Chương 3: Đất đá và tính chất Địa chất công trình của chúng
3.3. Thành phần của đất rời và đất dính
Nh− đã biết, đất đá đ−ợc phân loại thành 5 nhóm: đá cứng, đá nửa cứng, đất rời,
đất dính, đất có thành phần trạng thái và tính chất đặc biệt. Thành phần của đá cứng và nửa cứng đã được trình bày trong chương 1. ở đây, chỉ đề cập đến đặc điểm thành phần của đất rời và đất dính.
3.3.1. Thành phần hạt
Đất là hợp thể gồm 3 pha: rắn; lỏng (nước) và khí. Trong đó, pha rắn chính là các hạt khoáng đóng vai trò quyết định tính chất xây dựng của đất.
Thành phần hạt đặc tr−ng cho đất rời và đất dính về mức độ phân tán của các hạt khoáng trong đất, thể hiện bởi kích thước và hàm lượng của các nhóm hạt tham gia vào hợp phần tạo nên đất.
Thành phần hạt của đất đ−ợc biểu thị bằng phần trăm, tính theo khối l−ợng đất khô tuyệt đối của các nhóm hạt (mỗi nhóm hạt được đặc trưng bởi kích thước nhất
định) có trong đất.
Trong địa chất công trình, khi phân loại theo thành phần hạt, đất rời và đất dính
đ−ợc chia ra thành các nhóm hạt có kích th−ớc nh− bảng 7.
Trong các nhóm hạt, nhóm hạt sét đóng vai trò quan trọng đặc biệt. Chúng gồm các hạt có kích th−ớc rất nhỏ, thành phần khoáng vật chủ yếu là các nhóm khoáng vật sét. Do có kích th−ớc nhỏ nên lực hấp phụ bề mặt rất lớn. Khi gặp n−ớc, xung quanh hạt tạo thành màng nước liên kết. Chính màng nước liên kết này làm cho đất dính, trong đó đặc tr−ng là đất sét (loại đất dính có nhóm hạt sét chiếm tỷ lệ khá lớn) có
63
những tính chất đặc biệt: mặc dù đất sét có độ lỗ rỗng lớn nh−ng lại không có khả năng cho nước thấm qua, đất sét bị lún nhiều khi chịu tác dụng của tải trọng, quá trình lún thường xẩy ra chậm chạp và rất lâu dài; đất sét bị co ngót mạnh khi khô và trương nở
đáng kể khi gặp nước và trở nên bão hoà.
Nhóm hạt bụi gồm các hạt có kích th−ớc lớn hơn, chủ yếu là các mảnh thạch anh có hình đẳng thước và độ mài tròn khác nhau, các mảnh fenpat, mica, .... Chúng có tính chất khác với các hạt sét là khả năng dính kết, độ mao dẫn và độ dẻo rất nhỏ, độ chứa ẩm thấp và trong đất cú tớnh thấm nước rừ rệt. Khi gặp nước, chỳng thường mất độ dớnh kết và trở nên linh động, do đó dễ tan rã trong nước và chuyển sang trạng thái chảy.
Nhóm hạt cát, cuội, sỏi, dăm, sạn, tảng đều gồm các mảnh khoáng vật và đá. Tuỳ thuộc điều kiện thành tạo (vận chuyển xa hay gần), chúng có thể tròn cạnh (hạt cuội, sỏi) hay sắc cạnh (hạt dăm, sạn). Các nhóm hạt này có tính chất khác biệt so với nhóm hạt sét và bụi. Chúng không chứa ẩm hoặc chứa ẩm yếu, độ thải nước lớn, thấm nước mạnh và không có tính mao dẫn (trừ nhóm hạt cát).
Bảng 7: Phân chia các nhóm hạt trong đất (theo V.Đ. Lômtađze) Nhãm
hạt Cỡ hạt Kích th−ớc cỡ
hạt (mm) Nhóm hạt Cỡ hạt Kích th−ớc cỡ hạt (mm) Tảng
To > 800
Cát
Thô 2 - 1
Vừa 800 - 400 To 1 - 0,5
Nhỏ 400 - 200 Vừa 0,5 - 0,25
Cuéi (D¨m)
RÊt to 200 - 100 Nhá 0,25 - 0,10
To 100 - 60 Mịn 0,10 - 0,05
Vừa 60 - 40 Bụi To 0,05 - 0,01
Nhá 40 - 20 Nhá 0,01 - 0,005
Sái (Sạn)
To 20 - 10
SÐt - < 0,005
Vừa 10 - 4
Nhá 4 - 2
Trong tự nhiên rất ít khi gặp đất rời và đất dính chỉ gồm một nhóm hạt nhất định.
Hầu hết các loại đất đều gồm hỗn hợp nhiều nhóm hạt khác nhau. Tỷ lệ tương đối của các nhóm hạt trong đất đóng vai trò quyết định đối với tính chất xây dựng của đất, trong đó đặc biệt là nhóm hạt sét. Do vậy, có thể sử dụng thành phần hạt làm cơ sở để phân loại đất (bảng 8).
