Theo các nhà ựịa chất, nứt nẻ là những phá huỷ do nhiều nguyên nhân khác nhau (tự nhiên, kiến tạo, phong hoá, trượtẦ) làm mất tắnh chất liên tục của ựá.
Hơn 70 năm trước, nhà ựịa chất người Áo J.Stini là người ựầu tiên ựã nghiên cứu một cách hệ thống tắnh chất nứt nẻ của ựá.
Trong cơ học ựá, nứt nẻ là một khái niệm rất rộng. Nó bao gồm những phá huỷ kiến tạo cục bộ kéo dài hàng chục kilomét hay vài mét và cả những vi khe nứt chỉ thấy ựược dưới kắnh hiển vi. Các khe nứt trong ựá có thể song song với nhau hay sắp xếp hỗn loạn, không theo một quy luật nào. Tập hợp của những khe nứt song song hay gần song song với nhau tạo thành một hệ thống hay một họ khe nứt. Hệ thống khe nứt này nếu bị hàng loạt các khe nứt khác cắt dưới các góc nhọn, thì chúng sẽ thuộc một hệ thống khe nứt khác. Thực tế thường thấy 2 hay 3 hệ thống khe nứt trong một khối ựá, cắt nhau theo những góc gần như vuông. Ở nhiều khối ựá có khi từng thấy 5 Ờ 6 hệ thống khe nứt. Các khe nứt cắt nhau chằng chịt trong không gian làm khối ựá bị phân cắt thành những tảng riêng biệt.
Sự tồn tại các khe nứt trong ựá làm thay ựổi tắnh chất của nó và ảnh hưởng rất lớn ựến khả năng chịu lực của khối ựá. Không tắnh ựến tắnh chất nứt nẻ của ựá khi xây dựng sẽ dẫn ựến những hậu quả rất tai hại: Năm 1916, ở Nhật, người ta thi công một ựường hầm cách xa bờ biển khoảng 1600m và sâu dưới mặt nước 70m. Do khối ựá bị nứt nẻ mạnh, nước biển theo các khe nứt ồ ạt chảy vào hầm. Sau 2h, hầm ngập ựầy nước, làm 257 người bị thiệt mạng. Hơn 40 năm sau, ngày 2-11-1959, ở Pháp lại xảy ra một tai nạn khác: đập Malpasset ở gần thành phố Frejus (miền nam nước Pháp) bị phá huỷ làm một phần thành phố bị tàn phá và hơn 400 người bị chết. Sau này J.Bernaix ựã nghiên cứu tắnh chất của ựá ở nền ựập và phát hiện thấy khối ựá này có hai hệ thống khe nứt. Khoảng cách giữa các khe nứt của một hệ thống là gần 1 cm, còn ở hệ thống kia chỉ là vài mm. Những khe nứt này rất khó phát hiện bằng mắt thường, nhưng chắnh chúng là nguyên nhân làm giảm ựộ ổn ựịnh của nền ựập, gây ra sự phá huỷ ựập.
Tuy mới ựược nghiên cứu nhưng tắnh chất nứt nẻ của ựá ựã ựược ựánh giá theo nhiều khắa cạnh khác nhau dựa vào nguồn gốc thành tạo, hình dáng hình học, ựịa mạo, ựịa chất công trình, ựịa chất thuỷ văn hay công nghệ mỏẦ
2.2.2.2. Các ựặc trưng của khe nứt
đối với một hệ thống khe nứt, người ta thường chú ý tới một số ựặc trưng sau: Vị trắ của khe nứt trong không gian.
Các khe nứt có thể là một ựường mà cũng có thể là một mặt. Thế nằm hay vị trắ của khe nứt trong không gian ựược xác ựịnh qua các yếu tố:
- đường phương là giao tuyến của mặt khe nứt với mặt phẳng nằm ngang, là một ựường nằm ngang bất kỳ trong mặt khe nứt.
- Góc phương vị ựường phương α là góc hợp giữa hướng của ựường phương và hướng bắc của kim nam châm. Vì ựường phương có hai ựịa hướng ngược nhau 180 o nên các góc phương vị ựường phương cũng sẽ lệch nhau 180o.
