Giáo Trình Cơ Học đất (full) Lê Xuân Mai, Đỗ Hữu Đạo - Tài Liệu Text

Có thể bạn quan tâm

Tải bản đầy đủ (.pdf) (286 trang)

Trang chủ

Giáo án - Bài giảng

Cao đẳng - Đại học

Giáo trình cơ học đất (full) Lê Xuân Mai, Đỗ Hữu Đạo

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.29 MB, 286 trang )

share-connect.blogspot.comTrang 3Lời nói đầuĐể đáp ứng với yêu cầu đổi mới trong chơng trình đào tạo của TrờngĐại Học Bách Khoa đối với các nghành Xây dựng Cầu Đờng, Xây dựng Dândụng - Công nghiệp và Xây dựng thuỷ lợi - Thuỷ điện thuộc các hệ đào tạo dàihạn và vừa học vừa làm, đồng thời nhân kỷ niệm 30 năm thành lập Trờng ĐạiHọc Bách Khoa Đà Nẵng. Bộ môn Cơ sở kỹ thuật Xây dựng khoa Xây dựng CầuĐờng Trờng Đại Học Bách Khoa thuộc Đại Học Đà Nẵng cho xuất bản Giáotrình Cơ học Đất.Cuốn sách này dùng để làm tài liệu phục vụ cho công tác giảng dạy và họctập của sinh viên các nghành Xây dựng, đồng thời có thể làm tài liệu tham khảocho các Kỹ s thiết kế Nền- Móng.Ngày nay, các bài toán Cơ học Đất đÃ đợc nghiên cứu phát triển rấtnhiều, khối lợng kiến thức về Cơ học Đất rất lớn. Khi biên soạn cuốn sách này,chúng tôi cố gắng nêu lên những vấn đề cơ bản chủ yếu nhất, đồng thời bám sátcác tiêu chuẩn hiện hành ở nớc ta và giới thiệu các phơng pháp đang đợc ápdụng rộng rÃi ở các nớc Tây - Âu, để ngời đọc có thể dễ dàng nắm bắt và thựchành đợc. Chúng tôi mong rằng ở mức độ ngắn gọn và dễ dàng, cuốn sách nàycũng sẽ có ích cho những ngời đÃ học Cơ học đất trớc đây hoặc đang nghiêncứu về Cơ học đất, nó sẽ củng cố lại các kiến thức Cơ học đất so với những tàiliệu cũ đÃ giới thiệu.Khi biên soạn nội dung chơng VI, các tác giả có kết hợp sử dụng chọnlọc nhiều néi dung trong cn ( ThÝ nghiƯm ®Êt hiƯn tr−êng và ứng dụng phântích Nền Móng) của GS.TS. Vũ Công Ngữ - ThS. Nguyễn Thái do Nhà Xuất bảnKhoa học và kỹ thuật xuất bản năm 2003. Nội dung các chơng khác đợc thamkhảo theo nhiều giáo trình đợc liệt kê tại mục các tài liệu tham khảo.Các tác giả xin đợc gởi gắm vào cuốn giáo trình này lòng biết ơn sâu sắcđối với các thầy đÃ giúp cho các tác giả có đợc thành quả ngày hôm nay:GS.TS. Vũ Công Ngữ, GS.TS. Dơng Học Hải, TS. Hoàng Truyền, TS.Nguyễn Hùng Sơn. Đồng thời các tác giả cũng xin chân thành cảm ơn tập thể cánbộ khoa Xây dựng Cầu đờng, Trờng Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà NẵngđÃ giành cho các tác giả sự quan tâm, giúp đỡ có hiệu quả để cuốn giáo trìnhhoàn thành và sớm ra mắt bạn đọc.Do Cơ học đất đÃ ph¸t triĨn qu¸ nhanh trong thêi gian qua, do kinhnghiƯm và kiến thức có hạn, nên chắc chắn bản thân những ngời viết đÃ khôngthể nắm đợc đầy đủ những diễn giải hay, những kết quả tốt của nó, nên khôngthể tránh khỏi các thiếu sót. Mong các bạn đồng nghiệp trong chuyên nghành chỉdẫn cho. Mọi sự góp ý về nội dung cuốn sách sẽ đợc tiếp nhận với lòng biết ơn.Địa chỉ góp ý gửi về:Bộ môn Cơ sở kỹ thuật Xây dựng khoa Xây dựng Cầuđờng.Trờng Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng54 Nguyễn Lơng Bằng - Quận Liên Chiểu - TP Đà NẵngEmail: xdcauduong @yahoo.comCác tác giả. share-connect.blogspot.comTrang 4Mục lụcTrangLời nói đầuMục lụcCác thứ nguyên thờng dùngMở đầuChơng i: bản chất vật lý của đất và phân loại đấtĐ1. Sự hình thành của đất1.1 Quá trình phong hóa1.2 Các dạng trầm tích1.3 Các ảnh hởng của môi trờng Địa - Vật lý đến tính chất của đất.Đ2. Các thành phần cấu tạo của đất và tác dụng lẫn nhau giữa chúng2.1. Thành phần rắn cứng2.2. Thành phần nớc trong đất2.3. Thành phần khí trong đất2.4. Các tác dụng qua lại giữa các thành phần trong đấtĐ3. Kết cấu và Cơ cấu của đất3.1. Kết cấu của đất3.2. Cơ cấu của đấtĐ4. Các chỉ tiêu vật lý của đất4.1. Các chỉ tiêu vật lý xác định bằng thí nghiệm4.2. Các chỉ tiêu vật lý xác định bằng tính toán4.3. Các chỉ tiêu xác định trạng thái của đấtĐ5. Phân loại đấtĐ6. Một số tính chất cơ lý thờng xảy ra trong đất6.1. Tính dính của đất6.2. Tính co và nở của đất6.3. Tính tan rÃ của đất6.4. Hiện tợng tikxotrofia của đất6.5. Hiện tợng biến loÃng của đất cát6.6. Tính đầm chặt của đất6.7. Tính thấm của đấtCác ví dụ mẫu347833334551012131717182020222428323232333334353840chơng ii: xác định ứng suất trong nền đất44Đ.1 Khái niệm.44Đ.2 Phân bố ứng suất do tải trọng ngoài gây ra.442.1 Bài toán cơ bản - tác dụng cđa lùc tËp trung.442.2 Ph©n bè øng st trong tr−êng hợp bài toán không gian.482.3 Phân bố ứng suất trong trờng hợp bài toán phẳng.57 share-connect.blogspot.comTrang 5Đ.3 Phân bố ứng suất trong nền đất có xét đến tính không đồng nhất và tính khôngđẳng hớng của đất653.1 Trờng hợp dới nền đất là lớp đất cứng.673.2 Trờng hợp nền đất gồm hai lớp, lớp dới là lớp mềm yếu.70Đ.4 Phân bố ứng suất tiếp xúc dới đáy móng.714.1 Trờng hợp bài toán không gian.724.2 Trờng hợp bài toán phẳng.744.2.1 Trờng hợp móng cứng hình băng chịu tải trọng trung tâm.754.2.2 Trờng hợp móng cứng hình băng chịu tải trọng lệch tâm.76Đ.5 Phân bố ứng suất do trọng lợng bản thân của đất gây nên.765.1 Trờng hợp đất nền đồng nhất.765.2 Trờng hợp đất nền gồm nhiều lớp có tính chất khác nhau.775.3 Trờng hợp đất nền có mực nớc ngầm.775.4 Trờng hợp nớc có áp.79CHƯƠNG III: BIếN DạNG Và Độ LúN CủA NềN ĐấT91Đ1. Khái niệm chung.91Đ2. Tính biến dạng của đất.922.1. Các nghiên cứu về tính chất biến dạng của đất.2.2. Các đặc điểm biến dạng của đất.92992.3. Các nhân tố chủ yếu ảnh hởng đến biến dạng lún của đất.102Đ3. Tính toán độ lún cuối cùng của nền đất.1033.1. Trờng hợp cơ bản: Độ lún của đất trong các trờng hợp thí nghiệm nén.1033.2. Tính toán độ lún cuối cùng của nền đất dới móng công trình.107Đ4. Lý thuyết cố kết thấm và tính toán độ lún theo thời gian.1254.1. Lý thuyết cố kết thấm của K.Terzaghi và phơng trình vi phân cố kết thấm.1264.2. Tính toán độ lún của nền đất theo thời gian trong điều kiện bài toán một chiều.1294.3. Tính toán độ lún của nền đất theo thời gian trong điều kiện bài toán phẳng vàbài toán không gian.139chơng iV: cờng độ và ổn định của nền đấtĐ1. Khái niệm chung.Đ2. Sức chống cắt của đất.2.1. Sức chống cắt cực hạn của đất, định luật cắt của đất.2.2. Các yếu tố ảnh hởng đến sức chống cắt của đất.2.3. Từ biến của đất sét và sự ảnh hởng của nó ®Õn c−êng ®é chèng c¾t.145145146146152155 share-connect.blogspot.comTrang 6Đ3. Trạng thái cân bằng giới hạn tại một điểm trong nền đất và điều kiện cân bằnggiới hạn mohr - coulomb1593.1 Trạng thái cân bằng bền và trạng thái cân bằng giới hạn tại một điểm bất kỳtrong nền đất.1593.2 Điều kiện cân bằng giới hạn Mohr - Coulomb.159Đ4. Xác định sức chịu tải của nền đất1624.1. Phơng pháp tính toán dựa vào lý luận nền biến dạng tuyến tính kết hợp vớiđiều kiện cân bằng giới hạn ( dựa vào sự phát triển cuả vùng biến dạng dẻo).1641714.2 Phơng pháp tính toán dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn.1924.3. Phơng pháp tính toán dựa vào giả thiết mặt trợt trớc:Đ5 ổn định của mái dốc1941965.1. Điều kiện ổn định của đất trên mái dốc.5.2. Phân tích ổn định mái dốc theo phơng pháp mặt trợt cung tròn hình trụ. 199CHƯƠNG 5: tính toán áp lực đất lên lng tờng chắn.Đ1. Khái niệm chung.1.1. Phân loại tờng chắn đất2112111.2. áp lực đất và điều kiện sản sinh ra áp lực đất.1.3. Các lý thuyết tính toán áp lực đất lên tờng chắn.212214Đ2. Phơng pháp xác định áp lực tĩnh của đất lên tờng.215Đ3. Lý thuyết áp lực ®Êt cđa C.A.Coulomb.3.1. TÝnh to¸n ¸p lùc chđ ®éng lín nhất của đất theo lý thuyết C.A.Coulomb.3.2. Tính toán áp lực bị động nhỏ nhất của đất tác dụng lên lng tờng chắn.215216223Đ4. Các phơng pháp dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn.4.1. Tính toán áp lực đất theo lý luận W.J.R.Rankine.4.2. Tính toán áp lực đất theo lý thuyết V.V.Xôclovski.224224230Đ5. Tính toán áp lực đất lên tờng chắn trong các trờng hợp thờng gặp.5.1. Trờng hợp tải trọng ngoài tác dụng lên mặt đất.5.2. Trờng hợp lng tờng gÃy khúc và mặt đất phẳng.5.3. Trờng hợp đất đắp sau tờng gồm nhiều lớp.5.4. Trờng hợp đất đắp sau tờng có nớc ngầm.232232235235236Đ6. Nhận xét phạm vi áp dụng lý thuyết áp lực đất lên tờng chắn.240Đ7. Một số vấn đề cần chú ý khi tính toán áp lực đất lên tờng chắn.7.1. Việc chọn các chỉ tiêu cơ lý của đất đắp.2412417.2. ảnh hởng của sự nở đất và áp lực thủy động.7.3. Biện pháp làm giảm áp lực đất lên tờng.243243Chơng VI. Các thí nghiệm đất hiện tr−êng.6.1. ThÝ nghiƯm xuyªn tiªu chn (SPT).244 share-connect.blogspot.comTrang 