BÀI GIẢNG ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH FULL

Đối tượng và nội dung nghiên cứu Địa chất công trình nghiên cứu đất đá phần trên của vỏ Trái đất, thành phần, tính chất cơ lý của chúng cũng như những tác dụng tương hỗ với môi trường x

MỞ ĐẦU

I Đối tượng và nội dung nghiên cứu

 Địa chất công trình nghiên cứu đất đá phần trên của vỏ

Trái đất, thành phần, tính chất cơ lý của chúng cũng như những tác dụng tương hỗ với môi trường xung

quanh như nước dưới đất, khả năng xuất hiện và biến

đổi trạng thái ứng suất – biến dạng đất đá và các quá

trình địa chất động lực liên quan đến các hoạt động

công trình của con người trong công tác xây dựng cáccông trình khác nhau

 Các nhánh nghiên cứu của Địa chất công trình: Thạch luận công trình; Địa chất động lực công trình; Địa chất công trình chuyên môn; Địa chất công trình khu vực

II Các điều kiện địa chất công trình

cắt, nguồn gốc hình thành và xu thế phát triển của địahình, nơi dự định xây dựng công trình

CÔNG TRÌNH NGẦM

ĐƯỜNG GIAO THÔNG

KHU NHÀ Ở

•Cấu tạo và cấu trúc địa chất: Sự phân bố, thành phần, tính chất xây dựng của đất đá (cường độ chịu lực, độ ổn định, khả năng thấm nước,…) và các biến động địa chất như: uốn nếp, nứt

nẻ, đứt gãy…

công trình

đất tốt đất yếu

công trình

đất tốt đất yếu

công trình

đất tốt

đất yếu

NỀN

MÓNG độ sâu chôn móng

độ sâu ảnh hưởng cần thiết khảo sát mặt đất

Các tác dụng địa chất: Các hiện tượng địa chất như: độngđất, trượt lở, cacstơ, xĩi ngầm…

Địa chất thủy văn: Độ sâu mực nước ngầm (sự thay đổimực nước ngầm theo mùa), thành phần hĩa học (mức độ ănmịn bê tơng và các loại vật liệu xây dựng khác), tính chất vàquy luật vận động, sự phân bố của nước dưới đất…

mặt đất

mực nước ngầm

hố móng bị ngập

Các điều kiện địa chất công trình

• Điều kiện vật liệu xây dựng: tình hình phân bố các loại vật

liệu (vị trí và trữ lượng), loại vật liệu, phương pháp khai thác

và vận chuyển các loại vật liệu…

Địa chất công trình có các nhiệm vụ chính sau:

 - Xác định các điều kiện địa chất công trình: lựa chọn vị trí bố trí công trình thích hợp, kiến nghị các biện pháp công trình.

 - Nêu điều kiện thi công, dự đoán các hiện tượng địa chất

xảy ra trong khi thi công và sử dụng công trình.

 - Đề ra các biện pháp phòng ngừa và cải tạo các điều kiện bất lợi.

 - Cung cấp khả năng cung cấp vật liệu xây dựng thiên nhiên cho công trình.

 2 Nội dung của Địa chất công trình: Đối tượng của

ĐCCT là đất đá, nước dưới đất và tác dụng qua lại củachúng với nhau và với môi trường bên ngoài Do vậy đốitượng của Môn học rất đa dạng, phức tạp, luôn luônthay đổi

 3.2 Các phương pháp tính toán lý thuyết

 Dựa vào các phương trình toán học từ các thông số đã

có tìm các thông số chưa biết: độ lún, lưu lượng nước…

 Tính toán nhanh chóng, ưu thế trong trường hợp thínghiệm khó tiến hành

tự địa chất

chương trình

CHƯƠNG 1.

KHOÁNG VẬT VÀ ĐẤT ĐÁ

Đất đá tạo bởi 1 hoặc nhiều khoáng vật.

