Trong cơ học đất, người ta phân biệt ba loại đất chính: không dính, dính và đất có nguồn gốc hữu cơ. Ngoài ra còn có đá, nhưng chúng không được nghiên cứu trong cơ học đất mà trong ngành khoa học cơ học đá.
Đất rời
Đất rời hoặc đất không kết dính là những loại đất mà các thành phần của chúng không được liên kết bằng bất kỳ chất kết dính nào. Ở trạng thái khô, khi không chịu tác động của độ ẩm, các thành phần rắn của đất rời hoàn toàn tự do trong khối đất và giữa chúng chỉ có ma sát, gọi là ma sát nội. Đất rời gồm có:
- Khối, kích thước hạt 200 – 2000 mm
- Sỏi lớn, kích thước hạt 60 – 200 mm
- Sỏi, cỡ hạt 2 – 60 mm
- Cát, cỡ hạt 0,02 – 2 mm
- Bụi, cỡ hạt 0,002 – 0,02 mm.
Cần lưu ý rằng phân đoạn bụi đôi khi được gọi là bùn (engl. silt, nem. Schluff). Tuy nhiên, vì ở nước ta bùn có nghĩa là một loại đất có nguồn gốc hữu cơ nhất định, nên tên gọi này cho phân đoạn nói trên có thể gây hiểu lầm.
Hình 1 - Đất cát
Đất dính
Đất dính hoặc đất kết dính là những đất có các thành phần rắn được liên kết với nhau bằng lực dính kết. Đất kết dính có thể có các tính chất vật lý rất không ổn định, dễ thay đổi dưới tác động của nước. Vào đất dính bao gồm những đất có các thành phần rắn kích thước dưới 0,002 mm. Đất chứa chủ yếu các thành phần kích thước 0,002 – 0,0002 mm được gọi là sét, còn nếu các thành phần này có kích thước 0,0002 – 0,00002 mm thì được gọi là sét keo.
Trong tự nhiên, đất sét tinh khiết hiếm khi gặp, mà thường được trộn với các thành phần khác như cát và bụi mịn, gọi là ilovača; đất sét có đá vôi gọi là laporovita glina (lapor), còn đất sét có magiê là uma. Thông thường chấp nhận rằng đất có hơn 50% thành phần sét được gọi là masna glina hoặc đơn giản là glina, trong khi đất có ít hơn 50% thành phần sét được gọi là glinovito tlo. Đất có ít hơn 5% thành phần sét được xem là có tính chất của đất không dính kết.
Cách nhanh nhất và đơn giản nhất để đánh giá một loại đất thuộc nhóm nào là làm khô mẫu rồi thử bóp nát bằng các ngón tay. Đất không kết dính sẽ vỡ vụn ngay. Đất sét dưới ngón tay sẽ vụn thành những mảnh nhỏ, còn sét trở nên cứng gần như đá.
Hình 2 - Đất sét
Đất có nguồn gốc hữu cơ
Các loại đất này chủ yếu gồm các vật liệu hữu cơ hoặc thực vật, cùng với thành phần sét và các thành phần khác. Do chứa các thành phần hữu cơ, những loại đất này rất kém ổn định và hút nước rất mạnh, vì vậy chúng không ổn định và không thể dùng làm nền chịu lực, cũng như làm vật liệu để xây dựng các công trình đất. Loại đất này bao gồm mùn, bùn và than bùn.
Mùn là lớp đất màu mỡ nằm ở lớp bề mặt của vỏ trái đất, thường dày vài decimét. Nó gồm hỗn hợp các chất hữu cơ và vô cơ với rất nhiều vi khuẩn. Khi thi công đắp đất, làm mặt đường và các công việc tương tự trên nền đất, cũng như khi đào ở mỏ vật liệu để làm các công trình đất, cần đào bỏ toàn bộ lớp mùn, vì lớp này chỉ có thể được dùng để bảo vệ mái dốc đất khỏi bị nước rửa trôi.
