Đất phát triển trên các sản phẩm phong hóa của đá bazan (gọi tắt là đất bazan) là loại đất phổ biến nhất khu vực Tây Nguyên. Đất bazan có đặc trưng cơ lý chung với khối lượng thể tích nhỏ, độ ẩm và độ bão hòa lớn do đó hệ số nén lún lớn, không ổn định.
Trang 1NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT THẤM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TÍNH THẤM ĐẾN SỨC KHÁNG CẮT CỦA ĐẤT BAZAN
DI LINH - BẢO LỘC
THÁI HỒNG ANH * , HÀ NGỌC ANH,
NGUYỄN VIỆT TIẾN
Permeability properties of bazan soils and its influences on shear strength at Di Linh - Bao Loc area
Abstrast: Land use and management effect on hydraulic properties and
shear strength of bazan soil at Di Linh - Bao Loc area in recent years Physical and chemical properties of the soil are alterated resulting on an increase in water content due to permeation of rain water directly The alterations of cohesion and angle of internal friction were investigated through hydraulic conductivity test and direct shear test at different saturated state of soil speciments The results show that cohesion and angle of internal friction were decreased with increasing saturated degrees and the decrease of cohesion was more significant than that of angle of internal friction The increase in water content created thin water layer surrounding soil clay particles On the otherhand, kaolinite, which is the major mineral in component of bazan soil, has weak water resistance
to water The shear strength of obtained speciments after hydraulic conductivity test had smaller decrease in magnitude probably due to rigid wall method of permeability test
Keywords: Landuse, bazan soil, hydraulic properties, shear strength
1 ĐẶT VẤN ĐỀ *
Đất phát triển trên các sản phẩm phong hóa
của đá bazan (gọi tắt là đất bazan) là loại đất
phổ biến nhất khu vực Tây Nguyên Đất bazan
có đặc trƣng cơ lý chung với khối lƣợng thể tích
nhỏ, độ ẩm và độ bão hòa lớn do đó hệ số nén
lún lớn, không ổn định [1] Diện tích phân bố
loại đất bazan ở Tây Nguyên khoảng 1.549.292
ha, chiếm khoảng 25% diện tích tự nhiên toàn
vùng và chiếm trên 50% tổng diện tích đất
bazan toàn quốc, phân bố chạy dài từ tỉnh Kon
Tum, Gia Lai, Đắk Lắk, Đắk Nông đến Lâm
Đồng Riêng tỉnh Lâm Đồng có 229.216 ha đất
* Viện Địa chất - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam
DĐ: 0363801689;
Email: honganh224@gmail.com
bazan (chiếm 23,5% diện tích tự nhiên của tỉnh) Trong đó, khu vực Di Linh và Tp.Bảo Lộc nằm trên khối bazan trung tâm tỉnh Lâm Đồng có 134.008 ha đất bazan (chiếm 58,5% diện tích
đất bazan toàn tỉnh) [2]
Đất bazan phân bố trong khu vực Di Linh - Bảo Lộc là sản phẩm phong hóa từ đá bazan đƣợc hình thành từ hoạt động magma Kainozoi [3] Ngoài việc sử dụng đất bazan để trồng cây công nghiệp nhƣ chè, cafe, hồ tiêu…thì đất bazan còn đƣợc sử dụng để làm vật liệu xây dựng - gạch không nung, nghiên cứu đặc tính của sét trong đất bazan để sử dụng trong công tác xử lý, ngăn cách chất ô nhiễm…[4][5][6] Sau quá trình phong hóa từ đá, đất bazan có khoáng chất kaolinit hoạt tính, Fe/Al oxide và các hợp chất nên có màu đỏ hoặc màu đỏ vàng là chính, có
