• Các nhà kỹ thuật: đất là vật liệu rắn của trái đất có thể di chuyển mà không cần cho nổ tung soil is any solid earth material that can be removed without blasting Cả hai định nghĩa đều
Trang 1CHƯƠNG 3: ĐẤT VÀ MÔI TRƯỜNG (SOILS AND
ENVIRONMENT)
A GIỚI THIỆU VỀ ĐẤT:
1. Định nghĩa đất: 2 quan điểm
• Các nhà khoa học đất: Đất là vật liệu rắn của trái đất, chịu ảnh hưởng của các quá trình lí học, hoá học, sinh học, là giá thể của cây xanh
• Các nhà kỹ thuật: đất là vật liệu rắn của trái đất có thể di chuyển mà không cần cho nổ tung (soil is any solid earth material that can be removed without blasting)
Cả hai định nghĩa đều rất quan trọng đối với địa chất môi trường.Các nhà địa chất phải nhận thức đúng đắn các định nghĩa và các quan điểm khác nhau của các nhà nghiên cứu trong các lĩnh vực liên quan đến quá trình hình thành đất và vai trò của đất trong các vấn đề môi trường [Những vấn đề có liên quan về đất đặc biệt là quy hoạch sử dụng đất trở thành khía cạnh quan trọng của công tác môi trường:
- Quy hoạch sử dụng đất: đô thị, nông nghiệp,lâm nghiệp
- Vấn đề chất thải: xem xét sự tương tác giữa chất thải, nước, đất và đá ->tìm
ra các vị trí thích hợp để làm bãi rác
- Nghiên cứu đất: đánh giá tai biến tự nhiên( trượt đất, động đất,lũ lụt) ->giảm thiểu tác động
+ Trong trường hợp lũ lụt, xem xét các tính chất đất giúp phác thảo các đồng bằng ngập lụt
+Đánh gía tuổi tương đối của đất trên các trầm tích trượt lở có thể cung cấp ước lượng về tần xuất trượt đất nhằm trợ giúp qui hoạch để giảm thiểu tác động của chúng
Trang 2+ Nghiên cứu đất là công cụ mạnh thiết lập bảng niên đại các vật liệu bị biến dạng bởi đứt gẫy để tính toán tốt hơn những khoảng tái xuất hiện các trận động đất tại các vị trí đặc biệt.]
2. Sự hình thành đất:
a) Quá trình hình thành đất: Quá trình tạo thành đất là tổng hợp những thay đổi
hóa học,lý học, sinh học làm cho các nguyên tố dinh dưỡng trong khoáng,đá chuyển thành dạng dễ tiêu
Quá trình có ảnh hưởng đến sự hình thành đất là quá trình phong hóa
b) Phong hóa: Phong hóa là sự phá hủy vật lý và hóa học của đá và là giai đoạn
đầu tiên trong phát triển đất; bao gồm:
- Phong hóa cơ lý: Quá trình làm vỡ vụn đá do tác nhân lý cơ đơn thuần, tính chất và tp đá không đổi
- Phong hóa hóa học: dưới tác động của các tác nhân hóa học (nước, CO2,
SO2), đá không chỉ bị vỡ vụn nhiều mà còn bị biến đổi thành phần và tính chất
- Phong hóa sinh học: qtr biến đổi lý hóa do tác động của SV và các sản phẩm trong quá trình sống của chúng
c) Phẫu diện đất: Khi di chuyển theo chiều dọc và ngang, ta sẽ thấy sự khác biệt
giữa các tầng đất, các tầng này gần như song song với bề mặt đất Tập hợp tất
cả các tầng đất được gọi là phẫu diện đất
- Tầng O: tích tụ hữu cơ trên mặt( ở điều kiện k ngập nước)
- Tầng A: tích lũy mùn
- Tầng E :tầng rửa trôi (chứa nhiều khoáng sét, Fe,…bị rửa trôi)
Trang 3- Tầng B: là tầng giàu sét, ion Fe, cacbonate và nhiều khoáng khác lắng đọng
từ các tầng trên xuống,được gọi là tầng tích tụ
- Tầng C: Chứa vật liệu gốc, có thể có màu đỏ khi xuất hiện ion Fe.(tầng mẫu chất)
- Tầng R: Tầng đá móng (đá cứng)
d) Màu sắc: Màu sắc đất là dấu hiệu bề ngoài dễ nhận biết nhất của đất Màu sắc của đất phụ thuộc thành phần hóa học và độ ẩm của đất
Màu sắc của đất tuy phức tạp nhưng chỉ là hỗn hợp của 3 màu đen, đỏ và trắng
• Màu đen:chủ yếu do mùn tạo nên, đất càng nhiều mùn càng đen, ít mùn có màu xám MnO và FeS cũng có màu đen
• Màu trắng do SiO2, CaCO3 và Kaolinite Một số muối hòa tan cũng có màu trắng như NaCl, Na2SO4.8H2O
• Màu đỏ chủ yếu do Fe2O3 tạo ra Nếu bị ngậm nước (hydrat hóa) chúng sẽ có màu vàng đỏ
Độ ẩm của đất cũng ảnh hưởng đến cường độ màu của đất Độ ẩm càng lớn thì màu sắc càng sẫm, khi khô màu sắc thường nhạt hơn
e) Sa cấu: Sa cấu đất là tỷ lệ tương đối của ba cấp hạt : cát, thịt, sét
• Sét có đường kính <0.004mm
• Thịt có đường kính từ 0.004 đến 0.74mm
• Cát có đường kính từ 0.74 đến 2mm
Uớc tính kích thước của thành phần đất bằng pp cảm giác: cảm thấy cát có sạn, khoáng như bột bánh mỳ và đất sét kết dính Nếu trộn nước, sét có thể kết dính, cát
và khoáng thì không.
