Đất: Hình thành, phân loại và ý nghĩa

Từ đất có nguồn gốc từ tiếng Latin 'solium' có nghĩa là lớp trên của bề mặt trái đất. Từ "đất" này có ý nghĩa khác nhau cho các ngành nghề khác nhau. Đối với một nhà nông học, đó là vật liệu bề mặt lỏng lẻo của trái đất là thực vật phát triển.

Đối với một nhà địa chất, đó là vật liệu được tạo ra do sự tan rã của đá và chưa được vận chuyển từ vị trí ban đầu. Đối với một kỹ sư, đất là sự tích tụ gia tăng của các khoáng chất hoặc các hạt hữu cơ xảy ra trong khu vực nằm trên lớp vỏ đá.

Đất là vật liệu xây dựng có sẵn rất nhiều và ở nhiều vùng, về cơ bản nó là vật liệu xây dựng duy nhất có sẵn tại địa phương. Trái đất đã được sử dụng để xây dựng các di tích, lăng mộ, nhà ở, cấu trúc giữ nước, vv từ thời của con người thời đồ đá mới. Cơ học đất là một trong những ngành trẻ nhất của kỹ thuật dân dụng bao gồm tất cả các nguyên tắc và kỹ thuật mà theo đó các tính chất của đất được nghiên cứu một cách khoa học.

Định nghĩa

Tiến sĩ Karl Van Terzaghi, được gọi là cha đẻ của cơ học đất, đã định nghĩa cơ học đất như sau:

Cơ học đất là việc áp dụng các định luật cơ học và thủy lực cho các vấn đề kỹ thuật liên quan đến trầm tích và sự tích tụ không hợp nhất khác của các hạt rắn được tạo ra bởi sự phân rã cơ học và hóa học của đá bất kể chúng có chứa phụ gia hay thành phần hữu cơ hay không.

Đối với một kỹ sư xây dựng, việc nghiên cứu hành vi kỹ thuật của các loại đất khác nhau là vô cùng quan trọng vì thực tế là tất cả các cấu trúc kỹ thuật dân dụng sẽ phải được nghỉ ngơi và thành lập trên đất. Sự thất bại của các cấu trúc phụ thuộc vào đặc tính cường độ của đất. Sức mạnh của đất chịu được tải trọng trở thành một yếu tố quan trọng trong thiết kế an toàn nền móng của cấu trúc.

Chi nhánh của khoa học liên quan đến các tính chất, tính chất và hiệu suất của đất làm vật liệu xây dựng và nền tảng được gọi là cơ học đất.

IS: 2809-1972 định nghĩa cơ học đất là một nhánh của ngành kỹ thuật liên quan đến ứng dụng khoa học đất, các định luật tĩnh và động, nguyên lý, cơ học và thủy lực cho các vấn đề kỹ thuật liên quan đến đất làm vật liệu xây dựng.

Mục tiêu của cơ học đất là:

(i) Để thực hiện điều tra dưới bề mặt và phát triển các phương pháp lấy mẫu đất.

(ii) Để phân loại các tính chất của đất cho mục đích kỹ thuật dân dụng.

(iii) Áp dụng kết quả đất vào việc sử dụng đất làm vật liệu xây dựng.

Tầm quan trọng của nghiên cứu đất trong kỹ thuật dân dụng:

Đến đầu thế kỷ hiện tại, tầm quan trọng của việc nghiên cứu các tính chất của đất không được cảm nhận. Hầu hết các tòa nhà lịch sử quan trọng được xây dựng trên cơ sở kinh nghiệm trong khu vực và kiến thức được thừa hưởng từ những người đi trước. Không có bằng chứng về bất kỳ nghiên cứu khoa học nào về đất để xây dựng nền móng của các tòa nhà / công trình này. Thất bại của các cấu trúc quan trọng thu hút sự chú ý của các kỹ sư dân sự trong lĩnh vực này.

Hầu hết các cấu trúc dân dụng nằm trên bề mặt đất, vì vậy tuổi thọ của các cấu trúc này phụ thuộc vào khả năng chịu tải của đất. Khả năng chịu lực của đất phụ thuộc vào các tính chất khác nhau của đất. Các tính chất khác nhau của đất có thể được xác định bằng các nghiên cứu / điều tra đất chi tiết.

