bài giảng chương 1 cơ học đất

CƠ HỌC ĐẤT
CHƯƠNG 1
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ
PHÂN LOẠI ĐẤT

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

1


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
1.1. Đại cương về các loại đất.
1.1.1. Quá trình hình thành đất:
Quá trình hình thành đất là quá trình chuyển biến từ đá thành đất gồm ba
quá trình liên tiếp: quá trình phong hóa, chuyển rời và trầm tích
 Quá trình phong hóa xẩy ra chủ yếu do các tác động vật lý hoặc hóa học
 Phong hóa vật lý: Do sự thay đổi về nhiệt độ và sự va chạm
 Phong hóa hóa học: Do nước với các axit hòa tan
 Quá trình chuyển rời do các mảnh vỡ vụn bị dịch chuyển trên mặt dốc do
ảnh hưởng của trọng lượng bản thân, của nước, gió
 Quá trình trầm tích các mảnh vỡ di chuyển do trọng lượng, nước, gió
mang đến một vị trí nào đó dần dần hình thành các lớp đất.

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

2

CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
1.1.2. Phân loại đất theo gốc phong hóa.
Căn cứ vào gốc phong hóa ta có thể phân biệt hai loại đất
 Đất rời: Đá dăm, cuội sỏi, các loại cát do phong hóa vật lý
Đặc điểm: Khi khô thì rời rạc, khi ẩm không dẻo, tính thấm lớn, lượng hút
nước nhỏ.
 Đất dính: Sét, á sét (sét pha: sét lẫn một ít cát), á cát (cát pha: Cát có lẫn ít
sét) do phong hóa hóa học
Đặc điểm: Khi khô cứng thành khối, khi ẩm thì dẻo, ít thấm nhưng lượng hút
nước lớn

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

3


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
1.1.3. Phân loại đất theo hình thức chuyển rời và trầm tích.
 Đất tàn tích, sườn tích (đêluvi): Sản phẩm phong hóa nằm ngay tại chỗ
hoặc do trọng lượng bản thân, chuyển dịch một đoạn ngắn theo sườn dốc
(thường có ở trung du, miền núi)
Đặc điểm: Chiều dày của lớp đất không đều thường là mặt đá gốc nghiêng,
làm cho lớp đất rễ mất ổn định. Các hạt đất không đều, các hạt nhỏ lẫn với
những hạt lớn

 Đất bồi tích, sa tích (aluvi): Sản phẩm phong hóa do dòng nước mang đi
đến những khoảng cách xa rồi lắng đọng lại .
Đặc điểm: Chiều dày lớn và đều, cỡ hạt đều, lớp đất ở giai đoạn đầu của quá
trình lắng đọng thường rất rỗng, xốp, chứa nước nhiều đến mức chảy nhão.

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

4


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
1.2. Đất là một vật liệu đa nguyên.
1.2.1. Khái niệm: Đất là một tổ hợp của các hạt rời nên giữa chúng không có
liên kết với nhau hoặc có thi rất yếu so với bản thân các hạt. Vì rời rạc nên
giữa chúng có các khe hở. Các khe hở đó có thể có nước hoặc không khí các
loại là những thứ có sẵn trong môi trường xung quanh chèn lấp vào. Vậy thành
phần của đất bao gồm các hạt đất, nước, không khí , Các hạt đất là thành
phần chính, tạo ra khung kết cấu của đất. Các thành phần của đất tác động qua
lại với nhau và ảnh hưởng đến tính chất chung của cả tập hợp.
1.2.2. Hạt rắn của đất: Hạt đất là thành phần chủ yếu của đất, tạo thành
khung kết cấu và được gọi là cốt đất. Hạt đất được đặc trưng bởi kích thước,
hình dạng và thành phần khoáng vật