Hình 3 - Mùn
Bùn là hỗn hợp các chất hữu cơ ở dạng các hạt rất nhỏ với các vật liệu khoáng như đất sét, bụi và cát. Nó nằm ở đáy các con sông và hồ trước đây.
Than bùn gồm một lượng lớn vật chất thực vật và hữu cơ ở dạng sợi, với hàm lượng chất khoáng thấp hơn.
Sự hình thành của đất
Nếu cắt một lát qua vỏ Trái Đất, ta sẽ thấy rằng nó thường gồm đất bề mặt – lớp mùn có chiều dày nhỏ, sau đó là đất dưới mặt gồm một hoặc nhiều lớp có thành phần khác nhau và bề dày khác nhau, và cuối cùng là đá cứng. Đất bề mặt chủ yếu hình thành do sự phân hủy các vật chất thực vật và hữu cơ, trong khi đất dưới mặt hình thành do sự phong hóa của đá cứng.
Sự phong hóa của đá cứng xảy ra do tác động khí quyển hoặc do tác động núi lửa. Tác động khí quyển có thể là cơ học hoặc hóa học. Nếu quá trình phong hóa đá cứng là sự kết hợp của khoáng vật với oxy, thì đó là phong hóa do oxi hóa, còn nếu là sự kết hợp với nước, thì đó là phong hóa do hydrat hóa. Tác động núi lửa là hóa học. Do nhiệt độ cao, đá cứng biến thành tro núi lửa.
Quá trình phong hóa đá cứng và biến đổi nó thành đất có thể diễn ra tại chỗ “in situ” hoặc kèm theo vận chuyển. Việc vận chuyển các phần đã phong hóa diễn ra bằng nước, khi đó hình thành đất phù sa, bằng gió, khi đó trở thành đất aeolian hoặc bằng băng, khi đó hình thành đất băng hà. Trong quá trình vận chuyển các mảnh và vụn đá cứng bị phong hóa, chúng tiếp tục bị nghiền nhỏ do va đập, ma sát và rửa trôi mà chúng chịu trong suốt quá trình vận chuyển. Do tác động đó, các cạnh của mảnh vỡ trở nên tròn hơn, các mảnh mới bị nghiền nhỏ, các cạnh của chúng lại tiếp tục tròn hơn và cứ như vậy cho đến khi quá trình vận chuyển kết thúc. Kích thước và hình dạng của các thành phần rắn phụ thuộc vào độ bền của đá, chiều dài vận chuyển, loại vận chuyển, v.v. Vì vậy hình dạng của các hạt rắn trong đất rất đa dạng: tròn, bầu dục, có cạnh sắc hoặc bo tròn, hình tam giác, v.v. Các thành phần rắn có kích thước 0,02 – 0,002 mm, mà trong cơ học đất được gọi là bụi, chủ yếu có dạng tròn hoặc bầu dục. Những thành phần có kích thước nhỏ hơn 0,002 mm, được gọi là sét, có dạng phiến. Các hạt lớn hơn của cát, sỏi và cuội có thể có nhiều hình dạng khác nhau: dạng khối, bo tròn, dạng phiến, v.v. Các hạt dạng khối khó thay đổi hình dạng hơn, còn dạng phiến thì dễ hơn. Vì vậy, những loại đất chủ yếu gồm các hạt dạng phiến có thể dễ dàng thay đổi thành phần của chúng.
Cần lưu ý rằng, một số loại đất, mà quá trình hình thành của chúng đã hoàn tất hoàn toàn, đôi khi sau đó bị phủ bởi các lớp trầm tích mới, khiến cho lớp đất đã hình thành trước đó nằm ở sâu bên dưới, còn trên lớp trầm tích mới lại hình thành một loại đất khác, có thể hoàn toàn không liên quan gì đến lớp trước. Loại đất đã hình thành trước đó rồi bị phủ bởi lớp trầm tích mới như vậy được gọi là đất chôn vùi. Đây thường là các đất canh tác, đã từng được cày xới rồi sau đó bị phủ bởi các lớp bụi hoàng thổ do gió mang đến, nhưng các lớp trầm tích cũng có thể là do sông ngòi. Đất chôn vùi nhận biết được bằng màu sẫm, và có thể có nhiều lớp đất như vậy nếu quá trình này lặp lại nhiều lần.
