Bài giảng Địa chất công trình - Chương 2: Thành phần cấu trúc và một số tính chất cơ lý của đất đá
CHƯƠNG 2: THÀNH PHẦN CẤU TRÚC
VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT ĐÁ
2.1. THÀNH PHẦN KẾT CẤU CỦA ĐẤT ĐÁ
Đất đá được cấu tạo bởi 3 thành phần (3 pha): hạt rắn
(pha rắn), dung dịch hoặc nước (pha lỏng) và các chất khí
(pha khí).
2.1.1. Phần hạt rắn (pha rắn)
Đối với đá cứng và nửa cứng - thành phần khoáng vật và tính
chất các liên kết đóng vai trò quan trọng trong việc xác định
các tính chất cơ lý.
Đối với đất - thành phần hạt, hình dạng, mức độ chặt sít,…
Cáthành phần cấu trúđấlà cátinh thriêng rẽcác
mảnh vụn đất đá tạo thành pha rắn và thể hiện thông
qua các đặc trưng kích thướchình dạngđặc điểm bề
mặhạrắn và hàm lượng của chún.
Kích thướhạ(theo tiêu chuẩn)
Thành phần hạvà phân loạđấ(theo tiêu chuẩn)
Thành phần hạcủđấlhàm lượncánhóm hạcđộ
lớn khác nhau ở trong đất, được biểu diễn bằng tỷ lệ
phần trăm so vớkhốlượng của mẫu đấkhô tuyệđối
(sấy ở 105Cđã lấy đphân tíc.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
100
10
1
0.1
0.01
0.001
Ñöôøng kính côõ haït mm
HAÏT CAÙT
HAÏT
seùt
HAÏT BUÏI
MAÃU SOÁ
Caùt to
2 - 1
5.0
Caùt trung Caùt nhoû C.thaät nhoû Caùt buïi
Buïi to
Buïi nhoû
TEÂN CÔÕ ÑAÁT
Ñöôøng kính côõ haït (mm)
HAÏT SOÛI SAÏN
> 10
10 - 5
5 - 2
3.0
1- 0.5
11.0
0.5-0.25 0.25-0.1 0.1-0.05 0.05-0.01 0.01-0.005 < 0.005
21.0
33.0
14.0
8.0
7.0
30.0
2.0
7.0
4.0
55.0
Thaønh phaàn côõ haït (%)
Hsố không đồng nhấcủa mẫu l:
d60
d10
Cu =
d320
Hệ số cấp phối
Cg =
d10 d60
Khi Cu < 3 đất đồng đều, Cu > 5 đất rất không đồng đều
(cấp phối tốt). Đất cấp phối tốt có Cg = 0,5 – 2,0.
Tỷ diện tích là tỷ lệ diện tích mặt ngoài của vật liệu với khối
lượng hoặc thể tích của vật liệu đó.
Tỷ diện tích:
Ss
=
m
Ví d: đất đỏ nâu trên bazan (Tây Nguyên) – 16
m10đấvàng đỏ trên granit– 44 m10.
Mẫu cámịn lẫn bộcó hệ số rỗng e = 85Mẫu cáthô có
hệ số rỗng e = 65Mẫu bùn sécó hệ số rỗng e = 05.
Hsố thấm của mẫu đấnào lớn nhấtnhỏ nhấttạsao?
Giá tr tăntheo mứđộ phân tánđtăng cágócạnh
và độ nhám bề mặ. Giá trị thay đổi trong phạm vi
rộntrong cá = 001 1 m/trong cápha và sét
ph = 1 10 m/trong sé = 10 100 m/trong
đấphân tán cao (sénặng = 100 800 m/.
2.1.2. Nước trong lỗ rỗng của đất đá (pha lỏng)
Dựa vào mối liên kết giữa nước với các hạt đất đá chia ra:
-Nước trong khoáng vật của đất đá
-Nước kết hợp mặt ngoài: được giữ lại trên bề mặt hạt sét do
các tác dụng hóa học, hóa – lý và điện phân tử.
-
+
+
H+
H+
-
O2-
Haït ñaát
+
-
Sơ đồ biểu thị sự phân cực của nước
Tùy theo mức độ kết hợp mạnh yếu khác nhau, nước kết hợp
mặt ngoài hạt đất chia ra nước hút bám và nước màng mỏng:
a) Nước hút bám: Tỷ trọng lớn hơn 1. Đối với đất cát là 0,5%,
đối với đất sét pha là 5 - 7%và đối với đất sét là 10 - 20%. Khi
đất sét chỉ có nước hút bám thì đất ở trạng thái cứng.
b) Nước màng mỏng: chia ra nước liên kết chặt và nước liên
kết yếu.
