Xem mẫu

  1. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT THẤM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TÍNH THẤM ĐẾN SỨC KHÁNG CẮT CỦA ĐẤT BAZAN DI LINH - BẢO LỘC THÁI HỒNG ANH*, HÀ NGỌC ANH, NGUYỄN VIỆT TIẾN Permeability properties of bazan soils and its influences on shear strength at Di Linh - Bao Loc area Abstrast: Land use and management effect on hydraulic properties and shear strength of bazan soil at Di Linh - Bao Loc area in recent years. Physical and chemical properties of the soil are alterated resulting on an increase in water content due to permeation of rain water directly. The alterations of cohesion and angle of internal friction were investigated through hydraulic conductivity test and direct shear test at different saturated state of soil speciments. The results show that cohesion and angle of internal friction were decreased with increasing saturated degrees and the decrease of cohesion was more significant than that of angle of internal friction. The increase in water content created thin water layer surrounding soil clay particles. On the otherhand, kaolinite, which is the major mineral in component of bazan soil, has weak water resistance to water. The shear strength of obtained speciments after hydraulic conductivity test had smaller decrease in magnitude probably due to rigid wall method of permeability test. Keywords: Landuse, bazan soil, hydraulic properties, shear strength 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * bazan (chiếm 23,5% diện tích tự nhiên của tỉnh). Đất phát triển trên các sản phẩm phong hóa Trong đó, khu vực Di Linh và Tp.Bảo Lộc nằm của đá bazan (gọi tắt là đất bazan) là loại đất trên khối bazan trung tâm tỉnh Lâm Đồng có phổ biến nhất khu vực Tây Nguyên. Đất bazan 134.008 ha đất bazan (chiếm 58,5% diện tích có đặc trƣng cơ lý chung với khối lƣợng thể tích đất bazan toàn tỉnh) [2]. nhỏ, độ ẩm và độ bão hòa lớn do đó hệ số nén Đất bazan phân bố trong khu vực Di Linh - lún lớn, không ổn định [1]. Diện tích phân bố Bảo Lộc là sản phẩm phong hóa từ đá bazan loại đất bazan ở Tây Nguyên khoảng 1.549.292 đƣợc hình thành từ hoạt động magma Kainozoi ha, chiếm khoảng 25% diện tích tự nhiên toàn [3]. Ngoài việc sử dụng đất bazan để trồng cây vùng và chiếm trên 50% tổng diện tích đất công nghiệp nhƣ chè, cafe, hồ tiêu…thì đất bazan bazan toàn quốc, phân bố chạy dài từ tỉnh Kon còn đƣợc sử dụng để làm vật liệu xây dựng - Tum, Gia Lai, Đắk Lắk, Đắk Nông đến Lâm gạch không nung, nghiên cứu đặc tính của sét Đồng. Riêng tỉnh Lâm Đồng có 229.216 ha đất trong đất bazan để sử dụng trong công tác xử lý, ngăn cách chất ô nhiễm…[4][5][6]. Sau quá trình * Viện Địa chất - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ phong hóa từ đá, đất bazan có khoáng chất Việt Nam kaolinit hoạt tính, Fe/Al oxide và các hợp chất DĐ: 0363801689; Email: honganh224@gmail.com nên có màu đỏ hoặc màu đỏ vàng là chính, có ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 69