76.2. ThÝ nghiƯm xuyªn tÜnh.2486.3 ThÝ nghiƯm nÐn ngang trong lỗ khoan (PMT).2566.4 Thí nghiệm nén ngang DMT (DILATOMETER).2616.5. Thí nghiệm cắt cánh (VST).2736.6. Thí nghiệm bàn nén hiện trờng.275Tài liệu tham khảoCác thứ nguyên thờng dùng:100kPa = 100kN/m2 = 1 bar = 1 pa ≈ 1kG/cm2 = 10 t/m2 ≈ 1tsf = 2 ksf CHƯƠNG Ishare-connect.blogspot.comTrang8Mở đầu1. Định nghĩa và đối tợng nghiên cứu:cơ học đất là một ngành của cơ học ứng dụng chuyên nghiên cứu về đất.Hầu hết các công trình xây dựng đều đặt trên đất, nghĩa là dùng đất làm nền cho cáccông trình, số khác các công trình nh nền đờng, đê, đập đất thì lại dùng đất làmvật liệu xây dựng. Vì vậy, muốn cho các công trình đợc tốt, nghĩa là công trình ổnđịnh, bền lâu và tiết kiệm thì nhất thiết phải nắm rõ các tính chất của đất khi dùngnó làm vật liệu xây dựng hay làm nền cho các công trình xây dựng.Nh vậy đối tợng nghiện cứu của cơ học đất là các loại đất thiên nhiên, làsản phẩm của quá trình phong hóa các đá gốc ở lớp trên cùng của vỏ quả đất. Mỗiloại phong hóa có tác dụng phá hủy đá gốc khác nhau và nó tạo ra các loại đất khácnhau. Đặc điểm cơ bản của đất là một vật thể gồm nhiều hạt rắn riêng rẽ không gắnvới nhau hoặc gắn kết với nhau bằng các liên kết có sức bền nhỏ hơn nhiều lần sovới sức bền của bản thân hạt đất. Do quá trình hình thành đất mà chúng tồn tại độrỗng trong đất và độ rỗng này lại có khả năng thay đổi dới ảnh hởng của tác độngbên ngoài. Ngoài ra trên bề mặt hạt đất có năng lợng, chúng gây ra các hiện tợngvật lý và hóa lý phức tạp, dẫn đến làm thay đổi các tính chất vật lý và cơ học củađất. Vì vậy khi nghiên cứu đất phải nghiên cứu đến nguồn gốc hình thành và cácđiều kiện tự nhiên mà đất tồn tại.2. Đặc điểm và nội dung của môn học:Cơ học đất là môn học cần vận dụng các hiểu biết về đất từ các môn khoa họckhác có liên quan nh địa chất công trình, thổ chất học... Và đồng thời vận dụng cáckết quả của các ngành cơ học khác nh cơ học các vật thể biến dạng (lý thuyết đànhồi, lý thuyết dẻo, lý thuyết từ biến). Trên cơ sở của các lý thuyết này, Cơ học đất đÃxây dựng đợc các lý thuyết riêng phù hợp với các quá trình cơ học xảy ra đối vớiđất. Tuy vậy ngoài các nghiên cứu lý thuyết, các nghiên cứu thực nghiệm, thựcnghiệm và các quan trắc thực tế cũng đóng vai trò quyết định trong nghiên cứu sửdụng đất trong xây dựng.Từ các nghiên cứu lý thuyết và các nghiên cứu thực nghiệm, Cơ học đất tậptrung giải quyết các nhiệm vụ và nội dung cơ bản sau:- Xác lập các quy luật cơ bản về các quá trình cơ học xảy ra đối với đất, đồngthời xác định đợc các đặc trng tính toán ứng với các quá trình xảy ra đó.- Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong đất, quan hệ giữa ứng suất và biếndạng dới tác dụng của ngoại lực.- Giải quyết các bài toán về biến dạng, về cờng độ, về ổn định các nền đất,về mái dốc cũng nh bài toán áp lực đất tác dụng lên tờng chắn.3. Sơ lợc lịch sử phát triển của môn họcCơ học đất là môn học đợc hình thành chậm hơn nhiều so với các môn họcứng dụng khác, nhng từ lâu loài ngời đÃ có những nghiên cứu về đất, tuy nhiên doxÃ hội lạc hậu nên các kiến thức về ®Êt x©y dùng chØ n»m ë møc ®é nhËn thøc cảmtính, cha đợc nâng cao thành nhận thức lý lận. Nhiều nhà khoa học đÃ có nhữngcống hiến to lớn và đÃ có công xây dựng nên môn cơ học đất ngày nay. ở đây chỉgiới thiệu hai nhà bác học đÃ có công lao lớn đến sự phát triển của cơ học đất.Công trình khoa học đầu tiên của Cơ học đất là của C.A Coulomb (1736 1806) thiếu tá kỹ s công binh, viện sĩ viện khoa học Pháp, năm 1773 đÃ đa ra lý CHƯƠNG Ishare-connect.blogspot.comTrang9luận nổi tiếng về cờng độ chống cắt của đất và cũng là ngời đầu tiên xây dựngđợc phơng pháp xác định áp lực đất lên vật chắn. Trải qua hai thế kỷ và cho đếnngày nay, các phơng pháp của ông vẫn đợc sử dụng rộng rÃi.Sự hình thành của cơ học đất nh một môn khoa học độc lập với hệ thốnghoàn chỉnh và các phơng pháp riêng biệt của nó đợc xem nh bắt đầu từ năm1925, khi K.Terzaghi (1883-1963) cho xuất bản cuốn Cơ học đất trên cơ sở vật lýcủa đất.Năm 1963 Hội nghị khoa học quốc tế về Cơ học đất - Nền móng họp lần thứnhất và sau đó cứ 4 năm họp một lần. Hội nghị Cơ học đất - Nền móng và các hộithảo khoa học liên quan cũng đợc tổ chức ở nhiều nớc và khu vực.Đến nay, Cơ học đất đÃ trở thành một môn khoa học víi nhiỊu néi dungphong phó, gåm nhiỊu lÜnh vùc kh¸c nhau nhằm đáp ứng sự phát triển mạnh mẽ củacông nghiệp, xây dựng.ở Việt Nam , Cơ học đất đợc bắt đầu nghiên cứu từ năm 1956. Đến nay độingũ những ngời làm công tác nghiên cứu Cơ học đất đÃ trởng thành cả về chấtlợng và số luợng, đủ sức giải quyết các bài toán đa dạng và phức tạp do thực tế xâydựng các công trình đề ra. Tuy vậy do điều kiện kinh tế và xÃ hội còn hạn chế nêntrang thiết bị chuyên nghành đầu t cha đầy đủ và đồng bộ, vì vậy việc phát triểnkiến thức và công nghệ về Cơ học đất cần đòi hỏi những nỗ lực lớn hơn. CHƯƠNG Ishare-connect.blogspot.comTrang 10chơng i: bản chất vật lý của đất và phân loại đấtĐ1. sự hình thành của đất1.1. Quá trình phong hóa:Sự phá hoại và làm thay đổi thành phần của đá gốc dới tác dụng vật lý, hóahọc của các yếu tố khác nhau gọi là quá trình phong hóa. Do tác dụng của phonghóa nên các khối đá của nham thạch quyển không thể giữ nguyên đợc trạng tháiban đầu của nó, mà luôn thay đổi, bị vỡ vụn, bị rời ra, bị các dòng nớc và gió cuốnđi, hình thành các lớp đất phủ quanh phần lớn mặt ngoài của vỏ quả đất. Do vậy, khisử dụng đất làm nền công trình, làm môi trờng, hoặc vật liệu xây dựng, cần phảixét đến sự biến đổi không ngừng xảy ra ở các lớp đất bên trên của vỏ quả đất.Dựa vào đặc trng biến đổi của đá gốc và sự ảnh hởng của các tác nhânphong hãa, cã thÓ chia ra phong hãa vËt lý, phong hóa hóa học và phong hóa sinhhọc. Trong đó, theo quan điểm về xây dựng, chỉ có phong hóa vật lý và phong hóahóa học là đáng đợc quan tâm nghiên cứu.Phong hoá vật lý: Sinh ra chủ yếu có liên quan với sự thay đổi của nhiệt độ,gây nên nở nhiệt không đều về thể tích, làm cho các đá gốc bị phá hoại và phân vụnra thành những hạt to nhỏ không đều nhau, nhng không làm thay đổi về thành phầnhóa học của khoáng vật. Do đó sản phẩm của phong hóa vật lý tạo ra các loại đất rời(đá dăm, cuội sỏi, các hạt cát, v.v ) có thành phần khoáng vật tơng tự với đá gốc.Phong hoá hoá học: Sinh ra là do các tác nhân nh nớc, ôxy, axit cacbonicvà các axit khác hòa tan trong nớc, làm cho các đá gốc bị phá hoại kèm theo sựthay đổi thành phần khoáng vật mới ổn định hơn, tạo ra các loại đất sét khác nhaucó kích thớc hạt nhỏ và cực kỳ nhỏ, phần lớn không phân biệt bằng mắt thờngđợc. Các nhóm hạt sét nhỏ này phần lớn chứa nhiều hạt đơn khoáng thuộc ba nhómkhoáng vật - Mônmôrilonit, Ilit và Kaolinit. Tất cả những khoáng chất này đều cócấu tạo tinh thể bản mỏng, nhng có năng lợng bề mặt khác nhau, Mônmôrilonithoạt động mạnh hơn cả và Kaolinit là yếu nhất.Thông thờng quá trình phong hóa vật lý và hóa học xảy ra cùng một lúc vàhỗ trợ cho nhau. ở vùng khí hậu khô lạnh thì phong hóa vật lý là chủ yếu, còn vùngkhí hậu nóng ẩm, nh nớc ta chẳng hạn, thì phong hóa hóa học đóng vai trò quantrọng hơn.Các sản phẩm cuối cùng của sự phong hóa có thể nằm ngay tại chỗ hìnhthành ban đầu của nó hoặc có thể bị di chuyển đi chỗ khác bởi dòng nớc hoặc gióvà tạo thành các dạng trầm tích của đất.1.2. Các dạng trầm tích của đất:- Trầm tích tàn tích (Eluvian) : Là trầm tích của những sản phẩm phong hóacác lớp đá và nằm ngay tại chỗ hình thành ban đầu của nó. Đặc điểm nổi bật là baogồm các hạt có dạng góc cạnh nhọn sắc không thể phân loại theo kích thớc hạt, vềthành phần thạch học nói chung rất giống đá gốc. ở nớc ta, do khí hậu nhiệt đớinên quá trình phong hóa hóa học xảy ra mÃnh liệt hơn và biến các loại đá gốc thànhcác loại đất sét có màu đỏ, nâu, vàng, thờng gọi là đất Laterit. Quá trình Laterit hóanày là quá trình hình thành đất chủ u ë n−íc ta.- TrÇm tÝch s−ên tÝch (Deliuvian) : Chủ yếu đợc tích lũy lại ở sờn dốc vàchân sờn dốc, cũng nh các khoảnh thấp sát đờng chia nớc. Trầm tích này đợctạo thành do nớc ma cuốn trôi các sản phẩm rời xốp của phong hóa từ nh÷ng vïng CHƯƠNG Ishare-connect.blogspot.comTrang 11cao hơn đa xuống. Đặc điểm gồm các loại đất rời rạc, các hạt đất nhỏ lẫn vớinhững hạt rất lớn, không ổn định, thờng hay bị trợt lở theo mặt lớp đá gốc bêndới, có bề dày của lớp đất rất không đồng đều.