Tài liệu địa chất công trình

bài giảng tóm tắt ngắn gọn, dễ tiếp thu, dễ học bài.

Mở Đầu

Trong đời sống xã hội muốn tồn tại và phát triển, điều kiện tối thiểu của con người

là ăn ở và đi lại Một đất nước phát triển thì cơ sở hạ tầng phải phát triển Nghĩa là phảiphát triển một cách hiện đại các công trình xây dựng như: Các công trình dân dụng vàcông nghiệp (nhà ở, nhà làm việc, nhà máy …), các công trình cầu, đường (đường sắt,đường bộ, đường hầm…), các công trình Thủy điện – Thủy lợi ( đắp đê, đập, trạm bơm,hồ…) Tất cả các công trình xây dựng kể trên đều sử dụng đất đá dùng làm nền và môitrường công trình

Vì vậy tính ổn định của công trình không những phụ thuộc vào độ bền của cấu trúccông trình mà còn phụ thuộc vào độ bền của đất đá dùng làm nền hoặc môi trường côngtrình

Khi thiết kế công trình xây dựng nếu không xét đến một cách đầy đủ các điều kiệnđịa chất công trình sẽ làm giá thành xây dựng công trình tăng lên vượt ngoài dự toán,nhiều trường hợp công trình bị biến dạng, phá hủy không sử dụng được Có thể nêu lênmột vài trường hợp tiêu biểu:

* Tháp Pisa ở Ý là một công trình kiến trúc nổi tiếng thế giới đã tồn tại trên 8thế kỷ, tháp đang nghiêng dần

* Đập Frăngxơ (Mỹ) cao 60m chứa 46 triệu m3 nước, đập bị đẩy lùi về hạ lưutrên 1 km, đập vỡ làm chết trên 400 người, phá hủy không biết bao nhiêu nhà cửa

* Đập bê tông cao 72m của hồ chứa nước Mondeska (Tây Ban Nha) Sau khixây dựng xong đập bê tông, nước chảy vào khe nứt và hang đập, đập trở lại như một bia

đá sừng sững giữa dòng sông khô cạn

Hiện nay, những khu vực mà điều kiện địa chất công trình tốt và đơn giản đã đượcxây dựng, yêu cầu thực tế cần xây dựng những nhà cao tầng trong những điều kiện địachất công trình xấu và phức tạp Cho nên việc nghiên cứu điều kiện địa chất công trình

để áp dụng các thành tựu khoa học tiên tiến nhằm cải tạo các điều kiện địa chất côngtrình không có lợi trong xây dựng để đảm bảo tính ổn định công trình, đảm bảo điều kiệnkinh tế kỹ thuật trong xây dựng là việc làm rất cần thiết của người xây dựng

CHƯƠNG I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH

1.1 Định nghĩa địa chất công trình.

Địa chất công trình (Geological Enginerring) là khoa học của nghành địa chấtnghiên cứu và vận dụng các tri thức địa chất vào việc xây dựng các công trình và sửdụng lãnh thổ với mục đích khác nhau

Địa chất công trình giải quyết những yêu cầu sau trong xây dựng:

1 Xác định các điều kiện địa chất công trình trong khu vực xây dựng, lựachọn vị trí cũng như biện pháp thi công xây dựng công trình

2 Nêu các điều kiên thi công, dự đoán các điều kiện địa chất trong quátrình thi công và trong sử dụng công trình

3 Đề ra các biện pháp phòng ngừa và cải tạo các điều kiện địa chất không

có lợi

Việc nghiên cứu các điều kiện địa chất phục vụ cho xây dựng công trình khôngphải chỉ đóng khung trong việc mô tả hiện tượng để đưa ra những kết luận chung mà cònđưa ra được những chỉ tiêu cụ thể ứng dụng vào việc thiết kế và thi công xây dựng côngtrình, đưa ra các biện pháp cụ thể để cải thiện hoặc đối phó với những hiện tượng bất lợi

Đồng thời việc nghiên cứu các điều kiện đó phải gắn liền với các đối tượng xâydựng cụ thể (công trình Thủy lợi – Thủy điện, đường xá, cầu cống, nhà cửa, xí nghiệp,

…) Vì mỗi đối tượng công trình khác nhau yêu cầu điều kiện địa chất khác nhau, cùngmột điều kiện địa chất với công trình này thì xây dựng thích hợp nhưng đối với côngtrình kia lại không thể

Ngoài việc nghiên cứu phải chú ý tới sự thay đổi các điều kiện địa chất côngtrình theo thời gian, theo hoàn cảnh, kể cả những sự thay đổi do việc xây dựng côngtrình gây ra

Nghiên cứu đất đá dùng làm nền hoặc môi trường công trình là nhiệm vụ chínhcủa địa chất công trình

Hình 1.1

a Đất đá dùng làm nền công trình b.Đất đá dùng làm môi trường công trình

1.2 Những điều kiện địa chất công trình.

Trước khi xây dựng công trình như nhà ở, một con đường, một chiếc cầu, mộtkênh dẫn, một đập nước…ở một nơi nào đó cần phải tiến hành công tác khảo sát xâydựng trong đó có công tác khảo sát địa chất công trình nhằm đưa ra các đánh giá về điềukiện địa chất công trình.

Vậy, điều kiện địa chất công trình là tổng hợp các yếu tố địa chất tự nhiên ảnhhưởng đến việc xây dựng và sử dụng công trình

Điều kiện địa chất công trình tồn tại một cách khách quan và ảnh hưởng tíchcực hoặc tiêu cực một cách tương đối tùy vào loại, quy mô của công trình xây dựng Cóthể nói, nội dung nghiên cứu chủ yếu của địa chất công trình bao gồm các điều kiện địachất công trình sau

1.2.1 Điều kiện Địa hình – Địa mạo.

Nghiên cứu các vấn đề hình dạng, kích thước, mức độ phân cắt bởi sông,suối, ao, hồ… nguồn gốc hình thành và xu thế phát triển của bề mặt đất đá khu vực dựđịnh xây dựng công trình, của vùng, lãnh thổ nhằm: Xác định vị trí bố trí công trình,hình dạng và khối lượng công trình, biện pháp thi công xây dựng công trình

1.2.2 Điều kiện cấu trúc địa chất.

Nghiên cứu mức độ phân bố, cường độ chịu lực của đất đá, khả năng thấmnước, khả năng lún, trượt để khống chế tải trọng, quy mô và kết cấu công trình

1.2.3 Điều kiện địa chất thủy văn.

Cần phân biệt khái niệm khí tượng thủy văn và địa chất thủy văn Khítượng thủy văn nghiên cứu nước trên mặt đất (nước mưa, nước sông, suối, ao hồ, nướcbiển, khí hậu nhiệt độ…) Còn địa chất thủy văn nghiên cứu nước ở dưới đất ( nướcngầm, nước thượng tầng, nước áp lực…)

Địa chất thủy văn nghiên cứu quy luật vận động, sự phân bố, nước chảyvào hố móng, tính chất vật lý, thành phần hóa học của nước dưới đất nhằm đánh giá mức

độ ăn mòn bê tông cốt thép của móng công trình Ngoài ra còn nghiên cứu nước dưới đấtdùng trong quá trình xây dựng ( thi công, sinh hoạt, tưới tiêu…)

1.2.4 Điều kiện địa chất công trình động lực.

Nghiên cứu các biến động uốn nếp, các hiện tượng trượt, Karst, xói ngầm,cát chảy… trước khi xây dựng công trình Nhằm đánh giá mức độ gây hại của các hiệntượng này đối với việc thi công xây dựng công trình

1.2.5 Điều kiện vật liệu xây dựng và điều kiện thi công.

Nghiên cứu khả năng sử dụng vật liệu xây dựng như: Thành phần tínhchất cơ lý, trữ lượng, điều kiên khai thác nhằm chọn loại công trình (bê tông, đất đắp…)

thích hợp với khu vực xây dựng Nếu sử dụng được vật liệu xây dựng tại chỗ thì giảmđược giá thành và tăng tiến độ thi công công trình.

Nghiên cứu điều kiện thi công bao gồm mặt bằng thi công, bố trí vật liệu,nhà xưởng, chổ ở nhân công, nguồn nhân công và điều kiện vận chuyển nguyên vật liệuđến chân công trình

1.3 Nội dung nghiên cứu địa chất công trình.

Việc nghiên cứu địa chất công trình không chỉ mô tả hiện tượng (khảo sátkhoan, đào hiện trường) mà còn đưa ra các chỉ tiêu cụ thể ( thí nghiệm hiện trường, trongphòng) Vì các điều kiện địa chất công trình vận động thay đổi theo thời gian và khônggian, theo đó các công trình khác nhau nảy sinh các vấn đề địa chất công trình khácnhau:

Công trình dân dụng và công nghiệp : ổn định của nền đất, cung cấpnước, nước chảy vào hố móng

Đối với công trình giao thông: Ổn định trượt của nền đường, ổn định củamái dốc đường đắp, đường đào

Công trình ngầm: ổn định của đất đá xung quanh hầm, nước chảy vàohầm, ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm, khí độc, khí cháy trong hầm

Nội dung nghiên cứu chính của địa chất công trình là:

1 Nghiên cứu tính chất cơ lý của đất đá, quy luật biến đổi cơ lý trongkhông gian và các nhân tố ảnh hưởng

2 Nghiên cứu các quá trình và hiện tượng địa chất tự nhiên: Xói ngầm, cátchảy, trượt, karst…

3 Nghiên cứu nước dưới đất, lưu lượng nước chảy vào hố móng, tính ănmòn bê tông và khả năng khai thác nước phục vụ cho xây dựng hay mục đích khác

4 Nghiên cứu các phương pháp khảo sát địa chất: Phương pháp khoan,đào thăm dò, địa vật lý, đo vẽ bản đồ, ảnh viễn thám…

5 Nghiên cứu địa chất công trình nhằm phân vùng lãnh thổ và khu vực ranhững diện tích và khu có điều kiện địa chất công trình phù hợp với các loại công trìnhxây dựng khác nhau

1.4 Đối tượng nghiên cứu của địa chất công trình

Hiểu một cách khái quát thì đối tượng nghiên cứu của địa chất công trình là vỏTrái đất Cụ thể là đất đá, nước dưới đất và tác dụng qua lại của đất đá, nước dưới đấtvới nhau và với môi trường bên ngoài

1.5 Phương pháp nghiên cứu địa chất công trình

1.5.1 Phương pháp địa chất học.

Đây là phương pháp nghiên cứu hướng trực tiếp vào đối tượng địa chất côngtrình Bằng cách dùng các phương pháp khai đào, khoan sâu vào các tầng đá nhằm thu

thâ ̣p các tài liê ̣u về đi ̣a chất khu vực, tính chất của đất đá, nước dưới đất Bằng các hànhtrình đi ̣a chất cắt qua khu vực, để thu thâ ̣p các hóa tha ̣ch, các yếu tố nếp uốn, thế nằmcủa đất đá ta ̣i các vết lô ̣ Bằng các thí nghiê ̣m trong phòng, hiê ̣n trường xác đi ̣nh các chỉtiêu cơ lý của đất đá Đây là phương pháp thực tế nhất và đầu tiên nhất.

