Nghiên cứu đánh giá đặc trưng cơ lý của đất sét trương nở bằng thí nghiệm trong phòng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------

TẠ QUANG NGHIỆP

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ
CỦA ĐẤT SÉT TRƯƠNG NỞ BẰNG THÍ
NGHIỆM TRONG PHỊNG
CHUN NGÀNH:
MÃ NGÀNH:

ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2011


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học:GS. TSKH. NGUYỄN VĂN THƠ
TS. BÙI TRƯỜNG SƠN
Cán bộ chấm nhận xét 1:.....................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2:.....................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM

ngày ……… tháng………. năm………
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. .........................................................................................................................
2. .........................................................................................................................
3. .........................................................................................................................
4. .........................................................................................................................
5. .........................................................................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ môn quản lý chuyên ngành


Để hồn thành chương trình học và viết được luận văn, tơi nhận được sự
giảng dạy, hướng dẫn, và góp ý q báu của Q thầy cơ Bộ mơn Địa cơ nền
móng, Q thầy cơ Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa - Đại
học quốc gia Tp. Hồ Chí Minh. Sự giảng dạy tận tâm, nhiệt tình của Quý thầy đã
truyền đạt cho học viên kiến thức khoa học q giá về nền móng, về mối quan hệ
chặt chẽ giữa việc khảo sát địa kỹ thuật và kỹ thuật xây dựng nền móng. Sự hiểu
biết này giúp tôi thêm tự tin và đạt hiểu quả cao trong cơng việc của mình.
Tơi xin chân thành cám ơn anh em công nhân khoan khảo sát địa chất
của Công ty CP Tư vấn Xây dựng Cơng trình Thủy Bộ (SUDEWAT), Công ty Tư
vấn Xây dựng tổng hợp (NAGECCO), Công ty CP Khảo sát và Kiểm định
Trường Sơn mặc dù điều kiện cơng trường khó khăn vì nắng mưa mà vẫn quan
tâm thu thập mẫu thí nghiệm giúp tơi thực hiện luận văn.
Tơi xin cám ơn anh em thí nghiệm viên Trương Thị Trâm Anh, Nguyễn
Bảo Hiên, phòng LAS-XD 312, đã nhiệt tình, khơng quản thời gian giúp đỡ tơi
hồn thành các thí nghiệm phục vụ nhiệm vụ luận văn.
Tơi trân trọng cám ơn thầy Nguyễn Văn Thơ, thầy Bùi Trường Sơn đã

dành rất nhiều thời gian, tận tâm hướng dẫn và giúp tơi hồn thành luận văn tốt
nghiệp.
Tơi cám ơn vợ và hai con gái nhỏ của mình ln động viên, là động lực cho
tơi biết vượt khó.
Tơi chân thành cám ơn những ý kiến đóng góp, phê bình của Quý thầy cô,
các bạn học viên, các bạn đồng nghiệp cho những thiếu sót của luận văn.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 12 năm 2011
Học viên
Tạ Quang Nghiệp


ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA ĐẤT SÉT
TRƯƠNG NỞ BẰNG THÍ NGHIỆM TRONG PHỊNG

TĨM TẮT
Hầu hết các mẫu đất sét có kết cấu tự nhiên, nửa cứng đến cứng trong khu
vực nghiên cứu có tính trương nở từ thấp đến cao. Độ trương nở và áp lực trương
nở được xác định trực tiếp trên máy nén một trục khơng nở hơng trong phịng.
Kết quả thí nghiệm cho thấy độ trương nở và áp lực trương nở phụ thuộc đáng kể
vào hàm lượng hạt sét, chỉ số dẻo, loại khoáng vật sét. Tương quan giữa độ
trương nở và áp lực trương nở tỷ lệ tuyến tính. Đặc điểm biến dạng thể hiện
thông qua đường cong nén lún của loại đất sét trương nở khác biệt khi so với
đường cong nén của các mẫu đất thông thường. Kết quả nghiên cứu cần thiết cho
kỹ sư thiết kế chọn lựa phương án móng hợp lý trên nền đất sét trương nở.
THESIS: STUDYING AND ASSESSING PHYSIC-MECHANICAL
PROPERTIES OF SWELLING CLAY SOILS BY LABORATORY
TESTING

ABSTRACT
Most of samples of natural clay very stiff to hard in study area exhibits

theirs swelling low to high. Swelling potential and swelling pressure have been
determined directly with oedometer. The testing results show that they depend
significantly on the amount of clay particles, plasticity index, and the type of
clay minerals. The relationship between swelling potential and swelling pressure
is directly proportional linear. Deformation characteristics of the clays swelling
through one-dimensional compressive curves are different from those of normal
samples. The study results are essential for design engineer to choose proper
foundation based on swelling clay soils.


