3- Chuong 1-TC vat ly

Chơng 1: chất tính chất vật lý đất chơng Bản chất tính chất vật lý đất Đ1 Sự hình thành đất Các loại đá magma, trầm tích, biến chất cấu tạo nên vỏ Trái Đất liên tục bị biến đổi điều kiện tự nhiên, tạo vật chất đất dày phía Khác với vật liệu đá cứng ban đầu, vật liệu đất gồm hạt cứng tiếp xúc nhau, hạt có nhiều khoảng rỗng đợc lấp nớc khí Đất tự nhiên đợc thành tạo kết trình phong hóa loại đá gốc, sau đợc vận chuyển lắng đọng lại trình trầm tích bề mặt Trái Đất Trong trình hình thành điều kiện tồn tiếp theo, tuỳ thuộc điều kiện bên mà tính chất đất đ ợc hình thành Các yếu tố quan trọng hình thành đất khí hậu, vật liệu gốc, địa hình, thời gian Trong thời gian tồn lâu dài đất, điều kiện tự nhiên đà nhiều lần thay đổi: tái trầm tích nhiều lần, làm chặt dới tác dụng trọng lợng trầm tích phủ trên, giảm nén trầm tích phía bị xói mòn, ngập nớc tháo khô xen kẽ có tợng nâng kiến tạo, sức ép lớp băng dày lục địa, chuyển dời băng, nớc dòng không khí Tất điều kiện tự nhiên hình thành đất biến đổi chậm chạp theo thời gian, phối hợp với mức độ mà nhân tạo lặp lại đợc Sự đa dạng điều kiện tự nhiên định đa dạng thành tạo đất phức tạp chất vật lý loại đất Liên quan đến áp dụng lĩnh vực xây dựng, vật liệu đất đợc quan niệm loại đợc khai đào thủ công thiết bị giới nhẹ mà không cần nổ mìn Đất coi gồm loại tàn tích (tàn d, thành tạo phong hoá) loại trầm tích (vận chuyển, thành tạo trầm tích) I trình phong hóa đặc điểm đất tàn tích Phong hoá thuật ngữ chung để số trình tự nhiên mặt đất, hoạt động riêng lẻ hay phối hợp yếu tố nh gió, ma, đóng băng, thay đổi nhiệt độ trọng lực, tác động trình hoá học, làm biến đổi đất đá Phong hoá vật lý trình phá hủy đá gốc liền khối thành khối nứt nẻ, mảnh vụn nhỏ nhng không làm thay đổi thành phần khoáng vật ban đầu Phong hóa vật lý diễn mạnh mẽ phụ thuộc vào khí hậu Quá trình thay đổi nhiệt độ lớn, ngày đêm, khu vực hoang mạc làm đất đá nở ra, co lại liên tục, tạo nứt tách phân rà Nhiệt độ khống chế trình đóng băng tan băng làm rộng thêm vết nứt Ma cung cấp nớc tác nhân phong hãa quan träng Sù thay ®ỉi ®é Èm díi dạng ớt-khô xen kẽ gây co giÃn, tác động mạnh kết hợp với thay đổi nhiệt độ Phong hóa vật lý phát triển đá có hoạt động dỡ Chơng 1: chất tính chất vật lý đất tải tự nhiên nhân tạo Sự kết tinh tinh thể muối gây áp lực làm suy yếu đá xung quanh Sự phát triển rễ thớ nứt đá gây tác động học phá hủy đá Đặc điểm sản phẩm sau phong hoá vật lý mảnh vụn sắc cạnh, có kích thớc khác nhau, thờng thô, thành phần khoáng vật mang tính chất đá gốc, khoáng vật nguyên sinh Phong hoá hoá học trình biến đổi