. Các
nhóm từ A-4 đến A-7 là các đất hạt mịn, chúng khác nhau cơ bản về giới
hạn Atterberg. Hình 3.5 có thể được dùng để xác định phạm vi của giới
hạn chảy LL và chỉ số dẻo PI cho nhóm A-4 đến A-7 và nhóm A-2. Đất
chứa hàm lượng hữu cơ cao và bùn có thể đưa vào nhóm A-8 trong khi
với hệ thống USCS chúng được phân loại bằng mắt thường.
Chỉ số nhóm được dùng để đánh giá các loại đất trong nhóm. Nó
được rút ra từ thực tế với nhiều loại đất khác nhau, đặc biệt là trong việc

sử dụng đất làm nền đường. Ngoài ra, chỉ số nhóm cũng có thể xác định
từ công thức kinh nghiệm hay dùng trực tiếp phương pháp toán đồ.
Việc phân loại đất theo hệ thống AASHTO không phức tạp. Khi đã
có các số liệu cần thiết, ta chỉ cần đi từ trái sang phải bảng 3-6 và tìm
tên chính xác của nhóm bằng cách loại trừ. Theo AASHTO, tên chính
xác của đất là tên nhóm từ trái qua phải đầu tiên thoả mãn các số liệu thí
nghiệm. Tên nhóm cũng bao gồm cả chỉ số nhóm (trong dấu ngoặc
đơn), như A-2-6(3), A-4(5), A-6(12), A-7-5(17),...vv.
Hình 3.7 giúp ta hiểu rõ hơn việc phân loại theo hệ thống AASHTO.


1.3.4. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt AASHTO.

Hình 3.5: Phạm vi giới hạn chảy và chỉ số dẻo của nhóm A-4, A-5, A-6 và A-7

1.3.4. HÖ thèng ph©n lo¹i ®Êt AASHTO.
So sánh các hệ thống phân loại USCS và AASHTO
Có thể hiểu được một số điểm khác biệt lớn giữa 2 hệ thống
phân loại USCS và AASHTO là do sự khác nhau về lịch sử và
mục đích phân loại. So sánh bảng 3-1 và bảng 3-5, ta thấy ngay
sự phân loại khác nhau cho đất hạt thô. Sự khác nhau cơ bản
trong phân loại đất hạt mịn được chỉ ra trên hình 3.5 bằng cách
vẽ đường thẳng A và đường thẳng U lên cùng biểu đồ LL-PI. Hệ
thống phân loại AASHTO (1978) cũng sử dụng biểu đồ LL-PI,
nhưng chúng ta phải quay biểu đồ đó 1 góc 90o để dễ dàng so
sánh với biểu đồ dẻo của Casagrande (hình 3.2). Sự khác nhau
này là rất lớn. Ngoài ra, còn có sự khác biệt lớn đó là việc dùng
chỉ số dẻo PI = 10 như là một đường để phân chia đất bụi và đất
sét. Điều này gần như mang tính ngẫu nhiên và không phản ánh
thực tiễn tính chất kỹ thuật của đất hạt mịn. Al-Hussaini (1977)

cũng chỉ ra một số điểm khác nhau cơ bản của 2 hệ thống phân
loại này.
Trong bảng 3-7 (Tr 120) đưa ra so sánh tương quan của các
nhóm hạt theo 2 hệ thống USCS và AASHTO.


1.3.4. Hệ thống phân loại đất theo tiờu chun Vit Nam.
1. Quy định chung

1.1. Tiêu chuẩn Đất xây dựng - Phân loại có kí hiệu là TCVN
5747: 1993, đợc áp dụng cho xây dựng dân dụng và công
nghiệp, giao thông, thuỷ lợi, các lĩnh vực sử dụng đất với mục đích
xây dựng công trình.Tuy nhiên, đối với từng ngành có thể xây
dựng những tiêu chuẩn riêng cho phù hợp với những đặc điểm
riêng của mình.
1.2. Tiêu chuẩn này đợc áp dụng cho các loại đất có thể làm
nền, môi trờng để phân bố công trình, hoặc vật liệu để xây dựng
công trình.
1.3. Tiêu chuẩn đợc dùng để sắp xếp đất xây dựng thành
những nhóm có tính chất tơng tự, nhằm định hớng các vấn
đề và đặc tính của đất cần phải nghiên cứu.
1.4. Tiêu chuẩn này cha hề đề cập đến đá và các loại đất đặc
biệt; cũng cha hề đề cập đến việc phân loại đất theo các thí
nghiệm hiện trờng nh xuyên tĩnh, xuyên động, cắt cánh, v.v
Phân loại đất theo các thí nghiệm kể trên đợc nêu trong các tiêu
chuẩn tơng ứng. Phân loại đá và các đất đặc biệt sẽ đợc soạn
thảo và ban hành sau.

1.3.4. Hệ thống phân loại đất theo tiờu chun Vit Nam.
2. Nguyên tắc phân loại

2.1. Hệ phân loại nêu trong Tiêu chuẩn này dựa trên thành phần
hạt của đất. Trình tự phân loại đợc thực hiện lần lợt nh sau:
- Dựa trên thành phần kích thớc hạt chiếm u thế
trong đất để phân chia nó thành hai nhóm lớn là hạt khô và hạt
mịn;
- Dựa trên hàm lợng các hạt để phân chia nhóm đất hạt khô
thành các phụ nhóm;
- Dựa trên các trị giới hạn chảy, giới hạn dẻo, chỉ số dẻo để
phân chia nhóm đất hạt mịn thành các phụ nhóm.
2.2. Các thuật ngữ và kí hiệu tên đất, thành phần trạng thái đợc
dùng thống nhất theo quy ớc quốc tế.
3. Phân loại
(TCVN 5747 1993)

