Cơ học đá dùng cho sinh viên ngành xây dựng công trình giao thông

Trang 1

MỞ ĐẦU

1 _ VỊ TRÍ VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA CƠ HỌC ĐÁ Hàng nghìn năm qua, đá đã đóng

vai trị rất quan trọng trong các hoạt động có ý thức của con người Những công

cụ lao động và vũ khắ thê sơ của người nguyên thuy, những Kim tự thấp đồ sộ đứng sừng sững cạnh tượng con Sphinx

khổng lồ bằng đá bên dịng sơng Ni] ở Ai

Cập từ thời nô lệ, những ngôi nhà cao chọc trời; những đường hầm ôtô, hầm đường sắt xuyên qua núi hay ngầm dưới đáy biển nối liền các đảo xa xơi; những cơng trình bằng đá nổi tiếng hay những khối tượng đá khổng lồ tạc ngay trên

vách đá của thế giới ngày nay đều do đá hay nhờ đá tạo nên Đá ngày càng trở nên gần gũi trong đời sống con người

Vì vậy việc nghiên cứu tắnh chất và trạng thái của đá - nhất là của khối đá

nguyên trạng dưới tác dụng của ngoại lực như thiên nhiên (trọng lực, các tác dụng địa chất ) hay nhân tạo (lực do các cơng trình xây dựng, do hoạt động sản xuất ` là rất quan trọng và cần thiết

Để đáp ứng nhu cầu nghiên cứu trên, một môn khoa học mới được ra đời, gọ1 là Cơ học đá

Cơ học là một môn khoa học liên quan tới năng lượng, lực và tác động của chúng lên vật thể, nên có thể coi cơ học đá là một bộ phận của ngành khoa học cơ học địa chất, chuyên nghiên cứu tắnh

chất, trạng thái của đá và khối đá nguyên 7

trạng, các quá trình và hiện tượng cơ học xảy ra khi tiến hành thi công các công

Hinh 0.1- Kim tu thap va

Sphinx ằ ving Giza gan Cairo

(Ai Cap)

(khoang 2700 - 2550TCN)

Hinh 0.2 - Nha.mé @ thanh phé Petra (Jordani ngay nay) đào vao trong khéi da

(thé ky VI TCN)

trinh trén da va trong đá, để tìm ra các phương pháp phá huỷ đá có hiệu quả, cách điều khiển hợp lý áp lực đá va lam 6 ổn định các bờ dốc đá, nền đá

Trang 2

Ẽ bị 7 sàng 3111 een

ấự1T771T00117107

Hình 0.3 - Nhị thờ Hình 0.4 - Thap nghiéng Pisa Đức Bò Paris (1163 Ở 1250) (Ý) (1173 - 1370)

Môn khoa học cơ học đá mang tắnh chất ứng dụng Các lĩnh vực nghiên

cứu của nó có lợi trực tiếp, thiết thực đến các ngành kinh tế quốc dân, nhất là các ngành mỏ, giao thông, thuỷ lợi Những hiểu biết về đá và các đặc trưng, trạng thái của nó sẽ giúp cho việc thiết kế và thi công các cơng trình trong đá và trên đá được hợp lý, có hiệu quả kinh tế và an toàn hơn

Uy ban Cơ học đá của Viện hàn lâm khoa học quốc gia Mỹ (1966) đã

định nghĩa: Cơ học đá là môn khoa học lý thuyết và ứng dụng về những ứng

xử cơ học của đá, nó là ngành cơ học liên quan đến các phản ứng của đá với

các trường lực bao quanh chúng

Hình 0.đ- Khối tượng 4 Tổng thống Mỹ ở núi Rushmore

Trang 3

Cơ học đá dựa trên các thành tựu của vật lý chất rắn, các lý thuyết dẻo,

thấm, lưu biến, các hiểu biết về địa chất, địa hố và các mơn khoa học

khác Nó cũng được coi là phần nền tảng của khoa học về Trái Đất- nhất là khoa học mỏ

Khác với các vật liệu khác, đá rất đa dạng, ắt đồng nhất nên đôi khi khó hiểu và khó dự đoán Mặt khác, các sơ đồ cơ học và hình học của các bài toán cơ học đá thường khác với các sơ đồ cổ điển của các bài toán đàn hồi, dẻo

nên việc nghiên cứu đá cũng có nhiều điểm riêng biệt

Anh ` Pháp 180

3150"

Hinh 0.6- Mặt cắt địu chất tại đường hầm Châu Âu (Eurotunel)

(1987 - 1994)

1-3 Đá phấn các loại; 4 Đá phấn thiêu kết; 5 Glaukonit; 6 Sét kết; 7 Cát kết; 8 Chỗ mở; 9 Trạm bảo dưỡng; 10 Giới hạn vùng phong hóa

Khi thi cơng các cơng trình trên và trong đá, các quá trình cơ học chắnh được nghiên cứu trong cơ học đá là sự hình thành trạng thái ứng suất của

khối đá và sự thay đối của nó, sự chuyển động của đá ở các dạng khác nhau, sự tương tác giữa đá và vì chống

Việc nghiên cứu Cơ học đá gồm một số hướng sau:

Tắnh chất của đá và khối đá nguyên trạng Lý thuyết phá huỷ đá

Sự xuất hiện và cách điều khiển ap lực đá khi thi cơng cơng trình

ngầm

Sự chuyển động của đá khi thi cơng cơng trình

Ổn định các bờ dốc đá

Các hiện tượng động lực trong khối đá Quá trình thấm trong đá

Sự tương tác giữa các hiện tượng kiến tạo khu vực và vi địa chất

cơng trình trong khối đá

2 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIEN CƠ HỌC ĐÁ

Cơ học đá là một ngành khoa học rất trẻ Lịch sử phát triển của nó có thể chia thành ba giai đoạn:

Trang 4

Trong giai đoạn đầu, khi người ta đã biết khai thác đá và các khoáng

sản ở sâu trong lịng đất thì vấn đề ổn định hầm lò đã được đặt ra Việc lựa

chọn các phương pháp chống lò đã đòi hỏi phải nghiên cứu các quá trình biến

dạng và phá huỷ của đá ở xung quanh hầm lò, các quy luật phát triển của

các quá trình ấy trong không gian và thời gian Tuy vậy, ở gial đoạn này,

việc nghiên cứu mới chỉ ở mức độ mô tả, tổng kết các hiện tượng, chứ chưa phân tắch được một cách sâu sắc cơ chế phát sinh và phát triển của chúng _ Trong những năm 30 của thế kỷ XIX, người ta đã quan sát thấy hiện

tượng sụt lún mặt đất do việc kha1 thác than nằm gần mặt đất ở ngoại ô

thành phố Liège (Bì và mấy chục năm sau, hiện tượng tương tự cũng xảy ra ở một vài thành phố của Đức Nhiều tác giả đã nghiên cứu chúng và đã đề ra được những nguyên tắc đầu tiên, xác định phạm vi ảnh hưởng của việc khai thác hầm lò đối với mặt đất: Năm 1864, J.Goodwin, một kỹ sư người Anh đã nêu khá đầy đủ những yếu tố ảnh hưởng tới sự sụt lún mặt đất như hệ thống hầm lò, tắnh chất của đá, góc nghiêng và chiều dai via, chiều sâu khai thác nghĩa là những yếu tố có ảnh hưởng quyết định nhất

Cũng trong giai đoạn này, việc nghiên cứu các thành phần ứng suất

của khối đá cũng bắt đầu được chú ý: năm 1874, F.Rziha, một chuyên gia về

hầm của Đức và bốn năm sau, giáo sư người Thụy Sỹ A Heim đã nêu lên giả

thuyết về thành phần ứng suất nằm ngang trong khối đá và quan hệ của nó với thành phần ứng suất thẳng đứng, nhưng khi đó, những giả thuyết này chưa được thừa nhận và phổ biến rộng rãi

Để nghiên cứu, thắ nghiệm đá, ngươi ta đã dùng các thiết bị đơn giản

hay hoàn thiện các máy kéo, nén, uốn và các đầu kẹp mẫu khi kéo do nhà vật lý Hà Lan P.Musschenbrock chế tạo từ năm 1729

Nói chung, việc nghiên cứu cơ học đá ở giai đoạn này mới chỉ chú ý đến các hiện tượng bên ngoài, các giả thuyết thường mang tắnh chất thực nghiệm, chưa bao hàm các chỉ tiêu phản ánh thực chất khối đá bị biến dạng

Giai đoạn hai có thể tắnh từ cuối thế ky XIX

Trong giai đoạn này, người ta đã xây dựng được nhiều giả thuyết khá

chặt chẽ về bản chất vật lý, cơ chế các quá trình xảy ra trong khối đá khi thi

công các cơng trình

Năm 1885, M.Fayol, một kỹ sư người Pháp và 4 năm sau, kỹ sư trắc địa

người Đức W.Trompeter đã nêu ra lý thuyết về sự phân vùng áp lực đá xung quanh công trình ngầm

Năm 1907, giáo sư người Nga M.M ProtodJakonov đã đề ra giả thuyết hình thành vòm áp lực trong các cơng trình ngầm Cơng trình này là một

bước tiến rất lớn trong cơ học đá, tạo điều kiện để tắnh tốn các thơng số cho

vì chống, nhưng cũng chưa phù hợp với các cơng trình có tiết diện lớn và nằm sâu trong lòng đất

: Đồng thời với việc xuất hiện các giả thuyết về áp lực đá và trạng thái

Trang 5

dạng của đá đã được chế tạo tỉnh vi, độ chắnh xác cao hơn và có thể đo trực tiếp ngay tại khối đá Người ta cũng bắt đầu dùng phương pháp mơ hình để nghiên cứu các quá trình biến dạng của đá xung quanh cơng trình ngầm

Năm 1909, người ta đã dùng phương pháp phun vữa để làm ổn định các

đường hầm

Năm 1912, T.Karman đã nghiên cứu đá ở trạng thái ứng suất thể tắch-

một trạng thái rất phù hợp với đá ở điều kiện tự nhiên

Năm 1918, người ta đã bắt đầu sử dụng neo để làm ổn định các khối đá

Nam 1926, J Schmidt đã đưa ra những giả thuyết về tắnh chất đàn hồi, kết hợp với lý thuyết của A Heim về ứng suất ban đầu của khối đá, tạo nên

những cơ sở đầu tiên của Cơ học đá

Năm 1938, nhà địa chất R.Fenner đã công bế những kết quả nghiên |

cứu về áp lực đá, nói chung cũng gần với kết quả của J Schmidt Cũng trong

năm này, viện sỹ Xô viết A.N.Đinnik đã nêu rõ đặc điểm phân bố ứng suất:

trong khối đá có tắnh đến hệ số ấp lực ngang Những năm Sau, nhiều tác giả đã phát triển thêm cơng trình của ông

Noi chung, trong giai doan nay, người ta đã nghiên cứu sâu về các quá trình biến dạng và phá huỷ của đá ở trên mặt đất cũng như trong các cơng trình ngầm bằng các máy đo đạc chắnh xác cao Người ta đã gắn các quá trình biến dạng và phá huy đá do việc thi công các cơng trình với các qua

trình thay đổi trạng thái ứng suất của khối đá Nói một cách khác, trong giai

đoạn này, người ta đã chuyển dần dần từ việc nghiên cứu các hiện tượng bên ngoài sang việc nghiên cứu các nguyên nhân gây ra chúng

Giai đoạn thứ ba- giai đoạn cơ học đá hiện đại có thể bắt đầu tắnh từ cuối những năm 30 cua thé ky XX

| Do tắch luỹ được nhiều kinh nghiệm thực tế khi khai thác khoáng sản

hay thi cơng cơng trình ngầm, người ta đã nhận thấy những sự không phù -_ hợp giữa các phương pháp tắnh đã đưa ra và các sơ đồ tắnh toán vì chống Đối với đá, lý thuyết và các phương pháp nghiên cứu cơ học môi trường rời rạc là

cd sd cua những giả thuyết của giai đoạn trước không còn phù hợp nữa,

người ta bắt đầu sử dụng rộng rãi lý thuyết và các phương pháp nghiên cứu cơ học môi trường liên tục, nhất là lý thuyết đàn hồi, để tìm hiểu sự thay đổi trạng thái ứng suất tự nhiên do việc thi cơng các cơng trình trong đá và trạng thái của khối đá xung quanh công trình khi có sự thay đổi ứng

suất ấy

Đồng thời với việc phát triển lý thuyết, nhiều phương pháp thực nghiệm để đánh giá trạng thái ứng suất của khối đá cũng được đề ra Người ta sử dụng rất rộng rãi phương pháp quang đàn hồi dùng cho các mô hình có

thể thể hiện được các điều kiện địa chất khác nhau như phân lớp, không đồng nhất Các phương pháp địa - vật lý dùng để đánh giá trạng thái ứng

suất của đá mà không cần phải đo biến dạng của nó nhờ các sóng đàn hồi cũng đã được áp dụng tại thực địa trên các khối đá

Trang 6

Do thực tế đòi hỏi phải xây dựng được các mơ hình giống với các quy luật biến dạng thực của đá, nên trong giai đoạn này, người ta đã lập được

các sơ đồ tắnh toán biến đạng không chỉ cho vật thể đàn hồi mà còn cho các vật thể biến dạng theo thời gian

