Công nghệ khí - Chương V: Nhận xét tổng quát đất rời xốp và đất mềm dính theo địa chất công trình

Chương V Nhận xét tổng quát đất rời xốp và đất mềm dính theo địa chất công trình §1. những khái niệm chung  Đất rời xốp và đất mềm dính có nguồn gốc trầm tích biển, vũng vịnh, lục địa. Chúng chiếm hơn 70% quyển trầm tích và gặp trong các lớp đọng có tuổi khác nhau song chủ yếu là kỷ Đệ Tứ.  Chúng có thể có trạng thái vật lý rất khác nhau và độ bền, độ biến dạng, độ ổn định từ thấp tới cao  Đất rời xốp là một nhóm lớn các thành tạo trầm tích hòn mảnh. Chúng không có liên kết giữa các hạt. Chúng gồm cát, á cát, sỏi, dăm, cuội… là sản phẩm của phong hóa vật lý. Tính chất của chúng phụ thuộc vào độ chặt kết cấu: rời xốp, vừa và chặt. Bảng V-1. Phân loại đất rời xốp theo một số dấu hiệu thạch học Theo TP haït, kieán truùc Theo möùc ñoä ñoàng nhaát veà TP haït Theo thaønh phaàn khoaùng vaät Theo löôïng chöùa 1 soá taïp chaát quan troïng Theo möùc ñoä chaët Pôxefit Taûng troøn vaø taûng goùc Cuoäi, daêm to Cuoäi, daêm vöøa Cuoäi, daêm nhoû Soûi vaø saïn Ñoàng nhaát Khoâng ñoàng nhaát Raát khoâng ñoàng nhaát - Vôùi chaát laáp caùt Vôùi chaát laáp seùt Vôùi chaát laáp seùt laãn caùt Keát caáu chaët Keát caáu chaët vöøa Keát caáu xoáp Pôxamit Caùt: haït thoâ, haït to, haït vöøa, haït nhoû, haït mòn Ñoàng nhaát Khoâng ñoàng nhaát Raát khoâng ñoàng nhaát Ñôn khoaùng (thaïch anh), nöûa hoãn taïp ( T.a-fenpat), hoãn taïp. Gloconit, mica, pirit, soûi, taûng troøn, ñaõ hoùa muøn Keát caáu chaët Keát caáu chaët vöøa Keát caáu xoáp  Đất mềm dính – đất loại sét – là một nhóm rộng lớn đặc biệt của các đá trầm tích phân tán, chiếm vị trí trung gian giữa đá mảnh vỡ điển hình và đá có nguồn gốc hóa học.  Chúng có đặc điểm là chứa một lượng đáng kể các hạt phân tán mịn (< 0,002mm). Chúng chủ yếu là các khoáng vật sét. Chính chúng gây nên tính chất “sét” đặc biệt của đất nói chung.  Sét là đất phân tán với 30% trở lên là các hạt có D<0,002mm  Chúng có tính dính và dẻo trong trạng thái tự nhiên hoặc khi bị ẩm, còn khi khô vẫn giữ nguyên hình dạng trước đó.  Sét có thể chứa các tạp chất: cacbonat, muối… chúng làm biến đổi tính chất hóa lý và cả tính chất cơ học của sét. Bảng 5.2. Phân loại đất loại sét theo một số dấu hiệu thạch học (theo V.Đ. Lomtadje) Theo möùc ñoä sinh ñaù Theo löôïng chöùa haït seùt vaø haït phaân taùn thoâ Theo thaønh phaàn khoaùng vaät seùt Theo löôïng chöùa vaät lieäu cacbonat Theo löôïng chöùa 1soá taïp chaát quan troïng Theo möùc ñoä nhieãm muoái Theo 1 soá daáu hieäu veà caáu taïo Theo caùc ñieàu kieän thaønh taïo ñaëc bieät Buøn seùt Seùt meàm Seùt ñöôïc neùn chaët Seùt Seùt buïi Seùt laãn caùt Laãn caùt, buïi Seùt pha caùt, Seùt pha caùt, buïi. aolinitK ydroH icaM Montmoâri lonit Seùt Seùt chöùa voâi (macnô) Macnô seùt Seùt silit Seùt chöùa than Seùt chöùa bitum Khoâng nhieãm muoái Nhieãm muoái nheï Nhieãm muoái Seùt coù caáu taïo khoái Seùt phaân lôùp nheï Ñaát loaïi seùt roãng ñaïi, daïng lôs Ñaát maët loaïi seùt Bảng 5.2. Phân loại đất loại sét theo một số dấu hiệu thạch học (theo V.