dùng cho các khoa kĩ thuật, là một trong những tài liệu hay về địa chất công trình, góp phần giúp các bạn hiểu sau về môn học, đồng thời phục vụ cho các môn học tiếp theo và đời sống như môn vật liệu xây dựng, cơ đất và nền móng, thủy lực, thủy văn, cơ học kết cấu...
Trang 11 Điều kiện địa mạo
2 Điều kiện cấu trúc địa chất
3 Điều kiện các tác động địa chất
4 Điều kiện địa chất thủy văn
5 Điều kiện vật liệu xây dựng
I.1.2 Nhiệm vụ của địa chất công trình :
- Xác định các điều kiện địa chất của khu vực xây dựng, so sánh, lựa chọn vị trí thích hợp cho công trình
- Nêu lên các điều kiện thi công, dự đoán các hiện tượng địa chất có thể xảy ra khi thi công hay sử dụng công trình
- Đề ra các biện pháp phòng ngừa và cải tạo các điều kiện địa chất không có lợi cho công trình
- Cho biết khả năng cung cấp vật liệu xây dựng tại địa phương phục vụ cho xây dựng công trình
I.2 Nội dung của Địa chất công trình
Địa chất công trình nghiên cứu những vấn đề cơ bản sau :
- Nghiên cứu đất đá làm nền thiên nhiên, môi trường và vật liệu xây dựng cho các công trình
- Nghiên cứu các hoạt động địa chất hiện đại (hiện tượng trượt đất, đất chảy, xói mòn, cactơ, phong hóa…) ,tìm hiểu nguyên nhân phát sinh và điều kiện phát triển để đề ra biện pháp xử
lý trong khi xây dựng, sử dụng và khai thác công trình
- Nghiên cứu nước dưới đất để khắc phục các khó khăn do nước gây ra trong khi thiết kế và thi công các công trình
- Nghiên cứu các phương pháp khảo sát ĐCCT
- Nghiên cứu địa chất công trình xây dựng để lập quy hoạch các khu vực xây dựng các công trình khác nhau như dân dụng công nghiệp, cầu dường, các công trình thủy lợi…
I.3 Phương pháp nghiên cứu địa chất công trình
Mỗi môn học được phân biệt không những bởi đối tượng nghiên cứu mà còn bởi các phương pháp mà môn học đó sử dụng để thực hiện nhiệm vụ của nó đã đặt ra Khi nghiên cứu ĐCCT người ta thường sử dụng tổng hợp 3 loại phương pháp chủ yếu sau đây :
Trang 2Từ đó có thể đánh giá đúng đắn những điều kiện địa chất của khu vực xây dựng công trình
và dự báo sự thay đổi những điều kiện đó dưới tác dụng của công trình, địa chất công trình
- Khi thực hiện pp này ngoài việc phải thực hiện các công tác khoan đào vào các tầng đá để thu thập các tài liệu về các điều kiện địa chất mà còn phải tiến hành thí nghiệm trong phòng
và ngoài trời để xác định các đặc trưng cơ lý của đất đá
2 Phương pháp tính toán lý thuyết
- Lập các phương trình toán học để thể hiện bản chất vật lý của các hiện tượng địa chất, các đặc trưng vật lý, cơ học của đất đá
- Vì không phải lúc nào cũng có thể quan trắc hay dùng các phương pháp thực nghiệm để xác định bản chất vật lý – cơ học của đất đá ở những khu vực có địa hình phức tạp Pp này có thể cho kết quả nhanh chóng và khá chính xác Người ta thường dùng pp này để tính toán mức
độ ổn định, độ lún của công trình, lượng nứơc chảy vào hố móng, mức độ ổn định của mái dốc, tốc độ tái tạo bờ …
3 Phương pháp thí nghiệm mô hình và tương tự địa chất
- Được áp dụng trong trường hợp liên quan đến qui mô của công trình thiết kế hoặc tính chất phức tạp của điều kiện địa chất
- Pp thí nghiệm mô hình là lập mô hình trong phòng thí nghiệm hoặc ngoài trời dựa trên sự tương đồng giữa môi trường địa chất tự nhiên của khu vực xây dựng và môi trường vật lý có điều kiện tương tự Pp này giúp ta nghiên cứu được chuẩn xác hơn các hiện tượng địa chất
sẽ xảy ra trong quá trình thi công và khai thác …
- Pp tương tự địa chất là sử dụng các tài liệu địa chất của khu vực đã được nghiên cứu đầy đủ cho khu vực có điểu kiện địa chất tương tự Pp này có tính chất kinh nghiệm dựa trên nguyên lý “đất đá được hình thành trong cùng điều kiện, trải qua các quá trình địa chất như nhau thì có các đặc trưng vật lý, cơ học … tương tự nhau
Trang 3CHƯƠNG II : ĐẤT ĐÁ
II.1 Vỏ quả đất và các hiện tượng địa chất diễn ra trong đĩ
II.1.1 Cấu trúc bên trong của Trái đất
- Quả đất cĩ hình cầu, ở xích đạo phình ra, 2 cực hơi dẹt đi, do tốc độ quay của quả đất quanh trục bắc-nam khá lớn
- Bề mặt quả đất lồi lõm bất thường, nơi nhơ lên tạo thành các dãy núi, và nơi lõm sâu tạo thành các đại dương Nơi lồi nhất là đỉnh Chomolungma của dãy Hymalaya cao 8890m, nơi lõm nhất là là hố đại dương Marian sâu khoảng 11.034m
o Khí quyển Trái Đất : là lớp các chất khí bao quanh hành tinh Trái Đất và được giữ lại bởi lực hấp dẫn của Trái Đất
o Thủy quyển : bao gồm các biển, đại dương, hồ, sơng suối, chiếm ¾ bề mặt quả đất Ngồi ra cịn nước trong các lỗ rỗng và khe nứt của đất đá – nước dưới đất
- Vỏ Trái đất được chia thành các quyển đồng tâm
o Quyển ngồi cùng của quả đất là quyển đất đá, hay cịn gọi là vỏ quả đất, cĩ bề dày trung bình khoảng 35km Ở quyển này chủ yếu là đá macma rồi đến đá biến chất, đá trầm tích Vỏ TĐ chiếm khoảng 1% thể tích và 0.5% khối lượng của TĐ Bề dày vỏ quả đất thay đổi như sau :
Ở đáy đại dương : vỏ quả đất cĩ bề dày từ 8-10km
Ở các vùng đồng bằng : vỏ quả đất cĩ bề dày thay đổi từ 30-40km
Ở các vùng núi cao : vỏ quả đất cĩ bề dày thay đổi từ 55-75km
o Dưới đĩ là quyển manti phân bố từ lớp vỏ đến độ sâu 2900km Quyển này chiếm 83% thể tích và 67% khối lượng TĐ.Quyển manti ở thể rắn, vật chất là các dạng hợp chất oxit silic, oxit mangan và oxit sắt Manti được phân ra 2 loại như sau :
Manti trên : phân bố từ lớp vỏ quả đất đến độ sâu 800km, đây chính là nguồn nhiệt lớn bên trong của vỏ quả đất do lượng nguyên tố phĩng xạ phân hủy lớn
Manti dưới : phân bố ở độ sâu từ 800-2900km, do lớp vật chất này phân bố sâu và ở trạng thái nén chặt nên cĩ nhiệt độ cao (2800-38000C) và áp lực lớn (100.000-1.300.000at)
o Nhân quả đất nằm ở trung tâm cĩ độ sâu trên 2900km Nhân quả đất được cấu tạo chủ yếu từ các hợp chất của sắt và niken Áp suất ở trung tâm quả đất rất cao (từ 3,5triệu at) và nhiệt độ rất lớn (40000C) Hiện nay, người ta vẫn chưa cĩ nghiên cứu chính xác về nhân quả đất
vỏ : dày 8-10km : ở đáy đại dương 30-40km : ở đồng bằng 55-75km : ở vùng núi
manti : từ vỏ đến độ sâu 2900km nhân : 2900-6370km
II.1.2 Các trườngvật lý đang hoạt động của trái đất
Trang 4- Do sự vận động, sự phân bố và thuộc tính của các vật chất trong và ngoài quả đất mà hình
thành nên các trường vật lý cơ bản như trọng trường, từ trường, trường nhiệt …
o Trường nhiệt : TĐ nhận được 2 nguồn nhiệt chủ yếu, một từ mặt trời (ngoại nhiệt) và một nguồn từ lòng TĐ toả ra (nội nhiệt)
Ngoại nhiệt chủ yếu sinh ra do ánh sáng mặt trời hun nóng phần bên trên vỏ trái đất Nó thay đổi theo thời gian và không gian Ảnh hưởng của nhiệt mặt trời không sâu lắm, khoảng vài chục mét về chiều sâu
Vào sâu trong lòng trái đất là chịu ảnh hưởng của nội nhiệt Nguồn nhiệt này sinh ra do các phản ứng hóa học, hạt nhân… (các nguyên tố phóng xạ khi hoạt động sẽ ở nhiệt độ rất cao)
o Trường từ :
Quả đất là một nam châm khổng lồ có 2 cực Bắc Nam gần trùng với 2 địa cực Hiện tại địa cực từ gần trùng với cực địa lý Ở những vùng phân bố đá hay quặng từ tính cao sẽ hình thành từ tính bất thường
Nguyên nhân của từ trường Trái đất : sự đối lưu của lớp nhân ngoài và sự tự quay của TĐ đã tạo ra từ trường TĐ Và phần nhân nóng để duy trì từ trường
và ổn định từ trường sinh ra bởi lớp lõi ngoài lỏng
o Trọng trường
Một vật trên mặt đất chịu sự tác động của 2 lực : lực hút của TĐ, lực ly tâm sinh ra do sự tự quay của TĐ Trọng lực chính là tập hợp của 2 lực đó, do bán kính của TĐ ở cực ngắn hơn ở xích đạo nên trọng lực tăng dần từ cực đến xích đạo
M.mG
II.1.3 Các hiện tượng địa chất đang xảy ra trong TĐ
- Hiện tượng mắcma : là hiện tượng các khối dung nham nóng chảy ở sâu trong lòng đất theo các khe nứt dâng lên xâm nhập vào phần trên của vỏ trái đất hay phun trào lên trên mặt đất
- Hiện tượng kiến tạo : là hiện tượng xảy ra do nội động lực phát sinh trong vỏ trái đất làm thay đổi cấu trúc các lớp đất đá cấu tạo nên vỏ trái đất, tách vỏ trái đất thành nhiều mảng và các mảng này tương tác với nhau để tạo nên các dạng địa hình trên trái đất
