Khi xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất, tùy thuộc vào người thiết kế mà họ sẽ chọn những bộ chỉ tiêu phù hợp, là thuộc dạng 7 chỉ tiêu, 9 chỉ tiêu hay 17 chỉ tiêu. Dưới đây là những cách phân loại thông thường của chỉ 3 dạng chỉ tiêu này để các kỹ sư mới vào nghề có thể phân biệt dễ dàng hơn.
I - 07 chỉ tiêu trong các chỉ tiêu cơ lý của đất áp dụng cho mẫu đất không nguyên dạng, không có tính dính
1.Thành phần hạt của đất (TCVN 4198 – 2014)
2.Độ ẩm của đất (TCVN 4196 – 2012)
3.Dung trọng tự nhiên (dung trọng ướt) của đất (TCVN 4202 – 2012)
4.Khối lượng riêng của đất (TCVN 4195 – 2012)
5.Tính nén lún của đất (TCVN 4200 – 2012)
6.Góc ma sát trong của đất (TCVN 4199 – 1995)
7.Lực dính của đất (TCVN 4199 – 1995)
Thí nghiệm này dùng để xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất với các loại đất cát không dính có góc nghỉ khô và góc nghỉ ướt (những góc nghỉ tự nhiên) bằng phương pháp đo lường cát (TCVN 8724-2012) và góc ma sát được giảm đáng kể.
II - 09 chỉ tiêu trong số các chỉ tiêu cơ lý của đất áp dụng cho mẫu đất nguyên dạng bao gồm
1.Thành phần hạt của đất (TCVN 4198 – 2014)
2.Độ ẩm của đất (TCVN 4196 – 2012)
3.Dung trọng tự nhiên (dung trong ướt) của đất (TCVN 4202 – 2012)
4.Khối lượng riêng của đất (TCVN 4195 – 2012)
5.Giới hạn chảy của đất (TCVN 4197 – 2012)
6.Giới hạn dẻo của đất (TCVN 4197 – 2012)
7.Tính nén lún của đất (TCVN 4200 – 2012)
8.Góc ma sát trong của đất (TCVN 4199 – 1995)
9.Lực dính kết của đất (TCVN 4199 – 1995)
Các chỉ tiêu cơ lý này được áp dụng với dạng đất không có tính dính mạnh (hàm lượng đất sét của đất nhỏ hơn 10%) và nó sẽ không được thực hiện thí nghiệm chảy dẻo.
Với đất có hàm lượng lớn hơn 30%, đây là đất sét pha có chứa nhiều sạn sỏi thì không được thực hiện thí nghiệm cắt và nén. Nếu sạn sỏi có hàm lượng lớn hơn 50%, các kỹ sư cũng không sử dụng thí nghiệm chảy dẻo được. Với dạng đất không có tính dính cao, các chỉ tiêu cơ lý này sẽ được sử dụng và không kèm theo thí nghiệm chảy dẻo.
III - 17 chỉ tiêu trong số các chỉ tiêu cơ lý của đất
17 chỉ tiêu bao gồm 09 chỉ tiêu thí nghiệm và 08 chỉ tiêu tính toán ra từ 09 chỉ tiêu thí nghiệm
1. Thành phần hạt của đất (TCVN 4198 – 2014)
2. Độ ẩm của đất (TCVN 4196 – 2012)
3. Khối lượng (dung trọng) thể tích của đất (TCVN 4202 – 2012)
4. Khối lượng riêng của đất (TCVN 4195 – 2012)
5. Dung trọng khô của đất
6. Dung trọng đẩy nổi của đất
7. Hệ số rỗng của đất
8. Độ rỗng của đất
9. Độ bão hòa của đất
10. Giới hạn chảy của đất (TCVN 4197 – 2012)
11. Giới hạn dẻo của đất (TCVN 4197 – 2012)
12. Chỉ số dẻo
13. Độ sệt
14. Góc ma sát trong của đất (TCVN 4199 – 1995)
15. Lực dính của đất (TCVN 4199 – 1995)
16. Hệ số nén lún của đất (TCVN 4200 – 2012)
17. Môđun tổng biến dạng của đất
Ngoài ra bạn có thể tìm hiểu thêm đo đạc trắc địa để sau quá trình xác định mẫu đất sẽ tiến hành đo đạc để đưa ra trắc địa bản đồ giúp quy trình xác định xây dựng và thi công diễn ra thuận lợi.