Trang 2hàm lượng bụi sét chiếm 60-70%, độ ẩm tự nhiên
thay đổi theo mùa từ 20 % đền 50, 60 %, dung
trọng khô γk=1-1,9 g/cm3 [7] Tính chất vật lý
của đất chủ yếu ảnh hưởng đến đến sức kháng
cắt của đất bao gồm cấp phối thành phần hạt, độ
lỗ rỗng, độ ẩm và tính thấm [8]
Theo số liệu của Tổng cục thống kê qua các
năm về hiện trạng sử dụng đất phân theo địa
phương, trong những năm gần đây, tình hình sử
dụng đất, chuyển đổi mục đích sử dụng đất ở khu
vực Tây Nguyên có sự thay đổi lớn Trong gần
hai chục năm, diện tích đất nông nghiệp tăng gấp
1,6 lần (với diện tích tăng thêm 760 nghìn ha),
đất phi nông nghiệp (đất ở và đất chuyên dùng)
tăng 1,9 lần (với diện tích tăng thêm 167 nghìn
ha) Trong khi đó, diện tích đất lâm nghiệp thu
hẹp chỉ bằng 87% so với trước (giảm bớt 411
nghìn ha) Việc chuyển đổi mục đích sử dụng đất
từ đất lâm nghiệp, sang đất canh tác, đất ở, đất
chuyên dùng… đã làm cho môi trường đất ở đây
có sự thay đổi Việc bóc lớp thảm thực vật đã tạo
điều kiện cho nước mưa thấm thẳng xuống các
tầng đất, rửa trôi, xói mòn các hạt đất, các cation
kim loại nặng…làm biến đổi thành phần hóa học
của đất, dẫn đến sự biến đổi tính chất cơ lý của
đất Sự thay đổi tính chất cơ lý của đất là một
trong những yếu tố thúc đẩy quá trình trượt lở
phát triển [9][10][11] Tính thấm là yếu tố quan
trọng ảnh hưởng tới sức kháng cắt của đất Vì
vậy, việc nghiên cứu tính chất thấm và ảnh hưởng của tính thấm đến sức kháng cắt là cần thiết để đánh giá và dự báo sự biến đổi tính chất
cơ lý của đất cũng như đánh giá tai biến địa chất tại khu vực nghiên cứu
Bài báo sử dụng phương pháp điều tra thực địa, thu thập mẫu nguyên trạng; Thí nghiệm trong phòng xác định các chỉ tiêu cơ lý, tính chất vật chất và hệ số thấm của đất; Phân tích đánh giá sự tương quan, biến đổi, ảnh hưởng giữa tính thấm và sức kháng cắt của đất
2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Mẫu đất bazan nguyên dạng được thu thập
là sản phẩm phong hóa triệt để của các thành tạo bazan tại khu vực Di Linh (2 mẫu: DLM1
và DLM2) và Bảo Lộc (3 mẫu: BLM1, BLM2
và BLM3) Thành phần hóa học và khoáng vật theo kết quả phân tích huỳnh quang tia X (XRF) và nhiễu xạ Rơnghen (XRD) bằng máy Empyren-PANalytical tại Viện Địa chất của các mẫu đất được thể hiện trong bảng 1 và 2 Kết quả phân tích XRF của đất đỏ bazan có các ôxit chiếm ưu thế là ôxit nhôm, sắt và sillic Kết quả phân tích nhiễu xạ rơnghen (XRD) cho thấy đất đỏ bazan có thành phần khoáng vật chủ yếu là kaolinit (31-55%), gibbxit (6-28%), goethit (7-20%), ít anatas, hematit, magnetit…
Bảng 1 Thành phần hóa học các mẫu đất bazan