- Hiện tượng xâm thực : các hoạt động địa chất - địa lí ngoại sinh làm mất đi một phần hay toàn
bộ đất đá trên bề mặt, dẫn tới sự hạ thấp địa hình Quá trình xâm thực diễn ra do các tác nhân chủ yếu sau:
1) Tác nhân cơ học - lực của dòng chảy phá huỷ, xói lở, mài mòn đá và cuốn trôi đá vụn
Trang 5II.2 Khống vật và khống vật tạo đá
II.2.1 Khái niệm
- Khống vật là những hợp chất hĩa học hoặc các nguyên tố tự sinh được hình thành trong quá trình lý-hĩa xảy ra bên trong hay phía trên của vỏ trái đất
- Khống vật trong thiên nhiên cĩ ở thể khí (khí H2S, CO2…), thể lỏng (nước, thuỷ ngân…), thể rắn (thạch anh, fenpat, mica…) Khống vật rắn hầu hết ở trạng thái kết tinh (tinh thể)
- Trong số 3000 khống vật, chỉ cĩ hơn 50 khống vật tham gia tạo đá Các khống vật này gọi là khống vật tạo đá
- Tùy thuộc vào vai trị của các nguyên tố cấu tạo nên khống vật ta cĩ thể chia ra khống vật chính và khống vật phụ
o Khống vật chính đĩng vai trị chủ yếu trong việc cấu tạo nên đất đá Cường độ và tính chất của đất đá chủ yếu do cường độ và tính chất của loại khống vật này quyết định
o Khống vật phụ chiếm hàm lượng nhỏ hơn (cĩ một số khống vật là khĩang vật chính của đá này nhưng cĩ khi là khĩang vật phụ của đá khác)
- Theo nguồn gốc hình thành, khống vật được chia ra khống vật nguyên sinh và khống vật thứ sinh
o Khống vật nguyên sinh : được thành tạo do sự nguội lạnh của macma hoặc do kết tủa từ dung dịch
o Khống vật thứ sinh : được thành tạo từ những khống vật khác (do phản ứng hĩa học của nước với khống vật nguyên sinh, do tác dụng của áp suất, do nhiệt độ cao
…)
- Theo mục đích xây dựng, khống vật được phân loại dựa trên các dạng liên kết hĩa học của
nĩ Bởi vì đặc trưng cấu tạo tinh thể và bản chất mối liên kết hĩa học giữa các nguyên tử quyết định nhiều tính chất vật lý và cơ học rất quan trọng
II.2.2 Một số đặc tính của khống vật
a Hình dạng tinh thể của khống vật
- Dạng tinh thể của khống vật : tinh thể là những vật rắn trong đĩ các phần tử nhỏ sắp xếp theo 1 quy luật đều đặn tạo thành dạng khơng gian
- Tính đối xứng của tinh thể bao gồm:
o Tâm đối xứng: (C) là một điểm tưởng tượng nằm trong tinh thể, mà tại điểm đó mọi đường thẳng đi qua nó, nằm trong giới hạn tinh thể được chia làm hai phần bằng nhau
o Trục đối xứng: (L) là một trục tưởng tượng đi qua tinh thể để khi quay tinh thể theo một góc cố định xung quanh trục thì lặp lại tất cả các yếu tố của tinh thể như
vị trí ban đầu
o Mặt phẳng đối xứng: (P) là mặt phẳng tưởng tượng đi qua tinh thể, chia đôi tinh thể ra hai phần bằng nhau, mọi yếu tố của tinh thể ở hai phần đều đối xứng nhau qua mặt phẳng đối xứng tựa như ảnh của một vật qua gương
Trang 6- Bảng phân loại hệ thống tinh thể
b Màu của khoáng vật
- Màu của khoáng vật chủ yếu do thành phần hóa học và các tạp chất trong nó quyết định
- Khi quan sát màu khoáng vật cần chú ý đến điều kiện ánh sáng, trạng thái của khoáng vật
Trang 7- Tuy nhiên, dấu hiệu đáng tin cậy hơn nhận biết màu của khoáng vật là màu của bột khoáng vật Chỉ cần vạch một khoáng vật trên một tấm sứ nhám, chúng sẽ để lại một vệt dài có màu đặc trưng cho bột khoáng vật ấy
c Độ trong suốt và ánh của khoáng vật
- Độ trong suốt là khả năng của vật thể khi cho ánh sáng đi xuyên qua
- Khi ánh sáng chiếu vào môi trường khác nhau sẽ bị khúc xạ, thay đổi tốc độ và tiêu hao năng lượng Một phần ánh sáng chiếu lên khoáng vật sẽ bị phản xạ trở lại trên mặt khoáng vật để tạo thành ánh của khoáng vật
- Các loại ánh đặc trưng của khoáng vật :
o Ánh kim : khi sự phản xạ của ánh sáng trên bề mặt cao, đó là các khoáng vật mờ đục,
có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh Ví dụ : những kim loại trong tự nhiên như vàng, bạc, …có các biểu hiện liên quan đến kim loại vì chúng có ánh kim
o Ánh phi kim : trên các khoáng vật còn lại có nhiều dạng ánh phi kim khác nhau Ánh phản xạ lấp lánh của kim cương gọi là ánh kim cương; thủy tinh thông thường, thạch anh có ánh thủy tinh; một số khoáng vật khác được mô tả như là ánh mỡ, ánh đất, ánh tơ …
d Tính cát khai và vết vỡ
- Tính cát khai (dễ tách) của khoáng vật là khả năng bị tách ra của các hạt tinh thể hay hạt kết tinh theo các mặt song song Có các mức độ dễ tách như sau :
o Cát khai rất hoàn toàn : tinh thể có khả năng tách ra rất dễ dàng bằng tay
o Cát khai hoàn toàn : dùng các loại vật dụng (như búa …) tác dụng vào tinh thể và nó
sẽ vỡ ra theo các mặt tách tương đối bằng phẳng
o Cát khai trung bình : trên những mặt vỡ của tinh thể, vừa thấy các mặt tách tương đối hoàn chỉnh, vừa thấy vết vỡ không bằng phẳng theo các phương khác nhau
o Cát khai không hoàn toàn : tinh thể khó tách ra, thường thấy các vết vỡ không có quy tắc
- Vết vỡ : là các mặt vỡ không theo quy tắc của khoáng vật khi bị đập vỡ Phần lớn các vết vỡ tương đối gồ ghề và bất quy tắc Dựa theo hình dạng vết vỡ có thể chia ra :
o Vết vỡ phẳng : vỡ theo các mặt dễ tách
o Vết vỡ dạng vỏ sò : vết vỡ của thạch anh
o Vết vỡ dạng đất : vết vỡ tựa như đất bột, ví dụ như vết vỡ của Kaolinit
o Vết vỡ sần sùi : bề mặt vết vỡ sần sùi như vết vỡ của thạch anh dạng trụ
e Độ cứng của khoáng vật
- Độ cứng là khả năng chống lại tác dụng cơ học bên ngoài lên bề mặt của khoáng vật Tính chất này có liên quan đến kiến trúc và sự liên kết giữa các chất điểm của khoáng vật Sự liên kết này cáng chắc thì độ cứng càng cao
- Để đánh giá độ cứng tương đối của khoáng vật, người ta dùng thang độ cứng Mohs gồm 10 cấp độ, sắp xếp theo chiều tăng độ cứng, mỗi cấp độ được đại diện bằng một khoáng vật phổ biến
1 Tan Mg3[Si4O10][OH]2
Trang 8- Độ cứng tuyệt đối được xác định bằng máy rất khó khăn (độ cứng tuyệt đối của Tan - 2,4kG/mm2; Canxit - 109 kG/mm2; Thạch anh - 1120 kG/mm2; Kim cương - 10060 kG/mm2)
Canxit Đolomit Anđihit Thạch cao Octocla
2,65-2,66 2,71-2,72 2,80-2,90 2,50-2,70 2,30-2,40 2,50-2,62
Plagiocla Muscovit Biotit Piroxen Ambifon Olivin
2,60-2,78 2,50-3,10 2,69-3,40 3,20-3,60 2,99-3,47 3,18-3,45
- Tỷ trọng phụ thuộc vào thành phần hóa học và cấu trúc của tinh thể Tỷ trọng lớn khi khoáng vật chứa nguyên tố nặng và có sự sắp xếp nguyên tử chặt
g Các tính chất khác
- Có một số tính chất khác có thể hữu ích trong việc nhận biết một số khoáng vật đặc biệt Ví
dụ như : từ tính, tính phóng xạ, vị, mùi, hoặc xúc giác
- Manhetit là một khoáng vật chứa sắt nên có từ tính cao, gọi là nam châm tự nhiên
II.2.3 Phân loại khoáng vật
a Phân loại khoáng vật theo kiểu liên kết hóa học:
- Các liên kết thường gặp trong chất kết tinh
o Liên kết cộng hóa trị :
o Liên kết ion :
o Liên kết Hydro
o Liên kết Vandecvan
b Phân loại khoáng vật theo thành phần hóa học :
- Thành phần của hầu hết các khoáng vật tạo đá phổ biến được giới hạn bởi sự phong phú của các nguyên tố trong vỏ trái đất
- Thực tế chỉ có 8 nguyên tố cấu tạo nên khoảng 98% trọng lượng của vỏ trái đất Lượng chứa các nguyên tố trong vỏ trái đất như sau : Oxy (O)_46,6%; Silic (Si)_ 27,27%; Nhôm (Al)_8,13%; Sắt (Fe)_5%; Canxi (Ca)_3,63%; Natri (Na)_2,83%; Kali (K)_2,59%; Manhê (Mg)_2,09% Các khoáng vật là thành viên của nhóm được đặc trưng bởi những kết hợp của các nguyên tố trên
- Khoáng vật được phân loại thành các lớp và các lớp này được phân nhỏ thành các nhóm dựa vào cấu trúc bên trong của nó Gồm 9 lớp như sau :
1 Lớp nguyên tố tự sinh : Cu, Au …
2 Lớp oxit và hydroxit : Fe3O4, SiO2, FeOH …
3 Lớp cacbonat (muối của axit cacbonic) : CaCO3, Dolomit (Ca,Mg)[CO3]2 …
4 Lớp sunfat (muối của axit sunfuric) : thạch cao CaSO4.2H2O …
Trang 95 Lớp sunfua (hợp chất của lưu huỳnh) : pirit sắt FeS2 …
6 Lớp halogenua (muối của các axit halogenhidric): halit NaCl …
7 Lớp photphat (muối của axit phophoric) : photphat CaP2O5 …
8 Lớp silicat (muối của axit silicic) : octocla K[AlSi3O8]
