Nghiên Cứu đánh Giá đặc Trưng Cơ Lý Của đất Sét Trương Nở Bằng Thí ...

Tải bản đầy đủ (.pdf) (116 trang)

1. Trang chủ
>>
2. Thạc sĩ - Cao học
>>
3. Kỹ thuật

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

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.05 MB, 116 trang )

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA----------TẠ QUANG NGHIỆPNGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƯNG CƠ LÝCỦA ĐẤT SÉT TRƯƠNG NỞ BẰNG THÍNGHIỆM TRONG PHỊNGCHUN NGÀNH:MÃ NGÀNH:ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG60.58.60LUẬN VĂN THẠC SĨTP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2011 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠITRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINHCán bộ hướng dẫn khoa học:GS. TSKH. NGUYỄN VĂN THƠTS. BÙI TRƯỜNG SƠNCán 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.HCMngày ……… 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 chuyênngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).Chủ tịch Hội đồng đánh giá LVBộ môn quản lý chuyên ngành Để hồn thành chương trình học và viết được luận văn, tơi nhận được sựgiảng dạy, hướng dẫn, và góp ý q báu của Q thầy cơ Bộ mơn Địa cơ nềnmóng, Q thầy cơ Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa - Đạihọc quốc gia Tp. Hồ Chí Minh. Sự giảng dạy tận tâm, nhiệt tình của Quý thầy đãtruyền đạt cho học viên kiến thức khoa học q giá về nền móng, về mối quan hệchặt chẽ giữa việc khảo sát địa kỹ thuật và kỹ thuật xây dựng nền móng. Sự hiểubiết 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 chấtcủa Công ty CP Tư vấn Xây dựng Cơng trình Thủy Bộ (SUDEWAT), Công ty Tưvấn Xây dựng tổng hợp (NAGECCO), Công ty CP Khảo sát và Kiểm địnhTrường Sơn mặc dù điều kiện cơng trường khó khăn vì nắng mưa mà vẫn quantâm thu thập mẫu thí nghiệm giúp tơi thực hiện luận văn.Tơi xin cám ơn anh em thí nghiệm viên Trương Thị Trâm Anh, NguyễnBảo Hiên, phòng LAS-XD 312, đã nhiệt tình, khơng quản thời gian giúp đỡ tơihồn thành các thí nghiệm phục vụ nhiệm vụ luận văn.Tơi trân trọng cám ơn thầy Nguyễn Văn Thơ, thầy Bùi Trường Sơn đãdành rất nhiều thời gian, tận tâm hướng dẫn và giúp tơi hồn thành luận văn tốtnghiệp.Tơi cám ơn vợ và hai con gái nhỏ của mình ln động viên, là động lực chotơi 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 2011Học viênTạ Quang Nghiệp ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA ĐẤT SÉTTRƯƠNG NỞ BẰNG THÍ NGHIỆM TRONG PHỊNGTĨM TẮTHầu hết các mẫu đất sét có kết cấu tự nhiên, nửa cứng đến cứng trong khuvực nghiên cứu có tính trương nở từ thấp đến cao. Độ trương nở và áp lực trươngnở 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 kểvào hàm lượng hạt sét, chỉ số dẻo, loại khoáng vật sét. Tương quan giữa độtrương nở và áp lực trương nở tỷ lệ tuyến tính. Đặc điểm biến dạng thể hiệnthông qua đường cong nén lún của loại đất sét trương nở khác biệt khi so vớiđường cong nén của các mẫu đất thông thường. Kết quả nghiên cứu cần thiết chokỹ sư thiết kế chọn lựa phương án móng hợp lý trên nền đất sét trương nở.THESIS: STUDYING AND ASSESSING PHYSIC-MECHANICALPROPERTIES OF SWELLING CLAY SOILS BY LABORATORYTESTINGABSTRACTMost of samples of natural clay very stiff to hard in study area exhibitstheirs swelling low to high. Swelling potential and swelling pressure have beendetermined directly with oedometer. The testing results show that they dependsignificantly on the amount of clay particles, plasticity index, and the type ofclay minerals. The relationship between swelling potential and swelling pressureis directly proportional linear. Deformation characteristics of the clays swellingthrough one-dimensional compressive curves are different from those of normalsamples. The study results are essential for design engineer to choose properfoundation based on swelling clay soils. MỤC LỤC----------MỞTrangĐẦU --------------------------------------------------------------------------------------- 11. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn --------------------------------------------------------- 12. Mục đích của đề tài ---------------------------------------------------------------------- 23. Phương pháp nghiên cứu --------------------------------------------------------------- 2CHƯƠNG 1. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁTÍNH TRƯƠNG NỞ CỦA ĐẤT --------------------------------------------------- 31.1. Khoáng vật sét và các đặc trưng cơ bản của sét trương nở -------------------- 31.1.1. Đặc điểm khoáng vật sét ----------------------------------------------- 41.1.2. Tính trương nở của đất sét --------------------------------------------- 61.1.3. Các đặc trưng sử dụng để đánh giá đất trương nở --------------- 101.1.4. Các đề nghị khác nhau về phân loại đất trương nở -------------- 131.2. Một số kết quả nghiên cứu về đất trương nở ----------------------------------- 171.2.1. Đánh giá khả năng trương nở --------------------------------------- 171.2.2. Xác định áp lực trương nở ------------------------------------------ 191.2.3. Dự đoán áp lực trương nở ------------------------------------------- 201.2.4. Phương pháp chỉ số trương nở ------------------------------------- 201.2.5. Thí nghiệm hệ số trương nở đối với đất đắp --------------------- 211.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính trương nở của đất ----------------------------- 241.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính trương nở của đất đắp ----------------------- 281.4.1. Ảnh hưởng của thành phần khoáng vật đến mức độ trương nởcủa đất loại sét ---------------------------------------------------------- 28 1.4.2. Ảnh hưởng của dung trọng khô của đất đắp đến các đặc trưngtrương nở --------------------------------------------------------------- 291.4.3. Ảnh hưởng của độ ẩm ban đầu đến hệ số trương nở tự do vàchu kỳ trương nở ------------------------------------------------------ 301.4.4. Ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét và hàm lượng sỏi sạn đếntính trương nở của đất loại sét --------------------------------------- 311.5. Nhận xét và phương hướng đề tài ------------------------------------------------ 33CHƯƠNG 2. THÍ NGHIỆM CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦAĐẤT TRƯƠNG NỞ ----------------------------------------------------------------------342.1. Địa điểm và mơi trường thí nghiệm ---------------------------------------------- 342.2. Định hướng thí nghiệm ------------------------------------------------------------- 352.3. Thí nghiệm độ trương nở----------------------------------------------------------- 352.3.1. Nguyên lý --------------------------------------------------------------- 352.3.2. Dụng cụ ----------------------------------------------------------------- 362.3.3. Trình tự thí nghiệm ---------------------------------------------------- 372.3.4 Tính tốn kết quả ------------------------------------------------------ 382.3.5 Vẽ biểu đồ độ trương nở theo thời gian --------------------------- 382.4. Thí nghiệm áp lực trương nở ------------------------------------------------------ 392.4.1. Nguyên lý --------------------------------------------------------------- 392.4.2. Dụng cụ ----------------------------------------------------------------- 402.4.3. Trình tự thí nghiệm ---------------------------------------------------- 402.4.4 Tính tốn kết quả ------------------------------------------------------ 402.4.5 Vẽ biểu đồ áp lực trương nở ----------------------------------------- 402.5. Xác định các đặc trưng trương nở khác của mẫu đất ------------------------- 422.5.1. Chu kỳ trương nở ------------------------------------------------------ 422.5.2. Vận tốc trương nở ----------------------------------------------------- 43 2.6. Nhận xét chương -------------------------------------------------------------------- 43CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƯNG CƠ LÝCỦA ĐẤT SÉT TRƯƠNG NỞ BẰNG THÍ NGHIỆM TRONGPHỊNG ----------------------------------------------------------------------------------------443.1. Tính chất vật lý các mẫu đất sử dụng thí nghiệm xác định đặc trưngtrương nở ----------------------------------------------------------------------------- 443.2. Đặc điểm trương nở của sét phù sa cổ từ kết quả thí nghiệm xác địnhkhả năng trương nở ----------------------------------------------------------------- 503.3. Các tương quan của thông số trương nở và tính chất vật lý ----------------- 523.4. Đặc điểm nén lún của đất sét phù sa cổ có tính trương nở ------------------- 543.5. Ảnh hưởng của thành phần khoáng sét đến đặc trưng trương nở ----------- 573.6. Kết luận chương --------------------------------------------------------------------- 59KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ -------------------------------------------------------60TÀI LIỆU THAM KHẢO ------------------------------------------------------------62PHỤ LỤC 1. HÌNH CHỤP MẪU TRƯỚC VÀ SAU THÍ NGHIỆMTRƯƠNG NỞPHỤ LỤC 2. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN KHOÁNGSÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP X-RAYPHỤ LỤC 3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ TRƯƠNGNỞPHỤ LỤC 4. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRƯƠNG NỞ PHỤ LỤC 5. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NÉN LÚN CÁC MẪUĐẤT CĨ TÍNH TRƯƠNG NỞ -1-MỞ ĐẦU1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễnTrong tự nhiên, đất loại sét chiếm diện tích đáng kể và nằm ngay trên bềmặt. Hầu hết các cơng trình xây dựng đều sử dụng lớp đất này làm nền. Đất loạisét chứa một lượng nước liên kết và có khả năng giữ ẩm cao. Khi lượng giữ ẩmthay đổi, trong đa số các trường hợp, thể tích đất thay đổi theo do đặc tính trươngnở hay co ngót. Cơng trình xây dựng trên các lớp sét này chịu hai lực do áp lựctrương nở: lực nở thẳng đứng sẽ gây ra hiện tượng đẩy trồi, nứt nẻ và có thể gâyphá hoại, làm mất độ ổn định và làm hư hỏng các cấu kiện; lực ngang gâychuyển vị ngang ảnh hưởng đến sự làm việc của các loại cơng trình xây dựngnhư: 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 thểcó tính trương nở khi bị tẩm ướt.Theo Saurin, khu vực Thành phố Hồ Chí Minh và Đồng bằng Sơng CửuLong có lớp phù sa cổ dưới dạng sét loang lổ trạng thái nửa cứng – cứng. Lớpđất này ở khu vực châu thổ nằm ở độ sâu tương đối lớn từ 30 – 50m nghiêng dầntheo 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 khiđánh 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, chúngtôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu đánh giá đặc trưng cơ lý của đất sét trươngnở bằng thí nghiệm trong phòng". -2-Kết quả thí nghiệm, phân tích, đánh giá có thể giúp các kỹ sư nền mónghiểu thêm về đặc trưng cơ lý của loại đất này và xét đến các đặc điểm trương nởkhi tính tốn thiết kế nền móng cơng trình, biện pháp thi cơng.2. Mục đích của