Giáo trình cơ học đá - Chương 2 doc

Khối ñá nguyên trạng do còn giữ nguyên ñược trạng thái ban ñầu, quan hệ với các khối ñá vây quanh nên khi xác ñịnh, tính chất của nó phản ánh toàn bộ cấu trúc của khối ñá, các số liệu th

Chương 2 CÁC TÍNH CHẤT CỦA KHỐI ðÁ NGUYÊN TRẠNG

2.1 KHỐI ðÁ NGUYÊN TRẠNG VÀ MỘT VÀI ðẶC ðIỂM CỦA NÓ

2.1.1 KHÁI NIỆM VỀ KHỐI ðÁ NGUYÊN TRẠNG

Khi xây dựng các công trình, khai thác khoáng sản… các công việc không chỉ tiến hành ở các mẫu ñá riêng biệt mà ở trên cả một vùng ñá có thể tích khá lớn gọi là khối ñá nguyên trạng (hay ñôi khi cũng ñược gọi tắt là khối ñá) Các ñặc trưng cơ học của khối ñá này có những giá trị khác hẳn với những kết quả ñã thu ñược khi xác ñịnh trên các mẫu ñá ở trong phòng thí nghiệm, nên không thể lấy các kết quả thí nghiệm với các mẫu ñá ñể giải các bài toán cơ học ñá trong xây dựng công trình Nhưng việc nghiên cứu khối ñá nguyên trạng không ñơn giản, còn tồn tại rất nhiều quan ñiểm khác nhau khi nghiên cứu các ñặc trưng của khối ñá và ngay cả quan niệm

về khối ñá nguyên trạng, cho ñến nay cũng chưa ñi ñến một sự thống nhất hoàn toàn Theo G.I Jagodkin, M.F.Kuntưs thì khối ñá nguyên trạng là một thể tích ñá ñủ

ñể có khái niệm mô hình cấu trúc của ñá vây quanh, ñược xác ñịnh bằng những ñiều kiện cụ thể tuỳ theo sự tác dụng của ngoại lực lên thể tích ñá ấy

E.I.Iinixhkaja thì cho rằng khối ñá nguyên trạng là phần môi trường tách ra khỏi các phần xung quanh bằng các mặt phẳng tự nhiên và ñược thí nghiệm ở các trạng thái ứng suất khác nhau ñể nghiên cứu các vấn ñề cho trước

Quan niệm của P.N.Panjukov ñược nhiều người thừa nhận hơn Theo ông, khối

ñá nguyên trạng là những phần cấu trúc riêng biệt của vỏ trái ñất nằm trong phạm vi tác ñộng của các công trình (ngoại lực), ñược nghiên cứu ñể lập ra các ñiều kiện thi công các công trình và sử dụng chúng

Như vậy phải phân biệt hai khái niệm: mẫu ñá và khối ñá nguyên trạng Mẫu ñá là phần ñá ñược lấy ra từ một tảng hay khối ñá Khi thí nghiệm, nó ñã

bị mất sự liên hệ với các vật chất vây quanh ở trạng thái ban ñầu, nên tính chất của

nó không ñặc trưng cho tính chất của khối ñá và lại càng không ñặc trưng cho toàn

bộ khối ñá nguyên trạng

Khối ñá nguyên trạng do còn giữ nguyên ñược trạng thái ban ñầu, quan hệ với các khối ñá vây quanh nên khi xác ñịnh, tính chất của nó phản ánh toàn bộ cấu trúc của khối ñá, các số liệu thu ñược có thể khác hẳn với mẫu ñá, nhưng lại ñáng tin cậy trong khi thiết kế và thi công các công trình trong ñá Vì vậy việc nghiên cứu tính chất của khối ñá nguyên trạng là rất cần thiết, nhưng việc làm này cũng không ñơn giản

Tuy nhiên, cũng không ñược lẫn lộn giữa khối ñá và khối ñá nguyên trạng Khối ñá là một thể tích ñá to hơn nhiều lần tảng ñá hay các mẫu ñá trong phòng thí nghiệm nhưng ñá bị tách khỏi khối ñá vây quanh, không chịu tác ñộng của tự nhiên hay các hoạt ñộng của con người

2.1.2 VÀI ðẶC ðIỂM CỦA KHỐI ðÁ NGUYÊN TRẠNG

Ở khối ñá nguyên trạng, có thể thấy một số ñặc ñiểm sau:

2.1.2.1.Tính không ñồng nhất

Tính không ñồng nhất là một ñặc ñiểm rất quan trọng của khối ñá

Một khối ñá ñược coi là ñồng nhất khi tất cả các phần của nó ñều có cùng một thành phần, một cấu tạo, nghĩa là tại bất kỳ một ñiểm nào ñó trong khối ñá ñều có tính chất vật lý như nhau

Khối ñá trong tự nhiên ñều không thoả mãn các yêu cầu trên vì trong nó luôn luôn có sự không ñồng nhất về thành phần khoáng vật (sự sắp xếp các loại khoáng vật tạo ra trong ñá không phải chỗ nào cũng như chỗ nào), không ñồng nhất về kiến trúc, cấu tạo (không phải trong toàn bộ khối ñá, mọi chỗ ñều có cùng một loại kiến trúc, một loại cấu tạo) hay không ñồng nhất do tác ñộng của ngoại lực, môi trường hay các hoạt ñộng của con người (các chỗ khác nhau trong khối ñá chịu các tác ñộng khác nhau của các tác ñộng bên ngoài…), nên vì thế, khối ñá mang tính không ñồng nhất

Tuỳ theo nguồn gốc của sự không ñồng nhất, người ta chia thành hai loại: Không ñồng nhất nguyên sinh xuất hiện trong quá trình thành tạo ñá, thể hiện ở sự thay ñổi hình dáng, kích thước, thành phần hạt khoáng vật và sự sắp xếp giữa chúng với nhau trong ñá Không ñồng nhất thứ sinh liên quan ñến các giai ñoạn biến ñổi sau khi thành tạo, có thể do thiên nhiên như các quá trình phong hoá, làm chặt, tái kết tinh, kiến tạo hay do nhân tạo như các quá trình xây dựng, công nghệ mỏ khác nhau Không ñồng nhất thứ sinh có ý nghĩa quan trọng trong khi nghiên cứu ñịa chất công trình vì nó liên quan ñến sự thay ñổi trạng thái, tính chất của khối ñá nguyên trạng Tính không ñồng nhất còn ñược phân biệt theo phạm vi xuất hiện nó Tuỳ theo kích thước phần tử không ñồng nhất là phần ñá ñồng nhất lớn nhất ở bên trong có tính chất khác với phần ñá vây quanh và M.V.Raxh quy ước chia thành 4 cấp không ñồng nhất

Không ñồng nhất cấp I: không ñồng nhất về thành phần, cấu tạo, kiến trúc của các tảng ñá có các phá huỷ kiến tạo, các ñới phong hoá… kích thước phần tử không ñồng nhất > 103cm

Không ñồng nhất cấp II: không ñồng nhất về cấu trúc và thành phần của ñá Kích thước phân tử không ñồng nhất từ 1 – 103 cm

Không ñồng nhất cấp III: thể hiện ở sự khác nhau về thành phần khoáng vật

và hoá học, dạng và kích thước hạt; ở sự không ñồng nhất trong việc sắp xếp các chất gắn kết, sự xuất hiện các vi khe nứt… kích thước phần tử không ñồng nhất từ 10-3 – 1cm

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 – 10-3cm

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%

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

Dị hướng cấp I thấy ở hàng loạt khối ñá bị phân cắt do các phá huỷ kiến tạo

Dị hướng cấp II liên quan ñến các phân lớp ở bên ngoài và các khe nứt thô

Dị hướng cấp III thể hiện bằng các phân lớp nhỏ ở bên trong khối ñá, các hạt ñược ñịnh hướng và các hệ thống khe nứt

Dị hướng cấp IV là những dị hướng của các tinh thể

ðể ñánh giá mức ñộ dị hướng của khối ñá, trong thực tế sản xuất thường dùng

hệ số dị hướng là tỉ số giữa các trị số của một chỉ tiêu tính chất nào ñó của ñá ñược xác ñịnh theo các hướng khác nhau Với các ñá phân phiến và phân lớp thì hệ số này thường ñược xác ñịnh bằng tỷ số của một chỉ tiêu nào ñó theo phương vuông góc với mặt lớp và trị số của chính chỉ tiêu ấy, xác ñịnh theo hướng song song với mặt lớp Kết hợp với tính không ñồng nhất của khối ñá, tuỳ theo mức ñộ dị hướng của

nó mà P.N.Panjubov ñã chia khối ñá thành các loại: ñồng nhất, không ñồng nhất và giả ñẳng hướng, ñồng nhất và dị hướng, không ñồng nhất và dị hướng

Với mỗi loại ñá như vậy, khi tính toán sẽ phải tuân theo những ñiều kiện thích hợp tương ứng

Các khe nứt phân lớp liên quan chủ yếu ñến ñá trầm tích mặc dù phân lớp dòng cũng có thể xảy ra trong vật liệu núi lửa Chúng ñược ñặc trưng bởi màu sắc, kiến trúc và thành phần khoáng vật khác nhau và thường song song với ranh giới giữa các lớp Trong khe nứt thường có các lớp sét làm giảm ñộ bền cắt của ñá Các khe nứt phân lớp thường liên tục và phẳng nhưng chúng cũng có thể bị mờ nhạt ñi do ñược gắn kết lại trong quá trình biến chất

