Giáo trình cơ học đá - Chương 2 doc

Cơ học đá. 127 . Chng 2 CC TNH CHT CA KHI NGUYấN TRNG 2.1. KHI NGUYấN TRNG V MT VI C IM CA Nể 2.1.1. KHI NIM V KHI NGUYấN TRNG Khi xõy dng cỏc cụng trỡnh, khai thỏc khoỏng sn cỏc cụng vic khụng ch tin hnh cỏc mu ủỏ riờng bit m trờn c mt vựng ủỏ cú th tớch khỏ ln gi l khi ủỏ nguyờn trng (hay ủụi khi cng ủc gi tt l khi ủỏ). Cỏc ủc trng c hc ca khi ủỏ ny cú nhng giỏ tr khỏc hn vi nhng kt qu ủó thu ủc khi xỏc ủnh trờn cỏc mu ủỏ trong phũng thớ nghim, nờn khụng th ly cỏc kt qu thớ nghim vi cỏc mu ủỏ ủ gii cỏc bi toỏn c hc ủỏ trong xõy dng cụng trỡnh. Nhng vic nghiờn cu khi ủỏ nguyờn trng khụng ủn gin, cũn tn ti rt nhiu quan ủim khỏc nhau khi nghiờn cu cỏc ủc trng ca khi ủỏ v ngay c quan nim v khi ủỏ nguyờn trng, cho ủn nay cng cha ủi ủn mt s thng nht hon ton. Theo G.I. Jagodkin, M.F.Kunts thỡ khi ủỏ nguyờn trng l mt th tớch ủỏ ủ ủ cú khỏi nim mụ hỡnh cu trỳc ca ủỏ võy quanh, ủc xỏc ủnh bng nhng ủiu kin c th tu theo s tỏc dng ca ngoi lc lờn th tớch ủỏ y. E.I.Iinixhkaja thỡ cho rng khi ủỏ nguyờn trng l phn mụi trng tỏch ra khi cỏc phn xung quanh bng cỏc mt phng t nhiờn v ủc thớ nghim cỏc trng thỏi ng sut khỏc nhau ủ nghiờn cu cỏc vn ủ cho trc. Quan nim ca P.N.Panjukov ủc nhiu ngi tha nhn hn. Theo ụng, khi ủỏ nguyờn trng l nhng phn cu trỳc riờng bit ca v trỏi ủt nm trong phm vi tỏc ủng ca cỏc cụng trỡnh (ngoi lc), ủc nghiờn cu ủ lp ra cỏc ủiu kin thi cụng cỏc cụng trỡnh v s dng chỳng. Nh vy phi phõn bit hai khỏi nim: mu ủỏ v khi ủỏ nguyờn trng. Mu ủỏ l phn ủỏ ủc ly ra t mt tng hay khi ủỏ. Khi thớ nghim, nú ủó b mt s liờn h vi cỏc vt cht võy quanh trng thỏi ban ủu, nờn tớnh cht ca nú khụng ủc trng cho tớnh cht ca khi ủỏ v li cng khụng ủc trng cho ton b khi ủỏ nguyờn trng. Khi ủỏ nguyờn trng do cũn gi nguyờn ủc trng thỏi ban ủu, quan h vi cỏc khi ủỏ võy quanh nờn khi xỏc ủnh, tớnh cht ca nú phn ỏnh ton b cu trỳc ca khi ủỏ, cỏc s liu thu ủc cú th khỏc hn vi mu ủỏ, nhng li ủỏng tin cy trong khi thit k v thi cụng cỏc cụng trỡnh trong ủỏ. Vỡ vy vic nghiờn cu tớnh cht ca khi ủỏ nguyờn trng l rt cn thit, nhng vic lm ny cng khụng ủn gin. 128. Cơ học đá Tuy nhiờn, cng khụng ủc ln ln gia khi ủỏ v khi ủỏ nguyờn trng. Khi ủỏ l mt th tớch ủỏ to hn nhiu ln tng ủỏ hay cỏc mu ủỏ trong phũng thớ nghim nhng ủỏ b tỏch khi khi ủỏ võy quanh, khụng chu tỏc ủng ca t nhiờn hay cỏc hot ủng ca con ngi. 2.1.2. VI C IM CA KHI NGUYấN TRNG khi ủỏ nguyờn trng, cú th thy mt s ủc ủim sau: 2.1.2.1.Tớnh khụng ủng nht Tớnh khụng ủng nht l mt ủc ủim rt quan trng ca khi ủỏ. Mt khi ủỏ ủc coi l ủng nht khi tt c cỏc phn ca nú ủu cú cựng mt thnh phn, mt cu to, ngha l ti bt k mt ủim no ủú trong khi ủỏ ủu cú tớnh cht vt lý nh nhau. Khi ủỏ trong t nhiờn ủu khụng tho món cỏc yờu cu trờn vỡ trong nú luụn luụn cú s khụng ủng nht v thnh phn khoỏng vt (s sp xp cỏc loi khoỏng vt to ra trong ủỏ khụng phi ch no cng nh ch no), khụng ủng nht v kin trỳc, cu to (khụng phi trong ton b khi ủỏ, mi ch ủu cú cựng mt loi kin trỳc, mt loi cu to) hay khụng ủng nht do tỏc ủng ca ngoi lc, mụi trng hay cỏc hot ủng ca con ngi (cỏc ch khỏc nhau trong khi ủỏ chu cỏc tỏc ủng khỏc nhau ca cỏc tỏc ủng bờn ngoi), nờn vỡ th, khi ủỏ mang tớnh khụng ủng nht. Tu theo ngun gc