Phong hĩa hĩa học

- Phong hĩa hĩa học là quá trình phá hủy đá cĩ kèm theo sự biến đổi thành phần hĩa học và khống vật.

- Những tác nhân chủ yếu của phong hĩa hĩa học là hoạt động hĩa học của nước và các hợp chất hịa tan trong nước, của một số hợp chất hịa tan trong nước, của một số hợp phần khơng khí, như CO2, O2 và tác dụng hĩa sinh của sinh vật.

- Nước tự nhiên cĩ khả năng hoạt động hĩa học của nước là vì nĩ cĩ bộ phận phân li thành các ion H+ và OH-. Đặc biệt khi trong nước cĩ CO2 hịa tan thì khả năng hoạt động hĩa học của nĩ càng rõ rệt.

- Vì những lẽ đĩ, tác dụng phong hĩa của nước thể hiện mạnh hơn tại các vùng nĩng ẩm, cịn 101 ở các vùng khí hậu lạnh, khả năng ấy kém dần và khi nhiệt độ hạ xuống dưới 00C thì hầu như khơng cịn nữa.

- Những hiện tượng phong hĩa hĩa học thường gặp là các quá trình hịa tan, thủy phân, oxy hĩa, hydrat hĩa, v.v..

(i) Quá trình thủy phân

ƒ Trong quá trình thủy phân xảy ra hiện tượng thay thế các ion kim loại kiềm và kiềm thổ của các alumosilicat bằng các ion H+ của nước và sinh ra các hydrosilicat nhơm và giải phĩng các oxyt kiềm và kiềm thổ ngậm nước.

ƒ Ví dụ: octocla tạo thành hydrosilicat nhơm K2Al2Si6O16 + 2H2O = H2Al2Si6O16

(ii)Quá trình hydrat hĩa

ƒ Quá trình hydrat hĩa là quá trình trong đĩ các phân tử nước kết hợp với các khống vật khơng chứa nước để biến chúng thành các hydrat.

ƒ Ví dụ: Fe2O3 + 2H2O → Fe2O3 . H2O (Hematide Limonite) CaSO4 + 2H2O → CaSO4 . H2O (Anhydrite Thạch cao)

(iii)Quá trình oxy hĩa

ƒ Các khống vật tạo đá thường được thành tạo trong mơi trường thiếu oxy ở dưới sâu, nên hoặc là khơng cĩ chứa oxy, hoặc chỉ kết hợp với nĩ thành những hợp chất hĩa trị thấp.

ƒ Khi bị đưa lên bề mặt, nên chúng tác dụng dễ dàng với các chất oxy hĩa trong khí quyển và trong lớp vỏ phong hĩa để trở thành hợp chất chứa oxy ở dạng hĩa trị cao hơn, bền vững hơn trong mơi trường mặt đất giàu oxy.

ƒ Ví dụ : Pyrite ® Limonite

(FeS2) ® Fe2O3 . 2H2O

(iv)Hiện tượng hịa tan

ƒ Đối với một số khống vật và đá như muối mỏ (NaCl), thạch cao, nước cĩ khả năng hịa tan rất mạnh, đối với một vài đất đá khác như đá vơi, đá đolomit nước cũng gây tác dụng hịa tan nhưng với tốc độ nhỏ.

ƒ Cường độ và mức độ phong hĩa hĩa học phụ thuộc vào thành phần đất đá, ngồi ra vai trị khí hậu cĩ ý nghĩa rất lớn, chẳng hạn trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm, quá trình này cịn cĩ thể tiến tới giai đoạn tận cùng, đĩ là giai đoạn laterít, cịn trong điều kiện ơn đới ẩm thì nĩ chỉ dừng lại ở giai đoạn sét, trong điều kiện khơ – nĩng của các sa mạc và bán sa mạc, phong hĩa hĩa học phát triển rất kém, vỏ phong hĩa chứa chủ yếu thành phần mảnh vụn.