IV - Nội dung các chỉ tiêu cơ lý của đất khác
Với các chỉ tiêu này, đầu tiên nên hiểu rõ về tính chất cơ lý của đất. Đất sẽ bao gồm các thành phần như rắn, lỏng và khí. Pha rắn là bộ phận có các thành phần hữu cơ và khoáng vật có ích. Đây là nơi chứa một lượng nước nhiều và chiếm ưu thế. Pha khí thì không khí sẽ là thành phần chiếm ưu thế. Nếu các lỗ rỗng trong nước được chiếm bởi nước thì sẽ gọi là đất bão hòa, và ngược lại tên gọi này sẽ là đất không bão hòa. Đất khô sẽ là đất có tất cả các lỗ rỗng.
Như vậy, Tổng thể tích (V) của mẫu đất bao gồm thể tích pha rắn (VS), thể tích pha lỏng (VW) và thể tích pha khí (Va)
● V = Vs + Vw + Va = Vs + Vv
Trong đó Vv = Vw + Va là thể tích lỗ rỗng.
Khối lượng của mẫu đất bao gồm khối lượng của pha rắn (Ws) và khối lượng của pha lỏng (Ww). Do đó:
● W = WS + WW
1. Độ ẩm của đất (w) - (Water content hay Moisture content)
Là lượng nước chứa trong đất, được tính bằng (%) so với khối lượng đất khô.
2. Hệ số rỗng của đất (e) – (Void ratio)
Là tỷ sổ giữa thể tích lỗ rỗng trong đất và thể tích hạt đất trong mẫu đất đó.
3. Độ rỗng (n) – (Porosity)
Độ rỗng của đất là tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng trong đất và thể tích đất ở trạng thái tự nhiên.
4. Tỷ trọng hạt (Gs) – (Specific gravity)
Là tỷ số khối lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng thái rắn, khô tuyệt đối và xếp chặt sít không lỗ rỗng.
Hay nói cách khác là tỷ số trọng lượng của hạt rắn khô tuyệt đối với trọng lượng của nước có cùng thể tích.
5. Độ bão hòa của đất (S) – (Degree of saturation)
Là tỷ số giữa thể tích nước trong một khối đất và thể tích lỗ rỗng của đất trong khối đất đó.
6. Dung trọng tự nhiên (dung trọng ướt – khối lượng thể tích tự nhiên) – (Unit weight – Bulk unit weight)
Là khối lượng của một đơn vị thể tích đất có kết cấu và độ ẩm tự nhiên.
7. Dung trọng bão hòa của đất (Saturated unit weight)
Là dung trọng của đất khi các lỗ rỗng của đất chứa đầy nước. Trong trường hợp này đất chỉ gồm hai thành phần: hạt rắn và nước.
8. Dung trọng đẩy nổi của đất (Effective unit weight)
Là dung trọng của đất khi bị ngập dưới mặt nước tự do, tức là bằng tỷ số giữa trọng lượng nổi của phần thể rắn trong khối đất và thể tích của khối đất đó.
9. Dung trọng khô của đất (Dry unit weight)
Dung trọng khô của đất hay còn gọi là khối lượng thể tích khô của đất. Là tỷ số giữa khối lượng hạt rắn trong đất và thể tích đất ở trạng thái tự nhiên.