Trang 3Bảng 2 Thành phần khoáng vật các mẫu đất bazan
Ký hiệu
mẫu
Thành phần và hàm lượng khoáng vật (%)
Thạch
anh Kaolinit Goethit Anatas Hematit Gibbsit Ilmenit Magnetit
Kết quả thí nghiệm xác định thành phần hạt
các mẫu đất bazan được thể hiện trong bảng 3
Nhóm hạt sét và hạt bụi chiếm ưu thế với tỷ lệ
là từ 31-57% và 30-50%, tương ứng Từ kết quả
phân tích thành phần hạt và chỉ số dẻo, đất được xếp vào loại đất sét có cấp phối tốt trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng Ở trạng thái tự nhiên, các mẫu đất có độ ẩm trung bình từ 40 đến 60%
Bảng 3 Thành phần hạt mẫu đất bazan khu vực Di Linh - Bảo Lộc
Ký hiệu
mẫu
Hàm lượng % các nhóm hạt
sét
DLM1 - - - 0,4 0,1 0,5 1,0 0,8 15,7 20,4 9,3 51,8 DLM2 - - - - - 0,2 0,6 1,4 9,1 30,8 14,6 43,3 BLM1 - - - 0,2 2,6 4,1 2,3 1,9 7,8 35,9 14,3 30,9 BLM2 - - - - 0,4 0,8 0,4 0,6 5,1 23,5 14,7 54,5 BLM3 - - - - 0,2 0,8 0,7 0,6 4,2 25,0 11,2 57,3
Bảng 4 Tính chất vật lý, cơ học của mẫu đất thí nghiệm
Số
hiệu
mẫu
Độ
ẩm
tự
nhiên
Khối lượng thể tích
Khối lượng thể tích hạt
Độ lỗ rỗng
Hệ số rỗng
Giới hạn chảy
Giới hạn dẻo
Góc
ma sát trong
Lực dính kết
tự nhiên khô
DLM1 53,36 1,65 1,07 2,93 63,38 1,73 76,8 53,0 16 0,34 DLM2 44,84 1,66 1,14 2,76 58,56 1,41 65,9 46,1 18 0,54 BLM1 49,19 1,52 1,02 2,99 66,05 1,95 81,4 61,0 19 0,45
Trang 4Số
hiệu
mẫu
Độ
ẩm
tự
nhiên
Khối lượng thể tích
Khối lượng thể tích hạt
Độ lỗ rỗng
Hệ số rỗng
Giới hạn chảy
Giới hạn dẻo
Góc
ma sát trong
Lực dính kết
tự nhiên khô
BLM2 40,85 1,72 1,22 2,75 55,56 1,25 74,1 53,8 18 0,54 BLM3 62,59 1,61 0,99 3,01 67,21 2,05 122,7 83,5 18 0,57
Thí nghiệm thấm bằng phương pháp cột
nước rơi (Falling head)
Các mẫu đất nguyên dạng được cắt gọt cho
vừa hộp thấm có đường kính 7,1 cm, cao 10,1
cm Thí nghiệm thấm được tiến hành với hộp
thấm cứng sử dụng phương pháp cột nước rơi
theo hướng dẫn trong tiêu chuẩn ASTM 5856
(ASTM, 2004) Nước cất được cho thấm qua
mẫu đất theo chiều từ dưới lên trên để tránh tác
động của quá trình cố kết Độ rơi của cột nước
và thời gian được ghi lại sau các khoảng thời
gian nhất định sau đó nước sẽ được bổ sung đề
bù lại lượng nước đã thấm qua mẫu [12]
Hệ số thấm của mẫu đất được tính theo công thức sau:
k = [a.L / (A.(t1-t2)].Log(h1/h2) Trong đó:
L: Chiều cao mẫu đất;
A: Diện tích tiết diện ngang mẫu đất;
a: Tiết diện cột đứng;
t: Thời gian được ghi lại khi cột nước chảy qua mẫu;
h: Giá trị mức trên và giá trị mức dưới của cột đứng đã được đo;
Chú giải:
1 Hộp thấm
2 Nắp trên và nắp dưới
3 Van
4 Gioăng cao su
5 Ống nước vào
6 Ống nước ra
7 Mẫu đất
8 Màng thấm
Hình 2 Ảnh chụp thí nghiệm thấm theo phương pháp cột nước rơi Hình 1 Sơ đồ thí nghiệm thấm
Trang 5Thí nghiệm cắt phẳng trực tiếp
Thí nghiệm cắt phẳng trực tiếp được tiến
hành để xác định các thông số độ bền kháng cắt
của mẫu đất nguyên dạng và mẫu đất sau khi đã
tiến hành thí nghiệm thấm bằng phương pháp
