Bản chất của đất (sự hình thành và các tính chất vật lý của đất)

Chương 1: Bản chất của đất


1.1
Chương 1
BẢN CHẤT CỦA ĐẤT
(SỰ HÌNH THÀNH VÀ CÁC TÍNH CHẤT
VẬT LÝ CỦA ĐẤT)
1.1. Quá trình hình thành đất
Đất thiên nhiên được thành tạo do quá trình phong hoá từ đá gốc; trừ các trầm tích
trẻ nói chung các loại đất có quá trình thành tạo hàng triệu năm ví dụ như đối với đất sét
Campơri là gần 500 triệu năm. Trong thời gian tồn tại lâu dài như vậy đất không ngừng
bị biến đổi: có thể nó bị nén lún do những tầng đất bên trên, có thể ngập nước hoặc bị
nước, gió, băng hà ...vận chuyển t
ừ nơi này sang nơi khác. Các quá trình tự nhiên này làm
cho đất có cấu tạo đa dạng và mang nhiều tính chất vật lý và cơ học khác nhau. Như vậy
cần phải phân loại đất theo nguồn gốc thành tạo để tiến hành nghiên cứu chúng. Đất có
thể thuộc một trong các loại trầm tích sau:
1.1.1. Trầm tích lục địa bao gồm
1) 1. Tầng trầm tích (eluvi) là trầm tích nằm ngay tại chõ phong hoá đá gốc, nó có
kích thước không đều, sắc cạnh và mang nhiều tính chất của đá gốc.
2) 2. Tầng sườn tích (deluvi) là trầm tích nằm ở sườn và chân dốc do nước vận
chuyển các sản phẩm phong hoá đến.
3) 3. Tầng sung tích (aluvi) là trầm tích do nước vận chuyển các sản phẩm phong
hoá đi xa tạo thành, nó thường có chiều dày lớn.
4)
4. Trầm tích băng hà là trầm tích được tạo thành do sự phá huỷ đá khi băng tan.
5) 5. Phong tích là trầm tích được hình thành do gió vận chuyển các hạt có kích
thước bé đi xa.
1.1.2. Trầm tích biển và sông biển
Là trầm tích được hình thành do lắng đọng các hạt đất ở biển hoặc ở cửa sông.

Chúng thường là sét, sét pha, đất hữu cơ bùn và than bùn.
1.2. Các thành phần tạo nên đất
Đất được cấu tạo bởi những thành phần chính sau đây:
- Những khoáng vật cứng;
- Nước ở các dạng và các trạng thái khác nhau;
- Khí ở các dạng và các trạng thái khác nhau.
1.2.1. Hạt khoáng vật
Các hạt khoáng vật có hình dạng, kích thước cấu tạo và tính chất rất khác nhau.
Kích thước các hạt có thể từ vài cm như cuội sỏi đến các hạt keo có kích thước nhỏ hơn
1
m
µ
chứa trong đất sét. Người ta đưa ra các kích thước hạt như sau:
- Hạt cát : đường kính lớn hơn 0,05 mm;
- Hạt bụi : đường kính từ 0,05 mm – 0,005 mm;
- Hạt sét : đường kính nhỏ hơn 0,005 mm.
Chương 1: Bản chất của đất


1.2
Kích thước của các hạt khoáng có ảnh hưởng lớn đến tính chất của đất, hạt càng nhỏ
thì tỷ diện tích càng lớn, số khớp nối giữa các hạt tăng lên, hạt tiếp xúc với nước cũng
nhiều lên. Ví dụ những hạt sét cao lanh có tỷ diện tích 10m
2
/gr; trong khi đó hạt
montmorilonit có tỷ diện tích 800m
2
/gr, tức là cứ 1gr đất chứa hạt montmorilonit có tỷ
diện tích hàng trăm mét vuông và điều đó làm cho tính chất của hạt sét này khác ca với
loại sét cao lanh. Ngoài kích thước, thành phần khoáng vật cũng quyết định đến tính chất

của đất. Ví dụ: khoáng thạch anh thì không tác dụng với nước. Bởi vậy khi xem xét tính
chất vật lý của đất cần phải xem xét thành phần khoáng vật của nó.
Dựa vào thành phần hạt (kích thước và hàm lượng) Quy phạ
m phân chia đất rời
thành các loại như trong bảng 1-1.
Bảng 1- 1 Bảng phân loại đất rời theo thành phần hạt (TCXD 45-78)
Loại đất** Chỉ tiêu phân loại*
Đất hạt thô
Đá lăn, đá tảng
Cuội, dăm
Đất sỏi, sạn
Đất cát
Đất cát lẫn sỏi
Đất cát thô
Đất cát vừa
Đất cát nhỏ
Đất cát mịn (cát bụi)

Lượng chứa hạt lớn hơn 200mm trên 50%
Lượng chứa hạt lớn hơn 10mm trên 50%
Lượng chứa hạt lớn hơn 2mm trên 50%