  2. hàm lƣợng bụi sét chiếm 60-70%, độ ẩm tự nhiên vậy, việc nghiên cứu tính chất thấm và ảnh thay đổi theo mùa từ 20 % đền 50, 60 %, dung hƣởng của tính thấm đến sức kháng cắt là cần trọng khô γk=1-1,9 g/cm3 [7]. Tính chất vật lý thiết để đánh giá và dự báo sự biến đổi tính chất của đất chủ yếu ảnh hƣởng đến đến sức kháng cơ lý của đất cũng nhƣ đánh giá tai biến địa chất cắt của đất bao gồm cấp phối thành phần hạt, độ tại khu vực nghiên cứu. lỗ rỗng, độ ẩm và tính thấm. [8] Bài báo sử dụng phƣơng pháp điều tra thực Theo số liệu của Tổng cục thống kê qua các địa, thu thập mẫu nguyên trạng; Thí nghiệm năm về hiện trạng sử dụng đất phân theo địa trong phòng xác định các chỉ tiêu cơ lý, tính phƣơng, trong những năm gần đây, tình hình sử chất vật chất và hệ số thấm của đất; Phân tích dụng đất, chuyển đổi mục đích sử dụng đất ở khu đánh giá sự tƣơng quan, biến đổi, ảnh hƣởng vực Tây Nguyên có sự thay đổi lớn. Trong gần giữa tính thấm và sức kháng cắt của đất. hai chục năm, diện tích đất nông nghiệp tăng gấp 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP 1,6 lần (với diện tích tăng thêm 760 nghìn ha), NGHIÊN CỨU đất phi nông nghiệp (đất ở và đất chuyên dùng) Mẫu đất bazan nguyên dạng đƣợc thu thập tăng 1,9 lần (với diện tích tăng thêm 167 nghìn là sản phẩm phong hóa triệt để của các thành ha). Trong khi đó, diện tích đất lâm nghiệp thu tạo bazan tại khu vực Di Linh (2 mẫu: DLM1 hẹp chỉ bằng 87% so với trƣớc (giảm bớt 411 và DLM2) và Bảo Lộc (3 mẫu: BLM1, BLM2 nghìn ha). Việc chuyển đổi mục đích sử dụng đất và BLM3). Thành phần hóa học và khoáng vật từ đất lâm nghiệp, sang đất canh tác, đất ở, đất theo kết quả phân tích huỳnh quang tia X chuyên dùng… đã làm cho môi trƣờng đất ở đây (XRF) và nhiễu xạ Rơnghen (XRD) bằng máy có sự thay đổi. Việc bóc lớp thảm thực vật đã tạo Empyren-PANalytical tại Viện Địa chất của điều kiện cho nƣớc mƣa thấm thẳng xuống các các mẫu đất đƣợc thể hiện trong bảng 1 và 2. tầng đất, rửa trôi, xói mòn các hạt đất, các cation Kết quả phân tích XRF của đất đỏ bazan có kim loại nặng…làm biến đổi thành phần hóa học các ôxit chiếm ƣu thế là ôxit nhôm, sắt và của đất, dẫn đến sự biến đổi tính chất cơ lý của sillic. Kết quả phân tích nhiễu xạ rơnghen đất. Sự thay đổi tính chất cơ lý của đất là một (XRD) cho thấy đất đỏ bazan có thành phần trong những yếu tố thúc đẩy quá trình trƣợt lở khoáng vật chủ yếu là kaolinit (31-55%), phát triển [9][10][11]. Tính thấm là yếu tố quan gibbxit (6-28%), goethit (7-20%), ít anatas, trọng ảnh hƣởng tới sức kháng cắt của đất. Vì hematit, magnetit… Bảng 1. Thành phần hóa học các mẫu đất bazan Hàm lƣợng (%) Thành phần hóa học DLM1 DLM2 BLM1 BLM2 BLM3 SiO2 27,79 39,47 30,08 39,24 29,18 TiO2 4,59 1,51 4,26 1,15 4,47 Al2O3 28,76 28,34 29,06 31,97 28,08 T-Fe2O3 22,88 15,94 22,18 12,63 24,20 MnO 0,10 0,04 0,05 0,03 0,07 MgO 0,29 0,86 0,11 0,23 0,19 CaO 0,58 0,62 0,53 0,58 0,51 Na2O 0,13 0,13 0,13 0,12 0,12 K2O 0,58 0,72 0,64 0,72 0,57 P2O5 0,29 0,22 0,26 0,23 0,24 MKN 13,74 11,88 12,42 12,86 12,11 70 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020
