Bài giảng Cách nhận diện và phân loại đá cho người không chuyên - Một số vấn đề liên quan tới Cơ học đá công trình

Bài giảng Cách nhận diện và phân loại đá cho người không chuyên - Một số vấn đề liên quan tới Cơ học đá công trình với các nội dung cách nhận diện và gọi tên đá theo nguồn gốc (dành cho người không chuyên); một số vấn đề về cơ học đá trong xây dựng.

Cách nhận diện và phân loại đá cho người không chuyên

Một số vấn đề liên quan tới Cơ học đá công trình

Nguyễn Quang Tuấn

Đá trong xây dựng

• Làm nền công trình

• Làm môi trường xây dựng công trình, vd: với công trình ngầm

• Làm kết cấu công trình (tường, trụ, …)

• Làm vật liệu xây dựng: cốt liệu cho bê tông, làm vật liệu sản xuất xi măng, vật liệu rải đường (móng đường, bê tông nhựa mặt đường), vật liệu ốp lát, trang trí, làm vật liệu trạm khắc tượng đài

• Cách nhận diện và gọi tên đá theo nguồn gốc (dành cho người không chuyên)

• Một số vấn đề về cơ học đá trong xây dựng

Chu trình hình thành các loại đá theo nguồn gốc

Nén chặt và gắn kết (hình thành đá)

Biến đổi do nhiệt

độ và áp suất

Nóng chảy Đá biến chất

Nguội và đông cứng (kết tinh)

trầm tích

Nâng kiến tạo, phong hóa, vận chuyển và tích tụ

Khi nhận diện đá có thể dựa vào nhiều đặc trưng khác như độ cứng,  thế nằm, đặc điểm của sản phẩm phong hóa từ đá đó…

Phân loại đá mắc ma

Tốc độ nguội chậm  tinh thể hạt lớn, nhìn thấy được bằng mắt

thường (kiến trúc hiển tinh)

Tốc độ nguội nhanh  tinh thể hạt rất nhỏ, không nhìn thấy được

bằng mắt thường (kiến trúc ẩn tinh), hoặc không hình thành tinh thể (kiến trúc thủy tinh)

Tốc độ nguội và đông cứng quyết định khả năng kết tinh các thành 

các hạt tinh thể khoáng vật hình thành càng lớn

Kiến trúc hiển tinh Kiến trúc ban tinh Kiến trúc ẩn tinh Kiến trúc thủy tinh

Đông cứng  rất nhanh Đông cứng 

nhanh

Kiến trúc hạt vụn gắn kết (các mảnh vụn núi lửa)

Kiến trúc ban tinh do magma đông nguội 2 giai đoạn (ban đầu nguội chậm

ở dưới sâu, sau đó nguội nhanh khi tới độ sâu tương đối nông)

Kiến trúc toàn tinh do magma đông nguội chậm dưới sâu

Kiến trúc ẩn tinh do magma nguội và đông cứng nhanh

Kiến trúc thủy tinh,

do quá trình đông nguội nhanh chóng

Đá xâm nhập Đá phun trào

Nơi hình thành Dưới mặt đất Trên mặt đất

Tốc độ giảm nhiệt  giảm nhiệt chậm Giảm nhiệt nhanh Kiến trúc Toàn tinh ẩn tinh, thủy tinh

tế; Phải: phân tích ảnh : các hạt vụn và xi măng. Source: Karla Panchuk (2018) CC BY 4.0 modified 

after Woudloper, Public Domain  view source

Cát kết Bột kết Sét kết và đá sét phiến Quy luật chung: Hạt càng nhỏ, sờ càng mịn; Độ cứng giảm dần

300.webp

Đá trầm tích hóa học– vô cơ, không phải là đá mảnh vụn, hình thành do quá trình kết tủa hoặc bốc hơi

Trầm tích silic

Đá vôi, đá Đolomit

Đá muối

Đá thạch cao

Trầm tích sinh hóa

Nhận diện ngoài hiện trường

• Đá thường có tính phân lớp

Dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất: Các hạt khoáng vật thay  đổi hình dạng (chuyển sang dẹt), thay đổi kích thước (lớn hơn),  định hướng và sắp xếp lại, có thể hình thành khoáng vật mới do  phản ứng hóa học. 