ca s khụng ủng nht, ngi ta chia thnh hai loi: Khụng ủng nht nguyờn sinh xut hin trong quỏ trỡnh thnh to ủỏ, th hin s thay ủi hỡnh dỏng, kớch thc, thnh phn ht khoỏng vt v s sp xp gia chỳng vi nhau trong ủỏ. Khụng ủng nht th sinh liờn quan ủn cỏc giai ủon bin ủi sau khi thnh to, cú th do thiờn nhiờn nh cỏc quỏ trỡnh phong hoỏ, lm cht, tỏi kt tinh, kin to hay do nhõn to nh cỏc quỏ trỡnh xõy dng, cụng ngh m khỏc nhau. Khụng ủng nht th sinh cú ý ngha quan trng trong khi nghiờn cu ủa cht cụng trỡnh vỡ nú liờn quan ủn s thay ủi trng thỏi, tớnh cht ca khi ủỏ nguyờn trng. Tớnh khụng ủng nht cũn ủc phõn bit theo phm vi xut hin nú. Tu theo kớch thc phn t khụng ủng nht l phn ủỏ ủng nht ln nht bờn trong cú tớnh cht khỏc vi phn ủỏ võy quanh v M.V.Raxh quy c chia thnh 4 cp khụng ủng nht. Khụng ủng nht cp I: khụng ủng nht v thnh phn, cu to, kin trỳc ca cỏc tng ủỏ cú cỏc phỏ hu kin to, cỏc ủi phong hoỏ kớch thc phn t khụng ủng nht > 10 3 cm. Khụng ủng nht cp II: khụng ủng nht v cu trỳc v thnh phn ca ủỏ. Kớch thc phõn t khụng ủng nht t 1 10 3 cm. Khụng ủng nht cp III: th hin s khỏc nhau v thnh phn khoỏng vt v hoỏ hc, dng v kớch thc ht; s khụng ủng nht trong vic sp xp cỏc cht gn kt, s xut hin cỏc vi khe nt kớch thc phn t khụng ủng nht t 10 -3 1cm. C¬ häc ®¸. 129  Không ñồng nhất cấp IV: Xuất hiện trong các tinh thể (như các khuyết tật của mạng tinh thể) với kích thước phần tử không ñồng nhất từ 10 -6 – 10 -3 cm. Tính không ñồng nhất trong khối ñá ñôi khi cũng là do các hoạt ñộng có ý thức của con người. Khi ñào một ñường hầm trong ñá và không ñược chống, tuỳ theo khoảng cách từ ñá tới khoảng không, tuỳ theo trạng thái của ñá mà trong khối ñá nguyên trạng ñã chia thành nhiều vùng với các tính chất khác nhau, gây ra tính không ñồng nhất trong khối ñá (hình 2.1):  Vùng I: Vùng ñá tự nhiên, không bị phá huỷ  Vùng II: Vùng ñá bị biến dạng ñàn hồi, không bền  Vùng III: Vùng ñá bị nứt nẻ, không ổn ñịnh  Vùng IV: Vùng ñá bị phá huỷ, dịch chuyển – không ổn ñịnh.  Vùng V: Vùng ñá bị sập ñổ – ổn ñịnh. Như vậy mỗi vùng có một ñặc ñiểm, một cấu trúc khác nhau. Tuy nhiên trong thực tế không thể có một sự phân chia rõ ràng như trên mà cấu trúc của ñá thay ñổi dần dần từ vùng này sang vùng khác và có những vùng mang tính chất hỗn hợp, nhưng dù sao cũng ñã gây cho khối ñá một ñặc tính không ñồng nhất. Mặt khác, sự ñồng nhất hay không cũng chỉ mang ý nghĩa tương ñối: Trong một khối ñá không ñồng nhất, người ta vẫn có thể tìm ñược những phần ñá nhỏ hơn nhưng có tính ñồng nhất. Một khối ñá có thể có tính không ñồng nhất ở một vài chỉ tiêu khác (như không ñồng nhất về ñộ bền nhưng lại có thể ñồng nhất ở tính dẫn nhiệt…). Khối ñá ñược coi là giả ñồng nhất ở một chỉ tiêu nào ñó khi sự dao ñộng của chỉ tiêu ñó không quá 25%. 