Cơ Học Đá Phần 4 ppsx

Kuznexhov, thì có thể dùng các chỉ tiêu sau ựể ựặc trưng cho tắnh chất mài mòn: + độ hao mòn tuyệt ựối là khối lượng ∆m của vật thể bị tách ra trong quá trình mài mòn.. + Phương pháp của

đối với ựá, tắnh chất mài mòn của nó là khả năng ựá làm mòn (ở mức ựộ nào ựó) bề mặt tiếp xúc của các vật thể khác trong quá trình ma sát đá ở trạng thái nguyên khối hay ựã bị nghiền nhỏ cũng ựều có tắnh chất mài mòn

Hiện nay chưa có một chỉ tiêu thống nhất ựể ựánh giá khả năng mài mòn của

ựá Tùy theo các phương pháp xác ựịnh mà người ta dùng các chỉ tiêu riêng nhưng theo V.đ Kuznexhov, thì có thể dùng các chỉ tiêu sau ựể ựặc trưng cho tắnh chất mài mòn:

+ độ hao mòn tuyệt ựối là khối lượng ∆m của vật thể bị tách ra trong quá trình mài mòn

Khối lượng này càng lớn thì vật mài mòn có tắnh mài mòn càng cao

+ độ mài mòn hay cường ựộ mài mòn ω là tỷ số giữa ựộ hao mòn tuyệt ựối và công của lực ma sát làm tách khối lượng mòn ra:

ω =

PLf

m A

∆

trong ựó: t là thời gian thắ nghiệm làm tách khối lượng mòn ∆m

- Các yếu tố ảnh hưởng ựến tắnh chất mài mòn

độ mài mòn của ựá phụ thuộc vào nhiều yếu tố Dưới ựây chỉ xét một vài yếu

tố cơ bản

+ độ cứng của hạt khoáng vật

Hạt khoáng vật tạo ựá càng cứng thì tắnh chất mài mòn của nó càng cao đá nào chứa nhiều thạch anh thì tắnh chất mài mòn càng lớn độ mài mòn của ựá chủ yếu phụ thuộc vào ựộ cứng riêng phần của ựá Có thể ở một loại ựá có ựộ cứng toàn phần thấp (do chất gắn kết kém bền) nhưng lại có tắnh mài mòn cao do ựộ cứng của các hạt khoáng vật cao Khi bị mài mòn, các hạt khoáng vật ựã ựóng vai trò quyết ựịnh Trong trường hợp này, ựộ cứng toàn phần không phải là một chỉ tiêu ựáng tin cậy

đá có khả năng mài mòn kém nhất là các ựá sulfat (như thạch cao, baritẦ) Tắnh chất mài mòn tăng dần với các ựá carbonat (như ựá vôi, ựôlômitẦ), các ựá silic (như calxêựoan, ựá lửaẦ), các ựá chứa sắt, manhê, thạch anhẦ

+ độ bền của chất gắn kết

Ảnh hưởng này có hai mặt: Khi ựộ bền của chất gắn kết càng lớn, các hạt liên kết với nhau càng chặt nên trong quá trình mài mòn, các hạt không bị rời ra và như vậy làm tăng tắnh mài mòn của ựá Mặt khác, cũng do các hạt bám chặt với nhau nên dần dần mặt mài trở nên bằng phẳng sẽ làm giảm khả năng mài mòn

Với những ựá có ựộ bền của chất gắn kết kém thì khi mài, dễ tạo thành bề mặt mới, nghĩa là làm tăng tắnh mài mòn, nhưng ựồng thời các hạt không bám chắc vào nhau, ngay cả khi hạt còn khả năng mài mòn ựã bị rời khỏi ựá Ờ do vậy khả năng mài mòn sẽ giảm

Tác dụng mài mòn sẽ tốt nhất khi các hạt ựã bị mòn, hết khả năng làm việc bị rời ra khỏi ựá thì cũng là lúc những hạt nhọn mới bắt ựầu làm việc

Kắch thước hạt càng lớn, mặt ựá càng xù xì, gây nhiều chỗ tập trung ứng suất trong khi mài làm khả năng mài mòn của ựá càng tăng

+ Mức ựộ không ựồng nhất của ựá

Thực tế thấy là khi cùng một ựộ cứng, ựá ựa khoáng có khả năng mài mòn nhiều hơn ựá ựơn khoáng Thắ dụ như granit, granoựiorit là các ựá chứa thạch anh có tắnh chất mài mòn nhiều hơn thạch anh điều này có thể giải thắch là trong các ựá ựa khoáng có chứa các chất khoáng vật kém bền và ựộ cứng thấp (như mica, felspat) dễ

bị phá huỷ khi bị mài, làm trơ các hạt thạch anh ra, gây hiện tượng tập trung ứng suất, mài mòn mạnh bề mặt tiếp xúc Còn ở ựá ựơn khoáng, sự mài mòn xẩy ra ựều ựặn, diện tắch tiếp xúc lớn nên áp lực tiếp xúc giảm ựi, do vậy hiệu quả mài mòn kém

+ độ rỗng và ựộ ẩm

độ rỗng của ựá càng lớn thì làm mặt ựá càng xù xì, gây tập trung ứng suất khi mài và làm hiệu quả mài mòn tăng lên

đá càng ẩm làm ựộ cứng và ựộ bền càng giảm Do ựó khả năng mài mòn kém hẳn ựi

Trên ựây mới kế ựến những yếu tố về bản chất của ựá ảnh hưởng tới tắnh chất mài mòn của nó Trong quá trình mài mòn ựá còn chịu ảnh hưởng của môi trường (chất khắ hay lỏng) của nhiệt ựộ, áp suất và các yếu tố khác nữa

