Bài giảng Địa chất công trình và địa chất thủy văn

142 trang hapham 1530

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Địa chất công trình và địa chất thủy văn", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_dia_chat_cong_trinh_va_dia_chat_thuy_van.doc

Nội dung text: Bài giảng Địa chất công trình và địa chất thủy văn

BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH ĐÔ THI College of Urban Works Construction BÀI GIẢNG ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH & ĐỊA CHẤT THỦY VĂN (TRUNG CẤP CHUYÊN NGHIỆP) HÀ NỘI, 8- 2011
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở BÀI GIẢNG ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH & ĐỊA CHẤT THỦY VĂN (TRUNG CẤP CHUYÊN NGHIỆP) 2 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở BỘ XÂY DỰNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc TRƯỜNG CAO ĐẲNG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH ĐÔ THỊ o0o Hà Nội, ngày .tháng 08 năm 2011 MỞ ĐẦU ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH VÀ ĐỊA CHẤT THỦY VĂN Trong những năm cuối thế kỷ XX sự phát triển nhanh, mạnh không ngừng của nền kinh tế quốc dân càng ngày công tác điều tra địa chất công trình và địa chất thủy công trình ngày càng được coi trọng trong xây dựng, cấp thoát nước và bảo vệ môi trường. Việc nghiên cứu đánh giá điều kiện địa chất công trình và điều kiện địa chất thủy văn công trình không những cho phép lựa chọn phương án kinh tế kỹ thuật tối ưu, đảm bảo sự bền vững và khai thác công trình, nguồn tài nguyên đất đá, nước dưới đất một cách hiệu quả mà còn tạo tiền đề thuộc về sinh thái địa chất, địa chất thủy văn và bảo vệ môi trường thiên nhiên. MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU VÀ NỘI DUNG MÔN HỌC 1. Mục đích: Địa chất công trình nghiên cứu đất đá phần trên vỏ quả đất, thành phần, tích chất cơ lý của chúng và các quá trình địa chất động lực Địa chất thủy văn công trình nghiên cứu nguồn gốc, thành phần, tính chất, quy luật vận động, điều kiện hình thành, tàng trữ và phân bố nước trong phần trên của vỏ quả đất, tác dụng qua lai giữa nước dưới đất với môi trường đất đá, với các hiện tượng, quá trình địa chất. 2. Nội dung môn học: Nội dung của Địa chất công trình nghiên cứu những vấn đề cơ bản sau : Nghiên cứu đất đá làm nền thiên nhiên, môi trường và vật liệu xây dựng cho các công trình 3 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Nghiên cứu các hoạt động địa chất hiện đại (hiện tượng trượt đất, đất chảy, xói mòn, cactơ, phong hóa ) ,tìm hiểu nguyên nhân phát sinh và điều kiện phát triển để đề ra biện pháp xửlý trong khi xây dựng, sử dụng và khai thác công trình. Nghiên cứu nước dưới đất để khắc phục các khó khăn do nước gây ra trong khi thiết kế và thi công các công trình Nghiên cứu các phương pháp khảo sát ĐCCT. Nghiên cứu địa chất công trình xây dựng để lập quy hoạch các khu vực xây dựng các công trình khác nhau như dân dụng công nghiệp, cầu dường, các công trình thủy lợi 3. Các phương pháp nghiên cứu địa chất công trình: Mỗi môn học được phân biệt không những bởi đối tượng nghiên cứu mà còn bởi các phương pháp mà môn học đó sử dụng để thực hiện nhiệm vụ của nó đã đặt ra. Khi nghiên cứu ĐCCT người ta thường sử dụng tổng hợp 3 loại phương pháp chủ yếu sau đây : 3.1. Phương pháp địa chất học Đây là phương pháp quan trọng nhất và cho kết quả sát thực nhất trong việc nghiên cứu ĐCCT Tìm hiểu sự phát triển các hiện tượng địa chất trong quá khứ có liên quan đến sự thành tạocác dạng địa hình, tính chất của đất đá và quy luật phân bố sắp xếp của nó ở trong khu vực.Từ đó có thể đánh giá đúng đắn những điều kiện địa chất của khu vực xây dựng công trìnhvà dự báo sự thay đổi những điều kiện đó dưới tác dụng của công trình, địa chất công trình Khi thực hiện pp này ngoài việc phải thực hiện các công tác khoan đào vào các tầng đá để thu thập các tài liệu về các điều kiện địa chất mà còn phải tiến hành thí nghiệm trong phòng và ngoài trời để xác định các đặc trưng cơ lý của đất đá. 3.2. Phương pháp tính toán lý thuyết 4 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Lập các phương trình toán học để thể hiện bản chất vật lý của các hiện tượng địa chất, các đặc trưng vật lý, cơ học của đất đá. Vì không phải lúc nào cũng có thể quan trắc hay dùng các phương pháp thực nghiệm để xácđịnh bản chất vật lý – cơ học của đất đá ở những khu vực có địa hình phức tạp. Pp này có thể cho kết quả nhanh chóng và khá chính xác. Người ta thường dùng pp này để tính toán mứcđộ ổn định, độ lún của công trình, lượng nước chảy vào hố móng, mức độ ổn định của mái dốc, tốc độ tái tạo bờ 3.3. Phương pháp thí nghiệm mô hình và tương tự địa chất Được áp dụng trong trường hợp liên quan đến qui mô của công trình thiết kế hoặc tính chất phức tạp của điều kiện địa chất. Pp thí nghiệm mô hình là lập mô hình trong phòng thí nghiệm hoặc ngoài trời dựa trên sựtương đồng giữa môi trường địa chất tự nhiên của khu vực xây dựng và môi trường vật lý cóđiều kiện tương tự. Pp này giúp ta nghiên cứu được chuẩn xác hơn các hiện tượng địa chấtsẽ xảy ra trong quá trình thi công và khai thác Pp tương tự địa chất là sử dụng các tài liệu địa chất của khu vực đã được nghiên cứu đầy đủcho khu vực có điểu kiện địa chất tương tự. Pp này có tính chất kinh nghiệm dựa trênnguyên lý “đất đá được hình thành trong cùng điều kiện, trải qua các quá trình địa chất nhưnhau thì có các đặc trưng vật lý, cơ học tương tự nhau. Chương trình học gồm 4 phần: Phần I: Đất đá XD; Phần II: Nước dưới đất; Phần III: Các quá trình hiện tượng ĐC: Phần IV: Các phương pháp KS ĐCCT & cải tạo đất đá. 5 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở PHẦN I ĐẤT ĐÁ XÂY DỰNG 6 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM VỀ KHOÁNG VẬT VÀ ĐÁ §1. KHOÁNG VẬT 1. Khái niệm: Khoáng vật là những hợp chất hóa học hoặc các nguyên tố tự sinh được hình thành trong quá trình lý- hóa xảy ra bên trong hay phía trên của vỏ trái đất (Một khoáng vật là một nguyên tố hay một hợp chất hóa học thông thường kết tinh và được tạo ra như là kết quả của các quá trình địa chất) Khoáng vật trong thiên nhiên có ở thể khí (khí H 2S, CO2 ), thể lỏng (nước, thuỷ ngân ),thể rắn (thạch anh, fenpat, mica ). Khoáng vật rắn hầu hết ở trạng thái kết tinh (tinh thể). Kích thước của khoáng vật có thể rất khác nhau. Có những khoáng vật có trọng lượng đến vài tấn (như fenspat, thạch anh) nhưng cũng có những khoáng vật chỉ là những hạt rất nhỏ mà mắt thường không thể nhìn thấy được Nhiều khoáng vật có những tên gọi khác nhau và những biến thể. Những biến thể này sinh ra do sự thay đổi màu sắc của khoáng vật hay thành phần của chúng. Hiện nay biết được có 2500 khoáng vật và trên 4000 biến thể của chúng. Trong đó có 450 khoáng vật thường gặp trong tự nhiên, chỉ có hơn 50 khoáng vật tham gia tạo đá. Các khoáng vật này gọi là khoáng vật tạo đá. Tùy thuộc vào vai trò của các nguyên tố cấu tạo nên khoáng vật ta có thể chia ra khoáng vật chính và khoáng vật phụ. Khoáng vật chính đóng vai trò chủ yếu trong việc cấu tạo nên đất đá. Cường độ và tính chất của đất đá chủ yếu do cường độ và tính chất của loại khoáng vật này quyết định Khoáng vật phụ chiếm hàm lượng nhỏ hơn (có một số khoáng vật là khoáng vật chính của đá này nhưng có khi là khóang vật phụ của đá khác) 7 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Theo nguồn gốc hình thành, khoáng vật được chia ra khoáng vật nguyên sinh và khoáng vật thứ sinh. Khoáng vật nguyên sinh : được thành tạo do sự nguội lạnh của macma hoặc do kết tủa từ dung dịch. Khoáng vật thứ sinh : được thành tạo từ những khoáng vật khác (do phản ứng hóahọc của nước với khoáng vật nguyên sinh, do tác dụng của áp suất, do nhiệt độ cao ) Theo mục đích xây dựng, khoáng vật được phân loại dựa trên các dạng liên kết hóa học của nó. Bởi vì đặc trưng cấu tạo tinh thể và bản chất mối liên kết hóa học giữa các nguyên tử quyết định nhiều tính chất vật lý và cơ học rất quan trọng. 2. Các quá trình thành tạo khoáng vật: Quá trình nội động lực: xảy ra trong vỏ trái đất bởi năng lượng bên trong của nó như hoạt động macma. Macma là những khối silicat nóng chảy có thành phần phức tạp phun trào từ những vùng sâu của vỏ trái đất. Khi macma nguội, nhiệt độ giảm tạo thành những khoáng vật khác nhau. Những khoáng vật (như fenspat, pirit, pyroxen, olivin, ) là thành phần chính của đá macma Quá trình ngoại động lực xảy ra trên bề mặt vỏ quả đất dưới tác dụng của năng lượng mặt trời như quá trình phong hoá đất đá, quá trình kết tủa các trầm tích hoá học từ dung dịch tự nhiên, quá trình hoạt động của sinh vật, Các khoáng vật này (như đôlômit, manhezit, canxit, ) là thành phần chính của đá trầm tích Quá trình biến chất: xảy ra chủ yếu dưới tác dụng của áp suất lớn, nhiệt độ cao ở những độ sâu khác nhau trong vỏ trái đất. Dưới tác dụng của quá trình này khoáng vật có từ trước bị biến đổi để tạo ra những khoáng vật mới Như vậy, khoáng vật có các nguồn gốc: macma, trầm tích, biến chất. Tuy nhiên, trong thực tế các quá trình thành tạo khoáng vật liên quan chặt chẽ với nhau và có những khoáng vật có quá trình thành tạo rất phức tạp. 3. Cấu trúc khoáng vật: 8 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Cấu trúc tinh thể là sự sắp xếp trong không gian hình học có trật tự của các nguyên tử trong cấu trúc nội tại của khoáng vật. Trong thiên nhiên ngoài các khoáng vật ở trạng thái rắn còn khoáng vật ở trạng thái lỏng (thủy ngân, nước, dầu hỏa, v.v ) và các khoáng vật ở trạng thái khí (cacbonic, sunfuahidro,v.v ) Các khoáng vật có thể có hình dạng rõ ràng gồm nhiều mặt, hay dạng hạt tinh thể hình dạng không rõ ràng. Các khoáng vật này được đặc trưng bằng cấu trúc kết tinh (tinh thể). Ngoài các khoáng vật cấu trúc kết tinh còn có các khoáng vật cấu trúc không định hình (như atfan, ) KV kết tinh (tinh thể) được tạo bởi các ion, nguyên tử, phân tử sắp xếp theo quy luật sinh ra trong quá trình kết tinh (nguội lạnh, đông cứng) Các KV không ở dạng tinh thể (kiến trúc thuỷ tinh) thì các ion, nguyên tử, phân tử sắp xếp lộn xộn không theo quy luật. Hình dáng nhiều mặt của khoáng vật rắn là do sự phân bố một các có qui luật các phần tử của chúng: nguyên tử, ion, phân tử. Sự phân bố trong không gian của các phân tử này đặc trưng cho cấu trúc tinh thể của chúng. Trong khoáng vật các nguyên tử và ion sắp xếp một cách có qui luật để hình thành lên cấu trúc bên trong nhất định. Các nguyên tư hay ion kề nhau trong khung mạng tinh thể có mối liên kết hoá học với nhau. Có 2 kiểu liên kết đặc biệt quan trọng đối với các khoáng vật tạo đá: Liên kết ion được hình thành khi một nguyên tử nhường cho một nguyên tử của nguyên tố khác một hoặc nhiều điện tử. Các KV nhóm này có đặc điểm là độ bền giảm nhanh và có tính hoà tan khi gặp nước, các loại đất đá chứa chúng dễ bị biến đổi, phong hoá Castơ, Kiểu liên kết này thường gặp ở các nhóm: halogen, cacbonat, sunfat, sunfua. Ví dụ: NaCl: Na cho 1e thành Na 1 và Cl nhận 1e thành Cl 1 kết hợp lại. Liên kết đồng hóa trị: là liên kết giữ các nguyên tố không có khả năng nhường hoặc lấy điện tử, trong đó một số điện tử trở thành của chung giữa các nguyên tử để hoàn chỉnh vỏ bọc ngoài. Các KV có liên kết kiểu này điển hình là lớp Silicat. 