2.1.2.2. Tính dị hướng Dị hướng là hiện tượng thay ñổi trị số của một chỉ tiêu nào ñó khi xác ñịnh theo các hướng khác nhau tại một ñiểm của khối ñá. Tính dị hướng rất phổ biến với mọi vật rắn trong tự nhiên. B.Kujundzic ñã giải thích nguyên nhân của tính dị hướng trong khối ñá là do sự phân lớp, phân phiến, tính chất nứt nẻ và trạng thái ứng suất của nó. Mặt khác , sự không ñồng nhất của khối ñá cũng là một nguyên nhân gây ra tính dị hướng. Những nguyên nhân này luôn luôn xuất hiện trong khối ñá, nên trong tự nhiên, hiếm thấy một vật hay một khối ñá hoàn toàn ñẳng hướng. Trong một chừng mực nhất ñịnh, một chỉ tiêu nào ñó của ñá ñược coi là giả ñẳng hướng khi sự dao ñộng các giá trị của chỉ tiêu ñó không quá 25%. Cũng như với tính không ñồng nhất, M.V.Raxh ñã chia tính dị hướng của ñá thành 4 cấp: Hình 2.1. Sự không ñồng nhất của khối ñá xung quanh hầm. 130. Cơ học đá D hng cp I thy hng lot khi ủỏ b phõn ct do cỏc phỏ hu kin to. D hng cp II liờn quan ủn cỏc phõn lp bờn ngoi v cỏc khe nt thụ. D hng cp III th hin bng cỏc phõn lp nh bờn trong khi ủỏ, cỏc ht ủc ủnh hng v cỏc h thng khe nt. D hng cp IV l nhng d hng ca cỏc tinh th. ủỏnh giỏ mc ủ d hng ca khi ủỏ, trong thc t sn xut thng dựng h s d hng l t s gia cỏc tr s ca mt ch tiờu tớnh cht no ủú ca ủỏ ủc xỏc ủnh theo cỏc hng khỏc nhau. Vi cỏc ủỏ phõn phin v phõn lp thỡ h s ny thng ủc xỏc ủnh bng t s ca mt ch tiờu no ủú theo phng vuụng gúc vi mt lp v tr s ca chớnh ch tiờu y, xỏc ủnh theo hng song song vi mt lp. Kt hp vi tớnh khụng ủng nht ca khi ủỏ, tu theo mc ủ d hng ca nú m P.N.Panjubov ủó chia khi ủỏ thnh cỏc loi: ủng nht, khụng ủng nht v gi ủng hng, ủng nht v d hng, khụng ủng nht v d hng. Vi mi loi ủỏ nh vy, khi tớnh toỏn s phi tuõn theo nhng ủiu kin thớch hp tng ng. 2.1.2.3. Tớnh giỏn ủon Tớnh giỏn ủon ca khi ủỏ xut hin do s tn ti trong nú nhng l rng v khe nt. Cỏc l rng thng ủc to thnh trong quỏ trỡnh thnh to ủỏ, cũn cỏc khe nt thỡ ủc thnh to do nhiu ngun gc khỏc nhau, to nờn nhiu loi khe nt khỏc nhau. Cỏc khe nt phõn lp liờn quan ch yu ủn ủỏ trm tớch mc dự phõn lp dũng cng cú th xy ra trong vt liu nỳi la. Chỳng ủc ủc trng bi mu sc, kin trỳc v thnh phn khoỏng vt khỏc nhau v thng song song vi ranh gii gia cỏc lp. Trong khe nt thng cú cỏc lp sột lm gim ủ bn ct ca ủỏ. Cỏc khe nt phõn lp thng liờn tc v phng nhng chỳng cng cú th b m nht ủi do ủc gn kt li trong quỏ trỡnh bin cht. Cỏc khe nt phõn phin liờn quan ch yu ủn cỏc quỏ trỡnh bin cht do tỏc ủng ca cỏc lc kin to nh trong cỏc ủỏ phin mica, clorit, talc xen kp gia cỏc lp ủỏ cng hn nh gneis, granit v quarzit. Cỏc khe nt cú th rt gn nhau, song song hay cú dng bc thang. Cỏc th nt ủc to ra do bin dng trong quỏ trỡnh bin cht v ủc trng bi s tỏi kt tinh ca nhng khoỏng vt nm song song vi nhau, ủnh hng theo phng gn nh vuụng gúc vi ng sut nộn ln nht. Th nt cú th theo nhiu hng nu nh quỏ trỡnh bin cht xy ra trong vi giai ủon. Vi ủỏ magma, th nt cng xut hin do s ngui lnh ủt ngt ca nhng khi dung nham phun lờn trờn mt ủt. Cỏc th nt thng phõn b sỏt gn nhau nờn ngi ta d dng xỏc ủnh phng hng ca th nt nhng khú xỏc ủnh khong cỏch v ủ bn ca chỳng. Cỏc khe nt do ủt góy v trt. Khi cú s chuyn ủng tng ủi gia cỏc phn ca mt lp ủỏ do tỏc dng ca ngoi lc thỡ s to thnh ủt góy, kốm theo ủi phỏ hu kin to. Cỏc khe nt C¬ häc ®¸. 131 này có thể nhỏ, hẹp với cự ly dịch chuyển không lớn nhưng cũng khi do ngoại lực quá lớn, ñã tạo thành ñứt gãy dài 430 km chuyển vị ñứng tới 7m như sau trận ñộng ñất ở San Franxisco năm 1906.  