- Các phương pháp ựánh giá khả năng mài mòn

Cho ựến nay chưa có một chỉ tiêu thống nhất ựể ựánh

giá khả năng mài mòn của ựá Tuỳ từng nước, từng nơi,

người ta ựề ra các phương pháp xác ựịnh riêng và lấy một

chỉ tiêu nào ựó ựể ựặc trưng cho tắnh chất mài mòn Vì thế,

các chỉ tiêu tắnh chất mài mòn của ựá rất ựa dạng

Dưới ựây chỉ nêu một vài phương pháp ựang ựược

dùng khá phổ biến trong các phòng thắ nghiệm, dựa trên sự

hao mòn mẫu ựá trong khi mài mòn

+ Phương pháp của H Sievers (1950)

Vật bị mài là hai thanh thép thường, không ựược gia

công nhiệt có ựộ cứng HB = 120, ựường kắnh 3mm, lắp vào

giá và quay với tốc ựộ không ựổi n = 160 vg/ph để tách

ựược sản phẩm mài, mẫu ựá thắ nghiệm ựã ựược gia công

bề mặt ựặt ở phắa trên 2 thanh kim loại và chịu tải trọng

20kG (≈ 200N) (hình 1.45)

Cho máy chạy 2 phút và làm 2 lần với mỗi mẫu ựá

độ mài mòn của ựá ựược H.Sievers ựánh giá bằng

thời gian cần thiết (tắnh bằng phút) ựể mài mòn 1mm chiều cao của thanh mẫu Thời gian này càng ngắn thì ựộ mài mòn của ựá càng cao Với các loại ựá thời gian này thay ựổi từ 0 Ờ 200

E.F Epsteyn, N.I.Ljubimov cũng thắ nghiệm theo sơ ựồ tương tự như phương pháp này

Nhược ựiểm cơ bản là phải mài mẫu trước khi thắ nghiệm, ựiều ựó làm cho sai lệch tắnh chất mài mòn tự nhiên của ựá

+ Phương pháp của L.I.Baron và A.V.Kuznexhov (1960)

Về nguyên tắc, phương pháp này cũng gần giống với phương pháp của R.Shepherd, M.I.Koyfman, O.N GolubinxhevẦ

Bản chất của phương pháp này là xác ựịnh sự hao mòn khối lượng của vật mẫu bằng thép bạc chưa tôi khi nó bị mài vào mẫu ựá chưa ựược gia công bề mặt (hình 1.46a)

Vật bị mài là một trục bằng thép bạc có ựường kắnh 8mm, dài 70mm, ựộ cứng

HB = 180 Một ựầu trục có khoan một lỗ có ựường kắnh 4mm và dài khoảng 10 Ờ

Hình 1.45. Phương pháp xác ựịnh ựộ mài mòn của H.Sievers

1 Mẫu ựá;

2 Thanh thép

Trục ñược quay với tốc ñộ không ñổi n = 400 vg/ph và chịu tải trọng 15kG (≈ 150N)

Thí nghiệm tiến hành trong ñiều kiện không làm lạnh và không ñược tách các mùn ñá và vụn kim loại ra, nhưng phải giữ cho nhiệt ñộ của trục không ñược quá

2n

m a

c

∑

trong ñó: a là chỉ tiêu ñộ mài mòn của ñá;

mi là khối lượng hao mòn trục mẫu sau 1 cặp thí nghiệm (làm cả với 2 ñầu) thứ i;

nc là số cặp mẫu thí nghiệm, phụ thuộc vào ñộ chính xác cần thiết Tuỳ theo trị số của a mà Baron và Kuznexhov ñã phân loại ñá theo tính chất mài mòn thành 8 cấp và a thay ñổi từ 5 tới > 90mg

Phương pháp này ñơn giản, ñộ mài mòn biến thiên trong khoảng rộng Nhưng

do ma sát lâu tại một chỗ, bề mặt ñá bị mài nhẵn, mùn ñá không ñược tách ra nên làm thay ñổi tính chất mài mòn của ñá

Tuy nhiên, phương pháp này ñược sử dụng khá rộng rãi

+ Phương pháp của L.A.Sreyner, P.X.Balañin và A.I.Xpivak (1958) Bản chất của phương pháp này là nghiên cứu tính chất mài mòn của ñá theo sự hao mòn của vòng tiêu chuẩn quay với tốc ñộ không ñổi và chịu một áp lực nhất ñịnh khi ma sát lên mặt mẫu ñá ñã ñược mài nhẵn

Vòng tiêu chuẩn có ñường kính trong 20mm,

ñường kính ngoài là 30mm và dầy 2,5mm Vật liệu

làm vòng có thể là thép Y8, 20XH3A hay hợp kim

cứng BK–15, BK–16 Khi lắp vào máy thí nghiệm,

nhờ hộp số mà vòng có thể ñược quay với các tốc

ñộ 300, 350, 500, 800, 1100 và 1400 vg/ph Tốc

ñộ thường dùng nhất là 500 vg/ph Vòng chịu tải

trọng từ 1 – 30kG (≈ 300N) và thường dùng nhất

là 10kG (≈ 100N)

Mẫu thí nghiệm ñã mài nhẵn mặt làm việc

ñược ñặt lên bàn máy Bàn này cũng nhờ hộp giảm

tốc mà có thể chuyển ñộng tịnh tiến với tốc ñộ 4 –

P12

2

1l

P

Hình 1.46 Phương pháp xác ñịnh ñộ mài mòn

a) của Baron và Kuznexhov:

1 Thanh thép mẫu;

2 Mẫu ñá

b) của Sreyner, Balanñin, Xpivak:

80mm/ph và thường dùng nhất là tốc ñộ 4mm/ph (hình 1.46b)

Số vòng quay của vòng tiêu chuẩn khi thí nghiệm ñược ghi lại bằng máy riêng

Với loại ñá có ñộ mài mòn kém thì có khi phải cho vòng quay tới 30.000 vòng Còn

với những ñá mài mòn mạnh thì chỉ cần thí nghiệm tới 4000 vòng

Trong quá trình thí nghiệm, nước lạnh sẽ phun vào chỗ tiếp xúc giữa vòng và

ñá ñể làm lạnh vòng và tách mùn ñá ra

Với mỗi mẫu ñá, người ta sẽ làm từ 1 ñến 4 thí nghiệm Sự sai lệch giữa kết

quả lớn nhất và trị số trung bình số học chỉ cho phép trong khoảng ± 2 ñến ± 10%

Theo các tác giả trên, sau khi thí nghiệm có thể xác ñịnh ñược rất nhiều chỉ

tiêu, trong ñó thường dùng nhất là các chỉ tiêu sau:

- Hệ số mài mòn ω là sự hao mòn thể tích của vật liệu làm vòng tiêu

chuẩn (tính bằng cm3 ) trên 1m ñường ma sát khi chịu tải trọng 1kG

(≈10N)

P

V ∆ v

∆Vv =

o

n.D

m πρ

∆ (1.195)

với ∆m là khối lượng hao mòn của vòng tiêu chuẩn;

ρ là khối lượng thể tích của vật liệu làm vòng;

D là ñường kính ngoài của vòng;

no là số vòng quay của vòng trong khi làm thí nghiệm;

P là tải trọng khi làm thí nghiệm

– ðộ mài mòn tương ñối a1 là tỷ số giữa hệ số mài mòn của một loại ñá nào ñó

và hệ số mài mòn của thạch cao lấy làm chuẩn

9 - tc

1

3,5.10

– Sự hao mòn tương ñối là tỷ số giữa sự hao mòn thể tích của vật liệu làm vòng tiêu chuẩn và sự hao mòn thể tích của mẫu ñá trên 1m ñường ma sát

d

v o

V

V

∆Vñ là sự hao mòn thể tích của mẫu ñá trên 1m ñường ma sát

xác ñịnh bằng cách chia thể tích của ñá ñã bị hao mòn (xác ñịnh nhờ các dụng cụ ñặc biệt ño ñược kích thước rãnh tạo thành trên mặt ñá) cho quãng ñường ma sát πDno

Tuỳ theo các trị số của ω, a1, ωo ,… các tác giả ñã chia ñá làm 12 cấp có các giá trị tương ứng khác nhau Tuy vậy, khi thay ñổi vật liệu làm vòng tiêu chuẩn thì các kết quả thí nghiệm sẽ khác và số liệu dùng ñể phân cấp ñất ñá cũng sẽ bị thay ñổi theo

Ngoài các chỉ tiêu trên, trong phương pháp xác ñịnh này, người ta còn dùng một vài chỉ tiêu khác nữa, nhưng trong thực tế cũng ít sử dụng

Phương pháp xác ñịnh này có thể tạo ñược áp lực tiếp xúc cao, các chỉ tiêu thay ñổi trong một phạm vi rộng và do làm lạnh bằng nước nên ñã tránh ñược sự trao ñổi nhiệt, làm thay ñổi kết quả thí nghiệm Tuy nhiên, phương pháp thí nghiệm này phức tạp, phải mài nhẵn mẫu, dùng nước làm lạnh nên ñã làm thay ñổi tính chất mài mòn của ñá

Mặc dù vậy, phương pháp này ñược coi là phương pháp hoàn thiện nhất ñể ñánh giá khả năng mài mòn của ñá

+ Phương pháp của Phòng thí nghiệm Cầu ñường Trung ương (LCPC) của Pháp

Theo phương pháp này, ñộ mài mòn của ñá ñược ñánh giá qua sự hao mòn của một tấm kim loại ñược quay với tốc ñộ 4500 vg/ph trong thùng chứa các cục ñá thí nghiệm cỡ 4 x 6cm

Thí nghiệm ñược tiến hành trong 5 phút

ðộ mài mòn ABR ñược tính bằng g/ T Tùy theo giá trị của ABR mà người ta chia mức ñộ mài mòn của ñá làm 5 cấp:

ðộ mài mòn rất cao khi ABR > 2000 g/ T

ðộ mài mòn cao khi ABR = 1500 – 2000 g/ T

ðộ mài mòn trung bình khi ABR = 1000 – 1500 g/ T

ðộ mài mòn kém khi ABR = 500 – 1000 g/ T

ðộ mài mòn rất kém khi ABR < 500 g/ T

Theo thí nghiệm này thì ñá vôi có ABR < 500 g/ T

+ Thí nghiệm Los Angeles

Thí nghiệm Los Angeles ñược tiến hành ñầu tiên khoảng năm 1930 ở bang

Mẫu ựá ựược lấy với khối lượng 5kg, gồm các loại hạt từ 4 Ờ 50mm, cho vào thùng quay với tốc ựộ khoảng 30 Ờ 33 vg/ph để tăng sự va ựập khi quay, người ta còn cho vào thùng một số viên bi thép ựường kắnh trung bình 46,8mm và khối lượng khoảng 420 Ờ 445g Số lượng các viên bi cho vào tuỳ theo cỡ hạt của ựá thắ nghiệm

đá càng to thì số lượng các viên bi càng nhiều

Số vòng quay khi thắ nghiệm cũng phụ thuộc vào cỡ hạt ựá thắ nghiệm: sẽ là

500 vòng cho ựá nhỏ (ựường kắnh < 37,5mm) và là 1000 vòng cho ựá lớn (ựường kắnh > 37,5mm)

Sau thắ nghiệm, cân khối lượng ựá còn lại sau khi sàng bỏ những hạt vụn có ựường kắnh < 1,7mm độ mài mòn của ựá ựược tắnh qua ựộ hao mòn của nó sau thắ nghiệm, theo công thức:

ựá càng dễ bị mài mòn Với bêtông

thuỷ công, giá trị của P phải <40, với

Cho thùng quay khoảng 10.000 vòng Thắ nghiệm ựược tiến hành với sự có mặt của nước, nên so với khi thắ nghiệm khô, lượng hao mòn của ựá sẽ tăng lên, nhất là ựối với các ựá phong hoá hay nhạy cảm với nước

Sau khi sàng bỏ những hạt có ựường kắnh < 1,7mm, cân khối lượng mẫu ựá còn lại

độ hao mòn của ựá trong thắ nghiệm microDeval cũng ựược tắnh theo công thức (1.198)

Giá trị của nó càng bé thì ựộ chống mòn của ựá càng cao Với bêtông thuỷ công, giá trị của P phải < 35, còn với nền ựường thì P > 35