9 Hợp chất hữu cơ : metan CH4 …
- Sau đây là mô tả một số khoáng vật tạo đá chủ yếu :
Lớp silicat : đây là lớp khoáng vật quan trọng, có số lượng lớn nhất và phổ biến trong tự nhiên, là khoáng vật tạo đá macma, đá biến chất trao đổi và cả đá trầm tích Trong các silicat mỗi ion Si+4 bao giờ cũng nằm giữa 4 ion O-2 ở các góc của mỗi
tứ diện Tứ diện [SiO4]-4 là đơn vị kiến trúc cơ sở của silicat Các nhóm được phân biệt bởi sự sắp xếp của khối tứ diện cơ sở này
1 Khối tứ diện độc lập với nhau
Nhóm olivin : (Mg,Fe)2SiO4 được đặc trưng bởi khối tứ diện silic độc lập và các ion Mg+2 (hoặc Fe+2) cách đều nhau
2 Khối tứ diện độc lập và oxi tham gia liên kết tạo thành chuỗi
Nhóm piroxen (chuỗi đơn) : Ca(Mg,Fe,Al)[(SiAl)2O6] : chuỗi đơn các khối tứ diện silic được ràng buộc với nhau bởi các ion Ca+2 và Mg+2
Nhóm amfibon (chuỗi kép) : Ca2Na(Mg,Fe)4(Al,Fe)[(Si,Al)4O11]2[OH]2
3 Khối tứ diện liên kết theo 2 phương (silicat tấm) :
Tấm tứ diện : là các tấm mỏng gồm các khối tứ diện silic mà trong đó 3 ion oxi được chia sẻ với các khối tứ diện lân cận
Tấm bát diện : là các tấm mỏng chứa các cation nhôm, manhê, hoặc các cation được tạo nên bởi 6 ion oxi của các nhóm hydroxit
− Nhóm khoáng vật sét : thành phần chủ yếu là đất sét và đất loại sét Phổ biến và đặc trưng nhất trong nhóm này là
o Kaolinit : Al4[Si4O10][OH]6
o Monmorilonit : (Al,Mg)2[Si4O10][OH]2.nH2O
o Ilit : [(Si,Al)4O10][OH].nH2O
− Nhóm khoáng vật mica : có thành phần hóa học phức tạp và có đặc điểm là dễ tách hoàn toàn
o Biotit : K(Mg,Fe)3[AlSi3O10][OH]2
o Muscovit : KAl2[AlSi3O10][OH]2
4 Khối tứ diện liên kết theo 3 phương (silicat khung)
Nhóm fenspat : trong thành phần hóa học của khối tứ diện, các ion Al3+ thay thế cho Si4+
− Plagiocla : các khoáng vật gồm hỗn hợp Na[AlSi3O8] và Ca[Al2Si2O8]
− Octocla : KAlSi3O8
Lớp oxit và hydroxit : các khoáng vật thuộc lớp này có độ hòa tan trong nước thấp, trường hợp quá trình oxi hóa rất mạnh sẽ tạo thành các dung dịch quá bão hòa và thành tạo các khối ẩn tinh và keo Các khoáng vật này hầu hết là các hợp chất có kiến trúc tinh thể với kiểu liên kết ion Trong kiến trúc tinh thể các anion và cation đều bao bọc lấy ion O2- hoặc ion OH-
Trang 10phần xác định Trong nhóm [CO3]2- các cation nằm ở trung tâm có bán kính ion nỏ,
có điện lượng cao và mối liên kết cộng hóa trị với ion oxicó tính kém bền vững, tham gia vào cấu tạo inh thể như những đơn vị cấu tạo độc lập
Canxit CaCO3
Dolomit CaCO3.MgCO3
Lớp sunfat : gồm các khoáng vật có khối lượng riêng thấp, độ cứng không lớn, có tính hòa tan cao Lưu huỳnh (S) khi bị oxi hóa tạo thành SO và ở dạng ion phức tạp [SO3]-2 trong dung dịch, khi bị oxi hóa mạnh tạo thành [SO4]-2 trong đó có S+4 và S+6
Muối mỏ Halit NaCl
II.3 Đá macma
II.3.1 Nguồn gốc đá macma
- Đá macma được hình thành do sự nguội lạnh và kết tinh từ dung dịch nóng chảy macma Nếu sự nguội lạnh xảy ra dưới đất thì tạo đá macma xâm nhập Nếu các dòng chảy trào lên mặt đất thì được gọi là dung nham, sau đó nguội lạnh trên mặt đất thì tạo đá macma phun trào
II.3.2 Thành phần khoáng vật của đá macma
- Thành phần khoáng vật của đá macma biến đổi rất rộng lớn, các khoáng vật kết tinh nối tiếp nhau khi nhiệt độ hạ thấp và tác động lẫn nhau để tạo thành các khoáng vật mới
- Khi nhiệt độ của macma giảm, có 2 quá trình kết tinh
o Các khoáng vật có cấu trúc bên trong không thay đổi trong suốt quá trình kết tinh, gọi là dãy phản ứng liên tục
o Các khoáng vật Fe, Mg, các khoáng vật sau có cấu trúc bên trong thay đổi so với các khoáng vật trước, gọi là dãy phản ứng không liên tục
- Dãy phản ứng Bowen trình bày thứ tự kết tinh các khoáng vật từ bazan nóng chảy
Trang 11Thạch anh Muscovit Octocla (fenspat - kali) Biotit
An bit (fenspat - natri) Hoblen
Angit
Nhiệt độ cao
(kết tinh đầu tiên)
Nhiệt độ thấp
(kết tinh cuối cùng)
Dãy phản ứng không liên tục Dãy phản ứng liên tục
II.3.3 Kiến trúc và cấu tạo của đá macma
- Kiến trúc là đề cập đến kích thước, hình dạng và sự phân bố của các hạt khống vật trong đá
- Theo mức độ kết tinh, cĩ thể chia ra 4 loại kiến trúc chính như sau :
1 Kiến trúc ẩn tinh :
o Các tinh thể quá nhỏ khơng thể quan sát được bằng mắt thường và thường gặp ở các loại
đá phun trào.Các loại đá hạt cực nhỏ này thường liên quan với quá trình núi lửa, vì sự nguội lạnh tương đối nhanh xảy ra khi dung dịch nĩng chảy trào lên mặt đất
2 Kiến trúc hiển tinh
o Các tinh thể cĩ thể nhìn thấy được và phân biệt được mức độ kết tinh bằng mắt thường Các đá xâm nhâp thường cĩ kiến trúc loại này
3 Kiến trúc pocfia
o Đá được tạo bởi các tinh thể cĩ 2 kích cỡ khác nhau, tinh thể cĩ kích cỡ lớn được bao quanh bởi khối nền tinh thể hạt mịn
4 Kiến trúc lỗ rỗng
o Bề mặt đá khi dung nham đơng cứng cĩ nhiều lỗ rỗng
II.3.4 Thế nằm của đá macma
- Thế nằm của đá cho biết hình dạng, kích thước và tư thế của khối đá trong khơng gian cũng như mối quan hệ của các khối đá đĩ với nhau
- Các dạng thế nằm của đá macma xâm nhập
o Dạng nền : khi khối đá cĩ hình dạng khơng cĩ qui tắc nhưng kích thước rất rộng lớn, diện tích phân bố từ hàng trăm đến hàng ngàn km2 và giới hạn dưới thường khơng xác định được Đá vây quanh tiếp xúc với dạng nền cĩ đăc trưng là khơng bị biến đổi về thế nằm
Trang 12o Dạng nấm : khi khối đá macma có hình nấm hoặc thấu kính dày, diện tích phân bố rộng khoảng vài chục km2, các đá vây quanh nhất là ở phía trên bị uốn nếp theo hình dạng nấm
o Dạng lớp : để chỉ các khối đá được hình thành do các khe nứt của đá có độ dày nhỏ, thường từ vài đến vài chục mét nhưng phạm vi phân bố rộng lớn, có thể tới vài trăm mét
o Dạng mạch : được hình thành do macma xâm nhập và lấp đầy khe nứt giữa các mặt tầng
đá Bề dày thay đổi từ vài centimét đến vài chục mét Đá dạng mạch có nhiều nhánh, chỗ tiếp xúc với đá vây quanh thường có khe nứt làm tăng tính thấm nước của đất đá
- Các dạng thế nằm của đá macma phun trào
o Dạng lớp phủ : là dạng đá phun trào trên 1 diện tích rất rộng có thể tới hàng ngàn km2, thường được hình thành do dung nham trào lên trên mặt đất theo các khe nứt kéo dài của
vỏ trái đất sự trào dung nham thàh nhiều đợt có thể tạo lớp phủ làm nhiều tầng với bề dày lớn
o Dạng dòng chảy : hình thành do macma trào lên qua miệng núi lửa lấp đầy các khe nứt
và các khe rãnh của thung lũng Đặc trưng của nó là chiều dài lớn hơn nhiều so với chiều rộng và tùy thuộc vào độ nhớt của dung nham và hình dạng thung lũng
II.3.5 Phân loại đá macma
- Dựa vào kiến trúc của đá macma người ta phân loại như sau :
o Khoáng vật sáng màu : các khoáng vật được thành tạo từ dãy phản ứng liên tục (feenspat natri, fenspat canxi, octocla, thạch anh)
o Khoáng vật tối màu : các khoáng vật được thành tạo từ dãy phản ứng không liên tục – khoáng vật Fe-Mg (olivin, augit …)
- Dựa vào thành phần khoáng vật người ta phân loại đá macma như sau :
o Đá axit : SiO2 có thành phần chiếm đến 65-70%
o Đá trung tính : SiO2 có thành phần chiếm từ 52-65%
o Đá bazơ : SiO2 có thành phần chiếm từ 40-50%, nhưng chứa nhiều Fe và Mg
o Đá siêu bazơ : SiO2 có thành phần rất ít, không quá 40%, nhưng lượng Fe và Mg rất nhiều
II.4 Đá trầm tích
II.4.1 Nguồn gốc đá trầm tích
- Đá trầm tích là những thể địa chất phát sinh ở bề mặt quả đất, thành tạo từ các sản phẩm phong hóa, trải qua quá trình tích tụ lâu dài, phức tạp, chịu nhiều ảnh hưởng của các yếu tố ngoại và nội động lực trong môi trường nước hoặc trong môi trường không khí
o Quá trình hình thành vật liệu trầm tích : bao gồm 2 hình thức
Phá hủy cơ học : do tác dụng của sự chênh lệch nhiệt độ, quá trình bào mòn và xâm thực làm cho các đá bị vỡ vụn và có đặc điểm là không biến đổi về thành phần hóa học của khoáng vật
Phá hủy sinh hóa : khi các đá biến đổi thành các hạt, phần nhỏ hơn bị phá hủy cơ học nhưng thành phần hóa hcọ bị biến đổi, hình thcứ phá hủy này thường do tác dụng hóa học của nước H2O, cacbonic CO2, oxi hay axit hữu cơ