Các khe nứt khác như khe nứt ñịa hình chạy gần song song với mặt ñất, lượn theo ñịa hình và liên quan tới ứng suất ñịa hình; khe nứt tiếp xúc thạch học tồn tại ở những chỗ tiếp giáp các lớp ñá có thành phần thạch học khác nhau hay những khe nứt khác không thể phân chia ñược theo nguồn gốc hay theo sự liên kết giữa các cấu trúc… Tuỳ theo sự tồn tại, mức ñộ phát triển của các khe nứt mà khối ñá có thể ñược coi là liên tục hay gián ñoạn. Thường không ít thì nhiều, ñá nào cũng có những khe nứt nhỏ hay lớn nên cũng hiếm gặp những khối ñá liên tục (không gián ñoạn). Khi những khe nứt rất nhỏ, rất ngắn thì có thể coi là khối ñá có tính giả liên tục. Với những khối ñá này, theo G.A.Krupenikov, chúng phải thoả mãn ñiều kiện: ∆A < ε khi ∆a < l 0 (2.1) trong ñó: ∆A là sự chênh lệch trị số ứng suất, biến dạng và chuyển vị tại các ñiểm ở gần khối ñá có gia số toạ ñộ là ∆a. ε là ñộ sai lệch cho phép khi xác ñịnh A (tới 15% theo trị số trung bình). l 0 là kích thước dài của khối ñá phân tố (ñặc trưng cho tính chất của khối ñá). Theo K.V.Ruppeneyt thì l 0 = 0,29cm Ba ñặc ñiểm không ñồng nhất, dị hướng, gián ñoạn của khối ñá liên quan chặt chẽ với nhau. Vì không ñồng nhất nên làm khối ñá có tính dị hướng và gián ñoạn nhưng mặt khác, sự gián ñoạn cũng chính là nguyên nhân của tính không ñồng nhất, dị hướng của khối ñá. Các ñặc ñiểm này của khối ñá phụ thuộc vào mục ñích và phạm vi nghiên cứu. Ở một khối ñá lớn thì có thể coi nó là không ñồng nhất, dị hướng và gián ñoạn vì trong ñó có nhiều vùng thành phần thạch học không như nhau, cấu trúc khác nhau, có nhiều lỗ rỗng, khe nứt… Nhưng nếu hạn chế phạm vi nghiên cứu lại, thì trong khối ñá ấy, người ta vẫn tìm ñược những phần ñá nhỏ hơn có tính ñồng nhất hay giả ñồng nhất, ñẳng hướng hay giả ñẳng hướng, liên tục hay giả liên tục… 2.2. CÁC TÍNH CHẤT CỦA KHỐI ðÁ NGUYÊN TRẠNG Khối ñá nguyên trạng cũng có ñầy ñủ các tính chất vật lý như ở mẫu ñá, nhưng do những ñặc ñiểm của khối ñá nguyên trạng ñã nêu trên, nên việc nghiên cứu các tính chất của khối ñá nguyên trạng phức tạp và tốn kém hơn nhiều so với mẫu ñá. ðối với khối ñá nguyên trạng, người ta cũng xác ñịnh các chỉ tiêu ñặc trưng cho ñộ chặt, tính chất cơ học… Những chỉ tiêu nào mà khi xác ñịnh giống như làm với mẫu ñá (như khối lượng riêng, khối lượng thể tích, ñộ rỗng) thì ở ñây sẽ không trình bày lại nữa, nhưng cũng có những chỉ tiêu chưa ñược nói tới khi nghiên cứu mẫu ñá, thì trong phần này sẽ ñược trình bày tỉ mỉ hơn như tính chất lưu biến, tính chất thấm…. Hiện nay, ñể nghiên cứu các tính chất của khối ñá nguyên trạng người ta thường tiến hành theo 3 phương pháp: 132. Cơ học đá - o trc tip ti khi ủỏ nguyờn trng. Phng phỏp ny ủỏng tin cy nhng ủt v khụng phi trong trng hp no cng lm ủc. - Phng phỏp gii tớch, dựng cỏc mụ hỡnh toỏn hc phn ỏnh cu trỳc ca khi ủỏ ủnh nghiờn cu. Phng phỏp ny kộm chớnh xỏc. - Phng phỏp mụ hỡnh dựng cỏc vt liu ủ to nờn mụ hỡnh cú tớnh cht gn nh tớnh cht ca khi ủỏ ủnh nghiờn cu v rỳt ra nhng kt lun trờn c s thớ nghim vi cỏc mụ hỡnh ny. Hai phng phỏp sau tuy d thc hin nhng kộm chớnh xỏc vỡ khụng th xỏc ủnh ủc ủy ủ tớnh cht, trng thỏi ca khi ủỏ v khụng th th hin hon ton cỏc tớnh cht ca khi ủỏ trờn mụ hỡnh ủc. Vỡ vy trong khi kho sỏt, ủụi khi ngi ta hay dựng phng phỏp m cú th tm gi l phng phỏp tng quan, da trờn mt quan h nht ủnh gia tớnh cht vt lý ca ủỏ v mt ủi lng vt lý no ủú (thớ d nh s liờn quan gia cỏc tớnh cht ca ủỏ v tc ủ truyn súng ủn hi trong chỳng). 