- Trầm tích bồi tích (Aluvian): Đó là tất cả các sản phẩm đợc tạo thành bằngmọi cách ở sông, hợp thành các trầm tích các thung lũng cổ, hiện đại và lòng sông.Đặc điểm của loại trầm tích này là có tính phân lớp theo quy luật về thành phần hạtcủa chúng, từ các lớp bên trên thờng là đất loại sét và cát mịn, đến các lớp bên dớithờng đợc cấu tạo bởi đất cát lẫn ít sỏi và cuội.- Trầm tích tam giác trâu và hồ sừng trâu: Đợc hình thành do sông mang vậtliệu đến và lắng đọng ở vùng cửa sông và các khúc sông chết. Trầm tích này đợcđặc trng bởi sự tồn tại các lớp bùn sét, bùn hữu cơ cha đợc nén chặt mấy, cátmịn, cát pha sét ... Các đất thuộc loại này thờng có độ dày và diện tích phân bố lớn,tạo thành một khối dẻo có tính nén lớn.- Trầm tích biển: Là sự tích lũy dới đáy biển các vật liệu do dòng nớcmang đến. Thành phần và tính chất của loại trầm tích biển này phụ thuộc rất nhiềuvào sự tồn tại các chất hữu cơ thực vật và động vật sống dới đáy biển. Trầm tíchnày chủ yếu là các đất sét và đất bùn phổ biến trên một diện tích rất rộng lớn vàđợc đặc trng bởi những tính chất rất khác nhau tùy theo tuổi và lịch sử hình thànhcủa chúng.Với sự mô tả tóm tắt các loại trầm tích ở trên, thì thấy rõ ràng các đất trongthiên nhiên rất khác nhau, và bản chất vật lý của chúng cực kỳ phức tạp. Từ quátrình hình thành của đất đến hoàn cảnh hiện tại của chúng, tất cả những yếu tố đó đÃtạo nên những tính chất độc đáo của các đất thiên nhiên.1.3 ảnh hởng của môi trờng địa - vật lý đến tính chất của đất.Với các vấn đề đÃ trình bày ở trên, có thể thấy rõ rằng môi trờng địa - vật lýcó ảnh hởng rất lớn đến sự hình thành của đất, nên khi nghiên cứu đất không thểtách rời những điều kiện lịch sử tự nhiên hình thành và tồn tại của đất đựơc.Chẳng hạn, tùy theo tuổi và toàn bộ lịch sử trớc đây của sự hình thànhchúng, các loại đất sét thiên nhiên có những tính chất rất khác nhau. Ví dụ: các đấtsét Cambri tuổi khoảng 500 triệu năm thì chắc chắn rằng, trong thời gian dài đó đÃchịu tác dụng của những áp lực lớn thay đổi, bị ép mất nớc trong từng bộ phận vàbị khô đi, v.v... Các đất sét này đÃ trải qua mọi quá trình hóa học và hóa - lý đÃ xảyra, ngay cả những quá trình xảy ra với những tốc độ rất nhỏ hoàn toàn không thểnhận biết đợc trong một khoảng thời gian tơng đối ngắn. Mặt khác, các quá trìnhdính kết cực kỳ chậm xảy ra trong một thời gian dài cũng có ảnh hởng đến kết cấuvà cơ cấu của đất loại sét đó. Tất cả các quá trình đó đÃ tạo nên tính chất hoàn toànđặc biệt của các đất sét Cambri so với các đất sét khác. Theo kết quả nghiên cứu thìcác đất sét này có thể coi nh vật liệu cứng nhớt đàn hồi, có khả năng chịu tải lớn.Trái với các đất sét Cambri, các loại đất sét (trầm tích biển, hồ, đầm) hiện đạithờng còn ít đợc nén chặt, chúng thờng có trạng thái nở nhÃo và có sức chịu tảikhông đáng kể.Đối với các đất cát cũng vậy, chúng phụ thuộc rất lớn vào điều kiện hìnhthành của chúng, có loại cát ở trạng thái rất chặt, có loại thì lại rời xốp, thậm chí cóloại cát ở trạng thái huyền phù dễ sinh hiện tợng cát chảy. CHƯƠNG Ishare-connect.blogspot.comTrang 12Do đó, khi nghiên cứu các đất thiên nhiên có xét đến tác dụng tơng hỗ củachúng với môi trờng xung quanh và sự biến đổi liên tục các tính chất của chúng, thìcần phải chú ý nhiều đến lịch sử của chúng, nghĩa là chú ý đến các điều kiện và diễnbiến của quá trình hình thành cũng nh hoàn cảnh địa - vật lý của sự hình thành đất.Quá trình "hóa đá" có một ý nghĩa quan trọng trong sự hình thành các tính chất mớicủa đất. Các hiện tợng tái kết hợp (sự nén chặt, sự dính kết) và kiến tạo (chủ yếu làsự trụt xuống của một phần vỏ quả đất) có thể tạo nên những điều kiện có khả nănglàm thay đổi thành phần và kết cấu của đất, hơn nữa, cùng với những áp lực và nhiệtđộ thích hợp, chúng có thể dẫn tới hiện tợng biến chất, nghĩa là thay đổi hoàn toàncác đá rời bằng cách kết dính lại, kết tinh lại các hạt khoáng vật của chúng đến khithành các đá khối liền.Do các tính chất của đất phụ thuộc rất nhiều vào những tác dụng của môitrờng xung quanh, nên trong Cơ học đất, khi chọn các sơ đồ tính toán cần phải xétđến hoàn cảnh tự nhiên mà đất tồn tại. Còn việc xác định các đặc trng tính toán củađất thì cần đảm bảo sao cho các mẫu đất thí nghiệm phản ánh đợc trạng thái tồn tạitự nhiên của nó. Để đáp ứng đợc yếu cầu trên, các mẫu đất dùng để thí ngiệm phảicố gắng làm sao đảm bảo cho kết cấu của nó ít bị phá hoại nhất.Đ2.Các thành phần cấu tạo của đất và tác dụng lẫnnhau giữa chúngNh trên đÃ trình bày, đất thiên niên là một vật thể phân tán bao phủ phần lớnbề mặt của vỏ quả đất. Do đó khi nghiên cứu các đất thiên nhiên cần phải chú ý rằngchúng là một hệ thống phức tạp, có tác dụng tơng hỗ lẫn nhau giữa các thành phầnrắn (cứng), lỏng và khí.Trong trạng thái tự nhiên, quan hệ giữa các nhóm hạt riêng rẽ có ý nghĩa cơbản và đặc biệt là sự có mặt của số lợng các hạt rắn nhỏ và cực kỳ nhỏ trong đất,chúng có diện tích bề mặt riêng lớn nhất và do đó có hoạt tính cao nhất.Trờng hợp tổng quát, đất gồm ba thành phần: Các hạt khoáng chất rắnthờng chiếm phần lớn thể tích của đất, thể lỏng chiếm một phần hay toàn bộkhoảng trống giữa các hạt rắn của đất và thành phần khí chiếm phần còn lại trongcác lỗ rỗng của đất, gồm chủ yếu là không khí. Các tính chất của những thành phầnnày, tỷ lệ số lợng giữa chúng trong đất, các tác dụng điện phân tử, hóa - lý, cơ họcvà các tác dụng tơng hỗ khác giữa các thành phần của đất quyết định bản chấtcủa đất.2.1. Thành phần rắn (cứng) của đất:Thành phần rắn của đất chủ yếu gồm các hạt khoáng vật nguyên sinh hoặcthứ sinh, thờng gọi là hạt đất, có kích thớc từ vài xentimet đến vài phần trăm,phần nghìn milimet. Các tính chất của đất phụ thuộc vào thành phần khoáng chấtcủa chúng.2.1.1. Thành phần khoáng của đất:Thành phần khoáng chất của đất phụ thuộc chủ yếu vào thành phần khoángcủa đá gốc và vào mức độ tác dụng của phong hoá đối với các đá gốc ấy. Tùy theomức độ tác dụng của phong hóa khác nhau, thành phần khoáng sẽ khác nhau, ngaycả khi do cùng một loại đá gốc sinh ra, do đó nó có ảnh hởng khác nhau đến tính CHƯƠNG Ishare-connect.blogspot.comTrang 13chất vật lý và cơ học của đất. Các khoáng vật tạo thành đất trong thiên nhiên có thểphân thành hai nhóm nh sau: Khoáng vật nguyên sinh và khoáng vật thứ sinh.Các khoáng vật nguyên sinh: Thờng gặp trong đất thiên nhiên là Fenpat,thạch anh và mica. Các hạt đất có chứa thành phần khoáng này thờng có kích thớclớn. Đối với các nhóm hạt lớn thờng ít khi khác nhau về tính chất cơ - lý củachúng, ngay cả những loại đất có lịch sử khác nhau, đồng thời thành phần khoángcũng không có ảnh hởng nhiều tới tính chất cơ - lý của chúng.Các khoáng vật thứ sinh: Chia thành hai loại khác nhau tùy theo tính chấthòa tan trong nớc. Trong số các khoáng vật thứ sinh không hòa tan trong nớc,thờng gặp nhiều nhất là Mônmôrilônit, Ilit và Kaolinit, các khoáng vật này còn gọilà khoáng vật sét, vì chúng là thành phần chủ yếu của các hạt sét (nhỏ hơn 0,005mmvà loại đặc biệt nhỏ hơn 0,002mm). Các khoáng vật này có cấu tạo kết cấu phân tửdạng tấm rõ rệt, nhng tính hoạt động keo bề mặt rất khác nhau. Đối với thạch anh,tính hoạt động keo bề mặt gần bằng không, đối với Kaolinit khoảng 0,4, đối với Ilitlà 0,9 và Mônmôrilonit từ 1,5 đến 7,2 tùy theo nó chứa ion canxi (Ca++) hay ionNatri (Na+). Tõ ®ã cã thĨ thấy rằng, thành phần khoáng chất của đất chỉ ảnh hởngchủ yếu đến các hạt đất nhỏ và cực nhỏ, vì rằng các hạt đất càng nhỏ thì tỷ diện tích(m2/g) của chúng càng lớn, do đó hoạt tính keo của khoáng vật đợc phát huy đầyđủ nhất, mà nh trên đÃ trình bày, hoạt tính keo của các loại khoáng vật khác nhauthì rất khác nhau, dẫn đến tính chất cơ - lý của đất cũng khác nhau.Các khoáng vật thứ sinh hòa tan trong nớc thờng gặp là: Canxit, micatrắng, thạch cao và muối mỏ,v.v...2.1.2. Thành phần hạt của đất:Trong tự nhiên đất do các hạt to nhỏ có thành phần khoáng vật khác nhau hợpthành. Kích thớc của các hạt thay đổi trong một phạm vi rất rộng lớn, từ hàng chục,hàng trăm xentimet nh các hòn đá tảng, cuội, đến vài phần trăm, vài phần nghìnmilimet nh hạt sét. Hạt đất càng nhỏ thì tỷ diện tích càng lớn, do đó năng lợngmặt ngoài càng lớn và tính chất của đất càng phức tạp. Còn đối với đất hạt to thì lỗrỗng giữa các hạt lớn, nên