Một khi khả năng chịu lực và các tính chất khác của đất được biết đến, thật dễ dàng để một kỹ sư / nhà thiết kế địa kỹ thuật quyết định loại móng phù hợp với một loại đất cụ thể. Thông qua các nghiên cứu về đất, một kỹ sư có thể quyết định liệu một loại đất cụ thể có phù hợp để xây dựng hay không. Một số loại đất như than bùn và silic hữu cơ có thể nén đến mức chúng không thể được sử dụng làm vật liệu nền, trong khi những loại khác như cát và sỏi là vật liệu nền tuyệt vời cho hầu hết các dự án xây dựng.

Đối với các dự án quy mô nhỏ, các kỹ sư dân sự có thể có cơ hội đoán tính chất đất dựa trên kinh nghiệm của khu vực đó. Nhưng đôi khi điều đó có thể kết thúc tốn kém hơn chi phí tiết kiệm bằng cách không điều tra đất. Một lịch sử tiền mặt như sau. Một nhà máy vôi hóa (đốt đá vôi) đã được xây dựng ở Assam. Công suất gần đúng của nhà máy là 100 tấn mỗi ngày.

Chủ dự án không quan tâm đến việc điều tra đất và công việc xây dựng đã được bắt đầu mà không có nghiên cứu về đất. Khai quật đã được bắt đầu cho nền tảng. Sau khi hoàn thành việc đào đất thủ công trong một ngày, chủ sở hữu khá hài lòng rằng nền móng có thể được đặt ở độ sâu đã được quyết định trước vì đất khá cứng. Vào ngày hôm sau, người ta thấy rằng cái hố đầy nước và đất hoàn toàn lỏng lẻo, hoạt động như một chất lỏng.

Vấn đề này đã được tiếp tục và cuối cùng nó đã quyết định dừng khai quật sau 5 mét và sau đó một kỹ sư địa kỹ thuật đã được tư vấn để rút ngắn vấn đề. Cuối cùng cọc gỗ đã được lái và móng được xây dựng. Chủ sở hữu đã phải đầu tư nhiều hơn những gì anh ta đã tiết kiệm ban đầu bằng cách không quyết định điều tra đất. Vấn đề của khu vực đó là một dòng nước chảy qua địa điểm và lớp đất dưới 1 độ sâu có khả năng chịu nén cao.

Đối với các dự án lớn như sân bay đường cao tốc, đập, v.v ... việc đoán tính chất đất có thể dẫn đến thất bại nền tảng và tổn thất kinh tế cuối cùng. Vì vậy, luôn luôn nên đi nghiên cứu đất trước khi thiết kế nền tảng của cấu trúc. Phạm vi nghiên cứu đất có thể thay đổi dựa trên tầm quan trọng của dự án và quỹ có sẵn cho cùng.

Sự hình thành của đất:

Phần bên trong trái đất ở trạng thái nóng chảy, được gọi là magma. Đá được hình thành do làm mát magma nóng chảy và những tảng đá này bị phá vỡ trong đất và đất được chuyển đổi trở lại trong đá. Chu trình này được gọi là chu kỳ địa chất như trong hình 1.1.

Đá là nguyên liệu gốc cho đất. Đất được hình thành do sự tan rã và phân hủy của đá.

Sự tan rã của đá là do:

(i) Phong hóa cơ học

(ii) Phân hủy hóa học

(iii) Phân hủy sinh học.

(1) Phong hóa cơ học:

Nó còn được gọi là sự tan rã vật lý. Trong quá trình này, sự tan rã của đá là do các cơ quan vật lý như rễ cây, sương giá, giãn nở nhiệt, v.v.

(a) Rễ cây:

Cây và cây mọc trong đá. Rễ của những cây và cây này xâm nhập vào các vết nứt và khe nứt của đá. Theo thời gian những rễ cây này trở nên dày hơn và gây ra căng thẳng trên đá gây ra sự tan rã.

(b) Sương giá:

Nước xâm nhập vào các vết nứt và khe nứt của đá trong mưa. Trong khí hậu lạnh, nước bị đóng băng và tăng thể tích. Do sự gia tăng ứng suất thể tích được gây ra trong các vết nứt gây ra sự tan rã của đá.

