Bài giảng Địa chất công trình - Lí thuyết, công thức, ví dụ - Đại học GTVT HCM

RQD để đánh giá mức độ nguyên trạng vì đá có thể có các đứtgãy và khe nứt -Hiện nay, trong tính toán thiết kế công trình trên đá với các môhình hiện đại, đặc trưng cho độ bền toàn khối đ

ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH

BIÊN SOẠN: TRẦN DUY TÂN

ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

THAM KHẢO ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH ( BÙI TRƯỜNG SƠN)

VÀ MỘT SỐ TÁC GIẢ KHÁC

CHƯƠNG 3

CHƯƠNG 2

CHƯƠNG 1 ĐẤT ĐÁ

TÍNH CHẤT CƠ LÍ CỦA ĐẤT ĐÁ

NƯỚC DƯỚI ĐẤT VÀ TÍNH TOÁN THẤM

CHƯƠNG 4 CÁC HIỆN TƯỢNG ĐỊA CHẤT LIÊN QUAN

2

2.1.VỎ TRÁI ĐẤT VÀ CÁC HIỆN TƯỢNG DIỄN RA

*Hình dạng :

-Hình bầu dục tròn xoay (hình cầu bị dẹt 2

đầu và tự quay xung quanh trục đi qua hai

*Các hiện tượng diễn ra trong vỏ trái đất

-Vân động tạo lục địa

-Vận động tạo núi

2.1 VỎ TRÁI ĐẤT VÀ CÁC HIỆN TƯỢNG DIỄN RA

*Thuyết địa mảng:Thuyết địa mảng ứng với vận động ngang hình

thành các lục địa Vận động tạo sơn là cách nói khác của thuyết địamảng.Do dòng đối lưu ở tầng manti làm vỏ quả đất vận động

Do nội lực theo phương đứng là chính tác dụng làm một phần vỏTrái đất nâng lên (hiện tượng biển lùi) hay hạ xuống (hiện tượngbiến tiến), thường xảy ra trong phạm vi rộng lớn (lục địa hay mộtphần lục địa) -> chuyển động tạo lục

3.2 VỎ TRÁI ĐẤT VÀ CÁC HIỆN TƯỢNG DIỄN RA

*Vận động uốn nếp

Vận động uốn nếp là một dạng của vận động ngang mà tốc độchuyển động thấp Kết quả sẽ làm đất đá nghiêng đi (thế nằmnghiêng) hay tạo ra các uốn nếp Nói chung các tầng đất đá vẫngiữ nguyên tính liên tục ban đầu của nó

Lớp trầm tích trên cùng được nân lên khỏi mặt đất và bị bào mòn sau đó nước biển xâm lấn tiếp tục tạo lớp trầm tích tiếp theo là bất chỉnh hợp địa tầng trong hình thành đá trầm tích.Các lớp trầm tích xếp liên tục nhau tạo biên liên tục trong hình thành đá trầm tích

Có hai loại uốn nếp cơ bản là nếp uốn lồi và nếp uốn lõm

Lớp trầm tích trên cùng bị nén tạo thành uốn nếp Lớp này đượcnân lên khỏi mặt đất và bị bào mòn sau đó nước biển xâm lấn tiếptục tạo lớp trầm tích tiếp theo là bất chỉnh hợp góc trong hình thành

đá trầm tích

2.1 VỎ TRÁI ĐẤT VÀ CÁC HIỆN TƯỢNG DIỄN 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 loại đất đá khác nhau, mặt đứt gãy hướng về phía đất đá có tuổi trẻ hơn thì đó

-Đứt gãy ngang là đứt gãy có hai cánh không dịch

chuyển theo phương đứng mà dịch chuyển tương đối theo phương ngang

-Khe nứt phân chia khối đá thành những khối nhỏ, làm cho khối

đá giảm độ bền hoặc thậm chí mất tính liên tục

Khe nứt là những đứt gãy nhỏ ở trong đá nhưng không có sự

dịch chuyển hoặc sự dịch chuyển có độ lớn không đáng kể.

