Cấu trúc đất
Khái niệm cấu trúc đất là sự sắp xếp của pha rắn trong khối đất. Như đã biết, đất gồm các hạt rắn và các lỗ rỗng chứa nước, không khí hoặc hơi nước, thường là một phần không khí và một phần nước. Theo sự sắp xếp của các hạt rắn trong đất mà cấu trúc của nó được xác định. Cấu trúc của đất rời và đất dính khác nhau về cơ bản.
Cấu trúc của đất rời
Cấu trúc của đất không dính hình thành dưới tác dụng của trọng lực. Các hạt rắn của loại đất này có kích thước lớn hơn và rơi xuống dưới, lắng đọng dưới tác dụng của trọng lực, trong khi các lực hút phân tử giữa các hạt như vậy không tồn tại hoặc không đáng kể và bị trọng lực khắc phục. Vì vậy, trong đất không dính, các hạt rắn sắp xếp cạnh nhau, chiếm chỗ trống giữa các hạt đã sắp xếp (hình 1_a_). Nếu các hạt của đất không dính có hình gần tròn và cùng kích thước, như có thể thấy ở cát có thành phần đồng nhất, thì cấu trúc có thể là chặt nhất (hình 1_b_) hoặc thưa nhất (hình 1_c_), tùy thuộc vào sự sắp xếp của các hạt rắn trong đất. Cấu trúc chặt nhất tương ứng với khả năng đầm chặt lớn nhất của đất không dính và độ rỗng của nó là nmin=26%. Cấu trúc thưa nhất tương ứng với khả năng đầm chặt nhỏ nhất có thể của đất không dính và độ rỗng của nó là nmax=48%. Ví dụ, cát tơi ở đụn cát có n=47%.
Hình 1 Cấu trúc của đất rời
Nếu đất rời có các hạt với kích thước khác nhau, sao cho các hạt nhỏ hơn lấp đầy các khe rỗng giữa các hạt lớn hơn (hình 2), thì độ rỗng của đất nhỏ hơn đáng kể (n=20% và nhỏ hơn).
Hình 2. Cấu trúc của đất không dính có kích thước hạt khác nhau
Cấu trúc của đất liên kết
Đối với đất kết dính, cấu trúc khác với đất rời. Ở đất kết dính xuất hiện các lực liên kết, mạnh hơn lực hấp dẫn của các hạt nhỏ và làm chúng dính lại ở các bề mặt tiếp xúc. Vì vậy, các hạt này không rơi dần xuống dưới mà vẫn dính với nhau thành từng cụm, vừa chồng lên nhau vừa nằm cạnh nhau (hình 3_a_), từ đó tạo nên cấu trúc dạng chuỗi-mạng (hình 3_b_), dạng vảy (hình 3_c_) v.v., được gọi là các cấu trúc bậc cao hơn. Những cấu trúc như vậy có độ rỗng lớn, có thể đạt tới 60-80% khối lượng toàn bộ, điều mà đất rời không có.
Hình 3. Cấu trúc của đất liên kết
Độ rỗng và hệ số rỗng
Độ rỗng của đất được xác định bằng tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng và tổng thể tích của đất (hình 4).
Hình 4. Độ rỗng và hệ số rỗng của đất
Nếu ký hiệu bằng
- Vp = thể tích lỗ rỗng trong đất
- Vm = thể tích của các hạt rắn
- V = tổng thể tích đất,
độ rỗng của đất n theo định nghĩa là
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
tức là tính theo % tổng thể tích của đất
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Hệ số rỗng của đất được xác định bằng tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng và thể tích các hạt rắn:
e = VP / Vm.
Từ công thức xác định độ rỗng n ta có:
nVP + nVm = VP, từ đó Vm = VP(1-n) / n.
Thay giá trị này vào công thức của e ta được
e = n / (1-n).
Từ phương trình này ta thu được
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Hệ số độ rỗng cho biết độ chặt của đất. Nếu hệ số e càng lớn thì độ chặt của đất càng nhỏ và ngược lại. Nếu một loại đất nén dưới tải trọng bị lún, có thể xác định độ lún Δ_h_ bằng hệ số độ rỗng trước và sau khi lún.
Hãy xét một lớp đất nén được có chiều dày h (hình 5_a_). Nếu chất tải lên lớp này, nó sẽ lún xuống một đoạn Δ_h_, do đó chiều dày của nó dưới tác dụng tải trọng sẽ giảm còn h1. Vì vậy
Δ_h_ = h – h1.
Vì sự lún của đất nén được diễn ra trên phần lỗ rỗng, do các hạt rắn hầu như không nén được, và cả nước cũng vậy, nếu các lỗ rỗng của đất được nước lấp đầy một phần hoặc hoàn toàn, nên sự lún này có thể được biểu diễn sơ đồ như ở hình 5_b_.
Hình 5. Độ lún Δh của lớp đất nén được có chiều dày h dưới tải trọng
Nếu ký hiệu h0 là chiều cao giả định của lớp các hạt rắn không có lỗ rỗng, gọi là chiều cao quy đổi, thì ta có thể biểu diễn độ lún Δ_h_ so với chiều cao quy đổi h0 bằng quan hệ:
Nếu xét một lớp đất có chiều rộng và chiều dài bằng một đơn vị thì các chiều cao h, h1 và h0 biểu thị thể tích, do đó
trong đó e là hệ số độ rỗng trước, e1 sau lún. Từ công thức trên thu được độ lún
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Độ lún có thể được biểu thị theo chiều cao lớp h trước khi lún nếu thay thế giá trị chiều cao rút gọn h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
vì n = VP / V = VP / h_,_ do đó VP = nh.