9 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Cấu trúc tinh thể có ảnh hưởng lớn tới các tính chất vật lý của Khoáng vật. Ví dụ, mặc dù kim cương và than chì (graphit) đều có cùng thành phần (cả hai đều là cacbon tinh khiết) nhưng graphit thì rất mềm còn kim cương thì lại là rắn nhất trong số các Khoáng vật đã biết. Có điều này là do các nguyên tử cacbon trong than chì được sắp xếp thành các tấm có thể dễ dàng trượt trên nhau trong khi các nguyên tử cacbon trong kim cương lại tạo ra một lưới ba chiều cài chặt vào nhau. 4. Thành phần hóa học của khoáng vật: Thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể hợp lại với nhau để xác định Khoáng vật. Trên thực tế, hai hay nhiều Khoáng vật có thể có cùng một thành phần hóa học, nhưng khác nhau về cấu trúc kết tinh (chúng được gọi là các chất đa hình). Ví dụ, pyrit và marcasit đều có thành phần hóa học là sulfua sắt, nhưng sự sắp xếp các nguyên tử bên trong của chúng là khác nhau. Tương tự, một vài Khoáng vật lại có các thành phần hóa học khác nhau, nhưng có cùng một cấu trúc tinh thể: ví dụ, halit (hình thành từ natri và clo), galena (hình thành từ chì và lưu huỳnh) cùng pericla (hình thành từ magiê và ôxy) đều có cùng cấu trúc tinh thể dạng lập phương Thành phần hóa học các khoáng vật kết tinh được biểu diễn bằng công thức cấu tạo. Các công thức này cho thấy sự tương quan định lượng giữa các nguyên tố và đặc tính liên kết giữa chúng trong các lưới kiến trúc tinh thể, ví dụ như công thức cấu tạo của khoáng vật caolinit Al 2 {Si4O10}(OH)8. Công thức hóa học của các khoáng vật không định hình phản ánh mối quan hệ định lượng giữa các nguyên tố cấu tạo nên các khoáng vật đó. Trong thành phần nhiều khoáng vật có chứa nước dưới dạng phân tử, các phân tử nước không tham gia vào cấu trúc mạng tinh thể. Nước liên kết hoá học dưới dạng (OH)- tham gia vào cấu trúc mạng tinh thể. 5. Tính chất lý học của khoáng vật: Mỗi một khoáng vật có tính chất lý học nhất định. Tính chất lý học của khoáng vật có ý nghĩa thực tiễn rất lớn và rất quan trọng để nhận ra chúng. Các tích chất lý học bao gồm: Hình dáng, các đặc tính quang học, độ cứng, tính cắt khai, tỷ trọng 10 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Hình dáng bên ngoài của khoáng vật rất khác nhau. Trong tự nhiên phụ thuộc vào điều kiện thành tạo, các khoáng vật thường không có hình dạng thường quy. Trong khi đó các tinh thể khoáng vật có thể có các dạng khác nhau: một phương, hai phương, ba phương. (A) (B) (C) Màu của khoáng vật chủ yếu do thành phần hóa học và các tạp chất trong nó quyết định. Ví dụ như thach anh tinh khiết không màu, thạch anh có chứa tạp chất có thể có màu trắng, xám, vàng, tím, đen. (Khi quan sát màu khoáng vật cần chú ý đến điều kiện ánh sáng, trạng thái của khoáng vật-Tuy nhiên, dấu hiệu đáng tin cậy hơn nhận biết màu của khoáng vật là màu của bột khoáng vật. Chỉ cần vạch một khoáng vật trên một tấm sứ nhám, chúng sẽ để lại một vệt dài có màu đặc trưng cho bột khoáng vật ấy). Độ trong suốt của khoáng vậtlà khả năng của vật thể khi cho ánh sáng đi xuyên qua. Theo độ trong suốt có thể chia làm 3 nhóm khoáng vật. Trong suốt (thạch anh, muscovit, ), nửa trong suốt (thạch cao, khanxedon, ), không trong suốt (pirit, than chì ) Ánh khoáng vật -Khi ánh sáng chiếu vào môi trường khác nhau sẽ bị khúc xạ, thay đổi tốc độ và tiêu hao năng lượng. Một phần ánh sáng chiếu lên khoáng vật sẽ bị phản xạ trở lại trên mặt khoáng vật để tạo thành ánh của khoáng vật. Các loại ánh đặc trưng của khoáng vật: ánh thủy tinh, ánh tơ, ánh xà cừ, ánh mỡ(ánh phi lim), ánh kim loại. Độ cứng là khả năng chống lại tác dụng cơ học bên ngoài lên bề mặt của khoáng vật. Tính chất này có liên quan đến kiến trúc và sự liên kết giữa các chất điểm của khoáng vật. Sự liên kết này cáng chắc thì độ cứng càng cao. Độ cứng tương 11 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở đối của khoáng vật được xác định bằng cách so sánh độ cứng với độ cứng các khoáng vật trong bảng độ cứng tương đối Mohs gồm 10 cấp độ, sắp xếp theo chiều tăng độ cứng, mỗi cấp độ được đại diện bằng một khoáng vật phổ biến. Độ cứng tuyệt đối của khoáng vật được xác định bằng máy. Bảng 1.1. Thang độ cứng của khoáng vật Khoáng vật Độ Độ cứng Khoáng vật Độ Độ cứng cứng tuyệt đối, cứng tuyệt đối, Mohs Mpa Mohs Mpa Tank (Mg3(Si4O10) 1 24 Octoclaz (K(AlSi3O8) 6 7967 Thạch cao (CaSO42H2O) 2 360 Thạch annh (SiO2) 7 11200 Canxit (CaCO3) 3 1090 TopazAl2(SiO4)(OH)2 8 14270 Fluorit (CaF2) 4 1890 Corindon (Al2O3) 9 20600 Apatit(Ca5(PO4)3(FCl) 5 5360 Kim cương C 10 100600 Tính cát khai (dễ tách) của khoáng vật là khả năng bị tách ra của các hạt tinh thể hay hạt kết tinh theo các các hướng nhất định và tạo ra các mặt nhất định khi có tác dụng của ngoại lực. Tính chấp này phụ thuộc vào cấu trúc bên trong của tinh thể và rất khác nhau. Ví dụ như mi ca dễ dàng tách ra thành phiến mỏng nhưng limônit lại hoàn toàn không có cát khai. Cát khai rất hoàn toàn : tinh thể có khả năng tách ra rất dễ dàng bằng tay Cát khai hoàn toàn : dùng các loại vật dụng (như búa ) tác dụng vào tinh thể và nó sẽ vỡ ra theo các mặt tách tương đối bằng phẳng Cát khai trung bình : trên những mặt vỡ của tinh thể, vừa thấy các mặt tách tương đối hoàn chỉnh, vừa thấy vết vỡ không bằng phẳng theo các phương khác nhau Cát khai không hoàn toàn : tinh thể khó tách ra, thường thấy các vết vỡ không có quy tắc Khối lượng riêng: rất khác nhau, dao động trong khoảng từ 0,618-19g/cm 3, phổ biến nhất là 2,53g/cm3. Bảng 1.2. Tỷ trọng một số khoáng vật quan trọng nhất của đất đá (theo E.S Lasera và H.Berman) 12 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Khoáng vật Tỷ trọng (g/cm3) Khoáng vật Tỷ trọng (g/cm3) Thạch cao 2.32 Đolomit 2.87 Octoclaz 2.56 Aragonit 2.94 Caolinit 2.60 Biotit 3.15 Monmorilnit 2.73 Angit 3.30 Ilit 2.80 Hoblen 3.35 Thach anh 2.66 Limonit 3.80 Canxit 2.72 Mahetit 5.17 Tauk 2.70 Hematit 5.20 Muscovit 2.85 Hematit chứa nước 4.30 Ngoài ra còn tính chất: từ tính, điện tính, tính phóng xạ, §2. PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC TÍNH MỘT SỐ LỚP KHOÁNG VẬT CHỦ YỀU 1. Phân loại: a) Phân loại khoáng vật theo kiểu liên kết hóa học: Các liên kết thường gặp trong chất kết tinh Liên kết cộng hóa trị Liên kết ion Liên kết Hydro Liên kết Vandecvan b) Phân loại khoáng vật theo thành phần hóa học : Thành phần của hầu hết các khoáng vật tạo đá phổ biến được giới hạn bởi sự phong phú củacác nguyên tố trong vỏ trái đất Thực tế chỉ có 8 nguyên tố cấu tạo nên khoảng 98% trọng lượng của vỏ trái đất. Lượng chứacác nguyên tố trong vỏ trái đất như sau : Oxy (O)_46,6%; Silic (Si)_ 27,27%; Nhôm(Al)_8,13%; Sắt (Fe)_5%; Canxi (Ca)_3,63%; Natri (Na)_2,83%; Kali (K)_2,59%; Manhê(Mg)_2,09%. Các khoáng vật là thành viên của nhóm được đặc trưng bởi những kết hợp củacác nguyên tố trên. Khoáng vật được phân loại thành các lớp và các lớp này được phân nhỏ thành các nhóm dựa vào cấu trúc bên trong của nó. Gồm 10 lớp như sau 13 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở 1) Lớp nguyên tố tự sinh : Cu, Au 2) Oxit: Fe3O4, SiO2 3) Hydroxit : FeOH 4) Cacbonat: CaCO3, Dolomit(Ca,Mg)[CO3]2 5) Sunfat (muối của axit sunfuric) : thạch cao CaSO4.2H2O 6) Sunfua (hợp chất của lưu huỳnh) : pirit sắt FeS2 7) Halogenua (muối của các axit halogenhidric): halit NaCl 8) Photphat (muối của axit phophoric) : photphat CaP2O5 9) Silicat (muối của axit silicic) : octocla K[AlSi3O8]9. 10) Hợp chất hữu cơ : metan CH4 2. Đặc tính một số lớp khoáng vật Sau đây là mô tả một số khoáng vật tạo đá chủ yếu : a) Lớp Silicat: Đây là lớp khoáng vật quan trọng, có số lượng lớn nhất khoảng 800 khoáng vật và phổ biến trong tự nhiên chiếm khoảng 75% vỏ quả đất, là khoáng vật tạo đá macma, đá biến chất trao đổi và cả đá trầm tích.Theo thành phần và cấu trúc lớp silicat chia ra các nhóm: fenspat, piroxen, amphibol, mica, olvin, tank, clorit, các khoáng vật sét. Thành phần tất cả các nhóm khoáng vật này đều là silicat nhôm. Thạch anh. b) Lớp Cacbonat: gồm 80 khoáng vật, phổ biến là các khoáng vật canxit (CaCO3), mangetit (MgCO3), đolomit (CaCO 3, MgCO3). Nguồn gốc của chúng chủ yếu là ngoại động lực và có liên quan với các dung dịch nước. Khi tiếp xúc với nước 14 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở chúng giảm bớt độ bền cơ học và cùng với các tác nhân khác nước làm cho chúng hoà tan, rửa lũa. c) Lớp ôxit và hyđrôxit: Hai lớp này có khoảng 200 khoáng vật, chiếm khoảng 17% khối lượng vỏ quả đất. Nhiều nhất là thạch anh (SiO2); opan SiO2.nH2O; limonit Fe2O3.nH2O. d) Lớp sunfat: Lớp có đến 260 khoáng vật, nguồn gốc thành tạo liên quan với các dung dịch nước. Các khoáng vật sunfat đặc trưng bởi độ cứng không lớn, màu sáng, hoà tan tương đối tốt trong nước. Phổ biến nhất là thạch cao CaSO 4.nH2O và anhydrit CaSO4. Khi tiếp xúc với nước anhydrit hút nước biến thành thạch cao và có thể tăng thể tích đến 33%. e) Lớp sunfua: gồm khoảng 200 khoáng vật, tiêu biểu là pirit (FeS2). Các sunfua trong đới phong bị phá huỷ dễ dàng vì vậy các VLXD chứa chúng thường có chất lượng kém. f) Lớp halogen: Lớp có khoảng 100 khoáng vật, nguồn gốc liên quan với dung dịch nước. Phổ biến nhất là Halit (NaCl), khoáng vật lớp này dễ hoà tan trong nước. Halit. Khoáng vật các lớp photphat, vonfram, các nguyên tố tự sinh gặp tương đối ít trong tự nhiên. Bảng 1.3. Các lớp khoáng vật tiêu biểu TT Tên lớp Các nhóm KV Số TP chính của Tính chất đặc chính lượng đất đá trưng Fenspat, amphibon, Đá macma, Độ cứng 16,5 piroxen, mica, 1 Silicat R800 biết chất, trầm không có tính hòa olivin, tank, clorit, tích sét tan sét Canxit, đolomit, Đá vôi, Độ cứng 34 có 2 Cacbonat R80 magnetit, đolomit tính hòa tan 3 Oxyt + Thạch anh, opan, R200 Đá macma, Độ cứng 17 không 15 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Hydroxit limonit, biến chất, đất có tính hòa tan đá trầm tích Thạch cao, Thạch cao, Độ cứng 23,5 dễ 4 Sunfat R260 anhydrit, anhydrit kết hợp với nước Độ cứng 66,5 dễ 5 Sunfua Pirit, R200 Quặng pirit bị oxy hóa 6 Halogen Halit, R100 Muối mỏ Mềm, dễ hòa tan §3. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐẤT ĐÁ 1. Khái niệm về đất đá: Đất đá là tổ hợp có quy luật của các loại khoáng vật có chất lượng, cấu trúc, tính chất lý học và điều kiện thành tạo nhất định. (Đá là sản phẩm của tác dụng địa chất, là tập hợp có quy luật của một hoặc nhiều loại khoáng vật hoặc các vụn đá kết lại với nhau tạo thành một thể địa chất độc lập và là bộ phận chủ yếu cấu tạo nên vỏ trái đất). Đá là thể địa chất có liên kết rắn chắc, các thành phần của đá được liên kết với nhau bằng mối liên kết bền-liên kết hóa học. Đó là liên kết đồng hóa trị, liên kết ion, có biến dạng dòn, biến dạng đàn hồi lớn: đá macma, trầm tích, biến chất. Đất là thể địa chất có liên kết rời rạc hoặc mềm dính, các thành phần của đất được liên kết với nhau bằng mối liên kết vật lý (liên kết phân tử, mao dẫn, từ tính , ion- tĩnh điện) liên kết này không được bền vững, yếu và kém chặt hơn rất nhiều so với liên kết hóa học, độ bền chống cắt thấp, biến dạng nhiều so với đá. Phân biệt khoáng vật và đá: Khoáng vật là chất rắn kết tinh nguồn gốc tự nhiên với thành phần hóa học xác định, trong khi đá là tổ hợp của một hay nhiều khoáng vật. Trong đá có thể có cả các phần còn lại của các chất hữu cơ cũng như các dạng á khoáng vật. Một số loại đá chủ yếu bao gồm chỉ một loại khoáng vật. Ví dụ, đá vôi là một dạng đá trầm tích bao gồm gần như toàn bộ là khoáng vật canxit. Các loại đá khác có thể bao gồm nhiều khoáng vật và các loại khoáng vật cụ thể trong một loại đá nào đó có thể khác nhau rất nhiều. Một số khoáng vật, như thạch anh, mica hay fenspat là phổ biến, trong khi các khoáng vật khác có khi chỉ tìm thấy ở một vài khu 16 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở vực nhất định. Phần lớn các loại đá của lớp vỏ Trái Đất được tạo ra từ thạch anh, fenspat, mica, clorit, cao lanh, canxit, epidot, olivin, ogit, hocblen, manhêtit, hematit, limonit và một vài khoáng vật khác. Trên một nửa các loại khoáng vật đã biết là hiếm đến mức chúng chỉ có thể tìm thấy ở dạng một nhúm mẫu vật, và nhiều trong số đó chỉ được biết tới từ 1 hay 2 hạt nhỏ. 2. Nguồn gốc và điều kiện thành tạo của đất đá: Trong thiên nhiên có gần 1000 đất đá khác nhau. Các loại đá được phân loại theo thành phần khoáng vật, nguồn gốc thành tạo. Theo nguồn gốc thành tạo có thể phân ra: macma, đá trầm tích và đá biến chất a) Đá macma (Magmatic rocks): Đá magma được tạo thành do sự đông cứng của những khối hợp chất silicat nóng chảy ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao trong vỏ hoặc trên bề mặt Trái đât. Những khối silicat nóng chảy đó được