CHƯƠNG 4 những đặc trưng kỹ thuật của đất đá

Phân loại tổng quát của XavarenxkiĐá: Loại vật liệu cấu tạo nên vỏ quả đất trong đó các hạt khoáng vật được liên kết với nhau bởi liên kết cứng ion, hoá trị, xi măng - Đá cứng - Đá nửa c

Chương 4

NHỮNG ĐẶC TRƯNG KỸ THUẬT

CỦA ĐẤT VÀ ĐÁ

4.6 Tính chất cơ lý của mẫu đá và của khối đá

4.7 Các hệ thống kẽ nứt ở trong đá và ảnh hưởng của

chúng

4.8 Các vấn đề cần lưu ý khi khảo sát, đánh giá nền đá

⁄ 4.1 PHÂN LOẠI ĐẤT ĐÁ TRONG

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

1 Mục đích phân loại:

Quả đất thành từng nhóm theo các dấuhiệu về nguồn gốc, thạch học và tínhchất, từ đó có thể lập các bản đồ, mặt cắtđịa chất công trình và đánh giá được đất

2 Cơ sở phân loại

3 Các cách phân loại

a Phân loại tổng quát

- Dựa vào tổ hợp nhiều thông tin

- Sử dụng được cho nhiều lĩnh vực

- Phân loại kém chi tiết

b Phân loại chuyên môn

- Dựa vào chỉ một hoặc một số ít chỉtiêu của đất đá

- Chỉ dùng cho một mục đích chuyênmôn hẹp

4 Phân loại tổng quát của Xavarenxki

Đá: Loại vật liệu cấu tạo nên vỏ quả đất trong đó

các hạt khoáng vật được liên kết với nhau bởi liên kết cứng (ion, hoá trị, xi măng)

- Đá cứng

- Đá nửa cứng

Đất: loại vật liệu rời hoặc giữa các hạt chỉ có

liên kết keo nước

5 Các phân loại chuyên môn

1 Phân loại đất theo tiêu chuẩn xây dựng TCXD:

45-78

- Đất hạt thô: cuội, sỏi, cát theo kích thước nhóm hạt chiếm ưu thế

- Đất hạt mịn: sét, sét pha, cát pha theo chỉ số dẻo

2 Phân loại đất theo tiêu chuẩn xây dựng TCXD

5747:1993

3 Các phân loại không thành tiêu chuẩn riêng

- Theo sự ổn định của đất đá ở mái dốc

- Theo khả năng chịu tải

- Theo khả năng khai thác

- Theo độ kiên cố, chống lại lực phá hoại

- Theo mức độ ngấm nước

Phân loại đất nền theo tiêu chuẩn xây dựng TCXD: 45-78

2 Nhóm đất dính

hạt sét, %Đất sét

Phân loại đất nền theo tiêu chuẩn xây

Đất sỏi sạn cấp phối tốt

Một trong hai điều kiện của GW không thoả mãn GP

Đất sỏi sạn cấp phối kém

Định nghĩa Điều kiện Ký

Cát cấp phối

tốt Một trong hai điều

kiện của SW không

đường A hoặc Ip>7 SC Cát lẫn sét cấp

phối kém

Nhóm 2- Đất cát: hơn 50% lượng hạt thô có kích thước <2mm

Phân loại đất dính theo biểu đồ dẻo

Biểu đồ dẻo I p =0,73(W ch -20)

0 10 20 30 40 50 60

Yêu cầu cần đạt được

trong lĩnh vực xây dựng công trình

- Phân loại đất đá tổng quát củaXavarenxki

dựng TCXD 45-78

⁄ 4.2 NGUỒN GỐC

HÌNH THÀNH ĐẤT

1 Đất tàn tích

2 Đất trầm tích

3 Đất sườn tích, sườn tàn tích

Nội dung:

1 Đất tàn tích

§ Được hình thành do quá trình phong hoá đá,

vì vậy phụ thuộc chặt chẽ vào loại và thành phần đá gốc ban đầu

- Đất phong hoá từ đá magma thành phần và tính chất khá thuần nhất

- Đất phong hoá từ đá trầm tích vụn keo kết xen kẹp thì rất không đồng nhất

- Đất phong hoá từ đá biến chất thì có thể đồng nhất hoặc không, phụ thuộc thành phần của đá gốc

Phong hoá hoá học đá magma cho sản phẩm đồng nhất

Phong hoá không đều của các lớp đá trầm tích xen kẹp

§ Trong đất thường chứa nhiều hạt thô với kích thước và hàm lượng tăng dần theo chiều sâu

Chú ý:

