Bài Giảng Cơ Học đất Nâng Cao - Tài Liệu Text - 123doc

Có thể bạn quan tâm

Tải bản đầy đủ (.pdf) (174 trang)

Trang chủ

Kiến trúc - Xây dựng

Công trình giao thông, thủy lợi

Bài giảng cơ học đất nâng cao

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.96 MB, 174 trang )

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢIBỘ MÔN ĐỊA KỸ THUẬTBÀI GIẢNGCƠ HỌC ĐẤT NÂNG CAOTrịnh Minh ThụHoàng Việt HùngNăm 2012iMỤC LỤCCHƯƠNG 1. TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT................................................... 11.1. Mở đầu ........................................................................................................... 11.2. Phân bố cỡ hạt ................................................................................................ 11.3. Giới hạn cỡ hạt đất .......................................................................................... 31.4. Các quan hệ trọng lượng - thể tích .................................................................. 41.5. Độ chặt tương đối ........................................................................................... 71.6. Các giới hạn Atterberg .................................................................................... 91.7 Các hệ phân loại đất ....................................................................................... 10CHƯƠNG 2. TÍNH THẤM NƯỚC CỦA ĐẤT ................................................... 192.1 Định luật thấm Darcy .................................................................................... 192.2. Thấm ổn định ................................................................................................ 212.3. Ứng suất hiệu quả ........................................................................................ 232.4. Cố kết .......................................................................................................... 26CHƯƠNG 3. XÁC ĐỊNH ĐỘ LÚN CỦA NỀN .................................................. 313.1. Tính toán độ lún cố kết ban đầu .................................................................... 313.2. Tốc độ cố kết theo thời gian .......................................................................... 323.3. Độ cố kết do gia tải tăng dần ......................................................................... 38CHƯƠNG 4. TÍNH CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT .................................................... 414.1. Độ bền chống cắt .......................................................................................... 414.2. Thí nghiệm nén không hạn hông ................................................................... 464.3. Các đường ứng suất ...................................................................................... 484.4. Cường độ kháng cắt của đất cát..................................................................... 604.5. Những đặc trưng ứng suất - biến dạng và cường độ của đất dính bão hoà ..... 84CHƯƠNG 5. KHÁI NIỆM VỀ CƠ HỌC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA & TRẠNGTHÁI TỚI HẠN CỦA ĐẤT .............................................................................. 1265.1. Khái niệm về cơ học đất không bão hòa ...................................................... 1265.2. Trạng thái tới hạn của đất ........................................................................... 141MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP ÔN ......................................................................... 