Vật liệu trầm tích → trầm tích → gắn ép → gắn kết → đá trầm tích
o Quá trình trầm tích : là quá trình khi vật liệu di chuyển đến một nơi khác sau đó lắng đọng lại phụ thuộc vào loại vật liệu và phương thức vận chuyển (trọng lực, nước, gió…)
Trang 13o Quá trình nén ép : xảy ra sau khi lắng đọng do tác dụng của các lớp ở phía trên nó làm cho nó mất nước và giảm độ lỗ rỗng, những thay đổi này ban đầu ngay sau khi vật liệu trầm tích lắng đọng cho tới khi vật liệu bắt đầu gắn kết lại tạo thành đá trầm tích
o Quá trình tạo đá : là quá trình mà vật liệu được gắn kết lại do các vật liệu hòa tan ở các
lỗ rỗng của các vật liệu hay từ nơi khác chuyển đến khoảng trống giữa các hạt làm cho chúng kết tủa ngưng keo gọi là xi măng Ngoài ra dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất, các tinh thể khoáng vật sẽ lớn dần lên gọi là quá trình kết tinh
- Quá trình co dãn của đá do nhiệt độ thay đổi, do nước chảy phá vỡ và mọi hoạt động khác làm cho đá vỡ vụn, các vật liệu này được nước mang ra lắng đọng ở sông suối, ở biển Sau quá trình trầm nén của lớp trên, sự kết gắn của các keo kết thiên nhiên sẽ thành tạo nên đá trầm tích Mặt khác, đá trầm tích còn được thành tạo do các quá trình lắng đọng của các muối hòa tan
II.4.2 Thành phần khoáng vật của đá trầm tích
- Thành phần vật chất của các sản phẩm phong hóa khác nhau tạo ra các đá trầm tích khác nhau Tuy nhiên, so với đá macma, thành phần hóa học và khoáng vật trong một số loại đá trầm tích rất đơn giản
- Thành phần khoáng vật chủ yếu
o Khoáng vật nguyên sinh : bao gồm các mảnh đá cũ hay các khoáng vật có được trong quá trình phá hủy cơ học các đá cũ, phổ biến là thạch anh, fenspat, ziacon, tuamalin…
o Khoáng vật thứ sinh : là các khoáng vật đựoc hình thành từ các khoáng vật nguyên sinh
bị phân hủy hóa học như các khoáng vật sét
o Khoáng vật tự sinh : bao gồm các khoáng vật được hình thành từ các dung dịch keo và dung dịch thật, phần lớn các khoáng vật tự sinh là thành phần chính của các đá trầm tích sinh hóa hoặc xi măng gắn kết phổ biến trong nhiều đá trầm tích vụn
- Đối với đá trầm tích, ngoài thành phần khoáng vật ta cần chú ý tới các tạp chất và ximăng
Sự có mặt của tạp chất có ý nghĩa quan trọng đối với trầm tích cacbonat, còn thành phần ximăng có ý nghĩa lớn đối với trầm tích vụn
II.4.3 Kiến trúc và cấu tạo của đá trầm tích
Nửa góc cạnh : là các hạt mới bị mài mòn ở sát góc do vận chuyển chưa xa
Tròn cạnh : là các hạt bị dịch chuyển tương đối xa không còn góc ở các cạnh
Rất tròn cạnh : khi mức độ mài mòn lớn do vận chuyển 1 khoảng rất xa hoặc do bị tái trầm tích nhiều lần
- Kiến trúc của ximăng gắn kết
Xi măng lấp đầy : khi thành phần xi măng chiếm hết thể tích các lỗ rỗng các đá
Trang 14 Xi măng tiếp xúc : phần xi măng gắn kết chỉ có ở nơi tiếp xúc giữa các hạt với nhau Kiểu xi măng này do sự rửa trôi các thành phần xi măng ở trong lỗ rỗng và loại đá này gắn kết thiếu
Xi măng cơ sở : do thành phần xi măng trầm tích đồng thời cùng với hạt vụn nằm rời rạc nhau và tỉ lệ ximăng lơn hơn hạt vụn nhiều lần Kiểu xi măng này làm đá rất rắn chắc
- Kiến trúc của đá trầm tích sinh hóa
Kiến trúc của đá trầm tích sinh hoá ở dạng kiến trúc tinh thể do kết tủa từ môi trường nước nên thường có kích thước rất nhỏ và các tinh thể sẽ lớn lên dưới tác dụng của áp suất của các tầng bên trên
Trên cơ sở hình dạng của hạt có thể chia ra các loại : kiến trúc vô định hình, kiến trúc ẩn tinh, kiến trúc tha hình, kiến trúc tự hình
b Cấu tạo của đá trầm tích
Cấu tạo khối : theo các phương, thành phần của các khoáng vật sắp xếp 1 cách đồng nhất
Cấu tạo dòng : khi các hạt sắp xếp định hướng theo phương dòng chảy hoặc hướng gió
Cấu tạo lớp (phổ biến) : là cấu tạo đặc trưng nhất của đá trầm tích Các lớp có thành phần (thành phần vật chất, độ hạt, cấu trúc, màu sắc) khác nhau và sắp xếp lên nhau thường ở giữa các mặt lớp có liên kết yếu, có độ dày không đồng đều từ vài mét đến hàng trăm mét Trong tự nhiên thường gặp các kiểu phân lớp như : phân lớp nằm ngang, phân lớp lượn sóng…
II.4.4 Thế nằm của đá trầm tích
- Thế nằm ngang của các lớp : thế nằm ban đầu của đá trầm tích là thế nằm ngang Thế nằm ngang thường gặp ở các lớp đá hình thành ở miền nền tức là những miền mà chuyển động kiến tạo của vỏ TĐ yếu hoặc các lớp đá trầm tích trẻ vì các lớp đá này chưa trải qua chuyển động kiến tạo đáng kể
- Thế nằm nghiêng của lớp đá trầm tích có thể là thế nằm nguyên sinh tức là thế nằm nghiêng được hình thành cùng với quá trình trầm tích Do các lớp nằm nghiêng theo bề mặt địa hình nghiêng sẵn ở nơi trầm tích, hoặc do các lớp trầm tích được hình thành đồng thời với quá trình nâng lên hạ xuống của đáy trầm tích
- Các yếu tố xác định thế nằm nghiêng
o Đường phương : là đường giao tuyến của mặt phẳng nằm ngang và bề mặt lớp đá, bề mặt nằm ngang này là bề mặt tưởng tượng Do có nhiều mặt nằm ngang nên sẽ có vô
số đường phương song song với nhau và ở các cao độ khác nhau
o Góc phương vị đường phương : là góc hợp bởi phương Bắc cảu im địa từ và đường phương theo thuận chiếu kim đồng hồ (hình vẽ)
o Đường dốc : là đường thẳng nằm trong bề mặt lớp đá vuông góc với đường phương
có chiều hướng về phía chân dốc của lớp đá
o Đường hướng dốc : là hình chiếu của đường dốc lên mặt phẳng nằm ngang và được xác định bằng góc phương vị hướng dốc
o Góc phương vị hướng dốc (αhd) : là góc hợp bởi hướng Bắc của kim địa từ và hương 1dốc theo chiều thuận kim đồng hồ
o Góc dốc : là góc hợp bởi đường dốc và hướng dốc
Trang 151 Đá trầm tích vụn gồm những vật liệu lắng đọng tại chỗ hoặc vận chuyển đi đến 1 nơi khác, sau đó được gắn kết lại bằng các loại ximăng gắn kết (Fe, Ca)
Trên cơ sở yếu tố độ hạt, người ta chia làm 3 nhóm vụn
Đá vụn thô d>2mm : cuội kết, sỏi kết
Đá vụn trung bình d=2-0.5mm : cát kết
Đá vụn nhỏ d<0.05mm : bột kết
2 Đá trầm tích sét : Là sản phẩm của quá trình phong hoá các đá giàu khoáng vật allumosilicat và chuyển thành các khoáng vật hoàn toàn mới Trầm tích sét không phải là sản phẩm của quá trình phong hoá cơ học cũng như không được lắng đọng
từ dung dịch thật hay do sự ngưng keo mà chúng thành tạo bằng con đường khác
Đá sét chứa chủ yếu là các khoáng vật sét
Đá trầm tích cacbonat : đá vôi, đá đôlomit
Đá trầm tích nhôm, silic
II.5 Đá biến chất
II.5.1 Nguồn gốc đá biến chất
- Đá biến chất được hình thành từ sự biến tính của đá mácma, đá trầm tích, thậm chí từ các đá biến chất trẻ, do sự tác động của áp lực, áp suất cao và các chất có hoạt tính hoá học (nước
và axit cacbonic) Dưới sự tác động của các tác nhân biến chất, các thành phần của đá có thể tái kết tinh ở trạng thái rắn và sắp xếp lại Tác dụng biến chất không những có thể cải biến cấu trúc của đá mà còn làm thay đổi thành phần khoáng vật của nó
- Quá trình biến chất : có 3 tác nhân chính
o Nhiệt độ : là tác nhân cơ bản nhất của quá trình biến chất, tác dụng của nó là gây nên những phản ứng giữa các khoáng vật, nâng cao hoạt tính hoá học của các khoáng vật cũng như làm thay đổi tính chất vật lý của đá
o Áp suất: tác động của áp suất thì thay đổi tại các độ sâu khác nhau trong vỏ trái đất Tại
độ sâu nhỏ, đá tương đối lạnh và giòn nên chúng có thể bị nứt nẻ và nghiền nhỏ khi chịu
áp suất cao Tại độ sâu lớn hơn, đá mềm hơn nhiều do nhiệt độ cao Dưới tác dụng của
áp suất, đá có xu hướng biến dạng do dòng dẻo Trong vùng biến dạng dẻo, áp suất có ảnh hưởng tới các loại khoáng vật mới hình thành Điển hình là các nguyên tử bên trong cấu trúc khoáng vật được sắp xếp chặt hơn khi khoáng vật kết tinh dưới áp suất cao
o Dung dịch biến chất : trong quá trình biến chất thường có sự tham gia của các dung dịch biến chất vì luôn thấy trong đá biến chất có nước và cacbonic, dung dịch này phân bố trong khe nứt hoặc lỗ rỗng của khoáng vật có tác dụng mang đến hoặc mang đi các thành phần vật chất làm cho hiện tượng biến chất xảy ra nhanh hơn