Trang 4f) Cấu trúc: Cấu trúc đất là sự sắp xếp hoặc tập hợp các hạt đất khác nhau, các hạt được kết dính với nhau nhờ các keo sét và hữu cơ, là một công cụ chuẩn đoán quan trọng để nghiên cứu sự hình thành và tuổi tương đối của các tầng đất.
3. Độ phì nhiêu (soil fertility):
Độ phì của đất là khả năng cung cấp chất dinh dưỡng cho sự phát triển của thực vật khi những điều kiện khác thuận lợi Vd: nitơ, photpho, kali…
Độ phì của đất sẽ giảm dưới tác dụng của xói mòn, rửa trôi, việc sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật, sự gián đoạn của các quá trình tự nhiên như lũ lụt.
Đất phát triển trên các triền sông và trầm tích băng hà chứa đầy đủ chất dinh dưỡng và vật chất hữu cơ Các loại đất khác phát triển trên các nền đá bị bào mòn hoặc trên trầm tích bở rời với rất ít vật chất hữu cơ nên nghèo dinh dưỡng độ phì nhiêu thấp
4 Nước trong đất:
• Nếu các khoảng trống trong khối đất chứa đầy nước thì đất được gọi là bão hòa (saturated), ngược lại là chưa bão hòa (unsaturated).
• Độ ẩm đất có vai trò quan trọng trong việc xác định đặc tính cơ lý (độ bền) và tính trương co của đất
Việc nghiên cứu về mối liên hệ giữa độ ẩm của đất và động thái của nước và các chất lỏng khác là một chủ đề nghiên cứu quan trọng Điều này có liên quan đến các vấn đề ô nhiễm nước, chẳng hạn như sự di chuyển của các loại khí bị rò rỉ từ các bể chứa hoặc sự di chuyển của các tác nhân gây ô nhiễm nước từ các bãi phân hủy rác gần đó
5 Hệ thống phân loại đất
Theo đặc tính lý, hóa: Soil Taxonomy (bộ Nông Nghiệp Mỹ): gồm 6
cấp: Orders, Suborders, Great Groups, Subgroups, Families, Series (theo các
Trang 5nhà khoa học nghiên cứu về đất và nghiên cứu về địa chất của kỉ Đệ
Tứ-nghiên cứu về vật chất và các qt thành tạo của lịch sử TĐ gần đây)( bộ, bộ phụ, nhóm lớn, nhóm phụ, họ, biểu loại.)