cột nước rơi Đối với mẫu đất nguyên dạng, thí
nghiệm cắt phẳng trực tiếp được tiến hành ở các
trạng thái tự nhiên, bão hòa sau 5h và bão hòa
sau 24h Thí nghiệm cắt phẳng trực tiếp được
tiến hành theo TCVN 4199:1995 Quan hệ giữa
sức chống cắt và áp lực thẳng đứng trên mặt
phẳng cắt được biểu diễn bằng phương trình:
= σtgφ + C
Trong đó :
φ - góc ma sát trong của đất;
C - lực dính kết của đất (kG/cm2)
3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Kết quả thí nghiệm thấm
Thí nghiệm thấm bằng phương pháp cột
nước rơi được tiến hành trên 5 mẫu đất bazan
khu vực Di Linh - Bảo Lộc Kết quả thí nghiệm
để thể hiện trong hình 3 Sự biến đổi hệ số
thấm theo thời gian được biển diễn qua đồ thị ở
hình 4 Từ kết qủa thí nghiệm có thể thấy hệ số
thấm của đất bazan khu vực Di Linh - Bảo Lộc
ổn định sau khoảng thời gian thấm 650 giờ
(tương ứng 25-28 ngày) ở điều kiện thí nghiệm
độ chênh cao cột nước lúc bắt đầu là 200 cm
Hệ số thấm ở trạng thái ổn định của các mẫu
đất đao động trong khoảng từ 4.9x10-8
cm/s đến 6.7x10-7
cm/s Sự khác nhau ở hệ số thấm
đối với các mẫu đất bazan phụ thuộc vào thạng
thái, độ chặt của các mẫu đất và thành phần
khoáng vật cũng như tính chất đối với nước
của các khoáng vật Từ kết quả phân tích XRD
cho thấy kaolinit là khoáng vật chiếm ưu thế
trong các mẫu đất bazan và do đó các mẫu đất
có độ lỗ rỗng lớn và độ ẩm cao nhưng lại có
tính chất cơ học tốt về cường độ Đất có độ
kháng nước kém, hơn nữa, dễ bị biến đổi dưới
ảnh hưởng của các yêu tố môi trường như nhiệt
độ và độ ẩm [1]
Hình 3 Hệ số thấm của các mẫu đất bazan
Hình 4 Biến đổi của hệ số thấm theo thời gian
Kết quả thí nghiệm cắt phẳng trực tiếp sau khi thấm bão hòa
Các đặc trưng của sức kháng cắt 5 mẫu đất bazan ở trạng thái nguyên dạng, sau bão hòa 5h, bão hòa 24h và sau khi tiến hành thí nghiệm thấm được thể hiện trong bảng 5 Sự biến đổi của của các đặc trưng kháng cắt ở các trạng thái nguyên dạng, bão hòa 5h, bão hòa 24h và mẫu sau khi thí nghiệm thấm được thể hiện đồ thị trong hình 5 Trong 2 đặc trưng về sức kháng
Trang 6cắt của các mẫu đất, sự suy giảm của lực dính
kết thấy rõ hơn so với góc ma sát trong Các
mẫu đất bazan được lấy độ lỗ rỗng lớn, khi ở
trạng thái bão hòa độ dày lớp nước màng mỏng
bao bọc các hạt sét tăng lên làm độ chặt cũng
như lực dính kết giữa các hạt suy giảm đáng kể
Kết quả ngày phù hợp với kết quả của Kai Cui
và Ye Yang (2014) khi tiến hành thí nghiệm
nghiên cứu tính chất cơ lý của đất tàn tích bazan
trên đồi Sự suy giảm nhanh của lực dính kết là
do trong thành phần khoáng của đất bazan có
các khoáng chất có tính kháng nước kém, dễ bị
tan rã và do đó làm lực dính kết giữa các hạt giảm đi đáng kể khi bị ngâm trong nước [1]