1.4.2. Nhn dng khoáng vật sét.

1.4 Các khoáng vật sét v cấu trúc của đất.
1.4.1. Các khoáng vật sét.
Cỏc khoỏng vt sột l nhng vt cht kt tinh rt nh bn
vng, c to ra ch yu t quỏ trỡnh phong húa húa hc cỏc
khoỏng vt to ỏ cú trc xỏc nh. V mt húa hc, chỳng l cỏc
aluminosilicates ngm nc kt hp vi cỏc ion kim loi khỏc. Tt
c cỏc khoỏng vt sột l cỏc tinh th c ht keo, rt nh ch nhỡn
thy c di kớnh hin vi in t. Nhng tinh th riờng l trụng
ging nh cỏc bn mng hoc cỏc ỏm bụng nh v t cỏc nghiờn
cu nhiu x tia X, cỏc nh khoa hc ó ch ra rng, cỏc ỏm bụng
ny bao gm nhiu lp tinh th vi cu trỳc nguyờn t lp li. Trờn
thc t, ch cú hai lp tinh th c bn ú l cỏc khi t din silic v
cỏc khi bỏt din alumin. S khỏc nhau trong vic sp xp cỏc lp

tinh th cựng vi liờn kt v cỏc ion kim loi cỏc nỳt mng khụng
ging nhau s to ra cỏc khoỏng vt sột khỏc nhau.
(SV tham kho thờm t trang 99 n trang 108) (Gii thiu
thờm mt s Slides ph nu cú thi gian (BS8))

Do cỏc khoỏng vt sột thng rt nh, khụng th nhn dng
chỳng bng cỏc k thut quang hc thụng thng, cn cú phng
phỏp khỏc xỏc nh chỳng. Chỳng ta bit rng c tớnh cỏ bit
hoc lp li ca cu trỳc mng tinh th ca vt liu s lm nhiu x tia
X. Cỏc khoỏng vt khỏc nhau cú cu trỳc mng tinh th khỏc nhau s
cú kiu dỏng nhiu x khỏc nhau v da vo ú, khoỏng vt s c
xỏc nh. Cn c vo kiu nhiu x ca cỏc khoỏng vt ó bit so
sỏnh tỡm ra cỏc khoỏng vt cha bit. Nhng vi nhng loi t l
hn hp cỏc khoỏng vt sột, t cú cha hu c v cha cỏc thnh
phn khụng thuc nhúm khoỏng vt sột hoc t cú cỏc lp khoỏng
vt xỏo trn ln nhau. Trong trng hp ny, vic phõn tớch chi tit
hm lng tng khoỏng vt l khụng th, nờn ch cú th ch ra tng
i bao nhiờu khoỏng vt cú mt trong t v mi loi chim bao
nhiờu phn trm.
Mt phng phỏp khỏc c dựng xỏc nh cỏc khoỏng vt
sột l phng phỏp DTA (differential thermal analysis). Mt mu t
cn c xỏc nh c a vo lũ sy in nhit khong vi
trm C vi mt cht húa hc tr, s thay i din ra do cu trỳc
mng tinh th cỏc khoỏng vt sột. S thay i ú nhit no ú
c ghi li v nú c trng cho tng khoỏng vt, õy s l c s
so sỏnh vi cỏc khoỏng vt ó bit.


1.4.2. Nhận dạng kho¸ng vËt sÐt.

1.4.2. Nhận dạng kho¸ng vËt sÐt.

Kính hiển vi điện tử loại truyền dữ liệu hoặc chụp đều có thể sử
dụng để xác định các khoáng vật sét trong mẫu đất nhưng đây là
quá trình phức tạp và tính định lượng không cao.
GS. Casagrande có cách tiếp cận đơn giản sử dụng giới hạn
Atterberg. Chúng ta đã biết rằng, hoạt tính có liên quan với đất sét
hoạt động hay không hoạt động. Khoáng vật monmorilonit sẽ hoạt
động mạnh vì có kích thước nhỏ và có chỉ số dẻo lớn. Sử dụng biểu
đồ dẻo của Casagrande (hình 3.2) chúng ta có thể thu nhận được
nhiều thông tin phục vụ cho xây dựng, như khi dùng phương pháp
nhiễu xạ phức tạp hoặc phương pháp phân tích DTA. Trình tự chi
tiết được thấy trong hình 4.14. Ta xác định vị trí mẫu cần xác định
trên biểu đồ LL-PI và so sánh nó với vị trí các khoáng vật đã biết.
Nếu mẫu của bạn có giới hạn Atterberg cao hơn và nằm trên đường
A, gần đường U thì nó có thể chứa nhiều khoáng vật hoạt động
mạnh như monmorilonit. Thậm chí, nếu đất được xác định là CL, ví
dụ như sét pha (CL) có thể vị trí vẫn nằm gần đường U, hàm lượng
sét trong mẫu đất này phần lớn vẫn là khoáng vật monmorilonit.
Khoáng vật Kaolinits thuộc nhóm các khoáng vật hoạt động kém và
thường nằm dưới đường A trên biểu đồ. Mặc dù chúng là những
loại khoáng vật có liên quan nhiều tới công tác xây dựng, chúng có
các đặc tính tương tự các vật liệu ML-MH.

1.4.3. Tỷ diện tích bề mặt.
Tỷ diện tích bề mặt là tỷ số của diện tích bề mặt của đất đá với
thể tích hay khối lượng của chúng. Giá trị này được xác định như
sau: tỷ diện tích thể tích = diện tích bề mặt/thể tích (4.1). Ý nghĩa
vật lý của đại lượng này được minh họa bằng hình lập phương có
các cạnh 1x1x1cm.

Tỷ diện tích =
Nếu mỗi cạnh có chiều dài 1mm, tỷ số này sẽ là:
Nếu mỗi cạnh có chiều dài 1μm, tỷ số này sẽ là:
Các ví dụ trên đã chỉ ra rằng, các hạt có đường kính lớn thì có
tỷ diện tích nhỏ hơn và ngược lại, các hạt có đường kính nhỏ thì có
tỷ diện tích lớn hơn. Để xác định tỷ diện tích theo khối lượng phải
chia giá trị thể tích cho dung trọng khối lượng p nên đơn vị có thể
là m2/g hoặc m2/kg.