gọi là Macma. Nếu sự nguội lạnh xảy ra dưới đất thì tạo đá macma xâm nhập. Nếu các dòng chảy trào lên mặt đất thì được gọi là dung nham, sau đó nguội lạnh trên mặt đất thì tạo đá macma phun trào. Mác ma phùn trào Mác ma xâm nhập b) Đất đá trầm tích (sedimentary rocks): Đá trầm tích hình thành do các tác dụng ngoại lực, phong hóa (phá hủy các đá có trước (magma, trầm tích hoặc biến chất), hoạt động của núi lửa, do từ vũ trụ rơi xuống, kết quả các quá trình hóa học, hoạt động của vi sinh vật ) bị lắng đọng tại chỗ hoặc bị di chuyển rồi lắng đọng lại liên kết vững chắc với nhau qua một quá trình biến đổi lâu dài dưới nhiệt độ, áp suất khác nhau mà hình thành một loại đá gọi là đá trầm tích. Đá trầm tích được chia ra: trầm tích cơ học, hóa học, hữu cơ và trầm tích hỗn hợp. 17 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở c) Đá biến chất (metamorphic rocks): Đá biến chất là do đá macma hay đá trầm tích dưới tác dụng của nhiệt độ cao, áp lực lớn hay do các phản ứng hóa học với magma bị biến đổi mãnh liệt về thành phần và tính chất tạo thành. Đá biến chất do các đá trước (magma, trầm tích hoặc biến chất) trong điều kiện tác dụng mới của nhiệt độ, áp suất và tác dụng của các dung dịch hoá học làm cho chúng thay đổi về thành phần, kiến trúc, cấu tạo để hình thành loại đá mới. Đá biến chất phân thành các loại đá chính: đá biến chất tiếp xúc, đá biến chất trao đổi (nhiệt dịch khí thành), biến chất động lực, biến chất khu vực (biến chất nhiệt động). Người ta còn phân biệt: đá đơn khoáng là đá hình thành chỉ có một khoáng vật, đá đa khoáng là đá hình thành với tập hợp nhiều loại khoáng vật. 3. Thành phần của đất đá: Trong đất đá có nhiều thành phần vật chất ở những trạng thái khác nhau: rắn, lỏng, khí. Ngoài các khoáng vật vô cơ trong đất đá còn có thể có một lượng hữu cơ và sinh vật nhất định. Trạng thái, tính chất và chất lượng của đất đá phụ thuộc rất nhiều vào các thành phần vật chất này. Thành phần vật chất cấu tạo nên pha rắn là các khoáng vật thường có cấu trúc tinh thể, thành phần rất đa dạng. Pha lỏng trong đất đá là nước ở trạng thái: hơi, nước liên kết vật lý, nước liên kết hoá học, nước đá, nước trạng thái lỏng. Pha khí: O2, CO2, N2, CH4, H2S , H2, thường có nguồn gốc khí quyển, sinh vật và tạo nên những túi khí có khối lượng rất lớn, những mỏ khí. Vật chất hữu cơ thường làm đất đá kém chất lượng, dễ bị phong hoá: than, than bùn. Các sinh vật hoạt động thường đẩy nhanh quá trình thay đổi trạng thái, thành phần và tính chất của đất đá. Đặc biệt các sinh vật có thể hoạt động cả ở môi trường ôxy hoá và môi trường khử đến độ sâu hàng ngàn mét 4. Kiến trúc của đất đá: Kiến trúc của đất đá là khái niệm tổ hợp về các yếu tố như kích thước, hình dạng, tỷ lệ định lượng giữa các thành phần khoáng vật, mức độ kết tinh và dạng liên kết của chúng tronng đất đá. 5. Cấu tạo của đất đá: 18 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Cấu tạo của đất đá là tổ hợp các yếu tố về sự phân bố tương đối giữa các thành phần khoáng vật trong đất đá. Các kiểu cấu tạo thường gặp như: đặc sít, dải, xốp, phiến,v.v 6. Thế nằm của đất đá: a) Các kiểu thế nằm của đất đá: Kiểu thế nằm của đất đá là hình dạng, kích thước, vị trí tương đối của chúng trong không gian và quan hệ tiếp xúc giữa các khối đá với môi trường xung quanh. Phụ thuộc vào điều kiện thành tạo và biến đổi của đất đá mà chúng có những kiểu thế nằm khác nhau, thế nằm của đất đá có thể bao gồm các kiểu khác nhau: khối, phân lớp, thấu kính Hình 1.7. Các kiểu thế nằm đặc trưng của đất đá a) b) c) a) Kiểu khối b) Kiểu phân lớp c) Kiểu thấu kính b) Các yếu tố thế nằm của vỉa đất đá: Khi điều tra nghiên cứu điều kiện địa chất công trình cần thiết phải xác định vị trí trong không gian của các vỉa đất đá. Để xác định các vỉa đá trong không gian phải biết yếu tố thế nằm của chúng: đường phương, góc phương vị đường phương, đường hướng dốc, góc đổ. Đường phương của vỉa là đường cắt nhau giữa mặt phân vỉa đất đá với mặt phẳng nằm ngang. Góc phương vị đường phương là góc tạo bởi phía bắc đường kinh tuyến và đường phương. Góc phương vị đường phương có hai giá trị chênh lệch nhau180o Đường hướng dốc là đường thẳng góc với đường phương về phía giảm cao độ của mái vỉa. 19 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Góc phương vị đường hướng dốc là góc tạo bởi phía bắc đường kinh tuyến với hình chiếu của đường hướng dốc lên mặt phẳng nằm ngang. Góc đổ hay góc dốc của vỉa là góc hợp bởi đường hướng dốc và hình chiếu của nó trên mặt phẳng nằm ngang. • AB đường phương • OC đường dốc • OC' hướng dốc • - góc dốc lớp đá §4. KHÁI NIỆM ĐỊA HÌNH - ĐỊA MẠO 1. Khái niệm Khái niệm địa hình: Là hình dáng của mặt đất, là sản phẩm của các quá trình địa chất lâu dài và phức tạp. Địa hình chịu tác dụng tổng hợp của các quá trình địa chất (nội sinh và ngoại sinh) nên nó luôn luôn biến đổi theo thời gian. Khái niệm địa mạo: là khoa học nghiên cứu về địa hình có xét đến nguồn gốc hình thành và xu thế phát triển của nó. Độ cao tuyệt đối: là khoảng cách của điểm đang xét đến bề mặt thủy chuẩn (bề mặt Geoid) Độ cao tương đối: là khoảng cách từ điểm đang xét tới một mặt phẳng ngang được chọn làm mốc. 2. Điều kiện địa hình địa mạo Điều kiện địa hình địa mạo: Trong khảo sát địa chất phục vụ xây dựng công trình, hai yếu tố địa hình và địa mạo thường được kết hợp đồng thời, đi kèm với nhau, gọi 20 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở là điều kiện địa hình địa mạo. Điều kiện này xét đến các đặc trưng của địa hình địa mạo liên quan đến xây dựng công trình. Điều kiện địa hình địa mạo là điều kiện địa chất công trình tổng hợp, thường được xét đến ở giai đoạn đầu tiên trong công tác khảo sát địa chất công trình. 3. Phân loại địa hình a. Theo nguồn gốc hình thành: • Địa hình kiến tạo: hình thành do chuyển động kiến tạo của vỏ Trái đất, tạo nên địa hình cơ bản của mặt đất như: dãy núi, đồng bằng, đáy biển • Địa hình xâm thực: hình thành do quá trình xâm thực - hoạt động bào mòn của nước, của gió. • Địa hình tích tụ: hình thành do quá trình tích tụ, lắng đọng các vật liệu do nước, gió đem tới. b. Theo độ cao: • Địa hình dương: địa hình dạng lồi, bao quanh bởi các yếu tố thấp hơn. Núi, Rặng núi, Dải núi, Đỉnh và ngọn núi Sơn nguyên, Cao nguyên Đồi, dải đồi, ụ • Địa hình âm: địa hình dạng lõm, bao quanh bởi các yếu tố cao hơn. Lòng chảo, thung lũng Khe hẻm, mương xói Trong thực tế xây dựng thường chia làm 3 nhóm địa hình chính: • Địa hình núi: độ cao > 200m • Địa hình đồi: độ cao từ 20m đến 200m • Địa hình đồng bằng: độ cao < 20m 4. Ý nghĩa nghiên cứu địa hình, địa mạo • Địa hình địa mạo là điều kiện địa chất công trình tổng hợp vì nó phản ánh các điều kiện địa chất khác như: thành phần, tính chất, sự phân bố của đất đá, điều kiện địa chất thuỷ văn, các hiện tượng địa chất đã và sẽ xảy ra tại khu vực xây dựng. • Địa hình địa mạo quyết định đến việc quy hoạch công trình xây dựng. 21 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở • Địa hình địa mạo quyết định đến hình dáng, kết cấu và giá thành công trình. • Địa hình địa mạo quyết định phương án thi công công trình, chế độ khai thác công trình. • Khi xây dựng đập, thường chọn nơi có lũng sâu, hẹp nhằm làm cho khối lượng công trình là nhỏ nhất. • Cần có vị trí bố trí các công trình kiến trúc khác như đập tràn, cống, nhà máy thủy điện, nên mặt cắt tuyến đập cần có bề rộng thích hợp. • Khi xây dựng kênh cần chú ý độ dốc, mức độ phân cắt của địa hình, vì nó quyết định khối lượng đào đắp, số công trình phụ, hình thức kênh. • Địa hình phân cắt mạnh làm cho tuyến kênh, đường giao thông phải kéo dài do lượn theo đường đồng mức địa hình hoặc phải bố trí các công trình vượt như cầu giao thông, cầu máng, xiphông, 22 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở CHƯƠNG II MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA ĐẤT ĐÁ §1. TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT ĐÁ Tính chất vật lý của đất đá là những tính chất đặc trưng cho trạng thái vật lý của chúng trong điều kiện thế nằm từ nhiên hoặc ở bãi thải, nền đường đắp, đê đập và các công trình khác. Các số liệu về tính chất vật lý cho phép đánh giá định tính độ bền và độ ổn định của chúng 1. Khối lượng thể tích( dung trọng) Thể tích Khối lượng V khí k Qk Vw nước Q V Qn V hạt h Qh a) Khối lượng thể tích của đất đá tự nhiên (dung trọng ướt): là khối lượng của một đơn vị thể tích đất ký hiệu , đơn vị: (T/m3, g/cm3). m (2-1) V Trong đó: : dung trọng ướt (g/cm3) m : khối lượng của đất đá bao gồm khối lượng hạt và nước của đất đá (g): m= mh+mn mh: là khối lượng hạt; mn: là khối lượng nước; Qn : khối lượng phần nước trong đất đá (g) V: là thể tích của toàn bộ đất đá, bao gồm thể tích các hạt đất đá và thể tích các lỗ rỗng có trong chúng, cm3. V= Vh+ Vr 3 Vh : thể tích phần hạt trong đất đá (cm ) 3 Vr : thể tích phần nước và không khí trong đất đá (cm ) 23 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Khối lượng thể tích của đá là đặc trưng quan trọng nhất về trạng thái vật lý của nó. Khối lượng thể tích càng bé đặc biệt so với khối lượng riêng thì mật độ càng bé, độ rỗng, độ chứa ẩm càng lớn và có thể là độ bền của chúng càng thấp. b) Khối lượng thể tích đất khô (dung trọng khô): là khối lượng của một đơn vị thể tích đất khô hoàn toàn ký hiệu , đơn vị: (T/m3, g/cm3). k mh m.mh mh k → k (2-2) V V.m (mh mn ) 1 W Trong đó: k: dung trọng khô (g/cm3); W: độ ẩm tự nhiên. Dung trọng khô tương đối ổn định vì nó không phụ thuộc vào độ ẩm. Độ lỗ rỗng càng nhỏ(mức độ nén chặt càng cao), đất đá chứa nhiều khoáng vật nặng thì dung trọng khô càng cao. Dung trọng khô được dùng làm chỉ tiêu kiểm tra chủ yếu về mức độ nén chặt của đất trong thân công trình bằng đất (đập, đê, nền đường ). Một số công trình đập đất ở nước ta đã thiết kế với dung trọng khô k =1,45-1,70 g/cm3 c) Khối lượng riêng của hạt (dung trọng hạt): là khối lượng của một đơn vị thể tích chỉ riêng phần hạt rắn ký hiệu , đơn vị: (T/m3, g/cm3). h mh h (2-3) Vh Trong đó- h: dung trọng hạt (g/cm3); mh khối lượng hạt (g); Vh thể tích hạt (cm3). Dung trọng hạt chỉ phụ thuộc vào thành phần khóang vật, không phụ thuộc vào kiến trúc, cấu tạo, độ ẩm. Dung trọng hạt của đất đá thông thường thay đổi trong phạm vi 2,0-3,0 g/m3. Các đá bazơ có dung trọng hạt lớn hơn từ 3,0-3,3 g/cm3. Dung trọng hạt còn phụ thuộc vào sự có mặt các tạp chất trong thành phần đất đá. Vì vậy mỗi loại đất đá có thể có một số giới hạn biến đổi dung trọng. Khối lượng riêng của đá không phản ánh trực tiếp trạng thái của nó và không được sử dụng trong tính toán công trình, song lại cần để tính toán các chỉ tiêu tính chất quan trọng khác của đất đá như độ rỗng. So sánh khối lượng thể tích với khối 24 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở lượng riêng của đá có thể suy đoán về độ chặt và độ rỗng của nó, tức là trạng thái vật lý d) Khối lượng thể tích đẩy nổi: là khối lượng của một đơn vị thể tích đất khi cân trong nước ký hiệu , đơn vị: (T/m3, g/cm3). đn đn ( h - n )(1- n) (2-4) Trong đó: 3 đn: dung trọng đẩy nổi của đất đá(g/cm ); 3 n: dung trọng của nước (g/cm ); n: độ lỗ rỗng của đất đá, %. ( 1) k đn e) Dung trọng bão hòa nước ( bh) của đất: là dung trọng tự nhiên lớn nhất, là khối lượng 1 đơn vị thể tích đất ở trạng thái no nước (tức là toàn bộ lỗ hổng của đất đều chứa đầy nước). T/m3; g/cm3 m m m 1 n n hay bh h r bh h n bh V V Trong đó: mh : khối lượng phần hạt của đất đá (g) mr : khối lượng phần nước trong đất đá – kể cả phần không khí bị nước chiếm chỗ (g) V : thể tích đất đá tự nhiên (cm3) 2. Trọng lượng đơn vị của đất đá: Trọng lượng đơn vị của đất đá là tỷ số giữa dung trọng của chúng với gia tốc trọng trường. Nếu lấy đơn vị của chúng là g/cm3 thì trọng lượng đơn vi có là G/cm3. 