Theo nguồn gốc, đất đá được chia làm 3 loại chính:

 Macma (có nguồn gốc nội sinh)

 Trầm tích (có nguồn gốc ngoại sinh)

 Biến chất (có nguồn gốc biến chất)

1.1 CẤU TẠO TRÁI ĐẤT VÀ VỎ TRÁI ĐẤT

Cấu tạo các vòng quyển bên trong Trái đất:

• Vỏ.

• Manti.

• Nhân.

1.2 KHOÁNG VẬT

phần cơ bản tạo nên đất đá.

phần khoáng của nó Vì đất đá được tạo thành từ các

khoáng vật

 Khoáng vật tồn tại: rắn, lỏng, khí.

 Để nhận biết khoáng vật thì cần phân biệt đặc điểmnhư:nặng - nhẹ, trắng – đen – vàng - tím, tròn – khôngtròn,cứng – mềm…Tính chất vật lý và cơ lý

1.2.1 Một số đặc tính của khoáng vật

 Hình dạng tinh thể của khoáng vật

• Màu của khoáng vật

Khoáng vật chứa nhiều Fe, Mg có màu sẫm, còn khoáng vật chứa nhiều

Al, Si thì màu nhạt.

•Độ trong suốt và ánh của khoáng vật

•Tính dễ tách (cát khai) của khoáng vật là khả năng của tinh thể và

các hạt kết tinh (mảnh của tinh thể) dễ bị tách ra theo những mặt phẳng song song (như thanh tre khô).

Vết vỡ của khoáng vật

Độ cứng của khoáng vật

Thang độ cứng 1 Talc

1.1.2 Phân loại khoáng vật và mô tả một số

khoáng vật tạo đá chính (khoảng 50 loại)

(khoáng vật trong đá macma, đá trầm tích hóa học);

khoáng vật thứ sinh (trong đá trầm tích và đá biến chất).

 Nhóm 1: gồm các khoáng vật có liên kết cộng hóa trịgiữa các yếu tố kiến trúc cơ bản Độ bền cao (silicat)

 Nhóm 2: gồm các khoáng vật có liên kết ion giữa cácyếu tố kiến trúc cơ bản.Cường độ giảm khi tan (NaCl…)

 Nhóm 3: là các khoáng vật liên kết hỗn hợp: liên kếtcộng hóa trị đồng thời có cả liên kết ion, phân tử và liênkết keo nước

Trong thực tế thường phân loại khoáng vật

theo thành phần hóa học (vì có thể liệt

kê được đầy đủ các loại khoáng vật và có thể dự đoán tính chất của khoáng vât)

Theo thành phần hóa học có 9 lớp:

1 Các nguyên tố tự nhiên như: Cu, Au, Ag

2 Sunfua (hợp chất lưu huỳnh) như: pirit (FeS2)

3 Halogenua (muối của các axit halogenhydrit) như: halit

6 Fotfat (muối của axit photphorit): phốtphát (CaP2O5)

(K[AlSi3O8])

9 Hợp chất hữu cơ như: CH4

Giới Thiệu Một Số Khoáng Vật Tạo Đá Chủ Yếu

 a) Lớp silicat

 Lớp silicat chiếm 75% trọng lượng vỏ Trái đất Chúng thường

có màu sặc sỡ, sáng và có độ cứng lớn

 1-Nhóm feldspar là các loại khoáng có màu trắng đục,

chiếm đa số trong các loại đá phổ biến.

 Feldspar là allumosilicat Na, K và Ca

 Na [AlSi3O8]; Ca [Al2Si2O8]; K [AlSi3O8]

 Feldspar natri-canxi còn gọi là plagioclase Chúng gồm

những khoáng vật hỗn hợp đồng hình liên tục của anbit (Ab) Na[AlSi3O8] và anoctit (An) Ca[Al2Si2O8].