1.4.3. Tỷ diện tích bề mặt.
Nếu nước có mặt chỉ đủ để làm ẩm ướt bề mặt các khối lập
phương trong các ví dụ trên, sẽ cần khoảng 10 lần lượng nước
để làm ướt bề mặt các hạt có kích thước 1mm so với các hạt có
kích thước 1cm. Nếu chúng ta cố gắng để tách nước ra khỏi bề
mặt các hạt đất thì với các hạt nhỏ (1mm) lượng nước đó sẽ lớn
hơn 10 lần các hạt lớn (1cm).
Tỷ diện tích tỷ lệ nghịch với đường kính các hạt đất. Thực tế
chúng ta không thể xác định giá trị này được vì hình dạng các hạt
đất không giống nhau, nhưng rõ ràng khối đất được tạo bởi nhiều
hạt nhỏ thì sẽ có tỷ diện tích lớn hơn các loại đất tạo bởi các hạt
có kích thước lớn.
Từ khái niệm tỷ diện tích, chúng ta thấy rằng, đất hạt nhỏ có
độ ẩm cao hơn đất hạt lớn (hạt thô) cho dù các thông số khác
như: độ lỗ rỗng, cấu trúc đất có thể như nhau.
Trong môn học vật liệu xây dựng, tỷ diện tích là nhân tố cơ
bản trong quá trình thiết kế bê tông xi măng hoặc bê tông
asphalt. Trong cả hai trường hợp đó cần cung cấp lượng xi măng
hoặc asphalt thích hợp để bao phủ hết các bề mặt hợp thể.

1.4.4. Sự tương tác giữa nước và các khoáng vật sét.

1.4.4. Sự tương tác giữa nước và các khoáng vật sét

Như đã biết, nước thường không gây ra ảnh hưởng nhiều đến
đặc tính các loại đất rời. Chẳng hạn, cường độ chống cắt của đất cát
trong trường hợp khô và bão hòa là xấp xỉ nhau. (Trừ trường hợp
chịu tác dụng của tải trọng động).
Trong khi đó, các loại đất hạt mịn đặc biệt là đất loại sét, bị ảnh
hưởng mạnh mẽ khi nước có mặt trong lỗ rỗng của đất. (Lấy ví dụ thực tế
hoặc TN xác định giới hạn Atterberg). Sự phân bố đường kính các nhóm hạt
không ảnh hưởng nhiều đến các đặc tính của đất hạt mịn.
Kích thước tương đối của bốn khoáng vật sét phổ biến với tỷ
diện tích của chúng được nêu trong hình 4.15. Khoáng vật Kaolinit
có kích thước lớn nhất với bề dày khoảng 1μm, trong khi khoáng vật
monmorilonit có kích thước nhỏ nhất với bề dày chỉ khoảng vài nm
(nanometer). Với tinh thể có kích thước trung bình gọi là đường kính
(dạng tròn) nên thực tế, tỷ diện tích có thể khác biệt so với tính toán
ít nhiều. Dĩ nhiên, kích thước các hạt phụ thuộc nhiều vào quá trình
phong hóa và các nhân tố khác, nhưng giá trị thường dùng là trị số
trung bình. Từ đó ta thấy rằng, bề mặt hoạt động phụ thuộc vào
đường kính hạt, chẳng hạn khoáng vật monmorilonit có mức độ hoạt
động mạnh hơn khoáng vật kaolinit và tương tự như vậy, bề mặt
hoạt động của cát hoặc bụi gần như là bằng không.

1.4.4. Sự tương tác giữa nước và các khoáng vật sét.
Trong phần trước, ta đã xác định được độ hoạt động của sét:
A=PI/hàm lượng sét (2-24).
Với hàm lượng sét là phần trăm các hạt sét có đường kính nhỏ hơn 2μm.
Giữa tính hoạt động và loại khoáng vật sét có sự liên hệ chặt chẽ

với nhau. Liên hệ này được trình bày trong bảng 4.1 (BS1)
Các hạt sét hầu như luôn hút nước một cách tự nhiên nên có các
lớp nước bao quanh mỗi tinh thể sét. Loại nước này gọi là nước hấp
phụ.
Nước hấp phụ trên bề mặt các hạt sét như thể nào? :
+ Thứ nhất, nước là một phân tử lưỡng cực. Mặc dù phân tử
nước trung hòa về điện, nó vẫn phân cực thành cực âm và cực dương.
Do đó, các phân tử nước sẽ bị hút tĩnh điện lên bề mặt các hạt sét.
+ Thứ hai, nước liên kết với các tinh thể hạt sét bằng mối liên kết
hydro (nguyên tử hydro của nước bị hút bởi các nguyên tử ôxi hoặc hydroxin trên bề mặt các hạt
sét).
+ Nhân tố thứ ba là bề mặt các hạt sét tích điện âm cũng hút các
cation có mặt trong nước.
Lực hút của nước với bề mặt hạt sét rất lớn khi ở gần và giảm dần
khi xa bề mặt. Các phân tử nước ở ngay bề mặt hạt sét bị bám rất chặt và có tính định hướng rất

cao. Các đo đạc cho thấy, một số đặc tính nhiệt động và đặc tính điện của nước nằm sát bề mặt hạt sét
thì khác biệt so với nước tự do (BS1)

1.4.5. Sự tương tác giữa các hạt sét.
Sự kết hợp các khoáng vật sét và các lớp nước hấp phụ trên bề
mặt hạt tạo nên các đặc trưng vật lý cơ bản của cấu trúc đất. Các hạt
sét riêng lẻ tương tác với nhau thông qua màng nước hấp phụ bao
quanh và sự có mặt của các ion khác nhau, các vật chất hữu cơ, nồng
độ khác nhau… đã tác động đến hoặc góp phần tạo ra sự đa dạng trong
cấu trúc của đất trong tự nhiên. Hạt sét có thể đẩy nhau, quá trình này
phụ thuộc vào nồng độ ion, khoảng cách giữa các hạt và một số nhân tố
khác. Tương tự, có sự tương tác nhất định giữa các hạt riêng lẻ do tác
dụng của liên kết hydro, lực Van der Waal và một số kiểu liên kết hóa
học hoặc hữu cơ khác. Lực tương tác giữa các hạt hay điện thế giảm

dần từ bề mặt khoáng vật ra ngoài.
Các hạt có thể bị keo tụ hoặc tách rời. Chúng có thể keo tụ theo
một vài cách có thể: cạnh - mặt là thông dụng nhất, ngoài ra có thể gặp
các dạng kết hợp khác như cạnh – cạnh hoặc mặt – mặt. Xu hướng keo
tụ phụ thuộc vào sự gia tăng của một hoặc một số nhân tố sau: nồng độ
các chất điện phân, hóa trị của các ion, nhiệt độ. Hoặc giảm một hoặc
một số các nhân tố sau: hằng số điện môi của chất lỏng trong lỗ rỗng
của đất, kích thước của các ion hydrat, pH, hấp phụ anion.
Tất cả các loại đất sét tự nhiên đều kết tủa (keo tụ) với mức độ nào
đó. Chỉ trong các dung dịch rất loãng các hạt sét có thể dưới dạng phân
tán.