- đường hướng dốc (cũng gọi là ựường dốc) là ựường vuông góc với ựường phương, nằm trong mặt khe nứt và hướng về phắa nghiêng xuống. - Góc dốc β là góc hợp giữa ựường hướng dốc và hình chiếu của nó trên
mặt phẳng nằm ngang.
- Góc phương vị hướng dốc αp là góc hợp giữa hình chiếu của ựường hướng dốc trên mặt phẳng nằm ngang và hướng bắc của kim nam châm. Vị trắ các góc ựược minh hoạ trên hình 2.11. Thực tế ựể xác ựịnh vị trắ của khe nứt trong không gian, thường chỉ cần xác ựịnh góc phương vị hướng dốc và góc dốc.
Các góc phương vị hướng dốc thay ựổi từ 0 Ờ 360o, còn các góc dốc thay ựổi từ 0 Ờ 90o. Tuỳ theo giá trị của góc dốc, người ta lại chia ra:
Khe nứt nằm ngang khi β = 0 Ờ 15o Khe nứt thoải khi β = 15 Ờ 45o Khe nứt dốc khi β = 45 Ờ 750 Khe nứt thẳng ựứng khi β = 75 Ờ 90o-. Kắch thước của khe nứt.
- Chiều dài của khe nứt là phạm vi phân bố hoặc kắch thước của khe nứt theo chiều lớn của mặt khe nứt. đây là một thông số rất quan trọng nhưng cũng lại là một thông số khó xác ựịnh nhất.
Trước kia, L. Mu&&ller ựã phân chia các khe nứt theo chiều dài thành các loại: Khe nứt nhỏ khi chiều dài của nó từ 0,1 Ờ 1m. Khe nứt lớn, khi chiều dài của
nó từ 1 Ờ 10m.
Khe nứt rất lớn, khi chiều dài của nó từ 10 Ờ 100m. đứt gãy, khi chiều dài của nó > 100m.
Gần ựây, người ta phân loại khe nứt theo chiều dài như sau: Khe nứt rất ngắn, khi chiều dài của nó < 1m
Khe nứt ngắn, khi chiều dài của nó 1 Ờ 3m Khe nứt vừa, khi chiều dài của nó 3 Ờ 10m Khe nứt dài, khi chiều dài của nó 10 Ờ 20m Khe nứt rất dài, khi chiều dài của nó > 20m.
- Chiều rộng là khoảng cách lớn nhất giữa 2 bờ của khe nứt. Cũng có thể coi chiều rộng giống như ựộ mở của khe nứt (ựược ựịnh nghĩa là khoảng cách theo phương vuông góc giữa hai thành khe nứt mà khoảng không gian giữa chúng chỉ có không khắ và nước).
Chiều rộng khe nứt thường ựược ựo ở mặt trên cùng của khe nứt, do các khe nứt càng hẹp dần khi xuống sâu. Nó ảnh hưởng lớn ựến ựộ bền, tắnh biến dạng, tắnh
P p p P β α β αα Hình 2.11. Các yếu tố thể nằm của khe nứt.
thấm, khả năng chứa nước, khắ và các vật liệu rời và nó cũng ảnh hưởng ựáng kể tới hiệu quả của công tác khoan và khoan nổ.
Anon (1977) ựã chia ra:
Khe nứt kắn, khi chiều rộng khe nứt bằng 0 Khe nứt cực hẹp, khi chiều rộng khe nứt < 2mm Khe nứt rất hẹp, khi chiều rộng khe nứt 2 Ờ 6mm Khe nứt hẹp, khi chiều rộng khe nứt 6 Ờ 20mm Khe nứt khá hẹp, khi chiều rộng khe nứt 20 Ờ 60mm Khe nứt khá rộng, khi chiều rộng khe nứt 60 Ờ 200mm Khe nứt rộng, khi chiều rộng khe nứt > 200mm. N.Barton (1978) lại chia thành 3 loại khe nứt.
