Chương 4: Các quá trình và hiện tượng địa chất động lực công trình
4.6. Quá trình hoạt động của nước mặt và nước dưới đất
1. Sự thành tạo đầm lầy
Trong tự nhiên, th−ờng tồn tại những vùng trũng, ẩm −ớt, thực vật phát triển.
Những vùng đất mà ở trên mặt luôn luôn có hơi ẩm thừa đọng, đất đá bão hoà nước, bị phủ kín bởi lớp thực vật ưa nước, được gọi là lãnh thổ bị lầy hoá. Những vùng đất bị lầy hoá có lớp bùn dày, trong đó có chứa các di tích hữu cơ hay than bùn (hình thành từ xác thực vật) đ−ợc gọi là đầm lầy. Nh− vậy, sự lầy hoá lãnh thổ chính là giai đoạn đầu của quá trình hình thành đầm lầy.
ở vùng đất bị lầy hoá, lớp trầm tích hữu cơ thường mỏng. Theo phân loại, vùng
đất bị lầy hoá mà có chiều dầy lớp than bùn ở trạng thái tự nhiên lớn hơn 30cm và ở trạng thái khô lớn hơn 20cm đ−ợc gọi là đầm lầy.
108
Đầm lầy và vùng đất bị lầy hoá thường được hình thành ở những nơi có điều kiện
địa lý tự nhiên, địa hình, địa chất thuận lợi cho sự hình thành của chúng nh− mặt đất bằng phẳng, hơi trũng, lớp đất cách nước ngầm nằm gần mặt đất, thường xuyên được nước mưa, nước mặt hay nước dưới đất cung cấp, lượng nước cung cấp lớn hơn lượng nước thoát đi (theo đường thấm và bay hơi), đất trên mặt luôn luôn bão hoà nước, thừa ẩm. Trong điều kiện nh− vậy, thực vật −a n−ớc phát triển mạnh. Khi chết đi xác thực vật tích đọng lại trong môi trường ngập nước, thiếu không khí và phân huỷ thành than bùn. Sự tích đọng vật chất hữu cơ hết lớp này đến lớp khác tạo nên lớp than bùn có chiều dầy ngày càng lớn và hình thành đầm lầy.
Tuỳ từng điều kiện thành tạo cụ thể mà chiều dầy và mức độ than bùn hoá trong
đầm lầy cũng khác nhau. Theo nguồn gốc hình thành, có thể chia ra 3 loại đầm lầy:
1- Đầm lầy t−ớng sông: đ−ợc thành tạo ở ven sông.
2- Đầm lầy t−ớng hồ: đ−ợc thành tạo ở ven hồ.
3- Đầm lầy t−ớng biển: đ−ợc thành tạo ở ven biển.
Theo đặc điểm địa chất công trình đầm lầy, có thể chia ra:
- Đầm lầy ổn định có lớp than bùn đã bị nén chặt phủ hoàn toàn trên phạm vi rộng, chiều dầy lớn, ít biến đổi.
- Đầm lầy không ổn định có lớp than bùn mềm yếu, ch−a đ−ợc nén chặt, phạm vi phân bố, chiều dầy biến đổi mạnh.
- Đầm lầy có lớp than bùn mỏng phủ trên mặt còn ở d−ới là bùn và n−ớc.
- Đầm lầy có đáy mềm yếu, thường xuyên chứa nước, không có than bùn mà chỉ có bùn sét, đất loại sét ở trạng thái chảy phân bố ở đáy.
2. Cấu trúc của đầm lầy
Cấu trúc của đầm lầy đ−ợc đặc tr−ng bởi điều kiện thế nằm, chiều dầy, thành phần, tính chất, trạng thái của trầm tích đầm lầy (đặc biệt là lớp than bùn), hình dạng
địa hình đáy đầm lầy. Có thể chia ra 3 kiểu cấu trúc đầm lầy (hình 45).
