Tất cả các loại đất đá khi lộ ra trên mặt đất (kể cả các đá macma rắn chắc) đều chịu phá huỷ dưới tác động của các nhân tô' ở quyển khí, quyển nước, quyển sinh vật. Một bộ phận hoà tan thành dung dịch, bộ phận khác tạo thành những mảnh vụn có kích thước khác nhau. Đó là giai đoạn tạo vật liệu trầm tích.
Dưới tác động của gió và dòng nước, vật liệu trầm tích được vận chuyển và tuyển lựa, được trầm đọng lại thành các loại trầm tích rồi ở dạng các lớp hạt vụn, lớp bùn sét hoặc dung dịch kết tủa. Đó là giai đoạn tạo đất trầm tích.
Dưới tác dụng của áp lực, trọng lực và các dung dịch kết tủa trong nước, trầm tích mềm rời được nén chặt hoặc gắn kết lại thành đá. Đó là giai đoạn tạo đá trầm tích.
Ở giai đoạn hậu sinh, dưới tác dụng của nhiệt độ cao, áp lực lớn, đá không những được nén chặt mà còn tái kết tinh tạo đá biến chất, hoặc nóng chảy để tạo macma, hoặc khi đá bị bóc lộ ra ngoài khí quyển sẽ bị phân huỷ, vỡ vụn tạo vật liệu trầm tích mới.
Dựa vào đặc tính vật liệu, đá trầm tích có thể chia ra làm 3 loại:
Trầm tích vụn: do các vật liệu mảnh vụn có kích thước khác nhau tạo nên trầm tích
vụn hay trầm tích mềm rời. Khi thành đá cho đá vụn keo kết.
30
Trầm tích sét: đại bộ phận được thành tạo trong nước do kết tủa, ngưng keo hay do
các đá khác bị phân huỷ hoá lý với thành phần chủ yếu là các khoáng vật sét.
Trầm tích sinh hoá: hình thành do tác dụng sinh hoá hay do chính xác sinh vật tích
đọng lại.
3.1. Thê nằm của đ ấ t đ á trầ m tích
Dạng phổ biến đối với đá trầm tích là dạng lớp song song, nằm ngang. Thế nằm này đặc trưng cho môi trường trầm tích đồng nhất và yên tĩnh. Lớp xiên chéo, vát nhọn thường gặp trong trầm tích gió và trầm tích cửa sông, ớ nơi dòng nước uốn khúc thường hình thành thể nằm dạng thấu kính.
Khi trải qua các biến động kiến tạo, đá trầm tích chuyển sang nằm nghiêng hay nếp uốn. Hướng nghiêng và góc nghiêng của các lớp đá ảnh hưởng rất lớn đến mức độ đồng nhất, độ ổn định và khả năng thấm của nền công trình.
Các yếu tố xác định vị trí mặt lớp đá - mặt phẳng nghiêng trong không gian gồm có (hình 1-11):
Đường phư ơng là giao tuyến giữa mặt lóp đá với mặt phẳng nằm ngang, thể hiện phương kéo dài của lớp đá. Vị trí đường phương trong không gian được xác định bằng góc phương vị đường phương Y, có giá trị thay đổi từ 0° đến 360° (theo chiều quay của kim đồng hồ).
Đường dốc hay hướng dốc nhất của
lớp đá là nửa đường thẳng nằm trên mặt lớp đá, vuông góc với đường phương và có chiều xuôi về phía dốc xuống của lớp đá. Trong không gian, đường dốc được xác phương vị của hình chiếu đường dốc trên I
Hình 1-11: Đo các yêĩi tố thê'nằm lớp đá
hằng địa bàn địa chất.
lịnh bằng góc phương vị hướng dốc (3 - góc ặt phẳng nằm ngang. Góc (3 thay đổi từ 0°
đến 360°.
Góc dốc a chỉ độ nghiêng của lớp đá so với mặt phảng nằm ngang và được xác định bằng góc tạo bởi hai mặt phắng - mặt lóp đá và mặt phẳng nằm ngang. Giá trị a thay đổi từ 0° (nằm ngang) đến 90° (dốc đứng).
