Cơ Học Đá Phần 6 ppt

Thực nghiệm ựã thấy là với các lỗ rỗng có dạng gần như hình cầu thì ựá ắt chịu nén, hệ số thấm giảm ắt còn với những ựá có những khe nứt, lỗ rỗng dẹt, ựịnh hướng theo một phương thì khi

của giaựien thuỷ lực là 1 ựơn vị về giá trị, ựộ dẫn T bằng tắch của hệ số thấm với chiều dày tầng chứa nước

Tuỳ theo giá trị của hệ số thấm của khối ựá, người ta chia mức ựộ thấm của khối ựá như sau:

Khối ựá thấm ắt, khi k < 10-8 m/s;

Khối ựá thấm vừa , khi k = 10-8 Ờ 10-6 m/s;

Khối ựá thấm mạnh , khi k = 10-6 Ờ 10-4 m/s;

Khối ựá thấm rất mạnh, khi k > 10-4 m/s;

Khối ựá dạng karst, khi k coi như vô hạn

Hệ số thấm của ựá phụ thuộc vào tất cả các yếu tố làm ảnh hưởng tới ựộ rỗng của ựá tức là dạng, kắch thước, sự ựịnh hướng, thành phần hạt, mức ựộ gắn kết giữa các hạt trong ựá

Với các ựá phân lớp, hệ số thấm theo hướng song song với mặt phân lớp thường lớn hơn hệ số thấm theo hướng vuông góc với mặt lớp rất nhiều (có khi tới

10 lần) gây nên sự dị hưởng trong tắnh chất thấm của khối ựá

Hệ số thấm còn phụ thuộc vào áp lực

tác dụng lên khối ựá Áp lực lên khối ựá tăng

lên làm các khe nứt, lỗ rỗng bị nén lại, nước

khó thấm qua hơn- do vậy hệ số thấm giảm

ựi Ờ Tuy nhiên, hiệu quả làm giảm hệ số

thấm còn phụ thuộc vào dạng các lỗ rỗng và

khe nứt Thực nghiệm ựã thấy là với các lỗ

rỗng có dạng gần như hình cầu thì ựá ắt chịu

nén, hệ số thấm giảm ắt còn với những ựá có

những khe nứt, lỗ rỗng dẹt, ựịnh hướng theo

một phương thì khi chịu nén, ựộ rỗng giảm

ựá có chứa những lỗ rỗng hình cầu thì khi áp

lực tăng lên, hệ số thấm hầu như không thay

ựổi (k=7,5.10-5m/s và 2,4.10-8m/s) Với ựá

thạch anh và ựá phiến có những khe nứt nhỏ

song song với nhau, khi áp lực tăng lên từ 0 tới 4,5 MPa, hệ số thấm của một loại ựá

ựã giảm từ 1,3 10-10m/s xuống 1,5.10-11m/s, còn ở loại ựá kia, ựã giảm từ 1,2.10-9xuống 1,9.10-10m/s

Xác ựịnh các ựặc trưng của dòng thấm

- đo áp lực nước

Việc xác ựịnh áp lực nước dưới ựất nhằm ựánh giá sự thay ựổi của nó trong quá trình thi công và khai thác công trình Trị số áp lực nước cũng ựược dùng ựể kiểm tra

Hình 2.43. Sự thay ựổi hệ số thấm khi

áp lực lên mẫu thay ựổi

1- đá vôi, 2- đá gneis, 3- đá gneis nứt nẻ, 4- đá granit

192.Cể hảc ệị

các dự ựoán của thiết kế, hiệu quả của việc thoát nước để ựo áp lực nước, người ta thường dùng các loại áp kế khác nhau nhưng ựơn giản nhất là áp kế kiểu ống ựứng

Áp kế kiểu ống ựứng (hình 2-44) gồm một ống cứng có ựầu dưới gắn với ựầu

áp kế, còn ựầu trên ựể hở đầu áp kế có thể là một ống lọc thường, một ống chất dẻo xốp hay một ống sứ thấm nước Trước khi ựặt vào trong lỗ khoan, ựầu áp kế phải ựược no nước Sau khi ựã ựặt áp kế, ựổ cát hạt thô hay sỏi xung quanh ựầu áp kế ựể làm thành một tầng lọc để cách ly tầng lọc, phắa trên nó phải ựổ sét ựể tạo thành một lớp chống thấm Phắa trên tầng này là các tầng vữa sét hay xi măng, ựất lấp ựể cách

ly tốt miệng lỗ khoan Phắa trên cùng là nắp ựậy của áp kế

Nước dưới ựất sẽ dâng lên trong ống

của áp kế ựến ựộ cao bằng cột nước áp lực

tại ựiểm ựo Chiều cao này ựược ựo bằng các

thước có gắn bóng ựèn hay chuông ựể báo

hiệu khi chúng ựã tiếp xúc với nước

Ngoài ra người ta cũng còn dùng loại

áp kế kiểu ựiện hay kiểu khắ nén có thể ựo

ựược áp lực nước trong các vật liệu có ựộ

dẫn thuỷ lực thấp (như ựất sét hay các khe

nứt cách xa nhau trong ựá) hay ựặt ở những

vị trắ không thể tới gần ựược (như phắa sau

vỏ chống của hầm hay dưới ựáy ựập) trong

các quá trình giám sát lâu dài

- Xác ựịnh ựộ dẫn thuỷ lực và

lượng mất nước ựơn vị

để sử dụng ựược ựịnh luật Darcy trong

tắnh toán phải xác ựịnh ựược ựộ dẫn thuỷ lực

(hay hệ số thấm) của khối ựá

đá thấm rất chậm so với ựất Lượng

nước thấm qua ựá trong 1h có khi chỉ

khoảng 0,01cm3 để xác ựịnh ựộ dẫn thuỷ lực của ựá, người ta có thể thắ nghiệm trên mẫu ựá hay tại thực ựịa