1.5.2 Phương pháp tính toán lý thuyết.

Đây là phương pháp gián tiếp từ các đă ̣c trưng cơ lý đã biết sẽ nhanhchóng tìm ra các đă ̣c trưng cơ lý chưa biết bằng cách tính toán lý thuyết

Phương pháp này có thể tính toán đă ̣c trưng mà phương pháp đi ̣a chất ho ̣ckhông thể thực hiê ̣n được: Tính lún, tính lượng nước chảy vào hố móng, tốc đô ̣ phá hoa ̣ibờ…

1.5.3 Phương pháp thí nghiê ̣m mô hình và tương tự đi ̣a chất.

1.5.3.1 Phương pháp thí nghiê ̣m mô hình.

Phương pháp này dùng kỹ thuâ ̣t ta ̣o ra môi trường có kiểm soát để môphỏng trong phòng thí nghiê ̣m về hành vi, hoa ̣t đô ̣ng của môi trường đi ̣a chất công trìnhtrong thực tế

Phương pháp này giúp ta dự đoán trước các vấn đề đi ̣a chất công trình cókhả năng xảy ra trong thi công xây dựng hoă ̣c khi đi vào sử du ̣ng công trình

1.5.3.2 Phương pháp tương tự đi ̣a chất.

Đây là phương pháp mang tính chất kinh nghiê ̣m: Đất đá được hình thànhtrong cùng điều kiê ̣n, trải qua các quá trình đi ̣a chất như nhau thì có đă ̣c trưng cơ lýtương tự nhau

Phương pháp này có mức đô ̣ tin câ ̣y không cao, còn phu ̣ thuô ̣c vào ngườinghiên cứu và đi ̣a chất của vùng Chỉ nên áp dung vào giai đoa ̣n thiết kế sơ bô ̣

CHƯƠNG II KHOÁNG VẬT VÀ ĐẤT ĐÁ

2.1 Khái niệm về quả đất.

2.1.1 Hình dạng, kích thước, tỷ trọng.

Hình dạng: Trái đất có dạng một hình bầu dục tròn xoay mà trục xoay xuyên qua hai cực Bắc – Nam Bề mặt quả đất lồi lõm, nơi cao nhất là đỉnh Everest (hay còn gọi Chomolungma) với độ cao 8.850m (số liệu 1999) và nơi lõm nhất là vực sâu Marian với độ sâu 10911m (số liệu 1995)

Kích thước: Nếu cắt qua trục quay của trái đất ta sẽ có hình elip với kích thước (số liệu theo tổ chức IUGG, 1975)

Bán kính xích đạo : Rx = 6378,140kmBán kính cực : Rc = 6356,770kmBán kính trung bình : Rtb = 6371,010kmThể tích : V = 1,083.1012kmKhối lượng : M = 5,976.1024Kg

Tỷ trọng: Tỷ trọng của trái đất được tính theo công thức

2.1.2 Cấu tạo quả đất.

Qua nghiên cứu truyền sóng địa chất cho ta thấy quả đất được chia thànhnhững hình cầu đồng tâm, mỗi lớp được cấu tạo bởi vật liệu riêng biệt Khi truyền sóngcàng xuống sâu vận tốc truyền sóng càng tăng và đột ngột thay đổi khi chuyền sang lớpkhác

2.1.2.1 Vỏ quả đất.

Lớp vỏ này rất mỏng so với bán kính trái đất và chiều dày thay đổi từ 70km, được cấu tạo chủ yếu bởi Silicat-nhôm, người ta còn gọi quyển Si-Al (tỷ trọnggần bằng 2,7-2,8)

5-Thạch quyển bao gồm vỏ trái đất và phần ngoài cùng của Manti nằm trênquyển mềm, quyển này dẻo mềm tạo nên uốn nếp, đứt gãy, động đất…

2.1.2.2 Quyển Manti.

Được phân biệt với vỏ trái đất qua mặt Moho (Mohorovicic) với bề dàykhoảng 2900km Manti được chia thành:

Manti trên ở thể nhớt – lỏng dày 60-100km Được cấu tạo chủ yêúbởi Silic-Manhê ( tỷ trọng gần 3,4) Người ta còn gọi là quyển Si-Ma.

Manti dưới ở thể lỏng dày 2260km Người ta còn gọi là quyểntrung gian (tỷ trọng gần 4-6)

2.1.2.3 Nhân quả đất.

Được phân biệt với Manti bằng mặt phân cách Gutenberge, cấu tạo chủyếu bởi Ni ken – sắt Nhân được chia thành:

Nhân trong ở trạng thái rắn

Nhân ngoài ở trạng thái lỏng

Ranh gới giũa nhân trong và nhân ngoài tại độ sâu 5100km và có tỷ trọngtrung bình gần 11,0

2.2.1 Khái niệm cơ bản về khoáng vật.

Khoáng vật là những đơn chất hay hợp chất hoá học tự nhiên ( Hg, Au,CaCO3, SiO2…) được hình thành và tồn tại ổn định ở trong vỏ quả đất hay trên mặt đấttrong những điều kiện địa chất nhất định

Khái niệm trên cần được lưu ý:

Khoáng vật là tự nhiên, không nhân tạoNằm trong vỏ quả đất hay trên mặt đất Không xem các chất lạngoài vũ trụ là khoáng vật vì quá trình địa chất ở đó con người chưa nắm rõ

1

2 3

~ 29

00 Km

~ 122

0 Km

Khoáng vật có thể ở dạng khí ( CO2, H2S) hoặc thể lỏng ( Hg,

H2O…) nhưng phần lớn ở thể rắn ( T.A, Fenpat, Mica…)

Hiện nay có hơn 2800 khoáng vật đã biết và chỉ có hơn 50 khoángvật tham gia tạo đá, khoáng vật còn lại gọi là khoáng vật hiếm

Trong qúa trình tồn tại, khoáng vật vẫn giữ nguyên tính chất vật lý, thànhphần hoá học gọi là khoáng vật nguyên sinh (T.A, Fenpat, mica…) nếu bị thay đổi gọi làkhoáng vật thứ sinh như: Monmorilomit, Ilit, Kaolinit…)

Fenpat (K,Na…) Sét (Monmorilomit, Ilit, Kaolinit…)Nguyên sinh (tác dụng lý hoá) Thứ sinh

2.2.2 Một số tính chất khoáng vật.

Tính chất của khoáng vật là những đặc điểm đặc trưng về cơ lý giúp chúng

ta nhận biết về khoáng vật Trong khoáng vật học chia tính chất của khoáng vật thành hainhóm

Nhóm thứ: Tính chất quang học, từ tính, dẫn điện, dẫn nhiệt

Hình 2.2.a) Dạng tinh thể một phương; b)Dạng tinh thể hai phương;

c)Dạng tinh thể ba phương ( → : chỉ phương phát triển của tinh thể)

Ý nghĩa: Đá chứa nhiều khoáng vật hình que, sợi thì kém dòn và dị hướng,

đá chứa nhiều khoáng vật dạng tấm, vảy thì cấu tạo phân lớp, phân phiến dễ gây trượt,

cường độ yếu theo mặt lớp Đá chứa nhiều khoáng vật dạng hạt thì đồng nhất và dẳnghướng, cường độ cao và đều theo các hướng.

Màu của khoáng vật quyết định màu của đất đá Dựa vào màu của đất đáchúng ta có thể dự đoán định tính một số tính chất của nó Ví dụ: Đá càng sẫm màu thìkém bên về phong hóa, gây ra nứt nẻ, dể thấm nước, dễ gây trượt hơn các đá sáng màu

2.2.2.3 Ánh và độ trong suốt.

Ánh của khoáng vật là phần ánh sáng bị phản xạ ngay trên bề mặt khoángvật Ánh của khoáng vật không phụ thuộc màu của khoáng vật mà phụ thuộc chiết suấtcủa khoáng vật Nếu chiết suất càng lớn thì ánh càng mạnh Ánh của khoáng vật đượcchia thành:

Ánh kim(N>30): Đặc trưng cho các khoáng vật kim loại

Ánh bán kim(N=2.6-3.0): Graphit

Ánh kim cương(N=1.9-2.6): Kim cương, Zircon

Ánh thủy tinh(N=1.3-1.9) : T.A, canxit, Fenpat

Độ trong suốt phản ánh độ thấu quang khi ánh sáng xuyên qua khoáng vật

Độ trong suốt được phân chia thành:

Trong suốt: T.A, canxit…

Nửa trong suốt: Thạch cao tinh thể

Không trong suốt: Pyrit, manhetit, graphit…

2.2.2.4 Cát khai.

Một số khoáng vật có tính năng tách vở theo một hoặc vài phương khácnhau dưới tác dụng của một lực cơ học Phương tách vỡ là một mặt phẳng gọi là mặt cátkhai, ở đó lực liên kết là yếu nhất Tính cát khai được phân chia thành:

* Rất hoàn toàn: Dễ tách theo từng lớp (mica…)

* Hoàn toàn: Dùng búa gõ nhẹ thì khoáng vật sẽ vỡ theo nhiều mặttách tương đối phẳng (Canxit)

Hình 2.3 Tính dễ tách hoàn toàn của canxit.

* Trung bình: Vết nứt không bằng phẳng(pyroxen)

* Không hoàn toàn: Không thấy mặt tách, vết vở không có quy tắc(T.A cát khai không hoàn toàn)

Khi rạch khoáng vật đã biết độ cứng của khoáng vật nào cao hơn thường

để lại dấu vết vạch lên khoáng vật có độ cứng thấp hơn Đây là cơ sở để so sánh độ cứngtương đối của khoáng vật (Dựa vào thang độ cứng Mohs) Để xác định độ cứng tuyệtđối người ta dùng máy đo độ cứng

Bảng 2.1 Nhận biết độ cứng khoáng vật bằng cách so sánh với vật thông dụng

Bảng 2.2 Thang độ cứng của khoáng vật

Thang độ cứng Ho (theo Mohs) và giá trị độ cứng tuyệt đối H của khoáng vật

2.436.0109.0189.0536.0795.01120.01427.02060.010060.0Hầu hết các khoáng vật tạo đá có độ cứng nhỏ hơn 7 Do vậy, đá càngchứa nhiều khoáng vật thạch anh thì càng cứng

2.2.2.7 Tỷ trọng.

Tỷ trọng của khoáng vật dao động trong một phạm vi lớn Có khoáng vậtnhẹ với tỷ trọng là 1(hổ phách) và có khoáng vật rất nặng với tỷ trọng lên đến 21.5(bạchkim) Tỷ trọng của khoáng vật được chia thành 3 nhóm:

Tỷ trọng của khoáng vật cũng phụ thuộc vào thành phần khoáng vật Cùngmột cấu trúc tinh thể nhưng Sb2S3 (∆=4.6) nhẹ hơn khoáng vật Bi2S3(∆=6.6) vì nguyên

tử của Sb=122 nhẹ hơn Bi=209

2.2.3 Phân loại và mô tả một số khoáng vật tạo đá.

Có nhiều phương pháp phân loại khoáng vật như: Dựa vào nguồn gốc cókhoáng vật nguyên sinh, khoáng vật thứ sinh Dựa vào vai trò tạo đá có khoáng vậtchính, khoáng vật phụ, khoáng vật hiếm (chiếm<1%) Dựa vào thành phần hoá học chiathành 9 lớp

Về quan điểm Địa chất công trình người ta sử dụng phương pháp phân loạitheo thành phần hoá học bởi vì nó phản ánh được độ bền của khoáng vật, khả năng tác

dụng với môi trường xung quanh (H2O, axit…) từ đó dự đoán được một số tính chất cơ

lý của đất đá dùng lam nền và môi trường công trình

Phương pháp này phân chia khoáng vật thành lớp, nhóm, phụ nhóm

2.2.3.1 Lớp các khoáng vật tự sinh.

Địa chất công trình không tập trung nghiên cứu lớp này, chủ yếu địa chấtthăm dò kỷ thuật, thuộc lớp này có: vàng, bạc, bạch kim, kim cương, Graphit(than chì),lưu huỳnh…Chúng được ứng dụng nhiều trong cuộc sống như: nghành điện, nhiệt, cơ,

mỹ nghệ, năng lượng, hoá chất công nghiệp…

2.2.3.2 Lớp Silicat.

Lớp này chiếm đến 75% trọng lượng vỏ quả đất và gần 800 khoáng vật

Do đó chỉ xét đến các nhóm khoáng vật thường gặp trong đá:

a Phụ nhóm Fenpat Natri – Canxi (Plagiocla): Fenpat Natri

gọi là Anbit(Na[Si3ALO8], Fenpat canxi gọi anoctit(Ca[AL2Si2O8]