thành phần hoá học thành phần khoáng vật đá hợp chất nguyên tố hoá học từ không khí nớc Các khoáng vật tạo đá bị biến đổi chủ yếu trình hòa tạn, thủy phân, thuỷ hoá, oxyhoá, trình carbonat hoá Những chất phản ứng quan trọng khí oxy, CO2, nớc Nớc hòa tan khoáng vật, trở thành dung dịch chứa axit bazơ Kết từ đá cứng liền khối đà bị biến đổi vật chất ban đầu thành vật chất khác mềm yếu hơn, nhng ổn định điều kiện Phong hoá hoá học gây biến đổi hoàn toàn, thành phần vật liệu cấu tạo kiến trúc ban đầu đá Sản phẩm cuối tạo đất tàn tích Đặc điểm sản phẩm sau phong hoá hoá học có kích thớc hạt nhỏ mịn, có tính chất đồng so với phong hoá vật lý Thành phần khoáng vật bị biến đổi có tính chất khác hẳn đá gốc, khoáng vật thứ sinh Phong hoá sinh vật trình phá hoại tầng lớp đá tác động lý học hóa học giới sinh vật Quá trình diễn mạnh mẽ đà chuyển hoá đất đá ban đầu thành đất Con ngời đóng vai trò quan trọng vào trình tách vỡ, phân huỷ, chuyển hoá đất đá II trình trầm tích đặc điểm đất trầm tích Quá trình trầm tích trình sản phẩm phong hoá tác dụng dòng nớc, băng trôi, gió hạt đất đá bị nơi khác, tuỳ kích thớc hạt to, nhỏ mà trình di chuyển chúng lắng đọng rơi xuống tạo thành tầng lớp đất khác 3/4 lục địa đợc bao phủ lớp trầm tích Đất trầm tích đợc chia làm nhóm theo vị trí phân bố Trầm tích lục địa Đất tàn tích (eluvi) phần sản phẩm phong hóa đá gốc nằm nguyên chỗ Đất tàn tích phân bố rộng rÃi bề mặt Trái Đất, có chiều dày biến đổi nằm đa dạng Đất có phân đới theo chiều sâu Thành phần đất loại sét hay đất rời xốp nh cát, sạn, dăm, Đất sờn tích (deluvi) sản phẩm phong hóa đợc dịch chuyển đoạn theo sờn dốc tác dụng nớc ma tuyết tan Chiều dày thay đổi theo hớng tăng dần từ sờn dốc đến chân dốc, thờng không phân chia với đất tàn tích Thành phần chủ yếu sét, sét pha, cát pha lẫn dăm sạn Chơng 1: chất tính chất vật lý đất Đất bồi tích (aluvi) sản phẩm phong hóa đợc vận chuyển tích tụ hoạt động sông, hồ Đất bồi tích chiếm diện tích bề mặt Trái Đất đáng kể ngang với đất tàn tích Thành phần biến đổi cách có quy luật, có tính phân lớp rõ rệt, đất loại sét hay đất rời xốp nh cát, sỏi, cuội, Đất lũ tích (proluvi) trầm tích đợc tạo thành từ dòng lũ bùn đá cửa sông miền núi, lũ tích hợp thành nón phóng vật nối liền nhau, tạo thành lớp dày đồng trớc núi Thành phần gồm cát, sạn, sỏi, dăm, cuội, tảng, phân bố hỗn độn chọn lọc Đất lở tích (koluvi) sản phẩm phong hóa rơi tự xuống chân dốc, thờng không phân chia với sờn tích Đất hồ tích sản phẩm phong hoá đợc trầm tích hồ nớc, đợc xếp chung với đất bồi tích Đất băng tích sản phẩm phong hóa đợc vận chuyển hoạt động