Đ. Lomtadje) Theo möùc ñoä sinh ñaù Theo löôïng chöùa haït seùt vaø haït phaân taùn thoâ Theo thaønh phaàn khoaùng vaät seùt Theo löôïng chöùa vaät lieäu cacbonat Theo löôïng chöùa 1soá taïp chaát quan troïng Theo möùc ñoä nhieãm muoái Theo 1 soá daáu hieäu veà caáu taïo Theo caùc ñieàu kieän thaønh taïo ñaëc bieät Ñaù seùt Ñaù phieán seùt Caùt pha seùt, Caùt pha seùt, buïi Ña khoaùng Macnô Macnô chöùa voâi Seùt chöùa saét Nhieãm muoái naëng Ñaát loaïi seùt nhieàu loã roãng ñaïi, daïng hoaønh thoå 2. Các kiểu nguồn gốc Một số nét về các kiểu nguồn gốc trầm tích chủ yếu: Hình 5.1. Đất rời xốp và đất mềm dính làm thành những nhóm lớn các kiểu nguồn gốc. Tổng hiệu ứng của tất cả các quá trình phong hóa, tích tụ, bóc mòn trước hết là sự chuyển dịch các sản phẩm phá hoại khác nhau của đất đá từ các nguồn và miền mang chuyển tới các miền tích tụ và kết cục là từ các vùng bên trong lục địa tới các miền duyên hải, (Hình 5.1). Biển là miền ưu thế tích tụ. Tại đây hình thành các tầng trầm tích dày Các kiểu nguồn gốc chủ yếu + Trầm tích lục địa; + Trầm tích vũng; + Trầm tích biển; + Bảng 5.4. 3. Về sự hình thành tính chất của đất loại cát và đất loại sét 4. Đất hòn mảnh và đất loại sét là những hệ phân tán Những tính chất chung của các hệ phân tán: Để hiểu bản chất của đất hòn mảnh và đất loại sét, phải xét đến không chỉ các đặc điểm địa chất – thạch học của chúng, mà còn cả tính phân tán của chúng gây nên bởi vì đây là một thể địa chất thống nhất bao gồm 3 pha: rắn, lỏng, khí. Tuỳ theo độ ẩm mà trạng thái của đất cũng thay đổi, nó có thể là hệ hai pha, 3 pha hoặc 4 pha. Những hệ gồm hai hoặc nhiều pha mà trong đó 1 hoặc 1 số pha phân bố trong pha khác – được gọi là hệ phân tán. Bảng 5.5. Những tính chất chủ yếu của các hệ phân tán Teân heä Phaân taùn thoâ Phaân taùn mòn eoK Heä phaân töû Kích thöôùc haït, mm >,0 002 ,0 002-,0 0001 ,0 0001-,0 000001 <,0 000001 Thaønh phaàn khoaùng vaät KV seùt – nguyeân sinh Khoaùng vaät seùt, hydroxit nhoâm, saét … Phaân töû, ion Caùc tính chaát chuû yeáu nhaát Khoâng ñoàng nhaát Ñoàng nhaát Nhìn thaáy ñöôïc baèng maét thöôøng Nhìn thaáy ñöôïc ôû kính hieån vi Nhìn thaáy ñöôïc treân kính sieâu hieån vi Khoâng nhìn thaáy ñöôïc treân kính sieâu hieån vi Giöõ laïi treân giaáy loïc Loït qua giaáy loïc Khoâng coù khaû naêng khuyeách taùn, töùc lan roäng ra khoaûng khoâng gian töï do xung quanh Coù khaû naêng khuyeách taùn Khoâng coù khaû naêng taùch li, nghóa laø ñi qua caùc maøng ñoäng vaät vaø thöïc vaät Coù khaû naêng taùch ly Bảng 5.5. Những tính chất chủ yếu của các hệ phân tán Teân heä Phaân taùn thoâ Phaân taùn mòn eoK Heä phaân töû Caùc tính chaát chuû yeáu nhaát Thöïc teá khoâng coù khaû naêng haáp phuï trao ñoåi Coù khaû naêng haáp phuï trao ñoåi Khoâng coù khaû naêng haáp phuï trao ñoåi Khoâng coù khaû naêng ngöng keo hoaëc ngöng keo yeáu Coù khaû naêng ngöng keo Khoâng coù khaû naêng ngöng keo Khoâng coù bieåu hieän chuyeån ñoäng nhieät Bieåu hieän chuyeån ñoäng nhieät Tæ beà maët beù Tæ beà maët ñaùng keå Tæ beà maët raát lôùn Khoâng duøng ñöôïc khaùi nieäm naøy Coù theå ôû traïng thaùi lô löûng chæ trong Coù theå ôû traïng thaùi lô löûng trong Coù theå ôû traïng thaùi lô löûng trong Caùc dung dòch thaät Quan hệ của đất loại cát và đất loại sét đối với nước:  Năng lượng của đất