157iCHƯƠNG 1. TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT1.1. Mở đầuKhi thiết kế nền móng công trình như nhà ở, cầu đường và đê đập thường cần cáckiến thức về (a) tải trọng truyền từ kết cấu phần trên xuống hệ móng (b) điều kiện địa chấtđất nền (c) tính chất ứng suất - biến dạng của đất nền dưới đáy móng và (d) yêu cầu củacác quy tắc, quy phạm, tiêu chuẩn… xây dựng. Đối với kỹ sư nền móng, hai yếu tố (b) và(c) là vô cùng quan trọng vì chúng thuộc lĩnh vực cơ học đất.Các tính chất vật lý và các đặc trưng cơ học của một loại đất như phân bố cỡ hạt, tínhdẻo, tính nén ép và tính chống cắt, có thể xác định được từ trong phòng thí nghiệm. Trongthời gian gần đây đã nhấn mạnh tới việc xác định hiện trường các tính chất về độ bền và tínhbiến dạng của đất, vì quá trình này tránh được sự xáo động mẫu đất khi khảo sát hiện trường.Tuy nhiên, trong những điều kiện nhất định, không phải tất cả các thông số cần thiết đều cóthể xác định được vì điều kiện kinh phí. Trong những trường hợp như vậy, người kỹ sư phảicó những giả định về các tính chất của đất. Để có được độ chính xác các thông số của đất, dùlà chúng được xác định trong phòng hay hiện trường hoặc được giả định, người kỹ sư phảihiểu thấu đáo những nguyên lý cơ bản của cơ học đất. Đồng thời phải lưu ý rằng phần lớn cáccông trình xây dựng trên đất trầm tích không đồng chất. Do vậy, người kỹ sư phải có một sựhiểu biết thấu đáo về địa chất của khu vực, đó là nguồn gốc và bản chất của địa tầng cũng nhưcác điều kiện địa chất thuỷ văn... Kỹ thuật nền móng là một sự phối hợp khéo léo của cơ họcđất, địa chất công trình, và suy đoán riêng có được từ kinh nghiệm thực tế. Ở một mức độ nàođó, kỹ thuật nền móng có thể được gọi là một lĩnh vực nghệ thuật.Khi xác định loại móng nào là kinh tế nhất, người kỹ sư phải xem xét tải trọng của kếtcấu phần trên, điều kiện đất nền và độ lún cho phép. Nói chung, có thể phân các móng nhà vàcầu làm hai loại chủ yếu sau: (1) móng nông và (2) móng sâu. Trong hầu hết loại móng nông,độ sâu đặt móng có thể đều bằng hoặc nhỏ hơn từ ba đến bốn lần chiều rộng móng. Móngcọc và móng đúc tại chỗ thuộc loại móng sâu. Chúng được chọn dùng khi lớp phần trên cósức chịu tải thấp và khi dùng móng nông sẽ gây hư hại lớn hoặc mất ổn định kết cấu côngtrình.Chương này chủ yếu là ôn lại những tính chất địa kỹ thuật cơ bản của đất, bao gồmcác vấn đề về phân bố cỡ hạt, tính dẻo, phân loại đất…1.2. Phân bố cỡ hạtTrong bất kỳ khối đất nào, cỡ hạt thường thay đổi rất lớn. Để phân loại đất đượchợp lý, ta phải biết được phân bố cỡ hạt của nó. Phân bố cỡ hạt của đất hạt thô thườngđược xác định bằng phương pháp phân tích rây. Đối với đất hạt mịn, phân bố cỡ hạt đượcxác định bằng phân tích tỷ trọng kế. Mục này giới thiệu đặc điểm cơ bản của các phânloại trên. Có thể xem mô tả chi tiết hơn trong các sổ tay thí nghiệm đất trong phòng (Das,2002).Phân tích bằng phương pháp râyPhân tích rây được thực hiện bằng cách lấy một lượng đất khô, vụn rời cho quamột bộ rây có lỗ nhỏ dần, dưới đáy có một khay hứng. Cân và xác định phần trăm luỹ tíchlượng đất được giữ lại trên mỗi rây. Phần trăm này thường được gọi là phần trăm hạt nhỏhơn (percent finer). Bảng 1.1 trình bày cỡ bộ rây Hoa kỳ. Bộ rây này thường được dùngphân tích đất cho phân loại.1Bảng1.1. Cỡ rây tiêu chuẩn Hoa KỳSốhiệurây4681016203040506080100140170200270Lỗ rây4.750 3.350 2.360 2.360 1.180 0.850 0.600 0.425 0.300 0.250 0.180 0.150 0.106 0.088 0.075 0.053(mm)Phần trăm hạt nhỏ hơn(theo khối lượng)Hình 1.1 Cho đường cong bánlogarite, xác định theo phân tíchrây, biểu thị quan hệ giữa phầntrăm khối lượng nhóm hạt cókích thước nhỏ hơn D theothang số học với đường kính Dtheo thang logarite.Cỡ hạt, D (mm)Hình 1.1. Đường phân bố cỡ hạt đấthạt thô từ phân tích bằng phương pháp rây.Từ đường cong phân bố cỡ hạt có thể xác định hai thông số của đất hạt thô: (1) hệsố đồng đều (Cu) và (2) hệ số cấp phối hay hệ số độ cong (Cc), được xác định như sau:D(1.1)Cu  60D10Cc và2D30(D60 )(D10 )(1.2)Trong đó: D10, D30 và D60 theo thứ tự là các đường kính tương ứng với các phầntrăm các hạt nhỏ hơn 10%, 30% và 60%.Theo đường cong phân bố cỡ hạt nêu trên hình 1.1, D10 = 0,08mm, D30 = 0,17mm,và D60 = 0,57mm. Như vậy các giá trị Cu và Cc làCu 0,57 7,13 và0,08Cc ( 0 ,17 ) 20 , 57 0 , 08  0,63Các thông số Cu và Cc được dùng trong hệ phân loại đất thống nhất (USCS) sẽ đượcnêu sau này.2Phân tích bằng phương pháp tỷ trọng kếPhân tích tỷ trọng kế dựa trên nguyên lý lắng đọng của các hạt đất trong nước. Thínghiệm này cần dùng 50 gam bột đất khô cho vào 125cc tác nhân phá keo, thường dùngnhất là sodium hexametaphosphate 