Khoa Công Trình Tài liệu Địa chất công trình
Bộ Môn Kỹ thuật cơ sở GV: Phạm Thị Thùy An
Trang 1/67
CHƯƠNG I : MỞ ĐẦU
I.1. Địa chất công trình và nhiệm vụ của nó
I.1.1 Định nghĩa :
- Địa chất công trình là môn học nghiên cứu điều kiện địa chất để xây dựng các công trình
khác nhau và đưa vào sử dụng có hiệu quả và ổn định.
- Các điều kiện ĐCCT
1. Điều kiện địa mạo.
2. Điều kiện cấu trúc địa chất
3. Điều kiện các tác động địa chất
4. Điều kiện địa chất thủy văn
5. Điều kiện vật liệu xây dựng.
I.1.2 Nhiệm vụ của địa chất công trình :
- Xác định các điều kiện địa chất của khu vực xây dựng, so sánh, lựa chọn vị trí thích hợp cho
công trình.
- Nêu lên các điều kiện thi công, dự đoán các hiện tượng địa chất có thể xảy ra khi thi công
hay sử dụng công trình.
- Đề ra các biện pháp phòng ngừa và cải tạo các điều kiện địa chất không có lợi cho công
trình.
- Cho biết khả năng cung cấp vật liệu xây d
ựng tại địa phương phục vụ cho xây dựng công
trình.
I.2. Nội dung của Địa chất công trình
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.
2. Phương pháp tính toán lý thuyết
- 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 xác
định bản chất vật lý – cơ học của đất đá ở những khu vực có địa hình phức tạp. Pp này có thể
cho kế
t quả nhanh chóng và khá chính xác. Người ta thường dùng pp này để tính toán mức
độ ổn định, độ lún của công trình, lượng nứơc chảy vào hố móng, mức độ ổn định của mái
dốc, tốc độ tái tạo bờ …
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 sự
tương đồng giữa môi trường địa chất tự nhiên của khu vực xây dựng và môi trường vật lý có
điều kiện tương tự. Pp này giúp ta nghiên cứu được chuẩn xác hơn các hiệ
n tượng địa chất
sẽ 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 đủ
cho khu vực có điểu kiện địa chất tương tự. Pp này có tính chất kinh nghiệm dựa trên
nguyên lý “đất đá được hình thành trong cùng điều kiện, trải qua các quá trình địa chất như
nhau thì có các đặc trưng vật lý, cơ học … tương tự nhau.
Khoa Cơng Trình Tài liệu Địa chất cơng trình
Bộ Mơn Kỹ thuật cơ sở GV: Phạm Thị Thùy An
Trang 3/67
sâu và ở trạng thái nén chặt nên có nhiệt độ cao (2800-3800
0
C) và áp lực lớn
(100.000-1.300.000at)
o Nhân quả đất nằm ở trung tâm có độ sâu trên 2900km. Nhân quả đất được cấu tạo
chủ yếu từ các hợp chất của sắt và niken. Áp suất ở trung tâm quả đất rất cao (từ
3,5triệu at) và nhiệt độ rất lớn (4000
0
C). Hiện nay, người ta vẫn chưa có nghiên cứu
chính xác về nhân quả đất.
vỏ : dày 8-10km : ở đáy đại dương
30-40km : ở đồng bằng
55-75km : ở vùng núi
manti : từ vỏ đến
độ sâu 2900km
nhân : 2900-6370km
II.1.2 Các trườngvật lý đang hoạt động của trái đất
Khoa Công Trình Tài liệu Địa chất công trình
Bộ Môn Kỹ thuật cơ sở GV: Phạm Thị Thùy An
Trang 4/67
- Do sự vận động, sự phân bố và thuộc tính của các vật chất trong và ngoài quả đất mà hình
thành nên các trường vật lý cơ bản như trọng trường, từ trường, trường nhiệt …
o Trường nhiệt : TĐ nhận được 2 nguồn nhiệt chủ yếu, một từ mặt trời (ngoại nhiệt) và
một nguồn từ lòng TĐ toả ra (nội nhiệt).
Ngoại nhiệt chủ yếu sinh ra do ánh sáng mặt trời hun nóng phần bên trên vỏ
trái đất. Nó thay đổi theo thời gian và không gian. Ảnh hưởng của nhiệt mặt
trời không sâu lắm, khoảng vài chục mét về chiều sâu.