1.4.6. Cấu tạo và kết cấu của đất .
Trong địa kỹ thuật công trình ứng dụng, cấu tạo của đất
vừa có nghĩa là sự sắp xếp của các hạt đất hoặc các hạt
khoáng vật, vừa có nghĩa là lực tương tác có thể xuất hiện
giữa các hạt. Kết cấu của đất chỉ đề cập sự sắp xếp về mặt
hình học giữa các hạt. Với các loại đất hạt rời, lực tương tác
giữa các hạt rất bé, vì vậy cấu tạo và kết cấu của cuội sỏi, cát
….. gần như giống nhau. Ngược lại, với đất dính hạt mịn lực
tương tác giữa các hạt lại tương đối lớn, dẫn đến cả lực tương
tác và kết cấu của các loại đất này phải được coi như cấu tạo
của đất. Do đó, cấu tạo đất ảnh hưởng lớn hay có thể nói là
quyết định đặc tính xây dựng của đất. Tất cả các cấu tạo sét
hình thành trong tự nhiên là kết quả của sự kết hợp giữa các
yếu tố: Môi trường địa chất tại nơi lắng đọng, lịch sử địa chất,
lịch sử chất tải và đặc tính của khoáng vật sét.Việc mô tả đầy
đủ về cấu tạo của một loại đất dính hạt mịn là rất khó khăn, vì
không thể đo đạc trực tiếp được trường lực bao quanh các hạt

sét, nên phần lớn các nghiên cứu về kết cấu đất dính chỉ liên
quan đến cấu tạo của những loại đất này và thực hiện các suy
luận về lực tương tác giữa các hạt.

1.4.7. Kết cấu đất dính .
Sự phân loại kết cấu đất dính thành các nhóm đơn giản chỉ
dựa theo một số các hạt sét là không thể làm được. Các hạt
đơn lẻ hoặc các đơn vị hạt riêng lẻ rất hiếm xuất hiện trong tự
nhiên và chỉ tồn tại trong hệ nước-sét pha rất loãng trong các
điều kiện môi trường nhất định. Các nghiên cứu gần đây về các
loại sét thực tế cho thấy, các loại hạt sét riêng lẻ dường như
luôn bị kết tụ hay liên kết với nhau thành các đơn vị kết cấu
siêu hiển vi gọi là các bó (tập hợp) – sau đó các bó tập hợp
thành nhóm với nhau để thành các cụm đủ lớn để quan sát
được với kính hiển vi. Các cụm này sau đó lại tập hợp lại với
nhau để hình thành các giỏ và thậm trí nhiều nhóm dạng giỏ.
Các giỏ này có thể nhìn thấy mà không cần dùng kính hiển vi
và chúng cùng với các cấu tạo vĩ mô khác ví dụ như các khe
nứt… cấu tạo thành hệ thống các cấu tạo vĩ mô.
Kết cấu vĩ mô, bao gồm sự sắp xếp các lớp trầm tích hạt
mịn, có ảnh hưởng quan trọng đến đặc tính kỹ thuật của đất
trong thực tế xây dựng. Các khe nứt, kẽ rỗng, các lớp kẹp bùn,
cát, phần hổng chứa rễ cây, sét dải và các “khuyết tật” khác
thường quyết định đến đặc tính kỹ thuật của toàn bộ khối đất.
(BS2)

1.4.7. Kết cấu đất dính .
Theo quan điểm xây dựng, kết cấu vi mô về cơ bản có vai trò
quan trọng hơn. Kết cấu vi mô của sét phản ánh toàn bộ lịch sử
hình thành và lịch sử chất tải của nền đất. Gần như tất cả những

tác động xảy ra với khối đất mà có ảnh hưởng đến đặc tính xây
dựng của đất thì về mức độ nào đó sẽ được ghi dấu trong kết cấu
vi mô của nó.
Nghiên cứu gần đây về kết cấu vi mô của sét đã chỉ ra rằng
đơn nhân tố ảnh hưởng lớn nhất đến kết cấu cuối cùng của một
loại sét nào đó là môi trường điện hóa tại thời điểm chìm lắng.
Các kết cấu bông hay kết tụ có thể hình thành trong suốt quá trình
lắng đọng ở gần như tất cả các môi trường trầm tích, như đại
dương, nước lợ, hay nước ngọt. (BS2)
Tóm lại, kết cấu của phần lớn các loại đất sét trong tự nhiên
rất phức tạp. Đặc tính kỹ thuật của chúng chịu ảnh hưởng rất lớn
bởi cả kết cấu vĩ mô và vi mô. Hiện tại, không có liên hệ về định
lượng tồn tại giữa kết cấu vi mô và các đặc tính xây dựng, nhưng
có một sự đánh giá về mức độ phức tạp về kết cấu của các loại
đất dính và mối liên hệ giữa chúng với đặc tính kỹ thuật của đất sẽ
rất quan trọng cho người kỹ sư.

1.4.8. Kết cấu đất không dính .
Các hạt của đất mà có thể lắng chìm trong một chất lỏng huyền phù
của đất một cách độc lập với các loại hạt khác sẽ tạo thành một loại kiến
trúc được gọi là kiến trúc hạt đơn.
Kết cấu hạt đơn, có thể “xốp” hay “chặt”, hiện tượng này của khối đất
trong thiên nhiên có ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính kỹ thuật của nó.
Dưới một số điều kiện chìm lắng với vật liệu rời có thể tạo thành kết
cấu tổ ong, đây là kết cấu có độ lỗ rỗng rất lớn, có tính “giả bền”. Các vòm
hạt có thể chịu được tĩnh tải, nhưng kết cấu lại nhạy cảm với sự phá hoại
khi chịu rung động hay tải trọng động.
Dung trọng tương đối Dr hay còn gọi là chỉ số chặt ID, được sử dụng để
so sánh hệ số rỗng e của một loại đất cho trước với hệ số rỗng lớn nhất và
nhỏ nhất và được xác định theo:

(4-2)
Dung trọng tương đối cũng có thể được trình bày theo mối quan hệ với
độ chặt lớn nhất và độ chặt nhỏ nhất như sau


1.4.8. Kt cu t khụng dớnh .
cht tng i ca khi t trong thiờn nhiờn cú nh
hng rt ln n c tớnh k thut ca nú. Do ú, cn thit phi
tin hnh cỏc thớ nghim trong phũng vi cỏc mu cỏt cú cựng
cht tng i nh ngoi hin trng. Vic ly cỏc mu t ht
thụ, c bit vi mu chiu sõu hn vi một l rt khú khn, do
vt liu rt nhy cm vi ngay c cỏc rung ng nh nht, nờn
khụng th chc chn rng mu th cú cựng cht nh ngoi t
nhiờn. Vỡ vy nhiu loi xuyờn k khỏc nhau c s dng trong
thc t xõy dng, giỏ tr sc khỏng xuyờn c ly xp x tng
quan vi giỏ tr tng quan cht tng i. Vi cỏc khi t
nụng, cú th tip cn trc tip, cú th dựng cỏc phng phỏp khỏc
xỏc nh cht ti hin trng.
Cn lu ý rng, cht tng i khụng phi l yu t duy
nht phn ỏnh c tớnh xõy dng ca t khụng dớnh. Chng hn
hai loi cỏt, cú cựng h s rng v cht tng i, nhng cú
kt cu khụng ging nhau, thỡ c tớnh k thut s rt khỏc nhau.
Lch s cht ti l mt nhõn t khỏc phi c xem xột khi tớnh
toỏn i vi cỏc loi cỏt v si trong thc tin xõy dng. (BS3)

2.1. tính thấm nớc của đất.
2.1.1. KháI niệm về dòng thấm trong đất.
Các lỗ rỗng trong đất ăn thông với nhau, tạo điều kiện
cho nớc chuyển động đợc trong đất. Tính chất ny của
đất đợc gọi l tính thấm của đất.

Tính thấm của đất đã đợc nghiên cứu trong môn thuỷ
lực v môn địa chất thuỷ văn. Trong những môn học ny
nghiên cứu dòng thấm (trong trờng trọng lực) tạo ra do
độ chênh cột nớc. Trong môn CHĐ tính thấm nớc v quy
luật thấm đợc nghiên cứu không chỉ trong trờng trọng
lực m cả trong trờng ứng suất.
Dòng thấm trong đất có thể l dòng ổn định, hoặc
không ổn định. Dòng thấm sinh ra trong trờng ứng suất m
môn CHĐ nghiên cứu l dòng không ổn định trong môi
trờng có lỗ rỗng thay đổi theo thời gian.

bi giảng cơ học đất

chơng II
tính chất cơ học của đất

2.1.2. nh lut Darcy cho dũng chy qua mụi trng rng.
Nm 1856 k s thy lc ngi Phỏp tờn l Darcy (DArcy,
1856) thụng qua cỏc thớ nghim ó ch ra rng vn tc cht lng
trong cỏt sch t l vi gradien thy lc : v = ki (7-2). Phng trỡnh
ny thng c kt hp vi phng trỡnh liờn tc
(7-3) v nh ngha v gradien thy lc q = v1 A1 = v2 A2 = constant (7-1).
h hiu nh trờn hỡnh v, nh lut Darcy thng
S dng cỏci =ký
l
c vit l:
h
q = vA = kiA = k
A
(7-5)

L

(Để có cơ sở nghiên cứu về dòng thấm đề nghị SV xem lại
một số kiến thức cơ bản về động lực học dòng chảy trình by
trong mục 7.2 chơng 7- GT Giới thiệu Địa kỹ thuật) (BS4)
Hỡnh 7-2


2.1.2. Định luật Darcy cho dòng chảy qua môi trường rỗng.

2.1.2. Định luật Darcy cho dòng chảy qua môi trường rỗng.

Trong phương trình (7-5) q là tổng lượng dòng chảy chảy
qua mặt cắt A, hằng số tỷ lệ k được gọi là hệ số thấm Darcy.
Đơn vị thường được dùng là m/s, cm/s. (BS5)
Các thí nghiệm cho thấy là phương trình 7-5 vẫn đúng cho
một phạm vi rộng các loại đất khác nhau với gradien thủy lực
kỹ thuật. (BS5)

Hình 7.4. Độ lệch khỏi định luật Darcy được quan sát trong đất sét
Thụy Điển (theo Hansbo 1960)

2.1.3. Đo hệ số thấm

2.1.3. Đo hệ số thấm
Với thí nghiệm cột nước không đổi, thể tích nước Q thu nhận được
trong thời gian t là (hình 7.5a):

Q = Avt
Từ phương trình 7-5:

v = ki = k
QL

Hình 7.5. Xác định hệ số thấm theo thí nghiệm (a) cột nước không
đổi, (b) cột nước giảm dần

h
L

k=
ta có:
(7-8)
hAt
Trong đó:
Q - tổng thể tích nước thoát ra (m3) trong thời gian t (s)
A - diện tích mặt cắt ngang của mẫu đất (m2)
Các nhân tố ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm.
+ Độ bão hoà của mẫu (Không khí trong mẫu không thể thoát hết ra
ngoài)
+ Sự dịch chuyển của các hạt mịn trong mẫu
+ Sự thay đổi nhiệt độ thí nghiệm
Hệ số thấm cũng có thể xác định được dựa trên các thí nghiệm nén
một hướng trong phòng (cố kết) hoặc thí nghiệm ba trục. (Vi dụ)


2.2. tÝnh ®Çm chÆt cña ®Êt.
2.2.1. Tính đầm chặt .
Tính đầm chặt là quá trình nén chặt của đất dưới tác dụng của
các lực cơ học. Quá trình này cũng có thể liên quan đến sự thay đổi

độ ẩm và cấp phối hạt của đất. Đất không dính thì được đầm chặt
hiệu quả bởi lực rung động. Đất mịn và đất dính có thể được đầm
chặt trong phòng thí nghiệm bằng búa hay vật nặng, hay bằng các
máy nén tĩnh. Ngoài hiện trường, các thiết bị thường được dùng như
máy đầm tay, máy đầm cóc, máy đầm cao su và các thiết bị đầm loại
lớn khác.
Mục đích của việc đầm chặt nhằm gia cường các tính chất kỹ
thuật của đất. Ngoài ra chúng còn dẫn tới một số lợi ích khác:
+ Ngăn ngừa hoặc giảm thiểu độ lún.
+ Gia tăng cường độ chịu lực và ổn định mái dốc.
+ Tăng cường sức chịu tải của nền.
+ Có thể được kiểm soát được quá trình thay đổi thể tích đất
được gây ra bởi các hiện tượng như đóng băng, trương nở và co
ngót.

