1

Chương III Phân loại đất 3.1 Mở đầu

Từ những khái niệm về kết cấu và cấp phối hạt của đất đã được đề cập ở chương 2, chúng ta sẽ đưa ra các tiêu chuẩn để phân loại đất trong chương 3. Ở mục 2.4, cát và sỏi được xem như là những hạt thô trong khi bụi và sét thì được coi như là những hạt mịn. Trong mục 2.5, chúng ta đã đưa ra bảng phân chia cỡ hạt và nhóm hạt cho đất (hình 2.3) theo các tiêu chuẩn ASTM hay AASHTO, vv...Tuy nhiên, những thuật ngữ chung chung như cát hay sét bao hàm sự thay đổi lớn của các đặc tính kỹ thuật của đất. Vì vậy, cần thiết phải có những thuật ngữ chuyên sâu hơn để thuận tiện sử dụng trong thực tế. Những thuật ngữ này, được tập hợp trong hệ thống phân loại đất, và thường được sử dụng vào những mục đích kỹ thuật cụ thể.

Hệ thống phân loại đất có vai trò như là một ngôn ngữ để trao đổi giữa những nhà khoa học. Nó không những đưa ra phương pháp phân loại dựa theo các đặc trưng kỹ thuật của đất một cách có hệ thống mà còn giúp cho các nhà khoa học có thể học hỏi kinh nghiệm lẫn nhau. Nhưng nó cũng không làm giảm bớt tầm quan trọng của việc xác định tính chất của đất bằng các thí nghiệm trong phòng hay ngoài hiện trường. Tuy nhiên, giữa tính chất của đất và hệ thống phân loại lại có mối quan hệ mật thiết. Chính vì vậy, khi biết cách phân loại đất, người kỹ sư đã hiểu được tương đối chính xác đặc trưng của đất trong trong quá trình xây dựng, quá trình chịu tải hay trong từng hoàn cảnh kỹ thuật khác nhau. Hình 3.1 minh hoạ vai trò của hệ thống phân loại đất trong thực tế địa kỹ thuật.

Hình 3.1: Vai trò của hệ thống phân loại đất trong địa kỹ thuật ứng dụng

Nhiều hệ thống phân loại đất đã được đề xuất trong thời gian qua. Casagrande (1948) đã nhấn mạnh rằng: “ Hầu hết các hệ thống phân loại đang được sử dụng trong xây dựng có nguồn gốc từ khoa học đất

Phân loại và các tính chất (w, e, ρ, S, GSD, LL, PI...)

Hệ thống phân loại đất (“ngôn ngữ”)

Tính chất kỹ thuật của đất (tính thấm, khả năng chịu nén, tính co ngót

và trương nở, sức kháng cắt,.. vv)

Mục đích kỹ thuật (đường cao tốc, sân bay, nền

móng, đê đập,.. vv)

2

trong nông nghiệp”. Điều đó lý giải tại sao trong những hệ thống phân loại đầu tiên, các nhà khoa học phân loại đất theo kết cấu và cấp phối hạt của đất. Atterberg (1905) dường như là người đầu tiên đề xuất việc phân loại đất bằng cách dùng các chỉ tiêu khác. Cuối cùng, năm 1911, Atterberg đã nghiên cứu việc ứng dụng các chỉ tiêu giới hạn để xác định các đặc trưng của đất hạt mịn (mục 2.7) mặc dù thời gian đó chỉ áp dụng trong lĩnh vực nông nghiệp. Sau này, Cục Đường bộ Mỹ hầu như đã dựa vào chỉ tiêu gới hạn Atterberg và các thí nghiệm đơn giản khác để phân loại đất hạt mịn. Casagrande (1948) cũng giới thiệu một vài hệ thống phân loại mà đã được sử dụng trong một số lĩnh vực như giao thông, xây dựng đường băng, nông nghiệp, địa chất và khoa học đất.

Ngày nay, chỉ có hệ thống phân loại đất thống nhất (USCS) và hệ thống phân loại của hiệp hội Đường bộ liên bang và giao thông vận tải Mỹ (AASHTO) được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình. Hệ thống phân loại đất thống nhất (USCS) được dùng chủ yếu bởi các cơ quan trực thuộc Chính phủ (các đơn vị quân đội, Cục nội vụ, Vụ khai hoá), các công ty tư vấn địa kỹ thuật và các phòng thí nghiệm. Với một số thay đổi nhỏ, hệ thống này cũng được sử dụng tương đối rộng rãi ở Anh và một số nước khác. Trong khi đó, tiêu chuẩn AASHTO dựa vào việc quan trắc các đặc trưng của đất trong xây dựng đường giao thông thì được sử dụng bởi Cục giao thông và đường bộ Mỹ. Cơ quan quản lý hàng không liên bang của Cục giao thông và đường bộ Mỹ cũng có những tiêu chuẩn riêng dùng trong thiết kế đường băng nhưng sau đó cũng chuyển sang dùng hệ thống phân loại đất thống nhất (USCS).

Cả hai hệ thống phân loại đất USCS và AASHTO đều dễ dàng sử dụng trong thực tế khi mà chúng ta đã làm quen với các tiêu chuẩn này.