MỤC LỤC
----------

MỞ

Trang
ĐẦU --------------------------------------------------------------------------------------- 1

1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn --------------------------------------------------------- 1
2. Mục đích của đề tài ---------------------------------------------------------------------- 2
3. Phương pháp nghiên cứu --------------------------------------------------------------- 2

CHƯƠNG 1. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ
TÍNH TRƯƠNG NỞ CỦA ĐẤT --------------------------------------------------- 3
1.1. Khoáng vật sét và các đặc trưng cơ bản của sét trương nở -------------------- 3
1.1.1. Đặc điểm khoáng vật sét ----------------------------------------------- 4
1.1.2. Tính trương nở của đất sét --------------------------------------------- 6
1.1.3. Các đặc trưng sử dụng để đánh giá đất trương nở --------------- 10
1.1.4. Các đề nghị khác nhau về phân loại đất trương nở -------------- 13
1.2. Một số kết quả nghiên cứu về đất trương nở ----------------------------------- 17

1.2.1. Đánh giá khả năng trương nở --------------------------------------- 17
1.2.2. Xác định áp lực trương nở ------------------------------------------ 19
1.2.3. Dự đoán áp lực trương nở ------------------------------------------- 20
1.2.4. Phương pháp chỉ số trương nở ------------------------------------- 20
1.2.5. Thí nghiệm hệ số trương nở đối với đất đắp --------------------- 21
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính trương nở của đất ----------------------------- 24
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính trương nở của đất đắp ----------------------- 28
1.4.1. Ảnh hưởng của thành phần khoáng vật đến mức độ trương nở
của đất loại sét ---------------------------------------------------------- 28


1.4.2. Ảnh hưởng của dung trọng khô của đất đắp đến các đặc trưng
trương nở --------------------------------------------------------------- 29
1.4.3. Ảnh hưởng của độ ẩm ban đầu đến hệ số trương nở tự do và
chu kỳ trương nở ------------------------------------------------------ 30
1.4.4. Ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét và hàm lượng sỏi sạn đến
tính trương nở của đất loại sét --------------------------------------- 31
1.5. Nhận xét và phương hướng đề tài ------------------------------------------------ 33

CHƯƠNG 2. THÍ NGHIỆM CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA
ĐẤT TRƯƠNG NỞ ----------------------------------------------------------------------34
2.1. Địa điểm và mơi trường thí nghiệm ---------------------------------------------- 34
2.2. Định hướng thí nghiệm ------------------------------------------------------------- 35
2.3. Thí nghiệm độ trương nở----------------------------------------------------------- 35
2.3.1. Nguyên lý --------------------------------------------------------------- 35
2.3.2. Dụng cụ ----------------------------------------------------------------- 36
2.3.3. Trình tự thí nghiệm ---------------------------------------------------- 37
2.3.4 Tính tốn kết quả ------------------------------------------------------ 38
2.3.5 Vẽ biểu đồ độ trương nở theo thời gian --------------------------- 38
2.4. Thí nghiệm áp lực trương nở ------------------------------------------------------ 39

2.4.1. Nguyên lý --------------------------------------------------------------- 39
2.4.2. Dụng cụ ----------------------------------------------------------------- 40
2.4.3. Trình tự thí nghiệm ---------------------------------------------------- 40
2.4.4 Tính tốn kết quả ------------------------------------------------------ 40
2.4.5 Vẽ biểu đồ áp lực trương nở ----------------------------------------- 40
2.5. Xác định các đặc trưng trương nở khác của mẫu đất ------------------------- 42
2.5.1. Chu kỳ trương nở ------------------------------------------------------ 42
2.5.2. Vận tốc trương nở ----------------------------------------------------- 43


2.6. Nhận xét chương -------------------------------------------------------------------- 43

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ
CỦA ĐẤT SÉT TRƯƠNG NỞ BẰNG THÍ NGHIỆM TRONG
PHỊNG ----------------------------------------------------------------------------------------44
3.1. Tính chất vật lý các mẫu đất sử dụng thí nghiệm xác định đặc trưng
trương nở ----------------------------------------------------------------------------- 44
3.2. Đặc điểm trương nở của sét phù sa cổ từ kết quả thí nghiệm xác định
khả năng trương nở ----------------------------------------------------------------- 50
3.3. Các tương quan của thông số trương nở và tính chất vật lý ----------------- 52
3.4. Đặc điểm nén lún của đất sét phù sa cổ có tính trương nở ------------------- 54
3.5. Ảnh hưởng của thành phần khoáng sét đến đặc trưng trương nở ----------- 57
3.6. Kết luận chương --------------------------------------------------------------------- 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ -------------------------------------------------------60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ------------------------------------------------------------62
PHỤ LỤC 1. HÌNH CHỤP MẪU TRƯỚC VÀ SAU THÍ NGHIỆM
TRƯƠNG NỞ
PHỤ LỤC 2. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN KHOÁNG
SÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP X-RAY