3. Tỷ trọng của đất đá: Tỷ trọng của đất đá là tỉ số giữa khối lượng đất đá và khối lượng nước có cùng thể tích. h (là đại lượng không có thứ nguyên)(2-5) n Trong đó: 25 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở 3 h : dung trọng hạt của đất đá (g/cm ) 3 n : dung trọng nước (g/cm ) 4. Tính rỗng xốp của đất đá: a)Độ rỗng n của đất đá : là tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng trong đất đá và thể tích toàn bộ mẫu đất đá. Vr V V V n .100% h 1 h (2-6) V V V V Mặt khác →h k n 1 k(2-11).100% V h n [1 ].100% (2 12) h (1 W ) Độ rỗng thay đổi trong cùng 1 loại đất ở các trạng thái kết cấu khác nhau (xem qua bảng sau) Độ rỗng (%) Kết cấu Đất Chặt Chặt vừa Chặt ít Cát lẫn sỏi, cát hạt to và hạt vừa 40 Cát hạt nhỏ và hạt mịn, cát pha sét nhẹ 44 Sét, sét pha cát, cát pha sét nặng 45 Đối với đất cát độ lỗ hổng được xác định bằng phương pháp bão hòa. Người ta lấy một thể tích cát khô và đổ nước vào. Thể tích nước rót vào làm bão hòa cát khô chính bằng thể tích lỗ hổng. Trong trường hợp này người ta không chú ý đến cấu tạo sắp xếp của các hạt cát. Nghiên cứu độ rỗng có ý nghĩa to lớn trong việc đánh giá đất đá về phương diện địa chất công trình. Độ rỗng quyết định đến mật độ, độ bền, độ biến dạng, độ chứa ẩm của đất đá và ảnh hưởng đến mức độ thấm nước, sức chống phong hóa, sức chống băng giá, độ chống địa chất và nhiều tích chất có ý nghĩa thực tiễn khác. Độ rỗng của đá càng cao bao nhiêu, thì mật độ, độ bền càng bé, độ biến dạng và độ chứa ẩm càng lớn, nhưng độ ngấm nước lại càng bé bấy nhiêu. Việc độ lỗ rỗng càng cao thì độ ngấm nước càng bé có vẻ nghịch lý, nhưng thực tế là như vậy. Bởi vì độ ngấm nước của đất đá được quyết định không phải là do tổng độ rỗng của nó, mà là do kích 26 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở thước chỗ trống và khe nứt, nói khác đi là độ rỗng có hiệu. Một khe nứt hở hàng trăm hàng nghìn lần lớn hơn so với hàng nghìn vi khe nứt cận mao dẫn. Độ rỗng làm giảm sức chống phong hóa. Bên cạnh tác dụng làm giảm mật độ, độ rỗng cũng tăng cao khả năng hấp thụ năng lượng cac chuyển động dao động khi có sóng địa chấn truyền qua đá và chính thế mà làm giảm sức chống động đất của nó. b) Hệ số rỗng: là tỷ số giữa thể tích lổ rỗng (Vr) với thể tích phần hạt rắn Vh. V e r (2-7) Vh Quan hệ toán học giữa độ rỗng (n) với hệ số rỗng (e) có thể suy ra từ các biểu thức (2-6) và (2-7) như sau : Vr Vr Vr /Vh e n (2-8) V Vh Vr Vh /Vh Vr /Vh 1 e n e (2-9) 1 n e h 1 (2 13) k (1 W ) e h 1 (2 14) Trị số thay đổi từ 0 đến 1 đối với đất đá thông thường. Đối với sét nhão, bùn sét, bùn hữu cơ thì trị số e có thể lớn hơn 1 Hệ số rỗng là 1 chỉ tiêu có thể cho biết sơ bộ đặc tính cường độ của đất do đó dùng để đánh giá độ chặt của đất (xem bảng phân loại theo độ chặt). Hệ số rỗng Độ chặt Chặt Chặt vừa Chặt ít Đất Cát lẫn sỏi, cát hạt to và hạt vừa 0.7 Cát hạt nhỏ và hạt mịn, cát pha sét nhẹ 0.75 Cát bột (cát bụi) 0.8 Sét, sét pha cát, cát pha sét nặng 0.8 27 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Trong thực tế đối với đất loại cát và đất loại sét , việc dùng độ rỗng và hệ số rỗng chưa đủ để thể hiện trạng thái lỗ rỗng của đất mà còn phải dùng các chỉ tiêu tương đối Đối với đất loại cát thì phải xác định độ chặt tương đối D : e e D max (2-10) emax emin emax : hệ số rỗng của cát khi kết cấu xốp nhất (trạng thái rỗng nhất) emin : hệ số rỗng của cát khi kết cấu chặt nhất e : hệ số rỗng của cát ở trạng thái tự nhiên Dựa vào độ chặt tương đối D, người ta chia ra 3 trạng thái như sau : Độ chặt tương đối D Trạng thái tương đối của đất D 0.33 trạng thái rời xốp 0.33 D 0.66 trạng thái chặt vừa 0.66 trạng thái chặt nhất 5. Tính nứt nẻ của đất đá: Tính nứt nẻ là tích chất đặc trưng cho đất đá khi trong chúng có các mặt khe rãnh. Trong đá cứng không có lỗ rỗng thì khe nứt đóng vai trò quan trọng đối với các tính chất cơ lý và nước của chúng. Khe nứt phát triển trong đất đá không đều nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau: loại đá, hoạt động kiến tạo, tác động của các tác nhân phong hóa,v.v Dựa vào nguồn gốc thành tạo các khe nứt, chúng có thể chia ra các loại sau: Khe nứt nguyên sinh: hình thành cùng quá trình tạo đá. Khe nứt kiến tạo: sinh ra trong quá trình vận động kiến tạo. Khe nứt phong hoá: được thành tạo do quá trình phong hoá. Để đánh giá mức độ nứt nẻ của đá người ta dùng hệ số nứt nẻ K k là tỷ số giữa diện tích các khe rãnh trên mặt đá Fn và diện tích toàn bộ đất đá kể cả khe nứt. n a .b F  i i K n .100% i 1 .100% (2-15) k F F Trong đó: ai, bi là chiều rộng và chiều dài khe nứt thứ i; F là diện tích đất đá xác định khe nứt thường 4 – 8m2; 28 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Theo khe nứt phân loại đất đá Mức độ nứt nẽ Kk (%) Tính chất khe nứt Trong đá phát triển mảnh dạng sợi tóc, chiều rộng phổ Nứt nẽ yếu (20-100)mm Nứt nẽ hoàn toàn >20 Đá ở đới cà nát, đá trượt, đá đổ . (đặc biệt mạnh) § 2. TÍNH CHẤT NƯỚC CỦA ĐẤT ĐÁ Thủy tính được thể hiện trong mối quan hệ của đất đá với nước, tức khả năng biến đổi trạng thái, độ bền và độ ổn định khi tác dụng qua lại với nước, khả năng hấp thụ, giữ lại hoặc thấm nước. Biết được thủy tính của đất đá có thể dự báo được sự biến đổi độ bền và các tính chất khác của chúng, cũng như sự phát triển của bất cứ quá trình địa chất nào. 1. Tính ẩm ướt của đất đá: Độ ẩm tự nhiên (W) : Độ ẩm tự nhiên của đất đá được biểu thị bằng tỉ số giữa khối lượng nước chứa trong đất đá ở điểu kiện tự nhiên với khối lượng của hạt đất (khối lượng đất đá khô tuyệt đối được sấy ở nhiệt độ 107110 oC đến lúc trọng lượng không đổi) mn W .100% (2-16) mh Trong đó: W : Độ ẩm tự nhiên (%); mn : khối lượng nước có trong đất đá, mn= m - mh ; mh : khối lượng đất đá khô tuyệt đối (pha rắn); m : Khối lượng đất đá ở trạng thái tự nhiên. Độ ẩm phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ ẩm không khí, mưa, bốc hơi và các yếu tố khác. Độ ẩm của đất đá là lượng chứa nước trong tự nhiên được xác định khi sấy khô đất đá ở nhiệt độ 107110oC đến lúc trọng lượng không thay đổi. 29 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Vd: Một mẫu đất có khối lượng tự nhiên m= 330g. Sau khi sấy khô tuyệt đối ở o nhiệt độ 107110 C có khối lượng không đổi là m h=300g. Xác định đổ ẩm tự nhiên của đất đá. Giải: Khối lượng nước có trong đất đá: mn = m – mh = 330 -300 = 30 (g) 30 Độ ẩm tự nhiên của mẫu đất: W .100% 10% 300 2. Tính thấm nước của đất đá: Nước thấm qua các lổ hổng, khe nứt của đất đá, tính thấm nước được đặc trưng bằng hệ số thấm (K) là vận tốc thấm của nước dưới đất trong đất đá khi gradien thủy lực bằng 1 đơn vị. V k (m / ngđ,cm / s) (2-17) I H V K . K .I L Trong đó: V: vận tốc thấm (m/ngđ, cm/s); I: độ dốc thủy lực dòng thấm. Ngoài hệ số thấm người ta còn dùng hệ số dẫn nước T để đặc trưng cho khả năng thấm nước của vỉa đất đá. Hệ số dẫn nước T được xác định bằng công thức sau: T= k.m (m2/ngđ, cm2/s) (2-18) Trong đó: m: độ dày vỉa chứa nước. Bảng 2.1. Tính chất thấm nước của đất đá trầm tích Đất đá Hệ số thấm k (m/ngđ) Đánh giá khả năng thấm Đá, sét chặt < 0,001 Không thấm Sét 0,001  0,01 Sét pha 0,01  0,1 Thấm yếu Cát pha 0,1  0,5 Cát mịn 0,5  1,0 Cát nhỏ 1,0  5,0 Thấm tốt Cát trung 5,0  15,0 30 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Cát thô 15,0  50,0 Cát sỏi 50,0  100,0 Sỏi –cuội 100,0  200,0 3. Tính ngậm nước của đất đá Tính ngậm nước là khả năng đất đá hấp thụ và chứa giữ một lượng nước nhất định, khi nước có khả năng vận động tự do dưới tác dụng của trọng lực. Có thể phân biệt các độ ngậm nước của đất đá: Độ ngậm nước cực đại: lượng nước cực đại chứa giữ trong đất đá khi toàn bộ lỗ rỗng của chúng bão hòa nước. Độ ngậm nước mao dẫn: là lượng nước cực đại chứa trong các lỗ mao dẫn của đất đá Độ ngậm nước phân tử cực đại: lượng nước liên kết vật lý cực đại được tính bằng độ ngậm nước mao dẫn cộng với độ ngậm nước phân tử của đất đá Tính chứa nước và giữ nước của đất đá phụ thuộc vào nhiều nhân tố: đặc điểm thạch học, mức độ kết dính, cấu tạo lỗ hổng, v.v thí dụ như than bùn có khả năng chứa và giữ nước lơn hơn cuội sỏi, sét chứa- giữ nước nhiều hơn cát Bảng 2.2. Độ ngậm nước của đất đá trầm tích Đất đá Đường kính hạt (mm) Độ ngậm nước phân tử cực đại (%) Cát thô 2  0.5 1.57 Cát trung 0.5  0.25 1.60 Cát nhỏ 0.25  0.1 2.73 Cát mịn 0.1  0.08 4.75 Bột 0.08  0.002 10.18 Sét <0.002 44.85 4. Tính nhả nước Tính nhả nước là tích chất của đất đá bão hòa nước phóng thích nước bằng cách thấm tự do dưới tác dụng của trọng lực. Tính chất này được đặc trưng bằng hệ số nhả nước  là tỷ số giữa thể tích nước chảy tự do ra khỏi đất đá bão hoà nước (Vn) với thể tích toàn bộ đất đá (V). Như vậy đại lượng nhả nước  bằng hiệu số giữa độ ngậm nước cực đại Wc với độ ngậm nước phân tử cực đại Wp  = Wc - Wp (2-19) 31 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở  = Vn / V (2- 20) Bảng 2.3 Hệ số nhả nước của đất đá trầm tích Đất đá Hệ số nhả nước,  Cát thô 0.350.25 Cát trung 0.250.20 Cát nhỏ 0.200.15 Cát mịn 0.150.10 Sét pha – cát pha chính lực kéo căng P này làm nước dâng lên trong ống Trọng lực của cột nước trong ống làm kéo nước hạ 2 xuống G = r .Hmd .  g r : bán kính ống mao dẫn Hmd : chiều cao mao dẫn khi cân bằng g : gia tốc trọng trường : khối lượng riêng của nước chiều cao mao dẫn đạt giá trị cực đại khi P = G 2 2 r cos = r .Hmd .  g 2. .cos  H (2-21) md r. .g Bảng 2.4 Chiều cao mao dẫn của đất đá trầm tích Đất đá Hm,cm Đất đá Hm,cm Cát thô 215 Sét pha ít 150200 Cát trung 1535 Sét pha vừa 200300 Cát nhỏ, mịn 35100 Sét pha nặng 300400 Cát pha 100150 Sét 400500 32 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Từ công thức trên ta nhận thấy chiều cao mao dẫn phụ thuộc vào bán kính ống, khối lượng riêng của chất lỏng và vật liệu làm ống (vì góc ướt chịu ảnh hưởng của vật liệu làm ống và loại chất lỏng) - Ảnh hưởng của mao dẫn : gây ẩm ướt cho công trình, tính chất cơ lý của đất đá giảm xuống - Nguyên nhân: lực tương tác của nước và khí với các hạt đất, thể hiện ở sự tẩm ướt các hạt đất, tạo nên trong các lỗ rỗng những mặt khum và một số hiện tượng khác. Chiều cao dâng mao dẫn tỉ lệ nghịch, còn tốc độ dâng thì tỉ lệ thuận với đường kính các mao quản. Trong đất sét dâng tới hàng mét, trong những loại đất khác, hàng centimét đến vài mét. 6. Tính bão hòa Tính bão hòa là tính chất một phần lỗ rỗng, khe rãnh của đất đá bị nước chiếm chỗ. Là tỉ số giữa độ ẩm tự nhiên và độ ẩm bão hoà (bão hoà khi nước chiếm toàn bộ lỗ rỗng) hay là tỷ số giữa thể tích nước trong lỗ rỗng so với thể tích toàn bộ lỗ rỗng W V G tn n (2-22) Wbh Vr Vr . n V Vh V Vh 1 1 n Wbh n ( ) n ( ) n e. mh mh mh mh k h h h k e. Wbh ;n Wbh n n W. G h (2-23) e n Độ bão hòa luôn nhỏ hơn 1. Tuy nhiên đối với loại sét có tính ưa nước cao, lượng nước kết hợp mặt ngoài quá lớn thì độ bão hòa có thể lớn hơn 1. Theo TCVN 43 -78, dựa vào độ bão hòa người ta chia đất ra làm các nhóm khác nhau Bảng 2.5 Phân nhóm đất theo độ bão hòa G Đất hạt min G Đất hạt thô 00.2 khô 00.5 Ít ẩm 0.20.4 Ít ẩm 0.50.8 ẩm 0.40.8 ẩm 0.8-1.0 Bão hòa 0.81.0 Bão hòa 33 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Bảng liên hệ các chỉ tiêu vật lý của đất đá Chæ tieâu caàn xaùc ñònh Coâng thöùc . (1 0,01W )  h n Heä soá roãng e e n 1 e 1 e  W  k 1 n e Ñoä roãng n (%) n .100% 1 e . W .0,01W 0,01W. Ñoä baõo hoøa G G G . n .(1 0,01W )  W e  3 k Dung troïng haït (g/cm )  h  h . n 1 0,01n  3 W Dung troïng khoâ (g/cm )â  k  h (1 0,01.n)  k 1 0,01W ( 1). Dung troïng ñaåy noåi (g/cm3)  n    dn 1 e dn bh n § 3. MỘT SỐ TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA ĐẤT 1. Tính dẻo: Tính dẻo của đất loại sét là khả năng thay đổi hình dạng (biến dạng) của chúng dưới tác dụng của ngoại lực mà không làm mất đi tính nguyên khối, liên tục và giữ nguyên hình dạng đó sau khi đã chấm dứt ngoại lực tác dụng lên nó. -Tính dẻo phụ thuộc vào độ ẩm, mức độ phân tán, thành phần khoáng vật, thành phần cation trao đổi, độ đậm đặc của dung dịch hơi và 1 số yếu tố khác. Tính dẻo của đất được đặc trưng bằng 2 chỉ tiêu độ ẩm sau: +Chỉ số dẻo là hiệu số giữa độ ẩm giới hạn chảy Wc và độ ẩm giới hạn dẻo (Wd) được gọi là chỉ số dẻo Ip: Ip = Wc – Wd (2-24) Trong đó: +Wd - độ ẩm giới hạn dẻo là độ ẩm mà trong đó đất sét chuyển từ trạng thái cứng sang trạng thái dẻo. Trạng thái này được xác định bằng lăn sét thành những sợi nhỏ có đường kính 3mm trên kính mờ và bị nứt thành những mảnh vụn +Wc - độ ẩm giới hạn chảy là độ ẩm mà trong đó đất sét chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái chảy. Trạng thái này được xác định theo độ ngập của một chùy xuyên chuẩn hình nón vào mẫu đất dưới tác dụng của trọng lực bản thân dụng cụ đó hay dụng cụ Casagrander. 