Bản chất vật lý của đất

- Hạt đất có đặc trưng cơ bản: kích thước hạt độ lớn, hình dạng hạt và thành phần khoáng.. * Hạt có kích thước lớn, thành phần khoáng ít ảnh hưởng đến tính chất cơ – lý của đất; hạt có

CHƯƠNG 1: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT

§1 Sự hình thành đất – Phân loại đất theo nguồn gốc hình thành

Sự hình thành đất: Phong hoá và di chuyển tích tụ.

Đá gốc → Sản phẩm phong hóa → Đất

+ Quá trình tạo ra hạt đất: quá trình phong hóa (PH).

+ Quá trình di chuyển và tích tụ: quá trình trầm tích.

Hai quá trình trên diễn ra xen kẽ , lẫn lộn → hình thành đất .

1 Quá trình phong hóa

* Định nghĩa: là quá trình phá hoại và làm thay đổi thành phần đá gốc tạo ra các sản phẩm PH dưới tác dụng vật lý, hóa học, sinh học.

* Phân loại:

- Phong hóa vật lý

- Phong hóa hóa học

- Phong hóa sinh học

Theo quan điểm XD: chỉ nghiên cứu PH vật lý và PH hóa học.

a Phong hóa vật lý

- Định nghĩa: PH vật lý là PH do sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ, áp suất,

và sự va chạm gây ra, làm cho đá gốc bị phá hoại và vỡ vụn tạo ra sản phẩm PH vật lý.

- Đặc điểm của sản phẩm PH vật lý:

+ bề mặt góc cạnh, gồ ghề.

+ kích thước to nhỏ không đều.

+ thành phần khoáng vật và hóa học không thay đổi hoặc ít thay đổi so với

đá gốc.

+ không có khả năng kết dính.

→ được gọi là các hạt đất rời – là thành phần chính của đất rời, đại diện là cát.

b Phong hóa hóa học

- Định nghĩa: PH hóa học là PH do các tác động hóa học gây ra . Yếu tố gây

ra PH hóa học: nước , ôxy , axit cacbonic trong không khí.

Tác động hóa học xảy ra trên bề mặt tiếp xúc giữa hạt đất và môi trường

→ biến đổi thành phần khoáng vật gốc của hạt → đá bị vỡ vụn thành hạt rất nhỏ.

Hạt càng bé → diện tích bề mặt S / 1 đơn vị khối lượng càng lớn → tác động hóa học xảy ra càng mạnh → các hạt càng dễ bị chia nhỏ.

- Đặc điểm của sản phẩm PH hóa học:

+ bề mặt “nhẵn nhụi”.

+ kích thước hạt nhỏ, thường có kích thước hạt keo.

+ thành phần khoáng và hóa học thay đổi nhiều so với đá gốc.

+ có khả năng liên kết với phân tử nước tạo nên tính nhớt và có khả năng

tự liên kết các hạt với nhau.

→ những hạt kích thước rất bé có tính dính gọi là các hạt đất dính (hạt sét) – đại diện là sét.

Thực tế: các hạt đất rời và các hạt đất dính thường lẫn lỗn nhau, hạt nào chiếm ưu thế thì gọi tên theo loại đó.

- Phân loại theo nguồn gốc phong hóa:

 2 loại:

+ Đất rời : đá dăm, cuội sỏi, các loại cát.

Đặc điểm: kích thước hạt to.

rời rạc, không dính.

tính thấm lớn, hút nước ít.

+ Đất dính: các loại đất sét .

Đặc điểm: kích thước hạt nhỏ, mịn.

khô: cứng; ẩm: dẻo.

tính thấm bé, hút nước lớn.

Đất pha trộn: cát có ít sét : cát pha

sét có ít cát : sét pha .

2- Quá trình trầm tích

Quá trình trầm tích bao gồm sự di chuyển và tích tụ Sự di chuyển do trọng lượng bản thân hạt đất, do nước, do gió, băng tuyết

a Di chuyển do trọng lượng bản thân hạt đất

- Dưới tác dụng trọng lượng bản thân, các hạt đất có thể

+ nằm nguyên tại chỗ: đất tàn tích.

+ lăn từ chỗ cao xuống chỗ thấp hơn, dễ ổn định hơn theo các sườn dốc: đất sườn tích.

- Đặc điểm của 2 loại trên:

+ không phân lớp hoặc chiều dày lớp đất không đều.

+ thành phần và kích thước hạt lộn xộn, không đều.