+ Với mẫu ựá có thể dùng phương pháp thắ nghiệm của trường Bách khoa Paris (Pháp): mẫu ựá thắ nghiệm có ựường kắnh từ 36 Ờ 60mm, dài từ 72 Ờ 150mm ựược làm sạch và no nước (thời gian ựể mẫu no nước có thể tới hàng tháng), bọc quanh mẫu bằng một lớp màng chất dẻo rồi ựặt mẫu vào trong buồng áp lực với

áp lực từ 0,8 Ờ 100MPa Từ biểu thức của ựịnh luật Darcy ựã viết ở phương trình 90), khi thắ nghiệm với mẫu ựá có thể viết:

(2-F.l

p

1.k

η

trong ựó: Q là lưu lượng nước thấm qua mẫu;

∆p là áp lực chênh lệch giữa hai ựầu mẫu;

Hình 2-44. Áp kế kiểu ống ựứng

l là chiều dài của mẫu;

F là tiết diện ngang của mẫu

Do vậy

p.F

lQk

Qlk

∆

+ Với khối ñá nguyên trạng, ñể xác ñịnh hệ số thấm tại thực ñịa, người ta

có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau như hút nước tại các lỗ khoan, ép nước thí nghiệm trong các lỗ khoan, hay ñổ nước thí nghiệm trong các hố ñào…

Thực tế khảo sát thường hay áp dụng phương pháp ép nước thí nghiệm vì nó ñơn giản, rẻ tiền, nhanh chóng xác ñịnh ñược hệ số thấm của ñá bị ngập nước và không bị ngập nước

Người ta có thể dùng 1 nút ñể cách ly khoảng cuối cùng của lỗ khoan ñể làm thí nghiệm hay bằng hai nút ñể xác ñịnh hệ số thấm của ñá trong một khoảng nào ñó (giữa hai nút) của ñá trong lỗ khoan Trong các khoảng thí nghiệm, nước ñược ép vào ñá với một áp lực nào ñó Tuỳ theo tính chất nứt nẻ, ñộ thấm của ñá mà lượng nước thấm vào ñá sẽ nhiều hay ít và từ ñó sẽ xác ñịnh lượng mất nước ñơn vị q là lượng nước tính bằng lít thấm vào ñá sau 1 phút thí nghiệm trên chiều dài 1m lỗ khoan khi chịu một áp lực không ñổi bằng 0,01MPa (tương ñương với 1m cột nước), ðại lượng này ñặc trưng cho tính thấm nước của ñá ðơn vị tính của lượng mất nước ñơn vị là luygiông (lugeon), ký hiệu là L Lugeon là lượng mất nước ñơn vị bằng lượng nước thấm vào ñá là 1l/ph trong ñoạn lỗ khoan dài 1m khi chịu áp lực không ñổi là 1MPa sau 10’ thí nghiệm

Do nước ñi vào các lớp ñá dưới tác dụng của áp lực nên mực nước trong lỗ khoan bị giảm ñi ðể ñảm bảo áp lực nước không ñổi phải tiếp tục bơm nước vào Tuỳ theo lượng nước này mà người ta cũng tính ñược lượng mất nước ñơn vị theo công thức:

lh

Q

trong ñó: Q là lưu lượng nước bơm vào lỗ khoan (l/ph);

l là chiều dài ñoạn lỗ khoan thí nghiệm (m);

h là áp lực thực tế trong ñoạn thí nghiệm (m)

Theo TCVN 4253-86 thì mức ñộ thấm của khối ñá có thể phân loại như trong bảng 2-10

Bảng 2-10

Mức ñộ thấm nước Lượng mất nước

ñơn vị q (l/ph.m 2 )

Lượng mất nước ñơn vị q, lugeon

ðộ dẫn thuỷ lực K (m/ngñ)

1 – 10

> 10

Lượng mất nước ñơn vị chỉ là một ñại lượng tương ñối, kết quả xác ñịnh nó phụ thuộc rất nhiều vào ñộ rỗng, mức ñộ nứt nẻ của ñá ñịnh nghiên cứu, chiều dài ñoạn lỗ khoan thí nghiệm, áp lực nước bơm vào và một loạt các yếu tố khác ðại lượng này không sử dụng ñược ñể tính toán tính thấm nước của ñá, nhưng những tài liệu thu ñược trong khi ép nước thí nghiệm ở các lỗ khoan riêng biệt có thể dùng ñể suy rộng cho toàn bộ khối ñá Bằng các hệ số chuyển ñổi xác ñịnh ñược khi hút nước

và ép nước thí nghiệm tại cùng một ñoạn lỗ khoan, người ta có thể ñánh giá ñược hệ

số thấm của khối ñá Thực nghiệm có thể coi 1L ≈ 10–5

QK

−

=

trong ñó: Q là lưu lượng nước bơm vào các lỗ khoan;

H là cột nước áp ban ñầu;

h là cột nước còn lại trong lỗ khoan;

hln)tt(F

Ak

−

trong ñó: A là diện tích tiết diện ngang của lỗ khoan;

F là hệ số hình dáng của lỗ khoan có thể lấy bằng (2 – 2,75) D (D là ñường kính lỗ khoan)

h1 và h2 là chiều cao cột nước trong lỗ khoan tại thời ñiểm t1 và t2

Với các khối ñá nứt nẻ có các khe nứt có chiều rộng là e, song song và cách nhau một khoảng l thì theo J.L.Serafim (1968), có thể tính hệ số thấm theo công thức:

l12

196.Cể hảc ệị

- độ ẩm của ựá càng tăng thì hệ số dẫn nhiệt của ựá cũng tăng theo Thực nghiệm ựã thấy là khi bị no nước, hệ số dẫn nhiệt của sét ựã tăng lên 6 Ờ 8 lần so với sét ở trạng thái khô điều này có thể giải thắch là do λ của nước hay hơi nước ựều lớn hơn λ của không khắ chứa trong các lỗ rỗng