Các khe nứt phân phiến liên quan chủ yếu ñến các quá trình biến chất do tác ñộng của các lực kiến tạo như trong các ñá phiến mica, clorit, talc… xen kẹp giữa các lớp ñá cứng hơn như gneis, granit và quarzit Các khe nứt có thể rất gần nhau, song song hay có dạng bậc thang

Các thớ nứt ñược tạo ra do biến dạng trong quá trình biến chất và ñặc trưng bởi sự tái kết tinh của những khoáng vật nằm song song với nhau, ñịnh hướng theo phương gần như vuông góc với ứng suất nén lớn nhất Thớ nứt có thể theo nhiều hướng nếu như quá trình biến chất xảy ra trong vài giai ñoạn Với ñá magma, thớ nứt cũng xuất hiện do sự nguội lạnh ñột ngột của những khối dung nham phun lên trên mặt ñất

Các thớ nứt thường phân bố sát gần nhau nên người ta dễ dàng xác ñịnh phương hướng của thớ nứt nhưng khó xác ñịnh khoảng cách và ñộ bền của chúng

Các khe nứt do ñứt gãy và trượt

Khi có sự chuyển ñộng tương ñối giữa các phần của một lớp ñá do tác dụng của ngoại lực thì sẽ tạo thành ñứt gãy, kèm theo ñới phá huỷ kiến tạo Các khe nứt

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:

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)

l0 là kích thước dài của khối ñá phân tố (ñặc trưng cho tính chất của khối ñá)

Theo K.V.Ruppeneyt thì l0 = 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:

- đo trực tiếp tại khối ựá nguyên trạng Phương pháp này ựáng tin cậy nhưng ựắt và không phải trong trường hợp nào cũng làm ựược

- Phương pháp giải tắch, dùng các mô hình toán học phản ánh cấu trúc của khối ựá ựịnh nghiên cứu Phương pháp này kém chắnh xác

- Phương pháp mô hình dùng các vật liệu ựể tạo nên mô hình có tắnh chất gần như tắnh chất của khối ựá ựịnh nghiên cứu và rút ra những kết luận trên cơ

sở thắ nghiệm với các mô hình này

Hai phương pháp sau tuy dễ thực hiện nhưng kém chắnh xác vì không thể xác ựịnh ựược ựầy ựủ tắnh chất, trạng thái của khối ựá và không thể thể hiện hoàn toàn các tắnh chất của khối ựá trên mô hình ựược Vì vậy trong khi khảo sát, ựôi khi người

ta hay dùng phương pháp mà có thể tạm gọi là phương pháp tương quan, dựa trên một quan hệ nhất ựịnh giữa tắnh chất vật lý của ựá và một ựại lượng vật lý nào ựó (thắ

dụ như sự liên quan giữa các tắnh chất của ựá và tốc ựộ truyền sóng ựàn hồi trong chúng)

2.2.1 TÍNH PHONG HOÁ

Phong hoá là hiện tượng ựá bị biến ựổi thành phần, trạng thái và tắnh chất của

nó dưới tác ựộng của khắ quyển, thuỷ quyển và sinh quyển

2.2.1.1 Các kiểu và mặt cắt phong hoá

Tuỳ theo các ựặc trưng biến ựổi và các tác nhân gây ra phong hoá, người ta thường chia ra các kiểu sau:

- Phong hoá cơ học (hay vật lý) là quá trình phá vỡ ựá thành các hạt nhỏ hơn khi các ứng suất sinh ra lớn hơn ựộ bền kéo của ựá Các tác nhân gây ra loại phong hoá này có thể là do hoạt ựộng băng giá, do sự kết tinh của muối, sự thay ựổi của ựộ ẩm và nhiệt ựộ hay sự dỡ tải xảy ra trong ựá

Hoạt ựộng băng giá là một trong những quá trình phong hoá cơ học mạnh nhất Khi nước ựóng băng trong khối ựá, thể tắch của chúng tăng lên (tới 9%), tạo nên một

áp lực rất lớn (ở Ờ 220C, áp lực này tới 200MPa) làm ựá bị nứt ra, ựẩy hai thành khe nứt cách xa nhau hơn

Sự kết tinh của muối trong ựá cũng phần nào tương tự như tác dụng của nước ựóng băng Khi muối kết tinh làm giãn nở và làm giảm ựộ bền của ựá Các muối hoà tan có thể xâm nhập vào ựá bằng nhiều cách khác nhau Nước mưa và không khắ ô nhiễm cũng là những nguồn muối rất lớn Muối có thể kết tinh trong các khe nứt hay trên bề mặt ựá làm ựá bị nứt nẻ sâu thêm hoặc tách thành các lớp mỏng

Sự thay ựổi nhiệt ựộ gây ra sự giãn nở vì nhiệt ở bên trong khối ựá đá thường

là ựa khoáng, các khoáng vật giãn nở không

như nhau, làm ựá bị nứt nẻ do các ứng suất

nhiệt ựã phá huỷ các mối liên kết trong ựá

Sự thay ựổi ựộ ẩm của ựá dưới dạng

ướt Ờ khô xen kẽ liên tục cũng làm ựá bị co

giãn liên tục sẽ làm ựộ bền của ựá giảm ựi

Tác dụng này càng tăng lên khi kết hợp với

sự thay ựổi của nhiệt ựộ

Cũng như mọi vật liệu khác, khi bị tác

dụng lực, ựá bị biến dạng Khi ựược dỡ tải,

ựá ựược nở ra, nhiều khi làm phá huỷ ựá ở

trên các mặt song song với mặt ựược dỡ tải,

tạo nên những phiến ựá mỏng giới hạn bởi các thớ nứt song song với mặt ựất Các phiến ựá ựã tách ra rất dễ bị tiếp tục phong hoá Quá trình phong hóa cơ học xảy ra liên tục dưới tác ựộng của các tác nhân phong hoá, tạo thành những bãi ựá góc cạnh, những tảng ựá tròn hay những khối ựá có hình thù ựặc biệt như khối ựá Ộ đầu nữ hoàngỢ ở Yehliu (bắc đài Loan) tạo thành từ ựá cát kết vôi (hình 2.2) Hình này ựã ựược dùng làm logo cho Hội thảo khoa học Quốc tế về ựá trầm tắch khu vực Châu Á tháng XI Ờ 1997 tại đài Bắc

- Phong hoá học xảy ra do tác dụng của các phản ứng hoá học giữa các thành phần tạo nên ựá và ôxy, carbonic và nước trong khắ quyển và thạch quyển Khắ C02 có trong khắ quyển hay ựược tạo thành

do sự phân huỷ các chất hữu cơ trong ựiều kiện

thoáng khắ ở trong ựất Lượng khắ C02 này lớn hơn rất

nhiều so với nồng ựộ của nó trong khắ quyển và sẽ

phản ứng với nước mưa hay tuyết tan thấm xuống ựể

tạo thành axắt carbonic H2C03 Mặt khác, khi phân

huỷ chất hữu cơ còn làm sản sinh ra axit humic, làm

tăng lượng các axit trong ựất và làm giảm ựộ pH của

nó

Phản ứng hoà tan xảy ra do nước (chứa C02, các

loại axitẦ) có tắnh xâm thực, hoà tan các khoáng vật

dễ tan của ựá:

CaC03 + H20 + C02 ⇔ Ca (HC03)2

Khi các ựá dễ tan như ựá vôi, ựôlomit lộ ra trên

mặt ựất thì quá trình hoà ta sẽ tạo thành các hốc ựá lồi

lõm, rừng ựá lởm chởm Với các ựá trên nhưng nằm

sâu dưới ựất thì quá trình hoà tan sẽ tạo thành các

hang ựộng, các ựịa hình karst thường rất ựẹp và thơ

mộng (hình 2.3)

Phản ứng ôxy hoá xảy ra do oxy tự do tác dụng với các nguyên tố kim loại khác có trong ựá Những ựá gồm các khoáng vật có chứa Fe (như pyrit, pyroxenẦ) khi bị ôxy hoá thường tạo thành limonit Quá trình biến ựổi từ pyrit (FeS2) thành limonit (Fe203 nH20) có thể thấy như sau:

Hình 2.2 Khối ựá Ộđầu nữ hoàngỢ ở Yehliu bắc đài Loan

Hình 2.3. Thạch nhũ ở ựộng Tiên Sơn (Vĩnh

An, Vĩnh Lộc, Thanh Hoá)

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:

K20 Al203 6Si02+H20 +C02 → Al203 2Si02 2H20 + Si02 nH20 + K2C03 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 (Al203

mH20) 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:

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

Thạch anh Muscovit Orthoclas (Felspat Kali)

