Chương 3: Đất đá và tính chất Địa chất công trình của chúng
3.6. Đặc điểm địa chất công trình của đất rời và dính
Đất rời bao gồm các thành tạo hòn mảnh, chủ yếu là các hạt phân tán thô nh− cát, sỏi, dăm, cuội, ..., hạt sét có rất ít. Chúng có đặc điểm chung là rời rạc, giữa các hạt hợp thành đất hầu nh− không có mối liên kết.
Đất dính bao gồm các thành tạo phân tán nhỏ và mịn nh− đất sét, sét pha, cát pha.
Đặc điểm của chúng là chứa một l−ợng đáng kể nhóm hạt sét.
Đất rời và đất dính đều có nhiều nguồn gốc khác nhau như tàn tích, sườn tích, bồi tích, lũ tích, hồ tích, gió tích.
∗ Tàn tích (e- eluvi): Đất có nguồn gốc tàn tích là sản phẩm phong hóa của đá gốc còn nằm tại chỗ. Các loại đất thường gặp là đất dính có chứa hoặc không chứa hạt thô, cát, sạn dăm, .... Chúng có thành phần, tính chất cơ lý, chiều dày biến đổi, tuỳ thuộc vào đá gốc và điều kiện phong hoá cụ thể. Đất tàn tích rất phổ biến ở vùng đồi núi.
∗ S−ờn tích (d- đeluvi): Đất có nguồn gốc s−ờn tích đ−ợc hình thành do các sản phẩm phong hóa di chuyển và tích đọng ở các sườn dốc. Nguồn gốc đeluvi thường tạo nên các loại đất như cát pha, sét pha, sét lẫn các vật liệu hòn mảnh. Các thành tạo sườn tích có thành phần hạt biến đổi mạnh, thường chứa nhiều dăm sạn, chiều dày không lớn, phạm vi phân bố rộng và không ổn định.
∗ Bồi tích (a- aluvi): Đất có nguồn gốc bồi tích đ−ợc hình thành từ các sản phẩm chủ yếu do phong hóa, đ−ợc tích đọng ở biển, sông, suối, ao, hồ, đầm lầy, …. Nguồn gốc bồi tích có thể tạo nên các loại đất nh− sét, sét pha, cát pha, cát, cát sạn sỏi, .... Đặc
điểm phân bố, phạm vi phân bố, chiều dày, thành phần và tính chất cơ lý của đất bồi tích có quan hệ chặt chẽ với hoạt động của nước mặt và chế độ vận động kiến tạo địa ph−ơng. Trên mặt cắt, sự phân bố của thành phần hạt trong một chu kỳ kiến tạo th−ờng theo quy luật phân dị trọng lực rõ ràng, càng xuống d−ới hạt càng thô hơn.
∗ Lũ tích (p- preluvi): Đất có nguồn gốc lũ tích đ−ợc thành tạo bởi các dòng bùn
đá của các sông miền núi. Thành phần của đất lũ tích thường rất hỗn tạp gồm nhiều cỡ hạt rất khác nhau nh− tảng, cuội dăm, sỏi sạn, cát, bụi, sét và phân bố không theo quy luật. Chúng thường hình thành ở lòng sông miền núi, nơi chuyển tiếp với đồng bằng hoặc có thể tồn tại d−ới dạng các nón phóng vật.
∗ Hồ tích (l): Hồ tích là một dạng của nguồn gốc bồi tích. Các vật liệu tích tụ ở hồ tạo nên các loại đất thường tương đối đồng nhất như bùn, sét, sét pha, ít gặp cát pha, các trầm tích hạt thô chỉ có thể gặp chúng ở ven bờ (liên quan với dòng chảy). Chúng có thể lẫn vật chất hữu cơ, làm cho đất trở nên xốp, độ bền thấp, độ biến dạng lớn, phạm vi phân bố thường hẹp, đôi khi mang tính cục bộ.