Khe nứt mở: Rãnh, khi chiều rộng > 1000mm Cực rộng, khi chiều rộng 100 Ờ 1000mm Rất rộng, khi chiều rộng 10 Ờ 100mm Khe nứt hở: Rộng, khi chiều rộng > 10mm Khá rộng, khi chiều rộng 2,5 Ờ 10mm Hở, khi chiều rộng 0,5 Ờ 2,5mm Khe nứt kắn:
Hơi hở, khi chiều rộng 0,25 Ờ 0,5mm Kắn, khi chiều rộng 0,1 Ờ 0,25mm Rất kắn, khi chiều rộng < 0,1mm. đặc tắnh phân cách.
- Khoảng cách giữa các khe nứt
Khoảng cách là cự ly trung bình giữa các khe nứt kề nhau trong một hệ khe nứt, ựược ựo vuông góc với mặt khe nứt.
Khoảng cách giữa các khe nứt sẽ quyết ựịnh kắch thước riêng biệt các khối của ựá nguyên trạng. Nó ảnh hưởng lớn ựến tắnh thấm hoặc dẫn nước trong khối ựá. Nói chung, ựộ dẫn nước thường tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các khe nứt.
Hội Cơ học ựá Quốc tế ựã phân chia khoảng cách giữa các khe nứt thành các loại sau (nếu ký hiệu khoảng cách giữa các khe nứt là d):
Khoảng cách gần, khi 60 Ờ 200mm Khoảng cách trung bình, khi 200 Ờ 600mm Khoảng cách xa, khi 600 Ờ 2000mm Khoảng cách rất xa, khi 2000 Ờ 6000mm Khoảng cách cực kỳ xa, khi > 6000mm.
- Chất lấp ựầy
Chất lấp ựầy là bất kỳ vật liệu nào ở trong khe nứt mà các tắnh chất của nó khác với tắnh chất cùng loại của ựá.
Các chất lấp ựầy có nguồn gốc khác nhau: Các mạch phiến sét trong các khe nứt phân lớp của cát kết hay ựá vôi có nguồn gốc nguyên sinh (trầm tắch).Các mạch thạch anh hay calcit trong ựá granit thường sinh ra khi dung nham xâm nhập vào khe nứt. Tuy nhiên, nhiều loại vật liệu lấp ựầy hình thành sau quá trình tạo ựá và là kết quả của sự biến ựổi hoặc quá trình phong hoá.
Các vật liệu lấp ựầy cũng rất khác nhau về tắnh chất cơ học: có các vật liệu lấp ựầy có ựộ bền thấp như các khoáng vật sét dạng tấm (monmorilonit, illitẦ), graphit, talcẦ, một số chất lấp ựầy có ựộ bền trung bình như cát , các mảnh vụn hoặc dăm của ựá cứng trung bình và cứng. Các chất lấp ựầy bền vững như các mạch thạch anh, calcit, ựolomitẦ có thể làm liền và tái gắn kết các khe nứt và ựá trở lên bền vững như ựá xung quanh.
Trong các khe nứt khác nhau, chiều dày của các chất lấp ựầy cũng không như nhau.
đặc tắnh bề mặt. - Bề mặt khe nứt.
Nhìn bề mặt khe nứt, người ta có thể tưởng tượng ra nguồn gốc hình thành của nó: các khe nứt nguyên sinh do nguồn gốc trầm tắch chỉ liên quan tới các khe nứt phân lớp, các rạn nứt ựa giác và các gợn sóng. Các khe nứt thứ sinh thường gồm các gờ và vết lông chim của dạng khe nứt kéo ựược tạo ra do sự lan truyền nhanh khe nứt khi hình thành. đứt gãy bao gồm nhiều mặt trượt gợn sóng hay nhẵn riêng biệt, trên ựó chứa các dăm kết hay các ựá vỡ mịn.
Tuỳ theo hình dáng bề mặt khe nứt mà người ta có thể chia thành các khe nứt phẳng, gợn sóng hay tạo bậc.
Tuỳ theo mức ựộ liên tục của khe nứt mà người ta chia thành khe nứt liên tục (liền) hay gián ựoạn khi giữa chúng là các cầu ựá (phần ựá giữa hai khe nứt).
Tuỳ theo dạng của thành khe nứt mà người ta cùng chia thành khe nứt nhẵn (trơn) và nhám.
