Bài giảng môn Địa chất công trình

89 trang ngocly 2930

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng môn Địa chất công trình", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_mon_dia_chat_cong_trinh.doc

Nội dung text: Bài giảng môn Địa chất công trình

BÀI GIẢNG ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH Năm 2010 CHƯƠNG: MỞ ĐẦU 1
NHỮNG NÉT ĐẠI CƯƠNG VỀ MÔN HỌC 1.Địa chất học và nội dung nghiên cứu của nó 1.1. Định nghĩa Địa chất học xuất xứ từ thuật ngữ Geologes (Hy Lạp) Ge: Trái đất. Logos: lời nói, học thuyết. Geology (Anh) Geologie (Pháp) reoπouπ (Nga). Là môn học về trái đất địa chất học bao gồm các kiến thức của ngành khoa học về trái đất, trong đó có những ngành như địa lý, địa vật lý, địa hoá, địa mạo Hiện nay, người ta hiểu địa chất học theo nghĩa hẹp là môn học khoa học nghiên cứu vỏ trái đất, đúng ra là nghiên cứu thạch quyển (quyển đá) bao gồm cả phần vỏ và phần trên của lớp manti (Manti: có người còn gọi là lớp cùi, là lớp trung gian giữa nhân và vỏ trái đất). 1.2. Đối tượng và nhiệm vụ của địa chất công trình Đối với các lĩnh vực địa chất công trình, địa chất thuỷ văn và các ngành có liên quan thì địa chất học đóng góp những hiểu biết cần thiết cho công tác xây dựng, thiết kế. Qui hoạch kinh tế, đô thị, bảo vệ môi trường sống, phòng chống thiên tai (như động đất, núi lửa, lũ lụt, sạt lở, nhiễm mặn ) cho đến cả khai thác ưu thế tiềm năng về du lịch Địa chất học còn cung cấp những cứ liệu khách quan góp phần thúc đẩy các ngành khoa học phát triển, kể cả về mặt triết học duy vật biện chứng và đời sống văn minh tinh thần, đóng góp cho sự phát triển về mặt nhận thức luận và phương pháp luận. địa chất học bắt nguồn từ một môn khoa học phục vụ cho nhu cầu sản xuất trong thời kỳ tiền tư bản chủ nghĩa, dần dần hình thành rất nhiều chuyên ngành đi sâu giải quyết các nhiệm vụ trên. Có thể bao gồm các môn khoa học sau: 1. Các môn khoa học nghiên cứu thành phần vật chất của vỏ trái đất như: tinh thể học, khoáng vật học, thạch học 2. Nghiên cứu về lịch sử phát triển địa chất vỏ Trái đất như cổ sinh vật học, địa sử, địa tầng học, cổ địa lý, kỷ đệ tứ 3. Nghiên cứu chuyển động của vỏ như địa chất cấu tạo, địa kiến tạo, địa mạo, tân kiến tạo 4. Nghiên cứu sự hình thành, phân bố của khoáng sản, cách tìm kiếm thăm dò chúng, bao gồm các môn học như khoáng sàng học, địa chất dầu, địa chất mỏ than, tìm kiếm thăm dò các khoảng, địa hoá, địa vật lý, kinh tế địa chất, khoan thăm dò 5. Nghiên cứu sự phân bố và vận động của nước dưới đất như địa chất thuỷ văn, động lực nước dưới đất 6. Nghiên cứu các điều kiện địa chất các công trình xây dựng như các môn địa chất môi trường, địa chấn, địa chất du lịch Từ những nhiệm vụ, nội dung khái quát nêu trên có thể rút ra được ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của địa chất học và địa chất địa cương. 1.3. Mối liên quan của địa chất học với với các ngành khoa học tự nhiên Vật chất trong Trái đất và quá trình hoạt phát triển của các hiện tượng địa chất xảy ra trong những điều kiện vật lý, hoá học, sinh học và các điều kiện tự nhiên khác vô cùng phức tạp, vì thế địa chất học có liên quan mật thiết với nhiều 2
ngành khoa học: vật lý, hoá học toán học, sinh vật học, cơ học địa chất học sử dụng các thành quả nghiên cứu sử dụng các phương pháp nghiên cứu của các ngành khoa học nói trên. Từ đó đã nảy sinh các môn khoa học có tính liên kết mà mục đích là nhằm giải quyết các nhiệm vụ của địa chất học. đó là: địa vật lý: địa hoá, sinh địa hoá, địa chất phóng xạ, toán địa chất, địa cơ học, địa chất mô phỏng 1.4. Xu hướng phát triển và đi sâu của địa chất học Cũng như các ngành khoa học khác, nhờ những công cụ, thiết bị hiện đại địa chất học hướng sự nghiên cứu vào cả thế giới vật chất của Trái đất trong phạm vi vĩ mô cũng như vi mô. Mặt khác địa chất học còn hướng vào quá khứ lâu dài trước khi có dấu vết của sự sống nảy sinh. đi vào những vấn đề cụ thể, địa chất học có xu hướng. - Tìm hiểu dần vào sâu trong vỏ đến nhân Trái đất. độ sâu trực tiếp mà con người với đến được với những lỗ khoan sâu trên 10 km ở Mỹ và Liên Xô. - Tìm hiểu mối liên hệ của Trái đất như là một thiên thể vũ trụ, với các hành tinh trong hệ mặt trời và xa hơn là trong vũ trụ. - Nghiên cứu các hành tinh gần Trái đất như nghiên cứu Mặt trăng, sao Hoả, sao Kim qua đó mà hiểu được sự phát sinh của Trái đất. Những số liệu và kiến thức năng cung cấp cho sự hoàn thiện môn địa chất vũ trụ học. 2. Các phương pháp nghiên cứu của địa chất học 2.1.Địa chất học là một môn học khoa học tự nhiên. Giống như các ngành khoa học tự nhiên khác, địa chất học sử dụng phương pháp nghiên cứu theo logic khoa học tự nhiên như theo trình tự đi từ quan sát đến phân tích xử lý số liệu, tiến đến quy nạp tổng hợp đề xuất các giả thuyết, định luật. Tuân theo phương pháp luận của duy vật biện chứng, nghĩa là đi từ thực tiễn đến lý luận rồi áp dụng vào thực tiễn theo một trình tự tiến triển dần của nhận thức luận. 2. Tuy nhiên, đối tượng nghiên cứu của địa chất học có những đặc thù riêng khác với các ngành khoa học khác. đó là: a. Đối tượng nghiên cứu của môn học chủ yếu là vỏ Trái đất. Đó là đối tượng yêu cầu phải nghiên cứu tại thực địa, ở ngoài trời chứ không phải chỉ có trong phòng. b. Đối tượng đó lại chiếm một không gian vô cùng sâu rộng, vượt xa khả năng trực tiếp quan sát nghiên cứu của con người. (Lỗ khoan siêu sâu mới đạt 12 km xuyên vào lòng đất). Đối tượng nghiên cứu có qui mô hàng trăm hàng nghìn ki-lô-mét, nhưng cũng có cái chỉ sâu độ vài mét, vài cen - ti - mét đến micron. c. Thời gian diễn biến các quá trình địa chất rất dài, trải qua hàng vạn, hàng triệu năm nhưng cũng có hiện tượng chỉ xảy ra trong một vài giờ, vài phút, vài giây như các hiện tượng động đất, núi lửa d. Quá trình địa chất phát sinh và phát triển lại rất phức tạp, chịu nhiều yếu tố chi phối tác động. Ví dụ những quá trình địa chất xảy ra ở sâu có thể chịu nhiệt độ tăng cao tới 4000 – 600000C, áp suất đến 3 - 106 atm khác xa với điều kiện ở trên mặt. 3
Vì những lẽ trên, các phương pháp nghiên cứu của địa chất học còn có những điểm riêng biệt. Môn học còn sử dụng: - Phương pháp nghiên cứu ngoài thực địa bao gồm khảo sát, thu thập mẫu, phân tích từ kết quả có được dự đoán những khảo sát, phát hiện mới. Các quan sát trực tiếp ngoài thực địa về sau được nhiều phương tiện máy móc thay thế và nâng cao hiệu quả nghiên cứu như máy móc địa - vật lý, các công trình khoan đặc biệt các phương tiện viễn thám (máy bay, vệ tinh, con tàu vũ trụ) đã mở rộng tầm mắt, nối dài tầm tay cho con người. Ngày nay nghiên cứu địa chất nhất là trong đo vẽ bản đồ địa chất không thể thiếu được công tác phân tích ảnh viễn thám. M.N.Petruxevich (1961) đã nhận xét rằng sự xuất hiện ảnh viễn thám với kính lập thể là một bước ngoặt lịch sử để nghiên cứu cấu trúc vỏ Trái đất, nó có ý nghĩa to lớn như sự xuất hiện kính hiển vi phân cực ở thế kỷ trước để tìm hiểu thành phần vật chất vi mô. - Phương pháp nghiên cứu trong phòng được chú ý với những hướng sau: Các phương pháp phân tích mẫu ngày càng được cải tiến với phương hướng nâng cao hiệu quả và tốc độ phân tích, đồng thời đi sâu vào cấu trúc bên trong của vật chất. Sử dụng phương pháp tổng hợp thực nghiệm (ví dụ trong việc tạo ra các khoáng vật tổng hợp, các đá nhân tạo ) song song với xử lý, phân tích số liệu. - Phương pháp mô phỏng trên cơ sở của nguyên lý tương tự để mô hình hoá các quá trình biến dạng, biến động cấu tạo, sự hình thành các khoáng sàng. Trong công tác thăm dò địa chất thường sử dụng mô hình hoá toán học có sự tham gia ngày một nhiều của máy tính điện tử. Phương pháp cũng có mặt hạn chế: Hoàn cảnh, điều kiện địa chất không phải trước kia mà bây giờ đều hoàn toàn giống nhau hẳn mà có sự diễn biến tiến hoá nhất định. Ví dụ trước Paleozoi, Trái đất có nhiều SiO 2, nhiều MgO hơn bây giờ. Ví dụ những sinh vật lúc trước ở biển nông, bây giờ tồn tại ở biển sâu. Do đó khi suy luận phải thận trọng. Khi phân tích các hiện tượng địa chất cổ xưa, trong các nhà nghiên cứu đã đề xuất khái niệm về đồng biến luận (Uniformitarism) và tai biến luận (Catastrophism). Có người cho là quá trình tiến hoá của địa chất là quá trình kịch phá, đột ngột (tai biến). Chúng ta không nên cực đoan theo một chiều hướng nào. Thực tiễn cho thấy Trái đất tồn tại cả hai dạng. Chẳng hạn phải hàng ngàn năm, triệu năm mới có một bề dày trầm tích đáng kể tức là mỗi năm chỉ lắng đọng ở đáy biển một lớp trầm tích độ vài cm thậm chí chỉ vài mm. Mặt khác cũng có hoạt động núi lửa, bão tố chỉ trong một thời gian rất ngắn ngủi của một vài ngày, một vài giờ, đã gây ra những thay đổi lớn. Một hiện tượng tai biến xảy ra trước đây 65 triệu năm (từ cuối Crêta đến đầu Oaleogen) dẫn đến diệt chủng của hơn 250 loài bò sát từ loại khủng long nặng 50 tấn cho đến loại nhỏ cỡ con mèo. Một số nhà khoa học tên tuổi từng được giải Nôbel cho rằng tai biến này xảy ra là do Trái đất va chạm vào một thiên thể từ bên ngoài tới. 4
- Phương pháp đối sánh địa chất: Sử dụng những tài liệu về địa chất đã được nghiên cứu hiểu biết kỹ của một khu vực, một vùng để liên hệ so sánh và rút ra kết luận đúng đắn cho nơi mình đang nghiên cứu. 3. Địa chất học và sự phát triển cơ sở tài nguyên khoáng sản, phát hiện nền kinh tế của đất nước. Địa chất là cơ sở lý luận khoa học bao gồm cả lý thuyết và thực hành giúp cho việc phát hiện, thăm dò các tài nguyên khoáng sản có ích điều tra và đánh giá các nền móng cho các công trình xây dựng kiến trúc phòng chống các hiện tượng địa chất gây tác hại cho cuộc sống loài người. Vì thế mỗi quốc gia đều có cơ sở tổ chức nghiên cứu về địa chất cho nước mình để tiến hành các mặt công tác. Cung cấp các tư liệu về tính chất và độ ổn định các nền móng phục vụ cho việc thiết kế, chọn tuyển đường giao thông, xây dựng cầu cống, đập nước, đê điều, cảng, các công trình kiến trúc Cung cấp những tư liệu cần thiết giúp cho việc bảo vệ môi trường được trong sạch, đảm bảo điều kiện sống, điều kiện vệ sinh cho nhân dân dự báo và phòng chống các thiên tai về địa chất các hiện tượng địa chất có hại. 4.Nguồn gốc Trái đất và sự tiến hoá của nó Từ xưa đã được con người và nhiều ngành khoa học như thiên văn, địa lý địa chất, vật lý, triết học quan tâm nghiên cứu giải thích. Nhận thức trải qua nhiều giai đoạn. Trước thế kỷ XVIII việc giải thích thường mang màu sắc thần bí, duy tân, tôn giáo. Từ thế kỷ XVIII trở đi việc giải thích gắn với các giả thuyết khoa học. Ngày nay người ta nhận thấy sự hình thành và phát triển của Trái đất có liên quan với thành phần vật chất, các diễn biến tiến hoá của các trường địa - vật lý, các trạng thái địa nhiệt, với nguồn gốc của các vòng quyển bao quanh Trái đất. Mặt khác nhiều tư liệu cho thấy sự hình thành Trái đất chịu ảnh hưởng rất lớn của các hệ thống thiên thể gần và xa trong vũ trụ, trước mắt quan trọng hơn cả là hệ Mặt trời. Những biến đổi lớn về mặt địa chất, khí hậu trên Trái đất phản ánh sự tiến hoá của các thiên thể trong hệ Mặt trời. 5.Địa chất công trình đối tượng và nhiệm vụ 5.1.Định nghĩa: Địa chất công trình nghiên cứu đất, đá phần trên của vỏ trái đất, thành phần, tính chất cơ lý của chúng cũng như những tác dụng tương hỗ với nước và các quá trình địa chất động lực liên quan đến các hoạt động công trình của con người phục vụ công tác xây dựng các công trình khác nhau. Địa chất công trình bao gồm: thạch luận công trình, địa chất động lực công trình, địa chất công trình chuyên môn, địa chất công trình khu vực. 5.2.Đối tượng của môn địa chất công trình là các điều kiện địa chất công trình. (Là đất đá, nước dưới đất và tác dụng qua lại giữa chúng với nhau và với môi trường bên ngoài ) 5
Địa mạo là hình dạng, kích thước, độ cao, mức độ phân cắt, nguồn gốc tạo thành, xu thế phát triển của địa hình nơi xây dựng công trình. Cấu tạo và cấu trúc địa chất: Sự phân bố, thành phần, tính chất xây dựng của đất đá (cường độ chịu lực, độ ổn định, khả năng thấm nước, ) và các biến động địa chất như: uốn nếp, nứt nẻ, đứt gãy Các tác dụng địa chất: Các hiện tượng địa chất như: động đất, trượt lở, cactơ, xói ngầm Địa chất thủy văn: Độ sâu mực nước ngầm (sự thay đổi mực nước ngầm theo mùa), thành phần hóa học (mức độ ăn mòn bê tông và các loại vật liệu xây dựng khác), tính chất và quy luật vận động, sự phân bố của nước dưới đất Điều kiện vật liệu xây dựng tình hình phân bố các loại vật liệu, loại vật liệu, phương pháp khai thác và vận chuển các loại vật liệu 5.3.Địa chất công trình có những nhiệm vụ chính sau -Xác định các điều kiện địa chất công trình: lựa chọn vị trí bố trí công trình thích hợp, kiến nghị các biện pháp công trình. -Nêu điều kiện thi công, dự đoán các hiện tượng địa chất xảy ra trong khi thi công và sử dụng công trình. -Đề ra các biện pháp phòng ngừa và cải tạo các điều kiện bất lợi -Cung cấp khả năng cung cấp vật liệu thiên nhiên cho công trình. 5.4.Phương pháp nghiên cứu Địa chất công trình -Các phương pháp địa chất học 6
