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.
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.