Lượng chứa hạt lớn hơn 2mm trên 25%
Lượng chứa hạt lớn h
ơn 0,5mm trên 50%
Lượng chứa hạt lớn hơn 0,25mm trên 50%
Lượng chứa hạt lớn hơn 0,1mm
≥
75%
Lượng chứa hạt lớn hơn 0,1mm dưới 75%

* Dùng bộ rây tiêu chuẩn Liên Xô: 0,1; 0,25; 0,5; 2,0; 5,0; 10.
** Tên đất được lựa chọn theo thứ tự loại dần từ trên xuống dưới.
Còn đối với đất dính thì tính chất phân loại lại phụ thuộc nhiều vào hàm lượng các
hạt sét, thành phần khoáng vật và tác dụng của chúng với nước. Vì vậy để phân loại đất
dính người ta dựa trên các chỉ tiêu vật lý khác sẽ đưa ra trong tiết 4 chương này.
1.2.2. Nước trong đất
Hạt khoáng vật điện tích âm còn các phân tử nước (H
2
O) thì một đầu mang điện tích
dương (Cation H
+
) còn đầu kia mang điện tích âm (anion OH
-
). Khi các hạt khoáng vật
tiếp xúc với nước thì nhờ lực hút điện phân tử của các hạt khoáng, các phân tử nước được
hút vào bề mặt hạt khoáng. Càng gần bề mặt hạt khoáng vật, lực hút điện phân tử càng
lớn, nó có giá trị lớn nhất ở trên bề mặt hạt khoáng và giảm dần khi xa bề mặt hạt
khoáng. Căn cứ vào quan hệ tương hỗ giữa bề mặt h
ạt khoáng và nước mà người ta chia
nước trong đất thành 2 dạng cơ bản sau:
1.2.2.1. Nước màng (còn được gọi là nước liên kết) bao gồm:
- Nước liên kết chặt: là màng nước nằm gần bề mặt hạt khoáng nhất, có chiều dày
mỏng từ 1
÷
3 tầng phân tử nước. Nó hình thành vỏ mỏng bền vững bọc chặt lấy hạt
khoáng nhờ lực hút điện phân tử rất lớn. Bởi vậy, bằng những ngoại lực và áp lực thuỷ
tĩnh có lớn đến hàng vạn Kpa cũng không thể tách được màng nước liên kết chặt ra khỏi
hạt.
Chương 1: Bản chất của đất

1.3
- Nước liên kết yếu: là màng nước bọc ngoài nước liên kết chặt; nó chịu lực hút điện
phân tử nhỏ hơn so với nước liên kết chặt nên chỉ cần những áp lực không lớn lắm
(chừng khoảng 1Mpa) là có thể tách được nó ra khỏi hạt.
1.2.2.2. Nước tự do
Là nước nằm giữa các hạt. Do không chịu tác dụng của lực hút phân tử nên nước tự
do có thể chuyển dịch ở trạng thái lỏng dưới tác dụng của ngoại lực; áp lực thuỷ tĩnh và
áp lực mao dẫn.
1.2.3. Khí trong đất
Trong đất luôn chứa một lượng khí gồm không khí, hơi nước và các loại hơi khác
tồn tại ở các dạng sau đây:
- Dạng kín: là những bong bóng khí nằm trong các lỗ rỗng giữa các hạt khoáng, tiếp
xúc với những màng nước liên kết.
- Dạng tự do: là khí thông với khí quyển.
- Dạng hoà tan: là khí tan trong nước lỗ rỗng.
Trong ba dạng trên thì khí kín và khí hào tan trong nước lỗ rỗng có ảnh hưởng rất
lớn đến đặc điểm biế
n dạng của đất.
1.3. Những liên kết cấu tạo trong đất
Cấu trúc của đất được xác định bởi sự sắp xếp các hạt và nhóm các hạt khoáng, độ
rỗng cũng như mối liên hệ giữa các hạt. Cấu trúc tự nhiên của đất là một yếu tố quyết
định đến tính chất cơ lý của các loại đất. Đất rời có cấu trúc các hạt ở trạng thái r
ời, còn
các loại đất dính có cấu trúc rất phức tạp.
Theo kết quả nghiên cứu của cá nhà khoa học như Maxlov, Denhixi v.v... thì trong
đất dính có các dạng liên kết chính sau đây:
- Liên kết keo: thể hiện bởi những lực hút điện phân tử giữa các hạt khoáng vật
cũng như các màng nước liên kết và các hoạt tính keo của các hạt khoáng. Độ