Các yếu tố thế nằm của lớp đá được xác định bằng địa bàn địa chất và thường chỉ cần xác định góc phương vị hướng dốc (3 và góc dốc a là đủ và được ghi chép dưới dạng (3 ./Ot, còn trên bản đồ địa chất được thể hiện bằng ký hiệu riêng (hình 1-12).
Hình 1-12: Biểu thị yếu tô' th ế nằm lớp đá trên bản dồ địa chất.
3.2. T h àn h p h ần khoáng vật đ ấ t đá trầ m tích
Trong đá trầm tích có đủ các loại khoáng vật đã biết, nhưng trong một loại đá thì do quá trình tuyển chọn và điều kiện lắng đọng thì khoáng vật thường đơn giản và đồng nhất hơn đá macma rất nhiều. Trong đá trầm tích, có các loại khoáng vật sau:
K hoáng vật nguyên sinh: các mảnh đá hay khoáng vật của các loại đá có trước
chưa biến đổi thành phần, chỉ bị phân vụn do phong hoá vật lý. Là thành phần chủ yếu của đất đá trầm tích vụn (cuội, sỏi, cát và các đá tương ứng). Khoáng vật phổ biến là thạch anh rồi đến fenpat, ziacon, tuamalin, apatit...
K hoáng vật th ứ sinh: thành tạo từ các khoáng vật nguyên sinh bị phân huỷ hoá học
như các khoáng vật sét.
Khoáng vật thuần tuý của đá trầm tích như thạch cao, muối mỏ, glauconit, opan, được hình thành do quá trình ngưng keo, lắng đọng của dung dịch thật có thể có sự tham gia trực tiếp hay gián tiếp của sinh vật. Chúng là thành phần chủ yếu của đá trầm tích hoá học và sinh vật, là xi măng gắn kết trong đá trầm tích vụn cơ học.
Nhìn chung khoáng vật của đá trầm tích ổn định đối với phong hoá hơn là các khoáng vật của đá macma. Cần lưu ý các đặc tính đặc biệt của khoáng vật sét như tính dính, tính dẻo, khả năng trương nở và ép co rất lớn, tính thấm nước nhỏ,... và đặc biệt là cường độ của đất có chứa khoáng vật sét thay đổi nhiều lần khi độ ẩm đất biến đổi.
Đối với đá trầm tích vụn gắn kết, ngoài thành phần hạt vụn ta cần chú ý đến thành phần xi măng. Xi mãng gắn kết chắc nhất là keo silic rồi đến cacbonat và oxit sắt, còn thạch cao và sét là chất gắn kết yếu nhất. Với các trầm tích cacbonat, các tạp chất silic, đolomit làm tăng cường độ, giảm tính hoà tan của đá, còn tạp chất sét mà giảm cả cường độ và tính hoà tan (đá vôi chứa sét dễ hoá mềm khi tác dụng với nước).
3.3. Kiến trú c của đ ấ t đá trầ m tích
Trong đá trầm tích có đủ các loại liên kết: liên kết kết tinh ở đá trầm tích hoá học, liên kết xi măng ở đá vụn gắn kết, liên kết keo nước ở các loại đất mềm rời. Đối với trường hợp liên kết kết tinh, việc phân loại kiến trúc dựa vào mức độ kết tinh, kích thước tinh thể tương tự như đá macma, nên không cần trình bày lại.
Tính chất xây dựng của trầm tích vụn cơ học (gắn kết và chưa gắn kết) được quyết định bởi kích thước hạt. Tên của loại kiến trúc được gọi theo tên của cỡ hạt đó (bảng 1-4).
32
Báng 1-4. Phân loại kiến trúc theo kích thước hạt cho trầm tích vụn cơ học.
