Bài giảng môn học địa kỹ thuật phần 1 = geotechnical engineering part

Kn về KV & ý nghĩa của việc nghiên cứu KV • Định nghĩa KV: KV là những đơn chất hoặc hợp chất hoá học tồn tại trong tự nhiên, thành tạo do các quá trình hoá học & vật lý nhất định trong

EMAIL : phankhanhlinh@tlu.edu.vn

– [1] - Giới thiệu Địa Kỹ Thuật , bản dịch từ : An

introduction to geotechnical engineering

Robert D Holtz & William D Kovacs, 1981

I Kn về KV & ý nghĩa của việc nghiên cứu KV

• Định nghĩa KV:

KV là những đơn chất hoặc hợp chất hoá học tồn tại trong tự nhiên, thành tạo do các quá trình hoá học & vật lý nhất định trong vỏ trái đất hoặc trên

mặt đất , có t/phần & tính chất vật lý xác định

 KV đơn chất: VD vàng; kim cương

 KV là hợp chất, VD thạch anh, feldspar

4

• Mục đích nghiên cứu KV

– Hiểu được nguồn gốc & đk hình thành của đá

– Nhận xét được khả năng sử dụng của đất đá trong xây dựng CT

I KN về KV và ý nghĩa khi nghiên cứu KV

5

1 Dạng kết tinh

• Hình thành do sự kết tinh của các nguyên tố hóa học

tạo thành những tinh thể gắn kết lại với nhau

(Salt crystals)

7

2 Dạng vô định hình

• Các phân tử vật chất tạo thành KV ko sắp xếp theo 1 trật tự có tính quy luật tuần hoàn trong ko

gian (hoặc ko tạo thành tinh thể)

8

Thạch anh

III Phân loại khoáng vật

3.1 Mục đích:

– Mô tả KV một cách có hệ thống

– Làm rõ mối quan hệ giữa các KV trong đá

 Đánh giá sơ bộ tính chất của KV và tính chất XD của đất đá

10

III Phân loại khoáng vật

3.2 Phân loại

• Theo nguồn gốc hình thành:

• Theo điều kiện hình thành

• Theo vai trò tạo đá

• Theo thành phần hóa học

11

1 Theo nguồn gốc

• KV nguyên sinh: hình thành từ các phần tử cơ bản

trong các quá trình macma, trầm tích & biến chất

• Kv thứ sinh:hình thành từ quá trình biến đổi các kv khác Thường hình thành từ quá trình trầm tích,

biến chất

12

2 Theo điều kiện thành tạo

• KV nội sinh: do các dạng năng lượng nhiệt & áp suất bên trong trái đất phát sinh

• KV ngoại sinh: do các quá trình địa chất ngoại động lực như quá trình phong hóa, quá trình trầm tích

13

KV chính: > 5% khối lượng trong 1 đá

KV phụ: < 5% khối lượng trong 1 loại đá¸

(Các loại đá khác nhau, k.niệm chính-phụ mang tính tương đối)

3 Theo vai trò tạo đá

14

 Lớp 1: các nguyên tố tự nhiên: vàng (Au)

 Lớp 2: sulfua VD: Pirit (FeS2),

 Lớp 3: halogenua VD: Halit (NaCl)

 Lớp 4: cabonat: Canxit (CaCO3)

 Lớp 5: Sulfate VD: Thạch cao (CaSO4.2H2O)

 Lớp 6: Phosphate VD: Apatite

 Lớp 7: ô xit VD: Thạch anh (SiO2)