Tuỳ theo ựộ mở của khe nứt mà sẽ chia thành khe nứt kắn hay mở.
Tuỳ theo chất lấp ựầy tồn tại trong khe nứt mà người ta cũng chia ra khe nứt có hay không có chất lấp ựầy. (hình 2.12).
lên nhau chồng lên nhau nhẵn nhám phẳng gợn sóng không ựều nhẵn nhám nhẵn nhám Thắ dụ: Khe nứt có chất lấp ựầy, gợn sóng, nhẵn, chồng lên nhau. Hình 2.12. Các hình thái mặt khe nứt
Từ những quy ước trên, W.Wittke (1984) ựã phân chia các mặt khe nứt thành một số dạng sau:
Khe nứt liền (liên tục), phẳng, trơn hoặc nhám và kắn, Khe nứt liền, phẳng, nhám, không kắn hoàn toàn, Khe nứt liền, không phẳng, mở hoặc có chất lấp ựầy, Khe nứt chứa ựầy chất lấp ựầy
Khe nứt gián ựoạn, có các cầu ựá và kắn. Khe nứt gián ựoạn, mở và có chất lấp ựầy.
- độ nhám (ựộ xù xì, ựộ gồ ghề)
Thành khe nứt thường không bằng phẳng. Khi cắt ngang khe nứt sẽ ựược những ựường gợn sóng. Tuỳ theo mức ựộ gợn sóng của thành khe nứt mà người ta có thể chia thành khe nứt nhám, nhẵn và bóng. Trên quy mô lớn hơn, người ta có thể chia thành khe nứt phẳng, gợn sóng hay tạo bậc như ựã nói ở trên.
để ựặc trưng cho ựộ nhám của khe nứt, người ta dùng chỉ tiêu hệ số ựộ nhám của khe nứt JRC (Joint Roughess Coefficient) do N.Barton và V.Choubey ựưa ra từ năm 1977 dựa trên 10 trắc diện nhám ựiển hình. Giá trị của JRC thay ựổi từ 0 với các khe nứt phẳng và nhẵn tới 20 với các khe nứt gợn sóng và xù xì (hình 2.13).
Thành khe nứt càng nhám, khi bị dịch chuyển thì lực ma sát càng lớn và sức chống cắt cũng tăng do có những góc nâng i ựược tạo ra bởi sự xù xì của mặt khe nứt.
- độ bền nén của thành khe nứt.
N.Barton và V.Choubey (1977) ựã ựưa ra khái niệm ựộ bền nén của thành khe nứt JCS (Joint Compressive Strength) ựể ựặc trưng cho ựộ bền của ựá trên thành khe nứt. Khi ựá còn tươi, giá trị của JCS chắnh bằng ựộ bền nén 1 trục của mẫu ựá hay xác ựịnh nhanh hơn, bằng ựộ bền tải trọng ựiểm của các mẫu ở vết lộ hay mẫu khoan.
Khi thành khe nứt ựá bị phủ một lớp dày các sản phẩm biến ựổi hay phong hoá thì có thể thắ nghiệm với các mẫu của chất lấp ựầy hay xác ựịnh
trực tiếp bằng búa Schmidt cho các ựá mềm yếu trên thành khe nứt sau ựó, trị số của JCS ựược xác ựịnh từ công thức:
lg(JCS) = 0,00088 γR + 1,01 (2.6) trong ựó: JCS ựược tắnh bằng MPa,
γ là trọng lượng thể tắch của ựá khô, kN/m3
R là ựộ nảy của búa Schmidt trên ựá ở thành khe nứt.
Khi lớp ựá bị biến ựổi trên thành khe nứt quá mỏng, khó xác ựịnh JCS thì theo N.Barton, nên lấy bằng 1/4 giá trị JCS ựã xác ựịnh với ựá tươi cùng loại.
2.2.2.3. đánh giá tắnh chất nứt nẻ của khối ựá
để ựánh giá tắnh chất nứt nẻ, có thể dùng một số chỉ tiêu sau: Chỉ số chất lượng ựá RQD (Rock Quality Designation)
Chỉ số này do D.U.Deere ựề ra từ năm 1964; về giá trị nó là tỷ số % giữa tổng chiều dài của các ựoạn mẫu ựá có chiều dài ≥ 10 cm và chiều dài ựoạn khoan qua.
