Tính cấp thiết của đề tài
Tây Nguyên hiện có 1129 hồ chứa vừa và nhỏ, trong đó 287 hồ nằm trên nền vỏ phong hóa của đá magma axit, chủ yếu được xây dựng bằng đập đất Nhiều công trình đang trong tình trạng xuống cấp nghiêm trọng, nguyên nhân liên quan đến tính chất đặc biệt của đất đắp và đất nền, như trương nở và tan rã Tính trương nở có thể gây xói mòn các cấu kiện như tấm lát mái đập, bờ kênh và mái tràn, đồng thời làm mất ổn định mái đập, dẫn đến nguy cơ trượt Nếu không được xử lý kịp thời, hiện tượng trương nở và co ngót có thể gây ra khe nứt trong thân đập, dẫn đến thấm nước và có nguy cơ vỡ đập.
Đất phong hóa có những tính chất đặc biệt như trương nở, co ngót và tan rã, thường xuất hiện ở các vùng đồi núi do quá trình biến đổi vật lý và hóa học Khác với đất trầm tích hình thành từ lắng đọng trong nước, đất phong hóa không được hình thành trong môi trường nước, do đó khi tiếp xúc với nước, nó thường có xu hướng trương nở, co ngót và tan rã Đặc biệt, đất phong hóa từ đá magma axit cũng chịu ảnh hưởng của những đặc điểm này.
Tây Nguyên là một vùng cao nguyên lớn, với bề mặt được bao phủ bởi vỏ phong hóa từ các loại đá như trầm tích lục nguyên, bazan, đá magma axit và đá biến chất Trong vùng này, có tới 287 hồ chứa vừa và nhỏ được xây dựng trên nền vỏ phong hóa của đá magma axit Dù đất phong hóa từ đá magma axit có nhiều tính chất bất lợi, việc xây dựng hồ chứa phục vụ cho thủy lợi, thủy điện và đời sống dân sinh là cần thiết Do đó, việc nghiên cứu để khắc phục những tính chất bất lợi này là rất quan trọng Mặc dù tính chất trương nở của đất đã được nghiên cứu từ trước, nhưng tình trạng tàn phá do các tính chất này vẫn tiếp diễn, như được minh chứng qua một số hình ảnh dưới đây.
“ Nghiên c ứu giải pháp sử dụng vôi trộn với đất phong hóa từ đá magma axit để làm
Việc giảm tính trương nở của đất là rất cần thiết cho công tác xây dựng, nâng cấp và sửa chữa các hồ chứa vừa và nhỏ tại Tây Nguyên Hình ảnh xuống cấp của các hồ chứa cho thấy rõ tác động tiêu cực từ các đặc tính đặc biệt của đất đắp.
Hình 1 Tính trương nở và tan rã của đất đắp gây xói lở thượng lưu đập hồ Ea M’Ró
Hình 2 Sạt lở mái thượng lưu đập hồ Dak M’Hang, và thấm ở hồ Suối Đá
Hình 3 Sụt lún và lầy hóa mặt đập (hồ Cư Króa 2)
Mục đích của đề tài
Nghiên cứu xác định tỷ lệ pha trộn tối ưu giữa vôi và đất phong hóa từ đá magma axit, nhằm tạo ra hỗn hợp vật liệu có độ trương nở đạt tiêu chuẩn cho phép.
- Nghiên cứu đưa ra được quy trình công nghệ thi công đắp đập khi trộn đất với vôi.
Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
+ Tiếp cận công nghệ mới của nước ngoài qua các tài liệu sách vở, qua kinh nghiệm các công trình tương tự đã làm ở Việt Nam.
+ Ứng dụng và thí nghiệm cho các công trình cụ thể. b) Phương pháp nghiên cứu:
+ Nghiên cứu bản chất của quá trình phong hóa hóa học đá magmaaxit , thành phần khoáng vật của sản phẩm phong hóa từ đá magma axit
+ Nghiên cứu bản chất của quá trình trương nở của đất phong hóa từ đá magma axit
+ Nghiên cứu bản chất của quá trình hóa lý xảy ra giữa vôi, nước và thành phần khoáng hóa của đất
+ Nghiên cứu các đặc tính cơ lý của vật liệu đất đắp có nguồn gốc phong hóa từ đá magma axit trên địa bàn Tây Nguyên.
+ Nghiên cứu xác định tương quan thực nghiệm giữa độ trương nở của đất với tỷ lệ pha trộn phụ gia vôi.
Nghiên cứu xác định ngưỡng tối đa của phụ gia vôi nhằm đạt được độ trương nở cho từng loại đất phong hóa từ đá magma axit, phù hợp với các điều kiện ứng dụng cụ thể.
QUAN
Những kết quả nghiên cứu về trương nở của đất trên thế giới
Trước khi nghiên cứu đặc tính trương nở của đất, cần hiểu rõ một số thuật ngữ quan trọng Trương nở là sự gia tăng thể tích của đất khi bị ướt, và để đánh giá mức độ này, người ta sử dụng khái niệm “độ trương nở thể tích”, cùng với “độ ẩm trương nở” và “áp lực trương nở” Độ trương nở thể tích (DTr.n) được tính bằng tỷ số giữa lượng tăng thể tích do trương nở và thể tích ban đầu, biểu thị bằng % thể tích Độ ẩm trương nở (WTr.n) là độ ẩm tương ứng với mức độ trương nở lớn nhất, thể hiện bằng % khối lượng Cuối cùng, áp lực trương nở (PTr.n) là áp lực sinh ra trong đất khi trương nở bị kìm hãm bởi tải trọng phản áp, được biểu thị bằng kG/cm².
