Skip to content

Chương 7 — Tính chất đất và trạng thái của đất

Chương này bàn về trạng thái và tính chất nền tảng của đất: ứng xử, trọng lượng, độ dẻo, ứng suất hữu hiệu, cố kết trước (OCR), và toàn bộ phần lực hút đất (soil suction) — chủ đề ít được đề cập ở các sổ tay khác.

Figure: burt-ch07-ocr-suction

Hình. Hệ số cố kết trước OCR trên đường cong e – log σ′v (nhánh nén lại và nhánh nén nguyên sinh) và thang lực hút đất pF.

7.1 Ứng xử của đất

Bảng của mục này đối chiếu ứng xử điển hình của đất hạt rời và đất dính dưới tải trọng, thoát nước và biến dạng — khung khái niệm cho các chương sau.

Bảng 7.1 — Ứng xử điển hình của đất hạt rời và đất dính.

Khía cạnh Đất hạt rời Đất dính
Thoát nước Thoát nhanh Thoát chậm
Cường độ Góc ma sát φ Lực dính c và φ
Nén Ít nén Nén nhiều, có cố kết
Ảnh hưởng của nước Nhỏ (trừ cát mịn) Lớn
Cường độ theo thời gian Ổn định Thay đổi (nhạy, cố kết)

7.2 Trạng thái của đất

Bảng của mục này liên hệ trạng thái (rời/chặt, mềm/cứng) với các thông số đo được (N, Cu, độ ẩm, Dr) và với ý nghĩa thiết kế.

Bảng 7.2 — Trạng thái đất và thông số đo được.

Trạng thái Thông số đo được Ý nghĩa thiết kế
Rời Dr thấp, N thấp Nguy cơ lún, hóa lỏng
Chặt Dr cao, N cao Sức chịu tải tốt, lún ít
Mềm Cu thấp, độ ẩm cao Sức chịu tải thấp
Cứng Cu cao, độ ẩm thấp Sức chịu tải tốt

7.3 Trọng lượng đất

Bảng của mục này đưa trọng lượng đơn vị (kN/m³) điển hình cho các loại đất — trên mực nước ngầm, dưới mực nước ngầm (đẩy nổi), đất đắp đầm chặt.

Bảng 7.3 — Trọng lượng đơn vị điển hình của các loại đất.

Loại đất γ trên mực nước ngầm (kN/m³) γ′ dưới mực nước ngầm (kN/m³)
Sỏi 19–21 10–12
Cát 17–20 9–11
Bụi 17–19 8–10
Sét mềm 15–18 6–9
Sét cứng 18–21 9–12
Đất đắp đầm chặt 19–22 10–13

7.4 Ý nghĩa của màu sắc

Bảng của mục này diễn giải màu sắc đất: vệt nâu–vàng (oxy hóa, thoát nước tốt), vệt xám–xanh (khử, bão hòa thường xuyên), đốm (dao động mực nước), và đất sẫm (hữu cơ) — công cụ đọc lịch sử nước ngầm miễn phí.

Bảng 7.4 — Ý nghĩa của màu sắc đất.

Màu / vệt Diễn giải
Nâu–vàng Oxy hóa, thoát nước tốt, ở trên mực nước ngầm
Xám–xanh Môi trường khử, bão hòa thường xuyên
Đốm loang Dao động mực nước ngầm theo mùa
Sẫm đen Giàu hữu cơ

7.5 Đặc trưng dẻo của các khoáng sét phổ biến

Bảng của mục này đưa giới hạn chảy và chỉ số dẻo điển hình cho kaolinit, illit, montmorillonit (smectit), và hỗn hợp — giải thích vì sao cùng "đất sét" lại có độ trương nở rất khác nhau.

Bảng 7.5 — Đặc trưng dẻo của các khoáng sét phổ biến.

Khoáng LL (%) PI (%) Tính trương nở
Kaolinit 30–60 10–25 Thấp
Illit 60–100 20–40 Trung bình
Montmorillonit (smectit) 100–900 50–700 Rất cao
Hỗn hợp Biến thiên Biến thiên Vừa–cao

7.6 Chỉ số dẻo có trọng số

Chỉ số dẻo có trọng số (weighted PI) kết hợp hàm lượng và độ dẻo của từng loại khoáng sét, cho dự báo tốt hơn về tính trương nở và cường độ.

7.7 Ảnh hưởng của cấp phối

Bảng của mục này liên hệ cấp phối (Cu, Cc) với tính thi công, độ thấm và cường độ của đất đắp.

Bảng 7.7 — Ảnh hưởng của cấp phối đến tính chất đất đắp.

