Bài giảng Bản chất của đất (sự hình thành và các tính chất vật lý của đất)

Chương 1: Bản chất của đất 1.1 Chương 1 BẢN CHẤT CỦA ĐẤT (SỰ HÌNH THÀNH VÀ CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT) 1.1. Quá trình hình thành đất Đất thiên nhiên được thành tạo do quá trình phong hoá từ đá gốc; trừ các trầm tích trẻ nói chung các loại đất có quá trình thành tạo hàng triệu năm ví dụ như đối với đất sét Campơri là gần 500 triệu năm. Trong thời gian tồn tại lâu dài như vậy đất không ngừng bị biến đổi: có thể nó bị nén lún do những tầng đất bên trên, có thể ngập nước hoặc bị nước, gió, băng hà ...vận chuyển từ nơi này sang nơi khác. Các quá trình tự nhiên này làm cho đất có cấu tạo đa dạng và mang nhiều tính chất vật lý và cơ học khác nhau. Như vậy cần phải phân loại đất theo nguồn gốc thành tạo để tiến hành nghiên cứu chúng. Đất có thể thuộc một trong các loại trầm tích sau: 1.1.1. Trầm tích lục địa bao gồm 1) 1. Tầng trầm tích (eluvi) là trầm tích nằm ngay tại chõ phong hoá đá gốc, nó có kích thước không đều, sắc cạnh và mang nhiều tính chất của đá gốc. 2) 2. Tầng sườn tích (deluvi) là trầm tích nằm ở sườn và chân dốc do nước vận chuyển các sản phẩm phong hoá đến. 3) 3. Tầng sung tích (aluvi) là trầm tích do nước vận chuyển các sản phẩm phong hoá đi xa tạo thành, nó thường có chiều dày lớn. 4) 4. Trầm tích băng hà là trầm tích được tạo thành do sự phá huỷ đá khi băng tan. 5) 5. Phong tích là trầm tích được hình thành do gió vận chuyển các hạt có kích thước bé đi xa. 1.1.2. Trầm tích biển và sông biển Là trầm tích được hình thành do lắng đọng các hạt đất ở biển hoặc ở cửa sông. Chúng thường là sét, sét pha, đất hữu cơ bùn và than bùn. 1.2. Các thành phần tạo nên đất Đất được cấu tạo bởi những thành phần chính sau đây: - Những khoáng vật cứng; - Nước ở các dạng và các trạng thái khác nhau; - Khí ở các dạng và các trạng thái khác nhau. 1.2.1. Hạt khoáng vật Các hạt khoáng vật có hình dạng, kích thước cấu tạo và tính chất rất khác nhau. Kích thước các hạt có thể từ vài cm như cuội sỏi đến các hạt keo có kích thước nhỏ hơn 1 mµ chứa trong đất sét. Người ta đưa ra các kích thước hạt như sau: - Hạt cát : đường kính lớn hơn 0,05 mm; - Hạt bụi : đường kính từ 0,05 mm – 0,005 mm; - Hạt sét : đường kính nhỏ hơn 0,005 mm. Chương 1: Bản chất của đất 1.2 Kích thước của các hạt khoáng có ảnh hưởng lớn đến tính chất của đất, hạt càng nhỏ thì tỷ diện tích càng lớn, số khớp nối giữa các hạt tăng lên, hạt tiếp xúc với nước cũng nhiều lên. Ví dụ những hạt sét cao lanh có tỷ diện tích 10m2/gr; trong khi đó hạt montmorilonit có tỷ diện tích 800m2/gr, tức là cứ 1gr đất chứa hạt montmorilonit có tỷ diện tích hàng trăm mét vuông và điều đó làm cho tính chất của hạt sét này khác ca với loại sét cao lanh. Ngoài kích thước, thành phần khoáng vật cũng quyết định đến tính chất của đất. Ví dụ: khoáng thạch anh thì không tác dụng với nước. Bởi vậy khi xem xét tính chất vật lý của đất cần phải xem xét thành phần khoáng vật của nó. Dựa vào thành phần hạt (kích thước và hàm lượng) Quy phạm phân chia đất rời thành các loại như trong bảng 1-1. Bảng 1- 1 Bảng phân loại đất rời theo thành phần hạt (TCXD 45-78) Loại đất** Chỉ tiêu phân loại* Đất hạt thô