Bài giảng Địa chất công trình: Chương 4 - Dr.-Ing. Nguyễn Quang Tuấn

Bài giảng Địa chất công trình: Chương 4 Các đặc trưng kỹ thuật của đất và đá cung cấp cho người học những kiến thức như: Nguồn gốc hình thành đất; Các tính chất cơ lý của đất; Tính chất cơ lý của mẫu đá; Các hệ thống khe nứt ở trong đá và ảnh hưởng của chúng; Tính chất cơ lý của khối đá; Phân loại đất đá trong xây dựng công trình; Các vấn đề cần lưu ý khi khảo sát, đánh giá nền đá. Mời các bạn cùng tham khảo!

Trường Đại học Thủy lợi

Bộ môn Địa kỹ thuật

Nội dung:

4.1 Nguồn gốc hình thành đất

4.2 Các tính chất cơ lý của đất

Một số tính chất đặc thù của đất

4.3 Tính chất cơ lý của mẫu đá

4.4 Các hệ thống khe nứt ở trong đá và ảnh hưởng của chúng

4.5 Tính chất cơ lý của khối đá

4.6 Phân loại đất đá trong xây dựng công trình

Các loại đất đặc biệt và vấn đề cần lưu ý khi khảo sát,

thiết kế

4.7 Các vấn đề cần lưu ý khi khảo sát, đánh giá nền đá

2

4.1 NGUỒN GỐC

HÌNH THÀNH ĐẤT

3

Khái quát sự hình thành các loại đất theo nguồn gốc

5

Đất tàn tích (eQ)

(dQ)

Vận chuyển bởi dòng tạm thời

Tích tụ ở sườn dốc và chân sườn dốc (dQ)

Đất trầm tích

Nằm nguyên tại chỗ, chưa bị di dời đi chỗ khác

1 Đất tàn tích

 Nguồn gốc: Được hình thành do quá trình phong hoá đá, vì vậy phụ thuộc chặt chẽ vào loại và thành phần đá gốc ban đầu

 Đất phong hoá từ đá magma thành phần và tính chất khá thuần nhất

 Đất phong hoá từ đá trầm tích vụn keo kết xen kẹp thì rất không đồng nhất

 Đất phong hoá từ đá biến chất thì có thể đồng nhất hoặc không, phụ thuộc thành phần của đá gốc

6

 Đặc điểm chung:

 Trong đất thường chứa nhiều hạt thô với kích thước và hàm lượng tăng dần theo chiều sâu

 Thành phần và tính chất của đất biến đổi mạnh cả theo không gian và theo chiều sâu

 Một số loại đất phong hoá thường có tính chất đặc biệt (lún sập, trương nở)

7

Phong hoá hoá học đá magma cho sản phẩm đồng nhất

Phong hoá không đều của các lớp đá trầm tích xen kẹp

9

Chú ý:

Khi khảo sát, đánh giá cần hiểu biết bản chất của đất, các đặc điểm và quy luật biến đổi tính chất của đất, đặc biệt khi khảo sát đất làm vật liệu xây dựng, để bố trí hố khoan, lấy mẫu hợp lý

10

2 Đất trầm tích

 Nguồn gốc: Được hình thành do trầm đọng vật liệu, thường ở sông, hồ, biển…

• Trong mỗi lớp thành phần, tính chất tương đối

ổn định hơn so với của đất tàn tích

• Chiều dày của trầm tích sông mỏng hơn so với đất trầm tích biển

11

3 Đất sườn tích, sườn tàn tích

 Nguồn gốc: Được hình thành do vật liệu

phong hoá bị dòng chảy tạm thời xô đẩy dịch chuyển xuống sườn dốc, chân dốc tích luỹ lại Đất sườn tích là loại trung gian giữa đất trầm tích và tàn tích

 Đặc điểm chung:

 Không có tính phân lớp rõ rệt như đất trầm tích

 Thành phần thường là sét pha chứa nhiều dăm sạn, tính chất biến đổi mạnh như đất tàn tích

 Đất thường có độ rỗng cao, hệ số thấm tương đối lớn và nén lún mạnh

 Chiều dày của tầng sườn tàn tích biến đổi mạnh

 Thường chứa nước ngầm, nước ngầm thường thoát ra ở chân sườn dốc 12

13

Yêu cầu khi học

- Các kiểu hình thành đất, đặc điểm địa chất công trình (thành phần, tính chất, chiều dày, mức độ đồng nhất ) của mỗi loại đất