ƒ Các vi sinh vật cũng đĩng vai trị quan trọng trong quá trình phong hĩa hĩa học. Khi cịn sống cũng như khi đã chết đi, cơ thể sinh vật, nấm tảo xanh, tảo diatomit, địa y tiết ra nhiều axit cacbonit và các axit hữu cơ khác cĩ tác dụng phá hũy đất đá.

VII.1.3. Đặc điểm tầng tàn tích

- Quá trình mà làm cho đá bị biến đổi trên bề mặt hình thành lớp khác lớp đá gốc gọi là vỏ phong hĩa.

- Phong hĩa càng xuống sâu càng giảm đi, do đĩ mức độ biến đổi của đá cũng giảm đi theo chiều sâu.

- Dựa vào mức độ lấp đầy các chất nhét trong khe nứt của đá, dựa vào mức độ dễ khĩ khi bĩp vụn đá, dựa vào sự biến đổi thành phần khống vật của đá, dựa vào sự thay đổi các tính chất vật lý và cơ học của đá, thường vỏ phong hĩa được chia thành 4 đới:

ƒ Đới vụn bột (Đới hạt mịn) : Ở đới này các đá mẹ hồn tồn biến thành đất, hồn tồn khơng cịn thấy những vụn nhỏ của đá mẹ nửa, cịn trong đất thì bao gồm các

khống vật được hình thành do quá trình phong hĩa, hệ số thấm rất nhỏ, hầu như bằng 0, độ nén lún lớn, sức chống cắt nhỏ, đất cĩ tính dính và cĩ khả năng trương nở khi gặp nước.

ƒ Đới vụn nhỏ (Đới hạt vụn) : Bề ngồi khác xa với đá mẹ. Đất đá bao gồm các vụn nhỏ hoặc các hạt riêng biệt, các mẫu nhỏ của đới phong hĩa thường bao gồm các khống vật của đá mẹ và một số lớn khống vật được hình thành do quá trình phong hĩa. Ở đới này khả năng thấm nước tăng hơn đá vụn bột, sức chống cắt của đới này cao hơn đới vụn bột và độ nén lún nhỏ hơn.

quá trình phong hĩa chỉ phân bố ở vách các khe nứt mà thơi. Các tính chất của đất đá ở đây cĩ tăng lên so với đới vụn nhỏ.

ƒ Đới nguyên khối : Bề mặt giống đá mẹ chưa phong hĩa nhưng sức liên kết giữa các hạt cũng đã giảm nhiều. Trong đá xuất hiện các khe nứt kín mà mắt thường khĩ nhìn thấy được, các tính chất cơ lý của đá hầu như khơng khác mấy so với đá mẹ.

VII.1.4. Điều tra nghiên cứu và xử lý tầng đá phong hĩa trong xây dựng

ƒ Chọn vị trí xây dựng cơng trình (vì vỏ phong hĩa khơng đều nhau theo chiều ngang hay thẳng đứng).

ƒ Xác định chiều dày đá phong hĩa cần phải bĩc bỏ.

ƒ Chọn được biện pháp ngăn ngừa phong hĩa (nhưng phải biết tốc độ phong hĩa và tác nhân gây phong hĩa).

VII.2. Hiện tượng đất chảy

VII.2.1. Khái niệm

- Những dấu hiệu đặc trưng của cát chảy:

ƒ Ở trạng thái tự nhiên, cát chảy thực cĩ màu xám sáng, xám lục, xám xanh, với các sắc thái đậm hoặc nhạt, tùy theo lượng chứa các tạp chất hữu cơ và các thành phần khác. Ra ngồi khơng khí, màu của chúng thay đổi nhanh và khơng đồng đều. ƒ Chúng trở thành sáng hơn, phớt vàng, đơi chỗ phớt hồng do sự oxy hĩa.

ƒ Khi bị bĩc lộ bởi cơng trình khoan đào hoặc các hố mĩng, cát chảy bắt đầu chảy như một chất lỏng nhớt.