-Cường độ của đá khối phụ thuộc vào các yếu tố nào cường độcủa đá nguyên trạng và các vết nứt

-Chỉ tiêu chất lượng đá RQD (Rock Quality Designation) là tỷ

số giữa tổng chiều dài các lõi đá dài hơn 10cm và tổng chiều dàimét khoan được biểu diễn bằng đơn vị phần trăm (%)

RQD để đánh giá mức độ nguyên trạng vì đá có thể có các đứtgãy và khe nứt

-Hiện nay, trong tính toán thiết kế công trình trên đá với các môhình hiện đại, đặc trưng cho độ bền toàn khối đá thường được sử

dụng nhất là chỉ tiêu bền địa chất GSI (Geological Strength

Index) GSI trong đá dùng để đánh giá mức độ nguyên trạng của

đá khối và để trực tiếp xác định cường độ của đá nguyên trạnghay nứt nẻ

2.1 VỎ TRÁI ĐẤT VÀ CÁC HIỆN TƯỢNG DIỄN RA

*Địa hào và địa lũy

-Địa hào là hợp bởi đứt gãy thuận hay đứt gãy nghịch mà phần trungtâm ở trên mặt gặp các đá trẻ hơn phần ở ngoài rìa Đặc trưng củađịa hào là phần trung tâm sụt xuống so với phần ngoài rìa dọc theocác đứt gãy

-Địa lũy là hợp bởi đứt gãy thuận hay đứt gãy nghịch mà phần trungtâm ở trên mặt gặp các đá cổ hơn phần ở ngoài rìa Đặc trưng của địalũy là phần trung tâm trồi lên so với phần ngoài rìa dọc theo các đứtgãy

-Địa chất lịch sử là một môn học nghiên cứu về hoàn cảnh và thờigian hình thành, quá trình tồn tại và biến đổi của đất đá ở vỏ Tráiđất

-Tuổi của đất đá là khoảng thời gian từ khi đất đá được hình thànhcho đến nay Tuổi của đá được xác định theo phương pháp tuyệt đốidùng đồng vị phóng xạ như U,Th,C, và phương pháp tương đốinhư thạch học, địa tầng , cổ sinh,

2.1 VỎ TRÁI ĐẤT VÀ CÁC HIỆN TƯỢNG DIỄN RA

*Thang niên biểu địa chất ( theo thứ tự trẻ đến già)

Đệ tứ - Q: QIV (Holocene), QI-III (Pleistocene) ->Neogen (N):N2 (Pliocene), N1 (Miocene)->Paleogen (P)->Creta (K) ->Jura(J)->Trias (T)-> Permi (P)->Carbon (C)->Devon (D)-.Silur (S)-

>Ordovic (O)->Cambri (ϵ )

-Khái niệm:Khoáng vật là những đơn chất hay hợp chất hoá học

mà chúng là sản phẩm của các quá trình hoá lý và các hoạt động địa chất xảy ra trong vỏ Trái đất và trên mặt đất; có thành phần hoá học, cấu trúc mạng tinh thể và tính chất hoá lý đặc trưng

- Ý nghĩa nghiên cứu: nghiên cứu thành phần khoáng vật của đá

sẽ giúp cho việc tìm hiểu nguồn gốc, điều kiện hình thành đá, đánh giá khả năng sửdụng chúng trong xây dựng

2.2.KHOÁNG VẬT VÀ KHOÁNG VẬT TẠO ĐÁ

b/Màu sắc

Khoáng vật chứa nhiều Fe, Mg có màu sẫm, còn khoáng vật chứanhiều Al, Si thì màu nhạt

c/Độ trong suốt và ánh của khoáng vật

Độ trong suốt phản ánh độ thấu quang khi ánh sáng xuyên quakhoáng vật , có thể thuộc nhóm :Trong suốt, nửa trong suốt (đục)

và không trong suốt

Ánh của khoáng vật là phần ánh sáng bị phản xạ ngay trên bề mặtkhoáng vật, có thể có ánh : Thủy tinh, kim loại, xà cừ, mỡ …