gồm năng lượng bên trong và năng lượng bề mặt: Ech=Etr+Em= iV + ss  i- năng lượng bên trong của một đơn vị thể tích;  s- năng lượng bề mặt của một đơn vị diện tích bề mặt. Hình 5.20 - Sơ đồ cấu trúc của mixen do hạt phân tán mịn tạo nên. 1. Nhân của mixen; 2. Các điện tích âm tạo thành những trung tâm hoạt tính trên bề mặt hạt; 3. Lớp phản ion không di động tức lớp ion bù nhau tạo nên granun; 4. lớp khuyếch tán của các ion đã bị phân ly. Trên bề mặt hạt sét khi nó tác dụng với môi trường nước xung quanh tạo nên những hợp chất mới có khả năng điện phân, do đó hạt sét biến thành anion phức tạp bị một lớp khuyếch tán bao quanh. Nhiều khoáng vật tạo đá còn có các lực liên kết nguyên tử (cộng hóa trị) với các nguyên tử, phân tử và môi trường xung quanh Hình 5.21. Sơ đồ lớp điện kép A. Ranh giới phân chia giữa hạt cứng và môi trường; B. ranh giới phân chia giữa các phần di động và không di động của lớp khuyếch tán; 1-1. điện lượng âm của ion quyết định thế tạo thành những trung tâm hoạt tính trên mặt hạt; 2-2. lớp phản ion không di động; 3-3. lớp khuyếch tán của các ion bù; 4-4. dung dịch tự do; a-b. mức thế ở hạt cứng; b-c. đường sụt thế ở phần không di động của lớp điện kép; c-d. đường sụt thế ở phần di động của lớp điện kép; d-đ. Mức thế ở dung dịch tự do  Các trung tâm hoạt tính có thể tạo thành bởi những hóa trị chưa cân bằng của silic, nhôm, ôxy, nhóm OH và các ion khác, hoặc bởi lực cộng hóa trị của các nguyên tử. Chúng tạo thành quanh hạt sét 1 trường lực: lớp khuyếch tán mà trong phạm vi đó, các phân tử nước và các ion của môi trường bị phân cực.  Những ion như vậy trong nước hay gặp nhất là K+; Na+; Ca2+; Mg2+; Fe3+; Al3+.  Liên kết của các ion đó với tinh thể yếu hơn so với các ion thuộc tinh thể.  Quá trình hydrat hóa các ion cũng làm liên kết của chúng với bề mặt hạt yếu đi.  Do vậy các hạt keo trở nên có khả năng trao đổi ion  Tác dụng qua lại của các hạt keo với nước được biểu thị ở tác dụng định hướng, cảm ứng và phân tán (tức tác dụng của điện từ).  Đối với nước, tác dụng định hướng của lực phân tử là chủ yếu;  Đối với các vật chất khác lại là tác dụng phân tán do những dao động bên trong các điện tử gây nên;  Tác dụng định hướng của lực phân tử phụ thuộc vào nhiệt độ nước. Nhiệt độ tăng thì chuyển động truyền nhiệt của phân tử nước tăng;  Tác dụng cảm ứng và phân tán không phụ thuộc vào nhiệt độ.  Sự phân phối các phân tử có cực và ion trong lớp khuyếch tán xảy ra do các lực bề mặt, chúng phụ thuộc vào đặc điểm cấu trúc mạng tinh thể và khoảng cách từ bề mặt.  Tính theo tổng năng lượng bề mặt: Montmorilonit > hydromica > kaolinit.  Chiều dày của lớp khuyếch tán biến đổi theo tổng năng lượng bề mặt của hạt và thành phần các ion hấp thụ.  Các ion hóa trị 1 như Na+, K+, Li+ tạo nên lớp khuyếch tán dày nhất;  Các ion hóa trị 2 – tạo nên lớp kém dày hơn; Các ion hóa trị 3 tạo nên lớp mỏng nhất  Hóa trị ion càng lớn thì lực hút với bề mặt càng mạnh, chúng càng kém chứa nước. Lớp khuyếch tán càng bị nén mạnh và chiều dày càng bé.  