- Giải thích được mối liên quan giữa các đặc điểm đó với các kiểu hình thành đất, ví dụ,

vì sao đất phong hoá từ đá magma thì đồng nhất nhưng từ đá trầm tích keo kết thì thành phần không đồng nhất, hiểu được thành phần đất tàn tích thì phụ thuộc đá gốc còn thành phần đất trầm tích thì phụ thuộc quá trình tuyển lựa

14

4.2 CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ

CỦA ĐẤT

15

cát thô cát vừa cát nhỏ

2÷0,5 0,5÷0,25 0,25÷0,05 hạt bụi to

hạt bụi nhỏ

0,05÷0,01 0,01÷0,005

hạt sét hạt keo

0,005÷0,002

<0,002

17

 Phương pháp rây: dùng bộ rây tiêu chuẩn, áp dụng cho những loại đất gồm các hạt có đường kính lớn d>0.1mm

Cc: hệ số đường cong cấp phối (d30) 2 /(d10 x d60)

18

 Phương pháp tỷ trọng kế: dựa trên nguyên lý lắng chìm của Stoke, áp dụng cho đất có các hạt

cỡ nhỏ d<0.1mm

19

Kết quả thí nghiệm xác định thành phần hạt được biểu diễn dưới dạng biểu đồ cấp phối

Biểu đồ cấp phối hạt của đất

21

Ý nghĩa của việc xác định thành phần hạt của đất

 Dùng để xác định tên lớp đất (xem

bài phân loại đất)

 Tra bảng xác định sức chịu tải của

2 Tính chất vật lý của đất

Khối lƣợng riêng - khối lượng của một đơn vị

thể tích phần hạt cứng, khô tuyệt đối, xếp chặt sít, không lỗ hổng Nói cách khác, khối lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng thái chặt tuyệt đối, g/cm3 hoặc t/m3

Ms: Khối lượng phần hạt cứng của mẫu, g

Vs: thể tích phần hạt cứng của mẫu, cm3Chủ yếu phụ thuộc thành phần khoáng vật của đất

s

s s

Tỷ trọng hạt đất G s:

w s

s w

s s

V

m G

ρw = 1000 kg/m3

𝜌w: khối lượng riêng của nước

25

 Khối lƣợng thể tích tự nhiên ρ

- Còn gọi là dung trọng tự nhiên

- Là khối lượng của một đơn vị thể tích đất có kết cấu và độ ẩm tự nhiên, đơn vị đo g/cm3 hoặc t/m3

M: Khối lượng của mẫu thí nghiệm, g

V: Thể tích của mẫu thí nghiệm, cm3

- Là đại lượng phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, độ rỗng và độ ẩm của đất, thông thường biến đổi trong khoảng 1,5 ÷ 1,9 g/cm3

II.3.1 NHÓM CÁC CHỈ TIÊU TÍNH CHẤT VẬT LÝ TRỰC TiẾP

Xác định khối lượng riêng tự nhiên trong phòng TN

 Độ ẩm tự nhiên  , W

- Là tỷ số giữa khối lượng nước chứa trong lỗ rỗng của đất và khối lượng hạt đất, biểu thị bằng phần trăm

- Đối với đất thông thường trong tự nhiên độ ẩm thường trong khoảng 13÷30% Đối với bùn và đất hữu cơ có thể 70 đến trên 100%

(%) 100

 Khối lƣợng riêng khô d

- Là khối lượng của một đơn vị thể tích khô (kể cả lỗ rỗng) có kết cấu tự nhiên, t/m3, g/cm3

1 



29

 Độ rỗng n, hệ số rỗng 

- Độ rỗng là tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng và tổng thể tích mẫu đất, biểu thị bằng phần trăm

- Hệ số rỗng là tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng

và thể tích phần hạt rắn của mẫu đất

(%)100

• Các chỉ tiêu về trạng thái của đất

Giới hạn Atterberg WP, WL và chỉ số dẻo Ip

- Giới hạn dẻo d là độ ẩm giới hạn mà khi

độ ẩm vượt quá giá trị đó thì đất chuyển sang trạng thái dẻo

- Giới hạn chảy ch là độ ẩm giới hạn mà khi độ ẩm vượt quá giá trị đó thì đất chuyển sang trạng thái chảy

của đất:

P L

I  

32

Chỉ số dẻo Ip của đất là một thuộc tính của

đất, phụ thuộc vào thành phần khoáng vật của đất, còn độ ẩm  là yếu tố bên ngoài, khi tham gia vào trong thành phần của đất cùng với A sẽ làm biến đổi trạng thái của đất