 Plagioclase thường có dạng tấm và lăng trụ tấm; màu trắng hoặc xám trắng, đôi khi có sắc lục phớt xanh, phớt đỏ; ánh thủy tinh

 Feldspar kali phổ biến nhất có orthoclase và microclin Màu

hồng nhạt, vàng nâu, trắng đỏ; ánh thủy tinh.

 Các biến thể chính của plagioclase có tên như sau:

Plagioclase

 2/Nhóm mica (dưới dạng các vảy óng ánh trong cát hoặc trong đá macma)

 Mica có thành phần hóa học phức tạp và có đặc điểm là

dễ tách rất hoàn toàn Khoáng vật chủ yếu của nhóm này

 Phổ biến nhất là augit Tinh thể hình trụ ngắn, hình tấm

Tập hợp khối đặc sít Màu đen lục, đen, ít khi lục thẫm hay nâu Dễ tách hoàn toàn

 Phổ biến nhất là hocblen Tinh thể dạng lăng trụ, hình

cột Màu lục hoặc nâu có sắc từ sẫm đến đen

hạt Màu phớt vàng, vàng, phớt lục Ánh thủy tinh Độ

cứng 6,5 – 7 Thường không tách.

Mica

Mica

Nhóm khoáng vật sét

 Khoáng vật sét có kích thước hạt < 0,002mm Hạt nhỏ như thế là khoáng sét.

 Phổ biến và đặc trưng nhất trong nhóm khoáng vật sét

có kaolinit, illit, montmorilonit

 T/c vật lý sét: Tính dẻo, Tính chịu nhiệt, Tính nở (co), Tính hấp phụ.

Khoáng vật sét kaolinit v montmorilonit

Nhóm khoáng vật sét

Khoáng vật sét quan kính hiển vi điện tử

Hạt bụi giữa đám khoáng sét

Nhóm khoáng vật sét

b/Lớp oxit

 Thạch anh là khoáng vật nhóm oxit (SiO2), rất ổn định

về mặt hóa học, có cường độ và độ cứng cao;

 hạt thường có kích thước lớn và đẳng thước

 là thành phần chính của cuội, sỏi, cát và bụi Cát hạt to như cát vàng hầu như hoàn toàn là thạch anh

Thạch anh - quartz

Opal

Thạch anh

Hematit Fe 2 O 3

Manhetit FeO.Fe 2 O 3 Goethite FeO(OH)

Chứa sắt

c/ Lớp carbonat:

 Khoáng vật phổ biến có calcite và dolomit.

 Calcite CaCO 3 Sủi bọt với axit HCl loãng (10%).

 Dolomit CaCO3.MgCO3

d/ Lớp sunphat

 Anhydrit CaSO4

 Gíp (thạch cao) CaSO4.2H2O Tinh thể dạng tấm, ít khi dạng sợi Màu trắng, khi lẫn tạp chất có màu xám, vàng đồng, nâu, đỏ hoặc đen Ánh thủy tinh Độ cứng 2

Tinh thể calcite

Calcite lấp nhét trong các khe nứt

Có chữ calcite

Thạch cao

Lớp sunphat

Pyrit

Galen (chì) Hematit

1.3 KIẾN TRÚC, CẤU TẠO VÀ THẾ NẰM CỦA ĐẤT ĐÁ

Kiến trúc của đất đá là khái niệm tổng hợp từ các yếu tốnhư: hình dạng, kích thước hạt, tỷ lệ kích thước và hàmlượng tương đối của các hạt trong đá cũng như mối liênkết giữa các hạt đó với nhau

Cấu tạo của đất đá cho biết quy luật phân bố hạt khoángvật theo các phương hướng khác nhau trong khônggian và mức độ sắp xếp chặt sít của nó

Thế nằm của đất đá cho ta khái niệm về hình dạng, kíchthước và tư thế của khối đá trong không gian cũng nhưmối quan hệ của các khối đá với nhau

1.4 ĐÁ MACMA

Macma khi thâm nhập vào phần trên của vỏ Trái đất sẽtỏa nhiệt (1000 – 1300oC) và nguội dần, đông cứng lạithành đá macma

Nếu những khối macma này bị đông đặc và nguội đi ở

dưới sâu trong lòng đất thì gọi là đá xâm nhập.