- Nhiệt ựộ cũng ảnh hưởng ựến hệ số dẫn nhiệt Nói chung, khi nhiệt tăng, thì hệ số dẫn nhiệt giảm Một số tác giả ựã ựưa ra công thức thực nghiệm biểu thị quan hệ này:

trong ựó: λ là hệ số dẫn nhiệt;

T là nhiệt ựộ tuyệt ựối;

A là một hệ số phụ thuộc từng loại ựá Với ựá quarzit, granitẦ thì

A = 900 Ờ 1600

Người ta cũng nghiên cứu thấy hệ số dẫn nhiệt của ựá kết tinh thường lớn hơn của ựá vô ựịnh hình, hệ số dẫn nhiệt theo hướng vuông góc với mặt phân lớp thường nhỏ hơn so với hướng song song Hệ số dị hướng về tắnh dẫn nhiệt của ựá gneis là 1,44, của ựá hoa là 1,02, của ựá vôi là 1,35Ầ Trước kia ựơn vị của λ là cal/m.h.oC Ngày nay, theo hệ SI, ựơn vị của λ thường là W/moC

Nhiệt dung c là lượng nhiệt cần thiết cung cấp cho 1kg khối lượng hay 1m3thể tắch ựá ựể nhiệt ựộ của nó tăng lên 1oC

Khi tắnh cho 1kg khối lượng, sẽ ựược nhiệt dung khối lượng hay nhiệt khối, ký hiệu là cm ựơn vị tắnh là (J/kg.oC)

Khi tắnh cho 1m3 thể tắch, sẽ ựược nhiệt dung thể tắch hay nhiệt thể tắch, ký hiệu là cv , ựơn vị tắnh là (J/m3 .oC)

Giữa hai ựại lượng này có sự liên hệ

trong ựó: ρc là khối lượng thể tắch của ựá ở trạng thái khô

Nhiệt dung càng lớn, ựá càng khó thay ựổi nhiệt ựộ Vì vậy nhiệt dung ựặc trưng cho quán tắnh nhiệt của ựá

Hệ số khuếch tán nhiệt hay hệ số phân bố nhiệt ựộ α ựặc trưng cho khả năng làm ựồng ựều nhiệt ựộ tại các ựiểm trong khối ựá, ựược tắnh theo công thức:

vc

ựộ tại các ựiểm khác nhau trong khối ựá càng rõ rệt

Thực nghiệm thấy là hệ số α tỷ lệ nghịch với nhiệt ựộ, ựộ ẩm của ựá và tỷ lệ thuận với ựộ rỗng của nó, α ựược tắnh bằng m2/s đôi khi, người ta cũng dùng ựơn vị

m2/h

Hệ số giãn nở nhiệt β là sự thay ñổi tương ñối về thể tích của ñá khi nhiệt ñộ tăng lên 1oC

TV

ðơn vị tính của hệ số β là 1/o

C

Hệ số β của ñá cũng phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

Khi khối lượng thể tích của ñá càng tăng thì hệ số β càng giảm

Quan hệ giữa ñộ rỗng và hệ số β ñược biểu diễn theo quan hệ:

n1

0 −β

=

trong ñó: βo là hệ số giãn nở nhiệt của khoáng vật ñồng nhất

Khi nhiệt ñộ tăng thì hệ số β cũng tăng Theo V.V.Rzhevki và G.Ja.Novik thì:

trong ñó: a là hệ số, với ña số các loại khoáng vật có giá trị là 1,25

10–3

T là nhiệt ñộ tuyệt ñối

Hệ số β cũng thay ñổi theo hướng song song hay vuông góc với mặt phân lớp trong các ñá phân lớp Thực nghiệm thấy là hệ số β theo hướng song song với mặt lớp nhỏ hơn hệ số này khi xác ñịnh theo phương vuông góc với mặt lớp

Vì sự thay ñổi thể tích của ñá dưới tác dụng của nhiệt là sự thay ñổi kích thước của cả ba chiều trong khối ñá Người ta cho rằng trong ñá ñồng nhất thì:

với αt là hệ số giãn nở theo chiều dài, ñược xác ñịnh theo công thức:

T

L.L

1t

C = Cal/mhoC) Muốn ñổi ra ñơn vị W/moC phải nhân với hệ số 1,163 (lưu ý là 1cal = 4,1868J và W = J/s) Tương

Hệ số giãn nở nhiệt, ββββ.10 5

(2)

0,15 Ờ 0,21 0,04 0,04 0,13 Ờ 0,19

0,04 0,16 Ờ 0,25 0,05 0,1 0,2

0,54 0,5 Ờ 0,89 1,1 0,3 Ờ 1,5 0,5 Ờ 1,2

Giới hạn thay ựổi của λ là 0,17 Ờ 10 kcal/mhoC

Theo tắnh chất ựiện, vật rắn có thể chia làm ba nhóm:

Vật cách ựiện hay ựiện môi, trong ựó ựa số các hạt mang ựiện ựều ở trạng thái liên kết

Vật bán dẫn trong ựó các hạt tắch ựiện liên kết với nhau yếu Dưới tác dụng của ựiện từ trường hay nhiệt bên ngoài, các hạt ấy ựược bổ sung năng lượng và số các hạt tắch ựiện tự do cũng tăng lên