3.2 Hệ thống phân loại đất thống nhất (USCS) Hệ thống phân loại này được phát triển đầu tiên bởi Casagrande (1948) để ứng dụng trong việc xây

dựng đường băng trong chiến tranh thế giới thứ 2. Đến năm 1952, Casagrande đã sửa đổi hệ thống phân loại và nó được Vụ khai hoá và các đơn vị quân đội áp dụng trong việc xây dựng đập, nền móng và các công trình xây dựng khác. Trong USCS, cơ sở để phân loại đất hạt thô được dựa vào cấp phối hạt trong khi các tính chất kỹ thuật của đất hạt mịn thì phụ thuộc vào tính dẻo. Nói cách khác, đối với đất mà những hạt mịn (hạt bụi và sét) không làm ảnh hưởng tới tính chất kỹ thuật thì được phân loại theo cấp phối hạt, còn nếu chúng ảnh hưởng tới tính chất kỹ thuật thì được phân loại theo tính dẻo. Vì vậy, chỉ có phương pháp phân tích sàng và các chỉ tiêu giới hạn Atterberg là cần thiết trong hệ thống phân loại này.

Bảng 3.1 đưa ra bốn nhóm đất chính gồm: hạt thô, hạt mịn, đất hữu cơ và bùn. Việc phân loại được thực hiện bằng cách cho mẫu đất qua sàng 75mm, kết quả thí nghiệm được biểu diễn trên hệ toạ độ log hoặc dùng bảng biểu. Những hạt có đường kính tương đương lớn hơn 300 mm được gọi là đá tảng, còn những hạt nằm trong phạm vi từ 75mm đến 300 mm được gọi là cuội sỏi. Đất được phân loại là hạt thô, cát hay sỏi nếu chúng chứa > 50% trọng lượng hạt trên sàng No.200 (0.075 mm) và được phân loại là đất hạt mịn nếu chúng chứa > 50% trọng lượng hạt dưới sàng No.200. Đất hữu cơ hoặc bùn thì có thể phân biệt dễ dàng bằng mắt thường. Việc phân chia chi tiết hơn được minh họa trong bảng 3.1.

Những ký hiệu trong bảng 3.1 được kết hợp lại với nhau để tạo thành tên gọi của loại đất tương ứng trong bảng 3.2.

3

Bảng 3-1: Tên đất, ký hiệu và phạm vi kích thước hạt theo USCS

Hạt và nhóm hạt Ký hiệu Kích cỡ hạt Đá tảng Đá cuội (1) Đất hạt thô Cuội sỏi Hạt thô Hạt mịn Cát Hạt thô Hạt trung bình Hạt mịn (2) Đất hạt mịn Hạt mịn Hạt bột, phù sa Hạt sét (3)Đất hữu cơ (4) Than bùn

Không Không G S M C O Pt

> 300 mm Từ 75 mm đến 300 mm Từ 75 mm đến sàng No.4 (4.75 mm) Từ 75 mm đến 19 mm Từ 19 mm đến sàng No.4 (4.75 mm) Từ sàng No.4 (4.75 mm) tới sàng No.200 (0.075 mm) Từ sàng No.4 (4.75 mm) tới sàng No.10 (2.0 mm) Từ sàng No.10 (2.0 mm) tới sàng No. 40 (0.425 mm) Từ sàng No.40 (4.25 mm) tới sàng No.200 (0.075 mm) Kích thước hạt nhỏ hơn kích thước mắt

sàng No.200 (0.075 mm) (Không có kích thước hạt cụ thể - sử dụng

giới hạn Atterberg) (Không có kích thước hạt cụ thể - sử dụng

giới hạn Atterberg) (Không có kích thước hạt cụ thể) (Không có kích thước hạt cụ thể)

Ký kiệu phân loại cấp phối Phân cấp đều, W Phân cấp không đều, P

Ký hiệu giới hạn chảy Cao LL, H Thấp LL, L

Đất hạt thô được phân chia thành sỏi, sỏi pha, cát và cát pha. Chúng được phân loại là sỏi nếu chứa

> 50% trọng lượng hạt trên sàng No.4 (4.75 mm) và được phân loại là cát nếu chứa > 50% trọng lượng hạt dưới sàng No.4. Sỏi (G) và cát (S) tiếp tục được phân chia thành những nhóm nhỏ hơn, GW and SW, GP and SP, GM and SM, GC and SC, phụ thuộc vào cấp phối và bản chất các hạt. Đất có chất lượng cấp phối hạt tốt nếu kích thước hạt thay đổi trong phạm vi rộng, ngược lại đất có chất lượng cấp phối không tốt nếu kích thước hạt đều nhau hoặc thay đổi trong phạm vi hẹp. Để đánh giá chất lượng cấp phối của sỏi và đất cát, ta xác định hệ số hạt không đều Cu và hệ số cong Cc từ đường cong cấp phối. Các hệ số này đã được định nghĩa ở chương 2:

Hệ số không đều hạt: 10

60

DD

Cu = (2-19)

Hệ số cong: 6010

230

* DDD

Cc = (2-20)

4

Trong đó:

D60: đường kính cỡ hạt mà trọng lượng tất cả các hạt nhỏ hơn và bằng đường kính đó chiếm 60% trọng lượng mẫu đất khô.

D30: đường kính cỡ hạt mà trọng lượng tất cả các hạt nhỏ hơn và bằng đường kính đó chiếm 30% trọng lượng mẫu đất khô.

D10: đường kính cỡ hạt mà trọng lượng tất cả các hạt nhỏ hơn và bằng đường kính đó chiếm 10% trọng lượng mẫu đất khô.