Trương nở là một đặc tính bất lợi của đất trong xây dựng, có thể gây nguy hiểm cho công trình, nên đã thu hút nhiều nghiên cứu Trần Thị Thanh (1998) đã tổng hợp và giới thiệu kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học Nga và các nước Cộng hòa thuộc Liên Xô trước đây Các tài liệu nghiên cứu đáng chú ý bao gồm các công trình của Βяхирeв H.П và Mливцицвилли O.M (1971), Kpacильнков K.Г và Скоблинская Н Н (1972, 1974), Сорган Е A (1974), cùng với Ϲергеев K М và các cộng sự.
Năm 1971, các tác giả như ХархутыН Я và ВаϲиљеваЮ М đã có những đóng góp quan trọng trong nghiên cứu, bên cạnh đó, Trần Thị Thanh (1998) cũng đã giới thiệu một số công trình nghiên cứu của các nhà khoa học phương Tây như Roy Whitlow (1983, 1989), Joseph E Bowles (1979, 1984), và Hsai-Yang Pang Những nghiên cứu này đã góp phần làm phong phú thêm kiến thức trong lĩnh vực này.
Năm 1991, D.G Fredlund và H Rahardjo đã có những nghiên cứu quan trọng, và vào năm 1998, Trần Thị Thanh đã tổng hợp các kết quả nghiên cứu của họ cùng với những công trình của các tác giả Trung Quốc như Wan Chuan, Lui Chu Te và Tao Chian Sheng (1994) Các nghiên cứu về đất trương nở của các nhà khoa học tập trung vào nhiều hướng khác nhau, phản ánh sự phát triển trong lĩnh vực này.
1.1.1 Ảnh hưởng của khoáng vật sét:
Sự trương nở của đất liên quan đến sự thay đổi chiều dày các lớp nước liên kết xung quanh hạt keo và sét trong quá trình thủy hóa, và mức độ trương nở phụ thuộc vào hàm lượng cũng như loại khoáng vật sét Osipov (1979) đã phân loại khoáng vật sét thành hai nhóm dựa trên khả năng thay đổi khoảng cách giữa các lớp tinh thể.
- Nhóm khoáng vật sét có hoạt tính yếu,bao gồm kaolinite, pirophilite, muscovite, biotite, hydromica
.- Nhóm khoáng vật sét có hoạt tính mạnh như montmorillonite
Theo Lomtadze (1978) chỉ ra rằng khoáng vật montmorillonite có đặc điểm nổi bật là khả năng thay đổi lượng nước theo độ ẩm môi trường, với khả năng tách nước ra khỏi khoáng vật khi độ ẩm không khí thấp và hấp thụ nước khi không khí ẩm Các khoáng vật này chủ yếu hình thành trong điều kiện ngoại sinh, chủ yếu qua quá trình phong hóa của đá magma trung tính trong môi trường có pH từ 7 đến 8,5, thường gặp ở khí hậu khô, nửa khô và ôn hòa ấm áp.
Trong nhữngnăm trước đây, các tác giả như Roy Whitlow (1983, 1989), Joseph E
Bowles (1979, 1984) phát hiện rằng trong điều kiện biển mica (muscovite và xerisite) bị phân hủy, hình thành một nhóm khoáng vật có cấu trúc tương tự gọi là illite Illite có liên kết cấu trúc kém ổn định hơn so với kaolinite, dẫn đến hoạt tính của illite cao hơn kaolinite.
Joseph E Bowles dùng chỉ số hoạt tính của sét, xác định theo công thức (1-1) để so sánh hoạt tính của kaolinite, illite và montmorillonite (bảng 1.1)
Chỉ số dẻoHàm lượng hạt sét
Trong đó, hàm lượng hạt sét được tính cho d < 0,002mm.
Bảng 1.1 Hoạt tính của một số khoáng vật
Khoáng vật sét montmorillonite có hoạt tính cao hơn so với sét illite và kaolinite, theo thông tin từ Roy Whitlow Bảng (1.2) trình bày giá trị hoạt tính điển hình của một số khoáng vật sét và đất phổ biến.
Sét montmorillonite có khả năng trương nở rất cao, trong khi đất chứa tỉ lệ illite đáng kể, đặc biệt là từ nguồn gốc biển, cũng thể hiện đặc tính trương nở cao Ngược lại, đất kaolinite lại ít nhạy cảm hơn với hiện tượng này.
Bảng 1.2 Hoạt tính của một số khoáng vật trong đất có nguồn gốc biển
- Đất sét hữu cơ cửa sông
Nghiên cứu cho thấy rằng thành phần khoáng vật sét có thể dự đoán tính chất trương nở của đất Cụ thể, đất chứa nhiều montmorillonite sẽ có độ trương nở cao hơn so với đất chứa illite và kaolinite Tuy nhiên, tính chất trương nở của đất sét còn phụ thuộc vào cấu trúc, trạng thái của đất và môi trường nước tác động lên nó.