Vật dẫn ựiện coi như gồm các ion dương nằm trong môi trường các ựiện tử tự

do, có khả năng dịch chuyển trong thể tắch vật chất

đá và các khoáng vật có thể là chất cách ựiện (như kim cương, mica, ựá bazan khôẦ) là chất bán dẫn (như ựá bazan ẩm, ựá granitẦ) hay chất dẫn ựiện (như graphit, các quặng kim loạiẦ)

để ựặc trưng cho tắnh chất ựiện của ựá, người ta thường dùng một số chỉ tiêu như ựộ thấm ựiện môi, tắnh dẫn ựiện (hay ựiện trở suất) và tổn thất ựiện môiẦ nhưng thường dùng nhất là tắnh dẫn ựiện

Tắnh dẫn ựiện của ựá là khả năng ựá ựể dòng ựiện ựi qua, nó có thể ựược ựặc trưng bằng ựộ dẫn ựiện ζ có ựơn vị là 1/Ωm hay ựiện trở suất ρ có giá trị bằng nghịch ựảo của ựộ dẫn ựiện, tắnh bằng Ωm,

Tắnh dẫn ựiện của ựá thay ựổi trong một phạm vi khá rộng, phụ thuộc vào thành phần của chúng đa số các khoáng vật tạo ựá ựều có ựộ dẫn ựiện kém (ρ =

1012 Ờ 1020 Ωm) Trong các ựá phân lớp, khi theo phương song song với mặt lớp thì:

(2-113) Thường thì ζ⊥ < ζ// nên tạo ra sự dị hướng trong tắnh dẫn ựiện của ựá

độ ẩm cũng ảnh hưởng tới tắnh dẫn ựiện của ựá Do ựộ dẫn ựiện của nước lớn hơn ựộ dẫn ựiện của khoáng vật tạo ựá rất nhiều nên khi ựộ ẩm của ựá tăng lên làm

ựộ dẫn ựiện của ựá cũng tăng (ựiện trở suất của ựá giảm ựi) Tuy nhiên, mức ựộ thay ựổi ựộ dẫn ựiện của ựá còn phụ thuộc vào ựộ thấm của ựá

Thắ dụ ựiện trở suất của cát bão hoà nước nhạt từ 10 Ờ 30Ωm, nhưng khi bão hoà nước khoáng, ựiện trở suất chỉ còn 2 Ờ 0,1Ωm

Nhiệt ựộ cũng ảnh hưởng tới ựộ dẫn ựiện của ựá theo lý thuyết lượng thể về sự dẫn ựiện: nhiệt ựộ càng tăng thì ựộ dẫn ựiện cũng tăng theo: khi tăng tới 60oC, ựộ dẫn ựiện của ựá ựã tăng từ 20 Ờ 10q lần đá có ựộ dẫn ựiện ban ựầu thấp thì mức ựộ tăng

do ảnh hưởng của nhiệt ựộ càng mạnh

Theo V.V.Rzhevxki và G.Ja.Novik (1973) thì ựiện trở suất của một số loại ựá

đá hoa Periựotit Quặng magnetit Quặng pyrit Syenit

200.Cơ học đá

Ngoài cỏc tớnh chất nhiệt, ủiện của ủỏ, trong những mục ủớch khỏc, người ta cũn nghiờn cứu tớnh chất từ (với cỏc ủặc trưng như ủộ thấm từ, ủộ nhiễm từ, ủộ cảm từ…) hay tớnh chất phúng xạ của ủỏ nữa

Chương 3

KHẢO SÁT VÀ ðÁNH GIÁ KHỐI ðÁ

Trong thực tế xây dựng, các công trình có thể ñược tiến hành trên ñá, trong ñá

hay làm bằng ñá Muốn thiết kế và thi công công trình có kết quả, phải có những dự

báo về ñá , nước dưới ñất và trạng thái ứng suất của nền ñá Vì vậy việc khảo sát,

ñánh giá khối ñá là việc làm rất quan trọng và cần thiết

Việc khảo sát ñịa chất công trình (trong ñó có khối ñá ) ñã ñược trình bày nhiều

trong các giáo trình ñịa chất công trình, trong các chuyên khảo…Ở chương này chỉ

nêu những ñiểm cơ bản nhất khi khảo sát khối ñá ở hiện trường, ñánh giá và phân

loại chúng ñể sử dụng thuận lợi trong thiết kế và thi công công trình trong ñá

3.1 KHẢO SÁT KHỐI ðÁ

3.1.1 MỤC ðÍCH VÀ NỘI DUNG KHẢO SÁT KHỐI ðÁ

3.1.1.1 Mục ñích khảo sát

Việc khảo sát khối ñá tại hiện trường nhằm một số mục ñích sau:

Tìm hiểu cấu trúc của khối ñá gồm những thông tin về sự phân bố, thành

phần, kiến trúc, cấu tạo, thế nằm của ñá trong khu vực sẽ xây dựng công trình

Nghiên cứu, các ñặc ñiểm của khối ñá như tính không ñồng nhất, tính dị

hướng và tính gián ñoạn của khối ñá

Nghiên cứu, xác ñịnh các tính chất của khối ñá như mức ñộ phong hoá, tính

chất nứt nẻ, tính chất cơ học và một số tính chất ñặc biệt khác

Nghiên cứu nước dưới ñất qua sự phân bố, các ñặc trưng ñịa chất thuỷ văn

và ảnh hưởng của chúng ñến xây dựng công trình

Nghiên cứu sự phân bố ứng suất và trị số ứng suất tự nhiên trong khối ñá ở

nền công trình

3.1.1.2 Nội dung khảo sát

ðể thực hiện ñược mục ñích của khảo sát, nội dung khảo sát khối ñá bao gồm

một số công việc sau:

Thu thập và nghiên cứu các tài liệu ñã có, liên quan ñến khu vực xây dựng

Việc thu thập, phân tích và tổng hợp tài liệu ñã có giúp cho việc ñánh giá mức

ñộ phức tạp của ñiều kiện ñịa chất công trình ở khu vực ñịnh nghiên cứu- Bằng việc

kế thừa các kết quả ñã có ở tài liệu cũ, sẽ ñịnh hướng ñúng ñắn cho các công việc

tiếp theo

Khảo sát khái quát tại thực ñịa

Cơ học đá.203

Bằng việc trực tiếp khảo sỏt thực ủịa sẽ ủỏnh giỏ, làm chớnh xỏc hơn những tài liệu ủó thu thập ủược, trờn cơ sở ủú sẽ ủề ra ủược nội dung của cỏc cụng việc trong giai ủoạn tiếp theo

Thăm dũ tại thực ủịa bằng cỏc phương tiện khảo sỏt khỏc nhau ủể giải quyết những tồn tại khi ủo vẽ tại thực ủịa Việc thăm dũ này cú thể tiến hành bằng cỏc phương phỏp thủ cụng(như ủào cỏc hố, cỏc giếng thăm dũ) hay cơ giới (như cỏc loại mỏy khoan) hay bằng cỏc thiết bị ủịa- vật lý (như ủo ủịa chấn, ủo ủiện trở suất của ủỏ…)

Thớ nghiệm trong phũng ủể xỏc ủịnh cỏc chỉ tiờu tớnh chất của mẫu ủỏ ủược lấy từ thực ủịa, ủồng thời tiến hành cỏc thớ nghiệm hiện trường ủể làm chớnh xỏc thờm cỏc kết quả ủể xỏc ủịnh ủược trong phũng, nghiờn cứu tỡm cỏc tương quan thực nghiệm giữa cỏc chỉ tiờu của mẫu ủỏ và khối ủỏ ủể sử dụng trong thiết kế, tớnh toỏn xõy dựng cụng trỡnh Nhiều thớ nghiệm hiện trường cũng ủược tiến hành ủể xỏc ủịnh cỏc thụng số ủịa chất thuỷ văn hay trạng thỏi và trị số ứng suất ban ủầu tại cỏc ủiểm trong khối ủỏ

Quan trắc lõu dài ủể chỉnh lý cỏc tài liệu ủó sử dụng trong thiết kế, thi cụng

và khai thỏc cụng trỡnh

Cỏc cụng trỡnh thường cú thời gian sử dụng lõu Theo thời gian, tớnh chất của

ủỏ và vật liệu xõy dựng cụng trỡnh cũng bị thay ủổi Việc quan trắc lõu dài sẽ gúp phần chỉnh lý cỏc số liệu ủó cú trong thời gian trước, ủịnh hướng cho việc ủề suất cỏc biện phỏp ủể ủảm bảo khai thỏc cụng trỡnh ổn ủịnh lõu dài

3.1.2 NGUYấN TẮC CƠ BẢN TRONG KHẢO SÁT KHỐI ðÁ

Khảo sỏt khối ủỏ là một cụng việc phức tạp, ủũi hỏi phải sử dụng cỏc thiết bị dựa trờn những thành tựu của khoa học và kỹ thuật tiờn tiến kết hợp với tư duy lao ủộng khoa học sỏng tạo của con người

Khi khảo sỏt, một số nguyờn tắc phải tuõn theo là:

3.1.2.1 Nguyờn tắc kế thừa

Nguyờn tắc này nhằm tận dụng cỏc tài liệu cỏc kết quả ủó thu ủược của cỏc giai ủoạn khảo sỏt và phương phỏp khảo sỏt trước ủú

Trờn cơ sở phõn tớch cỏc tài liệu của giai ủoạn trước, kế thừa nhưng cú chọn lọc

sẽ khụng chỉ tiết kiệm ủược về mặt kinh phớ mà cũn giỳp cho việc ủịnh hướng, lập phương ỏn khảo sỏt trong cỏc giai ủoạn sau, rỳt ngắn thời gian và ủạt kết quả khảo sỏt tốt nhất

Thụng thường, kinh phớ khảo sỏt chiếm khoảng 2,5% kinh phớ xõy dựng cơ bản ủối với những cụng trỡnh cú ủiều kiện ủịa hỡnh cấu trỳc chất ủơn giản, giao thụng thuận tiện và cú thể lớn hơn, tới 5% cho những cụng trỡnh ở cỏc vựng sõu, vựng xa và ủiều kiện ủịa chất phức tạp Với nguồn kinh phớ cú hạn như vậy, việc kế thừa cú chọn lọc kết quả khảo sỏt cú trước là một nguyờn tắc khụng thể quờn trong khi khảo sỏt khối ủỏ, gúp phần ủem lại hiệu quả kinh tế của việc khảo sỏt

3.1.2.2 Nguyên tắc giai ñoạn

Việc khảo sát khối ñá phải ñược tiến hành dần dần theo các giai ñoạn khác nhau, ñi từ khái quát ñến chi tiết, từ ñịnh tính ñến ñịnh lượng, từ khu vực lớn ñến diện tích hẹp…ñể phục vụ cho việc chuẩn bị ñầu tư và thực hiện ñầu tư các dự án xây dựng công trình Ứng với mỗi giai ñoạn, người ta sẽ có những quy ñịnh cụ thể về mục ñích, nội dung và khối lượng công việc phải tiến hành

Trong thời kỳ chuẩn bị ñầu tư, việc khảo sát khối ñá nhằm mục ñích lập ñược báo cáo nghiên cứu tiền khả thi và báo cáo nghiên cứu khả thi