Thắ nghiệm này ựã ựược dùng ở Pháp từ 1965

Hình 1.47 Máy thắ nghiệm Los Angeles

Ngoài các phương pháp thí nghiệm trên người ta cũng dùng các chất phóng xạ (C60, W185, W187…) hay dùng các phương pháp liên hợp khác ñể ñánh giá tính chất mài mòn của ñá

+ Tác dụng của lực phá huỷ có thể ñánh giá bằng giới hạn bền khi phá huỷ σf là thương số của tổng các ngoại lực tác dụng và bề mặt phá huỷ

σfk =

o

SS

S+

∆

∆

σf hay σfk = Ai σf (1.202) trong ñó: So là diện tích tổng cộng các khe nứt và lỗ rỗng có từ trước

+ Khi phá huỷ ñá bằng các phương pháp khác nhau, nghĩa là lực phá huỷ phải thắng ñược lực hút giữa các hạt ñá với nhau Do vậy phải kể ñến trọng lượng thể tích của ñá Ảnh hưởng này có thể biểu diễn bằng biểu thức Kblγ

trong ñó: Kb là hệ số kể ñến mức ñộ tham gia khác nhau của các thành phần

lực

l là khoảng cách dịch chuyển của các hạt ñá;

γ là trọng lượng thể tích của ñá

Từ những quan ñiểm cơ bản trên, người ta ñưa ra chỉ tiêu sức chống phá huỷ của ñá (mức ñộ khó phá huỷ) ñược tính theo công thức:

Kcf = 0,005Ai (σk + σn + τ ) + 0,5 γ (1.203) Tuỳ theo các giá trị của Kcf , người ta phân chia sức chống phá huỷ của ñá thành 5 loại và gồm 25 cấp

Theo chỉ tiêu này có thể tính ñược gần ñúng năng lượng cần thiết ñể phá huỷ

Giá trị của thông số này ñược xác ñịnh bằng thực nghiệm Nó không những phụ thuộc vào sức chống nổ vỡ của ñá mà còn phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố như:

+ Mức ñộ phá vụn cần thiết của ñá

+ Sự tồn tại và mức ñộ phát triển của các khe nứt, ñộ khối tự nhiên của

ñá

+ Trọng lượng thể tích của ñá

+ Sự bố trí, cấu trúc lỗ khoan và lượng chất nổ trong lỗ khoan

+ Chất lượng của chất nổ ñem dùng

Trong thực tế, ñể ñánh giá sức chống nổ vỡ của ñá, người ta ñã qui ñịnh rõ hơn

về ñại lượng suất tiêu hao chất nổ tiêu chuẩn là lượng chất nổ tiêu chuẩn cần thiết ñặt

ở một khối ñá lập phương cạnh là 1m có khe nứt, ở trạng thái treo tự do ñể phá huỷ thành những tảng có kích thước trung bình là 0,5m

Ở Liên Xô, chất nổ tiêu chuẩn ñược chọn là amomit No = 6/B

Sau khi nổ, bề mặt tổng cộng của những tảng bị vỡ ra sẽ lớn hơn bề mặt ban ñầu của khối ñá Sự chênh lệch diện tích này càng lớn thì mức ñộ phá nhỏ ñá càng tăng Trong những ñiều kiện kể trên, sự chênh lệch giữa diện tích tổng cộng của các tảng bị phá vỡ lớn hơn diện tích ban ñầu của khối ñá tới 2 lần

Trong khi nổ, năng lượng sẽ phải tiêu hao ñể thắng các giới hạn bền nén, kéo

và trượt Phần năng lượng ñể thắng lực hút giữa các hạt ñá ñược tính bằng hệ số kt:

trong ñó: ltb là kích thước trung bình của các khối riêng biệt tự nhiên

Giả thiết rằng các lực ựều tham gia vào việc phá huỷ với mức ựộ như nhau thì chỉ tiêu qtc có thể coi là sức chống nổ vỡ của ựá, theo kinh nghiệm

qtc = 0,1kt (σn + σk + τ ) + 40 γ (1.205) trong ựó: kt là hệ số ựược tắnh theo công thức (1.204), có thứ nguyên là

nghịch ựảo của thứ nguyên chiều dài

σn , σk , τ là các ựộ bền tương ứng, tắnh bằng kG/cm2

γ là trọng lượng thể tắch của ựá, tắnh bằng G/cm3

Tắnh toán với ựa số các loại ựá, qtc thay ựổi từ 40 Ờ 1000g/m3

Dựa vào các trị số này, người ta ựã phân loại ựá theo qtc thành 5 loại gồm 25 cấp

độ vỡ vụn và trọng lượng thể tắch ựá rời

Khi bị phá huỷ do tác dụng của ngoại lực, khối ựá lớn thường bị chia thành từng tảng, từng cục có kắch thước nhỏ hơn

Ta xét một vài ựặc trưng của loại ựá rời này

- độ vỡ vụn là tắnh chất khối ựá ở trạng thái vỡ vụn chiếm thể tắch lớn hơn khi khối ựá ựó ở trạng thái nguyên khối

để ựặc trưng cho ựộ vỡ vụn, người ta dùng hệ số vỡ vụn Kv là tỷ số giữa thể tắch ựá sau khi bị vỡ vụn và thể tắch trước ựó của mẫu ựá nguyên khối:

k

v v

V

V

Do thể tắch ựá rời chứa nhiều lỗ rỗng nên hệ số Kv luôn luôn lớn hơn 1 Nó phụ thuộc vào thành phần hạt, dạng và sự sắp xếp các cục ựá rời Ngoài ra, nó còn phụ thuộc vào ựộ ẩm, áp lực và một vài yếu tố khác

Theo V.V.Rzhevxki và G.Ja.Novik thì hệ số của Kv của một vài loại ựá như sau:

Sét kết: Kv = 1,2 Ờ 1,3 Cát: Kv = 1,05 Ờ 1,2

đá cứng: Kv = 1,8 Ờ 2,5 Than ựá: Kv = 1,2 Ờ 1,4

Sau khi bị vỡ vụn, ựá có thể ựược làm chặt lại bằng áp lực Nhưng hệ số vỡ vụn nhỏ nhất sau khi ựược làm chặt cũng chỉ ựạt tới 1,01 Ờ 1,15

- Trọng lượng thể tắch ựá rời là trọng lượng của một ựơn vị thể tắch ựá rời ở trạng thái rời rạc tự nhiên, tạm ký hiệu là γr , và cũng tắnh bằng kN/m3 Trọng lượng thể tắch ựá rời phụ thuộc chủ yếu vào hệ số vỡ vụn Kv

Chương 2

CÁC TÍNH CHẤT CỦA KHỐI ðÁ NGUYÊN TRẠNG

2.1 KHỐI ðÁ NGUYÊN TRẠNG VÀ MỘT VÀI ðẶC ðIỂM CỦA NÓ

2.1.1 KHÁI NIỆM VỀ KHỐI ðÁ NGUYÊN TRẠNG

Khi xây dựng các công trình, khai thác khoáng sản… các công việc không chỉ tiến hành ở các mẫu ñá riêng biệt mà ở trên cả một vùng ñá có thể tích khá lớn gọi là khối ñá nguyên trạng (hay ñôi khi cũng ñược gọi tắt là khối ñá) Các ñặc trưng cơ học của khối ñá này có những giá trị khác hẳn với những kết quả ñã thu ñược khi xác ñịnh trên các mẫu ñá ở trong phòng thí nghiệm, nên không thể lấy các kết quả thí nghiệm với các mẫu ñá ñể giải các bài toán cơ học ñá trong xây dựng công trình Nhưng việc nghiên cứu khối ñá nguyên trạng không ñơn giản, còn tồn tại rất nhiều quan ñiểm khác nhau khi nghiên cứu các ñặc trưng của khối ñá và ngay cả quan niệm

về khối ñá nguyên trạng, cho ñến nay cũng chưa ñi ñến một sự thống nhất hoàn toàn Theo G.I Jagodkin, M.F.Kuntưs thì khối ñá nguyên trạng là một thể tích ñá ñủ

ñể có khái niệm mô hình cấu trúc của ñá vây quanh, ñược xác ñịnh bằng những ñiều kiện cụ thể tuỳ theo sự tác dụng của ngoại lực lên thể tích ñá ấy

E.I.Iinixhkaja thì cho rằng khối ñá nguyên trạng là phần môi trường tách ra khỏi các phần xung quanh bằng các mặt phẳng tự nhiên và ñược thí nghiệm ở các trạng thái ứng suất khác nhau ñể nghiên cứu các vấn ñề cho trước

Quan niệm của P.N.Panjukov ñược nhiều người thừa nhận hơn Theo ông, khối

ñá nguyên trạng là những phần cấu trúc riêng biệt của vỏ trái ñất nằm trong phạm vi tác ñộng của các công trình (ngoại lực), ñược nghiên cứu ñể lập ra các ñiều kiện thi công các công trình và sử dụng chúng

Như vậy phải phân biệt hai khái niệm: mẫu ñá và khối ñá nguyên trạng Mẫu ñá là phần ñá ñược lấy ra từ một tảng hay khối ñá Khi thí nghiệm, nó ñã

bị mất sự liên hệ với các vật chất vây quanh ở trạng thái ban ñầu, nên tính chất của

nó không ñặc trưng cho tính chất của khối ñá và lại càng không ñặc trưng cho toàn

bộ khối ñá nguyên trạng

Khối ñá nguyên trạng do còn giữ nguyên ñược trạng thái ban ñầu, quan hệ với các khối ñá vây quanh nên khi xác ñịnh, tính chất của nó phản ánh toàn bộ cấu trúc của khối ñá, các số liệu thu ñược có thể khác hẳn với mẫu ñá, nhưng lại ñáng tin cậy trong khi thiết kế và thi công các công trình trong ñá Vì vậy việc nghiên cứu tính chất của khối ñá nguyên trạng là rất cần thiết, nhưng việc làm này cũng không ñơn giản

Tuy nhiên, cũng không ñược lẫn lộn giữa khối ñá và khối ñá nguyên trạng Khối ñá là một thể tích ñá to hơn nhiều lần tảng ñá hay các mẫu ñá trong phòng thí nghiệm nhưng ñá bị tách khỏi khối ñá vây quanh, không chịu tác ñộng của tự nhiên hay các hoạt ñộng của con người

2.1.2 VÀI ðẶC ðIỂM CỦA KHỐI ðÁ NGUYÊN TRẠNG

Ở khối ñá nguyên trạng, có thể thấy một số ñặc ñiểm sau:

2.1.2.1.Tính không ñồng nhất

Tính không ñồng nhất là một ñặc ñiểm rất quan trọng của khối ñá

Một khối ñá ñược coi là ñồng nhất khi tất cả các phần của nó ñều có cùng một thành phần, một cấu tạo, nghĩa là tại bất kỳ một ñiểm nào ñó trong khối ñá ñều có tính chất vật lý như nhau

Khối ñá trong tự nhiên ñều không thoả mãn các yêu cầu trên vì trong nó luôn luôn có sự không ñồng nhất về thành phần khoáng vật (sự sắp xếp các loại khoáng vật tạo ra trong ñá không phải chỗ nào cũng như chỗ nào), không ñồng nhất về kiến trúc, cấu tạo (không phải trong toàn bộ khối ñá, mọi chỗ ñều có cùng một loại kiến trúc, một loại cấu tạo) hay không ñồng nhất do tác ñộng của ngoại lực, môi trường hay các hoạt ñộng của con người (các chỗ khác nhau trong khối ñá chịu các tác ñộng khác nhau của các tác ñộng bên ngoài…), nên vì thế, khối ñá mang tính không ñồng nhất