2.2.KHOÁNG VẬT VÀ KHOÁNG VẬT TẠO ĐÁ

2.2.2.Phân loại khoáng vật

*Theo nguồn gốc hình thành :

- Khóang vật nguyên sinh (Thường có ở đá Macma)

- Khóang vật thứ sinh (Thường có ở đá biến chất và trầm tích)

*Theo vai trò tạo đá :

* Theo thành phần hóa học chia thành các lớp: Lớp các nguyên

tố tự nhiên, Silicat, Oxyt, Cacbonat, Sunphat, Halogen,Photphat

2.2.KHOÁNG VẬT VÀ KHOÁNG VẬT TẠO ĐÁ

2.2.2.Phân loại khoáng vật

Một số khoán vật

khoáng vật, được sắp xếp theonhững quy luật nhất định, có thể

có liên kết, có thể không, chiếm một phần không gian đáng kểcủa vỏ trái đất

Từ 1 khoáng vật -> Đá đơn khoáng: Thạch cao, đolomit …

Từ 2 khoáng vật trở lên -> Đá đa khoáng: Granit, Cát kết …

Theo nguồn gốc chia ra: đá magma, trầm tích và biến chất

2.2.KHOÁNG VẬT VÀ KHOÁNG VẬT TẠO ĐÁ

2.2.4.Khái niệm chung về đất đá

Các phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu đất đá trong phòng thí nghiệm

+ Nghiên cứu thành phần thạch học của đất đá bằng kính hiển vi phân cực để xác định tên của đất đá (nêu cách tiến hành);

+ Phân tích thành phần hoá học của đất đá;

+ Phân tích thành phần hạt của đất đá bằng phương pháp rây để xác định thành phần cấp phối của các nhóm hạt đất;

+ Nghiên cứu các chỉ tiêu cơ lý của đất đá: dung trọng, tỉ trọng,

độ ẩm, hệ số rỗng, hệ số nén, lực dính…

+ Phân tích nước để xác định tính chất vật lý và thành phần hoá học của nước

2.2.4.Khái niệm chung về đất đá

Các phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu đất đá ngoài hiện trường:

+ Cắt, nén trên hiện trường (trong hố đào hoặc trong hố khoan)

để xác định các chỉ tiêu biến dạng và độ bền của đất đá;

+ Thí nghiệm cắt quay: xác định các chỉ tiêu độ bền của đất loại bùn, loại sét;

+ Các thí nghiệm đặc biệt như: xuyên động, xuyên tĩnh…

+ Các phương pháp thí nghiệm địa chất thuỷ văn ngoài hiện

trường để xác định các đặc trưng cơ bản của nước dưới đất,

gồm:

- Thí nghiệm đổ nước vào hố đào;

- Thí nghiệm ép nước trong hố khoan;

- Hút nước thí nghiệm

2.3.2 Thế nằm của đá macma

Đá macma xâm nhập: Dạng nền, Dạng nấm, Dạng lớp, Dạngmạch

Đá macma phun trào:Dạng lớp phủ, Dạng dòng chảy

2.3.ĐÁ MACMA

2.3.2 Thế nằm của đá macma

Yếu tố đánh giá kiến trúc của đá macma là : mức độ kết

tinh, kích thước hạt tinh thể và độ đồng đều kích thước của

các hạt tinh thể khoáng vật.