Khi khảo sát, đánh giá cần hiểu biết bản chất của đất, các đặc điểm và quy luật biến đổi tính chất của đất, đặc biệt khi khảo sát đất làm vật liệu xây dựng, để bố trí hố khoan, lấy mẫu hợp lý

2 Đất trầm tích

trong các sông, biển

ngược chiều dòng chảy

đường kính hạt

đối ổn định hơn so với của đất tàn tích

với đất trầm tích biển

3 Đất sườn tích, sườn tàn tích

dòng chảy tạm thời xô đẩy dịch chuyểnxuống sườn dốc, chân dốc tích luỹ lại

tàn tích

trầm tích

dăm sạn, tính chất biến đổi mạnh như đấttàn tích

- Đất thường có độ rỗng cao, hệ số thấm tương đối lớn và nén lún mạnh

đổi mạnh

thường thoát ra ở chân sườn dốc

Yêu cầu khi học

- Các kiểu hình thành đất, đặc điểm địa chất công trình (thành phần, tính chất, chiều dày, mức độ đồng nhất ) của mỗi loại đất.

- Giải thích được mối liên quan giữa các đặc điểm đó với các kiểu hình thành đất, ví dụ,

vì sao đất phong hoá từ đá magma thì đồng nhất nhưng từ đá trầm tích keo kết thì thành phần không đồng nhất, hiểu được thành phần đất tàn tích thì phụ thuộc đá gốc còn thành phần đất trầm tích thì phụ thuộc quá trình tuyển lựa

⁄ 4.3 CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ

CỦA ĐẤT

Nội dung:

1 Thành phần hạt của đất

2 Tính chất vật lý của đất

3 Tính chất cơ học của đất

cát thô cát vừa cát nhỏ

2÷0,5 0,5÷0,25 0,25÷0,05 hạt bụi to

hạt bụi nhỏ

0,05÷0,01 0,01÷0,005

hạt sét hạt keo

0,005÷0,002

<0,002

Phương pháp rây: dùng bộ rây tiêu chuẩn, áp dụng cho những loại đất gồm các hạt có đường kính lớn d>0.1mm

Cu: hệ số đều hạt d60/d10Cc: hệ số đường cong cấp phối (d30)2/(d10 x d60)

Phương pháp tỷ trọng kế: dựa trên nguyên lý lắng chìm của Stoke, áp dụng cho đất có các hạt

cỡ nhỏ d<0.1mm

Kết quả thí nghiệm xác định thành phần hạt được biểu diễn dưới dạng biểu đồ cấp phối

Đường

kính hạt <0,005

0,005÷0, 05

Biểu đồ cấp phối hạt của đất

Ý nghĩa của việc xác định thành phần hạt của đất

bài phân loại đất)

2 Tính chất vật lý của đất

v Khối lượng riêng (tỷ trọng) - khối lượng của

một đơn vị thể tích phần hạt cứng, khô tuyệt đối, xếp chặt sít, không lỗ hổng Nói cách khác, khối lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng thái chặt

v Khối lượng thể tích tự nhiên γw

- Còn gọi là dung trọng tự nhiên

- Là khối lượng của một đơn vị thể tích đất có kết cấu và độ ẩm tự nhiên, đơn vị đo g/cm3 hoặc t/m3

m: Khối lượng của mẫu thí nghiệm, g

V: Thể tích của mẫu thí nghiệm, cm3

- Là đại lượng phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, độ rỗng và độ ẩm của đất, thông thường biến đổi trong khoảng 1,5 ÷ 1,9 g/cm3

V

m

w = γ

v Khối lượng thể tích khô γc(dung trọng khô)

(kể cả lỗ rỗng) có kết cấu tự nhiên, t/m3,g/cm3

01 0

γ

v Độ ẩm tự nhiên ω, W

trong lỗ rỗng của đất và khối lượng hạt đất, biểu thị bằng phần trăm

nhiên độ ẩm thường trong khoảng 13÷30% Đối với bùn và đất hữu cơ có thể 70 đến trên 100%

(%) 100

ω

v Độ rỗng n, hệ số rỗng ε

tổng thể tích mẫu đất, biểu thị bằng phầntrăm

và thể tích phần hạt rắn của mẫu đất

(%) 100

• Các chỉ tiêu về trạng thái của đất

Giới hạn Atterberg ωd , ωch và chỉ số dẻo A

độ ẩm vượt quá giá trị đó thì đất chuyểnsang trạng thái dẻo

khi độ ẩm vượt quá giá trị đó thì đấtchuyển sang trạng thái chảy

của đất:

d ch

A = ω − ω

Chỉ số dẻo A của đất là một thuộc tính của

đất, phụ thuộc vào thành phần khoáng vật

khi tham gia vào trong thành phần của đấtcùng với A sẽ làm biến đổi trạng thái củađất

