1. TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐÂT ĐÁ
1.2. Tính lỗ rỗng và tính nứt nẻ của đất đá
Trong đá cứng chắc, các lỗ rỗng thường là lỗ rỗng bịt kín, còn các khe nứt là các kẽ hở chia cắt đá, làm mất tính liền khối của đá. ở đất mềm rời thì ít gặp các khe nứt mà chú yếu là các lỗ rỗng tạo ra ở giữa các hạt đất vơi nhau.
1.2.1. Tính lỗ rỗng của đất đá
Đá cứng chắc, liền khối có thể xem như không có lỗ rỗng, còn đất mềm rời, đá vôi karst, thì độ rỗng rất cao, nhiều khi lỗ rỗng chiếm quá nửa thể tích đất đá. Lỗ rỗng được chia ra: lỗ rỗng kín - các lỗ rỗng không thông với môi trường bên ngoài (lỗ rỗng trong đá phun trào bazan, trong đất sét, đất bùn...) và lỗ rỗng hở - lỗ rỗng thông với khí quyển.
Tính lỗ rỗng được định lượng bằng độ rỗng và hệ số rỗng £.
Độ rỗng n của đất đá là tỷ số, thường là phần trăm, giữa thể tích lỗ rỗng với thê tích
đất đá tương ứng, kể cả lỗ rỗng:
n = — 100% (2.4)
V trong đó: Vr - thể tích lỗ rỗng;
V - thể tích đất đá.
Đất đá thông thường có độ rỗng n từ 10 đến 30%.
Hệ sô'rỗng £ của đất đá là tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng Vr với thể tích phần hạt rắn v h của đất đá:
e = (2.5)
Do thể tích hạt đất không biến đổi nên hệ số rỗng £ là hàm số của thể tích lỗ rỗng Vr. Trị số £ thay dổi từ 0 đến 1 trong đất đá thông thường; với đất sét nhão, đất bùn và bùn cây thối, £ có thể lớn hơn 1 rất nhiều.
Từ (2-2) và (2-3), có thể xác định quan hệ giữa n và £:
n £ =
+ E
n
- n (2.6)
Do xác dịnh trực tiếp độ rỗng rất khó khăn, nên thường tính toán theo các chỉ tiêu vật lý khác:
AỴn(l + W)
Y
(2.7)
t n
56
k
(2.8) e = — - 1
Yk
trong đó: A - tỷ trọng đất; Yn - dung trọng nước; w - độ ẩm đất (%);
Yi„ - dung trọng tự nhiên của đất; Yk - dung trọng khô của đất;
Yi, - dung trọng hạt của đất.
Do dộ rỗng và hệ số rỗng chưa đủ thể hiện trạng thái lỗ rỗng của đất nên cần phải dùng các chí tiêu tương đối: độ chặt tương đối D và chỉ số nén chặt Kd.
Đối với đất cát, thường phải dùng độ chặt tương đối D:
D = - £max - £ - (2.9)
£ max — F ...m in
trong dó: £,mx, emin - hệ số rỗng ở trạng thái rỗng nhất và chặt nhất, được xác
định bằng thực nghiệm; £ - hệ số rỗng ở trạng thái tự nhiên.
Chia ra ba trạng thái chặt sau của cát:
Trạng thái xốp rời: D < 0,33;
Trạng thái chặt vừa: D = 0,34 -ỉ- 0,66;
Trạng thái chặt nhất: D > 0,67.
Đối với đất sét, đất loại sét thường dùng chi số nén chặt Kd:
Kcl = £ch ~ - (2.10)
£ c h - e đ
trong đó: £ch, £d, £ - hệ số rỗng của đất ở trạng thái giới hạn chảy, giới hạn déo và ở trạng thái tự nhiên; Ech = A.Wt.|,; Ed = A.Wd - WcllWd độ ẩm ở giới hạn chảy và giới hạn deo của đất có tỷ trọng A.
Trạng thái vật lý của đất được chia ra ba loại theo Kd:
Trạng thái chảy: Kd < 0;
Trạng thái dẻo: Kd = 0 -ỉ- 1 ; Trạng thái cứng: Kd > 1.
1.2.2. T ính nứt n ẻ của đất đá
Khi nghiên cứu tính nứt nẻ của đất đá, cần xét đến kích thước, quy luật phân bố và đặc tính của khe nứt. Chỉ tiêu định lượng mức độ nứt nẻ của đá là độ nứt nẻ và độ khe hở.