2.2.1. TNH PHONG HO Phong hoỏ l hin tng ủỏ b bin ủi thnh phn, trng thỏi v tớnh cht ca nú di tỏc ủng ca khớ quyn, thu quyn v sinh quyn. 2.2.1.1. Cỏc kiu v mt ct phong hoỏ Tu theo cỏc ủc trng bin ủi v cỏc tỏc nhõn gõy ra phong hoỏ, ngi ta thng chia ra cỏc kiu sau: - Phong hoỏ c hc (hay vt lý) l quỏ trỡnh phỏ v ủỏ thnh cỏc ht nh hn khi cỏc ng sut sinh ra ln hn ủ bn kộo ca ủỏ. Cỏc tỏc nhõn gõy ra loi phong hoỏ ny cú th l do hot ủng bng giỏ, do s kt tinh ca mui, s thay ủi ca ủ m v nhit ủ hay s d ti xy ra trong ủỏ. Hot ủng bng giỏ l mt trong nhng quỏ trỡnh phong hoỏ c hc mnh nht. Khi nc ủúng bng trong khi ủỏ, th tớch ca chỳng tng lờn (ti 9%), to nờn mt ỏp lc rt ln ( 22 0 C, ỏp lc ny ti 200MPa) lm ủỏ b nt ra, ủy hai thnh khe nt cỏch xa nhau hn. S kt tinh ca mui trong ủỏ cng phn no tng t nh tỏc dng ca nc ủúng bng. Khi mui kt tinh lm gión n v lm gim ủ bn ca ủỏ. Cỏc mui ho tan cú th xõm nhp vo ủỏ bng nhiu cỏch khỏc nhau. Nc ma v khụng khớ ụ nhim cng l nhng ngun mui rt ln. Mui cú th kt tinh trong cỏc khe nt hay trờn b mt ủỏ lm ủỏ b nt n sõu thờm hoc tỏch thnh cỏc lp mng. S thay ủi nhit ủ gõy ra s gión n vỡ nhit bờn trong khi ủỏ. ỏ thng l ủa khoỏng, cỏc khoỏng vt gión n khụng nh nhau, lm ủỏ b nt n do cỏc ng sut nhit ủó phỏ hu cỏc mi liờn kt trong ủỏ. S thay ủi ủ m ca ủỏ di dng t khụ xen k liờn tc cng lm ủỏ b co gión liờn tc s lm ủ bn ca ủỏ gim ủi. Tỏc dng ny cng tng lờn khi kt hp vi s thay ủi ca nhit ủ. Cơ học đá. 133 Cng nh mi vt liu khỏc, khi b tỏc dng lc, ủỏ b bin dng. Khi ủc d ti, ủỏ ủc n ra, nhiu khi lm phỏ hu ủỏ trờn cỏc mt song song vi mt ủc d ti, to nờn nhng phin ủỏ mng gii hn bi cỏc th nt song song vi mt ủt. Cỏc phin ủỏ ủó tỏch ra rt d b tip tc phong hoỏ. Quỏ trỡnh phong húa c hc xy ra liờn tc di tỏc ủng ca cỏc tỏc nhõn phong hoỏ, to thnh nhng bói ủỏ gúc cnh, nhng tng ủỏ trũn hay nhng khi ủỏ cú hỡnh thự ủc bit nh khi ủỏ u n hong Yehliu (bc i Loan) to thnh t ủỏ cỏt kt vụi (hỡnh 2.2). Hỡnh ny ủó ủc dựng lm logo cho Hi tho khoa hc Quc t v ủỏ trm tớch khu vc Chõu thỏng XI 1997 ti i Bc. - Phong hoỏ hc xy ra do tỏc dng ca cỏc phn ng hoỏ hc gia cỏc thnh phn to nờn ủỏ v ụxy, carbonic v nc trong khớ quyn v thch quyn. Khớ C0 2 cú trong khớ quyn hay ủc to thnh do s phõn hu cỏc cht hu c trong ủiu kin thoỏng khớ trong ủt. Lng khớ C0 2 ny ln hn rt nhiu so vi nng ủ ca nú trong khớ quyn v s phn ng vi nc ma hay tuyt tan thm xung ủ to thnh axớt carbonic H 2 C0 3 . Mt khỏc, khi phõn hu cht hu c cũn lm sn sinh ra axit humic, lm tng lng cỏc axit trong ủt v lm gim ủ pH ca nú. Phn ng ho tan xy ra do nc (cha C0 2 , cỏc loi axit) cú tớnh xõm thc, ho tan cỏc khoỏng vt d tan ca ủỏ: CaC0 3 + H 2 0 + C0 2 Ca (HC0 3 ) 2 Khi cỏc ủỏ d tan nh ủỏ vụi, ủụlomit l ra trờn mt ủt thỡ quỏ trỡnh ho ta s to thnh cỏc hc ủỏ li lừm, rng ủỏ lm chm. Vi cỏc ủỏ trờn nhng nm sõu di ủt thỡ quỏ trỡnh ho tan s to thnh cỏc hang ủng, cỏc ủa hỡnh karst thng rt ủp v th mng. (hỡnh 2.3). Phn ng ụxy hoỏ xy ra do oxy t do tỏc dng vi cỏc nguyờn t kim loi khỏc cú trong ủỏ. Nhng ủỏ gm cỏc khoỏng vt cú cha Fe (nh pyrit, pyroxen) khi b ụxy hoỏ thng to thnh limonit. Quỏ trỡnh bin ủi t pyrit (FeS 2 ) thnh limonit (Fe 2 0 3 . nH 2 0) cú th thy nh