Biotit Albit

Phong hoá nhanh Kém ổn ñịnh nhất

Hình 2.4. Dãy ổn ñịnh Goldich

Nhìn vào dãy ổn ñịnh có thể thấy

thạch anh là khoáng vật kết tinh cuối cùng

từ magma thì ổn ñịnh nhất trong môi

trường phong hoá, thực tế coi như không

tan ðiều này giải thích sự phổ biến của

thạch anh trong các ñá trầm tích Các

khoáng vật felspat dễ bị phong hoá, lắng

ñọng lại thành bùn và khi bị nén chặt, gắn

kết lại thành ñá phiến

Phong hoá sinh vật là quá trình sinh

vật (ñộng vật và thực vật) tham gia vào

việc làm thay ñổi trạng thái hay phá vỡ,

làm nứt nẻ khối ñá do các tác ñộng cơ học

và hoá học Tác ñộng cơ học chủ yếu là

do rễ cây mọc chèn vào trong các khe nứt

và thớ nứt của ñá rồi lớn dần lên Áp lực

Các kiểu phong hoá thường ñồng

thời xảy ra và ở một vùng cụ thể chủ yếu

do yếu tố khí hậu quyết ñịnh Ảnh hưởng

của khí hậu ñến các kiểu phong hoá có

thể thấy qua hình 2.6

Dưới tác ñộng của các tác nhân

phong hoá, quá trình phong hoá của một

khối ñá giảm dần khi càng ñi sâu vào

trong khối ñá, tạo nên sự sắp xếp các vật

liệu bị phong hóa cực mạnh ở phần mặt

ñất tới các vật liệu ít bị phong hoá và ñá

tươi hơn hay chưa bị phong hoá tại các ñộ

sâu lớn hơn, và như vậy sẽ tạo nên các

ñới ñất ñá khác nhau về trạng thái, tính

chất khi ñi từ ngoài vào trong một khối

ñá Mặt cắt phong hoá sẽ biểu hiện quá

trình thay ñổi tính chất, trạng thái của ñất

ñá khi bị phong hoá Thường thì một mặt

cắt phong hoá có thể chia làm 3 vùng

chính

Vùng ñất tàn dư gồm các hạt ñất

ñược tạo thành do ñá ñã bị phong hoá

Hình 2.5 Rễ cây làm nứt khối ñá ở Thích Ca Phật ñài (Vũng Tàu)

Hình 2.6. Ảnh hưởng của khí hậu ñến

các kiểu phong hoá

hoàn toàn Vùng này cũng ñược chia thành 3 lớp nhỏ như lớp lẫn rễ cây, các vật liệu hữu cơ; lớp ñất sét có nhiều các nguyên tố Fe, Al và Si; lớp ñất gồm các hạt bụi và cát lẫn mica

Vùng ñá phong hoá gồm các phần ñá ñã bị phong hoá - Trong vùng này có thể chia làm 2 lớp: một lớp gồm các loại từ ñất tàn tích hay ñất bùn (saprolit) tới ñá ñã bị phong hoá từng phần với các ñặc ñiểm thay ñổi từ giống như ñất tới giống như ñá

Tỷ lệ lấy mẫu ñá khi khoan từ 10 - 90% Tiếp theo là lớp ñá mềm hoặc cứng ñã bị phong hoá từng phần Một số thành phần như felspat và mica ñã bị phong hoá Tỷ lệ lấy mẫu khi khoan thường > 90%

Vùng ñá không phong hoá có tính chất tương tự như ñá gốc ban ñầu, không thấy sự phong hoá của felspat và mica Tỷ lệ lấy mẫu khi khoan thường là 100% Tuy nhiên, với mỗi loại ñá khác nhau, quá trình phong hoá xảy ra cũng khác nhau và tạo nên những mặt cắt phong hoá không giống nhau

D.U Deere và F.D.Patton (1971) ñã nghiên cứu các mặt cắt phong hoá của các loại ñá magma, trầm tích và biến chất:

Hình 2.7 Mặt cắt Hình 2.8 Mặt cắt Hình 2.9 Mặt cắt

phong hoá của ñá phong hoá của ñá phong hoá của ñá

magma biến chất trầm tích

- Trong ñá magma, với loại ñá xâm nhập mà ñiển hình là granit và một số loại ñá khác tương ñối ñồng nhất và ñẳng hướng, hiện tượng phong hoá phát triển chủ yếu dọc theo các khe nứt hay ñứt gãy và các ñường dẫn nước ngầm khác – các

khoáng vật kém bền sẽ bị phong hoá mạnh hơn, còn những phần ựá gồm những khoáng vật bền hơn sẽ ắt bị phong hoá tạo thành những lõi ựá, kắch thước to nhỏ khác nhau Nằm giữa các lớp tàn tắch ở gần mặt ựất vẫn có thể thấy các cục ựá tươi khá tròn cạnh có ựộ bền tương tự như của vật liệu ựá gốc, có thể coi như các lõi ựá còn sót lại trong quá trình phong hoá Ở các ựộ sâu lớn hơn, lõi ựá có kắch thước lớn hơn,

có dạng hình chữ nhật hơn và hàm lượng ựất bao quanh cũng ắt hơn (hình 2.7) Với ựá magma phún xuất như ựá bazan, mặt ựất phong hoá phát triển cũng gần giống như ựá xâm nhập, nhưng do ựặc ựiểm thành tạo, khi bị thấm nước, mức ựộ phong hoá tăng lên và ựất tàn tắch ở phắa trên có thể là không áp và các khoáng vật sét ựược tạo thành từ sự phong hoá ựá gốc thường có hàm lượng Fe, Mg cao

- Trong ựá biến chất, vì cấu tạo của nó gồm từ các loại ựá phiến ựến các khối

ựá gneis, mặt cắt phong hoá thay ựổi rất mạnh Do sự chia thành các lớp mỏng với sự thay ựổi thành phần thạch học ựa dạng ựã làm phức tạp thêm mặt cắt phong hoá của

ựá biến chất Kết quả là chiều sâu phong hoá của ựá biến chất rất khác nhau, có chỗ tới 50m theo chiều thẳng ựứng, nhưng có chỗ cũng chỉ có vài mét theo chiều ngang Những mạch xâm nhập trong ựá biến chất có thể làm ựá biến chất giảm hay tăng khả năng chống phong hoá so với ựá vây quanh, tạo thành các mỏm hay mặt cắt phong hoá rất sâu Trong mặt cắt phong hoá sẽ có những vùng không ổn ựịnh dọc theo các mặt phân phiến, sự thay ựổi mạnh chiều sâu tới vùng ựá không phong hoá hay áp lực nước ngầm lớn trong các ựứt gãy của ựá (hình 2.8)

- Trong ựá trầm tắch như các ựá carbonat, sự phong hoá của ựá liên quan ựến

sự phát triển của karst trong khối ựá điều kiện phong hoá ảnh hưởng tới bề mặt của

ựá Bề mặt tiếp xúc giữa ựất và ựá phong hoá không giống như trong ựá magma hay biến chất đa số các trường hợp, khi bị phong hoá, ựá carbonat trở thành ựất ựỏ sẫm

Ộựất hoa hồngỢ nằm ngay trên ựá bị phong hoá Mặt phong hoá phát triển dọc theo các ựứt gãy hay các khe nứt gần như thẳng ựứng Giữa các ựỉnh nhọn, có thể có sét mềm, no nước gọi là Ộcác túi làm mất calciỢ (hình 2.9) Khi xây dựng ở vùng ựá phong hoá này có thể gặp các lớp sét mềm, mặt ựá yếu xù xì, các lớp tàn tắch không

2.2.1.2 đánh giá mức ựộ phong hoá

để ựánh giá mức ựộ phong hoá của ựá, người ta có thể dùng một số chỉ tiêu sau:

ðộ bền vững khi tôi

ðộ bền vững khi tôi ñặc trưng cho ñộ bền của mẫu ñá với các chu kỳ sấy khô

và làm ướt liên tục ðể thí nghiệm, người ta lấy khoảng 10 cục ñá, mỗi cục có khối lượng khoảng 40g ðặt các mẫu ñá vào trong sàng hình trống có kích thước mắt sàng

là 2mm và sấy khô Sau ñó nhấn chìm trống ngập một nửa trong nước và cho quay chậm trong 10 phút với tốc ñộ 20vòng/phút Những mảnh vụn nhỏ bị phong hoá sẽ lọt qua mặt sàng, còn những mảnh lớn sẽ ñược giữ lại trong trống Nhấc trống và phần mẫu còn lại trong ñó ra khỏi bồn nước, sấy khô và thực hiện chu kỳ tôi thứ 2 giống như chu kỳ trước Chỉ số ñộ bền vững khi tôi tìm ñược bằng cách chia khối lượng của mẫu ñá còn lại trong trống sau hai chu kỳ tôi cho khối lượng mẫu ban ñầu Chỉ số này ñược tính bằng %

Tuỳ theo giá trị của ñộ bền vững khi tôi mà người ta sẽ ñánh giá chất lượng ñá ñối với phong hoá:

ðộ bền vững khi tôi rất kém khi chỉ số trên < 25%

ðộ bền vững khi tôi kém khi chỉ số trên từ 25 - 50%

ðộ bền vững khi tôi trung bình khi chỉ số trên từ 50 - 75%

ðộ bền vững khi tôi cao khi chỉ số trên từ 75 - 90%

ðộ bền vững khi tôi rất cao khi chỉ số trên từ 90 - 95%

ðộ bền vững khi tôi cực cao khi chỉ số trên từ > 95%

ðộ bền vững khi tôi càng cao chứng tỏ mức ñộ phong hoá càng thấp

Các hệ số phong hoá

- Theo Hội ðịa chất công trình Quốc tế IAEG (the Internationl Association of Engineering Geology) thì tuỳ theo mức ñộ thay ñổi tính chất của ñá (là sự thay ñổi tương ñối của một chỉ tiêu tính chất nào ñó ñược tính bằng %) mà mức ñộ phong hoá có thể ñược chia thành:

Không phong hoá khi mức ñộ thay ñổi là 0%;

Phong hoá nhẹ khi mức ñộ thay ñổi là 10%;

Phong hoá vừa khi mức ñộ thay ñổi là 10 - 35%;

Phong hoá mạnh khi mức ñộ thay ñổi là 35 - 75%;

Phong hoá cực mạnh khi mức ñộ thay ñổi là > 75%

- Theo Tiêu chuẩn và quy phạm xây dựng của Liên Xô cũ (CHẩẽ 2.02.01.83) cũng như TCXD 45 – 78 của nước ta, mức ñộ phong hoá ñược ñánh giá bằng hệ số phong hoá, là tỷ số giữa trọng lượng thể tích của ñá ñã bị phong hoá và trọng lượng thể tích của

ñá cùng loại nhưng chưa bị phong hoá

Theo tỷ số này, mức ñộ phong hoá ñược chia thành:

Không phong hoá khi kph = 1;

Phong hoá nhẹ khi kph= 0,9 – 1;

Phong hoá vừa khi kph = 0,8 – 0,9;

Phong hoá mạnh khi kph < 0,8

- I.G Iliev (1967) ñã xác ñịnh mức ñộ phong hoá granit theo hệ số k, ñược tính theo công thức:

v

vv

trong ñó: v là tốc ñộ truyền sóng siêu âm trong ñá không bị phong hoá;

vph là tốc ñộ truyền sóng siêu âm trong ñá cùng loại ñã bị phong hoá;

Tuỳ theo giá trị của hệ số k, người ta ñã phân chia mức ñộ phong hoá của ñá theo bảng 2.1

Bảng 2.1

Mức ñộ phong hoá Tốc ñộ sóng siêu âm, m/s Hệ số phong hoá

Không phong hoá

- Năm 1978, T.Y.Irfan và W.R.Dearman ñã nghiên cứu sự phong hoá của ñá granit và ñã xác ñịnh ñược mức ñộ phong hoá của ñá qua khối lượng thể tích,

ñộ bền tải trọng ñiểm và ñộ bền nén một trục của ñá theo bảng 2.2

Bảng 2.2

Mức ñộ phong hoá Khối lượng thể

tích t/m 3

ðộ bền tải trọng ñiểm, MPa

ðộ bền nén một trục, MPa

Không phong hoá

Phong hoá nhẹ từng phần

Phong hoá nhẹ hoàn toàn

Phong hoá vừa

Phong hoá mạnh hoàn toàn

> 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

> 250

150 – 250

100 – 150 2,5 – 100

< 2,5

2.2.1.3 Phân loại mức ñộ phong hoá

ðể phân loại mức ñộ phong hoá của ñá, người ta có thể ñưa ra nhiều cách phân loại khác nhau, dựa theo mức ñộ xâm nhập theo khe nứt vào phiá trong ñá gốc của hiện tượng phong hóa, theo mức ñộ phân huỷ của các khoáng vật tạo nên ñá hay theo

sự thay ñổi của các ñặc trưng ñịa chất của ñá…

Rất nhiều tác giả ñã nghiên cứu ñể phân loại mức ñộ phong hoá của ñá như W.R.Dearman (1974) ñã nghiên cứu sự phá huỷ cơ học và hoá học của các ñá carbonat ở Anh; G.W.Lovegrove và P.G.Fookes (1972) ñã nghiên cứu phong hoá của

140.Cể hảc ệị

các tuf núi lửa và ựá trầm tắch ở Fiji; S.G.Lee và M.H.De Freitus (1989) ựã nghiên cứu sự phong hoá của ựá granit ở Hàn Quốc; M.H.Ward và R.J.Chandler (1968 - 1969) ựã nghiên cứu sự phong hoá của ựá phấn và ựá marn ở Anh; các nghiên cứu của A.L.Little (1969), N.B.Hobbs (1975) và R.P.Martin (1986)Ầ ựể tạm thống nhất phân chia mức ựộ phong hoá của ựá thành 6 cấp, với các ựặc trưng tóm tắt có thể thấy trong bảng 2.3

đá ựổi màu dọc theo chỗ mất liên tục độ bền gần bằng

ựá tươi Giá trị ựộ nẩy của búa Schmidt>45 để làm vỡ mẫu bằng búa, phải ựập nhiều lần

III Phong hoá

vừa (MW)

đá ựổi màu hoàn toàn đá ựã bị phong hoá tương ựối nhiều (gần 50%) nhưng còn ựộ bền ,những cục có ựường kắnh 55mm không thể bóp vỡ bằng tay Giá trị ựộ nẩy của búa Schmidt từ 25 Ờ 45 Vật liệu ựá không dễ nát vụn

ựá Sức kháng mũi xuyên tay > 250kPa Các hạt riêng biệt có thể bị bung ra từ mặt ựá

hoàn toàn

(CW)

đá bị phân huỷ hoàn toàn nhưng còn giữ ựược kiến trúc

ựá độ nảy của búa Schmidt bằng 0 đá bị tôi nhanh trong nước Dễ dàng ấn búa ựịa chất lên mặt ựá

VI đất tàn tắch

(RW)

đất hình thành do phong hoá tại chỗ Kiến trúc gốc của

ựá bị phá huỷ hoàn toàn

Khi mức ựộ phong hoá của ựá càng tăng

thì ựộ bền của ựá càng giảm T.R.Stacey và

C.H.Page (1986) ựã nghiên cứu và vẽ thành

biểu ựồ thể hiện quan hệ giữa các cấp phong

hoá của ựá và hệ số giảm ựộ bền của ựá (hình

2.10)

Ở nước ta, sự phân chia mức ựộ phong

hoá có thể dựa vào hệ số phong hoá (công thức

2.2) hay hệ số khe nứt thể tắch kkn là tỷ số phần

trăm giữa tổng thể tắch các khe nứt, lỗ rỗng và

VI V

IV III II I 0.0010.004 0.01 0.04 0.1 0.4 1.0

Hình 2.10 Mức ựộ giảm ựộ bền của ựá theo các cấp phong

hoá

thể tích của toàn bộ khối ñá Cách phân loại này có thể thấy trong bảng 2.4

Bảng 2.4 Mức ñộ phong hoá Hệ số phong hoá, kph Hệ số khe nứt, kkn, % Không phong hoá

Phong hoá nhẹ

Phong hoá vừa

Phong hoá manh

1,0 0,9 – 1,0 0,8 – 0,9

cơ học của ñá theo thời gian phong hoá

trong ñó: d là chiều dày ñới phong hoá;

t là thời gian phong hoá;

Mạnh

Vừa

Nhẹ

< 0,5 0,5 – 1

Do ảnh hưởng của phong hoá, ở Na Dương ñã nhiều lần xảy ra trượt vào những năm 1962 – 1963; 1967 – 1968 và những năm sau ñó

2.2.2 TÍNH CHẤT NỨT NẺ

2.2.2.1 Khái niệm

Theo các nhà ñịa chất, nứt nẻ là những phá huỷ do nhiều nguyên nhân khác nhau (tự nhiên, kiến tạo, phong hoá, trượt…) làm mất tính chất liên tục của ñá Hơn 70 năm trước, nhà ñịa chất người Áo J.Stini là người ñầu tiên ñã nghiên cứu một cách hệ thống tính chất nứt nẻ của ñá

Trong cơ học ñá, nứt nẻ là một khái niệm rất rộng Nó bao gồm những phá huỷ kiến tạo cục bộ kéo dài hàng chục kilomét hay vài mét và cả những vi khe nứt chỉ thấy ñược dưới kính hiển vi Các khe nứt trong ñá có thể song song với nhau hay sắp xếp hỗn loạn, không theo một quy luật nào Tập hợp của những khe nứt song song hay gần song song với nhau tạo thành một hệ thống hay một họ khe nứt Hệ thống khe nứt này nếu bị hàng loạt các khe nứt khác cắt dưới các góc nhọn, thì chúng sẽ thuộc một hệ thống khe nứt khác Thực tế thường thấy 2 hay 3 hệ thống khe nứt trong một khối ñá, cắt nhau theo những góc gần như vuông Ở nhiều khối ñá có khi từng thấy 5 – 6 hệ thống khe nứt Các khe nứt cắt nhau chằng chịt trong không gian làm khối ñá bị phân cắt thành những tảng riêng biệt

Sự tồn tại các khe nứt trong ñá làm thay ñổi tính chất của nó và ảnh hưởng rất lớn ñến khả năng chịu lực của khối ñá Không tính ñến tính chất nứt nẻ của ñá khi xây dựng sẽ dẫn ñến những hậu quả rất tai hại: Năm 1916, ở Nhật, người ta thi công một ñường hầm cách xa bờ biển khoảng 1600m và sâu dưới mặt nước 70m Do khối

ñá bị nứt nẻ mạnh, nước biển theo các khe nứt ồ ạt chảy vào hầm Sau 2h, hầm ngập ñầy nước, làm 257 người bị thiệt mạng Hơn 40 năm sau, ngày 2-11-1959, ở Pháp lại xảy ra một tai nạn khác: ðập Malpasset ở gần thành phố Frejus (miền nam nước Pháp) bị phá huỷ làm một phần thành phố bị tàn phá và hơn 400 người bị chết Sau này J.Bernaix ñã nghiên cứu tính chất của ñá ở nền ñập và phát hiện thấy khối ñá này

có hai hệ thống khe nứt Khoảng cách giữa các khe nứt của một hệ thống là gần 1

cm, còn ở hệ thống kia chỉ là vài mm Những khe nứt này rất khó phát hiện bằng mắt thường, nhưng chính chúng là nguyên nhân làm giảm ñộ ổn ñịnh của nền ñập, gây ra

sự phá huỷ ñập

Tuy mới ñược nghiên cứu nhưng tính chất nứt nẻ của ñá ñã ñược ñánh giá theo nhiều khía cạnh khác nhau dựa vào nguồn gốc thành tạo, hình dáng hình học, ñịa mạo, ñịa chất công trình, ñịa chất thuỷ văn hay công nghệ mỏ…