Vào sâu trong lòng trái đất là chịu ảnh hưởng của nội nhiệt. Nguồn nhiệt này
Trong đó F : lực hấp dẫn giữa hai vật thể
M, m : khối lượng
R : khoảng cách giữa 2 vật
G : hằng số hấp dẫn vũ trụ
II.1.3 Các hiện tượng địa chất đang xảy ra trong TĐ
- Hiện tượng mắcma : là hiện tượng các khối dung nham nóng chảy ở sâu trong lòng đất theo
các khe nứt dâng lên xâm nhập vào phần trên của vỏ trái đất hay phun trào lên trên mặt đất.
- Hiện tượng kiến tạo : là hiện tượng xảy ra do nội động lực phát sinh trong vỏ trái đất làm
thay đổi cấu trúc các lớp đất đá cấu tạo nên vỏ trái đất, tách vỏ trái đất thành nhiều mảng và
các mảng này tương tác với nhau để tạo nên các dạng địa hình trên trái đất.
- Hiện tượng xâm thực : các hoạt động địa chất - địa lí ngoại sinh làm mất đi một phần hay toàn
bộ đất đá trên bề mặt, dẫn tới sự hạ thấp địa hình. Quá trình xâm thực diễn ra do các tác nhân
chủ yếu sau:
1) Tác nhân cơ học - lực của dòng chảy phá huỷ, xói lở, mài mòn đá và cuốn trôi đá vụn
theo dòng nước;
2) Tác nhân hoá học - nước hoà tan đá và các sản phẩm phong hoá rồi cuốn trôi đi, do đó
đá gốc cũng bị mòn nhanh chóng.
- Hiện tượng trầm tích : là sự phá huỷ
cơ học và hoá học các đá do tác dụng của các nhân tố
khác nhau trên mặt hoặc ở phần trên cùng của vỏ TĐ tạo ra các sản phẩm phá huỷ. Sản
phẩm này được gió, nước, băng hà mang đi và tích đọng lại ở biển, hồ và 1 phần lắng đọng
trên đường vận chuyển gọi là hiện tượng trầm tích. Khoa Cơng Trình Tài liệu Địa chất cơng trình
Bộ Mơn Kỹ thuật cơ sở GV: Phạm Thị Thùy An
Trang 5/67
quyết định nhiều tính chất vật lý và cơ học rất quan trọng.
II.2.2 Một số đặc tính của khống vật
a. Hình dạng tinh thể của khống vật
- Dạng tinh thể của khống vật : tinh thể là những vật rắn trong đó các phần tử nhỏ sắp xếp
theo 1 quy luật đều đặn tạo thành dạng khơng gian
- Tính đối xứng của tinh thể bao gồm:
o Tâm đối xứng: (C) là một điểm tưởng tượng nằm trong tinh thể, mà tại điểm đó
mọi đường thẳng đi qua nó, nằm trong giới hạn tinh thể được chia làm hai phần
bằng nhau
o Trục đối xứng: (L) là một trục tưởng tượng đi qua tinh thể để khi quay tinh thể
theo một góc cố đònh xung quanh trục thì lặp lại tất cả các yếu tố của tinh thể như
vò trí ban đầu.
o Mặt phẳng đối xứng: (P) là mặt phẳng tưởng tượng đi qua tinh thể, chia đôi tinh
thể ra hai phần bằng nhau, mọi yếu tố của tinh thể ở hai phần đều đối xứng nhau
qua mặt phẳng đối xứng tựa như ảnh của một vật qua gương.
Khoa Công Trình Tài liệu Địa chất công trình
Bộ Môn Kỹ thuật cơ sở GV: Phạm Thị Thùy An
Trang 6/67
- Bảng phân loại hệ thống tinh thể
hoàn chỉnh, vừa thấy vết vỡ không bằng phẳng theo các phương khác nhau
o Cát khai không hoàn toàn : tinh thể khó tách ra, thường thấy các vết vỡ không có quy
tắc
- Vết vỡ : là các mặt vỡ không theo quy tắc của khoáng vật khi bị đập vỡ. Phần lớn các vết vỡ
tương đối gồ ghề và bất quy tắc. Dựa theo hình dạng vết vỡ có thể chia ra :
o Vết vỡ phẳng : vỡ theo các mặt dễ tách.
o Vết vỡ dạng vỏ sò : vết vỡ của thạch anh
o Vết vỡ dạng đất : vết vỡ tựa như đất bột, ví dụ như vết vỡ của Kaolinit.
o Vết vỡ sần sùi : bề mặt vết vỡ sần sùi như vết vỡ của thạch anh dạng trụ.
e. Độ cứng của khoáng vật
- 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.