Ở kết quả thí nghiệm cắt, đối với các mẫu đất sau thí nghiệm thấm, sự suy giảm của lực dính kết và góc ma sát trong là không đáng kể so với mẫu đất nguyên dạng, chỉ trừ góc ma sát trong của mẫu DLM1 Điều này có thể giải thích do ảnh hưởng của phương pháp tiến hành thí nghiệm thấm theo phương pháp hộp thấm cứng, mẫu đất không tăng về thể tích do đó áp lực trương nở tăng (dù nhỏ đối với đất bazan) và ảnh hưởng tới độ bền kháng cắt của đất
Bảng 5 Giá trị lực dính kết và góc ma sát trong của các mẫu đất bazan
Số
hiệu
mẫu
Hình 5 Biến đổi của lực dính kết C (a) và góc ma sát trong φ (b) của các mẫu đất bazan
Ảnh hưởng của tính chất thấm đến sức
kháng cắt
Theo kết quả tính toán mô hình thấm nước
mưa của Nguyễn Văn Hoàng, Ưng Quốc Khang
(2011) tính thấm tăng nhanh ở những ngày đầu khi có mưa, sau đó giảm dần và đạt cực tiểu (16 ngày, đối với khu vực Cốc Pài, Xín Mần) và sau
đó lại tăng chậm và có xu hướng ổn định Điều
Trang 7này được giải thích bởi độ hút dính giảm theo
qui luật số mũ khi độ ẩm của đất tăng [13] Độ
ẩm của đất phụ thuộc độ ẩm bão hòa và độ thấm
(hệ số thấm của đất) và có quan hệ với các đặc
trưng kháng cắt của đất
Tính thấm của đất không những làm thay
đổi độ ẩm của đất khi có mưa, tương tác của
nước với các hạt đất còn có tác động làm rửa
trôi các hạt, các ion kim loại làm thay đổi khối
lượng thể tích của đất và kết cấu của đất Quá
trình rửa trôi theo phẫu diện đất các cation
kiềm, kiềm thổ và tích tụ các secquioxit
(R2O3), hình thành kết von (laterit) đặc trưng
trên bề mặt cao nguyên bazan tuổi Pliocen -
Pleistocen sớm (N2 - Q1) ở khu vực Di Linh -
Bảo Lộc [14]
4 KẾT LUẬN
Quá trình thấm của các mẫu đất bazan đã
được khảo sát bằng thí nghiệm thấm theo
phương pháp cột nước rơi Hệ số thấm của đất
bazan phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ chặt,
độ ẩm ban đầu, độ bão hòa, thành phần khoáng
vật của mẫu đất và cả phương pháp thí nghiệm
Các thông số đặc trưng kháng cắt của các
mẫu đất được khảo sát ở các trạng thái tự nhiên,
bão hòa 5h, bão hòa 24h và sau thí nghiệm thấm
cho thấy sự suy giảm ở cả 2 thông số lực dính
kết và góc ma sát trong, tuy nhiên sự suy giảm
sức kháng cắt của các mẫu đất bazan chủ yếu
phụ thuộc vào sự suy giảm lực dính kết do sự
hình thành lớp nước màng mỏng làm giảm lực
ma sát giữa các hạt đất
Quá trình biến đổi đất bazan chủ yếu là (1)
quá trình rửa trôi và tích tụ vật liệu sét và (2)
quá trình phá hủy khoáng vật sét và tích lũy sắt,
nhôm dẫn đến sự biến đổi về thành phần hóa
học của đất Sự biến đổi thành phần hóa học
diễn ra nhanh hơn khi nước mưa có điều kiện
thấm trực tiếp xuống mặt đất Khi chuyển đổi
mục đích sử dụng, lớp vỏ thực vật bị mất đi và
do đó sẽ làm thay đổi tính chất cơ học của đất
Khảo sát sự biến đổi về tính chất vật lý và hóa học của đất bazan cần được tiến hành chi tiết định lượng, làm sáng tỏ ảnh hưởng của biến đổi hóa học đến tính chất vật lý của đất để phục vụ cho quản lý và sử dụng tài nguyên và xây dựng công trình
LỜI CẢM ƠN
Bài báo được hoàn thành với sự giúp đỡ của
Đề tài TN18/T13 thuộc Chương trình Tây Nguyên III Các tác giả chân thành cảm ơn sự