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

5


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
Kích thước hạt đất
Hạt đất có tỷ trọng Δ và hình dạng bất kỳ chìm lắng trong một dung môi
nào đó với vận tốc bằng vận tốc một quả cầu làm bằng vật liệu có cùng ty
trọng với hạt đất thì đường kính quả cầu chính là kích thước hạt đất.
 Nhóm hạt là khái niềm dùng để chỉ một tập hợp các hạt đất có kích thước
thay đổi trong một phạm vi nhất định nào đó và được gọi tên theo khoảng cách
kích thước (VD. Nhóm các hạt có kích thước 1mm-:-2mm gọi là nhóm 1-2)
 Hàm lượng một nhóm hạt là % theo trọng lượng khô của nhóm hạt đó trong
loại đất đang nghiên cứu và được ký hiệu là p(d1kích thước của nhóm hạt.
Hàm lượng nhóm hạt tính theo CT: p(d1Q(d15/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

6


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
 Phân loại và đặt tên các nhóm hạt theo kích thước tùy theo kích thước hạt,
người ta phân hạt đất làm mấy nhóm chính sau:
Bảng 1.1. Tên hạt đất theo kích thước

5/16/18

Tên nhóm hạt
Hạt cuội

Kích thước Hạt sỏi (mm)
10
Hạt sỏi

2
Hạt cát

0,05
Hạt bụi

0,005
Hạt sét

d< 0,005

ThS. Nguyễn Hữu Sà

7


CHƯƠNG I

CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
Hình dạng hạt đất
Rất đa dạng tùy thuộc vào kích thước, bản chất và tác động của sự hình
thành. Có thể nhận dạng ba kiểu chính: Dạng khối 3 chiều, dạng tấm 2 chiều,
dạng thanh 1 chiều.
Chú ý:
 Các hạt to (hạt đất rời) có dạng khối
 Các hạt rất nhỏ (các hạt đất dính) có dạng thanh và tấm
 Thành phần khoáng vật của hạt đất
Tùy thuộc vào đá gốc và môi trường hình thành, lịch sử tồn tại, thành
phần khoáng vật của hạt đất rất đa dạng. Trong xây dựng phân ra làm ba loại
 Nguyên sinh: không thay đổi so với đá gốc, thường là đất hạt rời, hạt thô

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

8


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
 Thứ sinh: Đã thay đổi, thường gặp ở đất sét, hạt rất nhỏ và gọi là khoáng
vật sét
 Các hợp chất hữu cơ: Là các tàn tích động thực vật và các sản phẩm từ
chúng đã hoặc chưa phân hủy.
1.2.3. Nước trong đất
 Nước liên kết tồn tại trên bề mặt các hạt mịn, có ba loại
 Nước màng bao gồm các lớp phần tử nước chịu hút rất lớn từ bề mặt hạt đất
và được coi là một bộ phận của hạt đất

 Nước liên kết mạnh ảnh hưởng nhiều đến tính dính của đất, có tỷ trọng và
độ nhớt cao, không di chuyển trong đất do trọng lượng bản thân (có thể tách ra
được ở nhiết độ cao)

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

9


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
Nước liên kết yếu chịu ảnh hưởng yếu của lực hút bề mặt hạt đất do đó có
tính tương tự nước thông thường
 Nước tự do là nước trong đất nằm ngoài phạm vi ảnh hưởng của lực hút bề
mặt.
1.2.4. Khí trong đất
Chủ yếu là khí tự nhiên, ngoài ra có thể có các dạng gas tư nhiên khác
nhưng ít phổ biến
 Khí trong đất có đường thông với khí bên ngoài gọi là khí hở
 Khí bị bao kín trong đất hoặc hòa tan trong nước lỗ rỗng gọi là khí kín

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

10

CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
1.2.5. Kết cấu và cấu trúc của đất
1.2.5a. Khái niệm
 Kết cấu là sự sắp xếp các hạt đất trong một khối đất nhỏ có cùng thời điểm
hình thành và cùng tồn tại tạo nên khung kết cấu đất còn gọi là khung đất.
 Cấu trúc của đất là sự sắp xếp các lớp đất trong nền tại thời điểm khảo sát
(cấu trúc của đất còn gọi là cấu trúc địa tầng khi mô tả kết quả khảo sát địa
chất một khu vực nào đó)
1.2.5b. Kết cấu của đất
Kết cấu của đất phụ thuộc chủ yếu vào kích thước hạt và môi trường chìm
lắng. Các loại đất thường được hình thành từ ba dạng kết cấu cơ bản: Kết cấu
hạt đơn, kết cấu tổ ong và kết cấu đơn