tính thấm nớc lớn hơn đất hạt nhỏ. Điều đó nói lên rấtnhiều tính chất cơ - lý của đất có liên quan đến thành phần hạt của đất. Tuy vậycũng cần lu ý rằng chúng ta không thể đánh giá một cách định lợng ảnh hởngcủa thành phần hạt đến tính chất của đất đợc, bởi vì tính chất của đất còn do nhiềuyếu tố phức tạp khác quyết định, hơn nữa tùy điều kiện cụ thể ảnh hởng của chúngcũng rất khác nhau.Khi nghiên cứu thành phần hạt của đất, trớc hết phải tiến hành phân tích hạtđất để phân chia tất cả các loại hạt có kích thớc các hạt khác nhau thành từngnhóm. Trong mỗi nhóm kích thớc có thể thay đổi trong một phạm vi nhất địnhnhng cơ bản chúng có những tính chất cơ - lý gần giống nhau. Mỗi nhóm nh vậygọi là nhóm hạt. Lợng chứa tơng đối của các nhóm hạt trong đất (Tính theo phầntrăm trong tổng khối lợng đất khô) gọi là thành phần hạt của đất hay còn gọi làthành phần cấp phối của đất.Hiện nay, tùy theo từng nớc và tùy theo mục đích sử dụng mà giới hạnđờng kính khi phân chia các nhóm hạt và tỷ lệ giữa các nhóm hạt khi phân loại đấtcũng có ít nhiều không hoàn toàn thống nhất. ở nớc ta, việc phân chia các nhómhạt theo mục đích xây dựng hiện nay thờng dùng bảng phân loại (I-1) sau đây: CHƯƠNG Ishare-connect.blogspot.comTrang 14Bảng (I - 1): Phân nhóm theo đờng kính hạtNhóm hạtPhânKích thớc hạtTính chất chungnhóm(mm)Lớn>800Đá lănVừa800 - 400đá hécNhá400 - 200RÊt lín200 - 100TÝnh thÊm lín, kh«ng dÝnh, độ dâng cao củaĐá dămLớn100 - 60cuộinớc mao dẫn rất nhỏ, không giữ đợc nớcVừa60 - 40Nhỏ40 - 20Thô20 - 10Sạn, sỏiVừa10 - 5Nhỏ5-2Dễ thấm nớc, không dính, độ dâng cao củaThô2 - 0,5nớc mao dẫn không lớn, gặp nớc không nởVừa0,5 - 0,25Hạt cátra, khi khô không co lại, rời rạc, không thểNhỏ0,25 - 0,05hiện tính dẻo, tính nén lún nhỏ.Tính thấm nhỏ, hơi dính khi ớt, nớc maoThô0,05 - 0,01Hạt bụidẫndâng lên tơng đối cao và nhanh, gặpNhỏ0,01 - 0,002nớc nở ra, khô không co nhiều.Hầu nh không thấm nớc, tác dụng của nớcmàng mỏng rõ rệt, lúc ẩm có tính dẻo, tínhHạt sét< 0,002dính lớn, gặp nớc nở ra nhiều, khô co lạinhiều, tính nén lún lớn.Thí nghiệm để phân chia các nhóm hạt đất gọi là thí nghiệm phân tích hạt,tùy theo kích thớc hạt to nhỏ mà kỹ thuật phân tích có khác nhau. Nói chung trongnhững phơng pháp phân tích thành phần hạt, chủ u chóng ta míi chØ dïng hailo¹i chÝnh nh− sau:- Phơng pháp dùng rây: Phơng pháp này dùng cho các loại đất hạt cát vàlớn hơn. Ngời ta dùng một hệ thống rây có đờng kính lỗ to nhỏ khác nhau, ®Ĩ tiƯncho viƯc sư dơng th−êng ng−êi ta dïng loại rây có đờng kính lỗ trùng với giới hạnđờng kính của các nhóm hạt đÃ phân chia nh trên. ở nớc ta dùng rây nhỏ nhất là0,1mm, còn ở Bắc Mỹ và một số nớc Tây Âu ngời ta đánh số rây theo số lợng lỗtrên một insơ vuông, rây nhỏ nhất là No200 tơng ứng với kích thớc mắt lỗ là0,074mm. Do nguyên nhân này 0,074 đợc các nớc trên xem là biên tiêu chuẩngiữa vật liệu hạt thô và hạt mịn.- Phơng pháp thuỷ lực: Phơng pháp này dựa trên cơ sở định luật Stokes,trong đó tốc độ của các hạt hình cầu lắng chìm trong môi trờng lỏng là hàm số củađờng kính và trọng lợng riêng của hạt đất. Trong số các phơng pháp thí nghiệmdựa trên nguyên lý này, ở nớc ta thờng dùng nhất là phơng pháp tỉ trọng kế,dùng để xác định thành phần hạt của đất hạt bụi và hạt sét. Nói chung phân tích hạtcủa đất sét là một vấn đề hết sức phức tạp, hiện nay còn nhiều vấn đề cha đợcnghiên cứu kỹ càng, chúng ta cần đặc biệt lu ý tới. Cách tiến hành cụ thể của từngphơng pháp có thể xem trong các tài liệu hớng dẫn thí nghiệm đất và các tài liệu share-connect.blogspot.comCHƯƠNG ITrang 15có liên quan. Nếu trong đất đồng thời có cả hai nhóm hạt đÃ nêu trên thì phải kếthợp cả hai phơng pháp thí nghiệm trên để xác định.Kết quả thí nghiệm phân tích hạt của đất đợc biểu thị bằng đờng cong cấpphối của đất, vẽ trên hệ trục tọa độ bán logarit, trong đó trục hoành biểu thị logaritcủa đờng kính hạt còn trục tung thì biểu thị lợng chứa phần trăm của những hạt cóđờng kính nhỏ hơn một đờng kính đÃ cho nào đó. Chẳng hạn theo kết quả phântích, biểu diễn bởi đờng cong cấp phối I của đất ở hình (I -1) thì lợng chứa hạt bụilà 72%, lợng chứa hạt cát 17% và lợng chứa hạt sét là 11%.Đá100% tảngHạt cuộiHạt sỏiHạt cátHạt sétHạt bụi100%Hạt cát83% (17%)B'I) D10=0,0046mmD60=0,041mmCu=9II) D10=0,17mmD60=0,40mmCu=2,3550100100BIIHạt bụi(72%)IA'101,0A0,10,0111%Hạt sét(11%)0,001(mm)Hình I - 1:Đờng cong tích lũy hạtĐờng cong cấp phối của đất đợc dùng để xác định tên gọi, đờng kính cóhiệu và hệ số không đồng đều của đất. Để xác định tên đất, sau khi vẽ đợc đờngcong cấp phối (đờng cong tích lũy hạt), cần tìm ra lợng chứa tơng đối của cácnhóm hạt cát, hạt bụi và hạt sét trong đất. Dựa vào kết quả đó và dùng các bảngphân loại đất (bảng I-5) để xác định tên của loại đất đang xét đồng thời làm cơ sởcho việc đánh giá các tính chất cơ - lý của nó.Hệ số không đồng đều đợc ký hiệu là Cu và đợc xác định theo công thức:Cu =D 60D10(I - 1)D10 là đờng kính mà những hạt bằng nó và nhỏ hơn nó chiếm 10%, còn D60là đờng kính mà những hạt có kích thớc bằng và nhỏ hơn nó chiếm 60% tổng khốilợng đất khô. Đối với loại đất trên hình (I -1) đờng kính này tơng ứng với điểm Bvà D60 = 0,041mm. Hệ số không đồng đều của một loại đất càng lớn, thì đất đó đợccấu tạo bởi các hạt có kích thớc càng không đều nhau, ngợc lại khi Cu càng nhỏthì đất càng đều hạt. Thông thờng trong thực tế hệ số không đồng đều chỉ áp dụngcho các loại đất rời. Các loại cát sỏi, cát thô và cát vừa, nếu có hệ số không đồngđều lớn hơn 3 thì đợc gọi là cát không đều, và đợc xem là có cấp phối tốt, vì lúcnày các lỗ rỗng giữa các hạt lớn đợc các hạt nhỏ xen kẽ và lấp kín, làm cho độ chặtcủa đất tăng lên và tính thấm giảm đi, đồng thời đất đó có tính lún nhỏ và khả năngchống cắt lớn khi chịu tác dụng của tải trọng ngoài.Nh phần trên đÃ trình bày, giữa kích thớc các hạt đất và thành phần khoángcủa chúng cã mèi liªn quan mËt thiÕt víi nhau. VÝ dơ : với những hạt có kích thớclớn hơn hạt cát thờng có thành phần khoáng giống với đá gốc, các hạt có kíchthớc của hạt cát thành phần khoáng vật của chúng thờng thuộc loại nguyên sinh,trong đó các hạt lớn thờng chứa các khoáng vật kém ổn định, dễ bị phá hủy dophong hóa gây nên nh Fenfát, Mica đen, v.v... Còn các hạt nhỏ thì phần lớn có CHƯƠNG Ishare-connect.blogspot.comTrang 16chứa khoáng vật ổn định, khó bị phong hóa nh thạch anh. Từ đó có thể thấy rằng,mặc dù cùng thuộc loại hạt cát, nhng đất gồm các hạt có kích thớc lớn nhỏ khácnhau thì dẫn đến những tính chất cơ - lý cũng khác nhau. Đối với các hạt sét thì chủyếu do khoáng vật thứ sinh tạo nên, trong đó có các hạt kích thớc tơng đối lớnthờng là những hạt khoáng vật loại Kaolinit, còn những hạt có kích thớc nh hạtkeo là những hạt khoáng vật loại Mônmôrilorit, những hạt có kích thớc trung bìnhgiữa hai loại trên thì thờng là những hạt khoáng vật loại Ilit.2.1.3. Hình dạng hạt đất:Hình dạng hạt đất rất khác nhau từ dạng hình cầu đến dạng tấm mỏng và hìnhkim, do đó mà tính chất của đất sẽ khác nhau khi hình dạng của các hạt khác nhau.Thông thờng các nhóm hạt có kích thớc lớn nh hạt cát trở lên thì có hìnhdạng tròn nhẵn hoặc sắc cạnh. Trong trờng hợp này hình dạng của hạt đất sẽ có ảnhhởng nhiều đến tính chất của đất, chẳng hạn trong nhóm các hạt cát gồm những hạtthạch anh có góc cạnh sắc nhọn, nhờ đó chúng có thể xen kẽ vào nhau để xắp xếpđợc chặt hơn so với nhóm các hạt có cùng kích thớc nhng có dạng tròn nhẵn.