sau: FeS 2 + 0 2 + H 2 0 FeS0 4 Fe 2 (S0 4 ) 3 Fe 2 0 3 . nH 2 0. S cú mt ca limonit trong ủt ủỏ th hin qua nhng vt mu pht nõu hay pht ủ. Phn ng thu phõn thng thy trong cỏc khoỏng vt thuc lp silicat nh felspat. Felspat s phn ng vi cỏc ion H + ủ to thnh cỏc sn phm ho tan v sột kaolinit. T mt khoỏng vt n ủnh nhit ủ cao v ỏp sut ln, do tỏc dng ca Hỡnh 2.2. Khi ủỏ u n hong Yehliu bc i Loan. Hỡnh 2.3. Thch nh ủng Tiờn Sn (Vnh An, Vnh Lc, Thanh Hoỏ) 134. C¬ häc ®¸ nước ñã bị phân huỷ thành khoáng vật khác ổn ñịnh với các ñiều kiện ở gần mặt ñất hơn. Phản ứng thuỷ phân orthoclas thành kaolinit và opal với potat ñược biểu diễn: K 2 0. Al 2 0 3 . 6Si0 2 +H 2 0 +C0 2 → Al 2 0 3 . 2Si0 2 . 2H 2 0 + Si0 2 . nH 2 0 + K 2 C0 3 . Trong phản ứng trên, từ orthoclas có ñộ cứng 6 ñã tạo thành kaolinit có ñộ cứng 1. Phản ứng thuỷ phân xảy ra trên diện lớn thường tạo thành các mỏ ñất sét, ñược sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Trong ñiều kiện nóng, ẩm, kaolinit lại bị thuỷ phân tiếp thành bauxit (Al 2 0 3 . mH 2 0) và opal. Phản ứng thuỷ hoá xảy ra khi nước hấp phụ vào trong cấu trúc mạng của các khoáng vật, tạo thành các chất ngậm nước. Sự hấp phụ nước (hyñrat hoá) của anhyñrit tạo thành thạch cao có thể biểu diễn: CaS0 4 + 2H 2 0 = CaS0 4 . 2H 2 0. Quá trình hydrat làm tăng thể tích vật liệu (tới 33%) và là nguyên nhân làm yếu và phá vỡ ñá về mặt cơ học. Trong quá trình phong hoá hoá học, tính ổn ñịnh của khoáng vật trước các tác nhân phong hoá phụ thuộc vào sự khác nhau giữa các ñiều kiện trên mặt (nơi xảy ra phong hoá) với các ñiều kiện kết tinh ban ñầu. Nếu trong dãy phản ứng. N.L. Bowen mô tả thứ tự kết tinh các khoáng vật trong ñiều kiện từ nhiệt ñộ cao ñến thấp dần, thì cũng vẫn với những khoáng vật ấy, mức ñộ ổn ñịnh sẽ tăng dần từ các chất kết tinh ñầu tiên (kém ổn ñịnh, dễ phong hoá nhất) cho tới các chất kết tinh cuối cùng (ổn ñịnh nhất, phong hoá chậm nhất). Goldich ñã lập thành sơ ñồ ñể mô tả tính ổn ñịnh tương ñối trong ñiều kiện phong hoá của các khoáng vật chủ yếu của ñá magma như trong hình 2.4. Phong hoá chậm Ổn ñịnh nhất Thạch anh Muscovit Orthoclas (Felspat Kali) Biotit Albit Horblend (Felspat Natri) Augit Anorthit Olivin (Felspat Calci) Phong hoá nhanh Kém ổn ñịnh nhất Hình 2.4. Dãy ổn ñịnh Goldich. Cơ học đá. 135 Nhỡn vo dóy n ủnh cú th thy thch anh l khoỏng vt kt tinh cui cựng t magma thỡ n ủnh nht trong mụi trng phong hoỏ, thc t coi nh khụng tan. iu ny gii thớch s ph bin ca thch anh trong cỏc ủỏ trm tớch. Cỏc khoỏng vt felspat d b phong hoỏ, lng ủng li thnh bựn v khi b nộn cht, gn kt li thnh ủỏ phin. Phong hoỏ sinh vt l quỏ trỡnh sinh vt (ủng vt v thc vt) tham gia vo vic lm thay ủi trng thỏi hay phỏ v, lm nt n khi ủỏ do cỏc tỏc ủng c hc v hoỏ hc. Tỏc ủng c hc ch yu l do r cõy mc chốn vo trong cỏc khe nt v th nt ca ủỏ ri ln dn lờn. p lc ca cỏc r ln cú th lm nt, tỏch ch cỏc khi ủỏ, thỳc ủy cỏc quỏ trỡnh phong hoỏ khỏc. Trờn hỡnh 2.5 thy rừ tỏc dng phong hoỏ ca sinh vt ủi vi cỏc khi ủỏ. Cỏc kiu phong hoỏ thng ủng thi xy ra v mt vựng c th ch yu do yu t khớ hu quyt ủnh. nh hng ca khớ hu ủn cỏc kiu phong hoỏ cú th thy qua hỡnh 2.6. Di tỏc ủng ca cỏc tỏc nhõn phong hoỏ, quỏ trỡnh phong hoỏ ca mt khi ủỏ gim dn