34 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Bảng 2.6. Chỉ số dẻo của đất loại sét Đất Chỉ số dẻo, % Cát pha 1 17 Phụ thuộc vào độ ẩm, đất loại sét có những trái thái khác nhau. Trạng thái của đất được xác định bằng độ sệt Is W W Is d (2-25) Wc Wd Bảng 2.7. Trị số sệt các trạng thái khác nhau của đất loại sét Đất Trạng thái Độ sệt Cứng 1 Cứng 1 2. Tính trương nở và co ngót của đất đá: 2.1 Tính trương nở: là khả năng tăng thể tích của đất loại sét khô khi gặp nước. Nguyên nhân của sự trương nở là sự tăng độ dày vỏ hydrat của nước liên kết vật lý trong đất sét và sự xuất hiện nước kết tinh (nH 2O). Thể tích các hạt khoáng vật trong đất trương nở không thay đổi, sự tăng thể tích gây nên do tăng thể tích các lỗ rỗng chứa đầy nước, do vậy độ ẩm của đất trương nở cũng tăng lên. Do vỏ hydrat bao quanh hạt dày lên nên lực dính giữa các hạt bị giảm và kết quả làm cho độ bền của đất trương nở giảm xuống. Tính trương nở của đất liên quan chặt chẽ với thành phần khoáng vật, trình độ phân tán, cấu trúc và đặc điểm mối liên kết giữa các hạt, độ rỗng, thành phần hóa học và nồng độ ion dung dịch 35 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Tính chất trương nở của đất được đánh giá theo trị số trương nở Rn và áp lực trương nở Pn: Vn V0 hn ho Rn .100% hay Rn .100% (2-26) V0 ho Trong đó: Vo, ho, Vn, hn là thể tích, chiều cao mẫu đất trước và sau khi trương nở. Áp lực trương nở : là áp lực phát sinh trong quá trình trương nở. Áp lực này được đo bằng lực tác dụng lên mẫu đất khi làm ướt và nén không nở hông, và có biến dạng trương nở bằng không. Độ ẩm trương nở : là độ ẩm ứng với trạng thái mà ở đó quá trình hấp thụ nước hay dung dịch lóng khác của đất ngừng lại (khi sự trương nở kết thúc) mtn ms Wtn .100% ms Trong đó: mtn - trọng lượng mẫu đất sau khi trương nở ms - trọng lượng đất khô tuyệt đối Đất trương nở đặc biệt là đất trương nở không đều không những chỉ làm giảm cường độ của đất đá thông qua sự phá vỡ nối liên kết giữa các hạt mà nhiều khi còn phá hoại cả khối đất thông qua hệ thống các khe nứt phát sinh trong quá trình trương nở. Bảng 2.8 Phân loại đất trương nở (T.c.II-15-74) Loại đất Trị số trương nở, Rn(%) Áp lực trương nở, Pn (KG/cm2) Không trương nở 35 Cao 25 - 41 Trung bình 15 - 28 Thấp < 18 36 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở 2.2 Tính co ngót của đất là khả năng giảm thể tích của đất do kết quả tách (mất) nước khi hong khô hay xuất hiện các quá trình hoá - lý (vì co mất nước, thẩm thấu). Khi độ ẩm trong đất giảm xuống các vỏ hydrat xung quanh các hạt giảm, vì vậy lực dính kết giữa chúng sẽ tăng lên, các hạt sẽ dịch chuyển gần nhau hơn và thể tích của đất sẽ giảm xuống rõ rệt. 3. Tính hóa mềm và tan rã 3.1. Tính hóa mềm Do tiếp xúc với nước, đất đá có thể không bị trương nở nhưng cường độ của chúng có thể giảm đi, tính chất đó còn được gọi là tính hóa mềm của đất đá. Chỉ tiêu để đánh giá mức độ hóa mềm là độ hóa mềm (hệ số hóa mềm): bh  n hm k  n Dựa vào hệ số hóa mềm có thể chia đất đá ra làm 3 loại: Hóa mềm yếu:hm = 10.9 Hóa mềm trung bình :  hm=0.90.75 Hóa mềm mạnh : hm < 0.75 Khi bão hòa nước, đất đá bị tách ra thành lớp hoặc rã ra thành mảnh và không thể tiến hành thí nghiệm được. Hệ số hóa mềm của các loại đá này như vậy bằng không và ta đặc trưng chúng như đá thực tế không chịu được nước. Có hiện tượng hóa mềm là do : khi bão hòa nước, đá chịu tác dụng của cột nước mạnh. Cột nước này gây ra ứng suất bên trong và làm giảm độ bền cơ học của đá. Hơi nước khi nhập vào vi khe nứt và lỗ rỗng cũng gây tác dụng phá hoại do tác dụng chèn của các màng mỏng. Trị số áp lực chèn có thể đạt tới hàng chục, hàng trăm kG/cm2 và lớn hơn độ bền chống kéo. Trong đá trầm tích, nước làm mềm và hòa tan vật liệu gắn kết, giảm độ bền của đá. Phần lớn các đá trầm tích khi bị ẩm ướt hoặc bão hòa nước có khả năng thay đổi thể tích của đá trong chừng mực nhất định. Do bị ẩm ướt không đều, sự thay đổi thể tích của phần ngoài và phần trong một thể tích đá cũng khác nhau. Vì vậy ở trong đá phát sinh ứng suất có tác dụng mở rộng các vi khe nứt hiện có, tạo nên các vi khe nứt mới và kết quả là độ bền của đá bị giảm xuống. Bão hòa rồi lại sấy khô lặp đi lặp lại nhiều lần cũng gây ra hiện tượng “mỏi” do ứng suất bên trong trùng lặp và ảnh hưởng độ chịu nước, độ bền của đá. Sự giảm độ bền sau khi bão hòa nước quan sát thấy ở tất cả các kiểu đá và đặc trưng cho mức độ chịu nước 37 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở của chúng. Thật vậy, độ rỗng của đá càng thấp, thì độ chịu nước của nó càng cao. 3.2. Tính tan rã Tính chất tan rã là tính chất khi gặp nước, thì đất bị phá hủy thành từng hòn cục, từng hạt rời rạc, trong khối đất giữa các phân tử mất đi hết tính dính. Hiện tượng này liên quan đến độ ẩm ban đầu của đất; đất càng khô, đất nửa cứng hoặc cứng, tan rã càng mạnh, đất ẩm ướt thường không tan rã. Nguyên nhân gây tan rã rất khác nhau, do sự tăng độ dày tầng khuếch tán, do các muối hòa tan, do sự hóa mềm mối liên kết giữa các hạt, do từ tính, do nước ngấm sâu vào khối đất theo các lỗ hổng lớn, các khe nứt, v.v. gây ra các ứng suất cục bộ trong khối đất. Tùy theo từng loại đất, tùy theo thành phần cấu trúc của đất mà tốc độ hình thức tan rã của đất khác nhau. Các đất loại sét liền khối, tính thấm nhỏ, thì sự tan rã xảy ra chậm chạp và phát triển dần từ ngoài vào trong, tan rữa thành hạt, ít khi thành cục có kính thước lớn. Đất có cấu tạo lớp, lúc ban đầu ta rã thành lớp, hoặc lớp mỏng. Khoáng vật càng ưa nước, hạt càng không đều thì tan rã càng nhanh. Tính tan rã phụ thuộc vào thành phần hóa học và nồng độ ion trong nước. Trong dung dịch các ion Na+, K+ đất tan rã dễ dàng thành hạt nhỏ và không phụ thuộc vào độ ẩm ban đầu của đất; trong dung dịch chứa Al 3+, Fe3+ thì đất tương đối ổn định. Thời gian tan rã : Là khoảng thời gian mà ở trong nước mẫu đất đá mất tính dính kết và phân rã thành các phân tố có kích thước khác nhau. Đặc điểm tan rã : Phản ảnh hình thức tan rã của đất đá. § 4. KHÁI NIỆM TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT ĐÁ Tính chất cơ học của đất đá là tính chất chống lại ngoại lực tác dụng lên chúng. Ngoại lực có thể gây nên biến dạng đất đá và nếu đủ mạnh có thể phá huỷ chúng. Như vậy tính chất cơ học của đất đá đặc trưng bằng tính biến dạng và độ bền của đất đá dưới tác dụng của áp lực tác dụng lên chúng. Tính biến dạng đặc trưng cho trạng thái đất đá khi ngoại lực nhỏ hơn 1 giá trị tới hạn nào đó (P < Pth). Khi giá trị ngoại lực đạt hoặc vượt qua giá trị tới hạn (P 38 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Pth), thì đất đá chuyển qua trạng thái phá huỷ, các phần tử của chúng sẽ trượt lên nhau. Trong các tính chất cơ học của đất đá thì khả năng chống nén và cắt là những tính chất chủ yếu của chúng, hai chỉ tiêub này rất quan trọng để đánh giá độ bền của đất đá khi xây dựng, khai đào mỏ. Khi chịu tác dụng của ngoại lực thì trong đất đá xuất hiện nội lực chống lại, hình thành ứng suất trong chúng. Khối đất đá bị biến dạng hoặc phá hoại khi ngoại lực tác dụng lên chúng lớn hơn nội lực. (lực liên kết các phân tử của đất đá, lực ma sát, ). Nếu nội lực bằng ứng suất gây ra do ngoại lực thì đất đá ở trạng thái ứng suất tới hạn. Trong điều kiện tự nhiên, đất đá thường ở trạng thái ứng suất 3 hướng khi ứng suất các hướng như nhau, đất đá sẽ có trạng thái đẳng ứng suất. § 5. TÍNH BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT ĐÁ Tính biến dạng là khả năng bị thay đổi thể tích, hình dạng của đất đá khi có ngoại lực tác động lên chúng. Mức độ và tốc độ biến dạng phụ thuộc vào độ ẩm, cấu trúc, độ lỗ rỗng, thành phần hạt, khoáng vật, của đất đá và đặc tính của ngoại lực. Dưới tác dụng của tải trọng , thì đất đá bị co ép lại và thay đổi hình dạng cũng như kích thước. Thể tích các lỗ hổng trong đất bị giảm nhỏ do các hạt khoáng vật dịch chuyển tương đối tương đối với nhau, do biến dạng của chính các hạt đất và do nước hay khí chứa trong các lỗ rỗng Đất thông thường được nén chặt chủ yếu do thể tích lỗ rỗng giảm, nên biến dạng nén của đất được biểu hiện qua trị số biến đổi của hệ số rỗng, còn đối với đất bão hoà nước thì được biểu hiện thông qua trị số biến đổi của độ ẩm. Tính biến dạng của đất thường đánh giá bằng các chỉ tiêu nén lún. Các chỉ tiêu đặc trưng của biến dạng như : hệ số nén lún, modun biến dạng cho phép ta dự tính độ lún, độ ổn định và khả năng chịu tải lớn nhất của nền đất 1. Tính biến dạng của các nhóm đất đá. a. Tính biến dạng của đất hạt rời. Đất hạt rời hay đất hạt thô bao gồm cuội, sỏi, dăm, sạn, cát. Đặc tích tải trọng có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng biến dạng và có thể là yếu tố chủ đạo ảnh hưởng đến khả năng nén lún của nhóm đất này. 39 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Đối với đất rời rạc lực dính giữa các hạt bằng không, dưới tác dụng của tải trọng ngoài, đất được nén chặt chủ yếu là do sự dịch chuyển và sắp xếp lại giữa các hạt tới trạng thái chặt hơn. Đối với đất bão hoà nước, một phần liên quan tới sự thoát nước trong các lỗ rỗng trong có kích thước lớn nên quá trình thoát nước xảy ra nhanh chóng và ảnh hưởng không đáng kể tới tốc độ nén chặt đất. Như vậy đối với đất rời, quá trình nén chặt xảy ra một cách nhanh chóng, độ lún tổng có thể đạt ổn định ngay sau khi kết thúc thi công xây dựng công trình. Tính nén lún của đất rời rạc phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, đặc điểm cấu trúc (kích thước, hình dáng, đặc điểm mặt ngoài của hạt, sự sắp xếp tương đối giữa các hạt), độ ẩm, trị số áp lực nén, loại tải trọng (động hay tĩnh). b. Tính biến dạng của đất mềm dính. Dưới tác động của tải trọng ngoài, đất bị biến dạng nén lún, độ lỗ rỗng trong đất giảm, đất bị nén chặt lại, mật độ hạt rắn trong một đơn vị thể tích đất tăng lên, cuối cùng làm cho cường độ của đất tăng. Đối với đất mềm dính sự nén chặt đất chỉ xảy ra khi tải trọng tác dụng vượt quá độ bền liên kết kiến trúc của chúng. Nếu đất ở trạng thái cứng, nửa cứng sự nén chặt xảy ra đầu tiên là do phá vỡ liên kết kiến trúc đất tiếp theo là sự dịch chuyển và sắp xếp chặt lại của các hạt, độ lỗ rỗng giảm, tốc độ nén chặt nhanh, thời gian ổn định ngắn. Nếu đất mềm dính đất bão hoà nước thì đất chỉ bị nén chặt khi nước trong các lỗ rỗng thoát ra do nén ép hoặc do sự giảm thể tích các bao khí trong lỗ rỗng. Trong đất mềm dính lỗ rỗng nhỏ nên quá trình thoát nước rất chậm chạp vì vậy tốc độ nén chặt trong đất mềm dính là rất chậm, thời gian lún ổn định kéo dài (hàng chục, hàng trăm năm), tổng độ lún lớn. Quá trình nén lún phụ thuộc vào hàm lượng hạt sét, thành phần hạt, thành phần khoáng vật, thnàh phần và nồng độ ion trong nước lỗ rỗng, cường độ liên kết kiến trúc, tải trọng tác dụng. c. Tính biến dạng của đá cứng. Đá cứng khi bị nén sẽ bị biến dạng, đặc tính biến dạng của đá cứng, theo tính chất cơ học giống với biến dạng các vật rắn và tuân thoe định luật Hooke:  E.