∗ Gió tích (v): Đất có nguồn gốc gió tích đ−ợc hình thành do hoạt động thổi gây tích tụ của gió. Nguồn gốc này th−ờng thấy ở các vùng sa mạc hay ven biển. Các loại
đất có nguồn gốc này thường gặp là cát, đất hoàng thổ. Đặc điểm chung của chúng là xốp, độ rỗng lớn nên độ biến dạng lớn.
3.6.2. Sự phân bố của đất rời và đất dính
Nh− đã biết, đất rời và đất dính đ−ợc hình thành từ nguồn vật liệu đá cứng và đá
nửa cứng do tác dụng của các yếu tố ngoại sinh. Quá trình phá hủy và biến đổi đá trước hết phải kể đến là phong hóa. Tác dụng phong hóa đã làm cho đá cứng và đá nửa cứng
77
bị biến đổi cả về thành phần, kiến trúc, cấu tạo và tạo nên các loại đất có nguồn gốc phong hóa. D−ới tác dụng của dòng chảy th−ờng xuyên hay tạm thời, tác dụng của gió, các hạt vật liệu rời hình thành từ quá trình phong hóa đ−ợc mang đi và lắng đọng ở nơi khác, tạo nên các loại đất có nguồn gốc trầm tích.
Quá trình phong hóa và trầm tích diễn ra ở phần trên của vỏ Trái đất. Vì thế, đất rời và đất dính cũng chỉ thấy phân bố trên đá cứng và đá nửa cứng. Chiều dày của chúng thay đổi phức tạp trong phạm vi rộng (có thể tới hàng trăm mét). Đất có nguồn gốc phong hóa th−ờng thấy phân bố ở vùng trung du và vùng núi. Đặc điểm thành phần, tính chất cơ lý của chúng phụ thuộc vào quá trình phong hóa và các đới trong vỏ phong hóa. Còn đất có nguồn gốc trầm tích thường bắt gặp ở vùng đồng bằng. Sự hình thành những loại đất này hoàn toàn tuân theo quy luật lắng đọng trầm tích (mỗi hạt vật liệu có trọng lượng nhất định lắng đọng với tốc độ dòng chảy tương ứng) và vận động kiến tạo khu vực.
Do đất rời và đất dính có độ bền và ổn định thấp (nhỏ hơn đá cứng và đá nửa cứng rất nhiều), hơn nữa sự phân bố của chúng rất rộng rãi ở phần trên vỏ Trái đất nên chúng
đóng vai trò rất quan trọng trong hoạt động xây dựng. Hầu hết các loại công trình xây dựng đều liên quan đến đất rời và đất dính và do vậy, chúng là đối t−ợng chính trong quá trình điều tra, khảo sát địa chất công trình.
3.6.3. Các pha hợp thành đất và tác dụng tương hỗ giữa chúng
Đất là hệ gồm nhiều pha hợp thành (hạt khoáng, n−ớc và không khí). Các hạt khoáng là bộ phận chủ yếu tạo nên cốt đất, còn nước và không khí lấp đầy chỗ trống giữa các hạt khoáng, có chỗ chỉ có n−ớc hoặc không khí, có chỗ có cả n−ớc và không khí. Trong các pha trên, hạt khoáng và nước giữ vai trò quyết định tính chất xây dựng của đất. Tuỳ từng loại đất mà quan hệ tương tác giữa hạt rắn và nước rất khác nhau.
Đối với mỗi hạt khoáng, đặc điểm cấu trúc mạng tinh thể đã tạo cho nó có một dự trữ năng l−ợng nào đó, bao gồm năng l−ợng bên trong và năng l−ợng bề mặt, nghĩa là:
Ech = Et + Em = iv + ρs (76) Trong đó: Ech- năng l−ợng chung của hạt khoáng;
Et- năng l−ợng bên trong hạt khoáng;
Em- năng l−ợng bề mặt hạt khoáng;
i- năng l−ợng của một đơn vị thể tích hạt khoáng;
ρ- năng l−ợng của một đơn vị diện tích mặt hạt khoáng;
v- thể tích hạt khoáng;
s- diện tích bề mặt hạt khoáng.