-Các phương pháp tính toán lý thuyết -Các phương pháp thí nghiệm mô hình và tương tự địa chất -Các phương pháp mô hình hóa bằng các chương trình 7
CHƯƠNG I: KHOÁNG VÀ CÁC KHOÁNG TẠO ĐÁ 1.Vỏ quả đất và các hiện tượng diễn ra trong đó Trái đất không phải là một khối cầu cứng yên tĩnh mà không ngừng hoạt động tiến hoá. Sự hoạt động của nó do các chuyển động trong nội bộ của Trái đất, do chịu ảnh hưởng của các tác nhân từ trong vũ trụ gần nhất, mạnh nhất là từ hệ mặt trời gây nên và được phản ánh trên Trái đất với các đặc điểm về hình thái học, về cấu trúc, về sự phân bố các đặc tính hình thái, cấu trúc và các tính chất vật lý, hoá học của Trái đất. 1.1. Hình dạng, kích thước, hình thái bề mặt của Trái đất. 1.1.1. Hình dạng trái đất. Niu-tơn đã chứng minh rằng dưới tác dụng của lực hấp dẫn, Trái đất bị ép theo phương trục quay và có dạng của elipxoit. Quan sát của vệ tinh nhân tạo cho thấy Trái đất có dạng hình quả lê. So với dạng elipxoit lý tưởng thì cực Bắc nhô ra 10m, cực Nam lõm vào 30m. địa hình bề mặt Trái đất lồi lõm chênh nhau rất lớn 1.1.2. Kích thước Trái đất Như trên đã nói, bán kính của Trái đất không đều nhau. Bán kính ở xích đạo a lớn hơn ở cực là 21.384m. Ngoài ra người ta cũng nhận thấy các bán kính ở mặt phẳng xích đạo cũng có sự chênh nhau. Dưới đây là bảng các thông số về kích thước của Trái đất (theo IUGG,1975). Bán kính xích đạo (a): 6378, 140 km Chu vi xích đạo : 40075, 24 km Bán kính ở cực (b): 6356,77km Chu vi kinh tuyến 40008,08 km Bán kính bình quân (a2b)1/3: 6371, 01 km Diện tích trên mặt: 5, 1007 x 10km Thể tích (V): 1,0832 x 1012 km2 Trọng khối (M):95,942+0,0006)x1024kg 1.1.3. Hình thái bề mặt Trái đất Hình thái bề mặt Trái đất gồm phần nổi trên mặt nước lục địa, chiếm 29,2% diện tích bề mặt Trái đất và phần chìm dưới nước biển chiếm 70,8%, tỷ lệ hai phần khoảng 1:2,5. Bề mặt của Trái đất không bằng phẳng. đỉnh cao nhất trên lục địa là Chomulagma cao 8848,13 mét. địa hình đồi núi, bình nguyên, bồn trũng (thấp hơn mực nước biển 1000m) chiếm 20,8% diện tích bề mặt Trái đất. độ cao trung bình của lục địa là 875 mét. ở biển bồn trũng sâu dưới - 4000 đến 6000 mét có diện tích rất rộng chiếm 30,8%. độ sâu trung bình của biển là - 3729 mét. Hố sâu nhất là Mariana, sâu - 11033 mét. 1.2.Cấu tạo bên trong và đặc điểm vật chất tạo thành vỏ Trái đất. 1.2.1.Cấu tạo vòng Các kết quả đo đạc vật lý cho thấy Trái đất có tính phân thành các quyển (vòng) nghĩa là có sự không đồng nhất về thành phần vật chất theo chiều thẳng đứng. Dựa theo kết quả nghiên cứu phối hợp các phương pháp địa - vật lý, đặc biệt là phương pháp địa chấn đo tốc độ truyền sóng dọc Vp và tốc độ truyền sóng 8
ngang Vs khi đi quan vật chất bên trong Trái đất người ta chia Trái đất ra 3 vòng cấu tạo lớn là vỏ Trái đất, Manti và nhân Trái đất. a. Vỏ trái đất. Vỏ Trái đất là phần vật chất rắn bọc ngoài của Trái đất nằm trên mặt Môhô. Vỏ Trái đất là đối tượng nghiên cứu chính của địa chất học. Trong phần vỏ Trái đất tốc độ truyền sóng Vp thay đổi từ 6,5-7,0 đến 7,4 km/s, nhưng khi sang phần Manti thì Vp tăng đột ngột đến 7,9 - 8, có 8,2 -8,3km/s. Còn tốc độ Vs trong phần vỏ là 3,7-3,8km/s đến manti thì đột ngột tăng lên 4,5 - 4,7 km/s. Như vậy có một mặt ranh giới phân chia vỏ và manti thể hiện ở sự thay đổi đột ngột tốc độ sóng. Mặt ranh giới này gọi là mặt Mohorovixic (lấy tên nhà địa - vật lý người Nam Tư. Mặt này do ông phát hiện năm 1909), còn gọi là mặt Môhô hay mặt M. Vỏ Trái đất dày mỏng tuỳ nơi (tức mặt Môhô có dạng lượn sóng nâng cao hơn hoặc hạ thấp xuống, bình quân là 11-12km. ở đáy các đại dương vỏ dày 5- 10 (12) km, trong các miền đồng bằng là 30 -40 km, ở vùng núi cao là 50 - 75 km (dày nhất là ở núi Anđơ và Hymalaya). Thành phần hợp chất hóa học chủ yếu: các hợp chất silicat trong đá granit, bazan. Vỏ Trái đât được chia làm 3 lớp: -Trên cùng là lớp trầm tích hiện đại có bề dày thay đổi từ 0,0 đến 1,5 km -Tiếp theo là lớp đá granittoit -Cuối cùng là lớp bazan còn gọi là vỏ bazan, cấu tạo bởi các đá mafic như gabro và bazan. b. Manti (mantle) Được phân bố từ phần dưới vỏ Trái đất (Mặt M) 60 đến độ sâu 2900km. Tại đây lại có một mặt ranh giới phân chia manti với nhân Trái đất biểu hiện ở sự thay đổi đột ngột tốc độ truyền sóng địa chấn. Vp từ 13,64 km/s xuống 7,98 km/s, còn Vs nguyên là 7,23 km/s đột nhiên biến mất. 9
Thành phần hợp chất hóa học chủ yếu: các hợp chất silicat với thành phần chủ yêu là sunfur. c.Nhân Trái đất Tính từ độ sâu 2900 km đến tâm Trái đất (6370), chia làm 3 lớp: nhân ngoài từ độ sâu 2900 km đến 4980 km, lóp chuyển tiếp 4980 km đến 5120 km và nhân trong từ 51200 km đến 6370 km. Có nhiệt độ rất cao 4000 0C, áp suất > 1,5 triệu atm. Thành phần hợp chất hóa học chủ yếu: là các hợp chất sunfur sắt, niken. 1.2.2. Cấu tạo của Trái đất Vỏ có bề dày không đồng đều, thể hiện ở địa hình phức tạp từ lục địa đến đại dương. Trạng thái vật chất của vỏ Trái đất: gồm các đá và đất ở thể đặc, chiếm 1,55% tổng thể tích và khoảng 0,8% tổng lượng của Trái đất. Tỷ trọng trung bình là 2,6 - 2,9 g/cm3. Bề dày của vỏ không đều. Thành phần của vỏ cũng biến đổi. Căn cứ các tài liệu địa - vật lý chia ra 2 kiểu vỏ chính là vỏ lục địa, vỏ đại dương và 2 kiểu phụ là vỏ á lục địa và vỏ á đại dương. Kiểu vỏ lục địa (continental crrust) có bề dày không đều -Ở vùng nền (vùng ổn định) có bề dày 35- 40 km - Vùng công trình tạo núi trẻ có bề dày 55-70km - Vùng núi Hymalaya, Anđơ có bề dày 70-75Km Cấu trúc có 2 phần chính + Lớp 1 là lớp do đá trầm tích (lớp trầm tích) tạo thành. Vp trung bình từ 3 - 5 km/s. Bề dày dao động từ 0-5 km (ở đồng bằng lục địa) và dày nhất từ 8-10km (ở các vùng trũng lớn của lục địa) + Lớp 2 là lớp đá cứng gồm đá macma và đá biến chất chia ra: Lớp 2a: Lớp granitô - gnai hoặc granit biến chất phân bố ở các khiên biến chất, Vp trung bình từ 5,5 - 6 km/s. Lớp 2b: Lớp bazan còn có tên gọi là Granulit - bazit vì tốc độ Vp của 2 loại đá tương tự nhau. Ranh giới giữa lớp 2a và 2b gọi là mặt Konrad (mặt K), Vp trung bình là 6,6 - 7,2km/s. Bề dày của lớp bazan trung bình là 6,6 - 7,2 km/s. Bề dày của lớp bazan trung bình 15 - 20 km ở vùng nền và 25 - 35 km ở vùng tạo núi. Mặt Konrad không phải lúc nào cũng thể hiện rõ. Mô hình mới về vỏ lục địa do N.I.Pavlenkova nêu ra dựa theo kết quả nghiên cứu ở lổ khoan siêu sâu Kolxki và các thông tin địa vật lý. 10
Phân chia manti với phần đá của vỏ lục địa (mặt M) dựa vào Vp = 7,8 - 8,3 km/s. Trong phần 2 (xem hình 4.2) chia 3 tầng ngăn cách bởi ranh giới K1 và K2.K1 ở độ sâu 30-32km. Tầng trên: Vp = 5,9-6,3 km/s có tính phân lớp và tính phân dị theo các bloc riêng với các thành phần và thông số địa - vật lý riêng. Tầng trung gian: Vp = 6,4 - 6,5 km/s. đặc tính phân lớp nằm gần nằm ngang móng. Trong đó có những xen lớp và tốc độ Vp giảm xuống còn 6km/s, có các thể dị thường về tỷ trọng và đới tăng cao tính dẫn điện. Nó mang đặc tính của một lớp mềm, vật chất trên nó có thể chuyển dịch ngang. Tầng trên và tầng trung gian có các đá phức tạp, có thể bao gồm đá biến chất, nói chung là đá axit. Tầng dưới: Vp = 6,8-7,0km/s gồm các đá biến chất tướng granulit, các đá bazic và siêu bazic. Kiểu vỏ đại dương: Cấu trúc vỏ đại dương gồm 4 lớp 1- Lớp nước che phủ đại dương 2- Lớp thứ nhất là lớp trầm tích bở rời. Vp = 3 km/s. Dày từ vài trăm mét đến 1 km, ít khi dày hơn. 3- Lớp thứ hai có Vp = 4 - 4,5 km/s. Thành phần là dung nham bazan có xen lớp đá silic và cacbonat dày từ 1-15 km có nới dày 3 km. 4- Lớp thứ ba có Vp = 6,3-6,4km/s (có khi đến 7 km/s). Thành phần là đá bazic (gabro) và một bộ phận là đá siêu bazic (pyroxenit). Một số nơi grabo bị biến chất thành amphibolit chưa khoan quan hết lớp này. Đặc trưng của kiểu vỏ đại dương là không có lớp granitognai. Bề dày chỉ từ 5-12km, trung bình là 6-7 km (ở đáy Thái Bình Dương). Kiểu vỏ á lục địa: Loại này gặp ở những cung đảo (Alent, Kuril ) bao quanh lục địa. Cấu trúc gần với kiểu vỏ lục địa nhưng bề dày nhỏ, chỉ 20-30km và có đặc điểm là các lớp cứng hoá không rõ ràng. ở vùng dâng bao quanh đại Tây Dương phần kéo dài cử lục địa xuống dưới nước thì bề dày rút ngắn và lớp granitognai cũng vát nhọn khi đi về phía sườn lục địa. Kiểu vỏ sa đại Dương: Cấu trúc gồm ba lớp: 1. Lớp nước. 2. Lớp đá trầm tích dày từ 4 - 10 km có nới 15 - 20 km 3. Lớp vỏ đại Dương dày từ 5 - 10km Vp = 6 - 6,4km/s, có đặc trưng: + Không có lớp granitognai: gặp ở những trũng nước sâu bao quanh và ở trong biển (ví dụ trũng nam Caspi, Biển đen, địa Trung Hải, Okhốt và các biển khác). 1.2.3. Thành phần vật chất của vỏ Trái đất. a.Các nguyên tố trong vỏ Trái đất. Trong Trái đất các nguyên tố tồn tại dưới dạng phân tán không đồng đều, luôn luôn kết hợp, luôn luôn biến đổi trong các khoáng vật, các đá khác nhau. 11
Để nắm được số lượng các nguyên tố trong Trái đất người ta tiến hành lấy mẫu từ trên mặt cho đến độ sâu từ 16 đến 20 km và đem phân tích. + Các nguyên tố của vỏ Trái đất chủ yếu là 8 nguyên tố: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, Mg, K, trong đó O, Si, Al là chủ đạo (người ta nói thành phần vỏ Trái đất chủ yếu là các Alumoslicat) chiếm hơn 80% trọng lượng vỏ, O chiếm gần 50%. * Còn lại là Ti: 0,52; C = 0,46; Mn: 0,12; S: 0,11 và các nguyên tố khác: 0,37%. + Thành phần trên cũng gần với thành phần của sao Kim, sao Hoả. + So với thành phần nguyên tố của Trái đất thì O vẫn là chủ đạo tiếp theo là Fe, Si, Mg, còn ở vỏ thì nhóm Al, Ca, Mg, Na lại tượng đối nhiều. + Các nguyên tố kim loại có ích (Cu, Bb, zn ) chiếm tỷ lệ rất thấp (ví dụ theo thống kê của các tác giả trên Cu có từ 0,0047 - 0,01%; Pb từ 0,00016 - 0,0002%; C từ 0,023 - 0,35%. Các Theo Clac Fesman Goldsmith Vinogradov Ronov và nguyên tố Wnshing 1933, 1939 1937 1962 Larosevxki tơn 1924 O 49.52 49.13 46.60 47.00 46.50 Si 25.75 26.00 27.72 29.50 25.70 Al 7.15 7.45 8.13 8.05 7.65 Fe 4.70 4.20 5.00 4.65 6.24 Ca 3.39 3.25 3.63 2.96 5.79 Na 2.64 2.40 2.83 2.50 1.81 Mg 1.94 2.35 2.09 1.87 3.23 K 2.43 2.35 2.59 2.50 1.34 Thành phần các ô xyt chủ yếu của vỏ Trái đất - % trọng lượng Các oxyt SiO2 Al2O3 CaO FeO Fe2O3 MgO Na2O K2O TiO2 Ở vỏ lục ñịa 60,2 15,2 5,5 3,8 2,5 3,1 3,0 2,9 0,6 Ở vỏ ðại Dương 48,8 17,0 11,9 6,6 2,0 7,0 2,7 0,2 1,4 Bình quân ở vỏ Trái đất 60,3 16,3 5,3 4,2 2,5 3,2 3,7 2,3 0,8 2.Khoáng vật và các khoáng vật tạo đá 2.1.Khoáng vật 1.Khoáng vật là những nguyên tố hoá học tự nhiên hoặc hợp chất hoá học trong thiên nhiên hình thành do quá trình vật lý, hoá học nhất định trong vỏ Trái đất hoặc trên mặt đất. (Một số rất ít có thể từ vũ trụ đến: bụi vũ trụ, thiên thạch). Đến nay biết được hơn 2500 khoáng vật trong đó gần 50 khoáng vật là phổ biến tham gia vào quá trình tạo đá. Khoáng vật là thành phần cơ bản tạo nên đá. Đại đa số khoáng vật ở thể rắn, như: thạch anh, canxit chỉ một số ở thể lỏng như: thuỷ ngân, dầu mỏ, nước và một số ở thể khí như cacbonic, mêtan, các loại cacbuahyđrô 12