Đặc trưng Ảnh hưởng
Cu cao (cấp phối tốt) Đầm chặt tốt, cường độ cao, thấm thấp
Cu thấp (hạt đều) Thấm cao, khó đầm chặt
Cc trong khoảng 1–3 Tính thi công tốt
Thiếu cỡ trung (gap graded) Khó đầm, tính chất biến thiên

7.8 Ma sát hữu hiệu của đất hạt rời

Bảng của mục này đưa góc ma sát hữu hiệu φ′ điển hình theo cấp phối, hình dạng hạt và độ chặt (bổ sung cho mục 5.7–5.9).

Bảng 7.8 — Góc ma sát hữu hiệu điển hình.

Loại đất φ′
Sỏi 34–45°
Cát thô 32–40°
Cát trung 30–36°
Cát mịn 28–34°
Bụi 26–32°

7.9 Cường độ hữu hiệu của đất dính

Bảng của mục này đưa c′ và φ′ điển hình cho sét cố kết thường và cố kết trước, và liên hệ với chỉ số dẻo.

Bảng 7.9 — c′ và φ′ điển hình của đất dính.

Loại đất c′ (kPa) φ′
Sét cố kết thường (NC) 0–10 18–28°
Sét cố kết trước (OC) 5–30 20–30°
Sét rất cứng 20–100 15–25°

7.10 Hệ số cố kết trước (OCR)

OCR = σ′p / σ′v. Bảng của mục này diễn giải các dải OCR (cố kết thường OCR ≈ 1, cố kết trước nhẹ 1–2, trung bình 2–4, mạnh > 4) và nguyên nhân (bào mòn, băng hà, khô hạn, tải trọng đã dỡ).

Bảng 7.10 — Diễn giải các dải OCR.

Trạng thái OCR Nguyên nhân điển hình
Cố kết thường ≈ 1 Chưa từng chịu tải lớn hơn hiện tại
Cố kết trước nhẹ 1–2 Bào mòn nhẹ, dao động mực nước
Cố kết trước trung bình 2–4 Bào mòn, khô hạn
Cố kết trước mạnh > 4 Băng hà, bào mòn lớn, tải trọng đã dỡ

OCR = σ′p / σ′v.

7.11 Ứng suất tiền cố kết từ CPT

Tương quan σ′p từ qc và u (phương pháp Kulhawy–Mayne), cho phép lập hồ sơ OCR theo độ sâu từ một lần xuyên.

7.12 Ứng suất tiền cố kết từ DMT

Bảng của mục này suy σ′p từ các chỉ số DMT (p0, p1) cho sét và cho cát.

Bảng 7.12 — Suy σ′p từ các chỉ số DMT.

KD OCR xấp xỉ (sét)
2 1
4 3
6 5,5
8 9
10 12

σ′p = OCR × σ′v; quan hệ mang tính xấp xỉ, cần hiệu chỉnh theo địa phương.

7.13 Ứng suất tiền cố kết từ vận tốc sóng cắt

Từ vận tốc sóng cắt Vs (thí nghiệm seismic CPT, cross-hole, hoặc MASW) suy ra σ′p và OCR mà không cần lấy mẫu — hữu ích cho đất khó lấy mẫu.

7.14 OCR từ DMT

Bảng của mục này liên hệ KD với OCR cho sét và bụi.

Bảng 7.14 — Liên hệ KD với OCR cho sét và bụi.

KD Sét Bụi
2 1 1
4 3 2
6 6 4
8 9 6

Giá trị mang tính xấp xỉ; nên kiểm chứng bằng ít nhất hai phương pháp độc lập.

7.15 Áp lực đất ngang từ DMT

Từ KD suy ra K₀ (xem thêm Chương 19).

7.16 OCR từ tỷ số cường độ không thoát nước và góc ma sát

Bảng của mục này liên hệ Cu/σ′v với OCR và φ′ (khung SHANSEP), cho phép kiểm tra chéo giữa các phương pháp.

Bảng 7.16 — Liên hệ Cu/σ′v với OCR (khung SHANSEP).

OCR Cu / σ′v điển hình
1 0,20–0,25
2 0,35–0,45
4 0,60–0,75
8 1,05–1,30

Cu/σ′v = S · OCR^m với S ≈ 0,22 và m ≈ 0,8 cho nhiều loại sét.

7.17 OCR từ tỷ số cường độ không thoát nước

Bảng rút gọn: OCR suy trực tiếp từ Cu/σ′v khi đã biết chỉ số dẻo.

Bảng 7.17 — Suy OCR trực tiếp từ tỷ số Cu/σ′v.