Đá lăn, đá tảng Cuội, dăm Đất sỏi, sạn Đất cát Đất cát lẫn sỏi Đất cát thô Đất cát vừa Đất cát nhỏ Đất cát mịn (cát bụi) Lượng chứa hạt lớn hơn 200mm trên 50% Lượng chứa hạt lớn hơn 10mm trên 50% Lượng chứa hạt lớn hơn 2mm trên 50% Lượng chứa hạt lớn hơn 2mm trên 25% Lượng chứa hạt lớn hơn 0,5mm trên 50% Lượng chứa hạt lớn hơn 0,25mm trên 50% Lượng chứa hạt lớn hơn 0,1mm ≥ 75% Lượng chứa hạt lớn hơn 0,1mm dưới 75% * Dùng bộ rây tiêu chuẩn Liên Xô: 0,1; 0,25; 0,5; 2,0; 5,0; 10. ** Tên đất được lựa chọn theo thứ tự loại dần từ trên xuống dưới. Còn đối với đất dính thì tính chất phân loại lại phụ thuộc nhiều vào hàm lượng các hạt sét, thành phần khoáng vật và tác dụng của chúng với nước. Vì vậy để phân loại đất dính người ta dựa trên các chỉ tiêu vật lý khác sẽ đưa ra trong tiết 4 chương này. 1.2.2. Nước trong đất Hạt khoáng vật điện tích âm còn các phân tử nước (H2O) thì một đầu mang điện tích dương (Cation H+) còn đầu kia mang điện tích âm (anion OH-). Khi các hạt khoáng vật tiếp xúc với nước thì nhờ lực hút điện phân tử của các hạt khoáng, các phân tử nước được hút vào bề mặt hạt khoáng. Càng gần bề mặt hạt khoáng vật, lực hút điện phân tử càng lớn, nó có giá trị lớn nhất ở trên bề mặt hạt khoáng và giảm dần khi xa bề mặt hạt khoáng. Căn cứ vào quan hệ tương hỗ giữa bề mặt hạt khoáng và nước mà người ta chia nước trong đất thành 2 dạng cơ bản sau: 1.2.2.1. Nước màng (còn được gọi là nước liên kết) bao gồm: - Nước liên kết chặt: là màng nước nằm gần bề mặt hạt khoáng nhất, có chiều dày mỏng từ 1÷ 3 tầng phân tử nước. Nó hình thành vỏ mỏng bền vững bọc chặt lấy hạt khoáng nhờ lực hút điện phân tử rất lớn. Bởi vậy, bằng những ngoại lực và áp lực thuỷ tĩnh có lớn đến hàng vạn Kpa cũng không thể tách được màng nước liên kết chặt ra khỏi hạt. Chương 1: Bản chất của đất 1.3 - Nước liên kết yếu: là màng nước bọc ngoài nước liên kết chặt; nó chịu lực hút điện phân tử nhỏ hơn so với nước liên kết chặt nên chỉ cần những áp lực không lớn lắm (chừng khoảng 1Mpa) là có thể tách được nó ra khỏi hạt. 1.2.2.2. Nước tự do Là nước nằm giữa các hạt. Do không chịu tác dụng của lực hút phân tử nên nước tự do có thể chuyển dịch ở trạng thái lỏng dưới tác dụng của ngoại lực; áp lực thuỷ tĩnh và áp lực mao dẫn. 1.2.3. Khí trong đất Trong đất luôn chứa một lượng khí gồm không khí, hơi nước và các loại hơi khác tồn tại ở các dạng sau đây: - Dạng kín: là những bong bóng khí nằm trong các lỗ rỗng giữa các hạt khoáng, tiếp xúc với những màng nước liên kết. - Dạng tự do: là khí thông với khí quyển. - Dạng hoà tan: là khí tan trong nước lỗ rỗng. Trong ba dạng trên thì khí kín và khí hào tan trong nước lỗ rỗng có ảnh hưởng rất lớn đến đặc điểm biến dạng của đất. 1.3. Những liên kết cấu tạo trong đất Cấu trúc của đất được xác định bởi sự sắp xếp các hạt và nhóm các hạt khoáng, độ rỗng cũng như mối liên hệ giữa các hạt. Cấu trúc tự nhiên của đất là một yếu tố quyết định đến tính chất cơ lý của các loại đất. Đất rời có cấu trúc các hạt ở trạng thái rời, còn các loại đất dính có cấu trúc rất phức tạp. Theo kết quả nghiên cứu của cá nhà khoa học như Maxlov, Denhixi v.v... thì trong đất dính có các dạng liên kết chính sau đây: - Liên kết keo: thể hiện bởi