- Nước liên kết chặt bám tương đối chặt xung quanh hạt đất,
độ ẩm tương ứng với bề dày lớn nhất của nước hút bám và
nước liên kết chặt gọi là lượng chứa nước phân tử lớn nhất
của đất. Khi trong đất chỉ có nước liên kết chặt thì đất ở
trạng thái nửa cứng.
- Nước liên kết yếu là phần bao ngoài của nước màng mỏng.
Khi trong đất có chứa loại nước này thì đất ở trạng thái dẻo.
Sự có mặt của nước kết hợp làm cho đất có tính dẻo; nó còn
có tác dụng bịt kín các lỗ hổng giữa các hạt đất làm cho tính
thấm giảm đi hoặc thậm chí không thấm.
-Nước tự do là nước nằm ngoài ảnh hưởng của lực hút về phía
hạt gồm:
Nước mao dẫn tồn tại trong lỗ rỗng, khe nứt nhỏ của đất đá
(bề rộng<2mm) dưới ảnh hưởng của lực mao dẫn.
C
hk =
Chiều cao mao dẫn:
ed10
Ở đây: e – hệ số rỗng của đất
d10 – đường kính hữu hiệu
Hệ số C = 10 40: biến đổi tùy theo thành phần và
hình dạng hạt.
Mặt đất
q=w.hk
Mặt khum lõm
pk
Đới bão hòa
mao dẫn
hk
Mực nước ngầm
Trang 8
Nước trọng lực: Nước trọng lực có khả năng dịch chuyển dưới
tác dụng của trọng lực hay do sự chênh lệch áp lực.
2.1.3. Khí trong lỗ rỗng của đất đá (Pha khí)
Khí trong đất có thể ở trạng thái tự do, hút bám hoặc bọc kín
hay hòa tan. Khí bọc kín và khí hòa tan làm tăng tính đàn
hồi, kéo dài quá trình cố kết, làm giảm khả năng thấm của
đất.
2.2. CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ
Theå tích
Khoái löôïng
Va
khí
nöôùc
haït
Qa
Vw
Q
Qw
V
Vs
Qs
Khối lượng thể tích của đất đá tự nhiên: là khối lượng của một
đơn vị thể tích đất ký hiệu , đơn vị: (T/m3, g/cm3).
Q
=
V
Khối lượng thể tích đất khô: là khối lượng của một đơn vị thể
tích đất khô hoàn toàn ký hiệu d, đơn vị: (T/m3, g/cm3).
Qs
d =
V
Khối lượng riêng của hạt: là khối lượng của một đơn vị thể tích
chỉ riêng phần hạt rắn ký hiệu s, đơn vị: (T/m3, g/cm3).
Qs
s =
Vs
Khối lượng thể tích đẩy nổi: là khối lượng của một đơn vị thể
tích đất khi cân trong nước ký hiệu sub, đơn vị: (T/m3,
g/cm3).
Qs − w.Vs
sub =
V
Độ ẩm: là tỷ số giữa khối lượng nước và khối lượng đất khô
(khối lượng phần cốt đất), ký hiệu W, đơn vị tính %
Qw
W % =
Qs
Độ bão hòa: là tỷ số giữa thể tích nước trong lỗ rỗng so với
thể tích toàn bộ lỗ rỗng, ký hiệu là Sr, đơn vị tính là %.
Vw
Sr = 100%
Vr
Vr
Độ rỗng n và hệ số rỗng e:
n% = 100%
Vr
Vs
e =
V
Các công thức liên hệ:
1+W
d =
Khối lượng thể tích đất khô:
s
d
e
e = −1
Hệ số rỗng:
Độ bão hòa:
Độ rỗng:
n =
100%
1+ e
Ws
ew
Sr =
s −1
1+ e
sub =
Khối lượng thể tích đẩy nổi:
Các giới hạn Atterberg: Đặc điểm quan trọng của trạng thái
vật lý của đất loại sét là độ sệt.
Giới hạn nhão (WL) của đất loại sét được xác định (theo
TCVN) bằng hai phương pháp: Casagrande hoặc Vaxiliev.
Giới hạn dẻo (WP).
Khoảng độ ẩm mà trong phạm vi giới hạn của chúng đất loại
sét ở trạng thái dẻo được gọi là chỉ số dẻo Ip= (WL-WP).