Đối với những nhóm hạt có kÝch th−íc nhá (nh− h¹t sÐt hay h¹t keo), b»ngkÝnh hiển vi điện tử ngời ta đÃ xác minh rằng hầu nh tất cả chúng đều có hìnhdạng bản tấm rõ rệt hoặc là trong những trờng hợp riêng có dạng hình kim phẳngdài. Trong trờng hợp này hình dạng của hạt đất ít làm ảnh hởng đến tính chất củađất mà tính chất của đất chỉ phụ thuộc chủ yếu vào thành phần khoáng của chúng.Nh trên đÃ trình bày, thành phần khoáng của các hạt đất lại có quan hệ mật thiếtvới mức độ phân tán của chúng, mức độ phân tán của đất khác nhau dẫn đến chúngcó tỷ lệ diện tích khác nhau.Theo kết quả phân tích các mẫu đất (Bảng I -2) các hạt thuộc nhóm hạt sét cótỷ diện tích rất lớn, do đó năng lợng mặt ngoài của chúng cũng rất lớn và tạo nêncho chúng nhiều tính chất riêng biệt khác.Bảng I -2 : Tỉ diện tích của các khoáng vật sétTên khoáng vậtMônmôrilonitIlitKaolinitTỉ số kích thớccác chiều100 ì 100 ì 120 × 20 × 110 × 10 × 1KÝch th−íc thùc tÕ tÝnh b»ng anstron(0,001µ)ChiỊu dµi vµ chiỊuChiỊu dµyréng1000 - 500010 - 51000 - 500050 - 5001000 - 20000100 - 1000TØ diƯn tÝch tÝnhb»ng m2/g8008010Theo b¶ng (I -2) cã thĨ thÊy rằng bề mặt (tỷ diện tích) của những nhóm hạtsét rất nhỏ (nh khoáng sét Mônmôrilonit) đạt tới vài trăm mét vuông trong mộtgam đất. Điều quan trọng cần phải chú ý nữa là các khoáng vật nhóm Mônmôrilonitkhông những chỉ có tỷ diện tích lớn mà còn có khả năng hấp thụ lớn nhất và tính nởmạnh nhất khi gặp nớc. Điều này có thể đợc giải thích bởi cấu trúc tinh thể củachúng.Trên hình (I -2) trình bày cấu tạo mạng lới tinh thể (kết cấu phần tử) củaKaolinit và Mônmôrilonit. Mạng tinh thể đơn vị của Kaolinit có năm lớp điện tử vớimạng lới tinh thể bất động.Vì giữa hai tinh thể đơn vị tiếp giáp nhau có liên kết chặt [giữa - 6(O) và+6(OH)] nên chúng khó tách rời nhau, làm cho Kaolinit ít nở khi gặp nớc. Còn CHƯƠNG Ishare-connect.blogspot.comTrang 17mạng tinh thể của Mônmôrilonit có bảy lớp điện tử và mạng lới tinh thể di độngđợc, vì lớp điện tử của hai tinh thể đơn vị gần nhau quay vào nhau là các điện tửcủa Ôxy có điện cùng dấu [giữa-6(O)và -6(O)] và giữa chúng có lực đẩy, nên chúngdễ bị tách rời nhau, cũng chính vì thế nên nó dễ để cho các phân tử của nớc chuivào giữa làm dÃn rộng các mạng lới tinh thể của Mônmôrilonit ra, làm cho hạtkhoáng vật này có tÝnh në lín khi gỈp n−íc.-6(O)-6(O)-6(O)+4(Si)+6(OH)4(Al)o7.2A9.3Ao+6(OH)Trủc b4O+2(HO)4(Al)4O+2(HO)Trủc cTrủc c4O+2(OH)+4(Si)-6(O)+4(Si)-6(O)Trủc ba) Kaolinita) MonmorilonitHình I - 2: Cấu tạo mạng tinh thể của Kaolinit và Mônmorilonit2.2. Thành phần nớc trong đất:Trong các đất thiên nhiên luôn luôn chứa một lợng nớc nhất định nào đó.Nớc là một thành phần có tác dụng rất chặt chẽ với các hạt đất, nhất là đối với cácloại đất hạt nhỏ và có chứa các chất hữu cơ. Do mối liên quan tác dụng tơng hỗ đóđÃ làm ảnh hởng rất lớn đến tính chất cơ - lý của đất. Tùy theo dạng tồn tại củanớc trong đất, nớc có tác dụng khác nhau và dẫn đến hình thành các tính chấtkhác nhau của đất, do đó cần phải phân loại nớc trong đất trớc khi nghiên cứu ảnhhởng của nó đến các tính chất của ®Êt.Tïy theo nhiƯm vơ, mơc ®Ých cơ thĨ cđa tõng ngành mà việc nghiên cứu nớctrong đất theo từng khía cạnh khác nhau. Theo quan điểm về xây dựng thì chủ yếunghiên cứu sự ảnh hởng của nớc đối với tính chất xây dựng của đất nền. Dựa vàoquan điểm này có thể phân loại nớc trong đất theo sơ đồ sau:Nớctrongđất- Nớc trong khoáng vật của hạt đất- Nớc kết hợp mặt ngoài hạt đất - Nớc hút bám- Nớc liên kết - Nớc liên kết mạnh- Nớc liên kÕt yÕu- N−íc tù do : - N−íc mao dÉn- Nớc trọng lực2.2.1. Nớc trong khoáng vật của hạt đất:Là loại nớc tồn tại ở những vị trí nhất định trong mạng tinh thể của khoángvật dới dạng ion (H+ và OH-) hoặc dới dạng phân tử (H2O). Nó chỉ có thể tách rakhỏi khoáng vật ở nhiệt độ cao (4000 - 5000), thùc ra nã lµ mét bé phËn của khoángvật loại nớc này ít ảnh hởng đến tính chất cơ - lý của đất, nên theo quan điểm xâydựng thì không có ý nghĩa quan trọng.2.2.2. Nớc kết hợp mặt ngoài hạt đất:Nớc kết hợp mặt ngoài hạt đất là loại nớc đợc giữ lại trên bề mặt hạt đấtdo tác dụng hóa học, hóa - lý và điện phân tử. Tính chất của loại nớc này khác hẳnvới nớc thông thờng, nó không chịu chi phối bởi trọng lực, và cũng không truyền CHƯƠNG Ishare-connect.blogspot.comTrang 18áp lực thủy tĩnh. Tùy theo mức độ bám chặt của nớc vào hạt đất, nớc kết hợp mặtngoài có thể phân ra nh sau:- Nớc hút bám : Là loại nớc bám rất chặt vào ngay mặt ngoài của hạt đất.Nó không có khả năng hòa tan các loại muối, không thể trực tiếp di chuyển từ hạtđất này sang hạt đất khác, tỷ trọng của loại nớc này lớn hơn 1 và có giá trị khoảng1,5. Lợng chứa nớc hút bám phụ thuộc vào từng loại đất, với đất cát là 0,5%, vớiđất sét pha là 5 ữ7% và đối với đất sét là 10 ữ 20%. Khi đất sét chỉ có nớc hút bámthì đất ở trạng thái rắn.- Nớc liên kết: Là loại nớc bao ở ngoài nớc hút bám và có thể phân rathành hai loại: nớc liên kết mạnh và nớc liên kết yếu.Nớc liên kết mạnh: Là nớc đợc giữ lại trong đất bởi các lực hút phân tử,nớc này ốp chặt vào đất, có khi dùng áp lực hàng chục kG/cm2 cũng không thể táchnó ra khỏi hạt đất đợc. Khi thành tạo nớc liên kết mạnh thờng thoát ra một lợngnhiệt khá lớn, bởi vì khi kết hợp các phần tử nớc bị hút chặt vào trên mặt hạt và mấtnăng lực hoạt động tự do, do đó động năng biến thành nhiệt năng phóng ra ngoài.Nó không chịu t¸c dơng cđa träng lùc, chØ khi nã hÊp thơ đầy đủ nhiệt năng thì nómới thoát khỏi ra khỏi mặt hạt ở trạng thái hơi nớc. Vì vậy nớc liên kết mạnh cónhững tính chất khác hẳn nớc thông thờng, tỷ trọng của nó từ 1,2 đến 1,5. Độ ẩmtơng ứng với bề dày lớn nhất của nớc hút bám và nớc liên kết mạnh gọi là độ ẩmphân tử tối đa. Nớc liên kết mạnh có thể chuyển từ hạt đất có bề dày màng nớclớn đến hạt đất có bề dày màng nớc nhỏ dới tác dụng của lực hút phân tử. Khitrong đất tồn tại (có mặt) nớc liên kết mạnh thì đất ở trạng thái nửa rắn và cha thểhiện tính dẻo.Nớc liên kết yếu: Là phần bọc ngoài cùng của nớc liên kết, chiếm phần chủyếu trong màng nớc liên kết. Khi thành tạo nớc liên kết yếu này không phát nhiệt,điều đó chứng tỏ rằng các phân tử nớc trong lớp này không bị mất quá nhiều độngnăng để biến thành nhiệt năng nh lúc thành tạo nớc liên kết mạnh. Nhng lực hútgiữa hạt đất và các phân tử nớc trong lớp nớc liên kết yếu cũng khá lớn, do đó nócũng có những tính chất khác hẳn nớc thông thờng. Tỷ trọng lớn hơn 1, càng ra xalớp nớc liên kết mạnh thì các phần tử nớc trong lớp nớc này sắp xếp càng ít sítchặt hơn. Vì vậy, các phần tư n−íc trong líp n−íc nµy cã thĨ di chun chậm chạptừ hạt này sang hạt kia mà không cần phải qua trạng thái hơi. Nớc liên kết yếukhông chịu tác dụng của trọng lực, nhiệt độ kết tinh nhỏ hơn 00C. Khi đất có chứaloại nớc này và nếu kết cấu của đất bị phá hoại thì đất sẽ thể hiện tính dẻo, nhngnếu ở trạng thái thiên nhiên thì dù đất có chứa nớc liên kết yếu, đất sét cũng khôngxuất hiện tính dẻo, V.A.Priklonxki gọi đó là trạng thái dẻo ngầm.2.2.3. Nớc tự do:Nớc tự do là loại nớc ở ngoài phạm vi tác dụng của lực điện phân tử củahạt đất do đó nó có thể chuyển dịch ở trạng thái lỏng dới tác dụng của ngoại lựcnh áp lực thủy tĩnh và áp lực mao dẫn và có thể phân thành nớc mao dẫn và n−ícträng lùc.- N−íc mao dÉn: N−íc mao dÉn lµ n−íc chiếm một phần hay toàn bộ lỗ rỗngcủa đất và có bề mặt giới hạn bởi các mặt khum. Khi đất cha bÃo hòa nớc, cácmặt khum của nớc tạo thành ở trong lòng đất, còn khi đất đÃ bÃo hòa nớc thì cácmặt khum tạo thành trên bề mặt mùc n−íc mao dÉn (H×nh I-3). CHƯƠNG Ishare-connect.blogspot.comTrang 19hkhhkTrong đất đất sét chiều cao mao dẫn có thểmỷt õỏỳtđạt tới vài mét (vì kích thớc lỗ rỗng nhỏ). Cộtq=o.hkmỷt khum loợmnớc mao dẫn có thể tạo ra một áp lực phụ cho đất.ồùi baợo hoaỡCòn trong đất cát, do kích thớc lỗ rỗng lớn nênmao dỏựnchiều cao mao dẫn nhỏ xem nh không đáng kể.PkTuy nhiên, khi các hạt đủ nhỏ, việc hình thànhMNNnhững mặt khum và do lực căng bề mặt làm chocác đất cát hạt nhỏ dờng nh có một độ dính nàomỷt chuỏứnđó khi ớt.a)b)- Nớc trọng lực: Nớc trọng lực là loạiHìnhI-3nớc tồn tại trong các lỗ rỗng của đất và có nhữngtính chất thông thờng của nớc ở trạng thái lỏng nói chung. Nớc này vận độngdới tác dụng của trọng lực. Theo quan điểm xây dựng, đối với loại nớc này chúngta cần lu ý xét đến các vấn đề sau: khả năng hòa tan và phân giải của nớc, ảnhhởng của áp lực thủy tĩnh đối với đất và ¶nh h−ëng cđa lùc thÊm do sù chun®éng cđa n−íc trong đất đối với tính ổn định của đất.2.3. Thành phần khí trong đất:Nếu các lỗ rỗng trong đất thiên nhiên mà không chứa đầy nớc, thì khí(thờng là không khí) sẽ chiếm chỗ trong các lỗ rỗng ấy. Căn cứ vào sự ảnh hởngcủa khí đối với tính chất cơ - lý của đất, thì có hai dạng khí cơ bản trong đất cầnphải xét đến là khí tự do và khí hòa tan trong nớc. Các khí tự do lại chia ra làm khíthông thơng với khí trời và khí không thông thơng với khí trời - gọi là khí kín.Thành phần của các khí ở trong đất có thể khác biệt rất nhiều so với khí trời,chẳng hạn nh trong đó các khí sinh ra trong quá trình sinh hóa (mêtan và những khíkhác) có thể đóng vai trò quan trọng, cũng nh trong đó có chứa nhiều ôxitcacboncó lẫn Sunfua và các khí khác mà các khí này không đáng kể trong không