Năng l−ợng bên trong hạt khoáng tỷ lệ thuận với thể tích hạt, còn năng l−ợng bề mặt hạt khoáng tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt riêng hạt (diện tích bề mặt riêng là diện tích xung quanh của một đơn vị thể tích hạt, hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt riêng càng lớn và ng−ợc lại). Đất loại cát và đất hòn mảnh gồm chủ yếu hạt cát và các hạt có kích th−ớc lớn hơn. Chúng có diện tích bề mặt riêng nhỏ, vì vậy năng l−ợng bề mặt không đáng kể. Về mặt hoá lý, các hạt này hầu như trơ và không ưa nước, do đó giữa chúng không có liên kết với nhau hoặc có mối liên kết rất yếu. Trong đất loại sét có nhiều hạt sét, hạt bụi. Các hạt này có kích th−ớc rất nhỏ nên diện tích bề mặt riêng lớn, năng lượng bề mặt đáng kể. Chúng có hoạt tính hoá lý và tính ưa nước mạnh. Kết quả
78
tác dụng t−ơng hỗ giữa hạt khoáng và môi tr−ờng n−ớc tạo nên xung quanh hạt một màng n−ớc liên kết. Tham gia vào màng n−ớc liên kết gồm có các phân tử n−ớc bị phân cực và ion của các muối, hợp chất có trong nước. Mật độ phân bố các phân tử nước và ion trong màng n−ớc liên kết lớn hơn nhiều so với n−ớc th−ờng (n−ớc tự do). Càng gần bề mặt hạt khoáng, mật độ phân tử nước và ion càng cao, có thể lên tới 2,4g/cm3, càng xa bề mặt hạt khoáng, mật độ phân bố các phân tử nước và ion càng giảm dần và chuyển sang nước tự do. Do có đặc điểm trên, nước liên kết có khả năng chống lại lực ngoài, nghĩa là nó có cường độ chống cắt nhất định nào đó, nhỏ dần theo hướng từ gần ra xa hạt khoáng. Khi các hạt khoáng ở gần nhau, chúng t−ơng tác với nhau qua màng nước liên kết và tạo nên mối liên kết keo nước trong đất. Đây chính là bản chất của lực liên kết tạo nên độ bền trong đất loại sét.
Dựa vào các đặc điểm của nước liên kết mặt ngoài, có thể chia màng nước liên kết thành 2 phần: phần tiếp xúc với hạt là n−ớc liên kết chặt hay n−ớc hấp phụ, còn bên ngoài là n−ớc liên kết yếu (hình 28).
Đặc điểm của n−ớc liên kết chặt là chịu tác dụng t−ơng hỗ với hạt khoáng bởi lực hút phân tử, tĩnh điện rất lớn, có thể tới hàng trăm, thậm chí hàng nghìn atmotphe. Nó không chịu tác dụng của trọng lực (hay đúng hơn là lực tác dụng của trọng lực nhỏ không đáng kể so với lực liên kết với hạt khoáng). Nước liên kết chặt có khối lượng riêng lớn hơn rất nhiều so với nước tự do, trung bình 2,00g/cm3, cường độ chống cắt lớn, độ đàn hồi cao và không có khả năng truyền áp lực thuỷ tĩnh như nước tự do.
Hình 28: Sơ đồ liên kết giữa các hạt sét qua màng nước liên kết
N−ớc liên kết yếu bao quanh bên ngoài n−ớc liên kết chặt và liên kết với hạt bằng lực yếu hơn. Nó đ−ợc hình thành do năng l−ợng thừa của lực hút phân tử, tĩnh điện của hạt sau khi thành tạo nước liên kết chặt, có khả năng trao đổi ion với môi trường xung quanh và đóng vai trò chủ yếu tạo nên màng khuyếch tán xung quanh hạt khoáng.
