Chương 3: Đất đá và tính chất Địa chất công trình của chúng
3.5. Đặc điểm địa chất công trình của đá cứng và nửa cứng
Nh− đã biết, đá cứng và đá nửa cứng đ−ợc phân biệt với nhau chủ yếu bởi tính chất cơ lý. Chúng có thể có cùng nguồn gốc hay cùng thành phần thạch học, nh−ng do
điều kiện hình thành và tồn tại, chịu tác động của môi trường tự nhiên khác nhau nên tính chất xây dựng cũng khác nhau.
3.5.1. Sự phân bố của đá cứng và đá nửa cứng
Đá cứng và đá nửa cứng là những thành phần vật chất chiếm phần lớn trong vỏ Trái đất. Chúng đ−ợc thành tạo đầu tiên trong quá trình hình thành vỏ Trái đất với các nguồn gốc: macma; trầm tích và biến chất. Tuy nhiên, trong quá trình tồn tại, do tác dụng của các yếu tố ngoại sinh, ở phần trên vỏ Trái đất, nơi xảy ra quan hệ tương tác giữa khí quyển, thủy quyển, sinh quyển và cả quyển kỹ thuật với thạch quyển, đá cứng và đá nửa cứng đã bị phá hủy và biến đổi thành các vật liệu phân tán (đất rời và đất dính). Trong quá trình trên, khí quyển đóng vai trò đặc biệt quan trọng, quyến định sự phá hủy và biến đổi đá cứng, đá nửa cứng để hình thành lớp vật liệu phân tán nằm trên.
Vì thế, trên bề mặt Trái đất, những nơi nào có điều kiện khí hậu thuận lợi cho các yếu tố ngoại sinh phát huy tác dụng (chế độ khí hậu nhiệt đới nh− ở Việt Nam) thì ở nơi đó, cứng và đá nửa cứng bị biến đổi mạnh, lớp vật liệu phân tán dày. Ng−ợc lại, điều kiện khí hậu không thuận lợi (chế độ khí hậu hàn đới nh− ở vùng cực), đá cứng và đá nửa cứng ít bị biến đổi, lớp vật liệu phân tán mỏng hoặc không có.
Nh− vậy, có thể thấy, đá cứng và đá nửa cứng phân bố rộng khắp trong vỏ Trái
đất, nhưng phần lớn chúng không lộ ra trên mặt mà nằm ở sâu, dưới các loại đất rời và
đất dính có nguồn gốc trầm tích hay phong hóa. ở vùng đồi núi, đá cứng và đá nửa cứng thường phân bố ở độ sâu không lớn, từ vài mét đến 15 - 20m, dưới các loại đất rời và đất dính có nguồn gốc phong hóa. Còn ở vùng đồng bằng, đá cứng và đá nửa cứng có thể phân bố ở độ sâu tới hành trăm mét, dưới các loại đất rời và đất dính có nguồn gốc bồi tích. Những nơi đá cứng và đá nửa cứng lộ ra thường ở vùng núi là do tác dụng rửa trôi rất mạnh mẽ bởi nước mưa, nước mặt, của dòng chảy, do các hoạt động địa chất động lực như trượt lở, động đất, nứt đất, núi lửa, … hay do tác động của con người xây dựng các công trình, khai thác khoáng sản.
74 3.5.2. Tính chất cơ lý của đá cứng và nửa cứng 1. Đá cứng
Đá cứng có khối l−ợng thể tích tự nhiên rất lớn, gần bằng khối l−ợng riêng, γw= 2,60- 3,10g/cm3, độ rỗng không đáng kể (xấp xỉ vài phần trăm), thường không chứa ẩm hoặc chứa ẩm rất ít và n−ớc chỉ thấm đ−ợc qua các khe nứt, hệ số thấm nhỏ, phụ thuộc vào mức độ nứt nẻ, k< 10m/ngđ.