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

11


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
 Kết cấu hạt đơn hình thành khi các hạt có kích thước lớn chìm lắng trong
nước một cách tự do dưới tác dụng của trọng lượng bản thân trong điều kiện
vận tốc dòng mang đã giảm thiểu. Trong trường hợp này các hạt trực tiếp tiếp
xúc với nhau, ma sát giữa các hạt hình thành nên bản chất độ bền của chúng
do đó thành phần cấp phối hạt là yếu tố chính ảnh hưởng đến tính chất xây
dựng của đất có kết cấu hạt đơn, các loại đất hạt thô cát cuội sỏi thường có kết
cấu hạt đơn và tồn tại dưới hai dạng: kết cấu chặt và kết cấu rời tùy theo cấp

phối hạt và điều kiện trầm tích
 Kết cấu tổ ong hình thành do sự chìm lắng các hạt có kích thước nhỏ, sự có
mặt nước hút bám mặt ngoài làm cho lực hút bám giữa các hạt tăng nên đã
làm cản trở sự sắp xếp các hạt theo ảnh hưởng của trọng lượng bản thân,

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

12


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
Kết quả là các hạt đất tồn tại trong trạng thái chưa ổn định và giữa chúng có
những khoảng trống lớn, loại đất này thường có hệ số rỗng lớn khi mới hình
thành
 Kết cấu bông đặc trưng cho đất hình thành từ các hạt kích thước cực nhỏ
như hạt sét, hạt bụi (gọi chung là hạt keo) chìm lắng trong môi trường nước
khi có điều kiện thích hợp. Các hạt keo có lớp nước liên kết rất dày so với kích
thước bản thân do đó tỷ trọng xấp xỉ bằng tỷ trọng nước. Khi có điều kiện
thích hợp các hạt liên kết với nhau tạo thành những đám kích thước lớn dạng
bông và chìm lắng được để tạo thành đất có kết cấu bông. Đất có kết cấu bông
rất không ổn định thường gặp trong trầm tích biển trẻ.

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

13

CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
1.2.5c. Cấu trúc của đất
Cấu trúc của đất hay cấu trúc địa tầng là tổng hợp các yếu tố mô tả tính
phức hợp của nền đất về kết cấu, cấu tạo nền, tính chất cơ lý trong từng phần
hay toàn bộ nền đất được quan tâm. Có 3 kiểu cơ bản để nhận dạng cấu trúc
địa tầng Cấu trúc phân lớp, cấu trúc dạng khối, cấu trúc tổ ong (cấu trúc tổ
ong xuất hiện nhiều trong đá trầm tích gió, băng tuyết ít thấy ở VN)
 Cấu trúc phân lớp hình thành do sự lựa chọn kích thước, thành phần
khoáng vật trong quá trình trầm tích theo nhiều dạng khác nhau, lớp dày, lớp
mỏng, dải xiên, dải chéo, thấu kính…xen kẽ nhau liên tục. Đất có cấu trúc
phân lớp thể hiện rõ tính dị hướng về độ bền, biến dạng, thấm… rất cần phân
biệt khi nghiên cứu

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

14


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
Cấu trúc khối là sự sắp xếp một cách hỗn độn, không tuân theo quy luật các
thành tạo phong hóa với nhiều mức độ khác nhau về độ chặt, sự biến đổi liên
kêt bên trong theo thời giạn. Đất có cấu trúc khối thường gặp ở các loại tàn
tích, sườn tích, lũ tích… Trong xây dựng thường quan tâm đến hai dạng cấu
trúc khối chặt và khối xốp