PHỤ LỤC 3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ TRƯƠNG
NỞ
PHỤ LỤC 4. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRƯƠNG NỞ


PHỤ LỤC 5. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NÉN LÚN CÁC MẪU
ĐẤT CĨ TÍNH TRƯƠNG NỞ


-1-

MỞ ĐẦU
1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Trong tự nhiên, đất loại sét chiếm diện tích đáng kể và nằm ngay trên bề
mặt. Hầu hết các cơng trình xây dựng đều sử dụng lớp đất này làm nền. Đất loại
sét chứa một lượng nước liên kết và có khả năng giữ ẩm cao. Khi lượng giữ ẩm
thay đổi, trong đa số các trường hợp, thể tích đất thay đổi theo do đặc tính trương
nở hay co ngót. Cơng trình xây dựng trên các lớp sét này chịu hai lực do áp lực
trương nở: lực nở thẳng đứng sẽ gây ra hiện tượng đẩy trồi, nứt nẻ và có thể gây
phá hoại, làm mất độ ổn định và làm hư hỏng các cấu kiện; lực ngang gây
chuyển vị ngang ảnh hưởng đến sự làm việc của các loại cơng trình xây dựng
như: tường chắn, tường tầng hầm.
Ngoài lớp đất loại sét có độ ẩm xấp xỉ giới hạn nhão (đã nở hồn tồn),
những lớp đất loại sét có độ chặt lớn hơn hầu như khơng bị co ngót nhưng có thể
có tính trương nở khi bị tẩm ướt.
Theo Saurin, khu vực Thành phố Hồ Chí Minh và Đồng bằng Sơng Cửu
Long có lớp phù sa cổ dưới dạng sét loang lổ trạng thái nửa cứng – cứng. Lớp
đất này ở khu vực châu thổ nằm ở độ sâu tương đối lớn từ 30 – 50m nghiêng dần
theo hướng Tây Bắc – Đông Nam và lộ ra trên bề mặt ở Bình Phước – Tây Ninh
(cịn gọi là dải đất xám).

Các kết quả khảo sát địa chất cơng trình trong đa số các hồ sơ khảo sát khi
đánh giá đặc trưng cơ lý lớp đất này hầu như không đề cập đến yếu tố trương nở
- co ngót. Nhằm đánh giá đặc điểm trương nở cùa đất loại sét ở khu vực, chúng
tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu đánh giá đặc trưng cơ lý của đất sét trương
nở bằng thí nghiệm trong phòng".


-2-

Kết quả thí nghiệm, phân tích, đánh giá có thể giúp các kỹ sư nền móng
hiểu thêm về đặc trưng cơ lý của loại đất này và xét đến các đặc điểm trương nở
khi tính tốn thiết kế nền móng cơng trình, biện pháp thi cơng.

2. Mục đích của đề tài
Trên cơ sở tổng hợp các kết quả nghiên cứu đánh giá đặc trưng cơ lý của
đất trương nở, tiến hành thí nghiệm trên các mẫu đất lấy từ hiện trường của khu
vực. Kết quả thí nghiệm cho phép thiết lập các mối tương quan giữa các đặc
điểm trương nở (độ trương nở, áp lực trương nở và các chỉ tiêu vật lý như hàm
lượng hạt sét, chỉ số dẻo, độ sệt).

3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp được chọn lựa cho đề tài là thí nghiệm trong phịng và xây
dựng các tương quan.
Trong nội dung luận văn chủ yếu xét đến các yếu tố trương nở liên quan
đến biến dạng thể tích một chiều, các yếu tố độ bền, sức chống cắt chưa được thí
nghiệm và đánh giá.


-3-

CHƯƠNG 1. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ
TÍNH TRƯƠNG NỞ CỦA ĐẤT
Các nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam đã có nhiều đề tài nghiên
cứu tính trương nở của đất sét và đất loại sét. Đất trương nở được xếp vào dạng
đất đặc biệt vì hành vi ứng xử đặc biệt của nó khi bị ẩm ướt hoặc tiếp xúc với
nước là có sự tăng thể tích và gây ra áp lực trương nở. Hiện tượng này có khi dẫn
đến những hệ quả khơng có lợi cho các cơng trình xây dựng. Hiểu được tính
trương nở của đất giúp cho công tác khảo sát địa chất cơng trình, giúp chọn lựa
phương án thiết kế hợp lý khi tính tốn thiết kế nhằm đảm bảo độ ổn định của
cơng trình xây dựng trên nền đất trương nở.

Hình 1.1. Cơng trình đường hư hại do đất trương nở.