(KG / cm 2 ) (3-1) 40 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Trong đó : ứng suất ngoài; : biến dạng tương đối; E: môđun đàn hồi. Biến dạng của đá mang tính chất đàn hồi, khi dỡ tải, mẫu đá có thể trở về hình dạng kích thước ban đầu, khi vượt quá giới hạn đàn hồi thì đá bị phá huỷ. Tính chất đàn hồi của đá cứng gây nên do tính chất đàn hồi của các khoáng vật tạo đá, đặc tính liên kết kiến trúc, chất ximăng gắn kết đá và cả đặc tính nứt nẻ cũng như các chất lấp nhét trong các khe nứt của đá nữa. Đá cứng chủ yếu bị biến dạng đàn hồi, biến dạng dư rất nhỏ. Đối với đá nửa cứng còn có biến dạng dẻo, nhớt dẻo. Biến dạng đàn hồi chỉ thể hiện ở một phần và có giá trị không lớn, không xảy ra tức thời mà đạt giá trị lớn nhất sau một thời gian gọi là chậm muộn đàn hồi. Biến dạng dẻo xuất hiện khi ứng suất vượt quá giới hạn đàn hồi, biến dạng dẻo thường chuyển sang biến dạng chảy dẻo khi tải trọng không đổi hoặc tăng từ từ. Tuỳ theo tải trọng tác dụng mà biến dạng phát triển theo thời gian với một tốc độ nhất dịnh. Trong đá nửa cứng, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng rất phức tạp, ngoài ra còn phải kể đến tính chất lưu biến. Biến dạng dẻo gây nên bới sự dịch chuyển tương đối với nhau không thuận nghịchcủa các hạt khoáng vật, mảnh vụn tạo đá; do sự phá vỡ của các hạt và xi măng gắn kết; có thể do sự phát sinh khe nứt, vi khe nứt và các lỗ rỗng trong đá; do sự ép chồi các lớp kẹp mềm yếu và các chất lấp nhét trong khe nứt; do sự ép thoát nước liên kết. 2. Phương pháp xác định các chỉ tiêu về tính biến dạng của đất đá. Khả năng kháng nén của đất đá có thể xác định bằng máy nén một trục (nén nở hông, nén không nở hông), máy nén ba trục hoặc các thiết bị nén ở hiện trường (nén trong hố đào, nén trong hố khoan). Phương pháp nén 1 trục có thể xác định được hệ số nén lún, môđun tổng biến dạng, hệ số thấm của đất rời rạc, mềm dính. Phương pháp nén ba trục xác định được hệ số nén lún, môđun tổng biến dạng, hệ số nở hông, hệ số ma sát trong, tính dính kết và hệ số thấm với áp lực tương ứng. a) Hệ số nén lún a (cm2/kG) 41 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Là chỉ tiêu quan trọng trong thí nghiệm nén. Hệ số này đặc trưng cho sự thay đổi hệ số rỗng và thể tích của đất đá khi thay đổi tải trọng. Hệ số này được xác định bằng công thức: e e a 1 2 (cm2/KG). (3-2)  2  1 Trong đó: 1, 2, e1, e2 là tải trọng và hệ số rỗng tương ứng. Định luật nén lún: Sự thay đổi tương đối của thể tích lỗ rỗng của đất tỉ lệ thuận với sự thay đổi áp lực. 2.00 Phương trình đường cong nén lún: 1.80 e 1.60 g n ã o r h á 1.40 o s e e (1 e ) ä i o o e ho H 1.20 1.00 Đồ thị đường cong nén lún: 0.80 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 AÙp löïc neùn P (kG/cm2) Theo giá trị hệ số nén lún a, đất được chia ra: Đất bị nén lún mạnh a 0,05 (cm2/kG) Đất bị nén lún trung bình 0,001 a < 0,05 (cm2/kG) Đất bị nén lún ít 0,001 a < 0,005 (cm2/kG) Đất không bị nén lún a < 0,001(cm2/kG) b) Môđun tổng biến dạng Môđun tổng biến dạng được xác định từ kết quả thí nghiệm theo công thức sau: 2 2 1 eo E 1 . kG/cm2 (3- 3) 1  a1 2 Trong đó: eo- hệ số rỗng của đát trong điều kiện tự nhiên; 2 a1-2- hệ số nén lún (cm /kG) được xác định trên đường cong nén đối với khoảng tải trọng 1 đến 2;  là hệ số Poatson (là hệ số tỉ lệ giữa biến dạng ngang và biến dạng dọc tương đối của mẫu đất):   x (3-4)  z 42 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở d x: biến dạng tương đối theo phương ngang  x d o h z: biến dạng tương đối theo phương thẳng đứng  z ho Trong đó: ho, do: chiều cao, đường kính ban đầu của mẫu; h, d: trị số biến đổi chiều cao và đường kính của mẫu sau khi nén. Hệ số Poatxông được gọi là hệ số nở hông, đặc trưng cho tính bién dạng của đất đá. Hệ số nén lún và môđun biến dạng là những chỉ tiêu quan trọng nhất để tính toán sự nén lún của công trình. Bảng 3.1.Hệ số Poatxông của các loại đất. Loại đất đá Trị số trung bình,  Sét 0.400.45 Sét pha 0.350.40 Cát pha 0.300.35 Cát 0.250.30 Đá 0.100.40 § 6. TÍNH BỀN CỦA ĐẤT ĐÁ Tính bền hay tính chống cắt (trượt) là tính chất của đất đá chống lại sự phá hoại dưới tác dụng của ngoại lực. Tính bền đặc trưng cho trạng thái đất đá khi ngoại lực đạt đến một giá trị tới hạn nào đấy. Để hiểu rõ hơn ta phân tích hình tượng sau: Khi đặt một vật M trên mặt phẳng nằm ngang A-B thì nó tác dụng vào mặt phẳng đó một lực P bằng trọng lượng bản thân nó. Nếu đặt nghiêng mặt phẳng A-B một góc nào đó thì vật sẽ trượt xuống dưới mặt phẳng A-B. Lúc đó lực p sẽ chia ra làm hai lực: lực  kéo vật thể M vuông góc với mặt phẳng A-B và lực S song song với mặt phẳng A-B và kéo vật M xuống phía dưới. Khi vật ở trạng thái cân bằng trên mặt trượt A-B thì lực S cân bằng với lực  và ngược chiều với nó. Lực  được gọi là lực chống cắt và có giá trị phụ thuộc vào lực pháp tuyến , lực  càng lớn thì lực cần thiết kéo vật M xuống càng lớn. Khi S> thì vật M bị kéo xuống dưới, trạng thái cân bằng bị phá vỡ. Tỉ số /= tg được gọi là hệ số ma sát, góc gọi là góc nội ma sát. 43 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở B M  S M  A B A p p 1. Tính bền của các nhóm đất đá a) Đá cứng Đối với đá : trong đá cứng lực chống trượt phụ thuộc vào độ bền liên kết giữa các hạt. Trong đất đá, lực chống trượt rất lớn và các hạt khoáng liên kết chặt với nhau. Lực chống trượt trong đá cứng đảm bảo ổn định cho công trình xây dựng lên nó b) Đất rời rạc Đối với đất rời : lực chống trượt trong đất đá rời rạc chủ yếu phụ thuộc vào lực ma sát xuất hiện khi các hạt dịch chuyển lên nhau. Lực ma sát phụ thuộc: thành phần hạt, mức độ đồng nhất, kích thước, hình dạng bề mặt hạt, độ chặt, tải trọng. Đất có độ hạt càng thô, càng không đồng nhất, càng chứa nhiều hạt góc cạnh, độ chặt càng cao thì ma sát càng lớn. c) Đất mềm dính (Đất loại sét). Đối với đất loại sét (đất dính) sức chống cắt không chỉ phụ thuộc vào lực ma sát trong mà còn phụ thuộc vào lực dính của các hạt. Vì các hạt đất được liên kết với nhau bằng các loại keo kết dính nên chịu tác dụng của lực dính. Các hạt sắp xếp theo các góc cạnh và có khả năng trựơt lên nhau khi chịu tải trọng ngoài, do vậy nó cũng chịu ảnh hưỡng của lực ma sát giữa các hạt với nhau tạo nên góc ma sát trong. 2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính bền của đất đá Sức bền của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau đó là: thành phần khoáng vật, thành phần hạt, hình dạng hạt, độ chặt, độ ẩm, cầu trúc trạng thái và cả thành phần cation trao đổi, độ khoáng hóa trong chúng 44 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Nước có một ảnh hưởng rất lớn đối với sức chống trượt của đất: đặc biệt đối với đất sét. Nó đóng vai trò bôi trơn, giảm lực ma sát giữa các hạt và giảm lực dính liên kết. 3. Các phương pháp xác định tính bền của đất đá Trong phòng thí nghiệm chỉ tiêu về sức chống cắt của đất đá được xác định bằng những phương pháp sau: Cắt trực tiếp theo một mặt trượt định vị bằng thiết bị cắt Nén mẫu ở trạng thái một truc và trạng thái ứng suất 3 trục Theo góc dốc tự nhiên Kết quả thí nghiệm sức chống của các loại đất đá được biểu thi bằng đồ thị quan hệ giữa tải trọng  và sức chống cắt . Sức chống cắt của đất đá được biểu diễn bằng phương trình Coulomb: Phương trình Coulomb thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa sức chống cắt của đá và áp lực nén chặt pháp tuyến:  = .tg + C (3-5) Trong đó: tg =/ là góc ma sát trong C là lực dính Đối với cát sạch góc masat trong gần như tương ứng với góc dốc tự nhiên.  = .tg (3-6) Ngoài hiện trường có thể xác định sức chống cắt của đất đá bằng những phương pháp như cắt cánh đối với đất yếu( từ trạng thái dẻo mềm đến chảy) § 7. PHÂN LOẠI TỔNG QUÁT CỦA ĐẤT ĐÁ Để phục vụ cho mục đích xây dựng hiện nay có nhiều bảng phân loại đất đá của các tác giả khác nhau, ở đây chúng tôi giới thiệu cách phân loại tổng quát của hai tác giả F.P.Xararenski và V.Đ.Lomtadde. Theo quan điểm địa chất công trình F.P.Xararenski phân đất đá ra những nhóm đá cứng, đá nửa cứng, đất rời rạc, đất mềm dính và đất có tích chất đặc biệt. 1. Nhóm đá cứng. Các loại đá macma, biến chất, trầm tích hóa học và trầm tích gắn kết chắc chưa bị phong hóa 45 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Nhóm đá này có tỉ trọng lớn (2.65 – 3.1 g/cm3), độ rỗng nhỏ (khoảng vài phần trăm), hầu như không thấm nước, cường độ chịu nén cao (500 – 4000kG/cm2),sức chống cắt lớn (200 – 4000 kG/cm2) Đây là loại đá hoàn hảo nhất về mặt xây dựng công trình. Chúng được phân biệt bởi độ bền và độ ổn định cao, độ biến dạng bé và độ ngấm nước yếu. Các khoảnh phân bố các loại đá như vậy là thuận lợi để xây dựng bất cứ công trình nào mà không gặp những hạn chế đáng kể, và thường không phải áp dụng các biện pháp để đảm bảo ổn định của công trình. 2. Nhóm đá nửa cứng Bao gồm các loại đá cứng đã bị phong hóa, nứt nẻ mạnh, các đá trầm tích gắn kết yếu Tính chất xây dựng của nhóm đá này phụ thuộc vào mức độ phong hóa, thành phần khoáng vật và mức độ gắn kết của đá Tỉ trọng đá từ 2.2 – 2.65, độ rỗng khoảng 10-15%, có khả năng chứa nước và thấm nước nhiều. Đá dễ bị nước phá hoại. Khác với đá cứng bởi độ bền và độ ổn định thấp, độ biến dạng lớn, độ ngấm nước đáng kể hoặc cao. Chúng thường bị nứt nẻ nhiều, còn các đá bị hòa tan thì thường có hang hốc, tuy vẫn có độ bền cao ở mẫu thí nghiệm. Trong nhiều trường hợp, những khoảnh phân bố đá nửa cứng đều là thuận lợi cho việc xây dựng các công trình khác nhau, kể cả những công trình quan trọng, nhưng đều phải tuân thủ những điều hạn chế nhất định và phải áp dụng những biện pháp công trình phức tạp để đảm bảo độ ổn định và khai thác bình thường của công trình 3. Nhóm đất đá rời rạc So với đá cứng và đá nửa cứng được đặc trưng bởi độ bền, độ ổn định thấp và độ biến dạng lớn. Một số loại đất thuộc các nhóm này đều ngấm nước mạnh. Những nhóm đất rời xốp và đất mềm dính bao gồm các kiểu nguồn gốc khác nhau của đất trầm tích. Chúng có đặc điểm là trạng thái vật lý và tính chất biến đổi nhiều. Điều kiện xây dựng công trình trên những loại đất đó thường kèm theo nhiều hạn chế lớn. Nhóm này bao gồm : dăm, cuội, sỏi, cát. 46 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Đặc tính chung là không có liên kết kiến trúc giữa các hạt, tỉ trọng nhỏ 1.4-1.9, độ rỗng lớn 25-40%, có khả năng chứa nước và thấm nước cao. Tính ổn định của đất đá phụ thuộc vào độ chặt của chúng. 4. Nhóm đất mềm dính Bao gồm : sét, sét pha, cát pha. Đối với tính chất xây dựng của nhóm này, thành phần khoáng vật và kiến trúc có một ý nghĩa quan trọng nhất. Các khoáng vật sét đóng vai trò quyết định đối với tính chất cơ lý, nước của chúng. Khi kiến trúc bị phá huỷ, tính bền vững của nhóm đất này giảm xuống rât nhiều, đại lượng trương nở tăng lên. Tỉ trọng trung bình 1,1 - 2,1g/cm3, độ rỗng 45 - 55%, thấm nước yếu (thường hệ số thấm nhỏ hơn 0,1 m/ngđ) không tan trong nước. Cường độ phụ thuộc vào độ ẩm, độ chặt và biến đối trong phạm vi rộng (môđun tổng biến dạng biến đổi từ 25 - 100 Kg/cm2), ép co mạnh. 5. Nhóm đất có tính chất đặc biệt Bao gồm : bùn, than bùn, đất muối hóa, cát chảy, thổ nhưỡng. Các loại đất này thường yếu về mặt xây dựng Có thành phần khoáng vật phức tạp, hàm lượng muối khoáng, chất hữu cơ cao, độ rỗng rất lớn, dễ ngậm nước. Đây là nhóm đất yếu, cường độ chịu lực thấp. Chúng thường gây nên các hiện tượng bất lợi cho công trình xây dựng như: cát chảy, lún nhiều, lún không đều § 8. CÁC HỆ THỐNG PHÂN LOẠI ĐẤT ĐÁ CHI TIẾT 1. Phân loại đất theo TCVN Dựa vào chỉ số dẻo người ta phân ra loại đất dính (Id ≥ 1) và đất rời (Id 17 b) Đất rời - Dựa vào hàm lượng hạt chiếm ưu thế có đường kính >2mm - Hàm lượng hạt chiếm trên 50% : đất hòn lớn (đá dăm, cuội, sạn, sỏi) - Hàm lượng hạt chiếm nhỏ hơn 50% : đất cát - Dựa vào hàm lượng và đường kính hạt mà phân loại đất rời như sau: 0.1 0.25 0.5 2 10 d(mm) ≥ 75% > 50% >50% >50% >50% Cát nhỏ Cát vừa Cát thô Sỏi Dăm cuội 47 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở 25% Cát bột Cát sỏi c) Đất bùn Đất bùn khi thỏa các điều kiện sau đây : W > Wch và e > egh Loại bùn Hệ số rỗng e Bùn á cát e ≥ 0,9 Bùn á sét e ≥ 1 Bùn sét e ≥ 1,5 d) Đất chứa tàn tích thực vật Tên đất chứa tàn tích thực vật q (độ than bùn) Đất có chứa tàn tích thực vật Đất cát có chứa tàn tích thực vật 0,03 < q ≤ 0,1 Đất dính có chứa tàn tích thực vật 0,05 < q ≤ 0,1 Đất dạng than bùn Đất có ít than bùn 0,1 < q ≤ 0,25 Đất có than bùn vừa 025 < q ≤ 0,4 Đất có nhiều than bùn 0,4 < q ≤ 0,6 Đất than bùn 0,6 < q q : tỷ số khối lượng của tàn tích thực vật trong mẫu đất sấy ở 100 o – 105oC và khối lượng của phần hạt rắn của mẫu đất. 2. Phân loại đất theo USCS Nguyên tắc phân loại : Dựa trên thành phần kích thước hạt chiếm ưu thế có đường kính 0,074mm trong đất để phân chia thành 2 nhóm : hạt thô và hạt mịn Đối với nhóm hạt thô : dựa trên các hạt có đường kính 4,76mm để phân chia thành các phụ nhóm Đối với nhóm hạt mịn : dựa trên các giá trị giới hạn chảy, giới hạn dẻo, chỉ số dẻo để phân chia thành các phụ nhóm Tên của các loại đất được kết hợp 2 nhóm ký tự sau : Tên đất Ký hiệu Cấp phối Ký hiệu Cuội, sỏi G (gravel) Tốt W (well graded) Cát S (sand) Kém P (poor graded) Bụi M (silt) Dẻo cao H (high plasticity) Sét C (clay) Dẻo thấp L (low plasticity) Hữu cơ O (organic) Than bùn Pt (peat) Tóm tắt phân loại 48 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Dựa vào hàm lượng hạt có kích thước 0,074mm (rây No200) phân thành 2 nhóm lớn như sau : * Đất hạt thô: Hàm lượng các hạt có kích thước từ 0,074mm trở lên chiếm trên 50%. Gồm 2 nhóm là cuội sỏi (G) và đất cát (S) Đất cuội sỏi (G) : hàm lượng hạt có kích thước lớn hơn 4,76mm chiếm trên 50% Đất cát (S) : hàm lượng hạt có kích thước lớn hơn 4,76mm chiếm nhỏ hơn 50% Mỗi loại được chia thành 4 nhóm : Đất chứa ít hoặc không chứa hạt mịn, không có loại hạt nào chiếm ưu thế về hàm lượng, cấp phối tốt, được kết hợp bằng chữ W Kết hợp với hai chữ cái của tên đất có GW và SW khi hàm lượng hạt mịn chiếm ít hơn 5% tổng trọng lượng đất và thỏa điều kiện về cấp phối: Cu > 4 (đối với sỏi sạn), Cu > 6 (đối với cát) & Cc =1-3 d60 Hệ số không đều : Cu - đánh giá độ đồng đều của các hạt đất d10 2 d30 Hệ số phân loại : Cc d10.d60 da : đường kính mà hạt có kích thước bằng hoặc nhỏ hơn chiếm a% tổng khối lượng đất khô. Đất chứa ít hoặc không chứa hạt mịn, có một loại hạt chiếm ưu thế về hàm lượng, cấp phối kém, được ký hiệu bằng chữ P Kết hợp với hai chữ cái của tên đất có GP và SP khi hàm lượng hạt mịn chiếm ít hơn 5% tổng trọng lượng đất và không thỏa điều kiện về cấp phối đất. Đất hạt thô chứa một lượng đáng kể hạt mịn (chủ yếu là hạt bụi) không có tính dẻo, được ký hiệu bằng chữ M Kết hợp với chữ cái của tên đất có GM và SM khi hàm lượng hạt mịn chiếm hơn 12% tổng trọng lượng đất Đất hạt thô có chứa một lượng đáng kể hạt sét ký hiệu bằng chữ C Kết hợp với chữ cái của tên đất có GC và SC khi hàm lượng hạt mịn chiếm hơn 12% tổng trọng lượng đất và chỉ số dẻo phần hạt mịn >7 Đối với đất hạt thô có lượng hạt mịn chiếm từ 5% đến 12% tổng trọng lượng đất hoặc không thuộc hẳn nhóm nào thì dùng ký hiệu kép như GP-GC, GW-SW, 49 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Hàm lượng hạt 12% (chứa nhiều hat mịn trong tổng không chứa hạt mịn) mịn) trọng lượng đất Cấp phối Cấp phối s Hạt bụi Hạt sét (có tốt kém (không có tính dẻo) tính dẻo) GW,SW GP,SP GP-GC GM,SM GC,SC * Đất hạt mịn 3. Phân loại đất theo tiêu chuẩn của Anh Hệ thông phân loại của anh cũng tương tự như hệ thống phân loại của Mỹ Khi mô tả đất, thường cho tên của nhóm đất, nếu yêu cầu thì thêm vào kí hiệu của nhóm, dù trong một số áp dụng bổ sung (như mặt cắt dọc) chỉ dùng một mình kí hiệu nhóm là thuận lợi. Ký hiệu của nhóm hay nhóm phụ phải đặt trong dấu ngoặc đơn nếu không dùng phương pháp thí nghiệm trong phòng để nhận biết, như (GC). Tên đất hạt mịn ký hiệu F, có thể dùng thay cho bụi là M, thay cho sét là C khi không có khả năng hoặc không yêu cầu phân biệt giữa chúng. Đất chứa cuội nếu cỡ hạt cuội chiếm trên 50% vật liệu hạt thô, chứa cát nếu cỡ hạt cát chiếm trên 50% vật liệu thô. Bụi (đất M), M là vật liệu được vẽ ở dưới đường A và có phạm vi dẻo hạn chế liên quan với giới hạn chảy của nó và độ dính tương đối thấp. Đất hạt mịn của loại 50 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở này gồm có các vật liệu cỡ hạt bụi sạch và bụi đá, đất chứa nhiều mica và tảo, đá bọt và đất núi lửa, đất chứa haloizit. Tên thay thế “đất M” để tránh lẫn lộn với vật liệu chủ yếu có cỡ hạt bụi, loại này chỉ là 1 bộ phận của nhóm. Trên biểu đồ tính dẻo, đất hữu cơcũng thường được vẽ ở dưới đường A khi chúng được đặt tên là bụi hữu cơ, MO. Sét , C là vật liệu vẽ trên đường A và hoàn toàn là dẻo trong mối liên hệ với giới hạn chảy của nó. Ký hiệu nhóm phụ trong hệ thống phân loại đất của Anh. Ký hiệu Chữ thứ nhất Chữ thứ hai G – cuội, sỏi W – Cấp phối tốt S – Cát P – Cấp phối xấu Đất hạt thô Pn- Đồng nhất Pg- Cấp phối gián đoạn F – Hạt mịn (không phân biệt được) L – Dẻo thấp M – Bụi I – Dẻo trung bình Đất hạt C – Sét H – Dẻo cao mịn V – Dẻo rất cao E – Dẻo cực cao Đất hữu cơ Pt – Than bùn O – Hữu cơ Phạm vi cỡ hạt theo tiêu chuẩn của Anh. Mịn Thô Rất thô Bụi Cát Cuội Đá Sét Đá Đá keo Mịn Trung Thô Mịn Trung Thô Mịn Trung Thô cuội tảng 1 6 20 200 600 6 20 200 2 60 2 60 m mm 4. Phân loại đá nguyên khối Phân loại theo độ bền Theo cường độ nén nở hông của đá nguyên khối được A.lan.Ekehew chia ra làm 5 nhóm: 51 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Bảng 4.3. Phân loại đá nguyên khối theo cường độ (A.lan.EKehew) Loại Miêu tả độ bền Cường độ nén nở hông(kg/cm2) A Cường độ rất cao > 2250 B Cường độ cao 2250 - 1125 C Cường độ trung bình 1125 - 562 D Cường độ thấp 562 - 281 E Cường độ rất thấp < 281 Phân loại theo modul đàn hồi - Mô đun đàn hồi là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá nguyên khối, không bị nứt nẻ. Theo chỉ tiêu này chia chúng ra làm sáu nhóm: Bảng 4.4. Phân loại đá theo modul đàn hồi(A.lan.EKehew) 2 5 Loại Mô tả Mô đun đàn hồi E1501(kg/cm .10 ) 1 Rất cứng 8 - 6 2 Cứng 6 - 4 3 Cứng trung 4 -2 4 Cứng ít 2- 1 5 Mềm 1 - 0,5 6 Rất mềm 0,5 - 0,25 52 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở PHẦN II NƯỚC DƯỚI ĐẤT 53 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở CHƯƠNG III NƯỚC TRONG THIÊN NHIÊN §1. NƯỚC TRONG KHÍ QUYỂN 1. Cấu tạo khí quyển Khí quyển bao quanh quả đất không có giới hạn rõ rệt. Tuy bề dày khí quyển rất lớn nhưng phần lớn không khí tập trung ở gần mặt đất; ¾ khối lượng tập trung ở 10km gần mặt đất. Hiện nay khí quyển chia là ba tầng: tầng bình lưu, tầng đối lưu và tầng ion. Tầng đối lưu (Troposphere): là tầng nằm dưới cùng của khí quyển và tiếp xúc trực tiếp với mặt quả đất. Giới hạn trên của nó thay đổi từ các cực về xích đạo dưới ảnh hưởng của lực ly tâm vỏ quả đất và chế độ nhiệt. Ở vùng cực và ôn đới chiều cao từ 8-12km, còn ở vùng xích đạo đạt tới 17-18km; Ở các đới địa lý khác nhau nhiệt độ không khí trong tầng này không đồng nhất và có đặc điểm biến đổi theo mùa và ngày đêm. Trong đới này càng lên cao nhiệt độ không khí càng giảm, trung bình cứ lên cao 100m nhiệt độ giảm đi 0.6oC. Sự vận động không khí theo cả phương thẳng đứng và phương nằm ngang. Hầu như toàn bộ hơi nước trong khi quyển tập trung ở tầng đối lưu, chỉ có trong tầng này mới có khả năng xảy ra quá trình ngưng tụ hơi nước để tạo thành mây, mưa. Nói chung tầng đối lưu là tầng hoạt động mạnh của khí quyển, vì các hiện tượng chủ yếu tạo thành thời đều xảy ra ở tầng này. Tầng bình lưu (Stratosphere): là tầng nằm kề tiếp tầng đối lưu lên đến độ cao 80- 85km; trong tầng này khí quyển vận động theo phương nằm ngang, nhiệt độ hầu như không thay đổi; nhưng khi lên đến độ cao đến 40-50 km lại có xu hướng tăng lên. Trong tầng này nước rất ít, nên mây, mưa không được tạo thành. Tầng ion (Thermosphere): nằm ở độ cao 80-85km trở lên; giới hạn trên của nó có thể đạt tới 1000-2000km. Tầng ion được đặc trưng bởi sự phân bố các hạt ion hóa rất phân tán và các phân tử tập trung hòa điện vận động với vận tốc độ lớn. Ngoài ra trong khí quyển còn gặp tầng ôzôn phân bố chủ yếu ở độ cao 25-30km đến 40-50km; tầng này là nguyên nhân làm cho nhiệt độ của tầng bình lưu có xu 54 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở hướng tăng lên và có tác dụng hấp thụ các tia tử ngoại từ vũ trụ vào quả đất làm cho cuộc sống trên trái đất được bảo tồn. Bảng - Thành phần không khí khô, không bị ô nhiễm STT Tên chất Công thức Tỉ lệ Tổng khối lượng (tấn) 12 1 Nitơ N2 78,09% 3850. 10 12 2 Oxy O2 20,94% 1180. 10 3 Argon Ar 0,93% 65. 1012 12 4 Cacbonic CO2 0,032% 2,5. 10 5 Neon Ne 18 ppm 64. 109 6 Heli He 5,2 ppm 3,7. 109 9 7 Metan CH4 1,3 ppm 3,7. 10 8 Kripton Kr 1,0 ppm 15. 109 9 9 Hydro H2 0,5 ppm 0,18. 10 9 10 Nitơ ôxit N2O 0,25 ppm 1,9. 10 11 Cacbon monoxit CO 0,10 ppm 0,5. 109 9 12 Ôzon O3 0,02 ppm 0,2. 10 6 13 Sulfurdioxit SO2 0,001 ppm 11. 10 6 14 Nitơ dioxit NO2 0,001 ppm 8. 10 2. Một số yếu tố khí hậu a) Áp suất không khí, gió: Không khí gây một sức ép lên mặt đất, sức ép của không khí trên 1cm2 gọi là áp suất khí quyển. Trên mặt biển áp suất khí quyển là 760mm thủy ngân và áp suất đó được gọi là 1 afmotfe(at). Càng lên cao áp suất khí quyển càng giảm và ở độ cao 5km áp suất không khí chỉ bằng ½ áp suất trên mặt đất, còn khi lên cao10km thì áp suất chỉ bằng ¼ áp suất trên mặt đất Do sự chênh lệch áp suất khí quyển ở các vùng khác nhau trên mặt đất không khí sẽ di chuyển từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp tạo thành gió. Ở xích đạo do nhiệt độ cao không khí nở ra bốc lên cao tạo ra các vùng ấp thấp, còn ở các cực khác thì ngược lại nên tạo ra sự di chuyển không khi từ các cực về xích đạo ở các phần thấp của khí quyển. Còn ở phần cao thì sự di chuyển ngược lại tức là không khí di chuyển từ xích đạo về các cực. Nhưng do tác dụng quay của Quả Đất và do các yếu tố khác làm chu trình di chuyển của không khi trở nên phức tạp. b) Độ ẩm không khí: Sự có mặt của hơi nước trong không khí gây ra độ ẩm của không khí (trọng lượng 1m3 không khí khô hoàn toàn ở áp suất 760mmHg và nhiệt độ 0oC là 1.293kg) Để đánh giá độ ẩm của không khí người ta dùng độ ẩm tuyệt đối, tương đối và độ thiếu ẩm. 55 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Độ ẩm tuyệt đối: Là lượng hơi nước tính bằng gam chứa trong 1m 3 không khí (g/m3). Giữa độ ẩm tuyệt đối và áp suất hơi nước có mối liên hệ được biểu diễn bằng công thức: Nếu áp suất hơi nước e tính bằng miliba thì: 0,81 a = x e (g/m3) (4) 1 + t Trong đó:t là nhiệt độ của không khí; là hệ số giãn nở của không khí, = 0,00366. Nếu áp suất hơi nước e tính; thủy ngân thì ta có 1,06 a = x e (g/m3) (5) 1 + t nên trị số của độ ẩm tuyệt đối a và áp suất hơi nước e (tính bằng milimet thủy ngân) bằng nhau khi nhiệt độ không khí là 16,5 0C. Do đó, trong thực hành khí tượng, áp suất hơi nước thường được gọi là độ ẩm tuyệt đối. Nhưng khi áp suất hơi nước tính bằng miliba thì trị số của nó khác rõ rệt với trị số độ ẩm tuyệt đối. Trường hợp này không gọi áp suất hơi nước là độ ẩm tuyệt đối. Chẳng hạn, ở nhiệt độ t = 20 0C và áp suất hơi nước e = 18mb, độ ẩm tuyệt đối là: 0.81x18 a 13,5g / m3 1 0.0366x20 Nếu áp suất hơi nước e = 18 mm Hg, thì 1.06x18 a 17.6g / m3 1 0.0366x20 Tuy nhiên, cần chú ý rằng áp suất hơi nước và độ ẩm tuyệt đối không biểu thị chính xác mức độ ẩm hay khô của không khí. Bởi vì với cùng một trị số của độ ẩm tuyệt đối, không khí có thể khô hay ẩm tùy theo nhiệt đó. Vì vậy để đánh giá được cụ thể hơn tình trạng ẩm của không khí người ta dùng đại lượng độ ẩm tương đối. Tỷ ẩm (f%): Là tỷ số giữa lượng hơi nước chứa trong 1m 3 không khí với trọng lượng không khí khô có cùng thể tích. 56 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở Ðộ ẩm tương đối (r%):Là tỷ số giữa áp suất hơi nước chứa trong không khí và áp suất hơi nước bão hòa ở một nhiệt độ đã cho. e r(%) = .100 (6) E Ðộ ẩm tương đối cho biết không khí ẩm đang ở xa hay gần trạng thái bão hòa. Nếu hơi nước đạt mức bão hòa trong khoảng không gian đang xét thì áp suất e của hơi nước chứa trong không khí sẽ bằng áp suất E của hơi nước bão hòa ở nhiệt độ đó, và độ ẩm tương đối trong trường hợp này sẽ bằng 100%. Độ thiếu hụt bão hòa (d): Là hiệu số giữa áp suất hơi bão hòa và áp suất của hơi nước trong không khí ở một nhiệt độ nhất định. d = E - e (7) Ðại lượng này biểu thị bằng đơn vị milimet