Một loạt các khoáng vật. Hình ảnh lấy từ Cục Địa chất Hoa Kỳ 2.2. Về hình thái và cấu trúc, khoáng vật có các dạng vô định hình; dạng keo (dạng khối đặc xít) và dạng kết tinh (tinh thể) . Khoáng vật vô định hình là khoáng vật ở thể thuỷ tinh, các phân tử vật chất chưa kịp sắp xếp theo một trật tự có tính quy luật tuần hoàn trong không gian. Ví dụ khi macma đông nguội đột ngột tạo ra các khoáng vật vô định hình. Khoáng vật dạng keo là khoáng vật ở trạng thái keo hoặc từ chất keo kết tinh lại. Chất keo gồm những hạt keo, có kích thước từ 1 - 100m( = 1 x 10-6 mm) hòa lại trong nước. Chúng hoặc là do các phản ứng hoá học đối với các chất trong môi trường hoà tan thành chất keo hoặc do sinh vật làm hoà tan các chất trong môi trường nước. Dung dịch keo thường gặp trong thiên nhiên là keo sắt, keo caoli, keo silic, keo bùn thối, keo nhôm Khoáng vật kết tinh là khoáng vật hình thành do sự kết tinh các nguyên tố hoá học thành những tinh thể và gắn kết lại với nhau, (tinh thể là vật thể do các phân tử như iôn, nguyên tử, phân tử phân bố một cách có quy luật tuần hoàn trong không gian). Nét đặc trưng của tinh thể là có cấu trúc mạng. Cấu trúc này có được là do hạt và vật chất sắp xếp có quy luật trong không gian theo các nút mạng để tạo thành ô mạng trong không gian. Mỗi tinh thể có một ô mạng riêng. Ví dụ ô mạng tinh thể của hạt halit (muối mỏ NaCl) có dạng lập phương. Trong đa số các loại tinh thể khoảng cách giữa các hạt (nút mạng) là 1 vài Ao (1A0 = 10-8cm) và có độ 10-7 hạt trên 1 mm không gian. Tại trung tâm nghiên cứu vật liệu của trường Mỏ Paris bới kính hiển vi điện tử loại mới nhất của Hà Lan có thể nhìn thấy một vật kích thước nhỏ đến 2A0 (gần bằng kích thước một nguyên tử). Môn tinh thể học chuyên nghiên cứu về tinh thể (nghiên cứu quy luật sinh thành của tinh thể, tính đối xứng và cấu trúc bên trong của tinh thể, các tính chất vật lý cũng như các hiện tượng xảy ra trong tinh thể, mối liên quan giữa cấu trúc với các tính chất vật lý, hoá học và hình học của tinh thể). Trong thiên nhiên, các khoáng vật kết tinh ở thể rắn chiếm đại đa sô. Hiểu biết các tính chất tinh thể cũng là cách nhận biết các khoáng vật, các đá từ đó có sử dụng hợp lý. 2.3. Nguồn gốc của khoáng vật: được sinh thành trong điều kiện: a. Khoáng vật nội sinh hình thành có liên quan với các quá trình xảy ra ở trong vỏ Trái đất và ở phần trên manti - quá trình macma và biến chất. 13
b. Khoáng vật ngoại sinh hình thành ở phần trên mặt Trái đất và ở trên của vỏ có liên quan với các quá trình địa chất ngoại sinh. 2.4. Tính chất hình học của khoáng vật. - Khoáng vật vô định hình không kết tinh thường có dạng cầu, dạng đậu, dạng thận, dạng chuông vú (do chúng không kết tinh). - Khoáng vật kết tinh thể hiện ở hình dạng tinh thể, mặt tinh thể, ở sự kết hợp của nhiều tinh thể (như tinh đám thạch anh). 2.5. Các tính chất vật lý của khoáng vật: đó là các tính chất về quang học, lực học, từ tính, tính điện áp do cấu trúc tinh thể quết định. a. Tính chất quang học của khoáng vật thể hiện ở tính hấp thụ quang, phản quang, thấu quang của khoáng vật. Độ trong suốt phản ánh sự xuyên thấu của ánh sáng quan khoáng vật. Phân ra: trong suốt, nửa trong suốt và không trong suốt. Ánh: tính phản xạ, khúc xạ, hấp thụ quang đối với ánh sáng thấy được của khoáng vật. Phân ra: ánh thuỷ tinh, ánh xạ cừ (ánh mờ) ánh lửa kim loại, ánh kim loại. Màu sắc: thể hiện sự hấp thụ các bước sóng đối với ánh sáng thấy được của khoáng vật. Nếu khoáng vật hấp thụ đều đặn đối với các bước sóng ánh sáng thì nó có từ màu đen đến màu xám. Nếu chỉ hấp thụ một số bước sóng nào đáy tức là khoáng vật có các màu khác nhau. Khoáng vật chứa nhiều Fe, Mg thường có màu sẫm, còn khoáng vật chứa nhiều Al, Si thì màu nhạt. Màu vết vạch: Màu của bột khoáng vật để lại trên một vết vạch (vạch vào tấm sứ). Màu vết vạch của khoáng vật kim loại không trong suốt thường là cố định, là màu của bản thân khoáng vật. Ví dụ: pyrit có màu vàng rơm nhưng màu vết vạch lại đen. b. Tính chất cơ học của khoáng vật bao gồm tính cắt khai, mặt vỡ độ cứng phản ánh đặc tính của khoáng vật sau khi bị ngoại lực rắn tác dụng. Nó có liên quan đến cấu trúc tinh thể khoáng vật. Tính dễ tách (cát khai) của khoáng vật: Tính dễ tách là khả năng của tinh thể và các hạt kết tinh (mảnh của tinh thể) dễ bị tách ra theo những mặt phẳng song song. Chia tính dễ tách ra các mức độ khác nhau: -Rất hoàn toàn: tinh thể có khả năng tách theo các mặt tách một cách dễ dàng, (như mêca). -Hoàn toàn: dùng búa đập nhẹ sẽ vỡ theo các mặt tách tương đối phẳng (như calcite, halit). -Không hoàn toàn: khó thấy mặt tách mà thường là vết vỡ không có quy tắc, (như thạch anh), vì vậy còn gọi là tính không tách của khoáng vật. Tính cắt khai là sự vỡ tách theo một mặt tinh thể nào đấy khi bị ngoại lực tác dụng. Mặt bóng nhẵn là mặt cắt khai, thường thường là song song với một mặt tinh thể. 14
Mặt vỡ là mặt hình thành do bị ngoại lực tác dụng thành lồi lõm, không phẳng. Nếu lực nối của ô mạng không đều nhau theo các hướng thì dễ thành vết vỡ. Ví dụ vết vỡ vỏ chai. Độ cứng là năng lực chống lại lực cơ học bên ngoài của khoáng vật (khắc, rạch lên bề mặt). Nói chung khoáng vật có bán kính điện tử càng nhỏ thì độ cứng càng lớn. Phân ra độ cứng tuyệt đối và độ cứng tương đối. Đo độ cứng tuyệt đối cần phải dùng máy đo. Thường là dùng bảng độ cứng tương đối (bảng Mohs) với 10 bậc, mỗi bậc dùng một khoáng vật thường gặp làm vật chuẩn. Bảng Mohs gồm có: (Độ cứng lớn nhất là 10, nhỏ nhất là 1). 1.Talc, (Tan) (Mg3(Si4O10) 2.Gypsum (Thạch cao), (CaSO42H2O) 3.Calcite (Canxit), (CaCO3) 4.Fluorite, (Fluorit) (CaF2) 5.Apatite, (Apatit) (Ca5(PO4)3(FCl) 6.Feldspar, (Octoclaz) (K(AlSi3O8) 7.Quartz (Thạch anh), (SiO2) 8.Topaz, (Topa) (Al2(SiO4)(OH)2 9.Corunduomn (Corindon), (Al2O3) 10.Diamond (Kim cương). (C) c. Một số đặc tính vật lý khác: Các khoáng vật có tỷ trọng nặng nhẹ khác nhau. Một số có từ tính (như manhetit), có tính điện áp (đối với một số thạch anh) có loại có tính phát sáng Những loại này có thể dùng mắt thường xác định được. Tan. Kim cương thô. Hali. Thạch anh. 15
2.6.Thành phần hóa học Các khoáng vật có thể phân loại theo thành phần hóa học. Chúng hay được phân loại theo nhóm anion. Theo thành phần hóa học, các khoáng vật tồn tại dưới các dạng sau: Các nguyên tố Các sulfua Các ôxít và hyđroxit Các halua Các nitrat, cacbonat và borat Các sulfat, cromat, molybdat và tungstat Các photphat, asenat và vanadat Các silicat 2.7. Phân loại khoáng vật Phân theo thành phần hóa học gồm 8 nhóm: -Nhóm các nguyên tố tự nhiên: chiếm 0,1% trọng lượng vỏ trái đất: Vàng, bạc, kim cương, graphit, lưu huỳnh -Nhóm Sunfur chiếm 0,15% trọng lượng vỏ trái đất: Chancopirit (CuFeS2), pirit (FeS2), galinit (PbS2) Dễ bị phá hủy thông qua phản ứng oxy hóa có nước để trở thành khoáng vật khác. -Nhóm Haloit chiếm 0,1% trọng lượng vỏ trái đất: Muối mỏ (NaCl), fluorit (CaF2) dễ phá hủy trong thiên nhiên. -Nhóm Oxit chiếm 17% trọng lượng vỏ trái đất được chia thành 2 lớp phụ: Lớp phụ không chứa nước như: corindon (Al 2O3), thạch anh (SiO 2), hematit (Fe2O3), rutin (TiO2) và lớp phụ chứa nước như: limonit (Fe2O3.nH2O), opan (SiO.nH2O). -Nhóm cacbonat: chiếm 1,7% trọng lượng vỏ trái đất không bền vững trong thiên nhiên, dễ bị hòa tan, được chia thành 2 lớp phụ: Lớp phụ không chứa nước như: canxit (CaCO 3), azurit (CuCO3) và lớp phụ chứa nước như: malachit (CuCO3.nH2O) -Nhóm sunfat chiếm 17% trọng lượng vỏ trái đất, không bền vững trong thiên nhiên, được chia thành 2 lớp phụ: Lớp phụ không chứa nước như: barit (BaSO 4), anhydrit (CaSO4) và lớp phụ chứa nước như: thạch cao (CaSO4.nH2O) -Nhóm phốt phát chiếm 0,1% trọng lượng vỏ trái đất, không bền vững trong thiên nhiên: apatit (Ca5(ClF) [PO4]3 -Nhóm silicat chiếm 75% trọng lượng vỏ trái đất có vai trò tạo đá chủ yếu, dễ bị phá hủy trong thiên nhiên thông qua phản ứng thủy phân tạo nên khoáng vật mới bền vững, được chia thành 2 lớp phụ: Lớp phụ không chứa nước như: biotit (K[MgFe](Si 3AlO10)(OHF)2, caolin và lớp phụ chứa nước như: tan (3Mg4SiO2.nH2O) 2.8.Phân biệt khoáng vật và đá Một khoáng vật là chất rắn kết tinh nguồn gốc tự nhiên với thành phần hóa học xác định, trong khi đá là tổ hợp của một hay nhiều khoáng vật. Trong đá có thể có cả 16
các phần còn lại của các chất hữu cơ cũng như các dạng á khoáng vật. Một số loại đá chủ yếu bao gồm chỉ một loại khoáng vật. Ví dụ, đá vôi là một dạng đá trầm tích bao gồm gần như toàn bộ là khoáng vật canxit. Các loại đá khác có thể bao gồm nhiều khoáng vật và các loại khoáng vật cụ thể trong một loại đá nào đó có thể khác nhau rất nhiều. Một số khoáng vật, như thạch anh, mica hay fenspat là phổ biến, trong khi các khoáng vật khác có khi chỉ tìm thấy ở một vài khu vực nhất định. Phần lớn các loại đá của lớp vỏ Trái Đất được tạo ra từ thạch anh, fenspat, mica, clorit, cao lanh, canxit, epidot, olivin, ogit, hocblen, manhêtit, hematit, limonit và một vài khoáng vật khác. Trên một nửa các loại khoáng vật đã biết là hiếm đến mức chúng chỉ có thể tìm thấy ở dạng một nhúm mẫu vật, và nhiều trong số đó chỉ được biết tới từ 1 hay 2 hạt nhỏ. Các loại khoáng vật và đá có giá trị thương mại được gọi chung là các khoáng sản. Các loại đá mà từ đó các khoáng vật được khai thác cho mục đích kinh tế được coi là các loại quặng, trong khi các loại đá và khoáng vật còn lại sau khi đã tách rời khoáng vật mong muốn riêng ra từ quặng, được gọi là đá thải và quặng đuôi. 2.9.Các khoáng vật tạo đá Khoáng vật tạo đá, có khoảng 50 khoáng vật thường gặp tham gia thành tạo đá như thạch anh, fenfat, mica, pyroxen. Yếu tố xác định chủ yếu trong sự hình thành các khoáng vật trong khối đá là thành phần hóa học của khối đá đó, đối với một khoáng vật cụ thể nào đó thì nó chỉ có thể hình thành khi các nguyên tố cần thiết phải có mặt trong đá. Canxit là phổ biến nhất trong các loại đá vôi, do chúng chủ yếu bao gồm cacbonat canxi; thạch anh trong các loại sa thạch (đá cát) và trong một số loại đá phún xuất với tỷ lệ phần trăm lớn là silica (điôxít silic). Các yếu tố khác cũng có tầm quan trọng tương đương trong việc quyết định các khoáng vật tạo đá được hình thành ngay từ đầu một cách tự nhiên hay do phát sinh thứ cấp là (i) cách thức đá được hình thành từ trong dung dịch, nước hay đá gốc và (ii) các giai đoạn mà đá đã trải qua để có được các kết cấu như hiện tại của mình. Hai khối đá có thể có thành phần hóa học khá tương đồng nhưng lại được cấu thành từ các kết hợp khác hẳn nhau của các khoáng vật. Xu hướng chung cho các hợp chất này được hình thành là sự ổn định theo các điều kiện mà khối đá được sinh ra. Granit được hình thành do sự đông đặc của macma nóng chảy ở nhiệt độ cao và áp suất lớn và các khoáng vật thành phần của nó cũng được hình thành trong các điều kiện như vậy. Khi bị sự ẩm ướt, axít cacbonic và các tác nhân cận không khí khác tác động ở điều kiện nhiệt độ bình thường trên bề mặt Trái Đất, một số khoáng vật nguyên thủy này, như thạch anh hay mica trắng (muscovit) không bị biến đổi; trong khi các khoáng vật khác bị "phong hóa" hay phân rã và bị thay thế bằng các tổ hợp mới. Fenspat chuyển hóa thành cao lanh, muscovit và thạch anh, và nếu mica đen (biotit) cũng có mặt thì nó sinh ra cả clorit, apidot, rutil và các khoáng vật hay các hợp chất khác. Các thay đổi này còn kèm theo sự phân hủy và đá chuyển thành dạng khối đất rời rạc, mềm xốp có thể được coi như là đất hay cát. Các vật liệu được hình thành như vậy có thể bị rửa trôi và trầm lắng hình thành nên sa thạch hay đá mạt. Cấu trúc của đá nguyên thủy bị thay thế bằng cấu trúc mới; thành phần khoáng vật 17
cũng biến đổi rõ nét; nhưng thành phần hóa học của cả khối có thể không có khác biệt lớn. Đá trầm tích có thể một lần nữa lại trải qua những lần biến thái khác. Nếu đá phún xuất thâm nhập vào thì nó lại có thể tái kết tinh hoặc nếu bị đè nén dưới áp suất cao cùng nhiệt và chuyển động, chẳng hạn như có mặt trong kiến tạo các nếp oằn các dãy núi, thì nó có thể chuyển hóa thành gơnai mặc dù không khác biệt gì nhiều trong thành phần khoáng vật nhưng có khác biệt đáng kể về cấu trúc với granit là trạng thái ban đầu của nó. Một số khoáng vật tạo đá chủ yếu -Lớp silicat: chiếm 75% trọng lượng vỏ trái đất, có màu sặc sỡ, sáng và có độ cứng lớn: Nhóm feldspas, Nhóm mica, Nhóm piroxen, Nhóm anfibon, Nhóm olivin, Nhóm talc, Nhóm clorit, Nhóm khoáng vật sét -Lớp oxit: Opan, Thạch anh, Limonit -Lớp cacbonat: Calcite, Dolomit -Lớp sunphat: Anhydrit -Lớp sunphua: Firit -Lớp halogenua Tinh thể khoáng vật thạch anh Chert Opan Kaolinit Hydromica Canxit lấp đầy các khe nứt Plagioclase (anbit) Peldspar dưới kính hiển vi Tinh thể can xít Trong đá bazan Các khoáng vật tạo Đá mácma chủ yếu: thạch anh, felspat, mica và khoáng vật mầu. 18