Tác dụng của áp lực làm thay đổi kiến trúc và  cấu tạo ‐ cấu tạo phân phiến

Trước khi bị biến chất Sau khi bị biến chất

Đá phiến  Kiến trúc hạt  trung bình đến  lớn (có thể nhìn  thấy)

Đá Gneiss  (Gơ nai)  Kiến trúc biến  tinh

Cấu tạo phân phiến Cấu tạo dải Cấu tạo không 

phân phiến

Đá trầm tích Đá biến chất có do yếu tố áp lực Đá biến chất chỉ do nhiệt

https://opengeology.org/textbook/6‐metamorphic‐rocks/

https://opengeology.org/textbook/6‐metamorphic‐rocks/

Dấu hiệu nhận biết ngoài hiện trường

Các đá có cấu tạo phiến

http://www.mineralogy4kids.org/?q=rock‐cycle/foliated‐ metamorphic‐rocks

Các mức độ biến chất

Mức độ biến chất rất thấp thấp trung bình cao

Khoảng nhiệt độ 150‐300°C 300‐450°C 450‐550°C Above 550°C

Đá ban đầu

Sét bột kết Đá phiến bảng phyllite Đá phiến Gơ nai (gneiss) Granite Không thay đổi Không thay đổi Không thay đổi Granit Gơ nai Basalt Phiến clorite Phiến clorite Amphibolite Amphibolite Sandstone Không đổi Biến đổi ít quartzite quartzite Limestone Ít thay đổi Đá hoa Đá hoa Đá hoa

Nguồn: https://opentextbc.ca/geology/chapter/7‐2‐

classification‐of‐metamorphic‐rocks/

Tên đá & Cấu tạoKiến trúc Cỡ hạt Đặc điểm Đá gốc

Rất nhỏ nhỏ Vừa đến to Vừa đến to Vừa đến to Vừa đến to Nhỏ

Mica chiếm ưu thế, phân phiến dạng vảy

Đá tách vỡ theo bề mặt gợn sóng, bề mặt phân tách nhìn láng bóng

Cấu tạo phân dải do sự phân tách khoáng vật Các hạt calcite, dolomit cài móc vào nhau

Các hạt thạch anh biến dạng do nóng chảy, cấu tạo khối cứng chắc

Đá hưu cơ đen bóng, có thể vỡ dạng vỏ sò

Sét kết dạng phiến, đá cát bột kết, bột kết

Đá phiến lợp (đá phiến bảng)

Đá vôi, dolomit

Cát kết thạch anh

Đặc điểm chung của đá biến chất

• Thường cứng, chặt xít

• Cấu tạo phiến, phân thớ

• Các loại đá phiến dễ phân tách, dễ bị phong hóa, dễ trượt theo các mặt phiến

• Các hạt khoáng vật có dạng tấm, dạng que

Dựa vào đặc điểm

kiến trúc

Kiến trúc hạt kết tinh

Cấu tạo đồng nhất

Cứng

Hạt nhỏ, đồng  nhất Aplite/diabase

Kích thước không đồng nhất, hạt to  lẫn hạt nhỏ hoặc rất nhỏ

Rhyolite, Latite, Andesite, Basalt

Hạt thô, đều hạt

Pecmatite, granite, Granodiorite, Diorite, Gabbro, Peridotite

Nửa cứng tới mềm

Các đá trầm tích hóa học hoặc biến chất nhiệt

Theo TP  khoáng vật

Canxit Đá vôi Canxit & dolomit Dolomit Halit Đá muối Thạch cao Thạch cao Anhydrit Anhydrit Canxit & dolomit, chặt Đá hoa Cấu tạo

không đồng nhất

Hạt dạng que song  song, không có mica

Đá phiến  Amphibole

Phân dải sáng màu

và tối màu Gneiss

Khoáng vật dạng tấm, vảy  song song Đá phiến

mica liên tục : Đá phiến mica

Đá phiến clorite (Đá phiến lục)