Bảng 3-2 (cột 6) đưa ra tiêu chuẩn phân loại cho sỏi và đất cát. Đối với sỏi và đất cát, GW and SW được phân vào nhóm đất có chất lượng cấp phối tốt nếu chứa <5% trọng lượng hạt dưới sàng No.200 trong khi GP và SP được phân vào nhóm đất có chất lượng cấp phối không tốt nếu chứa rất ít hoặc không chứa các hạt mịn.

Đất hạt mịn chứa > 50% trọng lượng hạt dưới sàng No.200 được phân thành hạt bụi (M) hoặc sét (C) dựa vào giới hạn dẻo và chỉ số dẻo của chúng. Đất hữu cơ (O) và than bùn (Pt) cũng thuộc nhóm này nhưng không xác định cỡ hạt cụ thể ( Bảng 3-1). Trên hình 3.2, Casagrande (1948) dùng đường thẳng A để phân loại đất hạt mịn. Nhóm hạt bụi có giới hạn chảy (LL) và chỉ số dẻo (PI) nằm phía dưới đường thẳng A, còn nhóm đất sét có giới hạn chảy (LL) và chỉ số dẻo (PI) nằm phía trên đường thẳng A. Đất sét hữu cơ (OL và OH) cũng nằm phía dưới đường thẳng A vì chúng có tính chất tương tự như các loại đất có tính dẻo thấp. Ngoài ra, dựa vào giới hạn chảy, hạt bụi, sét và sét hữu cơ được phân thành giới hạn chảy cao ( nếu LL > 50%) và giới hạn chảy thấp (nếu LL < 50%). Các loại đất đại diện cho đất hạt mịn được miêu tả trên hình 3.2. Bảng 3-2 ( cột 4 và 5) và bảng 3-3 giúp ta có cách nhìn trực quan trong việc nhận biết và phân loại đất hạt mịn. Chúng ta cũng có thể nhận thấy rằng, một số tên đất khác nhau gần như có cùng vị trí biểu diễn trên hình 3.2 vì chúng có tính chất tương tự nhau. Dưới đây là kết quả nghiên cứu của Casagrande (1948) về các đặc trưng của đất cùng giới hạn chảy nhưng khác nhau chỉ số dẻo hoặc cùng chỉ số dẻo nhưng khác nhau giới hạn chảy.

Tính chất Đất có cùng giới hạn chảy nhưng tăng chỉ số dẻo

Đất có cùng chỉ số dẻo nhưng tăng giới hạn chảy

Cường độ khi khô Độ bền gần PL Tính thấm Tính nén lún Tốc độ thay đổi thể tích

Tăng lên Tăng lên Giảm xuống Không đổi Giảm xuống

Giảm xuống Giảm xuống Tăng lên Tăng lên ---

5

Bảng 3-2: Hệ thống phân loại đất USCS

6

Bảng 3-2 (tiếp)

7

Hình 3-2 Biểu đồ độ dẻo Casagrande, thể hiện một vài dạng mẫu đất (theo Casagrande, 1948 và Howard,

1977 ) Độ bền và cường độ khô là những tính chất quan trọng để phân loại đất và được nêu ra trong bảng

3-3. Các tính chất còn lại, sẽ được đề cập chi tiết ở các chương tiếp theo.

Các giá trị của chỉ số dẻo PI và giới hạn chảy LL nằm trong phạm vi giới hạn trên của đường thẳng U cần được kiểm chứng lại một cách cẩn thận. Một số loại đất sét hoạt tính cao như ben-tô-nít nằm ở vị trí phía trên đường thẳng A và gần kề với đường thẳng U. Các khoáng vật sét chủ yếu trong đất có thể nhận ra một cách định tính bằng cách sử dụng biểu đồ dẻo của Casagrande ở trong chương 4.

Bảng 3-3: Phương pháp nhận dạng đất hạt mịn hoặc nhóm hạt ngoài hiện trường

Tính trương nở

(phản ứng khi rung)

Sau khi loại bỏ những hạt trên sàng No.40 và chuẩn bị 1 mẫu đất ẩm có thể tích khoảng 5 cm3. Cho thêm nước để làm mềm mẫu đất nhưng không nhão quá. Đặt mẫu đất lên lòng bàn tay, và dùng hai tay rung lắc vài lần. Khi đó, lớp nước sẽ xuất hiên trên bề mặt của mẫu đất. Tuy nhiên, nếu dùng các ngón tay bóp chặt mẫu đất thì lớp nước bề mặt sẽ biến mất, mẫu đất sẽ cứng hơn. Cuối cùng dẫn đến sự xuất hiện các vết nứt hoặc vỡ vụn. Tốc độ xuất hiện lớp nước bề mặt trong quá trình rung lắc và biến mất trong quá trình nén chặt giúp ta nhận ra đặc tính của hạt min trong mẫu đất.

Đất cát hạt nhỏ sạch cho phản ứng nhanh nhất với tính trương nở trong khi sét dẻo không có hiện tượng trên. Các đất không chứa hữu cơ có phản ứng ở mức độ trung bình.

8

Cường độ khô

(đặc tính

biến dạng)

Sau khi loại bỏ những hạt trên sàng No.40, cho thêm nước (nếu cần thiết) để chế bị mẫu đất có trạng thái dẻo. Làm khô mẫu đất bằng lò sấy, ánh nắng mặt trời hoặc để ngoài không khí tự nhiên rồi kiểm tra cường độ bằng cách dùng các ngón tay bẻ hoặc bóp vỡ mẫu. Cường độ này nói lên tính chất và số lượng nhóm hạt sét trong mẫu đất. Cường độ khô tỷ lệ thuận với tính dẻo của đất.

