MỞ ĐẦU 1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Trong tự nhiên, đất loại sét chiếm diện tích đáng kế và nằm ngay trên bề mặt. Hầu hết các công trình xây dựng đều sử dụng lớp đất này làm nền. Đất loại sét chứa một lượng nước liên kết và có khả năng giữ ẩm cao.
Khi lượng giữ âm thay đôi, trong đa số các trường hợp, thể tích đất thay đôi theo do đặc tính trương nở hay co ngót. Công trình xây dựng trên các lớp sét này chịu hai lực do áp lực trương nở: lực nở thắng đứng sẽ gây ra hiện tượng đây trồi, nứt nẻ và có thê gây phá hoại, làm mất độ ổn định và làm hư hỏng các cấu kiện; lực ngang gây chuyển vị ngang ảnh hưởng đến sự làm việc của các loại công trình xây dựng như: tường chắn, tường tầng hằm. Ngoài lớp đất loại sét có độ âm xấp xỉ giới hạn nhão (đã nở hoàn toàn), những lớp đất loại sét có độ chặt lớn hơn hầu như không bị co ngót nhưng có thể có tính trương nở khi bị tâm ướt. Theo Saurin, khu vực Thành phố Hồ Chí Minh và Đồng bằng Sông Cửu Long có lớp phù sa cổ dưới dạng sét loang lỗ trạng thái nửa cứng — cứng.
Lớp đất này ở khu vực châu thổ nằm ở độ sâu tương đối lớn từ 30 — 50m nghiêng dần theo hướng Tây Bắc - Đông Nam và lộ ra trên bề mặt ở Bình Phước - Tây Ninh (còn gọi là dải đất xám). Các kết quả khảo sát địa chất công trình trong đa số các hồ sơ khảo sát khi đánh giá đặc trưng cơ lý lớp đất này hầu như không đề cập đến yếu tố trương nở - co ngót. Nhằm đánh giá đặc điểm trương nở cùa đất loại sét ở khu vực, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu đánh giá đặc trưng cơ lý của đất sét trương nở bằng thí nghiệm trong phòng". Kết quả thí nghiệm, phân tích, đánh gid co thé giúp các kỹ sư nền móng hiểu thêm về đặc trưng cơ lý của loại đất này và xét đến các đặc điểm trương nở khi tính toán thiết kế nền móng công trình, biện pháp thi công.
Mục đích của đề tài Trên cơ sở tổng hợp các kết quả nghiên cứu đánh giá đặc trưng cơ lý của dat trương nở, tiến hành thí nghiệm trên các mẫu đất lấy từ hiện trường của khu vực. Kết quả thí nghiệm cho phép thiết lập các mối tương quan giữa các đặc điểm trương nở (độ trương nở, áp lực trương nở và các chỉ tiêu vật lý như hàm lượng hạt sét, chỉ số đẻo, độ sệt). Phương pháp nghiên cứu Phương pháp được chọn lựa cho đề tài là thí nghiệm trong phòng và xây dựng các tương quan. Trong nội dung luận văn chủ yếu xét đến các yếu tố trương nở liên quan đến biến dạng thé tích một chiều, các yếu tố độ bền, sức chống cất chưa được thí nghiệm và đánh giá.
MOT SO KET QUÁ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TINH TRUONG NO CUA DAT Các nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam đã có nhiều dé tài nghiên cứu tính trương nở của đất sét và đất loại sét. Đất trương nở được xếp vào dạng đất đặc biệt vì hành vi ứng xử đặc biệt của nó khi bị âm ướt hoặc tiếp xúc với nước là có sự tăng thể tích và gây ra áp lực trương nở. Hiện tượng này có khi dẫn đến những hệ quả không có lợi cho các công trình xây dựng. Hiểu được tính trương nở của đất giúp cho công tác khảo sát địa chất công trình, giúp chọn lựa phương án thiết kế hợp lý khi tính toán thiết kế nhằm đảm bảo độ ổn định của công trình xây dựng trên nền đất trương nở.