- Các kiểu đá biến chất :
Biến chất tiếp xúc : là sự biến đổi của các đá vây quanh khi tiếp xúc với khối macma xâm nhập trong vỏ trái đất
Biến chất khu vực : là loại biến chất có đặc trưng là vùng đá biến đổi rộng hơn
- Các nghiên cứu địa chất về đá biến chất cho biết hàm lượng khoáng vật của đá trong vùng biến chất khu vực biến đổi một cách có hệ thống Cùng đá ban đầu nhưng ở các múc độ biến chất khác nhau có thể tạo ra các khoáng vật biến chất khác nhau
Trang 16II.5.2 Thành phần khoáng vật của đá biến chất
- Thành phần khoáng vật của đá biến chất gần giống với thành phần khoáng vật của đá mac
ma Trong chúng cũng phổ biến các loại khoáng vật như : piroxen, thạch anh, fenpat Ngoài
ra, có thể gặp các khoáng vật mà trong đá macma rất hiếm hoặc không có : granat, disten…
- Trong đá biến chất, đóng vai trò lớn là những khoáng vật mà ở trong đá macma là khoáng vật thứ sinh như clorit, cacbonat…Các khoáng vật chứa nước, các hydrat keo sẽ bị mất nước tạo thành các hợp chất đơn giản hơn, nó có xu hướng giảm thể tích (mất nước) vì vậytrọng lượng riêng lớn hơn
- Nhìn chung các khoáng vật của đá biến chất có cường độ cao, nhưng không ổn định đối với tác dụng phong hoá, một số khoáng vật do có tinh thể dạng tấm, dạng vảy hoặc có tính trơn trợt đã làm giảm nhiều cường độ của đá biến chất
II.5.3 Kiến trúc và cấu tạo của đá biến chất
- Kiến trúc kết tinh : ẩn tinh và hiển tinh Các khoáng vật của đá ban đầu có thể được kết tinh (trường hợp biến chất từ đá trầm tích gắn kết) hoặc tái kết tinh (đối với đá macma và trầm tích hoá học)
- Kiến trúc milonit : do các đá cũ bị nghiền nát thành bột và sau đó được các khoáng vật khác gắn kết lại Loại kiến trúc này thường không ổn định với nước, khi gặp nước rất mau bị tan rửa
- Kiến trúc phiến : có khoáng vật trong đá biến chất định hướng song song nhau Phân phiến làm cho đá biến chất có đặc điểm dải hay lớp,và vì thế nó có hình thức giống với phân lớp của đá trầm tích
- Các loại cấu tạo của đá biến chất
o cấu tạo phân phiến : là cấu tạo khi khoáng vật sắp xếp theo dãy hay lớp có hình thức giống như phân lớp của đá trầm tích Cấu tão5 phân phiến thường liên quan đến biến chất khu vực
cấu tạo phiến : là cấu tạo khi khoáng vật dạng vảy được sắp xếp theo phương kéo dài của tinh thể vuông góc với phương áp lực
cấu tạo gơnai : các khoáng vật dạng trụ, dạng tấm , dạng phiến được sắp xếp thành các dãy riêng biệt, xen kẽ các dãy này có các khoáng vật dạng hạt
o cấu tạo không phân phiến (khối) : đặc điểm của cấu tạo này là các khoáng vật phân
bố đồng đều không định hướng Các khoáng vật này có ở kiểu biến chất khu vực do thiếu các thành phần hoá học cần thiết làm cho các khoáng vật không thề kết tinh
II.5.4 Thế nằm của đá biến chất
Đá biến chất có dạng thế nằm giống với đá ban đầu đã tạo nên nó (dạng lớp của đá trầm tích, dạng nấm, dạng mạch của đá macma…)
Đá biến chất tiếp xúc có dạng thế nằm riêng, nó thường ở dạng các vành đai có các múc
độ biến chất khác nhau bao quanh khối mac ma gây ra biến chất Do đó nó có thể gây ra
sự không đồng nhất về tính chất vật lý và cơ học
II.5.5 Phân loại đá biến chất
Dựa vào cấu tạo của đá và các thành phần khoáng vật, người ta phân ra các loại đá biến chất sau :
- Đá biến chất có cấu tạo phiến :
Đá phiến : đá phiếm biotit
Trang 17 Đá gơnai : đá gơnai clorit
- Đá biến chất có cấu tạo khối :
Đá quaczit : đá cát kết thạch anh biến chất tạo ra
Đá hoa : đá vôi, dolomit biến chất tạothành
Trang 18CHƯƠNG III : KIẾN TẠO VÀ ĐỊA MẠO
III.1 Các phương pháp xác định tuổi của đất đá
III.1.1 Thời gian địa chất
- Thời gian địa chất (tuổi của đất đá) : là khoảng thời gian từ khi đất đá được hình thành cho đến nay
o Tuổi của đá macma : được tính từ khi dung nham nguội lạnh và đông cứng lại
o Tuổi của đá trầm tích : tính từ khi có sự trầm tích xảy ra (vì vậy đá trầm tích có tuổi trẻ hơn khoáng vật tạo ra nó)
o Tuổi của đá biến chất : tính từ lúc các tác nhân biến chất bặt đầu tác dụng
o Đối với các hiện tượng địa chất : tuổi được tính từ khi các hiện tượng địa chất (thăng trầm, uốn nếp, đứt gãy) đó bắt đầu tác dụng
- Thời gian địa chất có thể được xác định trên 2 chỉ tiêu :
o Tuổi tuyệt đối : là số tuổi được xác định một cách chính xác thông qua các phương pháp vật lý, hoá học, thí nghiệm các tính chất của đất đá để xác địh tuổi Thực tế, việc xác định tuổi tuyệt đối rất khó khăn và tốn kém
o Tuổi tương đối : là xét sự tương quan, quan hệ già trẻ giữa các đá với nhau bẳng việc xét thế nằm cũng như mối quan hệ trước sau của các tầng đá và các hiện tượng địa chất Việc xác định tuổi tương đối của đất đá đơn giản và hiệu quả hơn
III.1.2 Phương pháp xác định tuổi tương đối
* Phương pháp đồng vị phóng xạ
- Cơ sở xác định : mỗi đơn vị phóng xạ phân huỷ theo một tốc độ không đổi Tốc độ phân huỷ phóng xạ được mô tả bằng chu kỳ bán rã (bán phân huỷ) tức là thời gian để phân huỷ ½ đối với bất kì 1 đồng vị nhất định nào
- Nguyên tắc : dựa vào sự có mặt của các nguyên tố phóng xạ hay các đồng vị phóng xạ của nó
để từ đó xác định thời gian phóng xạ, thời gian phá huỷ của nó Người ta xét chu kỳ bán rã của các nguyên tố phóng xạ đó, đồng thời là tuổi của đất đá Đối với các loại đá cồ thì dùng các nguyên tố phóng xạ có chu kì bán rã dài (Thori, Uran …), còn đối với các loại đá trẻ hơn thì dùng các nguyên tố phóng xạ có chu kì bán rã ngắn hơn (Cacbon)
- Chu kì bán rã của các nguyên tố phóng xạ có trong đất đá :
đo lượng đồng vị bằng phổ kế khối lượng
- Quá trình phóng xạ của các nguyên tố phóng xạ trong tự nhiên với 1 tốc độ rất đều đặn và không phụ thuộc vào điều kiện ngoại cảnh
III.1.3 Phương pháp xác định tuổi tuyệt đối
* Phương pháp cổ sinh
- Là phương pháp xác định tuổi đất đá dựa vào các hoá thạch của sinh vật có trong đất đá
Trang 19- Hoá thạch là các di tích (di thể) của các sinh vật sau khi chết, xác hoặc những dấu vết của các hoạt động sống là những chứng cứ được lưu giữ lại , theo một thời gian xác của chúng bị phân huỷ, chỉ những bộ phận cứng như vỏ cây, xương … được bao bọc bởi các trầm tích và trải qua quá trình hoá thạch để trở thành đá, nhưng vẫn giữ lại những hình thái kết cấu hay các dấu vết hoạt động của những sinh vật thời kì đó được bảo lưu
- Phức hệ hoá thạch : 1 tổ hợp tự nhiên của tất cả các loại hoá thạch đặc trưng hoặc của một nhóm hoá thạch riêng biệt gặp trong 1 phần hay toàn bộ 1 phân vị địa tầng
- Phân vị địa tầng là 1 lớp địa tầng không bị gián đoạn và liên tục với nhau (có tính đồng nhất) Trong mỗi phức hệ, hoá thạch thu được trong 1 địa tầng sẽ có những khoảng thời gian xuất hiện và mất đi khác nhau Dựa vào tập hợp các hoá thạch này để xác định tuổi tương đối của đất đá
- Pp này thường áp dụng đối với các đá trầm tích vì các đá macma không hoá thạch (do đá macma thành tạo trong điều kiện nhiệt độ cao nên các sinh vật không thể tồn tại bên trong được), còn đá biến chất hay các đá trầm tích cổ thì các hoá thạch đã bị phân huỷ
* Phương pháp thạch học
- Cơ sở : so sánh thành phần thạch học (thành phần khoáng vật, thành phần hoá học, kiến trúc, cấu tạo, thế nằm, …) ở các khu vực khác nhau Nếu khu vực đó có đất đá giống nhau về thành phần kiến trúc, cấu tạo và các đặc điểm khác thì có cùng 1 tuổi
- Pp này sử dụng hiệu quả nếu trong mặt cắt địa tầng chuẩn có các địa tầng được nghiên cứu kỹ
và để làm cơ sở cho việc so sánh với các tầng đá khác ở các mặt cắt khác nhau
- tầng đá chuẩn (mặt cắt địa tầng chuẩn) là 1 tập hợp đá phân tầng có những đặc trưng rõ ràng về thạch học, khoáng vật … ổn định trong vùng địa lý và dễ dàng nhận biết trong mặt cắt địa chất
- pp ngày thường áp dụng cho đá macma và đá biến chất tuy nhiên đối với đá trầm tích chưa tìm thấy hoá thạch cũng có thể xác định tuổi bằng cách liên hệ với các tầng đá tương tự đã được xác định tuổi ở nơi khác