2.2.2. Nguyên lý đầm chặt .
Đối với các kiểu đầm chặt khác, việc xác định công đầm khá phức
tạp. Trong phương pháp đầm trộn, máy đầm trộn đất dưới một áp lực
nào đó trong khoảng thời gian rất ngắn, phương pháp này được dùng
để mô phỏng quá trình đầm chặt đất bằng đầm chân dê và các thiết bị
đầm khác ngoài hiện trường. Còn với phương pháp đầm tĩnh, mẫu đất
được nén chặt trong cối đầm dưới tác dụng của một lực tĩnh bằng máy
trong phòng thí nghiệm.
Chúng ta có thể áp dụng thí nghiệm Proctor và các thí nghiệm
đầm nén trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu quá trình đầm chặt
của đất dính. Trình tự như sau, tiến hành thí nghiệm Proctor tiêu
chuẩn cho một số mẫu đất cùng loại nhưng khác nhau về độ ẩm. Sau
đó ta xác định dung trọng ướt và độ ẩm thực tế của các mẫu đất đã
được đầm chặt, rồi tính toán dung trọng khô của mỗi mẫu đất theo các
công thức đã trình bày trong chương 2

Khi xác định được dung trọng khô và độ ẩm tương ứng của các
mẫu đất, ta biểu diễn lên cùng hệ trục toạ độ và xác định được một
đường cong gọi là đường cong đầm nén. (đường cong A trên hình
5.1)

2.2.2. Nguyên lý đầm chặt .
Những nguyên lý cơ bản của quá trình đầm chặt ứng dụng cho
đất dính đã được Proctor đưa ra vào năm 1933. Thí nghiệm đầm chặt
tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm dựa theo các nguyên lý của ông
thường được gọi là thí nghiệm Proctor.
Proctor đã chứng tỏ rằng, đầm chặt là hàm của bốn tham số: (1)
dung trọng khô ρd, (2) độ ẩm w, (3) công đầm và (4) loại đất (cấp phối
hạt, sự có mặt của các khoáng vật sét...). Công đầm được đánh giá
bằng năng lượng cơ học tác dụng lên khối đất.
Ngoài hiện trường, công đầm được đánh giá bằng số lần di
chuyển của con lăn trên một thể tích đất xác định. Trong phòng thí
nghiệm, các phương pháp đầm nén hay đầm động, đầm trộn và đầm
tĩnh thường được áp dụng. Trong đó, phương pháp đầm nén là hay
được sử dụng nhất bằng cách cho quả đầm rơi tự do nhiều lần lên
mẫu đất đựng trong cối đầm. Khối lượng quả đầm, chiều cao rơi tự do,
số lần đầm, số lớp đất đầm và thể tích cối đầm đều được xác định cụ
thể. Ví dụ, trong thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn: quả đầm có khối lượng
2,495 kg (5,5 lb), chiều cao rơi quả đầm 304,88 mm (1 ft). Đất được
chia thành 3 lớp, số lần đầm mỗi lớp 25 và thể tích của cối đầm xấp xỉ
1 lít (0,944x 10-3 m3 hoặc 1/30 ft3).

2.2.2. Nguyên lý đầm chặt .


2.2.2. Nguyên lý đầm chặt .

Điểm đỉnh của đường cong đóng vai trò quan trọng. Tương
ứng với giá trị lớn nhất của dung trọng khô ρd max là độ ẩm tối ưu
wopt (cũng là lượng chứa nước tối ưu, OMC). Nhưng chú ý rằng,
đó chỉ là dung trọng khô lớn nhất cho một công đầm và một
phương pháp đầm cụ thể chứ không phải là dung trọng khô lớn
nhất có thể đạt được ngoài thực tế.
Vị trí chính xác của đường cong bão hoà chỉ phụ thuộc vào
trọng lượng riêng của hạt đất ρs. Chú ý rằng, độ bão hoà tối ưu S
của các loại đất thông thường khoảng 75%. Thậm chí khi tăng độ
ẩm trong đất thì đường cong đầm nén đều nằm phía dưới đường
bão hoà S = 100%. Điều này cũng xảy ra tương tự khi ta tăng công
đầm, chẳng hạn như đường cong B trên hình 5.1. Đường cong B là
kết quả của thí nghiệm đầm nén Proctor cải tiến (AASHTO cải tiến
(1978) và ASTM (1980)). Theo kết quả thí nghiệm, khi tăng công
đầm thì dung trọng khô lớn nhất tăng lên và độ ẩm tối ưu giảm
xuống. Đường thẳng đi qua các điểm đỉnh của đường cong đầm
nén với các giá trị công đầm khác nhau gần như song song với
đường cong bão hoà 100%. Nó được gọi là đường tối ưu.

2.2.2. Nguyên lý đầm chặt .

Hình 5.2 Quan hệ giữ độ ẩm và dung trọng khô của 8 loại đất nén theo phương
pháp thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn (theo Johnson và Sallberg, 1960)

2.2.2. Nguyên lý đầm chặt .
Tại sao các đường cong đầm nén lại có hình dạng đặc trưng ở
trên hình 5.1 và 5.2. Nếu độ ẩm trong đất nhỏ, khi ta cho thêm
nước vào trong đất thì kích thước màng nước bao quanh hạt đất
tăng dần lên và làm tăng kích thước hạt đất, do có màng nước bôi
trơn nên các hạt đất dễ dàng di chuyển và sắp xếp lại khiến mẫu

đất chặt hơn. Tuy nhiên, tới một độ ẩm nào đó thì dung trọng của
đất không thể tăng được nữa và nước bắt đầu thay thế vị trí của
đất trong cối đầm. Do ρw << ρs nên đường cong đầm nén bắt đầu
đi xuống, minh hoạ trên hình 5.3. Hãy chú ý rằng, đất không bao
giờ đạt tới trạng thái bão hoà cho dù có cho thêm bao nhiêu nước
đi nữa trong quá trình đầm chặt.
Những đặc trưng của đất dính trong quá trình đầm chặt đã
miêu tả ở trên xảy ra cho cả thí nghiệm đầm chặt trong phòng và
ngoài hiện trường. Hình dạng và vị trí các đường cong đầm nén có
thể thay đổi nhưng xu thế chung thì tương tự với kết quả được
minh hoạ trên hình 5.4 khi đất được đầm nén dưới các điều kiện
khác nhau. Thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn và cải tiến trong phòng
được sử dụng làm tiêu chuẩn so sánh cho quá trình đầm chặt
ngoài hiện trường.