ƒ Nếu như trạng thái ứng suất chỉ do trọng lượng bản thân, thì cát chảy chảy chậm, cịn nếu như do tác dụng của áp lực thủy động hoặc áp lực thủy tĩnh cĩ giá trị lớn và rất lớn, thì chúng sẽ vận động nhanh hoặc rất nhanh và đùn đẩy lên.

ƒ Đặc điểm tiêu biểu là khuynh hướng biến đổi xúc biến, tức là hĩa lỏng khi bị rung và chấn động do tác động cơ học, rồi sau khi tác động đĩ chấm dứt, chúng tự khơi phục lại một phần hoặc tồn phần trạng thái ban đầu với tốc độ nào đĩ.

ƒ Khi bị hong khơ, cát chảy trở thành loại đất dính khá cứng sáng màu hơn so với trạng thái ban đầu và khĩ cĩ thể bĩp vụn bằng tay.

ƒ Điều này chứng tỏ cát chảy khơng chỉ chứa hạt bụi mà cịn chứa một lượng hạt sét nhất định.

VII.2.2. Điều kiện phát sinh cát chảy

- Điều kiện về kết cấu của đất: 10 10 60 ≤ d d ® dễ phát sinh cát chảy. - Điều kiện về dịng thấm: Igh = (D – 1)(1 – n)

- Trong đĩ: D là tỷ trọng của cát, n là độ rỗng của cát. - Nếu Ithực tế > Igiới hạn ® xảy ra cát chảy

VII.2.3. Biện pháp ngăn ngừa

- Khi xây dựng trong khu vực cĩ cát chảy cần phải xác định: ƒ Sự phân bố và điều kiện thế nằm của chúng. ƒ Điều kiện địa mạo ở khu vực phân bố cát chảy.

ƒ Thành phần tính chất cơ lý của cát chảy, đặc biệt là độ chặt kết cấu. ƒ Đặc điểm địa chất thủy văn của khu vực cĩ cát chảy, chiều sâu mực nước.

- Một số biện pháp ngăn ngừa như hạ thấp mực nước ngầm, giảm áp lực thủy động. Cĩ thể dùng một hệ thống giếng, hố khoan, rãnh…; bảo vệ mái dốc, mái hố đất khơng bị nước chảy làm trơi đất.

VII.3. Hiện tượng xĩi ngầm đất đá

VII.3.1. Khái niệm

- Hiện tượng xĩi mịn ngầm chủ yếu xảy ra trong cát rời rạc dưới tác dụng của dịng thấm làm cho những hạt nhỏ trong khối đất bị cuốn trơi đi khỏi lỗ rỗng giữa các hạt lớn, cịn các hạt lớn thì vẫn giữ nguyên vị trí. Hiện tượng này làm cho bề mặt đất tụt xuống thành các hố giống như cái phễu.

- Hiện tượng xĩi ngầm này gây nguy hiểm cho các cơng trình thủy cơng. Nĩ thường phát sinh ở hạ lưu các cống, phát sinh trong bản thân đê, đập đất, khi các cơng trình làm việc với đầu nước cao, làm cho cơng trình bị rị rỉ dẫn đến hiện tượng trơi đất mãnh liệt, làm sụp đổ cơng trình. Ở các mái dốc thiên nhiên cũng cĩ thể phát sinh xĩi ngầm và là một trong những nguyên nhân phát sinh dốc trượt.

VII.3.2. Điều kiện phát sinh xĩi ngầm

- Điều kiện về kết cấu của đất: Thành phần cấp phối hạt. Trong đất phải cĩ 2 loại đường kính hạt chiếm ưu thế và ≥20 d D hay 20 10 60 ≥ = d d Cu ® để phát sinh xĩi ngầm.

- Điều kiện về dịng thấm: Độ dốc giới hạn để các hạt cát bắt đầu bị đẩy đi được xác định theo cơng thức: Igh = (D – 1)(1 – n) + 0,5n

- Trong đĩ: D là tỷ trọng của cát, n là độ rỗng. Nếu Ithực tế> Igiới hạn ® xảy ra xĩi ngầm.