Tẽn gọi hạt
vụn
Đường kính hạt (mm)
Loại kiến trúc
Việt Nam Mỹ
D-2487 ASTM
Anh (BS 5930:1981)
Đ á h ộ c , đá lăn D ă m , c u ộ i S ạ n , s ỏ i C á t H ạ t b ộ t H a t s é t
> 2 0 0 2 0 0 -2 0
2 0 -2 2 -0 ,0 5 0 ,0 5 -0 ,0 0 5
< 0 ,0 0 5
> 2 5 6 2 5 6 -6 4
6 4 -2 2 -0 ,0 6 2 5 0 ,0 6 2 5 -0 ,0 0 3 9
< 0 ,0 0 3 9
> 2 0 0 2 0 0 -6 0
6 0 -2 2 -0 ,0 6 0 ,0 6 -0 ,0 0 2
< 0 ,0 0 2
K iến trú c hòn lớn K iến trú c h ạ t dăm (c u ộ i) K iến trú c h ạ t sạn (s ỏ i) K iế n trú c h ạ t cá t K iế n trú c h ạ t bột K iế n trú c h a t sé t
Trong cùng một loại kích thước còn chia ra loại tròn cạnh: đá lãn, cuội, sỏi và góc cạnh: đá hộc, dăm, sạn. Độ mài tròn và hình dạng hạt được quyết định bởi hình dạng, tính chất của khoáng vật, của đá ban đầu, tác dụng mài mòn của nước, của gió,...
Lượng chứa tương đối các nhóm hạt trong đất (tính theo phần trăm trong tổng khối lượng đất khô) gọi là thành phần cấp phối (hoặc thành phần hạt) của đất. Thành phần cấp phối của đất cát có thể dùng phương pháp rây, còn của đất sét dùng tỷ trọng kế, còn nếu có cả hạt lớn và hạt nhỏ thì kết hợp cả hai phương pháp trên.
Kết quả thí nghiệm phân tích độ lớn các hạt trong đất được biểu thị bằng đường cong cấp phối vẽ trên hệ toạ độ nửa logarit trong đó trục hoành biểu thị logarit đường kính hạt, còn trục tung biểu thị lượng chứa phần trăm những hạt có đường kính nhỏ hơn một đường kính đã cho nào đó (hình 1-13).
Phân tích rây (Rây tiêu chuẩn Mỹ)
N o.200 100 40 10 4 I in 4 in 3in
20
2
40 r
c05
c §•
5 —
(0*~2
Ợ)
60
80
p'õ> _
Ẹ - E f
ị ầc c
ỈL
100
Hình 1-13: Đường cong cấp phối hạt điển hình
Đường cong cấp phối của đất được dùng để xác định tên đất, đường kính hiệu quả và hệ số không đều của đất. Đường kính hiệu quả được ký hiệu d i() - đường kính mà những hạt có kích thước bằng và nhỏ hơn nó chiếm 10% tổng khối lượng đất khô. Hệ số
không đều C u = , trong đó d60 là đường kính, mà những hat có kích thước bằng và
d K) nhỏ hơn nó chiếm 60% tổng khối lượng khô. Hệ số không đều càng lớn thì độ lớn các hạt càng không đồng đều, ngược lại Cu càng nhỏ thì đất càng đều hạt. Các loại cát sỏi, cát thô, cát vừa nếu có Cu > 3 thì là cát không đều và được xem có cấp phối tốt. Lúc này các lỗ rỗng giữa các hạt lớn được các hạt nhỏ lấp kín, làm cho độ chặt đất tăng lên, tính thấm giảm đi, đất có tính nén lún nhỏ, cường độ chống cắt lớn.
Kiến trúc của trầm tích mềm rời - đất (hình 1-14) được hình thành như sau:
Kiến trúc hạt: hạt kích thước lớn (>0,05mm) được chìm lắng tự do. Lực tương hỗ
các hạt nhỏ hơn nhiều trọng lượng của nó.
Kiến trúc tổ ong: với các hạt nhỏ, do hiện tượng bề mặt và các lực tương hỗ khác,
lực dính ở các điểm tiếp xúc giữa các hạt lớn hơn nhiều trọng lượng hạt thì khi chìm lắng tạo nên kiến trúc này. Thể tích các khoảng trống sẽ lớn hơn thể tích hạt rất nhiều.