1.1. Khoáng vật sét và các đặc trưng cơ bản của đất sét trương nở
“Đất là lớp ngoài cùng của đá được biến đổi trong thiên nhiên do ảnh
hưởng của nước, khơng khí và sinh vật”. Q trình biến đổi đó được gọi là
phong hóa. Sản phẩm của phong hóa các loại đá chủ yếu là đất sét cùng với cát
và các vật liệu rời khác.
Sét là các nhóm khống vật thường gặp bao gồm các nhóm chính:


-4-



Kaolinit (Al2O3.2SiO2.2H2O)



Montmorilonit còn gọi là bentonit nếu chứa nhiều Natri so với các

cation khác (Al2O3.4SiO2.2H2O+n H2O).



Illit hay mica ngậm nước: Muscovit (K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O) và
Biotit (K2O.4MgO.Al2O3.6SiO2.H2O)

1.1.1. Đặc điểm khoáng vật sét
Thành phần hoá học cơ bản của khoáng vật sét là Al2O3, SiO2, và H2O
hoặc chi tiết hơn nữa là các ion: Al3+, Si4+, O2-, OH-, H+. Đáng chú ý là các ion
Al3+, Si4+ thường bị thay một phần (thay thế đồng hình) trong tinh thể bởi các
cation khác: Fe3+, Cr3+ Mg2+, Ca2+,…
Mạng tinh thể của kaolinit tương đối bền và ổn định. Mỗi tập của mạng
tinh thể gồm một lớp các khối bốn mặt oxyt silic và một khối tám mặt hydroxyt
alumin xen kẽ nhau. Các lớp tiếp xúc của hai tập kế cận nhau tạo nên mạng tinh
thể kaolinit rất khác nhau (hình 1.2).

Hình 1.2. Sơ đồ phân bố các lớp ở mạng tinh thể khoáng vật sét


-5-

Lớp trên của tập dưới được thành tạo bởi các nhóm hydroxyl, cịn lớp
dưới của tập trên nằm kề đó thì có các ngun tử oxy. Tên khác nhau của các lớp
tiếp xúc với các tập kế cận làm cho mạng tinh thể rất chắc. Mỗi liên kết ở bên
trong của các tập cũng bền vững, đó là do có các lớp chuyển tiếp của các ion
điện tích dương và âm. Do đó mà mạng tinh thể khơng di động và vì vậy các tinh
thể kaolinit tương đối lớn, chỉ có khả năng hấp thụ nước và trương nở khơng
đáng kể.
Montmorilonit (Al,Mg)2 [Si4O10] [OH]2 nH2O (tên của các mẫu sét lấy ở

gần Montmorillon, nước Pháp). Tinh thể có nhiều hình dạng khác nhau. Theo
nghiên cứu qua kính hiển vi điện tử, chúng đều có đặc điểm là có độ phân tán
cao và tính chất mơ hồ của đường nét. Do mối liên kết giữa các mạng tinh thể
yếu hơn, nên montmorilonit dễ hấp thụ nước vào giữa các mạng tinh thể và có
khả năng trương nở mạnh. Dấu hiệu đặc trưng của nhóm khống vật thuộc nhóm
montmorilonit là lượng nước trong thành phần của chúng thay đổi mạnh tùy theo
độ ẩm của mơi trường xung quanh. Kích thước thường nhỏ hơn 0,001mm làm
tăng tỷ mặt ngồi, tăng hoạt tính mặt ngồi.
Cấu trúc mạng tinh thể của montmorilonit nói chung gần giống cấu trúc
mạng tinh thể của kaolinit (Hình 1.2), nhưng khác so với kaolinit là tập lớp riêng
biệt của montmorilonit đối xứng nhau. Mỗi tập mạng ở trên và dưới đều kết thúc
bằng các lớp gồm những khối 4 mặt SiO2 và giữa các lớp này lại có một lớp gồm
những khối tám mặt hydroxyt alumin. Các tập lớp của montmorilonit quay các
lớp đồng nhất (gồm các nguyên tử oxy) lại phía nhau. Mối liên kết giữa các tập
này yếu hơn mối liên kết giữa các tập mà các lớp nguyên tử khác tên quay ngược
chiều với nhau như kaolinit. Vì vậy nước dễ thấm vào trong mạng tinh thể của
montmorilonit, làm cho mạng này giãn ra và có khả năng trương nở mạnh.
Illit (Hydromica) KAl2[(Si, Al)4 O10] [OH] nH2O (do các nhà địa chất ở
Illinois đặt tên) có tính chất trung gian giữa kaolinit và montmorilonit. Illit hình


-6-

thành do khoáng vật mica tác dụng với nước. Tinh thể thường gặp dạng phiến
mỏng. Khác với kaolinit, illit có các lớp oxyt silic xếp kề nhau và có ion kali liên
kết giữa các lớp này nên có khả năng nở hạn chế khi ngậm nước.
Kiến trúc mạng tinh thể của illit giống như kiến trúc mạng montmorilonit.
Tuy nhiên sự có mặt trong mạng illit có các ion kali phân bố ở giữa các tập lớp
làm cho những tập này chắc hơn, tạo cho illit có độ bền lớn và khơng có tính di
động. Vì vậy các tinh thể illit thường lớn hơn tinh thể montmorilonit.