Có 11 bộ (Entisols, Vertisols, Inceptisols, Aridisols, Mollisols, Andisols, Spodosols, Alfisols, Ulfisols, Oxisols, Histosols) được phân loại dựa vào thành phần cơ giới của đất như số lượng, các tầng đất hiện có; vị trí các chất dd trong đất, hàm lượng các chât hữu cơ (xác thực vật….), màu sắc (đỏ,vàng nâu trắng ), đk khí hậu có liên quan(lượng mưa,nhiệt độ trung bình…) Các bậc thấp hơn cung cấp thông tin chi tiết hơn về từng loại đất riêng biệt Hệ thống phân loại này rất hữu ích cho ngành nông nghiệp và các mục đích sử dụng đất
có liên quan Nhưng hệ thống phân loại này cũng có nhiều khuyêt điểm như quá phức tạp, thiếu thông tin đầy đủ về sa cấu và quá trình hình thành đất để tối ưu hóa việc sd đất
• Entisol s: chưa phát triển,có nhiều phù sa mới,nhiều đất mới được tổng hợp, đất
trẻ
• Vertisols: gồm sét co mạnh(>35%) , nở và co lại khi thay đổi độ ẩm,thường
hình thành ở vùng có mùa mưa, khô rõ rệt
• Inceptsols: 1 hoặc nhiều tầng phát triển nhanh, khó phân biệt giữa các tầng,
đất mới được hình thành nhưng không phải bề mặt đất mới, có các vật chất hữu
cơ tích tụ, hầu hết ở vùng khí hậu ẩm ướt kéo dài từ bắc cực đến vùng nhiệt đới, thảm thực vật bản địa thường là rừng
• Aridsols: đất hoang mạc hoặc đất ở nơi khô cằn, hàm lượng chất hữu cơ tích tụ
thấp, tầng đất mặt có nhiều thạch cao(CaSO4.nH2O), calcite(CaCO3), muối và nhiều vật chất khác tích tụ
• Mollisols: đất dược dặc trưng bởi màu đen, tầng A giàu chất hc(tầng tích lũy
mùn)- đất đồng cỏ, lớp mặt có tính bazo,có ở vùng cận ẩm và vùng semiarid?
Trang 6• Andisol: có nguồn gốc từ nham thạch của núi lửa,tương đối giàu các khoáng
chất hóa học hoạt động phân hủy thành các nguyên tố quan trọng như C,P
• Sopdosols : đất dược đặc trưng bởi màu xám tro của cát, có sự kết tinh của oxit
Sắt nhôm thừa và mùn, đất acid được hình thành từ các vật chất ban đầu nhiều cát, có ở dưới các tán rừng ở vùng ẩm ướt
• Alfisols: được đặc trưng bởi tầng đất mặt màu nâu hoặc xám nâu,tầng agrillic
tích tụ nhiều sét với độ bão hòa base từ trung bình đến cao (> 35% là cation như Na, Ca, Mg ), được hình thành dưới các tán rừng trong vùng ẩm ướt ở các
vĩ độ trung bình
• Ultisols: được đặc trưng bởi tầng argillic vói độ bão hòa base thấp(< 35% các
cation), thường có màu đỏ vàng hay đỏ nâu, có trong vùng ẩm ướt, hình thành trên vùng đất mới hoặc đất lâu năm mà có độ phong hóa cao
• Oxisols: tương đối bằng phẳng, thường ở sâu, rửa trôi thủy hợp các kim loại
chứa hợp chất nhôm và sắt (laterit hóa) được xem như là sét kaolinit,có ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới
• Histosol: đất hữu cơ (than bùn, phân hữu cơ, đầm lầy)
Hệ thống phân loại đất theo thành phần cơ giới
• Theo thành phần cơ giới: 3 loại: đất thô, đất mịn và đất giàu hữu cơ Hệ thống phân loại đất thống nhất được sự dung rộng rãi trong nghành xây dựng Bởi vì đất trong tự nhiên là hỗn hợp của các loại hạt thô (đất và sỏi), các loại hạt mịn (bùn và sét) và các vật chất hữu cơ
• Sự phân loại này dựa vào kích thướt các loại hạt chủ yếu trong đất hoặc dựa vào sự đa dạng của các loại vật chất hc trong đó Trong đất thô có hơn 50%là các hạt có đường kính lớn hơn 0.074mm Đất mịn là đất có ít hơn 50% các hạt có đường kính >0.074mm Đất hữu cơ là đất có hàm lượng cao chất hc,
Trang 7và được nhận biết qua màu sắc đen hay xám thỉnh thoảng có mùi hidro sunfur (mùi trứng thối)
6 Đặc tính cơ học của đất:
Đất ở trên gương nước ngầm (water table) có 3 pha riêng biệt: pha rắn, pha lỏng và pha khí Các loại vật chất rắn, kích thướt các hạt, và hàm lượng
nước là các căn cứ để xác định tính chất cơ học của đất Đối với các nhà quy
hoạch quan tâm đến những tính chất cơ học quan trọng là tính dẻo (plasticity),
độ bền (strength), tính nhạy (sensitivity), khả năng chịu nén (compressibility), khả năng bị bào mòn (erodibiity), tính dễ đào xới (ease
of excavation) và khả năng trương co của đất (shrink-swell potential).
