CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ðẤT YẾU 1.1 Khái niệm về ñất yếu và các chỉ tiêu cơ lý của ñất yếu 1.1 Khái niệm về ñất yếu ðất theo thuật ngữ ñịa chất là tất cả sản phẩm hình thành do phong hóa lớp vỏ ñá bao quanh Trái ðất, không dính hoặc dính với ñộ bền liên kết nhỏ gấp nhiều lần so với ñộ bền của bản thân các hạt khoáng. ðất tự nhiên gồm ba thành phần chính: những hạt khoáng rắn (hạt ñất), nước và thể bao dạng khí. ðiều kiện hình thành ñất tự nhiên quyết ñịnh ñặc ñiểm và tính chất cơ lý của ñất. ðất yếu là thuật ngữ dùng chỉ loại ñất có thành phần và tính chất không ñáp ứng ñược với một số yêu cầu kỹ thuật nhằm sử dụng chúng trong công tác xây dựng cụ thể.
Thuật ngữ này chỉ mang tính tương ñối gắn liền với công trình cụ thể, ví dụ với loại công trình này thì ñất xem là yếu nhưng với loại công trình khác thì không xếp vào loại ñất yếu. Khái niệm ñất yếu chỉ mang tính tương ñối và phụ thuộc vào trạng thái vật lý cũng như tương quan giữa khả năng chịu lực của ñất với tải trọng mà công trình truyền xuống. Một số ñặc ñiểm của nền ñất yếu: o Sức chịu tải bé (0.5-1 kG/cm2) o ðất có tính nén lún lớn (a > 0.1 kG/cm2) o Hệ số rỗng e >1.0 o Môdun biến dạng bé (E<50 kG/cm2) o Khả năng chống cắt bé (Cu < 0.5kG/cm2) o Khả năng thấm nước bé o ðộ bão hòa nước Sr >0.8 o Thành phần vật chất hữu cơ cao ðất yếu là các loại vật liệu mới hình thành (từ 10000 ñến 15000 năm tuổi), có thể chia thành ba loại: ñất sét hoặc á sét bụi mềm, có hoặc không có chất hữu cơ, than bùn hoặc các loại ñất rất nhiều hữu cơ và bùn. Tất cả các loại ñất này ñều ñược bồi tụ trong nước một cách khác nhau theo các ñiều kiện thuỷ lực tương ứng: bồi tích ven biển, ñầm phá, cửa sông, ao, hồ vv.Trong các loại này, ñất sét mềm bồi tụ ở bờ biển hoặc gần biển (ñầm phá, ñồng bằng châu thổ sông Hồng, sông Cửu Long, cửa sông.) tạo thành một họ ñất yếu phát triển nhất.
Ở trạng thái tự nhiên ñộ ẩm của chúng thường bằng hoặc lớn hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn nhất (ñất sét mềm e1,5, ñất á sét bụi e1), lực dính không thoát nước Cu0,15daN/cm2 , góc nội ma sát ϕu=0, ñộ sệt IL>0,50 (trạng thái dẻo mềm). Loại ñất có nguồn gốc hữu cơ (than bùn và ñất hữu cơ) thường hình thành từ ñầm lầy, nơi ñọng nước thường xuyên hoặc có mực nước ngầm cao, các loại thực vật có ñiều kiện thuận lợi ñể thối rữa, phân huỷ và tạo ra các trầm tích hữu cơ lẫn với trầm tích khoáng vật. Loại này thường gọi là ñầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm từ HVTH: Trần Văn Thuận Lớp Xây dựng ðường Ô tô & TP – K16 (CSII) Trang 4 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật GVHD: TS.Vũ ðức Sỹ 20% ñến 80%. Trong ñiều kiện tự nhiên than bùn có ñộ ẩm rất cao, trung bình W=85- 95% và có thể lên ñến vài trăm phần trăm.
Than bùn là loại ñất bị nén lún lâu dài, không ñều và mạnh nhất, hệ số nén lún có thể ñạt 3-8-10cm2/daN, vì thế thường phải thí nghiệm than bùn trong các thiết bị nén với các mẫu cao ít nhất 40-50cm. Bùn là các lớp ñất mới ñược tạo thành trong môi trường nước ngọt hoặc nước biển, gồm các hạt rất mịn (<200µm) với tỷ lệ phần trăm các hạt<2µm, bản chất khoáng vật thay ñổi và thường có kết cấu tổ ong. Hàm lượng hữu cơ thường dưới 10%. Bùn chủ yếu ñược tạo thành do sự bồi lắng tại các ñáy vũng, vịnh, hồ hoặc các cửa sông, nhất là các cửa sông chịu ảnh hưởng của thuỷ triều.