đề tàiTrên cơ sở tổng hợp các kết quả nghiên cứu đánh giá đặc trưng cơ lý củađất trương nở, tiến hành thí nghiệm trên các mẫu đất lấy từ hiện trường của khuvực. Kết quả thí nghiệm cho phép thiết lập các mối tương quan giữa các đặcđiểm trương nở (độ trương nở, áp lực trương nở và các chỉ tiêu vật lý như hàmlượng hạt sét, chỉ số dẻo, độ sệt).3. Phương pháp nghiên cứuPhương pháp được chọn lựa cho đề tài là thí nghiệm trong phịng và xâydựng các tương quan.Trong nội dung luận văn chủ yếu xét đến các yếu tố trương nở liên quanđến biến dạng thể tích một chiều, các yếu tố độ bền, sức chống cắt chưa được thínghiệm và đánh giá. -3-CHƯƠNG 1. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁTÍNH TRƯƠNG NỞ CỦA ĐẤTCác nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam đã có nhiều đề tài nghiêncứu tính trương nở của đất sét và đất loại sét. Đất trương nở được xếp vào dạngđất đặc biệt vì hành vi ứng xử đặc biệt của nó khi bị ẩm ướt hoặc tiếp xúc vớinước là có sự tăng thể tích và gây ra áp lực trương nở. Hiện tượng này có khi dẫnđến những hệ quả khơng có lợi cho các cơng trình xây dựng. Hiểu được tínhtrương nở của đất giúp cho công tác khảo sát địa chất cơng trình, giúp chọn lựaphương án thiết kế hợp lý khi tính tốn thiết kế nhằm đảm bảo độ ổn định củacơng 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 ảnhhưởng của nước, khơng khí và sinh vật”. Q trình biến đổi đó được gọi làphong hóa. Sản phẩm của phong hóa các loại đá chủ yếu là đất sét cùng với cátvà 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 cáccation khác (Al2O3.4SiO2.2H2O+n H2O).Illit hay mica ngậm nước: Muscovit (K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O) vàBiotit (K2O.4MgO.Al2O3.6SiO2.H2O)1.1.1. Đặc điểm khoáng vật sétThành phần hoá học cơ bản của khoáng vật sét là Al2O3, SiO2, và H2Ohoặc chi tiết hơn nữa là các ion: Al3+, Si4+, O2-, OH-, H+. Đáng chú ý là các ionAl3+, Si4+ thường bị thay một phần (thay thế đồng hình) trong tinh thể bởi cáccation khác: Fe3+, Cr3+ Mg2+, Ca2+,…Mạng tinh thể của kaolinit tương đối bền và ổn định. Mỗi tập của mạngtinh thể gồm một lớp các khối bốn mặt oxyt silic và một khối tám mặt hydroxytalumin xen kẽ nhau. Các lớp tiếp xúc của hai tập kế cận nhau tạo nên mạng tinhthể 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 lớpdưới của tập trên nằm kề đó thì có các ngun tử oxy. Tên khác nhau của các lớptiếp xúc với các tập kế cận làm cho mạng tinh thể rất chắc. Mỗi liên kết ở bêntrong của các tập cũng bền vững, đó là do có các lớp chuyển tiếp của các ionđiện tích dương và âm. Do đó mà mạng tinh thể khơng di động và vì vậy các tinhthể kaolinit tương đối lớn, chỉ có khả năng hấp thụ nước và trương nở khơngđáng kể.Montmorilonit (Al,Mg)2 [Si4O10] [OH]2 nH2O (tên của các mẫu sét lấy ởgần Montmorillon, nước Pháp). Tinh thể có nhiều hình dạng khác nhau. Theonghiên cứu qua kính hiển vi điện tử, chúng đều có đặc điểm là có độ phân táncao và tính chất mơ hồ của đường nét. Do mối liên kết giữa các mạng tinh thểyếu hơn, nên montmorilonit dễ hấp thụ nước vào giữa các mạng tinh thể và cókhả năng trương nở mạnh. Dấu hiệu đặc trưng của nhóm khống vật thuộc nhómmontmorilonit là lượng nước trong thành phần của chúng thay đổi mạnh tùy theođộ ẩm của mơi trường xung quanh. Kích thước thường nhỏ hơn 0,001mm làmtăng tỷ mặt ngồi, tăng hoạt tính mặt ngồi.Cấu trúc mạng tinh thể của montmorilonit nói chung gần giống cấu trúcmạng tinh thể của kaolinit (Hình 1.2), nhưng khác so với kaolinit là tập lớp riêngbiệt của montmorilonit đối xứng nhau. Mỗi tập mạng ở trên và dưới đều kết thúcbằng các lớp gồm những khối 4 mặt SiO2 và giữa các