 Lớp 8: Silicat VD: Felpat KAlSi3O8

 Lớp 9: Các chất của hữu cơ

4 Theo thành phần hóa học: chia thành 9 lớp

15

2 Lớp sulfua VD Thần sa (cinabar), HgS

17

3 Lớp Halogenua; VD Halite, NaCl

18 18

4 Lớp cacbonate:

19

5 Lớp Sulfate, VD Thạch cao, CaSO4.2H2O

20

6 Lớp phosphate: Apatite, Ca2F(PO4)3

21

7 Lớp OXIT: Corundum (hồng ngọc), Al2O3

22

7 Lớp OXIT: Corundum (hồng ngọc), Al2O3

23

8 Lớp Silicate: Muscovite (Mica), KAl 2 [Si 3 O 10 ](OH) 2

24

IV Các tính chất vật lý của KV

1 Hình dạng tinh thể khoáng vật

3 Độ trong suốt và ánh của khoáng vật

4 Tính cát khai của khoáng vật

7 Tỷ trọng

25

Dạng đẳng thước: cấu trúc tinh thể KV phát

triển đều theo 3 phương, tinh thể KV có dạng

hạt, dạng cầu, VD pyrit, halit, granat

Dạng kéo dài 2 phương: KV thường có dạng

tấm, phiến, vảy, lá, VD Mica; barit, clorit

Dạng kéo dài 1 phương: các KV có cấu tạo

tinh thể dạng que, dạng kim, dạng sợi, VD

thạch anh, antimoan

1 Hình dạng tinh thể khoáng vật

26

2 Màu của khoáng vật

 Do thành phần hóa học của KV quyết định Chủ yếu

do chứa các nguyên tố hóa học mang màu

 Nhiều KV chỉ có 1 màu cố định, khi lẫn tạp chất, KV

mang nhiều màu khác nhau

 Màu của KV quan sát đc phụ thuộc đk ánh sáng,

trạng thái mặt ngoài của KV

 Màu KV quyết định màu đá → ảnh hưởng tới khả

năng hấp thụ nhiệt của đá

27

Thạch anh

2 Màu của khoáng vật

28

Limonit Berin (hồng ngọc)

2 Màu của khoáng vật

29

Trong suốt: thạch

anh; thủy tinh; spat;

Độ trong suốt: Khả năng cho ánh sáng đi qua của KV

Nửa trong suốt:

Thạch cao; sfalerit Không trong suốt:

pirit; manhetit; grafit

30

 Ánh á kim: hemarit (Fe203), thần sa (HgS)

 Ánh kim: Pyrit (FeS); Galen (PbS)

31

4 Tính cát khai và vết vỡ

Tính cát khai: khả năng của tinh thể KV hoặc hạt

tinh thể KV bị tách vỡ thành tấm, hoặc khối có mặt

phẳng nhẵn như mặt gương:

• Cát khai rất hoàn toàn: Mica; Clorit

• Cát khai hoàn toàn: Canxit, Halit

• Cát khai trung bình: Piroxen

• Cát khai không hoàn toàn: Apatit

32

4 Tính cát khai và vết vỡ

33

4 Tính cát khai và vết vỡ

Vết vỡ: Khi KV bị vỡ tách theo những mặt lồi lõm hoặc lượn sóng , mặt đó gọi là vết vỡ Dựa theo hình dạng vết vỡ chia ra:

• Vết vỡ xơ

• Vết vỡ vỏ sò

• Vết vỡ hình móc

34

Khả năng chống lại lực cơ học bên ngoài của KV KV có bán kính điện tử càng nhỏ có độ cứng càng lớn Hiện nay thường

dùng bảng độ cứng tương đối với 10 bậc

Độ cứng theo thang Morh (thường dùng) - 10 bậc:

5 Độ cứng

35

Theo tỷ trọng, chia thành 3 nhóm: Nhẹ : G < 2.4

Trung bình: G = 2,5  4,0 Nặng : G > 4,0

2 KHÁI NIỆM VỀ ĐẤT ĐÁ

37

1 Thành phần khoáng vật

Khái niệm chỉ sự có mặt của các KV vật trong đá

& tỷ lệ hàm lượng của chúng

40

2 Kiến trúc

chỉ mức độ kết tinh , kích thước, hình dạng hạt và

mức độ đồng đều của chúng

Kích thước và hình dạng hạt là do đk thành tạo của đá quyết định

41

3 Cấu tạo của đất đá

Cho biết quy luật phân bố hạt KV theo các

phương, hướng khác nhau trong không gian và

mức độ sắp xếp chặt xít của nó

cấu tạo của đất đá đặc trưng cho vị trí không gian của các t.phần trong đá , thể hiện mức độ đồng nhất của khối đá

42

4 Thế nằm của đất đá

Cho biết hình dạng, kích thước và tư thế của

khối đất đá trong k.gian cũng như mối q.hệ tiếp

xúc của khối đá trong không gian đó với nhau

Thế nằm của đất đá còn cho biết mức độ đồng

nhất của nền CT cả về cường độ và ổn định

thấm

43

Giúp XĐ đc tên đá, loại đá, điều kiện hình thành

và tồn tại của đá, từ đó đánh giá được khả năng

sử dụng chúng trong xây dựng CT

44

IV Phân loại đất đá theo nguồn gốc

Theo nguồn gốc – quan điểm địa chất:

– Đá magma

– Đất đá trầm tích

– Đá biến chất

45

46

47

I Sự hình thành & phân loại đá magma

1 Sự hình thành đá magma

 Khi magma đâm thủng vỏ quả đất, chảy trên

mặt đất thì đc gọi là dung nham

 Đá magma hình thành do sự nguội lạnh , đông

cứng của dung nham magma khi chúng xâm nhập vào hoặc trào lên trên vỏ quả đất

48

1 Sự hình thành

49

2 Phân loại đá magma

2.1 Theo điều kiện hình thành

a Đá magma xâm nhập

b Đá magma phún xuất

50

2.1 Theo điều kiện hình thành

a Đá magma xâm nhập

Dung nham magma xuyên cắt vào các khe hở, kẽ nứt của các tầng đất đá trong vỏ quả đất rồi nguội đi, đông cứng thành đá magma xâm nhập

- Mắcma xâm nhập nông

- Mắcma xâm nhập sâu

51

b Đá magma phún xuất (phun trào):

Dung nham magma phun lên, chảy tràn trên mặt đất rồi nguội đi, đông cứng lại thành đá magma phun trào, theo thời gian thành tạo

- Magma phun trào cổ

- Magma phun trào trẻ

52

2.1 Theo điều kiện hình thành

53

2.1 Theo điều kiện hình thành

Thủy tinh núi lửa; đá hoa cương; đá bọt; điorit

2 Phân loại đá magma (tiếp)

2.2 Theo thành phần hóa học (dựa vào hàm

lượng SiO2)

• Đá magma axit: SiO2 > 65%

• Đá magma trung tính: SiO2 = 55% ÷ 65%

• Đá magma bazơ: SiO2 = 45% ÷ 55%

• Đá magma siêu bazơ: SiO2 < 45%

Lượng SiO2 quyết định tính chất của dung dịch magma

và tính chất của đá

54

III Kiến trúc của đá magma

Theo mức độ kết tinh

– Kiến trúc toàn tinh: Các kv đều kết tinh, có mặt

phân tách rõ rệt, có thể thấy bằng mắt thường

– Kiến trúc ban tinh (poocfia): một số kv lớn nổi lên

trên nền các tinh thể hạt nhỏ hoặc ko kết tinh

– Kiến trúc ẩn tinh: các kv kết tinh hạt bé, ko thấy đc

bằng mắt thường

– Kiến trúc thủy tinh: các kv ko kết tinh, ở dạng vô

định hình

55

KT toàn tinh KT ban tinh KT ẩn tinh

III Kiến trúc của đá magma

56

Kiến trúc toàn tinh

Khoáng vật kết tinh

Khoáng vật nền

Kiến trúc ban tinh (poocfia)

Kiến trúc ẩn tinh

59

Kiến trúc thủy tinh

60

III Kiến trúc của đá magma

• Theo kích thước hạt

– Hạt lớn ( > 5mm) – Hạt vừa (5 - 2mm) – Hạt nhỏ (2 - 0.2mm) – Hạt mịn (< 0.2mm)

• Theo mức độ đồng đều giữa các hạt

– Kiến trúc hạt đều – Kiến trúc hạt không đều

61

Theo kích thước hạt KV

62

IV Cấu tạo của đá magma

Theo quy luật sắp xếp

• Cấu tạo khối: loại c.tạo theo bất kỳ hướng nào

trong đá các kv cũng phát triển như nhau Đây là

đặc trưng của magma xâm nhập

• Cấu tạo dòng: loại cấu tạo mà các kv trong đá

tập hợp thành dải theo hướng c.động của dòng

dung nham (magma phun trào)

63

IV Cấu tạo của đá magma

 Cấu tạo hạnh nhân: Khi các lỗ rỗng trong đá đc lấp đầy bằng các kv thứ sinh như: thạch anh, canxit