Năm 1950, lần đầu tiên, phương pháp đào hầm mới kiểu Áo (NATM) đã

được nêu ra

Những năm 1950-1954, hai nhà nghiên cứu Xô viết F.A.Belaenkơ và

K.V.Ruppeneyt đã lập được công thức tắnh toán ap lực đá xung quanh hầm mà có tắnh đến biến dạng đàn hồi-dẻo

Trong khoảng 1955-1958, các nhà nghiên cứu Ba Lan J.LItwiniszyn và A Salustowicz cũng đã lập được mơ hình tắnh tốn cho các biến dang đàn

- hồi Ở nhớt

Năm 1957, kỹ sư người Pháp dở Talobre đã xuất bản cuốn Ộ Cơ học đáỢ trong đó đã trình bày tương đối hệ thống các vấn đề về cơ học đá và ứng

dụng của nó trong xây dựng cơng trình

Từ năm 1960, người ta bắt đầu nghiên cứu về sự biến dạng của đá theo

thời gian Ở Liên Xô, vấn đề này đã được Zh X Erzhanov, V.T Glusko

nghiên cứu rất sâu

Trong giai đoạn này, người ta đã hoàn thiện các phương phap va dung cụ đo biến dạng và chuyển vị của đá xung quanh cơng trình ngầm, đồng thời xác định ngay tại chỗ các tắnh chất của khối đá nguyên trạng Hiện nay, ngoài các thiết bị tin cậy có khả năng giám sát và dự báo sự chuyển vị của

đá, các kỹ thuật tắnh toán đã phát triển tới mức mà các cách ứng xử của đá

có thể được mơ hình hoá và dự đoán với độ tin cậy nhất định

Tháng 10 năm 1962, Hội Cơ học da Quéc té (the International Society

for Rock Mechanics Ở- ISRM) được thành lập ở Áo trên cơ sở Hội các nhà địa Ở vật lý, địa chất công trình nước Áo do S.Stini thành lập từ 1951- Hội Cơ

học đá Quốc tế đã tập hợp được các chuyên gia cơ học đá của nhiều nước

trên thế giới - Các hội nghị cứ 4 năm một lần của Hội đã thông báo các kết

quả nghiên cứu về cơ học đá, đồng thời đề ra phương hướng nghiên cứu trong thời gian tới Những hội nghị gần đây của Hội là lần thứ VIII năm

1995 ở Tokyo (Nhật), lần thứ IX năm 1999 ở Paris (Pháp), lần thứ X ở

Johannesburg (Nam Phi) nim 2003, va gan day nhất, lần thứ XI năm 2007 ở

Lisbon (B6 Dao Nha), lan tha XII nam 2011 sé 6 Bac Kinh (Trung Quéc) Ở nước ta, đá đã là đối tượng gần gũi của con người từ rất lâu Tổ tiên

chúng ta, những người Việt cổ (sống cách đây khoảng trên dưới 10.000 năm)

đã biết sử dụng đá rất sớm: đá được dùng làm công cụ lao động (rìu, dao, cuốc bằng đá), làm đồ trang sức cho các thiếu nữ (các vòng đá, khuyên

tai bằng đá) hay làm nhạc cụ để sử dụng trong các sinh hoạt cộng đồng (các đàn đá, tù và bằng đá )

Trang 7

Trong thời phong kiến, nhiều thành cổ bằng đá đã được xây dựng với

quy mô khá lớn như thành nhà Hồ (cao 5m, dày 3m ở An Lộc, Vĩnh Lộc -

Thanh Hoá ngày nay, được xây từ năm 1397 bằng những khối đá xanh lớn,

có khối có kắch thước 1,7x5,1 x 2,2m nặng tới 40 tấn), thành nhà Mạc (thành

cổ Tuyên Quang có hình vng, mỗi chiều 275m, cao 3,5m, dày 0,8m được

xây dựng bằng đá ong từ năm 1599) hay thành cổ Sơn Tây (được xây dựng từ năm 1822 cũng bằng đá ong, mỗi chiều của tồ thành vng này cũng tới

400m)

Ở thế kỷ XIX, một số cơng trình bằng đá đã được xây dựng, tổn tại tới

ngày nay và trở thành những thắng cảnh của đất nước như Ngọ Môn (cửa

chắnh vào Đại nội ở cố đô Huế, được xây dựng bằng những khối đá lớn từ

năm 1802), Đài Nghiên, Tháp Bút (bên hồ Hoàn Kiếm, Hà Nội được xây dựng từ năm 1867), nhà thờ đá Phát Diệm (Ninh Bình) được xây dựng từ

những năm 1875 - 1898

Bước vào thế kỷ XX, do việc khai thác mỏ, phát triển giao thơng và năng lượng địi hỏi phải có những hiểu biết nhất định về cơ học đá Người Pháp đã nghiên cứu dé đào các hầm lò khai thác than ở vùng mỏ Hồng Gai - Cam Phả (thuộc tỉnh Quảng Ninh ngày nay), làm đường hầm giao thông

trên tuyến đường sắt xuyên Việt (trong những năm của thập niên 30), làm nhà máy thuỷ điện Da Nhim cùng các chuyên gia Nhật Bản (trong những

năm 1961-1964, công suất 160MW với đường hầm dẫn nước dài 4878m,

đường kắnh 3,4m được đào xuyên qua đèo Ngoạn Mục)

Sau khi hồ bình lập lại, do sự phát triển toàn diện của nền kinh tế

quốc dân, việc nghiên cứu và thắ nghiệm cơ học đá đã được chú trọng hơn,

dần dần cơ học đá đã đóng vai trị nhất định trong công cuộc phát triển kinh

tế, xây dựng đất nước Người ta đã nghiên cứu tắnh chất của đất đá, các quá trình cơ học xảy ra khi thi cơng các cơng trình trong đá và áp dụng các

phương pháp đánh giá và phân

loại đá đang được sử dụng trên thế giới trong xây dựng cơng trình ngầm Các nhà máy thuỷ

điện lớn đã được xây dựng như Hồ Bình (xây dựng trong = những năm 1979-1994, công Ợ suất 1920MW, đập chắn nước

caol28m, gian hầm máy có ,'

kắch thước 280 x22 x 53m) hay 3#Ộ %Ộ ,

Yaly (xây dựng từ 1993-1999, Ở mg a en hi

công suất 720MW, đập cao 69m Sa Ở

và gian hầm máy có kắch thước z

118 x 21 x 42m) Các hầm lò,

các đường giao thông ngẩm inh 0.7- Ham đường bộ Hải Vân

cũng được xây dựng với những

Trang 8

biện pháp kỹ thuật tiên tiến, cách đánh giá trạng thái khối đá phù hợp với

những tiến bộ của thế giới như hầm đường bộ qua đèo Hải Vân trên quốc lộ I

dài gần 6.500m, tiết diện 10 x 7m đã áp dụng công nghệ đào hầm mới của Áo

khi thi công và cách phân loại đá theo chỉ số RMR (Rock Mass Rating)

Người ta đang xây dựng nhà máy thuy điện Sơn La, lớn nhất Đông Nam Á với công suất 2400MW, tòa nhà Keangnam Hahoi Landmark Tower

cao 70 tầng (344m, thứ 17 của thế giới), và trong tương lai, những tòa nhà

cao 81 tầng (Hương Điền New Tower tại thành phố Hồ Chắ Minh) hay 88

tầng (trong Công viên giải trắ ở Bà Rịa - Vũng Tàu) sẽ được xây dựng thì việc nghiên cứu tắnh chất của nền đá càng được chú trọng hơn

Cùng với sự phát triển của khoa học cơ học đá, những người làm công tác cơ học đá Việt Nam đã tập hợp nhau lại trong một tổ chức gọi là ỘHội Cơ học đá Việt NamỢ được thành lập vào tháng 10/1984 Các cuộc đại hội của Hội cứ 5 năm một lần nhằm tổng kết những kết quả nghiên cứu trong những năm qua và đề ra những phương hướng hoạt động, nghiên cứu trong những năm tới Những đại hội gần đây của Hội như đại hội lần thứ III vào năm 1997, lần thứ IV vào năm 2002 va lần thứ V năm 2006 đều được tổ chức tại Hà Nội

_Ở_ Năm 1996, Hội Cơ học đá Việt Nam được chắnh thức công nhận là

thành viên của Hội Cơ học đá Quốc tế (TSRM)

3 CAC PHUGNG PHAP NGHIEN CUU CO HOC DA

Đá là một tập hợp có quy luật của nhiều khống vật Nó đa dạng, khơng đồng nhất, dị hướng và luôn tồn tại những lỗ rỗng, khe nứt Do vậy,

việc nghiên cứu đá thường phức tạp và khó hơn các vật liệu khác

Khi nghiên cứu đá, thường phân biệt khái niệm mẫu đá và đá nguyên

trạng

Mẫu đá được coi như một thể tắch đá mà tại đó khơng thể phát hiện

được các khe nứt bằng mắt thường

Đá nguyên trạng (đá nguyên khối) được coi như là một phần của vỏ Trái Đất nằm trong phạm vi ảnh hưởng của cơng trình Do vậy, đá nguyên trạng gồm cả các khe nứt và vật liệu lấp nhét trong các khối đá, chúng không tách khỏi vỏ Trái Đất, chịu ảnh hưởng của các quá trình hoạt động nội sinh hay ngoại sinh của vỏ Trái Đất ở khu vực nghiên cứu Tắnh chất của

đá nguyên trạng phụ thuộc vào thành phần và tắnh chất của các khoáng vật tạo nên đá, vào đặc điểm của các hệ khe nứt có trong khối đá, vào động thái

nước dưới đất và trường ứng suất tự nhiên

Để nghiên cứu cơ học đá, người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng nói chung, có thể gộp lại thành ba nhóm chắnh: Phương pháp đo đạc, quan sát trong điều kiện tự nhiên; phương pháp mô hình và

phương pháp lý thuyết |

Trang 9

Phương pháp đo đạc và quan sát trong điều kiện tự nhiên giữ vai trò

quan trọng nhất Qua việc quan sát và đo đạc tại thực địa sẽ xác định được những thông số cơ bản và các đặc trưng của quá trình định nghiên cứu trong các điều kiện địa - cơ học cụ thể như ứng suất, biến dạng, chuyển vị của đá và sự thay đổi của chúng theo các yếu tố tác động chắnh Từ những số liệu đó

sẽ phân loại được các hiện tượng, quá trình định nghiên cứu, giải thắch được

các cơ chế chung và bản chất vật lý của chúng, tiến tới tổng kết cả về mặt lý

thuyết lẫn thực tiễn

Trong phương pháp đo đạc và quan sát hiện trường, người ta lại chia ra:

Xác định các tắnh chất vật lý và các đặc điểm cấu trúc của khối đá -_ Xác định các thông số chuyển vị, biến dạng của đá

- Nghiên cứu trạng thái ứng suất trong đá và sự thay đối của nó

- Nghiên cứu tương tác của đá với vì chống và áp lực đá trong cơng

trình ngầm |

Phương pháp mơ hình cũng được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu cơ học

đá Nó phát hiện được vai trò của các yếu tố tác động khác nhau trong quá trình định nghiên cứu và tìm được giá trị của các thông số cần thiết mà các

phương pháp khác không thê làm được Tuy nhiên, các mô hình khơng thể thể hiện được đầy đủ các điều kiện địa chất tự nhiên Trong phương pháp mơ hình, người ta có thể dùng các loại mơ hình ly tâm, mơ hình vật liệu tương

đương, mơ hình quang học Với mỗi loại mơ hình sẽ có những lý thuyết riêng và bắt buộc phải tuân theo khi sử dụng chúng

Phương pháp lý thuyết cho phép giải các bài toán cơ học đá ở mức độ tổng quát nhất, các điều kiện của bài toán thay đổi trong một phạm vì rất

rộng Tuy nhiên, mức độ chắnh xác của lời giải cho bài toán phụ thuộc vào mức độ liệt kê đầy đủ các yếu tố tác động, các thông số cơ bản tương ứng với

quá trình nghiên cứu và tắnh chất của khối đá Muốn sử dụng phương pháp lý thuyết, phải xây dựng được một mơ hình tốn học của hiện tượng, quá

trình định nghiên cứu Trong cơ học đá, để có được một mơ hình tốn học,

người ta phải lý tưởng hoá tắnh liên tục của đá, trên cơ sở đó sẽ áp dụng các lý thuyết của môi trường liên tục, các quy luật của lý thuyết đàn hồi, dẻo, cân bằng giới hạn Trong tắnh toán, các hệ số, chỉ số thường được xác định

từ việc đo đạc tại thực địa hoặc thắ nghiệm trong phòng hay trên các mơ hình Trong những trường hợp khơng có sẵn lời giải, trạng thái ứng suất Ở

- biến dạng trong đá có thể giải gần đúng bằng phương pháp số nhờ sự trợ

giúp của các máy tắnh điện tử Người ta có thể dùng phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp biên rời rạc và phương pháp phân tử riêng để giải các bài toán cơ học đá