Plagiocla thường có tinh thể dạng tấm và lăng trụ màutrắng hoặc xám, đôi khi có sắc lục, Phớt xanh, phớt đỏ ánh thuỷ tinh Độ cứng 6-6.5chúng dễ bị vỡ nghiêng Tỷ trọng 2.61 (Anbit) đến 2.76 (Anoctit)

Dựa vào tỷ lệ phần trăm của Anbit và Anoctit mà chúngtạo thành 6 khoáng vật đồng hình khác nhau (Xem bảng 2.3)

b Phụ nhóm Fenpat Kali (Octocla) : Phổ biến nhất là Octocla

và Microclin, độ cứng 6-6.5 Tỷ trọng 2.5-2.57 Màu hồng nhạt, vàng, nâu, trắng đỏ đôi khi màu đỏ, ánh thuỷ tinh, dễ tách hoàn toàn

Trong đó Granit Fenpat chiếm một tỷ lệ lớn, đôi khi lên đến 60% Ở nước

ta, Fenpat phong hoá tạo thành sét, trong xây dựng các mỏ đất đồi (chủ yếu là Fenpat bịphong hoá thành sét và dăm sạn T.A còn sót lại), được dùng làm đất đắp, san nền(K95,K98) Trong cuộc sống Fenpat dùng làm gốm sứ

Bảng 2.3 Tên của các khoáng vật đồng hình của Plagiocla

Tên khoáng vật Lượng Anbit(%) Lượng Anoctit(100-n)%Anbit

0-1010-3030-5050-7070-9090-100

Muscovit còn gọi là Mica trắng: KAl2[AlSi3O10][OH]2 Dạng tinh thểdẹt hay tấm, giả lục phương, có thể tập hợp thành khối hạt, lá hoặc vẩy đặc sít VảyMuscovit rất nhỏ gọi là xêrixit màu trắng Ánh thuỷ tinh, xà cừ Độ cứng 2-3 Bốc thành

lá mỏng, dễ uốn, dễ tách rất hoàn toàn theo 1 phương Tỷ trọng 2,76-3,10

Ở Đà Nẵng thường hay gặp đá phiến xerixit Chủ yếu các phiến đượctạo thành từ các vẩy Muscovit rất nhỏ gọi là xerixit

3) Nhóm Pyroxen.

Phổ biến nhất là Augit: Ca(Mg,Fe,Al)[(SiAl)2O6] Tinh thể hình trụngắn, hình tấm Tập hợp khối đặc sít, màu đen lục, đen ít khi lục thẩm hay nâu Ánhthuỷ tinh Độ cứng 5-6 Dễ tách hoàn toàn Tỷ trọng 3,2 - 3,6 Nguồn gốc magma

4) Nhóm Amphibol.

Phổ biến nhất là Hocblend: Ca2Na(Mg,Fe)4(Al,Fe) [(SiAl)2O6] Tinhthể hình trụ, hình cột Màu lục hoặc nâu có màu sắc từ sẫm đến đen Vết vạch trắng, ánhthuỷ tinh Độ cứng 5.5-6 Hai phương dễ tách hoàn toàn giao một góc 1240 Tỷ trọng3.1-3.3 Nguồn gốc Magma hay biến chất

5) Nhóm Olivin.

Olivin có công thức (Mg,Fe)2SiO4 Tập hợp dạng hạt Màu phớt vàng,vàng phớt lục Ánh thuỷ tinh Độ cứng 6.5-7 Tỷ trọng 3.3-3.5 dễ tách trung bình hoặckhông tách Vết vở vỏ sò Phần lớn nguồn gốc MagMa

6) Nhóm Tan.

Tan có công thức Mg3[Si4O10][OH]8 Tập hợp khối đặc sít, rất đặc trưng

ở dạng lá, dạng vẩy Độ cứng 1 Dễ tách hoàn toàn theo một phương Tỷ trọng 2.7-2.8.Rất dễ nhận biết do độ cứng thấp và sờ trơn tay Màu lục sáng, ánh mở Tan là sản phẩmbiến chất của đá MagMa

7) Nhóm Clorit.

Clorit có công thức Mg4Al2[Si2Al2O10][OH]8 .Tinh thể dạng tấm, tậphợp có dạng vẩy Màu lục sáng, lục sẫm, ánh ngọc Dễ tách hoàn toàn như mica Vết vỡkhông đều, sần sùi Độ cứng 2-2.5.Tỷ trọng 2.6-2.85 Tấm mỏng Clorit có thể uốn congnhưng không đàn hồi, đó là chỗ khác với Mica

8) Nhóm khoáng vật sét.

Đây là khoáng vật thứ sinh của lớp Silicat Nó là thành phần chủ yếucủa đất sét và đất loại sét nên có tên là khoáng vật sét Phổ biến và đặc trưng là cáckhoáng vật: Kaolinit, Ilit, Monmorilonit…

a) Kaolinit: Có công thức Al[Si4O10][OH]6 Được hình thành ngaytrên mặt đất trong môi trường axit yếu, từ fenpat và Mica Tinh thể phiến mỏng, khôngmàu, cả khối chặt sít có màu trắng dạng đất, sờ trơn tay Độ cứng gần 1 Dễ tách hoàntoàn Tỷ trọng 2.58-2.6 Trong Kaolinit, các lớp oxit Silic và oxit Alumin (Al2O3) xen kẽnhau

b) Ilit: Có công thức KaAl2[(SiAl)4O10][OH].nH2O Ilit hình thành doMica tác dụng với nước nên còn gọi là Mica nước (Hidro Muscovit) Tinh thể thườnggặp dạng phiến mỏng Tỷ trọng 2.6 Khác với Kaolinit, Ilit có các lớp Silic và Aluminxếp kề nhau và ion Kali liên kết giữa các lớp này nên có khả năng nở hạn chế khi ngậmnước

c) Monmorilonit: Có công thức (Al,Mg)2[Si4O10][OH]2.nH2O Tinhthể có nhiều hình dạng khác nhau Màu trắng, phớt xám, đôi khi phớt xanh, hồng lục, khikhô có ánh mở độ cứng của từng vẩy còn chưa rõ Dễ tách hoàn toàn.Tỷ trọng khôngnhất định

Monmolionit thành tạo từ tro núi lửa, các đá giàu Fe, Mg trong môitrường kiềm yếu các phân tử nước có khả năng chui vào khoảng giữa các lớp oxit Silicnằm kề nhau Vì vậy Monmorilonit có khả năng trương nở lớn

Sét Hải Phòng thộc sét Monmorilonit là thành phần chủ yếu tạo thànhdung dịch Bentonite ứng dụng trong khoan cọc nhồi, khoan khảo sát địa chất công trình

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc khoáng vật sét

b) Ôpan (SiO2.nH2O) : Là khoáng vật vô định hình, không màu, trắnghoặc vàng đỏ Trung bình chứa 6%-34% nước nhs xà cừ hoặc thuỷ tinh Độ cứng 5.5 Tỷtrọng 1.9-2.5

c)Limonit(Fe2O3.nH2O) : Ở trạng thái keo có độ cứng từ 4-5.5 Khi vụnrời giảm xuống còn 1 Màu nâu, vàng Vết vạch vàng đến đỏ Tỷ trọng 2.7-4.3 Thànhtạo do sự oxi hoá các lớp chất sắt, sunphua trầm đọng dưới đáy hồ

Silic

NhômNhôm silic

Nhôm Manhê

Khoáng vật lớp cacbonat chiếm 1.7% trọng lượng vỏ quả đất Khoáng vậtphổ biến có canxit & đôlômit.

a) Canxit (CaCO3) Thường tinh thể dạng khối tam giác lệch.Khối mặt thoi Không màu, trắng sữa, khi lẫn tạp chất có màu xám, vàng hồng Ánh thuỷtinh, dễ tách hoàn toàn theo 3 phương thành các khối mặt thoi Độ cứng 3 Tỷ trọng 2.6-2.8 Sủi bọt với clohidric loãng(10%)

Núi Ngũ Hành Sơn (Đà Nẵng) được cấu tạo chủ yếu bởi đáHoa, giàu khoáng vật canxit

b) Đolomit (CaCO3,MgCO3 ) Tinh thể có dạng khối mặt thoithường tập hợp ở dạng khối hạt kết tinh Màu trắng xám có khi vàng lục, nâu Ánh thuỷtinh Dể tách hoàn toàn Độ cứng 3.5-4 Tỷ trọng 2.8-2.9 Mảnh Đôlomit bị hoà tan chậmbởi axit clohidric(HCL) khi nguội

Khi có nước và chịu áp lực nhỏ thì Anhdric biến thành Gip và tăng thể tíchđến gần 30%

b) Gip (Thạch cao) :CaSO 4 2H 2 O Tinh thể dạng tấm, màu trắng, khi lẫn

tạp chất có màu xám, vàng đồng, nâu, đỏ hoặc đen Ánh thuỷ tinh, độ cứng 2 Dễ táchhoàn toàn

Gip hình thành do trầm tích từ Anhydric bị hydrat hoá và từ đá vôi dưới tác dụng của nước chứa axit sunphuaric(H2SO4)

2.2.3.6 Lớp sunphua.

Trong lớp này liên quan đến xây dựng là khoáng vật pyritPyrit (FeS2) Tinh thể hình lập phương, trên mặt tinh thể có những vếtkhía Màu đồng thau, khi phân tán nhỏ có màu đen Ánh kim mạnh, vết vỡ nâu hay đen

Độ cứng 6-6.5, khá giòn Dễ tách không hoàn toàn Vết vỡ không đều, đôi khi có dạng

vỏ sò Tỷ trọng 4.4-5.2

Pyrit tác dụng với nước cho ra axit sunphuaric gây ăn mòn bê tông đặc biệt

là đối với móng và công trình ngầm

2.2.3.7 Lớp Halogen.

Khoáng vật phổ biến nhất của lớp này là muối mỏ Halit(NaCl).

Tinh thể lập phương Màu trắng hoặc không màu, khi có lẫn tạp chất thìmàu xám, đỏ, đen Ánh thủy tinh Độ cứng 2.5 Dễ tách hoàn toàn Tỷ trọng 2.1đến 2.2Halit có nguồn gốc trầm tích hóa học

2.2.3.8 Lớp phốt phát.

Khoáng vật phổ biến là Apatit: Ca5(PO4)3(OH,F,Cl)Kết tinh dạng lăng trụ, thường gặp dạng tập hợp hạt, màu xám, lục tím,xanh da trời, ánh thủy tinh, cát khai không hoàn toàn, độ cứng 5, tỷ trọng 3.2 Nguồn gốcMacma, trầm tích, biến chất

2.2.4 Ảnh hưởng của thành phần khoáng vật đến tính chất cơ lý của đất đá.