Độ nứt nẻ là số lượng khe nứt trên một đơn vị dài (m). Theo các phương của khối đá
tharờng có độ nứt nẻ khác nhau.
Độ khe hở là tỷ số diện tích khe hở tạo bởi các khe nứt (Fn) và diện tích đá, kể cả
kỉhe nứt (F) trên diện tích khảo sát.
(2.11)
K. = Ịịỉ. = -ỉ=!——
k F F
trong đó: ' Kk - độ khe hở; a¡, b; - chiều rộng và chiều dài khe nứt thứ i;
n - số khe hở trên diện tích khảo sát F.
Độ khe hở thường xác định trên sườn dốc, vách hố đào, nóc đường hầm... với diện tích từ 4 đến 25m2. Độ khe hở của đất đá thay đổi rất lớn theo các phương khác nhau, độ khe hở sẽ lớn khi diện khảo sát vuông góc với phương của hệ khe nứt chủ yếu.
Theo độ khe hở Kk, L.I.Nayxtat chia ra các mức độ nứt nẻ khác nhau của đá (bảng 2.1 ).
B ảng 2-1. Phân loại mức độ nứt n ẻ của đá
M ú c đ ộ n ứ t n ẻ Kk (% ) T ín h c h ấ t k h e n ú t
N ứ t n ẻ y ế u <2 P h á t triể n k h e nứt m ả n h d ạ n g sợi tóc, ch iề u rộ n g 1 m m , c á b iệ t
2 m m , k h ô n g có k h e nứt vừa và lớn.
N ứ t n ẻ vừ a 2 - 5 N g o à i cá c kh e n ứ t m ả n h, c h iề u rộ n g 1m m (c h iế m 5 0 % ), còn
c ó k h e nứt rộ n g 2 -F 5 m m , c á b iệ t đến 5 -F 2 0 m m .
N ứ t n ẻ m ạ n h 5 + 10 N g o à i cá c k h e n ứ t nhỏ, cò n c á c kh e nứt rộ n g 2 0 + 1 00 m m ,
c h iế m k h o ả n g 10 + 2 0% .
N ứ t n ẻ rấ t m ạ n h __x o N> ° N g o à i cá c k h e n ứ t nhỏ, cò n c ó cá c kh e n ứt lớn rấ t lớn, ch iề u
rộ n g 20 + 1 00 m m v à hơn nữa.
N ứ t n ẻ đ ặ c b iệ t m ạ n h > 2 0 Đ á ở đới cà n át, đ á k a rs t h oá , đ á đổ, đ á trượt.
Trong xây dựng, thường dùng đồ thị vòng tròn khe nứt dể biểu thị phương hướng phát triển khe nứt (hình 2-6). Biểu thị góc dốc bằng các vòng tròn đồng tâm, cách đều từ 0°-90°. Góc phương vị hướng dốc xác định trên vòng tròn theo chiều kim đồng hồ từ 0° đến 360°. Cãn cứ vào góc phương vị hướng dốc và góc dốc, mỗi khe nứt được thể hiện bằng một điểm trên đồ thị. Dùng màu và các kí hiệu khác nhau biểu thị các loại khe nứt: khe nứt kiến tạo màu đỏ, khe nứt phong hoá màu xanh, khe nứt hở khuyên trắng, khe nứt kín chấm đen...
Để bảo đảm vừa đủ đại diện vừa đơn giản khi lập đồ thị, thường khảo sát khe nứt trên diện tích 4 + 25m 2 với số lượng khe nứt từ 40-100. Nhìn vào đồ thị, dễ dàng hình dung hướng phát triển chủ yếu của hệ khe nứt trong đá. ở hình 2-6 thấy rõ 2 hệ thống khe nứt chủ yếu: hệ thống 1 có hướng đổ về tây bắc, hệ thống 2 hướng đổ về đông nam.
58
Hình 2-6: Đồ thị vòng tròn khe nứt, sau klìi vẽ đường đổng mức đã nổi lên ba nhóm khe nứt.
Nhỏm chính I và II gần vuông góc nhau, nhóm phụ III gần nằm ngang.
Khi nghiên cứu đất đá để xây dựng các công trình có tải trọng lớn, các công trình ngầm, các bãi khai thác đá, cần có các phương pháp nghiên cứu riêng như siêu âm, đo điện... rồi tiến hành lập sơ đồ phân bố khe nứt trong đất đá, làm cơ sở lập hộ chiếu nổ mìn hay xác định quy luật phân bố ứng suất.