Đất sét ở nhóm CH cho giá trị cường độ khô cao trong khi đất bụi không chứa hữu cơ có giá trị rất nhỏ. Cát bụi và bụi gần như có giá trị cường độ khô như nhau nhưng ta có thể phân biệt bằng cảm giác khi bóp vụn mẫu đất khô. Cát bụi sẽ cho ta cảm giác sàn sạn còn bụi thì cho cảm giác mịn như bột.

Độ bền

(độ sệt gần với

giới hạn dẻo)

Sau khi loại bỏ những hạt trên sàng No.40 và chế bị 1 mẫu đất ẩm có thể tích khoảng 0.5 in3. Nếu đất khô, ta cho thêm nước để làm mềm mẫu đất nhưng không nhão quá.. Sau đó trải mỏng mẫu đất để nước có thể bay hơi rồi dùng lòng bàn tay lăn thành những dây đất có đường kính 3 mm. Dây đất được gấp đi gấp lại vài lần làm cho độ ẩm của dây đất giảm dần và tăng dần độ cứng dây đất. Cuối cùng, dây đất bị đứt gẫy khi đạt tới giới hạn dẻo.

Sau khi dây đất bị vỡ vụn, các mẩu đất được vo viên lại và quá trình nhào trộn được tiếp tục đến khi dây đất bị vỡ vụn.

Thành phần nhóm hạt sét càng lớn thì độ bền của dây đất gần giới hạn dẻo và độ cứng của viên đất khi được vo viên lại càng tăng lên. Độ bền yếu của dây đất gần giới hạn dẻo và sự suy giảm nhanh tính kết dính của viên đất dưới giới hạn dẻo chỉ ra sự có mặt của các hạt sét vô cơ, độ dẻo thấp hoặc sét hữu cơ và sét loại kaolin. Các loại đất này có vị trí nằm dưới đường thẳng A.

Đất chứa hàm lượng hữu cơ cao thì có độ bền rất kém và xốp khi gần với giới hạn dẻo.

Đối với đất hạt thô có chứa hàm lượng hạt mịn hơn 12%, được gọi là GM hoặc SM nếu các hạt nhỏ thuộc nhóm hạt bụi (các giá trị giới hạn nằm phía dưới đường thẳng A trong biểu đồ dẻo) và được gọi là GC hoặc SC nếu các hạt mịn thuộc nhóm hạt sét (các giá trị giới hạn nằm phía trên đường thẳng A trong biểu đồ dẻo). Cả hai loại đất có cấp phối hạt tốt và không tốt đều thuộc những nhóm này.

Loại đất chứa 5% đến 12% trọng lượng hạt dưới sàng No.200 thì được coi như là ở gianh giới giữa 2 nhóm và có ký hiệu ghép đôi. Phần trước của ký hiệu nói lên phần hạt thô có cấp phối tốt hoặc cấp phối kém, phần thứ 2 mô tả thành phần hạt mịn. Chẳng hạn, nếu một loại đất được phân loại SP-SM có nghĩa đây là đất cát có cấp phối hạt không tốt và chứa từ 5% đến 12% các hạt bụi. Tương tự như vậy, GW-GC có nghĩa đây là đất sỏi có cấp phối hạt tốt và chứa các hạt sét, loại đất này được biểu thị ở phía trên đường thẳng A.

Đất hạt mịn cũng có những ký hiệu ghép đôi. Đương nhiên nếu các giá trị giới hạn của đất nằm trong vùng gạch chéo ở hình 3.2 (4 < PI < 7 và 12 < LL < 25) thì đất được phân loại CL-ML. Howard (1977) đề xuất mang tính thực nghiệm rằng nếu các giá trị của LL và PI nằm gần đường thẳng A hoặc gần với đường LL = 50 thì nên dùng ký hiệu ghép đôi. Do đó, các ký hiệu ghép đôi có thể như sau:

ML-MH

CL-CH

9

OL-OH

CL-ML

CL-OL

CH-MH

CH-OH

Ngoài ra, các ký hiệu ghép đôi cũng có thể dùng cho các loại đất chứa 50% hạt mịn hoặc các loại đất hạt thô. Trong trường hợp này, các ký hiệu ghép đôi có thể như sau:

GM-ML

GM-MH

GC-CL

GC-CH

SM-ML

SM-MH

SC-CL

SC-CH

Hình 3.3 Chỉ dẫn phân giới các loại đất (theo Howard, 1977)

10

Trình tự các bước phân loại đất theo hệ thống USCS được chỉ dẫn một cách chi tiết trên hình 3.4, theo phương pháp này loại đất được xác định bằng cách loại các trường hợp chưa phù hợp và đến khi trường hợp duy nhất còn lại. Việc phân loại đất nên kết hợp với bảng 3-2 và hình 3.4, các bước chi tiết được thực hiện như sau:

Hình 3.4 Chỉ dẫn phân giới các loại đất (theo Howard, 1977)

11

Hình 3.4 (tiếp)

1. Xác định đất thuộc nhóm hạt thô, hạt mịn hay đất hữu cơ bằng mắt thường hay dựa vào kết quả

phân tích hạt qua sàng No.200.