1.1.2 Ảnh hưởng của cấu trúc của đất
Cấu trúc đất ảnh hưởng đáng kể đến tính trương nở của nó Theo Trần Thị Thanh (1998) [7], nghiên cứu của Oсипов В cho thấy rằng các mẫu đất nguyên dạng với cấu trúc tự nhiên có tính trương nở thấp hơn so với mẫu đất có cấu trúc bị phá hủy Khi cấu trúc tự nhiên bị phá hủy, tính trương nở của đất phụ thuộc vào thành phần trạng thái và môi trường xung quanh.
1.1.3 Ảnh hưởng của độ ẩm ban đầu của đất
Nghiên cứu về quy luật trương nở của đất theo độ ẩm ban đầu đã được thực hiện bởi các tác giả như Holtz, W G và Gibbs, H J, cùng với Xapхуты Н Я, ВасилЬева Ю, và Горячевой Д S Kết quả cho thấy độ ẩm ban đầu của đất ảnh hưởng lớn đến trị số trương nở, với sự giảm nhẹ của trương nở khi độ ẩm ban đầu tăng Cụ thể, khi độ ẩm ban đầu càng thấp, quá trình trương nở kéo dài hơn Đặc biệt, sự trương nở sẽ kết thúc hoặc không đáng kể khi độ ẩm ban đầu (Wo) lớn hơn độ ẩm giới hạn dẻo (Wp), tức là khi Wo > Wp.
Hình 1.1Sự thay đổi của độtrương nở (đường liền) và áp lực trương nở(đường đứt) theo độ ẩm ban đầu của các mẫu chế bị.
Nghiên cứu của Горячевой về các mẫu chế biến từ đất sét kaolinite và montmorillonite cho thấy có mối quan hệ tuyến tính giữa biến dạng và áp lực trương nở với độ ẩm ban đầu Wo, được thể hiện qua một phương trình cụ thể.
Kw = tg α – Hệ số góc của hàmtrương nở
Wo – Độ ẩm ban đầu của mẫu.
W tr.n – Độ ẩm trương nở của mẫu.
Trên hình 1.2 cũng chỉ ra rằng độ ẩm trương nở (W tr.n ) có mối liên quan nhất định với giới hạn dẻo (Wp).
Hình 1.2 Quan hệ giữa độ ẩm trương nở của đất sét lấy từ mỏ Neliđov và độ ẩm ứng với giới hạn dẻo của đất.
1.1.4 Ảnh hưởng của độ chặt ban đầu của đất
Theo nghiên cứu của Ж М Рогаткиной (1968), giữa độ trương nở và áp lực trương nở của đất tồn tại một mối liên hệ chặt chẽ và tuyến tính với độ chặt của đất, thể hiện qua hình 1.3.
Hình 1.3 Sự thay đổi độtrương nởtự do (đường liền) và áp lực trương nở (đường đứt) với dung trọng khô (γ c ) của đất
(1-3) trong đó: γ 0 - Dung trọngban đầu của đất. γ- Dung trọngban đầu của đất sau khi trương nở.
K γ -Hệ số về tính trương nở được xác định qua tang góc nghiêng của đường thẳng với trục dung trọng khô Khi xem xét độ chặt (dung trọng khô) và độ ẩm ban đầu của mẫu, cũng đồng nghĩa với việc đánh giá mức độ bão hòa của mẫu Năm 1994, một số tác giả Trung Quốc như Che đã đề cập đến vấn đề này.
Tình hình nghiên cứu và sử dụng đất loại sét có tính trương nở vào công trình đất đắp ở Việt Nam
1.2.1 Một số nghiên cứu cơ bản về các đặc tính trương nở tan rã của đất đắp
Trước những năm 1980, nghiên cứu về đất trương nở trong xây dựng công trình còn hạn chế, nhưng đã có những kết quả đáng chú ý về đất chứa khoáng montmorillonite cho ngành công nghiệp và kỹ thuật khoan Ví dụ, từ năm 1973-1974, Giáo sư Trần Như Hối cùng đội ngũ tại Phòng nền móng Viện Khoa học Thủy lợi Hà Nội đã tiến hành nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực này.
“Dùng dung dịch sét tạo hào vách đứng xây tường chống thấm qua tầng cát cuội sỏi dưới mực nước ngầm”
Năm 1978, Giáo sư Tiến sĩ Phạm Xuân cùng một số dịch giả khác đã dịch quyển sách
“Địa chất công trình” của Lomtaze trong đó có giới thiệu nhiều kết quả nghiên cứu về tính trương nở của đất dính ở nhiều vùng thuộc Liên Xô.
Theo Trần Thị Thanh (1998), nghiên cứu của PTS Chu Thường Dân và các tác giả khác vào năm 1984 đã chỉ ra rằng sự phong hóa và trương nở làm giảm độ bền của đất đá, dẫn đến hiện tượng trượt dòng trên bờ mỏ Nà – Dương trong mùa mưa Tuy nhiên, bài báo không cung cấp số liệu thí nghiệm về các đặc trưng trương nở của đất trong nghiên cứu Trần Thị Thanh (1998) cũng nhấn mạnh rằng vào năm 1987, GS.
