1. TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐÂT ĐÁ
1.1. Tính chất của các thành phần cư bản tạo nên đất đá
Đất đá là một tập hợp của ba pha hợp thành đất đá: các hạt khoáng vật ở thể rắn, nước và khí ở trong lỗ rỗng giữa các hạt. Tuyệt đại bộ phận đất đá có cấu tạo ba pha.
Với đất đá cứng chắc, độ rỗng rất nhỏ thì xem như chỉ có hạt rắn, được gọi đất đá một pha. Đất đá có các lỗ rỗng, khe nứt chứa đầy nước thì gọi là đất đá hai pha. Hình 2.1.
Hàm lượng và đặc tính của mỗi pha quyết định rất lớn đặc tính xây dựng của đất đá.
Riêng đối với đất không bão hoà dể phản ánh đầy đủ hành vi của loại đất này Fredlund và Morgensten đưa thêm pha thứ tư là mặt phân cách khí - nước (mặt ngoài cùng).
Thể tích
V,
Trọng lượng T hể tích
vr = e
V a>A
V 1
1
Không khí
--- Nước —
Wn=0
wo> =wArn
wn AYn
i
T
V EVn= coA=e
V 1
1 --- Nước
Hạt rắn
Trọng lượng
w(0 =(0Ayn- e r r
w h= Ar n 1 Đ ất không bão hoà; V h = 1 Đ ất bão hoà; V h = 1
Hình 2.1: Các pha hợp thành đất đá
Các tính chất của thành phần hạt rắn - các khoáng vật đã được trình bày ở chương 1.
Ớ đây ta chí nghiên cứu tính chất của các thành phẩn nước và khí chứa trong lỗ rỗng của đất đá và tác dụnR tương hỗ của chúng với hạt rắn.
ỉ . 1.1. Đặc tính của nước trong đất đá
Nước ở trong đất đá, đặc bict là đất loại sét, có thể làm thay đổi trạng thái vật lý của đất đá. Dựa vào mối liên kết giữa nước và đất đá, chia ra các loại nước sau đây:
Nước trong khoáng vật tham gia vào cấu tạo tinh thể khoáng vật, như nước trong
các hạt opan (S i02 nH20 ), được xem như thuộc thành phần hạt rắn của đất đá.
Nước kết hợp mặt ngoài hạt đất được giữ lại ở trên bề mặt bới nhiều lực khác nhau,
nhưng chú yếu là lực hút tĩnh điện. Khác vói nước tự do, nước kết hợp có mật độ trung bình 1,2 - 1,4 g /c m \ khi lượng nước kết hợp thay đổi thì mật độ, nhiệt dung, tính dẫn điện, dẫn nhiệt... của đất đá cũng thay đổi theo và khó dịch chuyển hơn.
Tuỳ theo khả năng eiữ lại ở trên bề mặt hạt đất, nước kết hợp được chia ra nước kết hợp mạnh (khi áp lực 200 - 500at và hơn nữa nước không bị tách ra) và nước kết hợp yếu (nước đẩy ra dễ dàng khi chịu áp lực). Nước kết hợp được chia ra: nước định hướng thứ cấp (nhờ liên kết phân tử giữa các phân tử nước kết hợp mạnh và các phân tử nước mới gia nhập vào đất) và nước thẩm thấu (do phân tử nước từ dung dịch xâm nhập vào lóp khuếch tán của mixen, nơi có nồng độ ion lớn hơn ờ dung dịch).
Nước kết hợp làm cho đất có tính dẻo, giảm khả năng thấm nước của đất đá do bịt kín, thu hẹp lỗ rỗng giữa các hạt.
Nước tự do là nước nằm ngoài ảnh hưởng của lực hút về phía hạt, gồm có nước mao
dẫn và nước trọng lực.
Nước mao dẫn tồn tại trong lỗ rỗng, khe nứt nhỏ của đất đá (chiều rộng khe nứt
< 2mm) dưới ảnh hưởng của lực mao dẫn (lực căng bề mặt). Có ba loại nước mao dẫn:
nước ở góc lỗ rỗng, nước mao dẫn treo và nước mao dẫn đi lên (mao dẫn thật). Nước mao dẫn thật được dâng lên từ mặt nước ngầm, hình thành đới mao dẫn và luôn được nước ngầm cung cấp (hình 2-2).
Hình 2-2: Các loại nước mao dần a) Nước mao dần ỏ' góc lổ l ổng; h) Nước mao dẫn tliật và treo:
I - Đới thông khí; ¡2 - Nước mao dẫn treo;
// - Đới mao dẩn; III - Tầng nước ngẩm; IV - Tầng cách nước.