băng tan Đất phong thành (trầm tích gió) hoạt động tích tụ gió, tạo nên lỡi liềm cát, đụn cát sa mạc, nửa sa mạc, dọc bờ biển, bờ hồ Đây loại đất chiếm diện nhiều thứ ba Trái Đất Đất hoàng thổ đợc nhiều tác giả cho có nguồn gốc Trầm tích vũng vịnh Trầm tích vũng vịnh đợc xem toàn trầm tích ven bờ biển Một phần đợc xem nh đất bồi tích thông thờng trầm tích tam giác châu (trầm tích cửa sông) Trầm tích vũng vịnh thống gồm chủ yếu hữu cơ, sét, keo tạo thành loại đất bùn sũng nớc mềm yếu, không đáp ứng yêu cầu xây dựng Trầm tích biển Các thành tạo đất phân bố đáy biển xa bờ Thành phần đất mịn, tơng đối đồng nhất, chứa nhiều hữu chất hóa học kết tủa Chiều dày lớn nhng thay đổi quy luật Khi xây dựng công trình thờng không động chạm đến loại đất Hình 1-1: Quá trình trầm tích vận chuyển dòng nớc Chơng 1: chất tính chất vật lý đất III hoạt động phát triển ng ời hình thành số loại đất đặc biệt Đất có tính chất đặc biệt hình thành hoạt động ngời nh đất bùn đắp lâu năm, rác thải sinh hoạt công nghiệp, bÃi thải khai thác mỏ, đất nghĩa trang, Các loại đất ngày chiếm nhiều diện tích bề mặt Trái Đất, đến mức cần phải xây dựng công trình chúng, sử dụng chúng làm vật liệu xây dựng để giải vấn đề kinh tế môi trờng Tuy nhiên, nghiên cứu loại đất không đợc đặt Cơ học đất truyền thống Đ2 Cấu trúc đất Cấu trúc đất tính chất xây dựng đất đợc quy định thành phần vật chất đất, hàm lợng thành phần mối liên hệ chúng Thành phần chủ yếu đất gồm ba pha: rắn (hạt đất), lỏng (nớc lỗ rỗng), khí (khí lỗ rỗng) I pha rắn (hạt đất) Khái niệm chung Hạt đất thành phần chịu lực đất hay gọi khung cốt đất, gồm nhiều kích cỡ khác Khi gọi tên đất vào tỷ lệ loại hạt chiếm đa số đất Tên gọi số nhóm hạt theo tiêu chuẩn khác đợc đa dới đây: (1) Theo TCN 22 TCN 18-79 Tên hạt đất Kích thớc (mm) Đá tảng > 200 Hạt cuội 200ữ 10 (2) Theo TCVN 5747-1993 Tên hạt đất Đá tảng Cuội dăm Kích thớc (mm) > 300 300 ữ 150 Hạt sỏi 10 ữ Sỏi sạn 150 ữ Hạt cát ữ 0.1 Hạt cát ữ 0.06 Hạt bụi 0.1 ữ 0.005 Hạt bụi 0.06 ữ 0.002 Hạt sét < 0.005 Hạt sét < 0.002 Chơng 1: chất tính chất vật lý đất ( 3) Theo Tiêu chuẩn kỹ thuật công trình Nhật Bản 1990 1à Hạt keo 5à 74à Hạt sét Hạt bụi 0.42mm Cát nhỏ Cát to 20 Sỏi nhỏ Sỏi trung bình Cát 75 300 Sỏi to Cuội Đá tảng Sỏi Vật liệu đất Vật liệu đá (4) Theo Tiêu chuẩn Anh (BS) Mịn Thô Sét Bụi mịn Keo Cát trung thô mịn 20 trung 200 Cuội sỏi thô mịn 600 60 Rất thô trung Đá thô đá cuội 20 đá tảng 200 60 àm mm Hình dạng hạt đất có ý nghĩa xếp hạt đất, hình dạng kích thớc lỗ rỗng đất, đặc điểm biến dạng đất, Để xem xét tính chất hình dạng hạt đất dùng số đặc trng sau: (1) Chỉ số độ trßn - Ktr r K tr = ∑R (1-1) n Trong đó: r2 R r1 r - bán kính góc R - bán kính vòng tròn nội tiếp lớn n - số góc hạt Hình 1-2: Chỉ số độ tròn (2) Chỉ số hình cầu - Kc Chơng 1: chất tính chất vËt lý cđa ®Êt Kc = Dd Dc (1-2) De Trong đó: Dd - đờng kính hình tròn có diện tích diện tích hình chiếu hạt nằm mặt phẳng Dc - đờng kính vòng tròn ngoại tiếp nhỏ Hình 1-3: Chỉ số hình cầu Chỉ số Ktr Kc lớn chứng tỏ hạt tròn nhẵn gần dạng hình cầu Các hạt đất có kích thớc lớn thờng có dạng gần giống hình cầu, hạt nhỏ nh hạt sét, hạt keo lại có dạng vẩy dạng hình kim, dạng mỏng Thành phần khoáng vật hạt đất chia làm loại khoáng vật nguyên sinh, khoáng vật thứ sinh vật chất hoá học hữu Các hạt kích thớc lớn thành phần khoáng vật khoáng vật nguyên sinh có độ cứng lớn, nên tính chất xây dựng đất hạt thố tốt số đất loại Các hạt có kích thớc nhỏ thành phần khoáng vật khoáng vật thứ sinh mềm, nên cờng độ hạt không đủ để làm nên tính chất tốt đất mà ngang với cờng độ liên kết kiến trúc hạt Do đất dính thờng bị coi đất yếu, ngoại trừ đất trạng thái cứng Khoáng vật thứ sinh chia làm loại: (1) Loại không hoà tan nớc gồm: kaolinit, ilit, monmorilonit (2) Loại hoà tan nớc gồm: calcit, mica trắng, thạch cao muối mỏ Một số đặc tính khoáng vật sét đất chứa hạt sét a) Tỷ diện tích bề mặt Tỷ diện tích bề mặt tổng diện tích bề mặt hạt đất đơn vị khối lợng đất (m2/g) Kích thớc hạt định tỷ diện tích bề mặt Đất gồm nhiều hạt nhỏ tỷ diện tích bề mặt lớn, điều dẫn đến tợng hoạt động mặt hạt lớn, liên kết hạt mạnh Khi gặp n ớc, lợng nớc bao quanh hạt lớn, tơng tác hạt với nhiều, mạnh Ví dụ: kaolinit có tỷ bề mặt khoảng 9-70m2/g, monmorilonit có kích thớc hạt nhỏ hơn, có tỷ bề mặt khoảng 600-850m 2/g V× vËy, sÐt cã chøa monmorilonit cã tÝnh chÊt khác với sét có chứa kaolinit (bảng 1-1) Bảng 1-1: Kích cỡ hạt đất tỷ diện tích bề mặt Tên hạt Kích thớc (mm) Tỷ diện (m2/gam) Chơng 1: chất tính chất vật lý ®Êt Bơi 5.10-3 ÷ 1.10-1 1~2 Kaolinit 1.10-4 ÷ 1.10-3 10 Ilit 5.10-3 ÷ 5.10-4 80 Montmorilonit 5.10-6 ÷ 1.10-5 800 < 5.10-6 1300 Betonite b) DiƯn tÝch vµ sù hấp phụ bề mặt Các ion O2- (OH)- hình thành bề mặt khoáng vật sét, nên bề mặt mang điện âm Vì phân tử nớc lỡng cực, đầu mang điện âm, đầu mang điện dơng, lớp phân tử nớc đợc giữ bề mặt khoáng vật liên kết hyđro (H 3O)+ Sát bề mặt khoáng vật, phân tử nớc đợc giữ lại dạng lớp dính (hấp phụ), nhng xa bề mặt, liên kết yếu nớc trở nên lỏng c) Khả trao đổi Tổng điện tích âm khoáng vật sét đợc trung hoà nhiều cách: phần cation nội bộ, phần liên kết hyđro nớc hấp phụ phần cation lớp hấp phụ Sự cân điện tích âm bề mặt không