Cu / σ′v OCR (PI trung bình)
0,2 1
0,3 2
0,4 3
0,5 5
0,7 10

7.18 Các mốc thang hút đất pF

Bảng của mục này đưa thang pF (logarit của lực hút tính bằng cm nước) và các mốc vật lý: bão hòa (pF 0), dung lượng đồng ruộng (~pF 2), điểm héo cây (~pF 4,2), lò sấy (pF > 6).

Bảng 7.18 — Các mốc của thang hút đất pF.

Trạng thái pF Lực hút xấp xỉ (kPa)
Bão hòa 0 0
Dung lượng đồng ruộng ~2 ~10
Điểm héo cây ~4,2 ~1.500
Lò sấy (khô hoàn toàn) > 6 > 100.000

pF = log₁₀ của lực hút tính bằng cm nước.

7.19 Giá trị hút đất cho các vật liệu khác nhau

Bảng của mục này đưa giá trị lực hút điển hình cho cát, bụi, sét, sét trương nở ở các trạng thái khác nhau.

Bảng 7.19 — Giá trị hút đất điển hình theo vật liệu.

Vật liệu Lực hút ở trạng thái điển hình (kPa)
Cát 0–10
Bụi 10–100
Sét dẻo thấp 100–500
Sét trương nở 500–3000

7.20 Mạch mao dẫn

Bảng của mục này liên hệ kích thước hạt/lỗ rỗng với chiều cao mao dẫn — yếu tố quan trọng cho đất trên mực nước ngầm và cho vật liệu thoát nước.

Bảng 7.20 — Liên hệ kích thước lỗ rỗng với chiều cao mao dẫn.

Vật liệu Kích thước lỗ (mm) Chiều cao mao dẫn (m)
Sỏi > 2 < 0,03
Cát thô 0,5–2 0,03–0,1
Cát mịn 0,05–0,5 0,1–1
Bụi 0,005–0,05 1–10
Sét < 0,005 > 10

7.21 Hút đất cân bằng tại Úc

Bảng dữ liệu khu vực: lực hút cân bằng theo vùng khí hậu và loại đất tại Úc — một ví dụ về việc lực hút phụ thuộc mạnh vào khí hậu địa phương.

Bảng 7.21 — Lực hút cân bằng theo vùng khí hậu tại Úc.

Vùng khí hậu Lực hút cân bằng (kPa)
Ẩm ướt (ven biển) 0–50
Bán ẩm 50–150
Bán khô 150–300
Khô hạn 300–600

Ví dụ cho thấy lực hút phụ thuộc mạnh vào khí hậu địa phương.

7.22 Ảnh hưởng của khí hậu đến biến thiên lực hút

Bảng của mục này liên hệ biên độ thay đổi lực hút theo mùa với khí hậu, làm cơ sở xác định vùng hoạt động.

Bảng 7.22 — Biên độ biến thiên lực hút theo mùa.

Khí hậu Biên độ theo mùa (kPa)
Ẩm < 50
Bán ẩm 50–150
Khô hạn > 150

7.23 Ảnh hưởng của khí hậu đến vùng hoạt động

Vùng hoạt động (active zone) là lớp đất chịu thay đổi độ ẩm theo mùa. Bảng của mục này đưa chiều sâu vùng hoạt động điển hình theo khí hậu và loại đất — cơ sở cho thiết kế móng nhà nhẹ và mặt đường.

Bảng 7.23 — Chiều sâu vùng hoạt động điển hình.

Khí hậu Sét trương nở Sét thường Cát / bụi
Ôn hòa ẩm 1,0–1,5 m 0,8–1,2 m 0,5–1,0 m
Bán khô 1,5–2,5 m 1,0–1,8 m 0,8–1,5 m
Khô hạn 2,5–4,0 m 1,5–2,5 m 1,0–2,0 m

7.24 Ảnh hưởng của đầm chặt đến lực hút

Đầm chặt ở độ ẩm khác độ ẩm tối ưu làm thay đổi lực hút và cấu trúc đất, ảnh hưởng đến độ bền lâu dài của đất đắp — đặc biệt với đất trương nở.

Ghi nhớ của chương

  • OCR (mục 7.10–7.17) là thông số trung tâm — nó chi phối K₀, mô đun, cường độ và lún. Luôn xác định OCR bằng ít nhất hai phương pháp độc lập.
  • Lực hút đất (mục 7.18–7.24) chi phối ứng xử của đất không bão hòa — phổ biến ở Việt Nam và các vùng khí hậu nhiệt đới.
  • Màu sắc (mục 7.4) là chỉ dấu miễn phí về lịch sử nước ngầm.