50
Nước mao dẫn tạo lực dính trong đất nhất là dối với đất vụn, tạo áp lực mao dẫn lên công trình, làm ấm ướt sàn nhà, gây ra hiện tượng muối hoá thổ nhưỡng (nếu nước ngầm ở gần mặt đất và đất có độ dâng mao dẫn lớn).
Nước trọng lực: không liên kết với bề mặt hạt và không chịu lực căng bề mặt. Nó
dễ dàng dịch chuyển dưới tác dụng của trọng lực, tức là dưới ảnh hưởng của độ chênh lệch áp lực.
Lượng nước trọng lực phụ thuộc vào mức độ rỗng của đất đá: trong đất sét, lỗ rỗng rất nhỏ nên lượng nước trọng lực không đáng kể, còn trong đất hạt thô (cát, cuội, sỏi), đá nứt nẻ mạnh, lượng nước khá lớn. Nước trọng lực được khai thác cho các mục đích khác nhau (sinh hoạt, tưới, cho công nghiệp...) và có thể gây trở ngại khi đào hố móng xây dựng các công trình ngầm,...
1.1.2. Đặc tính của k h í trong đất đá
Khí trong đất đá là do các khí từ khí quyển khuếch tán vào hoặc do các quá trình sinh hoá diễn ra trong các lớp đất đá. Thành phần khí trong đất đá chủ yếu là oxit cacbonic, sunfua và các khí phát sinh trong quá trình sinh hoá như mêtan, amoniac...
Khí trong đất đá có thể ở trạng thái tự do, hút bám, bọc kín, và có thể ở dạng bọt khí hay hoà tan trong nước lỗ rỗng. Màng khí hút bám xuất hiện ở quanh hạt đất đá thô là do lực hút phân tử, lượng khí hút bám tăng khi đất đá có độ phân tán cao, chứa oxit sắt, các chất hữu cơ. Khí bọc kín hình thành do sự làm ẩm đất đá đồng thời từ dưới lên (do mao dẫn) và từ trên mặt đất xuống (do ngấm). Khi bọc kín trong đất sét có thể chiếm 20-30% thể tích lỗ rỗng. Khí hút bám và bọc kín rất khó đẩy ra khỏi đất đá dưới tác dụng của tải trọng, ngay cả khi chịu tải trọng rất lớn và làm cho đất đá có các đặc trưng: tính đàn hồi tăng lên, biến dạng kéo dài, thấm nước giảm đi.
Tuỳ theo thành phần hoá học, các khí hoà tan có thể gây ra quá trình oxi hoá hay cacbonat hoá đất đá, và cùng với sự láng đọng các khoáng chất cúa nước lỗ rỗng, tạo mối liên kết thứ sinh trong đất đá. Khi nhiệt độ của đất tăng lên, hoặc khi áp lực bên ngoài giảm đi, các khí hoà tan sẽ thoát ra, đất bị nở trồi, các đặc trưng vật lý, cơ học của đất cũng thay đổi.
1.1.3. S ự hình thành lớp vỏ thủy hoá và quá trình trao đối cation
Phần lớn các nguyên tử bên trong mạng lưới tinh thể khoáng vật được trung hoà, còn trên bề mặt thường không có sự cân bằng điện tích do các nguyên tử chưa lấp đầy các vị trí của mạng lưới, nên các hạt khoáng vật mang điện, đa số có điện âm và tạo một điện trường ở xung quanh hạt đất.
Như ta đã biết, nước là phân tử lưỡng cực với các ion hidro mang điện dương và các ion oxy mang điện âm. Dưới tác dụng của điện trường, các phân tử nước được định hướng và hút bám trên bề mặt hạt đất. Các lực điện phân tử tác dụng ở những khoảng cách rất gần bề mặt các hạt đất. Các phân tử nước được hấp phụ trên bề mật các hạt khoáng có khả năng hút các phân tử nước khác tạo nên lớp vỏ thủy hoá (hydrat).
Ớ gần bề mặt khoáng, các phàn tử nước chịu lực hút mạnh nhất (hàng chục, hàng ngàn kG/cm2). Ra xa dần, lực điện phân tử giảm nhanh và ở khoảng cách nào đó, các phân tử nước không định hướng, ở trạng thái hoàn toàn tự do. Hình 2-3 trình bày biểu đồ biến đổi lực điện phân tử theo khoảng cách đến bề mặt hạt đất.
a
Nước màng mỏng
c
r. A°
Hình 2-3: Biểu đồ biến dổi lực điện plìân tử giữa hạt khoáng vật và nước
a) Định hướng lưỡng cực bề mật hạt khoáng; b) v ỏ thủy hoá;
c) Biếu đồ biến đổi lực điện phân tử
Các cation nằm trong phạm vi lớp khuếch tán cùng với bề mặt hạt đất mang điện âm tạo thành lớp điện kép, gây nên điện thế lớn nhất X (còn gọi là thế năng nhiệt động lực), tại bề mặt hạt khoáng. Theo chiều dày lớp khuếch tán, điện thế hạ thấp tới mức điện thế ở dung dịch nước tự do là|(thế nhiệt động). Thế nhiệt động càng lớn thì lớp khuếch tán càng dày. Ớ đất phân tán cao, lượng nước của lớp vỏ khuếch tán lớn hơn nhiều lần lượng nước kết hợp (trong than bùn, nước liên kết chiếm 30% còn nước khuếch tán chiếm 1500% trọng lượng than bùn khô).