hỗ trợ nhiệt tình của các cơ quan, Sở, Ban, Ngành, nhân dân ở khu vực nghiên cứu và Viện Địa chất - Viện HLKHCN VN trong quá trình nghiên cứu
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Kai Cui1, Ye Yang, 2014 Experimental
Study on Engineering Characteristics of Basalt
Residual Vols 580-583 (2014) pp 460-463
[2] Nguyễn Đình Kỳ, Lưu Thế Anh, 2006
Thực trạng thoái hóa đất basalt Tây Nguyên và các giải pháp sử dụng hợp lý bảo vệ tài nguyên
- môi trường đất Kỷ yếu Hội nghị khoa học Địa
lý toàn quốc lần thứ II, tr.468-482
[3] Nguyễn Viết Ý, Ngô Thị Phượng, Phạm Thi Dung, Trần Hồng Lam, Hoàng
Việt Hằng, Điều kiện thành tạo các đá Bazan
Tây Nguyên, Việt Nam trên cơ sở nghiên cứu đặc điểm thành phần khoáng vật
[4] Lưu Thế Anh, Nguyễn Thị Thủy, Nguyễn Đức Thành, Hoàng Quốc Nam,
2015, Đánh giá hàm lượng chất hữu cơ trong dất basalt canh tác các cây trong chính Đắk Lắk, Tạp trí Các Khoa học về Trái đất, 32(2),
110-117
[5] Nguyễn Ánh Dương, Kiều Quí Nam,
Trần Tuấn Anh, 2014, Đất đỏ basalt – nguồn
nguyên liệu cho sản xuất gạch không nung, Tạp
trí Các Khoa học về Trái đất, 36(3), 214-220
Trang 8[6] Nguyễn Thị Thanh Nhàn, Nguyễn
Thanh, 2012, Tính chất cơ lý đất đá và ảnh
hưởng của chúng đến các quá trình dịch chuyển
đất đá trên sườn dốc, mái dốc và vùng đồi núi
uảng Trị - Thừa Thiên Huế, Tạp trí Khoa học,
Đại học Huế, tập 74B, số 5, -123-132
[7] Nguyễn Xuân Huyên, Doãn Đình
Lâm, Phan Văn Hùng, Nguyễn Đăng Túc,
Phan Đông Pha, 2013, Hiện trạng một số tai
biến địa chất điển hình khu vực Tây Nguyên,
Tạp trí Khoa học Công nghệ Việt Nam, số 17,
p24-28
[8] YS Wibawa1, K Sugiarti1, and E
Soebowo, 2017 Characteristics and engineering
properties of residual soil of volcanic deposits
[9] Đỗ Quang Thiên, Nguyễn Đức Lý,
2013, Nhận định về tai biến trượt lở đất đã dọc
tuyến đường Hồ Chí Minh đoạn từ uảng Bình
đến Thừa Thiên Huế, Tạp trí Các Khoa học về
Trái đất, 35(3), p230-240
[10] Nguyễn Quang Hùng, Mai Văn Công,
Nguyễn Văn Mạo, Nghiên cứu giải pháp đảm
bảo an toàn thấm cho đập đất không đồng nhất được xây dựng bằng công nghệ đầm nén ở vùng Tây Nguyên Việt Nam
[11] Nguyễn Thị Ngọc Hương, Trịnh
Minh Thụ, 2013, Xác định cường độ chống cắt
của đất không bão hòa bằng thí nghiệm cắt trực tiếp Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi và
Môi trường, số 42, p94-99
[12] Head, K H (1982) Manual of soil
laboratory testing volume 2: permeability, shear strength and compressibility tests Manual of Soil Laboratory Testing, 48(10), 335-747
[13] Nguyễn Văn Hoàng, Ứng Quốc Khang, 2011, Mô hình thấm nước mưa phục vụ
phân tích ổn định sườn dốc khu vực thị trấn Cốc Pài – huyện Xín Mần – tỉnh Hà Giang
[14] Nguyễn Thị Thủy, Lưu Thế Anh,
Đánh giá chất lượng đất bazan dưới các loại hình sử dụng đất khác nhau khu vực Di Linh – Bảo Lộc, tỉnh Lâm Đồng
Người phản biện: TS PHẠM VĂN THÌN