Tuỳ theo nguồn gốc của sự không ñồng nhất, người ta chia thành hai loại: Không ñồng nhất nguyên sinh xuất hiện trong quá trình thành tạo ñá, thể hiện ở sự thay ñổi hình dáng, kích thước, thành phần hạt khoáng vật và sự sắp xếp giữa chúng với nhau trong ñá Không ñồng nhất thứ sinh liên quan ñến các giai ñoạn biến ñổi sau khi thành tạo, có thể do thiên nhiên như các quá trình phong hoá, làm chặt, tái kết tinh, kiến tạo hay do nhân tạo như các quá trình xây dựng, công nghệ mỏ khác nhau Không ñồng nhất thứ sinh có ý nghĩa quan trọng trong khi nghiên cứu ñịa chất công trình vì nó liên quan ñến sự thay ñổi trạng thái, tính chất của khối ñá nguyên trạng Tính không ñồng nhất còn ñược phân biệt theo phạm vi xuất hiện nó Tuỳ theo kích thước phần tử không ñồng nhất là phần ñá ñồng nhất lớn nhất ở bên trong có tính chất khác với phần ñá vây quanh và M.V.Raxh quy ước chia thành 4 cấp không ñồng nhất

Không ñồng nhất cấp I: không ñồng nhất về thành phần, cấu tạo, kiến trúc của các tảng ñá có các phá huỷ kiến tạo, các ñới phong hoá… kích thước phần tử không ñồng nhất > 103cm

Không ñồng nhất cấp II: không ñồng nhất về cấu trúc và thành phần của ñá Kích thước phân tử không ñồng nhất từ 1 – 103 cm

Không ñồng nhất cấp III: thể hiện ở sự khác nhau về thành phần khoáng vật

và hoá học, dạng và kích thước hạt; ở sự không ñồng nhất trong việc sắp xếp các chất gắn kết, sự xuất hiện các vi khe nứt… kích thước phần tử không ñồng nhất từ 10-3 – 1cm

Không ñồng nhất cấp IV: Xuất hiện trong các tinh thể (như các khuyết tật của mạng tinh thể) với kích thước phần tử không ñồng nhất từ 10-6 – 10-3cm

Tính không ñồng nhất trong khối ñá ñôi khi cũng là do các hoạt ñộng có ý thức của con người

Khi ñào một ñường hầm trong ñá và không ñược chống, tuỳ theo khoảng cách

từ ñá tới khoảng không, tuỳ theo trạng thái của ñá mà trong khối ñá nguyên trạng ñã chia thành nhiều vùng với các tính chất khác nhau, gây ra tính không ñồng nhất trong khối ñá (hình 2.1):

Vùng I: Vùng ñá tự nhiên, không bị phá huỷ

Vùng II: Vùng ñá bị biến dạng ñàn hồi, không bền

Vùng III: Vùng ñá bị nứt nẻ, không ổn ñịnh

Vùng IV: Vùng ñá bị phá huỷ, dịch chuyển – không ổn ñịnh

Vùng V: Vùng ñá bị sập ñổ – ổn ñịnh

Như vậy mỗi vùng có một ñặc

ñiểm, một cấu trúc khác nhau Tuy

nhiên trong thực tế không thể có một

sự phân chia rõ ràng như trên mà cấu

trúc của ñá thay ñổi dần dần từ vùng

này sang vùng khác và có những vùng

mang tính chất hỗn hợp, nhưng dù sao

cũng ñã gây cho khối ñá một ñặc tính

không ñồng nhất

Mặt khác, sự ñồng nhất hay

không cũng chỉ mang ý nghĩa tương

ñối: Trong một khối ñá không ñồng

nhất, người ta vẫn có thể tìm ñược những phần ñá nhỏ hơn nhưng có tính ñồng nhất Một khối ñá có thể có tính không ñồng nhất ở một vài chỉ tiêu khác (như không ñồng nhất về ñộ bền nhưng lại có thể ñồng nhất ở tính dẫn nhiệt…) Khối ñá ñược coi là giả ñồng nhất ở một chỉ tiêu nào ñó khi sự dao ñộng của chỉ tiêu ñó không quá 25%

Cũng như với tính không ñồng nhất, M.V.Raxh ñã chia tính dị hướng của ñá

Hình 2.1 Sự không ñồng nhất của khối ñá xung quanh hầm

Dị hướng cấp I thấy ở hàng loạt khối ñá bị phân cắt do các phá huỷ kiến tạo

Dị hướng cấp II liên quan ñến các phân lớp ở bên ngoài và các khe nứt thô

Dị hướng cấp III thể hiện bằng các phân lớp nhỏ ở bên trong khối ñá, các hạt ñược ñịnh hướng và các hệ thống khe nứt

Dị hướng cấp IV là những dị hướng của các tinh thể

ðể ñánh giá mức ñộ dị hướng của khối ñá, trong thực tế sản xuất thường dùng

hệ số dị hướng là tỉ số giữa các trị số của một chỉ tiêu tính chất nào ñó của ñá ñược xác ñịnh theo các hướng khác nhau Với các ñá phân phiến và phân lớp thì hệ số này thường ñược xác ñịnh bằng tỷ số của một chỉ tiêu nào ñó theo phương vuông góc với mặt lớp và trị số của chính chỉ tiêu ấy, xác ñịnh theo hướng song song với mặt lớp Kết hợp với tính không ñồng nhất của khối ñá, tuỳ theo mức ñộ dị hướng của

nó mà P.N.Panjubov ñã chia khối ñá thành các loại: ñồng nhất, không ñồng nhất và giả ñẳng hướng, ñồng nhất và dị hướng, không ñồng nhất và dị hướng

Với mỗi loại ñá như vậy, khi tính toán sẽ phải tuân theo những ñiều kiện thích hợp tương ứng

Các khe nứt phân lớp liên quan chủ yếu ñến ñá trầm tích mặc dù phân lớp dòng cũng có thể xảy ra trong vật liệu núi lửa Chúng ñược ñặc trưng bởi màu sắc, kiến trúc và thành phần khoáng vật khác nhau và thường song song với ranh giới giữa các lớp Trong khe nứt thường có các lớp sét làm giảm ñộ bền cắt của ñá Các khe nứt phân lớp thường liên tục và phẳng nhưng chúng cũng có thể bị mờ nhạt ñi do ñược gắn kết lại trong quá trình biến chất