nội thoả mÃn đợc gọi khả trao đổi khoáng vật Nh vậy, tợng cation nớc tự lỗ rỗng trao đổi thành phần với cation nớc hấp phụ tùy thuộc vào lực hạt sét nồng độ dung dịch nớc gọi tợng trao đổi cation Hiện tợng đợc lợi dụng để thay đổi chiều dày màng nớc hấp phụ điều chỉnh tính chất xây dựng đất theo mục đích d) Sự kết phân tán Lực kết hợp hai hạt kéo chúng lại gần nhau, thể huyền phù nớc, chịu ảnh hởng nhóm lực: Lực hấp dẫn hạt lực Van der Waal hay lùc liªn kÕt thø cÊp Lùc hÊp dÉn Van der Waal tăng lên hạt xích lại gần Trong đất, chỗ mà lớp hấp phụ dày, khả đẩy lớn hạt dạng tự hay phân tán (pepti hóa) Lực đẩy chất mang điện âm bề mặt hạt lớp hấp phụ Khi lớp hấp phụ đủ mỏng để lực hút chiếm u thế, xảy tiếp xúc cạnh với cạnh hình thành nên Chơng 1: chất tính chất vật lý đất nhóm hạt; Trong huyền phù, nhóm hạt lắng chìm với nhau, trình kết (keo tụ) đất có tợng gọi đất kết e) Tính dẻo tính dính Tính dẻo khả tạo trì hình dạng ép hay nặn Tính chất định kích thớc chất hạt khoáng sÐt cịng nh cđa líp hÊp phơ TÝnh dỴo cao đất có tỷ diện tích bề mặt lớn Tính dính độ sệt hỗn hợp sét/nớc thay đổi râ rƯt theo ®é Èm Khi ®é Èm thÊp, níc chủ yếu lớp hấp phụ, hạt sét lực hấp dẫn mạnh Tác động dính kết hay tạo dạng ứng suất trong, gọi tính dính Khi độ ẩm tăng hiệu hút tính dính giảm f) Trơng nở co ngót Tính trơng nở đất khả tăng thể tích đất trình tác dụng tơng hỗ với nớc hay dung dịch Trơng nở đất sét trình hoá-lý phức tạp, theo B.V Rebinder cho rằng, trơng nở xảy dới tác dụng tháo nêm màng mỏng nớc liên kết bao quanh hạt sét hợp thể chúng Tuy nhiên, đất sét tồn lực dính kết, trị số lực dính phụ thuộc nhiều vào kiểu tiếp xúc kiến trúc hạt Chính lực dính có tác dụng chống lại áp lực tháo nêm màng mỏng nớc liên kết Khi lực dính đất lớn lực tháo nêm hệ đất sét + H2O không xảy trơng nở; ngợc lại xảy trơng nở Các yếu tố ảnh hởng đến tính trơng nở đất: Thành phần hoá học khoáng vật đất, thành phần hoá học nồng độ dung dịch tác dụng tơng hỗ với đất, yếu tố bên nh áp lực liên kết kiến trúc đất Khả trơng nở đất dính đợc đặc trng tiêu sau: * Độ trơng nở tơng đối(Rh): Rh = Vh − V0 h −h 100% = h 100% V0 h0 (1-3) Trong ®ã: Vh, hh - thể tích, chiều cao mẫu đất sau trơng nở V0, h0 - thể tích, chiều cao ban đầu mẫu đất * Độ ẩm trơng nở (Wh): phần trăm, ứng với trạng thái mà trình hấp thụ nớc hay dung dịch lỏng khác đất ngõng l¹i Wh = mh − m S 100% mS (1-4) Chơng 1: chất tính chất vật lý đất Trong đó: mh - khối lợng mẫu đất sau trơng nở mS - khối lợng mẫu đất khô tuyệt đối * áp lực trơng nở (Ph): áp lực phát sinh trình trơng nở, áp lực trơng nở đợc đo áp lực ngoài, mà