Đất phù sa
Đất phù sa hình thành do sự lắng đọng các hạt rắn trong quá trình vận chuyển bằng nước. Sự lắng đọng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất là tốc độ dòng chảy, độ lớn của các thành phần được vận chuyển và hàm lượng các thành phần khác như muối, vôi, v.v. Ở vận tốc dòng chảy lớn, chỉ các thành phần thô mới lắng đọng, còn các thành phần mịn thì không lắng mà tiếp tục được vận chuyển đi xa hơn. Vì vậy, các thành phần rắn thô hơn lắng đọng ở phần trên của dòng chảy, gần nguồn hơn, nơi vận tốc dòng chảy lớn. Khi vận tốc dòng chảy giảm, các thành phần ngày càng mịn sẽ lắng đọng. Trong nước yên, không có dòng chảy, theo nguyên tắc các thành phần rắn mịn nhất sẽ lắng xuống. Bất cứ nơi nào dòng chảy nước bị chậm lại đều xảy ra lắng đọng lớn, như trong vùng ngập lụt khi nước tràn ra khỏi lòng sông, rồi ở cửa sông, trước đập, v.v.
Sự lắng đọng của các hạt rất mịn của đất sét keo có thể kéo dài vô hạn do tác động điện hóa, phát sinh giữa các hạt nhỏ có kích thước dưới 0,0002 mm khi chúng được ngâm trong nước. Trong trường hợp đó, các hạt rắn mang trên mình điện tích cùng dấu (âm), vì vậy chúng đẩy nhau và chuyển động trong khối chất lỏng với tốc độ càng lớn khi chúng càng nhỏ. Đó là chuyển động Brown. Do những chuyển động này, sự lắng đọng của các hạt rắn trong nước bị chậm lại đáng kể và có thể kéo dài vô hạn.
Hình 4 - Đất phù sa
Đất eol
Đất gió thành do các hạt rắn được gió bồi tụ. Có hai loại đất gió là les và dine. Les gồm các hạt rắn có kích thước khoảng 0,05 mm hoặc nhỏ hơn một chút, được gắn kết với nhau bằng canxi cacbonat. Vì vậy, khi ở trạng thái khô, les có cường độ lớn. Các vách đào trong les có thể đứng vững với thành thẳng đứng ở độ cao rất lớn. Tuy nhiên, nếu les bị thấm ướt mạnh, nó sẽ mất cường độ và dễ dàng bị dịch chuyển. Người ta biết đến các tầng les ở Bežanijska kosa gần Belgrade, có thể giữ được thành thẳng đứng ở độ cao trên 20m. Tuy nhiên, ở những phần mà khu dân cư được xây dựng gần mép, như trường hợp đường Čunarska ở Zemun, nơi thường xuyên bị làm ướt ngay sát sườn dốc của cao nguyên les do nước thải sinh hoạt đổ ra, các mái dốc les bị sạt lở và độ ổn định của đất les gần mép bị đe dọa.
Dine là những đụn cát di động do cát rời do gió tích tụ. Dưới tác động của gió, những đụn này nhanh chóng bị thổi dạt đi và hình thành lại, vì vậy chúng gây nguy hiểm do vùi lấp và làm sập nhà cửa và phương tiện vận tải.
Hình 5 - Đất gió thành
Đất băng hà
Đất băng hà hình thành do sự vận chuyển các hạt đất rắn bởi băng. Thành phần của đất băng hà khác với đất phù sa vì chúng gồm các hạt rắn có kích thước gần tương đương nhau, cụ thể là cuội, sỏi (morain) hoặc cát còn lại sau khi băng tan. Trong các lớp của những hồ băng hà cổ có đất thịt băng hà.
Hình 6 - Đất băng hà