- Để đánh giá độ cứng tương đối của khoáng vật, người ta dùng thang độ cứng Mohs gồm 10
cấp độ, sắp xếp theo chiều tăng
độ cứng, mỗi cấp độ được đại diện bằng một khoáng vật phổ
biến.
1. Tan Mg
3
[Si
4
O
10
][OH]
2
2. Thạch cao CaSO
4
.2H
2
2
O
3
10. Kim cương C
Khoa Công Trình Tài liệu Địa chất công trình
Bộ Môn Kỹ thuật cơ sở GV: Phạm Thị Thùy An
Trang 8/67
- Độ cứng tuyệt đối được xác định bằng máy rất khó khăn (độ cứng tuyệt đối của Tan -
2,4kG/mm
2
; Canxit - 109 kG/mm
2
; Thạch anh - 1120 kG/mm
2
; Kim cương - 10060
kG/mm
2
).
- Những điều cần chú ý :
o Không dùng thang Mohs để so sánh độ cứng A hơn độ cứng B mấy lần. Để xác định
được phải dùng độ cứng tuyệt đối.
o Hầu như các khoáng vật có độ cứng từ 2-7. Các khoáng vật tạo đá thường có độ cứng
nhỏ hơn 7. Đá chứa khoáng vật có độ cứng cao thì thường có cường độ lớn.
f. Tỷ trọng của khoáng vật
- Tỷ trọng của khoáng vật được biểu diễn bằng tỉ số giữa trong lượng khoáng vật chia cho
trọng lượng của thể tích nước tương đương.
- Tỷ trọng của khoáng vật thay đổi trong phạm vi tương đối lớn và được chia thành 3 nhóm :
nhẹ (Δ<2,5); trung bình (2,5< Δ<4); nặng (Δ >4).
- Ta có bảng sau biểu thị tỷ trọng của một số khoáng vật tạo
dụ như : từ tính, tính phóng xạ, vị, mùi, hoặc xúc giác.
- Manhetit là một khoáng vật chứa sắt nên có từ tính cao, gọi là nam châm tự nhiên.
II.2.3 Phân loại khoáng vật
a. Phân loại khoáng vật theo kiểu liên kết hóa học:
- Các liên kết thường gặp trong chất kết tinh
o Liên kết cộng hóa trị :
o Liên kết ion :
o Liên kết Hydro
o 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 của
các 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 chứa
các 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 của
các 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 9 lớp như sau :
1. Lớp nguyên tố tự sinh : Cu, Au …
2. Lớp oxit và hydroxit : Fe
3
O
4
, SiO
2
, FeOH …
3. Lớp cacbonat (muối của axit cacbonic) : CaCO
… - Sau đây là mô tả một số khoáng vật tạo đá chủ yếu :
Lớp silicat : đây là lớp khoáng vật quan trọng, có số lượng lớn nhất và phổ biến
trong tự nhiên, là khoáng vật tạo đá macma, đá biến chất trao đổi và cả đá trầm tích.
Trong các silicat mỗi ion Si
+4
bao giờ cũng nằm giữa 4 ion O
-2
ở các góc của mỗi
tứ diện. Tứ diện [SiO
4
]
-4
là đơn vị kiến trúc cơ sở của silicat. Các nhóm được phân
biệt bởi sự sắp xếp của khối tứ diện cơ sở này.
1. Khối tứ diện độc lập với nhau
Nhóm olivin : (Mg,Fe)
2
SiO
4
được đặc trưng bởi khối tứ diện silic độc lập và
các ion Mg
+2
(hoặc Fe
+2
) cách đều nhau
2. Khối tứ diện độc lập và oxi tham gia liên kết tạo thành chuỗi
Nhóm piroxen (chuỗi đơn) : Ca(Mg,Fe,Al)[(SiAl)
4
[Si
4
O
10
][OH]
6
o Monmorilonit : (Al,Mg)
2
[Si
4
O
10
][OH]
2
.nH
2
O
o Ilit : [(Si,Al)
4
O
10
][OH].nH
2
O
− Nhóm khoáng vật mica : có thành phần hóa học phức tạp và có đặc
điểm là dễ tách hoàn toàn .