2.2.2.2 Các ñặc trưng của khe nứt

ðối với một hệ thống khe nứt, người ta thường chú ý tới một số ñặc trưng sau:

Vị trí của khe nứt trong không gian

Các khe nứt có thể là một ñường mà cũng có thể là một mặt Thế nằm hay vị trí của khe nứt trong không gian ñược xác ñịnh qua các yếu tố:

- ðường phương là giao tuyến của mặt khe nứt với mặt phẳng nằm ngang,

là một ñường nằm ngang bất kỳ trong mặt khe nứt

- Góc phương vị ñường phương α là góc hợp giữa hướng của ñường phương và hướng bắc của kim nam châm Vì ñường phương có hai ñịa hướng ngược nhau 180 o nên các góc phương vị ñường phương cũng sẽ lệch nhau 180o

- ðường hướng dốc (cũng gọi là ñường dốc) là ñường vuông góc với ñường phương, nằm trong mặt khe nứt và hướng về phía nghiêng xuống

- Góc dốc β là góc hợp giữa ñường hướng dốc và hình chiếu của nó trên mặt phẳng nằm ngang

- Góc phương vị hướng dốc αp là góc hợp giữa hình chiếu của ñường hướng dốc trên mặt phẳng nằm ngang và hướng bắc của kim nam châm

Vị trí các góc ñược minh hoạ trên hình 2.11 Thực tế ñể xác ñịnh vị trí của khe nứt trong không gian, thường chỉ cần xác ñịnh góc phương vị hướng dốc và góc dốc Các góc phương vị hướng dốc thay ñổi từ 0 – 360o, còn các góc dốc thay ñổi từ

0 – 90o Tuỳ theo giá trị của góc dốc, người ta lại chia ra:

Khe nứt nằm ngang khi β = 0 – 15o Khe nứt thoải khi β = 15 – 45o Khe nứt dốc khi β = 45 – 750 Khe nứt thẳng ñứng khi β = 75 – 90o-

Kích thước của khe nứt

- Chiều dài của khe nứt là

phạm vi phân bố hoặc kích thước của khe

nứt theo chiều lớn của mặt khe nứt ðây

là một thông số rất quan trọng nhưng

cũng lại là một thông số khó xác ñịnh

nhất

Trước kia, L M u& ller ñã phân chia các khe nứt theo chiều dài thành các loại: &Khe nứt nhỏ khi chiều dài của nó từ 0,1 – 1m Khe nứt lớn, khi chiều dài của

nó từ 1 – 10m

Khe nứt rất lớn, khi chiều dài của nó từ 10 – 100m

ðứt gãy, khi chiều dài của nó > 100m

Gần ñây, người ta phân loại khe nứt theo chiều dài như sau:

Khe nứt rất ngắn, khi chiều dài của nó < 1m

Khe nứt ngắn, khi chiều dài của nó 1 – 3m

Khe nứt vừa, khi chiều dài của nó 3 – 10m

Khe nứt dài, khi chiều dài của nó 10 – 20m

Khe nứt rất dài, khi chiều dài của nó > 20m

- Chiều rộng là khoảng cách lớn nhất giữa 2 bờ của khe nứt Cũng có thể coi chiều rộng giống như ñộ mở của khe nứt (ñược ñịnh nghĩa là khoảng cách theo phương vuông góc giữa hai thành khe nứt mà khoảng không gian giữa chúng chỉ có không khí và nước)

Chiều rộng khe nứt thường ñược ño ở mặt trên cùng của khe nứt, do các khe nứt càng hẹp dần khi xuống sâu Nó ảnh hưởng lớn ñến ñộ bền, tính biến dạng, tính

P

Pβ

thấm, khả năng chứa nước, khí và các vật liệu rời và nó cũng ảnh hưởng ñáng kể tới hiệu quả của công tác khoan và khoan nổ

Anon (1977) ñã chia ra:

Khe nứt cực hẹp, khi chiều rộng khe nứt < 2mm Khe nứt rất hẹp, khi chiều rộng khe nứt 2 – 6mm

Khe nứt khá hẹp, khi chiều rộng khe nứt 20 – 60mm Khe nứt khá rộng, khi chiều rộng khe nứt 60 – 200mm Khe nứt rộng, khi chiều rộng khe nứt > 200mm N.Barton (1978) lại chia thành 3 loại khe nứt

- Khoảng cách giữa các khe nứt

Khoảng cách là cự ly trung bình giữa các khe nứt kề nhau trong một hệ khe nứt, ñược ño vuông góc với mặt khe nứt

Khoảng cách giữa các khe nứt sẽ quyết ñịnh kích thước riêng biệt các khối của

ñá nguyên trạng Nó ảnh hưởng lớn ñến tính thấm hoặc dẫn nước trong khối ñá Nói chung, ñộ dẫn nước thường tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các khe nứt

Hội Cơ học ñá Quốc tế ñã phân chia khoảng cách giữa các khe nứt thành các loại sau (nếu ký hiệu khoảng cách giữa các khe nứt là d):

Khoảng cách gần, khi 60 – 200mm

Các vật liệu lấp ñầy cũng rất khác nhau về tính chất cơ học: có các vật liệu lấp ñầy có ñộ bền thấp như các khoáng vật sét dạng tấm (monmorilonit, illit…), graphit, talc…, một số chất lấp ñầy có ñộ bền trung bình như cát , các mảnh vụn hoặc dăm của ñá cứng trung bình và cứng Các chất lấp ñầy bền vững như các mạch thạch anh, calcit, ñolomit… có thể làm liền và tái gắn kết các khe nứt và ñá trở lên bền vững như ñá xung quanh

Trong các khe nứt khác nhau, chiều dày của các chất lấp ñầy cũng không như nhau

ðặc tính bề mặt

- Bề mặt khe nứt

Nhìn bề mặt khe nứt, người ta có thể tưởng tượng ra nguồn gốc hình thành của nó: các khe nứt nguyên sinh do nguồn gốc trầm tích chỉ liên quan tới các khe nứt phân lớp, các rạn nứt ña giác và các gợn sóng Các khe nứt thứ sinh thường gồm các

gờ và vết lông chim của dạng khe nứt kéo ñược tạo ra do sự lan truyền nhanh khe nứt khi hình thành ðứt gãy bao gồm nhiều mặt trượt gợn sóng hay nhẵn riêng biệt, trên

ñó chứa các dăm kết hay các ñá vỡ mịn

Tuỳ theo hình dáng bề mặt khe nứt mà người ta có thể chia thành các khe nứt phẳng, gợn sóng hay tạo bậc

Tuỳ theo mức ñộ liên tục của khe nứt mà người ta chia thành khe nứt liên tục (liền) hay gián ñoạn khi giữa chúng là các cầu ñá (phần ñá giữa hai khe nứt)

Tuỳ theo dạng của thành khe nứt mà người ta cùng chia thành khe nứt nhẵn (trơn) và nhám

Tuỳ theo ñộ mở của khe nứt mà sẽ chia thành khe nứt kín hay mở

Tuỳ theo chất lấp ñầy tồn tại trong khe nứt mà người ta cũng chia ra khe nứt có hay không có chất lấp ñầy (hình 2.12)

chồng không

lên nhau chồng lên nhau

nhẵn nhám phẳng

gợn sóng

không ñều

nhẵn nhám nhẵn nhám

Thí dụ: Khe nứt có chất lấp ñầy, gợn sóng, nhẵn, chồng lên nhau

Hình 2.12 Các hình thái mặt khe nứt

Từ những quy ước trên, W.Wittke (1984) ñã phân chia các mặt khe nứt thành một số dạng sau:

Khe nứt liền (liên tục), phẳng, trơn hoặc nhám và kín,

Khe nứt liền, phẳng, nhám, không kín hoàn toàn,

Khe nứt liền, không phẳng, mở hoặc có chất lấp ñầy,

Khe nứt chứa ñầy chất lấp ñầy

Khe nứt gián ñoạn, có các cầu ñá và kín

Khe nứt gián ñoạn, mở và có chất lấp ñầy

- ðộ nhám (ñộ xù xì, ñộ gồ ghề)

Thành khe nứt thường không bằng phẳng Khi cắt ngang khe nứt sẽ ñược những ñường gợn sóng Tuỳ theo mức ñộ gợn sóng của thành khe nứt mà người ta có thể chia thành khe nứt nhám, nhẵn và bóng Trên quy mô lớn hơn, người ta có thể chia thành khe nứt phẳng, gợn sóng hay tạo bậc như ñã nói ở trên

ðể ñặc trưng cho ñộ nhám của khe nứt, người ta dùng chỉ tiêu hệ số ñộ nhám của khe nứt JRC (Joint Roughess Coefficient) do N.Barton và V.Choubey ñưa ra từ năm 1977 dựa trên 10 trắc diện nhám ñiển hình Giá trị của JRC thay ñổi từ 0 với các khe nứt phẳng và nhẵn tới 20 với các khe nứt gợn sóng và xù xì (hình 2.13)