+ giữa đất và đá gốc có mặt phân cách nghiêng → CT XD trên khu vực này

dễ mất ổn định.

b Di chuyển do nước cuốn trôi (bồi tích, sa tích)

- Các hạt đất do nước cuốn trôi bị sàng lọc, phân chia theo kích thước tùy thuộc vào vận tốc dòng chảy.

- Đặc điểm:

+ có tính phân lớp đều đặn về thành phần và kích thước;

+ chiều dày lớp thường lớn và rất lớn;

+ các lớp có kích cỡ hạt khác nhau thường xen kẽ nhau và chủ yếu là nằm ngang hoặc gần nằm ngang.

+ tính chất của đất trong từng lớp ít thay đổi nhưng ranh giới giữa các lớp đất thường khó phân biệt rõ rệt.

- Khi xây dựng CT trên các loại đất này cần quan tâm đến biến dạng, đặc biệt

là biến dạng không đều do các dị lớp.

§2 Các thành phần của đất Đất = các hạt đất + lỗ rỗng (nước, khí).

- Trường hợp thông thường: đất gồm 3 pha

- Trường hợp đặc biệt: đất gồm 2 pha

+ đất khô hoàn toàn: hạt đất và khí

+ đất bão hoà: hạt đất và nước.

Các thành phần hạt đất – nước – khí có tác động qua lại lẫn nhau và ảnh hưởng đến tính chất chung của cả tập hợp (tức là của đất).

I Hạt đất:

* Hạt đất là thành phần chủ yếu của đất, tạo thành khung kết cấu của đất (cốt đất).

- Hạt đất có đặc trưng cơ bản: kích thước hạt (độ lớn), hình dạng hạt và thành phần khoáng.

- Hạt đất thường có kích thước từ vài centimet đến vài phần trăm hoặc vài phần nghìn milimet.

1 Kích thước hạt đất

a . Định nghĩa kích thước hạt đất (mang tính quy ước vì hạt đất có kích thước và hình dạng đa dạng, bất kỳ)

* Nhóm hạt: là tập hợp các hạt đất có kích thước thay đổi trong một phạm

vi nào đó.

VD: Hạt có kích thước d 1 < d ≤ d 2 : nhóm hạt kích thước (d 1 , d 2 ].

* Hàm lượng nhóm hạt p(d1 , d2]: là phần trăm theo trọng lượng của nhóm hạt đó trong loại đất nghiên cứu (tính theo phần trăm trong tổng trọng lượng khô).

P(d1<d<=d2)={[Q(d1<d<=d2)]/QΣ}*100%}*100%

Q(d1,d2): trọng lượng nhóm hạt.

QΣ}*100%: tổng trọng lượng của mẫu đất.

- Căn cứ vào giá trị d có các tên gọi khác nhau của các loại hạt đất: đá sỏi ,

cát to , cát vừa , cát nhỏ , bụi , sét .

Phân loại và đặt tên nhóm hạt theo d (TCVN):

0 , 05 < d ≤ 2 Hạt cát

2 Hình dạng hạt đất

- Hình dạng hạt đất rất đa dạng và ảnh hưởng tới tính chất của đất.

- Có 3 dạng chính:

+ dạng khối 3 chiều.

+ dạng tấm (dạng phiến) 2 chiều.

+ dạng thanh (dạng kim) 1 chiều.

- Hạt kích thước lớn: hình dạng hạt đất ảnh hưởng nhiều đến tính chất của đất.

VD: cùng 1 loại cát nhưng hạt có hình dạng góc cạnh sắc nhọn, nhờ có sự xen

kẽ vào nhau mà có cường độ lớn hơn hạt có kích thước tương tự nhưng dạng tròn nhẵn.

- Hạt kích thước nhỏ: dạng tấm hoặc thanh Hình dạng hạt ít ảnh hưởng đến tính chất XD của đất.

- Đất rời: dạng khối; đất dính: dạng tấm hoặc thanh.

3 Thành phần khoáng của hạt đất

* Thành phần khoáng của đất rất đa dạng phụ thuộc vào

- thành phần đá gốc.

- tác dụng phong hóa.

- lịch sử tồn tại.

Với cùng 1 loại đá gốc nhưng tác dụng PH khác nhau thì thành phần khoáng

sẽ khác nhau.

* Khoáng nguyên sinh: thành phần khoáng không thay đổi hoặc ít thay đổi so với đá gốc (do PH vật lý gây ra).