(c) Mở rộng nhiệt:

Đá có khoáng chất khác nhau trong đó. Khoáng sản khác nhau có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau. Do sự thay đổi nhiệt độ, các khoáng chất này mở rộng và tiếp xúc. Ứng suất được phát triển do sự mở rộng lặp đi lặp lại và co lại của đá, dẫn đến sự tan rã và hình thành đất.

(d) Độ mài mòn:

Sự mài mòn của đá xảy ra dưới tác động của:

(i) Nước chảy

(ii) Gió thổi

(iii) Băng di chuyển, được gọi là sông băng. Sự mài mòn này dẫn đến sự hình thành của đất.

(2) Phân hủy hóa học:

Nó cũng được gọi là phong hóa hóa học. Trong quá trình này, bản sắc của các hạt khoáng chất bị phá hủy và các hợp chất hóa học mới được hình thành như các hạt đất sét, silic, cacbonat và oxit sắt. Sự phân hủy hóa học phụ thuộc vào áp suất của nước, nhiệt độ và các vật liệu hòa tan trong nước. Phong hóa hóa học phụ thuộc vào bề mặt có sẵn cho phản ứng, nhiệt độ và sự hiện diện của chất lỏng hoạt động hóa học.

Các quá trình sau đây có liên quan đến phong hóa hóa học:

(i) Oxy hóa:

Đó là quá trình ion oxy kết hợp với ion sắt từ oxit sắt. Đá có chứa sắt bị phân hủy hóa học bởi quá trình oxy hóa. Phản ứng liên quan đến quá trình này là

4Fe ⁺² + 3O ₂ - = 2Fe ₂ 0 ₃

(ii) Hydrat hóa:

Hydrat hóa là quá trình khoáng chất đá kết hợp với nước tạo thành một hợp chất mới sẽ khác với khoáng chất gốc. Sự phân hủy của đá diễn ra do sự thay đổi âm lượng tạo ra các ứng suất vật lý trong đá.

(iii) Cacbonat:

Đó là quá trình carbon dioxide (CO ₂ ) có trong khí quyển kết hợp với nước tạo thành axit carbonic. Axit carbonic này phản ứng với các khoáng chất đá gây ra sự phân hủy.

Phản ứng liên quan đến cacbonat là:

CaCO3 + H ₂ O + CO ₂ = Ca (HCO ₃ ) ₂

Cacbonat rất phổ biến ở những khu vực có nhiều đá vôi.

(iv) Thủy phân:

Thủy phân là một phong hóa hóa học ảnh hưởng đến khoáng chất silicat. Trong các phản ứng như vậy, nước tinh khiết làm ion hóa nhẹ và phản ứng với khoáng silicat. Ví dụ:

Fenspat kali trong thủy phân nước có tính axit đến kaolinite, thạch anh và kali hydroxit

2KAISi ₃ O ₈ + 3H ₂ O = Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ + 4SiO ₂ + 2KOH

(v) Leaching:

Leaching là loại bỏ các vật liệu hòa tan bằng cách hòa tan chúng ra khỏi chất rắn. Trong quá trình này, một số khoáng chất hòa tan ra khỏi đá và lắng đọng riêng rẽ gây ra sự phân hủy.

(3) Phân hủy sinh học:

Việc phân hủy chất hữu cơ trong đất được thực hiện hoàn toàn bởi các vi sinh vật. Vi khuẩn và các vi sinh vật khác gây ra những thay đổi hóa học trong môi trường xung quanh bằng cách tạo ra axit hữu cơ, giúp chống lại thời tiết của đất.

Phân loại địa chất của đất:

Trên cơ sở địa chất, đất có thể được phân thành hai nhóm:

(i) Đất dư

(ii) Đất vận chuyển.

Đất còn lại:

Các loại đất còn lại ở nơi hình thành của chúng được gọi là đất còn lại. Nếu tốc độ phân hủy đá vượt quá tốc độ loại bỏ các sản phẩm phân hủy, thì sự tích lũy của đất còn lại. Độ dày của đất còn lại phụ thuộc vào khí hậu, thời gian và loại đá nguồn. Những loại đất này được tìm thấy trực tiếp trên đá mẹ. Bỏ qua đá và đá trầm tích là nguyên liệu gốc cho đất dư.

Hồ sơ đất còn lại có thể được chia thành ba khu vực:

(a) Vùng trên, nơi có mức độ phong hóa và loại bỏ vật liệu cao.

