Địa chất công trình

•Cấu tạo và cấu trúc địa chất: Sự phân bố, thành phần, tính chất xây dựng của đất đá cường độ chịu lực, độ ổn định, khả năng thấm nước,… và các biến động địa chất như: uốn nếp, nứt nẻ, đ

PHẦN MỞ ðẦU

1 ðịnh nghĩa, đối tượng và nhiệm vụ

ðịa chất cơng trình nghiên cứu đất đá phần trên của vỏ Trái đất, thành phần, tính chất cơ lý của chúng cũng như những tác dụng tương hỗ với nước và các quá trình địa chất động lực liên quan đến các hoạt động cơng trình của con người phục vụ cơng tác xây dựng các cơng trình khác nhau.

ðCCT bao gồm: Thạch luận cơng trình; ðịa chất động lực cơng trình; ðịa chất cơng trình chuyên mơn; ðịa chất cơng trình

khu vực

ðối tượng của mơn địa chất cơng trình là các điều kiện địa

chất cơng trình:

ðịa mạo: Hình dạng, kích thước, độ cao, mức độ phân cắt,

nguồn gốc tạo thành, xu thế phát triển… của địa hình nơi xây dựng cơng trình.

công trình mặt đất công trình mức lũ công trình

•Cấu tạo và cấu trúc địa chất: Sự phân bố, thành phần, tính chất xây dựng của đất đá (cường độ chịu lực, độ ổn định, khả năng thấm nước,…) và các biến động địa chất như: uốn nếp, nứt nẻ, đứt gãy…

công trình

đất tốt đất yếu

công trình

đất tốt đất yếu

công trình

đất tốt

đất yếu

NỀN

MÓNG độ sâu chôn móng

độ sâu ảnh hưởng cần thiết khảo sát mặt đất

Các tác dụng địa chất: Các hiện tượng địa chất như: động đất, trượt lở, cactơ, xĩi ngầm…

mực nước ngầm theo mùa), thành phần hĩa học (mức

độ ăn mịn bê tơng và các loại vật liệu xây dựng khác), tính chất và quy luật vận động, sự phân bố của nước dưới đất…

mặt đất

mực nước ngầm

hố móng bị ngập

ðiều kiện vật liệu xây dựng: tình hình phân bố các loại vật liệu (vị trí và trữ lư ợng), loại vật liệu, phương pháp khai thác và vận chuyển các loại vật liệu…

ðịa chất công trình có các nhiệm vụ chính sau:

- Xác ñịnh các ñiều kiện ñịa chất công trình: lựa chọn vị trí bố trí công trình thích hợp, kiến nghị các biện pháp công trình.

- Nêu ñi ều kiện thi công, dự ño án các hiện tượng ñịa chất xảy ra trong khi thi công và sử dụng công trình.

- ð ề ra các biện pháp phòng ngừa và cải tạo các ñiều kiện bất lợi.

Cung cấp khả năng cung c ấp vật liệu xây dựng thiên nhiên cho công trình.

2 Nội dung của ðịa chất công trình: ð ối tượng của ðCCT là ñất ñá, nước dưới ñất và tác dụng qua lại của chúng với nhau và với môi trường bên ngoài

Do vậy ñối tượng của Môn học rất ña dạng, phức tạp, luôn luôn thay ñổi.

3.Phương pháp nghiên cứu ñịa chất công trình

3.1 Các phương pháp ñịa chất học

3.2 Các phương pháp tính toán lý thuyết

3.3 Các phương pháp thí nghiệm mô hình và tương tự ñịa chất

3.4 Các phương pháp mô hình hóa bằng các chương trình

CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ Theo nguồn gốc, đất đá được chia làm 3 loại chính:

Macma (cĩ nguồn gốc nội sinh)

Trầm tích (cĩ nguồn gốc ngoại sinh)

Biến chất (cĩ nguồn gốc biến chất)

1.1 ðẠI CƯƠNG VỀ TRÁI ðẤT VÀ VỎ TRÁI ðẤT

Trái đất cĩ hình cầu, ở xích đạo phình ra, hai cực hơi dẹt đi vì tốc độ quay quanh trục Bắc - Nam khá lớn với R TB = 6366

km.