* Thạch anh là SiO2 ở dạng kết tinh, tinh thể hình lăng trụ 6 cạnh, ít khi trong suốt mà thường có màu trắng và trắng sữa, độ cứng 7, khối lượng riêng 2,65 g/cm3, cường độ cao khoảng 20.000 kg/cm2, chống mài mòn tốt, ổn định đối với axit (trừ axit fluohidric và fosforic). Ở nhiệt độ thường, thạch anh không tác dụng với vôi, nhưng ở trong môi trường hơi nước bão hoà và nhiệt độ 175 - 2000C có thể sinh ra phản ứng silicat. * Fenspat có hai loại: -Cát khai thẳng góc-octola (K2O.Al2O3.6SiO2 - felspat kali) -Cát xiên góc - plagiocla (Na2O.Al2O3.6SiO2-felspat natri và CaO.Al2O3.2SiO2 - felspat canxi). -Tính chất cơ bản của felspat: màu biến đổi từ trắng, trắng xám, vàng đến hồng và đỏ; khối lượng riêng: 2,55 - 2,76 g/cm3, độ cứng 6 - 6,5, cường độ chịu nén 1200 - 1700 kg/cm2. Khả năng chống phong hoá của felspat kém, kém ổn định đối với nước và đặc biệt là nước có chứa CO2: + K2O.Al2O3.6SiO2 + CO2 +2H2O = K2CO3 + 4SiO2 + Al2O3.2SiO2.2H2O + Al2O3.2SiO2.2H2O là caolonit - thành phần chủ yếu của đất sét. * Mica là những alumôsilicat ngậm nước rất phức tạp. Phổ biến nhất là hai loại biotit và muscovit. Biotit thường chứa oxyt manhê và oxyt sắt. Có màu nâu đen (mica đen). Muscovit K2O. Al2O3.6SiO2 .2H2O thì trong suốt (mica trắng). Mica có độ cứng 2-3, khối lượng riêng 2,76 - 3,2 g/cm3. Ngoài hai loại trên còn gặp vecmiculit được tạo thành do sự oxy hoá và hydrat hoá biotit. Khi nung ở 900 – 10.000 độ C nước sẽ mất đi, thể tích vecmiculit tăng 18 - 25 lần. Khoáng vật màu sẫm chủ yếu gồm có amfibôn, piroxen, olivin. Các khoáng vật này có màu xẫm (từ màu lục đến màu đen) cường độ cao, dai và bền, khó gia công. Các khoáng vật tạo đá chủ yếu của loại đá trầm tích núi lửa Nhóm oxyt silic Các khoáng phổ biến nhất của nhóm này là opan, chanxedon và thạch anh trầm tích. *Opan (SiO2.2H3O) là khoáng vô định hình, chứa 2- 14% nước (đôi khi đến 34%). Khi nung nóng, một phần nước bị mất đi. Opan thường không màu hoặc màu trắng sữa, nhưng nếu lẫn tạp chất có thể có màu vàng xanh hoặc đen, có khối lượng riêng 1,9 ÷ 2,5 g/cm3, độ cứng 5 ÷, giòn. *Chalxedon (SiO2) là họ hàng của thạch anh, cấu tạo ẩn tinh dạng sợi. Màu trắng, xám, vàng sáng, tro, xanh; khối lượng riêng 2,6 g/cm3, độ cứng 6. Chalxedon được tạo thành từ sự tái kết tinh opan hoặc lắng đọng trực tiếp từ dung dịch cùng với opan và thạch anh. * Thạch anh trầm tích được lắng đọng trực tiếp từ dung dịch và cũng có thể do tái kết tinh từ opan và chalxendon. Trong các loại đá trầm tích tồn tại cả thạch anh mácma và thạch anh trầm tích. Nhóm cacbonat 19
Các khoáng vật của nhóm cacbonat rất phổ biến trong các loại đá trầm tích. Quan trọng nhất là các khoáng vật canxi, đôlômit và manhezit. * Canxi (CaCO3) là khoáng không màu hoặc màu trắng, khi có lẫn tạp chất thì có màu xám vàng, hồng hoặc xanh, khối lượng riêng 2,7 g/cm3, độ cứng 3, cường độ trung bình; dễ tan trong nước và tan mạnh trong nước có chưa CO 2; sủi bọt mạnh trong axit clohydric nồng độ 10%. * Đôlômit [CaMg(CO3)2 ] là khoáng vật có màu hoặc trắng, khối lượng riêng 2,8g/cm3, độ cứng 3-4, cường độ lớn hơn canxit. Khi ở dạng bột và bị nung nóng cũng sủi bọt trong dung dịch axit clohydric nồng độ 10%. Đôlômit được dùng làm nguyên liệu để sản xuất chất kết dính manhezi và đôlômi; làm vật liệu chịu lửa đôlômi, cũng như các loại cây đá xây, đá dăm cho bê tông. *Manzehit: (MgCO3) là khoáng không màu hoặc màu trắng, xám, vàng hoặc nâu; khối lượng riêng 3,0 g/cm 3, độ cứng 3,5 - 4,5, có cường độ khá cao. Khi nung nóng thì tan trong được HCl. Manhezit nung ở nhiệt độ 1500 - 1650 0 C sẽ cho loại vật liệu chịu nhiệt cao, còn khi nung ở nhiệt độ 750 - 800 0C sẽ cho MgO. Khi nhào trộn manhezit với dung dịch clorua hoặc sunfat axit manhê sẽ nhận được chất kết dính manhê.Nhóm các khoáng vật sét Các khoáng vật sét đóng vai trò rất quan trọng trong đá trầm tích, chúng là thành phần chính của đất sét và tạp chất trong nhiều loại đá khác. Alumosilicat ngậm nước là các khoáng vật của nhóm này. Các khoáng phổ biến nhất là kaolimit, montmorilônit và mica ngậm nước. *Caolinit: Al4 [Si4O10] (OH)8 hay Al2O3.2SiO2.2H2O, là khoáng màu trắng, đôi khi có màu xám hoặc màu xanh; khối lượng riêng 2,6g/cm 3, độ cứng 1. Caolinit được hình thành do kết quả phân huỷ fensat, mica và một số loại silicat khác. Caolinit là thành phần chủ yếu của cao lanh và các loại đát sét đa khoáng. *Mica ngậm nước được hình thành do sự phân huỷ mica và một số silicat. Môntmôrilônit là khoáng sét được tạo thành trong môi trường kiềm, tại các vùng biển hoặc trên các lớp đất đá bị phong hoá. Nó là thành phần chính của đất bentonit và đôi khi là chất xi măng gắn kết trong sa thạch. Các khoáng của nhóm môntmôrilônit thường thấy trong các loại đá trầm tích. Các tạp chất sét làm cho độ bền nước của đá vôi và sa thạch giảm đi. Nhóm sunfat Phổ biến nhất trong nhóm này là thạch cao và anhydrit. * Thạch cao: (CaSO 4.2H2O) là khoáng màu trắng hoặc không màu, đôi khi lẫn tạp chất thì có màu xanh, vàng hoặc màu đỏ; tinh thể dạng bản, đôi khi dạng sợi, độ cứng 2, khối lượng riêng 2,3 g/cm 3, dễ hoà tan trong nước (độ hoà tan lớn hơn canxit 75 lần). Thạch cao được tạo thành do trầm tích hoá học, do thuỷ hoá anhyđrit và do nước chứa H2SO4 tác dụng với đá vôi. * Anhydrit (CaSO 4) là loại khoáng trần tích hoá học, kết tinh dạng tấm dày hoặc lăng trụ, màu trắng, đôi khi có màu xanh da trời; độ cứng 3 - 3,5, khối lượng riêng 3g/cm3. Anhydrit thường gặp trong các tầng đá hoặc các mảnh nhỏ cùng với 20
thạch cao và muối mỏ. Khi tác dụng với nước ở áp lực thấp anhydrit chuyển thành thạch cao và tăng thế tích 30%. 21
CHƯƠNG II: THẠCH HỌC Đá là sản phẩn của tác dụng địa chất, là tập hợp có quy luật của một hoặc nhiều loại khoáng vật hoặc các vụn đá kết lại với nhau tạo thành một thể địa chất độc lập và là bộ phận chủ yếu cấu tạo nên vỏ trái đất. Đá thông thường là cứng như đá vôi, đát cát kết nhưng cũng có thể mềm dẻo như đá sét, đá do một kim loại khoáng vật tạo thành như đá hoa (do canxit tập hợp thành), do nhiều khoáng vật kết hợp phức tạp, ví dụ như granit (gồm thạch anh, penpat, mica). Quặng (ore) gồm một hay nhiều thành phần có giá trị được tập trung cao ở đá, được khai thác để sử dụng trong công nghiệp (quặng vàng, sắt, than, apatit ) Đá vây quanh (countryrock) là phần đá không phải là quặng bao chứa quặng. Khi khoa học kỹ thuật phát triển có thể biến đá vây quanh thành quặng. Vì vậy có hiện tượng khai thác lại bãi thải để lấy lại quặng. Loại đá Khoáng vật Magma Olivin, pyroxen, amphibol, mica, feldspar, feldspathoid, thạch anh, sphen, zircon, zeolit Biến chất Sillimanit, disten, staurolit, andalusit, topaz, diaspor, cordierit, chlorit, chloritoid, tourmalin, anthophilit, talc, fosterit, phlogopit, tremolit, garnet, zoizit, epidot, Trầm tích Calcit, chalcedony, dolomit, glauconit 1.Đá Magma (Magmatic rocks) 1.1. Khái niệm: Đá magma được tạo thành do sự đông cứng của những khối hợp chất silicat nóng chảy ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao trong vỏ hoặc trên bề mặt Trái đât. Những khối silicat nóng chảy đó được gọi là Magma. Trong magma ngoài SiO2 ra còn một số nguyên tố khác và thành phần chất khí dễ bay hơi như các nguyên tố nhóm hagogen và các khí CO 2, S căn cứ môi trường thành tạo chia ra: 1.2.Phân loại đá magma: 1.2.1.Phân loại theo độ sâu tạo thành -Đá xâm nhập (intrusive rock) gồm đá xâm nhập sâu (plutonic rock) do magma đông nguội dưới sâu so với bề mặt trái đất trên 1,5 km tạo nên và đá xâm nhập nông (hypabyssal rock) do magma đông nguội tạo nên (từ 0 – 1,5 km). Đá xâm nhập có cấu trúc tinh thể lớn, đặc chắc, cường độ cao, ít hút nước. Đá xâm nhập chủ yếu sử dụng trong xây dựng là granit, điorit, gabro -Đá phun trào (extrusive rock) được thành tạo ở độ sâu dưới 1,5 km cho tới bề mặt Trái đất, do magma phun lên hoặc trào ra mặt đất qua các khe nứt, miệng núi lửa sau đó đông nguội tạo thành. Do nguội nhanh trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp, các khoáng vật không kịp kết tinh, hoặc chỉ là kết tinh một phần nên có kích thước tinh thể bé, chưa hoàn chỉnh, hoặc tồn tại ở dạng vô định hình. Mặt khác, các 22
chất khí và hơi nước không kịp thoát ra, để lại nhiều lỗ rỗng, làm cho đá nhẹ, có loại nổi trên mặt nước. Magma nguội lạnh để lại trên mặt đất rất nhiều chủng loại đá. Đó là do quá trình diễn biến của nó khá phức tạp. Magma đông nguội sẽ phân dị ra các vật chất khác nhau, mặt khác magma khi xuyên lên đá vây quanh lại có tác dụng đồng hoá các vật chất bên ngoài để tạo thành các đá mới 1.2.2.Phân loại theo thành phần hóa học: Căn cứ vào hàm lượng oxyt silic, Đá magma còn được chia ra các loại: * Magma axit (Si2O > 65%) như granit, liparit (riolit) * Magma trung tính (Si2O: 65 - 52%) như diorit, sienit, andezit. * Magma bazơ (mafic) (SiO2: 52 - 45%) như gabro, bazan. * Magma siêu bazơ (mafic) (SiO2 < 45%). Như periđôit, đunit Kết hợp với nghiên cứu môi trường thành tạo kiến trúc cấu tạo của đá, thông thường phân chia đá magma dựa vào hàm lượng % SiO2, Fe, Mg có trong đá. 1.3.Magma trải qua một số tác dụng sau: 1. Tác dụng phân dị dung li của macma xuất hiện trước khi macma kết tinh đang còn ở trạng thái lỏng nên còn ở trạng thái lỏng nên còn gọi là phân dị lỏng. Trong khi đông nguội, do trọng lực, áp suất và nhiệt độ hạ thấp dần, từ magma sẽ phân ly ra 1 loại hay nhiều loại thành phần trên. Thực tế cho thấy magma Silicat có Ca, Mg, khi ở nhiệt độ trên 1500 0C nó có thể hoà tan từ 6% - 7% các muối sunfua. Khi nhiệt độ hạ thấp xuống dưới 1500 0C thì muối sunfua tách ra khỏi magma và lắng xuống đáy. Trong các đá siêu mafic hoặc ở đáy các đá khoáng sàng công nghiệp. 2. Tác dụng phân dị kết tinh của magma: Khi nhiệt độ hạ thấp dần, các thành phần khoáng vật sẽ lần lượt kết tinh. Mỗi khoáng vật có dung điểm kết tinh riêng. Tác dụng phân dị kết tinh là sự kết tinh theo trình tự lần lượt của khoáng vật tách ra khỏi magma khi nhiệt độ hạ dần. Trước tiên là phân dị kết tinh khoáng vật Silicat chứa nhiều Fe, Mg. Quan sát thấy được các khoáng vật sẫm màu sẽ kết tinh theo thứ tự lần lượt từ Olivin đến Pyroxen đến amphibol đến biotit. Các khoáng vật nhạt màu sẽ kết tinh theo thứ tự lần lượt anoctit (Pagioclaz Ca) đến andenzin (Plagis laz trung tính) đến anbit (Plag, Na) đến óctola (Fenpat Kali), Thạch anh. Sự phân dị kết tinh cũng như phân dị dung li đều chịu ảnh hưởng của tác động trọng lực. Vì vậy các khoáng vật thuộc nhóm olivin có tỷ trọng lớn sẽ lắng đọng ở đáy còn các khoáng vật nhẹ như fenpat, thạch anh sẽ nổi ở trên, do đó hình thành các loại đá magma khác nhau. Trong khi phân dị, sau khi các khoáng vật silicat kết tinh xong, một số thành phần chất bốc được tương đối tăng lên. Khi nhiệt độ tiếp tục hạ thấp chúng hình thành magma tàn dự phân bố ở phần trên của magma hoặc ở 1 bộ phận nhất định. 3. Tác dụng phân dị khí thành: Trong magma tàn dư có rất nhiều chất bốc với đặc trưng là điểm nóng chảy thấp, thành phần bốc hơi nhiều, hoạt tính hoá học mạnh do đó dễ cùng với các kim loại trong magma nhất là các nguyên tố kim loại hiếm hoá hợp thành khoáng vật. Khi nhiệt độ và áp của magma hạ xuống, các khoáng vật này tách ra khỏi magma và đọng lại trong các khe nứt, các hốc trống của 23
đá vây quanh. Quá trình này xảy ra sau quá trình phân dị magma nên được gọi là quá trình phân dị khí thành. Nó dễ tạo ra nhiều khoáng sàng kim loại có giá trị. 4. Tác dụng đồng hoá hỗn nhiễm: đá vây quanh với magma có sự khác nhau nhiều về thành phần hoá học và tính chất vật lý. Vì thế khi magma xâm nhập vào đá vây quanh sẽ xảy ra sự trao đổi giữa hai loại. Nhiệt độ, áp suất cũng như tính chất hoá học của các thành phần magma sẽ làm cho phần tiếp xúc của đá vây quanh hoà tan, biến đổi, đưa thêm thành phần và magma. Quá trình đó chính là tác dụng đồng hoá hỗn nhiễm (assimilation - contamination). Mức độ đồng hoá hỗn nhiễm càng mạnh khi nhiệt độ macma càng cao, quy mô của thể macma càng lớn, sự khác biệt về thành phần vật chất của magma và đá vây quanh càng lớn và độ nứt nẻ của đá vây quanh càng nhiều. 1.4.Các loại Đá magma trong xây dựng 1.4.1.Đá magma xâm nhập * Granit (đá hoa cương) là loại đá axit có ở nhiều nơi, chủ yếu do thạch anh, fenspat và một ít mica, có khi còn tạo thành cả amfibon và piroxen. Granit có màu tro nhạt, hồng nhạt hoặc vàng, phần lớn có kết tinh hạt lớn. * Granit rất đặc chắc, khối lượng thể tích 2600 - 2700 kg/m 3, cường độ nén rất lớn (1200 - 2500kg/cm2), độ hút nước nhỏ (dưới 1%), khả năng chống phong hoá rất cao, độ chịu lửa kém, có một số loại có màu sắc đẹp. Đá granit được sử dụng rộng rãi trong xây dựng (ốp mặt ngoài nhà và các công trình đặc biệt, nhà công cộng, làm nền móng cầu, cống, đập ) * Syenit là loại đá trung tính, thành phần khoáng vật chủ yếu là octola, plagiocla, axit, các khoáng vật mầu xẫm (amfibôn, pryroxen, biotit), một ít mica, rất ít thạch anh. Sienit màu tro hồng, có cấu trúc toàn tinh đều đặn, khối lượng riêng 2,7 -2,9 g/cm3, khối lượng thể tích 2400 - 2800 kg/m3, cường độ chịu nén 1500 - 2000kg/cm2. Sienit được ứng dụng khá rộng rãi trong xây dựng. * Diorit là loại đá trung tính, thành phần chủ yếu là plagiocla trung tính (chiếm khoảng ¾), hocblen, augit, biotit, amfibôn và một ít mica và pyroxen. Diorit thường có màu xám, xám lục có xen các vết xẫm và trắng; khối lượng thể tích 2900 - 3300 kg/m3, cường độ chịu nén 2000 - 3500kg/cm 2. Diorit dai, chống va chạm tốt, chống phong hoá cao, dễ đánh bóng, nên được sử dụng để làm mặt đường, tấm ốp. * Gabro là loại đá bazơ, thành phần gồm có plagiocla bazơ (khoảng 50%) và các khoáng vật màu xẫm như pyroxen, amfibon và olivin. Gabro có màu tro xẫm hoặc từ lục thẫm đến đen, đẹp, có thể mài nhẵn, khối lượng thể tích 2900 - 3300 kg/m3, cường độ chịu nén 2000 - 3500kg/cm 2. Grabô được sử dụng làm đá dăm, đá tấm để lát mặt đường và ốp trang trí các công trình kiến trúc. 1.4.2.Đá magma phun trào * Diaba có thành phần tương tự gabro, là loại đá trung tính, có kết cấu hạt nhỏ, hạt vừa xen lẫn với kết cấu toàn tinh. Thành phần khoáng vật gồm có fenspat, pyroxen, olivin, màu tro sẫm hoặc lục nhạt, cường độ nén 3000 - 4000 kg/cm 2. Đá điaba rất dai, khó mài mòn, được sử dụng chủ yếu làm đá rải đường và làm nguyên liệu đá đúc. 24