những lực hút điện phân tử giữa các hạt khoáng vật cũng như các màng nước liên kết và các hoạt tính keo của các hạt khoáng. Độ lớn của lực hút điện phân tử phụ thuộc vào chiều dày của màng nước liên kết. Khi màng nước liên kết càng mỏng, tức là độ ẩm trong đất càng nhỏ thì liên kết keo càng lớn và liên kết keo thể hiện tính dẻo của đất. Khi độ ẩm trong đất tăng lên thì liên kết keo dễ bị phá huỷ và đất có khả năng mất hoàn toàn tính dẻo. - Liên kết tinh thể: thể hiện bởi các liên kết hoá học giữa các khớp nối của các hạt khoáng vật. Liên kết này thường cứng, giòn, không thể phục hồi sau khi đất bị phá huỷ kết cấu. Độ bền của liên kết tinh thể phụ thuộc vào thành phần khoáng vật của hạt đất, ví dụ như đất có chứa Thạch cao và Canxi thì có liên kết yếu và dễ hoà tan, đất có chứa Oxit Sắt và Silic thì liên kết tinh thể bền vững và khó hoà tan hơn. Tuỳ thuộc vào các dạng liên kết trong đất, sự quan hệ và sự phân bố giữa các hạt và nhóm hạt cũng như giữa các hạt với nước và khí trong đất mà đất sét thường có cấu trúc như sau: - Cấu trúc thành lớp mỏng; - Cấu trúc thành khối; - Các loại cấu trúc phức tạp khác. Chương 1: Bản chất của đất 1.4 1.4. Những chỉ tiêu, tính chất, trạng thái vật lý và phân loại đất 1.4.1. Những tính chất vật lý của đất Trong tự nhiên đất là một hợp thể phức tạp của thể rắn, thể lỏng và thể khí. Khi trong các lỗ rỗng của đất chứa đầy nước thì đất chỉ gồm hai thể là thể rắn và thể lỏng. Nếu sử dụng sơ đồ 3 thể hình 1-2 thì có thể dễ dàng phân lượng các thể trong đất và cũng qua đó xây dựng một số chỉ tiêu đánh giá các phân lượng đó. Bởi vì ngoài tính chất của mỗi thể thì phân lượng của các thể trong đất thay đổi cũng làm thay đổi tính chất của đất. Hình 1- 1 Sơ đồ ba thể của đất. Trong đó: _,,,, VVVVV rhnk lần lượt là thể tích khí, nước, hạt rắn, lỗ rỗng và thể tích của toàn bộ mẫu đất. _,,,, QQQQQ rhnk lần lượt là trọng lượng của phần khí, nước, hạt rắn, lỗ rỗng và trọng lượng của toàn bộ mẫu đất. 1.4.1.1. Dung trọng tự nhiên Là trọng lượng của một đơn vị thể tích của đất ở trạng thái tự nhiên (ký hiệu Wγ ). V QQ hn W +=γ (N/cm3, KN/m3) (1-1) được xác định trực tiếp từ mẫu đất nguyên dạng lấy từ hố khoan hay hố đào. Nó biến đổi trong phạm vi khá lớn phụ thuộc vào độ ẩm, độ rỗng của đất. Ngoài dung trọng tự nhiên người ta còn sử dụng dung trọng no nước khi các lỗ rỗng chứa đầy nước ( nnγ ) và dung trọng đẩy nổi ( nnγ ) khi đất nằm dưới mực nước ngầm. 1.4.1.2. Dung trọng bão hoà (no nước) V QQ hn nnbh +== * γγ (1-2) * nQ _ Khối lượng nước trong đất khi mẫu đất ở trạng thái bão hòa nước. 1.4.1.3. Dung trọng đẩy nổi V VQ hnn dn .γγ −= (1-3) Chương 1: Bản chất của đất 1.5 1.4.1.4. Dung trọng khô Là trọng lượng của hạt đất trong một đơn vị thể tích đất. V Qh k =γ (1-4) 1.4.1.5. Dung trọng hạt và tỷ trọng hạt * Dung trọng hạt: là trọng lượng riêng của một đơn vị thể tích hạt đất. Dung trọng hạt có đơn vị giống dung trọng tự nhiên, điều đáng chú ý là nó thay đổi trong phạm vi hẹp từ 26÷ 28 KN/m3. h h h V Q=γ (1-5) * Tỷ trọng hạt n h γ γ=∆ (1-6) 1.4.1.6. Độ ẩm tự nhiên %100. h n Q QW = (1-7) 1.4.1.7. Độ bão hoà r n V VG = (1-8) Độ bão hoà thường được biểu thị theo số thập phân. Hế số này thường gần bằng 1 đối với đất sét tự nhiên nằm dưới mực nước ngầm, còn với đất cát quy phạm phân ra các trạng thái sau: - Đất hơi ẩm khi G ≤ 0,50; - Đất ẩm khi 0,50 ≤ G ≤ 0,80; - Đất bão hoà khi G > 0,80. 