  3. Bảng 2. Thành phần khoáng vật các mẫu đất bazan Ký hiệu Thành phần và hàm lƣợng khoáng vật (%) mẫu Thạch Kaolinit Goethit Anatas Hematit Gibbsit Ilmenit Magnetit anh DLM1 13 42 17 5 5 15 2 - DLM2 46 39 7 4 4
  4. Khối lƣợng Khối Độ thể tích lƣợng Giới Giới Góc Lực ẩm Độ lỗ Hệ số Số thể hạn hạn ma sát dính tự tự rỗng rỗng hiệu khô tích chảy dẻo trong kết nhiên nhiên mẫu hạt W g gc Δ n e0 WL Wp φ C % g/cm3 g/cm3 g/cm3 % % % Độ kG/cm2 BLM2 40,85 1,72 1,22 2,75 55,56 1,25 74,1 53,8 18 0,54 BLM3 62,59 1,61 0,99 3,01 67,21 2,05 122,7 83,5 18 0,57 Thí nghiệm thấm bằng phương pháp cột bù lại lƣợng nƣớc đã thấm qua mẫu [12]. nước rơi (Falling head) Hệ số thấm của mẫu đất đƣợc tính theo công Các mẫu đất nguyên dạng đƣợc cắt gọt cho thức sau: vừa hộp thấm có đƣờng kính 7,1 cm, cao 10,1 k = [a.L / (A.(t1-t2)].Log(h1/h2) cm. Thí nghiệm thấm đƣợc tiến hành với hộp Trong đó: thấm cứng sử dụng phƣơng pháp cột nƣớc rơi L: Chiều cao mẫu đất; theo hƣớng dẫn trong tiêu chuẩn ASTM 5856 A: Diện tích tiết diện ngang mẫu đất; (ASTM, 2004). Nƣớc cất đƣợc cho thấm qua a: Tiết diện cột đứng; mẫu đất theo chiều từ dƣới lên trên để tránh tác t: Thời gian đƣợc ghi lại khi cột nƣớc chảy động của quá trình cố kết. Độ rơi của cột nƣớc qua mẫu; và thời gian đƣợc ghi lại sau các khoảng thời h: Giá trị mức trên và giá trị mức dƣới của gian nhất định sau đó nƣớc sẽ đƣợc bổ sung đề cột đứng đã đƣợc đo; Chú giải: 1. Hộp thấm 2. Nắp trên và nắp dƣới 3. Van 4. Gioăng cao su 5. Ống nƣớc vào 6. Ống nƣớc ra Hình 2. Ảnh chụp thí nghiệm thấm theo 7. Mẫu đất phương pháp cột nước rơi 8. Màng thấm Hình 1. Sơ đồ thí nghiệm thấm 72 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020
  5. Thí nghiệm cắt phẳng trực tiếp Thí nghiệm cắt phẳng trực tiếp đƣợc tiến hành để xác định các thông số độ bền kháng cắt của mẫu đất nguyên dạng và mẫu đất sau khi đã tiến hành thí nghiệm thấm bằng phƣơng pháp cột nƣớc rơi. Đối với mẫu đất nguyên dạng, thí nghiệm cắt phẳng trực tiếp đƣợc tiến hành ở các trạng thái tự nhiên, bão hòa sau 5h và bão hòa sau 24h. Thí nghiệm cắt phẳng trực tiếp đƣợc tiến hành theo TCVN 4199:1995. Quan hệ giữa sức chống cắt  và áp lực thẳng đứng trên mặt phẳng cắt đƣợc biểu diễn bằng phƣơng trình:  = σtgφ + C Trong đó : φ - góc ma sát trong của đất; Hình 3. Hệ số thấm của các mẫu đất bazan C - lực dính kết của đất (kG/cm2) 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết quả thí nghiệm thấm Thí nghiệm thấm bằng phƣơng pháp cột nƣớc rơi đƣợc tiến hành trên 5 mẫu đất