Các phân tử nước khi rơi vào phạm vi tác dụng của trường lực của hạt sét sẽ chịu hiệu ứng xắp xếp lại, thay đổi chuyển động nhiệt, bị phân cực, hợp thành nhóm, tạo thành các màng sonvat hydrat quanh hạt sét;  Vì vậy xung quanh hạt sét nước đều bị hấp thụ, bị lôi kéo, bị giữ lại trên bề mặt nhờ tác dụng ion, cộng hóa trị, từ, phân tử của nó, cũng như do hiệu ứng xắp xếp của các ion thuộc lớp khuyếch tán.  Như vậy, khác với đất bở rời, đất loại sét có hoạt tính hóa lý cao khi tác dụng với nước. Đó là đặc điểm quyết định bản chất các tính chất cơ lý của chúng Khả năng hấp thụ của đất loại sét 1. Hấp thụ cơ học:  Được thể hiện ở sự hút các hạt nhỏ lơ lửng trong nước – nó là đặc điểm của đất đá cát.  Nó có thể có tác dụng tích cực và tiêu cực. 2. Hấp thụ vật lý:  Thể hiện ở sự hấp thụ các chất nào đó do các hạt sét gây nên trên bề mặt của chúng – đặc trưng cho đất loại sét.  Đơn vị đo hấp phụ là sức căng bề mặt của nước, nó biến đổi theo To nước và sự có mặt các chất khác nhau trong nước.  Nếu trong nước có các chất hoạt tính (VCHC), sức căng bề mặt giảm  hấp thụ dương  Các chất vô cơ làm tăng sức căng bề mặt  âm  Các chất bị hấp thụ âm dễ bị rửa trôi, rữa lũa ra khỏi đất đá.  Các chất hoạt tính (hấp thụ dương) khi làm giảm sức căng bề mặt nước thì đồng thời làm giảm độ cứng của đá, làm cho chúng dễ bị phá hoại khi khoan, khi đập vỡ… 3. Hấp thụ hóa lý:  Được biểu thị ở khả năng đất trao đổi một phần nào đó các cation hoặc anion bị hấp thụ phân bố ở lớp khuyếch tán của các hạt keo sét cho 1 số lượng tương đương các cation ở dung dịch tiếp cận với nó.  Hấp thụ hóa lý – trao đổi – đặc trưng cho đất loại sét.  Các cation trao đổi trong sét: K+, Na+, Ca2+, Mg2+, ít hơn là H+, Fe3+, Al3+. Anion: PO4, CO3, SiO3…  Ở đất loại sét nguồn gốc biển và trầm đọng ở vực nước nhạt và đất loại sét lục địa vùng ôn đới: trong lớp sonvat ion Ca2+ chiếm ưu thế.  Đất loại sét trầm đọng ở miền khô nóng – Na+ thường chiếm ưu thế trong thành phần cation hấp thụ.  Những sét chứa hydro trao đổi được gọi là chưa bão hòa, không chứa hydro – sét bão hòa.  Đơn vị đo khả năng trao đổi của đất là sức chứa hấp thụ. Nó bằng tổng số cation (anion) bị đất hấp thụ trong những điều kiện cho trước.  Sức chứa hấp thụ biểu thị bằng mgđl/100g đất khô.  Nó phụ thuộc vào thành phần khoáng vật. Sét montmorilonit: 60-120; hydromica: 20-40; kaolinit: 3-15 mgđl/100g đất khô.  Nếu sức chứa hấp thụ < 5-10mgđl – việc xác định nó không có ý nghĩa.  Khả năng trao đổi của đất trước hết phụ thuộc vào thành phần khoáng vật;  Chừng mực nào đó phụ thuộc vào độ phân tán của đất;  Cường độ trao đổi còn phụ thuộc vào các đặc điểm của môi truờng xung quanh: độ khoáng hóa nước, thể tích môi trường…  Thành phần ion của nước cũng rất quan trọng vì năng lượng trao đổi ở các ion rất khác nhau.  Dãy Gedroyts: Fe3+ > Al3+ > H+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+  Phản ứng môi trường cũng ảnh hưởng nhất định: nếu tăng pH  khả năng trao đổi tăng; nếu tăng độ axit  giảm. 4. Hấp thụ hóa học:  Được thể hiện ở sự tạo thành các hợp chất hóa học trong đất do kết quả tác dụng qua lại của các thành phần của nó với dung dịch bao quanh hoặc làm bão hòa chúng.  Nó có tác dụng gắn kết, tạo kết hạch, nút bám lấp đầy lỗ rỗng, khe nứt…  Nó làm thay đổi diện mạo đất, trạng thái vật lý, độ thấm nước, tính chịu nước, độ bền, độ biến dạng 5. Hấp thụ sinh học:  Đặc trưng bằng sự thành tạo và tích lũy trong đất các chất khác nhau do kết quả hoạt động sống của vi sinh, thực vật và động vật.  