Các khe nứt phân phiến liên quan chủ yếu ñến các quá trình biến chất do tác ñộng của các lực kiến tạo như trong các ñá phiến mica, clorit, talc… xen kẹp giữa các lớp ñá cứng hơn như gneis, granit và quarzit Các khe nứt có thể rất gần nhau, song song hay có dạng bậc thang

Các thớ nứt ñược tạo ra do biến dạng trong quá trình biến chất và ñặc trưng bởi sự tái kết tinh của những khoáng vật nằm song song với nhau, ñịnh hướng theo phương gần như vuông góc với ứng suất nén lớn nhất Thớ nứt có thể theo nhiều hướng nếu như quá trình biến chất xảy ra trong vài giai ñoạn Với ñá magma, thớ nứt cũng xuất hiện do sự nguội lạnh ñột ngột của những khối dung nham phun lên trên mặt ñất

Các thớ nứt thường phân bố sát gần nhau nên người ta dễ dàng xác ñịnh phương hướng của thớ nứt nhưng khó xác ñịnh khoảng cách và ñộ bền của chúng

Các khe nứt do ñứt gãy và trượt

Khi có sự chuyển ñộng tương ñối giữa các phần của một lớp ñá do tác dụng

này có thể nhỏ, hẹp với cự ly dịch chuyển không lớn nhưng cũng khi do ngoại lực quá lớn, ñã tạo thành ñứt gãy dài 430 km chuyển vị ñứng tới 7m như sau trận ñộng ñất ở San Franxisco năm 1906

Các khe nứt khác như khe nứt ñịa hình chạy gần song song với mặt ñất, lượn theo ñịa hình và liên quan tới ứng suất ñịa hình; khe nứt tiếp xúc thạch học tồn tại ở những chỗ tiếp giáp các lớp ñá có thành phần thạch học khác nhau hay những khe nứt khác không thể phân chia ñược theo nguồn gốc hay theo sự liên kết giữa các cấu trúc…

Tuỳ theo sự tồn tại, mức ñộ phát triển của các khe nứt mà khối ñá có thể ñược coi là liên tục hay gián ñoạn Thường không ít thì nhiều, ñá nào cũng có những khe nứt nhỏ hay lớn nên cũng hiếm gặp những khối ñá liên tục (không gián ñoạn) Khi những khe nứt rất nhỏ, rất ngắn thì có thể coi là khối ñá có tính giả liên tục Với những khối ñá này, theo G.A.Krupenikov, chúng phải thoả mãn ñiều kiện:

trong ñó: ∆A là sự chênh lệch trị số ứng suất, biến dạng và chuyển vị tại các

ñiểm ở gần khối ñá có gia số toạ ñộ là ∆a

ε là ñộ sai lệch cho phép khi xác ñịnh A (tới 15% theo trị số trung bình)

l0 là kích thước dài của khối ñá phân tố (ñặc trưng cho tính chất của khối ñá)

Theo K.V.Ruppeneyt thì l0 = 0,29cm

Ba ñặc ñiểm không ñồng nhất, dị hướng, gián ñoạn của khối ñá liên quan chặt chẽ với nhau Vì không ñồng nhất nên làm khối ñá có tính dị hướng và gián ñoạn nhưng mặt khác, sự gián ñoạn cũng chính là nguyên nhân của tính không ñồng nhất,

dị hướng của khối ñá Các ñặc ñiểm này của khối ñá phụ thuộc vào mục ñích và phạm vi nghiên cứu Ở một khối ñá lớn thì có thể coi nó là không ñồng nhất, dị hướng và gián ñoạn vì trong ñó có nhiều vùng thành phần thạch học không như nhau, cấu trúc khác nhau, có nhiều lỗ rỗng, khe nứt… Nhưng nếu hạn chế phạm vi nghiên cứu lại, thì trong khối ñá ấy, người ta vẫn tìm ñược những phần ñá nhỏ hơn có tính ñồng nhất hay giả ñồng nhất, ñẳng hướng hay giả ñẳng hướng, liên tục hay giả liên tục…

2.2 CÁC TÍNH CHẤT CỦA KHỐI ðÁ NGUYÊN TRẠNG

Khối ñá nguyên trạng cũng có ñầy ñủ các tính chất vật lý như ở mẫu ñá, nhưng

do những ñặc ñiểm của khối ñá nguyên trạng ñã nêu trên, nên việc nghiên cứu các tính chất của khối ñá nguyên trạng phức tạp và tốn kém hơn nhiều so với mẫu ñá ðối với khối ñá nguyên trạng, người ta cũng xác ñịnh các chỉ tiêu ñặc trưng cho ñộ chặt, tính chất cơ học… Những chỉ tiêu nào mà khi xác ñịnh giống như làm với mẫu ñá (như khối lượng riêng, khối lượng thể tích, ñộ rỗng) thì ở ñây sẽ không trình bày lại nữa, nhưng cũng có những chỉ tiêu chưa ñược nói tới khi nghiên cứu mẫu ñá, thì trong phần này sẽ ñược trình bày tỉ mỉ hơn như tính chất lưu biến, tính chất thấm…

Hiện nay, ñể nghiên cứu các tính chất của khối ñá nguyên trạng người ta

- đo trực tiếp tại khối ựá nguyên trạng Phương pháp này ựáng tin cậy nhưng ựắt và không phải trong trường hợp nào cũng làm ựược

- Phương pháp giải tắch, dùng các mô hình toán học phản ánh cấu trúc của khối ựá ựịnh nghiên cứu Phương pháp này kém chắnh xác