bazan khu vực Di Linh - Bảo Lộc. Kết quả thí nghiệm để thể hiện trong hình 3. Sự biến đổi hệ số thấm theo thời gian đƣợc biển diễn qua đồ thị ở hình 4. Từ kết qủa thí nghiệm có thể thấy hệ số thấm của đất bazan khu vực Di Linh - Bảo Lộc ổn định sau khoảng thời gian thấm 650 giờ (tƣơng ứng 25-28 ngày) ở điều kiện thí nghiệm độ chênh cao cột nƣớc lúc bắt đầu là 200 cm. Hệ số thấm ở trạng thái ổn định của các mẫu đất đao động trong khoảng từ 4.9x10 -8 cm/s đến 6.7x10-7 cm/s. Sự khác nhau ở hệ số thấm Hình 4. Biến đổi của hệ số thấm theo thời gian đối với các mẫu đất bazan phụ thuộc vào thạng thái, độ chặt của các mẫu đất và thành phần Kết quả thí nghiệm cắt phẳng trực tiếp sau khoáng vật cũng nhƣ tính chất đối với nƣớc khi thấm bão hòa của các khoáng vật. Từ kết quả phân tích XRD Các đặc trƣng của sức kháng cắt 5 mẫu đất cho thấy kaolinit là khoáng vật chiếm ƣu thế bazan ở trạng thái nguyên dạng, sau bão hòa 5h, trong các mẫu đất bazan và do đó các mẫu đất bão hòa 24h và sau khi tiến hành thí nghiệm có độ lỗ rỗng lớn và độ ẩm cao nhƣng lại có thấm đƣợc thể hiện trong bảng 5. Sự biến đổi tính chất cơ học tốt về cƣờng độ. Đất có độ của của các đặc trƣng kháng cắt ở các trạng thái kháng nƣớc kém, hơn nữa, dễ bị biến đổi dƣới nguyên dạng, bão hòa 5h, bão hòa 24h và mẫu ảnh hƣởng của các yêu tố môi trƣờng nhƣ nhiệt sau khi thí nghiệm thấm đƣợc thể hiện đồ thị độ và độ ẩm [1]. trong hình 5. Trong 2 đặc trƣng về sức kháng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 73
  6. cắt của các mẫu đất, sự suy giảm của lực dính tan rã và do đó làm lực dính kết giữa các hạt kết thấy rõ hơn so với góc ma sát trong. Các giảm đi đáng kể khi bị ngâm trong nƣớc [1]. mẫu đất bazan đƣợc lấy độ lỗ rỗng lớn, khi ở Ở kết quả thí nghiệm cắt, đối với các mẫu đất trạng thái bão hòa độ dày lớp nƣớc màng mỏng sau thí nghiệm thấm, sự suy giảm của lực dính bao bọc các hạt sét tăng lên làm độ chặt cũng kết và góc ma sát trong là không đáng kể so với nhƣ lực dính kết giữa các hạt suy giảm đáng kể. mẫu đất nguyên dạng, chỉ trừ góc ma sát trong Kết quả ngày phù hợp với kết quả của Kai Cui của mẫu DLM1. Điều này có thể giải thích do và Ye Yang (2014) khi tiến hành thí nghiệm ảnh hƣởng của phƣơng pháp tiến hành thí nghiên cứu tính chất cơ lý của đất tàn tích bazan nghiệm thấm theo phƣơng pháp hộp thấm cứng, trên đồi. Sự suy giảm nhanh của lực dính kết là mẫu đất không tăng về thể tích do đó áp lực do trong thành phần khoáng của đất bazan có trƣơng nở tăng (dù nhỏ đối với đất bazan) và các khoáng chất có tính kháng nƣớc kém, dễ bị ảnh hƣởng tới độ bền kháng cắt của đất. Bảng 5. Giá trị lực dính kết và góc ma sát trong của các mẫu đất bazan Số Nguyên dạng Bão hòa 5h Bão hòa 24h Sau TN thấm hiệu φ C φ C φ C φ C mẫu Độ kG/cm2 Độ kG/cm2 Độ kG/cm2 Độ kG/cm2 DLM1 16 0,34 14 0,30 12 0,29 9 0,34 DLM2 18 0,54 15 0,44 14 0,41 17 0,41 