Trang 10

Chương I

ĐÁ VÀ CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ĐÁ

Đá là những phần vật chất tạo nên vỏ Trái Đất Nó là tập hợp của một

hay nhiều , khoáng vật khác nhau, có cấu bạo \ và thành phần khoáng vật tương đối ổn định

1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐÁ

1.1.1 SUTHANH TAO CÁC LOẠI ĐÁ

Về sự hình thành các loại đá đã được trình bày rất rõ ràng trong các

giáo trình địa chất đại cương hay địa chất cơng trình Ở đây chỉ nhắc lại một vài điểm chắnh

Theo nguồn gốc thành tạo, đá được chia thành 3 loại chắnh: đá magma,

đá trầm tắch và đá biến chất

1.1.1.1 Đá magma được thành tạo do sự đông cứng của dịng dung nham nóng chảy phun lên từ trong lòng đất Dòng dung nham này là các dung dịch sIilleat có thành phần rất phức tạp và chứa các loại khắ, hơi nước khác nhau

Khi dòng dung nham phun lên và đông cứng lại ngay trong lịng đất thì

sẽ tạo thành đá magma xâm nhập Do được thành tạo trong điều kiện áp suất cao, sự đông cứng xảy ra từ từ và đều đều nên các khoáng vật dễ dàng kết tinh, tạo nên đá magma kết tinh hoàn toàn, dạng khối, chặt xắt như đá granit, gabro

Khi dòng dung nham trào lên mặt đất và đông cứng lại thì sẽ tạo thành đá magma phún xuất (hay phun trào) Do ở mặt đất nhiệt độ và áp suất thấp, nhiệt thốt nhanh nên khơng thuận lợi cho việc kết tình của các khống vật, tạo nên đá magma ở dạng vơ định hình, có nhiều lỗ rỗng như đá

bazan, đá bọt Các đá phun trào được thành tạo từ đại cổ sinh thì được gọi là đá phun trào cổ, còn nếu thành tạo mới gần đây thì được gọi là phun

trào trẻ _

1.1.1.2 Đá trầm tắch được thành tạo có thể theo 3 cách:

- Do su lang dong va gắn kết của các mảnh vụn đà các sản phẩm phong hoá của đá gốc hay các vụn núi lửa);

- Do sự kết tủa của chất hố học có trong nước; - ~_ Do sự nén chặt của các di tắch động, thực vật

Tuy theo các cách thức thành tạo như vậy mà người ta cũng chia thành các đá trầm thắch cơ học, trầm tắch hoá học và trầm tắch hữu cơ

Trang 11

Đá trầm tắch chỉ chiếm 5% khối lượng vỏ Trái Đất nhưng nó bao phủ

tới 75% diện tắch mặt đất với các chiều dày khác nhau (từ 3 Ở 4km ở vùng

Trung A, còn 1km ở vùng Xibir và chỉ từ 0,3 Ở 0,7km ở Thái Bình Dương) 1.1.1.3 Đá biến chất được tạo thành do sự biến đổi sâu sắc của đá magma, đá trầm tắch và cả đá biến chất có trước dưới tác động của nhiệt độ cao, áp suất lớn và các chất có hoạt tắnh hoá học

Dựa vào các nhân tố tác động chủ yếu, người ta chia ra:

Biến chất tiếp xúc xảy ra ở khu vực tiếp giáp giữa khối magma nóng chảy và đá vây quanh Nhiệt độ cao đã làm thay đổi thành phần, kiến trúc và tắnh chất của đất đá Càng xa khối magma, mức độ biến chất của đá giảm

dần |

= Bién chat déng luc xay ra duéi tac déng cla 4p suat cao khéng chi do

trọng lượng các lớp đá nằm trên mà còn đo áp lực sinh ra trong hoạt động

tạo sơn của các quá trình kiến tạo Do vậy, đất đá bị mất nước, độ rỗng giảm đi, sự liên kết giữa chúng tăng lên làm thay đổi kiến trúc và cấu tạo của đá

" Biến chất khu vực thường xảy ra dưới sâu do tác động đồng thời của nhiệt độ cao và ap suất lớn làm thành phần, kiến trúc của đá bị thay đối

1.1.2 THANH PHAN CUA ĐÁ :

Đá có thể được tạo thành từ một khoáng vật (đá đơn khoáng) hay nhiều khoáng vật được gắn lại với nhau bằng các chất gắn kết (đá đa khoáng) Da

số các loại đá đều là đá đa khoáng và như vậy thành phần của chúng sẽ gồm

các khoáng vật và các chất gắn kết

1.1.2.1 Cac khodng vat tạo đó

Khống vật là những hợp chất của các nguyên tố hoá học tự nhiên hay

các nguyên tố tự sinh được'hình thành do các q trình hố lý khác nhau

xây ra trong vỏ Trái Đất hay trên mặt đất Đa số các khoáng vật ở thể rắn

và có trạng thái kết tắnh Theo A.P Vinogradov, trong tu nhién da biét

khoảng gần 3000 khoáng vật, nhưng trong số đó, chỉ có khoảng 30 Ở B0

khống vật đóng vai trò quyết định trong việc thành tạo đá được gọi là khoáng vật tạo đá

Các khoáng vật tạo đá được chia thành từng nhóm và mỗi khoáng vật lại có những đặc điểm về cấu tạo, lực liên kết trong mang tinh thé khác

nhau dẫn đến tắnh chất của chúng cũng khác nhau

= Các nhóm khống vật tạo đá chắnh

Trong cơ học đá thường không xác định thành phần khoáng vật đầy đủ

và định lượng Theo J.A Franklin, có 6 nhóm khống vật tạo đá chắnh ảnh

hưởng đến tắnh chất cơ học của hầu hết các loại đá thường gặp trong xây dựng cơng trình Các nhóm được nêu theo thứ tự giảm dần về chất lượng

TRUONG BAI HOG GIAG THONG VAN TẢI

cơ học: PHAN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỖ CHÍ MINH

THU VIEN

A13844 CƠ HỌC ĐÁ s 17

Trang 12

- Nhóm thạch anh Ở felspat

Thạch anh là thành phần chủ yếu của đá granit và hầu hết các loại cát kết Nó thường trong suốt hoặc có màu trắng đến xám tựa thuỷ tỉnh, độ

cung 7

Felspat là thành phần chủ yếu của hầu hết các đá magma và cát kết

loại arko Nó gồm plagioclas và orthoclas có màu từ hồng đến trắng, mờ đục, rất dễ vạch bằng dao bỏ túi,

- Nhóm lithic /bazởd

Gồm các vụn đá của đá magma bazơ (bazan, gabro), cát kết grauvac

xám tro, amphibolit và các khoáng vật bazơ sãm màu như amphibol và pyroxen Khi còn tươi, các khống vật này có độ cứng kém hơn thạch anh một chút

- Nhóm mica

Gồm các khoáng vật dạng tấm như biotit (mica đen), muscovit (mica trắng) và clorit, xuất hiện như thành phần phụ nhưng quan trọng của một

số đá magma và là thành phần chắnh của các đá biến chất cấu tạo phân

phiến Biotit có màu tiêu biểu từ nâu đến đen; muscovit có màu bạc và clorit

có màu xanh Tắnh phân phiến và thường tạo thành các dải có hàm lượng

mica cao làm yếu các đá chứa chúng Mica dễ bị tác động bởi các tác nhân phong hố

- _ Nhóm carbonat

Gồm các khoáng vật như calcit, đolomit dễ nhận biết do chúng dễ bị vạch bằng dao, sủi bọt trong HCI loãng Chúng xuất hiện dưới dạng các tỉnh thể, các hạt hay các vụn hoá thạch có cùng kắch thước và do khả năng hoa tan, chúng cũng thường là xi măng gắn kết giữa các hạt và lấp đầy lỗ rỗng

Các khống vật nhóm carbonat thường có màu trắng mờ đến vàng sẫm sáng, đơi khi có màu tối, thậm chắ là màu đen

- Nhóm muối

Gồm muối mỏ, muối kali và thạch cao Chúng thường mềm yếu và dẻo,

đơi khi chảy và có thể bị hoà tan trong khoảng thời gian xây dựng Các khống vật này có khả năng hoà tan và được thành tạo từ các dung dịch muối biển Màu của chúng thường từ màu mờ đục tới trắng phớt hồng Tỉnh thể halit có dạng khối đặc trưng còn thạch cao lại có dạng sợi

-_ Nhóm pelit (chứa sét) |

Gồm các khoáng vật như kaolint, illit, monmorilonit là các thành phần

chủ yếu trong đá phiến sét, đá phiến và là sản phẩm thứ sinh trong nhiều

- đá magma, biến chất và đá vôi Chúng có hạt mịn và do vậy, khó nhận biết, trờ khi suy luận từ đặc tắnh mềm yếu và màu nầu Ở xanh Ở xám thông thường của chúng Các khống -vật sét có khả nang trương nở khác nhau, _ trong dé monmorilonit, trương nở mạnh nhất _

i

Trang 13

Khi mô tả đá, các khoáng vật được liệt kê theo phần trăm và thứ tự

giảm dần Thắ dụ đá granit có thể mơ tả theo thành phần khoáng vật là gồm

55% felspat trắng tối vàng sẫm, 25% thạch anh, 10% khoáng vật chứa

magne Ở sat va 10% biotit

Ộ Cấu tạo của khoáng vật

Khoáng vật thường gặp Ở dạng tình thể hay hạt Tuy một số khoáng vật có kắch thước lớn như thạch anh, felspat nhưng đa số các khoáng vật đều ở dạng tình thể nhỏ

Các tinh thể khoáng vật thường có cấu tạo mạng là sơ đồ hình học

trong khơng gian cấu tạo của vật chất kết tỉnh Giả sử có một mang tinh thể

như trên hình (1.1) Phần nhỏ nhất của tỉnh thể được biểu diễn bằng các đường đậm nét, được gọi là nhân cơ bản hay mạng phân tố, chúng sắp xếp liên tục theo 3 trục trong không gian tạo thành tinh thể

Hình 1.1- Mạng không gian của tinh thé

Mạng phân tố được đặc trưng bằng 6 yếu tố: 3 kắch thước của khung

mạng a, b, c và 3 góc giữa các trục x, y, z2 là Ủ, B và y Tuy theo quan hệ hình

học giữa các yếu tố của mạng mà các tỉnh thể được chia thành nhiều hệ khác

nhau như tam tà (a #b #c ; Ủ # B #+y z 90), tà phương (a Ộb #c;Ủ==y= 90ồ, lục phương (a =bzc;Ủ=B = 90/, y = 120), lập phương (a = b = c;

a=B=y=90ồ) _ :

Các tỉnh thể không chỉ khác nhau về hình dạng của mạng mà còn khác

nhau ở dạng các vật chất nam ở nút mạng Theo đó, người ta chia ra thành '

mạng ion khi các nút mạng là các lon mang điện tắch âm hay dương (như ,

mạng tinh thể muối mỏ NaCl ), mạng nguyên tử khi mỗi nút mạng là một

nguyên tử vật chất (như mang tinh thé kim cuong, sfalerit ZnS ) hay mang phân tử khi ở nút mạng là những phân tử trung hoà về điện (như trong mạng các liên kết hữu cơ )

Tuy vậy, trong tự nhiên rất hay gặp các mạng hỗn hợp như mạng ion Ở

phân tử Các khoáng vật tạo đá cũng hay là loại mạng này

Trang 14

Ộ Lac liên kết trong mạng tinh thé

Lực liên kết trong mạng tinh thể có bản chất là lực tĩnh điện, sinh ra do tác động tương hỗ chủ yếu là của các điện tử hoá trị của nguyên tử

Do sự phân bố các điện tử trong nguyên tử và phân tử của các tinh thé

không như nhau nên các lực liên kết trong các tỉnh thể khoáng vật cũng

khác nhau Người ta chia ra một số loại liên kết sau:

Liên kết lon thường thấy ở các mạng ion, nghĩa là tại các nút

mạng là các lon dương hay âm Lực liên kết gây ra do lực hút giữa các lon mang điện tắch trái dấu Luc nay ty lệ nghịch với khoảng cách giữa các 1on và tỷ lệ thuận với các điện tắch của chúng

Liên kết đồng hoá trị thường thấy ở các mạng nguyên tử Lực liên

kết sinh ra do tác động trao đổi điện tử giữa hai nguyên Ẩ tử nằm ở hai nút mạng ở rất gần nhau

Liên kết carbon là thắ dụ cổ điển của các loại liên kết này (như kim cương và một vài khoáng vật khác)

Liên kết phân tử thường thấy ở các mạng phân tử Các phân tử

trung hoà về điện nhưng sự sắp xếp các điện tắch trong chúng lại khơng hồn tồn đối xứng nên sự liên kết giữa các phân tử là lực

tĩnh điện rất yếu như lực Van der Waals, sinh ra khi chúng ở gần nhau Độ bền của những tỉnh thể có liên kết kiểu này rất kém Liên kết kim loại đặc trưng cho tắnh chất của tinh thể kim loại