2.2.2. Nguyên lý đầm chặt .

Hình 5.3 Quan hệ giữa độ ẩm và dung trọng cho thấy sự tăng của dung trọng khi tưới nước và
đầm nén. Đất là loại sét chứa bụi, LL = 37, PI =14. Đầm nén Proctor tiêu chuẩn (theo
Johnson và Sallberg, 1960)


2.2.2. Nguyên lý đầm chặt .

2.2.3. Tính chất và kết cấu của đất dính đầm chặt .
Kết cấu và tính chất của đất dính đầm chặt phụ thuộc chủ yếu
vào phương pháp hoặc kiểu đầm, công đầm, loại đất và độ ẩm đất.
Thông thường độ ẩm của đất đầm chặt liên hệ mật thiết với độ ẩm
tối ưu tương ứng với một kiểu đầm chặt nào đó. Tùy thuộc vào giá
trị của độ ẩm mà đất được cho là ở trạng thái khô tối ưu, ở độ ẩm

tối ưu hoặc ướt tối ưu.
Với cùng một công đầm, nếu ta tăng độ ẩm thì kết cấu của đất
càng phân tán. Đất ở trạng thái khô tối ưu thì luôn có xu hướng kết
tụ trong khi ở trạng thái ướt tối ưu lại dễ dàng phân tán. Ở trên
hình 5.5, kết cấu của đất tại điểm C thì dễ dàng phân tán hơn tại
điểm A. Thậm chí khi đất ở trạng thái khô tối ưu, nếu ta tăng công
đầm thì đất cũng trở nên dễ phân tán hơn. Cũng trên hình 5.5, kết
cấu của đất tại điểm E thì dễ dàng phân tán hơn tại điểm A. Còn
khi đất ở trạng thái ướt tối ưu, thì kết cấu của đất tại điểm D dễ
dàng phân tán hơn tại điểm B một chút mặc dù mức độ ảnh hưởng
không lớn như khi đất ở trạng thái khô tối ưu.

Hình 5.4 Nén ngoài hiện trường và nén trong phòng (1)Thí nghiệm nén tĩnh trong phòng,
2000psi; (2)Thí nghiệm Proctor cải tiến; (3)Thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn; (4)Thí nghiệm
nén tĩnh trong phòng; (5)Thí nghiệm nén ở hiện trường )

2.2.3. Tính chất và kết cấu của đất dính đầm chặt .

Hình 5.5 Ảnh hưởng của công đầm đến kết cấu đất (theo Lambe,
1958a)

2.2.3. Tính chất và kết cấu của đất dính đầm chặt .
Với cùng một công đầm, khả năng thấm của đất giảm đi khi ta
tăng độ ẩm của đất và đạt tới giá trị nhỏ nhất khi đất có độ ẩm tối
ưu. Nếu công đầm tăng lên thì hệ số thấm sẽ giảm xuống do hệ số
rỗng giảm .
Khả năng chịu nén của đất sét đầm chặt phụ thuộc vào độ lớn
ứng suất trong khối đất. Khi ứng suất tương đối nhỏ thì đất dính có
khả năng nén lún lớn hơn khi độ ẩm lớn và điều này xảy ra ngược
lại đối với ứng suất lớn.

Đất sét đầm chặt có tính trương nở lớn hơn khi ở trạng thái
khô tối ưu. Vì khi đó đất thiếu nước nhiều hơn nên có xu thế hút
bám nước nhiều hơn và tính trương nở sẽ cao hơn.
Cường độ của đất sét đầm chặt khá phức tạp. Cường độ ở
trạng thái khô tối ưu lớn hơn cường độ ở trạng thái ướt tối ưu.
Cường độ ở trạng thái ướt tối ưu cũng phụ thuộc một chút vào kiểu
đầm do có sự khác nhau về kết cấu của đất. Nếu ngâm mẫu đất
vào nước, hình dạng của đất sẽ thay đổi do tính trương nở, đặc
biệt khi đất ở trạng thái khô tối ưu. Cường độ của đất hầu như
không đổi khi đất ở trạng thái ướt tối ưu và tăng lên đáng kể khi đất
ở trạng thái khô tối ưu.


2.2.4. Các thiết bị và phương pháp đầm nén ngoài hiện trường .

Đất dùng trong xây dựng thường được khai thác từ các bãi
tự nhiên. Người ta thường sử dụng các loại máy đào, máy xúc
và máy cạp để khai thác đất. Trên hình 5.9a và 5.9b minh hoạ
một số loại máy được dùng trong thực tế.
Các bãi khai thác đất có thể ở gần hay xa vị trí xây dựng
công trình. Máy cạp thường được dùng để chuyên chở và rải
đất lên nền công trình. Người ta cũng có thể dùng xe tải có các
kiểu đổ đất khác nhau để vận chuyển đất. Trong quá trình thi
công nhà thầu thường tận dụng các máy móc chuyên chở đất
di chuyển qua vị trí đất chưa đầm chặt do đó làm giảm công
đầm cần thiết.
Khi vật liệu khai thác được vận chuyển đến vị trí xây dựng
công trình. Các loại máy ủi, máy xúc và máy san sẽ rải đất
thành những lớp đất có bề dày phù hợp. Bề dày của các lớp
đất thông thường dao động từ 150 đến 500 mm (6 đến 18 in)

hoặc phụ thuộc vào kích thước và loại máy đầm hay phụ thuộc
vào kíck thước hạt lớn nhất của đất đắp.