Trái đất cĩ thể được chia ra thành 3 lớp chính:

Vỏ Trái đấtđược chia làm 3 lớp:

Trên cùng là lớp trầm tích hiện đại, cĩ bề dày thay đổi từ 0,0 – 1,5km

Lớp đá granittoit

Lớp dưới cùng là lớp bazan cịn gọi là vỏ bazan, cấu tạo bởi

các đá mafic như gabro và bazan

Cấu tạo các vòng quyển bên trong Trái ñất

Manti ở ñộ sâu 60 – 2900km

Nhân Trái ñất (dưới 2900km): nhiệt ñộ rất cao 4000oC, áp suất > 1,5 triệu atm.

Nhiệt bên trong Trái ñất

Dòng nhiệt: Sự phân bố không ñ ều của núi lửa, suối và

các giếng phun nước nóng, và các biểu hiện dòng nhiệt cao khác (tập trung chủ yếu ở khu vực các rìa mảng) chứng tỏ rằng dòng nhiệt xuất phát từ phần bên trong Trái ñất ra mặt ngoài là không ñồng ñều

Quá trình truyền nhiệt ñối lưu ñược xem như là một giải thích về dòng nhiệt hợp lý hơn cả ñối với dòng nhiệt từ nhân.

1.2 ðẠI CƯƠNG VỀ KHOÁNG VẬT

Khoáng vật là một hợp chất hóa học hay một nguyên tố tự sinh – là thành phần cơ bản tạo nên ñất ñá.

1.2.1 Một số ñặc tính của khoáng vật

1.2.1.1.Hình dạng tinh thể của khoáng vật

Các dạng phát triển của tinh thể

1.Dạng phát triển theo một phương (thạch anh);

2 Dạng phát triển theo hai phương(barit);

3 Dạng phát triển theo ba phương (halit)

1.2.1.2 Màu của khoáng vật

Khoáng vật chứa nhiều Fe, Mg thư ờng có màu sẫm, còn khoáng vật chứa nhiều Al, Si thì màu nhạt.

1.2.1.3 ðộ trong suốt và ánh của khoáng vật

1.2.1.4 Tính dễ tách (cát khai) của khoáng vật

Tính dễ tách là khả năng của tinh thể và các hạt kết tinh (mảnh của tinh thể) dễ bị tách ra theo những mặt phẳng song song Chia tính dễ tách ra các mức ñộ sau:

+ Rất hoàn toàn: tinh thể có khả năng t ách theo các mặt tách một cách dễ dàng, (như mica,…)

+ Hoàn toàn: dùng búa ñập nhẹ sẽ vỡ theo các mặt tách tương ñối phẳng(như calcite, halit,…)

+ Không hoàn toàn: khó thấy mặt tách mà thư ờng là vết vỡ không có qui tắc, (như thạch anh),… vì vậy còn gọi là tính không tách của khoáng vật.

1.2.1.5.Vết vỡ của khoáng vật

1.2.1.6.ðộ cứng của khoáng vật

ðộ cứng là khả năng ch ống lại tác dụng cơ học bên ngoài

(khắc, rạch) lên bề mặt của khoáng vật

1.2.2 Phân loại khoáng vật và mô tả một số khoáng vật tạo ñá chính

Theo nguồn gốc thành tạo: các khoáng vật nguyên sinh (khoáng vật trong ñá macma, ñá trầm tích hóa học); các

khoáng vật thứ sinh (chủ yếu trong ñá trầm tích và ñ á biến chất).

1.2.2.1 Phân loại khoáng vật theo kiểu liên kết hóa học

Nhóm 1: gồm các khoáng vật có liên kết cộng hóa trị giữa các yếu tố kiến trúc cơ bản

Nhóm 2: gồm các khoáng vật có liên kết ion giữa các yếu tố kiến trúc cơ bản.

Nhóm 3: là các khoáng vật liên kết hỗn hợp: liên kết cộng hóa trị ñồng thời có cả liên kết ion, phân tử và liên kết keo nước.

1.2.2.2 Phân loại khoáng vật theo thành phần hóa học

Hiện nay trong lĩnh vực ðịa chất phổ biến nhất là phân loại

theo thành phần hóa học:

1 Các nguyên tố tự nhiên như: Cu, Au, Ag

3 Halogenua (muối của các axit halogenhydrit) như : halit

(NaCl)…

5 Sunfat (muối của axit sunfurit) như : thạch cao

(K[AlSi3O8])

Giới Thiệu Một Số Khoáng Vật Tạo đá Chủ Yếu

ựá macma, bao gồm ba nhóm khoáng vật chắnh:

Na [AlSi3O8]; Ca [Al2Si2O8]; K [AlSi3O8]

Feldspar natri-canxi còn gọi là plagioclase Chúng gồm

những khoáng vật hỗn hợp ựồng hình liên tục của anbit (Ab) Na[AlSi3O8] và anoctit (An) Ca[Al2Si2O8].