* Phương pháp địa tầng
- Pp này dựa trên quan hệ thế nằm của các tầng đá với nhau để xác định tuổi tương đối của đất
đá và các hiện tượng địa chất khác
- Nguyên lý xếp chồng của đất đá : các tầng đá hình thành sau có tuổi ít hơn và nằm trên các tầng đá hình thành trước
- Nguyên lý cắt nhau của đất đá : bất kì đá nào cắt hoặc xuyên qua tập đá thứ 2 thì cũng trẻ hơn
đá bị cắt (dùng hữu ích để xác định tuổi của đá macma và đá biến chất)
- Đầu tiên, ta phải phân chia địa tầng Tức là nghiên cứu, mô tả các đặc trưng của các lớp đá, các tầng đá và mối quan hệ của chúng trong mặt cắt đang xét Sau đó, chúng ta sẽ đối chiếu trình tự địa tầng ở các mặt cắt khác nhau để xác lập mối quan hệ địa tầng
- Đối với đá trầm tích, khi chưa bị đảo lộn thế nằm, các tầng đá thành tạo sau sẽ nằm trên các tầng đá thành tạo trước
- Đối với đá macma phun trào cũng xác định giống như các đá trầm tích
- Đối với đá macma xâm nhập, có thể dựa vào mối quan hệ với đá trầm tích vây quanh để xác định tuổi Đá xâm nhập cắt tầng đá trầm tích hoặc làm biến chất đá vây quanh thì có tuổi nhỏ hơn Nếu không có các hiện tượng trên thì đá macma xâm nhập có tuổi cổ hơn
- Đối với các hiện tượng địa chất như uốn nếp, đứt gãy, phong hoá … thì thông qua việc phân tích mặt cắt địa chất , phân tích mối quan hệ của chúng đối với các tầng đá sẽ xác định được giới hạn tuổi của chúng
III.1.4 Niên biểu địa chất
- Là 1 niên biểu thể hiện lịch sử phát triển địa chất, cổ sinh vật từ khi TĐ được hình thành cho đến nay
Trang 20- Niên biểu được chia thành các đại, kỷ, thế … tương ứng của các tập được hình thành trong đại,
900 Nguyên sinh nguyên sinh muộn 355
2500
nguyên sinh
III.2 Các giả thiết địa kiến tạo và ảnh hưởng của nó đến xây dựng công trình
- Hiện tượng kiến tạo : là hiện tượng xảy ra do nội động lực phát sinh trong vỏ trái đất làm thay
đổi cấu trúc các lớp đất đá cấu tạo nên vỏ trái đất, tách vỏ trái đất thành nhiều mảng và các mảng này tương tác với nhau để tạo nên các dạng địa hình trên trái đất
Trang 21- Giả thiết địa kiến tạo : nêu lên nguồn gốc của các chuyển động kiến tạo, tác động của chúng
đối với sự hình thành và phát triển các biến dạng cấu tạo của TĐ trong không gian và thời gian Nguồn gốc các chuyển động kiến tạo có liên quan chủ yếu với các nhân tố và quá trình lý hoá xảy ra bên trong TĐ mà khoa học chưa trực tiếp nghiên cứu được
- Có thể đưa ra 2 giả thiết lớn : giả thiết động và giả thiết tĩnh
* Nhóm giả thiết tĩnh
Nhóm giả thiết tĩnh (các dao động theo phương thẳng đứng) gọi là chuyển động thăng trầm của vỏ TĐ Dạng chuyển động này thường xảy ra dưới dạng các dao động nhẹ nhàng trên 1 phạm vi rộng của vỏ TĐ, và kết quả của nó làm biến đổi vị trí các lục địa và đại dương
Khi bề mặt vỏ TĐ được nâng lên, biển rút ra nên lục địa được mở rộng Ngược lại khi bề mặt vỏ TĐ hạ thấp xuống, biển tràn vào lục địa làm thu hẹp phạm vi lục địa do vậy vị trí của lục địa và đại dương từ trước đến nay đều cố định và không thay đổi
* Nhóm giả thiết động
Cơ sở của giả thiết động là vỏ TĐ có khả năng trượt tự do trên móng của chúng Vận động của vỏ TĐ xảy ra chủ yếu theo phương nằm ngang và theo phương đứng chỉ là biến dị của phương ngang
Lực tác dụng của theo phương ngang với cường độ mạnh làm cho đất đá trên bề mặt vỏ
TĐ bị xô đẩy theo phương ngang làm cho đất đá bị nếp gấp hoặc bị đứt ra và dịch chuyển thay đổi vị trí đi nơi khác Kết quả của vận động ngang này thường tạo ra các dãy núi lớn của thế giới
III.2.1 Kiến tạo mảng
* Mô hình kiến tạo mảng:
- Thuyết kiến tạo mảng là một học thuyết theo cơ chế động Thạch quyển của Trái đất được phân ra 1 số mảng mà ranh giới giữa chúng là các đới tách giãn đại dương, nơi có hoạt động kiến tạo, động đất, núi lửa mạnh nhất Dọc theo ranh giới này xuất hiện các đứt gãy toác, đứt gãy chờm, hoặc những dịch chuyển ngang
- Thành phần của hai dạng lớp vỏ khác nhau một cách đáng kể Lớp vỏ đại dương chủ yếu chứa các loại đá bazan, trong khi lớp vỏ lục địa chủ yếu chứa các loại đá granit với tỷ trọng thấp có chứa nhiều nhôm và điôxít silic (SiO2) Hai dạng này của lớp vỏ cũng khác nhau về độ dày, trong đó lớp vỏ lục địa dày hơn một cách đáng kể
- Sự chuyển động của quyển mềm làm cho các mảng kiến tạo bị chuyển động theo một tiến trình gọi là sự trôi dạt lục địa, nó được giải thích bằng thuyết kiến tạo mảng Sự tương tác giữa các mảng kiến tạo đã tạo ra các dãy núi và núi lửa, cũng như tạo ra các trận động đất và các hiện tượng địa chất khác
Trang 22- Ranh giới giữa các mảng kiến tạo không trùng với ranh giới các châu lục Hiện nay người ta biết rằng Trái Đất là hành tinh duy nhất trong hệ Mặt Trời có hiện tượng kiến tạo mảng, mặc
dù có một số giả thuyết cho rằng Hỏa Tinh có thể cũng đã từng có các mảng kiến tạo trong quá khứ trước khi lớp vỏ của nó bị đông cứng lại tại chỗ
III.3 Địa mạo, ảnh hưởng của địa mạo đến xây dựng công trình
- Địa mạo là địa hình của 1 khu vực xét trên các mặt nguồn gốc, hình thái và là 1 bộ phận cần thiết của nghiên cứu ĐCCT
- Địa hình là 1 khái niệm được sử dụng để mô tả diện mạo bề mặt lớp vỏ cừng của TĐ Nó là tập hợp của các dạng địa hình như : đồi, sông, suối,….Và nhiệm vụ của địa mạo là phải giải thích và phân loại các dạng địa hình và các tập hợp của chúng Ngoài việc mô tả diện mạo của bề mặt
TĐ còn phải tìm hiểu nguồn gốc phát sinh và lịch sử ohát triển của nó
- Dạng địa hình có thể nhô cao lên so với mặt ngang gọi là địa hình dương, hoặc có thể lõm xuống gọi là địa hình âm
- Các dạng địa hình cũng là những thành tạo có phát sinh, phát triển và cuối cùng thoái hoá để tạo
ra những dạng địa hình khác Sự phát sinh, phát triển này phụ thuộc chặt chẽ vào 2 nhóm động lực chủ yếu : nội lực và ngoại lực
Nội lực : quá trình vận động kiến tạo của vỏ TĐ, các quá trình lý hoá trng lòng đất, hoạt động của núi lửa, động đất và cấu trúc địa chất
Ngoại lực : các tác nhân như gió, dòng chảy, sóng biển … cũng làm bào mòn và tạo nên các dạng địa hình trên bề mặt TĐ
- Tuy là 2 quá trình luôn xảy ra song song nhau nhưng vai trò của nội lực mang tính chủ động, bởi
vì chính nội lực làm cho địa hình mấp mô không bằng phẳng, tạo ra những khối trồi lên hay mảng hạ xuống (vực thẳm), trên đó quá trình chịu ảnh hưởng của nội lực sẽ phụ thuộc vào điều kiện khí hậuđẩ giảm bớt dần sự mấp mô đó
III.4 Các dạng biến vị của vỏ TĐ
- Ta đã biết các dạng thế nằm của đất đá bao gồm thế nằm ngang, thế nằm nghiêng … Do các chuyển động kiến tạo của vỏ TĐ, các đá trầm tích sau khi được hình thành đã bị thay đổi thế nằm, từ thế nằm ngang chuyển sang thế nằm nghiêng, uốn nếp, đứt gãy
- Thế nằm ngang : thế nằm ban đầu của đất đá Thế nằm ngang thường gặp ở những miền mà các chuyển động kiến tạo của vỏ TĐ yếu hoặc lớp đá chưa trải qua các quá trình chuyển động kiến tạo nào đáng kể
- Thế nằm nghiêng : thế nằm nghiêng của lớp đá có thể là thế nằm nguyên sinh (được hình thành ngay từ ban đầu theo địa hình dốc) Để thể hiện vị trí của một lớp đá nằm nghiêng, cần xác định các yếu tố thế nằm nghiêng của lớp đó
đường phương – góc phương vị đường phương
- Nếp uốn được chia thành 2 dạng chính :
Nếp uốn lồi : là dạng uốn cong của các lớp đá, hướng bề lồi lên phía trên Vì thế ở phần trong (phần nhân của nếp uốn lồi có các đá cổ nhất)
Nếp uốn lõm : là dạng uốn cong của các lớp đá, hướng bề lồi về phía dưới nên nhân của nếp uốn lõm có các đá trẻ nhất
- Cấu trúc của uốn nếp
Trang 23 Sườn của nếp uốn gọi là cánh (chú ý : đối với nhiều loại nếp uốn, cánh của nếp uốn vừa thuộc nếp uốn lõm vừa thuộc nếp uốn lồi phía bên cạnh)
Nơi uốn cong nhất tạo nên nếp lồi hay nếp lõm được coi là vòm của nếp uốn và đường nối các điểm uốn cong đó gọi là đỉnh của nếp uốn (vì nơi đó có cao độ lớn nhất)
Mặt phẳng chứa đỉnh của nếp uốn và phân nếp uốn thành 2 phần bằng nhau gọi là mặt trục