Dựa vào hàm lượng thành phần khoáng vật tham gia cấu tạo nên đá màchúng ta có thể dự đoán được một số tính chất cơ lý của đất đá Do tính chất của mỗi lớpkhoáng vật quyết định: Lớp Silicat được đặc trưng bằng liên kết cộng hóa trị vì vậy cáckhoáng vật này có cường độ cao, khó hòa tan với môi trường xung quanh LớpCacbonat, Halogen, Sunphat đặc trưng bằng liên kết cộng hóa trị còn có liên kết phân tử

và liên kết nước nên có tính trưng nở rất cao

Đất đá chứa nhiều khoáng vật sét thì cường độ không cao, phụ thuộc vàochất keo kết dính, đất loại sét lún nhiều, gặp nước dễ trương nở

Đất đá chứa nhiều khoáng vật Silicat thì cường độ lớn, phụ thuộc vào hàmlượng T.A có trong đá, đất loại cát lún ít, độ bền với nước cao

Ngoài ra, một số khoáng vật thứ yếu có trong đá sẽ làm tăng nguy cơ pháhủy cấu trúc như: Đất đá chứa nhiều khoáng vật pyrit(FeS2) Khi tác dụng với nước, sảnsinh ra axit sunphuaric gây ăn mòn bêtông Đất đá chứa nhiều khoáng vật canxit(CaCO2) thì giòn hơn

2.3 Các loại đá trong vỏ Trái đất.

2.3.1 Khái niệm.

Đá là một tập hợp có quy luật của khoáng vật chiếm phần chủ yếu trong

vỏ trái đất Nếu đá cấu tạo từ một một khoáng vật gọi là đá đơn khoáng: Thạch cao,Anhydrit, đolomit…Tên của các đá này được gọi theo tên của khoáng vật

Phổ biến nhất là các đá đa khoáng Cấu tạo từ nhiều khoáng vật như:Granit được cấu tạo chủ yếu bởi các khoáng vật: T.A, Fenpat, mica, Hocblend,Pyroxen… Hiếm khoáng vật màu

Nguồn gốc tạo thành là một nguyên tắc cơ bản để tiến hành phân loại đất

đá Dựa vào nguồn gốc sinh thành ta chia thành 3 loại

2.3.2 Đá Macma.

Vật liệu nguyên thủy tạo thành đá Macma là một khối Silicat nóng chảy cóthành phần phức tạp (Rắn, lỏng, khí) ở nhiệt độ từ 1000-13000C Vật liệu như vậy gọi làdung thể MacMa.

2.3.2.1 Định nghĩa.

Đá Macma được hình thành do quá trình nguội lạnh và đông cứng từ dungthể Macma Dung thể Macgma phun ra trên mặt đất thì khí và nước thoát ra ngoài còncác chất khác nguội lạnh lại gọi là đá macma phún xuất (phun trào)

Khi dung thể macma xâm nhập vào tầng sâu trong vỏ quả đất rồi nguộilạnh lại gọi là đá macma xâm nhập Tuỳ vào độ sâu thành tạo mà chia thành: Đá macmaxâm nhập sâu và đá macma xâm nhập nông Ví dụ: Đá granit, Gabrơ…là các loại đámacma xâm nhập các đá phún xuất ở miền Bắc phổ biến là Riolit, Spilit…còn ở miềnNam, Trung là Bazan Đá macma xâm nhập nông có Điabaz và xâm nhập sâu cópyroxenit

2.3.2.2 Thế nằm của đá macma.

2.3.2.2.1 Thế nằm của đá macma xâm nhập.

1) Dạng nền: Để chỉ các khối đá macma có hình dạng không quy tắcnhưng kích thước rất lớn, diện tích phân bố có thể tới hàng trăm, hàng ngàn ha Giới hạndưới của nó thường không xác định được Đá vây quanh không bị biến đổi về thế nằm.(Hình 2.5a)

Hình 2.5 Thế nằm của đá macma xâm nhập

2)Dạng nấm: Chỉ các khối đá macma có hình nấm hoặc thấu kính dày.Diện tích phân bố rộng, vào khoảng vài chục ha Các đá vây quanh nhất là ở phía trên bịuốn cong theo hình dạng nấm (Hình 2.5b)

3) Dạng lớp: Được hình thành do macma xâm nhập theo các khe nứtgiữa các mặt tầng đá, Nó có độ dày nhỏ, thường chỉ độ vài mét đến vài chục mét nhưngphạm vi phân bố tương đối lớn, có thể tới vài ha (Hình 2.5c)

4) Dạng mạch: Hình thành do macma xâm nhập theo các khe nứt giữacác mặt tầng đá, chỗ tiếp xúc với đá vây quanh thường có khe nứt làm tăng tính thấmnước của đất đá Bề dày mạch thay đổi từ vài centimét đến vài chục mét (Hình 2.5c).

2.3.2.2.2 Thế nằm của đá macma phun trào 1) Dạng lớp phủ: Là dạng đá phun trào phủ trên một diện tích rộng, có

thể tới hàng ngàn km2 Thường được hình thành do dung nham trào lên mặt đất theo cáckhe nứt kéo dài của vỏ quả đất (Hình2.6a)

2) Dạng dòng chảy: Hình thành do macma trào qua miệng núi lửa lấp

đầy các khe rãnh của thung lũng, có chiều dài lớn hơn chiều rộng rất nhiều, có thể kéodài đến 30-40km Và hơn nữa phụ thuộc vào độ nhớt của dung nham và hình dạng thunglũng (Hình 2.6b) Dung nhan giàu silic có tính nhớt lớn, có thể đông đặc tại chỗ hìnhthành dạng vòm, dạng tháp (Hình 2.6c)

a) Dạng lớp phủ b) Dạng dòng chảy c) Dạng vòm

Hình 2.6 Thế nằm của đá macma phun trào (phún xuất)

2.3.2.2.3 Ý nghĩa nghiên cứu thế nằm của đá macma đối với công tác xây dựng.

Đối với macma xâm nhập có thế nằm dạng nền, dạng nấm thì đạt yêucầu xây dựng vì phạm vi phân bố của chúng rộng, bề dày lớn, móng công trình đặt lên

2

3

4 1

Hình 2.7 Ý nghĩa thế nằm của đá macma trong xây dựng

2.3.2.3 Kiến trúc và cấu tạo của đá macma.

2.3.2.3.1 Kiến trúc.

Kiến trúc của đá macma biểu hiện mức độ kết tinh của tinh thể, hình

dạng, kích thước của tinh thể.

1) Kiến trúc toàn tinh.

Khi dung thể macma ở dưới sâu, do tính dẫn nhiệt của đá kém nêndung thể đông nguội chậm, thời gian kéo dài để các tinh thể lớn lên, đông cứng tạo thành

đá macma có kiến trúc toàn tinh

Các khoáng vật trong đá đều kết tinh, ranh giới phân cách giữachúng rõ ràng có thể nhìn thấy bằng mắt thường (Hình 2.8a)

2) Kiến trúc Pocphia: Chỉ thấy bằng mắt thường một số tinh thể lớn

rải rác trên nền tinh thể rất nhỏ(vi tinh), hay không kết tinh ( vô định hình) (Hình 2.8b)

3) Kiến trúc ẩn tinh: Tinh thể rất nhỏ không phân biệt bằng mắt

thường chỉ thấy dưới kính hiển vi

4) Kiến trúc thuỷ tinh: Đá không kết tinh mà đột ngột hạ nhiệt và

đông cứng lại Dễ thấy nhất khi dung nhan phun ở đáy biển

Hình 2.8 Kiến trúc của đá macma (đã phóng đại)

3) Cấu tạo hạnh nhân: Trong đá có các lỗ hổng và các khoáng vậtthứ sinh lấp nhét vào Các khoáng vật đó có thể là opan, T.A, clorit, canxit…

2.3.2.4 Phân loại và mô tả một số đá macma.

Địa chất công trình dựa vào hàm lượng phần trăm thành phần SiO2 cótrong đá macma mà chia thành: Nhóm đá axit(SiO2>65%), nhóm đá trung tính(SiO2=55-65%), nhóm đá Bazơ (SiO2=45-55%), nhóm đá siêu bazơ(SiO2<45%)

Bảng 2.4 Phân loại đá Macma dựa vào hàm lượng SiO2(%)

Hàm lượng SiO2(%)

Thành phần khoáng vậtFenpat K, T.A

Mica(Biotit)

Hocblend

Augit

Fenpat,khoáng vậtsẫm màu, ítBoitit T.A(5-10%)

Plagiocla trungtính, HocblendPyroxen,Biotit

Plagiocla bazơPyroxen,OlivinHocblend

Olivin Pyroxen

lá câyGranit,

Pocphia T.A,

Syenit PocphiaOrtho

Andesit Gabro, bazan

Điabaz

Đunit(Olivin)Pyroxenit

1) Nhóm đá Axit (SiO 2 >65%).

Thành phần khoáng vật tạo đá chủ yếu là T.A, Fenpat Kali, Plagioclamica và đôi khi có Hocblend, khoáng vật thẫm màu là Biotit, Augit Đại diện cho nhóm

đá này là: Granit, Riolit(Hay còn gọi là Lipatit, chủ yếu gặp phổ biến ở Miền Bắc)

a Granit: Đá có kiến trúc toàn tinh, hạt lớn, cấu tạo đặc sít, đẳng

hướng( dạng khí), nguồn gốc xâm nhập Thành phần khoáng vật chủ yếu là Fenpat, T.A,Mica Khoáng vật phụ có Augit, Hocblend, ngoài ra có thể gặp Manbetit, Pyrit, Zircon.Màu của đá có thể từ xám sáng đến hồng

b Riolit: Đá có kiến trúc tinh vi, cấu tạo đặc sít, đẳng hướng(dạng

khối) nguồn gốc phun trào Thành phần khoáng vật tương tự như đá Granit, khoáng vậtmàu thẩm có Biotit, Amphibol, Pyroxen Màu của đá có thể màu trắng, xám, lục nhạt,vàng nhạt

2) Nhóm đá trung tính (SiO 2 =55-65%).

Khoáng vật tạo đá chính là Plagiocla, Hocblend, đôi khi có Pyroxenkhoáng vật thẫm màu có amphibol, mica Khoáng vật màu chiếm trên 25% Đại diện chonhóm đá này là Điorit(xâm nhập) và Andezit(phun trào)

a Điorit: Đá có kiến trúc ban tinh (Pocphic) các tinh thể Fenpat lớn

nổi hẳn lên, cấu tạo đặc sít, đẳng hướng (dạng khối) Nguồn gốc xâm nhập Khoáng vậtchủ yếu là Plagiocla trung tính(Oligiocla, Andezit và Hocblend đôi khi có Biotit Màucủa đá từ xám, xám lục có khi màu xẫm và đen

b Andêzit: Đá có kiến trúc toàn tinh Plagiocla nổi lên trên nền vi

tinh đặc trưng chứa nhiều thuỷ tinh Nguồn gốc phun trào Khoáng vật tạo đá tương tựnhư Điorit Andezit tương đối sáng màu hơn Bazan, đôi khi có màu phớt tím, phớt lục,thậm chí màu xám xẫm không khác gì Bazan

3) Nhóm đá Bazơ(SiO 2 =45-55%)

Khoáng vật tạo đá chính gồm: Plagiocla, Pyroxen đôi khi có thêmOlivin, Hocblend, Biotit Lượng khoáng vật màu chiếm 45-50% các đá xâm nhập có :Gabro và phun trào có Bazan

a) Gabro: Đá có kiến trúc toàn tinh hạt lớn Khoáng cvật chủ yếu là

Plagiocla bazơ, khoáng vật màu xẫm có Pyroxen, Amphibol, Olivin, đôi khi có Manhetit.Màu từ lục xẫm đến đen

b) Bazan: Đá có kiến trúc phocphia, trong đá các hạt Plagiocla và

Augit kết tinh rõ Thông thường có cấu tạo khối và lỗ rỗng Nguồn gốc phun trào khoángvật tương tự như Gbro Màu từ xám thẫm đến đen Thế nằm của đá bazan thường ở dạnglớp phủ, dạng mạch

4) Nhóm đá siêu Bazơ:(SiO2<45%)