ựã ựưa ra khái niệm ựộ bền nén của

thành khe nứt JCS (Joint Compressive

Strength) ựể ựặc trưng cho ựộ bền của

ựá trên thành khe nứt Khi ựá còn tươi,

giá trị của JCS chắnh bằng ựộ bền nén

1 trục của mẫu ựá hay xác ựịnh nhanh

hơn, bằng ựộ bền tải trọng ựiểm của

các mẫu ở vết lộ hay mẫu khoan

Khi thành khe nứt ựá bị phủ một

lớp dày các sản phẩm biến ựổi hay

phong hoá thì có thể thắ nghiệm với

các mẫu của chất lấp ựầy hay xác ựịnh

trực tiếp bằng búa Schmidt cho các ựá mềm yếu trên thành khe nứt sau ựó, trị số của JCS ựược xác ựịnh từ công thức:

trong ựó: JCS ựược tắnh bằng MPa,

γ là trọng lượng thể tắch của ựá khô, kN/m3

R là ựộ nảy của búa Schmidt trên ựá ở thành khe nứt

Khi lớp ựá bị biến ựổi trên thành khe nứt quá mỏng, khó xác ựịnh JCS thì theo N.Barton, nên lấy bằng 1/4 giá trị JCS ựã xác ựịnh với ựá tươi cùng loại

2.2.2.3 đánh giá tắnh chất nứt nẻ của khối ựá

để ựánh giá tắnh chất nứt nẻ, có thể dùng một số chỉ tiêu sau:

Chỉ số chất lượng ựá RQD (Rock Quality Designation)

Chỉ số này do D.U.Deere ựề ra từ năm 1964; về giá trị nó là tỷ số % giữa tổng chiều dài của các ựoạn mẫu ựá có chiều dài ≥ 10 cm và chiều dài ựoạn khoan qua Mẫu ựể xác ựịnh RQD phải có ựường kắnh ≥ 50mm, tốt nhất là 85mm

Tuỳ theo giá trị của RQD, chất lượng ựá ựược chia thành các loại sau:

Số lượng trung bình các khe nứt song song hay gần song song với nhau (sự sai lệch các yếu tố thế nằm là ± 10 % so với giá trị trung bình) trên một ñơn vị chiều dài theo phương vuông góc với các khe nứt gọi là mật ñộ hay tần suất của khe nứt Chỉ số này chính bằng nghịch ñảo của khoảng cách trung bình giữa các khe nứt trong cùng một hệ và cũng ñược gọi là moñun vị nứt nẻ chiều dài, dùng ñể so sánh mật ñộ của các hệ thống khe nứt khác nhau trong một khối ñá

Mật ñộ khe nứt thường ñược biểu diễn bằng số khe nứt trên 1m chiều dài (kn/m) Tuỳ theo mật ñộ của nó mà J.L.Franklin, E.Broch và G.Walton (1971) ñã phân chia mức ñộ nứt nẻ của ñá:

với ai, bi là chiều dài và chiều rộng trung bình của khe nứt thứ i

n là số lượng các khe nứt có trong vết lộ ñá

Theo hệ số này, L.I.Neystadt ñã phân chia mức ñộ nứt nẻ của khối ñá như sau:

Tổng số khe nứt thể tích

Chỉ tiêu này ñược ñịnh nghĩa là tổng số các khe nứt có trong một ñơn vị thể tích khối ñá

Theo N.Barton (1974), tổng số khe nứt thể tích (cũng ñược gọi là moñun nứt

nẻ thể tích) ñược tính bằng Jv là tổng của các mật ñộ khe nứt của các hệ khe nứt khác nhau có trong khối ñá

Thí dụ có một số khe nứt của 4 hệ khe nứt khác nhau ño trên 5 và 10m dài của một khối ñá, tổng số khe nứt thể tích Jv sẽ ñược tính:

.1,410

15

510

2410

6

Jv – thường ñược tính bằng số khe nứt có trong 1m3 (kn/m3) Tuỳ theo giá trị của Jv, khối ñá sẽ bị phân cắt thành những tảng to nhỏ khác nhau N.Barton (1978) ñã phân chia các khối ñá thành các cỡ khác nhau tuỳ theo các giá trị kích thước khối ñá, khoảng cách giữa các khối ñá ñã bị phân cắt và tổng số khe nứt thể tích như trong bảng 2.6

Giữa tổng số khe nứt thể tích Jv và chỉ số chất lượng ñá RQD có liên hệ với nhau theo công thức thực nghiệm của A.Palmstrom (1982):

Bảng 2.6

Tảng ñá Kích thước (m 3 )

Khoảng cách giữa các khe nứt trong khối ñá

Tổng số khe nứt thể tích J v , (kn/m 3 )

< 0,0002

Cực xa Rất xa

Xa Khá xa Không xa

Chỉ số liên tục của khối ñá

Chỉ số này do T.F.Onodera (1963) ñề ra, ñặc trưng cho mức ñộ liên tục của khối ñá

Về trị số, chỉ số này ñược xác ñịnh bằng tỷ số giữa tốc ñộ truyền sóng dọc trong khối ñá ño tại thực ñịa vtt và tốc ñộ truyền sóng lý thuyết xác ñịnh với các mẫu

ñá cùng loại vlt

.100%

v

vI

lt tt

trong ñó: Ic là chỉ số liên tục

Tốc ñộ truyền sóng lý thuyết vlt có thể lấy theo bảng 1.18

Tốc ñộ truyền sóng thực tế trong khối ñá có thể ño bằng phương pháp ñịa chấn với các khoảng cách 60, 120 và 240m

Tuỳ theo chỉ số liên tục, người ta có thể phân chia sự liên tục của khối ñá theo các mức ñộ sau:

Tính liên tục rất cao, khi Ic > 90%

Tính liên tục cao, khi Ic = 90 – 75%

Tính liên tục trung bình, khi Ic = 75 – 50%

Phương pháp thí nghiệm tại thực ñịa

Thí nghiệm tại thực ñịa có thể ñánh giá ngay ñược tính chất nứt nẻ của ñá Người ta thường dùng một số phương pháp sau:

- Xác ñịnh tính chất nứt nẻ của ñá qua tốc ñộ giảm áp lực của khí nén Phương pháp này do A.M.Fridljand dùng ñầu tiên trong hầm mỏ: khoan các lỗ khoan có ñường kính khoảng 42mm; dài 1,5 – 4m vào thành và gương lò ðặt các nút trong lỗ khoan tại các vị trí cách miệng lỗ khoan những khoảng khác nhau Bơm khí nén vào lỗ khoan Do có các khe nứt nên lượng khí sẽ mất dần Xác ñịnh tốc ñộ giảm áp lực của khí tại các phần lỗ khoan ñã ñịnh trước, ñem chia cho chiều dài phần

lỗ khoan ấy sẽ ñược tốc ñộ giảm áp trung bình trên một ñơn vị chiều dài lỗ khoan Từ giá trị này sẽ ñánh giá ñược mức ñộ nứt nẻ của khối ñá

- Bơm nước có áp vào khối ñá nứt nẻ Trong phương pháp này, người ta thường khoan các lỗ khoan song song với nhau Bơm nước vào một trong chúng Do

ñá nứt nẻ nên nước sẽ xuất hiện ở các lỗ khoan khác Tuỳ theo sự xuất hiện của nước trong các lỗ khoan mà người ta sẽ ñánh giá ñược tính chất nứt nẻ của ñá

2.2.2.4 Biểu diễn tính chất nứt nẻ của khối ñá

ðể biểu diễn ñược tính nứt nẻ của khối ñá, phải có những thông tin về vị trí, thế nằm, số lượng, khoảng cách, chiều dài, chiều rộng, chất lấp ñầy và các thông tin khác về khe nứt Các dụng cụ ñể ño khe nứt tại thực ñịa thường là ñịa bàn, thước hoặc máy ảnh Với mỗi hệ thống khe nứt khác nhau, sau ñó chỉnh lý lại, lấy kết quả trung bình hoặc sử dụng toàn bộ các số liệu tuỳ theo mục ñích nghiên cứu

Trên cơ sở các số liệu ñã thu thập ñược tại thực ñịa, ñể thấy ñược một cách rõ ràng, nhanh chóng tính chất nứt nẻ của khối ñá, người ta ñã dùng nhiều phương pháp khác nhau Ở ñây chỉ nêu lên một vài cách biểu diễn ñơn giản, thông dụng nhất

ðồ thị hoa hồng

Phương pháp này do Fillips ñề ra từ hơn một trăm năm trước và ñược sử dụng ñến ngày nay, tuy rằng không rộng rãi lắm

Trên một nửa ñường tròn, vẽ các tia bán kính cách ñều nhau khoảng 2, 3 hay

5o Theo giá trị của các góc tương ứng, các tia này sẽ biểu diễn góc phương vị ñường phương của hệ thống khe nứt Lấy tia vuông góc với ñường kính là phương Bắc Số lượng các khe nứt ñã ño ñược của một hệ thống khe nứt sẽ ñược biểu diễn bằng các ñoạn thẳng tính từ tâm trên tia bán kính ứng với góc phương vị của nó theo một tỷ lệ

tự chọn

Hình 2.14 Hoa hồng khe nứt

Tuỳ theo góc phương vị ñường phương và số lượng khe nứt ñã ño ñược, một

hệ thống khe nứt nào ñó sẽ ñược biểu diễn trên ñồ thị bằng 1 ñiểm Các hệ thống khe nứt khác nhau sẽ thể hiện bằng các ñiểm khác nhau Nối các ñiểm này lại với nhau sẽ ñược một ñường gấp khúc, ñó chính là hoa hồng khe nứt (hình 2.14)