VII.3.3. Biện pháp ngăn ngừa

- Điều tiết dịng chảy, làm cho các cơng trình tiêu thốt nước, ngăn ngừa khơng cho nước chảy trong các tầng đất đá.

- Thiết bị tầng lọc đề phịng các hạt bị cuốn trơi.

- Thay đổi kết cấu cơng trình để làm giảm tốc độ dịng ngầm dưới nền hay trong bản thân cơng trình.

- Dùng các biện pháp nhân tạo nhưng phương pháp keo kết bằng chất silic, nhựa đường để cải tạo tính chất của đất đá.

VII.4. Hiện tượng các tơ

VII.4.1. Khái niệm

- Cáctơ là hiện tượng địa chất tự nhiên sinh ra do tác dụng hịa tan của nước dưới đất và nước trên mặt trong các đá dễ hịa tan để tạo ra trên bề mặt và bên trong khối đá những hình thái đặc biệt như: hang động ngầm, sơng ngầm, những hố trũng dạng phễu hoặc những giếng dạng phẳng bên trong khối đá.

- Do đĩ, làm kết cấu của đá thay đổi : khả năng thấm nước tăng và khả năng chịu lực của đá giảm.

- Đĩ là 2 vấn đề mà Địa chất cơng trình cần phải giải quyết khi xây dựng cơng trình trên vùng Cactơ.

VII.4.2. Điều kiện hình thành và phát triển cáctơ

- Gồm 4 điều kiện :

o Các đá phải cĩ tính hịa tan: bao gồm các muối khống NaCl, KCl, CaSO4, CaSO4.2H2O, CaCO3, CaMg(CO3)2, v.v…

o Hiện tượng cactơ phổ biến nhất trong các đá carbonate (đá vơi) vì loại đá này phổ biến nhất trong vỏ Trái đất.

o Các đá nứt nẽ: nhờ cĩ các khe nứt nên nước mới vận động được và tạo được hình thái cactơ.

o Nước phải cĩ khả năng ăn mịn.Nước phải vận động: sự vận động của nước quyết định hình thái và mức độ phát triển cactơ.

- Nước vận động trong cactơ làm cho hình thái Cactơ khác nhau theo chiều sâu và thường được chia làm 4 đới:

o • Đới I: Đới bão hịa khí

ƒ Nước vận động chủ yếu theo phương thẳng đứng. Do đĩ hình thái cactơ là những giếng hình phễu hoặc thẳng đứng.

o • Đới II: Đới vận động theo mùa

ƒ Về mùa khơ, nước vận động theo phương thẳng đứng. Về mùa mưa, nước vận động theo phương nằm ngang. Do đĩ hình thái cactơ là những giếng thẳng đứng hoặc những con sơng ngầm.

o • Đới III: Đới bão hịa nước

ƒ Nước vận động theo phương nằm ngang. Hình thái cactơ là những con sơng ngầm. Ở khu vực đáy sơng nước vận động đi lên.

o Đới IV: Đới vận động sâu

ƒ Nước vận động theo phương nằm ngang, hình thái cáctơ là những con sơng ngầm. Càng về phía sơng mức độ phát triển Karst càng tăng vì cĩ sự hỗn hợp giữa 2 loại nước: nước ngầm và nước sơng tạo ra một loại nước cĩ khả năng ăn mịn.

VII.4.3. Điều tra nghiên cứu và xử lý tầng các tơ trong xây dựng

- Dùng biện pháp điều tiết dịng chảy và thiết bị tiêu nước để ngăn chặn khơng cho nước trên mặt và nước dưới đất chảy vào tầng đá bị Karst hĩa nhằm hạn chế ngăn ngừa Karst phát triển.

- Phá vỡ đỉnh các hang hốc Karst. Đắp đá và đất sét vào những hang hốc Karst để ngăn nước chảy ra.

- Xây các tường chắn nước để ngăn nước từ các rảnh Karst.

- Dùng xi măng keo kết đá ở nền cơng trình, phụt xi măng qua các hố khoan bịt kín các kẻ nứt và hang hốc Karst tạo thành một màng khơng thấm tăng thêm cường độ của đá.