4%. Đất được ngâm ít nhất là 16 giờ trong tác nhânphá keo. Sau khi ngâm, đổ thêm nước cất vào hỗn hợp đất - tác nhân phá keo rồi lắc kỹ.Sau đó đổ mẫu đất vào ống lường thuỷ tinh 1000 ml. Cho thêm nước cất vào ống lườngtới vạch 1000 ml rồi lại lắc kỹ hỗn hợp. Thả một tỷ trọng kế vào ống lường để đo tỷ trọngcủa thể vẩn đất - nước quanh nó trong khoảng thời gian thường trên 24 giờ (Hình 1.2).Các tỷ trọng kế được hiệu chỉnh để thấy được lượng hạt đất vẫn lơ lửng ở bất kỳ thời giannào đã quy định. Đường kính lớn nhất của các hạt đất vẫn còn ở thể vẩn tại thời điểm t cóthể được xác định bằng luật Stoke.18G s  1 wDLt(1.3)Trong đó:D = đường kính hạt đấtGs = tỷ trọng của hạt đất = độ nhớt của nướcw = trọng lượng đơn vị của nướcL = độ dài hiệu quả (độ dài đo từ mặt nước trong ốnglường đến tâm tỷ trọng kế; xem hình 1.2)t = thời gianH×nh 1.2. Ph©n tÝch tû träng kÕNhững hạt đất có đường kính lớn hơn những hạt tính theo phương trình 1.3 có thểlắng ngoài vùng đo. Theo đó, nhờ số đọc trên tỷ trọng kế lấy tại các thời điểm khác nhaucó thể tính được phần trăm những hạt nhỏ hơn một đường kính D đã cho và từ đó vẽ đượcđường phân bố cỡ hạt. Vậy có thể kết hợp kỹ thuật rây và tỷ trọng kế đối với đất có cảthành phần hạt thô và mịn.1.3. Giới hạn cỡ hạt đấtNhiều tổ chức đã căn cứ vào các cỡ hạt có trong đất để nêu lên giới hạn các cỡ hạtsỏi - sạn (gravel), cát (sand), bụi (silt) và sét (clay). Bảng 1.2 biểu thị các giới hạn kíchcỡ do Hiệp hội các Cơ quan Đường bộ và Giao thông Quốc gia Hoa kỳ (AASHTO) và Hệphân loại đất thống nhất (USCS) do ba cơ quan (Quân đoàn kỹ sư, bộ Quốc phòng, vàCục Cải tạo đất) khuyến nghị. Bảng này cho thấy các hạt nhỏ hơn 0.002 mm được xếpvào loại sét. Tuy nhiên, sét tự nhiên có tính dính và có thể cuốn lại thành ống khi ướt.Tính chất này gây ra bởi sự có mặt của các khoáng vật sét như kaolinite, illite, vàmontmorillonite. Ngược lại, một số khoáng vật như quartz và feldspar có thể có trong loại3đất hạt nhỏ như các khoáng vật sét, nhưng những hạt này không có tính dính như cáckhoáng vật sét. Do vậy, chúng được gọi là các hạt cỡ hạt sét, mà không phải là các hạtsét.Bảng 1.2. Giới hạn các cỡ hạtHệ phân loạiThống nhất (USCS)AASHTOCỡ hạt (mm)Sỏi - sạn: 75 mm  4.75 mmCát: 4.75 mm to 0.075 mmBụi và sét (hạt mịn): < 0.075 mmSỏi - sạn: 75 mm  2mmCát: 2 mm to 0.05 mmBụi: < 0.05 mm  0.002 mmSét: < 0.002 mm1.4. Các quan hệ trọng lượng - thể tíchTrong tự nhiên đất là một hệ ba pha, bao gồm các hạt rắn, nước và không khí(hoặc khí). Để lập các quan hệ trọng lượng - thể tích, có thể tách riêng ba pha như nêutrên hình 1.3a. Dựa trên sơ đồ đó có thể thiết lập các quan hệ nêu trên.Hệ số rỗng e là tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng và thể tích hạt rắn của đất trong mộtkhối đất đã cho, hayVe v(1.4)VsThể tíchVaKhông khíVwNướcVsHạt rắnWa = 0VvWƯVTrọng lượngThể tíchTrọng lượngWwWs(a)Chú ý: Vw = wGs = SeTrọng lượngThể tíchVaKhông khíWa = 0Vv = eVw = wGs = eVw = wGsVs = 1NướcHạt rắnTrọng lượngThể tíchNướcWw = wGsγw = eγwWw = wGsγwWs = GsγwVs = 1Hạt rắn(c) Đất bão hoà: Vs = 1(b) Đất không bão hoà: V = 1Hình 1.3 Các quan hệ trọng lượng - thể tíchtrong đó: Vv = thể tích lỗ rỗng; Vs = thể tích hạt rắn của đất4Ws = GsγwĐộ rỗng, n, là tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng với thể tích mẫu đất, hayVn vVVvVstrong đó: V - tổng thể tích của đấtHơn nữan VvVveVVVVs  V v1 es vVsVs(1.5)(1.6)Độ bão hoà, S, là tỷ số giữa thể tích nước trong lỗ rỗng với thể tích lỗ rỗng,thường biểu thị theo phần trăm, hayVwS %   100(1.7)VvTrong đó: Vw = thể tích nướcChú ý rằng, đối với các đất bão hoà, độ bão hoà là 100%.Các quan hệ trọng lượng là độ ẩm, trọng lượng đơn vị ẩm, trọng lượng đơn vị khô,và trọng lượng đơn vị bão hoà, thường được định nghĩa như sau:Độ ẩm : w%  Ww 100WsTrong đó Ws = trọng lượng hạt rắn của đất; Ww = trọng lượng nướcWTrọng lượng đơn vị ẩm:   VTrong đó W = tổng trọng lượng của mẫu đất = Ws + Ww(1.8)(1.9)Trọng lượng khí, Wa, trong khối đất giả định không đáng kể.WTrọng lượng đơn vị thể tích khô(1.10)d  sVKhi mẫu đất hoàn toàn bão hoà (nghĩa là