o Biotit : K(Mg,Fe)
3
2
O
8
]
− Octocla : KAlSi
3
O
8
Lớp oxit và hydroxit : các khoáng vật thuộc lớp này có độ hòa tan trong nước thấp,
trường hợp quá trình oxi hóa rất mạnh sẽ tạo thành các dung dịch quá bão hòa và
thành tạo các khối ẩn tinh và keo. Các khoáng vật này hầu hết là các hợp chất có kiến
trúc tinh thể với kiểu liên kết ion. Trong kiến trúc tinh thể các anion và cation đều
bao bọc lấy ion O
2-
hoặc ion OH
-
.
Thạch anh SiO
2
Limonit Fe
2
O
3
.nH
2
O
Opan SiO
2
4
]
-2
trong đó có S
+4
và S
+6
.
Anhydrid CaSO
4
Gip (thạch cao) CaSO
4
.2H
2
O
Lớp sunfua
Pirit FeS
2
Lớp halogenua : các khoáng vật có có liên kết ion điển hình, có kiến trúc tinh thể của
các hợp chất không nước. Khoáng vật lớp halogenua có các cation kim loại nhẹ, điện
lượng nhỏ, bán kính ion lớn, khả năng phân cực rất yếu thì khoáng vật trong suốt,
không màu hoặc ngoại sắc, khối lượng riêng nhỏ, dễ tan trong nước.
Muối mỏ Halit NaCl.
II.3. Đá macma
II.3.1 Nguồn gốc đá macma
- Đá macma được hình thành do sự nguội lạnh và kết tinh từ dung dịch nóng chảy macma.
Nhiệt độ thấp
(kết tinh cuối cùng)
Dãy phản ứng
không liên tục
Dãy phản ứng
liên tục
II.3.3 Kiến trúc và cấu tạo của đá macma
- Kiến trúc là đề cập đến kích thước, hình dạng và sự phân bố của các hạt khống vật trong đá.
- Theo mức độ kết tinh, có thể chia ra 4 loại kiến trúc chính như sau :
1. Kiến trúc ẩn tinh :
o Các tinh thể q nhỏ khơng thể quan sát được bằng mắt thường và thường gặp ở các loại
đá phun trào.Các loại đá hạt cực nhỏ này thường liên quan với q trình núi lửa, vì sự
nguội lạnh tương đối nhanh xảy ra khi dung dịch nóng chảy trào lên mặt đất.
2. Kiến trúc hiển tinh
o Các tinh thể có thể nhìn thấy được và phân biệt được mức độ kết tinh bằng mắt thường.
Các đá xâm nhâp thường có kiến trúc loại này.
3. Kiến trúc pocfia
o Đá được tạo bởi các tinh thể có 2 kích cỡ khác nhau, tinh thể có kích cỡ lớn được bao
quanh bởi khối nền tinh thể hạt mịn.
4. Ki
ến trúc lỗ rỗng
o Bề mặt đá khi dung nham đơng cứng có nhiều lỗ rỗng.
II.3.4 Thế nằm của đá macma
- Thế nằm của đá cho biết hình dạng, kích thước và tư thế của khối đá trong khơng gian cũng
rộng và tùy thuộc vào độ nhớt của dung nham và hình dạng thung lũng.
II.3.5 Phân loại đá macma
- Dựa vào kiến trúc của đá macma người ta phân loại như sau :
o Khoáng vật sáng màu : các khoáng vật được thành tạo từ dãy phản ứng liên tục (feenspat
natri, fenspat canxi, octocla, thạch anh)
o Khoáng vật tối màu : các khoáng vật được thành tạo từ dãy phản ứng không liên tục –
khoáng vật Fe-Mg (olivin, augit …)
- Dựa vào thành phần khoáng vật người ta phân loại đá macma như sau :
o Đá axit : SiO
2
có thành phần chiếm đến 65-70%.
o Đá trung tính : SiO
2
có thành phần chiếm từ 52-65%.
o Đá bazơ : SiO
2
có thành phần chiếm từ 40-50%, nhưng chứa nhiều Fe và Mg
o Đá siêu bazơ : SiO
2
có thành phần rất ít, không quá 40%, nhưng lượng Fe và Mg rất
nhiều.