Khoáng vật tạo đá chính là Olivin, Pyroxen, Amphibol Đoi khi cóIlmenit, Manhetit, Cromit, bạch kim…Nhóm đá này chủ yếu xâm nhập sâu: Peridotit vàDunit

a) Peridotit: Thành phần chủ yếu là Augit, ngoài ra còn có Olivin

Đá trầm tích được thành tạo do sự phá huỷ các loại đất đá có từ trước rồiđược vận chuyển-trầm đọng-hoá đá Đá trầm tích thường có đặc điểm là phân lớp, ranhgiới giữa các lớp khá rõ ràng, mỗi một lớp đồng nhất về thành phần Có sự phân lớp là

do thay đổi điều kiện thành tạo, thay đổi chu kỳ trầm tích(độ lớn hạt) và giai đoạn trầmtích Lớp có thể song song hoặc xiêng chéo Các đá trầm tích thường có độ lỗ hổnglớn(trừ trầm tích hoá học) Độ lỗ hổng này chính là nguyên nhân gây lún của đất dưới tảitrong công trình Trong đá trầm tích thường chứa hoá thạch của sinh vật hoặc những dấuvết của chúng để lại trong đá

2.3.3.2 Các giai đoạn tạo đá trầm tích.

Quá trình hình thành tạo đá trầm tích có thể chia làm 3 giai đoạn :

Giai đoạn 1: Phá huỷ đá ban đầu và tạo nên các hạt vụn, dung dịchgọi là giai đoạn tạo vật liệu trầm tích

Giai đoạn 2: Dưới tác dụng của gió và dòng nước vật liệu trầm tíchđược vân chuyển và tuyển lựa, được trầm đọng lại thành lớp hạt vụn hoặc bùn sét hoặckết tủa dung dịch Gọi là trầm tích mềm rời

Giai đoạn 3: Dưới tác dụng của áp lực, trọng lực và các dung dịchkết tủa trong nước, trầm tích mềm rời được nén chặt hoặc gắn kết lại thành đá của trầmtích gọi là giai đoạn hoá đá

Sau nữa đá trầm tích có thể tiếp tục bị biến đổi dưới tác dụng của nhiềunhân tố khác nhau, gọi là giai đoạn hậu sinh

2.3.3.3 Kiến trúc và cấu tạo của đá trầm tích.

Khái niệm kiến trúc bao gồm các đặc tính về kích thước, hình dạng, đặctính bề mặt và số lượng tương đối của các phần tử tạo nên đá

2.3.3.3.1 Kiến trúc của đá trầm tích.

a) Kiến trúc của đá trầm tích vụn cơ học và đá sét.

Đá trầm tích vụn cơ học gồm hai phần là hạt vụn và ximăng gắn kết.Kiến trúc đá hạt vụn là dựa vào độ hạt và hình dáng của nó Độ hạtgồm có kiến trúc cuội, kiến trúc cát(d=0.1-2mm), kiến trúc bột(d=0.01-0.1mm), và kiếntrúc sét(d<0.01mm) Hình dạng bao gồm những đặc tính về độ tròn, độ cầu, độ dẹt vànhững dấu vết bề mặt Hạt vận chuyển càng xa càng bị mài mòn

1: Kiến trúc xi măng cơ sở; 2: Kiến trúc xi măng tiếp xúc; 3:Kiến trúc xi măng lấp đầy

Hình 2.9 Kiến trúc ximăng của đá trầm tíchKiến trúc ximăng: Trong đá trầm tích vụn cơ học ngoài thành phần hạtvụn còn có thành phần gắn kết các hạt vụn với nhau gọi là ximăng Thành phần chủ yếu

của ximăng là: Cacbonat, Silic, Photphoric…Trong thực tế gặp các kiểu kiến trúc:Ximăng cơ sở có thành phần ximăng thành tạo đồng thời với hạt vụn và có tỷ lệ thànhphần lớn hơn, cường độ và tính chất của đá chủ yếu quyết định bởi cường độ và tínhchất của ximăng Kiến trúc xi măng lấp đầy các lổ hổng, ngoại trừ ranh giới tiếp xúcgiữa các hạt vụn với nhau Đá gắn kết tốt nhất, cường độ cao Kiến trúc ximăng tiếp xúcchỉ phát triển ở nơi tiếp xúc giữa các hạt vụn Trong đá có nhiều lỗ hổng Đá gắn kết rấtyếu, cường độ thấp.(Hình 2.9)

b Kiến trúc của đá trầm tích hóa học và sinh hoá

Đá trầm tích hoá học và sinh hoá có các loại kiến trúc cơ bản như: Vôđịnh hình gặp trong đá trầm tích do ngưng keo Tha hình, gặp trong đá vôi, hạt có dạngméo mó Tự hình, khoáng vật có dạng đa diện Hoá hạt, hình thành do sự tái kết tinhthành những tinh thể lớn nằm rời rạc trong nền hạt nhỏ Những loại kiến trúc trên chỉphát hiện được bằng kính hiển vi

2.3.3.3.2 Cấu tạo của đá trầm tích

Cấu tạo của đá trầm tích phổ biến có các dạng: khối, dòng và phân lớp

a)Cấu tạo khối

Là cấu tạo mà các hạt tạo đá sắp xếp lộn xộn Loại này rất phổ biếntrong đá vụn cơ học ( cát kết, cuội kết…) chúng hình thành do trầm tích lắng đọngnhanh, vật liệu chuyển tới liên tục, nước luôn luôn bị khuấy động Cấu tạo này làm cho

đá đồng nhất, đẳng hướng và bền vững

b)Cấu tạo vòng

Khi các hạt sắp xếp, định hướng theo phương dòng chảy, hướng gió…

Đá trầm tích loại này có tính dị hưóng

c)Cấu tạo phân lớp

Là cấu tạo đặc trưng nhất của đá trầm tích Các lớp có thể khác nhau

về thành phần khoáng vật, thành phần hạt, các tạp chất…Phát sinh do sự thay đổi trầmtích có chu kỳ hoặc do tích tụ gián đoạn

Ví dụ như về mùa lũ nứoc sông mang đến các hạt lớn ( cuội, sỏi), về mùa khô thì có các hạt nhỏ hơn ( cát, sét ) Kết quả là sẽ hình thành các lớp sét, cát,sỏi …xen kẽ nhau

Quá trình tuyển chọn các vật liệu cơ học như trên gọi là quá trình phân

dị trầm tích Trong cấu tạo phân lớp người ta chia thành: phân lớp nằm ngang, phân lớpxiên đơn, xiên chéo… (Hình 2.10)

a b c d

Hình 2.10 Cấu tạo của đá trầm tích

2.3.3.4 Các đặc điểm riêng của đá trầm tích

Nguồn gốc và điều kiện thành tạo của đá trầm tích tạo nên nhiều nét riêngbiệt cho chúng

Về mặt cấu tạo: Đá trầm tích thường có tính phân lớp, ranh giới giữa cáclớp khá rõ ràng, mỗi một lớp đồng nhất về thành phần Hiện tượng phân lớp có thể songsong hoặc xiên chéo Khi xây dựng công trình phải chú ý đến sự phân lớp này Vì hiệntượng trượt thường xảy ra theo mặt lớp, nhất là công trình đường cầu

Về mặt kiến trúc: Đá trầm tích vụn cơ học có nền gắn kết ximăng, trầmtích hoá học do sự ngưng keo Cường độ của đá phụ thuộc vào tính chất và thành phầncủa keo như: keo nhôm Al(OH)3, CaCO3, SiO2, Mn(OH)2, sét, hữu cơ…nếu đá đó cónguồn gốc trầm tích hoá học Còn nếu đá trầm tích vụn cơ học thì cường độ của đá đượcquyết định bởi tính chất và thành phần của ximăng gắn kết

Về mặt hình thành: Đá thường chứa các di chỉ hoá thạch, động vật và sinhvật Đây là một dấu hiệu khá rõ nét để nhận biết đá trầm tích

Về mặt tính chất cơ lý: Đá trầm tích thường có độ lỗ rỗng lớn (loại trừtrầm tích hoá học)

2.3.3.5 Phân loại và mô tả một số đất đá trầm tích

2.3.3.5.1 Trầm tích mềm rời

Trầm tích mềm rời hay còn gọi là đất được tạo thành do các quá trìnhngoại sinh (phong hoá) hay nội sinh (vận đông kiến tạo) từ các đá có trước mà thành.Trầm tích mềm rời (đất) được phân chia thành đất rời và đất dính

a) Phân loại đất rời dựa vào đường kính hạt

Cuội sỏi (d=2-200mm) Đại bộ phận chúng là mãnh vỡ vụn của đámacma, biến chất và trầm tích Có rất nhiều hình dạng khác nhau và thường được màimòn tròn cạnh Cuội, sỏi thường nằm thành lớp, thấu kính, tầng nghiêng Hay gặp ở lũngsông suối, miền núi Tính ép co của cuội sỏi nhỏ vì vậy đập, cống… có thể xây dựngtrực tiếp trên nền cuội sỏi Nhưng nó có tính thấm ướt lớn cho nên cần có biện pháp

chống thấm cho công trình Cuội sỏi làm vật liệu xây dựng như: trộn bê tông, làm tầnglọc, rãi đường.

Cát (d=0.05-2mm) Thành phần khoáng vật chủ yếu là T.A, ngoài racòn có Manhetit, mica, Fenpat…Màu thường trắng, xám, nâu

Bảng 2.5 Phân loại cát

Cát sỏiCát thôCát vừaCát nhỏCát bụi

Lượng hạt lớn hơn 2mm chiếm >25%Lượng hạt lớn hơn 0.5mm chiếm >25%Lượng hạt lớn hơn 0.25mm chiếm >50%Lượng hạt lớn hơn 0.1mm chiếm >75%Lượng hạt lớn hơn 0.1mm chiếm <75%

Độ rỗng của cát trung bình từ 36% đến 40% Khi bị khô, ướt thể tíchhầu như không bị thay đổi Khi tăng tải trọng cát nén chặt nhanh nhưng độ lún khônglớn Cát khô bị chấn động lún rõ rệt Vì vậy, cát không thích hợp với công trình có tảitrọng động như trạm bơm, nhà máy thuỷ điện

Cát bão hoà nước dễ sinh hiện tượng cát chảy, đặc biệt khi tải trọngcát có chứa nhiều hạt sét, hạt bột Cát chảy gây trở ngại lớn cho thi công hố móng, kênhdẫn

b) Phân loại đất dính dựa vào hàm lượng sét và chỉ số dẻo (Ip)

Cát pha: Có lượng sét từ 2 -10% Có một ít tính dính (Ip<7) Tínhthấm không lớn Độ cao mao dẫn khoảng 1.5m Khi đất cát pha có thành phần hạtbột(d=0.005-0.05) chiếm trên 30% thì phát sinh hiện tượng cát chảy

Sét pha: Có lượng sét từ 10-30% Tính dẻo, tính dính, tính trưng nở,

ép co rất lớn, có thể dùng làm tường chống thấm trong đập hay vật liệu đắp Tính ép co

so với cát pha tăng lên rõ rệt Đất sét pha thường gặp ở vùng đồng bằng ven hồ, lũngsông thoải hoặc cửa sông

Đất sét: Có lượng sét trên 30% Tính thấm nước của đất sét rất nhỏ,trong thực tế coi như không thấm Vì vậy đất sét thường được dùng làm vật liệu chốngthấm Thành phần khoáng vật chính của đất sét chủ yếu là Kaolinit, ilit,Monmorilonit.Ngoài ra còn có thạch anh, mica, clorit, opan, thạch, oxit sắt…Trong đất sét có thể gặpchất hữu cơ phân tán, xác sinh vật đất sét có nhiều màu khác nhau như trắng, vàng, xám,đen…phụ thuộc vào màu của tạp chất (oxit sắt, chất hữu cơ)