1.4.1.8. Độ rỗng và hệ số rỗng. * Độ rỗng Là thể tích lỗ rỗng trong một đơn vị thể tích đất. %100. V Vn r= (1-9) * Hệ số rỗng Là thể tích lỗ rỗng trong một đơn vị thể tích đất. h r V V=ε (1-10) 1.4.1.9. Công thức tính đổi các chỉ tiêu thường dùng khác Chương 1: Bản chất của đất 1.6 Bảng 1- 2 Các công thức tính chỉ tiêu vật lý của đất. Chỉ tiêu cần xác định Công thức - Hệ số rỗng: 1).01,01( −+∆= γ γ We n 1−= k he γ γ n ne −= 1 - Độ lỗ rỗng: %100 1 e en += - Độ bão hoà: e WG ∆= ..01,0 - Khối lượng thể tích khô: Wc .01,01+= γγ - Khối lượng thể tích đẩy nổi: e n dn + −∆= 1 )1( γγ - Độ lỗ rỗng: %100 1 e en += 1.4.2. Phân loại đất và đánh giá trạng thái đất 1.4.2.1. Đối với đất dính Phân loại đất là để sơ bộ đánh giá tính chất xây dựng của đất và để lựa chọn phương án tính toán cho phù hợp. Đối với đất rời ta đã biết cách phân loại theo bảng 1-1. Sau đây sẽ xem xét sự phân loại đất dính theo chỉ số dẻo. Chỉ số dẻo, kí hiệu là Id là hiệu số giữa giới hạn nhão Wnh và giới hạn dẻo dnhd WWI −= (1-11) Hình 1- 2 Sự co nở và tan rã của đất dính. Chương 1: Bản chất của đất 1.7 Trong đó: 6) 1.Giới hạn nhão nhW là độ ẩm giới hạn khi đất chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái nhão. Nó được xác định bằng phương pháp xuyên côn (cone penetration) hoặc dùng thiết bị chuẩn Casagrande. Với phương pháp xuyên côn, ta nhào đất tự nhiên với nước cho đến trạng thái mà khi thả quả chuỳ tiêu chuẩn nặng 76gr đầu nhọn 30o (côn Vaxiliev – hình 1-3) thì mũi chuỳ lún sâu vào đất 10mm trong 15 giây (phương pháp này phổ biến ở nước ta, Liên Xô cũ và Trung Quốc) hoặc 80gr (côn Anh) thì đất giữ côn được ở thế cân bằng sau 5 giây với độ ngập sâu là 20mm. Vì độ ngập sâu của mũi côn vào đất phụ thuộc vào ma sát mặt ngoài của côn và tốc độ rơi ban đầu của côn nên phải quy định mấy điểm sau đây: - Mặt ngoài của côn phải sạch; - Côn thả rơi tự do với mũi côn ban đầu chạm mặt đất trong cốc; Hình 1- 3 Thí nghiệm xuyên côn xác định giới hạn chảy của đất. 7) 2. Giới hạn dẻo dW là độ ẩm giới hạn khi đất chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái cứng. Nó được xác định bằng độ ẩm của đất khi ta có thể lăn đất thành những con giun đất có đường kính 3mm thì đất bị nứt vỡ thành từng đoạn có chiều dài từ 3mm đến 10mm (hình 1-4). Hình 1- 4 Thí nghiệm lăn đất xác định giới hạn dẻo. Quy phạm dùng chỉ số dẻo để phân loại đất dính và nó có quan hệ với lượng chứa nhóm hạt sét trong đất theo bảng 1-3. Chương 1: Bản chất của đất 1.8 Bảng 1- 3 Phân loại đất dính. Loại đất Chỉ số dẻo Lượng chứa nhóm hạt sét (%) Đất sét Đất sét pha Đất cát pha >17 7 ÷ 17 <7 >30 30 ÷ 10 10 ÷ 3 Để đánh giá trạng thái của đất dính, người ta dùng đặc trưng độ sệt IS định nghĩa như sau: dnh d S WW WWI − −= (1-12) Trong đó: W là độ ẩm tự nhiên của đất. Theo quy phạm thì đất dính phụ thuộc và IS mà có một số trạng thái sau: Bảng 1- 4 Đánh giá trạng thái của đất dinh (Theo TCXD 45-78) Đất và trạng thái Độ sệt IS Đất cát pha: rắn dẻo chảy 0<SI 10 ≤≤ SI 1>SI Đất sét pha và sét: rắn 0<SI nửa rắn 25,00 ≤≤ SI dẻo 50,025,0 ≤< SI dẻo mềm 75,050,0 ≤< SI dẻo chảy 00,175,0 ≤< SI chảy 00,1>SI Trạng thái của đất còn có thể xác định bằng phương pháp xuyên tĩnh ở hiện trường theo lực kháng khi ấn mũi xuyên vào đất. Một số số liệu về sức kháng xuyên và trạng thái tương ứng của đất ghi trong bảng 1-5. Tuy vậy khi sử dụng các kết quả đó cũng cần phải kiểm tra lại theo chỉ tiêu độ sệt xác định qua độ ẩm. Bảng 1- 5 Đánh giá trạng thái của đất theo kết quả xuyên tĩnh. Sức kháng mũi xuyên (Kpa) Trạng thái của đất 10.000 10.000 – 5.000 5.000 – 2.000 2.000 – 1.000 < 1.000 Cứng Nửa cứng Dẻo Dẻo mềm Dẻo chảy 1.4.1.2. Đối với đất cát Độ chặt là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá trạng thái của đất cát, nó được xác định từ số liệu thí nghiệm trong phòng và hiện trường. Chương 1: Bản chất của đất 1.9 Theo tài liệu tính toán và thống kê các hệ số rỗng ở trạng thái chặt nhất và xốp nhất được xác định trong phòng thí nghiệm đối với các loại cát thạch anh thuộc các nguồn gốc khác nhau, sau đó đối chiếu với độ chặt tự nhiên của nó người ta lập được bảng (1-6) phân loại độ chặt của đất cát theo hệ số rỗng. Bảng 1- 6 Tiêu chuẩn độ chặt của đất cát. Độ chặt Loại cát Chặt Chặt vừa Xốp Cát sỏi, cát to, cát vừa Cát nhỏ Cát bụi e < 0,55 e < 0,60 e < 0,60 0,55 ≤ e ≤ 0,70 0,60 ≤ e ≤ 0,75 0,60 ≤ e ≤ 0,80 e > 0,70 e > 0,75 e > 0,80 Ngoài ra để đánh giá trạng thái của đất cát, người ta còn đưa ra chỉ tiêu độ chặt tương đối, ký hiệu là D, định nghĩa như sau: minmax max ee eeD − −= (1-13) Trong đó: maxe _ là hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái xốp nhất được xác định trong phòng thí nghiệm bằng cách đổ nhẹ cát khô vào bình không có chấn động. mine _ là hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái chặt nhất được xác định bằng cách đổ cát vào bình có rung chặt. e_ là hệ số rỗng của đất cát ấy ở trạng thái tự nhiên. Căn cứ vào độ chặt tương đối D, người ta đánh giá trạng thái của đất cát như sau: 3 1≤D Đất cát xốp 3 2 3 1 ≤< D Đất cát chặt vừa 1 3 2 ≤< D Đất cát chặt Việc xác định độ chặt của đất cát bằng thí nghiệm trong phòng trong một số trường hợp, nhất là khi đất nằm dưới mực nước ngầm là rất khó khăn vì không lấy được mẫu đất nguyên dạng. Khi đó có thể dùng phương pháp thí nghiệm tại hiện trường để xác định độ chặt của đất cát ở thể nằm tự nhiên của nó, trong thực tế thường dùng xuyên động và xuyên tĩnh. Xuyên động SPT: Đường kính mũi xuyên 51mm, cắm vào đất 30cm dưới tác dụng của búa trọng lượng 63,5kg rơi tự do chiều cao71cm. Độ chặt của đất có quan hệ với số lần búa rơi như ở bảng 1-7. Chương 1: Bản chất của đất 1.10 Bảng 1- 7 Độ chặt của đất theo thí nghiệm xuyên động SPT Số lần búa rơi (N) Độ chặt tương đối (D) Trạng thái của đất 1 – 4 5 – 9 10 – 29 30 – 50 > 50 < 0,2 0,2 ÷ 0,33 0,33 ÷ 0,66 0,66 ÷ 1,0 1 Rất xốp Xốp Chặt vừa Chặt rất chặt Xuyên tĩnh CPT: đường kính mũi xuyên 36mm, góc đầu xuyên 60o được ấn xuống dưới đất và xác định được sức kháng mũi xuyên và độ chặt của đất cát như bảng 1-8. Bảng 1- 8 Sức kháng mũi xuyên theo độ chặt đất cát (100kPa) Cát thô Cát vừa Cát nhỏ Độ sâu Chặt Chặt vừa Chặt Chặt vừa Chặt Chặt vừa 5 10 150 220 150 – 100 220 – 150 100 150 100 – 60 150 – 90 60 90 60 – 30 90 – 40