II.4. Đá trầm tích
II.4.1 Nguồn gốc đá trầm tích
- Đá trầm tích là những thể địa chất phát sinh ở bề mặt quả đất, thành tạo từ các sản phẩm
phong hóa, trải qua quá trình tích tụ lâu dài, phức tạp, chịu nhiều ảnh hưởng của các yếu tố
ngoại và nội động lực trong môi trường nước hoặc trong môi trường không khí.
muối hòa tan.
II.4.2 Thành phần khoáng vật của đá trầm tích
- Thành phần vật chất của các sản phẩm phong hóa khác nhau tạo ra các đá trầm tích khác
nhau. Tuy nhiên, so với đá macma, thành phần hóa học và khoáng vật trong một số loại đá
trầm tích rất đơn giản.
- Thành phần khoáng vật chủ yếu
o Khoáng vật nguyên sinh : bao gồm các mảnh đá cũ hay các khoáng vật có được trong
quá trình phá hủy cơ học các đá cũ, phổ biến là thạch anh, fenspat, ziacon, tuamalin…
o Khoáng vật thứ sinh : là các khoáng vật đựoc hình thành từ các khoáng vật nguyên sinh
bị phân hủy hóa học như các khoáng vật sét.
o Khoáng vật tự sinh : bao gồm các khoáng vật được hình thành từ các dung dịch keo và
dung dịch thật, phần lớn các khoáng vật tự sinh là thành phần chính của các đá trầm tích
sinh hóa hoặc xi măng gắn kết phổ biến trong nhiều đá trầm tích vụn.
- Đối với đá trầm tích, ngoài thành phần khoáng vật ta cần chú ý tới các tạp chất và ximăng.
Sự có mặt của tạp chất có ý nghĩa quan trọng đối với trầm tích cacbonat, còn thành phần
ximăng có ý nghĩa lớn đối với trầm tích vụn
II.4.3 Kiến trúc và cấu tạo của đá trầm tích
a. Kiến trúc của đá trầm tích
- Kiến trúc của các hạt vụn
* Kích thước : >200mmm : kiến trúc đá hộc, đá dăm
200-20mmm : đá dăm, đá cuội
20-2mm : sỏi, sạn
2-0.05mm : cát
0.05-0.005mm : bụi
<0.005mm : sét
* Hình dạng :
II.4.4 Thế nằm của đá trầm tích
- Thế nằm ngang của các lớp : thế nằm ban đầu của đá trầm tích là thế nằm ngang. Thế nằm
ngang thường gặp ở các lớp đá hình thành ở miền nền tức là những miền mà chuyển động
kiến tạo của vỏ TĐ yếu hoặc các lớp đá trầm tích trẻ vì các lớp đá này chưa trải qua chuyển
động kiến tạo đáng kể.
- Thế nằm nghiêng của lớp đá trầm tích có thể là thế nằm nguyên sinh tức là thế nằm nghiêng
được hình thành cùng với quá trình trầm tích. Do các lớp nằm nghiêng theo bề mặt địa hình
nghiêng sẵn ở nơi trầm tích, hoặc do các lớp trầm tích được hình thành đồng thời với quá
trình nâng lên hạ xuống của đáy trầm tích.
- Các yếu tố xác định thế nằm nghiêng
o Đường phương : là đường giao tuyến c
ủa mặt phẳng nằm ngang và bề mặt lớp đá, bề
mặt nằm ngang này là bề mặt tưởng tượng. Do có nhiều mặt nằm ngang nên sẽ có vô
số đường phương song song với nhau và ở các cao độ khác nhau.
o Góc phương vị đường phương : là góc hợp bởi phương Bắc cảu im địa từ và đường
phương theo thuận chiếu kim đồng hồ (hình vẽ)
o Đường dốc : là đường thẳng nằm trong bề mặt lớp đá vuông góc với đường phương
có chiều hướng về phía chân dốc của lớp đá
o Đường hướng dốc : là hình chiếu của đường dốc lên mặt phẳng nằm ngang và được
xác định bằng góc phương vị hướng dốc.
o Góc phương vị hướng dốc (α
hd
) : là góc hợp bởi hướng Bắc của kim địa từ và hương
1dốc theo chiều thuận kim đồng hồ
o Góc dốc : là góc hợp bởi đường dốc và hướng dốc.