Bảng 8: Phân loại đất theo thành phần hạt (theo V.Đ. Lômtađze)
Loại đất L−ợng chứa nhóm hạt (%)
Sét Bụi Cát
Sét nặng > 60 Lớn hơn nhóm hạt bụi
Sét nặng lẫn bụi > 60 Lớn hơn nhóm hạt cát
Sét 30 - 60 Lớn hơn nhóm hạt bụi
Sét lẫn bụi 30 - 60 Lớn hơn nhóm hạt cát
Sét pha cát nặng 20 - 30 Lớn hơn nhóm hạt bụi
64
Sét pha cát nặng lẫn bụi 20 - 30 Lớn hơn nhóm hạt cát
Sét pha cát vừa 15 - 20 Lớn hơn nhóm hạt bụi
Sét pha cát vừa lẫn bụi 15 - 20 Lớn hơn nhóm hạt cát
Sét pha cát nhẹ 10 -15 Lớn hơn nhóm hạt bụi
Sét pha cát nhẹ lẫn bụi 10 - 15 Lớn hơn nhóm hạt cát
Cát pha sét nặng 6 - 10 Lớn hơn nhóm hạt bụi
Cát pha sét nặng lẫn bụi 6 - 10 Lớn hơn nhóm hạt cát
Cát pha sét nhẹ 3 - 6 Lớn hơn nhóm hạt bụi
Cát pha sét nhẹ lẫn bụi 3 - 6 Lớn hơn nhóm hạt cát
Cát < 3 Lớn hơn nhóm hạt bụi
Để xác định thành phần hạt của đất rời, thường dùng phương pháp rây. Đối với đất dính, thành phần các nhóm hạt có kính thước nhỏ hơn 0,1mm được xác định bằng ph−ơng pháp tỷ trọng kế. Ph−ơng pháp này dựa vào quy luật lắng chìm theo trọng lực của các hạt có kích th−ớc khác nhau trong môi tr−ờng n−ớc yên tĩnh.
3.3.2. Thành phần khoáng vật
Thành phần khoáng vật là một trong những đặc tr−ng quan trọng của đất. Trong
đất rời và đất dính, các khoáng vật chủ yếu là khoáng vật sót, khoáng vật sét, khoáng vật keo và một số khoáng vật khác.
- Khoáng vật sót: Khoáng vật sót là các khoáng vật nguyên sinh, tồn tại d−ới dạng hòn mảnh (hạt thô) nh− thạch anh, fenpat, hocblen, mica, cacbonat, .... Các khoáng vật này thường chiếm chủ yếu trong đất rời và có thể tồn tại trong đất dính chứa hạt thô.
- Khoáng vật sét: Trong khoáng vật sét có nhiều loại thuộc nhóm kaolinit, hyđrômica, mônmôrilonit. Các khoáng vật này có cấu trúc mạng tinh thể dạng l−ới, lớp khác nhau, nên tính chất của chúng cũng rất khác nhau và tồn tại trong nhóm hạt mịn.
- Khoáng vật dạng keo: Khoáng vật ở trạng thái keo th−ờng tồn tại d−ới dạng ôxyt và hyđrôxyt (sắt, nhôm, mangan, magiê, silic) nh− hêmatit, gơtit, limônit, bôxit,
điapor, bômit, hyđracgilit, canxêđoan, ôpan, ...) ở dạng vô định hình.
- Khoáng vật thuộc nhóm muối đơn giản: Các khoáng vật này thường ở dạng các chất lẫn, thể bị bao hoặc kết hạch như canxit, đôlômit, thạch cao, halit, ... thường chiếm một tỷ lệ nhỏ.
- Khoáng vật là di tích và hợp chất hữu cơ: Các chất này đ−ợc hình thành từ xác sinh vật, đặc biệt là thực vật và tồn tại trong một số loại đất.
Thông thường, mỗi loại đất có nhiều loại khoáng vật khác nhau hợp thành. Sự có mặt của các khoáng vật trong mỗi loại đất có ý nghĩa rất quan trọng và đóng vai trò quyết định đối với tính chất xây dựng của đất.
Thành phần khoáng vật trong đất thường có sự liên quan chặt chẽ với thành phần hạt. Đất rời (nhóm hạt cát và các nhóm hạt lớn hơn chiếm chủ yếu) có thành phần khoáng vật chủ yếu là các khoáng vật nguyên sinh nh− thạch anh, fenpat, cacbonat, các khoáng vật khác th−ờng chiếm tỷ lệ rất ít (< 3%). Đất dính tồn tại chủ yếu các khoáng vật thứ sinh nh− khoáng vật sét, khoáng vật dạng keo thuộc nhóm ôxyt và hyđrôxyt.
3.3.3. Thành phần hoá học
Thành phần hoá học của đất (pha rắn) chủ yếu là ôxyt nh− SiO2, Al2O3 và H2O, trong đó l−ợng SiO2 biến đổi từ 30- 35% đến 75- 85%, l−ợng Al2O3 biến đổi từ 5- 6%
65
đến 10- 20%, ngoài ra còn có các hợp chất FeO, Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O, TiO2, SO3, CO3, P2O5 và một số hợp chất khác.
Thành phần hoá học của pha rắn trong đất thường luôn biến đổi theo thời gian.
Mức độ biến đổi phụ thuộc vào độ bền vững của mỗi hợp chất. Các hợp chất kém bền vững bị biến đổi mạnh do bị hoà tan và mang đi, đặc biệt là các chất có hàm l−ợng ít.
Còn các hợp chất bền vững thì ít bị biến đổi và hàm lượng của chúng thường chiếm chủ yếu và đóng vai trò quyết định bản chất của đất.