Kiểu 1: Chiều dầy trầm tích nhỏ (dưới 3m), than bùn có trạng thái ổn định, địa hình đáy đầm lầy khá bằng phẳng theo phương ngang.
Kiểu 2: Chiều đày trầm tích trung bình (từ 5- 6m) và biến đổi, than bùn ở đáy có trạng thái không ổn định, địa hình đáy đầm lầy nghiêng tương đối đều.
Kiểu 3: Chiều dầy trầm tích khá lớn (trên 6m) và biến đổi mạnh theo không gian, bùn và than bùn có trạng thái không ổn định, trên mặt đầm lầy thường có lớp thực vật trụi nổi phủ kớn hoặc cú những khoảng trống chứa nước. Địa hỡnh đỏy đầm lầy lồi lừm, thay đổi phức tạp không thao quy luật.
Hình 45: Các kiểu cấu trúc đầm lầy ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼
∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼
♣ ♣ ♣
∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼
♣ ♣ ♣
♣ ♣
∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼
∼
♣ ♣ ♣
♣
♣
Kiểu 3 Kiểu 2
Kiểu 1
109
3. Thành phần và tính chất của trầm tích đầm lầy
Trầm tích đầm lầy có 3 loại chủ yếu: bùn hữu cơ, bùn khoáng và than bùn.
1- Bùn hữu cơ là loại đất bùn có lẫn nhiều vật chất hữu cơ. Đây là loại trầm tích
đ−ợc thành tạo ở giai đoạn đầu của quá trình than bùn hoá. Bùn hữu cơ đ−ợc hình thành từ các sinh vật phù du, rong tảo, các loại thực vật −a n−ớc, ... sống ở trong bồn n−ớc và một phần vật chất hữu cơ đ−ợc mang từ nơi khác đến nh− mùn rác cùng với các hạt vật liệu vô cơ nhỏ và mịn. Trong điều kiện tự nhiên, bùn hữu cơ th−ờng có mầu nâu, phớt xanh hoặc đen, trạng thái chảy, độ ẩm cao, sờ tay thấy trơn, mịn. Thành phần vô cơ
th−ờng là hạt sét, bụi, cát.
Tính chất cơ lý của bùn hữu cơ rất yếu: khối l−ợng riêng nhỏ, γs biến đổi từ 1,4- 1,5 đến 2,4- 2,6g/cm3 tuỳ theo l−ợng chứa hữu cơ; hệ số rỗng rất lớn, biến đổi từ 2- 10,
độ bền rất thấp; độ biến dạng cao; sức chịu tải nhỏ.
2- Than bùn là loại trầm tích đặc tr−ng của đầm lầy, đ−ợc hình thành tạo do sự tích tụ và phân huỷ xác sinh vật (chủ yếu là thực vật) trong điều kiện thiếu ôxy cùng với một phần chất vô cơ đ−ợc dòng chảy mang đến. Theo phân loại thì đất chứa trên 60% thành phần hữu cơ gọi là than bùn, 10- 60% gọi là đất than bùn hóa và dưới 10%
gọi là đất chứa hữu cơ.
Tuỳ theo mức độ phân huỷ của di tích thực vật mà bề ngoài than bùn trông giống nh− đất mà trong đó ít nhiều có những mảnh dạng sợi hay là một khối vật chất nhớt dẻo mầu nâu với những sắc thái khác nhau, từ nâu nhạt đến nâu đen.
Trong điều kiện tự nhiên, độ ẩm của than bùn thường rất cao, độ lỗ rỗng lớn, độ sệt cao và không ổn định, độ thấm nước phụ thuộc nhiều vào mức độ phân huỷ hữu cơ, hệ số nén lún lớn và không đều, độ bền kháng cắt nhỏ (như đã trình bày ở chương 3).