Mẫu ựể xác ựịnh RQD phải có ựường kắnh ≥ 50mm, tốt nhất là 85mm. Tuỳ theo giá trị của RQD, chất lượng ựá ựược chia thành các loại sau:
Rất xấu, khi RQD < 25% Xấu, khi RQD = 25 Ờ 50% Trung bình, khi RQD = 50 Ờ 75% Hình 2.13. độ nhám chuẩn cho bề mặt các khe nứt. Tỷ lệ
Tốt, khi RQD = 75 Ờ 90 %. Rất tốt, khi RQD = 90 Ờ 100%.
Chất lượng ựá càng xấu thì tắnh nứt nẻ của ựá càng mạnh. Mật ựộ khe nứt.
Chỉ tiêu này ựặc trưng cho mức ựộ phân cắt của ựá do các khe nứt tạo ra. Những khe nứt ngang dọc ựã làm khối ựá bị chia thành những phần riêng biệt tạm gọi là tảng cấu trúc.
Số lượng trung bình các khe nứt song song hay gần song song với nhau (sự sai lệch các yếu tố thế nằm là ổ 10 % so với giá trị trung bình) trên một ựơn vị chiều dài theo phương vuông góc với các khe nứt gọi là mật ựộ hay tần suất của khe nứt.
Chỉ số này chắnh bằng nghịch ựảo của khoảng cách trung bình giữa các khe nứt trong cùng một hệ và cũng ựược gọi là moựun vị nứt nẻ chiều dài, dùng ựể so sánh mật ựộ của các hệ thống khe nứt khác nhau trong một khối ựá.
Mật ựộ khe nứt thường ựược biểu diễn bằng số khe nứt trên 1m chiều dài (kn/m). Tuỳ theo mật ựộ của nó mà J.L.Franklin, E.Broch và G.Walton (1971) ựã phân chia mức ựộ nứt nẻ của ựá:
đá nứt nẻ rất ắt, khi mật ựộ khe nứt < 1kn/m đá nứt nẻ ắt, khi mật ựộ khe nứt 1 - 5 đá nứt nẻ vừa, khi mật ựộ khe nứt 5 - 8 đá nứt nẻ mạnh, khi mật ựộ khe nứt 8 - 15 đá nứt nẻ rất mạnh, khi mật ựộ khe nứt > 15 Hệ số nứt nẻ
Chỉ số này ựược ựịnh nghĩa là tỷ số giữa diện tắch của các khe nứt trong một vết lộ ựá bất kỳ và chắnh diện tắch toàn bộ mặt của vết lộ ấy (thường lấy là 1m2):
.100% S
S
k n
n = (2.7)
trong ựó: Sn là tổng diện tắch của các khe nứt, ựược tắnh theo công thức:
∑= = = n 1 i i i n a b S (2.8)
với ai, bi là chiều dài và chiều rộng trung bình của khe nứt thứ i. n là số lượng các khe nứt có trong vết lộ ựá.
Theo hệ số này, L.I.Neystadt ựã phân chia mức ựộ nứt nẻ của khối ựá như sau: Nứt nẻ ắt, khi kn<2 %
Nứt nẻ vừa, khi kn = 2 Ờ 5% Nứt nẻ mạnh, khi kn = 5 Ờ 10% Nứt rất mạnh, khi kn = 10 Ờ 20% Nứt nẻ cực mạnh, khi kn > 20%.
Tổng số khe nứt thể tắch.
Chỉ tiêu này ựược ựịnh nghĩa là tổng số các khe nứt có trong một ựơn vị thể tắch khối ựá.
Theo N.Barton (1974), tổng số khe nứt thể tắch (cũng ựược gọi là moựun nứt nẻ thể tắch) ựược tắnh bằng Jv là tổng của các mật ựộ khe nứt của các hệ khe nứt khác nhau có trong khối ựá.
Thắ dụ có một số khe nứt của 4 hệ khe nứt khác nhau ựo trên 5 và 10m dài của