Hạt keo, lớp ion hấp phụ và lớp ion khuếch tán hình thành mixen của đất. Hai lớp ion được giữ lại trên bề mặt hạt với những lực khác nhau, ion hấp phụ được giữ chặt hơn. Tính linh hoạt của các cation trong lớp điện kép của đất sét nhỏ hơn 5 -ỉ- 10 lần khi ở trạng thái tự do trong dung dịch.
Các ion tham gia vào thành phần mixen có thể tác dụng với những ion của nước lỗ rỗng, nên thành phần ion mà các hạt hấp thụ phụ thuộc phản ứng trao đổi giữa thể rắn và thể lỏng của đất. Do phần lớn các hạt khoáng vật mang điện âm nên chủ yếu là sự 52
trao đối cation. Sự trao đổi này diễn ra ở trong lớp khuyếch tán, lớp hấp phụ và cả trong mạng lưới tinh thể của các hạt. Phụ thuộc đặc điểm mạng lưới kết tinh, cơ cấu trao đổi các cation sẽ khác nhau với kaolinit chí xảy ra ở mặt vỏ của mạng lưới kết tỉnh, còn với monmorilonit xảy ra cả bên trong mạng lưới tinh thể.
Khi làm bão hoà đất bằng các cation khác nhau thì phản ứng trao đổi xảy ra không giông nhau. Một số cation có khả năng đẩy dễ dàng các ion hấp phụ trong đất ra, rồi liên kết chặt với đất và khó trở lại dung dịch. Một số khác dễ chuyển từ trạng thái hấp phụ sang trạng thái tự do.
Nàng lượng hấp phụ của các cation thường gặp giảm dần theo thứ tự:
Li > Na > K > NH4 > Mg > Ca > Ba > H > AI > Fe
Thành phần các ion trao đổi trong lóp vỏ thúy hoá ảnh hưởng rất mạnh đến tính thấm, tính dẻo, lực mao dẫn... của đất. Có những loại đất mà sự có mặt một lượng nhỏ chất điện giải có thể làm biến đổi lớn các đặc trưng xây dựng. Đất có thể được cải tạo cho phù hợp yêu cầu xây dựng theo hướng này, chẳng hạn cho đất hấp phụ Na+ để giảm tính thấm nước tới hàng trâm lần.
1.1.4. S ự phân bô c ỡ hạt
Trong khối đất bất kỳ, kích cỡ của các loại đất khác nhau biến đổi lớn từ khoảng 200mm xuống tới kích thước hạt keo của một số đất loại sét nhỏ hơn 0,00lmm. Để phàn loại họp lý đất, cẩn biết sự phân bố cỡ hạt. Được xếp vào đất thô như cát, cuội, sỏi khi có trên 65% các hạt lớn hơn 0,06mm, còn đất mịn như bụi, sét khi có trên 35% các hạt nhỏ hơn 0,06mm.
Trong trường hợp đất, hạt thô (các hạt mịn không có hay đã được tách bỏ) thường phân tích thành phần hạt bằng rây. Mẫu đất đại diện được chia nhỏ có hệ thống tới kích thước mẫu thuận I lợi rồi làm khô trong lò sấy. Mẫu
này cho qua bộ rây thí nghiệm T tiêu chuần bố trí theo thứ tự nhỏ
dần của kích thước lỗ. Trước hết, lắc toàn bộ bộ rây rồi lắc cho tùng rây riêng biệt, xác định trọng lượng của đất còn lại trên mỏi rây và tính phần trăm tích luỹ của trọng lượng mẫu nhỏ qua
10 1 0,1 0,01
Cỡ hạt D(mm)
Hình 2-4: Đường cong thành phần hạt.
mỗi rày. Từ các số liệu này, vẽ sự phân bố cỡ hạt ở dạng đường nửa lg (hình 2-4) gọi 1 à đường cong thành phần hạt.