Nhìn chung, tính chất cơ lý của than bùn phụ thuộc nhiều vào hàm l−ợng, thành phần hữu cơ, mức độ phân huỷ hữu cơ và cả mức độ bị nén chặt (chiều sâu phân bố) của trầm tích than bùn.
3- Bùn khoáng đ−ợc hình thành từ các vật liệu vô cơ nh− hạt cát, bụi, sét. Chúng tạo thành những lớp mỏng nằm lót d−ới hay trên lớp than bùn, bùn hữu cơ hoặc xen kẹp với chúng d−ới dạng thấu kính trong trầm tích đầm lầy.
Bùn khoáng có những tính chất cơ bản gần giống bùn hữu cơ nh− ở trạng thái chảy, độ ẩm cao, độ bền nhỏ, độ biến dạng lớn, …. Tuy nhiên, do không chứa hữu cơ
nên bùn khoáng có khả năng giữ n−ớc kém hơn.
Nh− vậy, các loại trầm tích đầm lầy là đều đất yếu, không thuận lợi cho hoạt động xây dựng. Trong thực tế, khi xây dựng trên trầm tích đầm lầy, để đảm bảo ổn định cho công trình, thường phải tiến hành xử lý nền. Theo phân loại trong địa chất công trình thì chúng đ−ợc xếp vào nhóm đất đá có thành phần, trạng thái và tính chất đặc biệt.
4. Xây dựng công trình trên trầm tích đầm lầy và đất bị lầy hóa
Khi quy hoạch xây dựng các công trình, thông th−ờng ng−ời ta cố gắng tránh những nơi phân bố các loại trầm tích đầm lầy hoặc bóc bỏ chúng nếu chiều dầy trầm tích nhỏ, điều kiện thi công thuận lợi. Tr−ờng hợp không thể đ−ợc thì có hai h−ớng giải quyết: cải tạo tính chất xây dựng của đất bằng các phương pháp khác nhau và áp dụng các giải pháp móng đặc biệt để thi công và xây dựng.
Có thể dùng các giải pháp cải tạo và thi công, xây dựng nh− d−ới đây:
110
- Tháo khô n−ớc mặt và n−ớc ngầm: Có thể tháo khô bằng ph−ơng pháp điện thấm hay điện hoá hoặc xây dựng các hệ thống rãnh, ống thoát nước tuỳ theo đặc điểm địa mạo, địa chất thủy văn và diện tích của đầm lầy.
- San lấp, thay thế một phần chiều dầy trầm tích đầm lầy ở trên mặt: Sử dụng các loại vật liệu hạt thô nh− cát, cuội, sỏi, .... để thay thế một phần trầm tích đầm lầy, nhằm
đạt đ−ợc mục đích ổn định độ lún trong giới hạn cho phép và đảm bảo áp lực trên trầm tích đầm lầy không v−ợt quá khả năng chịu tải của chúng.
- Xây dựng bệ giảm áp: Bệ phản áp có tác dụng chống ép trồi đất yếu sang hai bên, giảm thiểu phạm vi phát sinh vùng biến dạng dẻo, giữ ổn định cho công trình.
- Làm bè dưới đáy nền đường đắp: Giải pháp này nhằm mục đích phân bố đều và giảm thiểu áp lực tác dụng xuống nền đất yếu khi xây dựng đường giao thông.
- Xử lý bằng cọc tre, cọc chàm, cọc cát, giếng cát, bấc thấm, ...: Các giải pháp này nhằm nâng cao cường độ, đẩy nhanh tốc độ cố kết của đất yếu.
- Sử dụng các giải pháp xây dựng nh− móng sâu, khe lún, đai thép, kết cấu thép...:
Đây là những giải pháp nhằm giữ ổn định công trình và kết cấu công trình.
Nh− vậy, khi xây dựng công trình trên trầm tích đầm lầy và đất bị lầy hoá, tuỳ theo loại, quy mô công trình, đặc điểm cấu trúc nền mà áp dụng các giải pháp nền móng sao cho thích hợp, đảm bảo cho công trình ổn định.