Bảng 2.6 Phân loại đất dínhTên đất Chỉ số dẻo

Cát phaSét phaSét

a Cuội kết, dăm kết: là loại trầm tích vụn đã được gắn kết Trong

đó các hạt lớn hơn 2mm chiếm trên 50%

b Cát kết: Là loại đá do cát kết lại mà thành Trong đó các hạt cóđường kính d=0.1-2.0mm chiếm trên 50% Được chia thành: Cát kết hạt thô (d>0.5mm),cát kết hạt vừa (d=0.25-0.5mm), cát kết hạt nhỏ(d<0.25mm) Ngoài ra, dựa vào khoángvật tạo đá có cát kết thạch anh, dựa vào thành phầm ximăng có cát kết ximăng vôi

c Bột kết: Là loại đá do các hạt bột gắn kết mà thành Trong đó cáchạt có đường kính 0.005-0.1mm chiếm trên 50%, đá bột kết có cường độ nhỏ hơn đá cátkết

d Sét kết (Acgilit): là loại đá do đất sét thoát nước kết chặt sít lại

và thường tạo thành các lớp mỏng Căn cứ vào thành phần có thể có các loại: Sét kết vôi,sét kết sắt, sét kết silic Sét kết có cường độ yếu nhất, chỉ có sét kết silic là có cường độtương đối lớn hơn Cần chú ý đến tính hoá mềm của đá sét kết khi ngập nước Nhất làcác công trình thuỷ công

Bảng 2.7 Phân loại đá trầm tích sinh hóa chủ yếu

Tên các loại trầm tích Thành phần chủ yếu Tên các loại đá chủ yếuOxit nhôm, sắt Oxit nhôm chứa nước Laterit, Bauxit

Silit Oxit Silic Diatomic, Opan

Cacbonat Cacbonat CanxiCacbonat manhe Đá vôi, đá vôi vỏDolomit

Sunphat và Halpgennua Sunfat, Ca, Mg, và Halit Thạch cao, Anhydrit, muối mỏThan, Bitum Cacbon, Cacbua Hidro Than bùn, sét chứa dầu

Bảng 2.8 Các loại đá vôi chứa sét

Bảng 2.9 Các loại đá vôi chứa Dolomit

Canxit (CaCO3) Dolomit (Ca, Mg)CO3

Đá vôi thuộc loại đá có cường độ lớn, nhưng dễ bị nước hoà tan

để lại các hang hốc, khe rãnh (Karst) sẽ gây khó khăn cho công trình ngầm và mất nước

ở hồ chứa Đá vôi dùng làm vật liệu xây dựng quan trọng để rải đường, lát mái đập, xâymóng…

2.3.4 Đá biến chất.

2.3.4.1 Định nghĩa.

Đá biến chất được thành tạo từ đá trầm tích hoặc đá Magma bị biến đổitính chất do tác dụng nhiệt đô, áp suất hay do các phản ứng hoá học với dung thể magmalàm cho thay đổi kiến trúc và cấu tạo, thay đổi thành phần hoá học và khoáng vật, mức

độ đó biến đổi khác nhau Có thể bị nén chặt chưa thay đổi thành phần, có thể bị tái kếttinh hoàn toàn các khoáng vật ban đầu: Đá hoa, đá xcacnơ…

2.3.4.2 Các kiểu biến chất.

Dựa vào sự ưu thế của yếu tố biến chất (nhiệt độ, áp suất, chất bốc…) màphân chia thành các kiểu biến chất cơ bản sau:

a) Biến chất tiếp xúc: xảy ra ở khu vực tiếp giáp giữa khối magma

nóng chảy với đá vât quanh Biến chất tiếp xúc xảy ra do yếu tố nhiệt độ là chủ yếu thìgọi là biến chất tiếp xúc nhiệt Nếu có sự trao đổi chất với đá vây quanh thì gọi là biếnchất tiếp xúc trao đổi Theo V.A Zavarenxki xếp biến chất tiếp xúc vào loại biến chấtcục bộ Ví dụ như đá vôi biến chất tạo thành đá hoa, Macnơ biến chất tiếp xúc tạo thành

đá sừng Pyroxen

b) Biến chất động lực: xảy ra do tác dụng chủ yếu của áp lực được

sinh ra trong quá trình kiến tạo làm cho đá mất nước, giảm độ rỗng, liên kết chặt hơn.Theo V.A Zavarenxki coi đay là biến chất cà nát Ví dụ như: Granit biến chất tạo thànhmilonit, các đá núi lửa axit bị biến chất tạo thành pocfiaroit

c) Biến chất khu vực: Xảy ra ở dưới sâu với sự tham gia của nhiệt độ

và áp suất lớn (không có chất bốc hoặc rất ít) Theo V.A.Zavarenxki, chia loại này thành

3 cấp nhiệt độ: nhiệt độ thấp có đá phiến sét bị biến chất tạo thành đá Gơnai, nhiệt độvừa có đá phiến sét bị biến chất tạo thành đá phiến mica

2.3.4.3 Kiến trúc và cấu tạo.

Các đá biến chất cũng có đặc điểm riêng về cấu trúc bên trong tức là vềkiến trúc và cấu tạo Dấu hiệu chung của đá này là kiến trúc toàn tinh của chung Các hạtkhoáng vật thường bị dẹt di, có đường nét tròn cạnh và định hướng theo một phươngsong song với nhau

2.3.4.3.1 Kiến trúc của đá biến chất.

a Kiến trúc biến tinh: Kiến trúc của tuyệt đại đa số các đá biến chất là

kiến trúc biến tinh Chúng được hình thành trong quá trình tái kết tinh của các đá ở trạngthái rắn(sự biến tinh) Kiến trúc này của đá biến chất cũng giống như đá macma và đểphân biệt, người ta thêm chữ “ biến tinh’’ Ví dụ, đá macma ban đầu có kiến trúc hạtđều, sau khi bị biến chất tạo ra kiể kiến trúc mới biến tinh đều hay biến tinh không đều

Ở đá biến chất, trong nhiều trường hợp, mối liên kết cũng như mạng lưới tinh thể chưahoàn chỉnh Vì thế liên kết hạt kém bền vững so với đá macma

b Kiến trúc phân phiến hay vẩy: Sự tăng trưởng của các sản phẩm

khoáng vật thường xảy ra trong điều kiện áp lưc định hướng, theo phương vuông góc với

áp lực, nó làm xuất hiện tính phân phiến của nhiều đá biến chất Đá phiến Xerixit đượchình thành do quá trình biến đổi thành các dạng hạt vẩy nhỏ gọi là xerixt Các xerixitđược sắp xếp theo các phương song song với nhau như áp lực định hướng

2.3.4.3.2 Cấu tạo của đá biến chất

a Cấu tạo khối: Được đặc trưng bằng sự sắp xếp đều đặn trong khong

gian các thành tạo khoáng vật, không có tính phân phiến, phân dãi rõ rệt Ví dụ như: Đáhọc, Quatzit

b Cấu tạo Gơnai: Là sự kết hợp giữa cấu tạo dãi, nếp nhăn và mắt

kính Cấu tạo dãi được đặc trưng bằng sự xen kẽ, song song các dãi khoáng vật khácnhau Chúng thường được phân biệt bởi màu sắc Cấu tạo nếp nhăn biểu hiện ở sự pháttriển các vi uốn nếp liti của các lớp mỏng Cấu tạo mắt kính tương tự như Pocphia nhưngcác hạt khoáng vật tinh thể lớn có dạng tròn, kéo dài theo một phương trên nền cơ sở hạtrất bé Ví dụ như :Đá Gơnai

c Cấu tạo phân phiến: Phiến thạch sét là loại biến chất đầu tiên của đá

sét, độ lỗ rỗng(n) giảm nhưng thành phần chưa có sự biến đổi lớn Đất sét biến đổi thànhphiến thạch sét, phylit, phiến thạch sét mica

Các khoáng vật có dạng phân phiến mỏng, kéo dài và sắp xếp songsong với nhau Ví dụ: đá phiến sét, đá phiến mica…Đá macma sau khi biến chất thường

có cường độ giảm đi theo các mặt phiến của nó Còn đá trầm tích thì ngược lại, cường

độ tăng lên Một trong các yếu tố cơ bản làm tăng cường độ là chuyển đá từ loại liên kếtgắn kết sang liên kết kết tinh, với mật độ tăng cao lên

2.3.4.4 Phân loại và mô tả một số đá biến chất.

Yếu tố ảnh hưởng đến tính năng xây dựng của đá biến chất đầu tiên phải

kể đến là cấu tạo Dựa vào cấu tạo chia thành:

a) Đá có cấu tạo Gơnai: Là loại đá có biến chất cao nhất, có thành phần

tương tự như đá Granit gômg: T.A, Fenpat và một số khoáng vật màu khác, vẩy micavuông góc với áp lực tác dụng, dựa vào thành phần có: Gơnai Biotit, Gơnai Amphibol,Gơnai 2 mica Nói chung, Gơnai là loại đá dùng làm nền công trình tương đối tốt nhưngnếu hàm lượng mica tăng lên thì cường độ giảm đi, tốc độ phong hoá tăng Ở Miền trung

có cơ ở Kontum, ĐăkLắc, Plâyku

b) Đá có cấu tạo phiến: Phiến thạch sét là loại biến chất đầu tiên của đá

sét, độ lỗ rỗng giảm nhưng thành phần chưa có sự biến đổi gì lớn Chuỗi biến chất xảy ra

từ đá sét đến phiến thạch sét, phylit, phiến thạch sét mica Ngoài ra, tiêu biểu còn có đáphiến mica Thành phần bao gồm: Mica, thạch anh, clorit có dạng lớp mỏng rõ rệt

c) Đá có cấu tạo khối: Tiêu biểu cho đá Quartzit Do đá thạch anh bị

biến chất, thường chứa ít mica, Granit, quặng sắt Màu trắng, xám đến đen và đỏ, độcứng lớn(9) Tiêu biểu cho đá cấu tạo khối nữa là Đá hoa Thành phần hoá học CaCO3 là

đá vôi Đolomit tái kết tinh Dạng lớp có nhiều màu, kiến trúc hạt kết tinh Độ cứng từ 3.5

3-2.3.5 Đặc tính xây dựng của đất đá.