10. Chỉ số dẻo - độ sệt (Plasticity Index – Liquidity Index)
Các tính chất cơ lý của đất dính liên quan đến bốn trạng thái khác nhau: cứng, nửa cứng, dẻo và lỏng. Nếu chúng ta vẽ biểu đồ khối lượng so với hàm lượng nước như hình dưới đây, chúng ta có thể xác định trạng thái dòng chảy ban đầu là điểm A. Tại điểm B, đất trở nên cứng đến mức không thể chảy được nữa. Hàm lượng nước (độ ẩm) tại ranh giới của điểm B được gọi là giới hạn chất lỏng (LL). Khi đất tiếp tục khô, đất có thể được định hình thành bất kỳ hình dạng mong muốn nào trong một phạm vi độ ẩm nhất định mà không bị nứt. Đất ở trạng thái này được cho là thể hiện tính dẻo, khả năng biến dạng liên tục mà không bị nứt. Tuy nhiên, nếu quá trình làm khô tiếp tục vượt quá phạm vi hàm lượng nước của hành vi dẻo, đất sẽ trở thành nửa cứng. Đất chưa phát triển nứt nẻ không thể đổ được bây giờ. Hàm lượng nước mà đất chuyển từ dẻo sang nửa cứng gọi là giới hạn dẻo (ký hiệu PL).
Phạm vi hàm lượng nước mà đất biến dạng dẻo được gọi là chỉ số dẻo (Plasticity index – ký hiệu PI):
● PI = LL – PL
Khi đất tiếp tục khô, nó trở thành một trạng thái rắn, được gọi là trạng thái cứng. Ở trạng thái này, sẽ không có sự thay đổi thể tích nào nữa vì hầu như toàn bộ nước trong đất đã bị loại bỏ. Hàm lượng nước mà đất chuyển từ nửa cứng sang cứng gọi là giới hạn co ngót (ký hiệu SL). Giới hạn co ngót có thể được sử dụng để xác định độ giãn nở và co lại của đất. Giới hạn năng suất và nhựa được gọi là giới hạn Atterberg; được đặt theo tên của người khởi xướng, nhà khoa học đất Thụy Điển A. Atterberg (1911). Chúng ta có thể liên kết các đặc tính cường độ cụ thể với từng trạng thái của đất. Ở trạng thái chảy, đất có cường độ thấp nhất và độ biến dạng lớn nhất. Ở trạng thái cứng, đất có cường độ lớn nhất và sức biến dạng thấp nhất. Một phương pháp đo cường độ của đất sử dụng giới hạn Atterberg được gọi là Chỉ số thanh khoản (LI).
11. Góc ma sát trong và lực dính của đất (Internal friction angle – Coefficient cohesive)
Hai thông số, góc nội ma sát và lực dính của đất, đại diện cho sức chống cắt của đất.
Để xác định độ bền cắt của đất, có thể thực hiện thử nghiệm cắt trực tiếp trên máy cắt mặt phẳng. Sau khi nén các mẫu đất trên với tải trọng thẳng đứng P nhất định, đợi mẫu đất ổn định hoàn toàn cho đến khi biến dạng lún. Sau đó, với tải trọng ngang tăng lên đến một vị trí lớn nhất nhất định (Q), mẫu đất được cắt trực tiếp, và mẫu đất bị cắt hoàn toàn. Khi đất trượt dưới áp lực nén σ, giá trị của ứng suất cắt τ tại một điểm trên mặt trượt được xác định bằng cách chia lực cắt cho diện tích mặt cắt ngang của mẫu đất. Trong đó F là tiết diện của mẫu đất Như vậy, chúng tôi đã thực hiện một số thí nghiệm để xác định sức chống cắt lớn nhất của đất ở mỗi áp lực nén khác nhau (thường là 3-4 mẫu).
Từ kết quả của thí nghiệm cắt đất, có thể thiết lập đồ thị sự phụ thuộc giữa ứng suất nén σ và ứng suất cắt τ.