2. Nếu là đất hạt thô:

a. Thực hiện thí nghiệm phân tích hạt và vẽ đường cong cấp phối. Xác định lượng chứa các hạt dưới sàng No.4, đất được phân loại là sỏi nếu lượng chứa các hạt trên sàng No.4 lớn hơn và được phân loại là cát nếu lượng chứa các hạt dưới sàng No.4 lớn hơn.

b. Xác định lượng chứa các hạt dưới sàng No.200, nếu có giá trị < 5% thì ta dựa vào hình dạng của đường cong để phân loại đất thành GW hay SW (đất có cấp phối tốt) và GP hay SP (đất có cấp phối không tốt).

c. Nếu lượng chứa các hạt dưới sàng No.200 có giá trị trong khoảng 5% đến 12% thì đất được coi là ở giữa ranh giới 2 nhóm và sẽ có các ký hiệu ghép đôi tuỳ thuộc vào chất lượng cấp phối hay tính dẻo của đất (GW-GM, SW-SM...)

d. Nếu lượng chứa các hạt dưới sàng No.200 có giá trị > 12% thì ta xác định các giá trị giới hạn Atterberg của các hạt dưới sàng No.40 và dùng biểu đồ dẻo để phân loại đất (GM, SM, GC, SC, GM-GC hoặc SM-SC)

3. Nếu là đất hạt mịn:

a. Xác định các giá trị giới hạn Artterberg của các hạt dưới sàng No.40, nếu giới hạn chảy LL nhỏ hơn 50% thì đất được phân loại thấp (L) và nếu giới hạn chảy LL lớn hơn 50% thì đất được phân loại cao (H).

12

b. Đối với đất thuộc phân loại L: nếu các giá trị giới hạn nằm phía dưới đường thẳng A và vùng gạch chéo trong biểu đồ dẻo thì chúng được xác định bằng màu sắc, mùi vị hoặc bằng sự thay đổi của giới hạn chảy và giới hạn dẻo khi mẫu đất được sấy khô. Trong trường hợp này đất được phân thành nhóm hữu cơ (OL) hoặc nhóm vô cơ (ML). Nếu các giá trị giới hạn nằm trong vùng gạch chéo, đất sẽ được phân thành nhóm CL-ML. Còn khi các giá trị giới hạn nằm phía trên đường thẳng A và vùng gạch chéo thì chúng được phân thành nhóm CL.

c. Đối với đất thuộc phân loại H: nếu các giá trị giới hạn nằm phía dưới đường thẳng A thì chúng được phân thành nhóm hữu cơ (OH) hoặc nhóm vô cơ (MH). Khi các giá trị giới hạn nằm phía trên đường thẳng A thì chúng được phân thành nhóm CH.

d. Khi các giá trị giới hạn nằm trong vùng gạch chéo và gần với đường thẳng A hoặc gần với đường thẳng LL = 50% thì ta sử dụng các ký hiệu ghép đôi như trên hình 3.3.

Mặc dù hệ thống USCS sử dụng các ký hiệu thuận tiện, nhưng nó không phản ánh đầy đủ tính chất của đất. Chính vì vậy, các thuật ngữ miêu tả nên kết hợp với các ký hiệu để phân loại đất một cách chính xác. Bảng 3-4 trình bày một số thông tin hữu ích cho việc mô tả đất.

Bảng 3-4 : Thông tin yêu cầu để mô tả đất

Đất hạt thô Đất hạt mịn

Đối với mẫu đất nguyên dạng, cần cung cấp thông tin về cấu trúc địa tầng, độ chặt, độ ẩm và đặc tính thoát nước.

Đưa ra tên gọi đặc trưng. Chỉ ra thành phần phần trăm của các hạt cát và sỏi, kích thước hạt lớn nhất, hình dạng và độ cứng của hạt, tên địa chất và một số thông tin phù hợp khác. Cuối cùng đưa ra ký hiệu loại đất trong dấu ngoặc đơn.

Ví dụ:

Cát bụi có chứa sỏi, khoảng 20% các hạt thô. Đường kính hạt lớn nhất là sỏi có hình dạng góc cạnh, các hạt cát thô và mịn có dạng cầu hoặc bán góc cạnh. Mẫu đất chứa khoảng 15% các hạt mịn không có tính dẻo với cường độ khô thấp, độ chặt lớn, ẩm và có nguồn gốc cát bồi tích (SM)

Đưa ra tên gọi đặc trưng của đất. Chỉ ra mức độ và đặc điểm của tính dẻo, hàm lượng và kích thước lớn nhất của các hạt thô, màu sắc ở trạng thái ẩm, mùi vị nếu có thể, tên vị trí hoặc địa chất và một số thông tin phù hợp khác. Cuối cùng đưa ra ký hiệu loại đất trong dấu ngoặc đơn.

Đối với mẫu đất nguyên dạng, cần cung cấp thêm thông tin về cấu trúc địa tầng, độ sệt và điều kiện thoát nước.

Ví dụ:

Sét bụi, màu nâu, tính dẻo thấp, chứa lượng nhỏ cát hạt mịn, nhiều lỗ rỗng thẳng đứng cứng, khô và có nguồn gốc hoàng thổ (ML)

Đối với tất cả các loại đất, các đặc trưng như màu sắc, mùi vị và tính đồng nhất cũng cần được quan sát và mô tả mẫu.