II.4.5 Phân loại đá trầm tích
- Đá biến chất được hình thành từ sự biến tính của đá mácma, đá trầm tích, thậm chí từ các đá
biến chất trẻ, do sự tác động của áp lực, áp suất cao và các chất có hoạt tính hoá học (nước
và axit cacbonic). Dưới sự tác động của các tác nhân biến chất, các thành phần của đá có thể
tái kết tinh ở trạng thái rắn và sắp xếp lại. Tác dụng biến chất không những có thể cải biến
cấu trúc của đá mà còn làm thay đổi thành phần khoáng vật của nó.
- Quá trình biến chất : có 3 tác nhân chính
o Nhiệt độ : là tác nhân cơ bản nhất của quá trình biến chất, tác dụng của nó là gây nên
những phản ứng giữa các khoáng vật, nâng cao hoạt tính hoá học của các khoáng vật
cũng như làm thay đổi tính chất vật lý của đá
o Áp suất: tác động của áp suất thì thay đổi tại các độ sâu khác nhau trong vỏ trái đất. Tại
độ sâu nhỏ, đá tương đối lạnh và giòn nên chúng có thể bị nứt nẻ và nghiền nhỏ khi chịu
áp suất cao. Tại độ sâu lớn hơn, đá mềm hơn nhiều do nhiệt độ cao. Dưới tác dụng của
áp suất, đá có xu hướng biến dạng do dòng dẻo. Trong vùng biến dạng dẻo, áp suất có
ảnh hưởng tới các loại khoáng vật mới hình thành. Điển hình là các nguyên tử bên trong
cấu trúc khoáng vật được sắp xếp chặt hơn khi khoáng vật kết tinh dưới áp suất cao.
o Dung dịch biến chất : trong quá trình biến chất thường có sự tham gia của các dung dịch
biến chất vì luôn thấy trong đá biến chất có nước và cacbonic, dung dịch này phân bố
trong khe nứt hoặc lỗ rỗng của khoáng vật có tác dụng mang đến hoặc mang đi các thành
phần vật chất làm cho hiện tượng biến chất xảy ra nhanh hơn.
- Các kiểu đá biến chất :
Biến chất tiếp xúc : là sự biến đổi của các đá vây quanh khi tiếp xúc với khối macma
xâm nhập trong vỏ trái đất.
Biến chất khu vực : là loại biến chất có đặc trưng là vùng đá biến đổi rộng hơn.
- Các nghiên cứu địa chất về đá biến chất cho biết hàm lượng khoáng vật của đá trong vùng
biến chất khu vực biến đổi một cách có hệ thống. Cùng đá ban đầu nhưng ở các múc độ biến
chất khác nhau có thể tạo ra các khoáng vật biến chất khác nhau
Khoa Công Trình Tài liệu Địa chất công trình
Bộ Môn Kỹ thuật cơ sở GV: Phạm Thị Thùy An
Trang 16/67
cấu tạo gơnai : các khoáng vật dạng trụ, dạng tấm , dạng phiến được sắp xếp
thành các dãy riêng biệt, xen kẽ các dãy này có các khoáng vật dạng hạt.
o cấu tạo không phân phiến (khối) : đặc điểm của cấu tạo này là các khoáng vật phân
bố đồng đều không định hướng. Các khoáng vật này có ở kiểu biến chất khu vực do
thiếu các thành phần hoá học cần thiết làm cho các khoáng vật không thề kết tinh
II.5.4 Thế nằm của đá biến chất
Đá biến chất có dạng thế nằm giống với đá ban đầu đã tạo nên nó (dạng lớp của đá trầm
tích, dạng nấm, dạng mạch của đá macma…)
Đá biến chất tiếp xúc có dạng thế nằm riêng, nó thường ở dạng các vành đai có các múc
độ biến chất khác nhau bao quanh khối mac ma gây ra biến chất. Do đó nó có thể gây ra
sự không đồng nhất về tính chất vật lý và cơ học.