1.1.2. Tính trương nở của đất sét
Đất được cấu tạo bởi ba thành phần chủ yếu hay cịn gọi là ba pha: rắn,
lỏng và khí. Độ bền và tính chất của đất phụ thuộc vào độ bền và tính chất của
phần hạt rắn, đặc điểm liên kết giữa các hạt, hàm lượng các nhóm khác nhau,
cũng như mức độ sắp xếp chặt sít.

Hình 1.3. Mơ hình các pha trong đất
Các liên kết của hạt rắn và khoáng vật thường chia thành năm loại như:
liên kết hóa trị, liên kết ion, liên kết kết tinh, liên kết keo nước, liên kết phân tử.
Trong pha rắn, khi đề cập đến vấn đề trương nở của đất, chúng ta quan
tâm đến phần khoáng vật sét. Khoáng vật sét có kích thước rất nhỏ bằng phần


-7-

nghìn mm, chỉ nhìn thấy được dưới kính hiển vi điện tử. Tính chất trương nở của
đất do tính chất của khoáng vật sét quyết định khi tương tác với nước.

Hình 1.4. Ảnh chụp kính hiển vi điện tử của tinh thể Montmorilonit (vùng
Wyoming, ảnh do R.D. Holtz chụp)
Khoáng vật sét phổ biến trong các loại đất sét là kaolinit, hydromica (illit),
và montmorilonit. Trong đó, montmorilonit có độ trương nở mạnh nhất, kế đến
là hydromica, và kaolinit hầu như không trương nở.
Đất sét có khả năng trương nở thể tích. Khả năng trương nở có thể được
thí nghiệm với phương pháp cho phép nở một chiều hoặc ba chiều.
Tính trương nở là đặc điểm tăng thể tích và áp lực trương nở do q trình
thủy hóa hoặc do tương tác với các dung dịch hóa học. Đặc điểm hình thành tính
trương nở của đất loại sét có quan hệ mật thiết đến nguồn gốc thành tạo và q
trình hóa đá.

-8-

Trước khi
trương nở
Sau khi
trương nở
Nước
Sét

Hình 1.5. Mơ hình đất trương nở
Tính trương nở thể hiện rõ rệt trong đất loại sét có liên kết ximăng yếu và
bị nén lại (quá cố kết hay nén chặt do đầm). Các loại đất này hình thành chủ yếu
trong điều kiện khí hậu khơ và chứa một hàm lượng khống vật sét có mạng lưới
tinh thể linh động (dạng montmorilonit) hay các chất hữu cơ. Hầu hết các loại
đất trương nở sau khi ngấm nước đều giảm độ chặt (dung trọng), chuyển từ trạng
thái cứng, nửa cứng sang trạng thái dẻo, giảm độ bền đến vài lần.
Sự trương nở của đất thường là do quá trình thẩm thấu và hấp phụ nước
vào trong đất. Khi ngấm nước, độ ẩm của đất tăng dần, bề dày của màng nước
xung quanh hạt rắn tăng theo và đồng thời làm tăng bề dày tầng điện kép dẫn đến
việc hình thành áp lực làm các hạt xơ đẩy nhau. Hiện tượng này làm phá hủy các
liên kết cấu trúc giữa các hạt và làm tăng thể tích của toàn bộ khối đất.


-9-

Thành phần khoáng vật của đất là một trong những yếu tố quan trọng gây
ra tính trương nở. Ảnh hưởng của thành phần cấu tạo đất loại sét lên quá trình
trương nở có quan hệ với giá trị tỷ diện tích và hàm lượng, cũng như dạng ion

trao đổi. Mức độ ảnh hưởng của thành phần khoáng vật hạt sét lên tính trương nở
có thể sắp xếp như sau: montmorilonit > hydromica > kaolinit. Dãy các ion theo
mức độ ảnh hưởng lên tính trương nở của đất sét: Li+, Na+, NH4+, K+, Mg2+,
Ca2+, Al3+, Fe3+.
Lý thú là đất loại sét trong tự nhiên trương nở với độ ẩm (Wsw) nhỏ hơn
giới hạn nhão (WL). Theo E.A. Sorochan: Wsw = (0,60-0,75).WL, cịn đối với đất
có kết cấu phá hoại (khơng ngun dạng) thì Wsw > WL. Hiệu ứng “khơng trương
nở hồn toàn” gặp trong trường hợp đất nén lại (quá cố kết). Do vậy, theo N.Ya.

Độ trương nở (%)

Denhisov, đất quá cố kết ln có khuynh hướng trương nở.