thủy ngân hoặc miliba. Ðộ thiếu hụt bão hòa chính là lượng hơi nước cần thêm vào không khí để có lượng hơi nước hoàn toàn bão hòa trong không khí ở một nhiệt độ nhất định. Ðiểm sương  (0C): Là nhiệt độ mà tại đó hơi nước chứa trong không khí đạt tới trạng thái bão hòa. Ðiểm sương tính bằng độ như nhiệt độ. Người ta xác định điểm sương bằng bảng tra sự phụ thuộc của áp suất hơi nước bão hòa vào nhiệt độ khi đã biết trị số áp suất hơi nước. Vì ở nhiệt độ của điểm sương, hơi nước chứa trong không khí trở nên bão hòa nghĩa là e = E, khi đó t = . Trong bảng người ta tìm trị số E = e và nhiệt độ ứng với trị số đó chính là điểm sương. Những đại lượng vật lý đặc trưng của độ ẩm không khí nêu trên được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học và trong thực tiễn. Áp suất hơi nước (e): (Còn gọi là sức trương hơi nước) là phần áp suất do hơi nước chứa trong không khí gây ra và được biểu thị bằng milimet thùy ngân (mmHg) hoặc bằng miliba (mb):1mb = 10-3bar = 102N/m2 ;1mb = 3/4 mmHg Trong 1 khối không khí đóng kín (ví dụ: 1 quả bóng), không khí sẽ gây ra xung quanh một áp suất P. Áp suất P là tổng hợp áp suất thành phần gây ra bởi các chất khí chứa trong khối không khí đó: 57 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở P = p1 + p2 + pi + + pn (1) Trong đó: p1: áp suất của O2, p2: áp suất của CO2, pi: áp suất hơi nước, pn: áp suất của chất khí thứ n. pi được ký hiệu là e. Áp suất bão hòa E (mb; mmHg): Ở một nhiệt độ nhất định, áp suất hơi nước ứng với giới hạn tối đa của hơi nước trong không khí gọi là áp suất hơi nước bão hòa hay áp suất cực đại của hơi nước trong không khí và được kí hiệu là E. E được tính theo công thức: 7,6t E = 6,1.10 242 t (2) Trong đó: 6,1 là áp suất bão hòa ở nhiệt độ 0OC; 7,6 và 242 là các hệ số thực nghiệm; t là nhiệt độ không khí. Sự phụ thuộc của áp suất hơi nước bão hòa vào nhiệt độ không khí được trình bày trên hình 4.3. Độ ẩm riêng ( ) : Là lượng hơi nước tính bằng gam chứa trong 1 kg không khí ẩm.(g/kg). 622e = (g/kg) (3) P - 0,378e c) Mưa khi quyển: Trong không khí chứa một lượng hơi nước, khi đạt quá bão hòa và có mặt các nhân ngưng tụ thì sẽ ngưng tụ thành những giọt nước hoặc các tinh thể băng nhỏ li ti tùy theo điều kiện nhiệt độ của khối không khí. Các hạt băng và các giọt nước này có kích thước thường từ 0.006-0.02 mm và tạo thành các đám mây. Nếu khối không khí tiếp tục bị nguội lạnh, hơi nước tiếp tục ngưng tụ, kích thước các hạt đó tăng dần lên đến 0.04mm và càng mau chóng tăng kích thước để rơi xuống tạo thành mưa. Các dạng mưa Người ta gọi giáng thủy tức là mưa ở thể nước hoặc thể rắn, các hạt nước, các tinh thể băng rơi từ các đám mây xuống mặt đất. Theo đặc điểm rơi của hạt mưa người ta chia ra các dạng chính: mưa phùn, mưa dầm và mưa rào. 58 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở - Mưa phùn: là loại giáng thủy thường rơi từ mây Si, Sc. Giọt nước rất nhỏ, đường kính không quá 0,5mm, cũng có thể ở dạng hạt tuyết rất nhỏ. - Mưa dầm: là loại giáng thủy từ các đám mây Ns. As và đôi khi từ Sc. Ðặc điểm của mưa dầm là cường độ thay đổi ít, thời gian mưa kéo dài. Mưa dầm thường gắn liền với sự tràn qua của dải hội tụ nội chí tuyến hay front nóng. Giọt nước mưa dầm có kích thước trung bình. Mưa dầm còn gặp ở dạng mưa tuyết. - Mưa rào: là loại giáng thủy từ mây Cb. Ðặc điểm của mưa rào là cường độ lớn và thay đổi nhiều, thời gian mưa ngắn, giọt nước có kích thước lớn. Mưa rào thường bắt đầu và kết thúc đột ngột. Những quy định về mưa Lượng mưa được tính bằng chiều dày milimét của lớp nước rơi trên một mặt phẳng nằm ngang trong trường hợp không có bốc hơi, không bị thấm đi và chảy mất. Cường độ mưa là lượng mưa tính ra milimét nước trong 1 phút. Cường độ vượt quá 1mm/phút được gọi là mưa rào. Quy định về diện mưa (khu vực mưa): - Mưa vài nơi: số trạm có mưa ≤ 1/3 tổng số trạm đo mưa khu vực. - Mưa rải rác: số trạm có mưa từ 1/3 - 1/2 tổng số trạm đo mưa khu vực. - Mưa nhiều nơi: số trạm có mưa > 1/2 tổng số trạm đo mưa khu vực. Quy định về lượng mưa: - Mưa không đáng kể: Lượng mưa từ 0,0 - 0,5 mm/ngày. - Mưa nhỏ: Lượng mưa từ 0,5 - 10,0 mm/ngày - Mưa vừa: Lượng mưa từ 10,0 - 50,0 mm/ngày. - Mưa to: Lượng mưa từ 50,0 - 100,0 mm/ngày. - Mưa rất to: Lượng mưa > 100 mm/ngày. §2. KHÁI NIỆM VỀ DÒNG CHẢY 1. Khái niệm Mưa rơi xuống dưới đất một phần bốc hơi lên trở lại khí quyển; một phần di chuyển từ các chỗ cao tập trung vào các chỗ thấp hình thành các khe rãnh, sông suối; một phần ngấm xuống cung cấp cho nước dưới đất. Nước dưới đất lại chảy lộ ra cung 59 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở cấp cho các sông suối. Như vậy dòng chảy được hiểu chung là sự vận động của nước trên mặt (dòng chảy mặt) và nước ngấm xuống đất (dòng ngầm). Dòng sông được hình thành từ các dòng chảy tràn tập trung thành các khe, suối rồi vào thành sông. Nơi tập trung chảy vào sông được gọi là nguồn. Nơi sông đổ ra biển hoặc đổ vào sông chính gọi là cửa sông. Sông có nhiều loại nhánh: sông đổ vào biển gọi là sông chính; sông đổ vào sông chính gọi là sông nhánh bậc I; sông đổ vào sông nhánh bậc I gọi là sông nhánh bậc II Thung lũng sông bao gồm lòng sông có nước chảy thường xuyên, bãi bồi, bậc thềm. Một dòng chảy đều có diện tích cấp nước cho nó gọi là lưc vực. Đường phân chia lưu vực của hai dòng chảy là đường chia nước (phân thủy). Mỗi dòng chảy đều có lưu vực trên mặt và có cả lưu vực dưới đất. 2. Các đặc trưng của dòng chảy a) Mực nước: là một đặc trưng quan trọng của dòng chảy. Sự dao động mực nước của một dòng chảy ở một vị trí nào đó được xác định bằng hiệu số giữa mực nước cao nhất và mực nước thấp nhất của dòng chảy tại thời điểm đó; các sông càng dài càng thoải trị số dao động mực nước càng nhỏ Biên độ dao động mực nước tùy thuộc vào tình hình khí hậu, chiều dài sông, độ dốc của thung lũng và lưu vực Các sông miền núi có biên độ dao động mực nước lớn hơn ở đồng bằng. b) Lưu lượng của dòng chảy: là lượng nước chảy qua một mặt cắt vuông với dòng chảy trong một đơn vị thời gian và được xác định bằng biểu thức: Q V.F Trong đó: Q là lưu lượng dòng chảy (m 3/s); V- tốc độ trung bình của dòng chảy (m/s); F- diện tích tiết diện của dòng chảy (m2) c) Mô đun dòng chảy (M): là lượng nước chảy ra trong một đơn vị thời gian từ một diện tích lưu vực dòng chảy. 3 Q.10 2 M ,l / skm F Trong đó: Q là lưu lượng dòng chảy (m 3/s); F- diện tích tiết diện lưu vực của dòng chảy (km2) d) Thể tích dòng chảy (W): là tổng lượng nước chảy trong 1 năm 60 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở W Q.T Trong đó: W- thể tích dòng chảy, (m 3/s); Q là lưu lượng dòng chảy (m 3/s); T- thời gian trong năm (s) e) Bề dày dòng chảy (y): là bề dày lớp nước trải đều trên lưu vực mà dòng chảy đó mang đi W Q.T 31,5.106 Q y F.103 F.103 F.103 Trong đó: y- bề dày dòng chảy (mm/năm); W- thể tích dòng chảy, (m3/năm); Q là lưu lượng dòng chảy (m3/s); F- diện tích tiết diện lưu vực của dòng chảy (km2). Như vậy M và y có quan hệ: 31,5.106 F.M y 31,5M 103.F.103 f) Hệ số dòng chảy: là tỷ số giữa bề dày dòng chảy và lượng mưa rơi hàng năm trên lưu vực y  x Trong đó: y- bề dày dòng chảy, mm/năm; x- lượng mưa rơi trên lưu vực (mm/năm). g) Lượng dòng chảy chuẩn: là giá trị trung bình nhiều năm (trên 50 năm) của các đặc trưng dòng chảy Q  M  y W Q i ; M i ; y i ; W i 0 n 0 n 0 n 0 n h) Hệ số mô đun: được xác định bằng tỉ số giữa đặc trưng dòng chảy của một năm nào đó với đặc trưng chuẩn tương ứng. Mi Qi Yi K Mo Qo Yo Hệ số mô đun dòng chảy thường nhỏ hơn 1, vì chỉ một phần nước mưa được chuyển thành dòng mặt. Nhưng tron1g một sô vùng kacstơ hoặc ở trung tâm các nếp lõm, khi lưu vực ngầm lơn hơn lưu vực mặt thì hệ số môđun vượt quá 1. Đối với dòng chảy ngầm người ta cũng tính mô đun dòng ngầm là lưu lượng nước chảy ra từ một diện tích lưu vực dòng ngầm 61 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở 3 Qn.10 2 M n ,l / skm Fn 2 Trong đó: Mn- mô đun dòng ngầm (l/skm ); Qn là lưu lượng dòng chảy (l/s); 2 Fn- diện tích tiết diện lưu vực của dòng chảy (km ). 3. Các nhân tố ảnh hưởng đến dòng chảy Các dòng chảy chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố, trong các nhân tố thì khí hậu, địa hình, địa chất – địa chất thuỷ văn, lớp phủ thực vật và hoạt động của con người là những nhân tố cơ bản ảnh hưởng đến dòng chảy. Khí hậu và kiểu mưa có ý nghĩa quan trọng trong chế độ của dòng chảy. Mưa càng nhiều, bốc hơi càng ít dòng chảy càng phát triển; ngược lại mưa càng ít bốc hơi mạnh dòng chảy kém phát triển. Địa hình lưu vực có ảnh hưởng rất lớn đến chế độ dòng chảy. Những lưu vực kéo dài, các nhánh sông phân bố đều làm cho dòng chảy ổn định và điều hòa hơn. Khi nghiên cứu ảnh hưởng của hình thái lưu vực đến chế độ dòng chảy người ta quan tâm đến mật độ dòng chảy (là tỉ số giữa km dòng chảy trên một đơn vị diện tích lưu vực. L 2 D ,km / km F 2 Trong đó: L- tổng chiều dài lưu vực(km); Fn- diện tích tiết diện lưu vực (km ). Độ dốc của thung lũng sông cũng ảnh hưởng đố chố độ của dòng chảy. Những sông dốc nước thường thoát nhanh và hay gây lũ, những sông có độ dốc nhỏ nước thường điều hòa hơn. Các nhân tố địa chất, địa chất thủy văn ảnh hưởng đến dòng chảy phải kể đến tính chất của đất đá và cấu trúc địa chất của lưu vực sông. Ở những vùng phát triển đá nứt nẻ, dễ thấm nước, hay các đá phát triển Kacstơ thường dòng mặt kém phát triển. Lớp phủ thực vật ngoài tác dụng ngăn cản dòng nước, nó còn tạo điều kiện cho nước ngấm xuống đất. Cho nên các vùng thảm thực vật phát triển dòng chảy điều hòa hơn, hệ số dòng chảy nhỏ hơn ở những vùng không có thảm thực vật che phủ. Hoạt động của con người có ý nghĩa rất quan trọng trong cải tạo dòng chảy. Con người có thể bắt dòng chảy hoạt động theo ý mình. Ở những vùng địa hình dốc người ta làm ruộng bậc thang cản trở dòng chảy, chống xói mòn. Các hệ thống đê điều bắt dòng chảy chảy theo hướng qui định. Những hệ thống thủy lợi, hệ thống kênh mương 62 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi
Giáo trình địa chất công trình và địa chất thủy văn cơ sở ngoài việc sử dụng nước để tưới, để phát điện, còn có tác dụng quan trọng là điều hòa dòng chảy, phân phối chúng phục vụ lợi ích cho con người. §3. CÁC KIỂU NGUỒN GỐC CHỦ YẾU CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT Khái niêm cơ bản về nước dưới đất: - Nước dưới đất bao gồm các loại nước có trong lỗ rỗng, khe nứt và các hang hốc của các lớp đất đá. Nước còn tham gia vào thành phần cấu tạo mạng tinh thể của khoáng vật tạo ra các đá. -Lượng nước ngấm dưới đất nhiều hay ít tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể của từng nơi (địa hình, thành phần đất đá, lượng mưa ) -Nước dưới đất có ảnh hưởng rất mạnh đến tính chất vật lý và cơ học của đất đá : o Chúng làm thay đổi trạng thái, độ bền và tính biến dạng, tính ổn định của khối đất o Gây ra các tác dụng hoà tan, ăn mòn hoặc cuốn trôi các hạt đất theo dòng thấm o Là một trong những nguyên nhân quan trọng gây ra hiện tượng lún, trượt đất đá ở mái dốc, hiện tượng cát chảy hoặc xói ngầm o Gây khó khăn cho việc thi công hố móng, làm mất ổn định nền móng công trình. -Nước dưới đất là nguồn tài nguyên rất quý giá, phục vụ đời sống cho con người, cho sự tồn tại và phát triển nền công nghiệp và nông lâm nghiệp Theo nguồn gốc và điều kiện hình thành nước dưới đất được chia thành những loại sau tạo 1. Nước có nguồn gốc khí quyển (nước thấm) - Được thành tạo do nước khí quyển ngấm vào trong đất đá, do nước sông hồ , chảy theo các khe nứt, lỗ hổng của đất đá hoặc hơi nước xâm nhập từ không khí rồi ngưng tụ lại - Nước được thành tạo trong quá trình trầm đọng các trầm tích trong các bồn chứa nước ngọt cũng đươc xếp vào nguồn gốc này. Tuy nhiên sự thấm của nước mưa và nước mặt có ý nghĩa quan trọng nhất trong việc thành tạo nước có nguồn gốc khí quyển vì vậy người ta gọi nước có nguồn gốc khí quyển còn gọi là nước thấm. 63 Khoa ®« thi - Trêng cao ®¶ng x©y dùng c«ng tr×nh ®« thi