lớp này lại có một lớp gồmnhững khối tám mặt hydroxyt alumin. Các tập lớp của montmorilonit quay cáclớp đồng nhất (gồm các nguyên tử oxy) lại phía nhau. Mối liên kết giữa các tậpnày yếu hơn mối liên kết giữa các tập mà các lớp nguyên tử khác tên quay ngượcchiều với nhau như kaolinit. Vì vậy nước dễ thấm vào trong mạng tinh thể củamontmorilonit, 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 ởIllinois 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 phiếnmỏng. Khác với kaolinit, illit có các lớp oxyt silic xếp kề nhau và có ion kali liênkết 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 lớplàm cho những tập này chắc hơn, tạo cho illit có độ bền lớn và khơng có tính diđộng. Vì vậy các tinh thể illit thường lớn hơn tinh thể montmorilonit.1.1.2. Tính trương nở của đất sétĐất 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 củaphần 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 đấtCác 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 quantâm 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 củađất 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 (vùngWyoming, 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 đếnlà hydromica, và kaolinit hầu như không trương nở.Đất sét có khả năng trương nở thể tích. Khả năng trương nở có thể đượcthí 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 trìnhthủy hóa hoặc do tương tác với các dung dịch hóa học. Đặc điểm hình thành tínhtrương nở của đất loại sét có quan hệ mật thiết đến nguồn gốc thành tạo và qtrình hóa đá. -8-Trước khitrương nởSau khitrương nởNướcSétHình 1.5. Mơ hình đất trương nởTính trương nở thể hiện rõ rệt trong đất loại sét có liên kết ximăng yếu vàbị nén lại (quá cố kết hay nén chặt do đầm). Các loại đất này hình thành chủ yếutrong điều kiện khí hậu khơ và chứa một hàm lượng khống vật sét có mạng lướitinh thể linh động (dạng montmorilonit) hay các chất hữu cơ. Hầu hết các loạiđất trương nở sau khi ngấm nước đều giảm độ chặt (dung trọng), chuyển từ trạngthái 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 nướcvào trong đất. Khi ngấm nước, độ ẩm của đất tăng dần, bề dày của màng nướcxung quanh hạt rắn tăng theo và đồng thời làm tăng bề dày tầng điện kép dẫn đếnviệc hình thành áp lực làm các hạt xơ đẩy nhau. Hiện tượng này làm phá hủy cácliên 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 gâyra tính trương nở. Ảnh hưởng của thành phần cấu tạo đất loại sét lên quá trìnhtrương nở có quan hệ với giá trị tỷ diện tích và hàm lượng, cũng như dạng iontrao đổi. Mức độ ảnh hưởng của thành phần khoáng vật hạt sét lên tính trương nởcó thể sắp xếp như sau: montmorilonit > hydromica > kaolinit. Dãy các ion theomức 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 hơngiới hạn nhão (WL). Theo E.A. Sorochan: Wsw = (0,60-0,75).WL, cịn đối với đấtcó kết cấu phá hoại (khơng ngun dạng) thì Wsw > WL. Hiệu ứng “khơng trươngnở 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) caohơn ở các loại đất ít phân tán (hydromica, kaolinit) nhưng sau đó giảm và trở nênnhỏ 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 hơnchu kỳ trương nở của đất ít phân tán. Ngoài ra, khoảng thời gian đầu (từ 1 – 5giờ) đất ẩm hơn sẽ trương nở nhanh hơn, nhưng sau đó vận tốc trương nở giảmdần 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 nởSự 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 vớitính hút nước và tỉ diện lớn của các khống vật sét có trong đất dính. Sự trươngnở - kết quả sự thủy hợp của đất, nó được tạo nên chủ yếu do sự hình thành nướcliên kết yếu ở trong đất. Vỏ nước liên kết được hình thành xung quanh các