(b) Khu trung gian, nơi có một số phong hóa ở phần trên cùng của khu vực, nhưng có sự lắng đọng về phía dưới cùng của khu vực.

Đất vận chuyển:

Các loại đất được vận chuyển là các loại đất được các cơ quan vận chuyển mang đi từ nơi khác đến nơi khác. Cơ quan vận chuyển có thể là sông băng, nước, gió hoặc trọng lực. Các cơ quan vận tải hoặc hành động đơn lẻ hoặc kết hợp.

Glacier Đất vận chuyển:

Sông băng vận chuyển đất bao gồm các vật liệu được vận chuyển và lưu lại bằng sông băng hoặc bởi nước đá chảy từ sông băng. Sông băng mang theo một lượng lớn mảnh vụn khoáng chất trộn lẫn với băng và mang đi. Nó được gửi khi băng tan nhiều dặm từ vị trí ban đầu.

Những loại tiền gửi được phân biệt bằng cách sử dụng thuật ngữ sau:

(a) Moraine:

Moraine là vật liệu băng được lắng đọng bởi băng chứ không phải do nước tan chảy.

(b) Trôi:

Trôi là các vật liệu được vận chuyển bởi sông băng và lắng đọng từ nước tan chảy. Trôi có sự sắp xếp phân tầng.

(c) Đến

Till là hỗn hợp không phân tầng, không đồng nhất của đất sét hoặc phù sa trực tiếp lắng đọng bởi băng.

(d) Tiền gửi Glaciofluvial:

Tiền gửi glaciofluvial là vật liệu được vận chuyển bởi sông băng và lắng đọng bởi nước tan chảy với sự phân tầng. Chúng bao gồm các lớp mỏng màu xám trung bình xen kẽ và đất sét màu sẫm.

Đất vận chuyển nước:

Các vật liệu được vận chuyển và lưu trữ lại bằng tác động của nước được gọi là phù sa. Dòng suối được hình thành trong một thung lũng do lượng mưa lớn. Dòng nước chảy của dòng chảy mang theo nó các hạt đất khác nhau hoặc lơ lửng hoặc lăn dọc theo đáy. Do sự mài mòn của các hạt đất diễn ra và do đó làm giảm kích thước của các hạt.

Kích thước của các hạt có thể được vận chuyển bằng đất phụ thuộc vào vận tốc của nước. Nếu vận tốc nhiều hơn, nó có thể di chuyển các hạt kích thước lớn và khi vận tốc giảm dần, các hạt lớn hơn được lắng đọng. Các hạt mịn hơn được đưa đến phần dòng chảy chậm hơn khi nó được lắng đọng.

Các loại đất mang theo nước được phân loại là:

(i) Đất phù sa

(ii) Đất đá vôi

(iii) Đất biển.

Đất phù sa:

Đất được vận chuyển từ nơi tan rã bởi dòng nước chảy và lắng đọng dọc theo dòng suối được gọi là đất phù sa. Những loại đất này rất phổ biến và một số lượng lớn các cấu trúc kỹ thuật được xây dựng trên chúng. Đất phù sa thường chứa các lớp ngang xen kẽ của các loại đất khác nhau.

Đất Lacustrine:

Đất được vận chuyển bằng nước chảy và lắng đọng trong hồ được gọi là đất lacustrine. Hầu hết các loại đất lacustrine chủ yếu là phù sa và đất sét. Sự phù hợp của họ cho nền tảng dao động từ nghèo đến trung bình.

Đất biển:

Đất được vận chuyển bằng nước chảy và lắng đọng trong đại dương được gọi là đất biển. Đất biển chủ yếu là silts và đất sét và rất mềm.

Đất vận chuyển gió (Đất Aeilian):

Gió là một phương tiện quan trọng khác để vận chuyển đất. Đất được vận chuyển và lắng đọng bởi gió được gọi là đất Aeilian. Phương thức vận chuyển này thường tạo ra các loại đất được phân loại rất kém do sức mạnh phân loại mạnh của gió. Những loại đất này thường rất lỏng lẻo và có đặc tính kỹ thuật công bằng.