Do đó thu được
Một số loại đất có các giá trị trung bình sau của độ rỗng n và hệ số rỗng e:
Độ ẩm của đất
Các loại nước trong đất
Nước trong đất xuất hiện dưới dạng nước trong các lỗ rỗng giữa các hạt rắn, gọi là nước lỗ rỗng, sau đó là nước hấp phụ trên các hạt rắn và là nước cấu tạo.
Nước lỗ rỗng gồm nước tự do giữa các hạt rắn, sự chuyển động của nó tuân theo định luật Darcy, tiếp đến là nước trọng lực, chuyển động dưới tác dụng của trọng lực từ trên xuống dưới theo mọi phương, nhưng sự chuyển động của nó không tuân theo định luật Darcy, nước mao dẫn chuyển động dưới tác dụng của lực mao dẫn và nước sức căng bề mặt, được giữ lại bởi sức căng bề mặt ở các góc giữa các hạt đất rắn và còn gọi là nước lỗ rỗng ở góc. Toàn bộ lượng nước này có thể được loại bỏ hoàn toàn bằng cách sấy đất ở nhiệt độ 110oC.
Nước hấp phụ là nước bao quanh các hạt rắn, được liên kết với chúng bằng lực phân tử. Đó là cái gọi là màng nước, có chiều dày dao động 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimicron). Ảnh hưởng của nước hấp phụ đối với các hạt lớn là không đáng kể, tuy nhiên khi hạt càng nhỏ thì ảnh hưởng của nó càng lớn, vì diện tích bề mặt tổng cộng của hạt tăng lên và do đó tỷ lệ nước hấp phụ so với các hạt rắn trong một đơn vị thể tích đất cũng tăng. Loại nước này chỉ có thể được loại bỏ một phần bằng cách sấy ở 110oC.
Nước cấu tạo là nước liên kết hóa học trong các tinh thể khoáng của các hạt rắn trong đất. Lượng nước này rất ít và không thể loại bỏ bằng cách làm khô đất. Vì vậy, nước này có thể được xem là một bộ phận cấu thành của hạt rắn.
Lượng nước trong đất
Theo định nghĩa, lượng nước trong đất hay độ ẩm của đất là tỷ lệ giữa khối lượng nước chứa trong đất với khối lượng các thành phần rắn của nó. Theo lượng nước trong đất có ba trường hợp: đất bão hòa hoàn toàn nước, đất bão hòa nước một phần và đất hoàn toàn khô.
Đất bão hòa hoàn toàn nước
Nếu ký hiệu n là độ rỗng của đất, γs là trọng lượng thể tích của toàn bộ các hạt, γw là trọng lượng thể tích của nước, thì độ ẩm của đất bão hòa wZ có thể biểu diễn bằng phương trình sau
Đất bão hòa nước một phần
Nếu ký hiệu Ww là trọng lượng nước chứa trong đất, Wd là trọng lượng các hạt rắn, tức là trọng lượng khô của đất, thì độ ẩm của đất w
w = Ww / Wd , tức là theo phần trăm trọng lượng khô của đất: w = 100 Ww / Wd.
Trong trường hợp này, độ ẩm của đất có thể được biểu thị bằng độ bão hòa Sr đại diện cho tỷ lệ giữa khối lượng nước thực tế trong đất với lượng nước trong cùng đất đó nếu tất cả các lỗ rỗng đều được lấp đầy bằng nước, tức là so với khối lượng nước của đất bão hòa:
tương ứng cho _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Các giá trị giới hạn của độ ẩm là:
- đối với đất hoàn toàn khô w = 0; Sr = 0
- đối với đất bão hòa hoàn toàn w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Hình 6. Mẫu đất bão hòa nước một phần
Mức độ bão hòa (đôi khi còn gọi là độ bão hòa hay mức độ ẩm) còn được biểu thị bằng tỷ lệ giữa thể tích lỗ rỗng chứa nước với tổng thể tích lỗ rỗng (hình 6):
Sr = V2 / V1
trong đó V2 là thể tích các lỗ rỗng chứa nước, V1 là tổng thể tích các lỗ rỗng chứa nước, không khí và khí. Nếu w là độ ẩm của đất tính theo % khối lượng khô của đất Wd, thì ta có
V2 * γW = w Wd, từ đó V2 = w Wd / γw.
Mặt khác, ta có V1 = V – Vd, nên vì Vd * γs = Wd, thì
Vd = Wd / γs và V1 = V – Wd / γs.
Do đó, độ bão hòa của đất Sr sẽ là
tức là tính theo phần trăm của trọng lượng khô của đất
Đất hoàn toàn khô
Trong trường hợp này w = 0. Toàn bộ nước trong lỗ rỗng đã được loại bỏ, còn nước hấp phụ chỉ bị loại bỏ một phần, tức là màng nước vẫn còn tồn tại, nhưng độ dày của nó đã giảm.