Trong thời kỳ thực hiện ñầu tư, việc khảo sát nhằm mục ñích lập ñược thiết kế

kỹ thuật và thiết kế bản vẽ thi công

Khi hoàn thành ñầu tư, kết thúc việc xây dựng công trình cũng phải khảo sát tại thực ñịa, nhằm ñánh giá, so sánh các số liệu thực tế với các dự báo ban ñầu, các tác ñộng của việc khai thác công trình với môi trường xung quanh…

Tuỳ ñiều kiện cụ thể của công trình xây dựng và mức ñộ quan trọng của nó, trong những ñiều kiện cho phép, người ta có thể gộp hai giai ñoạn vào làm một Trong mỗi giai ñoạn khảo sát trên, phương pháp và khối lượng công việc khảo sát ñược lựa chọn trên các cơ sở sau:

- Mức ñộ phức tạp của các ñiều kiện ñịa chất ở khu vực xây dựng công trình

- Quy mô công trình và ý nghĩa kinh tế- xã hội của nó

- Mức ñộ nghiên cứu ñịa kỹ thuật của khu vực xây dựng

- Phạm vi sử dụng của các phương pháp khảo sát và khả năng trang bị các thiết bị khảo sát của ñơn vị thi công

Tổng hợp các nhiệm vụ khảo sát, các phương pháp khuyến nghị và kết quả của các giai ñoạn khảo sát có thể tóm tắt trong bảng 3.1 (theo Nghiêm Hữu Hạnh, 2001)

Tổng hợp nhiệm các vụ khảo sát hiện trường

Bảng 3.1 Giai ñoạn Nhiệm vụ Các phương pháp khuyến nghị Kết quả

Nghiên cứu các ñiều kiện ñịa chất, ñịa mạo theo các tài liệu lưu trữ:

nghiên cứu ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, thực hiện các lộ trình ñịa chất, lập bản ñồ tổng quan

Kết luận ñánh giá

Luận

chứng

Lựa chọn vị trí hoặc tuyến xây

Nghiên cứu lập bản ñồ ñịa kỹ thuật (ðKT) Nghiên cứu ñịa chất, ñịa

Kết quả sơ

bộ về ñiều

mạo dựa trên các công trình khảo sát ñã có sẵn(giếng, taluy, bờ dốc, trạng thái công trình); tiến hành khảo sát (ñịa vật lý, khoan, ñào) với khối lượng không lớn

kiện ðKT

ở khu vực với các ñặc ñiểm về ñiều kiện ñịa chất, ñịa mạo, ñịa chất thuỷ văn Thiết kế

kỹ thuật

và tổng dự

toán

Thu thập các số liệu ñầu vào ñể luận chứng về ñộ tin cậy và tính hiệu quả của công trình, chọn vị trí cho từng loại công trình cụ thể, chọn loại kết cấu

và phương pháp thi công, kết luận

về mức ñộ phù hợp của vật liệu xây dựng

Nghiên cứu ðKT trong quá trình

ño ñạc ñịa chất: Lập bản ñồ ðKT

có kèm theo các công trình khảo sát (ñịa vật lý, khoan, ñào); thí nghiệm trong phòng và hiện trường; các thí nghiệm ñịa chất thuỷ văn Thăm dò

tỷ mỷ vật liệu ñịa phương (các thí nghiệm trong phòng và hiện trường); tính toán trữ lượng Báo cáo về ñiều kiện ðKT của nền công trình

Kết luận

về ñiều kiện ñịa chất công trình các hạng mục, ñối tượng

cụ thể, ñánh giá ñịnh lượng các chỉ tiêu

cơ lý của ñất ñá

xử lý nền Tư vấn các vấn ñề ðKT xuất hiện trong quá trình xây dựng; nghiệm thu hoàn công nền;

lập hồ sơ các công trình khảo sát trong xây dựng

Lập hồ sơ ðKT tất cả các công trình khảo sát trong thi công Tư vấn lắp ñặt các thiết bị quan trắc;

giám sát việc sử dụng vật liệu ñịa phương; kiến nghị các biện pháp gia cường nền công trình

Các tư liệu, hồ sơ xây dựng; báo cáo trung gian; các kết luận

Kết thúc

xây dựng

So sánh các kết quả khảo sát, lập

hồ sơ các công trình khai ñào trong xây dựng

ðối chứng ñiều kiện làm việc của

Phân tích kết quả quan trắc, nghiên cứu tính hiệu quả của các biện pháp ñặc biệt khác nhau: nghiên cứu các quá trình tự nhiên phát sinh do tác ñộng của xây dựng hoặc vận hành công trình

Báo cáo, công bố, tham gia lập hồ sơ công trình

công trình với những dự báo ðKT trong các giai ñoạn

3.1.2.3 Nguyên tắc kết hợp

Trong thực tế khảo sát, mỗi phương pháp khảo sát ñều có những ưu, nhược ñiểm và phạm vi sử dụng riêng Kết hợp chúng lại, các phương pháp sẽ bổ sung cho nhau, nâng cao và làm chính xác thêm kết quả khảo sát

Thực tế ñã thấy là hiệu quả khảo sát sẽ tăng lên rất nhiều khi áp dụng nhiều phương pháp khảo sát và thí nghiệm cùng một lúc

3.1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT

Việc khảo sát khối ñá tại hiện trường có thể ñược tiến hành bằng nhiều phương pháp khác nhau từ những dụng cụ ño vẽ ñơn giản ñến các thiết bị, máy móc phức tạp

3.1.3.1 ðo vẽ ñịa chất

Bằng mắt thường và các dụng cụ ño ñạc ñơn giản kết hợp với tư duy khoa học, người ta có thể thu thập ñược rất nhiều thông tin về các vết lộ ñá, sự phân bố cũng như kiến trúc, cấu tạo của khối ñá trong vùng ñịnh nghiên cứu