TS Nguyễn Văn Thơ trong luận văn tiến sĩ của mình đã trình bày các nguyên lý sử dụng đất đặc biệt để xây dựng nền đường ôtô tại miền Nam Việt Nam, nơi có điều kiện nhiệt đới ẩm Tuy nhiên, ông chưa đề cập đến vấn đề đất có tính trương nở, một yếu tố quan trọng cần xem xét trong thiết kế và thi công công trình giao thông.
Trong bối cảnh nhu cầu xây dựng gia tăng, hiện tượng sự cố công trình cũng ngày càng phổ biến, nhiều trường hợp do tính trương nở của đất đắp và đất nền Do đó, việc nghiên cứu tính trương nở của đất và đề xuất các giải pháp xử lý đã thu hút sự quan tâm của nhiều tác giả.
Trần Thị Thanh (1998) đã tiến hành nghiên cứu về đặc tính trương nở của các loại đất đắp tại khu vực nam Trung Bộ và Tây Nguyên, từ đó rút ra một số kết luận quan trọng.
Các loại đất bồi tích, tàn tích, sườn tích trên nền đá gốc với thành phần khoáng vật thạch học đa dạng như đá bazan, bột kết, cát kết, và granit là nguồn vật liệu tại chỗ quan trọng Những loại đất này thường được khai thác để phục vụ cho các công trình đắp đất, đặc biệt là trong việc xây dựng đập hồ chứa nước ở Tây Nguyên và Nam Trung Bộ với khối lượng lớn.
Các loại đất bồi tích và tàn tích có nguồn gốc từ bột kết, cát kết và granit đều chứa khoáng vật sét montmorillonite với mức độ khác nhau Khoáng vật montmorillonite làm cho đất sét có khả năng trương nở lớn hơn khi tiếp xúc với nước, so với đất sét chỉ chứa kaolinite.
+ Đối với loại đất có tính trương nở, độ bền cấu trúcđược thể hiện qua vai trò lực dính
C có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng trương nở của đất Sau khi phá vỡ cấu trúc tự nhiên và chế biến lại với độ ẩm và độ chặt ban đầu, mẫu đất sẽ có mức độ trương nở tự do cao hơn nhiều so với mẫu đất nguyên dạng.
Trong quá trình hình thành khối đất đắp, các liên kết cấu trúc mới xuất hiện, giúp giảm mức độ trương nở của đất Do đó, việc nghiên cứu đặc điểm trương nở của vật liệu đất là cần thiết để tìm ra giải pháp phù hợp cho việc sử dụng trong các công trình đất đắp, đặc biệt là trong đập đất cho hồ chứa nước.
+ Trong cùng một loại đất có tính trương nở, dung trọng khô (γ c ), độ ẩm ban đầu
Thành phần cỡ hạt, áp lực bên ngoài của khối đất đắp và môi trường nước đều có tác động đáng kể đến hệ số trương nở tự do của đất.
Trong điều kiện trương nở tự do, áp lực trương nở chỉ chống lại sự nén lún của đất một cách không đáng kể khi áp lực bên ngoài nhỏ hơn áp lực trương nở Tuy nhiên, nếu đất trương nở tự do, sẽ xảy ra hiện tượng trương nở - co ngót không đều theo chu kỳ, dẫn đến sự hình thành các vết nứt trong khối đất đắp Hơn nữa, khi trương nở tự do, sức chống cắt của đất giảm đáng kể, điều này không có lợi cho sự ổn định của khối đất đắp, đặc biệt là trong các công trình đập đất.
Khi áp lực bên ngoài vượt quá áp lực trương nở, đất không thể trương nở tự do, dẫn đến sức chống cắt của đất không giảm và hệ số thấm nước có xu hướng giảm Điều này góp phần vào sự ổn định của đập đất.
Lê Thanh Phong (2005) đã nghiên cứu mối quan hệ giữa độ chặt K và độ trương nở của một số loại đất, từ đó đề xuất phương pháp lựa chọn hệ số đầm nén K phù hợp.
Bùi Thanh Tùng (2005) đã nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần khoáng vật và mức độ đầm chặt đến tính trương nở của vật liệu đất đắp tại công trình đầu mối hồ chứa nước Ngàn Trươi, từ đó đưa ra một số kết luận quan trọng về mối liên hệ giữa các yếu tố này.
Phân tích thành phần khoáng vật của đất cho thấy hàm lượng khoáng vật sét montmorillonite rất nhỏ, gần như không đáng kể Trong khi đó, khoáng vật hydromica, với hoạt tính cao đối với nước, chiếm tỷ lệ đáng kể từ 13 đến 37% Vì vậy, tính trương nở của đất trong khu vực này chủ yếu do sự hiện diện của khoáng vật hydromica và kaolinite khi tiếp xúc với nước.