Những nguyên tử kim loại sau khi mất điện tử trở thành các ion dương nằm ở các nút mạng, còn các điện tử tách ra nằm ở khoảng

không giữa các nút Giữa các điện tử, ion dương liên kết với nhau

bằng các điện lực Chắnh các lực này đã giải thắch cho độ bền của

vật răn

Do mạng tỉnh thể của một vài khống vật có thể là hỗn hợp nên lực liên

kết của chúng cũng không phải chỉ là một loại Có thể theo hướng này thì là

liên kết ion, cịn theo hướng khác thì có thể là liên kết phân tử (như molibđenit, graựt ) Điều này làm phát sinh tắnh chất dị hướng của các

tỉnh thể

= Một số đặc trưng của khoáng vật

Trạng thái vật lý

Đa số các khoáng vật đều ở dạng kết tỉnh, trong đó các nguyên tử

hay ion được sắp xếp theo một trật tự nhất định, tạo thành mạng lưới không gian làm khống vật có hình dáng bên ngoài nhất định

Một số khống vật vơ định hình do khơng có cấu trúc mạng tỉnh thể

không gian nên chúng khơng có hình dáng bên ngoài nhất định, tạo nên tắnh đẳng hướng của khoáng vật: tắnh chất của khoáng vật theo mọi phương có thể coi là bằng nhau

Trang 15

- Hình dáng tinh thể

Tuỳ theo sự phát triển trong không gian của mạng tỉnh thể, khống vật có thể có dạng hình lăng trụ, hình que, hình kim khi tĩnh thể khoáng vật chỉ phát triển theo một phương; dạng tấm, vay, la khi tỉnh thể khoáng vật phát triển theo hai phương hay dạng hạt, cục

khi tỉnh thể phát triển theo cả ba phương

-_ Màu sắc và vết vạch

Màu của khoáng vật là do thành phần hoá học và các tạp chất trong nó quyết định Theo đó, người ta chiá làm khoáng vật màu sáng (không màu, trắng, xám sáng, vàng hồng và khoáng vật màu sẫm (đen, xanh, nâu và các màu tối khác )

Vết vạch là màu của bột khoáng vật để lại trên tấm sứ trắng, nhám khi cọ vào nó Thường thừ màu của khoáng vật và của vết vạch là giống nhau nhưng cũng có những khống vật lại khơng thể hiện như - vậy: Khoáng vật hêmatit có màu đen, xám thép nhưng màu của vết vạch lại là đỏ máu hay khống vật pyrIt có màu vàng thau nhưng

vết vạch lại có màu đen

-_ Độ trong suốt và ánh

Độ trong suốt của khoáng vật là khả năng khoáng vật cho ánh sáng xuyên qua Theo đó, người ta chia thành các mức độ trong suốt (như thạch anh, muscovit ), nửa trong suốt (như thạch cao, sphalerlt ), không trong suốt (như pyrit, magnetit )

Ánh của khoáng vật là sự phản xạ màu sắc trên mặt khoáng vật khi ánh sáng chiếu vào Người ta chia thành ánh kim và ánh phi kim

(như ánh thuỷ tỉnh, ánh xà cừ, ánh mỡ, ánh ađamatin )

-_ Tắnh dễ tách (cát khan)

Tắnh dễ tách là khả năng tỉnh thể của một vài khống vật có thé tách ra được theo những mặt phẳng song song với nhau khi chịu tác dụng lực Các mặt phẳng này cũng được gọi là mặt tách hay mặt cát

khai |

Theo O Brave (1848), người sáng lập ra lý thuyết cấu tạo mạng của

tinh thể thì mặt cát khai là mặt có mật độ nút lớn nhất và khoảng cách giữa các mặt cũng là lớn nhất

Trong một mặt của mạng tình thể (hình 1.9), kẻ các hướng OA, OB,

OC Mật độ nút dày nhất là ở hướng OA (khoảng cách giữa các nút là bé

nhất) Ký hiệu khoảng cách giữa các mặt song song liên tiếp theo các hướng

trên, tương ứng là dƯ, d; và dạ; và khoảng cách giữa các nút theo các hướng

trên tương ứng là a;, a; và a; thì có thể dễ dàng nhận thấy là:

aƯd, = a;d; = ad; = ad (1.1)

nghĩa là tắch của khoảng cách giữa các nút mạng theo một hướng nào đó và khoảng cách giữa hai mặt song song liên liếp theo hướng đó ln là một hằng số

Trang 16

Vì vậy, khi khoảng cách giữa hai mặt song song càng lớn (trong khi khoảng cách

giữa các nút mạng càng giảm Ở nghĩa là mật [ C độ nút càng dày) thì lực liên kết giữa chúng d3 càng giảm, chúng càng dễ tách xa nhau khi

chịu tác dụng lực d2zB : | fl ha, Ở mạng tỉnh thể như trên hình (1.2), ọ LỞ A mặt cát khai sẽ là mặt MN, trùng với hướng

OA - ; Hình 1.2 - Một mặt của

Tuy nhiên, lực liên kết giữa các nút mang tinh thé mạng không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách

giữa chúng mà còn phụ thuộc vào sự tương tác giữa chúng, nghĩa là còn phải

tắnh đến các lực liên kết hoá học

Tắnh chất cát khai cũng có thể giải thắch bằng thuyết năng lượng bề mat Theo V.D Kuznexhov thi mặt cát khai sẽ trùng với mặt cố năng lượng

bể mặt bé nhất Năng lượng bề mặt có thể coi là năng lượng dư trên một đơn

vị diện tắch hay là lực cần thiết đặt vào một đơn vị chiều dài để tách lớp trên

mặt (với các chất lỏng, năng lượng bề mặt được gọi là sức căng bề mặt)

Tuỳ theo mức độ dễ tách của các khoáng vật mà người ta có thể chia

thành dễ tách rất hoàn toàn (như mica, muối mỏ ), hoàn toàn (như

caleIt ), trung bình (như felspat ), khơng hồn tồn (như apatit, olivn ) và rất khơng hồn tồn (như corInđon, magnetit )

- Vết võ

Vết võ là dạng bất kỳ của mặt khoáng vật kh1 bị phá huyỹ

Tuỳ theo hình dạng của vết vỡ, người ta chia thành vết võ phẳng (khi khoáng vật bị võ theo các mặt dễ tách, đặc trưng cho các khống vật có tắnh dễ tách cao), vết vỡ vỏ sò (như thạch anh ), vết vỡ nham nhỏ (khi mặt vết võ lỏm chởm, không bằng phẳng như các khoáng

vật đồng, bạc ) và vết võ đất (khi bị vỡ, khoáng vật vụn như đất, như ở khoáng vật kaolinit )

- Độ cứng

Độ cứng là khả năng chống lại tác dụng của ngoại lực của khoáng vật, đặc trưng cho độ bền cục bộ của nó

Trong thực tế, thường dùng độ cứng tương đối, nghĩa là so sánh độ cứng của khoáng vật với 10 khoáng vật chuẩn do F Mohs chọn ra từ năm 1882 Việc so sánh được thực hiên theo nguyên tắc khi cọ xát hai khoáng vật với nhau, khoáng vật nào cứng hơn sẽ để lại vết xước trên khoáng vật kia

Các khoáng vật trong thang độ cứng của Mohs được coi là mềm nhất

(độ cứng 1) tới cứng nhất (độ cứng 10) như sau:

Trang 17

1- Talc 6- Orthoclas

2- Thạch cao 7- Thạch anh

3- CalcIt 8- Topaz

4- Fluorit - 9- Corindon 5- Apatit 10- Kim cương

Ngoài ra, người ta còn dùng độ cứng của một số vật phổ biến như móng

tay (độ cứng 2,5), mảnh kắnh (5,5), lưỡi dao thép (6,5) để dễ dàng xác định độ cứng tại thực địa

- Ty trong |

Tuỳ theo sự thay đổi tỷ trọng của các khoáng vật, người ta chia

thành khoáng vật nặng khi tỷ trọng > 4 như pyrit, magnetit ;

khống vật trung bình khi tỷ trọng từ 2,5 Ở 4 như thạch anh, calcit

và khoáng vật nhẹ khi tỷ trọng < 2,5 như thạch cao, orthoclas

Đa số các khống vật thường có tỷ trọng tt 2,5 Ở 3,5

-_ Tắnh dị hướng

Dị hướng là tắnh chất phụ thuộc vào hướng của tỉnh thể: theo các hướng song song với nhau thì tắnh chất của nó là như nhau, nhưng

khi xét theo các hướng khác nhau thì tắnh chất của nó lại thay đổi Tắnh dị hướng của khống vật có thể giải thắch theo lý thuyết cấu tạo

mạng của tinh thé

Trên hình (1.2), theo các hướng ÓA, OB, OC mật độ nút (số lượng nút trên 1 đơn vị chiều đài) là không giống nhau Mật độ dày nhất là theo hướng OA, thưa nhất là ở hướng OC, do vậy lực liên kết giữa các nút mạng theo các hướng cũng sẽ không như nhau làm tắnh chất của khoáng vật theo các

hướng khác nhau sẽ khác nhau Với các hướng sonz song, chúng có cùng mật độ nút va do vậy, tắnh chất của chúng hầu thư không thay đổi

Người ta thường để ý đến sự dị hướng độ cứng của khoáng vật và hệ số

dị hướng là tỷ số giữa giá trị độ cứng lớn nhất và nhỏ nhất theo các hướng khác nhau Khoáng vật rất dị hướng về độ cứng là disthen với hệ số dị hướng

bằng 3,13 (Lebedeva, 19683)

Ộ Ngoài các tắnh chất trên, khoáng vật cịn có một số tắnh chất khác như khả năng sủi bọt với HƠI 10%, tắnh đàn hồi, khả năng uốn cong hay dat móng, từ tắnh, tắnh phóng xạ

1.1.2.2 Chat gan két

Trong đá đa khoáng hay đá vụn, các khoáng vật hay các hạt đá được

gắn lại với nhau bằng các chất gắn kết

" Các loại chất gắn kết |

Tuy theo tắnh chất, thành phần của chất gắn kết mà người ta chia ra

các loại chất gắn kết sau:

Trang 18

-_ Chất gắn kết sille gồm SIO, hay SiO,.nH,O

-_ Chất gắn kết carbonat gồm calcit CaCO;Ư, siđerit FeCO; - Chat gan kết sulfat như thạch cao CaSO,

- Chất gắn kết có chứa sắt như hematit Ee,O, limonit

2Fe,O,.3H,O

- Chất gắn kết có chứa sét gồm các khoáng vật sét như kaolinit

Al,O,.28iO,.2H,O, illit Al,O,.3Si0, nH,O

-_ Chất gắn kết từ bitum hay các chất khác

Theo thứ tự kể trên, độ bền của các chất gắn kết giảm dần nên các đá được gắn kết bằng silic là loại đá cứng và bền vững nhất trong các đá trầm tắch Các chất gắn kết cũng có màu sắc rất đặc trưng: silic và vơi thường có

màu xám nhạt, siđerlt có màu da bị, hematit có màu đỏ, cịn limomIt lại có

mau nau

s Cac kiểu gắn kết

Tuy theo tương quan giữa các chất gắn kết và các hat đá được gắn kết mà người ta chia thành 3 kiểu gắn kết:

- Gan kết kiểu tiếp xúc khi chất gắn kết chỉ có ở chỗ tiếp xúc giữa các hạt (hình 1.3a)

- Gắn kết kiểu lấp đầy hay lỗ rỗng khi chất gắn kết lấp đầy lỗ rỗng

giữa các hạt (hình 1.8b)

-_ Gắn kết kiểu bazan hay cơ sở khi chất gắn kết tràn đầy trong khối

đá làm các hạt đá không tiếp xúc với nhau (hình 1.3e)

a) b) | Cc)

Hinh 1.8 - Cac kiéu gan két

a) Kiểu tiếp xúc; b) Kiểu lấp đầy; c) Kiéu bazan |

Theo thứ tự kể trên, khi với cùng một loại khoáng vật và chất gắn kết,

độ bền của đá tăng dần |

1.1.3 KIEN TRUC CUA DA

Kiến trúc là tổng hợp các đặc trưng thành tạo của đá, được xác định

bằng mức độ kết tinh; dạng, kắch thước hạt và quan hệ lẫn nhau giữa các

phần tạo nên đá, nghĩa là giữa các khoáng vật tạo đá và dung nham trong

đá magma hay chất gắn kết trong đá trầm tắhvụn -

Trang 19

1.1.3 1 Theo mức độ hết tắnh, người ta chia ra:

Ừ Kiến trúc toàn tinh hay kiến trúc hạt, đặc trưng cho loại đá nằm dưới sâu, kết tinh trong điều kiện thuận lợi: quá trình đơng nguội xay ra từ từ, các tỉnh thể có đủ thời gian để lớn lên, tạo nên trong đá gồm toàn những hạt

- kết tinh có thể nhìn rõ được ồ bằng mắt thường (hình 1.4)

Hinh 1.4 - Kiến trúc toàn tinh (Đá grunit có chứa cóc họt lớn orthocias, thạch anh uò bioiit)

- Hình 1.5 - Kiến trúc porphyr

Ộ Kiến trúc porphyr tạo thành khi điều kiện kết tỉnh không thuận lợi: phần magma đông lại ở dạng thuỷ tinh, trên nền đó có nổi lên những tỉnh thể lón của khống vat tao da Da gém cả các khoáng vật ở dạng kết tinh và

những tỉnh thể nhỏ mà mắt thường khơng nhìn thấy được (hình 1.5)