Công trình đường hư hại do đất trương nở. Khoáng vật sét và các đặc trưng cơ bản của đất sét trương nở “Đất là lớp ngoài cùng của đá được biến đổi trong thiên nhiên do ảnh hưởng của nước, không khí và sinh vật”. Quá trình biến đổi đó được gọi là phong hóa. Sản phâm của phong hóa các loại đá chủ yếu là đất sét cùng với cát và các vật liệu rời khác.
Sét là các nhóm khoáng vật thường gặp bao gồm các nhóm chính: Kaolinit (Al,03.2H,O) Montmorilonit còn gọi là bentonit nếu chứa nhiều Natri so với các cation khác (AIzOs. Illit hay mica ngậm nước: Muscovit (K;O.2H;O) và Biotit (KzO. Đặc điểm khoáng vật sét Thành phần hoá học cơ bản của khoáng vật sét là AlaOa, SiO›, và HạO hoặc chỉ tiết hơn nữa là các ion: AI”, Si”, O”, OH, H'. Đáng chú ý là các ion AI”, Sỉ” thường bị thay một phần (thay thế đồng hình) trong tinh thể bởi các cation khac: Fe", Cr** Mg”, Ca””,.
Mạng tỉnh thể của kaolinit tương đối bền và ổn định. Mỗi tập của mạng tinh thể gồm một lớp các khối bốn mặt oxyt silic và một khối tám mặt hydroxyt alumin xen kẽ nhau. Các lớp tiếp xúc của hai tập kế cận nhau tạo nên mạng tỉnh thé kaolinit rất khác nhau (hình 1. NO S O 1 | ⁄ ¬z⁄ bộ 6 s0, 3 ‡ or 9 @ 6 ab NXT 9 8 9 7 oN EN Ỳ Z®¬` EN ° ° ° 0” oo ơ ° o.
T Ĩ ® Lớp nước e e Z*x Z Ø ° © OL Zen, xÐ9 OL ow xÐ Lớp nước : : ‡ ° oe 96 _ ‡ ‡ $ “eo o“2`o o“e`o ? 7 oN ON ° ° Kaollnit Iit e ° ⁄ ¬~^Z ^^ Ø © ° Montmorilonit O-O; G-OH; ®-SI; -—AI; ®—AI; ®—AI, Mg; K-kall Hình 1. Sơ đô phân bố các lớp ở mạng tỉnh thể khoảng vật sét Lớp trên của tập dưới được thành tạo bởi các nhóm hydroxyl, còn lớp dưới của tập trên nằm kề đó thì có các nguyên tử oxy. Tên khác nhau của các lớp tiếp xúc với các tập kế cận làm cho mạng tỉnh thể rất chắc. Mỗi liên kết ở bên trong của các tập cũng bền vững, đó là do có các lớp chuyên tiếp của các ion điện tích đương và âm.
Do đó mà mạng tỉnh thể không di động và vì vậy các tỉnh thé kaolinit tương đối lớn, chỉ có khả năng hấp thụ nước và trương nở không đáng kể. Tỉnh thể có nhiều hình dạng khác nhau. Theo nghiên cứu qua kính hiển vi điện tử, chúng đều có đặc điểm là có độ phân tán cao và tính chất mơ hồ của đường nét. Do mối liên kết giữa các mạng tỉnh thể yếu hơn, nên montmorilonit dễ hấp thụ nước vào giữa các mạng tỉnh thể và có khả năng trương nở mạnh.
Dấu hiệu đặc trưng của nhóm khoáng vật thuộc nhóm montmorilonit là lượng nước trong thành phần của chúng thay đổi mạnh tùy theo độ âm của môi trường xung quanh. Kích thước thường nhỏ hơn 0,001mm làm tăng tÿ mặt ngoài, tăng hoạt tính mặt ngoài. Cấu trúc mạng tỉnh thể của montmorilonit nói chung gần giống cấu trúc mạng tỉnh thể của kaolinit (Hình 1.2), nhưng khác so với kaolinit là tập lớp riêng biệt của montmorilonit đối xứng nhau. Mỗi tập mạng ở trên và đưới đều kết thúc bằng các lớp gồm những khối 4 mặt SiO; và giữa các lớp này lại có một lớp gồm những khối tám mặt hydroxyt alumin.