Kiến trúc hông: khi các hạt nhỏ hơn 0,00 lm m sẽ có tính chất của hạt keo và ở trạng
thái huyền phù trong nước. Khi gặp chất điện giải trung hoà điện tích của chúng (như khi nước sông pha trộn với nước biển), lực đẩy giữa các hạt giảm đi, các hạt xích lại gần nhau, dính vào nhau, rồi chìm lắng xuống. Loại kiến trúc này rất xốp, khoảng trống rất lớn.
Hình 1-14: Các dạng kiến trúc cơ bản của đất.
a) Hạt; b) Tổ ong; c) Bông
Kiến trúc của đá vụn gắn kết phụ thuộc vai trò chất xi măng gắn kết trong đá, được
chia ra các loại gắn kết sau (hình 1-15):
Gắn kết cơ sở: các hạt không tiếp xúc nhau, chỉ đóng vai trò chất độn. Chất lượng xi
măng gắn kết quyết định tính chất xây dựng của đá.
34
Gắn kết lấp đầy: các hạt tiếp xúc nhau, chất gắn kết lấp đầy khoảng trống giữa các
hạt Loại gắn kết này có cường độ tốt nhất do các hạt vụn sẽ quyết định tính chất của đá. thường có cường độ lớn hơn xi măng gắn kết.
Gắn kết tiếp xúc: chất gắn kết chỉ có ở chỗ tiếp xúc giữa các hạt nên đá rất hổng.
Loịĩ gắn kết này là yếu nhất.
Khả năng gắn kết còn phụ thuộc hình dạng, đặc trưng bề mặt của hạt. Khi hạt góc cạr.h sẽ liên kết với xi măng chặt chẽ hơn.
d)
Hình 1-15: Kiến trúc của đá vụn gắn kết a) Gắn kết cơ sở; b) Gắn kết tiếp xúc; c) Gắn kết lấp đầy
d ) M a n h d á c l ã m k ế t .
3.4. Cáu tạo của đất đá trầm tích
Đất đá trầm tích có các dạng cấu tạo sau (hình 1-16):
Câu tạo khôi: các hạt tạo đá sáp xếp iộn xộn, dược hĩnh thành do trầm tích lắng đọng nhanh, vật liệu vận chuyển tới liên tục, nước luôn bị khuấy động. Cấu tạo này phổ biến trong đá vụn cơ học.
Đá có cấu tạo này thì đồng nhất, bển vững.
Cấu tạo dòng: các hạt sắp xếp
định hướng theo phương dòng chảy, hướng gió... Cấu tạo này làm đá có tính dị hướng về các đặc trưng vật lý, cơ học, thấm ,...
Cấu tạo lớp: cấu tạo đặc trưng nhất của đất đá trầm tích. Các lớp khác nhau về
thành phần khoáng vật, thành hạt, tạp chất, màu sắc. Các lớp hình thành do trầm tích thay đổi có chu kỳ (mùa lũ - hạt lớn (cuội, sỏi), mùa khô - hạt nhỏ (sét, cát)) hoặc tích tụ
Hình 1-16: cấ u tạo của đá trầm tích a) Cấu tạo lớp; b) Cấu tạo khối
35
bị gián đoạn. Lớp được đặc trưng bằng mặt lófp (đỉnh lớp và đáy lóp), bề dày lớp. Bề dày lóp biến đổi mạnh từ vài chục cm đến vài trăm mét và có thể không đồng đều. Giữa các m ặt lóp thường có khe nứt mặt lớp và có sự gắn kết yếu, mặt trượt dễ trùng theo mặt này. Trên mặt lốp và trong lớp có thể gặp các vết gợn sóng, vết hằn của sinh vật, xác sinh vật đã được hoá đá. Căn cứ vào hoá đá, có thể xác định thời gian địa chất đã hình thành nên trầm tích đó, vị trí và hoàn cảnh thành tạo (sông, hồ, biển, gần bờ, xa bờ, điều kiện khí hậu...). Đây là dấu hiệu quan trọng để nhận biết đá trầm tích, còn các đá macma, biến chất do cách thành tạo, các hoá đá không thể tồn tại.
3.5. Phân loại đất đá trầm tích
Đất đá trầm tích vụn cơ học và sét: phân loại dựa vào kích thước, hình dạng, sự gắn kết giữa chúng (bảng 1-5).
