Chương 4: Các quá trình và hiện tượng địa chất động lực công trình
4.2. Quá trình tác dụng của nhiệt độ, nước, ôxy- hiện tượng phong hoá
Trong tự nhiên, khi đá bị lộ ra ngoài, không thể giữ đ−ợc nguyên trạng ban đầu mà bị biến đổi thành phần, kiến trúc, cấu tạo, ... do bị tác động bởi các yếu tố bên ngoài, đó chính là hiện t−ợng phong hoá.
Theo V.Đ. Lômtadze, phong hoá là hiện t−ợng địa chất ngoại sinh gây nên sự phá
huỷ cơ học và biến đổi hoá học các khoáng vật cấu tạo nên đá, xẩy ra ở phần trên cùng của vỏ trái đất, dưới tác dụng của các tác nhân phong hoá.
Kết quả của quá trình phong hoá làm giảm độ bền, độ ổn định, tăng độ biến dạng, khả năng chứa n−ớc, gây bất lợi cho các công trình xây dựng.
4.2.1. Các tác nhân phong hoá
Trong tự nhiên, có nhiều tác nhân gây nên tác dụng phong hoá đất đá. Trong đó, những tác nhân chủ yếu phải kể đến là: bức xạ nhiệt mặt trời; khí ôxy; cacbonic; nước và sinh vật.
- Bức xạ nhiệt mặt trời: Năng l−ợng mặt trời có tác dụng làm biến đổi tính chất vật lý của đá, gây ra hiện t−ợng giãn nở thể tích không đều giữa các khoáng vật tạo đá, từ đó phá vỡ khối đá. Mặt khác, năng l−ợng mặt trời còn có tác dụng làm tăng nhiệt độ của môi tr−ờng và kết quả là các phản ứng hoá học xảy ra mạnh mẽ hơn trong quá trình phong hoá đá.
- Các chất khí: ôxy và cacbonic là các chất khí chủ yếu tham gia vào các phản ứng hoá học trong quá trình phong hoá làm biến đổi thành phần, kiến trúc, cấu tạo và tính chất của đá.
84
- Nước: Tác dụng của nước (bao gồm cả nước mưa, nước mặt, nước dưới đất, hơi nước) gây ra các phản ứng hoá học như hoà tan, thuỷ phân, hợp nước, ... làm biến đổi các đá. Ngoài ra, nước còn là môi trường cho các tác nhân phong hoá khác hoạt động.
- Sinh vật: Tác dụng của sinh vật đ−ợc thể hiện ở ph−ơng thức cơ học và ph−ơng thức hoá học.
Phương thức cơ học: Các rễ cây phát triển trong khe đá lớn dần lên, gây nứt nẻ và phá vỡ chúng.
Ph−ơng thức hoá học: Các axít do sinh vật tiết ra gây tác dụng hoá học với các khoáng vật tạo đá và phá huỷ đá.
4.2.2. Các loại phong hoá
Dựa vào các tác dụng hoá lý xảy ra trong quá trình phong hoá, có thể chia phong hoá ra hai loại: phong hoá vật lý và phong hoá hoá học.
1. Phong hoá vật lý
Phong hoá vật lý là loại phong hóa xảy ra do tác dụng của các tác nhân vật lý nh−
nhiệt độ, sinh vật, ... làm cho đá bị nứt nẻ, vỡ vụn (thay đổi kiến trúc, cấu tạo đá), còn thành phần hoá học của đá hầu như không bị thay đổi. Phong hoá vật lý thường xảy ra trong giai đoạn đầu của quá trình phong hoá, bởi khi mới hình thành và tồn tại trong môi tr−ờng phong hóa, các tác nhân gây phong hóa vật lý có tác dụng rất mạnh, trong khi các tác nhân gây phong hóa hóa học ch−a có điều kiện để xâm nhập sâu vào trong khối đá để gây ra các phản ứng hóa học.
2. Phong hoá hoá học
Phong hoá hoá học là loại phong hóa xảy ra do tác dụng của các tác nhân hóa học như nước, ôxy, cacbonic, axít... làm cho đá biến đổi hoàn toàn cả về thành phần, kiến trúc, cấu tạo. Phong hoá hoá học thường xảy ra mạnh sau khi phong hóa vật lý đã phát triển, đá đã bị nứt nẻ, vỡ vụn. Vì trong điều kiện nh− vậy, các tác nhân hoá học có khả
năng xâm nhập vào khối đá và tương tác với các khoáng vật tạo đá làm phong hóa đá.