4.6.2. Hiện t−ợng cactơ
Cactơ là hiện tượng nước dưới đất gây ra tác dụng rửa lũa, hoà tan các khoáng vật tạo đá, tạo nên các khe hổng, hang hốc trong đá.
Đây là hiện tượng địa chất ngoại sinh liên quan tới hoạt động của nước dưới đất trong những điều kiện nhất định. Kết quả quá trình cactơ, có thể tạo nên những phễu, hồ, hố trũng, ..., các dạng địa hình đặc biệt trên mặt hay dưới đất, hình thành động thái và quy luật vận động đặc biệt của nước dưới đất và mạng lưới thuỷ văn khu vực.
Quá trình rửa lũa, hoà tan các đá thể hiện chủ yếu ở tác dụng hoá học và một phần do tác dụng cơ học. Vì thế, không phải đá nào cũng có thể phát triển cactơ. Cactơ chỉ hình thành trong một số đá có khả năng hoà tan nhất định nh− đá vôi, đôlômit, thạch cao, muối mỏ. Tuỳ theo loại đá bị cactơ hoá mà người ta gọi cactơ cacbonat, cactơ
sunphat hay cactơ clorua.
Hiện tượng cactơ có ảnh hưởng lớn tới hoạt động kinh tế của con người như gây mất ổn định các công trình, mất nước ở hồ chứa, làm phát sinh các dòng nước lớn chảy vào công trường khai thác mỏ, công trình khai đào ngầm. Để tránh được tác hại của hiện t−ợng cactơ, cần phải thực hiện nhiều biện pháp xử lý tốn kém, khó khăn về nền móng và thi công khi xây dựng các công trình.
Việc nghiên cứu hiện t−ợng cactơ sẽ cho phép chúng ta tìm ra đ−ợc các giải pháp xây dựng hợp lý, các biện pháp xử lý nền móng tối −u, đảm bảo các yêu cầu cả về kinh tế và kỹ thuật.
1. Điều kiện cơ bản phát sinh và phát triển cactơ
Theo Xavarenxki và Xôkôlôv, cactơ chỉ có thể phát sinh và phát triển khi có đủ các điều kiện cơ bản sau:
1- Đá có khả năng bị hoà tan: Trong thực tế, các khoáng vật tạo đá chủ yếu bị hoà tan đều có cấu trúc tinh thể. Quá trình hoà tan đá trong nước thực chất là quá trình phá
111
vỡ mạng tinh thể, chuyển các ion của mạng tinh thể khoáng vật vào trong n−ớc d−ới tác dụng của lực hút của các ion tự do và các phân tử n−ớc.
Clorua natri và clorua kali cấu tạo nên muối ăn và muối kali là những loại khoáng vật dễ bị hoà tan và hoà tan với tốc độ nhanh trong thể tích nước không đáng kể, khoảng 320g/l.
Sunfat canxi cấu tạo nên thạch cao và anhyđric là những loại khoáng vật có mức
độ hoà tan trung bình với tốc độ hoà tan chậm trong thể tích nước khá lớn, trong khoảng từ 2- 2,6g/l.
Cacbonat canxi và cacbonat magiê cấu tạo nên đá vôi, đôlômit, canxit là những loại khoáng vật khó bị hoà tan hơn nhiều so với các khoáng vật trên (vài mg/l) và thời gian hoà tan rất lâu dài.
Các loại khoáng vật khác thì hầu nh− không bị hoà tan.
Khả năng bị hoà tan của các khoáng vật tạo đá trước hết phụ thuộc tổng năng l−ợng mạng tinh thể của chúng, tức là năng l−ợng cần thiết để phá vỡ cấu trúc mạng tinh thể. Tổng năng l−ợng mạng tinh thể của muối mỏ là 183kcal/mol, thạch cao là 630kcal/mol, canxit là 700kcal/mol. Ngoài ra, khả năng bị hoà tan của khoáng vật còn phụ thuộc vào cấu trúc mạng tinh thể, thành phần tạp chất lẫn trong đá, nhiệt độ, áp suất của n−ớc.