Độ sệt:
W −WP
IL =
IP
2.3. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ HỌC
Tính chất cơ học của đất đá bao gồm:
Tính biến dạng
Tính bền (Cắt và nén là 2 hình thức chủ yếu làm mất độ bền
của đất đá)
2.3.1. Ứng suất và biến dạng của đất đá
Khi có tác dụng của ngoại lực thì bên trong khối đá xuất hiện
các lực chống lại – nội lực, hình thành ứng suất trong đất đá.
Lực tác dụng vào vật liệu và làm thay đổi kích thước của vật
liệu gọi là áp lực.
Ứng suất là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích. Biến dạng -
tỷ số biến đổi về chiều dài, chiều rộng hay chiều cao.
Ứng suất và ứng suất hữu hiệu: tải trọng Q tác dụng phân bố
đều lên một tiết diện A của mẫu đất. Tải trọng thực sự tác
dụng lên phần hạt rắn của mẫu đất là Q’.
Theo thực nghiệm người ta vẽ được đồ thị ứng suất – biến
dạng.
Q
Ứng suất tổng:
=
A
Q
h
= 100%
ho
h
ho
với h – biến dạng dọc trục;
ho – chiều cao ban đầu của mẫu (thường
mẫu hình lăng trụ có chiều cao ho=2d); d –
đường kính mẫu; A – tiết diện ngang của
mẫu ứng với tải trọng ngoài Q.
A
Trang 14
Phaù huûy
Deûo
Ñieåm uoán
Ñaøn hoài
Bieán daïng
Đồ thị ứng suất – biến dạng của một vật liệu.
Đàn hồi: Ứng suất tỷ lệ thuận với biến dạng theo quan hệ tuyến
tính.
Dẻo: biến dạng tăng nhanh trong khi ứng suất tăng chậm.
Phá hủy.
Q'
Ứng suất hữu hiệu:
'=
A
Q = Q’ + uAr
Ac
Q Q' A Q'
A
c
r
= + u
= + u 1−
A A
A A
A
Ở đây Ac diện tích tiếp xúc giữa các hạt rắn và tải trọng.
Do diện tích tiếp xúc trực tiếp giữa các hạt rắn và
tải trọng rất bé, do đó tỷ số Ar/A 1.
Như vậy: = ’ + u
P
Q
A
=
h
h
ho
ho
= 100%
30
25
20
15
10
5
A
Module biến
dạng:
Cường độ sức
chịu nén:
0
0
4
8
12
16
Qcr
E =
Biến dạng (%)
qu =
A
Có 3 loại ứng suất: kéo (tensional), nén (compressional) và cắt
(shear).
A
P
A =
1
cos
n
Ứng suất (ứng lực trên một
đơn vị diện tích) trên một tiết
diện được phân ra ứng suất
pháp và ứng suất tiếp .
Pp
Pt
P
n
Theo phương pháp tuyến (Pp) và tiếp tuyến (Pt) của tiết diện này
được tính theo:
Pp = P.cos ;
Pt = P.sin
Khi đó ứng suất pháp và ứng suất tiếp sẽ bằng:
P 1
1
p
= = 1(1+ cos2)
t
= = 1 sin 2
A 2
A 2
1
1
Trang 18
1
2
pmax = 1
max =
Áp suất và nhiệt độ cao cùng cho phép biến dạng kết tinh và nội kết tinh
thông qua cơ chế dẻo nhớt. Khi đó biến dạng địa chất là do sự uốn nếp chứ
không phải do đứt gãy.
Từ trái sang phải: mẫu đá nguyên dạng; ở biến dạng 20% dưới áp lực xung
quanh 280 atm.; ở biến dạng 20% dưới áp lực xung quanh 460 atm.
Trang 19
Nguồn gốc ứng suất trong lòng đất:
Trong đá trầm tích nằm ngang ứng suất thẳng đứng được lấy
bằng trọng lượng của từng lớp riêng nằm trên:
v = (t11 + t22 + ... + tnn)
Ứng suất “lịch sử” do xói mòn
Ảnh hưởng của địa hình
Ứng suất kiến tạo
2.3.2. Môđun biến dạng
Biến dạng thường được định nghĩa như là tỷ số không thứ
nguyên của biến thiên chiều dài L đối với chiều dài ban đầu:
L dL
= =
L L
Theo Robert Hooke, đối với nhiều vật liệu biến dạng nhỏ, biến dạng có thể
phục hồi và tỷ lệ tuyến tính với ứng suất. Định luật Hooke: = E.
Trang 20
Tải về để xem bản đầy đủ
38 trang
22280
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Địa chất công trình - Chương 2: Thành phần cấu trúc và một số tính chất cơ lý của đất đá", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_dia_chat_cong_trinh_chuong_2_thanh_phan_cau_truc_v.ppt