Plagioclase thường có dạng tấm và lăng tr ụ tấm; màu trắng hoặc xám trắng, ựôi khi có sắc lục phớt xanh, phớt ựỏ; ánh thủy tinh Dễ tách hoàn toàn theo hai phương.

Các biến thể chính của plagioclase có tên như sau:

Tên khoáng Anbit

Feldspar kali phổ biến nhất có orthoclase và microclin Màu hồng

nhạt, vàng nâu, trắng ñỏ; ánh thủy tinh Dễ tách hoàn toàn

Ở các khu vực khí hậu khô, feldspar bị phong hóa tạo thành cát còn ở nước ta feldspar bị phân hủy tạo thành sét

2-Nhóm mica

Mica có thành phần hóa học phức tạp và có ñặc ñiểm là dễ tách

rất hoàn toàn Khoáng vật chủ yếu của nhóm này là biotit (mica

ñen) và muscovit (mica trắng)

3/Nhóm piroxen

Phổ biến nhất là augit Tinh thể hình trụ ngắn, hình tấm Tập hợp

khối ñặc sít Màu ñen lục, ñen, ít khi lục thẫm hay nâu Dễ tách hoàn toàn

4/Nhóm amfibon

Phổ biến nhất là hocblen Tinh thể dạng lăng trụ, hình cột Màu

lục hoặc nâu có sắc từ sẫm ñến ñen

5/Nhóm olivin: tập hợp dạng hạt Màu phớt vàng, vàng, phớt

lục Ánh thủy tinh ðộ cứng 6,5 – 7 Thường không tách

6/Nhóm talc: tập hợp thành khối ñặc sít; rất ñặc trưng là ở dạng

lá, dạng vẩy ðộ cứng 1 Dễ tách hoàn toàn theo một phương

7/Nhóm clorit

Tinh thể dạng tấm, tập hợp có dạng vảy Màu lục sáng, lục thẫm, ánh ngọc Dễ tách hoàn toàn Vết vỡ không ñều, sần sùi

Phổ biến và ñ ặc trưng nhất trong nhóm khoáng vật sét có

kaolinit, illit, montmorilonit Chúng ñều ñược cấu tạo bởi

những lớp mỏng oxit silic (SiO2) và oxit alumin (Al2O3)

+Kaolinit: ñược hình thành

ngay trên mặt ñất, trong môi

trường axit Tinh thể phiến

mỏng, hình dạng rất khác nhau.

Sét kaolinit sinh thành trong ñiều kiện nóng ẩm, là sản phẩm phong hóa hóa học từ các ñá giàu silicat alumin, qua vận chuyển ñược lắng ñọng ở biển nông, ven biển,

hồ, ñầm, sông, trong môi trường nước giàu axit cacbonic, axit hữu cơ.

+Montmorilonit: qua kính hiển vi ñiện tử, chúng ñều có

ñặc ñiểm là có ñộ phân tán cao và tính chất mơ hồ của ñường nét Các khoáng vật của nhóm hầu như hoàn toàn ñược thành tạo trong ñiều kiện ngoại sinh, phần lớn là

trong quá trình phong hóa (bằng cách thủy phân) của

các ñá macma bazơ trong ñi ều kiện môi trường kiềm (pH=7 – 8,5).

+Illit (Hydromica) ñư ợc thành tạo trong ñiều kiện môi trường khác nhau nhưng chủ yếu là môi trường kiềm (pH tới 9,5), trung

hòa và axit yếu, ñồng thời luôn luôn có nồng ñộ kali khá cao ởtrong các dung dịch nước

b) Lớp oxit: Trong lớp này hay gặp opan, thạch anh,

limonit.

Thạch anh SiO2 là khoáng vật phổ biến nhất trong vỏ Trái ñất, thường không màu, ñôi khi tr ắng sữa, xám Anh thủy tinh Không dễ tách Vết vỡ vò sò ðộ cứng 7 Thạch anh thành tạo khi macma nguội lạnh và cả khi kết tủa từ dung dịch.

Thạch anh là khoáng vật nhóm oxit (SiO2), rất ổn ñịnh

về mặt hóa học, có cường ñộ và ñộ cứng cao, chủ yếu là

có nguồn gốc nguyên sinh, hạt thường có kích thước lớn

và ñẳng thước, là thành phần chính của cuội, sỏi, cát và bụi Cát hạt to như cát vàng hầu như hoàn toàn là thạch anh.

c) Lớp cacbonat:

Khoáng vật phổ biến có calcite và dolomit.