Trong thực tế, đá vôi và đôlômit có khả năng bị hoà tan kém hơn nhiều so với thạch cao và muối mỏ, nh−ng cactơ phát triển trong chúng rất phổ biến vì những loại
đá này có diện phân bố rộng và qui mô lớn hơn rất nhiều so với thạch cao và muối mỏ.
Mặt khác, do quá trình hoà tan đá vôi và đôlômit xẩy ra lâu dài (hàng nghìn năm), nên kết quả của quá trình cactơ hoá cũng đ−ợc duy trì, bảo tồn lâu dài mà chúng ta dễ dàng nhận thấy, còn quá trình hoà tan thạch cao và muối mỏ xẩy ra nhanh, hình thái luôn biến đổi, nên ít có điều kiện nhận thấy.
2- Nước có khả năng hoà tan: Đá cacbonat hoà tan được trong nước để tạo thành các hang hốc cactơ là do tác dụng của cacbonic tự do có mặt trong n−ớc. Quá trình hoà tan đá cacbonat diễn ra theo phương trình phản ứng sau:
H2O + CO2 ↔↔↔↔ H2CO3 + (Ca,Mg)CO3 ↔↔↔ (Ca,Mg)(HCO↔ 3)2
Sự hoà tan cacbonat trong n−ớc chứa cacbonic chỉ có thể xảy ra khi sự cân bằng cacbonat bị phá huỷ.
Tương ứng với mỗi lượng CO2 trong nước, có một lượng hoàn toàn xác định các thành phần khác trong phương trình biểu thị tính cơ động của các phản ứng hoà tan đá.
Khi l−ợng CO2 tăng lên, l−ợng H2CO3 cũng tăng lên. Chúng phản ứng với pha cứng cacbonat để chuyển sang dạng dung dịch dưới dạng hyđrô cacbonat. Ngược lại, khi l−ợng CO2 giảm thì l−ợng H2CO3 và các hyđrô cacbonat bị hoà tan- (Ca,Mg)(HCO3)2 cũng giảm đi do một phần chuyển thành pha cứng (cặn).
Nh− vậy, trong n−ớc cactơ luôn tồn tại l−ợng chứa cacbonic tự do cân bằng với lượng chứa cacbonat hoà tan tương ứng. Lượng cacbonic tự do đó được gọi là cacbonic cân bằng. Nếu l−ợng cacbonic tự do tồn tại trong n−ớc lớn hơn l−ợng cacbonic cân bằng thì đá bắt đầu bị hoà tan, quá trình cactơ hóa tiếp tục xảy ra. Phần cacbonic tự do lớn hơn này đ−ợc gọi là cacbonic ăn mòn.
Pha láng HCO3−−−−
(Ca,Mg)2++++
Pha rắn
112
Ngoài tác dụng hoà tan chủ yếu của cacbonic ăn mòn, thành phần muối và độ khoáng hoá trong nước cũng ảnh hưởng đến mức độ hoà tan của các đá, vì sự tồn tại của chúng có vai trò làm thay đổi môi trường hoà tan.
3- Đá có khả năng thấm nước: Đây là điều kiện cần thiết để cho nước tiếp xúc với
đá có khả năng bị hoà tan. Nếu nước không tiếp xúc được với đá thì không thể xẩy ra các phản ứng hoá học với cacbonic ăn mòn. Đá có độ thấm nước càng lớn, càng dễ bị hoà tan và hoà tan càng nhiều do nước dễ xâm nhập sâu vào trong khối đá và có khả
năng trao đổi mạnh. Còn trong trường hợp ngược lại, đá có độ thấm nước nhỏ, khó bị hoà tan và hoà tan ít hơn do nước vận động yếu, khả năng và mức độ xâm nhập vào trong đá kém hơn.