* Bazan là loại đá bazơ, thành phần khoáng vật giống đá grabô. Chúng có cấu trúc ban tinh hoặc cấu trúc poocfica. Đá bazan là loại đá nặng nhất trong các loại Đá magma, khối lượng thể tích 2900 - 3500 kg/cm3, cường độ chịu nén 1000 - 5000kg/cm2 (có loại cường độ đến 8000kg/cm2), rất cứng, giòn, khả năng chống phong hoá cao, rất khó gia công. Đá bazan là loại đá phổ biến nhất trong xây dựng, được sử dụng để lát đường làm cốt liệu bê tông, tấm ốp chống ăn mòn * Andesit là loại đá trung tính. Thành phần của nó gồm plagiocla trung tính, các khoáng vật sẫm mầu (ambrifon, pyroxen)và mica; có cấu tạo ẩn tinh và cấu tạo dạng poocfia; có màu tro vàng, hồng, lục. Đá andesit có khả năng hút nước lớn, khối lượng thể tích 2200 ÷ 2700 kg/m3, cường độ chịu nén 1200 – 2400kg/cm2, chịu được axit nên được dùng để làm vật liệu chống axit. 2. Đá trầm tích (sedimentary rocks) 2.1.Khái niệm: Đá trầm tích hình thành do các tác dụng ngoại lực, phong hóa (phá hủy các đá có trước (magma, trầm tích hoặc biến chất), hoạt động của núi lửa, do từ vũ trụ rơi xuống, kết quả các quá trình hóa học, hoạt động của vi sinh vật ) bị lắng đọng tại chỗ hoặc bị di chuyển rồi lắng đọng lại liên kết vững chắc với nhau qua một quá trình biến đổi lâu dài dưới nhiệt độ, áp suất khác nhau mà hình thành một loại đá gọi là đá trầm tích. Đá trầm tích được phân ra: đá vụn, đá vụn núi lửa, đá sét, đá hoá học và đá sinh hoá. - Các đá trầm tích chiếm 5 % khối lượng các đá trong vỏ Trái đất (đá magma chiếm độ 95%) song lộ ra 75% diện tích trên bề mặt Trái đất (tính đến độ sâu 6 km theo Rukhin) phần chủ yếu là ở biển. - Đặc trưng rất lớn của đá trầm tích là: + Tính phân lớp do chủ yếu là kết quả của sự phân dị (phân dị trọng lực) trong quá trình lắng đọng. Hình thành từng lớp phân biệt được bởi sự khác nhau về thành phần, độ hạt, màu sắc + Trên mặt lớp của đá trầm tích thường có cấu tạo riêng như khe nứt khô, vết sóng vết sinh vật gọi là cấu tạo mặt lớp. + Trong đá trầm tích có thể chứa di tích sinh vật hoá đá. đó là cơ sở để xác định mối tương đối. Một số đá do khoáng vật tạo thành. + Kiến trúc hạt và xi măng gắn kết (đối với đá vụn) Hầu hết các công trình xây dựng đầu sử dụng đất đá trầm tích làm nền hoặc vật liệu xây dựng. 2.2.Đá trầm tích núi lửa Ngoài các loại đá đặc chắc ở trên, trong Đá magma phún xuất còn có đá bọt, tup phún xuất, tro và tup dung nham. Các loại đá này bên cạnh việc hình thành do kết tinh nhanh như đá phún xuất còn lắng đọng theo quy luật trầm tích. Nhiều tác giả Liên Xô cũ xếp loại đá này sang đá trầm tích. * Tro núi lửa: thường ở dạng bột, giống nhau màu xám. Những hạt lớn gọi là cát núi lửa. Đá bọt, là loại thuỷ tinh núi lửa, rất rỗng (độ rỗng đến 80%) được tạo thành khi dung nham nguội lạnh nhanh trong không khí. Đá bọt có kích thước 5- 30mm, khối lượng thể tích 500 kg/m3, độ hút nước thấp vì các lỗ rỗng lớn và kín, hệ 25
số truyền nhiệt nhỏ (0,12 - 0,2 kCal/m. 0C.h, cường độ chịu nén 20 - 30kg/cm 2. Cát núi lửa, đá bọt được dùng làm cốt liệu cho bê tông nhẹ, còn bột thì làm vật liệu cách nhiệt và bột mài. * Tup núi lửa: là loại đá rỗng, được tạo thành do quá trình tự lèn chặt tro núi lửa. Loại tup núi lửa chặt nhất gọi là tơrat. Tup núi lửa đá bọt cũng như tro núi lửa thường dùng làm phụ gia hoạt tính chịu nước cho chất kết dính vô cơ. * Tup dung nham do tro và cát núi lửa rơi vào trong dung nham nóng chảy sinh ra. Nó là loại đá thuỷ tinh rỗng có màu hồng, tím , khối lượng thể tích 750 ÷ 1400 kg/m3, cường độ chịu nén 60 - 100kg/cm 2, hệ số dẫn nhiệt trung bình là 0,3 kCal/m.0C.h. Trong xây dựng, tup dung nham được xẻ thành bloc để xây tường, sản xuất đá dăm cho bê tông nhẹ. 2.3.Phân loại và đặc tính của một số đá trầm tích 2.3.1.Trầm tích vụn -Cuội, sỏi (sỏi, sạn laterite) -Cát: Tầng cát chứa nước dưới đất rất tốt, khi có tải trọng cát bị nén chặt nhanh nhưng đôi lún không lớn. Nền cát không thích hợp với những công trình chịu tải trọng chấn động. -Đất cát pha: có lượng hạt sét từ 2-10%, có một ít tính dính, khi cát pha có thành phần hạt bột trên 30% thì phát sinh hiện tượng bùn nhão khi gặp nước. -Đất sét pha: có lượng hạt sét từ 10-30%, có tính dẻo tương đối lớn, tính thấm nước nhỏ, thường làm vật liệu đắp, tính ép co so với cats tăng lên rõ rệt. -Đất sét: Có tính dẻo, tính dính, trương nở và ép co lớn,độ lún nền phụ thuộc vào thời gian do trên bề mặt hạt sét có hấp thụ một màng nước tương đối dày. Trong thực tế coi đất sét không thầm nước. -Đá cuội, đá dăm: là loại trầm tích vụn đã được gắn kết mà hàm lượng cỡ hạt đường kính lớn hơn 2 mm chiếm trên 50%. Loại tròn cạch là đá cuội, loại góc cạnh là đá dăm. -Đá cát (cát kết-sa thạch): là loại đá do cát gắn kết lại mà thành. -Bột kết: Tính giống như cát kết nhưng cường độ nhỏ hơn -Sét kết: là do đất sét thoát nước kết chặt sít lại và thường tạo thành các lớp mỏng. 2.3.2.Trầm tích sinh hóa -Đá vôi (CaCO3): Thành phần chủ yếu là calcite, dolomit và một số tạp chất như thạch anh, sét, pirit Đá vôi chứa dolomit (CaCO3.MgCO3) trên 50% thì gọi là đá dolomit. 26
3.Đá biến chất (metamorphic rocks) 27
3.1.Khái niệm: Đá biến chất là do đá magma hay đá trầm tích dưới tác dụng của nhiệt độ cao, áp lực lớn hay do các phản ứng hóa học với magma bị biến đổi mãnh liệt về thành phần và tính chất tạo thành. Đá biến chất do các đá trước (magma, trầm tích hoặc biến chất) trong điều kiện tác dụng mới của nhiệt độ, áp suất và tác dụng của các dung dịch hoá học làm cho chúng thay đổi về thành phần, kiến trúc, cấu tạo để hình thành loại đá mới. Đá biến chất phân thành các loại đá chính: đá biến chất tiếp xúc, đá biến chất trao đổi (nhiệt dịch khí thành), biến chất động lực, biến chất khu vực (biến chất nhiệt động). Người ta còn phân biệt: đá đơn khoáng là đá hình thành chỉ có một khoáng vật, đá đa khoáng là đá hình thành với tập hợp nhiều loại khoáng vật. 3.2.Những đặc trưng của đá biến chất: + Cấu tạo đặc trưng: Thớ phiến, dạng phiến (bị ép định hướng) cấu tạo khối giống đá macma, cấu tạo biến chất (hình thành trong quá trình biến chất), cấu tạo sót (giữ lại cấu tạo của đá nguyên thủy). + Kiến trúc đặc trưng: kiến trúc biến tinh (do khoáng vật tái kết tinh hình thành). Kiến trúc sót (giữ lại các kiến trúc nguyên thủy), kiến trúc cà nát (hạt có thể vỡ đều hay không đều). 3.3.Phân loại và đặc tính một số đá biến chất chính -Đá có cấu tạo gneiss: -Đá có cấu tạo phiến: philit và đá phiến -Đá có cấu tạo khối: quaczit và đá hoa. 1. Các đá biến chất động lực: Yếu tố gây biến chất do động lực định hướng, gồm các đá như dăm kết kiến tạo, kataclazit (hạt dăm nhỏ từ 1 - 2mm) milonit (hạt nhỏ hơn 1 đến 2mm) blatonmilonit (không nhận ra khoáng vật nguyên thuỷ, dạng vảy) filonit (hạt rất mịn đôi khi vi uốn nếp). 2. Các đá biến chất nhiệt: Biến chất trong điều kiện nhiệt độ từ 500 đến 12000C với áp suất P = 3000 bar. Gồm các đá như đá phiến đốm, đá sừng, đá hoa, quaczit. đá sừng cũng có thể từ đá macma bizic, và trung tính biến thành. 3. Các đá biến chất trao đổi: Quá trình biến chất xảy ra thường là do sự trao đổi thành phần của macma granitoit và syenit với đá vây quanh. Thuộc loại này gồm các đá như đá xkacnơ, greizen, secpentinit. Căn cứ nhiệt độ người ta chia ra 3 giai 28
đoạn biến chất trao đổi. Giai đoạn macma nhiệt độ lớn hơn 6000C, giai đoạn khí thành, nhiệt độ từ 600 đến 3750C và giai đoạn nhiệt dịch, nhiệt độ nhỏ hơn 3750C. 4. Các đá biến chất khu vực (nhiệt động) được hình thành trong một khu vực rộng lớn dưới tác dụng của hoạt động macma, kiến tạo. Các đá gồm đá phiến (có thể từ đá sét, đá macma bazic, trung tính, macnơ, siêu bazic, trầm tích boxit), đá phiến kết tinh (mức độ biến chất mạnh hơn có định hướng rõ, tái kết tinh) đá gơnai (do biến chất khu vực mạnh, các khoáng vật chính là fenpat ít hơn 40% thạch anh có từ 30 đến 40%, amphibolit (thành phần chủ yếu là hocblen, plagipocla), granulit (biến chất khu vực cao), eclogit (biến chất khu vực cao nhất, tạo thành từ pyroxen granat). Ngoài ra còn có đá hoa, đá quaczit. Tác dụng biến chất là tác dụng làm biến đổi về thành phần vật chất, kiến trúc, trong điều kiện nội sinh. Thông thường là do sự nâng cao áp suất, nhiệt độ và tham gia thêm của các chất lỏng như nước, CO 2, nhiệt dịch có chứa các ion Na, K, Ca và cả F, B và S. Kết quả của quá trình phát biến là tạo ra các đá biến chất. Đá nguyên thuỷ của các đá biến chất có thể là đá trầm tích, đá macma hoặc cả đá biến chất đã hình thành trước đó. Vì vậy đá biến chất được xem như là nhóm đá thứ ba lớn cùng với nhóm đá macma và nhóm đá trầm tích. Thực chất của quá trình biến chất là sự hình thành các đá mới trong điều kiện cân bằng địa chất mới, khác với điều kiện tồn tại của đá chưa biến chất. Bằng thực nghiệm, người ta cũng ta cũng tạo ra những khoáng vật biến chất. Ví dụ một số khoáng vật sét trên mặt (biển sinh) trong điều kiện áp lực bình thường nếu nhiệt độ tăng lên 4000C thì có thể biến thành mica. 29
CHƯƠNG 3: ĐỊA CHẤT KIẾN TRÚC 1. Đại cương về tác dụng kiến tạo của vỏ trái đất Những hoạt động lún chìm, nâng cao, dồn ép của vỏ Trái đất tạo ra những nếp uốn, đứt gãy, hình thành nên những cấu trúc của nó - là những hoạt động kiến tạo. Dao động thẳng đứng hay chuyển động thăng trầm của vỏ Trái đất thường xảy ra trong một phạm vi rộng lớn làm thay đổi vị trí của lục địa hay đại dương. Khi mặt đất nâng lên, biển rút ra, lục địa được mở rộng gọi là biển lùi. Ngược lại, khi lục địa hạ thấp, nước biển tràn vào gọi là biển tiến. Chuyển động ngang hay chuyển động uốn nếp tạo núi và đứt gãy. Điều kiện cơ bản làm cho đá uốn nếp là tốc độ chuyển động phải nhỏ và lâu dài. Trường hợp lực kiến tạo gây ứng suất vượt quá độ bền của đá, tầng đá sẽ nứt nẻ, tạo thành khe nứt, đứt gãy. Dấu vết mực nước biển ở Hà Tiên 2.Các dạng biến vị của đất đá */ Thế nằm ban đầu của các lớp đá trầm tích là nằm ngang */ Thế nằm nghiêng AB đường phương OC đường dốc OC' hướng dốc - góc dốc lớp đá */ Xác định các yếu tố thế nằm của lớp đá thông qua 3 hố khoan. 30
2.1. Nếp uốn làm tầng đá ban đầu nằm ngang bị uốn cong, nghiêng đảo đi nhưng không mất tính liên tục của nó. - Nếp uốn lồi là dạng uốn cong của các lớp đá, hướng bề lồi lên phía trên. Vùng trung tâm của nếp uốn lồi đất đá có tuổi già hơn đất đá xung quanh. - Nếp uốn lõm là dạng uốn cong của các lớp đá, hướng bề lõm xuống phía dưới. Vùng trung tâm của nếp uốn lõm đất đá có tuổi trẻ hơn đất đá xung quanh. 2.2. Biến dạng đứt gãy làm cho tầng đá mất tính liên tục và hoàn chỉnh. Ở mức độ biến vị thấp trong đá xuất hiện các khe nứt. Khi cường độ lực tác dụng lớn hơn thì xảy ra sự dịch chuyển các phần của tầng đá với nhau, tạo ra đứt gãy. Đứt gãy thuận (phay thuận): là những đứt gãy trong đó mặt đứt gãy dốc về phía đá tụt xuống. Khi đứt gãy là ranh giới của 2 lọai đất đá khác nhau, mặt đứt gãy hướng về phía đất đá có tuổi trẻ hơn là đứt gãy thuận. Đứt gãy nghịch (phay nghịch): là những đứt gãy trong đó mặt đứt gãy dốc về phía đá trồi lên. Khi đứt gãy là ranh giới của 2 lọai đất đá khác nhau, mặt đứt gãy hướng về phía đất đá có tuổi già hơn là đứt gãy nghịch. Đứt gãy ngang (phay ngang): là những đứt gãy mà các đất đá có cùng chuyển dịch theo phương ngang. 31
Vết nứt đông phi Sự dịch chuyển mảng 32