TÀI NGUYÊN ĐẤT PHONG HÓA TỪ ĐÁ MAGMA AXIT,CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA GIẢI PHÁP CẢI TẠO TÍNH TRƯỞNG NỞ CỦA CHÚNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRỘN VÔI
Đặc điểm phân bố của vỏ phong hóa magma trên địa bàn Tây Nguyên
Theo các tờ bản đồ địa chất tỷ lệ 1:2000000,B’Lao C-48-VI; PleikuD48-XXIV; Bến Khế D-49-XXXI; Đà Lạt-Cam Ranh C-49-I&C-49-II; Đak ToD-48-II; Buôn Mê Thuật
Trên địa bàn Tây Nguyên, các thành tạo magma rất phổ biến và đa dạng, bao gồm các thể xâm nhập có diện tích từ vừa đến lớn, có thể lên đến hàng trăm km² Các đá xâm nhập cổ trong khu vực nghiên cứu thường là những thể nhỏ, kéo dài hoặc không đều, và được phân chia thành nhiều loại khác nhau.
-Xâm nhập Proterozoi: Granit, granit-migmatit, granođiorit, granitvà granitogotit
- Xâm nhập Paleozoi sớm – giữa gồm: Đunit, pyroxenit granođiorit
- Xâm nhập Paleozoi muộn gồm: Gabro, gabrođiorit, dioritegabrođiorit và granit
- Xâm nhập Mezozoi sớm gồm: Granit, granoxienit
- Xâm nhập Mezozoi muộn – Kainozoi: Granodiorit, granit, granoxierit
- Các xâm nhập nông không phân chia gồm: Diorit,pocfirit và granitpocfia
+ Các granit + micmatit giai đoạn sớm (mPR)
Các thành tạo granit và migmatit chủ yếu phân bố ở phía Bắc vùng nghiên cứu, xuất hiện dưới dạng các thể vỉa và lớp nhỏ kéo dài theo hướng Bắc – Đông.
Bắc là khu vực có các thể nhỏ với diện mạo không đều, bị cắt ngang bởi nhiều thành tạo magma trẻ Trung tâm của khu vực chủ yếu bao gồm granit hạt vừa và nhỏ, cùng với granit migmatit Ở một số nơi, còn tồn tại các đá phiến có nguồn gốc trầm tích, được lộ ra dưới dạng vỉa kéo dài theo phương chung với bề dày tương đối ổn định, hoặc dưới dạng các thấu kính nhỏ đã bị biến đổi phần nào về thành phần khoáng vật.
Các khối đá chủ yếu trong thành phần thạch học thường gặp là granit và granodiorite, với granit có ít biotit và cấu tạo gơnai Các đá này có cấu trúc gơnai, với các khoáng vật màu xếp định hướng bao quanh các biến tinh fenpat Hạt fenpat thường có dạng lăng trụ tự hình và nằm cắt ngang phương cấu tạo gơnai Về đặc điểm thạch hóa, các đá này giàu nhôm, có hàm lượng silic cao và độ khoáng vật màu thấp Các thành tạo xâm nhập này được xếp vào thời kỳ Proterozoi, thường chỉ gặp trong các đá trầm tích biến chất cổ Granit và micmatit thường phổ biến và có nguồn gốc từ thời kỳ trước Cambri.
+ Các granitoit gơnai giai đoạn muộn
Các thể xâm nhập phổ biến ở phía Bắc thường có diện tích lớn, kéo dài và đôi khi đẳng thước trong các thành tạo biến chất cổ Ranh giới tiếp xúc với đá vây quanh thường rõ ràng, có thể chuyển tiếp do sự trao đổi thay thế tạo thành nhiều khoáng vật ở các giai đoạn sau Vành biến chất tiếp xúc thường không rộng, chỉ khoảng vài trăm đến hàng nghìn mét Đặc điểm biến chất không đồng đều, phụ thuộc vào dạng địa chất, vị trí của các thể magma xâm nhập và thành phần của chúng.
Các thành tạo xâm nhập axit granitogơnai thường xuất hiện dưới dạng các thể xâm nhập lớn, kéo dài theo phương của đá vây quanh, với ranh giới tiếp xúc khó phân biệt giữa các đới nội và ngoại Bên trong, chúng chứa nhiều thể sót bị biến đổi với kích thước trung bình khoảng 3x10m, đôi khi là các vỉa lớp kéo dài hàng trăm mét Thành phần thạch học chủ yếu bao gồm granitogơnai, granođioritogơnai biotit với ít hocblen, và đá cấu tạo gơnai thể hiện cấu trúc vi uốn nếp, trong đó các khoáng vật màu được xếp định hướng hoặc uốn lượn cùng với các khoáng vật sáng màu Ranh giới giữa các đá là chuyển tiếp và không phân bố theo quy luật Ngoài ra, còn có sự hiện diện của plagiogranitogơnai với quan hệ tiếp xúc không rõ ràng với các đá khác Nghiên cứu chi tiết về vi kiến trúc và thành phần khoáng của granitogơnai là cần thiết.
Granitogơnai hình thành từ quá trình biến đổi của palgiogranitogơnai, granidioritogơnai và các loại đá biến chất khác Thành phần khoáng vật chính bao gồm plagiocla, fenpat, kali, thạch anh, biotite, và một lượng nhỏ muscovit cùng hocblen Ngoài ra, các khoáng vật phụ phổ biến như apatit và ziacon cũng có mặt trong cấu trúc của granitogơnai.
Các thành tạo xâm nhập này thuộc về giai đoạn muộn của Protezozoi và chỉ xuất hiện trong các hệ đá biến chất trước Cambri Tuổi tuyệt đối của chúng hiện nay đạt tối đa 530 triệu năm, có thể do hiện tượng trẻ hóa.