Nhìn vào ñồ thị này, không biết ñược góc dốc và hướng ñổ của các mặt khe nứt

ðồ thị vòng tròn

F.P.Xavarenxki (1939) ñã dùng ñồ thị vòng tròn ñể biểu diễn tính chất nứt nẻ của khối ñá Trên vòng tròn bất kỳ, vẽ các tia bán kính cách nhau 10o một Lấy tia thẳng ñứng coi là hướng Bắc – Nam (phía Bắc ở bên trên) Số chỉ của các tia này (theo chiều kim ñồng hồ) tương ứng với góc phương vị hướng dốc của khe nứt Chia bán kính vòng tròn làm 9 khoảng bằng nhau, vẽ ñường tròn ñồng tâm qua các ñiểm chia Số chỉ của các vòng tròn ñồng tâm (từ 0 – 90o) sẽ tương ứng với góc dốc của mặt khe nứt

Căn cứ vào góc phương vị hướng dốc và góc dốc của các khe nứt ñã ño ñược, mỗi khe nứt sẽ ñựơc biểu diễn bằng 1 ñiểm là giao ñiểm của bán kính ứng với góc phương vị hướng dốc và ñường tròn ñồng tâm ứng với góc dốc (hình 2.15)

vòng tròn F.P.Xavarenxki, biểu thị 3 hệ thống khe nứt có các góc phương vị hướng

dốc và góc dốc khác nhau

1 200 và 75o; 2 115 và 82o; 325 và 43o

Nhìn vào ñồ thị vòng tròn khe nứt, người ta dễ dàng hình dung ñược vị trí của khe nứt trong không gian (theo các chỉ số trên ñồ thị), hệ thống khe nứt (theo sự tập trung của các ñiểm biểu diễn), các loại khe nứt khác nhau như khe nứt kiến tạo, phong hoá, kín, hở, có hay không có chất lấp ñầy (theo các ký hiệu quy ước hay màu sắc của chúng trên ñồ thị)

ðồ thị các ñường ñẳng trị:

ðể vẽ ñược các ñường ñẳng trị, người ta có thể dùng ñồ thị vòng tròn của K Wulff hay của Walter – Schmidt

Trên cơ sở các ñiểm ñã ñược biểu diễn trên ñồ thị vòng tròn, bằng phép chiếu lập thể với quy ước dùng bán cầu trên hay dưới trong các phép chiếu bảo toàn góc của Wulff hay bảo toàn diện tích của Walter – Schmidt, người ta tiến hành thống kê, chỉnh lý chúng Lấy ô thống kê có kích thước bằng 1% (theo B.Sander) hay bằng 1‰ (theo Schmidt) diện tích của ñồ thị Trong mỗi ô ñó phải xác ñịnh ñược mật ñộ của khe nứt (là số ñiểm biểu diễn có trong một ñơn vị diện tích) hay mật ñộ tương ñối của khe nứt (là tỷ số giữa số ñiểm biểu diễn có trong ô và toàn bộ tổng số ñiểm biểu diễn ñã có trên ñồ thị) Nối các ô có cùng mật ñộ hay mật ñộ tương ñối với nhau sẽ ñược ñường ñẳng trị về mật ñộ của khe nứt Các ñường ñẳng trị có thể ñược ký hiệu khác nhau ñể phân biệt giữa chúng

Nhìn trên ñồ thị sẽ thấy ñược một cách tổng quát tình trạng nứt nẻ của khối ñá cũng như các yếu tố khác của khe nứt Tuy nhiên, phương pháp này ñòi hỏi phải làm công phu, phức tạp hơn rất nhiều so với phương pháp ñồ thị vòng tròn của Xavarenxki

Khi nghiên cứu tính chất nứt nẻ của ñá ở nền ñập Malpasset (Pháp), J.Bernaix

ñã vẽ biểu ñồ có các ñường ñẳng trị ñể thể hiện tính chất nứt nẻ của nền ñá như trên hình 2.16

Chiếu ñường tròn này lên mặt phẳng xích ñạo của hình cầu theo nguyên tắc bảo toàn góc (giữ nguyên góc trong khi chiếu) hay bảo toàn diện tích (giữ nguyên diện tích trong khi chiếu) sẽ ñược một cung tròn, biểu thị vị trí khe nứt trong không gian

Ở ñây cần lưu ý là khi chiếu, phải quy ước chọn nửa cầu trên hay nửa cầu dưới Tuỳ từng cách chọn mà khi biểu diễn, sẽ ñược các cung tròn có hướng ngược nhau Biểu ñồ vòng tròn lớn sẽ ñược trình bày chi tiết hơn trong chương 4

Tự ñộng hoá công nghệ ño vẽ, biểu diễn khe nứt

Ngày nay việc ño vẽ, biểu diễn tính nứt nẻ của khối ñá ñã ñược ñơn giản ñi rất nhiều nhờ những phương tiện kỹ thuật hiện ñại: chụp ảnh số mặt ñá nứt nẻ, mỗi mặt

ñá chụp ít nhất hai kiểu từ hai góc ñộ khác nhau Nhập thông tin vào chương trình tính cho việc xử lý ảnh lập thể ñể xác ñịnh thế nằm của các khe nứt, thống kê các hệ khe nứt và tự ñộng biểu diễn các hệ khe nứt lên màn hình máy tính hoặc in ra giấy Công nghệ hiện ñại này cho phép ñánh giá nhanh chóng, chính xác tính chất nứt nẻ của khối ñá Mặt khác, công nghệ này giúp người ta ñánh giá ñược mức ñộ nứt nẻ của ñá ở những vùng không thể ño ñược bằng thủ công như ở các bờ vách dựng ñứng, vòm hầm cao…

Cũng theo nguyên tắc trên, người ta xác ñịnh ñộ bền nén 3 trục của khối ñá tại hiện trường (phương pháp in situ) theo cách làm của các kỹ sư Thuỵ Sĩ B.Gilg và E.Dietlicher như sau:

Tại khối ñá ñịnh ño, người ta tạo ra một trụ ñá (kích thước ñược chọn tuỳ theo khả năng tác dụng lực của các kích phẳng) Bọc xung quanh trụ ñá một khung thép Giữa khung và trụ ñá có ñặt các kích phẳng (ñược chế tạo từ các tấp thép mỏng hàn lại với nhau theo chu vi thành một chiếc bánh tròn có một lỗ nhỏ ở tâm Từ lỗ này có thể nối với giãn kế lỗ khoan ñể ño biến dạng của ñá ở dưới vùng chịu tải) Các kích này sẽ tạo ra áp lực ngang Áp lực thẳng ñứng

ñược tạo ra nhờ các kích phẳng hay kích thuỷ

lực (hình 2.17) Tăng dần áp lực của kích ñến

khi mẫu bị phá huỷ

Nói chung, ñộ bền nén của khối ñá

thường rất thấp, phụ thuộc nhiều vào mức ñộ

phong hoá, tính chất nứt nẻ, hướng tác dụng

của lực… Với các ñá cứng, giòn, ñộ bền nén

KÝch ph¼ngKhung thÐp

của khối ñá thường chỉ ñạt khoảng 5 – 30MPa, trong khi ñó ở mẫu ñá có thể là 50 – 200MPa

Thường là theo các hướng song song với mặt

phân lớp hay các khe nứt lớn thì ñộ bền cắt có

giá trị thấp nhất Nếu trên mặt phân lớp có chứa

các chất có tính bôi trơn như sét, sericit, mica…

và nhất là nước thì ñộ bền cắt lại càng giảm

mạnh

ðể xác ñịnh ñộ bền cắt của khối ñá, người

ta có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau

Khi thí nghiệm với một kính thuỷ lực thì

việc bố trí ñặt kích có thể thấy như trên hình

2.18 nếu lực tác dụng của kích theo phương

thẳng ñứng hay trên hình 2.19 thì lực tác dụng

của kích theo phương nghiêng ñể triệt tiêu

mômen uốn có thể sinh ra

mà người ta sẽ xác ñịnh ñược các ñặc trưng của ñộ bền cắt của khối ñá

Hình 2.17 Thí nghiệm nén 3 trục

in situ

Hình 2.18 Xác ñịnh ñộ bền cắt bằng kích ñặt thẳng ñứng

Hình 2.20. Xác ựịnh ựộ

bền cắt của khối ựá

Khi thắ nghiệm với 2 kắch thuỷ lực thì việc bố trắ các kắch và thiết bị ựo có thể thấy như trên hình 2.20