nước chiếm toàn bộ lỗ rỗng), trọng lượngđơn vị (TLĐV) ẩm của đất [PT. (1.9)] bằng TLĐV bão hoà (sat). Vậy  = sat nếu Vv =Vw.Bây giờ có thể lập các quan hệ tiện dụng hơn bằng cách coi một mẫu đất đại biểutrong đó phần hạt rắn lấy bằng đơn vị, như nêu trong Hình 1.3b. Chú ý rằng nếu V = 1,thì, từ PT. (1.4), Vv = e và trọng lượng hạt rắn là:Ww = Gs wTrong đó Gs = tỷ trọng hạt rắn của đấtw = TLĐV của nước (9,81 kN/m3, hay 62.4 lb/ft3)Cũng vậy, từ PT. (1.8), trọng lượng của nước Ww = wWs. Như vậy, đối với mẫuđất xét, Ww = wWs = wGsw. Bây giờ, đối với quan hệ tổng quát của TLĐV ẩm cho trongPT. (1.9):W W  Ww Gs w 1  w  sVVs  Vv1 e(1.11)Tương tự, TLĐV khô [PT (1.10)] là :d 5WsWsG s wV Vs  Vv 1  e(1.12)Từ các PT (1.11) và (1.12), chú ý rằngd 1 wNếu mẫu đất hoàn toàn bão hoà, như nêu trên hình 1.3c thì Vv = e.(1.13)Cũng vậy đối với trường hợp nàyVv WwNhư vậy,wwGs ww wGse = wGs (chỉ đối với đất bão hoà)(1.14)và trọng lượng đơn vị bão hoà của đất là sat Ws  Ww Gs  w  e wVs  Vv1 e(1.15)Quan hệ tương tự như PT (1.11), (1.12), và (1.13) tính theo độ lỗ rỗng cũng có thểnhận được khi xét theo mẫu đất biểu thị với thể tích đơn vị. Các quan hệ đó như sau:  Gs w 1  n 1  w(1.16) d  1  n Gs w(1.17) sat  1  n Gs  n  w(1.18)Trừ bùn và đất có hàm lượng hữu cơ cao, phạm vi chung các giá trị tỷ trọng hạtđất (Gs) thấy trong tự nhiên thường nhỏ. Bảng 1.3 cho một số giá trị tiêu biểu. Trong thựctế, có thể lấy một giá trị chấp nhận được thay cho việc phải tiến hành thí nghiệm.Bảng 1.3 Tỷ trọng của một số loại đấtLoại đấtGs2,64  2,662,67  2,732,70  2,902,65  2,731,30  1,9BụiSétĐá phấnHoàng thổBùnBảng 1.4 giới thiệu một số giá trị tiêu biểu về hệ số rỗng, TLĐV khô và độ ẩm(trong trạng thái bão hoà) của một số loại đất thường gặp ở tự nhiên. Chú ý rằng trong hầuhết các loại đất rời, hệ số rỗng biến đổi từ khoảng 0,4 đến 0,8. TLĐV khô của loại đất nàythường ở vào khoảng 14  19 kN/m3 (90  120 lb/ft3).6Bảng 1.4. Giá trị tiêu biểu của hệ số rỗng, độ ẩm bão hoà, TLĐV khô của một số loại đất.Loại đấtCát xốp đều hạtCát chặt đều hạtCát bụi xốp hạt góc cạnhCát bụi chặt hạt góc cạnhSét cứngSét mềmHoàng thổSét hữu cơ mềmSét băngHệ số rỗngeĐộ ẩmbão hoà (%)0,80,450,650,40,60,9  1,40,92,5  3,20,3301625152130  502590 12010TLĐV khô, d(kN/m3)(lb/ft3)14,51816191711,5  14,513,568219211510212010873  928638  511341.5. Độ chặt tương đốiTrong đất hạt rời, độ chặt hiện trường có thể được xác định bằng độ chặt tươngđối (ĐCTĐ), được xác định như sau:Dr %  emax  e 100 %emax  emin(1.19)Trong đó: emax - hệ số rỗng của đất ở trạng thái xốp nhất;emin - hệ số rỗng của đất ở trạng thái chặt nhất;e - hệ số rỗng hiện trườngCác giá trị emax được xác định trong phòng thí nghiệm theo lộ trình thí nghiệm nêutrong Tiêu chuẩn ASTM (2000, D - 4254).Độ chặt tương đối cũng có thể biểu thị theo TLĐV khô, hay:    d min    d max Dr %    d 100%  d max    d min    d(1.20)Trong đó: d - TLĐV khô hiện trường;d(max) - TLĐV khô ở trạng thái chặt nhất; đó là khi hệ số rỗng là emin;d(min) - TLĐV khô ở trạng thái xốp nhất; đó là khi hệ số rỗng là emaxBảng 1.5. Độ chặt của đất hạt rờiĐộ chặt tương đối (%)Mô tả0  20Rất xốp rời20  40Xốp rời40  60Chặt vừa60  80Chặt80 100Rất chặt7Mức chặt của đất hạt rời đôi khi có quan hệ với độ chặt tương đối. Bảng 1.5 chotương quan chung của mức độ chặt và Dr, đối với cát tự nhiên, độ lớn của emax và emin[PT. (1.19)] có thể biến đổi rộng. Lý do chủ yếu của sự biến đổi rộng đó là ở hệ số đồngđều Cu và trạng thái tròn nhẵn hay sắc cạnh của các hạt.Ví dụ 1.1.Một mẫu đất có tính đại diện lấy từ hiện trường có trọng lượng 1,8kN và thể tíchlà 0,1m3. Độ ẩm xác định trong phòng là 12,6%. Cho Gs =2,71, hãy xác định các chỉ tiêusau: a) TLĐV ẩm; b) TLĐV khô; c) Hệ số rỗng; d) Độ rỗng; e) Độ bão hoàLời giải:a) TLĐV ẩm. Từ PT. (1.9):W 1,8kN 18kN / m 2V0,1m 3 b) TLĐV khô. Từ PT (1.13)  d 1 wed) Độ rỗng. Từ PT. (1.6)n18 15,99kN / m 312,61100Gs  w1 ec) Hệ số rỗng. Từ PT. (1.12)  d hay:Gs  wd1 2,719,81  1  0,6615,99e0,66 0,3981  e 1  0,66e) Độ bão hoà. Từ PT. (1.3b) và theo hình 1.3b, ta có:SVw wG s 0,1262,71 100  51,7%Vve0,66Ví dụ 