2.1.2 Các thành tạo xâm nhập Paleozoi sớm – giữa (PZ 1-2 )
Các khối magma xâm nhập chủ yếu tập trung ở phía Tây và Bắc của vùng nghiên cứu Đá đunit và pyroxenit (PZ 1-2) thường hình thành các khối nhỏ, đôi khi có hình dạng thấu kính kéo dài theo phương của đá vây quanh.
Đunit và pyroxennit chủ yếu chứa các khoáng vật như olivin, pyroxen và hocblen Tuổi của chúng được ước tính thuộc về thời kỳ Cambri – Ordovic với pyroxenit của khối Khâm Đức có tuổi tuyệt đối khoảng 530 triệu năm.
Các thành tạo xâm nhập granođiorit và granit (γPZ 1-2) thường xuất hiện dưới dạng thể xâm nhập có kích thước từ nhỏ đến vừa, kéo dài và gần như xuyên chỉnh hợp với đá vây quanh, giống như lớp đá magma xen kẽ trong các trầm tích biến chất Đá vây quanh đôi khi bị fenpat hóa, thạch anh hóa, clorit hóa, và xerixit hóa Vành biến chất tiếp xúc có độ rộng tương đối khác nhau, phụ thuộc vào vị trí địa chất của thể xâm nhập.
Thạch học chủ yếu tại khu vực này bao gồm granođioritogơnai và granitogơnai, với các đá mạch như aplit và pematoit Những đai mạch nhỏ, dài khoảng 10-15m, chủ yếu phân bố ở đới tiếp xúc và trong khối pecmatoit hoặc là những thấu kính trong granođiorit Thành phần khoáng vật phổ biến gồm plagiocla, octola, thạch anh, biotit, cùng với các khoáng vật hiếm như hocblen và muscovit Khoáng vật phụ bao gồm apatit và ziacon Tuổi của các thành tạo granođiorit và granit được xếp vào cuối sillua, với trị số tuổi tuyệt đối khoảng 300 triệu năm.
2.1.3 Các thành tạo xâm nhập Paleozoi muộn (γPZ 3 )
+ Các xâm nhập gabro - gabronorit
Phân bố rải rác ở phía Bắc của vùng nghiên cứu, các thể xâm nhập nhỏ chủ yếu là gabro, đôi khi kèm theo gabrođiorit và diorit Việc tách biệt chúng tương ứng với các giai đoạn hoạt động magma riêng biệt chỉ là giả thiết Thành phần khoáng vật chủ yếu bao gồm plagiocla và pyroxen xiên đơn, trong khi pyroxen thoi, hocblen và các khoáng vật biến đổi thứ sinh xuất hiện ít hơn Các thành tạo magma gabro và gabronorit thường thấy trên các đá trầm tích biến chất Proterozoi và Paleozoi, do đó có thể xác định chúng có tuổi trẻ hơn, vào khoảng Paleozoi giữa – trên.
+ Các thành tạo xâm nhập diorit – granođiorit và plagiogranit (γPZ 3 )
Diorit, granođiorit và plagiogranit thường xuất hiện dưới dạng các khối xâm nhập vừa đến lớn, phân bố rộng rãi trong khu vực nghiên cứu Các khối này có thể bao gồm cả ba loại đá, nhưng cũng có những khối chủ yếu chỉ chứa hai loại hoặc chủ yếu là granođiorit.
Các khối đá thường xuất hiện trên diện tích lớn với hình dạng đẳng thước hoặc méo mó, có ranh giới tiếp xúc rõ ràng Đặc trưng của các thành tạo xâm nhập này là sự đa dạng về pha, mỗi pha có thành phần thạch học riêng Pha đầu tiên bao gồm gabrođiorit và diorit, pha thứ hai là granođiorit, và pha thứ ba, mặc dù ít phổ biến hơn, là granit hoặc plagiogranit Đá mạch chủ yếu là lamprofia (spexactit) và granođiorit pocfia, với aplit và pecmatoit là những loại hiếm gặp.
Cơ sở lý thuyết của giải pháp cải tạo tính trương nở của đất bằng vôi
2.1.1 Cấu trúc mạng tinh thể của một số khoáng vật sét
Theo V.DLômtađze (1978) [17] nhóm khoáng vật sét trong các đất loại sét bao gồm alofan, kaolinite, nakrite, dickte, haluazite, hidromuscovite, ilite, monotecmite, xerixit, hidrobiotite, gloconite, beydelite, montmorillonite và nontronite Trong đó thường gặp nhất là các nhóm kaolinite, montmorillonite và nhóm hydromica (hidromuscovite, ilite, hidrobiotite, gloconite) Sơ đồ phân bố các lớp ở mạng tinh thể của các nhóm khoáng vật chính được thể hiện ở hình 2.2 dưới đây.
Hình 2.2 Sơ đồ phân bố các lớp ở mạng tinh thể khoáng vật sét: a – kaolinite, b – hydromica, c – montmorillonite,
Nhóm kaolinite bao gồm các khoáng vật như kaolinite, haluazite, dickite, và nakrite, có thành phần hóa học giống nhau nhưng khác biệt về kiến trúc và tính chất vật lý Điểm đặc trưng của nhóm này là các khoáng vật thường có tinh thể hình lục giác rõ ràng Kaolinite là khoáng vật phổ biến và được nghiên cứu nhiều nhất, đóng vai trò chính trong việc hình thành đá của sét kaolinite và các loại sét tương tự.