64

V Thế nằm của đá magma

Thế nằm của đá xâm nhập

 Dạng nền: kích thước rất lớn, đá vây quanh ko bị

biến đổi thế nằm, ranh giới dưới ko xác định đc

 Dạng nấm: hình nấm, kích thước nhỏ hơn dạng

nền, đá vây quanh phía trên bị uốn cong

 Dạng mạch: do magma xâm nhập vào các khe nứt,

cắt ngang tầng đá vây quanh, kéo dài

 Dạng lớp: do magma xâm nhập vào khe nứt mặt

lớp đá có trước, đông cứng như một lớp

66

V Thế nằm của đá mắc ma

Thế nằm của

đỏ magma xõm

nhập dạng lớp

Thế nằm của đá phun trào

 Dạng vòm: khi magma nhớt, đông cứng ngay tại chỗ

V Thế nằm của đá Magma

Dạng lớp phủ

Dạng nón

Dạng dòng

Dạng vòm

Dạng nấm Dạng mạch

Dạng lớp

70

V Thế nằm của đá mắc ma

71

V Thế nằm của đá Magma

72

V Thế nằm của đá Magma

73

Ý nghĩa việc nc thế nằm của đá mắc ma

trong XDCT thủy lợi

5 ĐẤT ĐÁ TRẦM TÍCH

I Sự hình thành & phân loại đất đá trầm tích

I Sự hình thành & phân loại đất đá trầm tích

2 Quá trình hình thành đất đá trầm tích

a Hình thành từ vật liệu phong hóa

– Giai đoạn phá hủy đá có trước

– Giai đoạn vận chuyển và trầm đọng

– Giai đoạn keo kết, hóa đá

b Hình thành từ quá trình tích tụ xác sinh vật

c Hình thành do bốc hơi làm nồng độ muối

tăng và kết tủa

77

I Sự hình thành & phân loại đất đá trầm tích

3 Phân loại đất đá trầm tích (TT)

• Trầm tích mềm rời: TT chưa đc gắn kết và hóa đá

 Mềm rời ko dính: cuội, sỏi, cát

 Mềm rời dính: sét, sét pha,

• Trầm tích vụn keo kết: TT mà các hạt vụn đó đc xi măng

tự nhiên (oxit silic, oxit sắt, canxit, ….) gắn kết lại Cuội

kết, sỏi kết, cát kết,,,

• Trầm tích hóa học: TT do sự kết tủa, ngưng keo của

dung dịch keo & dung dịch hòa tan VD: muối mỏ, thạch

cao, đolomit

• Trầm tích sinh vật: TT do xác sinh vật tham gia vào

t.phần tạo đá VD: Than đá, đá vôi vỏ sò, đá vôi san hô

78

Một số loại đá trầm tích

Trầm tích sinh hóa

79

II Thành phần kv của đất đá trầm tích

1 Kv tàn dư: Kv của đá có trước còn giữ lại chưa

bị biến đổi, thường là các kv trong các mảnh vụn

của trầm tích vụn cơ học

2 Kv thuần túy: Kv hình thành do sự kết tủa từ

dung dịch thật VD: thạch cao, halit, opan

Thường là t.p của trầm tích hóa học & chất xi

măng gắn kết trong trầm tích keo kết

3 Kv thứ sinh: là những kv sinh ra từ những kv có

trước do biến đổi hóa học

4 Các hóa thạch trong đá

81

III Kiến trúc của đá trầm tích

1 Kiến trúc của trầm tích vụn rời: dựa vào hình dạng và kích thước hạt

2 Kiến trúc của đá vụn keo kết: Kiểu kiến trúc keo kết, dựa vào hình thức liên kết giữa các hạt

IV Cấu tạo của đá trầm tích

1 Cấu tạo khối: Các hạt sắp xếp hỗn độn, ko theo

quy tắc, ko định hướng

2 Cấu tạo dòng: Các hạt sắp xếp có định hướng

theo phương dòng chảy

3 Cấu tạo lớp: Các hạt kv sắp xếp có quy luật &

thành từng lớp riêng biệt

83

Trầm tích cấu tạo khối – Red Sandstone

IV Cấu tạo của đá trầm tích

84

Cấu tạo lớp của đá trầm tích – Sét kết

IV Cấu tạo của đá trầm tích

85

Chú ý phân biệt 2 KN “cấu tạo lớp” và “thế nằm dạng

lớp” với đá trầm tích

 Cấu tạo lớp là sự sắp xếp của hạt KV thành từng lớp

(đặc trưng bên trong)

 Thế nằm dạng lớp là hình dạng khối đá dạng lớp do

sự sắp xếp của các hạt đất đá (đặc trưng bên ngoài)