" Kiến trúc ấn tỉnh gồm những tỉnh thể rất nhỏ chỉ nhìn thấy được qua kắnh hiển vi, xảy ra khi đồng dung nham bị nguội lạnh nhanh trên mặt đất,

tinh thé không đủ thời gian để hình thành, chỉ tạo được những tỉnh thể rất nhỏ (hình 1 6)

Hình 1.6 - Kiến trúc ẩn tỉnh

Trang 20

Ộ Kiến trúc thuỷ tỉnh tạo thành khi điều kiện kết tỉnh rất không thuận lợi Dòng dung nham bị nguội lạnh rất nhanh tạo thành một khối thuỷ tỉnh

đặc xắt Kiến trúc này thường thấy khi dòng dung nham phun lên từ lòng: đất ở dưới đáy biển

1.1.3.2 Theo hắch thước hạt bết tỉnh, Hội Cơ học đã Quốc tế (ISRM) chia thành một số loại kiến trúc như trong bảng (1.1)

Bảng 1.1

Loại kiến trúc _Ì ắch thước hat, mm

Hat rat thé > 60 Hat thé 2Ở60 Hạt vừa _0,06-Ở 2 Hạt mịn 0,002 Ở 0,06 Hạt rất mịn < 0,002

Trong tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5747 Ở 1993, kiến trúc của đá được | phân chia theo kắch thước của các hạt với cách gọi tên và kắch thước hạt hơi khác (bảng 1.2) |

Bang 1.2

Loai kién trac Kắch thước hat, mm

Da tang > 300 Cuội (đăm) 150 Ở 300 Soi (san) 2Ở 150 Hạt cát 0,06 Ở 2 Hạt bụi | 0,002 Ở 0,06 Hạt sét | <0,009

1.1.3.3 Theo dạng uà mức độ đồng déu cia hat

- Theo hình dạng của hạt kết tỉnh, tuỳ theo tương quan giữa 3 chiều kắch thước của hạt mà người ta chia thành kiến trúc đẳng thước (khi kắch thước 3 trục gần như nhau), kiến trúc dạng tấm (khi có 2 trục đài và 1 trục ngắn) và

kiến trúc dang sợi (khi có 2 trục ngắn và 1 trục đài)

Tuy theo hình dạng của hạt kết tỉnh sau khi đã bị mài mịn mà người ta có thể chia thành kiến trúc hạt góc cạnh, nửa góc cạnh, nửa tròn cạnh, tròn cạnh hoặc rất tròn cạnh

Tuy theo mức độ đồng đều của các hạt kết tinh ma người ta lại chia

thành kiến trúc hạt đều (khi các hạt có kắch thước gần giống nhau) và "kiến trúc hạt không đều (khi các-hạt có kắch thước rất khác nhau)

Trang 21

1.1.4 CAU TAO CUA DA

Cấu tạo là những đặc điểm về sự sắp xếp trong không gian của những thành phần tạo nên đá và mức độ liên tục của chúng

1.1.4.1 Theo sự định hướng cua cdc khodng vat trong khéng gian thi đá có một số cấu tạo chắnh là:

w Cấu tạo khối được tạo thành do các thành phần tạo nên đá sắp xếp không theo một trật tự, một qu1 luật nào cả, tạo nên một khối đá chặt xắt Cấu tạo này đặc trưng chủ yếu cho đá magma, khi các dòng dung nham trào

lên rồi đông đặc lại Ở đá biến chất và đá trầm tắch cũng thấy có cấu tạo này

Do sự sắp xếp một cách ngẫu nhiên của các thành phần tạo nên đá, nên

- theo các hướng khác nhau, tắnh chất của khối đá coi như là giống nhau - đá

có tắnh chất đắng hướng

= Cau tao phan lớp được tạo thành do sự lắng đọng liên tiếp của các lớp đá có thành phần và kắch thước hạt khác nhau trong đá trầm tắch hay do sự

đông cứng của các dải theo phương dịch chuyển của dòng magma trong đá magma hay do sự biến chất cao của các dải đá có trước trong đá biến chất Tuy theo chiều dày của lớp mà người ta chia thành phân lớp mảnh, mỏng, trung bình và khơng phân lớp (tạo thành khối)

Cấu tạo này đặc trưng cho đá trầm tắch

= Cau tạo phân phiến được tạo thành do sự biến đối của đá trong quá

trình làm chặt hay các quá trình kiến tạo gây ra áp suất cao, nhiệt độ lớn Trong đá có những dải đá dài song song với nhau, chiều dày của các dải này nhỏ

Trong cấu tạo phân phiến, người ta lại chia thành phân phiến nguyên sinh và thứ sinh khi bề mặt các lớp phân phiến vẫn song song hay đã bị lệch lạc đi so với hướng phân lớp chắnh ban đầu

Cấu tạo này đặc trưng cho đá biến chất

1.1.4.2 Theo mức độ liên tục của sự sắp xếp các thành phần tạo nên đá, người ta chia ha loại cấu tạo chắnh: _

* Cau tạo chặt xắt khi các thành phần tạo nên đá sắp xếp chặt xắt với

nhau, trong đá hầu như khơng có lỗ rỗng

_ Cấu tạo chặt xắt thường đặc trưng cho đá magma và đá biến chất Độ

rỗng đà tỷ số % giữa thể tắch của lỗ rỗng trong đá và chắnh thể tắch của mẫu

da) của các loại đá này thường chỉ từ 0,8 Ở 1,2% (Xhaxhov, 1961)

Ừ Cấu tạo lỗ rỗng được tao thành khi sự sắp xếp ngẫu nhiên, không chặt chẽ của các thành phần tạo nên đá Trong đá có rất nhiều lỗ rỗng ở giữa các thành phần tạo nên đá hay chúng được tạo thành do sự thoát khắ và hơi

nước từ dòng dung nham của đá magma

Trang 22

Cấu tạo lỗ rỗng thường đặc trưng cho đá trầm tắch Với các đá này, độ

rỗng thường rất lớn, có thể từ 3 Ở 39% với đá cát kết hay t từ 0,6 Ở 33% với đá voi, dolomit (Xhaxhov, 1961)

Ngoài các cấu tạo trên, trong đá magma cịn có cấu tạo hạnh nhân khi trong các lô rồng lại chứa các khoáng vật thứ sinh khác hay cấu tạo dạng _ bot, dang xỉ khi trong đá có rất nhiều lỗ rỗng làm đá xốp và nhẹ (hinh 1.7)

1.1.5 TÍNH KHÔNG ĐỒNG NHẤT VÀ DỊ HƯỚNG CỦA ĐÁ

Ở Đá là tập hợp của nhiều khoáng vật Bản thân mỗi khoáng vật đã có

tắnh dị hướng và sự sắp xếp chúng trong đá không theo một trật tự, một qui luật nào nên về mặt thành phần khoáng vật, đá là một vật thể không đồng

nhất

Đá được thành tạo do sự gắn kết các

khoáng vật khác nhau trong đá trầm tắch hay do sự đông nguội của các khoáng vật trong dung nham nóng chảy của đá

magma, mà sự sắp xếp các hạt khoáng vật

trong khối đá là hoàn toàn ngẫu nhiên nên

về mặt sắp xếp các hạt trong đá cũng là không đồng nhất

Khi thành tạo đá, các lỗ rỗng được

hình thành một cách hoàn toàn ngẫu nhiên, bất kỳ về mặt cấu tạo và kắch

thước Các lỗ rỗng có thể liền hệ với nhau và cũng có thể riêng biệt nếu ở những chỗ

khác nhau trong khối đá, độ rỗng của đá Hinh 1.7- Dd bazan dang bot

cũng khác nhau, nghĩa là đá không đồng

nhất về mặt độ rỗng ,

Việc làm chặt đá phụ thuộc vào chiều sâu Đá càng nằm dưới sâu thì do áp lực của các tầng đá nằm trên, đá càng được lèn chặt Mức độ làm chặt cũng phụ thuộc vào cấu tạo và các hoạt động kiến tạo xảy ra tại các vị trắ khác nhau trong khối đá Các khe nứt kiến tạo được tạo thành cũng không

phải là giống nhau trong tất cả mọi điểm của khối đá Vì vậy, đá khơng đồng nhất về mức độ làm chặt và tắnh chất nứt nẻ của nó

Do chịu ảnh hưởng của nhiều mặt về sự không đồng nhất nên đá thể

hiện tắnh không đồng nhất qua các biểu hiện khác nhau, nhưng rõ nhất là tắnh dị hướng, là sự khác nhau về các chỉ tiêu tắnh chất của đá khi xét theo các hướng khác nhau

Với các đá trầm tắch và biến chất, sự dị hướng thể hiện ở sự khác nhau

về tắnh chất khi xét theo hướng song song hay vng góc với các mặt phân

lớp hay phân phiến của đá Người ta dùng hệ số dị hướng là tỷ số giữa một

chỉ tiêu tắnh chất nào đó của đá xác định theo hướng vng góc với mặt phân

Trang 23

lớp hay phân phiến và chắnh chỉ tiêu đó khi xác định theo hướng song song

với mặt phân lớp hay phân phiến của đá

_ỞXI

ồX/

trong đó: X là một chỉ tiêu tắnh chất nào đó của đá

(1.2)

Với đá magma, sự dị hướng chỉ xảy ra khi có một lớp khống vật được định hướng theo một phương nào đó, mà điều này lại hiếm xảy ra trong quá trình thành tạo đá magma - nên thực tế, người ta coi magma là những khối

đẳng hướng

1.1.6 MOT SỐ LOẠI ĐÁ THƯỜNG GẠP

Theo nguồn gốc thành tạo, đá được chia thành các đá magma, biến chất, và trầm tắch Trong mỗi loại đá đó, tuỳ theo vị trắ, điều kiện thành tạo và

kắch thước các hạt mà người ta lạrehia ra nhiều tên đá khác nhau

Các nhà địa chất thì khi phân loại, hay nặng về nguồn gốc hình thành

của đác loại đá, còn đối với những người nghiên cứu cơ học đá, người ta

thường dựa trên sự quan sát định hướng đơn thuần về cỡ hạt của những thành phần tạo nên đá

1.1.6.1 Da magma

Da magma dude thanh tạo do sự đông cứng của dòng dung nham nồng chảy (magma) phun lên từ trong lòng đất

Thành phần chủ yếu của đá magma là felspat (khoảng 60%), amphibol

và pyroxen (khoảng 17%), thạch anh (khoảng 12%), mica (khoảng 4%) và các

khoáng vật khác

Nếu theo hàm lượng SiO, có trong đá thì người ta chia đá: magmia thành loại đá magma axit (lượng S1O; > 65%), đá magma trung tắnh (ượng 510, = 5õ Ở 65%), đá magma bazơ (lượng S1O; = 45 Ở 55%) và đá magma siêu | bazd (ludng SiO, < 45%)

Tuy theo tỷ lệ các khoáng vật sẫm màu có trong đá mà các đá magma có thể có màu sáng (thường là đá magma axit) hay màu sẫm vừa, quá sẫm (với đá magma bazơ và siêu baz0)

Tuỳ theo vị trắ kết tỉnh của khối magma trong lòng đất hay trên mặt đất mà người ta chia các đá magma thành loại magma xâm nhập như granit, điabas, gabro hay magma phún xuất (phun trào) như bazan,

ryolit _ "

Da magma thường có cấu tạo khối, kiến trúc kết tỉnh hoặc thuỹ tĩnh, độ

Trang 24

(< 0,06mm nhưng cịn nhìn thấy được) thì tạo thành đá tương ứng là ryolit và bazan Với các da t magma có kiến trúc thuy tỉnh thì được gọi là obxiđian

và tachylit

Hinh 1.8- Khe nut dang cot trong da bazan

a) ở Xikhote Alin (Liên Xô cũ)

bd Ghénh da Dia (Phu Yén Ở Viét Nam); _@ở Devils Postpile (California Ở MY)

Trong các loại: đá trên thì bazan là loại đá phun trào phổ biến nhất, thường thấy các khe nứt dạng cột rất rõ ràng trong đá (hình 1.8) Khi phun trào dưới đáy biển, bazan thường tạo thành kiến trúc dạng gối Đá bazan có màu sẫm đến đen, kiến trúc porphyr và ẩn tinh, độ bền từ 300 - 350MPa, có khả năng chống lại các q trình phong hố Đá bazan được dùng làm vật liệu xây-dựng, vật liệu cách điện, cách nhiệt và chịu axit:

Granit là loại đá xâm nhập thường gặp ở nhiều nơi Ỏ các vùng phắa : Bắc, nó thường it hoặc khơng có dấu hiệu phong hoá, trong khi ở miền Nam, do khắ hậu nóng ẩm phong hoá thường xâm nhập tới độ sâu 30m và đôi

khi tới 300m Do chứa felspat và khoáng vật sắt, mangan không ổn định với

phong hoá hoá học nên granit có xu hướng phân huỷ thành khoáng vật sét _ Khi chưa bị phong hoá, granit có độ bền cao khoảng 160 - 250MPa; được sử Ấ dụng rộng rãi trong giao thông, xây dựng, kiến trúc