1.2.Thí nghiệm một loại đất rời (cát) trong phòng thí nghiệm, tìm được hệ số rỗng lớnnhất và nhỏ nhất theo thứ tự là 0.84 và 0.38. Giá trị Gs xác định được là 2.65. Một trầmtích đất tự nhiên cùng loại cát đó có độ ẩm 9% và TLĐV ẩm là 18,64kN/m3.Xác định độ chặt tương đối của đất tại hiện trường.Lời giải:Từ PT. (1.13)Cũng vậyd 1 wd Gs  w1 e818,64 17,1kN / m391100HayeTừ PT. (1.19)Dr Gs  wd1 2,659,81  1  0,5217,1emax  e0,84  0,52 0,696  69,6%emax  emin 0,84  0,381.6. Các giới hạn AtterbergKhi đất sét được trộn với lượng nước quá mức, nó có thể chảy như một bán dịchthể. Nếu đất đó được làm khô dần, nó sẽ giống như một vật liệu đàn hồi, nửa cứng hoặcrắn cứng tuỳ thuộc hàm lượng nước chứa trong đó. Độ ẩm mà tại đó đất biến đổi từ trạngthái chảy sang dẻo được định nghĩa là giới hạn chảy (LL), tính theo phần trăm. Tương tự,độ ẩm mà tại đó đất biến đổi từ trạng thái dẻo sang nửa cứng và từ nửa cứng sang cứngrắn được định nghĩa theo thứ tự là giới hạn dẻo (PL) và giới hạn co (SL). Những giới hạnnày được gọi là các giới hạn Atterberg (hình 1.4):Giới hạn chảy của đất được xác định bằng dụng cụ Casagrande, (ASTM D 4318), là độ ẩm tại đó độ khép của rãnh khía là 12.7 mm (1/2 in.) xảy ra sau 25 lầnđập.Giới hạn dẻo được quy định là độ ẩm tại đó dây đất vê thành đường kính3,18mm (1/8 in) (ASTM D - 4318), bị nứt rạn.Giới hạn co được quy định là độ ẩm tại đó đất không bị thay đổi thể tích khi mấtnước (ASTM D - 427).Trạng tháicứngTrạng tháinửa cứngTrạng thái dẻoTrạng tháichảyV§é ÈmHình 1.4: Định nghĩa các giới hạn AtterbergwHình 1.4. Hiệu giữa hạn chảy và hạn dẻo được quy định gọi là chỉ số dẻo (PI), hayPI = LL - PL9(1.21)Bảng 1.6 cho một số giá trị tiêu biểu của hạn chảy và hạn dẻo một số khoáng vật vàđất. Tuy nhiên các giới hạn Atterberg của các đất khác nhau biến đổi rất lớn, tuỳ thuộc nguồngốc của đất và lượng khoáng sét có trong đó.Bảng 1.6. Giới hạn chảy và dẻo của một số khoáng sét và đấtMô tảKaoliniteIlliteMontmorilloniteSét xanh BostonSét ChicagoSét LouisianaSét LondonSét CambridgeSét MontanaMississippi gumboĐất dạng hoàng thổ tại miền bắc và tây bắc TQHạn chảy35  10050 100100  8004060756639529525  35Hạn dẻo25 3530  6050 1002020252721183215201.7 Các hệ phân loại đấtCác hệ phân loại chia đất thành các nhóm và phụ nhóm dựa trên các tính chấtcông trình chung như phân bố cỡ hạt, hạn chảy, và hạn dẻo. Hai hệ phân loại chủ yếuhiện dùng là (1) Hệ của Cơ quan Đường bộ và Giao thông Quốc gia Hoa kỳ (AASHTO)và (2) Hệ phân loại đất thống nhất (USCS). Hệ phân loại đất AASHTO chủ yếu dùng đểphân loại nền đường bộ, không dùng trong xây dựng móng.Hệ phân loại đất theo AASHTOHệ phân loại đất AASHTO nguyên là do đề nghị của Uỷ ban Nghiên cứu Đườngbộ về Phân loại Vật liệu cho Nền đường và các Đường loại hạt [Granular Type Roads](1945). Theo hệ thống này, đất có thể được xếp thành tám nhóm chủ yếu, từ A-1 đến A-8,dựa trên phân bố cỡ hạt, hạn chảy và chỉ số dẻo của chúng. Đất xếp trong các nhóm A-1,A-2 và A-3 là vật liệu hạt thô, và trong các nhóm A-4, A-5, A-6 và A-7 là vật liệu hạtmịn. Bùn, than bùn, và các đất chứa hữu cơ cao được xếp vào A-8, và được nhận biếtbằng mắt thường.Hệ phân loại AASHTO (cho các đất từ A-1 đến A-7), được trình bày trong bảng1.7. Chú ý rằng nhóm A-7 gồm hai loại đất. Đối với loại A-7-5, chỉ số dẻo của đất nhỏhơn hay bằng hạn chảy trừ 30. Đất loại A-7-6, chỉ số dẻo lớn hơn hạn chảy trừ 30.Để đánh giá chất lượng về tính thích ứng của một vật liệu nền đường, một thôngsố gọi là chỉ số nhóm cũng đã được lập. Đối với một loại đất đã cho, giá trị này càng caođất dùng làm nền đường càng kém. Chỉ số nhóm bằng 20 hoặc lớn hơn biểu thị vật liệudùng làm nền đường càng xấu. Công thức cho chỉ số nhóm như sau :GI = (F200 - 35)[0,2 + 0,005 (LL - 40)] + 0,01 (F200 - 15) (PI - 10)Trong đó F200 = phần trăm qua rây No 200, biểu thị theo số nguyên.LL = giới hạn chảyPI = chỉ số dẻo10(1.22)Khi tính chỉ số nhóm cho đất thuộc nhóm A-2-6 hay A-2-7, chỉ dùng một phầnphương trình chỉ số nhóm theo chỉ số dẻo:GI = 0.01(F200 - 15) (PI - 10)(1.23)Chỉ số nhóm được làm tròn số tới số nguyên gần