Theo đó, đá macma thường có 4 dạng kiến trúc sau :

+ Kiến trúc toàn tinh

2.3.ĐÁ MACMA

2.3.4 Thành phần hóa học

2.3.5.Kết luận

-Nền đá macma phù hợp tốt với tất cả các loại công trình

-Khi khảo sát xây dựng công trình, nếu gặp các lớp macma cần thiết phải khoan sâu qua ít nhất 2m đối với đá xâm nhập và 5m đối với phun trào và nghiên cứu hồ sơ lưu trữ cẩn thận

+ Macma xâm nhập (Granit, syenit, điorit, gabro…) + Macma phun trào (Ryolit, trachit, anđezit, bazan…)

Đá trầm tích là loại đá được hình thành trên bề mặt đất, do quá trìnhtrầm đọng và tích tụ các loại vật liệu phá huỷ của các đá có trướchoặc do tích đọng xác sinh vật + Giai đoạn 1: phá huỷ đá có trước,tạo vật liệu trầm tích

+ Giai đoạn 2: giai đoạn vận chuyển

+ Giai đoạn 3: trầm đọng (theo quy luật tuyển lựa)

+ Giai đoạn 4: hoá đá của trầm tích

2.4.ĐÁ TRẦM TÍCH

2.4.1 Định nghĩa

2.4.2 Đặc điểm kiến trúc

2.4.ĐÁ TRẦM TÍCH

2.4.3 Thế nằm của đá trầm tích

Thế nằm lớp song song nằm ngang là phổ biến nhất của đá trầmtích

- Ở cửa sông, thế nằm lớp thường xiên chéo và vát nhọn

- Ở các khúc sông uốn lượn, thường hình thành thế nằm dạngthấu kính

- Trong quá trình tích đọng, nếu chịu ảnh hưởng đồng thời củavận động kiến tạo, có thể tạo nên thế nằm bất chỉnh hợp

2.4.3 Thế nằm của đá trầm tích

2.4.ĐÁ TRẦM TÍCH

2.4.4 Các đặc điểm riêng của đá trầm tích

Phân loại và miêu tả

+ Trầm tích cơ học

+ Trầm tích hữu cơ

+ Trầm tích hoá học

+ Trầm tích hỗn hợp

2.5.ĐÁ BIẾN CHẤT

2.5.2 Các kiểu biến chất

Biến chất tiếp xúc xảy ra ở khu vực tiếp giáp giữa khối magma nóng chảy với đá vây quanh; Nhiệt độ, khí, thành phần dung nham…làm biến đổi cơ bản thành phần và tính chất của đá kề

nó Nếu sự biến đổi đó chỉ do nhiệt độ cao của magma thì gọi là biến chất tiếp xúc nhiệt, nhưng thường là quá trình biến chất

tiếp xúc trao đổi

Biến chất động lực xảy ra do tác dụng của áp lực cao sinh ra trong quá trình kiến tạo (tại các đứt gãy kiến tạo)

2.5.ĐÁ BIẾN CHẤT

2.5.2 Các kiểu biến chất

Biến chất khu vực là loại biến chất xảy ra ở dưới sâu dưới tác dụng đồng thời của áp lực lớn và nhiệt độ cao Xảy ra ở các vùng tạo núi, các vùng mà đá trầm tích bị vùi sâu

-Đá cứng: hoàn hảo nhất về mặt xây dựng công trình, đá có độbền và độ ổn định cao, độ biến dạng bé, mức độ ngấm nước yếu.-Đá nửa cứng: Đá bị nứt nẻ nhiều; đá trầm tích có cường độ gắnkết thấp, đối với các đá bị hoà tan thì thường có hang hốc

-Đất rời xốp: cát, cuội, sỏi…là các hạt cứng chắc và có cường độcao Tuy nhiên, mối liên kết giữa các hạt hầu như không có, độrỗng lớn và dễ bị thay đổi do tác dụng cơ học bên ngoài (đặc biệt

là tải trọng động) Ngậm nước ít và thấm nước mạnh

-Đất mềm dinh: đất sét, sét pha, cát pha Đa số có cường độ thấp,thấm nước kém hoặc không thấm nước, ép co mạnh

