Bộ môn Địa Kỹ Thuật, WRU 2 CHƯƠNG 1 TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT Bài 1: Cho một mẫu đất ẩm vào một hộp đựng mẫu khô có khối lượng 462 gam. Sau khi sấy khô trong tủ sấy trong một đêm tại nhiệt độ 110 0 C, cân mẫu và hộp đựng mẫu được 364 gam. Khối lượng của hộp đựng mẫu là 36 gam.Yêu cầu xác định độ ẩm của mẫu đất. Bài giải Lập thành một biểu đồ tính như sau và điền đầy đủ các số liệu cho và kết quả đo vào (a),(b) và (d) sau đó tính toán kết quả điền vào (c),(e) và (f). Khối lượng tổng của mẫu + hộp đựng mẫu = 462 g. Khối lượng đất khô + hộp đựng mẫu = 364 g. Khối lượng nước(a-b) = 98 g. Khối lượng hộp đựng mẫu = 39 g. Khối lượng đất khô( b-d) = 325 g. Độ ẩm (c/e) x 100% = 30.2%. Bài 2: Cho  = 1.76 T/m 3 (khối lượng riêng tổng); W = 10% ( Độ ẩm) Yêu cầu: Xác định  d (khối lượng riêng khô), e (hệ số rỗng), n (độ rỗng), S (độ bão hoà) và  sat (khối lượng riêng bão hoà). Bài giải: Vẽ sơ đồ ba thể (Hình ví dụ 2.2a), giả thiết rằng V t =1 m 3 . Từ định nghĩa về độ ẩm( phương trình 2-5) và khối lượng riêng tổng( phương trình 2-6) chúng ta có thể xác định M s và M w . Lưu ý khi tính toán độ ẩm được biểu thị theo số thập phân. s w M M w  10,0 3 3 0,1 /76,1 m MM V M mMg sw t t    Bộ môn Địa Kỹ Thuật, WRU 3 Hình ví dụ 2.2a Thay M w = 0.1 M s ta nhận được: 1,76Mg/m 3 = 3 0,1 10,0 m MM ss  M s = 1,60Mg và M w = 1,16 Mg Những giá trị này bây giờ được ghi lên cạnh khối lượng của sơ đồ ba thể ( hình ví dụ 2.2b) và tiếp tục tính toán các chỉ tiêu tiếp theo. Từ định nghĩa của ρ w (công thức 2-8) có thể tính tiếp V w : w w w V M   hoặc: 3 3 160,0 /1 16,0 m mMg Mg M V w w w   Đưa các giá trị này vào sơ đồ ba thể hình ví dụ 2.2b. Để tính V s , giả thiết khối lượng riêng hạt  s =2.7 Mg/m 3 . Từ định nghĩa của  s (Phương trình 2-7), có thể tính trực tiếp V s , hoặc: 3 3 593,0 /70,2 6,1 m mMg Mg M V s s s   Thể tích (m 3 ) Khối lượng (Mg) Bộ môn Địa Kỹ Thuật, WRU 4 Hình ví dụ 2.2b Vì V t = V a + V w + V s , có thể tính V a , vì đã biết các đại lượng khác V a = V t - V w - V s = 1.0 -0.593 - 0.16 = 0.247 m 3 Khi sơ đồ ba thể đã được điền đầy, việc giải tiếp bài toán chỉ là điền đủ các số cụ thể vào các định nghĩa tương ứng đã nêu. Nhưng chú ý rằng, khi tính toán bạn phải viết ra dạng công thức, sau đó đưa các giá trị theo đúng thứ tự các số hạng đã ghi trong công thức. Và cũng lưu ý thêm là nên viết cả đơn vị vào biểu thức khi tính. Việc tính toán các yêu cầu còn lại trở nên dễ dàng Từ phương trình 2-9: 3 3 /6,1 1 6,1 mMg m Mg V M t s d   Từ phương trình 2-1: 686,0 593,0 160,0247,0      s wa s v V VV V V e Từ phương trình 2-2: %7,40100 0,1 160,0247,0 100      t wa t v V VV V V n Từ phương trình 2-4: %3,39100 160,0247,0 160,1 100      wa w v w VV V V V S Khối lượng riêng bão hoà  sat là khối lượng riêng của đất khi lỗ rỗng trong đất chứa đầy nước, đó cũng là khi đất bão hoà hoàn toàn với S=100%( Phương trình 2-10). Vì Thể tích (m 3 ) Khối lượng (Mg) Bộ môn Địa Kỹ Thuật, WRU 5 thế khi thể tích khí V a chứa đầy nước, nó sẽ có khối lượng là 0.247 m 3 x 1Mg/m 3 hoặc là 0.247 Mg. Khi đó: 3 3 /01,2 1 6,1)16,0247,0( mMg m MgMgMg V MM t ws sat       Một cách khác, thậm chí có lẽ dễ hơn cách đã giải ví dụ này đó, là giả thiết V s là thể tích đơn vị =1m 3 . Theo định nghĩa M s = ρ s = 2,7 (khi  s được giả thiết bằng 2.7 Mg/m 3 ). Sơ đồ ba thể hoàn chỉnh được thể hiện trên hình ví dụ 2-2c. Vì w = M w /M s = 0,10; M w = 0,27Mg và M t =M w +M s = 2,97Mg. Cũng có V w = M w , do  w = 1Mg/m 3 ,vì vậy 0.27 Mg của lượng nước sẽ chiếm một thể tích là 0.27 m 3 . Có hai ẩn số còn lại cần phải xác định trước khi chúng ta có thể tính toán tiếp, đó là V a và V t . Để có được hai giá trị này, chúng ta phải dùng giá trị đã cho =1.76 Mg/m 3 . Từ định nghĩa về khối lượng riêng tổng (phương trình 2-6): ρ =1,76 Mg/m 3 = tt t V Mg V M 97,2  Xác định V t 3 3 688.1 /76.1 97.2 m mMg Mg M V t t   Vì thế: V a = V t – V w – V s = 1.688 - 0.27 - 1.0 = 0.418 m 3 Cũng có thể dùng hình ví dụ 2.2c để kiểm tra lời giải còn lại của bài toán giống hệt nhau được xác định khi dùng dữ liệu của hình ví dụ 2.2b. Hình ví dụ 2.2c Khối lượng (Mg) Thể tích (m 3 ) Bộ môn Địa Kỹ Thuật, WRU 6 Bài 3: Xuất phát từ công thức định nghĩa chứng minh các công thức sau Khối lượng riêng   1 s w G eS e      Khối lượng riêng bão hòa:   1 s sat w G e e      Khối lượng riêng khô: 1 s d w G e     Khối lượng riêng đẩy nổi:   1 ' 1 s w G e      Trong đó G s là tỷ trọng hạt đất Bài 4: Cho một mẫu đất sét bụi với  s =2700 kg/m 3 , S=100%, và độ ẩm =46%. Yêu cầu tính hệ số rỗng e, khối lượng riêng bão hoà, khối lượng riêng đẩy nổi hoặc khối lượng riêng ngập nước theo đơn vị kg/m 3 . Bài giải Đưa số liệu đã cho vào sơ đồ ba thể (hình ví dụ 2-6) Giả thiết V s =1 m 3 , có kgVM sss 2700  . Từ phương trình 2-15 có thể tính trực tiếp hệ số rỗng: 242.1 0.11000 270046.0  x x S w e w s   Nhưng e cũng bằng V v bởi vì V s =1.0, cũng như vậy M w =1242 kg bởi vì về mặt số học thì bằng V w do 1000 w  kg/m 3 . Bây giờ tất cả các ẩn số đã được tìm, ta sẵn sàng tính được khối lượng riêng bão hoà (phương trình 2-10):     3 24.11 27001242 1 m kg e MM V M sw t t sat        =1758 kg/m 3 Cũng có thể dùng trực tiếp phương trình 2-17:   242.11 242.110002700 1       e e ws sat   = 1758 kg/m 3 Khi đất bị ngập, trọng lượng riêng thực của đất bị giảm đi do đẩy nổi. Lực đẩy nổi này chính bằng trọng lượng nước mà đất chiếm chỗ. Vì vậy khối lượng riêng đẩy nổi xác định bằng công thức, (theo PT 2-11 và 2-17): wsat   , = 1758 kg/m 3 – 1000 kg/m 3 = 758 kg/m 3 Bộ môn Địa Kỹ Thuật, WRU 7 hoặc là: ee e ws w ws       11 ,     =758 kg/m 3 (2-18) Bài 5: Ví dụ tham khảo 3.1: Cho kết quả phân tích hạt và các chỉ tiêu giới hạn của 3 mẫu đất như sau: Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Cỡ sàng % các hạt nhỏ hơn cỡ sàng No.4 No.10 No.40 No.100 No.200 99 92 86 78 60 97 90 40 8 5 100 100 100 99 97 LL PL PI 20 15 5 --- --- NP* 124 47 77 NP*: Không dẻo Yêu cầu: Phân loại 3 mẫu đất theo hệ thống phân loại đất USCS. Bài giải: Sử dụng bảng 3-2 và hình 3.4 để phân loại đất. 1. Vẽ đường cong cấp phối hạt của 3 mẫu đất , kết qủa được thể trên hình 3.1: 2. Đường cong cấp phối của mẫu 1 cho ta thấy trên 50% lượng hạt dưới sàng No.200 (60%). Như vậy, mẫu 1 là đất hạt mịn và ta cần sử dụng các giới hạn Atterberg để phân loại đất. Với giá trị LL = 20 và PI = 5, mẫu 1 ở vị trí vùng gạch chéo trên biểu đồ dẻo nên đất được phân loại là CL-ML. 3. Ta có thể nhận ra ngay mẫu 2 là đất hạt thô vì chỉ 5% lượng hạt dưới sàng No.200. Vì 97% lượng hạt dưới sàng No.4 nên mẫu 2 được coi