-Tính dẻo: thường thể hiện khi đất ở trạng thái ẩm, có khả năng nặn được những
hình dạng nhất định và có thể giữ nguyên được hình dạng đó khi không có lực tác động Phạm vi xuất hiện độ dẻo của đất được xác định bởi hai giới hạn( có liên quan đến độ ẩm của đất)
+Giới hạn lỏng(LL): độ ẩm quá lớn đất bị nhão ra không còn tính dẻo nữa
+Giới hạn dẻo(PL): độ ẩm thấp đất bị khô có thể nứt vỡ không còn tính dẻo nữa Chỉ số độ dẻo(PI): đặc trưng cho tính dẻo của đất:
+PI < 5%:đất chuyển từ dạng rắn sang lỏng.
+PI > 35%: đất có khả năng trương co lớn.
-Độ bền: khả năng chống lại sự biến dạng khi bị tác dụng bởi lực Độ bền của đất
có liên quan đến lực liên kết và lực ma sát
-Tính liên kết của đất: thướt đo khả năng kết dính các phần tử trong đất lại với
nhau.Tính liên kết trong đất mịn là do lực điện (lực hút) giữa các phần tử đất Đối với đất thô đã bão hòa có lực liên kết bề mặt được gây ra bởi sức căng bề mặt của các phân tử nước trong đất
Trang 8+Tính ma sát (friction): sự ma sát giữa các phần tử trong đất góp phần làm tăng độ bền của đất Lực ma sát là hàm về mật độ, kích thướt, hình dạng cũng như khối lượng của các phần tử đất khi chúng ma bị ma sát Lực ma sát là nhân tố đáng chú ý đối với các loại đất thô như cát và sỏi Lực ma sát giải thích tại sao chúng ta
không bị lún sâu khi đi trên cát khô Bởi vì thành phần chính của loại đất là các hạt thô và mịn nên độ bền của đất là kết quả của sự ma sát nội phân tử và sự liên kết
Mặc dù khái quát như vậy là nguy hiểm nhưng đất sét và đất giàu vật chất hữu cơ
có độ bền thấp hơn là đất thô Thực vật đóng vai trò quan trọng trong độ bền của đất Ví dụ: Rễ cây tạo sự liên kết mặt ngoài đáng kể cho đất nhờ vào đặc tính kết dính của rễ hoặc do rễ cây bám vào các nền đá bên dưới lớp đất mỏng trên các sườn dốc.
-Độ nhạy: thướt đo sự thay đổi độ bền của đất khi bị xáo trộn như đào xới hoặc rung động Đất cát và đất sỏi không chứa sét có độ nhạy kém Khi đất có nhiều vật chất mịn thì độ nhạy cao hơn Đất có độ bão hòa cao có thể chuyển sang thể
lỏng khi bị rung động Quá trình này gọi là sự hóa lỏng Ta có thể quan sát được điều này ở ngoài thực tế như khi ta đứng trên cát ướt và rung chân, đất bị nhão ra và
ta bị lún xuống một tí
-Khả năng chịu nén của đất (độ nén): khả năng của đất bị nén chặt hoặc bị giảm
thể tích Khả năng chịu nén là một phần của chức năng co dãn tự nhiên của các phần tử trong đất và có liên quan trực tiếp đến sự sa lắng các cấu trúc Sự sa lắng
(sụp lún) quá lớn sẽ làm nứt các nền móng và tường So với đất có nhiều hạt thô thì đất có nhiều hạt mịn hoặc nhiều vật chất hữu cơ có khả năng chịu nén cao hơn.