- thường gặp: fenpat, mica, thạch anh

- Đặc điểm: + kích thước lớn

+ góc cạnh , rời rạc .

* Khoáng thứ sinh: thành phần khoáng thay đổi so với đá gốc (do PH hóa học gây ra).

* Hợp chất hữu cơ.

* Hạt có kích thước lớn, thành phần khoáng ít ảnh hưởng đến tính chất cơ –

lý của đất; hạt có kích thước nhỏ thành phần khoáng đóng vai trò quyết định tính chất cơ – lý của đất.

II Nước trong đất

* Nước trong đất tồn tại dưới nhiều dạng, tùy theo dạng tồn tại mà tác dụng khác nhau đến tính chất của đất.

* V A Priklonxki (1955) kiến nghị: nước trong bản thân hạt đất và nước ngoài hạt đất.

- Nước trong bản thân hạt đất: có dạng tinh thể, có thể coi là 1 bộ phận của hạt khoáng → ít ảnh hưởng đến tính chất của đất.

- Nước ngoài hạt đất: gồm nước liên kết và nước tự do.

Vậy , nói đến nước trong đất chính là nói nước ngoài hạt đất

1 Nước liên kết

- Nước liên kết là nước chịu ảnh hưởng của lực hút điện phân tử → nước liên kết chỉ tồn tại trên bề mặt hạt mịn.

- Dựa vào mức độ hút bám chia nước liên kết làm 3 loại: nước màng , nước liên kết mạnh , nước liên kết yếu .

a Nước màng: bám rất chặt ngay ngoài hạt đất và được coi là 1 phần của hạt đất , không tách ra được , ít ảnh hưởng đến tính chất của đất.

b Nước liên kết mạnh: bám tương đối chặt xung quanh hạt đất, chịu ảnh hưởng lớn của lực hút điện Nước liên kết mạnh ảnh hưởng nhiều đến tính dính của đất.

* Đặc điểm: - khác nước thông thường.

Đất chỉ có nước LK mạnh thì nó ở trạng thái nửa rắn, chưa thể hiện tính dẻo

- Độ nhớt cao; không di chuyển dưới tác dụng của áp lực.

c Nước liên kết yếu: chịu ảnh hưởng yếu của lực hút điện.

* Đặc điểm : - Có tính chất gần giống nước thông thường

Tính dẻo của đất xuất hiện khi có đủ nước liên kết yếu và kết cấu bị phá hoại Độ ẩm của đất khi có đủ nước liên kết yếu gọi là độ ẩm phân tử tối đa hay độ ẩm giới hạn dẻo.

2 Nước tự do

* Nước tự do là nước nằm ngoài phạm vi của lực hút điện.

- Nước tự do có tính chất như nước thông thường, di chuyển trong đất do trọng lượng bản thân hoặc do lực hút dính (lực mao dẫn ).

a Nước trọng lực: nước di chuyển do trọng lượng bản thân (do có áp lực).

b Nước mao dẫn: nước di chuyển do lực mao dẫn (do trong đất có nhiều lỗ rỗng nối với nhau)

* Có 3 vấn đề cần quan tâm:

+ Khả năng hòa tan và phân giải của đất

+ Ảnh hưởng của áp lực thủy tĩnh đối với đất và CT.

+ Ảnh hưởng của lực thấm đối với sự ổn định của đất.

3 Khí trong đất

* Nếu các lỗ rỗng không chứa đầy nước thì khí sẽ chiếm chỗ.

* Khí trong đất có 2 nguồn:

- Khí tự nhiên (khí trời): chiếm chủ yếu trong đất;

- Khí gas: chiếm phần nhỏ

* Có 2 loại khí trong đất

- Khí hở: khí liên thông với môi trường bên ngoài.

- Khí kín: khí không liên thông với môi trường bên ngoài.

* Khí kín ảnh hưởng nhiều đến tính chất của đất, đặc biệt là tính biến dạng (nén lún) và tính thấm.

Khí kín làm tăng tính đàn hồi, làm giảm tính thấm.

§3 Kết cấu và cấu trúc của đất

I Khái niệm

* Kết cấu của đất là thuật ngữ chỉ cách sắp xếp các hạt đất trong một khối đất nhỏ có cùng thời điểm hình thành và cùng tồn tại tạo nên khung kết cấu đất – còn gọi là khung đất.