khi cng ủi sõu vo trong khi ủỏ, to nờn s sp xp cỏc vt liu b phong húa cc mnh phn mt ủt ti cỏc vt liu ớt b phong hoỏ v ủỏ ti hn hay cha b phong hoỏ ti cỏc ủ sõu ln hn, v nh vy s to nờn cỏc ủi ủt ủỏ khỏc nhau v trng thỏi, tớnh cht khi ủi t ngoi vo trong mt khi ủỏ. Mt ct phong hoỏ s biu hin quỏ trỡnh thay ủi tớnh cht, trng thỏi ca ủt ủỏ khi b phong hoỏ. Thng thỡ mt mt ct phong hoỏ cú th chia lm 3 vựng chớnh. Vựng ủt tn d gm cỏc ht ủt ủc to thnh do ủỏ ủó b phong hoỏ Hỡnh 2.5. R cõy lm nt khi ủỏ Thớch Ca Pht ủi (Vng Tu). Hỡnh 2.6. nh hng ca khớ hu ủn cỏc kiu phong hoỏ. 136. Cơ học đá hon ton. Vựng ny cng ủc chia thnh 3 lp nh nh lp ln r cõy, cỏc vt liu hu c; lp ủt sột cú nhiu cỏc nguyờn t Fe, Al v Si; lp ủt gm cỏc ht bi v cỏt ln mica. Vựng ủỏ phong hoỏ gm cỏc phn ủỏ ủó b phong hoỏ - Trong vựng ny cú th chia lm 2 lp: mt lp gm cỏc loi t ủt tn tớch hay ủt bựn (saprolit) ti ủỏ ủó b phong hoỏ tng phn vi cỏc ủc ủim thay ủi t ging nh ủt ti ging nh ủỏ. T l ly mu ủỏ khi khoan t 10 - 90%. Tip theo l lp ủỏ mm hoc cng ủó b phong hoỏ tng phn. Mt s thnh phn nh felspat v mica ủó b phong hoỏ. T l ly mu khi khoan thng > 90%. Vựng ủỏ khụng phong hoỏ cú tớnh cht tng t nh ủỏ gc ban ủu, khụng thy s phong hoỏ ca felspat v mica. T l ly mu khi khoan thng l 100%. Tuy nhiờn, vi mi loi ủỏ khỏc nhau, quỏ trỡnh phong hoỏ xy ra cng khỏc nhau v to nờn nhng mt ct phong hoỏ khụng ging nhau. D.U. Deere v F.D.Patton (1971) ủó nghiờn cu cỏc mt ct phong hoỏ ca cỏc loi ủỏ magma, trm tớch v bin cht: Hỡnh 2.7. Mt ct Hỡnh 2.8. Mt ct Hỡnh 2.9. Mt ct phong hoỏ ca ủỏ phong hoỏ ca ủỏ phong hoỏ ca ủỏ magma. bin cht. trm tớch. . - Trong ủỏ magma, vi loi ủỏ xõm nhp m ủin hỡnh l granit v mt s loi ủỏ khỏc tng ủi ủng nht v ủng hng, hin tng phong hoỏ phỏt trin ch yu dc theo cỏc khe nt hay ủt góy v cỏc ủng dn nc ngm khỏc cỏc [...]... ng ủi m v ủ b n nộn m t tr c c a ủỏ theo b ng 2. 2 B ng 2. 2 M c ủ phong hoỏ Khụng phong hoỏ Phong hoỏ nh t ng ph n Phong hoỏ nh hon ton Phong hoỏ v a Phong hoỏ m nh hon ton Kh i l ng th tớch t/m3 > 2, 61 2, 56 2, 61 2. 51 2. 56 2. 05 2. 51 < 2. 05 b nt i tr ng ủi m, MPa b n nộn m t tr c, MPa >10 6 10 46 0,1 4 < 0,1 > 25 0 150 25 0 100 150 2, 5 100 < 2, 5 2. 2.1.3 Phõn lo i m c ủ phong hoỏ phõn lo i m c... 1 12 >2 Gúc ma sỏt trong , ủ 12 15 18 20 C ng ủ l c dớnh c, kG/cm2 0,8 0,96 1 ,2 1,4 Do nh h ng c a phong hoỏ, Na Dng ủó nhi u l n x y ra tr t vo nh ng nm 19 62 1963; 1967 1968 v nh ng nm sau ủú 2. 2 .2 TNH CH T N T N 2. 2 .2. 1 Khỏi ni m Cơ học đá. 141 Theo cỏc nh ủ a ch t, n t n l nh ng phỏ hu do nhi u nguyờn nhõn khỏc nhau (t nhiờn, ki n t o, phong hoỏ, tr t) lm m t tớnh ch t liờn t c c a ủỏ Hn 70 nm... n t 0 < 2mm 2 6mm 6 20 mm 20 60mm 60 20 0mm > 20 0mm N.Barton (1978) l i chia thnh 3 lo i khe n t Khe n t m : Rónh, khi chi u r ng C c r ng, khi chi u r ng R t r ng, khi chi u r ng > 1000mm 100 1000mm 10 100mm Khe n t h : R ng, khi chi u r ng Khỏ r ng, khi chi u r ng H , khi chi u r ng > 10mm 2, 5 10mm 0,5 2, 5mm Khe n t kớn: Hi h , khi chi u r ng 0 ,25 0,5mm Kớn, khi chi u r ng 0,1 0 ,25 mm R t... cỏc khe n t l d): Kho ng cỏch c c k g n, khi Kho ng cỏch r t g n, khi 144 .Cơ học đá d< 20 mm 20 60mm Kho Kho Kho Kho Kho ng cỏch g n, khi ng cỏch trung bỡnh, khi ng cỏch xa, khi ng cỏch r t xa, khi ng cỏch c c k xa, khi - Ch t l p ủ y Ch t l p ủ y l b t k v t li u no v i tớnh ch t cựng lo i c a ủỏ 60 20 0mm 20 0 600mm 600 20 00mm 20 00 6000mm > 6000mm trong khe n t m cỏc tớnh ch t c a nú khỏc Cỏc ch t... ủ c bi u di n b ng 1 ủi m l giao ủi m c a bỏn kớnh ng v i gúc phng v h ng d c v ủ ng trũn ủ ng tõm ng v i gúc d c (hỡnh 2. 