nhất và được viết cạnh số nhómđất cho trong ngoặc kép; ví dụ ta có:A-4Nhóm đất(5)Chỉ số nhómBảng 1.7 . Hệ phân loại đất theo AASHTOPhân loại tổng quátVật liệu hạt(35% tổng khối lượng mẫu đất hoặc ít hơn qua rây số 200)A-1Phân loại nhómPhân tích rây (% lọt qua)Rây số No.10Rây số No. 40Rây số No. 200Đối với các hạt lọtRây số No. 40Hạn chảy (LL)Chỉ số dẻo (PI)Loại vật liệu thường dùngChỉ số xếp loại nền(Subgrade rating)Phân loại tổng quátA-1-b50 max30 max15 max50 max25 maxabA-251 min10 maxKhôngdẻoCátnhỏ6 maxmảnh vỡ đá, sỏi,cátA-2-4A-2-5A-2-6A-2-735 max35 max35 max35 max40 max10 max41min10 max40 max11 min41 min11 minBụi hoặc cát sỏi pha sétTuyệt hảo đến tốtVật liệu sét - bụi(Trên 35% tổng khối lượng mẫu đất qua rây số No. 200)Phân loại nhómPhân tích rây (% lọt qua)Rây số No.10Rây số No. 40Rây số No. 200Đối với các hạt lọtRây số No. 40Hạn chảy (LL)Chỉ số dẻo (PI)Loại vật liệu thường dùngChỉ số xếp loại nền(Subgrade rating)A-3A-1-aA-4A-5A-6A-7A - 7 - 5aA - 7 - 6b36mm36mm36mm36mm40 max41 min10 max10 maxThường là đất bụi40 max41 min11 min11 minThường là đất sétKhá đến kémNÕu PI  LL - 30, ph©n lo¹i lµ A-7-5NÕu PI > LL - 30, ph©n lo¹i lµ A-7-6Hệ phân loại thống nhất (USCS)11H USCS u tiờn do Casagrande ngh nm 1942 v sau ny c soỏt xột liv chp nhn bi Cc Ci to t Hoa K v Quõn on k s Hoa K. H thng nyhin nay c dựng trong thc t trong cỏc cụng tỏc a k thut.Trong hệ thống thống nhất, các ký hiệu sau được dùng để nhận dạng:KýhiuGSMCOPtHLWPMụ tSnsiCỏtBiSộtBi huc vsộtBựn vt huc caoTớnhdocaoTớnhdothpCpphittCpphixu th do (hỡnh 1.5) v Bng 1.8 cho bit l trỡnh xỏc nh ký hiu nhúm cho cỏcloi t khỏc nhau. Khi phõn loi t cn tỡm tờn nhúm thng mụ t t kốm theo kýhiu nhúm. Cỏc hỡnh 1.6, 1.7 v 1.8 cho cỏc biu phỏt trin tỡm tờn nhúm theo th tcho t ht thụ, t ht mn khụng hu c, v t ht mn hu c.Chỉ số dẻo, PIĐường UĐường AGii hn chyHình 1.5 Đồ thị dẻo12Bảng 1.8. Biểu đồ Phân loại đất theo hệ USCS (ASTM - 2001, D.2847 )Phân loại đấtTiêu chuẩn ký hiệu và định tên nhóm đất dùng kết quả thí nghiệm trong phòngaĐẤT HẠT THÔNhóm hạt lớn hơn0,075 mm (N0 200)chiếm trên 50%SỏiNhóm hạt thô lớnhơn 4,75 mm (No 4)chiếm trên 50%CátNhóm hạt nhỏ hơn4,75 mm (No 4)chiếm bằng hoặc trên50%Đất bụi và sétGiới hạn chảy nhỏhơn 50ĐẤT HẠT MỊNNhóm hạt nhỏ hơn0,075 mm (N0 200)chiếm bằng hoặctrên 50%Đất bụi và sétGiới hạn chảy bằnghoặc lớn hơn 50Đất chứa nhiều hữu cơKýhiệunhómTên nhómbCu  4 và 1  Cc  3eGWCu < 4 và/hoặc 1 > Cc > 3eGPSỏi lẫn hạtmịncTrên 12%hạt mịnCát sạchdDưới 5%hạt mịnHạt mịn phân là ML hoặc MHGMSỏi cấp phốitốtfSỏi cấp phốikhông tốtfSỏi lẫn bụif,g,hHạt mịn phân là CL hoặc CHGCSỏi lẫn sétf,g,hCu  6 và 1  Cc  3eSWCu < 6 và/hoặc 1 > Cc > 3eSPCát lẫnhạt mịndTrên 12%hạt mịnHạt mịn phân là ML hoặc MHSMCát cấp phốitốtiCát cấp phốikhông tốtiCát lẫn bụig,h,iHạt mịn phân là CL hoặc CHSCCát lẫn sétg,h,iPI > 7, nằm trên hoặc ở phíatrên đường "A"PI < 4 nằm dưới đường "A"CLSỏi sạchDưới 5%hạt mịnKhông cóhữu cơSét gầyk,l,mBụik,l,mMLSét hữu cơk,l,m,nCó hữu cơCHBụi hữu cơk,l,m,oSét béok,l,mKhông cóhữu cơHạn chảy sấy khô< 0,75Hạn chảy không sấy khôPI nằm trên hoặc ở phía trênđường "A"PI nằm dưới đường "A"MHBụi đàn hồik,l,mCó hữu cơHạn chảy sấy khô< 0,75Hạn chảy không sấy khôOHSét hữu cơk,l,m,pPtBụi hữu cơk,l,m,pBùnChủ yếu là vật hữu cơ, màu sẫm và có mùi hữu cơOLChú thích cho hình 1.5 và bảng 1.8a. Dùng các hạt đất sàng qua rây số 3-in (75mm);b. Nếu trong mẫu lấy ở hiện trường có chứa đá tảng, cuội hay cả hai, thêm vào tênnhóm đất "lẫn đá tảng", "lẫn cuội" hoặc "lẫn đá tảng và cuội";c. Nếu trong cuội có từ 5 đến 12% hạt mịn, cần dùng ký hiệu kép:GW- GM: Cuội cấp phối tốt lẫn bụi hoặc GW – GC: Cuội cấp phối tốt lẫn sét;GP – GM: Cuội cấp phối xấu lẫn bụi hoặc GP – GC: Cuội cấp phối xấu lẫn sét;d. Nếu trong cát có từ 5 đến 12% hạt mịn, cần dùng ký hiệu kép:SW- SM: Cát cấp phối tốt lẫn bụi hoặc SW – SC: Cát cấp phối tốt lẫn sét;SP – SM: Cát cấp phối xấu lẫn bụi hoặc SP – SC: Cátcấp phối xấu lẫn sét;13e. Xem mục 1.2 hay: Cu = d60/d10 và C c d 302;d10 .d 60f. Nếu trong cuội sỏi chứa 15% cát, thêm vào tên nhóm đất "lẫn cát";g. Nếu hạt mịn được