hệ đất sét+H2O không trơng nở Theo trị số Rh Ph phân đất loại sau (bảng 1-2) Bảng 1-2: Phân chia đất trơng nở theo SNiP II-15-74 (TCN 45-78) Loại đất Không trơng nở Trơng nở yếu Trơng nở trung bình Trơng nở mạnh Rh (%) Ph (MPa) 15 > 0.25 Tính co ngót đất giảm thể tích đất kết (tách) nớc hong khô hay xuất trình hoá-lý (co nớc, thẩm thấu), đợc gọi co ngót đất Co ngót nớc tợng ngợc lại với trơng nở Co ngót trình hoá-lý phức tạp, làm thay đổi tính liên kết kiến trúc yếu tố kiến trúc, phân bố lại thành phần hoá học đà đợc hoà tan nớc lỗ rỗng đất trớc Co ngót đất sét bÃo hoà nớc xảy theo giai đoạn sau: Giai đoạn co ngót chậm: nớc bốc chủ yếu từ lỗ rỗng lớn, thể tích mẫu đất bị giảm nhỏ thể tích nớc bốc Giai đoạn co ngót chuẩn: độ giảm thể tích mẫu đất đạt cực đại tơng đơng bàng thể tích nớc bốc Giai đoạn co ngót d: đợc bắt đầu bốc nớc tiếp tục trị số giảm thể tích mẫu đất lớn 2~3% so với tổng thể tích co ngót nớc đất Khả co ngót nớc đất đợc đặc trng bởi: * Trị số co ngãt tuyÕn tÝnh (bL) hay co ngãt thÓ tÝch (bV) bV = V0 − VL 100% V0 ; bL = L0 − LL 100% L0 (1-5) Trong ®ã: VL, LL - thể tích, chiều dài mẫu đất sau co ngãt V0, L0 - thĨ tÝch, chiỊu dµi ban ®Çu cđa mÉu ®Êt * HƯ sè co ngãt thĨ tích (V): độ giảm thể tích tơng đối ®Êt thay ®æi ®é Èm βV = bV (W0 − WL ) − bV W0 (1-6) 10 Ch¬ng 1: chất tính chất vật lý đất Trong ®ã: WL - ®é Èm cña mÉu ®Êt sau co ngót W0 - độ ẩm ban đầu mẫu ®Êt II níc ®Êt - Níc kho¸ng vËt hạt đất - Nớc kết hợp mặt hạt đất: * Nớc hút bám * Nớc màng mỏng: Nớc kết hợp mạnh Nớc kết hợp yếu - Níc tù do: níc mao dÉn vµ níc träng lùc Nước hút bám Nước kết hợp mạnh Nước kết hợp yếu Hạt sét Lực điện phân tử Nớc tồn đất dới nhiều dạng khác Mỗi loại có ảnh hởng định đến tính chất đất Có thể xem xét dạng nớc sau: Khoảng cách Hình 1-4: Biểu đồ phân bố tơng tác lực điện phân tử Nớc khoáng vật hạt đất Là loại nớc nằm tinh thể khoáng vật hạt đất, tồn dới dạng phân tử H2O, dạng ion H+ OH- Loại nớc tách biện pháp học, liên kết chặt chẽ với phần tử ion kh¸c Mn t¸ch khái tinh thĨ kho¸ng vËt chØ cã thĨ sÊy ë nhiƯt ®é 100oC ®Õn 300oC Nớc kết hợp mặt Tuỳ vào khoảng cách đến mặt hạt tác dụng lực tĩnh điện, nớc đợc chia thành loại sau: (a) Nớc hút bám Các phân tử nớc nằm sát mặt hạt đất có liên kết chặt chẽ với hạt Khi đất có nớc hút bám trạng thái khô, hoà tan loại muối, tỷ trọng khoảng 1.5, không dẫn nhiệt, không kết tinh Lợng chứa nớc hút bám đất cát 0.5%, sét pha 5ữ 7%, sét 10 ữ 20% (b) Nớc màng mỏng Nớc màng mỏng nằm lớp nớc hút bám Đây lớp nớc gồm phần tử nớc bị tác dụng lực tĩnh điện mặt hạt đất, bị hút chặt vào mặt hạt đất Lực điện 11