Thời gian (giờ)

Hình 1.6. Chế độ trương nở của đất loại sét với độ ẩm ban đầu khác nhau, Wo –
độ ẩm tối ưu 18%
Kết quả thí nghiệm cho thấy vận tốc trương nở ban đầu (2 giờ đầu) cao
hơn ở các loại đất ít phân tán (hydromica, kaolinit) nhưng sau đó giảm và trở nên
nhỏ hơn so với vận tốc trương nở của đất có độ phân tán cao hơn


-10-

(montmorilonit). Tương ứng, chu kỳ trương nở của đất phân tán cao thì lớn hơn
chu kỳ trương nở của đất ít phân tán. Ngoài ra, khoảng thời gian đầu (từ 1 – 5
giờ) đất ẩm hơn sẽ trương nở nhanh hơn, nhưng sau đó vận tốc trương nở giảm
dần và nhỏ hơn vận tốc trương nở của đất có độ ẩm bé hơn (hình 1.6). Như vậy,
độ ẩm và độ phân tán có ảnh hưởng đến hoạt động và quá trình trương nở.

1.1.3. Các đặc trưng sử dụng để đánh giá đất trương nở
Sự tăng thể tích của đất trong quá trình ướt nước được gọi là sự trương nở.
Theo Sergeyev E.M và một số tác giả khác, khả năng trương nở có quan hệ với
tính hút nước và tỉ diện lớn của các khống vật sét có trong đất dính. Sự trương
nở - kết quả sự thủy hợp của đất, nó được tạo nên chủ yếu do sự hình thành nước
liên kết yếu ở trong đất. Vỏ nước liên kết được hình thành xung quanh các hạt
keo, sét, làm giảm lực dính giữa các hạt, phân ly chúng và gây ra sự tăng thể
tích. Sự trương nở có quan hệ chặt chẽ với tính dẻo của đất. Trong quá trình
trương nở, khơng chỉ thể tích của đất tăng lên, mà cịn làm giảm tính dính cuả nó
do sự làm giảm yếu đáng kể lực dính kết giữa các hạt đất riêng lẻ.
Sự tăng thể tích của đất trong quá trình trương nở phát sinh ra áp lực,
được gọi là áp lực trương nở. Áp lực trương nở có thể quan sát và đo được nhờ
tải trọng bên ngoài, mà tại đó chúng ta quan quan sát khơng thấy sự tăng thể tích
của đất. Khả năng trương nở của đất được biểu thị bởi các đặc trưng dưới đây:
Mức độ trương nở (sw)
Mức độ trương nở được xác định bởi sự thay đổi chiều cao (hoặc thể tích)
mẫu đất và được thể hiện bằng hằng số phần trăm theo các công thức sau:
- Nếu xác định bằng sự thay đổi theo chiều cao thì mức độ trương nở theo
chiều cao (sw) được tính theo cơng thức:
 sw 

h h
h
c

đ

Trong đó:

đ

,%

(1.1)


-11-

hđ - chiều cao ban đầu
hc - chiều cao cuối cùng sau khi trương nở
- Nếu xác định bằng sự thay đổi thể tích thì mức độ trương nở theo thể
tích (V) được tính theo cơng thức:

V

V  V

,%

(1.2)

Trong đó:

V - Lượng tăng thể tích mẫu đất do trương nở gây ra, (cm3)
V

- Thể tích ban đầu của mẫu trước khi thí nghiệm, (cm3)

Nếu trong thí nghiệm để mẫu trương nở tự do ta sẽ có hệ số trương nở tự
do; nếu trương nở dưới tác dụng của áp lực ngồi thì gọi là trương nở có

áp.
Áp lực trương nở (psw)
Áp lực trương nở là áp lực mà tại đó khơng thể xảy ra biến dạng trong q
trình trương nở.
Độ ẩm trương nở (Wsw)
Độ ẩm Wsw là độ ẩm của mẫu đất trương nở hồn tồn trong điều kiện
khơng nở hơng và khơng có áp lực tác dụng lên mẫu. Cịn khi mẫu đất chịu áp
lực ngồi thì độ ẩm trương nở của mẫu đất sẽ ứng với giá trị áp lực đó.
Vận tốc trương nở (vsw)
Xác định bởi quan hệ sw/t. Giá trị này thay đổi trong quá trình trương
nở.
Chu kỳ trương nở (tsw)
Là khoảng thời gian hoàn tất quá trình trương nở mẫu đất cho đến khi
vsw= 0.