Đối với đất hạt thô, các đặc trưng của đất như hình dạng hạt, hàm lượng khoáng vật, độ phong hóa, trọng lương riêng hiện trường, độ chặt tự nhiên, mức độ đầm nén và sự có mặt của các hạt mịn cần được đánh giá một cách cẩn thận. Các tính từ như tròn cạnh, góc cạnh, nửa góc cạnh thường được dùng để mô tả hình dạng hạt (xem hình 2.5). Độ chặt tự nhiên và mức độ đầm nén của đất được xác định gián tiếp bằng

13

cách dựa vào sức kháng của đất khi đào hoặc thực hiện các thí nghiệm xuyên. Các thuật ngữ như: rất xốp, xốp, chặt vừa, chặt và rất chặt thường được dùng để mô tả độ chặt tự nhiên của đất hạt thô.

Nếu một loại đất rời nào đó có thể dễ dàng đào xới bằng tay thì có thể coi đất đó ở trạng thái rất xốp còn nếu phải dùng các thiết bị máy móc để đào xới thì có thể coi đất đó ở trạng thái rất chặt hoặc bột kết.

Với nhóm đất hạt mịn, độ ẩm và trạng thái độ sệt tự nhiên và độ sệt nhào nặn của đất cần được ghi chép. Độ sệt của đất hạt mịn ở trạng thái tự nhiên thì tương ứng với mức độ đầm nén của đất hạt thô và thường được xác định bằng cách dựa vào sức kháng khi đào hoặc xuyên. Các thuật ngữ như: rất mềm, mềm, dẻo, cứng, rất cứng và rắn thường được dùng để mô tả độ sệt (đôi khi từ cũng được dùng đồng nghĩa vơi từ rắn). Ngoài ra, ta cũng có thể dùng thêm một số chỉ tiêu trong bảng 3-3 như độ trương nở, độ bền và cường độ khô để miêu tả đất hạt mịn. Môt số kỹ năng khác để phân loại đất bằng mắt thường cần được học và thực hành trong phòng thí nghiệm. ASTM (1980) và USBR (1974) cũng đưa ra một số kỹ thuật để nhận dạng và phân loại đất bằng mắt thường.

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 No200 nên mẫu 2 nằm ở vùng ranh giới và có ký hiệu ghép đôi như SP-SM hoặc

14

SW-SM tuỳ thuộc vào giá trị của Cu và Cc. Từ đường cong cấp phối hạt, ta có kết quả D60 = 0.71 mm, D30 = 0.34 mm và D10 = 0.18 mm… Như vậy, hệ số không đều hạt Cu là:

69.318.071.0

10

60 <===DD

Cu

và hệ số cong Cc là:

191.071.018.0

)34.0()( 2

6010

230 ≈===

xxDDDC 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

15

3.3 Hệ thống phân loại AASHTO Trong những năm 20 của thế kỷ trước, Cục đường bộ Mỹ đã chỉ đạo thực hiện nghiên cứu mở rộng

về ứng dụng của đất trong xây dựng đường giao thông. Từ những kết quả của nghiên cứu, Hogentogler và Terzaghi (1929) đã phát triển hệ thống phân loại đường bộ này. Ban đầu, hệ thống phân loại dựa vào đặc tính ổn định của đất khi sử dụng làm bề mặt đường giao thông hoặc kết hợp với việc rải thêm lớp asphalt mỏng trên bề mặt. Sau đó, hệ thống đã được chỉnh sửa nhiều lần kể từ 1929 tới 1945 và cuối cùng trở thành hệ thống phân loại AASHTO (1978). Khả năng ứng dụng của hệ thống phân loại đã được mở rộng xem xét AASHTO chỉ ra rằng hệ thống phân loại hữu ích nhằm xác định chất lượng tương đối của đất cho một số lĩnh vực liên quan như đê, nền đường, nền móng. Nhưng cần chú ý đến những mục đích cơ bản khi sử dụng hệ thống phân loại này trong thực tế (năm 1948,Casagrande đã đưa ra một số nhận xét về vấn đề này).

Tên nhóm hạt phân loại theo hệ thống AASHTO được đưa ra trong bảng 3-5. Đá tảng cần được loại trừ khỏi mẫu đất khi phân loại, nhưng theo hệ thống USCS thì phải kể đến lượng chứa đá tảng. Hạt mịn được phân loại là hạt bụi nếu chỉ số dẻo PI nhỏ hơn 10 và là sét nếu PI lớn hơn 10.

Bảng 3-5 Phân chia nhóm hạt sỏi, cát và sét bụi theo hệ thống AASHTO

Nhóm hạt Đường kính hạt

Đá lăn, đá tảng

Sỏi

Cát thô

Cát mịn

Bụi-sét (bao gồm bụi và sét)

lớn hơn 75 mm

từ 75 mm tới sàng No.10 (2.0 mm)

từ sàng No.10 (2.0 mm) đến sàng No.40 (0.425mm)

từ sàng No.40 (0.425 mm) đến sàng No.200 (0.075mm)

nhỏ hơn 0.075 mm (No.200)

Hệ thống AASHTO phân loại đất thành 8 nhóm chính từ A-1 đến A-8, trong đó gồm có vài nhóm tiểu nhóm. Các đất trong mỗi nhóm được đánh giá theo chỉ số nhóm mà nó tính toán bằng các công thức thực nghiêm. Ở đây, ta chỉ cần sử dụng thí nghiệm phân tích hạt và xác định các giới hạn Atterberg. Bảng 3-6 minh hoạ hệ thống phân loại AASHTO sử dụng hiện nay (1978).