-Đất có thành phần trạng thái và tính chất đặc biệt: đất muối hoá,đất than bùn…thông thường thì chúng là các loại đất yếu, cường

độ chịu lực rất thấp;

2.6.THẾ NẰM CỦA ĐÁ TRẦM TÍCH

Định nghĩa

-Đường phương là giao tuyến của mặt lớp với mặt phẳng

nằm ngang (Đường aa)

-Đường dốc vuông góc với đường phương và hướng về

phía chân dốc (Đường bb)

-Đường hướng dốc là hình chiếu của đường dốc lên mặt phẳngnằm ngang và được xác định bằng góc phương vị hướng dốc(β

Bắc của địa từ và đường hướng

Các yếu tố xác định thế nằm của đá

Cho hố khoan có cao độ ( độ sâu) Các yếu tố để xác định thế nằm của đá

-Đường phương ( ĐP) nối 2 hố khoan có cùng cao độ

-Đường hướng dốc (ĐHD) vuông góc với ĐP

2.6.THẾ NẰM CỦA ĐÁ TRẦM TÍCH

Bài toán thuận

Cho cao độ hố khoan (HK), tìm α và β?

B1: Xác định cao độ max và min, nối max với min theo chiều từmax về min ( kí hiệu mũi tên)

B2: Trên đoạn nối max-min, chia những đoạn thẳng tỉ lệ dựa vàocao độ

B3: Nối 2 điểm (2 HK) cùng cao độ, tìm được đường phương

B4: Qua các HK vẽ các đường vuông góc với đường phương vừatìm được ở bước 3, tìm được đường hướng dốc

B5: áp dụng các hệ thức, định lý trong tam giác, tính được L ( Lnằm trên đường hướng dốc)

B6: tính α, β

Bài toán nghịch

Cho cao độ hố khoan (HK), α và β Tìm các cao độ còn lại?

B1: Xác định góc phương vị hướng dốc β bằng cách từ hướngBắc quay thuận chiều kim đồng hồ quét ra 1 góc có giá trị đề bàicho.Đồng thời vẽ được đường hướng dốc

B2: Kẻ các đường phương vuông góc với ĐHD vừa xác địnhđược ở bước 1

B3: Tính L, từ công thức tanα tìm được các cao độ hố khoan

Ví dụ

Ví dụ 1

Cho sơ đồ địa chất với 3 hố khoan bố trí như hình vẽ: Cho biếtA= 40m và B= 150m Cao độ gặp đá ở: HK1= 6m, HK2= 10m, HK3= - 5m

Tính góc phương vị hướng dốc

Tính góc dốc của lớp đá

β

k

CHƯƠNG 2 TÍNH CHẤT CƠ LÍ CỦA ĐẤT ĐÁ

2.1 CÁC PHA HỢP THÀNH ĐẤT 2.2 CÁC CHỈ TIÊU VẬT LÍ CỦA ĐẤT 2.3 CÁC CHỈ TIÊU CƠ HỌC CỦA ĐẤT

Thông thường đất đá có ba thành phần tạo nên là rắn – lỏng –khí Tỷ lệ của ba thành phần này thay đổi thì trạng thái vật lý cũng thay đổi theo.

2.1.CÁC PHA HỢP THÀNH ĐẤT

2.1.2 Thành phần hạt rắn

Thành phần hạt của đất là hàm lượng các nhóm hạt có độ lớnkhác nhau ở trong đất, được biểu diễn bằng tỷ lệ phần trăm sovới khối lượng của mẫu đất khô tuyệt đối đã lấy để phân tích

Thành phần hạt của đất hạt thô được xác định bằng phương pháprây sàng theo hai cách:

+Rây khô để phân chia các hạt có kích thước đến 2mm;

+Rây có rửa nước để phân chia các hạt có kích thước đến0,074mm

Phần trăm trọng lượng đất giữ lại cộng dồn trên mỗi rây:

N1 % = (Khối lượng đất giữ lại cộng dồn trên mỗi rây x 100%) / A

A là khối lượng đất đem làm thí nghiệm rây khô

- Tính % trọng lượng đất lọt qua rây:

P1 (%) = 100% - N1 %

Đường cong cấp phối hạt

Thô 2,0 – 0,6 Trung 0,6 – 0,2 Mịn 0,2 – 0,05 Bụi (Silt)

Thô 0,05 – 0,02 Trung 0,02 – 0,005 Mịn 0,005 – 0,002

-Nước liên kết được giữ chặt trong các lỗ rỗng nhỏ có độ nhớt lớn hơn nước thông thường

.-Nước mao dẫn tồn tại trong lỗ rỗng, khe nứt nhỏ của đất

đá (bề rộng <2mm) dưới ảnh hưởng của lực mao dẫn

-Nước mao dẫn làm cho các hạt hút dính với nhau

2.2.CÁC CHỈ TIÊU VẬT LÍ CỦA ĐẤT

Để định lượng tính chất xây dựng của đất đá, trước tiên cần thiết đánh giá các tính chất vật lý của chúng ĐÂY LÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CẦN THIẾT ĐỂ TÍNH TOÁN

một đơn vị thể tích đất ký hiệu ρ, đơn vị: (g/cm3; kN/m3)

-Khối lượng thể tích đất khô: là khối lượng của một đơn vị thể tích đất khô hoàn toàn ký hiệu ρd, đơn vị: (g/cm3; kN/m3).

-Khối lượng riêng của hạt: là khối lượng của một đơn vị thể tích chỉ riêng phần hạt rắn ký hiệu ρs, đơn vị: (g/cm3; kN/m3).

Trong tính toán, đại lượng tỷ trọng hạt Gs thường được sử dụng

4.2.CÁC CHỈ TIÊU VẬT LÍ CỦA ĐẤT

-Khối lượng thể tích đẩy nổi: là khối lượng của một đơn vị thể tích đất khi cân trong nước ký hiệu ρsub,đơn vị: (g/cm3; kN/m3).

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 %.

Độ ẩm được xác định bằng cách sấy đất:

Với A – khối lượng đất ướt và lon.

B – khối lượng đất khô và lon.

C – khối lượng lon.

-Giới hạn nhão (WL) được định nghĩa là độ ẩm của đất tương

ứng với sự thay đổi ứng xử giữa trạng thái nhão và dẻo Hay nói cách khác, giới hạn nhão là độ ẩm mà khi tăng một lượng không đáng kể thì đất chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái nhão

(chảy)

-Giới hạn dẻo (WP) được định nghĩa là độ ẩm của đất tương ứng với sự thay đổi ứng xử giữa trạng thái dẻo và nửa cứng Hay nói cách khác, độ ẩm mà khi giảm một lượng không đáng kể thì đất chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái nửa cứng (không còn thể hiện tính dẻo nữa) được gọi là giới hạn dẻo (WP) Giới hạn dẻocủa đất loại sét được xác định (theo TCVN) bằng phương pháp lăn đất thành sợi

-Thí nghiệm xác định giới hạn nhão bằng chùy xuyên cho phép phân loại và đánh giá trạng thái đất

-Thí nghiệm xác định giới hạn nhão bằng chỏm cầu cho phép

phân loại đất theo đường A

-Giới hạn dẻo chỉ được xác định bằng cách lăn đất trên kính mờ

Độ sệt IL: phân chia trạng thái

Phân loại trạng thái đất dính

Sét pha, sét

Cứng (rắn) I L < 0 Nửa cứng (bán rắn) 0 < I L ≤ 0,25 Dẻo cứng 0,25 < I L ≤ 0,5 Dẻo mềm 0,5 < IL ≤ 0,75 Dẻo nhão 0,75 < I L ≤ 1 Nhão (chảy) IL > 1