hạtkeo, sét, làm giảm lực dính giữa các hạt, phân ly chúng và gây ra sự tăng thểtích. Sự trương nở có quan hệ chặt chẽ với tính dẻo của đất. Trong quá trìnhtrương nở, khơng chỉ thể tích của đất tăng lên, mà cịn làm giảm tính dính cuả nódo 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 nhờtải trọng bên ngoài, mà tại đó chúng ta quan quan sát khơng thấy sự tăng thể tíchcủa 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 theochiều cao (sw) được tính theo cơng thức: sw h hhcđTrong đó:đ,%(1.1) -11-hđ - chiều cao ban đầuhc - chiều cao cuối cùng sau khi trương nở- Nếu xác định bằng sự thay đổi thể tích thì mức độ trương nở theo thểtích (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 tựdo; nếu trương nở dưới tác dụng của áp lực ngồi thì gọi là trương nở cóáp.Áp lực trương nở (psw)Áp lực trương nở là áp lực mà tại đó khơng thể xảy ra biến dạng trong qtrình trương nở.Độ ẩm trương nở (Wsw)Độ ẩm Wsw là độ ẩm của mẫu đất trương nở hồn tồn trong điều kiệnkhơng nở hơng và khơng có áp lực tác dụng lên mẫu. Cịn khi mẫu đất chịu áplực 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 trươngnở.Chu kỳ trương nở (tsw)Là khoảng thời gian hoàn tất quá trình trương nở mẫu đất cho đến khivsw= 0. -12-Hệ số trương nởTrên đường cong trương nở tương tự đường cong nén cố kết, hệ số trươngnở có thể xác định từ biểu thức Terzaghi, Cs được thay bằng Cv (Blight 1965).TH dr2Cs t(1.3)Trong đó:T - Nhân tố thời gianHdr - Chiều cao trương nởt - Thời gianHệ số trương nở có thể xác định được từ biểu đồ giữa thời gian và phầntrăm trương nở.Hệ số trương nở cải tiếnGần đây chỉ số trương nở tự do cải tiến xác định theo phương pháp thínghiệm của Sivapulliah Sitharam và Rao (1987) cho phép đánh giá tốt hơn vềkhả năng trương nở của đất sét. Đất được sấy bằng lò nung với khối lượngkhoảng 10g. Khối đất được tán thành bột hồn tồn và đưa vào trong bình chiabậc 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:SwstVV SVS(1.4)Trong đó:V – Thể tích đất sau khi trương nởVS – Thể tích pha rắn của đấtVSWGSSWWS – Trọng lượng đất sấy khôGS – Tỉ trọng hạt(1.5) -13-w – Trọng lượng riêng nướcCác giai đoạn trương nởĐất 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 xảyra từ lúc thời điểm bằng 0 đến khoảng 100 phút. Trong suốt quá trình nở sơ cấphệ số thấm của đất giảm rất nhanh là bởi sự khép lại của những vết nứt khi đấttrương nở. Ở thời điểm cuối của trương nở sơ cấp, những vết nứt chính có thểđược 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. Tronggiai đoạn trương nở thứ cấp hệ số thấm tiếp tục giảm bởi vì sét tiếp tục trương nởvà những vi khe nứt đóng lại. Hệ số thấm thấp nhất vào khoảng 1,5x10-8cm/sxảy ra ở khoảng 5000 phút khi mà hầu hết những vi khe nứt hầu như được khépkín. Từ 5.000-20.000 phút hệ số thấm tăng nhẹ là bởi sự kết hợp trương nở thứcấp 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 20.000phút sau khi mẫu bị ngập nước. Đất khơng cịn trương nở được ghi lại từ20.000-50.000 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 nởPhân loại đất trương nở theo tiêu chuẩn xây dựng Liên Xô và Cục cải tạo đấtMỹĐất 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 tiêuchuẩn xây dựng Liên Xô trước đây (СНиП II-Ь1-62 và СНиП 2-05-08-05) vàphân 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 đấtvà độ thay đổ thể tích tương đối V nhằm nghiên cứu bản chất của đất, xem đấtcó 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 USBRĐặc trưng vật lýĐộ trương nởtương đốiPhân loại đấtChỉ số dẻo Độ co ngóttheo thể tíchtrương nởWkWnV%%%>3511>30Rất mạnhHàmlượngchất keo%>2820-3125-417-1220-30Mạnh13-2315-2810-1610-20Trung bình