BLM1 19 0,45 17 0,43 16 0,42 16 0,48 BLM2 18 0,54 17 0,49 17 0,45 18 0,47 BLM3 18 0,57 17 0,53 15 0,50 15 0,56 a b Hình 5. Biến đổi của lực dính kết C (a) và góc ma sát trong φ (b) của các mẫu đất bazan Ảnh hưởng của tính chất thấm đến sức (2011) tính thấm tăng nhanh ở những ngày đầu kháng cắt khi có mƣa, sau đó giảm dần và đạt cực tiểu (16 Theo kết quả tính toán mô hình thấm nƣớc ngày, đối với khu vực Cốc Pài, Xín Mần) và sau mƣa của Nguyễn Văn Hoàng, Ƣng Quốc Khang đó lại tăng chậm và có xu hƣớng ổn định. Điều 74 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020
  7. này đƣợc giải thích bởi độ hút dính giảm theo Khảo sát sự biến đổi về tính chất vật lý và hóa qui luật số mũ khi độ ẩm của đất tăng [13]. Độ học của đất bazan cần đƣợc tiến hành chi tiết ẩm của đất phụ thuộc độ ẩm bão hòa và độ thấm định lƣợng, làm sáng tỏ ảnh hƣởng của biến đổi (hệ số thấm của đất) và có quan hệ với các đặc hóa học đến tính chất vật lý của đất để phục vụ trƣng kháng cắt của đất. cho quản lý và sử dụng tài nguyên và xây dựng Tính thấm của đất không những làm thay công trình. đổi độ ẩm của đất khi có mƣa, tƣơng tác của LỜI CẢM ƠN nƣớc với các hạt đất còn có tác động làm rửa Bài báo đƣợc hoàn thành với sự giúp đỡ của trôi các hạt, các ion kim loại làm thay đổi khối Đề tài TN18/T13 thuộc Chƣơng trình Tây lƣợng thể tích của đất và kết cấu của đất. Quá Nguyên III. Các tác giả chân thành cảm ơn sự trình rửa trôi theo phẫu diện đất các cation hỗ trợ nhiệt tình của các cơ quan, Sở, Ban, kiềm, kiềm thổ và tích tụ các secquioxit Ngành, nhân dân ở khu vực nghiên cứu và Viện (R2O3), hình thành kết von (laterit) đặc trƣng Địa chất - Viện HLKHCN VN trong quá trình trên bề mặt cao nguyên bazan tuổi Pliocen - nghiên cứu. Pleistocen sớm (N 2 - Q1 ) ở khu vực Di Linh - Bảo Lộc [14]. TÀI LIỆU THAM KHẢO 4. KẾT LUẬN Quá trình thấm của các mẫu đất bazan đã [1] Kai Cui1, Ye Yang, 2014. Experimental đƣợc khảo sát bằng thí nghiệm thấm theo Study on Engineering Characteristics of Basalt phƣơng pháp cột nƣớc rơi. Hệ số thấm của đất Residual. Vols 580-583 (2014) pp 460-463 bazan phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ độ chặt, [2] Nguyễn Đình Kỳ, Lƣu Thế Anh, 2006. độ ẩm ban đầu, độ bão hòa, thành phần khoáng Thực trạng thoái hóa đất basalt Tây Nguyên và vật của mẫu đất và cả phƣơng pháp thí nghiệm. các giải pháp sử dụng hợp lý bảo vệ tài nguyên Các thông số đặc trƣng kháng cắt của các - môi trường đất. Kỷ yếu Hội nghị khoa học Địa mẫu đất đƣợc khảo sát ở các trạng thái tự nhiên, lý toàn quốc lần thứ II, tr.468-482. bão hòa 5h, bão hòa 24h và sau thí nghiệm thấm cho thấy sự suy giảm ở cả 2 thông số lực dính [3] Nguyễn Viết Ý, Ngô Thị Phƣợng, kết và góc ma sát trong, tuy nhiên sự suy giảm Phạm Thi Dung, Trần Hồng Lam, Hoàng sức kháng cắt của các mẫu đất bazan chủ yếu Việt Hằng, Điều kiện thành tạo các đá Bazan