15) Hỡnh 2. 15 1 52 .Cơ học đá th vũng trũn F.P.Xavarenxki, bi u th 3 h th ng khe n t cú cỏc gúc phng v h ng d c v gúc d c khỏc nhau o 1 20 0 v 75 ; 2 115 v 82o; 325 v 43o Nhỡn vo ủ th vũng trũn khe n t, ng i ta d dng hỡnh dung ủ c v trớ c a khe n t trong khụng gian (theo cỏc ch s trờn... h i h u hi u) Eh thỡ cú th suy ra bi u th c sau t ủ nh lu t Hooke: E h d1 = E 1 (2. 27) Tớnh tng t theo h ng 3 vuụng gúc v i 1, bi n d ng tuy t ủ i 3 cng cú th vi t: 3 = ủ3 + d3 2 3d 3 c3d 3 3 = + E E trong ủú: 164 .Cơ học đá 3 l ng su t theo phng n m ngang; d3 l chi u r ng kh i ủỏ xột theo h ng 3; c3 l h s (2. 28) (2. 29) ... nghi m; e l c s lg t nhiờn (2. 5) G n ủõy, khi nghiờn c u v i cỏc ủỏ b t k t, sột k t v cỏt k t cng t i m Na Dng, Lờ Xuõn Thu (1997) ủó nờu ra cỏc s li u v gúc ma sỏt trong v c ng ủ l c dớnh c trong cỏc ủ i phong hoỏ theo b ng 2. 5 B ng 2. 5 Cỏc ủ i phong hoỏ Chi u sõu, m Hon ton M nh V a Nh < 0,5 0,5 1 12 >2 Gúc ma sỏt trong , ủ 12 15 18 20 C ng ủ l c dớnh c, kG/cm2 0,8 0,96 1 ,2 1,4 Do nh h ng c a phong... ủ b n c a ủỏ (hỡnh 2. 10) n c ta, s phõn chia m c ủ phong hoỏ cú th d a vo h s phong hoỏ (cụng th c 2. 2) hay h s khe n t th tớch kkn l t s ph n trm gi a t ng th tớch cỏc khe n t, l r ng v 140 .Cơ học đá VI V IV III II I 0.0010.004 0.01 0.04 0.1 0.4 1.0 Hỡnh 2. 10 M c ủ gi m ủ b n c a ủỏ theo cỏc c p phong hoỏ th tớch c a ton b kh i ủỏ Cỏch phõn lo i ny cú th th y trong b ng 2. 4 B ng 2. 4 M c ủ phong hoỏ... ch nhau 180o 1 42 .Cơ học đá - ng h ng d c (cng g i l ủ ng d c) l ủ ng vuụng gúc v i ủ ng phng, n m trong m t khe n t v h ng v phớa nghiờng xu ng - Gúc d c l gúc h p gi a ủ ng h ng d c v hỡnh chi u c a nú trờn m t ph ng n m ngang - Gúc phng v h ng d c p l gúc h p gi a hỡnh chi u c a ủ ng h ng d c trờn m t ph ng n m ngang v h ng b c c a kim nam chõm V trớ cỏc gúc ủ c minh ho trờn hỡnh 2. 11 Th c t ủ xỏc... v chuy n v khi c t ủo ủ c (tr ng h p ủ t kớch n m nghiờng) m ng i ta s xỏc ủ nh ủ c cỏc ủ c trng c a ủ b n c t c a kh i ủỏ 158 .Cơ học đá Xỏc ủ nh ủ Hỡnh 2. 20 b n c t c a kh i ủỏ Khi thớ nghi m v i 2 kớch thu l c thỡ vi c b trớ cỏc kớch v thi t b ủo cú th th y nh trờn hỡnh 2. 20 S ủ thớ nghi m ny cng ủ c g i l phng phỏp thớ nghi m B o Nha do M.Rocha (1969) ủ ra: thớ nghi m ủ c ti n hnh trờn kh i ủỏ cú . Phong hoỏ mnh hon ton > 2, 61 2, 56 2, 61 2. 51 2. 56 2. 05 2. 51 < 2. 05 >10 6 10 4 6 0,1 4 < 0,1 > 25 0 150 25 0 100 150 2, 5 100 < 2, 5 2. 2.1.3. Phõn loi mc ủ phong. thành kaolinit và opal với potat ñược biểu diễn: K 2 0. Al 2 0 3 . 6Si0 2 +H 2 0 +C0 2 → Al 2 0 3 . 2Si0 2 . 2H 2 0 + Si0 2 . nH 2 0 + K 2 C0 3 . Trong phản ứng trên, từ orthoclas có ñộ cứng. CaS0 4 + 2H 2 0 = CaS0 4 . 2H 2 0. Quá trình hydrat làm tăng thể tích vật liệu (tới 33%) và là nguyên nhân làm yếu và phá vỡ ñá về mặt cơ học. Trong quá trình phong hoá hoá học, tính ổn