Bùn luôn no nước và rất yếu về khả năng chịu lực. Cường ñộ của than bùn rất nhỏ, biến dạng rất lớn, môñun biến dạng chỉ vào khoảng 11,5daN/cm2, với bùn sét và từ 1025daN/cm2, với bùn á sét, bùn á cát, hệ số nén lún có thể lên tới 23daN/cm2. Như vậy, bùn là những trầm tích nén chưa chặt, dễ bị thay ñổi kết cấu tự nhiên, do ñó việc xây dựng trên bùn chỉ có thể ñược thực hiện sau khi ñã áp dụng các biện pháp xử lý ñặc biệt, tốt nhất là vét bùn thay ñất tốt. Nói chung các loại ñất yếu thường có các ñặc ñiểm sau: 1) Thường là loại ñất sét có lẫn hữu cơ (nhiều hoặc ít); 2) Hàm lượng nước cao và trọng lượng thể tích nhỏ; 3) ðộ thấm nước rất nhỏ; 4) Cường ñộ chống cắt nhỏ và khả năng nén lún lớn.
ở Việt nam thường gặp các loại ñất sét mềm, bùn, than bùn. Ngoài ra, ở một số vùng còn gặp loại ñất có ít nhiều tính chất của loại ñất lún sập như ñất bazan ở Tây Nguyên; thỉnh thoảng còn gặp các via cát cháy là những loại ñất yếu có những ñặc ñiểm riêng biệt.2 ðất sét mềm. ðất sét mềm là loại ñất sét hoặc á sét tương ñối chặt bão hoà nước và có cường ñộ tương ñối cao so với bùn. ðất sét mềm có những ñặc ñiểm riêng biệt nhưng cũng có nhiều tính chất chung của ñất ñá thuộc loại ñất sét, ñó là giai ñoạn ñầu của quá trình hình thành ñất loại sét.
ðất sét gồm chủ yếu các loại hạt nhỏ như thạch anh, fenspat (phần phân tán thô) và các khoáng vật sét (phần phân tán mịn). Các khoáng vật sét này là các silicat alumin cá thể chứa các ion Mg, K, Ca, Na và Fe chia thành ba loại chính là ilit, kaolimit và mônmôrilomit. ðây là những khoáng vật làm cho ñất sét có các ñặc tính riêng biệt của nó. Các khoáng vật sét là dấu hiệu biểu thị các ñiều kiện môi trường mà nó ñược tạo thành và có ảnh hưởng quyết ñịnh ñến tính chất cơ lý của ñất sét.
Vì vậy, khi ñánh giá ñất sét về mặt ñịa chất công trình cần nghiên cứu thành phần. Khoáng vật sét của nó. Trong trường hợp chung, ñất sét là hệ phân tán ba pha (hạt khoáng, nước lỗ rỗng và hơi), tuy nhiên do ñất sét yếu thường bão hoà nước nên có thể xem là một hệ hai pha: cốt ñất và nước lỗ rỗng. Các hạt sét và hoạt tính của chúng với nước trong ñất làm cho ñất sét có những tính chất mà các loại ñất khác không có: tính dẻo và sự tồn tại của gradien ban ñầu, khả năng hấp thụ, tính lưu biến,.từ ñó mà ñất sét có những ñặc ñiểm riêng về cường ñộ; tính biến dạng.
Một trong những ñặc ñiểm quan trọng của ñất sét mềm là tính dẻo. Nhân tố chủ yếu chi phối dẻo là thành phần khoáng vật của nhóm hạt kích thước nhỏ hơn 0,002mm HVTH: Trần Văn Thuận Lớp Xây dựng ðường Ô tô & TP – K16 (CSII) Trang 5 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật GVHD: TS.Vũ ðức Sỹ và hoạt tính của chúng ñối với nước. Sét kaolinit có chỉ số dẻo 140, sét hiñromica có chỉ số dẻo 2540, sét mônmôrilônit 44600. Trong thực tế xây dựng thường dùng các giới hạn Atterberg ñể ñánh giá ñộ dẻo của ñất sét.