Calcite CaCO 3 Sủi bọt với axit HCl loãng (10%).

Dolomit CaCO3.MgCO3 Mảnh dolomit bị hòa tan chậm bởi axit HCl (10%) khi nguội Bột dolomit sủi bọt mạnh với HCl ñược ñun nóng.

Pirit FeS2 Tinh thể hình lập phương, trên mặt tinh thể có những vết

khía Màu ñồng thau, khi phân tán nhỏ có màu ñen Không dễ tách.

f) Lớp halogenua:

Khoáng vật phổ biến nhất của lớp này là muối mỏ halit (NaCl) Tinh thể lập phương Màu trắng hoặc không màu ðộ cứng 2,5 Dễ tách hoàn toàn.

Tinh thể khoáng vật thạch anh

Chert

Opal

Plagioclase (anbit)

Feldspar dưới kínhhiển vi (trong

đá bazan)

Tinh thể canxit

Canxit lấp nhét

trong các khe nứt

Pyrit (saét)

Galen (chì) Heâmatit

Thang độ cứng

1.3 KIẾN TRÚC, CẤU TẠO VÀ THẾ NẰM CỦA ðẤT ðÁ 1.3.1 Kiến trúc của ñất ñá

Kiến trúc của ñất ñá là khái niệm tổng hợp từ các yếu tố như : hình dạng, kích thước hạt, tỷ lệ kích thước và hàm lượng tương ñối của các hạt trong ñá cũng như mối liên kết giữa các hạt ñó với nhau.

1.3.2.Cấu tạo của ñất ñá

Cấu tạo của ñất ñá cho biết quy luật phân bố hạt khoáng vật theo các phương hướng khác nhau trong không gian và mức ñộ sắp xếp chặt sít của nó.

1.3.3.Thế nằm của ñất ñá

Thế nằm của ñất ñá cho ta khái niệm về hình dạng, kích thước và

tư thế của khối ñá trong không gian cũng như mối quan hệ của các khối ñá với nhau.

1.4 ðÁ MACMA

Macma khi thâm nhập vào phần trên của vỏ Trái ñ ấ t s ẽ t ỏ a nhi ệ t (1000 – 1300oC)

và nguội dần, ñông cứng lại thành ñá

macma Nếu những khối macma này bị ñông

ñặ c và ngu ộ i ñi ở dư ớ i sâu trong lòng ñất thì gọi là ñá xâm nhập Nếu những

kh ố i macma nóng ch ả y này phun lên m ặ t ñất theo các khe nứt rồi ñông ñặc lại

và nguội ñi thì gọi là ñá phun trào

(khí và hơi nư ớ cthoát ra).

Trang 1

1.4.2 Thành phần khoáng vật

Dựa vào lượng SiO2, chia thành 4 loại:

- đá axit: SiO2 trên 65% như: granit, liparit (ryolit)

- đá trung tắnh: SiO2 55 - 65% như: diorit, sienit, andezit

- đá bazơ: SiO2 45 - 55% như: gabro, bazan

đá siêu bazơ: SiO2 nhỏ hơn 45% như: periựôtit, ựunit

1.4.3 Kiến trúc (chỉ trạng thái)

Pocphia

phần khoáng vật của granit loại bình

thường là plagioclase axit (anbit, oligioclase) (30%), feldspar kali (30%), thạch anh (30%), 10% là biotit

và khoáng vật phụ

Khoáng vật màu thẫm thường là biotit, augit, hocblen Màu của granit thường

do màu của feldspar quyết ựịnh, có thể từ xám sáng ựến hồng.

Liparit Ờ ự á phun trào axit Ờ là loại ựá có màu xám sáng, hồng nhạt hoặc vàng nhạt có kiến trúc pocfia đ á phun trào kiểu cũ của

liparit là liparit pocfia hoặc riolit pocfia có

màu thẫm hơn và chắc hơn liparit.

đá loại trung tắnh (nhóm diorit va andezit)

Diorit có thành phần khoáng vật chủ yếu là plagioclase trung tắnh (oligioclase, andezin), hocblen, ựôi khi c ó biotit, thạch anh, orthoclase Diorit có hàm lượng thạch anh không quá 6%, granodiorit có hàm lượng thạch anh từ 20 - 25%

Andezit là loại ựá phun trào mới ựặc xắt màu xám xẫm có kiến trúc pocfia Thành phần khoáng vật chắnh gồm plagioclase bazơ, pyroxene, hocblen, biotit, olivin (khoáng vật ban tinh), plagioclase trung tắnh, augit, hocblen (khoáng vật nền).