Bảng 1-5. Phân loại trầm tích vụn cơ học và sét
Hạt th ô
Trầm tíc h mềm rời (đất) Trầm tích gắn kết (đá)
T rò n c ạ n h C u ộ i, sỏ i C u ộ i (s ỏ i) k ế t
GÓC c ạ n h D ă m , s ạ n D ă m (s ạ n ) k ế t
H ạ t c á t C á t C á t k ế t
H ạ t b ộ t Đ ấ t b ộ t B ộ t k ế t
H ạ t s é t Đ ấ t s é t S é t k ế t
Đá trầm tích sinh hóa: phân loại dựa theo thành phần hoá học (bảng 1-6).
Bảng 1-6. Phân loại đá trầm tích sinh hóa chủ yếu
Tên các loại trầm tích Thành phần ch ủ yếu Tên các đá chủ yếu
O x it n h ô m , s ắ t O x it n h ô m c h ứ a n ư ớ c L a te rit, b a u x it
S ilic O x it s ilic D ia to m it,o p a n
F o tfo rit F o tfa t Đ á fo tfa t (a p a tit)
C a c b o n a t
C a c b o n a t c a n x i Đ á v ô i, đ á v ỏ s ò C a c b o n a t m a g ie D o lo m it
S u n ía t v à h a lo g e n u a S u n ta t C a , M g v à h a lit T h ạ c h c a o a h iđ rit, m u ố i m ỏ , m u ố i kali T h a n , b itu m C a c b o n , c a c b u a h ỵ d ro T h a n b ù n , s é t c h ứ a d ầ u
36
3.6. Xây dựng trong vùng đất đá trầm tích
Nói chung, điều kiện xây dựng trong đất đá trầm tích thì khó khăn vì sự biến đổi lớn vể thạch học, về mức độ thành đá và về hướng của mật lớp và về các cấu tạo khác.
Các mái dốc thẳng đứng ổn định thường được đào trong đá cát kết và đá vôi phân lớp nằm ngang, gắn kết tốt. Với loại đá yếu hơn, phải đào với góc dốc thoải hơn. Các yếu tố quan trọng trong sự ổn đinh của mái dốc đá trầm tích là hướng và độ dốc của mái hoặc góc dốc của lớp. Không thuận lợi khi góc dốc của lớp song song hay gần song song góc hướng xuống của mái dốc. Các mật lớp là vùng yếu trong khối đá trầm tích, là nơi phá hoại có thể xảy ra. Hiện tượng trượt đất lớn đã xảy ra năm 1963 ở hồ chứa Vaiont ở Ý phần nào là do lớp đá dốc về phía thung lũng.
Thành phần thạch học và cấu tạo (hướng phân lớp) ảnh hưởng đến việc đào đường hầm và khai mỏ trong đá trầm tích, ở nơi các lớp nằm ngang hay hơi nghiêng thì việc dự đoán các lớp bắt gặp dọc theo đường hầm rất đơn giản. Khó khăn xảy ra trong vùng có cấu tạo địa chất phức tạp như khi đá bị uốn nếp, vò nhàu mạnh.
Các đá trầm tích gắn kết tốt thường thích hợp cho hầu hết các loại móng công trình.
Sự cố thường xảy ra trong đá vôi và trầm tích do bốc hơi, do hoà tan bởi nước ngầm vận động, đất và đá ở trên nóc hay động ngầm có thể sụt lở, gây nguy hiểm hay phá hoại công trình xây dựng ở trên mặt đất, gây mất nước cho các hồ chứa.
Giống như đá macma, tính chất xây dựng của đá trầm tích chịu ảnh hưởng của các biến cố địa chất xảy ra lâu dài sau khi lắng đọng trầm tích. Do nén chặt và gắn kết, độ bền có thể tăng lên. Mặt khác do phong hoá đá trầm tích có thể bị yếu đi.
Tính mất liên tục trong đá do các biến cô' địa chất cũng là đặc tính quan trọng để xác định hành vi xây dựng của khối đá trầm tích. Các đứt gãy và khe nứt làm yếu đáng kể khối đá cũng như cho nước dễ di chuyển qua.