khí.Các khí thông thơng với khí trời có nhiệt độ và áp suất gần giống nhiệt độvà áp suất của không khí ở điểm đang xét. Khi có tác dụng của tải trọng ngoài lênđất thì các khí này dễ dàng thoát ra khỏi đất.Các khí kín (Khí không thông với khí trời) thờng gặp trong các đất dính, chủyếu là trong đất sÐt. Sù xt hiƯn cđa c¸c khÝ kÝn ë trong đất sét có liên quan tới kíchthớc to nhỏ khác nhau của các đờng lỗ rỗng chằng chịt phức tạp trong đất. Loạikhí kín này tồn tại trong các đờng lỗ rỗng của đất, ở trong tình trạng bị cách lykhông có khả năng vận động, thờng thấy khi có các màng nớc, cũng nh nớcmao dẫn và nớc tự do bất động choán một phần lỗ rỗng.Sự tồn tại khí kín trong đất dính có ảnh hởng lớn tới tính chất cơ học củađất, các bọc khí này sẽ làm giảm tính thấm của đất, làm tăng tính đàn hồi và có ảnhhởng tới quá trình nén lún của đất dới tác dụng của tải trọng ngoài.Khí hòa tan trong nớc, tùy theo thành phần hóa học có thể ảnh hởng khácnhau tới thành phần khoáng vật của đất. Một số khí tạo ra quá trình ôxy hóa, một sốkhác lại tạo ra quá trình cacbonat hóa đất, v.v... Khi nhiệt độ tăng lên và áp lực giảmđi, khí hòa tan trong nớc ở các lỗ rỗng tách ra và trở thành khí tự do, lúc đó xảy rasự phá hoại kết cấu của đất. Điều này cần đợc xét tới khi đào hố móng, và khi lấymẫu ở các lỗ khoan lên để phân tích các tính chất cơ học của đất trong phòng thínghiệm.2.4. Các tác dụng qua lại giữa các thành phần trong đất: CHƯƠNG Ishare-connect.blogspot.comTrang 202.4.1. Lực điện phân tử và vỏ hydrat của đất:Nh đÃ trình bày ở phần trớc, hạt đất có kích thớc càng nhỏ thì tỷ diện tíchcủa nó càng lớn và tới một mức độ phân tán nhất định nào đó của các hạt đất, thì cáclực điện phân tử (hoạt năng) trên bề mặt chúng sẽ thể hiện một cách mạnh mẽ, cáclực này sẽ quyết định bản chất tác dụng giữa các hạt khoáng vật với nhau, cũng nhgiữa chúng với môi trờng nớc. Nguyên nhân của sự hình thành các lực điện phântử này có thể giải thích nh sau:Mạng tinh thể của các khoáng vật sét đợc cấu tạo bởi các nguyên tử cácnguyên tè hãa häc, bè trÝ theo mét quy luËt nhÊt định nh hình (I -2). Phần lớnnguyên tử ở bên trong mạng lới tinh thể các hạt khoáng chất trung hòa, nghĩa làđiện dơng của hạt nhân trong chúng cân bằng với điện âm của các điện tử. Khi mộtnguyên tử trung hòa mất hay nhận thêm một hoặc một số điện tử, thì nó trở thànhmột ion mang điện dơng (cation) hay điện âm (anion). Nếu ở bên trong các hạtkhoáng vật các ion có điện tích khác dấu cân bằng, thì ngợc lại các điện tích tự dokhông đợc cân bằng bởi điện tích của các ion khác. Vì vậy mà hạt khoáng vật trởnên nh những vật mang điện. Theo tài liệu thí nghiệm cho thấy rằng đối với các hạtsét, điện tích trên mặt ngoài của chúng thờng là có dấu âm (rất ít khi mang dấudơng). Chính do trên bề mặt của hạt khoáng vật mang điện tích tự do nh vậy, nênkhi các hạt sét ở trong môi trờng nớc luôn luôn có xảy ra các tác dụng tơng hỗvật lý và hóa học nhất định và tạo thành hoạt tính hoạt động bề mặt của chúng.Cờng độ điện tích bề mặt của các hạt chủ yếu phụ thuộc vào thành phần khoáng vàmức độ phân tán của hạt. Nếu có các hạt khoáng của một chất bất kỳ nhỏ, đến mứcđộ tính hoạt động của nó có ảnh hởng căn bản đến các tính chất cơ - lý của chúng,thì ngời ta nói rằng chất đó ở trạng thái keo, và hoạt tính bề mặt gọi là hoạt tínhkeo. Kích thớc các hạt keo đất thay đổi trong khoảng từ 1 ữ 0,1micron, khả năngcủa các hạt chuyển động Brao (do các sức đẩy phân tử tạo ra) và khả năng đông tụtrong nớc khi có chất điện giải là những tính chất keo điển hình.Hoạt tính bề mặt của các hạt khoáng chất thể hiện rất rõ qua các tác dụngtơng hỗ của chúng đối với các phân tử nớc. Nh đÃ biết, nớc gồm những phân tửlỡng cực, một bên là ion hyđrô (H+) mang điện dơng và một bên là ion (OH-)mang điện âm. Vì thế khi nằm trong điện trờng do các hạt khoáng vật sét tạo ra, thìcác phân tử nớc lỡng cực đều bị hút về phía hạt sét và đợc sắp xếp có định hớngtrong điện trờng, hình thành màng nớc kết hợp mặt ngoài hạt đất nh trên đÃ trìnhbày.Lực hút điện phân tử của các hạt khoáng chỉ có tác dụng mạnh trong mộtphạm vi nhất định gần mặt hạt đất. Trị số của các lực này xác định theo cấu tạo phântử của hạt, ở gần bề mặt của hạt khoáng vật thì nó rất lớn, nhng xa dần mặt hạt đấtnó giảm rất nhanh cho đến bằng không. Phạm vi tác dụng của các lực điện phân tửcũng phụ thuộc vào thành phần nớc trong đất và theo tài liệu của Gôtbe các lựcđiện phân tử có tác dụng trong khoảng từ vài lớp đến vài chục lớp phân tử nớc,chiều dày chung của lớp này theo Đêriaghin là nhỏ hơn 0,1à. share-connect.blogspot.comTrang 21Các phân tử nớc đợc hấp thụ vào bề mặt các hạt khoáng vật, đến lợt nó lạihút các lớp khác tạo thành lớp vỏ hyđrat bao quanh các hạt khoáng vật và có ảnhhởng lớn đến các tính chất cơ - lý của đất.Trên hình (I-4) có trình a)b)bày sơ đồ tác dụng tơng hỗcủa các lực điện phân tử trênbiên phân cách hạt rắn vớinớc, cũng nh sơ đồ của sựliên kết (định hớng) của cácphân tử nớc trong điệntrờng của hạt đất.Haỷt õỏỳtNhững lớp phân tử tiếpxúc trực tiếp với bề mặt cáchạt khoáng vật chịu những lựckéo mạnh nhất, cho nên nồngNổồùc huùt baùmđộ các phân tử nớc và ion làNổồùc lión kóỳt maỷnhlớn nhất và chúng rất khó diNổồùc lión kóỳt yóỳuđộng. Ra xa dần, các lực điệnc)phân từ giảm nhanh nên nồngđộ và ion giảm xuống vàchúng càng có tính di độngKhoaớng caùchlớn. Cho đến một khoảng cáchHình I-4:a)Sơ đồ bố trí các phân tử nớc trong điện trờng củanào đó thì các phân tử nớchạt đấtcũng sẽ không định hớng vàb) Sơ đồ bố trí các phân tử nớc xung quanh hạt đấtở trạng thái tự do đối với cácc) Quan hệ giữa lực hút điện phân tử và khoảng cáchlực bề mặt. Trên hình (I -4) cókể từ mặt khoáng vậttrình bày sơ lợc biểu đồ biếnđổi của các lực điện phân tử tùy theo khoảng cách đến bề mặt hạt đất. từ sơ đồ nàycó thể nhận xét rằng, trị số của lực điện phân tử giảm nhanh theo độ tăng củakhoảng cách, chừng mời micron các lực này có trị số không đáng kể, không vợtquá trọng lực của các hạt phân bố. Từ đó có thể thấy rằng trạng thái của nớc trongđất có quan hệ chặt chẽ với lực hút điện phân tử của hạt đất và đó cũng chính là cơsở để phân loại nớc trong đất đÃ đợc trình bày ở phần trên.Độ dày của nớc kết hợp mặt ngoài (nớc màng mỏng) có ảnh hởng rất lớnđến tính chất của đất sét. Vì vậy, nắm đợc các nhân tố ảnh hởng đến độ dày củalớp nớc này tức là nắm đợc quy luật biến đổi tính chất cơ - lý của đất, đây là métvÊn ®Ị quan träng cã ý nghÜa thùc tÕ lín. Chúng ta đÃ biết rằng, bất cứ một hạt sétnào khi tác dụng với nớc đều sinh ra tầng điện kép (hay gọi là lớp lỡng điện), tuycách thành tạo tầng điện kép có khác nhau tùy từng loại khoáng vật và môi trờngnớc xung quanh. Điện thế nhiệt động và điện thế điện động cũng thay đổi tùy theothành phần khoáng vật, thành phần và nồng độ ion cũng nh độ pH của môi trờng.Vì vậy đó cũng là những nguyên nhân chủ yếu ảnh hởng đến độ dày của lớp nớcmàng mỏng. Chẳng hạn khi các cation nằm trong phạm vi lớp nớc màng mỏng,cùng với bề mặt hạt đất mang điện tích âm tạo thành tầng điện kép. Điện thế lớnnhất (Nhiệt động lực ) là ở các Cation cố định của hạt khoáng, sự hạ thấp (giảmdần) điện thế theo chiều này lớp nớc màng mỏng đến mức điện thế ở dung dịchLổỷc õióỷn phỏn tổớCHƯƠNG I CHƯƠNG Ishare-connect.blogspot.comTrang 22nớc tự do thì tơng ứng với thế điện động (gọi là thế năng điện động ). Có thểthấy rằng thế năng điện động càng lớn thì bề dày lớp nớc màng mỏng cũng cànglớn. mặt khác, vì chịu sức hút của lực điện phân tử, nên lớp nớc màng mỏng có tínhnhớt lớn hơn nớc thông thờng.Khi khoảng cách ac của hai hạt đất (hình I -5) nhỏ hơn tổng số bán kính ảnhhởng của lực hút điện phân tử ad & cd thì nớc trong phạm vi edfb đồng thời phảichịu ảnh hởng lực hút điện phân tử của cả hai hạt, do đó tính nhớt của nó tơng đốilớn.Khoảng cách giữa hai hạt càng nhỏ thì rõ ràngtính nhớt của nớc màng mỏng giữa hai hạt càng lớnhaỷtvà các hạt càng khó bị xê dịch. Ngợc lại, bề dàya d b c haỷtõỏỳtõỏỳtnớc màng mỏng càng lớn, thì khoảng cách giữa cáchạt càng lớn, thì tính nhớt của nớc màng mỏng giữahai hạt càng nhỏ, và các hạt càng dễ dàng bị xê dịchlẫn nhau. Lý luận nớc màng mỏng này hiện nayHình I-5đợc dùng khá rộng rÃi để giải thích một số tính chấtđặc biệt của đất dính nh độ đặc, tính dính, tính co, tính đầm chặt .v.v...Bề dày nớc