Trong quá trình phong hoá hoá học, các phản ứng hoá học xảy ra chủ yếu nh− ôxi hoá, hoà tan, thuỷ hoá (hợp n−ớc), thuỷ phân, cacbonat hoá. Chính do những phản ứng hóa học này mà đá bị biến đổi một cách triệt để, từ những khoáng vật nguyên sinh thành khoáng vật thứ sinh tồn tại d−ới dạng hạt phân tán.
4.2.3. Các yếu tố ảnh h−ởng tới quá trình phong hoá
- Thành phần khoáng vật: Quá trình phong hoá là quá trình phá huỷ, biến đổi các khoáng vật tạo đá. Sự bền vững của các khoáng vật tạo đá đối với môi trường phong hoá rất khác nhau và có ảnh hưởng quyết định tới quá trình phong hoá. Nếu các khoáng vật tạo đá bền vững trong môi trường phong hoá thì quá trình phong hoá xẩy ra yếu và chậm chạp và ng−ợc lại. Trong các khoáng vật tạo đá, khoáng vật có gốc muối silicat bền vững hơn các khoáng vật gốc muối cacbonat, sunfat hay clorua.
- Kiến trúc, cấu tạo của đá: Kiến trúc, cấu tạo của đá có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình tác dụng của các tác nhân phong hoá. Đá có kiến trúc kết tinh dễ bị phong hoá hơn đá có kiến trúc vô định hình. Đá đa khoáng dễ bị phong hoá hơn đơn khoáng.
Đá có kiến trúc kết tinh hạt lớn, không đều dễ bị phong hoá hơn đá có kiến trúc hạt nhỏ, đồng đều. Đá có liên kết kết tinh bền vững hơn đá có liên kết xi măng. Đá có cấu tạo khối bền vững hơn đá có cấu tạo phân lớp, ….
85
Kiến trúc, cấu tạo có liên quan chặt chẽ với điều kiện sinh thành đá. Nhìn chung,
đá có điều kiện sinh thành càng khác với điều kiện phong hoá thì càng dễ bị phong hoá
và phong hoá mạnh.
- Cấu tạo địa chất: Các đặc điểm phân lớp, thế nằm, nứt nẻ, đứt gãy, phá huỷ kiến tạo, ... của đá đều có ảnh hưởng tới quá trình phong hoá vì nó tạo điều kiện cho các tác nhân phong hoá xâm nhập và tác dụng. Đá có thế nằm nghiêng, nứt nẻ, đứt gãy nhiều thì phong hóa phát triển mạnh và sâu. Ng−ợc lại, đá có thế nằm ngang, ít nứt nẻ thì
phong hóa phát triển yếu và nông.
- Điều kiện khí hậu: Điều kiện khí hậu không những có vai trò quyết định quá
trình hoá lý xảy ra trong quá trình phong hoá mà còn ảnh hưởng đến cường độ hoạt
động của các tác nhân phong hoá. Vì vậy, nó ảnh hưởng tới mức độ và kết quả của quá
trình phong hoá. ở điều kiện khí hậu khác nhau, các tác dụng phong hoá xảy ra khác nhau, do đó sản phẩm phong hoá cũng khác nhau. Có thể nhận thấy dễ dàng mức độ phong hoá tăng dần, sản phẩm phong hoá cũng triệt để hơn khi đi từ vùng khí hậu khô
lạnh (hàn đới) đến vùng khí hậu nóng ẩm, m−a nhiều (nhiệt đới).
- Điều kiện địa hình: Đặc điểm địa hình chi phối hoạt động của các tác nhân phong hoá. ở những nơi bề mặt địa hình phân cắt mạnh, quá trình phong hoá xảy ra phức tạp và đa dạng. Quá trình bóc mòn thường xảy ra đồng thời và mạnh mẽ ở địa hình dương nên chiều dày phong hoá ở đây thường mỏng. Còn những nơi địa hình thoải, nước dưới đất tàng trữ tốt, trao đổi mạnh thì phong hoá xảy ra mạnh, chiều dày phong hoá lớn và sản phẩm phong hoá triệt để.
- Điều kiện địa chất thuỷ văn: Như đã biết, nước dưới đất vừa là tác nhân phong hoá vừa là môi tr−ờng thuận lợi cho các phản ứng hoá học xảy ra. Tuy nhiên, vai trò của nước dưới đất trong quá trình phong hoá còn phụ thuộc vào điều kiện địa chất thuỷ văn cụ thể. ở những nơi nước dưới đất phong phú, có điều kiện vận động, phong hoá
thường phát triển mạnh. Điều kiện địa chất thuỷ văn luôn có quan hệ chặt chẽ với điều kiện khí hậu và địa hình.