* Cấu trúc của đất là thuật ngữ dùng để chỉ sắp xếp các lớp đất trong nền tại thời điểm khảo sát

II Kết cấu của đất

Kết cấu của đất là sự sắp xếp các hạt đất với nhau có ảnh hưởng đáng kể tới các tính chất vật lý và cơ học của đất Kết cấu của đất phụ thuộc vào quá trình hình thành và tồn tại rất lâu nên rất đa dạng Người ta thường phân kết cấu của đất thành ba loại sau:

1 Kết cấu hạt đơn

Loại này được hình thành do sự chìm lắng các hạt tương đối lớn trong môi trường nước Những hạt này được sắp xếp cạnh nhau, giữa chúng không có lực liên kết

Kết cấu hạt đơn thường thấy trong các loại đất bụi, đất cát và cuội sỏi

Kết cấu hạt đơn còn được phân ra là kết cấu xốp và kết cấu chặt

- Kết cấu xốp là sự sắp xếp các hạt một cách rời rạc, giữa chúng thường có lỗ hổng lớn Loại đất này chịu lực yếu, gây lún lớn

- Kết cấu chặt là sự sắp xếp các hạt liền khít và được chèn chặt với nhau Loại đấtnày có hệ số rỗng nhỏ, sức chịu tải lớn và ít lún

2 Kết cấu tổ ong

Các trầm tích gồm các hạt tương đối nhỏ, khi lắng đọng trọng lượng các hạt không đủ thắng được các lực tác dụng tương hỗ giữa chúng với nhau, các hạt bám vào nhau khi lắng xuống tạo thành nhiều lỗ hổng như tổ ong

3 Kết cấu bông

Các hạt kích thước rất nhỏ( hạt sét, hạt keo) thường lơ lửng trong nước trong một thời gian nhất định, sau đó chúng kết hợp vơi snhau rồi lắng xuống tạo thành các đám như bông

III Cấu trúc của đất

- Cấu trúc phân lớp là hình thành do sự lựa chọn kích thước, thành phần khoáng vật trong quá trình trầm tích theo nhiều dạng khác nhau

- Cấu trúc khối là sự sắp xếp 1 cách hỗn độn, không theo quy luật các thành tạo phong hóa với nhiều mức độ khác nhau về độ chặt, sự biến đổi liên kết bên trong theo thời gian Đất có cấu trúc khối thường gặp ở các loại tàn tích, sườn tích, lũ tích…

§4 Các chỉ tiêu vật lý của đất

* Khái niệm:

- Chỉ tiêu vật lý là đại lượng mô tả quan hệ về trọng lượng, về thể tích giữa các thành phần của đất.

- Chia các chỉ tiêu vật lý thành 2 nhóm:

+ Các chỉ tiêu vật lý xác định bằng TN bắt buộc (các chỉ tiêu cơ bản): biểu diễn bản chất của đất

+ Các chỉ tiêu vật lý tính đổi (tính toán được từ các chỉ tiêu TN): nhấn mạnh 1 tính chất nào đó

- Để nghiên cứu tính chất vật lý của đất , người ta dùng sơ đồ 3 pha để mô tả các khối đất.

I Các chỉ tiêu vật lý thí nghiệm

1 Trọng lượng riêng tự nhiên của đất (trọng lượng riêng ướt hay trọng lượng thể tích đất tự nhiên) γ w (kN/m 3 ; N/cm 3 ).

* ĐN: là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất tự nhiên.

Q: trọng lượng mẫu đất

V: thể tích mẫu đất

Y = 13 ÷ 22 (kN/m 3 )

2 Độ ẩm tự nhiên của đất W (thường biểu thị bằng %)

* ĐN: là tỷ số giữa trọng lượng nước chứa trong lỗ rỗng của đất với trọng lượng hạt rắn.

CT:

W=(Qn/Qh)*100

Qn : trọng lượng nước trong lỗ rỗng;

Q h : trọng lượng hạt đất.

3 Trọng lượng riêng hạt γ h

* ĐN: trọng lượng riêng hạt là trọng lượng của 1 đơn vị thể tích hạt đất.

Tỷ trọng hạt là tỷ số giữa trọng lượng riêng hạt với trọng lượng riêng của nước ở điều kiện tiêu chuẩn.

* CT:

γ h=Qh/Vh

Q h : trọng lượng hạt đất

V h : thể tích hạt đất

γ o (γ n ): trọng lượng riêng của nước, γ o ≈ 10 (kN/m 3 ).