- Các dạng nếp uốn : (dựa vào độ dốc của cánh và của mặt trục nếp uốn so với mp nằm ngang)
Nếp uốn thẳng đứng (nếp uốn cân) : các cánh của nếp uốn đều dốc về 2 phía cả 2 cánh đều
có cùng độ dốc và mặt trục của nếp uốn hợp với phương ngang 1 goc vuông
Nếp uốn nghiêng (nếp uốn không đối xứng) các cánh của nếp uốn cũng dốc về 2 phía nhưng với góc dốc khác nhau Do vậy, mặt trục nếp uốn cũng nghiêng 1góc <900 so với
mp nằm ngang
Nếp uốn nằm : các cánh và mặt trục của nếp uốn hầu như nằm ngang
Nếp uốn đổ : các cánh và mặt trục của nếp uốn đều dốc về 1 phía
Nếp uốn chúi đầu : thứ tự địa tầng bị đảo ngược
- Trường hợp các đá bị nứt và bị dịch chuyển các mặt nứt gọi là hiện tượng đứt gãy
Đứt gãy thuận : là những đứt gãy rong đá, mặt đứt gãy dốc về phía đá trượt xuống (đứt gãy trượt theo hướng dốc có cánh trên có khuynh hướng di chuyển xuống dưới và cánh dưới trồi lên )
Đứt gãy nghịch : đứt gãy trượt theo hướng dốc có cánh trên di chuyển lên phía trên còn cánh dưới dịch chuyển xuống dưới
Trang 24CHƯƠNG IV : CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT ĐÁ
IV.1 Tính chất nước của đất đá
- Biểu hiện của tính chất mao dẫn của đất : chiều cao cột nước có thể giữ được bởi lực mao dẫn (sức căng bề mặt) và lực dính do mao dẫn
Sức căng bề mặt α (lực căng trên 1 đơn vị chiều dài cắt ngang bề mặt) có phương tiếp tuyến với mặt căng nước
θ : góc ướt (đặc trưng phân tử giữa nước và hạt rắn)
Lực kéo căng mặt nước 2πrα (do 2 lực tác dụng 2 bên thành của ống), chiếu lên phương thẳng đứng có P = 2πrα.cosθ => chính lực kéo căng P này làm nước dâng lên trong ống Trọng lực của cột nước trong ống làm kéo nước hạ xuống G = πr2 .Hmd ρ g
r : bán kính ống mao dẫn
Hmd : chiều cao mao dẫn khi cân bằng
g : gia tốc trọng trường
ρ : khối lượng riêng của nước
chiều cao mao dẫn đạt giá trị cực đại khi P = G
=> 2πrα.cosθ = πr2 .Hmd ρ g => chiều cao mao dẫn
g r
H md
cos 2
Trang 25- Ảnh hưởng của mao dẫn : gây ẩm ướt cho cơng trình, tính chất cơ lý của đất đá giảm xuống
- Nguyên nhân: lực tương tác của nước và khí với các hạt đất, thể hiện ở sự tẩm ướt các hạt đất, tạo nên trong các lỗ rỗng những mặt khum và một số hiện tượng khác Chiều cao dâng mao dẫn tỉ lệ nghịch, cịn tốc độ dâng thì tỉ lệ thuận với đường kính các mao quản Trong đất sét dâng tới hàng mét, trong những loại đất khác, hàng centimét đến vài mét
IV.1.3 Tính chứa nước của đất đá
+ Đất đá là một tập hợp các hạt khĩang vật ở thể rắn, các lỗ rỗng chứa nước và khơng khí
- Thể rắn gồm các hạt khĩang vật thường gọi là hạt đất Tính chất của đất phần lớn phụ thuộc vào độ lớn, hình dạng hạt và các thành phần khống vật khác của chúng
- Trong đất đá ở điều kiện tự nhiên lúc nào cũng chứa 1 lượng nước nhất định Lượng nước này là pha lỏng ở trong đất Nước cĩ tác dụng mạnh với các hạt khống vật trong đất
- Nếu các lỗ rỗng trong đất đá khơng chứa đầy nước thì khơng khí sẽ lấp đầy các chỗ
đĩ Và khơng khí này chính là pha khí của đất đá
+ Do vậy, để thuận tiện, người ta đưa ra mơ hình đất gồm 3pha được tách rời ra với các lượng riêng biệt nhưng vẫn giữ được tỉ lệ chuẩn xác giữa chúng
Mơ hình đất chi tiết biểu thị các lượng thể tích và khối lượng khác nhau
rắn
nước không khí
* Tính chất nước của đất đá được đánh giá bởi 2 chỉ tiêu
a/ Độ ẩm tự nhiên (W) : Độ ẩm tự nhiên của đất đá được biểu thị bằng tỉ số giữa khối lượng nước chứa trong đất đá ở điểu kiện tự nhiên với khối lượng của hạt đất
%100
tn
V
V W
Trang 26- Tính trương nở là hiện tượng tăng thể tích của đất khi tác dụng tương hỗ với nước hay dung dịch
- Các đặc trưng của đất trương nở
+ Biến dạng trương nở : độ biến dạng của đất đá trước và sau khi đất trương nở (có thể
so sánh về chiều cao mẫu đất hoặc thể tích mẫu đất trước và sau khi trương nở)
%100
%
h
h h x
V
V V R
s
s tn s
s tn tn
−
=
−
=
Vtn , htn : thể tích và chiều cao của đất khi trương nở
Vs , hs : thể tích và chiều cao của của mẫu đất
+ Áp lực trương nở : là áp lực phát sinh trong quá trình trương nở Áp lực này được đo
bằng lực tác dụng lên mẫu đất khi làm ướt và nén không nở hông, và có biến dạng trương
nở bằng không
+ Độ ẩm trương nở : là độ ẩm ứng với trạng thái mà ở đó quá trình hấp thụ nước hay
dung dịch lóng khác của đất ngừng lại (khi sự trương nở kết thúc)
%100
s
s tn tn
m
m m
mtn : trọng lượng mẫu đất sau khi trương nở
ms : trọng lượng đất khô tuyệt đối
- Đất trương nở đặc biệt là đất trương nở không đều không những chỉ làm giảm cường độ của đất đá thông qua sự phá vỡ nối liên kết giữa các hạt mà nhiều khi còn phá hoại cả khối đất thông qua hệ thống các khe nứt phát sinh trong quá trình trương nở
b/ Tính co ngót
- Ngược với trương nở là co ngót, do đất bị thoát nước
- Tính co ngót của đất đá là sự giảm thể tích của đất đá khi bị hong khô
- Trong xây dựng công trình, đặc biệt là khi thi công hố móng, đất nền có thể nở, có thể co làm cho tính chất vật lý, cơ học của đất nền bị thay đổi, không còn phù hợp với thiết kế
và là nguyên nhân gây ra hư hỏng công trình
IV.2 Tính chất vật lý của đất đá
IV.2.1 Tính lỗ rỗng và khe nứt
a Tính lỗ rỗng của đất đá : đặc trưng bởi các chỉ tiêu sau :
Độ rỗng : là tỷ số giữa thể tích phần rỗng của đất đá với thể tích toàn bộ đất đá
%100
Cát hạt nhỏ và hạt mịn, cát pha sét
nhẹ
< 38 38 – 44 > 44 Sét, sét pha cát, cát pha sét nặng < 30 30 – 45 > 45
Trang 27- Hệ số rỗng là 1 chỉ tiêu cĩ thể cho biết sơ bộ đặc tính cường độ của đất do đĩ dùng
để đánh giá độ chặt của đất (xem bảng phân loại theo độ chặt)
Hệ số rỗng
Đất
Độ chặt Chặt Chặt vừa Chặt ít Cát lẫn sỏi, cát hạt to và hạt vừa < 0.55 0.55 – 0.7 > 0.7
max
e e
e e D
−
−
=
emax : hệ số rỗng của cát khi kết cấu xốp nhất (trạng thái rỗng nhất)
emin : hệ số rỗng của cát khi kết cấu chặt nhất
e : hệ số rỗng của cát ở trạng thái tự nhiên Dựa vào độ chặt tương đối D, người ta chia ra 3 trạng thái như sau :
33.0
0< D≤ : trạng thái rời xốp
67.033
0 < D≤ : trạng thái chặt vừa
167
0 < D≤ : trạng thái chặt nhất
0 0.33 0.67 1 D
rời xốp chặt vừa chặt nhất
Đối với đất loại sét thì dùng chỉ tiêu độ đặc của đất dính Ta so sánh độ đặc của đất sét cĩ kết cấu tự nhiên với độ đặc ứng với kết cấu ở trạng thái chảy và dẻo
d
W W
W W B
−
−
=
Wch : độ ẩm giới hạn khi đất chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái chảy
Wd : độ ẩm giới hạn khi đất chuyển từ trạng thái cứng sang trạng thái dẻo
W : độ ẩm giới hạn của đất ở trạng thái tự nhiên Dựa vào độ đặc tương đối B cĩ thể biết được trạng thái vật lý của đất sét :
1
≥
B : trạng thái chảy
Trang 281> B≥ : trạng thái dẻo 0
<
B : trạng thái rắn
*** Trong thực tế, đất ở trạng thái tự nhiên không hoàn toàn là đất cát hoặc đất sét Có
sự pha trộn giữa các loại cát và sét với nhau nên việc đánh giá độ đặc của đất dính cần phải xét trong các trường hợp này
- Để phân biệt các trạng thái trộn lẫn giữa đất cát và đất sét ta xét đến chỉ số dẻo Id =
0< B≤ : trạng thái nửa cứng
5.025
0 < B≤ : trạng thái dẻo cứng
75.05
0 < B≤ : trạng thái dẻo mềm
175
- Tính nứt nẻ của đá được đánh giá qua 2 chỉ tiêu sau :
∗ Độ nứt nẻ: là số lượng khe nứt của đá trên 1 đơn vị chiều dài (mét)
∗ Độ khe hở: độ khe hở là tỷ số giữa diện tích khe hở tạo bởi các khe nứt và diện tích đá kể cả khe nứt trên 1 mặt cắt nào đó
- Độ khe hở thường được xác định trên sườn dốc, vách hố đào, nóc đường hầm … với diện tích khe từ 4-8m2
- Phân loại độ nứt nẻ của đá :
Kk ≤ 2% : nứt nẻ yếu
2% < Kk ≤ 5% : nứt nẻ vừa
5% < Kk ≤ 10% : nứt nẻ mạnh
10% < Kk ≤ 20% : nứt nẻ rất mạnh
IV.2.2 Dung trọng của đất đá
- Dung trọng của đất là khối lượng của 1 đơn vị thể tích đất
- Tùy theo lượng chứa tương đối của các pha trong đất, có thể phân dung trọng ra thành các loại như sau :
a Dung trọng tự nhiên (dung trọng ướt) : là khối lượng của một đơn vị thể tích đất đá ở
trạng thái tự nhiên
Trang 29- Dung trọng tự nhiên là tỷ số giữa khối lượng đất đá ở trạng thái tự nhiên và thể tích của nó