- Thời gian tác dụng liên tục của các tác nhân phong hoá: Thời gian tác dụng liên tục của các tác nhân phong hoá ảnh hưởng đến mức độ phong hoá, chiều dày phong hoá đá và có quan hệ chặt chẽ với quá trình bóc mòn, rửa trôi của nước mặt trên các sườn dốc. ở những nơi đất đá không bị bóc mòn, rửa trôi, thời gian tác dụng càng lâu thì phong hoá diễn ra càng triệt để và chiều sâu đá bị phong hoá càng lớn và ng−ợc lại.
Như vậy, trong tự nhiên có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến quá trình phong hoá. Tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể mà các nhân tố trên có mức độ ảnh hưởng khác nhau đến quá trình phong hoá. Tuy nhiên, chúng th−ờng có liên quan chặt chẽ với nhau, hỗ trợ lẫn nhau cùng tác động, làm cho quá trình phong hoá phát triển mạnh mẽ, đa dạng hơn.
4.2.4. Vỏ phong hoá và đặc tính phân đới
Do khả năng xâm nhập của các tác nhân phong hoá nên ở phần trên của vỏ trái
đất, đá chỉ bị tác dụng phong hoá tới độ sâu nào đó. ở dưới độ sâu đó, đá vẫn giữ được
độ tươi nguyên ban đầu mà chưa bị phong hóa (thành phần, kiến trúc, cấu tạo, … của
đá không bị biến đổi). Phần vỏ trái đất bị biến đổi đó đ−ợc gọi là vỏ phong hoá.
Từ trên mặt đất, càng xuống sâu, mức độ phong hoá càng giảm do khả năng xâm nhập của các tác nhân phong hoá càng hạn chế. Qua nghiên cứu, ng−ời ta thấy rằng, vỏ phong hoỏ cú tớnh phõn đới thẳng đứng rừ rệt. Theo thứ tự từ dưới lờn trờn, cú thể chia
86
vỏ phong hoá nhiệt đới ẩm (vỏ phong hoá đ−ợc hình thành trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm nh− ở Việt Nam) thành 4 đới: đới nguyên khối; đới tàn tích vỡ vụn; đới tàn tích kaolinit và đới latêrit.
1- Đới nguyên khối: Đới này cơ bản giống đá gốc, chỉ có những khe nứt nhỏ, trong đó có thể có vật chất sét lấp nhét.
2- Đới tàn tích vỡ vụn: Đới tàn tích vỡ vụn có đặc tr−ng là đá bị phong hóa vỡ vụn với kích th−ớc khác nhau, phía d−ới mảnh th−ờng lớn hơn, phía trên mảnh nhỏ hơn, các khe nứt phát triển mạnh, các khoáng vật thứ sinh phát triển nhiều thành vật chất lấp nhét khe nứt.
3- Đới tàn tích kaolinít: Căn cứ vào đặc điểm màu sắc, cấu tạo có thể chia làm ba phụ đới: Tàn tích cấu tạo; nhạt màu và tạp màu.
3a- Phụ đới tàn tích cấu tạo: Phụ đới này nằm ở dưới cùng. Tại đây, đá gốc đã bị biến đổi mạnh, khoáng vật thứ sinh hình thành chủ yếu là kaolinit, các đặc điểm kiến trúc, cấu tạo của đá gốc còn giữ đ−ợc.
3b- Phụ đới nhạt màu: Phụ đới nhạt màu thường liên quan chặt chẽ với mực nước dưới đất và thường nằm trong đới dao động của mực nước ngầm, cho nên chịu tác dụng rửa trôi mạnh. Nhìn chung, đất có màu nhạt, các đặc điểm kiến trúc, cấu tạo của đá gốc
đã không nhận ra đ−ợc, khoáng vật thứ sinh hình thành chủ yếu cũng là kaolinit.
3c- Phụ đới tạp màu (loang lổ): Phụ đới này nằm trên cùng của đới tàn tích kaolinit, các hyđrôxit sắt không hoàn toàn bị nước lôi cuốn đi, tích đọng lại tạo thành những đốm màu đỏ, vàng, tím.
4- Đới laterit: Trong đới laterit, đá bị phong hoá triệt để nhất, hình thành nên các hợp chất ôxyt sắt, ôxyt nhôm dạng R2O3. Các hợp chất này tích tụ lại hình thành các kết von, có nơi hình thành các tầng đá ong, tuỳ theo đặc điểm địa hình và hoạt động của nước dưới đất.