2.2.4. Các thiết bị và phương pháp đầm nén ngoài hiện trường .
Các nhân tố ảnh hưởng tới quá trình đầm chặt của đất bao
gồm:
- Đặc tính của máy đầm:
+ Khối lượng, kích thước
+ Tần số làm việc và phạm vi thay đổi của tần số
- Đặc tính của đất đầm chặt:
+ Dung trọng ban đầu
+ Kích thước và hình dạng hạt
+ Độ ẩm
- Quy trình thi công:
+ Số lần đầm
+ Chiều dày lớp đất
+ Tần suất làm việc của động cơ
+ Tốc độ di chuyển
Các đặc tính của máy đầm ảnh hưởng tới độ lớn ứng suất và
chiều sâu phạm vi làm việc của lực rung, dung trọng ban đầu cũng
tác động lớn tới hiệu quả đầm chặt. Sau khi đã lựa chọn được máy
đầm, thì quy trình thi công là nhân tố quyết định hiệu quả đầm chặt.
(BS7)

2.2.4. Các thiết bị và phương pháp đầm nén ngoài hiện trường .

Hình 5.9 Hai loại máy cạp đất: (a) Máy cạp đất thông thường hay máy cạp tự chất tải. Đôi khi
một hoặc hai máy ủi giúp đẩy đầm để chất tải. Hai chiều máy cạp đất này đang hỗ trợ lẫn
nhau để đẩy-kéo.
(b)Máy cạp nâng là máy tự nâng tải và loại bỏ những thứ cần thiết cho bàn đẩy

2.3. Cố kết và lún cố kết
2.3.1 Giới thiệu chung
Với vật liệu liên tục → Ứng xử với tải trọng xảy
ra tức thời.
Với đất thì dưới tác dụng của tải trọng phải mất
một thời gian dài mới xuất hiện rõ biến dạng.
Biến dạng của đất:
Sự thay đổi hình dạng.
Sự thay đổi thể tích.
Sự thay đổi hình dạng + Thay đổi thể tích.


2.2.2 Các thành phần của lún
Độ lún tổng (St) của đất gồm 3 thành phần:
St = Si + Sc + Ss

2.2.3 Tính nén lún của các loại đất
Bài toán : Xét bài toán 1 hướng.
Đất khi chịu tải trong, bị ép co bởi:

Si : Độ lún tức thời.

Biến dạng của các hạt đất.

Sc : Độ lún cố kết.

Nước và khí trong lỗ rỗng bị ép co.

Ss : Độ lún từ biến.

Nước và khí trong lỗ rỗng bị ép thoát ra
ngoài.

Vật liệu thô bị ép co một hướng

Vật liệu thô bị ép co một hướng


Đất sét bị ép co một hướng
Khả năng thoát nước của đất sét nhỏ.
Quá trình ứng suất - Biến dạng - Thời gian.
Kéo dài hàng tháng, năm, hàng thế kỷ.
Cố kết ⇔ Quá trình ép co của đất dính bảo
hoà.

Vật liệu thô bị ép co một hướng

Mô phỏng lò xo như mẫu đất dính bão hoà nước
9 Lò xo tượng trưng cho các hạt đất.
9 Nước trong bình tượng trưng cho nước trong lỗ rỗng.
9 Van V tượng trưng cho sự liên thông với bên ngoài
của đất.
9 Đồng hồ đo áp lực nước lỗ rỗng Uo.

Mô phỏng lò xo (tiếp theo)
Ban đầu: Van V chưa mở, gia tải Δσ = Δu.
Δu : Áp lực thuỷ tĩnh dư (Áp lực lỗ rỗng dư).
Trạng thái sau: Mở van V cho nước thoát ra.
Δσ chuyển dần sang lò xo.

Δu giảm dần.
Khi đạt cân bằng : Δu → 0
lò xo chịu lực σv + Δσ
• Ứng suất trung hoà - Ứng suất hiệu quả.


2.3.4 Thí nghiệm nén không nở hông
Đất chịu tải trọng trên diện rộng → Quá trình
ép co được giả thiết như ép theo một hướng.
Thiết bị nén không nở hông.

Hộp nén cố định

Mô tả thao tác thí nghiệm nén không nở hông

Kết quả thí nghiệm nén không nở hông

Cho tải trọng tác dụng tăng dần từng cấp.
Ứng với mỗi cấp tải trọng → Chờ cho mẫu lún
ổn định ⇒ Ghi lại số đọc đồng hồ ⇒ Tăng tải
trọng tiếp theo.
Quá trình lặp đi lặp lại ⇒ Đủ điểm dữ liệu thí
nghiệm ⇒ Vẽ quan hệ.

Quan hệ giữa lún phần trăm cố kết và ứng suất hiệu quả


Quan hệ giữa hệ số rỗng và ứng suất hiệu quả

Quan hệ giữa phần trăm cố kết và log ứng suất hiệu quả

2.3.5 Áp lực cố kết trước
σ’p : Tải trọng nén trước (Áp lực cố kết trước).
σ’vo : Tải trọng nén thẳng đứng hiện tại (Ứng
suất bản thân).
Cách xác định ứng suất bản thân của đất
trong các trường hợp:
σ'
Tỷ số quá cố kết
OCR = p
σ'vo
OCR > 1 ⇒ Đất quá cố kết.
OCR = 1 ⇒ Cố kết bình thường.
OCR < 1 ⇒ Chưa cố kết.
Quan hệ giữa hệ số rỗng và log ứng suất hiệu quả


Cách xác định áp lực cố kết trước

Ví dụ 8.1 (Giải Thích)
Cho kết quả thí nghiệm cố kết trong phòng ở hình 8.7.
Yêu cầu: Với đường cong nén BCD trong phòng thí
nghiệm, xác định: (a) ứng suất cố kết trước theo
phương pháp của Casagrande; (b) giá trị nhỏ nhất và
lớn nhất có thể có của trị số ứng suất này; (c) trị số OCR
nếu ứng suất lớp phủ hiệu quả tại hiện trường là 80 kPa.

Đường cong quan hệ giữa hệ số rỗng và log tải trọng mô tả quá trình
trầm tích, lấy mẫu (giảm tải) và cố kết lại trong thiết bị thí nghiệm cố kết.

2.3.6 Tính toán lún

ΔL
εv =
Lo
⇒

Hay là

ΔH
S
Δe
=
=
H o H o 1 + eo

ΔH
S
Δe
=
=
H o H o 1 + eo