1.3. Các chỉ tiêu vật lý của đất
Đánh giá tính chất của đất trên cơ sở bản chất vật lý của chúng, người ta
phải dựa vào mối quan hệ giữa các thành phần của chúng về thể tích và trọng
lượng, các quan hệ đó gọi là các chỉ tiêu vật lý của đất
 Thể tích hạt Vh, thể tích nước Vw, thể tích khí Vk, thể tích lỗ rỗng Vr = Vw + Vk
Thể tích đất V = Vh + Vw + Vk = Vh + Vr
 Trọng lượng hạt Gh, hoặc Qh trọng lượng nước Gn, Tổng TL G = Gh + Gn

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

15


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

16


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
1.3.1. Các chỉ tiêu vật lý cơ bản (Xác định bằng thí nghiệm mẫu)
1.3.1a. Trọng lượng thể tích đất tự nhiên ký hiệu: γ
Là trọng lượng một đơn vị thể tích đất ở trạng thái tự nhiên

G  * n * (1  0,01W )
 
; ( g / cm 3 ; T / m 3 );
V
1 e
1.3.1b. Độ ẩm của đất ký hiệu: W

Là tỷ số giữa trọng lượng nước và trọng lượng hạt:

W



Gn
*100%
Gh

1.3.1c. Trọng lượng thể tích hạt đất ký hiệu: γh

Gh


Là trọng lượng một đơn vị thể tích hạt rắn của đất: h
Vh

 Tỷ trọng hạt của đất:   h
n

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

17


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
1.3.1d. Các chỉ tiêu khác thường dùng.
Trọng lượng thể tích đất khô

Gn
W  *100%
Gh

Là trọng lượng một đơn vị thể tích đất ở trạng thái khô:
k 

Gh

 (1  0 , 01 n ) *  h 
V
1  0 , 01 W

Trọng lượng thể tích đất no nước γnn

Là trọng lượng một đơn vị thể tích đất ở trạng thái no nước

nn 

Gh  Gn

V

Trọng lượng thể tích đất đẩy nổi:

Là trọng lượng của đất có kể đến lực đẩy nổi của nước (đất nằm dưới mực
nước ngầm:

5/16/18

đn 

(  1) * n
(h  n ) * (1  n) nn  n
1 e

ThS. Nguyễn Hữu Sà

18


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
 Độ rỗng của đất
Là tỷ số giữa thể tích rỗng với thể tích đất: n Vr 1 
V

 Độ hạt của đất
Là tỷ số giữa thể tích hạt với thể tích đất:
 Hệ số rỗng của đất

m


e

* 100%
(1  W ) * n 1  e

Vh


V
(1  W ) * n

Là tỷ số giữa thể tích rỗng với thể tích hạt:

 * n * (1  0,01W )
Vr  h
n
e    1

1
Vh k
1 n

 Độ bão hòa của đất
Là phần lượng nước chứa trong lỗ rỗng của đất: G Vn W * h  0,01W * 
Vr
e * n
e

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

19


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
1.4. Trạng thái của đất và chỉ tiêu đánh giá trạng thái
1.4.1. Đất cát: Đất cát có hai trạng thái đó là độ chặt và độ ẩm
1.4.1a. Chỉ tiêu đánh giá độ chặt của đất cát:
D – Độ chặt của đất cát:
e – Hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái tự nhiên

emax  e
D
emax  emin

emax – Hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái xốp nhất emax   * n  1
k min

emin – Hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái chặt nhất

emin 

γkmax – Trọng lượng riêng khô cát ở trạng thái chặt nhất
γkmin – Trọng lượng riêng khô cát ở trạng thái xốp nhất
5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

 * n
1
k max

Q
k max 
Vcn
Q
k min 
V xn

20


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
2/3 < D ≤ 1 Cát ở trạng thái chặt
1/3 < D ≤ 2/3 Cát ở trạng thái chặt vừa
D ≤ 1/3 Cát ở trạng thái rời
1.2. Bảng phân loại trạng thái của cát theo hệ số rỗng
Loại cát
Cát to, cát vừa
Cát nhỏ
Cát bụi