ðối với ñá cần ghi chép tên ñá, màu sắc, thành phần khoáng vật, cỡ hạt, tính phân lớp, thế nằm của các lớp ñá…

ðối với các khe nứt phải xác ñịnh ñược vị trí của khe nứt trong không gian, số lượng và loại các khe nứt, các ñặc tính của hệ thống khe nứt

3.1.3.2 Phương pháp chụp ảnh

Chụp ảnh là phương pháp nghiên cứu, thăm dò từ xa (cũng gọi là viễn thám) nhằm thu ñược những hình ảnh của vùng ñá ñịnh nghiên cứu- Bằng phương pháp chụp ảnh sẽ loại trừ ñược các sai số chủ quan, có khả năng khảo sát những vùng rộng lớn, phát hiện ñược các ñặc ñiểm ñịa chất của khu vực như các uốn nếp, ñứt gãy và

có thể khảo sát từ xa, những vùng ñịa hình khó khăn mà không thể trực tiếp ñến gần ñược

Việc chụp ảnh có thể ñược thực hiện trên mặt ñất (bằng các máy ảnh thông thường) hay từ trên máy bay (bằng các máy ảnh hàng không chuyên dụng) ðể xử lý các ảnh chụp, có thể bằng mắt thường hay bằng các kính lập thể

Trong những trường hợp ñặc biệt, phải sử dụng việc chụp ảnh bằng các tia hồng ngoại hay ra ña và tia cực tím thu ñược các bức xạ sóng ngắn và cao tần có ñộ xuyên thấu lớn Sóng ra ña chỉ phản xạ với ñất ñá, mặt nước mà không phản xạ với thực vật và mây- ðiều này cho phép sử dụng chúng trong vùng rừng rậm hoặc quanh năm mây phủ hay ñể nghiên cứu trạng thái no nước của ñất ñá

có thể sử dụng các phương tiện cơ giới như máy ñào, xe ủi…

Hố ñào thường có dạng chữ nhật, kích thước khoảng 1,5x2,5m Chiều sâu

hố ñào phụ thuộc vào tính chất của ñất ñá nhưng cũng không quá 4m, với các hố ñào sâu thì phải ñào theo kiểu bậc thang, phải chống thành hố ñào khi ñào trong những ñiều kiện ñịa chất phức tạp, trong các ñá yếu…

Hào thăm dò có thể chạy dài hàng chục mét theo một hướng nào ñó ñể theo dõi sự phân bố của các lớp ñá Cũng như hố ñào, khi cần thiết, phải chống thành hào, giữ cho thành hào không bị sập lở

Giếng thăm dò ñược tiến hành khi ñịnh nghiên cứu sự phân bố các lớp ñá theo chiều sâu Chiều sâu của giếng có thể tới hàng chục mét Trong vùng ñá không

ổn ñịnh, phải chống thành giếng bằng các vì chống bằng gỗ

Lò thăm dò là những công trình nằm ngang, ñào sâu vào trong lòng ñá ñể nghiên cứu lớp vỏ phong hoá hay tính chất của các lớp ñá Tiết diện lò thường là hình thang, chiều rộng khoảng1,4-1,8m và chiều cao khoảng 1,8-2m Lò càng ñào sâu, ñá càng không ổn ñịnh thì càng phải chống lò bằng các vì chống bằng các loại vật liệu khác nhau nhưng thường là bằng gỗ Phải có hệ thống chiếu sáng, thông gió, thoát nước cho các lò thăm dò

Nói chung, khi khảo sát bằng các công trình thủ công, phải ño vẽ thế nằm của

ñá, các yếu tố nứt nẻ của ñá ñồng thời phải quan sát, mô tả ñá bằng tên, màu sắc, cấu tạo và kiến trúc của chúng Với các khe nứt, cần ghi chép kích thước, số lượng và loại khe nứt, hệ thống khe nứt Với từng hệ khe nứt, phải quan sát và ño thế nằm, khoảng cách, ñộ nhám, chất lấp ñầy và ñặc trưng của nước dưới ñất

Trong các công trình thủ công, phải lấy mẫu ñá ñại diện cho từng lớp Các mẫu

ñá yếu phải ñược bảo quản cẩn thận và chuyển tới nơi thí nghiệm

3.1.3.4 Các lỗ khoan thăm dò

Khoan nghĩa là dùng các thiết bị khác nhau khoan sâu vào lòng ñất ñể lấy mẫu ñất ñá tại một chiều sâu nào ñó hay ñể tạo thành các lỗ khoan nhằm tiến hành các thí nghiệm khác như ño ñịa vật lý, nén ngang, xuyên tiêu chuẩn… trong lỗ khoan

Việc khoan có thể ñược tiến hành trên mặt ñất (các lỗ khoan trên cạn) hay trên mặt nước (các lỗ khoan trên suối, trên sông hay trên biển) hay trong lòng ñất (các lỗ khoan trong hầm lò…) Các lỗ khoan có thể vuông góc hay nghiêng với mặt ñất ñá một góc nào ñó tuỳ theo mục ñích và yêu cầu của khảo sát

ðể khảo sát ở hiện trường với ñá, người ta có thể dùng các máy khoan tự hành như các máy ếÃÁ 50A, CÁế150ầẩễ của Liên Xô cũ, máy B-53 của Thuỵ ðiển, máy

BE-50 của Pháp… hay các máy khoan cố ñịnh ( có thể tháo rời từng bộ phận ) như máy YKÁ12/25 của Liên Xô cũ, các máy XJ-100, GY-50, SH-30… của Trung Quốc, các máy Koken KT-100, Tone TCD-1 của Nhật…