màng mỏng còn phụ thuộc vào nồng độ ion trong dung dịch(môi trờng xung quanh) và vào tính a nớc của hạt khoáng. Nồng độ ion trongdung dịch lớn thì điện thế điện động giảm xuống, do đó bề dày của nớc màngmỏng cũng giảm và ngợc lại. Đối với tính a nớc của hạt khoáng, thì nh thực tếđÃ cho thấy ¶nh h−ëng cđa u tè nµy thĨ hiƯn râ rƯt ở các đất sét thuộc loạiMônmrilonit có khả năng hút nớc lớn còn ở các đất sét thuộc loại Kaolinit ít hútnớc thì nó thể hiện không rõ rệt.Do nớc màng mỏng chịu ảnh hởng của lực hút điện phân tử, nên không thểdùng phơng pháp thoát nớc thông thờng (trọng lực) để rút nớc đó ra đợc.Nhng nếu có tác dụng của điện trờng, chẳng hạn nh khi cắm các cực điện dơngvà âm vào trong đất sét và cho dòng điện chạy qua, thì lúc đó sẽ xuất hiện hiệntợng "vẫn điện" và "thấm điện" làm cho các hạt đất cùng với lớp nớc hút bámxung quanh mang điện tích âm chuyển dịch về phía cực dơng của điện trờng "vẫnđiện còn nớc màng gồm những cation thì chuyển về cực âm "thấm điện". Nếu tạicực âm bố trí thiết bị hút nớc thì có thể rút nớc đó đi đợc. Nguyên lý "thấmđiện", thoát nớc này trong thực tế thờng đợc dùng để rút nớc lỗ rỗng, và do đólàm tăng cờng độ chịu lực của các tầng đất khó thấm nh các tầng đất sét yếu.2.4.2. Sự trao đổi ion trong đất:Để thấy rõ đợc tác dụng của sự trao đổi ion trong đất, cần phải xét đến khảnăng hấp thụ của đất đối với các chất cứng, lỏng và khí khác nhau, các ion, phân tửvà các hạt keo từ môi trờng xung quanh. Sự hấp thụ trong đất, đặc biệt là trong đấtsét, có bản chất phức tạp và thờng gồm một số quá trình diễn biến đồng thời.K.K.Geđroytx (1933) đề nghị phân biệt năm dạng hấp thụ: cơ học, vật lý, hóa - lý,hóa học và sinh học. Nhng dạng hấp thụ quan trọng hơn cả là hấp thụ hóa - lý hoặccòn gọi là khả năng trao đổi ion. Chính khả năng này đÃ làm ảnh hởng nhiều đếntính chất của đất.Nớc chứa trong các lỗ rỗng của đất ít nhiều đều có hòa tan các loại muốikhác nhau, nên khi tiếp xúc với các hạt khoáng vật sẽ xảy ra hiện tợng: Các cation CHƯƠNG Ishare-connect.blogspot.comTrang 23bị hấp thụ ra khỏi dung dịch tham gia hóa hợp với thành phần khoáng của đất, thayvào chỗ chúng có một số lợng tơng đơng các cation khác từ lớp khuyếch tán củathành phần khoáng vật chuyển sang dung dịch. Giữa các cation của lớp khuyếch tánthuộc thành phần khoáng vật của đất và các cation của dung dịch bao giờ cũng có sựHấp thụ trao đổi chất. Khi trao đổi ion, thì trên bề mặt hạt khoáng vật của đất cónhiều biến đổi mạnh mẽ và dẫn đến ảnh hởng các tính chất của đất nh là tínhthấm, tính dẻo, lực mao dẫn, v.v...Trong điều kiện tự nhiên, ở trạng thái trao đổi ion trong đất sét gặp chủ yếu làcác Cation: H+, K+, Na+, Ca++, Mg++, ít hơn là Fe3+, Al3+ ít hơn nữa là một số anioncủa các axít fôtphoric, Silicic, cacbonic và các axit khác. Trong đó riêng hai cationCa++ và Na+ thờng có chứa trong các đất dính nhiều hơn cả.Các nhân tố ảnh hởng đến khả năng trao đổi ion của đất bao gồm thànhphần khoáng, mức độ phân tán, đặc ®iĨm kiÕn tróc cđa h¹t ®Êt, nång ®é cđa chÊt®iƯn giải trong dung dịch, trị số pH của dung dịch và tính chất của ion trao đổi.Khả năng trao đổi của các khoáng vật thứ sinh mạnh hơn ở các khoáng vậtnguyên sinh, đồng thời trong các khoáng vật thứ sinh, riêng loại các mạng tinh thểkém vững chắc nh Mônmôrilonit lại có khả năng trao đổi mạnh so với loại có mạngtinh thể bất động nh Kaolinit. Trong cùng một loại khoáng vật thì mức độ phân táncàng lớn thì khả năng trao đổi càng mạnh, vì lúc đó năng lợng mặt ngoài lớn. Nếuđất đÃ bị phá hoại kết cấu thiên nhiên thì khả năng trao đổi càng mạnh, lúc này cácliên kết giữa các hạt bị phá hỏng.Về phía dung dịch trong đất mà xét, thì khi trị số pH giảm nhỏ, nồng độcation H+ sẽ tăng lên làm cho các cation khác khó xâm nhập vào trong màng nớc,do đó khả năng trao đổi của đất đối với các cation này sẽ bị giảm đi.Thực nghiệm còn cho biết rằng, nồng độ chất điện giải trong dung dịch tănglên thì khả năng trao đổi ion cũng tăng. Ngoài ra, trừ cation H+, còn đối với cáccation khác, khi hóa trị càng lớn thì khả năng trao đổi ion cũng sẽ mạnh lên, đồngthời trong các cation cùng hóa trị thì khả năng trao đổi tăng lên cùng với sự tăng củabán kính ion. Vì vậy có thể sắp xếp các cation theo trình tự từ trao ®ỉi m¹nh ®Õn trao®ỉi u nh− sau: Al+++> H+>Ca++>Mg++>K+>Na+.Sù trao ®ỉi ion trong ®Êt cã ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn các tính chất cơ - lý củaloại đất sét. Biết đợc sức chứa hấp thụ của đất và thành phần ion bị hấp thụ, có thểphán đoán gần đúng về tính chất của đất và những biến đổi có thể cđa chóng khithay ®ỉi ®iỊu kiƯn hãa - lý. Tuy vậy hiện nay chỉ mới đặc trng đợc ảnh hởng nàymột cách định tính, vẫn còn cha thiết lập đợc quan hệ định lợng giữa tính chấtcủa đất với thành phần cation bị hấp thụ. Chẳng hạn, sét Mônmôrilôni chứa Natridới dạng cation trao đổi (bị hấp thụ) có thể hấp thụ nớc hai ba lần lớn hơn so vớisét nh vậy chứa Canxi. Sét Mônmôrilônit Natri có tính trơng nở, tính nén lún, độdẻo lớn hơn nhiều, độ bền bé hơn nhiều, độ thấm nớc bé hơn so với sétMônmôrilônit Canxi. Ngoài ra dựa vào sự trao đổi ion trong đất, ngời ta có thể cảitạo đợc một số tÝnh chÊt cđa ®Êt nỊn nh»m phơc vơ cho viƯc xây dựng các côngtrình đợc an toàn và rẻ tiền. VÝ dơ, nÕu ®Êt sÐt hÊp thơ nhiỊu ion Na+ và Ca++, thìtính hút nớc, tính dẻo, và tính nén lún của nó khá lớn. Để giảm các tính chất ấyngời ta cho một dòng điện một chiều chạy qua đất mà cực dơng của nó cấu tạobằng Al. Bởi vì cation Al+++ sẽ đẩy các cation Ca++ và Na++ ra ngoài và hấp thụ vàođất, làm cho đất có tính hút nớc và tính nén lún giảm đi rất nhiÒu. CHƯƠNG Ishare-connect.blogspot.comTrang 24Đ3. Cơ cấu và kết cấu của đất:Thành phần rắn (cứng) của đất là một tập hợp gồm các hạt to nhỏ khác nhau,các tính chất của đất không những phụ thuộc vào thành phần của đất mà còn phụthuộc vào hình thức tồn tại của đất nh cách sắp xếp các hạt, mối liên kết giữa cáchạt, v.v.... Cũng nh giữa các tập hợp tạo thành đất, tức là phụ thuộc vào cơ cấu vàkết cấu của ®Êt.3.1. KÕt cÊu cđa ®Êt:KÕt cÊu cđa ®Êt lµ sù sắp xếp có tính quy luật của các hạt hoặc các đám hạtđất có độ lớn và hình dạng khác nhau trong quá trình trầm tích. Kết cấu của các đấtthiên nhiên là yếu tố quan trọng nhất, xác định các tính chất cơ - lý của đất nh lànền và môi trờng để xây dựng công trình, vì nó xác định độ bền và tính biến dạngcủa đất dới tác dụng của các lực ngoài.Các lực điện phân tử tác dụng giữa các giữa các hạt khoáng vật, các lực tácdụng giữa hạt và nớc cũng nh tỷ số của chúng với trọng lợng hạt có ý nghĩa quantrọng khi tạo thành kết cấu của đất thiên nhiên. Các tính chất của môi trờng lắngđọng có ảnh hởng cơ bản đến kết cấu tạo thành của các khoáng chất chìm lắng vàrõ ràng lúc này, kích thớc cũng nh hình dạng và thành phần khoáng vật của cáchạt đất chìm lắng đều có ý nghĩa quan trọng.Dựa trên cơ sở thành tạo và sự ảnh hởng của nó đến tính chất của đất thiênnhiên, ngời ta thờng phân tích kết cấu của đất ra làm ba loại cơ bản, bao gồm kếtcấu hạt đơn, kết cấu tổ ong và kết cấu bông.3.1.1. Kết cấu hạt đơn:Hình thành do sự chìm lắng tự do của các hạt tơng đối thô (lớn hơn0,05mm) trong môi trờng nớc. Trong trờng hợp này, trọng lợng của hạt lớn hơnlực hút giữa chúng nên chúng đợc sắp xếp theo cách hạt nọ dựa vào hạt kia (hình I-6). Với loại kết cấu hạt đơn này thờng thấy trong các loại đất cát tơng đối thô,đất cát, sỏi cuội.Đối với các đất cát, thì trong loại kết cấu đơn này có thể phân biệt thành hailoại hạt khác nhau là kết cấu rời xốp và kết cấu chặt. ở các đất cát có kết cấu rời xốpthì các hạt ở trạng thái không ổn định, đồng thời giữa các hạt có khi có các lỗ rỗngtơng đối lớn, vợt quá kích thớc của chúng. ở các đất cát có kết cấu chặt thì tìnhhình xảy ra ngợc lại. Nh trên ta đÃ biết kết cấu của đất có quan hệ mật thiết vớiđiều kiện trầm tích và độ lớn của cỡ hạt, do đó mà trong thiên nhiên ít gặp loại kếtcấu chặt ở các hạt nhỏ, mà gặp nhiều ở các loại hạt to.3.1.2. Kết cấu tổ ong:Hình thành do sự lắng chìm tự do của các hạt tơng đối nhỏ trong nớc dotrọng lợng các hạt không thắng nổi lực hút phân tử giữa chúng nên chúng khôngthể tiếp tục chìm xuống mà lắng đọng lại ở ngay chỗ đầu tiên chúng chạm đến lớptrầm tích, do đó tạo thành kết cấu tổ ong. Với dạng kết cấu này, các hạt đất ở trạngthái không ổn định. ( Hình I-6b)3.1.2. Kết cấu bông:Nếu các hạt khoáng vật lắng chìm trong nớc có kích thớc của hạt keo thìchúng sẽ phát sinh chuyển động Brao và chúng sẽ ở trạng thái huyền phù một thờigian lâu. Nếu thêm vào hỗn hợp một chất điện giải (Ca2Cl, hoặc là chất khác) thì lực CHƯƠNG Ishare-connect.blogspot.comTrang 25đẩy giữa các hạt giảm đi và các hạt có khả năng xích gần lại, rồi liên kết với nhauthành các đám hạt để hình thành kết cấu bông nh hình (I - 6c). Loại kết cấu này rấtkhông ổn định và thờng gặp trong trầm tích biển.