xếp là CL – ML, dùng ký hiệu kép: GC – GM hay SC – SM;h. Nếu hạt mịn là hữu cơ, thêm vào tên nhóm đất "lẫn hạt mịn hữu cơ";i. Nếu trong đất chứa 15% cuội, thêm vào tên nhóm đất "lẫn cuội";k. Nếu trong đất chứa từ 15% đến 29% các hạt lớn hơn 75mm, thêm vào tên nhóm"lẫn cát " hoặc "lẫn sỏi" theo loại nào nhiều hơn;l. Nếu trong đất chứa  30% các hạt lớn hơn 75mm phần lớn là cát, thêm vào tênnhóm "lẫn cát ";m. Nếu trong đất chứa  30% các hạt lớn hơn 75mm phần lớn là sỏi, thêm vào tênnhóm "lẫn sỏi ";n. Ip  4 và đặt nằm trên hoặc phía trên đường "A";o. Ip < 4 hay đặt dưới đường "A";p. Ip đặt nằm trên hoặc phía trên đường "A";q. Ip đặt dưới đường "A".Ví dụ 1.3.Phân loại đất sau đây theo hệ AASHTO:Phần trăm qua rây No 4 = 82Phần trăm qua rây No 10 = 71Phần trăm qua rây No 40 = 64Phần trăm qua rây No 200 = 41Giới hạn dẻo = 31Chỉ số dẻo =12Lời giảiTheo Bảng 1.7, thấy rằng trên 35% hạt đất lọt qua rây No 200, nên đó là vật liệusét bụi. Nó có thể là A-4, A-5, A-6 hoặc A-7. Đối với đất này, LL = 31 (nghĩa là LL < 40)và PI = 12 (nghĩa là PI lớn hơn 11), nên đất rơi vào nhóm A-6. Từ PT. (1.22):GI = (F200 - 35)[0.2 + 0.005(LL - 40)] + 0.01(F200 - 15) (PI - 10)nênGI = (41 - 35)[0.2 + 0.005(31 - 40)] + 0.01(41 - 15) (12 - 10) = 1.45Do vậy, đất này thuộc nhóm A - 6(l).14Hình 1.6 Lưu đồ phân loại đất hạt thô (Trên 50% giữ lại trên Rây 200) (Theo ASTM, 2000)15Hình 1.7 Lưu đồ phân loại đất hạt mịn (50% hay hơn qua Rây N0. 200) (Theo ASTM, 2000)16Hình 1.8 Lưu đồ phân loại đất hạt mịn chứa hữu cơ (50% hay hơn qua Rây N0. 200) (Theo ASTM, 200017Ví dụ 1.4.Phân loại đất nêu trong Ví dụ 1.3 theo hệ phân loại đất USCSLời giảiTa đã biết F200 = 41, LL = 31, và PI = 12. Vì 59% khối lượng mẫu nằm trên râyNo 200 đất này là vật liệu hạt thô. Phần trăm qua rây No 4 là 82%, nên 18% được giữ lạitrên rây No 4 (sỏi sạn). Thành phần hạt thô qua rây N0. 4 (hạt cát) là 59 - 18 = 41%(chiếm trên 50% tổng lượng hạt thô). Vậy mẫu đất là cát. Bây giờ dùng bảng 1.8 và Hình1.5, ta xác định được ký hiệu nhóm đất là SC. Mặt khác từ Hình 1.6, vì thành phần sỏisạn lớn hơn15%, nên tên nhóm đất này là cát sét pha sỏi sạn18CHƯƠNG 2. TÍNH THẤM NƯỚC CỦA ĐẤT2.1 Định luật thấm DarcyKhông gian rỗng, hay lỗ rỗng, giữa các hạt đất cho phép nước chảy qua. Trong cơhọc đất và kỹ thuật nền móng, cần biết lượng nước chảy qua trong một đơn vị thời gian.Điều này rất quan trọng khi thiết kế các đập đất, xác định lượng thấm chảy qua nền cáccông trình thuỷ lợi, và rút nước hố móng trước và trong khi thi công. Darcy (1856) đềnghị công thức sau (Hình 2.1) để tính tốc độ dòng nước thấm qua đất:v = ki(2.1)Trong phương trình này, v = tốc độ thấm Darcy (đơn vị: cm/sec)k = hệ số thấm của đất (đơn vị: cm/sec)i = Gradien thuỷ lựcH×nh 2.1. §Þnh luËt DarcyPh¬ng dßngthÊm§ÊtPh¬ng dßng thÊmGradien thuỷ lực được xác định như sau :ihL(2.2)Trong đó h = độ chênh cột áp giữa các mặt cắt AA và BBL = khoảng cách giữa các mặt cắt AA và BB{Chú ý: Các mặt cắt AA và BB phải vuông góc với phương dòng chảy}Luật Darcy [PT. (2.1)] đúng với phần lớn loại đất. Tuy nhiên, đối với các loại vậtliệu như sỏi sạn sạch và nền đá nứt nẻ nhiều (open-graded rockfills), luật trên không cònđúng nữa do dòng chảy rối phát sinh.19Bảng2.1. Phạm vi hệ số thấm của một số loại đấtHệ số thấm, k(cm/sec)Lớn hơn 10-110-1 đến 10-310-3 đến 10-510-4 đến 10-610-7 hoặc nhỏ hơnLoại đấtSỏi (sạn) vừa đến thôCát thô đến mịnCát mịn, cát bụiBụi, bụi sét, sét bụiSétGiá trị hệ số thấm của đất biến đổi trong phạm vi rộng. Trong phòng thí nghiệm,có thể xác định bằng các thí nghiệm thấm cột nước không đổi hoặc cột nước thay đổi. Thínghiệm cột nước không đổi thích hợp cho đất hạt rời. Bảng 2.1 cho phạm vi biến đổi giátrị k của các loại đất khác nhau. Trong đất hạt rời, giá trị hệ số thấm phụ thuộc chủ yếuvào hệ số rỗng. Trong thực tế, nhiều phương trình quan hệ giữa k với hệ số rỗng đã đượcđề xuất cho đất hạt rời:k1 e12k 2 e22(2.3) e12 k1  1  e1 k 2  e22  1  e2 (2.4) e13 k1  1  e1 k 2  e23  1  e2 (2.5)Trong những PT này, k1 và k2 hệ số thấm của một loại đất đã cho có hệ số rỗngtheo thứ tự là e1 và e2.Theo quan sát thực nghiệm, Samarasinghe, Huang, và Drnevich (1982) đã đề xuấtlà hệ số thấm của sét cố kết thường có thể cho bởi phương trình sau:enk C1 e(2.6)Trong đó C và n là các hằng số xác định bằng thực nghiệm.