Độ sệt B là chỉ tiêu về trạng thái của đất

A

d ch

d ω ω ω

b Đối với đất rời

Trạng thái độ chặt của đất rời được đánh giá thông

Theo hệ số rỗng độ chặt đất cát được chia ra:

min max

max

εε

Theo độ chặt tương đối D trạng thái độ chặt đất cát được chia ra:

Trạng thái đất Độ chặt D

cát chặt cát chặt vừa cát xốp

D>0,67 0,67≥D≥0,33

Hệ số rỗng khó xác định trong thực tế, vì

vậy, người ta thường xác định theo chỉ số

búa của thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT)

Độ chặt của cát Chỉ số búa N 30

Cát rất xốpCát xốpCát chặt vừaCát chặtCát rất chặt

0÷44÷1010÷3030÷50

>50

2 Tính chất cơ học

v Tính ép co và tính biến dạng của đất

- Khi chịu tác dụng nén của ngoại lực đất bị ép co

và biến dạng Biến dạng theo phương thẳng đứng gọi là tính nén lún của đất.

- Bản chất quá trình ép co là do dưới tác dụng của ngoại lực, liên kết giữa các hạt bị phá huỷ, các hạt dịch chuyển sắp xếp lại làm thu nhỏ lỗ rỗng giữa các hạt, đất bị nén chặt.

- Tính nén lún được xác định bằng thí nghiệm nén không nở hông ở trong phòng thí nghiệm.

Tính nén lún của đất phụ thuộc vào:

độ rỗng càng lớn nén lún càng mạnh

nén lún mạnh hơn đất ở trạng thái tựnhiên

montmorilonit nén lún mạnh hơn sétkaolinite

- Trị số và đặc tính của tải trọng ngoài

Biểu đồ thí nghiệm nén

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Biểu đồ thí nghiệm cắt

C

tg +

= σ ϕ τ

Yêu cầu khi học

tính chất vật lý của đất

hưởng đến cường độ kháng cắt, kháng néncủa đất

của các nhóm hạt, xác định được d60, d30, d10

để từ đó có thể xác định được tên đất)

⁄ 4.4 CÁC TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT

CỦA ĐẤT

1 Tính trương nở

nước Tính trương nở của đất phụ thuộc vào thành phần khoáng vật sét, theo thứ tự giảm dần như sau:

montmorilonite > hydromica > kaolinite

lớn tác động lên các kết cấu của công trình làm nứt, vỡ hư hỏng công trình.

l Để đánh giá tính chất trương nở người tadùng hai đại lượng là độ trương nở tươngđối δn và áp lực trương nở Ptn

trước và sau khi trương nở

F, S – tương ứng là lực trương nở và diện

tích tiết diện mẫu

%100

h

h h

δ

S F

P tn =

l Sét có tính trương nở cao thì khi khô càng co ngót mạnh.

l Đất bị phá huỷ kết cấu/bị khô-ướt nhiều lần thì trương nở/co ngót mạnh hơn đất

có kết cấu tự nhiên.

3 Tính tan rã

với nước Đất bị tan rã thành từng cục, hòn không có hình dạng rõ rệt.

hai đại lượng: thời gian tan rã và đặc điểm tan rã, được xác định bằng thí nghiệm trong phòng

vật liệu đắp các công trình thuỷ lợi

4 Tính lún ướt (lún sập)

l Đất loại sét khi chịu tải trọng thì bị biến dạng Hiện tượng biến dạng phụ thêm khi bị thấm ướt gọi là tính lún ướt (xem biểu đồ nén lún)

l Tính lún ướt được đặc trưng bởi:

¡ hệ số rỗng đại em:

¡ hệ số lún ướt tương đối a m:

l Tính lún ướt chỉ đặc trưng cho một số loại đất nhất định.

l Không sử dụng đất có tính lún ướt làm vật liệu đắp đập

'

σ

σ e e

Biểu đồ nén lún ướt

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Yêu cầu khi học

l Các tính chất đặc biệt của đất

l Vai trò ảnh hưởng của các tính chất đặc biệt đó đến ứng xử của đất khi xây dựng công trình

⁄ 4.5 CÁC LOẠI ĐẤT ĐẶC BIỆT VÀ

CÁC VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI

KHẢO SÁT, THIẾT KẾ

Theo sự phân loại khái quát đất đá trong Địa chất công trình, các đất đá có thành phần và tính chất đặc biệt thuộc nhóm thứ 5 trong nhóm này có: bùn, than bùn, đất than bùn hóa, muối và đất nhiễm muối, đất đóng băng…