Đối với đá macma: Độ bền thường vượt quá yêu cầu xây dựng, tuy nhiên

khi đánh giá cần chú ý đến hiện tượng phong hoá và nguồn gốc là xâm nhập hay phuntrào Trong đá là không có trượt nhưng thỉnh thoảng có trượt trong khối đất xen kẹptrong đá

Đối với đá biến chất: Nhìn chung độ bền thường vượt quá yêu cầu xây

dựng Nhưng thường bị phá huỷ do môi trường tồn tại khác với điều kiện thành tạo, đặcbiệt đối với phiến thạch sét rất dễ bị phá huỷ, khi sử dụng làm nền móng cần chú ý đếntrạng thái nứt nẻ, sự biến đổi khoáng vật, cấu tạo Trong đá dễ gây trượt theo mặt cấu tạophân phiến Vì độ liên kết tại đây là yếu nhất.(Hình 2.14)

a) Trạng thái cân bằng; b) Trạng thái mất cân bằng khi có tải trọng công trình

Hình 2.14 Trượt theo mặt cấu tạo phân phiến

Đối với đá trầm tích: Từ những đá rất yếu như than bùn, bùn non đến

những đá rắn chắc như sa thạch silic Đá trầm tích hầu hết được gắn kết bởi chất gắn kết,nên độ bền thường phụ thuộc vào keo kết: Keo kết silic, vôi, sét, thạch cao theo thứ tựgiảm dần Khi bị nước và không khí tác dụng phá huỷ chất gắn kết, một số rất lớn đátrầm tích có độ bền cao nhưng bị nước hoà tan như: Đá vôi, Đolômit…để lại nhiều hangđộng karst rất trở ngại cho việc xây dựng công trình, nhất là các công trình thuỷ công về

độ ổn định cũng như độ thấm nước (CaCO3+H2O+CO2=Ca2+ +2HCO3-)

Đối với trầm tích mềm rời (đất): Từ những trầm tích chịu được tải trọng

lớn như các loại đất hạt thô (cát,cuội, sỏi, dăm…) không chịu ảnh hưởng của nước đếnnhững loại đất chịu lực tương đối bé hoặc độ bền phụ thuộc vào độ ẩm của nó (sét, sétpha, than bùn) Các hạt thô đến sét thì mức độ thấm giảm dần Áp lực tiêu chuẩn củamột số loại đất phụ thuộc độ rỗ rỗng (nếu là đất rời) và độ ẩm (đất dính)

CHƯƠNG III MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ THỦY TÍNH CỦA ĐẤT ĐÁ

3.1 Tính chất vâ ̣t lý

Thông thường đất đá có ba thành phần ta ̣o nên là rắn – lỏng – khí Tỷ lê ̣ của bathành phần này thay đổi thì tra ̣ng thái vâ ̣t lý cũng thay đổi theo.

Hình 3.1 Sơ đồ quy ước 3 pha của đất đáTrong công tác xây dựng để đánh giá được đô ̣ bền, đô ̣ ổn đi ̣nh, đô ̣ biến da ̣ng và

đô ̣ ngấm nước của đất người ta phải dựa vào các chỉ tiêu vâ ̣t lý và cơ ho ̣c của nó Nhữngchỉ tiêu cơ ho ̣c (tính nén lún, tính chống cắt…) sẽ được trình bày kỹ ở môn ho ̣c cơ ho ̣cđất Trong đi ̣a chất công trình, trình bày mô ̣t số tính chất vâ ̣t lý cơ bản

3.1.1 Tính rỗng xốp của đất đá.

Đối với đá cứng chắc, các lỗ rỗng thường là các lỗ rỗng bi ̣t kín Đối vớicác trầm tích mềm rời thường là các lỗ rỗng ta ̣o ra ở giữa các ha ̣t đất với nhau Lỗ rỗngtrong đất không những làm mất tính liên tu ̣c mà còn ảnh hưởng đáng kể đến đă ̣c tínhcường đô ̣, biến da ̣ng… của đất Đă ̣c biê ̣t là tính biến da ̣ng dưới tải tro ̣ng công trình Đáphun trào Bazan, đất sét, đất bùn…là các lỗ rỗng hở liên thông với khí quyển ĐáGranite, đá phiến Xerixit đă ̣c xít…là các lỗ rỗng kín

Chỉ tiêu đi ̣nh lượng mức đô ̣ rỗng của đất đá là đô ̣ rỗng n và hê ̣ số rỗng e

Đô ̣ rỗng là phần trăm thể tích lỗ rỗng và thể tích đất đá tương ứng Đượcbiểu diễn dưới da ̣ng công thức:

% 100

x n

v

vr

Trong đó: Vr là thể tích lỗ rỗng của đất đá

V là thể tích của đất đá

KhíL?ng

Vw Va

V Qs

Qw Qa

Hê ̣ số rỗng là tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng với thể tích phần ha ̣t rắn của đấtđá Có công thức:

% 100

x e

Trong đó: Vh là thể tích phần ha ̣t của đất đá

Tri ̣ số e thay đổi trong khoảng (0;1) đối với các loa ̣i đất đá bình thường,với đất sét nhão, đất bùn, bùn chứa sét thì hê ̣ số rỗng e >1

Trong xây dựng người ta thường dùng hê ̣ số rỗng e để đánh giá tra ̣ng tháicủa đất rời

Bảng 3.1 Tiêu chuẩn và đô ̣ chă ̣t của đất rời (QPXD 45-78)Loa ̣i đất Tra ̣ng thái của đất

Cát sỏi, cát to, cát vừa e < 0.55 0.55 ≤ e ≤ 0.70 e > 0.70

Cát nhỏ e < 0.60 0.60 ≤ e ≤ 0.75 e > 0.75Cát bu ̣i e < 0.60 0.60 ≤ e ≤ 0.80 e > 0.80Ngoài ra người ta còn đưa ra chỉ tiêu đô ̣ chă ̣t tương đối (D) để đánh giátra ̣ng thái của đất cát

e

D

min max

max

−

−

Trong đó: emax, emin là hê ̣ số rỗng lớn nhất và nhỏ nhất của cát được xác

đi ̣nh bằng thực nghiê ̣m, còn e là hê ̣ số rỗng tự nhiên

Căn cứ vào tri ̣ số của D mà người ta đánh giá đô ̣ chă ̣t của cát:

D ≤ 1/3 : Đất cát xốp

1/3 < D ≤ 2/3 : Đất cát chă ̣t vừa

2/3 < D ≤ 1 : Đất cát chă ̣t

3.1.2 Tính nứt nẻ của đất đá

Khi nghiên cứu tính nứt nẻ của đất đá, quan tro ̣ng nhất là tìm hiểu quy luâ ̣tphân bố và đă ̣c tính của khe nứt Chỉ tiêu đi ̣nh lượng cho mức đô ̣ nứt nẻ của đá là đô ̣ nứtnẻ và đô ̣ khe hở của đất đá

Đô ̣ nứt nẻ là số lượng khe nứt trên mô ̣t đơn vi ̣ dài Đô ̣ nứt nẻ thường thayđổi theo các phương của khối đất đá

Đô ̣ khe hở là tỷ số giữa diê ̣n tích khe hở ta ̣o bởi các khe nứt và diê ̣n tích đákể cả khe nứt (F = 4÷25m2)

F F

F K

n i i

i b a n

Trong đó: ai, bi là chiều rô ̣ng và dài của khe nứt thứ i

n là số khe nứt trên diê ̣n tích khảo sát FCăn cứ vào đô ̣ khe hở mà Kk, L.I.Nayxrat đã phân đất đá ra các mức đô ̣nứt nẻ khác nhau

Bảng 3.2 Bảng phân loa ̣i đô ̣ nứt nẻ của đá

Mức đô ̣ nứt

nẻ

Kk(%)

Tính chất khe nứt

Nứt nẻ yếu < 2 Trong đá phát triển khe nứt mảnh da ̣ng sợi tóc, chiều rô ̣ng

1mm, cá biê ̣t 2mm; Khe nứt vừa và lớn không có

Nứt nẻ vừa 2÷5

Bên ca ̣nh các khe nứt mảnh chiều rô ̣ng 1mm (chiếm 50%)xuất hiê ̣n những khe nứt chiều rô ̣ng 2÷5mm Cá biê ̣t5÷20mm

Bên ca ̣nh khe nứt nhỏ còn có khe nứt lớn và rất lớn chiều

rô ̣ng 20÷100mm và hơn nữa

Nứt nẻ đă ̣c

biê ̣t ma ̣nh >20

Đá ở đới cà nát, đá Karst hóa, đá đổ, đá trượt

Hình 3.2 Đồ thi ̣ hoa hồng

Để biểu thi ̣ phương phát triển của khe nứt người ta sử du ̣ng đồ thi ̣ đườngtròn khe nứt Góc dốc được biểu thi ̣ bằng các vòng tròn đồng tâm (0÷900) Góc phương

vi ̣ hướng dốc xác đi ̣nh trên vòng tròn theo chiều kim đồng hồ (0÷3600) Mỗi khe nứt biểuthi ̣ bằng 1 điểm Khe nứt kiến ta ̣o màu đỏ, phong hóa màu xanh, khe nứt hở khuyên

10 20 30 40 50 60 70 80 90

0; 360 10

20 30 40 50 60 70

80

90

100

110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210

trắng, khe nứt kín chấm đen Trong xây dựng công trình có tải tro ̣ng lớn, các công trìnhngầm, thủy công, các bãi khai thác đá cần có phương pháp nghiên cứu riêng: siêu âm, đosâu điê ̣n trở, khoan thăm dò…

3.1.3 Dung tro ̣ng của đất đá

3.1.3.1 Dung tro ̣ng thiên nhiên (γw )

Dung tro ̣ng thiên nhiên hay còn go ̣i tro ̣ng lượng thể tích tự nhiên của đất làtro ̣ng lươ ̣ng của mô ̣t đơn vi ̣ thể tích đất ở tra ̣ng thái tự nhiên (g/cm3, T/m3, N/cm3

Đất cát (1.45÷1.85) g/cm3; Đất cát pha, sét pha (1.40÷1.65) g/cm3; Đất sét

bi ̣ nén chă ̣t (1.8 0÷2.10)g/cm3

3.1.3.2 Tro ̣ng lươ ̣ng riêng của đất (γh )

Tro ̣ng lượng riêng của đất là tro ̣ng lượng thể tích ha ̣t đất Tro ̣ng lượng của

mô ̣t đơn vi ̣ thể tích phần ha ̣t (cốt) đất của chúng Được xác đi ̣nh theo công thức:

h

h h

γh

=

∆

Trong đó: γ0 là tro ̣ng lượng riêng của nước

Tỷ tro ̣ng của đất không phu ̣ thuô ̣c vào đô ̣ rỗng và đô ̣ ẩm của đất mà chỉphu ̣ thuô ̣c vào tỷ tro ̣ng của các ha ̣t khoáng vâ ̣t có trong đất Tỷ tro ̣ng của đất thiên nhiênthay đổi trong khoảng (2.5÷2.8) Tỷ tro ̣ng được xác đi ̣nh bằng bình đo tỷ tro ̣ng Khi xác

đi ̣nh tỷ tro ̣ng của đất chứa muối hòa tan người ta phải dùng chất lỏng hữu cơ trung tínhthay cho nước cất như dầu hỏa, benzen…

3.1.3.3 Dung tro ̣ng khô (γk )

Dung tro ̣ng khô là tro ̣ng lượng của ha ̣t đất trong mô ̣t thể tích đất tự nhiênlà chỉ tiêu biểu thi ̣ đô ̣ chă ̣t của đất (g/cm3, T/m3, N/cm3)

V

Q h

Tri ̣ số của dung tro ̣ng khô thường thay đổi trong khoảng (1.2÷1.9).