Mạng tinh thể của kaolinite rất bền và ổn định, bao gồm các lớp xen kẽ giữa khối 4 mặt oxit silic và khối tám mặt hiđrôxit alumin Sự khác biệt trong cấu trúc giữa các lớp tiếp xúc của các tập kế cận nhau tạo nên đặc trưng độc đáo của mạng tinh thể kaolinite, với lớp trên của tập dưới được hình thành từ các nhóm hidrôxyl.
Lớp dưới của tập kaolinite chứa các nguyên tử oxi (O 2+), trong khi các liên kết bên trong giữa các lớp rất bền vững nhờ vào sự chuyển tiếp của các ion tích điện dương và âm Điều này dẫn đến mạng tinh thể không di động, khiến cho các tinh thể kaolinite có kích thước tương đối lớn và khả năng hấp thụ nước cùng với sự trương nở là không đáng kể.
Nhóm montmorillonite bao gồm nhiều khoáng vật phức tạp như montmorillonite, nontronite, hectorite và xaponite, với sự khác biệt về thành phần cation trong cấu trúc tinh thể Các khoáng vật này được phân loại thành ba nhóm chính: oxit, sắt và magiê Nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử cho thấy chúng có hình thái hạt khác nhau nhưng đều có đặc điểm chung là độ phân tán cao và tính chất mơ hồ Một đặc trưng nổi bật của nhóm montmorillonite là khả năng thay đổi lượng nước trong thành phần, tùy thuộc vào độ ẩm môi trường; chúng có thể mất nước khi độ ẩm không khí thấp hoặc hấp thụ nước khi không khí ẩm.
Cấu trúc mạng tinh thể của montmorillonite tương tự như kaolinite, nhưng có sự khác biệt ở các tập lớp riêng biệt đối xứng nhau Mỗi tập mạng trên và dưới kết thúc bằng các lớp khối bốn mặt oxit silic, và giữa các lớp này là một lớp chứa các thành phần khác.
Montmorillonite có cấu trúc gồm các lớp đồng nhất với 8 nguyên tử ôxi, và mối liên kết giữa các lớp này yếu hơn so với kaolinite Điều này cho phép nước dễ dàng thẩm thấu vào mạng tinh thể của montmorillonite, dẫn đến sự giãn nở mạnh và khả năng trương nở cao Mạng tinh thể của montmorillonite cũng dễ bị tách ra, khiến cho các tinh thể của khoáng vật này không bao giờ đạt kích thước lớn Trong môi trường nước, các tinh thể này có thể phân rã thành những hạt nhỏ hơn 0,001mm, làm tăng tỷ lệ bề mặt của chúng.
Mạng tinh thể montmorillonite có khả năng thay thế các ion bên trong bằng những ion khác có hóa trị nhỏ hơn, như Al 3+ được thay bằng Mg 2+ và Si 4+ được thay bằng Al 3+ Sự thay thế này dẫn đến sự xuất hiện của các hóa trị phụ trong mạng tinh thể, làm tăng khả năng hấp thụ của nó Những đặc điểm này mang lại cho montmorillonite tính linh động và khả năng ưa nước cao.
Hydromica là một nhóm khoáng vật mica bao gồm các sản phẩm hiđrat hóa khác nhau của mica, như hidromuscovite, ilite, gloconite, xeladonite (có chứa sắt) và hidrobiotite Nhóm khoáng vật này đóng vai trò trung gian giữa mica và montmorillonite.
Nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử đã xác nhận rằng các khoáng vật thuộc nhóm này có hạt nhỏ và rõ nét Trong các hình ảnh, các tấm hydromica mảnh màu xám có kích thước đồng nhất, đôi khi hơi kéo dài với đường nét rõ ràng Sự mờ nhạt của các đường nét hạt ở một số loại hydromica cho thấy có sự phá hủy trong quá trình vận chuyển và sự thay thế bởi các khoáng vật thuộc nhóm montmorillonite.
Theo nhiều nhà nghiên cứu, kiến trúc mạng tinh thể của hydromica tương tự như montmorillonite Tuy nhiên, sự hiện diện của các ion kali trong mạng hydromica giúp tăng cường độ bền và tính ổn định của các tập lớp, khiến cho hydromica không có tính di động.
Hydromica thường có kích thước lớn hơn tinh thể montmorillonite Khi ẩm ướt, đất sét chứa hydromica trở nên dẻo và có độ thấm nước trung bình giữa sét kaolinit và sét montmorillonite.
Phân tích phân bố các lớp trong mạng tinh thể khoáng vật sét cho thấy nguyên nhân gây trương nở chủ yếu là do tính hấp thu nước của các khoáng vật sét ưa nước Bên cạnh đó, vôi có vai trò quan trọng trong việc hút ẩm Khi trộn vôi với đất chứa khoáng vật ưa nước, khả năng hấp thu nước của đất sẽ giảm, từ đó làm giảm tính trương nở của đất.