CHƯƠNG 4: ĐỊA CHẤT LỊCH SỬ 1.Đại cương về địa chất lịch sử Địa chất lịch sử là một môn học nghiên cứu về hoàn cảnh và thời gian hình thành, quá trình tồn tại và biến đổi của đất đá ở vỏ Trái đất. Địa chất lịch sử có các nhiệm vụ: - Xác định trình tự thành tạo các đá theo thời gian (tuổi của đá) - Xác định hoàn cảnh tự nhiên, nghiên cứu lịch sử các chuyển động kiến tạo, các cấu trúc, các quá trình của đá magma -Xác lập lại các giai đoạn phát triển của vỏ Trái đất, lịch sử và qui luật hình thành các dạng kiến trúc địa chất trên vỏ Trái đất Hình thái mặt đất ngày nay - địa hình - là sản phẩm của các quá trình địa chất lâu dài và phức tạp, có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động xây dựng. Khoa học nghiên cứu địa hình có xét đến nguyên nhân hình thành và xu thế phát triển địa hình gọi là Địa Mạo. 2.Các phương pháp xác định tuổi đất đá Tuổi của đất đá là khoảng thời gian từ khi đất đá được hình thành cho đến nay. 2.1.Phương pháp xác định tuổi tuyệt đối: Phương pháp đồng vị phóng xạ Đối với các loại đá cổ, người ta sử dụng các nguyên tố bán hủy dài như nguyên tố Th, U, còn đá trẻ là nguyên tố có chu kỳ bán hủy ngắn như carbon phóng xạ (C14). Tốc độ của quá trình phá hủy phóng xạ ở mỗi loại nguyên tố không thay đổi. Chu kỳ bán hủy của mỗi nguyên tố phóng xạ là thời gian mà một khối lượng nào đó của chất phóng xạ bị phá hủy đi một nửa để biến thành đồng vị bền vững. Trong đá macma thường chứa cả U và Th, đồng thời chì thường thấy có nguyên tử lượng là 207,2 là hỗn hợp của hai đồng vị nên ta thường tính tuổi theo công thức sau: Pb206 Pb208 t x7,4x109 U 0,38Th Đối với những đá trẻ có tuổi 50.000 năm hay trẻ hơn (trầm tích Đệ Tứ) thường sử dụng những nguyên tố có chu kỳ bán hủy ngắn hơn, ví dụ nguyên tố C14. 2.2.Phương pháp xác định tuổi tương đối của đất đá Là xác định thứ tự hình thành các lớp đá, tìm ra lớp đá thành tạo trước, lớp đá thành tạo sau. *Phương pháp địa tầng: dựa trên quan hệ thế nằm của các tầng đá để xác định tuổi tương đối của chúng và các hiện tượng địa chất khác. 33
*Phương pháp thạch học: xác lập một tầng đá chuẩn (có những tính chất đặc biệt về thành phần, màu sắc, bề dày ) rồi so sánh với các tầng khác. So sánh và hợp nhất địa tầng các mặt cắt theo thành phần đá 5 4 5 1 4 3 3 2 2 1 Áp dụng phương pháp thạch học địa tầng để lập cột địa tầng trong vùng phát triển đá xâm nhập và đá trầm tích. 2.3.Niên biểu địa chất 34
Theo niên biểu địa chất hiện tại thì lịch sử phát triển địa chất của vỏ Trái đất được chia ra là 5 Đại (Era). Trong mỗi đại lại chia ra các Kỷ (Period), trong kỷ chia ra nhiều Thế (Epoch). Các tập đá được thành tạo tương ứng với các đại, kỷ, thế, là các Giới, Hệ, Thống, được thể hiện theo bề dày của tập và đặc trưng về thạch học cùng các tính chất khác gọi là thang địa tầng. Trên bản đồ địa chất người ta thể hiện tuổi đất đá bằng màu và ký hiệu chữ Latinh. 3.Sơ lược lịch sử phát triển vỏ trái đất Theo Saurin, quá trình phun trào bazan bắt đầu từ cuối Plioxen vẫn tiếp diễn ở đầu kỷ Đệ Tứ. Hoạt động phun trào bazan phổ biến rộng rãi ở phía nam Đông Dương. Ở Đông Nam Bộ, nam Tây nguyên, đông Campuchia đá bazan phủ trên một diện tích rộng lớn. Hoạt động phun trào bazan kết thúc vào Pleixtocene hạ. Từ đầu Đệ Tứ, 2 vùng sụp võng hình thành ở châu thổ sông Cửu Long - Đồng Nai ở miền Nam và sông Hồng ở miền Bắc. Ở châu thổ sông Cửu Long - Đồng Nai biên độ sụp võng dựa theo bề dày trầm tích Q ở gần sông Sài Gòn không ít hơn 200m và có thể đạt tới 400m. Ở sông Hồng biên độ sụp lún đạt tới 200 - 300m. Trong thành phần trầm tích Q ở đây có sự xen kẽ giữa trầm tích lục địa và trầm tích biển. Trong Holocene trên lãnh thổ Đông Dương vẫn tiếp tục mạnh mẽ hoạt động kiến tạo. Có lẽ nhiều đứt gãy vẫn tiếp tục hoạt động. Bên cạnh đó là ảnh hưởng của hoạt động macma dưới sâu thể hiện ở sự hình thành nhiều suối nước nóng ở rải rác nhiều địa phương khắp Đông Dương. 4. Địa mạo 4.1. Phân loại địa hình 35
Theo nguồn gốc địa hình có thể chia ra địa hình kiến tạo, địa hình xâm thực bóc mòn, địa hình bồi tụ, mà hình thái bên ngoài thường phản ánh trung thành cấu tạo bên trong và lịch sử tồn tại của địa hình đó. 4.2 . Các nhân tố hình thành địa hình 1 . Nhân tố kiến tạo 2 . Nhân tố đất đá 3 . Nhân tố khí hậu 4.3 . Địa mạo với các công trình xây dựng Khi xây dựng đập, thường chọn nơi có lũng sâu, hẹp nhằm làm cho khối lượng công trình là nhỏ nhất. Cần có vị trí bố trí các công trình kiến trúc khác như đập tràn, cống, nhà máy thủy điện, nên mặt cắt tuyến đập cần có bề rộng thích hợp. Khi xây dựng kênh cần chú ý độ dốc, mức độ phân cắt của địa hình, vì nó quyết định khối lượng đào đắp, số công trình phụ, hình thức kênh. Địa hình phân cắt mạnh làm cho tuyến kênh, đường giao thông phải kéo dài do lượn theo đường đồng mức địa hình hoặc phải bố trí các công trình vượt như cầu giao thông, cầu máng, xiphông, 36
CHƯƠNG 5: THÀNH PHẦN CẤU TRÚC VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT ĐÁ 1. Thành phần kết cấu của đất đá Đất đá được cấu tạo bởi 3 thành phần (3 pha): hạt rắn (pha rắn), dung dịch hoặc nước (pha lỏng) và các chất khí (pha khí). 1.1. Phần hạt rắn (pha rắn) Đối với đá cứng và nửa cứng - thành phần khoáng vật và tính chất các liên kết đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các tính chất cơ lý. Đối với đất - thành phần hạt, hình dạng, mức độ chặt sít, Các thành phần cấu trúc đất là các tinh thể riêng rẽ, các mảnh vụn đất đá tạo thành pha rắn và thể hiện thông qua các đặc trưng kích thước, hình dạng, đặc điểm bề mặt hạt rắn và hàm lượng của chúng. Kích thước hạt (theo tiêu chuẩn) Thành phần hạt và phân loại đất (theo tiêu chuẩn) Thành phần hạt của đất là hàm lượng các nhóm hạt có độ lớn khác nhau ở trong đất, được biểu diễn bằng tỷ lệ phần trăm so với khối lượng của mẫu đất khô tuyệt đối (sấy ở 105oC) đã lấy để phân tích. 100 0 10 90 P 20 80 P h h a a à à n n t t r r a a ê ê m 30 70 m c c ô ô õ õ h h a a ï ï t t 40 60 l n ô h ù n o û h h ô ô n n 50 ñ 50 ñ ö ö ô ô ø n ø n g g k k í 60 40 n í n h h 70 30 80 20 90 10 100 0 100 10 1 Ñöôøng kính côõ haït mm 0.1 0.01 0.001 HAÏT CAÙT HAÏT BUÏI HAÏT TEÂN CÔÕ ÑAÁT HAÏT SOÛI SAÏN Caùt to Caùt trung Caùt nhoû C.thaät nhoû Caùt buïi Buïi to Buïi nhoû seùt MAÃU SOÁ Ñöôøng kính côõ haït (mm) > 10 10 - 5 5 - 2 2 - 1 1- 0.5 0.5-0.25 0.25-0.1 0.1-0.05 0.05-0.01 0.01-0.005 5 đất rất không đồng đều (cấp phối tốt). Đất cấp phối tốt có Cg = 0,5 – 2,0.Tỷ diện tích là tỷ lệ diện tích mặt ngoài của vật liệu với khối lượng hoặc thể tích của vật liệu đó. S  s Tỷ diện tích: m Ví dụ: đất đỏ nâu trên bazan (Tây Nguyên) – 12,6 m2/100g; đất vàng đỏ trên granite – 9,44 m2/100g. 37
Mẫu cát mịn lẫn bột có hệ số rỗng e = 0,850. Mẫu cát thô có hệ số rỗng e = 0,650. Mẫu bùn sét có hệ số rỗng e = 2,050. Hệ số thấm của mẫu đất nào lớn nhất, nhỏ nhất, tại sao? Giá trị  tăng theo mức độ phân tán, độ tăng các góc cạnh và độ nhám bề mặt. Giá trị  thay đổi trong phạm vi rộng: trong cát:  = 0,001  0,1 m2/g; trong cát pha và sét pha:  = 0,1  10 m2/g; trong sét:  = 10  100 m2/g; trong đất phân tán cao (sét nặng):  = 100  800 m2/g. 1.2. Nước trong lỗ rỗng của đất đá (pha lỏng) Dựa vào mối liên kết giữa nước với các hạt đất đá chia ra: -Nước trong khoáng vật của đất đá -Nước kết hợp mặt ngoài: được giữ lại trên bề mặt hạt sét do các tác dụng hóa học, hóa – lý và điện phân tử. Sơ đồ biểu thị sự phân cực của nước Tùy theo mức độ kết hợp mạnh yếu khác nhau, nước kết hợp mặt ngoài hạt đất chia ra nước hút bám và nước màng mỏng: a)Nước hút bám: Tỷ trọng lớn hơn 1. Đối với đất cát là 0,5%, đối với đất sét pha là 5 - 7%và đối với đất sét là 10 - 20%. Khi đất sét chỉ có nước hút bám thì đất ở trạng thái cứng. b) Nước màng mỏng: chia ra nước liên kết chặt và nước liên kết yếu. - Nước liên kết chặt bám tương đối chặt xung quanh hạt đất, độ ẩm tương ứng với bề dày lớn nhất của nước hút bám và nước liên kết chặt gọi là lượng chứa nước phân tử lớn nhất của đất. Khi trong đất chỉ có nước liên kết chặt thì đất ở trạng thái nửa cứng. - Nước liên kết yếu là phần bao ngoài của nước màng mỏng. Khi trong đất có chứa loại nước này thì đất ở trạng thái dẻo. Sự có mặt của nước kết hợp làm cho đất có tính dẻo; nó còn có tác dụng bịt kín các lỗ hổng giữa các hạt đất làm cho tính thấm giảm đi hoặc thậm chí không thấm. -Nước tự do là nước nằm ngoài ảnh hưởng của lực hút về phía hạt gồm: Nước mao dẫn tồn tại trong lỗ rỗng, khe nứt nhỏ của đất đá (bề rộng<2mm) dưới ảnh hưởng của lực mao dẫn. C h Chiều cao mao dẫn: k ed Ở đây: e – hệ số rỗng của đất 10 d10 – đường kính hữu hiệu Hệ số C = 10  40: biến đổi tùy theo thành phần và hình dạng hạt. 38
Nước trọng lực: Nước trọng lực có khả năng dịch chuyển dưới tác dụng của trọng lực hay do sự chênh lệch áp lực. 1.3. Khí trong lỗ rỗng của đất đá (Pha khí) Khí trong đất có thể ở trạng thái tự do, hút bám hoặc bọc kín hay hòa tan. Khí bọc kín và khí hòa tan làm tăng tính đàn hồi, kéo dài quá trình cố kết, làm giảm khả năng thấm của đất. 2.Các tính chất vật lý Khối lượng thể tích của đất đá tự nhiên: là khối lượng của một đơn vị thể tích 3 3 Q đất ký hiệu , đơn vị: (T/m , g/cm ). V Khối lượng thể tích đất khô: là khối lượng của một đơn vị thể tích đất khô 3 3 Qs hoàn toàn ký hiệu , đơn vị: (T/m , g/cm ). d d V Khối lượng riêng của hạt: là khối lượng của một đơn vị thể tích chỉ riêng 3 3 Q phần hạt rắn ký hiệu s, đơn vị: (T/m , g/cm ). s s Vs Khối lượng thể tích đẩy nổi: là khối lượng của một đơn vị thể tích đất khi cân trong nước ký hiệu , đơn vị: (T/m3, g/cm3). Q .V sub s w s sub V Độ ẩm: là tỷ số giữa khối lượng nước và khối lượng đất khô (khối lượng phần cốt đất), ký hiệu W, đơn vị tính % Q W % w Qs 39
Độ bão hòa: là tỷ số giữa thể tích nước trong lỗ rỗng so với thể tích toàn bộ lỗ rỗng, ký hiệu là S , đơn vị tính là %. V V r n% r 100% e r Độ rỗng n và hệ số rỗng e: V Vs Các công thức liên hệ: Khối lượng thể tích đất khô: d 1 W Hệ số rỗng: s Độ rỗng: e e 1 n 100% d 1 e 1 W s s S sub Độ bão hòa: r Khối lượng thể tích đẩy nổi: 1 e e w Các giới hạn Atterberg: Đặc điểm quan trọng của trạng thái vật lý của đất loại sét là độ sệt. Giới hạn nhão (WL) của đất loại sét được xác định (theo TCVN) bằng hai phương pháp: Casagrande hoặc Vaxiliev. Giới hạn dẻo (WP). Khoảng độ ẩm mà trong phạm vi giới hạn của chúng đất loại sét ở trạng thái dẻo được gọi là chỉ số dẻo Ip= (WL-WP). Độ sệt: W WP I L I P 3. Một số tính chất cơ học Tính chất cơ học của đất đá bao gồm: Tính biến dạng Tính bền (Cắt và nén là 2 hình thức chủ yếu làm mất độ bền của đất đá) 3.1. Ứng suất và biến dạng của đất đá Khi có tác dụng của ngoại lực thì bên trong khối đá xuất hiện các lực chống lại – nội lực, hình thành ứng suất trong đất đá. Lực tác dụng vào vật liệu và làm thay đổi kích thước của vật liệu gọi là áp lực. Ứng suất - là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích. Biến dạng - tỷ số biến đổi về chiều dài, chiều rộng hay chiều cao. Ứng suất và ứng suất hữu hiệu: tải trọng Q tác dụng phân bố đều lên một tiết diện A của mẫu đất. Tải trọng thực sự tác dụng lên phần hạt rắn của mẫu đất là Q’. Theo thực nghiệm người ta vẽ được đồ thị ứng suất – biến dạng. Ứng suất tổng: Q h   100% A ho 40
với h – biến dạng dọc trục; ho – chiều cao ban đầu của mẫu (thường mẫu hình lăng trụ có chiều cao ho=2d); d – đường kính mẫu; A – tiết diện ngang của mẫu ứng với tải trọng ngoài Q. Q q cr  Cường độ sức chịu nén: u Module biến dạng: E A  Q'  ' Ứng suất hữu hiệu: A Q = Q’ + uAr Q Q' A Q' A u r u 1 c A A A A A Ở đây Ac diện tích tiếp xúc giữa các hạt rắn và tải trọng. Do diện tích tiếp xúc trực tiếp giữa các hạt rắn và tải trọng rất bé, do đó tỷ số Ar/A 1. Như vậy:  = ’ + u Ac 41
Có 3 loại ứng suất: kéo (tensional), nén (compressional) và cắt (shear). A P A 1 cos n Ứng suất  (ứng lực trên một đơn vị diện P tích) trên một tiết diện được phân ra ứng suất pháp P p  và ứng suất tiếp . P t Theo phương pháp tuyến (Pp) và tiếp tuyến (Pt) của tiết diện này được tính theo: n Pp = P.cos ;P t = P.sin Khi đó ứng suất pháp  và ứng suất tiếp  sẽ bằng: Pp 1 Pt 1   (1 cos 2 )  1 sin 2 1 A 2 A1 2 1     1 pmax 1 max 2 Áp suất và nhiệt độ cao cùng cho phép biến dạng kết tinh và nội kết tinh thông qua cơ chế dẻo nhớt. Khi đó biến dạng địa chất là do sự uốn nếp chứ không phải do đứt gãy. Nguồn gốc ứng suất trong lòng đất: Trong đá trầm tích nằm ngang ứng suất thẳng đứng được lấy bằng trọng lượng của từng lớp riêng nằm trên: v = (t11 + t22 + + tnn) Ứng suất “lịch sử” do xói mòn Ảnh hưởng của địa hình Ứng suất kiến tạo 3.2. Môđun biến dạng Biến dạng thường được định nghĩa như là tỷ số không thứ nguyên của L dL biến thiên chiều dài L đối với chiều dài ban đầu:  L L Theo Robert Hooke, đối với nhiều vật liệu biến dạng nhỏ, biến dạng có thể phục hồi và tỷ lệ tuyến tính với ứng suất. Định luật Hooke:  = E. Module biến dạng tổng quát E o bằng tỷ số giữa ứng suất với biến dạng tổng quát eo (gồm biến dạng đàn hồi và biến dạng dư), tức là Eo=/ eo. Đặc trưng thứ hai cho tính đàn hồi của đá là hệ số nở hông ,  =  x/z.  còn gọi là hệ số Poisson, trị số  của đá cứng và nửa cứng từ 0,10 đến 0,40. 3.3. Một số tính chất cơ học của đất 3.3.1.Biến dạng của đất 42