Sơ ựồ thắ nghiệm này cũng ựược gọi là phương pháp thắ nghiệm Bồ đào Nha

do M.Rocha (1969) ựề ra: thắ nghiệm ựược tiến hành trên khối ựá có kắch thước 0,7 x 0,7 x 0,3m vẫn liền khối với phần ựá ở dưới ựáy và trong khối ựá vẫn còn giữ lại những phần ựá ựã bị phong hoá, các khe nứt, các mặt phân lớpẦ ựặc trưng cho toàn khối ựá nguyên trạng Khối ựá thắ nghiệm cũng ựược bao quanh bằng một khung thép ựể tạo nên sự phân bố ựều áp lực trên toàn bộ khối ựá Tải trọng thẳng ựứng và nằm ngang ựặt lên khối ựá bằng các kắch thuỷ lực Riêng tải trọng ngang thường ựặt nghiêng theo một hướng qua tâm khối ựá ựể

triệt tiêu mômen uốn (lật) của lực ựẩy ngang

Khi thắ nghiệm, ựầu tiên tác dụng lực

thẳng ựứng trước Sau khi mẫu ổn ựịnh, tác

dụng lực ngang với giá trị tăng dần

Tại các ựiểm ựo ựã bố trắ sẵn các dụng

cụ ựo, người ta xác ựịnh sự chuyển vị của

khối ựá

Theo kết quả thắ nghiệm, vẽ các ựường

biểu diễn quan hệ giữa ứng suất cắt τ và

ứng suất pháp σ, giữa ứng suất cắt τ và

chuyển vị Uh của khối ựá, sẽ tìm ựược các

ựặc trưng sức chống cắt của khối ựá Bằng

a)

ựồ thị τ và Uh, người ta sẽ xác ựịnh ựược ựộ bền ựỉnh (cực ựại) và ựộ bền dư của khối

ựá, nứt nẻ (hình 2.21a) và bằng ựồ thị τ và σ, người ta sẽ xác ựịnh cường ựộ liên kết

và góc ma sát trong ứng với ựộ bền ựỉnh cũng như góc ma sát trong dư (hình 2.21b) Các nước khác cũng dựa trên nguyên tắc của phương pháp Bồ đào Nha ựể thắ nghiệm xác ựịnh ựộ bền cắt của khối ựá nhưng kắch thước khối ựá ựể thắ nghiệm thì không như nhau: Ấn độ, Pháp thắ nghiệm trên các khối ựá có kắch thước giống như ở

Bồ đào Nha, nghĩa là 0,7 x 0,7 x 0,3m Nhật thường làm với kắch thước nhỏ hơn một chút 0,6 x 0,6 x 0,3m Mỹ lại thường thắ nghiệm với kắch thước nhỏ hơn là 0,38 x 0,38 x 0,2m Hội Cơ học ựá Quốc tế thì

khuyên là nên thắ nghiệm trên các khối ựá có

kắch thước 0,7 x 0,7 x 0,35m

Người ta ựã thấy là kắch thước khối ựá

thắ nghiệm càng lớn thì ựộ tin cậy của kết

quả thắ nghiệm càng tăng Ở Liên Xô khi xây

dựng nhà máy thuỷ ựiện Bratxk, người ta ựã

thắ nghiệm trên khối ựá 7 x 7 x 6m hay ở nhà

máy thuỷ ựiện Kraxnojarxk là 8 x 12 x 7m

với tải trọng thẳng ựứng là 70 MN và tải

trọng ngang tới 110MN

Cũng bằng phương pháp trên, người ta

cũng thắ nghiệm ựược cho khối ựá ở trạng

thái no nước Ờ nhưng việc thực nghiệm sẽ phức tạp hơn nhiều

Theo M.F.Bollo thì góc ma sát trong của ựá thay ựổi từ 12 Ờ 17o tới 22o và có khi tới 45o

Do trong ựá có khe nứt, các thành khe nứt không phẳng nên sức chống cắt của

ựá sẽ phải tắnh toán phức tạp hơn điều này sẽ ựược nói tỷ mỉ hơn ở chương 4

độ bền kéo và ựộ bền uốn

đối với khối ựá, người ta cũng có thể xác ựịnh ựộ bền kéo và ựộ bền uốn nhưng thường là rất khó khăn trong khi thực hiện và do thực tế, các loại ựộ bền này cũng ựược sử dụng không nhiều trong tắnh toán nên việc xác ựịnh các loại ựộ bền này trên các khối ựá ắt ựược ựể ý tới

Quan hệ giữa ựộ bền của khối ựá nguyên trạng và của mẫu ựá

Nhiều nhà nghiên cứu ựã cố gắng tìm ra sự liên hệ giữa các chỉ tiêu tắnh chất của mẫu ựá và khối ựá nguyên trạng Những mối tương quan này chỉ là gần ựúng nhưng cũng có thể sử dụng ựể tắnh toán trong trường hợp không thể xác ựịnh ựược một loại ựộ bền nào ựó

- V.đ.Xlexarev ựã dùng các công thức ựể biểu thị quan hệ giữa các ựộ bền nén và kéo của khối ựá và mẫu ựá, sử dụng trong tắnh toán áp lực ựá cho các công trình ngầm:

b Ờ 4: góc ma sát trong và cường ựộ lực liên kết ứng với ựộ bền ựỉnh

5: góc ma sát dư

trong ñó: σnnt và σnm là ñộ bền nén của khối ñá nguyên trạng và của mẫu ñá

σknt và σkm là ñộ bền kéo của khối ñá nguyên trạng và của mẫu ñá

kyc là hệ số làm yếu cấu trúc, ñặc trưng cho mức ñộ làm giảm ñộ bền của ñá nguyên trạng so với ñá mẫu Hệ số này bằng tỷ số giữa cường ñộ lực liên kết trong khối ñá và cường ñộ lực liên kết trong mẫu ñá

kyc = 0 khi mật ñộ khe nứt rất dày, khối ñá hoàn toàn nứt nẻ

kyc = 0,01 – 0,1 khi khối ñá có các khe nứt thô, kín

kyc = 0,1 – 0,2 khi trong ñá có các vi khe nứt

- D.E.Coates và M.Gyenge dựa trên cơ sở của thuyết bền Griffith và ñặc trưng phân bố ứng suất dưới bàn nén ñã ñưa ra công thức biểu thị quan

hệ giữa ñộ bền nén của khối ñá nguyên trạng và mẫu ñá:

nm n nnt

B

kσ

trong ñó: k và n là các hệ số kinh nghiệm;

B là chiều rộng bàn nén

- K.Terzaghi ñã nghiên cứu quan hệ giữa cường ñộ lực liên kết trong khối

ñá liên tục (tạm coi như trong mẫu ñá) và cường ñộ lực liên kết trong khối ñá nguyên trạng nứt nẻ, chúng có thể biểu diễn thành công thức:

A

Ac

'cc'c

nt

+

−+

trong ñó: a là hệ số, phụ thuộc vào ñộ bền và ñặc trưng nứt nẻ của ñá;

Với ñá sét – cát không chặt, ít nứt nẻ, bị phong hoá mạnh thì

Với ñá chắc, các khe nứt vuông góc với nhau thì a = 6;

Với ñá phun trào bền chắc, có các khe nứt xiên chéo thì a =

- Hệ số tính ñổi cũng ñược sử dụng ñể xác ñịnh ñộ bền của khối ñá nguyên trạng bằng cách sử dụng một hệ số tính ñổi ñã kể ñến ảnh hưởng của rất nhiều các yếu tố góp phần làm giảm ñộ bền của khối ñá nguyên trạng so với ñộ bền của mẫu ñá

ðộ bền của khối ñá ñược biểu thị qua ñộ bền của mẫu ñá dưới dạng:

l

blnk1

kgn là hệ số kể ñến ảnh hưởng của góc nghiêng hay góc cắm của các lớp ñá hay khe nứt Theo Bazinxki và Ivanov (1987) thì khi góc nghiêng của khe nứt càng lớn thì càng làm tăng sự

ổn ñịnh của khối ñá và làm giảm áp lực ñá; nên kgn có thể tính theo công thức:

kgn = exp [αp/ (400σn kyc)] (2.20) trong ñó:α là góc nghiêng hay góc cắm của khe nứt p = γH với γ là trọng lượng thể tích của khối ñá và H là chiều sâu ñặt công trình ngầm, p tính bằng MPa;

σn là ñộ bền nén một trục của ñá;

khñ là hệ số kể ñến hướng ñào của công trình ngầm Theo Reyxki và Komixarov (1987) thì có thể tính khñ theo công thức kinh nghiệm:

khi ñào theo ñường phương (dọc vỉa)

khñ = 1 khi ñào vuông góc với ñường phương (xuyên vỉa)

ktg là hệ số kể ñến ảnh hưởng của thời gian ñến khả năng chịu tải của khối ñá Hệ số này có thể tính theo công thức:

)texp(

)k1(k

t là thời gian, tính bằng ngày ñêm (ngñ);

kcn là hệ số kể ñến ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ thi công như khoan nổ mìn hay bằng máy, biện pháp gia cố, chống giữ…

Khi ñào công trình ngầm bằng phương pháp khoan nổ mìn, hệ số

kcn ñược tính theo công thức:

kcn = 1 – exp [–p/ (σnkyc)] (2.23) còn khi ñào bằng máy thì kcn = 1

kn là hệ số kể ñến ảnh hưởng của nước

Ngoài các yếu tố kể trên, người ta cũng có thể kể ñến các yếu tố khác và thể

hiện dưới dạng các bảng tra Càng kể ñến nhiều yếu tố ảnh hưởng thì hệ số tính ñổi

càng chính xác

2.2.2.3 Tính chất biến dạng

Dưới tác dụng của ngoại lực, khối ñá cũng bị biến dạng, nhưng do các khe nứt,

các phá huỷ bên trong khối ñá nên các ñặc trưng của tính chất biến dạng của khối ñá