Độ sệt Is là chỉ tiêu về trạng thái của đất

P

P P

L

P s

I

W W

W W

b Đối với đất rời

Trạng thái độ chặt của đất rời được đánh giá thông qua hệ số rỗng  và độ chặt D hoặc chỉ số búa N30:

Theo hệ số rỗng độ chặt đất cát được chia ra:

min max

max

e e

e

e D

e>0,70 e>0,75 e>0,80

34

Theo độ chặt tương đối D trạng thái độ chặt đất cát được chia ra:

Trạng thái đất Độ chặt D

cát chặt cát chặt vừa cát xốp

D>0,67 0,67≥D≥0,33

D  0,33

35

Hệ số rỗng khó xác định trong thực tế, vì

vậy, người ta thường xác định theo chỉ số

búa của thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT)

Cát rất xốp Cát xốp Cát chặt vừa Cát chặt Cát rất chặt

0÷4 4÷10 10÷30 30÷50

>50 36

2 Tính chất cơ học

Tính ép co và tính biến dạng của đất

- Khi chịu tác dụng nén của ngoại lực đất bị ép co

và biến dạng Biến dạng theo phương thẳng đứng gọi là tính nén lún của đất

- Bản chất quá trình ép co là do dưới tác dụng của ngoại lực, liên kết giữa các hạt bị phá huỷ, các hạt dịch chuyển sắp xếp lại làm thu nhỏ lỗ rỗng giữa các hạt, đất bị nén chặt

- Tính nén lún được xác định bằng thí nghiệm nén không nở hông ở trong phòng thí nghiệm

37

Tính nén lún của đất phụ thuộc vào:

- Mức độ phân tán của đất Hạt càng mịn,

độ rỗng càng lớn nén lún càng mạnh

- Kết cấu của đất Đất bị phá huỷ kết cấu nén lún mạnh hơn đất ở trạng thái tự nhiên

- Thành phần khoáng vật của đất Sét montmorilonit nén lún mạnh hơn sét kaolinite

- Độ ẩm và độ bão hoà

- Trị số và đặc tính của tải trọng ngoài 38

Khái niệm về ứng suất

Khi ngoại lực tác dụng  trong đá xuất hiện nội lực  hình thành ứng

suất trong đất

Ứng suất là ứng lực tác dụng trên một đơn vị diện tích, đơn vị N/m2; Pa

Thí nghiệm nén không nở hông

Thí nghiệm nén được thực hiện bằng cách tác dụng tải trọng thẳng đứng tăng dần từng cấp P1; P2; P3,…lên mẫu (cấp sau gấp 2 cấp kế trước)

Với mỗi cấp tải trọng tác dụng, chờ cho mẫu lún ổn định (0.01mm/ 24h) và áp lực lỗ rỗng dư trong mẫu xấp xỉ về không

Quá trình này được lặp lại cho đến khi đủ số điểm để vẽ đường cong quan hệ Ứng suất ~ Biến dạng (s~ σ’)

Biểu đồ thí nghiệm nén

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

42

Thí nghiệm cắt đất trực tiếp

Dụng cụ TN: gồm 1 hộp cắt được chia làm 2 nửa theo phương ngang,

ngang

43

Yêu cầu khi học

- Định nghĩa, công thức tính của các chỉ tiêu tính chất vật lý của đất

- Các chỉ tiêu cơ học của đất, các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ kháng cắt, kháng nén của đất

- Biểu đồ cấp phối của đất (tỷ lệ % tích luỹ

của các nhóm hạt, xác định được d60, d30, d10

để từ đó có thể xác định được tên đất)

45

4.3 TÍNH CHẤT CƠ LÝ

CỦA MẪU ĐÁ

54

Đá liền khối & Khối đá

Khối đá = đá liền khối + các khe nứt

55

Đá liền khối

Công trình đào Dòng nước thấm

Nội dung

1 Các chỉ tiêu cơ lý của mẫu đá

2 Các chỉ tiêu cơ lý của khối đá

56

1 Các tính chất cơ lý của mẫu đá

Khối lượng riêng

Định nghĩa về các tính chất này cũng giống

Các chỉ tiêu này thường được xác định ở 2 trạng thái: Trạng

thái tự nhiên và trạng thái bão hoà

 Các chỉ tiêu về biến dạng thường dùng:

Mô đun đàn hồi E

Hệ số nở hông  (hệ số Poisson hay hệ số biến dạng ngang)

58

Biến dạng của đá

 Biến dạng của đá là sự thay đổi hình dạng của

đá dưới tác dụng của ngoại lực

1 Thí nghiệm nén một trục

CÁC CHỈ TIÊU CƠ HỌC

ax

m c

P F

* Nếu đo được biến dạng, có thể xác định được các chỉ

tiêu về biến dạng, gồm mô đun đàn hồi và hệ số poisson:

Pmax: Lực lớn nhất gây phá hủy mẫu

 : ứng suất pháp tuyến (ứng suất dọc trục);

 : biến dạng tương đốidọc trục;

 ’: biến dạng tương đối theo phương ngang

Xác định mô đun đàn hồi và hệ số Poisson

H 0 = chiều cao của mẫu đá

H= thay đổi chiều cao mẫu khi nén

(đoạn OA như trong hình)

Đơn vị của các đại lượng

 Khối lượng riêng: g/cm3; kg/m3 ; tấn/m3

 Trọng lượng riêng: N/m3 hoặc kN/m3;

 Lực : N, kN

1 N = 1 kg.m/s2

 Ứng suất: Pa, kPa, MPa; GPa; N/m2; kN/m2

1 Pa = 1 N/m2

1 Pa = 10-3 kPa = 10-6 MPa = 10-9 GPa

 Mô đun biến dạng có cùng đơn vị tính với

Mô đun đàn hồi thể tích, K,

Mô đun cắt (mô đun trượt), G,

Mô đun nén một trục của đá,

M,

) 2 1 )(

1 (

1

) 1

( 2

) 2 1 ( 3

E G

E K

0 h

2

d

P d

P

t  



Thí nghiệm nén Brazilian Thí nghiệm kéo trực tiếp

67

Cường độ kháng cắt

 Cường độ kháng cắt của đá là khả năng chống lại lực cắt, về giá trị chính bằng ứng suất tiếp tại thời điểm đá

bị phá hoại Đơn vị đo là kG/cm2, Mpa

 Cường độ kháng cắt được đặc trưng bởi hai đại lượng

là lực liên kết đơn vị c (đối với đất gọi là lực dính đơn vị) và góc ma sát trong  liên hệ với nhau theo biểu thức:

Thí nghiệm cắt biến góc

• Phương pháp cắt biến góc: ứng suất

pháp và ứng suất tiếp được xác định

theo công thức:

sin

P F

Ví dụ

 Một mẫu đá có chiều cao 100mm Mô đun đàn hồi của đá E=150x106 kN/m2 Xác

định thay đổi chiều cao của mẫu khi thí

nghiệm nén một trục mẫu tới áp lực

75x103 kN/m2

71

1 Nguồn gốc các khe nứt trong đá:

Các khe nứt trong đá có thể một trong các loại nguồn gốc sau:

khe nứt kiến tạo

 khe nứt co rút

 khe nứt phân lớp

 khe nứt phong hoá

 khe nứt giảm tải

 khe nứt sụt, trượt

 khe nứt nhân tạo

Mỗi loại khe nứt có những đặc tính riêng

74

a Khe nứt kiến tạo

 Do kiến tạo gây nên, thường phát triển theo hệ thống khe nứt song song dài và sâu

hiệu miết

kiến tạo như đứt gãy, nếp uốn

 Phát triển trong tất cả các loại đá

75

b Khe nứt co rút

 Do magma sau khi thành đá tiếp tục nguội lạnh về nhiệt độ môi trường,

co thể tích gây nứt

magma khác không tạo thành hệ khe nứt rõ rệt

 Các khe nứt thường hở và không lớn, mặt khe nứt không nhẵn

 Quy mô khe nứt thường không lớn Đối với đá phun trào khe nứt co rút lớn hơn trong đá xâm nhập

d khe nứt phân lớp

liệu trầm đọng trong quá trình trầm tích

 Là hệ thống khe nứt song song nằm ngang hoặc nghiêng, phát triển trên diện rộng, trong toàn bộ diện phân bố của tầng đá, vì vậy, nó là

hệ khe nứt liên thông

76

e khe nứt phong hoá

hậu lục địa, sa mạc

 khe nứt không liên tục, không tạo thành hệ thống rõ ràng

f khe nứt giảm tải

 Được hình thành trong đá do các quá trình giảm tải (giảm áp lực đè lên) khác nhau như do xói mòn bề mặt, do đào bới bốc xúc

 khe nứt phát triển theo bề mặt giảm tải

 Thường phát triển trên bề mặt do giảm tải bề mặt hoặc trong hầm lò do đào

77

g khe nứt sụt trƣợt

 Được hình thành trước hoặc trong quá trình sụt trượt

 Phát triển theo hướng của mặt trượt

 Quy mô không lớn và không tạo thành hệ thống khe nứt

h khe nứt nhân sinh

 Do con người nổ mìn trong đá tạo nên

 Đặc điểm thường là dạng chân chim, quy mô không lớn

Đoạn lấn biển mang tên Giant ở Ireland được cấu tạo từ 40.000 viên đá bazan Phần lớn chúng có 6 cạnh, nhưng nhiều viên có 7 và 8 cạnh Những viên đá này được hình thành sau những đợt phun trào của núi lửa cách đây 50-60 triệu năm Khi nham thạch bazan nóng chảy nguội dần, chúng tạo thành những viên đá có hình đa giác đều UNESCO đã công nhận địa danh này là di sản thế giới vào năm 1986