16

Bảng 3-6 Phân chia hạt và nhóm hạt theo hệ thống AASHTO

Đất hạt thô nằm trong phân nhóm từ A-1 đến A-3. Đất thuộc nhóm A-1 có hạt cấp phối tốt trong khi

thuộc nhóm A-3 thì ngược lại. Đất thuộc nhóm A-2 cũng là đất hạt thô (nhỏ hơn 35% lượng hạt dưới sàng No.200), nhưng có chứa một lượng đáng kể hạt bụi hoặc hạt sét. Các nhóm từ A-4 đến A-7 là các đất hạt mịn, chúng khác nhau cơ bản về giới hạn Atterberg. Hình 3.5 có thể được dùng để xác định phạm vi của giới hạn chảy LL và chỉ số dẻo PI cho nhóm A-4 đến A-7 và nhóm A-2. Đất chứa hàm lượng hữu cơ cao và bùn có thể đưa vào nhóm A-8 trong khi với hệ thống USCS chúng được phân loại bằng mắt thường.

Chỉ số nhóm được dùng để đánh giá các loại đất trong nhóm. Nó được rút ra từ thực tế với nhiều loại đất khác nhau, đặc biệt là trong việc sử dụng đất làm nền đường. Ngoài ra, chỉ số nhóm cũng có thể xác định từ công thức kinh nghiệm đưa ra trong phần đầu hình 3.6 hay dùng trực tiếp phương pháp toán đồ.

Hình 3.5: Phạm vi giới hạn chảy và chỉ số dẻo của nhóm A-4, A-5, A-6 và A-7

17

Việc phân loại đất theo hệ thống AASHTO không phức tạp. Khi đã có các số liệu cần thiết, ta chỉ cần đi từ trái sang phải bảng 3-6 và tìm tên chính xác của nhóm bằng cách loại trừ. Theo AASHTO, tên chính xác của đất là tên nhóm từ trái qua phải đầu tiên thoả mãn các số liệu thí nghiệm. Tên nhóm cũng bao gồm cả chỉ số nhóm (trong dấu ngoặc đơn), như A-2-6(3), A-4(5), A-6(12), A-7-5(17),...vv.

Hình 3.7 giúp ta hiểu rõ hơn việc phân loại theo hệ thống AASHTO.

Ví dụ tham khảo 3.2

Kết quả phân tích hạt và các chỉ tiêu giới hạn của 2 mẫu đất như sau:

(các đường cong phân bố hạt xem hình 3.1)

Mẫu 4 Mẫu 5 Cỡ sàng

% các hạt nhỏ hơn cỡ sàng

No.4

No.10

No.40

No.100

No.200

99

96

89

79

70

23

18

9

5

4

LL

PL

PI

49

24

25

---

---

NP

Yêu cầu: Phân loại đất theo hệ thống AASHTO.

Bài giải:

1. Vì lượng hạt dưới sàng No.200 nhiều hơn 35% nên theo bảng 3-6, mẫu 4 thuộc nhóm A-4 hoặc cao hơn. Do giới hạn chảy LL = 49 nên mẫu đất có thể là A-5 hoặc A-7, với chỉ số dẻo PI = 25 ta chọn A-7. Căn cứ vào hình 3.5, mẫu 4 được phân loại là A-7-6.

2. Đối với mẫu 5, do lượng hạt dưới sàng No.200 nhỏ hơn 35% nên thuộc loại đất hạt thô. Tra bảng 3-6 từ trái sang phải, ta thấy mẫu 5 thoả mãn ngay nhóm đầu tiên nên được phân loại là A-1-a.

18

Hình 3.6 Biểu đồ nhóm chỉ số (theo AASHTO, 1978). Hiệp hội đường cao tốc liên bang và giao

thông chính thức, 1978 (Được phép sử dụng)

19

Hìn

h 3.

7 Sơ đồ

phụ

trợ

quá

trìn

h ph

ân loại

tron

g ph

òng

thí n

ghiệ

m đối

với

hệ

thốn

g ph

ân loại

đất

AAS

HTO

(the

o Li

u, 1

970)

20

3.4 So sánh các hệ thống phân loại USCS và AASHTO Có thể hiểu được một số điểm khác biệt lớn giữa 2 hệ thống phân loại USCS và AASHTO là do sự

khác nhau về lịch sử và mục đích phân loại. So sánh bảng 3-1 và bảng 3-5, ta thấy ngay sự phân loại khác nhau cho đất hạt thô. Sự khác nhau cơ bản trong phân loại đất hạt mịn được chỉ ra trên hình 3.5 bằng cách vẽ đường thẳng A và đường thẳng U lên cùng biểu đồ LL-PI. Hệ thống phân loại AASHTO (1978) cũng sử dụng biểu đồ LL-PI, nhưng chúng ta phải quay biểu đồ đó 1 góc 90o để dễ dàng so sánh với biểu đồ dẻo của Casagrande (hình 3.2). Sự khác nhau này là rất lớn. Ngoài ra, còn có sự khác biệt lớn đó là việc dùng chỉ số dẻo PI = 10 như là một đường để phân chia đất bụi và đất sét. Điều này gần như mang tính ngẫu nhiên và không phản ánh thực tiễn tính chất kỹ thuật của đất hạt mịn. Al-Hussaini (1977) cũng chỉ ra một số điểm khác nhau cơ bản của 2 hệ thống phân loại này.

Bảng 3-7 đưa ra so sánh tương quan của các nhóm hạt theo 2 hệ thống USCS và AASHTO.