là cát thì chính xác hơn sỏi. Dựa vào bảng 3-2 và hình 3.4, do chỉ 5% lượng hạt dưới sàng N o 200 nên mẫu 2 nằm ở vùng ranh giới và có ký hiệu ghép đôi như SP- SM hoặc SW-SM tuỳ thuộc vào giá trị của C u và C c . Từ đường cong cấp phối hạt, ta có kết quả D 60 = 0.71 mm, D 30 = 0.34 mm và D 10 = 0.18 mm… Như vậy, hệ số không đều hạt C u là: 69.3 18.0 71.0 10 60  D D C u Bộ môn Địa Kỹ Thuật, WRU 8 và hệ số cong C c là: 191.0 71.018.0 )34.0()( 2 6010 2 30  xxDD D C c Vì mẫu 2 không thoả mãn các yêu cầu của chất lượng cấp phối tốt được nêu trong cột 6, bảng 3-2, nên mẫu 2 được coi như có cấp phối không tốt và được phân loại SP-SM (vì các hạt nhỏ của mẫu là hạt bụi). 4. Mẫu 3 là đất hạt mịn vì chứa 97% lượng hạt dưới sàng No.200. Do giới hạn chảy LL của mẫu đất lớn hơn 100 nên không thể trực tiếp dùng biểu đồ dẻo (hình 3.2) mà phải sử dụng phương trình của đường thẳng A trên hình 3.2 để phân loại đất là CH hoặc MH. PI = 0.73 (LL - 20) = 0.73 (124 - 20) = 75.9 Vì chỉ số dẻo PI của mẫu 3 nằm phía trên đường thẳng A nên mẫu 3 được phân loại là CH. Hình VD 3.1 Bộ môn Địa Kỹ Thuật, WRU 9 Bài 6: Trên giấy bán lôgarit năm chu kì, vẽ các đường cong cấp phối hạt từ các số liệu phân tích thành phần hạt sau đây của 6 loại đất, từ A đến F. Xác định kích thước hiệu quả cũng như hệ số đồng đều và hệ số cấp phối cho mỗi loại đất. Tính toán phần trăm cuội sỏi, cát, bùn và sét theo a) ASTM; b) AASHTO; c) USCS; d) Hệ Tiêu chuẩn Anh. Phần trăm qua theo trọng lượng Số rây tiêu chuẩn Mỹ hay kích thước hạt Đất A Đất B Đất C Đất D Đất E Đất F 75 mm 100 100 38 70 - 19 49 100 91 9,5 36 - 87 № 4 27 88 81 100 № 10 20 82 70 100 89 № 20 - 80 - 99 - № 40 8 78 49 91 63 № 60 - 74 - 37 - № 100 5 - - 9 - № 140 - 65 35 4 60 № 200 4 55 32 - 57 100 40 µm 3 31 27 41 99 20 µm 2 19 22 35 92 10 µm 1 13 18 20 82 5 µm <1 10 14 8 71 2 µm - - 11 - 52 1µm - 2 10 - 39 Chú ý: dấu gạch ngang trong bảng thể hiện số liệu thiếu Bài 7: a) Giải thích rõ tại sao lại có sự ưu việt, khi vẽ đường cong thành phần hạt, thì vẽ biểu đồ đường kính hạt trên hệ tọa độ lôgarit tốt hơn là vẽ trên hệ tọa độ số học. b) Dạng của đường cong thành phần hạt có so sánh được không (ví dụ, chúng có cùng giá trị C u và C c hay không) khi được biểu diễn theo số học? Giải thích tại sao. Bài 8: Một mẫu đất có tổng thể tích của là 80 000 mm 3 và cân nặng 145g. Trọng lượng khô của mẫu là 128g, và khối lượng riêng hạt là 2,68. Hãy xác định: a) Độ ẩm; b) Hệ số Bộ môn Địa Kỹ Thuật, WRU 10 rỗng; c) Độ rỗng; d) Độ bão hòa; e) Khối lượng riêng ướt; f) Khối lượng riêng khô. Cho kết quả các phần (e) và (f) theo hệ đơn vị quốc tế SI và hệ đơn vị Anh. Bài 9: Cho một số loại đất có các giới hạn Atterberg và độ ẩm tự nhiên cho dưới đây. Xác định chỉ số dẻo PI và chỉ số chảy LI cho mỗi loại đất và dẫn giải về hoạt tính chung của chúng. Đặc tính Đất A Đất B Đất C Đất D Đất E Đất F w n , % 27 14 14 11 8 72 Giới hạn chảy 13 35 35 - 28 60 Giới hạn dẻo 8 29 18 NP NP 28 . LI cho mỗi loại đất và dẫn giải về hoạt tính chung của chúng. Đặc tính Đất A Đất B Đất C Đất D Đất E Đất F w n , % 27 14 14 11 8 72 Giới hạn chảy 13 35. Bộ môn Địa Kỹ Thuật, WRU 2 CHƯƠNG 1 TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT Bài 1: Cho một mẫu đất ẩm vào một hộp đựng mẫu khô có khối lượng 462 gam.