phụ thuộc vào sự suy giảm lực dính kết do sự Tây Nguyên, Việt Nam trên cơ sở nghiên cứu hình thành lớp nƣớc màng mỏng làm giảm lực đặc điểm thành phần khoáng vật. ma sát giữa các hạt đất. [4] Lƣu Thế Anh, Nguyễn Thị Thủy, Quá trình biến đổi đất bazan chủ yếu là (1) Nguyễn Đức Thành, Hoàng Quốc Nam, quá trình rửa trôi và tích tụ vật liệu sét và (2) 2015, Đánh giá hàm lượng chất hữu cơ trong quá trình phá hủy khoáng vật sét và tích lũy sắt, dất basalt canh tác các cây trong chính Đắk nhôm dẫn đến sự biến đổi về thành phần hóa Lắk, Tạp trí Các Khoa học về Trái đất, 32(2), học của đất. Sự biến đổi thành phần hóa học 110-117. diễn ra nhanh hơn khi nƣớc mƣa có điều kiện [5] Nguyễn Ánh Dƣơng, Kiều Quí Nam, thấm trực tiếp xuống mặt đất. Khi chuyển đổi Trần Tuấn Anh, 2014, Đất đỏ basalt – nguồn mục đích sử dụng, lớp vỏ thực vật bị mất đi và nguyên liệu cho sản xuất gạch không nung, Tạp do đó sẽ làm thay đổi tính chất cơ học của đất. trí Các Khoa học về Trái đất, 36(3), 214-220. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 75
  8. [6] Nguyễn Thị Thanh Nhàn, Nguyễn Nguyễn Văn Mạo, Nghiên cứu giải pháp đảm Thanh, 2012, Tính chất cơ lý đất đá và ảnh bảo an toàn thấm cho đập đất không đồng nhất hưởng của chúng đến các quá trình dịch chuyển được xây dựng bằng công nghệ đầm nén ở vùng đất đá trên sườn dốc, mái dốc và vùng đồi núi Tây Nguyên Việt Nam uảng Trị - Thừa Thiên Huế, Tạp trí Khoa học, [11] Nguyễn Thị Ngọc Hƣơng, Trịnh Đại học Huế, tập 74B, số 5, -123-132. Minh Thụ, 2013, Xác định cường độ chống cắt [7] Nguyễn Xuân Huyên, Doãn Đình của đất không bão hòa bằng thí nghiệm cắt trực Lâm, Phan Văn Hùng, Nguyễn Đăng Túc, tiếp. Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi và Phan Đông Pha, 2013, Hiện trạng một số tai Môi trƣờng, số 42, p94-99. biến địa chất điển hình khu vực Tây Nguyên, [12] Head, K. H. (1982). Manual of soil Tạp trí Khoa học Công nghệ Việt Nam, số 17, laboratory testing. volume 2: permeability, shear p24-28. strength and compressibility tests. Manual of [8] YS Wibawa1, K Sugiarti1, and E Soil Laboratory Testing, 48(10), 335-747. Soebowo, 2017 Characteristics and engineering [13] Nguyễn Văn Hoàng, Ứng Quốc properties of residual soil of volcanic deposits Khang, 2011, Mô hình thấm nƣớc mƣa phục vụ [9] Đỗ Quang Thiên, Nguyễn Đức Lý, phân tích ổn định sƣờn dốc khu vực thị trấn Cốc 2013, Nhận định về tai biến trượt lở đất đã dọc Pài – huyện Xín Mần – tỉnh Hà Giang. tuyến đường Hồ Chí Minh đoạn từ uảng Bình [14] Nguyễn Thị Thủy, Lƣu Thế Anh, đến Thừa Thiên Huế, Tạp trí Các Khoa học về Đánh giá chất lượng đất bazan dưới các loại Trái đất, 35(3), p230-240. hình sử dụng đất khác nhau khu vực Di Linh – [10] Nguyễn Quang Hùng, Mai Văn Công, Bảo Lộc, tỉnh Lâm Đồng. Người phản biện: TS. PHẠM VĂN THÌN 76 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020
nguon tai.lieu . vn