4- Nước vận động trong đất đá: Khi bị hoà tan, các ion trong mạng tinh thể khoáng vật di chuyển vào trong nước, làm cho nồng độ của chúng trong nước tăng lên.
Đồng thời, quá trình hoà tan làm cho l−ợng CO2 trong n−ớc giảm đi. Kết quả làm cho khả năng hoà tan của nước giảm đi nhanh chóng. Quá trình trao đổi nước sẽ làm cho quá trình hoà tan đ−ợc tiếp tục, do có sự bổ sung các chất có khả năng hoà tan đá nh−
CO2 và nồng độ chất khoáng hoà tan giảm đi.
2. Những yếu tố thúc đẩy sự phát triển cactơ
- Đặc điểm khí hậu: Cactơ phát triển mạnh trong vùng khí hậu ẩm và thừa ẩm, l−ợng m−a lớn, l−ợng bốc hơi ít. Trong điều kiện này, dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm hoạt động mạnh làm tăng khả năng xâm nhập và trao đổi nước, thúc đẩy quá
trình hoà tan đá. Mặt khác, trong điều kiện khí hậu ẩm, thực vật phát triển phong phú, các quá trình sinh học, phong hoá phát triển mạnh mẽ làm cho l−ợng CO2 bổ sung vào nước được tăng cường. Đây là những điều kiện thuận lợi để thúc đẩy cactơ phát triển.
- Địa hình khu vực: Yếu tố địa hình có tác dụng đáng kể đến sự phát triển cactơ.
Thực tế cho thấy ở vùng núi, cactơ phát triển mạnh hơn, đa dạng hơn và xuống sâu hơn so với vùng đồng bằng do địa hình ở vùng núi bị phân cắt, sự vận động của nước mặt và nước ngầm diễn ra mạnh, quá trình xâm thực, bóc mòn bề mặt phát triển, đá có khả
năng bị hoà tan lộ ra, tạo điều kiện cho n−ớc tiếp xúc, xâm nhập sâu vào trong chúng, làm cho quá trình cactơ hoá phát triển cả ở trên mặt và ở dưới sâu. Ở vùng đồng bằng thì ngược lại, các đá có khả năng bị hoà tan thường nằm dưới lớp phủ có khả năng cách nước, địa hình bằng phẳng ít thay đổi, khả năng trao đổi và xâm nhập xuống sâu của n−ớc kém, vì vậy cactơ phát triển yếu và không xuống sâu.
- Thành phần thạch học, kiến trúc, cấu tạo của đá: Mức độ bền vững của các khoáng vật tạo đá có ảnh hưởng quyết định đến quá trình cactơ hoá. Đá chứa thành phần các khoáng vật, các tạp chất dễ hoà tan thì cactơ phát triển mạnh và ng−ợc lại, cactơ phát triển yếu.
Đá có kiến trúc tinh thể nhỏ, mức độ hoà tan lớn hơn đá có kiến trúc tinh thể lớn.
Đá có cấu tạo khối khó bị hoà tan hơn đá có cấu tạo phân lớp.
- Đặc điểm cấu tạo địa chất: Điều kiện thế nằm, mức độ nứt nẻ, vỡ vụn quyết
định khả năng xâm nhập của nước vào trong đá bị hoà tan.
Những đá có khả năng hoà tan bị che phủ, ngăn cách bởi các trầm tích không có khả năng thấm n−ớc thì cactơ phát triển yếu, rất yếu và nói chung là không phát triển.
Nếu trầm tích che phủ có khả năng thấm nước lớn, chiều dày nhỏ hoặc đá có khả năng bị hoà tan lộ ra ngay trên mặt thì cactơ phát triển dễ dàng và mạnh mẽ hơn.