Chiều dày của màng n−ớc liên kết phụ thuộc vào kích th−ớc, thành phần khoáng vật của hạt khoáng, độ pH, loại và nồng độ các ion có trong nước. Trong đất, khi hàm l−ợng nhóm hạt sét càng cao, khoáng vật có tính phân tán lớn thì màng n−ớc liên kết bao quanh các hạt khoáng càng dày, pha lỏng trong đất càng nhiều, cường độ chống cắt càng nhỏ, khả năng bị nén lún càng lớn và tốc độ lún càng chậm. Ng−ợc lại, liên kết giữa các hạt càng mạnh và do đó độ bền, độ ổn định càng lớn, mức độ lún ít hơn và lún nhanh đạt tới trạng thái ổn định.
Hạt sét Hạt sét
Màng n−ớc liên kết chặt Màng n−ớc liên kết yếu
79 3.6.4. Tính chất cơ lý của đất rời và dính 1. §Êt rêi
Đất rời có độ chặt thấp và biến đổi trong phạm vi rộng, khối l−ợng thể tích tự nhiên từ 1,2 đến 1,9g/cm3, độ rỗng tương đối lớn, n = 25- 40%, không chứa ẩm hoặc chứa ẩm ít, có khả năng thấm nước mạnh, hệ số thấm có thể đạt tới 30m/ngđ và lớn hơn. Đất có khả năng bị nén lún tương đối mạnh, mức độ nén lún phụ thuộc vào thành phần hạt và độ chặt của đất, hệ số nén lún dao động từ 0,02 đến 0,1cm2/kG, môđun tổng biến dạng thay đổi từ 50-100 đến 1.000kG/cm2, lực dính kết rất nhỏ, c ≅ 0, hệ số ma sát trong khá lớn (so với đất dính), tgϕ thay đổi từ 0,25 đến 0,60, góc ma sát trong tới 30- 350. Độ ổn định ở nền công trình phụ thuộc vào thành phần hạt và độ chặt của
đất, còn ở mái dốc, phụ thuộc chủ yếu vào góc ma sát trong của đất.
Khi sử dụng đất rời làm nền công trình, do đất có tốc độ nén lún lớn, thời gian lún ổn định ngắn (có thể độ lún đã ổn định ngay sau khi xây dựng xong công trình) nên thuận lợi cho xây dựng.
2. §Êt dÝnh
Đất dính có độ chặt thấp, độ rỗng và độ ẩm thay đổi phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hạt và trạng thái của đất, khối l−ợng thể tích tự nhiên thay đổi từ 1,1- 1,2 đến 1,9- 2,1g/cm3, độ rỗng từ 25- 30 đến 75- 80%, độ ẩm tự nhiên từ 12- 15 đến 75- 80%. Đất luôn chứa ẩm, khả năng thấm n−ớc yếu, rất yếu hoặc không thấm n−ớc, hệ số thấm thường nhỏ hơn 0,1m/ngđ. Cường độ kháng cắt của đất dính biến đổi trong phạm vi rộng tuỳ theo độ ẩm, độ chặt của đất, lực dính kết từ 0,05 đến 0,4kG/cm2, hệ số ma sát trong biến đổi từ 0,15 đến 0,35. Đất có khả năng bị nén lún mạnh, hệ số nén lún từ 0,01 đến 0,2cm2/kG, môđun tổng biến dạng biến đổi từ 25- 50 đến 1.000kG/cm2, tốc
độ nén lún chậm và rất chậm (độ lún của đất nền dưới móng công trình tới vài chục năm mới ổn định). Độ ổn định của đất ở nền công trình và ở mái dốc phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của đất.
3.7. Đặc điểm ĐCCT của đất đá có thành phần, trạng thái và tính chất đặc biệt