Đối với đất sét ở hiện trường, quan hệ thực nghiệm đánh giá hệ số thấm như sau(Tavenas và nnk. 1983)log k  log k0 20e 0 eCk(2.7)Trong ú k = h s thm ng vi h s rng e; k0 = h s thm hin trng ngvi h s rng e0; Ck = ch s bin thiờn h s thm, Ck 0,5e0.i vi t sột, h s thm ca dũng chy theo phng ng v ngang cú th bini ỏng k. H s thm ca dũng chy theo phng ng (kv) i vi t hin trng cúth d tớnh theo Hỡnh 2.2. i vi cỏc trm tớch sột bin hoc sột khi khỏc:kh 1,5kv(2.8)Trong ú kh: h s thm i vi dũng chy theo phng ngang.i vi sột di trm tớch h, t s kh/kv cú th vt quỏ 10.cả hai là sốthập phânHệ số rỗng, ePI = chỉ số dẻoCF = thành phần sétkv (m/sec)Hỡnh 2.2. Bin thiờn k hin trng ca t sột (Tavenas v nnk,1983)2.2. Thm n nhPhn ln cỏc trng hp thm di cỏc cụng trỡnh thu li, ng thm thay ihng v khụng ng u trong ton vựng thm. Trong trng hp ny, mt trong nhngcỏch xỏc nh tc thm l dựng th li thm, mt khỏi nim da trờn lý thuyt liờntc Laplace. Theo lý thuyt ny, trong iu kin thm n nh, dũng thm ti im A btk cú th biu th bi phng trỡnh:kx 2h2h2hkk0yzx 2y 2z 2(2.9)Trong ú kx, ky, kz = h s thm ln lt theo cỏc phng x, y, z; h = ct nc tiim A (ngha l ct nc trong ng o ỏp t ti A ly cao trỡnh mc nc h lu lmchun, nh nờu trong Hỡnh 2.3)21Mùc nícèng®o ¸pMùc níc§êngdßngLêp ®Êt tho¸t níc§êng thÕ§¸Hình 2.3 Thấm ổn định qua nền đập dâng nướcĐối với điều kiện thấm hai hướng như nêu trên Hình 2.2: 2h0y 2Nên PT (2.9) có dạng sau:kx2h 2hk0zx 2z 2(2.10)Nếu đất đồng chất theo hệ số thấm, kx, kz = k, và 2h  2h0x 2 z 2(2.11)Phương trình (2.11) được suy từ phương trình Laplace và đúng cho dòng thấm cóáp, biểu thị hai nhóm đường cong vuông góc nhau gọi là đường dòng và đường thế. Lướithấm là một tổ hợp của nhiều đường dòng và đường thế. Đường dòng là lộ trình của mộthạt nước đi từ phía thượng lưu đến hạ lưu. Đường thế là một đường dọc theo đó cột ápdâng cùng một độ cao. (Hình 2.3).Để vẽ lưới thấm, cần lập các điều kiện biên. Ví dụ, trong hình 2.3, mặt đất phíathượng lưu (OO’) và hạ lưu (DD’) là các đường thế. Đáy đập phía dưới mặt đất O’BCDlà một đường dòng. Đỉnh của mặt đá, EF, cũng là một đường dòng. Khi các điều kiệnbiên được xác lập, một số các đường dòng và đường thế được vẽ bằng cách thử đúng dầntới khi mọi phần tử thấm trong lưới có cùng tỷ số dài/rộng (L/B). Trong phần lớn cáctrường hợp, L/B lấy bằng đơn vị, nghĩa là các phần tử thấm là các hình vuông cong.Phương pháp này được minh họa bởi lưới thấm nêu trong Hình 2.4. Chú ý rằng mọiđường dòng phải cắt các đường thế theo góc vuông.22Mùc nícMùc nícTÇng ®Êt thÊm níc§¸Hình 2.4 Lưới thấmKhi vẽ được lưới thấm, lưu lượng thấm trong đơn vị thời gian trên đơn vị dàicông trình, có thể được tính theo:q  khmaxNfNdn(2.12)Trong đó: Nf = số ống dòng chảy,Nd = số độ rơi,n = tỷ số rộng/dài của các phần tử dòng thấm trong lưới thấm (B/L),hmax = hiệu cao trình mặt nước giữa thượng và hạ lưu.Không gian giữa hai đường dòng kề nhau được gọi là ống dòng (flow channel), vàkhông gian giữa hai đường thế kề nhau được gọi là độ rơi (drop). Trong Hình 2.4, Nf = 2,Nd = 7, và n =1. Khi các phần tử vuông cong được vẽ ra trong lưới thấm, thìq  khmaxNfNd(2.13)2.3. Ứng suất hiệu quảXét ứng suất thẳng đứng tại một điểm A tại độ sâu h1 + h2 dưới mặt đất, như nêutrên Hình 2.5a. Tổng ứng suất thẳng đứng tại A là: = h1 + h2sat(2.14)Trong đó  và sat theo thứ tự là TLĐV của đất ở trên và dưới mặt nước ngầm.Ứng suất tổng một phần do nước lỗ rỗng chịu và một phần do hạt rắn chịu quacác điểm tiếp xúc. Ví dụ xét một mặt gợn sóng AB vẽ qua điểm A (Hình 2.5a) đi quađiểm tiếp xúc của các hạt đất. Mặt phẳng của mặt cắt đó nêu trên Hình 2.5b. Những chấmnhỏ trong hình biểu thị các diện tiếp xúc hạt đất - hạt đất. Nếu tổng các diện tích đó là A’,diện tích nước lấp đầy còn lại bằng (XY - A’). Lực đặt lên phần diện tích nước lỗ rỗngtrên mặt cắt đó là:Fw = (XY - A')u(2.15)Trong đó u = áp suất nước lỗ rỗng = wh223(2.16)