Nếu những khối macma nóng chảy này phun lên mặt đấttheo các khe nứt rồi đông đặc lại và nguội đi thì gọi là

đá phun trào (khí và hơi nướcthoát ra).

Dạng nền

Dạng nấm Dạng lớp, dạng mạch

Dạng lớp phủ

Dạng dòng chảy

Thế nằm đá macma

Thành phần khoáng vật

Dựa vào lượng silic (SiO2), chia thành 4 loại:

 - Đá axit: (> 65%) như: granit, liparit (ryolit), pegmatit

 - Đá trung tính: (55 - 65%) như: diorit, sienit, andezit (đáxanh Biên Hòa)

 - Đá bazơ: (45 - 55%) như: gabro, bazan (khối đá màuđen, chặt sít)

 - Đá siêu bazơ: (< 45%) như: periđôtit, đunit

Kiến trúc

Toàn tinh

Phân loại đá macma theo hàm lượng Si.

Thành phần khoáng vật của granite loại bình thường là

plagioclase axit (anbit, oligioclase) (30%), feldspar kali (30%), thạch anh (30%), 10% là biotit và khoáng vật phụ

 Đá loại trung tính (nhóm diorit va andezit)

Diorit

Andezit

Đá loại bazơ (nhóm đá gabro - bazan): tối màu

Bazan Gabro

Đá loại siêu bazơ : màu hoàn toàn sẫm, kiến trúc toàn

tinh.

Nhóm đá granit - liparit

Liparit

Granit

Granit pocphiarit

Nhóm đá diorit - andezit

Andezit

Nếu lưu ý sẽ thấy đá xanh Biên Hòa (andezit) có thể có kiến trúc pocphia

Mã não

Gabbro

Những bãi đá bazan

đá bazan

Khả năng xây dựng của đá macma

 Nền đá macma phù hợp tốt với tất cả các loại côngtrình

 Khi khảo sát xây dựng công trình, nếu gặp các lớpmacma cần thiết phải khoan sâu qua ít nhất 2m đối với

đá xâm nhập và 5m đối với phun trào và nghiên cứu hồ

sơ lưu trữ cẩn thận

 Đây là loại vật liệu xây dựng cao cấp

Phân loại chi tiết và các yếu tố khác như cấu tạo, diện phân bố,… xem TLTK.

Trong đa số các trường hợp, trầm tích có cấu tạo lớp đặc trưng do tích tụ theo chu kỳ

hướng dốc

Đường phương

Thế nằm nghiêng của đá trầm tích thể hiện bằng đặc trưng  và 

 Trầm tích sinh hóa

 Đá vôi (CaCO3) có thể là trầm tích hóa học hay là xáccủa sinh vật tích tụ lại và thường có cấu tạo đặc sít hoặctinh thể rất nhỏ; thành phần chủ yếu là calcite, rồi đếndolomit và một số tạp chất như: thạch anh, sét, pirit,…

 Đá vôi chứa dolomit (CaCO3.MgCO3) trên 50% thì gọi là

đá dolomit.

ALUVI - BOÀI TÍCH

Đá vôi vi tinh thể

Đá vôi trứng cá

Đá vôi hóa thạch

Đá phấn

Thạch cao

Biên soạn: Bùi Trường Sơn

Chert (đá lửa)

Than đá Peat (than bùn)

Cát kết

Dăm kết Cuội kết

Theo phương dịng chảy các hạt mịn dần

Đá trầm tích khá phổ biến

 Phân biệt đất đá trầm tích cần lưu ý: kiến trúc và nguồn gốc hình thành.