Đá cứng có độ bền, độ đàn hồi rất cao, cường độ kháng nén, kháng kéo rất lớn, Rn= 500- 4.000kG/cm2, lực dính kết c từ vài chục đến hàng trăm kG/cm2, góc ma sát trong ϕ tới 30- 400, E0 rất lớn, có thể lớn hơn 100.000kG/cm2. Đá cứng có khả năng chịu lực rất lớn, hầu như không bị nén lún dưới tác dụng của lực ngoài và rất ổn định ở mái dốc (phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện thế nằm). Khi chịu tác dụng của tải trọng công trình, nền đá có thể bị phá huỷ theo các mặt hay đới yếu (các mặt hay đới yếu có thể đ−ợc hình thành theo bề mặt phân lớp, khe nứt hay đới phá huỷ kiến tạo, ...) trong khi biến dạng lún là không đáng kể.
2. Đá nửa cứng
Đá nửa cứng có khối lượng thể tích tự nhiên tương đối lớn (gần bằng đá cứng), γw= 2,20- 2,60g/cm3, độ rỗng nhỏ, n = 10- 15%, chứa ẩm ít, độ thấm nước thường lớn hơn đá cứng, phụ thuộc vào mức độ nứt nẻ và mức độ phong hoá, hệ số thấm thay đổi mạnh, trong khoảng từ 0,5- 30m/ngđ.
Các chỉ tiên cơ học của đá nửa cứng thay đổi trong phạm vi rộng, phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, đặc điểm kiến trúc, cấu tạo của đá, Rn tăng từ 25-150 đến 500kG/cm2, lực dính kết c từ vài chục đến hàng trăm kG/cm2, E0 từ 20.000 đến 100.000kG/cm2. Đá bị nén lún ít hoặc không bị nén lún, độ ổn định ở mái dốc phụ thuộc vào mức độ nứt nẻ, phong hoá và đặc biệt là thế nằm của đá.
3.5.3. ảnh hưởng của thành phần, kiến trúc, cấu tạo đến tính chất cơ lý của đá
Thành phần vật chất của đá đ−ợc quyết định bởi thành phần khoáng vật tham gia cấu tạo đá. Riêng đối với đá trầm tích, ngoài thành phần khoáng vật của các hạt khoáng trầm tích, thành phần vật chất còn bao gồm cả thành phần xi măng gắn kết và các chất lẫn (không phải là hạt khoáng).
Thành phần vật chất của đá cứng và đá nửa cứng có ảnh hưởng rất lớn tới độ bền,
độ cứng, khả năng nén lún và tính ổn định khi chịu tác dụng phong hoá. Các khoáng vật tạo đá có độ bền và độ ổn định khác nhau, phụ thuộc vào thành phần hoá học, cấu trúc mạng tinh thể cũng nh− đặc tính liên kết giữa các ion trong mạng tinh thể. Chúng
đóng vai trò quyết định đối tới độ bền, độ ổn định của đá. Nhìn chung, các đá có thành phần khoáng vật bền vững và ổn định trong môi trường thiên nhiên thường có độ bền cao và ng−ợc lại. Tuy nhiên, cần phải chú ý rằng, độ bền và độ cứng của các khoáng vật tạo đá không phải là độ bền và độ cứng của đá, vì đá là một hợp thể gồm những khoáng vật khác nhau. Vì vậy, độ bền và độ cứng của đá không chỉ phụ thuộc vào độ bền khoáng vật mà còn phụ thuộc vào mối liên kết giữa chúng trong đá. Nếu mối liên kết giữa các khoáng vật yếu thì độ bền và độ cứng của đá thấp. Thường độ bền và độ cứng của khoáng vật lớn hơn nhiều so với đá.
Đặc điểm kiến trúc và cấu tạo phản ánh mối quan hệ không gian giữa các yếu tố cấu trúc của đá được hình thành trong quá trình thành tạo. Chúng có ảnh hưởng lớn tới tính ổn định và độ bền của đá cứng và nửa cứng.
75
Về đặc điểm kiến trúc, các đá có kiến trúc toàn tinh, đều hạt thường là những loại
đá rắn chắc và ổn định nhất so với các đá có kiến trúc hạt không đều. Các đá có kiến trúc hạt thô dễ bị phá vỡ hơn đá có kiến trúc hạt nhỏ và mịn khi chịu tác dụng của lực cơ học và nhiệt độ. Các đá có kiến trúc thuỷ tinh dễ bị nứt rạn khi nhiệt độ bên ngoài thay đổi đột ngột.