2.00 1.80 e 1.60 g n ã o r á 1.40 o s ä e H 1.20 1.00 0.80 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 AÙp löïc neùn P (kG/cm2) hệ số rỗng của đất tương ứng với trị số cấp tải trọng nào đó: ei = eo – ( h/ho).(1+eo) 3.3.2. Cường độ chống nén và kéo của đất đá Cường độ chống nén của đất đá thường được xác định bằng cách nén đến phá hoại một mẫu trong điều kiện nở hông tự do. P q nh u A 3.3.3. Cường độ chống cắt của đất đá Dưới tác dụng của ngoại lực, trong một bộ phận nào đó của đất đá, liên kết giữa các hạt bị phá hủy và xảy ra trượt (chuyển dịch) của phần này với phần khác, ví dụ như trượt mái dốc, trồi đất dưới móng công trình.  T  Cắt 3 - 4 mẫu đất với giá trị ứng suất pháp  khác nhau - Cho máy cắt với tốc độ 1-3 mm/min đến khi nào mẫu bị phá hoại; ghi lại giá trị () ứng với lúc đồng hồ đo ứng lực ngang đạt giá trị max. Khi cắt, độ bền không nên đặc trưng bằng các thông số ứng suất tới hạn ( hay ) vì chúng luôn thay đổi. Mối liên Như vậy, và c là các thông số độ bền của đất khi cắt hệ giữa ứng suất tiếp giới hạn và ứng suất pháp  = f() được mô tả bằng phương trình đường thẳng:  = tg + c. Quan hệ giữa cường độ chống cắt và áp lực pháp tuyến có thể xem như quan hệ đường thẳng và biểu diễn bằng phương trình Coulomb: 43
 = tg + c 4.Xác định chỉ tiêu tính chất cơ lý tổng hợp (trị tiêu chuẩn) và trị tính toán của đất 4.1. Phân loại chỉ tiêu trong đơn nguyên địa chất công trình Đất đá trong tự nhiên thường ít đồng nhất và liên tục trong phạm vi đáng kể. Do đó, để đảm bảo mức độ chính xác và độ tin cậy của các chỉ tiêu cần có một số lượng thí nghiệm nhất định. Khi tính toán nền theo trạng thái giới hạn II (giới hạn biến dạng) dùng chỉ tiêu tiêu chuẩn để đánh giá nền và kiểm tra biến dạng; cần dùng chỉ tiêu tính toán để kiểm tra cường độ (trạng thái giới hạn I). Hai điều kiện cần thiết khi xác định chỉ tiêu tổng hợp: 1/ Đất đá có tính đồng nhất ở mọi điểm khảo sát như thành phần khoáng vật, kiến trúc, cấu tạo, trạng thái vật lý, 2/Tính chất của đất đá không phụ thuộc vào vị trí điểm kháo sát, lớp đất đá không có tính dị hướng. Như vậy, trước khi tìm chỉ tiêu tổng hợp phải tiến hành phân chia nền đất đá thành các đơn nguyên địa chất công trình. Một đơn nguyên địa chất công trình là một khối đất đá đồng nhất có cùng tên gọi và thỏa mãn: Các đặc trưng đất đá trong phạm vi đơn nguyên biến thiên không có tính quy luật; Nếu các đặc trưng đất đá biến thiên có quy luật thì quy luật này có thể bỏ qua. Phân Chia Các Đơn Nguyên Địa Chất Công Trình Tiến hành phân chia sơ bộ đất đá thuộc khu vực khảo sát thành các đơn nguyên địa chất công trình có xét tới tuổi, các đặc điểm cấu tạo, kiến trúc và tên gọi đất. Kiểm tra sự đúng đắn của việc phân chia trên, trên cơ sở đánh giá sự biến đổi theo không gian của các đặc trưng dùng các chỉ tiêu và tính chất của đất sau đây: Đối với đất vụn thô – dùng thành phần cấp phối hạt, hệ số rỗng và bổ sung thêm độ ẩm chung và độ ẩm chất lấp nhét lỗ rỗng. Đối với cát – dùng thành phần cấp phối hạt, hệ số rỗng và bổ sung thêm độ chặt. Đối với đất sét – dùng các đặc trưng tính dẻo, hệ số rỗng và độ ẩm. Nếu xác định được tính biến thiên của các đặc trưng đất đá không có quy luật trên mặt bằng và theo chiều sâu đơn nguyên thì tính toán các giá trị đặc trưng tiêu chuẩn và đặc trưng tính toán. Không cần loại bỏ các giá trị đặc trưng của đất đá nếu sự biến thiên của các đặc trưng này trong cùng đơn nguyên địa chất công trình có tính quy luật, hệ số biến thiên (V) và chỉ số độ tin cậy () không vượt quá các giá trị trong 44
bảng. Nếu giá trị V lớn hơn giá trị ghi trong bảng thì phải phân nhỏ đơn nguyên địa chất công trình. Khi xác định ranh giới phân chia đơn nguyên địa chất công trình phải xét tới các yếu tố sau đây: Mực nước dưới đất; • Sự tồn tại của các vùng có nhiều tàn tích thực vật; • Sự tồn tại các vùng có mức độ phong hóa khác nhau trong đá và trong đất tàn tích; • Sự tồn tại của các loại đất lún ướt, trương nở, nhiễm mặn; Bảng 1: Các trị số giới hạn của V và  khi tìm trị trung bình 4.2. Xác định chỉ tiêu tổng hợp (trị tiêu chuẩn) của đặc trưng Chỉ tiêu tổng hợp là trị số trung bình của một đặc trưng (tính chất cơ lý). - Giá trị trung bình cộng của kết quả xác định riêng được lấy làm giá trị tiêu chuẩn của tất cả các đặc trưng đất đá (trừ c và ). - Các giá trị riêng của các đặc trưng của đất đá phải xác định theo một phương pháp thống nhất. a) Kiểm tra tập hợp (số liệu thí nghiệm) trong phạm vi đơn nguyên địa chất công trình để loại bỏ số liệu chứa sai số lớn, n -Trị trung bình số học 1 X X  X i n i 1 n 1 2 S  X X -Độ lệch quân phương trung bình tổng hợp: th  i n i 1 CHƯƠNG 5: NƯỚC DƯỚI ĐẤT 45
Nước dưới đất là nước tự do chứa trong lỗ rỗng và khe nứt của đất đá. Khi chuyển động trong các lỗ rỗng, nước dưới đất sẽ gây trở ngại cho việc thi công và điều kiện làm việc công trình: gây ngập hố móng, xói ngầm, cát chảy, 1. Các tính chất chứa nước của đất đá Độ chứa nước của đất đá là độ ẩm (W). Hệ tầng đất đá bở rời hoặc nứt nẻ chứa đầy nước trọng lực được gọi là tầng chứa nước hoặc lớp chứa nước. Hệ tầng đất đá thấm nước yếu hoặc không thấm được gọi là tầng cách nước. Ngoài các lớp đá cứng, các lớp sét cứng, nửa cứng được xem là tầng không thấm nước. Chỉ tiêu đặc trưng cho khả năng thoát nước của đất đá là độ thoát nước :  = Vwr / V Đối với đất sét thì  0; đối với đất cát, cuội sỏi thì  n (độ rỗng). 2. Chất lượng và trữ lượng của nước dưới đất 2.1.Chất lượng nước dưới đất Tính chất hóa học Các nguyên tố và ion đóng vai trò chủ yếu: - - 2- 2- 2+ 2+ + + Cl , HCO3 , SO4 , CO3 , Ca , Mg , Na , K , *Khí trong nước dưới đất * Phản ứng hoạt tính của nước (pH) Nước dưới đất bị phân ly: + - H2O  H + OH Trị số pH: pH = - lg[H+] Nước có phản ứng trung hòa: [H+] = [OH-] = 10-7 pH = -lg10-7 = 7 pH 7 : tính kiềm * Độ cứng: là tính chất của nước có chứa những hợp chất hòa tan của Ca2+ và Mg2+. - - Độ cứng cacbonat chỉ tính cho HCO3 Độ cứng được biểu diễn bằng meq hoặc độ Đức (1meq=2,8 độ Đức) Độ khoáng hóa: Tổng số các ion, các phân tử và các hợp chất khác chứa trong nước hợp thành lượng khoáng hoá của nước. Nước dưới đất có thể có tính chất ăn mòn bê tông. 46
Khả năng hòa tan của nước đối với CaCO 3 được xác định trước hết bởi 2- cacbonic ăn mòn có trong nước. Khi có cacbonic tự do, ion CO 3 không thể - có với lượng đáng kể vì nó sẽ phản ứng với cacbonic tạo thành HCO3 2+ - CaCO3 + H2O + CO2 Ca + 2HCO3 2- - Cacbonic ở dạng ion CO3 gọi là cacbonic liên kết, còn ở dạng HCO 3 - cacbonic bán liên kết. Một phần CO2 tự do chứa trong nước tham gia hòa tan CaCO3; còn phần kia gọi là CO2 cân bằng thì ở lại trong dung dịch và duy trì bicacbonat canxi trong dung dịch. Lượng cacbonic cân bằng xác định theo phương trình: CO 2 CO 2 lien ket 2 cân bang 34 3. Các hình thức hệ thống hóa kết quả thí nghiệm nước - Ion là dạng cơ bản biểu diễn kết quả phân tích nước. Các ion này tác dụng tương hỗ với nhau theo các tỷ số đương lượng nhất định vì vậy các kết quả phân tích có thể biểu diễn dưới dạng đương lượng. Xác định số mg của một đương lượng bằng cách lấy nguyên tử lượng chia cho hoá trị. Hàm lượng các ion trong nước thường được biểu diễn dưới dạng mg/l. Xác định số meq/l bằng cách lấy số mg/l chia cho số mg của một đương lượng. 4. Đánh giá chất lượng nước dùng trong xây dựng 47
5.Các loại nước dưới đất 5.1. Nguồn gốc sinh thành nước dưới đất, cột nước thủy lực và hướng chảy dòng ngầm Phổ biến và dễ thấy hơn cả là nước nguồn gốc do thấm từ nước mặt. 48
Tầng chứa nước có mái và tường là hai tầng cách nước thì tồn tại và vận động như nước trong ống áp lực, gọi là tầng nước áp lực. Ngược lại, tầng chứa nước có mái là một mặt thoáng tự do thì gọi là tầng nước không áp. Phương trình Bernulli thể hiện tổng năng lượng cho một đơn vị khối lượng tại một điểm bất kỳ của dòng nước dưới đất: Nếu dòng được xem như không có ma sát và không chịu nén theo phương vận động thì tổng 3 thành phần là hằng số, hay: Có thể bỏ qua thành phần v2/2g, tổng cột nước thủy lực h sẽ là: Từ đó: h = z + hp Tổng cột nước thủy lực bằng tổng cột nước cao trình và cột nước áp suất. Tổng cột nước h, cột nước cao trình z và cột nước áp suất hp Trong tính toán những bài toán thấm, để thuận tiện, người ta hay so sánh với một mặt chuẩn thường lấy là đáy cách nước và xem như giá trị z = 0. Phương pháp đơn giản nhất để xác định hướng dòng ngầm là phương pháp tam giác. 49
5.2. Các tầng chứa nước phân chia theo điều kiện phân bố 1.Nước thổ nhưỡng 2.Nước thấu kính (tầng nước trên) 3. Nước đụn cát 4. Nước ngầm 5. Nước áp lực (actezi) 6 . Nước nằm trong khe nứt của đá cứng: Do điều kiện khe hở lớn mà nước khe nứt vận động nhanh, thường ở dạng chảy rối và mang đặc tính của dòng chảy hơn là dòng thấm. Lấy điểm A ở độ sâu H - h dưới mực nước biển. Áp lực thủy tĩnh tại điểm A sẽ bằng:P A = (H – h) mặn.gỞ điểm B trong lục địa trên đường ranh giới giữa nước mặn và nước nhạt cũng ở độ cao H - h. Áp lực thủy tĩnh do nước nhạt gây ra sẽ bằng: PB = (H – h) nhạt.g + h nhạt.g Nước áp lực có thể gây bục đáy hố móng khi thi công. Điều kiện an toàn đáy hố móng: t  w (h + t) 50
6.MỘT SỐ QUY LUẬT VẬN ĐỘNG CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT 6.1. Cơ sở động lực học của sự thấm và một số quy luật thấm Giả thiết rằng: dòng nước dưới đất chiếm toàn bộ tầng chứa nước, bao gồm tất cả khe hổng và phần cốt (cứng) của môi trường. Như vậy, dòng vận động thực tế của nước dưới đất chỉ theo các khe hổng được thay bằng dòng giả định, chiếm tất cả tầng chứa nước và gọi là dòng thấm. 6.1.1.Quy luật dòng chảy trong ống dr h 1 h 2 ro r o L dv 1.2.Định luật thấm đường thẳng (Darcy) h h L h 2 h 1 L Q h Q K A Q=K.i.A L 51
1.3.Định luật thấm phi tuyến Trong đá nứt nẻ mạnh, lỗ rỗng cacstơ, vận động của nước dưới đất đôi khi mang đặc tính chảy rối và có thể tuân theo biểu thức sau: v K i Với đất loại sét, định luật thấm được biểu diễn theo biểu thức sau: 3 4 i0 i0 v K i i0 3 3 i Ở đây io - Gradient áp lực ban đầu v i=(v/K)(1+ v) v=K.i v=K(i-4/3 io) i io 4/3 io Ứng suất sinh ra khi nước chuyển động trong đất tác dụng lên hạt đất gọi là v ứng suất thủy động: J i.  w K w Gradient thủy lực khi bắt đầu phát sinh hiện tượng đẩy trôi đất gọi là  1 gradient thủy lực tới hạn, ký hiệu ith: s ith (1 e) w 2.Quy luật vận động của dòng chảy phẳng Việc tính toán nhằm xác định lưu lượng đơn vị q, mực nước ngầm hoặc áp lực tại một tiết diện bất kỳ. 2.1.Tính toán cho dòng thấm ổn định của nước dưới đất 2.1.1.Trường hợp tầng chứa nước không áp -Đáy cách nước nằm ngang 1 2 Xét lưu lượng đơn vị (lưu lượng của dòng thấm có bề rộng là 1m): K h2 h2 q 1 2 2L Vì đây là dòng thấm ổn định nên q tại mọi tiết diện bằng nhau dễ dàng rút ra được phương trình đường mực nước: h2 h2 h h2 1 2 x x 1 L 52
2.1.2.Trường hợp tầng chứa nước có áp (nước artesia) -Đáy cách nước nằm ngang H H H q KM 1 2 L H H H 1 1 2 H 2 H H x H x 1 x L M x x 1 L x 2 x 2.1.3.Trường hợp tầng chứa nước gồm hai lớp đất có hệ thấm khác nhau và có đáy cách nước nằm ngang a) Hai lớp đất nằm song song với phương dòng thấm Xem như: ở trên - nước không áp, còn ở phần dưới - nước dưới đất vận động như nước có áp lực: 2 1 dH dh q q1 q2 K1M K2h dx dx K 2 h 1 h 2 H H 1 2 M K 1 x 1 L x 2 b) Tầng chứa nước có hệ số thấm thay đổi theo phương vận động 1 2 2 - Ở lớp 1: h1 hs q1 K1 s 2L1 2 2 hs h2 - Ở lớp 2: q2 K2 2 2L2 hs K h1 K1 2 2 2 L1 h1 hs 2q h2 K1 Từ đó: 2 2 L2 hs h2 2q L1 L 2 K2 L L h2 h2 2 2 1 2 1 2 Cộng hai vế của hai phương trình: h1 h2 2q q K1 K2 L L 2 1 2 2 2 2 L h h K1 K2 Chiều cao mực nước tại tiết diện s là: h h 1 1 2 s 1 L L K 1 2 53 1 K1 K2
Tương tự đối với tầng chứa nước có áp: L1 H1 H 2 M H1 H 2 H H  q s 1 K L L L L 1 1 2 1 2 K1 K2 K1 K2 2.1.4.Vận động ổn định của nước dưới đất trong lớp không đồng nhất * Khi nước thấm song song với các mặt phân lớp: Thay tầng chứa nước không đồng nhất bằng tầng chứa nước tương đương đồng nhất có hệ số thấm là Ktb q = Ktb.h. i Hệ số thấm trung bình của tầng chứa nước khi nước vận động song song với mặt lớp: K1h1 K2h2 Knhn Ktb h1 h2 hn -Khi nước vận động theo phương vuông góc với mặt lớp: h1 h2 hn H 1 K tb h h h H 2 1 2 n K h 1 H 1 K K K H 3 1 2 n K H n 2 h 2 h K 3 3 K n h n 3. Quy luật vận động của nước dưới đất đến các hố khoan bơm nước Một giếng khoan có cấu tạo gồm những bộ phận cơ bản sau:Ống chống, ống khai thác, ống lọc, máy bơm Khi bơm hút nước, mực nước xung quang giếng sẽ hạ thấp, tạo thành một hình phễu hạ thấp. Khoảng các từ giếng khoan đến hết đường cong hạ thấp gọi là bán kính ảnh hưởng R. Bán kính ảnh hưởng (R) không thay đổi khi dòng thấm ổn định (khi máy bơm hoạt động với lưu lượng Q ổn định trong khoảng thời gian 3 ngày) và thay đổi khi dòng thấm không ổn định. Bán kính ảnh hưởng phụ thuộc vào các yếu tố sau: thời gian hút nước, hệ số thấm, độ hạ thấp mực nước. Trường hợp nước có áp: R 10S K Trường hợp nước không áp: R (1,95  2).S HK - Hố khoan bơm nước hoàn chỉnh nếu ống lọc đặt hết trong tầng chứa nước, nếu khoan không hết chiều dày tầng chứa nước thì là hố khoan bơm nước không hoàn chỉnh. 54