-Khả năng bị ăn mòn (erodibility): Khả năng các vật chất trong đất dễ bị cuốn
đi bởi gió và nước Các vật chất dễ bị ăn mòn bao gồm cát, bùn và những vật liệu có độ chắc thấp Đất có tính kết dính (>20% sét) và đất có tính xi-măng tự
nhiên khó bị ăn mòn bởi gió hoặc bi nước cuốn đi, vì thế chúng là vật chất bị ăn mòn thấp
Trang 9-Độ thấm (permeability): khả năng của đất cho nước di chuyển qua dễ dàng Cát
và sỏi sạch có độ thấm cao Các hạt mịn trong hỗn hợp đất và sỏi làm giảm độ thấm của đất Đất sét thường có độ thấm thấp
-Sự bào mòn (corrosion): Sự phong hóa chậm hay sự phân hủy hóa học diễn ra ở
lớp đất mặt đến nền đá móng Sự bào mòn phụ thuộc tính chất hóa học của những
thứ bị chôn vùi trong đất và độ ẩm của đất Người ta quan sát thấy rằng đất tích điện (mạng dòng điện hoặc điện trở thấp do có nước) càng nhiều thì càng dễ bị bào mòn Vì thế mà đo điện trở của đất là 1 cách để ước tính độ bào mòn cả đất
-Khả năng dễ đào xới của đất: gắn liền với các quy trình và thiết bị trong xây
dựng Có 3 kĩ thuật đào xới đất thông dụng:
+Kĩ thuật đào xới thông thường: sử dụng cuốc, xẻng,máy đào… đào dễ dàng mà không cần khoét lỗ trước
+Kĩ thuật đào lỗ: cần phá vỡ đất trước khi lấy đất lên(đất tảng,tính kết dính cao) +Kĩ thuật phá đá hoặc cho nổ: đắt tiền, đối với các loại đất có chứa nhiều thạch anh kết dính cao như ximăng
-Tính trương co: thể tích đất tăng lên khi ngậm nước, giảm đi khi mất nước Đất
trương lên là do nước chen vào giữa các tinh tầng khoáng sét Đất trương có chỉ số
độ dẻo cao, phản ánh khả năng giữ nhiều nước ở trạng thái dẻo Montmorillonite có tính trương lớn nhất, khi ngậm nhiều nước thể tích của nó có thể tăng 15 lần Đất thông thường chỉ có một lượng hữu hạn loại sét này nên tính trương của đất thường
từ 25-50% Tuy nhiên khi thể tích đất tăng lên hơn 3% thì rất nguy hiểm Ví dụ đất trương lên ở Mỹ gây ra các vấn đề về môi trường, một trong những mối nguy hiểm gây thiệt hại nhiều nhât ở đây Mỗi năm nó gây thiệt hại hơn 3 tỉ đô cho đường cao tốc, các tòa nhà và những công trình khác.Mỗi năm có hơn 250.000 ngôi nhà được xây trên đất trương phồng, khoảng 60% chúng chịu thiệt hại nhẹ như nứt tường, nền móng, lối đi; khoảng 10% bị hư hỏng nặng
Trang 10Những thiệt hại trong xây dựng trên đất trương phồng được gây ra bởi sự thay đổi thể tích của đất khi thay đổi độ ẩm Nhân tố thay đổi độ ẩm trong đất trương phồng: khí hậu, thực vật, địa hình, sự thóat nước, quy hoạch xây dựng và chất lượng xây dựng
+ Ở vùng tây nam Hoa Kì có mùa khô và mùa mưa rõ rệt (điều kiện xảy ra quá trình trương co liên tục) đất ở đây có tính trương co nhiều hơn so với vùng mưa quanh năm
+ Thực vật cũng gây ra sự thay đổi độ ẩm trong đất, đặc biệt trong suốt mùa khô các cây lớn hút và sử dụng nhiều nước trong đất, làm cho đất dễ bị co lại Vì thế đối với những vùng đất có tính trương phồng cao không nên trồng cây gần nền móng có cấu trúc yếu (như nhà ở)
+Địa hình và dòng chảy bất lợi gây ra sự ứ đọng nước thành ao và những cấu trúc tương tự, làm tăng tính trương phồng của đất sét Tuy nhiên, cả chủ nhà lẫn các nhà thầu đều không tránh khỏi vấn đề này Các thí nghiệm kiểm tra trước khi xây dựng giúp phát hiện tính trương co tìm ẩn của đất Những thiết kế chắc chắn về hệ thống thoát nước, máng dẫn nước mưa và nền móng có thể làm giảm tối thiểu các thiệt hại
có liên quan đến đất trương phồng thông qua việc củng cố dược các dòng chảy và cho phép nền móng thích nghi với tính trương co của đất Các nhà quy hoạch chỉ quan tâm đến mục đích sử dụng đất nên không cần kiểm tra để xác định đặc tính cơ
lí của đất Họ chỉ cần nắm được những qui tắc và thuật ngữ cơ bản của các vật chất hình thành đất Những bàn luận về đặc tính cơ lí của đất đã hình thành nên 2 nguyên
lí cơ bản:
(1) Đối với đất sét có độ bền thấp, độ nhạy cao, khả năng chịu nén cao, độ thấm thấp
và khả năng trương co khác nhau không nên xây dựng các công trình có cấu trúc nặng, độ ổn định thấp hoặc những công trình đòi hỏi khả năng thoát nước tốt của đất