Kiến trúc không thấy hạt

Cấu tạo đồng nhất

Cứng 

có dấu hiệu  mắc ma  Phân theo màu sắc: đá magma felsic hay mafickhông có

dấu hiệu mắc ma

Cấu tạo phân lớp dễ tách Sét kết phân phiến

Ánh thủy tinh, vết vỡ vỏ sò Sét kết silic, đá phiến silic

Đá có thớ, phiến

Không có mica: Đá phiến sét

Có mica: Đá phiến phylite Kiến trúc hạt vụn 

Nguồn: Goodman (1989)

Một số vấn đề cơ học đá trong xây dựng

• Các thông số cơ học của đá và khối đá

• Móng trên nền đá

• Ổn định mái dốc đá

• Tính toán đá rơi, đá lăn (optional)

Bài toán ổn định của công trình đối với đá

Có thể  trượt dọc  khe nứt  không?

Khối đá nứt nẻ mạnh

Đá liền khối, mềm yếu

Trượt theo mặt khe nứt

Trượt trên mặt khe nứt giao nhau

Sử dụng độ bền khe nứt Sử dụng độ bền khối đá 32

Tính chất khe nứt

Dạng phân 

bố khe nứtMật độ khe nứt

A. Loại đá

E. Thế nằm khe nứt

M. Nước khe nứt

L. Kích thước & 

hình dạng thỏi đá

L. Độ nhám

D. Loại khe nứt (mặt lớp, đứt gãy…)

H. vật liệu lấp nhét, 

35

Xác định các thông tin đặc điểm khối đá

• Thông tin về mức độ nứt nẻ

• Thông tin về mức độ phong hóa

• Thông tin về nước trong khối đá 

• V.v

Ví dụ

• Vb: kích thướccác thỏi đá

• Jc=độ bền khenứt

10 mặt khe nứt điển hình có độ nhám bề mặt tăng dần (Barton and Choubey, 1977 )

41

Trượt phẳng 

Đinh mái dốc Vòng tròn lớn biểu  diễn bề mặt mái dốc Hướng trượt

Vòng tròn lớn biểu diễn mặt trượt ứng 

với tâm của các điểm cực

Trượt nêm

Đinh mái dốc Vòng tròn lớn biểu  diễn bề mặt mái dốc Hướng trượt Vòng tròn lớn biểu diễn mặt trượt ứng 

với tâm của các điểm cực

Nguồn: Barton (2013)

2 Độ bền khe nứt

43

Các tiêu chuẩn bền đối với khe nứt:

(1) Mohr-Coulomb (2) Patton

(3) Barton - Bandis

JRC= hệ số độ nhám khe nứt JCS = Độ bền thành khe nứt

r=Goc ma sát dư của khe nứt

JRC theo TN bật này SchmidtJRS

2 Sức chịu tải của nền

Tính sức chịu tải  cho phép của nền đá theo chỉ số RQD

45

Móng nông:

• Với móng cọc

Rc,u = c qb Ab (kN)Trong đó:

46

g

n , m , c m b

R R q

l 4 , 0 1 ( R q

f

d m

Chiều sâu ngàm <0,5m Chiều sâu ngàm 0,5m

Rc,m,n– độ bền chịu nén một trục tiêu chuẩn của khối đá trong trạng thái no nước

ld là chiều sâu ngàm cọc vào đá;

dflà đường kính ngoài của phần cọc ngàm vào đá.

Giá trị của )

d

l 4 , 0 1 (

f d

 lấy không quá 3

• Xác định sơ bộ giá trị tiêu chuẩn độ bền chịu nén một trục của khối đá trong trạng thái no nước (bão hòa)

Rc,m,n = Rc,n K

• Độ bền nén một trục

• K = hệ số xét sự có mặt của các khe nứt, tra theo RQD (Bảng 1)

47

Cảm ơn mọi người đã theo dõi!