-12-

Hệ số trương nở
Trên đường cong trương nở tương tự đường cong nén cố kết, hệ số trương
nở có thể xác định từ biểu thức Terzaghi, Cs được thay bằng Cv (Blight 1965).
TH dr2
Cs 
t

(1.3)

Trong đó:
T - Nhân tố thời gian
Hdr - Chiều cao trương nở

t - Thời gian
Hệ số trương nở có thể xác định được từ biểu đồ giữa thời gian và phần
trăm trương nở.
Hệ số trương nở cải tiến
Gần đây chỉ số trương nở tự do cải tiến xác định theo phương pháp thí
nghiệm của Sivapulliah Sitharam và Rao (1987) cho phép đánh giá tốt hơn về
khả năng trương nở của đất sét. Đất được sấy bằng lò nung với khối lượng
khoảng 10g. Khối đất được tán thành bột hồn tồn và đưa vào trong bình chia
bậc 100ml có chứa nước cất. Sau 24 giờ đo được thể tích lắng đọng bị trương nở.
Chỉ số trương nở tự do cải tiến được xác định theo biểu thức:
S

wst

V

V S

V

S

(1.4)

Trong đó:
V – Thể tích đất sau khi trương nở
VS – Thể tích pha rắn của đất
V

S



W
G

S

S

W

WS – Trọng lượng đất sấy khô
GS – Tỉ trọng hạt

(1.5)


-13-

w – Trọng lượng riêng nước
Các giai đoạn trương nở
Đất trương nở, theo Robert W. Day, có ba giai đoạn riêng biệt như sau:
Trương nở sơ cấp: là giai đoạn đầu tiên của đất sét. Trương nở sơ cấp xảy
ra từ lúc thời điểm bằng 0 đến khoảng 100 phút. Trong suốt quá trình nở sơ cấp
hệ số thấm của đất giảm rất nhanh là bởi sự khép lại của những vết nứt khi đất
trương nở. Ở thời điểm cuối của trương nở sơ cấp, những vết nứt chính có thể
được khép lại và hệ số thấm khoảng 7x10-7 cm/s.
Trương nở thứ cấp: giai đoạn 2 của trương nở là trương nở thứ cấp.
Trương nở thứ cấp xảy ra từ 100 ÷ 20.000 phút sau khi mẫu bị ngập nước. Trong

giai đoạn trương nở thứ cấp hệ số thấm tiếp tục giảm bởi vì sét tiếp tục trương nở
và những vi khe nứt đóng lại. Hệ số thấm thấp nhất vào khoảng 1,5x10-8cm/s
xảy ra ở khoảng 5000 phút khi mà hầu hết những vi khe nứt hầu như được khép
kín. Từ 5.000-20.000 phút hệ số thấm tăng nhẹ là bởi sự kết hợp trương nở thứ
cấp tăng thêm (làm tăng hệ số rỗng) và sự giảm khí lỗ rỗng.
Ổn định: Giai đoạn 3 bắt đầu khi đất sét ngừng trương nở khoảng 20.000
phút sau khi mẫu bị ngập nước. Đất khơng cịn trương nở được ghi lại từ
20.000-50.000 phút (kết thúc thí nghiệm). Hệ số thấm khơng đổi (3×10-8cm/s)
khi đất sét ngừng trương nở.

1.1.4. Các đề nghị khác nhau về phân loại đất trương nở
Phân loại đất trương nở theo tiêu chuẩn xây dựng Liên Xô và Cục cải tạo đất
Mỹ
Đất trương nở có thể được phân loại theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau,
trong đó có hai bảng phân loại được sử dụng rộng rãi hơn là: phân loại của tiêu
chuẩn xây dựng Liên Xô trước đây (СНиП II-Ь1-62 và СНиП 2-05-08-05) và
phân loại của Cục cải tạo đất Mỹ, USBR (United States Bureau of Reclamation).


-14-

Cục cải tạo đất Mỹ phân loại đất trương nở theo đặc trưng vật lý của đất
và độ thay đổ thể tích tương đối V nhằm nghiên cứu bản chất của đất, xem đất
có thuộc loại đất trương nở khơng và phân loại đất trương nở theo bảng 1.1.
Bảng 1.1. Phân loại đất trương nở theo USBR
Đặc trưng vật lý

Độ trương nở
tương đối
Phân loại đất

Chỉ số dẻo Độ co ngót
theo thể tích
trương nở
Wk
Wn
V
%
%
%
>35
11
>30
Rất mạnh

Hàm
lượng
chất keo
%
>28
20-31

25-41

7-12

20-30

Mạnh

13-23

15-28

10-16

10-20

Trung bình

<15

<18

>15

<10

Yếu

Theo tiêu chuẩn và qui phạm xây dựng (СНиП II-Ь1-62) của Liên Xô,
thuộc vào loại đất trương nở là những đất loại sét có tỉ số:
e0  e LL
 0, 4
1  e0

(1.6)

Trong đó:
eo - Hệ số rỗng của mẫu đất có độ ẩm và cấu trúc tự nhiên;
eLL- Hệ số rỗng của mẫu đất đó tương ứng với độ ẩm ở giới

hạn chảy (WLL), được xác định theo công thức:
eLL 

W LL   s
100   w

(1.7)

Trong đó:

 s – Trọng lượng riêng của đất
w – Trọng lượng riêng của nước
Các điều kiện ở công thức (1.6), (1.7) dựa theo một số đặc trưng vậy lý để
đánh giá khả năng trương nở của đất.