Bảng 3-7: So sánh tương quan các nhóm hạt giữa hệ thống AASHTO và USCS *

Tên nhóm hạt tương ứng theo AASHTO Tên nhóm hạt theo USCS Khả năng lớn nhất Có thể Có thể nhưng không chắc chắn

GW A-1-a -- A-2-4, A-2-5, A-2-6, A-2-7

GP A-1-a A-1-b A-3, A-2-4, A-2-5, A-2-6, A-2-7

GM A-1-b, A-2-4 A-2-5, A-2-7

A-2-6 A-4, A-5, A-6, A-7-5, A-7-6, A-1-a

GC A-2-6, A-2-7 A-2-4, A-6 A-4, A-7-6, A-7-5

SW A-1-b A-1-a A-3, A-2-4, A-2-5, A-2-6, A-2-7

SP A-3, A-1-b A-1-a A-2-4, A-2-5, A-2-6, A-2-7

SM A-1-b, A-2-4 A-2-5, A-2-7

A-2-6, A-4, A-5

A-6, A-7-5, A-7-6, A-1-a

SC A-2-6, A-2-7 A-2-4, A-6 A-4, A-7-6

A-7-5

ML A-4, A-5 A-6, A-7-5 --

CL A-6, A-7-6 A-4 --

OL A-4, A-5 A-6, A-7-5 A-7-6

--

MH A-7-5, A-5 -- A-7-6

CH A-7-6 A-7-5 --

OH A-7-5, A-5 -- A-7-6

Pt -- -- -- * Theo Liu (1970)

21

Bảng 3-7: (tiếp)

Tên nhóm hạt tương ứng theo USCS Tên nhóm hạt theo AASHTO Khả nămg nhiều nhất Có thể Có thể nhưng không chắc chắn

A-1-a GW, GP SW, SP GM, SM

A-1-b SW, SP, GM, SM GP --

A-3 SP -- SW, GP

A-2-4 GM, SM GC, SC GW, GP, SW, SP

A-2-5 GM, SM -- GW, GP, SW, SP

A-2-6 GC, SC GM, SM GW, GP, SW, SP

A-2-7 GM, GC, SM, SC -- GW, GP, SW, SP

A-4 ML, OL CL, SM, SC GM, GC

A-5 OH, MH, ML, OL -- SM, GM

A-6 CL ML, OL, SC GC, GM, SM

A-7-5 OH, MH ML, OL, CH GM, SM, GC, SC

A-7-6 CH, CL ML, OL, SC OH, MH, GC, GM, SM

Bài tập:

3.1 Phân loại mẫu đất 4 và 5 trong ví dụ 3.2 theo hệ thống USCS. Giải thích các bước làm, so sánh với bảng 3-7 và ví dụ 3.1.

3.2 Phân loại mẫu đất 1,2 và 3 trong ví dụ 3.1 theo hệ thống AASHTO. Giải thích các bước làm, so sánh với bảng 3-7 và ví dụ 3.2.

3.3 Sử dụng các đường cong cấp phối hạt đã cho trong bài tập 2-12 và các giá trị giới hạn Atterberg của bài tập 2-14. Phân loại mẫu đất từ A đến F, sử dụng 2 hệ thống USCS và AASHTO.

3.4 Phân loại theo USCS đối với các mẫu đất dưới đây:

a. 100% lượng hạt dưới sàng No.4 và 25% lượng hạt trên sàng No.200. Ngoài ra, mẫu còn có một số đặc điểm sau:

Tính dẻo: từ trung bình đến thấp

Độ trương nở: từ không có đến rất thấp

Cường độ khô: từ trung bình đến cao

b. 65% lượng hạt trên sàng No.4 và 32% lượng hạt giữ trên sàng No.200. Cu = 3; Cc = 1.

c. 100% lượng hạt dưới sàng No.4 và 90% lượng hạt dưới sàng No.200. Ngoài ra, mẫu còn có một số đặc điểm của sau:

Cường độ khô: từ thấp đến trung bình

22

Độ trương nở: tương đối nhanh

LL = 23; PL = 17.

d. 5% lượng hạt trên sàng No.4 và 70% lượng hạt giữ trên sàng No.200. Tính dẻo thấp, mức độ trương nở cao.

e. 100% lượng hạt dưới sàng No.4 và 20% lượng hạt giữ trên sàng No.200. Tính dẻo cao, cường độ khô lớn và không trương nở .

f. 90% lượng hạt dưới sàng No.4 và trên sàng No.200. 10% lượng hạt dưới sàng No.200. Mức độ trương nở cao. Cu

= 3; Cc = 1.

g. 5% lượng hạt trên sàng No.4; 70% lượng hạt dưới sàng No.4 và trên sàng No.200. Cường độ khô trung bình, độ cứng trung bình, không trương nở. LL = 25; PI = 15

h. 70% lượng hạt trên sàng No.4, 27% lượng hạt giữ trên sàng No.200. Cu = 5; Cc = 1.5.

3.5 Đối với các mẫu đất trong bài tập 3-4, hãy dự báo tính ép co, tính thấm và độ cứng.

3.6 Sử dụng các đường cong cấp phối hạt và giới hạn Atterberg của 16 mẫu đất trong 6 đồ thị trên hình 3.6. Hãy phân loại đất theo hệ thống USCS (a) và AASHTO (b).

23

Hình P3.6

24

Hình P3.6 (tiếp)

25

Hình P3.6 (tiếp)