Các đá có cấu tạo phân lớp, phân phiến, cấu tạo dạng dòng chảy hoặc lộn xộn, cấu tạo bọt, xốp đều kém ổn định, còn các đá có cấu tạo khối thường ổn định hơn nhiều do không có những mặt yếu.
3.5.4. ảnh hưởng của thế nằm và đặc tính nứt nẻ đến sự ổn định của đá
1. ảnh h−ởng của điều kiện thế nằm
Thế nằm của đá quyết định đặc điểm cấu tạo địa chất ở nơi tồn tại của đá. Nó ảnh hưởng tới sự ổn định của đá dưới nền công trình, trên các sườn dốc tự nhiên, các bờ mỏ của các công trình khai thác lộ thiên hay vách, nóc các hầm lò hay công trình ngầm.
Nhìn chung, đá có thế nằm ngang ổn định hơn đá có thế nằm nghiêng, thế nằm càng dốc cạng kém ổn định. Trên các sườn, bờ dốc, thế nằm của đá có hướng dốc cắm không thuận chiều với mái dốc ổn định hơn trường hợp ngược lại, vì cường độ kháng cắt của đá theo phương song song với hướng dốc thường nhỏ hơn so với phương vuông góc với hướng dốc, có khi nhỏ hơn rất nhiều. Ngoài ra, thế nằm của đá còn chi phối phương vận động, khả năng xâm nhập của nước ngầm cũng như đặc tính phong hoá
của đá. Theo bề mặt phân lớp, độ thấm nước cũng như mức độ phong hoá đá bao giờ cũng lớn hơn so với ph−ơng vuông góc với mặt lớp nên th−ờng tạo nên những mặt yếu, dễ mất ổn định khi chịu tác dụng của lực ngoài.
2. ảnh hưởng của đặc tính nứt nẻ
Tính nứt nẻ là đặc thù riêng của đá nói chung. Nó đặc tr−ng cho kiến trúc của khối đá nguyên trạng, cho tính không đồng nhất và dị hướng trong không gian của nó.
Các khe nứt trong đá có thể đ−ợc hình thành từ nhiều nguồn gốc khác nhau nh− nguồn gốc nguyên sinh, kiến tạo, co ngót, phong hoá, giảm tải, tr−ợt, nhân tạo, .... Chúng thường nằm theo một số phương nhất định, tạo nên các hệ thống khe nứt cắt nhau, hình thành các bề mặt hay đới yếu. Đặc tính nứt nẻ ảnh hưởng đến độ bền, độ ổn định, độ biến dạng của đá, ảnh hưởng đến độ thấm, độ chứa nước, cường độ và chiều sâu phát triển phong hoá cũng nh− sự phát triển của các quá trình và hiện t−ợng địa chất. Trong tự nhiên, mức độ nứt nẻ của đá cứng và đá nửa cứng thay đổi rất mạnh theo diện và theo chiều sâu. Thông thường, càng lên trên, đá càng bị nứt nẻ. Chính vì vậy, khi nghiên cứu các đặc trưng cơ học của khối đá cho thấy, độ bền, độ ổn định thường nhỏ hơn kết quả thí nghiệm mẫu đá rất nhiều (tới hàng chục lần), còn độ biến dạng và độ thấm nước thì lớn hơn đáng kể.
Có thể nói, đặc tính nứt nẻ của đá là yếu tố không thuận lợi cho hoạt động xây dựng các công trình. Đá bị nứt nẻ càng nhiều, mật độ khe nứt, độ mở khe nứt càng lớn và tập trung theo hướng không thuận lợi thì càng dễ mất ổn định, khả năng thấm nước và chứa n−ớc càng lớn.
Mặc dù vậy, nhìn chung đá cứng và đá nửa cứng có độ biến dạng rất nhỏ, độ bền và độ ổn định cao, cao hơn rất nhiều so với đất rời và đất dính, thuận lợi cho xây dựng các loại công trình. Tuỳ theo từng loại đá cũng nh− đặc điểm kiến trúc, cấu tạo, thế nằm và điều kiện tồn tại của đá mà mức độ thuận lợi khác nhau.
76
3.6. Đặc điểm địa chất công trình của đất rời và dính