An 1, 6.2 Da trém tắch

Do được thành tạo từ nhiều nguồn gốc khác nhau n nên đá trầm tắch gồm một số nhóm đá khác nhau rõ rệt

Hình 1.9- Đá cuội kế _ Hình 1.10- Đá dăm kết

Trang 25

_# Nhóm đá trầm tắch vụn được hình thành chủ yếu từ các mảnh võ của

các loại đá tổn tại trước đó hoặc từ các sản phẩm phong hoá của các đá gốc,

được nước, gió hay băng hà vận chuyển, tắch tụ rồi gắn kết lại với nhau một

cách cơ học, nên loại trầm tắch này cũng được gọi là trầm tắch cơ học _ | Tuy theo kich thuéc cua cAc manh vụn trong đá mà người ta chia thành

các đá cuội kết (hình 1.9), dăm kết (hình 1.10), cát kết các loại, bột kết và sét kết Trong các loại đá này thì độ rỗng đóng vai trò rất quan trọng Độ rỗng

sẽ nhỏ nhất khi các hạt nhỏ lấp đẩy lỗ rỗng giữa các hạt lớn hơn hay khi

trong các lỗ rỗng lấp đầy các chất gắn kết Tuỳ theo thành phần trong đá cát

kết mà người ta còn chia thành cát kết thạch anh (khi đá được tạo thành chủ yếu từ thạch anh) (hình 1.11), arko (khi thành phần chủ yếu của đá là

felspat) và grauvac (khi đá được tạo thành từ các mảnh vụn đá)

_ Hình 1.11 - Cát kết thạch anh

a) Chọn lọc tốt; b) Chọn lọc kém

Một loại cát kết đặc biệt có nguồn gốc magma được tạo thành do các mảnh vụn phun ra từ núi lửa Những đám mây bốc lửa (hình 1.12) gồm các vật liệu vụn trôi nổi trên khắ và bụi có nhiệt độ rất cao, di chuyển xuống dưới

theo sườn núi lửa với tốc độ lớn, khi nguội lạnh, tuỳ theo thành phần là các mảnh vụn có góc cạnh hay các hạt mịn như tro mà sẽ tạo thành dăm kết núi lửa hay tuf núi lửa Các hạt gắn kết với nhau trong điều kiện nhiệt độ cao, tạo thành một loại đá chặt cứng, có tắnh chất tương tự như đá magma cùng

loạn * |

Hình 1.19 - Đứm mây bốc lửa

đang chảy xuống theo sườn của một nút lửa

Trang 26

Ộ" Nhóm đá trầm tắch carbonat bao gồm đá vôi, chủ yếu được tạo nên

bằng khống vật calcit, đá đơlomit và một số đá thuộc nhóm trầm tắch vụn nhưng có chứa vơi

Cũng như nhóm đá trên, độ rỗng là thuộc tắnh cơ bản để phân biệt đặc

tắnh cơ học của các loại đá khác nhau trong nhóm Người ta phân biệt độ

rỗng nguyên sinh là do khi chưa lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt Độ rỗng thứ sinh được tạo nên bởi sự mở rộng mạng tinh thể trong quá trình biến đổi

calcit thành đolomit Ở q trình đolomit hố Đá vôi rất không đồng nhất về mặt cấu tạo: một số loại thì xốp, nhưng một số loại thì rất chặt Theo nguồn

gốc thành tạo, đá vơi có thể chia thành các loại đá vôi hoá học, hữu cơ, vụn

và hỗn hợp

Đá vơi hố học thường được thành tạo do sự lắng đọng các chất kết tủa

carbonat ở trong nước Điển hình của loại này là tuf vôi và đá vôi trứng cá

Đá tuf vôi được tạo thành ở vùng có nước mạch lộ ra Do chảy trên mặt đất, một phần CO, bị mất đi nên CaCO., được kết tủa lại, tạo thành đá vơi có lỗ

rỗng và không phân lớp Loại tuf vơi có độ chặt cao, độ rỗng nhỏ, có một phần kiến trúc kết tình thì được gọi là travertin Độ bền của tuf vôi khi khô

khoảng 80MPa Đá vôi trứng cá được tạo thành ở biển nông do sự kết tủa các

hạt CaCO, đồng tâm, rồi chúng lại được gắn lại với nhau bằng chắnh calecit

Độ bền loại đá này chỉ khoảng 16 Ở- 20MPa

Đá vôi hữu cơ được thành tạo

do sự tắch tụ các di tắch hữu cơ, phổ

biến nhất là loại đá vôi vỏ sị (hình 1-13) Loại đá vơi này có độ rỗng cao, độ bền thấp Một dạng khác của đá vôi hữu cơ là đá phấn, có thành phần giống như đá vôi nhưng độ bền thì thấp hơn nhiều

Đá vôi vụn gồm những mảnh

vụn của đá vôi và được gắn chặt lại Hình 1.13 - Đó i uỏ sị

bằng caleit Đây là loại đá tái trầm

tắch

Đá vôi hỗn hợp được thành tạo một phần từ các mảnh vụn, một phần từ các vật chất hữu cơ hay hoá học Phổ biến nhất là đá marn có thành phần

gồm CaCO, (từ 20 Ở 80%) và sét Tuyỳ theo lượng CaCO; mà có thể có loại đá vôi sét (hay đá marn vôi) khi lượng CaCO; lớn hơn và đá marn sét khi lượng CaCO, it Ỏ ngoài biển, đá marn tạo thành tầng dày Khi lộ trên mặt đất, nó Ấ để bị phong hoá, tạo thành đá bùn

Đá đolomit được thành tạo từ khoáng vật cùng tên với các tạp chất như calcit, thạch cao màu xám trắng hay đỏ Kiến trúc dạng hạt, cấu tạo khối chặt'xắt Độ bền nén của đolomit khoảng 100 Ở 140MPa ĐĐolomit được dùng làm vật liệu xây dựng, vật liệu chịu lửa

Trang 27

" Nhóm đá muối: Đá của nhóm nay thudng gap 6 dang halit (NaCl), silvin (KCl), silvinit (hén hop của

halit va silvin) (hinh 1.14), anhydrit

va thach cao (CaSO, 6 dang khan va ngậm nước) Tất ca các đá trong

nhóm đều có thể hoà tan được trong

nước Theo quan điểm địa chất, các trầm tắch này cũng được gọi là trầm

tắch do bốc hơi hay đá bốc hơi, được : sree thành tạo do sự bốc hơi của nước Pee

trong hồ nước mặn và biển |

r ` ae Su he eo ce nh ete My Et re XI 2254 arr = Ol oe ồ ie ge pe ae

Các đá muối thường có màu BSE Noe no

trắng Muối ăn (NaCl) thường có vi Hình 1.14 - De silvinit

mặn, muối kali có vị đắng Các trầm tắch đá muối dày tạo thành mỏ kắch thước lón

Anhydrit là CaSO, ở dạng khan, khi gặp nước biến thành thạch cao, thể tắch tăng lên tới > 30% Độ bển nén của anhydrit khoảng 60 Ở 80MPa

Thạch cao được tạo thành dọ kết quả hợp nước của CaSO,, có màu trắng hay xám, vàng, nâu khi bị lẫn các tạp chất Kiến trúc hạt thô Độ bền

nhỏ hơn 20MPa Thạch cao được dùng làm phấn, vật liệu trang trắ trong xây

dựng hay để bó bột trong y tế,

" Nhóm đá trầm tắch hữu cơ được thành tạo do sự tắch tụ và nén chặt

của các di tắch động thực vật Từ các di tắch động vật sẽ tạo thành các loại đá như đá vôi vỏ sị, đá vơi san hơ, đá phấn như đã trình bày trong nhóm đá

trầm tắch carbonat Từ các di tắch thực vật sẽ tạo thành các loại trầm tắch

nhu diatomit, opoka (da silic), than bùn hay than đá 1.2.6.3 Đá biến chất

(vung Solikamxk Ở Lién X6 cit)

Đá biến chất được thành tạo từ các đá magma, trầm tắch hoặc biến chất

đã tồn tại trước đó do sự tác động mạnh mẽ của nhiệt độ cao và áp suất lớn

Biến chất tiếp xúc xảy ra do sự nung nóng các khối đá gần kề cua dong

magma xâm nhập |

Biến chất động lực xây ra do sự ứng suất cục bộ quá lớn làm biến dạng, nứt nẻ và vỡ vụn đá

Biến chất khu vực tác động trên một diện tắch rộng lớn bằng sự tăn

đồng thời của cả nhiệt độ và áp suất |

Đá gneis (loại paragneis hay orthognels) được tạo thành do sự biến chất

của đá trầm tắch hay đá magma ban đầu Khi đá biến chất chuyển tiếp dần từ granit đến đá gneis thì sẽ được loại đá granitogneis Đá gneis có cấu tạo

gneis điển hình: một dải khoáng vật sáng màu gồm thạch anh, felspat rồi

Trang 28

tiếp đến một dải khoáng vật sẫm màu gồm biotit, horblend Đá gneis có độ

bền cao, từ 80 Ở 180MPa (hinh 1.15)

run : Ì LYE

16 TH

Hinh.1.15 - Da gneis

Khi ham ludng mica, clorit va cac khoang vat dang tam khác trong đá

khá nhiều (thường khoảng > 50%) thì sẽ tạo ra trong đá tắnh phân phiến và

phân lớp móng gọi là các đá phiến (hình 1.16) Tuỳ theo hàm lượng khoáng vật nào chiếm ưu thế trong đá phiến mà người ta có thể gặp đá phiến mica, đá phiến sét, đá phiến amphibol Khi trong thành phần của đá phiến khơng có mica mà chỉ gồm những hạt mịn sẽ tạo thành đá ngói, cứng và có thể tách ra thành từng tấm

Hình 1.16- Đá phiến

Đối với các đá cấu tạo khối, tuỳ theo thành phần đá ban đầu của chúng

mà khi bị biến chất có thể tạo thành các loại đá rất khác nhau Đá vôi khi bị

biến chất sẽ tạo thành đá hoa với các màu sắc khác nhau có thể dùng để tạc

tượng hay làm vật liệu trang trắ (hình 1.17) Đá quarzit được tạo thành do cát kết thạch anh bị biến chất có độ bền rất cao (tới 350MPa), làm nền cho

các cơng trình xây dựng rất tốt Đá sừng là loại đá biến chất từ các đá không phân phiến với các hạt rất mịn cũng được sử dụng như một loại vật liệu xây

dựng, làm nền cơng trình xây dựng

Trang 29

Từ một số đá thường gặp trong tự nhiên, Tiểu ban phân loại đá của Hội

Cơ học đá Quốc tế SRM) đã định nghĩa các tên đá chủ yếu và tóm tắt

chúng trong bảng (1.3) Trong Cơ học đá, đá phải được gọi tên theo các tên gọi trong bảng tóm tắt này

1.2 CAC TINH CHAT CO BAN CUA ĐÁ

Tập hợp các tắnh chất của đá, mà hiện nay còn đang được gọi là Ộtắnh chất cơ - lýỢ là do trước kia, người ta chỉ nghiên cứu một số

chỉ tiêu liên quan đến tắnh chất cơ học của đá như độ bền, tắnh chất biến dạng, tắnh chất lưu biến và một số chi tiêu của tắnh chất vật lý như trọng lượng thể tắch, độ rỗng, độ ẩm của đá Trong những năm gần đây, ngoài những tắnh chất trên, các đặc trưng khác của đá cũng được nghiên cứu tỷ mỹ như tắnh chất nhiệt (với các đặc trưng như độ dẫn nhiệt, độ dãn nở vì nhiệt ), tắnh chất điện - từ (như các đặc trưng điện trở suất, độ nhiễm từ, độ từ cảm ), tắnh chất âm học (như các tốc độ truyền sóng

đàn hổi, suất cản sóng ) nên thuật ngữ

Ộtắnh chất cơ - lýỢ trên trở nên không đầy đủ và

không chắnh xác Mặt khác, các hiện tượng cơ học, nhiệt học, điện Ở từ học, âm học cũng

đều thuộc về vật lý học, nghĩa là các tắnh chất

cơ học, nhiệt học, điện Ở từ học đều là những

phản ứng của đá trước những trường khác nhau của vật lý học; hơn nữa, cơ học là một

phần của vật lý học nên không thể để ngang nhau rồi gộp lại thành tắnh chất cơ - lý Vì vậy, hợp lý và chắnh xác hơn, nên gọi tập hợp

các tắnh chất của đá là các đặc trưng cua tinh pNịnh 1.17 - Tượng Vệ nữ ở

chất vật lý cua da Milo bang dé hoa (tim thay

Như vậy, nói đến tắnh chất vật lý của đá, năm 1820)

nghĩa là nói đến các chỉ tiêu đặc trưng cho hàm lượng tương đối của các pha trong đá, các chỉ tiêu của tắnh chất cơ học, tắnh chất nhiệt, tắnh chất điện Ở từ, tắnh chất âm học, tắnh chất phóng xạ của đá a a bs A Da aT ae : de, rh a es ee: ồ Pra he ne ae _ a ồa Ũ kh" ai ee tas Đua a cả Nà H x