3.1.Vận động ổn định của nước dưới đất đến hố khoan nước ngầm hoàn chỉnh a. Sơ đồ vận động của nước đến hố khoan rhk s h hhk R rhk s h h hhk R r Sử dụng định luật thấm tuyến tính: Q = K.i.A Khi bơm nước từ hố khoan hoàn chỉnh thì diện tích nước thấm qua là diện tích xung quanh của một hình trụ có bán kính đáy là r và chiều cao là h. A = 2 .r.h dh i Độ dốc thủy lực tại tiết diện nước thấm qua là: dr hdh Thay vào phương trình ta thu được: Q 2 Kr dr K h2 h2 Thay vào phương trình và lấy tích phân Q hk R ln rhk 3.2.Vận động ổn định của nước Artesia đến hố khoan bơm nước 2 KM H h hoàn chỉnh Q hk R Q = K.i.A ln rhk 55
rhk rhk s s H H Hhk H M R Hhk r M R 4. Quy luật vận động của nước dưới đất đến chùm hố khoan bơm nước 4.1.Mục đích nghiên cứu H 0,5m H hñaát 4.2.Sơ đồ vận động của nước dưới đất đến các hố khoan bơm nước đồng thời HK 1 r 1 A r 2 HK 2 SA-1 S1 SA-2 M L 56
CHƯƠNG 7 CÁC HIỆN TƯỢNG ĐỊA CHẤT HIỆN ĐẠI LIÊN QUAN ĐẾN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH 1. Hiện tương động đất 1.1. Khái niệm - Động đất do đất sụt - Động đất do núi lửa - Động đất do các chuyển động kiến tạo là loại động đất rất phổ biến, có cường độ mạnh và phạm vi ảnh hưởng lớn nhất. Trung tâm Vật lý địa cầu thuộc Viện khoa học Việt Nam tiến hành thí nghiệm những vùng có khả năng xảy ra động đất mạnh bao gồm: 1. Vùng đông bắc trũng Hà Nội: cấp 7 2.Vùng sông Hồng, sông Chảy cấp 7 - 8 3.Vùng sông Đà cấp 8 4.Vùng sông Mã cấp 8 - 9 5.Vùng biển Trung Bộ cấp 7 6.Vùng biển Nam Bộ và vùng sông Đồng Nai, sông Cửu Long cấp 7 57
Ảnh hưởng của gia tốc động đất lên ổn định của đất nền Gia tốc địa chấn a là một đặc trưng cho lực động đất. Đó là lượng dịch chuyển của bề mặt Trái đất trong một đơn vị thời gian. Lượng dịch chuyển này đặc trưng cho gia tốc mà các hạt đất đá ở mặt đất đạt được dưới tác dụng của sóng địa chấn. Có thể biểu thị gia tốc địa chấn a qua biên độ dao động A của sóng địa 4 2 chấn và chu kỳ dao động T của chúng: a A T 2 Trong việc đánh giá các hệ số kỹ thuật của tải trọng do động đất hiện nay, chúng ta thường sử dụng hai phương pháp cơ bản. Phương pháp thứ nhất căn cứ vào độ lớn và khoảng cách từ chấn tâm để đánh giá khả năng hoá lỏng của đất nền. Tuy nhiên, đa số các trường hợp, cường độ động đất tại một vị trí nào đó được mô tả bằng gia tốc lớn nhất và độ kéo dài của các chấn động. Hậu quả thảm khốc của hoá lỏng do động đất của đất bụi và cát là hiện tượng được ghi nhận từ rất nhiều trận động đất. Việc đánh giá dạng mất ổn định này của đất là một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu khi thiết kế công trình trong vùng động đất. Cơ sở của nó chính là xác định thế năng hoá lỏng của đất ở độ sâu khác nhau bằng quan hệ ứng suất động trung bình ( av) với giá trị giới hạn bị hóa lỏng của loại đất đó trong số chu kỳ tác động định  sẵn ( ). Hệ số ổn định đặc trưng như sau: av N FL  N 58
 av FL  N Điều kiện có thể xảy ra sự hoá lỏng của đất là F L ≥1. Giá trị  N xác định bằng thực nghiệm từ các thí nghiệm động Phương pháp đánh giá thế năng hóa lỏng theo H.B. Seed 1. Biểu đồ ứng suất động từ N chu kỳ tác dụng động đất 2. Biểu đồ ứng suất động gây hoá lỏng trong N chu kỳ bằng thí nghiệm trong phòng öùng suaát g 4 n û o 2 l ù a o h g u n â ø u a v s ä o ñ 2 1 0.6 0.7 Sức chống cắt không thoát nước thu được với tốc độ biến dạng được giữ 0.5%/s hoặc thấp hơn thì ta xác định được sức chịu tải của đất nền trong điều kiện tải trọng tĩnh:c u = cu(tĩnh) Theo đề nghị của Carroll cho hầu hết các loại đất sét bão hoà nước c u(dyn.) 1,5 cu Whitman và Healy (1963) đã làm một số thí nghiệm hút chân không cho các loại cát khô.   3 ar sin 1   1 3 Rõ ràng khi tăng tốc độ biến dạng ban đầu thì tương ứng với sự giảm góc ma sát trong của đất. Theo Vesic (1973) thì góc ma sát trong động nhỏ nhất: (động) = (tĩnh) - 20 Ứng xử của đất sét khi chịu tải động tức thời Modun biến dạng E được xác định theo thí nghiệm nén nở hông thì modun biến dạng do tải tức thời lớn gấp 2 lần so với modun biến dạng với tải tĩnh: Eu(tải tức thời) = 2 Eu(tải tĩnh) q u(taûixung ) 1.5  2 q u(tónh ) Khu vực ven biển ở các tỉnh phía Nam có khả năng xảy ra động đất cấp 7 và lớn hơn. - Do đất nền cấu tạo bởi các lớp trầm tích mềm rời và mực nước ngầm gần mặt đất nên khi có động đất thì cấp độ động đất có thể cao hơn. Gia tốc ngang đỉnh do động đất của khu vực có khả năng đạt đến giá trị a=0,25g. 59
- Trầm tích mềm rời có khả năng chịu tải trọng động đất thấp hơn nhưng gia tốc chấn động lan truyền cũng nhỏ hơn. Nếu động đất xảy ra với khoảng cách gần thì nguy cơ phá hoại công trình trên nền trầm tích bời rời rất cao. - Trong tính toán nền móng có xét đến ảnh hưởng của động đất thì giá trị gia tốc động đất thường được sử dụng và là thông số cần thiết cho việc tính toán. 1. Tốc độ lan truyền gia tốc động đất trong trầm tích mềm rời ở khu vực ven biển của các tỉnh phía Nam và thành phố Hồ Chí Minh nhỏ nhưng khả năng chịu tải trọng động đất thấp, đặc biệt trong điều kiện mực nước ngầm rất gần với mặt đất. 2. Khả năng động đất từ các đứt gãy kiến tạo ven bờ biển phía Nam là khá cao và có khả năng tác động mạnh lên các công trình trên đất yếu và các trầm tích bở rời ven biển. 3. Khi chịu tải trọng động đất, chuyển vị đứng (độ lún) của cọc không đáng kể, tuy nhiên chuyển vị ngang ở đầu cọc có giá trị đáng kể. Dao động ngang ở đầu cọc trong thời gian xảy ra động đất có giá trị cực đại và có thể gây ra phá hoại các cấu kiện bên trên và làm hư hỏng công trình. 4. Chuyển vị của đất nền gần mặt đất có giá trị lớn nhất khi chịu tác dụng động đất. 2. Tác dụng của phong hóa Hiện tượng đất đá bị vỡ vụn, biến đổi thành phần trong khí quyển dưới tác dụng của việc dao động nhiệt độ, nước, các chất hòa tan, gọi là hiện tượng phong hóa. 2.1.Các kiểu phong hóa Phong hóa vật lý Phong hóa sinh hóa 2.2.Phân đới thẳng đứng vỏ phong hóa Vỏ phong hóa có thể chia thành 4 đới phong hóa 1. Đới vụn bột, hoặc đới hạt mịn 2. Đới vụn nhỏ hoặc đới hạt 3. Đới dạng tảng 4. Đới nguyên khối Các đá mẹ là các đá axit thì các đới phong hóa thay đổi dần dần, còn các đá mẹ là các đá bazơ thì không thấy chuyển biến dần dần như vậy mà có sự thay đổi đột ngột từ đá mẹ cứng chắc sang vỏ phong hóa tươi xốp ngay. Ở các vùng nóng ẩm như nước ta thường xảy ra quá trình laterite hóa. Quá trình laterite hóa thường xảy ra ở nơi có địa hình dốc thoải, khí hậu nóng ẩm, hai mùa mưa, khô kế tiếp. Mùa mưa nước thấm qua các khe, phá hủy hòa tan các alumosilicat tạo nên môi trường kiềm, các nguyên tố Na, K, Mg, Ca bị rửa trôi. Mùa khô, do mao dẫn và bốc hơi bề mặt, các hydroxyt sắt, nhôm ở dưới theo nước đi lên rồi bốc hơi trở thành ôxit tích tụ và keo kết. Tầng tàn tích có hàm lượng ôxit sắt và nhôm tăng lên tạo thành laterite có màu vàng, đỏ nâu đặc trưng. 60
3. Hiện tượng đất chảy (hay cát chảy) Khi các hố móng và các công trình bóc lộ ra, cát hạt mịn, hạt nhỏ, cát chứa bụi và nhiều bụi chứa nước sẽ tự chảy – hiện tượng cát chảy. 3.1. Các loại đất chảy Cát chảy xảy ra do áp lực thủy động. ith = sub/ w Trong đó: ith – là trị số gradient áp lực nước tới hạn dh Để phân tố đất không bị cát chảy:  i   w w dl sub 3 Cát làm thí nghiệm có e = 0,68. s = 2.66 g/cm . Chiều dày lớp cát trong bình L = 0,4m . Bề dày lớp nước trên bề mặt lớp cát h = 0,2m. Hỏi khi cát trong bình sôi lên và bắt đầu chảy thì độ chênh cột nước H là bao nhiêu (Giá trị H khi bắt đầu xảy ra cát chảy)? hố móng hình chữ nhật: a= 9m, b=11m H đào trong tầng chứa nước có áp với chiều cao mực áp lực H=7m như hình vẽ. Các M đặc trưng cơ lý của lớp cát chứa nước có bề dày M=3m: hệ số rỗng e=0,755; khối R 3 lượng riêng hạt s=2,661g/cm ; hệ số thấm K=5m/ngày đêm. Bán kính ảnh hưởng khi bơm hút R=14,2m. Hố móng hình chữ nhật: a= 8,5m; b=10m đào trong h tầng chứa nước không áp có bề dày h=5,5m. Thành hố móng được giữ ổn định thẳng R 61
đứng. Các đặc trưng cơ lý của lớp đất: khối lượng thể tích bão hòa 3 3 sat=1,837g/cm ; khối lượng thể tích của nước w=1g/cm ; hệ số thấm K=5,2m/ngày đêm. Bán kính ảnh hưởng khi bơm hút R=14m. Tính: Hố móng hình chữ nhật tương đương hố khoan bơm nước có bán kính tương đương ro (m); Xác định lưu lượng khi tháo khô hoàn toàn Q 3 (m /ngày đêm); Giá trị gradient tới hạn ith; Giá trị gradient thực tế itt (xét trong trường hợp an toàn nhất) 4. Hiện tượng xói ngầm Xói ngầm là hiện tượng các hạt đất đá bị lôi cuốn khỏi vị trí ban đầu dưới tác dụng của nước thấm; trong đất đá dần dần hình thành các khe hổng; xói ngầm nếu phát triển lớn có thể gây sụt lún mặt đất, hư hỏng công trình. 4.1. Điều kiện phát sinh, phát triển xói ngầm D 1) Về đất đá: 60 20 D10 2) Về nước thấm: ith 1 1 n 0,5n 4.2.Biện pháp xử lý xói ngầm - Điều tiết dòng thấm: kéo dài đường thấm nhằm giảm nhỏ gradient thấm thực tế, giảm hoặc triệt tiêu hẳn xói ngầm như dùng sân phủ, tường cừ, màn chắn, khống chế nước mặt dao động. - Gia cố đất đá - Tạo lớp đất chống xói ngầm 5. Hiện tượng Cacstơ Cacstơ là hiện tượng nước trên mặt và nước dưới đất hòa tan đất đá tạo nên các khe rãnh, các hang động ngầm. Công trình bên trên các hang động có thể bị sụp đổ, mất nước, Dùng nước cacstơ cho các nhu cầu dân dụng, làm nơi chứa nước, dẫn nước, đôi khi có thể sử dụng như là các công trình ngầm. 62
6. Hiện tượng trượt đất đá 63
Trượt đất đá là hiện tượng di chuyển của các khối đất đá (thường là đất loại sét) với các đất đá nằm trên nó, theo một mặt trượt nào đó ở các sườn dốc. Sự di chuyển đó xảy ra với các tốc độ khác nhau, từ vài mm/ngày đêm đến vài m/giờ, rất ít khi hàng chục m/giờ. *Độ ổn định của mái dốc cấu tạo bởi đất rời T N P Đối với mái dốc bằng đất rời: 64
* Độ ổn định của mái dốc cấu tạo bởi đất dính Nếu đất ở mái dốc là đất dính chỉ có lực dính c (còn = 0) thì mái đến một độ sâu nào đó, có thể thẳng đứng, nếu sâu hơn thì mái đất có dạng đường cong. Chiều cao giới hạn h gh mà tới đó mái đất có thể giữ được thẳng đứng là nhờ lực dính. h cos  gh 1 2c 2c 2c y ln hgh   hgh  cos  1 z 2c 2c 65
*Độ ổn định của mái dốc cấu tạo bởi đất có lực dính và ma sát: Phương pháp mặt trượt lăng trụ tròn: Hệ số ổn định  được tính theo công thức: Ntg cl   T với Ni = Qi.cos ; Ti = Qi.sin Phöông phaùp N.N.Maslov c tg tg  tg tg  N.N. Maslov đưa ra đề nghị tính toán sự ổn định của mái dốc khi mái dốc cấu tạo bằng các lớp nằm ngang: 6.3. Biện pháp phòng chống trượt a. Các biện pháp đề phòng: Cấm khai đào trên các sườn dốc, chân dốc; Hạn chế xây dựng các công trình nặng trên các bờ dốc; Có biện pháp thoát nước tốt để tránh thấm nước làm tăng khối lượng khối trượt và giảm cường độ của đất; Giảm độ dốc của mái b. Các biện pháp chống trượt: 7. Hiện tượng xói mòn 66
-Sự xói lở và sụp đổ các bờ sông -Cấu trúc của các thung lũng sông -Các yếu tố quyết định hoạt động xói mòn của sông Động năng của sông tỷ lệ thuận với tích số của khối lượng nước m với một nửa bình phương tốc độ v của dòng chảy, tức là: Các thung lũng sông là những vùng tập trung chủ yếu cuộc sống và hoạt động của con người và nơi đó có nhiều công trình hiện có hoặc đang thiết kế. Quá trình xói mòn có thể ảnh hưởng đến độ ổ định của các công trình. Chúng được biểu hiện ở tác dụng xói lở và xói trôi (phá hoại) bờ và lòng sông – do dòng nước sông gây ra: sự xói trôi và phá hoại ở sườn dốc, các không gian chia nước – do các dòng nước mưa gây ra. Cấu trúc thung lũng khi sông chảy qua đất đá có độ chắc khác nhau Các thềm ở thung lũng sông theo mặt cắt ngang Động năng của sông tỷ lệ thuận với tích số của khối lượng nước m với một nửa bình phương tốc độ v của dòng chảy, tức là: mv2 P 2 So sánh giá trị động năng P của sông với trọng lượng G của vật liệu rời do sông mang chuyển, tức lưu lượng dòng cứng, có thể phán đoán được đặc điểm của công do sông thực hiện trên mặt cắt ngang hoặc trên một đoạn nào đó. Nếu P > G thì xói mòn chiếm ưu thế; khi P = G thì có sự cân bằng giữa xói mòn và tích tụ; khi P < G thì tích tụ chiếm ưu thế. Đối với cùng một con sông tương quan này thay đổi tùy từng chỗ. 67