Trong một lớp đá có các lớp phân bố của các hạt KV

IV Cấu tạo của đá trầm tích

86

2 Thế nằm thứ sinh: Do chuyển động kiến tạo,

đá có thế nằm nghiêng hoặc uốn cong

 Nếp uốn (nếp lồi, nếp lõm)

 Đơn nghiêng

87

V Thế nằm của đá trầm tích

88

V Thế nằm của đá trầm tích

Thế nằm nguyên sinh dạng lớp nằm ngang còn được bảo tồn

89

V Thế nằm của đá trầm tích

Thế nằm thứ sinh dạng nếp uốn

90

6 ĐÁ BIẾN CHẤT

91

I Sự hình thành và phân loại đá biến chất

1 Định nghĩa

Hình thành từ các loại đá có trước do quá trình biến đổi dưới tác dụng của nhiệt độ cao và áp suất lớn, xảy ra trong lòng đất

Chú ý: cần phân biệt với quá trình phong hóa đá- cũng là quá trình biến đổi thành phần và tính chất của đá nhưng xảy

ra trên mặt đất do các tác nhân của môi trường bên ngoài

92

I Sự hình thành và phân loại đá biến chất

2 Sự hình thành đá biến chất

• Tại chỗ tiếp xúc với đá magma, t 0 cao của khối magma

làm các lớp đá vây quanh tái kết tinh lại

• Tại các đới phá hủy dọc các đứt gãy kiến tạo, áp suất

cao làm cho các lớp đất đá bị phân phiến, cà nát

mạnh………

• Tại các vùng tạo núi, có các chuyển động kiến tạo diễn

ra mạnh mẽ, các lớp đá trầm tích bị vùi sâu, chịu tác

động của cả t 0 , áp suất lớn

93

I Sự hình thành và phân loại đá biến chất

3 Phân loại đá biến chất

• Biến chất tiếp xúc – xảy ra ở chỗ t/x với đá magma

xâm nhập, tác nhân t 0 gây biến chất là chủ yếu

• Biến chất động lực – xảy ra ở các đứt gãy kiến tạo,

tác nhân áp suất là chủ yếu

• Biến chất khu vực – xảy ra ở các vùng tạo núi, các

vùng đá trầm tích bị vùi sâu Tác nhân đồng thời cả

nhiệt độ và áp suất

94

I Sự hình thành và phân loại đá biến chất

95

 Kv tàn dư: kv của đá ban đầu ko bị biến đổi trong

 Kém ổn định trong đk môi trường

 Thông thường tỉ trọng cao, ko chứa nước hoặc nghèo nước

II Thành phần KV của đá biến chất

96

III Kiến trúc của đá biến chất

• Kiến trúc biến tinh: hình thành do kết tinh hoặc tái

kết tinh KV của đá ban đầu

• Kiến trúc toàn tinh

• Kiến trúc ban tinh

• Kiến trúc ẩn tinh

• Kiến trúc milonit (kiến trúc cà nát – đặc trưng cho

biến chất động lực): Đá bị miết, nghiền nát sau đó đc

các kv khác gắn kết lại

• Kiến trúc vảy: các hạt KV dạng vảy, dạng phiến, định

hướng dưới td của áp lực

97

III Kiến trúc của đá biến chất

98

III Kiến trúc của đá biến chất

99

III Kiến trúc của đá biến chất

100

III Kiến trúc của đá biến chất

101

IV Cấu tạo của đá biến chất

• Ct khối: thường xảy ra ở đá biến chất tiếp xúc

102

IV Cấu tạo của đá biến chất

Ct phiến: Khi trong đá các kv dạng tấm, dạng que sắp xếp

định hướng theo phương vuông góc với áp lực, thường thấy ở biến chất khu vực & biến chất động lực Đá dễ tách

103

Ct gơnai (gneiss): Các kv sáng mầu & tối màu nằm xen kẽ nhau

thành các dải Do biến chất sâu sắc, các kv tối màu có xu hướng tách riêng, thành các dải định hướng (vuông góc với chiều áp lực)

IV Cấu tạo của đá biến chất

104

V Thế nằm của đá biến chất

• Đá biến chất tiếp xúc: Dạng đới bao quanh

• Đá biến chất động lực: dạng tuyến dọc theo

đứt gãy

• Đá biến chất khu vực: giữ nguyên thế nằm ban

đầu

105