Đối với đất rời
Trong đó:
S là sức chống cắt cực đại của đất;
τgh là ứng suất cắt giới hạn;
σ là áp lực nén;
φ là góc ma sát trong của đất.
Công thức trên là đất rời vì phát hiện đầu tiên của C.A. Coulomb vào năm 1773 được gọi là định luật trượt của đất, hay còn gọi là định luật Coulomb. "Độ bền cắt cuối cùng của đất rời là sức cản ma sát, tỷ lệ với áp suất nén theo phương thẳng đứng".
Đối với đất dính
Đất sét khác với đất rời ở chỗ các hạt đất được giữ lại với nhau bằng màng nước hấp phụ, chất kết dính và vật liệu kết dính. Do đó, ngay cả với những biến dạng trượt nhỏ, đất sét đã có một độ bền cắt nhất định. Vì vậy, đối với đất dính, ngoài thành phần nội ma sát còn có thành phần lực nhớt cũng tham gia vào khả năng chịu cắt của đất.
Với các thí nghiệm tương tự như đối với đất rời, có thể vẽ biểu đồ sự phụ thuộc giữa các ứng suất. τ và ứng suất nén thẳng đứng có dạng một đường thẳng qua trục tung một khoảng C.
Trong đó: C là lực dính kết đơn vị của đất.
Định luật Coulomb viết cho đất dính được nghiên cứu và chắt lọc như sau:
"Cường độ cắt lớn nhất của đất dính là hàm bậc nhất của ứng suất nén dọc và gồm hai thành phần: lực dính C không phụ thuộc vào ứng suất nén dọc.”
12. Hệ số nén và mô đun biến dạng của đất nền
Xét một mẫu đất nguyên tố có chiều cao h và giả sử rằng mẫu đất nguyên tố gồm hai phần: thể tích hạt rắn và thể tích lỗ rỗng tương ứng với tỷ lệ rỗng ban đầu e0. Dưới tác dụng của tải trọng P, sự biến dạng của mẫu đất chỉ gây ra bởi sự giảm thể tích lỗ rỗng, còn thể tích của các hạt rắn không thay đổi.
Nhưng : ΔV = Δh.F và V = h.F
F là diện tích mặt cắt ngang của mẫu đất;
Δh là chênh lệch chiều cao trước và sau khi nén lún của mẫu đất.
V - Vậy sự khác nhau giữa 7, 9 và 17 chỉ tiêu cơ lý của đất là gì?
Sự khác nhau thường thấy của các chỉ tiêu này như sau:
7 chỉ tiêu cơ lý của đất áp dụng cho đất hình thành và không kết dính
9 chỉ tiêu cơ lý của đất áp dụng cho đất nguyên vẹn
17 chỉ tiêu cơ lý của đất, trong đó có 9 chỉ tiêu thí nghiệm 8 chỉ tiêu tính toán từ 9 chỉ tiêu thí nghiệm của đất.
Vì vậy, nói chung, khi nói đến các phép thửcơ lý của đất, các chỉ tiêu cơ lý thường được áp dụng , trong trường hợp là cát và hỗn hợp, nó sẽ không kiểm tra độ dẻo, trong khi 17 tiêu chí là tiêu chí được tính toán từ 9 chỉ tiêu cơ lý của đất.
Kết luận
Các chỉ tiêu cơ lý của đất có thể rất hữu ích cho các kỹ sư trong quá trình xây dựng, chúng cũng mang tính thông tin và sẽ được áp dụng một cách chính xác. Các thí nghiệm cụ thể vẫn phải được thực hiện để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu nhằm đề xuất các giải pháp mang tính xây dựng và hiệu quả. Ngoài ra bạn cũng có thể tìm hiểu thêm về thí nghiệm nén 3 trục để xác định được lực tác động đến các loại đất từ đó đưa ra quy trình xây dựng cơ sở hạ tầng hợp lý.