 Đặc điểm xây dựng phụ thuộc nhiều yếu tố nên cần xét chi tiết từng trường hợp: đất rời (cuội, sỏi, cát), đất dính (đất sét, sét pha cát)

Nguồn gốc thành tạo

 Trong thực tế, ngoài những loại đất đá có nguồn gốcthuần túy như đá vôi có thể có nguồn gốc biển hay sinhvật, thực tế ở nước ta cho thấy phần lớn các lớp đất đáchủ yếu có nguồn gốc hỗn hợp như sét pha cát ở vùngmiền núi hay cao nguyên có nguồn gốc tàn tích – suờntích (ed), ở khu Nam bộ có nguồn gốc trầm tích hỗn hợpnhư: amb, am hay mab

1.6 BIẾN CHẤT

Đá biến chất là do đá macma hay đá trầm tích dưới tácdụng của nhiệt độ cao, áp lực lớn hay do các phản ứnghóa học với macma,… bị biến đổi mãnh liệt về thànhphần và tính chất tạo thành

Đặc điểm lưu ý khi khảo sát và phân biệt đá biến chất:

cấu tạo.

Marble

Cấu tạo khối

Đá có cấu tạo khối thường gặp là đá quaczit và đá hoa.

Cấu tạo phiến

Biên soạn: Bùi Trường Sơn

Gneiss

Cấu tạo gneiss

1.7 PHÂN LOẠI ĐẤT ĐÁ THEO QUAN ĐIỂM ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH

 1) Đá cứng: là loại đá hoàn chỉnh nhất trong xây dựng.

Nó bao gồm đại bộ phận đá macma, đá biến chất, đátrầm tích hóa học và trầm tích gắn kết rắn chắc Cócường độ và độ ổn định cao, biến dạng nhỏ, thấm nướcyếu Vùng phân bố đá này rất thuận lợi để xây dựng bất

kỳ các loại công trình nào và thường không cần thiếtcác biện pháp phức tạp để đảm bảo sự ổn định của nó

 2) Đá nửa cứng: bao gồm các loại đá cứng đã bị phong

hóa nứt nẻ mạnh, các đá trầm tích có cường độ gắn kếtthấp Loại này khác đá cứng là cường độ và tính ổnđịnh kém hơn, biến dạng tương đối cao, thấm nướctương đối lớn

1.7 PHÂN LOẠI ĐẤT ĐÁ THEO QUAN ĐIỂM ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH

 3) Đất rời: như cát, sỏi, cuội: mối liên kết giữa các hạt hầu như không có, độ rỗng lớn, dễ bị thay đổi do tác

dụng cơ học bên ngoài (đặc biệt là tải trọng động)

Ngậm nước và thấm nước mạnh.

 4) Đất dính: bao gồm các loại đất sét, đất sét pha: có

cường độ thấp, không ổn định so với đá Có lực dính

Thấm nước kém hoặc không thấm nước, ép co mạnh.

 5) Đất có thành phần trạng thái và tính chất đặc biệt:

nhìn chung đó là các loại đất đá không thuận lợi cho

việc sử dụng làm nền công trình như: bùn sét, đất nhiễm mặn, nhiễm phèn, đất than bùn, đất có tính lún ướt,

trương nở, rác thải,…

PHÂN LOẠI ĐẤT ĐÁ THEO QUAN ĐIỂM ĐCCT

cứng

CHƯƠNG 2

ĐỊA CHẤT KIẾN TẠO

2.1 TÁC DỤNG KIẾN TẠO CỦA VỎ TRÁI ĐẤT

 Trong vỏ Trái đất không ngừng xảy ra những hoạt độnglún chìm, nâng cao, dồn ép tạo ra những nếp uốn, đứtgãy, hoạt động tạo núi… hình thành nên những cấu trúccủa nó – Đó là những hoạt động kiến tạo

 Sự dịch chuyển vỏ Trái dất diễn ra rất chậm chạp; nănglượng rất lớn; đất đá thay đổi, uốn nếp, nứt gãy…

 Dao động thẳng đứng hay chuyển động thăng trầm của

vỏ Trái đất thường xảy ra trong một phạm vi rộng lớnlàm thay đổi vị trí của lục địa hay đại dương

 Khi mặt đất nâng lên, biển rút ra, lục địa được mở rộng

-là biển lùi.