2.1.2 Các đặc trưng cơ lý của mẫu chế bị
Theo Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam [13] trên địa bàn Tây Nguyên hiện có khoảng
Trên các thành tạo magma axit, có 287 hồ chứa vừa và nhỏ được xây dựng, chủ yếu sử dụng vật liệu đất đắp khai thác từ các đới phong hóa 1(dQ), 2(eQ) và 3 Các tính chất cơ lý của mẫu đất từ những đới này được trình bày chi tiết trong bảng 2.2 và 2.3.
Bảng 2.2 Chỉ tiêu cơ lý của đất đắp có nguồn gốc sườn tích (dQ) từ đá magma axit
Chỉ tiêu Đơn vị Chế bị Bão hoà
TB Min Max TB Min Max
Thà nh ph ần cỡ hạ t Hạt sỏi sạn 60-2 (%) 7,0 1,6 36,0
H ạn độ A tt er b er g Giới hạn chảy W L (%) 44,2 32,9 60,0
Chỉ ti êu đầ m nệ n P rôc tor KLTT khô lớn nhất γ c,max (g/cm 3 ) 1,59 1,42 1,80 Độ ẩm đầm tối ưu W tư % 23,6 17,0 31,5 27,9 21,1 36,7
Chỉ ti êu C hế bị vớ i γ c= 0,97 * γ c ,m ax
KLTT khô chế bị γ c.cb (g/cm 3 ) 1,53 1,35 1,72 1,53 1,35 1,72
Tỷ Trọng ∆ 2,68 2,63 2,78 Độ bão hoà G (%) 82,8 75,3 88,7 98,3 90,3 99,9 Độ rỗng n (%) 43,0 36,2 49,8 43,0 36,2 49,8
Hệ số rỗng ε o 0,761 0,568 0,991 0,761 0,568 0,991 Góc ma sát trong ϕ cb (độ) 24 o 51’ 20 o 56’ 27 o 51’ 20 o 05 16 o 07 23 o 26 Lực dính kết C cb kG/cm 2 0,327 0,187 0,434 0,208 0,142 0,255
Hệ số trương nở D tr,n % 12,6 3,6 15,8
Tính chất tan rã Tr Đất thường bị tan rã ngay khi cho vào nước
Bảng 2.3 Chỉ tiêu cơ lý của đất đắp có nguồn gốc tàn tích (eQ) từ đá magma axit
Chỉ tiêu Đơn vị Chế bị Bão hoà
TB Min Max TB Min Max
Thà nh ph ần cỡ hạ t Hạt sỏi sạn 60-2 (%) 4,7 7,6 24,8
H ạn độ A tt er b er g Giới hạn chảy W L (%) 41,5 33,6 51,5
Chỉ ti êu đầ m nệ n P rôc tor KLTT khô lớn nhất γ c.max (g/cm 3 ) 1,59 1,46 1,75 Độ ẩm đầm tối ưu W tư % 22,2 17,5 28,5 27,3 21,0 33,4
Chỉ ti êu C hế bị vớ i γ c= 0,97 * γ c ,m ax
KLTT khô chế bị γ c.cb (g/cm 3 ) 1,55 1,42 1,70 1,55 1,42 1,70
Tỷ trọng ∆ 2,69 2,64 2,73 Độ bão hoà G (%) 81,1 74,7 88,2 98,9 97,6 100 Độ rỗng n (%) 42,4 36,5 47,9 42,5 36,5 47,9
Góc ma sát trong ϕ cb (độ) 25 o 19’ 23 o 19’ 27 o 34’ 19 o 51 16 o 28 22 o 37 Lực dính kết C cb kG/cm 2 0,316 0,270 0,451 0,197 0,136 0,264
Hệ số trương nở D tr,n % 15,4 4,7 22,9
Tính chất tan rã Tr Đất thường bị tan rã ngay khi cho vào nước
Từ kết quả thí nghiệm (bảng 2.2, bảng 2.3) cho thấy vật liệu khai thác từ vỏ phong hóa trên đá magma axit có một số đặc trưng sau:
+ Đất có tính trương nở yếuđến mạnh
+ Đất bị tan rã khi bị gặpnước
+ Cường độ chống cắt của đất giảm rất lớn khi bảo hòa nước đặc biệt là lực dính C giảm xuống còn 50%so với điều kiện chế bị
+ Hệ số nén lún (a1-2) tăng cao (1-2 lần) khi bị bão hòa nước
2.1.3 Ứng xử của vôi trong môi trường đất – nước khi tiếp xúc
Khi nghiên cứu ứng xử của vôi trong môi trường đất và nước viện Thủy công (2013)
[13] đã trích dẫn công trình nghiên cứu đã được công bố của nhà khoa học K.B
Vôi đóng vai trò quan trọng trong việc cải tạo đất, giúp cải thiện cấu trúc và tính chất của đất Theo Eegorov (1962), khi trộn vôi với đất, vôi tương tác với nước và các thành phần khác trong môi trường đất, từ đó điều chỉnh độ pH và tăng cường khả năng giữ nước Sự hiện diện của vôi cũng giúp tăng cường sự phát triển của vi sinh vật có lợi, thúc đẩy sự phân hủy chất hữu cơ và cải thiện sự hấp thụ dinh dưỡng của cây trồng.