Khi mẫu đất chứa hạt mịn, đầu tiên tách hạt mịn bằng cách rây ướt, sau đó xử lý bằng phụ gia phá keo (dung dịch hexam eta phosphate natri 2g/l) rồi rửa qua rây 63p,m. Tạo 500ml huyền phù đất - nước lắc mạnh một lúc rồi để cho lắng đọng. Tốc độ các hạt hình cầu lắng đọng do trọng lượng theo định luật Stoke. Dùng tỷ trọng kế để đo dung trọng huyền phù ở độ sâu 100mm tại một chuỗi các khoảng thời gian trôi qua. Từ số đọc dung trọng, nhận được giá trị phần trăm tương ứng với hạt m ịn hơn đường kính dặc biệt (cỡ hạt) và do vậy có thể vẽ đường cong thành phần hạt cho phần hạt mịn.
Ba điểm trên đường cong thành phần hạt cho các kích thước đặc trưng.
D U) - cỡ hạt cực đại chiếm ít nhất 10% mẫu.
D3() - cỡ hạt cực đại chiếm ít nhất 30% mẫu.
D60 - cỡ hạt cực đại chiếm ít nhất 60% mẫu.
Từ các cỡ hạt đặc trưng này, có các đặc trưng thành phần hạt như sau:
Kích thước hiệu quả D 10, mm (2.1 )
Hệ số đồng đều Cu = (2.2)
D)0
ÍD )2
Hê số cấp phối c = —— —— (2.3)
8 D ô X D 10
Đất có cùng cỡ hạt cả Cu và Cg là đơn vị, khi Cu < 3 - cỡ hạt đồng đểu và Cu > 5 - đất cấp phối tốt. Đất cấp phối tốt nhất giá trị Cg ở giữa 0,5 và 2,0.
Với đường cong thành phần hạt ở hình 2.4, D 10 = 0,08mm, D30 = 0,17mm, và D60 = 0,57mm. Vì thế các giá trị Cu và Cg như sau:
cu 0,57 ÕÕ8 7,13
0,172 0,57.0,08 0,63
Trong vận hành bơm hút nước và xây dựng đập đất, thường cần thiết bố trí lớp vật liệu lọc để ngăn không cho hạt mịn di chuyển vào ống, qua lưới lọc hay vào khoảng trống của vật liệu thô hơn. Dựa vào thành phần hạt của đất được bảo vệ để thiết kế vật liệu lọc có hiệu quả:
a) Không tính hàm lượng đất có cỡ hạt vượt quá 19mm.
b) Lớp lọc không chứa vật liệu cỡ hạt lớn hơn 80mm.
c) Lớp lọc có lượng hạt mịn (cỡ hạt < 75)ưn) không lớn hơn 5%.
d) Đường cong thành phần hạt của lớp lọc và của đất gần cùng hình dạng.
54
c) Cỡ hạt D,5 của lớp lọc phải nằm giữa 4 lần D 15 và 4 lần Dx5 của đất, có nghĩa là:
4 X D |S (đất) < D,5 (lớp lọc) < 4 X DX5 (đất)
f) Cỡ hạt DX5 của lớp lọc không nhỏ hơn 2 lần đường kính trong của ống hay cỡ lưới lọc (ở nơi sử dụng).
Ví dụ 2-1. Hình 2-5 cho thấy đường cong thành phần hạt của lớp đất cần có lớp lọc
cấp phối. Trong vận hành bơm hút, dùng ống đục lỗ có đường kính 6mm. Hãy lập đường cong thành phần hạt cho lớp lọc cấp phối thích hợp có gán các điểm và cỡ hạt chủ chốt.
-cCL
100 90 80 70 60 50 40 30
20
10
0
ÍỈLữl
R â y th i n g h i ệ m t i ê u c h u ẩ n A n h
( m m )
CM o o
p p
c\l ro T ôO
p p
o CO
ló <Ò
o o Ó o ọ ọ io o o
ó cc tý õ ró Om cõ co io
I /
B y i
/ /
Dường cong thành phần J
của đất ' 7 /
s ~ T ~
/ 7
s
S - /
. _ v'
. uuurig cong tnanr
— 4—-.-.. phán —/•—
/ cac giởi hạn này
/
4 ® -4
UI_L_--- L 1 l---LA Um 1 ■L _ ^ ± 1 / !
í f
0.002 0.006 0.02 0.06 0.2 0.6 20 60m m
S é t M ịn T r u n g T h ô M ịn T r u n g T h ô M ịn T r u n g T h ô
Bụi C á t C u ộ i
Hình 2-5: Đường cong thiết kê'lớp lọc.
Bài giải:
Các đặc trưng thành phần hạt của đất
D|5 = 0,008mm (điểm A) Dx5 = 1,50mm (điểm B) Các đặc trưng yêu cầu cho lớp lọc:
D,5 > 4 X 0,008 = 0,032mm (điểm C) D |5 < 4 X 1,5 = 6,0mm (điểm D) hay Dx5 < 2 X 6,0 = 12,0mm (điểm E)
D5 > 75p,m (điểm F) D1(K) < 80mm (điểm G)