Đất trong thiên nhiên do các hạt lớn nhỏ khác nhau tạo thành, vì vậy kết cấucủa đất không đơn giản nh các kết cấu cơ bản nói trên. Thông thờng trong cùngmột loại đất có thể gặp cả hai hoặc ba loại kết cấu đó.Trong quá trình tạo thành và tồn tại kết cấu, trong đất và nhất là trong các đấtsét hình thành ra các liên kết nội tại, gắn liền các hạt hoặc các đám hạt khác nhaugọi là liên kết kết cấuSự có mặt của các liên kÕt kÕt cÊu trong ®Êt, ®é cøng cđa chóng, søc bền vàtính đàn hồi của chúng là những yếu tố quan trọng xác định phẩm chất của đất vànền đất dới các công trình.Các liên kết kết cấu hoặc là xuất hiện khi các hạt chìm lắng trong nớc hoặclà hình thành trong quá trình tồn tại. Dựa theo thời gian xuất hiện mà các liên kết kếtcấu phân biệt ra là liên kết nguyên sinh (sơ cấp) và liên kết thứ sinh (thứ cấp).Liên kết nguyên sinh tạo ra bởi các lực phân tử tác dụng tơng hỗ giữa cáchạt khoáng vật cũng nh giữa các hạt khoáng vật với nớc. Đặc điểm của liên kếtnày thờng là có tính đàn hồi và tính dẻo nhớt.Liên kết thứ sinh xuất hiện do kết quả của sự già đi của các hạt keo, sự kếtdính lại của chúng và do những quá trình kết dính của các muối hòa tan trong nớc.Đôi khi các liên kết thứ sinh gọi là các liên kết gia cờng (Theo N.Ia.Đênhixốp).Các liên kết cứng của đất đều thuộc liên kết này. Đặc điểm của chúng là có tínhcứng chỉ bị phá hoại khi các hạt có một chuyển vị tơng đối với độ lớn nhất định.Khác với các liên kết nguyên sinh, các liên kết thứ sinh bị phá hoại theo dạng gÃydòn và một khi đÃ bị phá hoại thì không thể phục hồi lại đợc.Chúng ta cần lu ý rằng, dù thuộc loại liên kết nguyên sinh hay thứ sinh, cácliên kết trong ®Êt ®Ịu cã c−êng ®é kÐm xa c−êng ®é của bản thân hạt đất. Chínhđiều này cùng với đặc điểm của đất là một môi trờng rời, làm cho đất khác hẳn cácloại vật liệu liên tục về mặt tính chất cơ - lý của chúng.Nh trên đÃ trình bày, kết cấu của đất ảnh hởng rất lớn đến tính chất cơ - lýcủa đất, cho nên để đảm bảo có những số liệu phản ảnh đúng tình hình tự nhiên củađất, các thí nghiệm đất phải đợc tiến hành với các mẫu đất không bị phá hoại kếtcấu tự nhiên. Tuy nhiên, vì hạn chế về mặt kỹ tht lÊy mÉu cịng nh− do tÝnh chÊtcđa c«ng viƯc thí nghiệm, nên các mẫu thí nghiệm ở trong phòng hầu nh đều bị pháhoại kết cấu ít hay nhiều, do đó kết quả nghiên cứu các tính chất của đất ở trongphòng thí nghiệm có hạn chế về mức độ chính xác. Chính vì vậy, nên hiện nay ngờita đang đặt ra phơng hớng cần áp dụng nhiều các phơng pháp thí nghiệm trựctiếp ở ngoài hiện trờng thì mới mang lại kết quả chính xác, phản ánh đúng thực tếđiều kiện làm việc của đất thiên nhiên.3.2. Cơ cấu của đất:Cơ cấu của đất là tập hợp tất cả những đặc điểm đặc trng cho tính khôngđồng bộ nhất trong sự phân bố các yếu tố kết cấu và cơ học của nó trong các lớp đất.Trong quá trình hình thành của nó, cơ cấu của đất chịu tác động của những điềukiện hình thành các trầm tích đất, chẳng hạn nh tính tuần hoàn khi chìm lắng cáchạt trong nớc chảy và nớc nằm yên cũng nh chịu tác động của những biến đổisau đó về phơng và trị số của áp lực bên ngoài, làm cho các lớp đất bị uốn cong CHƯƠNG Ishare-connect.blogspot.comTrang 26hoặc hình thành dạng phiến. Ngời ta thờng chia Cơ cấu của đất thành những dạngcơ bản sau đây:3.2.1. Cơ cấu lớp: Là loại cơ cấu phổ biến nhất và thể hiện rõ rệt trong các trầm tíchlòng sông, đầm, hồ và biển cạn nớc, bao gồm các lớp cát, sét xen kẽ nhau, tùy sựtồn tại và cách sắp xếp ngời ta có thể phân biệt thành cơ cấu lớp ngang và cơ cấulớp nghiêng. Cơ cấu lớp của các đất có biểu hiện rõ rệt và toàn bộ tính đa dạng củanó làm cho các đất không đẳng hớng, nghĩa là các tính chất cơ - lý của những đấtấy (chẳng hạn nh tính thấm, sức chống cắt, tính đàn hồi, v.v...) sẽ rất khác nhautheo các hớng khác nhau.3.2.2. Cơ cấu Pocphia: Thể hiện ở các loại trầm tích mảnh lớn, bao gồm các hạt thô(sỏi, sạn ,cát) và các hạt sét phân tán đều tham gia vào sức bền toàn phần chống cáctác dụng của các lực ngoài, nhng các tính chất nh là tính nén lún, tính thấm, sứcchống cắt, tính đàn hồi của đất sẽ chủ yếu phụ thuộc vào các tính chất của vật liệuphân tán nhỏ có những mảnh đá thô nằm trong đó.3.2.3. Cơ cấu liền: Thờng gặp ở các loại đất sét và đất bùn cổ trong quá trình địachất đÃ chịu những áp lực lớn, cũng nh một số đất hoàng thổ và sét pha hoàng thổcha nén chặt nhng dính kết bằng các muối.Vì cơ cấu của đất có ảnh hởng rất lớn tới tính chất cơ - lý của nó nên khithăm dò và thiết kế cần phải chú ý đến yếu tố này một cách thích đáng. Hình (I -7)sẽ giới thiệu các loại cơ cấu bản của đất.a) Kóỳt cỏỳu õồna) Kóỳt cỏỳu tọứ onga) Kóỳt cỏỳu bọngHình I-6:Các dạng kết cấu của ®Êta) Daûng cå cáúu låïp b) Daûng cå cáúu pocphia c) Daỷng cồ cỏỳu lióửnHình I-7: Các dạng cơ cấu cđa ®Êt share-connect.blogspot.comCHƯƠNG ITrang 27QhVhQVQnQkVn VkVrĐ.4. Các chỉ tiêu vật lý của đấtThông thờng đất có ba thành phần tạo nên là rắn - lỏng - khí. Trong tựnhiên tỷ lệ giữa ba thành phần này thay đổi rất nhiều, đặc biệt là thành phần nớc,có khi chứa đầy trong các lỗ rỗng của đất. Tỷ lệ giữa ba thành phần này thay đổi thìtrạng thái vật lý cũng thay đổi theo. Tỷ lệ phân phối về trọng lợng và thể tích củaba thành phần trong đất gọi chung là các chỉ tiêu tính chất vật lý của đất.Trong công tác xây dựng, để đánh giá đợc tính chất và khả năng chịu lựccủa đất, ngời ta phải dựa vào các chỉ tiêu vật lý và cơ học của nó. Những chỉ tiêu cơhọc (tính nén lún, tính chống cắt, v.v...) của đất sẽ đợc trình bày trong các chơngcó liên quan với chỉ tiêu này, ở đây chỉ trình bày các chỉ tiêu vật lý của đất.Việc xác định trị số các chỉ tiêu vật lý của đất là một vấn đề rất quan trọng, vìnó đợc dùng rộng rÃi trong tính toán thiết kế công trình. Tùy theo từng loại đất, tùytheo nguyên nhân tạo thành và điều kiện tồn tại của đất mà các chỉ tiêu vật lý củacác loại đất rất khác nhau. Trong các chỉ tiêu vật lý của đất, có loại thì phải trực tiếplàm thí nghiệm mới xác định đợc - gọi là các chỉ tiêu xác định bằng thí nghiệm, cóloại thì có thể tính toán từ các chỉ tiêu thí nghiệm mà ra - gọi là các chỉ tiêu tínhtoán, ngoài ra trong các chỉ tiêu này có những chỉ tiêu dùng để đánh giá (hay xácđịnh) trạng thái của đất, ta có thể đa về một nhóm gọi là các chỉ tiêu xác định trạngthái của đất.Để tiện cho việc nghiên cứu các chỉ tiêu vật lý của đất, ta cùng thống nhấtdùng các sơ đồ quy ớc trên hình (I - 8) và các ký hiệu sau đây:VK, Vn, Vh, Vr,V: Là thể tích khí, nớc, hạt rắn, lỗ rỗng, và thể tích của toànbộ mẫu đất đó; Qn , Qh, và Q: là trọng lợng phầnTrọng lợngThể tíchnớc, hạt rắn và toàn bộ mẫu đất còn m, n là thểKhítích hạt, lỗ rỗng trong một đơn vị thể tích.4.1. Các chỉ tiêu vật lý xác định bằng thíNớcnghiệm4.1.1 Dung trọng của đất:Hạt đấtHay còn gọi là trọng lợng thể tích tựnhiên của đất, là trọng lợng của một đơn vị thểtích đất ở trạng thái tự nhiên, đơn vị thờng dùnglà g/cm3 hay T/m3 N/cm3, KN/ m3, xác định theo Hình I - 8: Sơ đồ quy ớc bapha của đất và tỷ lệ giữa chúngcông thức :=QV(I-2)Từ định nghĩa cã thĨ thÊy r»ng dung träng cđa ®Êt phơ thc vào thành phầnkhoáng, độ rỗng cũng nh lợng chứa nớc của đất. Khi xác định cần dùng mẫunguyên dạng và tùy theo từng loại đất mà chọn dùng các phơng pháp thí nghiệmcho thích hợp. Đất loại sét, hạt nhỏ dính kết, dễ cắt, ta có thể dùng phơng pháp daovòng, đất vụn to, đất chứa sỏi, cuội không cắt đợc bằng dao vòng thì ta nên dùngphơng pháp bọc parafin. Ngoài thực địa trong điều kiện nhất định ta có thể đào hố,xác định trọng lợng và thể tích đất trong hố đào để xác định dung trọng của đất.Thông thờng trị số dung trọng của các loại đất trong thiên nhiên nh sau:đất cát từ (1,45 ữ 1,85)T/m3; đất cát pha, sét pha từ (1,40 ữ 1,65)T/m3; đất sét phakhoảng 1,75T/m3; đất sét bị nén chặt từ (1,8 ÷ 2,1)T/m3.