Các tập lớp của montmorilonit quay các lớp đồng nhất (gồm các nguyên tử oxy) lại phía nhau. Mối liên kết giữa các tập này yếu hơn mối liên kết giữa các tập mà các lớp nguyên tử khác tên quay ngược chiều với nhau như kaolinit. Vì vậy nước dễ thấm vào trong mạng tỉnh thể của montmorilonit, lam cho mạng này giãn ra và có khả năng trương nở mạnh. Illit (Hydromica) KAL[(Si, Al)4 Oyo] [OH] nH,0 (do các nhà địa chất ở Illinois dat tén) co tinh chất trung gian giữa kaolinit va montmorilonit.
[lit hinh thành do khoáng vật mica tác dụng với nước. Tỉnh thể thường gặp dạng phiến mỏng. Khác với kaolinit, illit có các lớp oxyt silic xếp kề nhau và có ion kali liên kết giữa các lớp này nên có khả năng nở hạn chế khi ngậm nước. Kiến tric mang tinh thể của illit giống như kiến trúc mạng montmorilonit.
Tuy nhiên sự có mặt trong mạng illit có các ion kali phân bố ở giữa các tập lớp làm cho những tập này chắc hơn, tạo cho illit có độ bền lớn và không có tính di động. Vì vậy các tỉnh thê illit thường lớn hơn tinh thé montmorilonit. Tính trương nở của đất sét Đất được cấu tạo bởi ba thành phần chủ yếu hay còn gọi là ba pha: rắn, lỏng và khí. Độ bền và tính chất của đất phụ thuộc vào độ bền và tính chất của phần hạt rắn, đặc điểm liên kết giữa các hạt, hàm lượng các nhóm khác nhau, cũng như mức độ sắp xếp chặt sít.
> S WY | 2 7 Ý Ý 22 ’ l kg Baoxesd Soil Hình 1. Mô hình các pha trong đất Các liên kết của hạt rắn và khoáng vật thường chia thành năm loại như: liên kết hóa trị, liên kết ion, liên kết kết tinh, liên kết keo nước, liên kết phân tử. Trong pha rắn, khi đề cập đến vấn đề trương nở của đất, chúng ta quan tâm đến phần khoáng vật sét. Khoáng vật sét có kích thước rất nhỏ bằng phần nghìn mm, chỉ nhìn thấy được đưới kính hiển vi điện tử.
Tính chất trương nở của đất do tính chất của khoáng vật sét quyết định khi tương tác với nước. Ảnh chụp kính hiển vi điện tử của tỉnh thể Montmorilonit (vùng Wyoming, ảnh do R. Holtz chụp) Khoáng vật sét phổ biến trong các loại đất sét là kaolinit, hydromica (illit), và montmorilonrt. Trong đó, montmorilonit có độ trương nở mạnh nhất, kế đến là hydromica, và kaolinit hầu như không trương nở.
Đất sét có khả năng trương nở thể tích. Khả năng trương nở có thể được thí nghiệm với phương pháp cho phép nở một chiều hoặc ba chiều. Tính trương nở là đặc điểm tăng thê tích và áp lực trương nở đo quá trình thủy hóa hoặc do tương tác với các dung dịch hóa học. Đặc điểm hình thành tính trương nở của đất loại sét có quan hệ mật thiết đến nguồn gốc thành tạo và quá trình hóa đá.
Trước khi trương nở Sau khi trương nở <==<<<<<< es 5 C) Nước Q42 u24 sc Al 5-104 Hình I. Mô hình đất trương nở Tính trương nở thể hiện rõ rệt trong đất loại sét có liên kết ximăng yếu và bị nén lại (quá có kết hay nén chặt do đầm). Các loại đất này hình thành chủ yếu trong điều kiện khí hậu khô và chứa một hàm lượng khoảng vật sét có mạng lưới tinh thê linh động (dạng montmorilonit) hay các chất hữu cơ. Hầu hết các loại đất trương nở sau khi ngắm nước đều giảm độ chặt (dung trọng), chuyển từ trạng thái cứng, nửa cứng sang trạng thái dẻo, giảm độ bền đến vài lần.