Máy khoan XJ - 100

ðể tiến hành khoan, ngoài máy khoan, còn cần phải có nguồn năng lượng từ ñiện lưới quốc gia hay các ñộng cơ diesel, các máy bơm dung dịch, các dụng cụ khoan như lưỡi khoan, cần khoan, ống mẫu , ống chống và các loại ñầu nối khác nhau

ðể lấy ñược mẫu ñá, người ta phải dùng phương pháp khoan xoay lấy mẫu với các lưỡi khoan có ñường kính từ 50-203mm, trên ñó có gắn các răng hợp kim cứng hay các lưỡi khoan kim cương tuỳ theo ñộ bền của ñá khoan qua

Việc áp dụng hài hoà các

thông số của chế ñộ khoan là tải

trọng lên ñáy lỗ khoan P, tốc ñộ

quay của bộ dụng cụ khoan n,

lưu lượng Q và chất lượng nước

rửa bơm xuống lỗ khoan sẽ ñem

lại hiệu quả cho công tác khoan,

nâng cao tỷ lệ lấy mẫu ñá trong

khoan

Các mẫu ñá lấy ñược khi

khoan ( các lõi khoan) có chiều

dài tuỳ theo chiều dài của ống

mẫu (thường khoảng 3,5m) sẽ

ñược bảo quản cẩn thận theo quy

phạm hiện hành và vận chuyển tới nơi thí nghiệm

Hình 3-2. Các lưỡi khoan kim cương

Cơ học đá.209

Trờn cơ sở cỏc tài liệu ủó ghi chộp trong nhật ký khoan và cỏc kết quả thớ nghiệm xỏc ủịnh cỏc chỉ tiờu tớnh chất của ủỏ ở mẫu khoan lấy ủược trong quỏ trỡnh khoan, người ta sẽ lập ủược hỡnh trụ lỗ khoan Trờn hỡnh trụ này sẽ thể hiện ủược chiều sõu của từng lớp ủỏ, ủộ sõu tương ứng của chỳng, mụ tả cỏc ủặc ủiểm sơ bộ của ủỏ cũng như những ghi chộp về vị trớ, cỏc ủiểm lấy mẫu nguyờn trạng và khụng nguyờn trạng, giỏ trị của cỏc lần thớ nghiệm xuyờn tiờu chuẩn SPT…

Hỡnh trụ lỗ khoan sẽ là cơ sở ủể lập cỏc mặt cắt ủịa chất sau này Thớ dụ một hỡnh trụ lỗ khoan ủược thể hiện trờn hỡnh 3-3

3.1.3.5 Phương phỏp ủịa - vật lý

ðịa – vật lý phương phỏp ứng dụng những nguyờn tắc, thành tựu của vật lý vào việc nghiờn cứu ủịa chất Cỏc lớp ủất ủỏ khỏc nhau sẽ cú những ủặc trưng vật lý, những phản ứng khỏc nhau khi chịu sự tỏc ủộng của một trường vật lý nào ủú Phương phỏp ủịa vật lý cú thể sử dụng ủể ủo ở trờn mặt ủất và ở dưới sõu, trong cỏc

lỗ khoan hay trong cỏc cụng trỡnh hào, lũ, giếng Ưu ủiểm của nú là cú thể tiến hành

từ xa, nghiờn cứu tới chiều sõu lớn và thu ủược nhiều thụng tin cựng một lỳc theo cỏc hướng khỏc nhau trong khụng gian Kết quả của thớ nghiệm ủịa – vật lý thường mang tớnh khỏch quan vỡ ủa số cỏc thiết bị thớ nghiệm ủều cú bộ phận tự ghi Thiết bị thớ nghiệm ủịa – vật lý thường gọn, nhẹ, tớnh cơ ủộng và năng suất cao nờn chỳng rất hay ủược sử dụng

Tuy nhiờn, phương phỏp ủịa – vật lý khụng thể xỏc ủịnh ủược tất cả cỏc ủặc trưng vật lý của ủất ủỏ Một số phương phỏp ủịa – vật lý cú thể dựng ủể nghiờn cứu trong cơ học ủỏ là cỏc phương phỏp ủịa chấn, phương phỏp ủo ủiện, phương phỏp ra

ủa xuyờn ủất, một số phương phỏp ủo trong lỗ khoan hay cỏc phương phỏp trọng lực, phương phỏp từ… Cú thể mụ tả túm tắt một số phương phỏp như sau:

Phương phỏp ủo ủiện

Cơ sở của phương phỏp này là cỏc lớp ủỏ khỏc nhau sẽ cú ủiện trở suất biểu kiến khỏc nhau Dựa vào cỏc giỏ trị thu ủược khi thớ nghiệm, sẽ xỏc ủịnh ủược ranh giới giữa cỏc lớp ủỏ

Trờn mặt ủất người ta bố trớ cỏc ủiện cực phỏt C1,C2 ủược nối với nguồn ủiện

cú cường ủộ I Cỏc ủiện cực thu P1,P2 bố trớ ở phớa trong C1,C2 theo cỏc khoảng cỏch khỏc nhau (hỡnh 3-4) Qua hai cực ủiện này sẽ xỏc ủịnh ủược hiệu ủiện thế U ðiện trở suất biểu kiến của ủỏ sẽ ủược xỏc ủịnh theo cụng thức:

1r

1r

1r1

1I

Cụng trỡnh: Cầu Ân Nghĩa - ðường Hồ Chớ Minh

Thớ nghiệm xuyờn tiờu chuẩn (SPT) S

ố

chi

ều

Bề dày Ký Mụ tả ðộ Số bỳa N/15cm C

Mẫu