- Phương pháp mô hình dùng các vật liệu ựể tạo nên mô hình có tắnh chất gần như tắnh chất của khối ựá ựịnh nghiên cứu và rút ra những kết luận trên cơ

sở thắ nghiệm với các mô hình này

Hai phương pháp sau tuy dễ thực hiện nhưng kém chắnh xác vì không thể xác ựịnh ựược ựầy ựủ tắnh chất, trạng thái của khối ựá và không thể thể hiện hoàn toàn các tắnh chất của khối ựá trên mô hình ựược Vì vậy trong khi khảo sát, ựôi khi người

ta hay dùng phương pháp mà có thể tạm gọi là phương pháp tương quan, dựa trên một quan hệ nhất ựịnh giữa tắnh chất vật lý của ựá và một ựại lượng vật lý nào ựó (thắ

dụ như sự liên quan giữa các tắnh chất của ựá và tốc ựộ truyền sóng ựàn hồi trong chúng)

2.2.1 TÍNH PHONG HOÁ

Phong hoá là hiện tượng ựá bị biến ựổi thành phần, trạng thái và tắnh chất của

nó dưới tác ựộng của khắ quyển, thuỷ quyển và sinh quyển

2.2.1.1 Các kiểu và mặt cắt phong hoá

Tuỳ theo các ựặc trưng biến ựổi và các tác nhân gây ra phong hoá, người ta thường chia ra các kiểu sau:

- Phong hoá cơ học (hay vật lý) là quá trình phá vỡ ựá thành các hạt nhỏ hơn khi các ứng suất sinh ra lớn hơn ựộ bền kéo của ựá Các tác nhân gây ra loại phong hoá này có thể là do hoạt ựộng băng giá, do sự kết tinh của muối, sự thay ựổi của ựộ ẩm và nhiệt ựộ hay sự dỡ tải xảy ra trong ựá

Hoạt ựộng băng giá là một trong những quá trình phong hoá cơ học mạnh nhất Khi nước ựóng băng trong khối ựá, thể tắch của chúng tăng lên (tới 9%), tạo nên một

áp lực rất lớn (ở Ờ 220C, áp lực này tới 200MPa) làm ựá bị nứt ra, ựẩy hai thành khe nứt cách xa nhau hơn

Sự kết tinh của muối trong ựá cũng phần nào tương tự như tác dụng của nước ựóng băng Khi muối kết tinh làm giãn nở và làm giảm ựộ bền của ựá Các muối hoà tan có thể xâm nhập vào ựá bằng nhiều cách khác nhau Nước mưa và không khắ ô nhiễm cũng là những nguồn muối rất lớn Muối có thể kết tinh trong các khe nứt hay trên bề mặt ựá làm ựá bị nứt nẻ sâu thêm hoặc tách thành các lớp mỏng

Sự thay ựổi nhiệt ựộ gây ra sự giãn nở vì nhiệt ở bên trong khối ựá đá thường

là ựa khoáng, các khoáng vật giãn nở không

như nhau, làm ựá bị nứt nẻ do các ứng suất

nhiệt ựã phá huỷ các mối liên kết trong ựá

Sự thay ựổi ựộ ẩm của ựá dưới dạng

ướt Ờ khô xen kẽ liên tục cũng làm ựá bị co

giãn liên tục sẽ làm ựộ bền của ựá giảm ựi

Tác dụng này càng tăng lên khi kết hợp với

Cũng như mọi vật liệu khác, khi bị tác

dụng lực, ựá bị biến dạng Khi ựược dỡ tải,

ựá ựược nở ra, nhiều khi làm phá huỷ ựá ở

trên các mặt song song với mặt ựược dỡ tải,

tạo nên những phiến ựá mỏng giới hạn bởi các thớ nứt song song với mặt ựất Các phiến ựá ựã tách ra rất dễ bị tiếp tục phong hoá Quá trình phong hóa cơ học xảy ra liên tục dưới tác ựộng của các tác nhân phong hoá, tạo thành những bãi ựá góc cạnh, những tảng ựá tròn hay những khối ựá có hình thù ựặc biệt như khối ựá Ộ đầu nữ hoàngỢ ở Yehliu (bắc đài Loan) tạo thành từ ựá cát kết vôi (hình 2.2) Hình này ựã ựược dùng làm logo cho Hội thảo khoa học Quốc tế về ựá trầm tắch khu vực Châu Á tháng XI Ờ 1997 tại đài Bắc

- Phong hoá học xảy ra do tác dụng của các phản ứng hoá học giữa các thành phần tạo nên ựá và ôxy, carbonic và nước trong khắ quyển và thạch quyển Khắ C02 có trong khắ quyển hay ựược tạo thành

do sự phân huỷ các chất hữu cơ trong ựiều kiện

thoáng khắ ở trong ựất Lượng khắ C02 này lớn hơn rất

nhiều so với nồng ựộ của nó trong khắ quyển và sẽ

phản ứng với nước mưa hay tuyết tan thấm xuống ựể

tạo thành axắt carbonic H2C03 Mặt khác, khi phân

huỷ chất hữu cơ còn làm sản sinh ra axit humic, làm

tăng lượng các axit trong ựất và làm giảm ựộ pH của

nó

Phản ứng hoà tan xảy ra do nước (chứa C02, các

loại axitẦ) có tắnh xâm thực, hoà tan các khoáng vật

dễ tan của ựá:

CaC03 + H20 + C02 ⇔ Ca (HC03)2

Khi các ựá dễ tan như ựá vôi, ựôlomit lộ ra trên

mặt ựất thì quá trình hoà ta sẽ tạo thành các hốc ựá lồi

lõm, rừng ựá lởm chởm Với các ựá trên nhưng nằm

sâu dưới ựất thì quá trình hoà tan sẽ tạo thành các

hang ựộng, các ựịa hình karst thường rất ựẹp và thơ

mộng (hình 2.3)

Phản ứng ôxy hoá xảy ra do oxy tự do tác dụng với các nguyên tố kim loại khác có trong ựá Những ựá gồm các khoáng vật có chứa Fe (như pyrit, pyroxenẦ) khi bị ôxy hoá thường tạo thành limonit Quá trình biến ựổi từ pyrit (FeS2) thành limonit (Fe203 nH20) có thể thấy như sau:

Hình 2.3. Thạch nhũ ở ựộng Tiên Sơn (Vĩnh

An, Vĩnh Lộc, Thanh Hoá)