-15-

Đặc điểm trương nở của đất còn tùy thuộc vào trạng thái độ chặt – độ ẩm
ban đầu của mẫu và môi trường xung quanh. Do vậy, trong trong tiêu chuẩn và
qui phạm xây dựng СНиП 2-05-08-05 của Liên Xô phân chia đất trương nở theo
cấp căn cứ vào độ trương nở tương đối sw, ghi ở bảng 1.2.
Bảng 1.2. Phân loại đất trương nở theo СНиП 2-05-08-05
Độ trương nở tương đối sw, %

Phân loại

sw <4

Không trương nở

4 < sw <8

Trương nở yếu

8 < sw <12

Trương nở trung bình

sw >12

Trương nở mạnh

Phân loại đất trương nở theo độ trương nở (sw) và áp lực trương nở (psw)

Phân loại đất trương nở theo độ trương nở áp lực trương nở thể hiện như ở
như bảng 1.3.
Bảng 1.3. Phân loại đất theo mức độ trương nở và áp lực trương nở
Loại đất

Độ trương nở

Không trương nở

< 0,04

< 0,02

Trương nở yếu

0,04 – 0,08

0,02 – 0,09

Trương nở trung bình

0,08 – 0,12

0,09 – 0,17

> 0,12

> 0,17

Trương nở mạnh

Áp lực trương nở (MPa)

Phân loại đất trương nở bằng phương pháp gián tiếp
Phương pháp hoạt tính

Skempton (1953) định nghĩa độ hoạt tính như sau:

A

Ip
C

(1.8)

-16-

Trong đó:
Ip - Chỉ số dẻo
C – Hàm lượng hạt sét (<0,002 mm)
Phương pháp này do Seed, Woodward, và Lundgren (1962) đề nghị, dựa
vào đất chế bị hỗn hợp bentonit, illit, kaolinit và cát mịn với những tỉ lệ khác
nhau. Hoạt tính của đất có quan hệ như sau:

A

Ip

(1.9)

Cn

Trong đó:
n = 5: đối với đất tự nhiên
n = 10: đối với đất hỗn hợp
5

HOẠT TÍNH

4
3
2
1
0

Trương nở = 25%
Trương nở = 5%
Trương nở = 1.5%

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
PHẦN TRĂ M HẠT SÉ T (NHỎ HƠN 0.002mm)

Hình 1.7. Phân loại khả năng trương nở (Seed, Woodward, và Lundgren, 1982)
Mối quan hệ các chỉ tiêu cơ bản và khả năng trương nở được thể hiện ở
bảng 1.4.


-17-

Bảng 1.4. Quan hệ các chỉ tiêu cơ bản và khả năng trương nở (Robert W. Day)
Rất
thấp
0–
10%

Khả năng trương nở
Hàm lượng sét

Thấp
10 – 15%

Trung
bình

Cao

Rất cao

15 – 25% 25 – 35% 35 – 100%

Chỉ số dẻo

0 – 10

10 – 15

15 – 25

25 – 35

35 – 100

% trương nở ở 2,8 kPa

0–3

3–5

5 – 10

10 – 15

15+

% trương nở ở 6,9 kPa

0–2

2–4

4–7

7 – 12

12+

% trương nở ở 31 kPa

0

0–1

1–4

4–6

6+

Ba dòng dưới của bảng 1.4 liệt kê những giá trị điển hình mối quan hệ
giữa độ trương nở đối với khả năng trương nở. Ghi chú ở bảng 1.4 thể hiện vai
trò của tải tác dụng lên độ trương nở. Với tải 31 kPa, trương nở nhỏ hơn nhiều so
với tải trọng ở 2,8 kPa. Ví dụ như đối với đất trương nở, độ trương nở ở tải 2,8
kPa tiêu biểu từ 10% - 15% trong khi với tải 31 kPa trương nở chỉ 4% - 6%. Ảnh
hưởng của tải là quan trọng đối với những kết cấu có tải trọng nhẹ như là sân

ximăng, vỉa hè,.…

1.2. Một số kết quả nghiên cứu về đất trương nở
1.2.1. Đánh giá khả năng trương nở
Chỉ tiêu đơn giản của đất có thể sử dụng để đánh giá khả năng trương nở.
Các thí nghiệm có thể thực hiện để xác định các đặc trưng cơ lý thông thường
như:
 Giới hạn chảy dẻo
 Độ trương nở tự do
 Thành phần hạt
Giới hạn chảy, dẻo