78

khe nứt phân lớp trong đá trầm tích

79

Đá bị tróc do giải phóng ứng suất, hình thành các khe nứt giảm tải

80

2 Ảnh hưởng của khe nứt đến tính

chất của khối đá

 Khe nứt là những khuyết tật trong đá, làm ảnh hưởng đến tính chất xây dựng của khối đá:

 Làm giảm cường độ, độ ổn định của nền

 Làm tăng độ biến dạng, độ lún của công trình

 Làm tăng tính thấm nước của nền đá

 Trong nhiều trường hợp hệ thống khe nứt quyết định tính chất xây dựng của khối đá, vì vậy, khi thiết kế cần căn cứ vào tính chất của khối đá chứ không phải tính chất của mẫu đá

81

3 Các yếu tố của khe nứt ảnh

Các yếu tố của khe nứt ảnh hưởng

tới tính chất của khối đá

83

Nguồn: by Jonhson & Harrison

Các chỉ tiêu đánh giá mức độ nứt nẻ của đá

 Mô đun nứt nẻ (Mật độ nứt nẻ) Mn - số lượng khe nứt trên một đơn vị chiều dài đường vuông góc với các khe nứt

 Hệ số khe hở (Độ khe hở) Kkn - tổng diện tích khe nứt trên một đơn vị diện tích nghiên cứu (trong tiêu chuẩn Thủy lợi Km là thể tích rỗng (khe nứt) trong một đơn vị thể tích khối đá)

 Mô đun nứt nẻ thể tích Jv

 Mức độ lấp nhét, vật chất lấp nhét

 RQD (Rock Quality Designation) chỉ số chất lượng đá

84

Phân loại khối đá nền đá theo mô

Mô đun nứt nẻ thể tích Jv

bằng lượng khe nứt trên 1 mét dài đối với tất các hệ khe nứt

S

J 1 1 1

2 1

TCVN 4253 : 2012

CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - NỀN CÁC CÔNG TRÌNH THỦY CÔNG - YÊU CẦU THIẾT KẾ

Mức độ giảm nguyên khối do nứt nẻ dập vỡ tạo không gian trống trong khối đá nền, vật

liệu lấp nhét và mức độ lấp nhét khoảng không gian trống đó

b1: Đá nguyên khối hoặc tương đối nguyên khối, không hoặc ít nứt nẻ, khe nứt nhỏ hơn 0,5

mm hoặc khép kín , tỷ lệ khe nứt nõn khoan nhỏ hơn 3000 Pa, RQD nõn khoan lớn hơn hoặc bằng 80%

b2: Đá nứt nẻ ít đến vừa, khe nứt hở nhỏ hơn 2 mm, mặt nứt nhám không hoặc có ít chất nhét

là vụn thô , tỷ khe nứt nõn khoan 3000 Pa đến 6000 Pa, RQD nõn khoan lớn hơn hoặc bằng 60%

b3: Đá nứt nẻ vừa đến nhiều, khe nứt nẻ hở trung bình 2 đến 20 mm, không hoặc có chất nhét

là vụn cát , mặt nứt phẳng, tỷ khe nứt nõn khoan 6000 Pa đến 10000 Pa, RQD nõn khoan 30% đến 60%

b4: Đá nứt nẻ nhiều đến rất nhiều , khe nứt hở lớn hơn 20 mm không hoặc có chất nhét vụn sạn cát là bụi sé t, tỷ lệ nõn khoan 10000 Pa đến 20000 Pa, RQD nhỏ hơn 30%

b5: Đá nứt nẻ tăng cao, khe nứt hở lớn 20mm; chất nhét trong khe nứt là bụi sét , mật độ khe nứt nõn khoan lớn hơn 20000 Pa, mặt nứt đã bị biến dạng hoàn toàn, đời nứt nẻ vụn nát, đới dập vỡ kiến tạo, nõn khoan là các mảnh vụn dăm sạn RQD bằng 0

89