đá loại bazơ (nhóm ựá gabro - bazan)

Gabro có thành phần chủ yếu là plagioclase bazơ (labrador) chiếm nửa khối lượng thể tắch ựá, khoáng vật màu thẫm (piroxen, amfibon, olivin), ựôi khi

có manhêtit

Bazan và diaba có thành phần

khoáng vật chắnh là plagioclase

bazơ, pyroxene, olivin và một số

khoáng vật quặng, ựôi khi c ó thủy

tinh núi lửa

đá loại siêu bazơ

Kiểu ựá Hàm lượng olivin (%)

trên tổng olivin và pyroxene

Kiến trúc đá macma Toàn tinh

Pocphia

Vi tinh Thủy tinh

Nhóm đá granit - liparit

Nhóm đá diorit - andezit

Andezit

Diorit

Nhóm đá gabbro - bazan

Bazan

Pocphiaritic Bazan

Gabbro

Mã não

Gabbro

Mã não

1.5 ð Ấ T ðÁ TR Ầ M TÍCH

Những sản phẩm phong hóa bị lắng ñọng tại chỗ hoặc bị

di chuy ể n r ồ i l ắ ng ñ ọ ng l ạ i, liên k ế t v ữ ng ch ắ c v ớ i nhau

mà hình thành một loại ñá gọi là ñất ñá trầm tích.

H ầ u h ế t các công trình xây d ự ng ñ ề u s ử d ụ ng ñ ấ t ñá tr ầ m tích làm n ề n ho ặ c v ậ t li ệ u xây d ự ng Tính ch ấ t cơ lý c ủ a loại ñất ñá này thay ñổi tùy thuộc vào nguồn gốc thành

t ạ o, ñ ị a ñi ể m, th ờ i gian thành t ạ o và bi ế n ñ ổ i không

ng ừ ng.

1.5.1.Th ế n ằ m c ủ a ñá tr ầ m tích

Thế nằm dạng lớp song song, nằm ngang ñặc trưng cho môi trường trầm tích ñồng nhất và yên tĩnh Lớp xiên chéo, l ớ p vát nh ọ n thư ờ ng g ặ p trong tr ầ m tích gió và trầm tích cửa sông Ở n ơi dòng nư ớc uốn khúc thường hình thành thế nằm dạng thấu kính.

Các yếu tố thế nằm của tầng đá

1.5.2.Thành phần khống vật của đá trầm tích

a) Khống vật nguyên sinh: là những mảnh đá hay khống vật do phong hĩa

cơ học các loại đá cĩ từ trước: thạch anh, feldspar, apatit… chúng là thành phần chủ yếu của đá trầm tích vụn (cuội, sỏi, cát).

b) Khống vật thứ sinh: là khống vật thành tạo từ các khống vật nguyên sinh bị phân hủy hĩa học như các khống vật sét.

c) Khống vật thuần túy của đá trầm tích: hình thành do sự lắng đọng của dung dịch, sự ngưng keo cĩ hay khơng cĩ sự tham gia trực tiếp hay gián tiếp của sinh vật (thạch cao, muối mỏ, opan, đá vơi … ).

β α

Hướng Bắc

đư ờn

g p hư

ơngphương vị hướng dốc

đườn

g hướng

doác

Mô tả một số loại ñất ñá trầm tích:

Cuội, sỏi (sỏi sạn laterite)

Cát: Tầng cát thường là tầng chứa nước dưới ñất rất tốt Khi có tải

trọng, cát bị nén chặt nhanh nhưng ñộ lún không lớn Nền cát không thích hợp với những công trình chịu tải trọng chấn ñộng.

ðất cát pha: có lượng hạt sét từ 2 – 10%; có một ít tính dính; Khi

cát pha có thành phần hạt bột trên 30% thì phát sinh hiện tượng bùn nhão khi gặp nước.

ðất sét pha: có lượng hạt sét từ 10 – 30%; tính dẻo tương ñối lớn;

tính thấm nước nhỏ, thường làm vật liệu ñắp; tính ép co so với cát tăng lên rõ rệt.

ðất sét: là loại ñất phân bố rộng rãi ðất sét có tính dẻo, tính dính,

trương nở và ép co lớn ð ộ lún nền cấu tạo bởi ñất sét phụ thuộc rất lớn vào thời gian do trên bề mặt hạt sét có hấp phụ một màng nước tương ñối dày Trong thực tế có thể coi ñất sét không thấm nước.