Tuỳ thuộc vào đặc điểm địa hình, địa chất thuỷ văn, địa chất công trình ở từng nơi mà mặt cắt vỏ phong hoá có thể có đầy đủ các đới trên, hoặc thiếu 1, 2 hay 3 đới.
Chiều dày của mỗi đới và của vỏ phong hoá rất khác nhau, phụ thuộc vào thành phần, kiến trúc, cấu tạo của đá gốc, các tác nhân gây phong hoá và các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phong hoá. Trong đó, đặc biệt là thời gian tác dụng liên tục của các tác nhân phong hoá.
4.2.5. Quan hệ giữa phong hoá và các hiện t−ợng địa chất khác
Hiện t−ợng phong hoá có liên quan chặt chẽ với các hiện t−ợng địa chất khác. Tác dụng phong hoá làm giảm độ bền, độ ổn định và phá huỷ đá, tạo điều kiện cho các hiện t−ợng địa chất khác phát sinh, phát triển, ng−ợc lại, các hiện t−ợng địa chất khác phát triển, mở đường cho các tác nhân phong hoá xâm nhập vào trong khối đá, thúc đẩy quá
trình phong hoá xảy ra mạnh mẽ hơn.
Thí dụ: Phong hoá tạo điều kiện thuận lợi cho hiện t−ợng tr−ợt, đá đổ, đá lở xảy ra; đẩy nhanh sự thành tạo m−ơng xói; cung cấp vật liệu rắn, tăng c−ờng quy mô của dòng lũ bùn đá. Sự phát triển của các hiện t−ợng này lại làm cho quá trình phong hoá
xẩy ra mạnh hơn, nhanh hơn, sâu hơn.
Giữa quá trình phong hoá và các quá trình địa chất ngoại sinh khác luôn có tác dụng t−ơng hỗ lẫn nhau, thúc đẩy nhau cùng phát triển theo một quy luật phổ biến trong tự nhiên, đó là quy luật nhân quả.
87 4.2.6. Các biện pháp ngăn ngừa phong hoá
Để ngăn ngừa phong hoá có thể áp dụng nhiều biện pháp khác nhau.
- Phủ đá gốc bằng loại vật liệu không cho tác nhân phong hoá xâm nhập vào:
Thông thường khi thi công hố móng trong đá dễ bị phong hoá và phong hóa nhanh, người ta để lại một lớp bảo vệ, khi xây dựng móng mới bóc bỏ lớp này đi. Chiều dày lớp bảo vệ phụ thuộc vào tốc độ phong hoá và thời gian từ khi khai đào hố móng tới khi thi công xây dựng móng, sao cho đá ở thành hố móng vẫn đ−ợc bảo vệ, không bị phong hoá trong thời gian mở hố móng.
Để bảo vệ đá ở hố móng (hay sườn dốc) không bị phong hoá trong quá trình mở hố móng, có thể dùng các loại vật liệu cách n−ớc nh− sét, bitum, silicat, ... làm vật liệu phủ, cách ly đá với môi trường bên ngoài (ngăn cách sự xâm nhập của các tác nhân phong hoá vào trong đá). Muốn vậy, cần phải xác định đ−ợc tác nhân phong hoá chủ yếu, từ đó xác định loại vật liệu, chiều dày lớp phủ hợp lý.
- Bơm phụt dung dịch: Có thể sử dụng dung dịch sét, xi măng, thủy tinh lỏng để bơm phụt vào trong đá, lấp đầy các khe hổng, ngăn chặn sự xâm nhập của các tác nhân phong hoá vào trong đá.
- Tiêu thoát nước: Đây là biện pháp phổ biến, đơn giản và hiệu quả, nhằm ngăn không cho nước mặt và nước dưới đất xâm nhập và tiếp xúc với khu vực đá cần bảo vệ.
Các biện pháp thoát n−ớc có thể sử dụng nh− san phẳng những chỗ trũng, xây lát bề mặt, làm rãnh thoát nước mặt, hành lang thoát nước ngầm ra khỏi phạm vi đá dễ bị phong hóa, làm tường chắn bằng vật liệu chống thấm để cách nước, ….
- Trung hoà nhân tạo các tác nhân phong hoá: Trung hoà các tác nhân phong hoá
tức là làm bão hoà môi trường hoá học phong hoá đá, từ đó kiềm chế các phản ứng hoá
học xẩy ra theo chiều thuận làm phong hoá đá. Để trung hoà các tác nhân phong hoá, có thể đ−a vào trong n−ớc một loại muối dễ hoà tan th−ờng chứa trong chúng. Nhìn chung, biện pháp này không dễ thực hiện.
4.3. Quá trình hoạt động của nước mặt