r h
n h W
V V
Q Q V
Qh : khối lượng phần hạt của đất đá (g)
Qn : khối lượng phần nước trong đất đá (g)
Vh : thể tích phần hạt trong đất đá (cm3)
Vr : thể tích phần nước và không khí trong đất đá (cm3)
- Dung trọng tự nhiên của đất thay đổi trong phạm vi 1,5-2,0 g/cm3, đối với đá cứng chắc thì dung trọng tự nhiên xấp xỉ bằng dung trọng hạt
- Dung trọng tự nhiên đặc trưng độ chặt kết cấu của đất vì vậy cho phép nhận xét gián tiếp về độ bền, tính biến dạng và độ ổn định Ngoài ra, dung trọng tự nhiên còn được sử dụng trực tiếp trong tính tóan công trình
- Dung trọng bão hòa nước là dung trọng tự nhiên lớn nhất, là khối lượng 1 đơn vị thể tích đất ở trạng thái no nước (tức là toàn bộ lỗ hổng của đất đều chứa đầy nước)
V
Q Q V
Qh : khối lượng phần hạt của đất đá (g)
Qr : khối lượng phần nước trong đất đá – kể cả phần không khí bị nước chiếm chỗ (g)
V : thể tích đất đá tự nhiên (cm3)
b Dung trọng khô : là khối lượng khô (cốt đất đá) của một đơn vị thể tích đất đá tự nhiên
- Dung trọng khô là tỷ số giữa khối lượng đất đá ở trạng thái khô chia cho thể tích toàn bộ đất đá
r h
h h
k
V V
Q V
Q
+
=
=γ
Qh : trọng lượng phần hạt của đất đá (g)
Vh : thể tích phần hạt trong đất đá (cm3)
Vr : thể tích phần nước và không khí (phần rỗng) trong đất đá (cm3)
- Dung trọng khô tương đối ổn định vì nó không phụ thuộc vào độ ẩm Độ lỗ rỗng càng nhỏ(mức độ nén chặt càng cao), đất đá chứa nhiều khoáng vật nặng thì dung trọng khô càng cao
- Dung trọng khô được dùng làm chỉ tiêu kiểm tra chủ yếu về mức độ nén chặt của đất trong thân công trình bằng đất (đập, đê, nền đường…) Một số công trình đập đất ở nước ta đã thiết kế với dung trọng khô gk=1,45-1,70 g/cm3
c Dung trọng hạt : là khối lượng của 1 đơn vị thể tích hạt rắn của đất đá
- Dung trọng hạt là tỷ số giữa khối lượng hạt rắn và thể tích của phần hạt
h
h h
- Dung trọng hạt còn phụ thuộc vào sự có mặt các tạp chất trong thành phần đất đá
Vì vậy mỗi loại đất đá có thể có một số giới hạn biến đổi dung trọng
d Dung trọng đẩy nổi : là khối lượng ở trong nước của đơn vị thể tích đất đá ở trạng thái
tự nhiên
Trang 30- Dung trọng đẩy nổi hay dung trọng của nước nằm dưới mực nước ngầm được tính bằng khối lượng của đơn vị thể tích đất đá cĩ kể đến lực đẩy nổi của nước
n bh
IV.2.4 Bảng liên hệ các chỉ tiêu vật lý của đất đá
Chỉ tiêu cần xác định Công thức
−+
−
=1
1 e
e n
+
=Độ bão hòa G
W n
W
W
W G
γγ
γ
−+
Δ
Δ
=
)01,01.(
01,0
e
W
G= 0,01 ΔDung trọng hạt (g/cm3)
n
k h
01,0
01,0
=1
)
1
γ γdn =γbh −γn
IV.3 Tính chất cơ học của đất đá
IV.3.1 Tính biến dạng trong đất đá
- Dưới tác dụng của tải trọng , thì đất đá bị co ép lại và thay đổi hình dạng cũng như kích thước Thể tích các lỗ hổng trong đất bị giảm nhỏ do các hạt khống vật dịch chuyển tương đối tương đối với nhau, do biến dạng của chính các hạt đất và do nước hay khí chứa trong các lỗ rỗng
- Đất thơng thường được nén chặt chủ yếu do thể tích lỗ rỗng giảm, nên biến dạng nén của đất được biểu hiện qua trị số biến đổi của hệ số rỗng, cịn đối với đất bão hồ nước thì được biểu hiện thơng qua trị số biến đổi của độ ẩm
- Tính biến dạng của đất thường đánh giá bằng các chỉ tiêu nén lún Các chỉ tiêu đặc trưng của biến dạng như : hệ số nén lún, modun biến dạng … cho phép ta dự tính độ lún, độ ổn định và khả năng chịu tải lớn nhất của nền đất
IV.3.2 Độ bền của đất đá
Trang 31- Độ bền của đất được thể hiện bằng sức chống cắt thông qua lực dính kết và góc ma sát trong Các chỉ tiêu này giúp ta có thể thiết kế độ nghiêng của mái dốc đất đắp sao cho hợp lý, đánh giá khả năng ổn định của mái dốc, tính áp lực đất sau lưng tường chắn, sức chịu tải của nền đất …
- Độ bền của đất đá thường được đánh giá qua các chỉ tiêu : cường độ chống nén và kéo, cường độ chống trượt…
- Đối với đá : trong đá cứng lực chống trượt phụ thuộc vào độ bền liên kết giữa các hạt Trong đất đá, lực chống trượt rất lớn và các hạt khoáng liên kết chặt với nhau Lực chống trượt trong đá cứng đảm bảo ổn định cho công trình xây dựng lên nó
- Đối với đất rời : lực chống trượt trong đất đá rời rạc chủ yếu phụ thuộc vào lực ma sát xuất hiện khi các hạt dịch chuyển lên nhau
- Đối với đất loại sét (đất dính) sức chống cắt không chỉ phụ thuộc vào lực ma sát trong mà còn phụ thuộc vào lực dính của các hạt Vì các hạt đất được liên kết với nhau bằng các loại keo kết dính nên chịu tác dụng của lực dính Các hạt sắp xếp theo các góc cạnh và có khả năng trựơt lên nhau khi chịu tải trọng ngoài, do vậy nó cũng chịu ảnh hưỡng của lực ma sát giữa các hạt với nhau tạo nên góc ma sát trong
IV.4 Phân loại đất đá
IV.4.1 Phân loại đất đá theo quan điểm ĐCCT
- Đây là loại đá hoàn hảo nhất về mặt xây dựng công trình Chúng được phân biệt bởi
độ bền và độ ổn định cao, độ biến dạng bé và độ ngấm nước yếu Các khoảnh phân
bố các loại đá như vậy là thuận lợi để xây dựng bất cứ công trình nào mà không gặp những hạn chế đáng kể, và thường không phải áp dụng các biện pháp để đảm bảo
có hang hốc, tuy vẫn có độ bền cao ở mẫu thí nghiệm
- Trong nhiều trường hợp, những khoảnh phân bố đá nửa cứng đều là thuận lợi cho việc xây dựng các công trình khác nhau, kể cả những công trình quan trọng, nhưng đều phải tuân thủ những điều hạn chế nhất định và phải áp dụng những biện pháp công trình phức tạp để đảm bảo độ ổn định và khai thác bình thường của công trình
c Nhóm đất đá rời rạc
- So với đá cứng và đá nửa cứng được đặc trưng bởi độ bền, độ ổn định thấp và độ biến dạng lớn Một số loại đất thuộc các nhóm này đều ngấm nước mạnh Những nhóm đất rời xốp và đất mềm dính bao gồm các kiểu nguồn gốc khác nhau của đất
Trang 32trầm tích Chúng có đặc điểm là trạng thái vật lý và tính chất biến đổi nhiều Điều kiện xây dựng công trình trên những loại đất đó thường kèm theo nhiều hạn chế lớn
- Nhóm này bao gồm : dăm, cuội, sỏi, cát
- Đặc tính chung là không có liên kết kiến trúc giữa các hạt, tỉ trọng nhỏ 1.4-1.9, độ rỗng lớn 25-40%, có khả năng chứa nước và thấm nước cao Tính ổn định của đất
đá phụ thuộc vào độ chặt của chúng
d Nhóm đất mềm dính
- Bao gồm : sét, sét pha, cát pha
e Nhóm đất có tính chất đặc biệt
- Bao gồm : bùn, than bùn, đất muối hóa, cát chảy, thổ nhưỡng
- Các loại đất này thường yếu về mặt xây dựng
IV.4.2 Phân loại đất theo TCVN
Dựa vào chỉ số dẻo người ta phân ra loại đất dính (Id ≥ 1) và đất rời (Id <1)
a Đất dính : dựa vào chỉ số dẻo, người ta phân đất dính ra 3 loại :
Cát pha (á cát) 1 ≤ Id ≤ 7
Sét pha (á sét) 7 < Id ≤ 17
b Đất rời
Dựa vào hàm lượng hạt chiếm ưu thế có đường kính >2mm
- Hàm lượng hạt chiếm trên 50% : đất hòn lớn (đá dăm, cuội, sạn, sỏi)
- Hàm lượng hạt chiếm nhỏ hơn 50% : đất cát
- Dựa vào hàm lượng và đường kính hạt mà phân loại đất rời như sau :
Trang 33q : tỷ số khối lượng của tàn tích thực vật trong mẫu đất sấy ở 100o – 105oC và khối lượng của phần hạt rắn của mẫu đất
IV.4.3 Phân loại đất theo USCS
a Nguyên tắc phân loại :
- Dựa trên thành phần kích thước hạt chiếm ưu thế có đường kính 0,074mm trong đất
để phân chia thành 2 nhóm : hạt thô và hạt mịn
- Đối với nhóm hạt thô : dựa trên các hạt có đường kính 4,76mm để phân chia thành các phụ nhóm
- Đối với nhóm hạt mịn : dựa trên các giá trị giới hạn chảy, giới hạn dẻo, chỉ số dẻo
để phân chia thành các phụ nhóm
- Tên của các loại đất được kết hợp 2 nhóm ký tự sau :
- Đất cuội sỏi (G) : hàm lượng hạt có kích thước lớn hơn 4,76mm chiếm trên 50%
- Đất cát (S) : hàm lượng hạt có kích thước lớn hơn 4,76mm chiếm nhỏ hơn 50%
Mỗi loại được chia thành 4 nhóm :
- Đất chứa ít hoặc không chứa hạt mịn, không có loại hạt nào chiếm ưu thế về hàm lượng, cấp phối tốt, được kết hợp bằng chữ W
Kết hợp với hai chữ cái của tên đất có GW và SW khi hàm lượng hạt mịn chiếm
ít hơn 5% tổng trọng lượng đất và thỏa điều kiện về cấp phối: Cu > 4 (đối với sỏi sạn), Cu > 6 (đối với cát) & Cc =1-3
2 30