lớn của lực hút điện phân tử phụ thuộc vào chiều dày của màng nước liên k
ết.
Khi màng nước liên kết càng mỏng, tức là độ ẩm trong đất càng nhỏ thì liên kết
keo càng lớn và liên kết keo thể hiện tính dẻo của đất. Khi độ ẩm trong đất tăng
lên thì liên kết keo dễ bị phá huỷ và đất có khả năng mất hoàn toàn tính dẻo.
- Liên kết tinh thể: thể hiện bởi các liên kết hoá học giữa các khớp nối của các hạt
khoáng vật. Liên kết này thường cứng, giòn, không thể phục h
ồi sau khi đất bị
phá huỷ kết cấu. Độ bền của liên kết tinh thể phụ thuộc vào thành phần khoáng
vật của hạt đất, ví dụ như đất có chứa Thạch cao và Canxi thì có liên kết yếu và
dễ hoà tan, đất có chứa Oxit Sắt và Silic thì liên kết tinh thể bền vững và khó
hoà tan hơn.
Tuỳ thuộc vào các dạng liên kết trong đất, sự quan hệ và sự phân bố giữa các hạt và
nhóm hạt cũng như
giữa các hạt với nước và khí trong đất mà đất sét thường có cấu trúc
như sau:
- Cấu trúc thành lớp mỏng;
- Cấu trúc thành khối;
- Các loại cấu trúc phức tạp khác.
Chương 1: Bản chất của đất


1.4
1.4. Những chỉ tiêu, tính chất, trạng thái vật lý và phân loại đất
1.4.1. Những tính chất vật lý của đất
Trong tự nhiên đất là một hợp thể phức tạp của thể rắn, thể lỏng và thể khí. Khi
trong các lỗ rỗng của đất chứa đầy nước thì đất chỉ gồm hai thể là thể rắn và thể lỏng.
Nếu sử dụng sơ đồ 3 thể hình 1-2 thì có thể dễ dàng phân lượng các thể trong đất và cũng
qua đó xây dựng một số chỉ tiêu đánh giá các phân lượng đó. Bở
i vì ngoài tính chất của

mỗi thể thì phân lượng của các thể trong đất thay đổi cũng làm thay đổi tính chất của đất.

Hình 1- 1 Sơ đồ ba thể của đất.

Trong đó:
_,,,, VVVVV
rhnk
lần lượt là thể tích khí, nước, hạt rắn, lỗ rỗng và thể tích của toàn
bộ mẫu đất.
_,,,, QQQQQ
rhnk
lần lượt là trọng lượng của phần khí, nước, hạt rắn, lỗ rỗng và
trọng lượng của toàn bộ mẫu đất.
1.4.1.1. Dung trọng tự nhiên
Là trọng lượng của một đơn vị thể tích của đất ở trạng thái tự nhiên (ký hiệu
W
γ
).
V
QQ
hn
W
+
=
γ
(N/cm
3
, KN/m
3
) (1-1)

được xác định trực tiếp từ mẫu đất nguyên dạng lấy từ hố khoan hay hố đào. Nó
biến đổi trong phạm vi khá lớn phụ thuộc vào độ ẩm, độ rỗng của đất.
Ngoài dung trọng tự nhiên người ta còn sử dụng dung trọng no nước khi các lỗ rỗng
chứa đầy nước (
nn
γ
) và dung trọng đẩy nổi (
nn
γ
) khi đất nằm dưới mực nước ngầm.
1.4.1.2. Dung trọng bão hoà (no nước)
V
QQ
hn
nnbh
+
==
*
γγ
(1-2)
*
n
Q
_ Khối lượng nước trong đất khi mẫu đất ở trạng thái bão hòa nước.
1.4.1.3. Dung trọng đẩy nổi
V
VQ
hnn
dn
.

γ
γ
−
=
(1-3)
Chương 1: Bản chất của đất


1.5
1.4.1.4. Dung trọng khô
Là trọng lượng của hạt đất trong một đơn vị thể tích đất.
V
Q
h
k
=
γ
(1-4)
1.4.1.5. Dung trọng hạt và tỷ trọng hạt
* Dung trọng hạt: là trọng lượng riêng của một đơn vị thể tích hạt đất. Dung trọng
hạt có đơn vị giống dung trọng tự nhiên, điều đáng chú ý là nó thay đổi trong
phạm vi hẹp từ 26
÷
28 KN/m
3
.
h
h
h
V

Q
=
γ
(1-5)
* Tỷ trọng hạt
n
h
γ
γ
=∆
(1-6)
1.4.1.6. Độ ẩm tự nhiên
%100.
h
n
Q
Q
W =
(1-7)
1.4.1.7. Độ bão hoà
r
n
V
V
G =
(1-8)
Độ bão hoà thường được biểu thị theo số thập phân. Hế số này thường gần bằng 1
đối với đất sét tự nhiên nằm dưới mực nước ngầm, còn với đất cát quy phạm phân ra các
trạng thái sau:
- Đất hơi ẩm khi G

≤
0,50;
- Đất ẩm khi 0,50
≤
G
≤
0,80;
- Đất bão hoà khi G > 0,80.
1.4.1.8. Độ rỗng và hệ số rỗng.
* Độ rỗng
Là thể tích lỗ rỗng trong một đơn vị thể tích đất.
%100.
V
V
n
r
=
(1-9)
* Hệ số rỗng
Là thể tích lỗ rỗng trong một đơn vị thể tích đất.
h
r
V
V
=
ε
(1-10)
1.4.1.9. Công thức tính đổi các chỉ tiêu thường dùng khác