II Các chỉ tiêu vật lý khác

1 Trọng lượng riêng khô (γ k ): là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng thái hoàn toàn khô (trọng lượng của hạt rắn trong 1 đơn vị thể tích đất.

2 Độ rỗng của đất (n): là thể tích lỗ rỗng trong 1 đơn vị thể tích đất (biểu diễn bằng phần trăm hoặc thập phân).

3 Độ hạt (độ đặc) của đất (m): là thể tích hạt đất trong 1 đơn vị thể tích đất.

4 Hệ số rỗng của đất (e): là tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng với thể tích hạt rắn của đất.

5 Độ ẩm toàn phần (độ ẩm bão hòa) (W tp , W bh ): là độ ẩm của đất bão hòa.

6 Độ bão hòa của đất (độ no nước, mức bão hòa) (S, G): là tỷ số giữa thể tích nước và thể tích lỗ rỗng.

7 Trọng lượng riêng bão hòa (trọng lượng riêng no nước) (γ bh , γ nn ): là trọng lượng của 1 đơn vị thể tích đất ở trạng thái bão hòa (các lỗ rỗng chứa đầy nước).

8 Trọng lượng riêng đẩy nổi (γ đn ) (trọng lượng riêng của đất nằm dưới mực nước ngầm): là trọng lượng của 1 đơn vị thể tích đất khi bị ngập nước

* Lưu ý: Cùng 1 loại đất: γ bh > γ w > γ k > γ đn

Trọng lượng riêng khô

γ k= Qh

V

1+0.01 W

Trọng lượng riêng bão hòa bh

Q h+Qn V

γ bh=nY 0+mYh

Trọng lượng riêng đẩy nổi

V

1+e

Độ ẩm toàn phần (độ ẩm bão hòa)

Yh

Độ rỗng của đất

n= Vr

V

Độ hạt của đất

n=1-Yh(1+0.01W ) Y

Yh(1+0.01 W )

m= V h

V

Hệ số rỗng

Vh

e= Yh(1+0.01 W )

Độ bão hòa

S= V n

V r

Yh (1+0.01W )−Y

§5 Trạng thái và các chỉ tiêu đánh giá trạng thái của đất Hiện nay thường dùng hai chỉ tiêu Độ chặt (D) đối với đất cát và độ sệt (B) đối với đất dính để nói lên trạng thái vật lý của đất.

1.Độ chặt của đất

Các hạt đất là khung cốt chịu lực của đất, nếu các hạt đất không được sắp xếp chặt chẽ với nhau thì sẽ có nhiều lỗ hổng lớn và sức chịu lực của đất

sẽ giảm, nếu các hạt đất được chèn chặt với nhau thì thể tích lỗ hổng sẽ giảm đi và sức chịu lực của đất sẽ tăng lên Vì vậy độ chặt là chỉ tiêu thể hiện sức chịu lực của đất

Để đánh giá độ chặt người ta dùng chỉ tiêu độ chặt (D)

emax−emin

Trong đó:

e max : Hệ số rỗng ở trạng thái rời rạc của đất

e min : Hệ số rỗng ở trạng thái đầm chặt của đất

e: Hệ số rỗng ở trạng thái tự nhiên của đất

Dựa vào các giá trị của độ chặt D người ta đưa ra tiêu chuẩn phân loại độ chặt của

đất cát qua bảng 1-4

Ngoài ra để đánh giá độ chặt của đất một cách đơn giản có thể căn cứ vào

hệ số rỗng e qua bảng 1-5

Bảng 1-4: Bảng phân loại độ chặt của đất cát theo độ chặt

Loại

Đất cát chặt 1 D 0,67 D  0,67  D  0,67

Đất cát chặt vừa 0,67 D 0,33 D  0,67  D  0,67

Đất cát rời rạc 0,33 D 0,0 D  0,67  D  0,67

Bảng 1-5: Bảng phân loại độ chặt của đất cát theo hệ số rỗng

Cuội sỏi, cát

thô, cát

trung

e < 0.5 0.5 ≤ e ≤ 0.7 e > 0.7

Cát

nhỏ

e < 0.6 0.6 ≤ e ≤

Cát

3 Độ sệt của đất

Đất dính bao gồm phần lớn là các hạt sét, hạt keo có kích thước

rất nhỏ có các trạng thái như sau:

- Khi khô đất dính rắn cứng, trạng thái này là trạng thái cứng

- Khi ẩm đất dính dẻo có thể lặn được, trạng thái này được gọi là trạng thái dẻo.