 Ngược lại, khi lục địa hạ thấp, nước biển tràn vào - là

biển tiến.

Dấu vết mực nước biển ở Hà Tiên

Dấu vết mực nước biển ở Hà Tiên

 Kiểu loại đất đá trầm tích có quan hệ mật thiết đến độsâu của biển.

 Biển sâu: trầm tích hạt mịn

 Biển cạn: trầm tích thô như cuội kết…

 Biển càng sâu và thời gian lún chìm càng lâu thì bề dàytrầm tích càng lớn

 Dao động ngang: còn gọi là chuyển động uốn nếp, tạo núi và đứt gãy, tạo nên những nếp uốn Khi ứng suất vượt quá độ bền của đá sẽ nứt nẻ và hình thành đứt gãy.

Lớp trầm tích phân lớp nằm nghiêng (Lâm Đồng)

hướng dốc

Đường phương

Thế nằm nghiêng của đá trầm tích thể hiện bằng đặc trưng  và 

Theo phương vị hướng dốc:

Bài tập

 Khoảng cách giữa các hố khoan trên bình đồ xác định được: a = 90m , b = 135m

 Khi khoan qua các lớp đất phủ thì gặp lớp đá đơn

nghiêng Cao độ bề mặt lớp đá đơn nghiêng tại: HK1 = 84m ; HK2 = 73m; HK3 = 51m

 Xác định (có hình vẽ): Góc phương vị hướng dốc  và góc dốc lớp đá 

5184

L h

tg

2.2.1 Nếp uốn

không mất tính liên tục

phía trên Vùng trung tâm của nếp uốn lồi đất đá có tuổi già hơn đất đá xung quanh.

xuống phía dưới Vùng trung tâm của nếp uốn lõm đất đá có tuổi trẻ hơn đất đá xung quanh.

2.2.2 Đứt gãy

tục và hoàn chỉnh

Thuận

2.2.2 Đứt gãy

Đứt gãy thuận (phay thuận): là những đứt gãy trong

đó mặt đứt gãy dốc về phía đá tụt xuống Khi đứt

đứt gãy thuận.

2.2.2 Đứt gãy

Đứt gãy nghịch (phay nghịch): là những đứt gãy trong

đó mặt đứt gãy dốc về phía đá trồi lên Khi đứt gãy

hướng về phía đất đá có tuổi già hơn thì đó là đứt

Nghịch

2.3 KHE NỨT

 Khe nứt phân chia khối đá thành những khối nhỏ, làmcho khối đá giảm độ bền hoặc thậm chí mất tính liên tục.Khe nứt là những đứt gãy nhỏ ở trong đá nhưng không

có sự dịch chuyển hoặc sự dịch chuyển có độ lớnkhông đáng kể

2.3.1 Phân loại khe nứt (xem tài liệu)

 Hệ thống khe nứt: (a) Một hệ khe nứt; (b) Ba hệ khe nứt

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu đánh giá khe nứt

 Chỉ tiêu chất lượng đá RQD (Rock Quality Designation)

là tỷ số giữa tổng chiều dài các lõi đá dài hơn 10cm vàtổng chiều dài mét khoan được biểu diễn bằng đơn vịphần trăm (%)

Căn cứ trên giá trị RQD, phân chia chất lượng đá: Rất tốt (khi RQD: 90 – 100%), Tốt (khi RQD:

75 – 90%), Trung bình (khi RQD: 50 – 75%), Xấu (khi RQD: 25 – 50%) và Rất xấu (khi RQD:

<25%).