5/16/18

Hệ số rỗng e ứng với trạng thái
Chặt
Chặt vừa
Rời
e < 0,55 0,55 ≤ e ≤ 0,7
e > 0,7
e < 0,6
0,6 ≤ e ≤ 0,75
e > 0,75
e < 0,6
0,6 ≤ e ≤ 0,8
e > 0,8

ThS. Nguyễn Hữu Sà

21


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
1.4.1b. Chỉ tiêu đánh giá độ ẩm của cát:
Trạng thái độ ẩm của cát được đánh giá theo độ bão hòa G
G < 0,5 Cát ở trạng thái ít ẩm
0,5 ≤ G ≤ 0,8
G > 0,8

Cát ở trạng thái rất ẩm
Cát ở trạng thái bão hòa

1.4.2. Đất sét Có trạng thái độ cứng là sự kết hợp của hai yếu tố chặt và ẩm

Đất được coi ở trạng thái dẻo khi ta có thể tạo hình từ mẫu đất mà vẫn giữ
nguyên được hình dạng đó. Nếu không giữ được hình dạng thì đất được coi là
ở trạng thái chảy. Trường hợp khô cứng đất có thể bị bóp vỡ mà không thể tạo
hình được.
Khi độ ẩm thay đổi thì trạng thái của đất thay đổi, độ ẩm ranh giới giữa các
trạng thái gọi là độ ẩm giới hạn
5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

22


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
 Độ ẩm ranh giới giữa trạng thái cứng và dẻo gọi là giới hạn dẻo W d
 Độ ẩm ranh giới giữa trạng thái dẻo và chảy gọi là giới hạn chảy W ch
Các giới hạn này được gọi là giới hạn Atterberg các giới hạn này dùng kết hợp
với độ ẩm tự nhiên để phân biệt trạng thái của đất.
W < Wd
Wd ≤ W ≤ Wch
W > Wch

Đất ở trạng thái cứng
Đất ở trạng thái dẻo
Đất ở trạng thái chảy

Quan hệ độ ẩm tự nhiên với trạng thái của đất dính
0…..cứng……Wd…….dẻo……..Wch…..nhão……….∞
15%

34%

Chỉ tiêu đánh giá trạng thái của đất sét là độ sệt B
5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

W  Wd
B
Wch  Wd
23


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
1.3. Bảng phân loại trạng thái của đất cát pha
B<0
0≤B≤1
B >1

Đất ở trạng thái cứng
Đất ở trạng thái dẻo
Đất ở trạng thái chảy

1.4. Bảng phân loại trạng thái của đất sét, á sét
B<0
0 ≤ B ≤ 0,25
0,25 < B ≤ 0,5
0,5 < B ≤ 0,75

0,75 < B ≤ 1
B>1

5/16/18

Đất ở trạng thái cứng
Đất ở trạng thái nửa cứng
Đất ở trạng thái dẻo
Đất ở trạng thái dẻo mềm
Đất ở trạng thái dẻo chảy
Đất ở trạng thái chảy

ThS. Nguyễn Hữu Sà

24


CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT
1.5. Phân loại đất
Dùng chỉ số dẻo để phân loại đất: I = A = Wch – Wd
I<7

Á cát; 7 ≤ I ≤ 17

Á sét;

I ≥ 17

Sét

 Bảng hệ thống phân loại đất thống nhất USCS – ASTM D.2487 (SGK)
 Bảng phân loại đất theo quy phạm Việt Nam (SGK)
 Phân loại đất bùn và đất than bùn
 Những đất loại sét
 Độ ẩm tự nhiên lớn hơn độ ẩm giới hạn W > Wch
 Bùn á cát là đất á cát có e > 1,1; Bùn á sét và bùn sét có e >1,5
Những loại đất có chứa vật chất hữu cơ
10 -:- 30 đất nhiễm than bùn, 30 -:- 60 đất than bùn; > 60 than bùn

5/16/18

ThS. Nguyễn Hữu Sà

25