Đất Aeilian có hai loại:

Hoàng thổ:

Hoàng thổ là trầm tích sâu của silts được tạo ra bởi gió. Tiền gửi như vậy thường được tìm thấy theo chiều gió của sa mạc. Các khoản tiền gửi có độ xốp rất cao. Loess khá mạnh khi khô, nhưng trở nên yếu khi bị ướt.

Các đụn cát:

Những ngọn đồi thấp không đều được hình thành do tích tụ cát dọc theo một số bãi biển và ở một số khu vực sa mạc được gọi là cồn cát. Cồn cát có khả năng được hình thành nơi gió thổi liên tục chỉ từ một hướng. Những cồn cát có xu hướng di chuyển theo chiều gió. Tốc độ di cư có thể bị chậm lại hoặc dừng lại bằng cách trồng thực vật thích hợp trên cồn cát.

Trọng lực đất lắng đọng:

Đất lắng đọng trọng lực là những mảnh đất hoặc đá rời được vận chuyển xuống dốc dưới tác động của trọng lực và lắng đọng trên hoặc gần mặt đất dốc. Những loại đất này còn được gọi là đất colluvial.

Chuyển động trượt xuống có hai loại:

Chậm và nhanh. Chuyển động chậm được gọi là creep theo thứ tự milimet mỗi năm. Chuyển động xuống dốc nhanh được gọi là sạt lở.

Hồ sơ đất:

Sự hình thành đất bắt đầu trước tiên với sự phá vỡ của đá do quá trình phát triển và quá trình phát triển chân trời đất dẫn đến sự phát triển của mặt cắt đất. Một hồ sơ đất là hiển thị dọc của chân trời đất. Một hồ sơ đất được chia thành các lớp được gọi là chân trời.

Hồ sơ đất bao gồm các chân trời chính sau:

Chân trời:

Trên cùng của hồ sơ là chân trời O. Nó chủ yếu bao gồm các chất hữu cơ. Các vật chất hoặc mùn phân hủy làm giàu đất bằng nitơ, kali, vv và tăng cường đất và tăng cường giữ ẩm cho đất. Đường chân trời có thể được chia thành các loại O ₁ và O ₂ . Nguồn gốc O ₁ chứa vật liệu bị phân hủy có nguồn gốc có thể được phát hiện bằng mắt và chân trời O ₂ chỉ chứa chất hữu cơ bị phân hủy tốt mà nguồn gốc của chúng không thể nhìn thấy ngay lập tức.

Một chân trời:

Bên dưới chân trời O là chân trời A. Nó đánh dấu sự khởi đầu của đất khoáng thực sự. Trong chân trời này vật liệu hữu cơ trộn với các sản phẩm vô cơ của thời tiết. Đó là chân trời tối màu do sự hiện diện của chất hữu cơ. Độ dày của đường chân trời này thường là 25 đến 30 cm nhưng có thể dao động từ 5 đến 60 cm.

Chân trời B:

Bên dưới chân trời A là chân trời B. Nó thường được gọi là đất phụ. Chân trời B là một khu vực nơi vật chất mịn được tích lũy bằng cách thấm qua nước. Trong một số đất, chân trời B được làm giàu với canxi cacbonat ở dạng nốt sần hoặc dưới dạng một lớp. Nó có cùng màu sắc và kết cấu trong suốt chiều sâu của nó. Độ dày của đường chân trời này là 25 - 30 cm nhưng nó có thể dao động từ 10 đến 240 cm.

Chân trời B có thể được chia thành các loại B ₁, B ₂ và B ₃ . B ₁ là một chân trời chuyển tiếp từ chân trời A đến B. Nó đã bị chi phối bởi các thuộc tính của chân trời B bên dưới nó, nhưng chứa một số đặc điểm của chân trời A. B-horizons có nồng độ khoáng chất, đất sét hoặc chất hữu cơ. B ₃ chân trời và sự chuyển tiếp giữa các lớp B quá mức và vật liệu bên dưới nó.

Chân trời C:

Chân trời C đại diện cho vật liệu gốc đất, được tạo tại chỗ hoặc vận chuyển đến vị trí hiện tại của nó. Bên dưới chân trời C là nền tảng. Nó có cùng màu sắc và kết cấu trong suốt chiều sâu của nó. Độ dày của đường chân trời này dao động từ 5 đến 30 cm. Đường chân trời này cung cấp phần lớn vật liệu để xây dựng cấu trúc đất.