Từ cuối những năm 1970 của thế kỷ trước, quan niệm này đã được một

số nhà nghiên cứu cơ học đá Liên Xô cũ như V.V Rzhevxkliy và G Ja Novik, LA Turchaninov; M.A: Jofix va E.V Kaxparjan néu ra trong các céng trinh nghiên cứu của mình cũng như năm 1991, trong cơng trình đã cơng bố, một sé nha nghién cttu co hoc da cua Phap nhu J Grolier, A Fernandez, M

Hucher va J.Riss cũng có những ý kiến tương tự

Trang 31

Tùy theo mục đắch, yêu cầu cụ thể mà người ta có thể xác định và sử dụng các đặc trưng khác nhau của đá Trong phần này chỉ nêu lên các đặc trưng, các tắnh chất cơ bản nhất của đá, thường được dùng nhất trong kh tắnh toán, thiết kế và xây dựng cơng trình

121MỘT SỐ CHỈ TIÊU ĐẶC TRUNG CHO HÀM LƯỢNG CÁC PHA TRONG ĐÁ

Đá gồm có 3 pha: rắn, long va khi Tuy theo ty lệ hàm lượng các pha có trong đá mà làm đá có thể nặng hay nhẹ, ẩm hay khô; chặt xắt hay xốp rỗng Để phân biệt các đặc tắnh này, người ta thường dùng một số chỉ tiêu sau:

1.2.1.1 Trọng lượng riêng uà bhối lượng riêng

" Trọng lượng riêng của đá là trọng lượng một đơn vị thể tắch phần cứng của nó Về trị số, trọng lượng riêng được tắnh bằng tỷ số giữa trọng

lượng phần cứng của đá và thể tắch của nó Trọng lượng riêng thường được ký hiệu là y,, đơn vị tắnh thường là kN/mỢ hay MN/miỢ

Ys = Qs (1.3)

trong đó: Q là trọng lượng phần cứng của đá

V là thể tắch phần cứng của đá

Trọng lượng riêng của đá phụ thuộc vào trọng lượng riêng và ty lệ thể tắch của các khoáng vật tạo đá có trong đá Biết được trọng lượng riêng của các khoáng vật tạo đá và tý lệ thể tắch của chúng trong đá, sẽ tắnh được trọng lượng riêng của đá theo công thức:

=>, Vi | (1.4)

trong đố: yẤ là trọng lượng riêng của khoáng vật tạo đá thứ 1 , là tỷ lệ thể tắch của khoáng vật tạo đá thứ 1 trong da n là số lượng khoáng vật tạo đá có trong đá

Đồng thời với trọng lượng riêng, trong thực tế còn dùng một đại

lượng gọi là tỷ trọng, là tỷ số giữa trọng lượng riêng của một loại đá nào

đó so với trọng lượng riêng của nước Tỷ trọng là một đại lượng khơng có thứ ngun và được xác định theo công thức:

A=+* (1.5)

Yn

trong đó: A là tỷ trọng của đá

y, 1a trọng lượng riêng của nước

Trang 32

Thực tế thường khó xác định được trọng lượng của vật (là sức hút của Trái Đất vào vật ấy tại một nơi nào đó) mà chỉ dễ dàng xác định được

khối lượng (là số lượng vật chất có trong vật hay chắnh xác hơn là đại lượng xác định quán tắnh của vật ấy) của vật bằng các cách cân khác nhau Tại các vị trắ khác nhau thì trọng lượng của vật không giống nhau, trong khi khối lượng của vật luôn không đổi

Quan hệ giữa trọng lượng và khối lượng của một vật đã được xác lập theo lý thuyết của vật lý sơ cấp:

| P=m.g (1.6)

trong dé: P là trọng lượng của vật m là khối lượng của vật

g là gia tốc rơi tự do, thay đổi theo -vị trắ tại điểm đang xét trên mặt đất

Vì vậy, biết khối lượng của một vật, sẽ dễ dàng tắnh được trọng lượng của nó

Theo A.N Winchell (1942), VN Kobranova (1957), giá trị trọng

lượng riêng (y,) của một số loại khoáng vật và đá trầm tắch có thể thấy trong bằng (1.4)

Bảng 1.4

Tên khoáng vật xẤ kN/mẺ Tên khoáng vật xẤ kN/mÊ

và đá : và đá

Anhydrit 28 Ở 30 Orthoclas 25 Ở 26,2

Baryt 43 Ở 46 Plagioclas 26,1 Ở 27,6

Biotit 26,9 Ở 31,6 Pyrit 495-51

Calcit 27,1 Ở 27,2 Pyroxen 32 Ở 36

Dolomit 28 Ở 29,9 Thach anh 26,5 Ở 26,6

Halit 21-22 Thạch cao 23-24 Kaolinit 26 Ở 26,3 Bột kết 26,5 Ở 27,3 Magnetit 49,7 Ở51,8 Cat két 26,4 Ở 26,8 Monmorilonit 20 Ở 25,2 Đá vôi 27,0 Ở 27,4 Muscovit 27 Ở 30 Đá phấn 26,3 Ở 27,3 ~Olivin 31,8 Ở 35,7 Sét két 25,5 Ở 27,0

" Khối lượng riêng của đá là khối lượng một đơn vị thể tắch phần

cứng của nó Về trị số, khối lượng riêng được tắnh bằng tỷ số giữa khối lượng phần cứng của đá và thể tắch của nó Khối lượng riêng thường được ký hiệu là p,, tắnh bằng g/cmỢ hay t/mẻ

Trang 33

c= 1.7

P= (1.7)

trong đó: m, là khối lượng phần cứng của đá

Cũng như trọng lượng riêng, khối lượng riêng của đá phụ thuộc vào

thành phần khoáng vật và ty lệ của các khoáng vật tạo đá có trong đá

Gitta khối lượng riêng và trọng lượng riêng có một sự liên hệ:

Ys = & Ps (1.8)

Nếu so sánh khối lượng riêng của đá với khối lượng riêng của nước thì sẽ được một đại lượng gọi là tỷ khối, thường ký hiệu là D:

D= Ps (1.9)

Pr,

trong đó: pẤ là khối lượng riêng của nước Tỷ khối là một đại lượng không thứ nguyên

Để xác định khối lượng riêng của đá, phải tắnh được khối lượng và

thể tắch phần cứng trong đá Muốn vậy, người ta có thể dùng nhiều

phương pháp xác định khác nhau: -_ Dùng bình đo thể tắch

Bình đo thể tắch là một bình bằng thuỷ tỉnh cổ hẹp và -dài (đường

kắnh cổ bình là 10mm, dài 180 ~ 200mm) dung tắch khoảng 120 Ở 150emẾ

Trên cổ bình có các vạch chia chắnh xác tới 0,1cm? Phần dưới của bình phình to ra

Chọn 2 cục đá định xác định khối lượng riêng có khối lượng khoảng 100g, đem giã trong cối chày đồng rồi sàng qua rây có đường kắnh lỗ 2mm Phần bột đá còn lại trên mặt sàng lại đem giã và tiếp tục sàng

Lấy khoảng 180g bột đá đã, sàng đem sấy ở nhiệt độ 105 Ở 110 + đồC

tới khối lượng không đổi Sau khoảng 9h, lấy ra, để nguội tới nhiệt độ trong phòng rồi đặt trong bình hút ẩm

Đổ chất lỏng (nước cất hay dầu lửa ) tối ngang vạch 0 của bình đo

Tuy theo tinh chất của đá mà chất lỏng có thể là nước cất khi đá khơng bị hồ tan hay dầu lửa, axêtôn khi đá có chứa các muối tan được trong nước

Các giọt chất lỏng thừa hay dắnh trên cổ bình phải được thấm khô bằng giấy lọc

Cân lấy 30g bột đá đã sấy khô bằng cân phân tắch, rồi đổ vào bình đo tới khi nào mực chất lỏng dâng lên tới vạch dấu 20cmỢ hay một vạch nào đó gần trên cổ bình thì thơi Chú ý không để bột đá bám vào cổ bình

Quay nhẹ bình xung quanh trục của nó để bọt khắ trong bình nối lên

hay cho vào bình chân khơng có áp suất bằng 20 Ở 200mmHg trong : 30 để đuổi hết khắ ra

Cân phần bột đá cồn lại

Trang 34

Khối lượng riêng của đá sẽ được xác định theo công thức:

m-m

= < 1.10

P; Vụ (1.10)

trong đó: m là khối lượng bột đá đã sấy khô tới khối lượng

không đổi

m, là khối lượng bột đá còn lại sau khi thắ nghiêm

V là thể tắch chất lỏng dâng lên trong bình đo

Khối lượng riêng được xác định bằng trị số trung bình số học giữa hai lần đo Kết quả thắ nghiệm phụ thuộc rất nhiều vào việc đẩy khắ ra

khỏi bột đá

-_ Dùng picnomet (bình đo tỷ trọng)

Phương pháp này hay được dùng và kết quả khá chắnh xác

Theo [OCT 7465 Ở 55 cua Lién Xô cũ thì picnomet có thể là một bình thuỷ tỉnh hình cầu cổ dài có ngấn đánh dấu thể tắch hay là một bình thuỷ

tinh hình cầu cổ ngắn, nắp có rãnh mao dẫn, có dung tắch 25, 50 hay

100ml

Với loại bình cầu cổ dài thì dung tắch danh nghĩa đạt được khi mực chất lỏng trùng với ngấn trên cổ bình, cịn với loại bình cầu nắp có rãnh

mao dẫn, thì là khi trên đầu rãnh có thấy chất lỏng

Cách xác định khối lượng riêng như sau:

Việc chọn và chuẩn bị mẫu cũng làm tương tự như phương pháp

trên

Rửa sạch bình đo, lau khơ và đem cân trên cân phân tắch, được khối

lượng m,

Đổ đầy nước cất vào bình đo và để cho nước cất có nhiệt độ thắ nghiệm (18, 20 hay 92ồC ) đem cân bang cân phân tắch được khối

lượng mi `

Đổ hết nước cất ra, lau sạch và khơ bình đo rồi đổ vào bình khoảng 10g bột đá đã sấy khô tới khối lượng không đổi, rồi đem cân, được khối lượng m;

Để đẩy hết khắ ra khỏi bột đá, người ta đổ chất lỏng khơng hồ tan

(nước cất, dầu lửa, cồn tuỳ.theo tắnh chất của từng loại đá) tới khoảng

1/2 hay 2/3 thể tắch bình đo

| ĐĐun sôi trên bếp cát (không để cho chất lỏng trào ra ngoài) trong

khoảng 20 Ở 30Ỗ Việc đẩy khắ ra khối bột đã cũng có thể thực hiện trong

bình chân khơng `

Làm nguội bình đo trong chậu nước, đem hút chẩn không và đổ chat lỏng tới vạch ngấn thật chắnh xác

Trang 35

Khối lượng riêng của đá sẽ được xác định theo công thức: (m; - m, ).pẤ Đ; = ỘỘỞỞỞ (1.11) (m, Ởm, )~(m; Ởm, ) Đặt m; Ở m, = m D, Ở 1 Đạy Ở 1 Đại (1.12) m,-m,-m,+m, m+m,-m,

trong đó: pẤ là khối lượng riêng của chất lỏng đem thắ nghiệm, nó

thay đối theo nhiệt độ thắ nghiệm

Với nước cất:

t= 13 Ở 17ồC Dạ = 0,999 t=18-Ở 23ồC pạ = 0,998 t=24-27ồC Dạ = 0,997 t = 28 Ở 31ồC Pa = 0,996

Với chất lỏng khác, trước khi đem thắ nghiệm, phải xác định trực tiếp

khối lượng riêng của nó tại nhiệt độ thắ nghiệm và không nên lấy theo giá trị của các bảng, vì sẽ làm kết quả thắ nghiệm kém chắnh xác

Khối lượng riêng được xác định theo trị số trung bình số học giữa 2

lần đo, lấy tới 2 số lẻ Sai số cho phép giữa 2 lần do 1a 0,02g/cmỖ

Ngoài hai phương pháp trên, người ta còn có thể xác định khối lượng riêng bằng phương pháp Hêli, phương pháp cân thuy tĩnh

1.9.1.3 Trọng lượng thể tắch uùà khối lượng thể tắch

" Trọng lượng thể tắch của đá là trọng lượng một đơn vị thể tắch của nó ở độ ẩm tự nhiên hay xác định nào đó Về trị số, trọng lượng thể tắch

được tắnh bằng tỷ số giữa trọng lượng của mẫu đá (bao gồm cả nước và khắ trong các lỗ rong) và toàn bộ thể tắch của nó (kể cả các khe nứt và lỗ rỗng)

Trọng lượng thể tắch thường được l hiệu là y, đơn vị tắnh thường là kN/mỢ hay MN/ni :

_ Q.+Q,+Q,, và (1.13)

trong đó: Q_ là trọng lượng nước có trong mẫu đá Q, 1a trong lượng khắ có trong mẫu đá

V, là thể tắch lỗ rỗng và khe nứt trong mẫu đá

Nếu bỏ qua trọng lượng khắ và coi trọng lượng toàn bộ mẫu là Q, thể tắch toàn bộ mẫu là V, thì có thể viết:

Trang 36

Q;+Q, _ Q

V V

Trọng lượng thể tắch của đá không chỉ phụ thuộc vào thành phần khoáng vật tạo đá, mà còn vào cấu tạo của nó

y= (1.14)

Các lỗ rỗng, khe nứt ảnh hưởng rất lớn đến giá trị của trọng lượng thể tắch của đá, nhưng số lượng các khe nứt, mật độ nứt nẻ lại do điều

kiện thành tạo đá quyết định Đá càng nhiều lỗ rỗng, khe nứt thì trọng lượng thể tắch của nó càng nhỏ Vì vậy đá magma thường có trọng lượng

thể tắch lớn hơn đá trầm tắch (do trong chúng ắt lỗ rỗng) và đá vơi được thành tạo từ khống vật calcit, có trọng lượng thể tắch từ 15 Ở 25kN/mệ,

trong khi bản thân caleit có trọng lượng thể tắch tới 27kN/mô Trong cùng một loại đá ắt lỗ rỗng như đá magma thì thành phần khống vật lại đóng val trò quyết định hơn: Càng ở dưới sâu, tỷ lệ thạch anh càng giảm thì

trọng lượng thể tắch của đá lại càng tăng

Trong thực tế, ngoài trọng lượng thể tắch của đá ở trạng thái tự

nhiên, mà người ta thường gọi tắt là trọng lượng thể tắch, ký hiệu là y, xác định bằng các công thức (1.13), (1.14) như đã nói trên, người ta còn dùng một số trọng lượng thể tắch khác tuỳ theo trạng thái của đá:

-_ Trọng lượng thể tắch ở trạng thái khô tuyệt đối (cũng được gọi là

trọng lượng thể tắch khô, trọng lượng thể tắch cốt đá ) xác

định sau khi đã sấy khô mẫu ở nhiệt độ 105 + 5ồC tới trọng

lượng không đổi Trọng lượng thể tắch khô thường ký hiéu là y, và được tắnh theo công thức:

(1.15

-_ Trọng lượng thể tắch của đá ở trạng thái no nước (bão hoà nước) có được khi nước lấp đầy các lỗ rỗng và khe nứt, thường ký hiệu

là YyaẤ hay %ụ, được tắnh theo công thức: Ọ +Q

an = Ss OS (1.16

Y Vụ )

trong đó: QẤ là trọng lượng nước lấp đầy các lễ rỗng và khe

nứt của mâu đá

- Trọng lượng thể tắch ở trạng thái đẩy nổi được xác định khi

mẫu đá chìm trong nước, thường ký hiệu là yẤẤ và được tắnh

theo công thức:

_- Q,ỞY,.TẤ Ở q17) -

Yan V

trong đó: yẤ là trọng lượng riêng của nước

Trang 37

Trong các chỉ tiêu trên thì trọng lượng thể tắch của đá thường được sử

dụng khi tắnh toán trọng lượng của đá hay áp lực của đá trong các cơng trình ' ngầm Trong một chừng mực nào đó, trọng lượng thể tắch cũng có thể đặc

trưng cho độ chặt của đá Trị số của trọng lượng thể tắch của đá càng gần với trị số của trọng lượng riêng thì chứng tỏ độ chặt của đá càng lớn, nghĩa là độ rỗng của đá càng nhỏ Cũng như trọng lượng riêng, các giá trị của trọng lượng thể tắch thường được suy ra từ các giá trị của khối lượng thể tắch của đá xác định trong những điều kiện khác nhau

Theo R.A Daly (1933), N.A Xhưtovich (1963), ].A Turchaninov và R.V Medvedev (1978) thi trong lượng thé tắch của một số loại đá có thể lấy ' theo bang (1.5) Bang 1.5 Trọng lượng thể tắch, kN/mồ Tên đá

Khoảng dao động Trung bình

GranIt 25,2 Ở 28,1 26,6 syenit 26,0 Ở 29,5 27,5 Bazan 27,4 Ở 32,1 29,0 Diabas 27,3 Ở 31,2 29,5 Gabro 28,5 Ở 31,2 29,9 Pyroxenit 31,0 Ở 33,2 3233 Peridotit 31,5 Ở 32,8 32,3 Dunit 32,0 Ở 33,1 32,8 Sét két 23,5 Ở 26,4 24,6 Cat két 25,9 Ở 27,2 26,5 Đá vôi 26,8 Ở 28,4 27,3 Da hoa 26,9 Ở 28,7 27,8 Gneis 26,9 Ở 28,7 27,8

= Khéi luong thé tich cua đá là khối lượng một đơn vị thể tắch của nó ở

độ ẩm tự nhiên hay xác định nào đó Về trị số, khối lượng thể tắch được tắnh

bằng tỷ số giữa khối lượng của mẫu đá (bao gồm cả nước.và khắ trong các lỗ rỗng) và toàn bộ thể tắch của nó (kế cả các lỗ rỗng và khe nứt) Khối lượng thể tắch của đá thường được ký hiệu là p, đơn vị tắnh là g/cmỢ hay t/m*:

m +m +m,

= Ởs ak 1.18

p y _ _ (1.18)

trong đó: m, là khối lượng của nước có trong mẫu đá

m, là khối lượng khắ có trong mẫu đá

Trang 38

Nếu bỏ qua khối lượng của khắ và coi khối lượng toàn bộ mẫu là m thì

khối lượng thể tắch của mẫu đá sẽ được tắnh:

m.+m m

= + = Ở (1.19

p ụ ụ 1.19)

Khối lượng thể tắch này của đá được xác định ở trạng thái tự nhiên nên lẽ ra phải gọi là khối lượng thể tắch tự nhiên của đá, nhưng thực tế thường

gọi tắt là khối lượng thể tắch của đá

Cũng giống như trọng lượng thể tắch, khối lượng thể tắch của đá còn được xác định trong các điều kiện khác nhau và tương ứng với chúng, sẽ có những tên gọi khác nhau:

- Khối lượng thể tắch khô: m

= ` ' 1.20

Po = V (1.20)

- Khéi luong thé tich 6 trang thai no nuéc (bdo hoà): m.+m

m = 1.21

p ụ (1.21)

- Khối lượng thể tắch đẩy nổi:

m, ỞV.Đ,

Pan = V | (1.22)

Trong các công thức trên:

m, là khối lượng nước lấp đầy các lỗ rỗng và khe nứt của đá

còn các ký hiệu khác có ý nghĩa tương tự như đã nêu trong các công thức trước đó

Giữa các khối lượng thể tắch và trọng lượng thể tắch ở cùng một trạng thái đều liên hệ với nhau theo một quan hệ tổng quát:

Y=p.8 (1.23)

Vì vậy sau khi xác định được khối lượng thể tắch ở một trạng thái nào

đó sẽ dễ dàng tắnh được trọng lượng thể tắch của đá

Để xác định khối lượng thể tắch, có thể dùng nhiều phương pháp khác

nhau, nhưng nói chung, chúng chỉ khác nhau về cách xác định thể tắch mẫu

đá

- Phương pháp cân đo trực tiếp

Phương pháp này được sử dụng khi tắnh chất Ề của đá cho phép có thể cắt gọt nó thành những mẫu có dạng hình học nhất định như hình hộp, hình lập phương, hình trụ

Đo kắch thước mẫu đá sẽ tắnh được thể tắch của nó

Cân trực tiếp mẫu đá, sẽ biết được khối lượng mẫu Từ đó sẽ suy ra

- được khối lượng thể tắch mẫu đá

Trang 39

Phương pháp này ắt được sử dụng rộng rãi vì việc gia cơng mẫu thành

dạng hình học qui chuẩn rất khó khăn và nhiều khi không thể thực hiện được Mặt khác, độ chắnh xác của các kắch thước hình học của mẫu cũng rất

khó bảo đảm

- Người ta chỉ dùng phương pháp này ở những vùng mỏ muối, kắch thước

mẫu lón, sự sai lệch khi cân, đo không ảnh hưởng lắm đến giá trị khối lượng

thể tắch của đá

-_ Phương pháp dùng cát và cân

Phương pháp này do N.P Gvozdeva dùng từ năm 1948 và rất có kết quả Nó có thể xác định được khối lượng thể tắch của đá có hình dáng bất kỳ

Cách xác định như sau:

Lấy cát tHạch anh đem sàng qua rây cỡ 100 lỗ/cm? Nung nóng, để nguội rồi rắc vào bình đựng cát Khi mặt cát đã thật phẳng, ghi giá trị thể

tắch cát Vị

Mẫu đá có hình dạng bất kỳ, khối lượng từ 0,2Ở1kg Đem cân trên cân phân tắch, được khối lượng m

Ấn mẫu đá vào trong cát sao cho mẫu chìm hẳn trong cát Lắc bình để

mặt cát trở lại bằng phẳng, tương ứng sẽ đọc được mức thể tắch cát Vị Khối lượng thể tắch của đá sẽ được xác định theo công thức:

mm |

p=Ở = Vv V,-V, = 1.24) 2)

Làm vài lần, sau đó lấy trị số trung bình số học của chúng, sẽ được giá trị trung bình của khối lượng thể tắch "ể

Phương pháp này không áp dụng được với các đá nứt nẻ mạnh -_ Phương pháp bình đo thể tắch hay phương phap boc parafin

Bình đo thể tắch là một hình trụ bằng kim loại có đường kắnh trong 150mm, cao 350mm Ở chiều cao 250mm có hàn một ống thước thợ bằng đồng, đường kắnh 8 - 10mm Bình đo chứa đầy nước cất và khi mực nước:

trong bình cao hơn lỗ thốt thì nước sẽ chảy ra ngoài theo ống bằng đồng

Cách xác định khối lượng thể tắch bằng phương pháp này như sau: Lấy mẫu đá khoảng 0,2 Ở- 1kg đem cân bằng cân phân tắch, được khối

lượng m

Nếu mẫu đá chặt, các khe nứt, lỗ rỗng nhỏ thì đem bão hồ sơ bộ mẫu đá bằng nước có nhiệt độ trong phịng hay nước sơi

Nếu mẫu đá có các khe nứt lớn thì phải phủ quanh mẫu đá một lớp

paraựn sạch, mỏng độ mm bằng cách cho mẫu đá vào parafn nóng chảy (> 57 Ở 60ồC) trong khoảng 1 Ở 2Ợ Lấy ra để nguội trong không khắ, khi trên

Trang 40

mặt parafn có bọt khắ thì phải lấy kim hơ nóng, chọc thủng lỗ ra và miết phẳng lại

Nếu các mẫu đá có khe nứt rất lớn thì khơng nên nhúng ngay mẫu đá

vào parafựn nóng chảy, để tránh parafin thấm sâu vào khe nứt làm sai lệch

kết quả thắ nghiệm, trước khi nhúng parafựn, nên bọc chặt mẫu đá bằng giấy hay tốt hơn, theo F.A Petrachkov nên phủ một lớp paraựn dẻo, mềm

Cân mẫu đá đã phủ paraựn, được khối lượng mi

Buộc mẫu đá đã phủ parafựn hay mẫu đá đã bão hoà nước bằng sợi chỉ

mảnh và thả vào bình đo thể tắch đã đầy nước Do đá chiếm chỗ, nước sẽ trần

ra qua ống bằng đồng xuống ống đo thể tắch hứng ở dưới, cho tới khi mực

nước trong bình đo ngang mức lỗ thoát

Cân ống đo có chứa nước, rồi trừ đi khối lượng ống đo được khối lượng

m;, về trị số đây chắnh bằng thể tắch của mẫu đá đã được phủ parafin

Nếu kể đến khối lượng thể tắch của chất lỏng (có thể khơng phải là nước cất), thì khối lượng thê tắch mẫu đá có thể được xác định theo công thức:

m

p= mM _ Đại Đụ (1.25)

m; _m, -m p,-M, Ởp,,(m, Ởm)

Đụ Đp

trong đó: m là khối lượng mẫu đá thắ nghiệm

m: là khối lượng mẫu đá được phủ paraựn

m, là khối lượng chất lỏng chảy ra từ lỗ thốt của bình đo pạ là khối lượng thể tắch của chất lỏng đựng trong bình đo

p, là khối lượng thể tắch của paraựn, lấy: trung bình là

0,9g/emỢ (dao động trong khoảng 0,87 Ở 0,93ằ/cmỖ)

Với mẫu đá không phải bọc paraựn, khối lượng thể tắch của nó sẽ được tắnh theo công thức:

p= (1.26)

m,

Khối lượng thể tắch mẫu đá sẽ được tắnh bằng trị số trung bình số học

giữa hai lần đo Ở sự sai khác giữa chúng không được quá 0,02g/emỶ

- Phuong pháp cân thuy tĩnh

Phương pháp cân thuỷ tĩnh dựa trên cơ sở định luật Archimède: Một

vật nhúng trong chất nước sẽ bị nước đẩy từ dưới lên trên với lực đẩy bằng trọng lượng của thể tắch nước bị vật chiếm chỗ

Như vậy, khi tìm được lực đẩy của nước sẽ xác định được thể tắch của

vật khi đã biết trọng lượng thể tắch của nước Để xác định lực đẩy của nước người ta dùng cân thuy tĩnh (hình 1.18)