Một tính chất quan trọng khác của ñất sét là ñộ bền cấu trúc (hay cường ñộ kết cấu σC hoặc qtc) của chúng. Nếu tải trọng truyền lên ñất nhỏ hơn trị số σC thì biến dạng rất nhỏ, có thể bỏ qua, còn khi vượt quá σC thì ñường cong quan hệ giữa ñộ rỗng và áp lực bắt ñầu có ñộ dốc lớn. Trị số σC của ñất sét mềm vào khoảng 0. Tính chất lưu biến cũng là một tính chất quan trọng của ñất sét yếu.
ðất sét yếu là một môi trường dẻo nhớt. Chúng có tính từ biến và có khả năng thay ñổi ñộ bền khi chịu tác dụng lâu dài của tải trọng. Khả năng ñó gọi là tính lưu biến. Ngoài sự từ biến, trong tính chất lưu biến của ñât sét còn có biểu hiện giảm dần ứng suất trong ñất khi biến dạng không ñổi, gọi là sự chùng ứng suất.
Hiện tượng hấp thụ là khả năng của ñất sét hút từ môi trường chung quanh và giữ lại trên chúng những vật chất khác nhau (cứng, lỏng, hơi), những ion phân tử và các hạt keo. Người ta dùng nó giải thích nhiều hiện tượng và tính chất ñặc biệt của ñất sét. Theo quan ñiểm ñịa chất thì bùn là các lớp ñất mới ñược tạo thành trong môi trường nước ngọt hoặc trong môi trường nước biển, gồm các hạt rất nhỏ (nhỏ hơn 200µm) với tỷ lệ phần trăm các hạt <2 cao, bản chất khoáng vật thay ñổi và thường có kết cấu tổ ong. Tỷ lệ phần trăm các chất hữu cơ nói chung dưới 10%.
Bùn ñược tạo thành chủ yếu do sự bồi lắng tại các ñáy biển, vũng, vịnh, hồ, hoặc các bãi bồi cửa sông, nhất là các cửa sông, nhất là các cửa sông chịu ảnh hưởng của thuỷ triều. Bùn luôn no nước và rất yếu về mặt chịu lực. Theo quy phạm Liên Xô SNIP II - 1.62 thì bùn là trầm tích thuộc giai ñoạn ñầu của quá trình thành ñất ñá loại sét, ñược thành tạo trong nước, có sự tham gia của các quá trình vi sinh vật. ðộ ẩm của bùn luôn cao hơn giới hạn chảy, còn hệ số rỗng e>1 (với á cát và á sét) và e>1.
Theo thành phần hạt, bùn có thể là á cát, á sét và cũng có thể là cát mịn, ñều có chứa một hàm lượng hữu cơ nhất ñịnh (ñôi khi ñến 1012%), càng xuống sâu hàm lượng này càng giảm. Trong thành phần khoáng vật của bùn biển thường chứa nhiều khoáng vật sét thuộc nhóm ilit và mônmôrilimit, còn trong bùn nước ngọt thì có nhiều ilit và kaolinit. Cường ñộ bùn rất nhỏ, biến dạng rất lớn (bùn có ñặc tính là nén chặt không hạn chế kèm theo sự thoát nước tự do), môñun biến dạng chỉ vào khoảng 15daN/cm2 (bùn sét) và 1025daN/cm2 (bùn á sét, bùn á cát), còn hệ số nén lún có thể ñạt tới 23 daN/cm2. Như vậy, bùn là những trầm tích nén chưa chặt và dễ thay ñổi kết cấu tự nhiên, do ñó việc xây dựng trên bùn chỉ có thể thực hiện ñược sau khi áp dụng các biện pháp xử lý ñặc biệt.4 Than bùn Than bùn là ñất yếu nguồn gốc hữu cơ, ñược thành tạo do kết quả phân huỷ các di tích hữu cơ (chủ yếu là thực vật), tại các ñầm lầy.
Than bùn có dung trọng khô rất HVTH: Trần Văn Thuận Lớp Xây dựng ðường Ô tô & TP – K16 (CSII) Trang 6 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật GVHD: TS.Vũ ðức Sỹ thấp (39kg/m3), hàm lượng hữu cơ chiếm 2080%, thường có màu ñen hoặc màu nâu sẫm, cấu trúc không mịn, còn thấy tàn dư thực vật.