Người ta thường dùng công thức dẫn xuất sau:

3.1.3.4 Dung tro ̣ng đẩy nổi (γđn )

Là dung tro ̣ng của đất khi bi ̣ ngâ ̣p dưới mă ̣t nước tự do, tức là bằng tỷ sốgiữa tro ̣ng lượng nổi của phần thể rắn trong khối đất và thể tích của khối đất đó

)(

0 ∆−∆+

Trong đó: ∆0 là tỷ tro ̣ng của nước

Dung tro ̣ng đẩy nổi cũng là mô ̣t chỉ tiêu quan tro ̣ng trong viê ̣c tính toán áplực tiêu chuẩn của đất dùng làm nền công trình Thường làm giảm áp lực tiêu chuẩn củađất nền

3.2 Thủy tính của đất đá.

3.2.1 Đô ̣ ẩm của đất đá (W)

Đô ̣ ẩm của đất đá hay còn go ̣i là tính ngâ ̣m nước của đất đá Đất đá baogiờ cũng chứa mô ̣t mô ̣t lượng nước nhất đi ̣nh Lượng nước và tính chất nước trong đấtđá khác nhau sẽ làm cho tra ̣ng thái của đất đá không giống nhau Chỉ tiêu đô ̣ ngâ ̣m nướcthông du ̣ng là đô ̣ ẩm (W)

Đô ̣ ẩm của đất đá là tỷ số giữa tro ̣ng lượng nước trong đất và tro ̣ng lượngđất khô trong mô ̣t khối đất tự nhiên Đươ ̣c xác đi ̣nh theo công thức:

% 100

x Q

Q W

h

n

Trong đất dính (Cát pha, sét pha, sét) người ta thường dùng các đô ̣ ẩm giới

ha ̣n tương ứng với tra ̣ng thái của đất

Tra ̣ng thái: Cứng Nửa cứng Dẻo Nhão

Wd Wch Đô ̣ ẩmHình 3.3 Sơ đồ tra ̣ng thái đất dính theo đô ̣ ẩm

Đối với đất rời thường sử du ̣ng đô ̣ bão hòa để đánh giá tra ̣ng thái của đất

bh

W

W

Trong đó: Wbh là đô ̣ ẩm bão hòa

Dựa vào G người ta phân ra:

0 ≤ G ≤ 0.5 : Đất hơi ẩm0.5 < G ≤ 0.8 : Đất ẩm0.8 < G ≤ 1.0 : Đất bão hòaĐất loa ̣i cát có đô ̣ ẩm thay đổi từ 3% đến (30÷40)%, đối với đất loa ̣i sét thì cao hơn có thể đa ̣t tới 200÷300% hoă ̣c hơn nữa.

Để xác đi ̣nh đô ̣ ẩm người ta sấy đất ở nhiê ̣t đô ̣ 100÷1050C đến khi tro ̣ng lươ ̣ng không đổi Lúc này nước tự do và nước kết hợp yếu bốc hơi và xem như đất khô tuyê ̣t đối Đất chứa nhiều hữu cơ có sai số lớn

Trong đất dính, người ta dùng hai chỉ tiêu để phân loa ̣i và đánh giá tra ̣ng thái của nó:

* Chỉ số dẻo là hiê ̣u số đô ̣ ẩm giới ha ̣n chảy và đô ̣ ẩm giới ha ̣n dẻo Xác đi ̣nh theo công thức:

(3.13)Bảng 3.3 Phân loa ̣i đất dính (QPXD 45-78)

Loa ̣i đất IPCát pha IP < 7Sét pha 7 ≤ IP ≤ 17Sét IP > 17Bảng 3.4 Đánh giá tra ̣ng thái của đất dính (QPXD 45-78)

B< 0 0 ≤B≤0.25 0.25<B≤0.5 0.5<B≤0.75 0.75<B≤1.0 B>1Đất sét

pha và

sét

Cứng Nửa cứng Dẻo cứng Dẻo mềm Dẻo chảy Nhão

Đất cát

3.2.2 Đô ̣ nhã nước

Đô ̣ nhã nước là khả năng đất đá bão hòa nước giải phóng mô ̣t lượng nướcbằng cách chảy tự do dưới tác du ̣ng của thế năng tro ̣ng lực Được xác đi ̣nh theo côngthức:

Wnn= Wbh - Wptmax (3.14)

Trong đó: - Wbh là đô ̣ ẩm bão hòa (Lượng chứa nước của đất khi ta giảthiết rằng toàn bô ̣ lỗ rỗng của đất chứa đầy nước)

- Wptmax là đô ̣ ẩm phần tử tối đa (Lượng chứa nước kết hợp mă ̣tngoài trong mô ̣t đơn vi ̣ thể tích đất đá Thường gă ̣p trong đất loa ̣i sét)

k

k pt

pt

G

G G

=

Trong đó: Gk là tro ̣ng lượng khô của đất khi sấy ở 1050C

Gpt là tro ̣ng lượng của đất chứa nước kết hợp mă ̣t ngoài Trong trường hớp Gpt đươ ̣c xác đi ̣nh bằng thực nghiê ̣m, người ta quay mẫu đất với tốc đô ̣ quy

đi ̣nh sao cho nước tự do theo lực ly tâm thoát ra ngoài Trong đất chỉ còn la ̣i nước kết hợp mă ̣t ngoài

Thông thường đô ̣ nhã nước được biểu thi ̣ bằng hê ̣ số nhã nước (µ) là tỷ sốgiữa thể tích nước tự do chảy ra khỏi đất đá bão hòa với thể tích toàn bô ̣ của đất đá

Bảng 3.5 Hê ̣ số nhã nước µ của mô ̣t số loa ̣i đất đá

Đất đá Hê ̣ số nhã nước (µ)

3.2.3 Tính mao dẫn.

Bề mă ̣t tiếp xúc giữa chất lỏng với thành vâ ̣t rắn thì mỗi phần tử lỏng đều

bi ̣ tác du ̣ng lực do phân tử bên ca ̣nh và với thành làm ướt và ta ̣o thành bề khum lõmxuống (Xem hình 3.4)

Do tính chất này mà các loa ̣i lỗ rỗng có kích thước đủ nhỏ (go ̣i là kíchthước mao dẫn) làm cho nước bám vào khe rỗng ha ̣t ta ̣o nên lực liên kết phân tử giữa các

ha ̣t đất kết hơ ̣p với sức căng mă ̣t ngoài của chất lỏng hình thành dòng thấm đi lên vàđươ ̣c go ̣i là dòng thấm mao dẫn

Mô ̣t khoảng nước dân lên trên dưới mựcnước ngầm ổn đi ̣nh go ̣i là đới mao dẫn Đô ̣ dâng cao xác

đi ̣nh theo công thức (Laplace)

(trong khoảng từ 0÷900); α là sức căng bề mă ̣t của nước (≈ 0.075g/cm); r là nửa kíchthước ống (lỗ rỗng trong đất).

Khi đất bi ̣ thấm ướt hoàn toàn thì θ=00 Thay các giá tri ̣ vào biểu thức(3.16) ta đươ ̣c kết quả cuối cùng

d r

H md =0.15 =0.3 (3.17)Công thức (3.17) cho thấy chiều cao cô ̣t nước phu ̣ thuô ̣c tỷ lê ̣ nghi ̣ch vớibán kính ống mao dẫn Chiêu cao cô ̣t nước mao dẫn và tốc đô ̣ mao dẫn phu ̣ chủ yếu vàothành phần ha ̣t Chiều cao mao dẫn trong cát ha ̣t vừa vào khoảng 0.15÷0.35m, trong cát

ha ̣t nhỏ là 0.35÷1.00m, trong đất sét pha là 3.00÷4.00m, trong đất sét có thể đa ̣t đến8.00m Tuy nhiên trong đất sét để đa ̣t đến chiều cao mao dẫn trên thường phải mất vàitrăm ngày Trường hợp cát khô hoă ̣c bão hòa nước, tính mao dẫn không còn Tính maodẫn làm cho nước ngầm bi ̣ dâng cao, đất dưới nền công trình bi ̣ ướt làm giảm tính ổn

đi ̣nh nền móng công trình

3.2.4 Tính thấm nước của đất đá.

Như chúng ta đã biết, tất cả các loa ̣i đất đá đều có lỗ rỗng, tùy thuô ̣c vào

đô ̣ lỗ rỗng mà ít nhiều gây nên hiê ̣n tượng thấm nước Khả năng cho đất đá đi qua các lỗrỗng khe nứt, go ̣i là tính thấm nước Tùy thuô ̣c mức đô ̣ thấm nước nhiều hay ít mà quátrình nén lún của đất đá đó kết thúc nhanh hay châ ̣m

Trong khi thấm qua đất đá còn xuất hiê ̣n áp lực thủy đô ̣ng, gây hiê ̣n tượngxói đùn đất nền dưới đáy móng công trình, ngoài ra còn gây ra hiê ̣n tượng su ̣t lỡ các máidốc Thấm trong loa ̣i đất sét là đă ̣c biê ̣t so với loa ̣i đất khác

a) Đi ̣nh luâ ̣t thấm

Người ta công nhâ ̣n rằng chuyển đô ̣ng của nước trong đất loa ̣i cát cũngnhư đất loa ̣i sét được xem là chảy tầng Áp du ̣ng cho đi ̣nh luâ ̣t Darcy

F là diê ̣n tích mă ̣t cát vuông góc với dòng thấm

t,k là thời gian và hê ̣ số thấm nước của đất

∆H là đô ̣ chênh mực nước của chiều dài dòng thấm.

L là chiều dài dòng thấm

Nếu I=∆H/L (đươ ̣c go ̣i là gradient áp lực, nghĩa là cô ̣t nước ha ̣ thấptrên mô ̣t đơn vi ̣ chiều dài dòng thấm) thì:

Q=k.F.t.I (3.19)

V=k.I= F Q.t (3.20)Dựa vào biểu thức (3.19) ta có thể phát biểu đi ̣nh luâ ̣t Darcy như sau:Lượng nước thấm qua mô ̣t mă ̣t cắt nhất đi ̣nh và thời gian nhất đi ̣nh tỷ lê ̣ với Gradientthủy lực, thời gian thấm và diê ̣n tích của mă ̣t cắt ấy.

Biểu thức (3.20) là biểu thức toán ho ̣c của đi ̣nh luâ ̣t này V được go ̣i là

vâ ̣n tốc dẫn dùng vì nó nhỏ hơn nhiều so với vâ ̣n tốc thực chảy qua ống rỗng

Khi I=1 thì k=V cho nên vâ ̣n tốc và hê ̣ số thấm đều có thứ nguyêncm/s, m/h, m/ngđ

b) Ảnh hưởng của các yếu tố trong đất đá đến tính thấm

Kích thước và hình da ̣ng của lỗ rỗng như: sỏi sa ̣n có hê ̣ số thấm caohơn so với đất loa ̣i sét do kích thước lỗ rỗng lớn hơn

Thành phần ha ̣t: Đất đá có thành phần ha ̣t không đồng nhất thường có

hê ̣ số thấm bé hơn đất đá có thành phần ha ̣t đồng nhất

Cấu ta ̣o: Các loa ̣i cấu ta ̣o dãi, gownai, phân phiến làm cho tính thấmcủa đất đá không đồng nhất theo các phương Khả năng thấm nước lớn nhất theo phươngsong song với mă ̣t lớp Ngoài ra, sự có mă ̣t của các lớp ke ̣p không thấm như sét cũngảnh hưởng đến tính thấm nước của đất đá

Nồng đô ̣ của các cation trong nước: Nước chứa nhiều các ion Na+, Li+làm cho tính thấm nước nhỏ hơn so với các ion có hóa tri ̣ cao

c) Tính thấm nước gây ra áp lực thủy

đô ̣ng

Trong quá trình chuyển đô ̣ng thấm, dosự chuyển đô ̣ng của nước trong đất mà nó ta ̣o ra mô ̣t áp

lực lên các ha ̣t đất và có xu hướng cuốn các ha ̣t đất trôi

theo, do đó khi xác đi ̣nh nô ̣i lực trong đất nền cần phải

biết áp lực đó, go ̣i là áp lực thủy đô ̣ng Ngược la ̣i đất sẽ

có mô ̣t lực cân bằng áp lực thủy đô ̣ng tác du ̣ng lên khối

nước di chuyển

Giả sử có trường hợp thấm qua mô ̣t ống đất có chiều dài L và diê ̣n tích

mă ̣t cắt F dưới tác du ̣ng của sự chênh lê ̣ch cô ̣t nước (H1-H2) Dựa vào hình 3.5 ta có thểthiết lâ ̣p phương trình cân bằng đô ̣ng của đất:

(H1-H2).F.γ0 + T.F.L + J = 0Trong đó: (H1-H2).F.γ0 là lực gây thấm

T là lực cản đơn vi ̣

T.F.L là lực cản của khối đất

H1

H2 L

Hình 3.5 Sơ đồ tính áp lực thủy động