1/ Bùn

tạo chủ yếu do kết quả tích tụ các vật liệuphân tán mịn và nhỏ theo phương thức cơhọc hoặc hóa học ở đáy biển, vũng vịnh,

hồ, đầm lầy…

cơ dưới 10%, ở trạng thái chảy có độ sệt

B > 1 và hệ số rỗng như trong bảng sau:

Loại bùn Hệ số rỗng ε

bùn cát pha bùn sét pha bùn sét

ε ≥ 0,9

ε ≥ 1

ε ≥ 1,5

và lớn hơn nữa, hệ số rỗng tới mấy đơn

vị, hệ số rỗng tới mấy đơn vị, khối lượng thể tích khô nhiều khi bằng 0.8 –

0.9g/cm3

o Bùn là những thành tạo yếu, việc

xây dựng trên chúng chỉ có thể thực hiện được với điều kiện là phải áp dụng các biện pháp chuyên môn, nhằm cải tạo các tính chất của bùn (nén chặt, gia cố, thoát nước bằng giếng cát…)

2 Than bùn và đất than bùn

lượng tương đối q trong khoảng:

0,1 < q ≤ 0,6

lượng hữu cơ

xây dựng, cần phải xét đến mức độ phângiải của các di tích thực vật tạo nên thanbùn, bởi vì độ ẩm, độ sệt, tính thấm nước,

độ bền, tính biến dạng…của than bùn đềubiến đổi theo mức độ phân giải

l Khi có muối kết tinh lấp đầy các lỗ rỗng của đất thì

có sự tăng biểu kiến độ chặt của đất, nhưng khi ẩm ướt, thì các muối lại bị hòa tan, thể tích của các hạt khoáng trong một đơn vị thể tích đất, trở nên nhỏ hơn

so với đất không bị nhiễm muối, do đó phát sinh hiện tượng lún ướt (lún sập)

l Khi thiết kế và xây dựng công trình ở những vùng đất bị nhiễm muối, cần

phải biết:

- Mức độ nhiễm muối của đất

- Thành phần của các muối dễ hòa tan và hòa tan trung bình

- Chế độ ẩm và chế độ muối, điều kiện nhiễm muối của chúng

4 Đất đắp – đất nhân sinh

dựng lớn…thường được phủ lên một lớp đất đắp nhân tạo.

phần và cấu trúc của các loại đất đắp, mà còn vào thành phần trạng thái và tính chất của các lớp đất nằm dưới

này khác nhau, phụ thuộc vào thành phần cũng như thời gian tồn tại của chúng

biện pháp công trình để đề phòng biến dạng trượt,

Yêu cầu khi học

Mẫu Độ ẩm tự

nhiên

Giới hạn chảy

Giới hạn dẻo

Hệ số rỗng

Lượng hữu cơ

⁄ 4.6 T ÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA

MẪU ĐÁ VÀ KHỐI ĐÁ

Nội dung

1 Các chỉ tiêu cơ lý của mẫu đá

2 Các chỉ tiêu cơ lý của khối đá

1 Các tính chất cơ lý của mẫu đá

l Các tính chất vật lý:

¡ Đối với đá chỉ quan tâm đến các chỉ tiêu vật

lý sau:

l Độ ẩm

l Khối lượng thể tích tự nhiên

l Khối lượng thể tích bão hoà

l Khối lượng riêng

¡ Định nghĩa về các tính chất này cũng giống như đối với đất

l Trạng thái tự nhiên

l Trạng thái bão hoà

l Mô đun nén mọi phía σm.ph

l Mô đun trượt G

Cường độ kháng nén

gây phá huỷ mẫu và diện tích ban đầu của mẫu:

thí nghiệm

) /

;

(Mpa kG cm2F

P

0 5 10 15 20 25

Cường độ kháng kéo

suất kéo đứt của một đơn vị diện tích tiết diện chịu

tạp phụ thuộc vào việc gia công mẫu và thiết bị kéo

và vì vậy, công thức tính cũng rất khác nhau Công thức cơ bản là:

trong đó, P là tải trọng lớn nhất gây phá huỷ mẫu, F

là diện tích mặt phá huỷ, k là hệ số phụ thuộc vào phương pháp thí nghiệm

F

P k

R k =

Cường độ kháng cắt

cắt, về giá trị chính bằng ứng suất tiếp tại thời điểm đá

α

τ 2 max cos

F

P F

P =

=

Các chỉ tiêu về biến dạng

của các yếu tố cấu tạo đá dưới tác dụng củangoại lực dẫn đến thay đổi hình dạng kết cấu

l Các chỉ tiêu biến dạng gồm có:

¡ Mô đun biến dạng đàn hồi E

¡ Mô đun tổng biến dạng E0

¡ Hệ số biến dạng ngang (hệ số Poisson) µ

¡ Mô dun nén thể tích (còn gọi là mô đun nén mọi phía) Km.ph

¡ Mô đun trượt G

Các chỉ tiêu trên được tính như sau:

trong đó σ , σ ’, σm.ph lần lựot là ứng suất gây biến dạng đàn hồi, biến dạng tổng và biến dạng thể tích; εz,ε ’z - biến dạng tương đối tương ứng;

E G

2 Các chỉ tiêu cơ lý của khối đá

các nguyên nhân:

vật, thạch học

nhau

chất của khối đá chứ không phải của mẫu đá

l Tính chất cơ lý của khối đá có thể được xác định bằng cách:

¡ Thí nghiệm địa cơ học hiện trường:

l Thí nghiệm cắt khối đá

l Thí nghiệm cắt tiếp xúc bê tông-nền đá

¡ Chuyển đổi từ kết quả thí nghiệm mẫu đá theo

công thức kinh nghiệm

¡ Xác định theo Hoek-Brown (chương trình

Rocklab )

l Cần có các thông số đầu vào:

- Cường độ kháng nén một trục của mẫu đá

- Chỉ số bền địa chất GSI = RMR 89 –5

- Hằng số mi đặc trưng cho từng loại đá

- Hệ số phá huỷ do nổ mìn D.

Yêu cầu khi học

hiểu được bản chất của từng tính chất,công thức tính, đơn vị đo

tính chất của mẫu đá và khối đá

khối đá

⁄ 4.7 CÁC HỆ THỐNG KẼ NỨT TRONG

ĐÁ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CHÚNG

1 Kẽ nứt kiến tạo

l Do kiến tạo gây nên , thường phát triển theo

hệ thống kẽ nứt song song dài và sâu.

l Các hệ kẽ nứt có thể hở hoặc kín, mặt kẽ nứt có thể nhẵn và có dấu hiệu miết

l Tại một địa điểm có thể có nhiều hệ kẽ nứt cắt nhau.

l Có sự phối hợp có quy luật giữa các hệ thống kẽ nứt với các yếu tố kiến tạo như đứt gãy, nếp uốn

l Phát triển trong tất cả các loại đá

2.Kẽ nứt co rút

lạnh về nhiệt độ môi trường, co thể tích gây nứt

đặc trưng, đối với các đá magma khác không tạo thành hệ kẽ nứt rõ rệt.

nứt không nhẵn

phun trào kẽ nứt co rút lớn hơn trong đá xâm nhập

Đoạn lấn biển mang tên Giant ở Ireland được cấu tạo từ 40.000 viên đá bazan Phần lớn chúng có 6 cạnh, nhưng nhiều viên có 7 và 8 cạnh Những viên đá này được hình thành sau những đợt phun trào của núi lửa cách đây 50-60 triệu năm Khi nham thạch bazan nóng chảy nguội dần, chúng tạo thành những viên đá có hình đa giác đều UNESCO đã công nhận địa danh này là di sản thế giới vào năm 1986.

3 Kẽ nứt phân lớp

thành do sự gián đoạn vật liệu trầm đọngtrong quá trình trầm tích

hoặc nghiêng, phát triển trên diện rộng,trong toàn bộ diện phân bố của tầng đá, vìvậy, nó là hệ kẽ nứt liên thông

đá trầm tích

Kẽ nứt phân lớp trong đá trầm tích

4 Kẽ nứt phong hoá

nên, đặc trưng cho các vùng khí hậu lục địa, sa mạc

hệ thống rõ ràng

xuống sâu thì càng khép lại

5 Kẽ nứt giảm tải

trình giảm tải (giảm áp lực đè lên) khác nhau như do xói mòn bề mặt, do đào bới bốc xúc

giảm tải bề mặt hoặc trong hầm lò do đào

Pressure release could have caused the exfoliated granite sheets shown in the picture.

6 Kẽ nứt sụt trượt

trình sụt trượt

hệ thống kẽ nứt

7 Kẽ nứt nhân sinh

nên

quy mô không lớn

Ảnh hưởng của kẽ nứt đến tính chất của khối đá

hưởng đến tính chất xây dựng của khối đá:

định tính chất xây dựng của khối đá, vì vậy, khi thiết kế cần căn cứ vào tính chất của khối đá chứ không phải tính chất của mẫu đá