Nó làm thay đổi diện mạo, trạng thái vật lý, tính chất và thành phần của đất. Nó biểu hiện mạnh ở các giai đoạn đầu hình thành đất. Liên kết kiến trúc trong đất loại sét:  Tùy theo mức độ phát triển các liên kết kiến trúc và độ bền, đất loại sét có thể chiếm vị trí trung gian giữa thể lỏng hoặc chảy nhớt và thể cứng. Liên kết kiến trúc được gây nên bởi các lực hút phân tử, ion, nguyên tử và từ với lực đẩy giữa các hạt;  Tính dính – được phát sinh do kết quả tác dụng qua lại trực tiếp giữa các hạt cũng như khi gắn kết (dính) các hạt lại bởi các chất khác nhau tạo nên màng (lớp) trên bề mặt chúng hoặc lấp đầy lỗ hổng.  Khi các hạt xích gần nhau phát sinh lực chống nén, cắt, kéo đàn hồi phân tử. Nếu ngoài lực phân tử còn tác dụng các lực khác, chúng sẽ làm tăng cường hay yếu đi tác dụng qua lại giữa các hạt.  Có 3 trường hợp đặc trưng về tương quan giữa các giá trị và dấu của thế các lực tác dụng trên bề mặt hạt: 1. Thế của các lực bề mặt của các hạt đang tiến lại gần nhau thì bằng nhau về các giá trị và cùng dấu. Giữa các hạt luôn luôn tác dụng lực đẩy 2. Thế của các lực bề mặt có dấu khác nhau. Giữa các hạt ở tất cả các khoảng cách đều có lực hút tác dụng; 3. Thế của các lực bề mặt cùng dấu, nhưng khác nhau về giá trị. Với tương quan như vậy của thế, khi các hạt ở xa nhau thì có tác dụng lực đẩy, còn khi ở gần sẽ chuyển sang lực hút.  Giá trị và dấu các lực phụ thuộc vào cấu trúc mạng tinh thể, thành phần và độ khoáng hóa môi trường Ngưng keo xúc biến Ngưng tụ kết tinh Lực dính kết Nguyên sinh Lực dính kết hóa bền Liên kết do lực phân tử – lực dính Liên kết do gắn kết – lực dính kết kiến trúc Liên kết của bùn Sinh đá Tạo vi hợp thể A=2p.r.s Liên kết của sét Lực phân tử Các màng bảo vệ tạo cầu nối Gắn kết bởi mùn và HCHC Hiện tượng xúc biến trong đất loại sét  Nhiều đất loại sét bị hóa lỏng hoặc hóa mềm khi bị khuấy động hay chịu ảnh hưởng của những tác động cơ học khác rồi sau đó khi ngừng các tác động đó, lại tự khôi phục được trạng thái và độ bền ban đầu với tốc độ nào đó. Hiện tượng thuận nghịch như vậy là xúc biến.  Xúc biến đặc trưng cho đất loại sét có độ sệt chảy, chảy nhớt, dẻo dính bết, dẻo nhớt và đôi khi có thể được thể hiện cả ở đất nửa cứng trong điều kiện chấn động mạnh.  Tính xúc biến phụ thuộc vào độ chứa sét, thành phần khoáng vật của phần sét, trạng thái vật lý, độ khoáng hóa và thành phần nước lỗ rỗng, cường độ tác động cơ học.  Biến đổi xúc biến là kết quả phá hoại các liên kết kiến trúc, giảm độ bền  giảm lực dính và sau đó là kết quả khôi phục các liên kết kiến trúc  đất bền thêm.  Đơn vị đo thế năng giảm bền của đất đá do xúc biến là độ “chảy lỏng”, tức là khả năng hóa lỏng và chảy ra dưới tác dụng của chấn động.  Đất càng bị biến dạng và chảy ra nhiều khi có tác động như vậy thì càng có khả năng biến đổi xúc biến.  1 chỉ tiêu rất quan trọng: thời gian khôi phục trạng thái vật lý và độ bền của đất sau khi chịu tác động cơ học. Đất khôi phục càng nhanh độ bền và trạng thái vật lý thì càng có thế năng lớn về biến đổi xúc biến.