II.5.5 Phân loại đá biến chất
Dựa vào cấu tạo của đá và các thành phần khoáng vật, người ta phân ra các loại đá biến
chất sau :
- Đá biến chất có cấu tạo phiến :
Đá phiến : đá phiếm biotit
Khoa Công Trình Tài liệu Địa chất công trình
Bộ Môn Kỹ thuật cơ sở GV: Phạm Thị Thùy An
Trang 17/67
Đá gơnai : đá gơnai clorit
- Đá biến chất có cấu tạo khối :
Đá quaczit : đá cát kết thạch anh biến chất tạo ra
Đá hoa : đá vôi, dolomit biến chất tạothành
Khoa Công Trình Tài liệu Địa chất công trình
Bộ Môn Kỹ thuật cơ sở GV: Phạm Thị Thùy An
để từ đó xác định thời gian phóng xạ, thời gian phá huỷ của nó. Người ta xét chu kỳ bán rã của
các nguyên tố phóng xạ đó, đồng thời là tuổi của đất đá. Đối với các loại đá cồ thì dùng các
nguyên tố phóng xạ có chu kì bán rã dài (Thori, Uran …), còn đối với các loại đá trẻ hơn thì
dùng các nguyên tố phóng xạ có chu kì bán rã ngắn hơn (Cacbon)
- Chu kì bán rã của các nguyên tố phóng xạ có trong đất đá :
K
40
Pb
87
U
235
U
238
C
14
(đồng vị mẹ) 1.3 tỷ năm 4.7 tỷ năm 0.7 tỷ năm 4.5 tỷ năm 5730 năm
Ar
40
Sr
87
Pb
207
Pb
206
N
14
- Cơ sở : so sánh thành phần thạch học (thành phần khoáng vật, thành phần hoá học, kiến trúc,
cấu tạo, thế nằm, …) ở các khu vực khác nhau. Nếu khu vực đó có đất đá giống nhau về thành
phần kiến trúc, cấu tạo và các đặc điểm khác thì có cùng 1 tuổi
- Pp này sử dụng hiệu quả nếu trong mặt cắt địa tầng chuẩn có các địa tầng được nghiên cứu kỹ
và để làm cơ sở cho việc so sánh với các tầng đá khác ở các mặt cắt khác nhau
- tầng đá chuẩn (mặt cắt địa tầng chuẩn) là 1 tập hợp đá phân tầng có những đặc trưng rõ ràng về
thạch học, khoáng vật … ổn định trong vùng địa lý và dễ dàng nhận biết trong mặt cắt địa chất
- pp ngày thường áp dụng cho đá macma và đá biến chất. tuy nhiên đối với đá trầm tích chưa tìm
thấy hoá thạch cũng có thể xác định tuổi bằng cách liên hệ với các tầng đá tương tự đã được xác
định tuổi ở nơi khác
* Phương pháp địa tầng
- Pp này dựa trên quan hệ thế nằm của các tầng đá với nhau để xác định tuổi tương đối của đất
đá và các hiện tượng địa chất khác
- Nguyên lý xếp chồng của đất đá : các tầng đá hình thành sau có tuổi ít hơn và nằm trên các
tầng đá hình thành trước
- Nguyên lý cắt nhau của đất đá : bất kì đá nào cắt hoặc xuyên qua tập đá thứ 2 thì cũng trẻ
hơn
đá bị cắt (dùng hữu ích để xác định tuổi của đá macma và đá biến chất)
- Đầu tiên, ta phải phân chia địa tầng. Tức là nghiên cứu, mô tả các đặc trưng của các lớp đá,
các tầng đá và mối quan hệ của chúng trong mặt cắt đang xét. Sau đó, chúng ta sẽ đối chiếu
trình tự địa tầng ở các mặt cắt khác nhau để xác lập mối quan hệ địa t
ầng
- Đối với đá trầm tích, khi chưa bị đảo lộn thế nằm, các tầng đá thành tạo sau sẽ nằm trên các
tầng đá thành tạo trước
- Đối với đá macma phun trào cũng xác định giống như các đá trầm tích
- Đối với đá macma xâm nhập, có thể dựa vào mối quan hệ với đá trầm tích vây quanh để xác
định tuổi. Đá xâm nhập cắt tầng đá trầm tích hoặc làm biến chất đá vây quanh thì có tuổi nhỏ
hơn. Nếu không có các hiện tượng trên thì đá macma xâm nhập có tuổi cổ hơn
- Đối với các hiện tượng địa chất như uốn nếp, đứt gãy, phong hoá … thì thông qua việc phân
tích mặt cắt địa chất , phân tích mối quan hệ của chúng đối với các tầng đá sẽ xác định được
Trung
sinh Kreta 77
208 Jura 64
245 Trias 37
286 Cổ sinh Permi 41
360 Cacbon 74
408 Devon 48
438 Silur 30
505 Ordovic 67
545 Cambri 40
900
Nguyên
sinh
nguyên sinh
muộn 355
1600
nguyên sinh
trung 700
2500
nguyên sinh
sớm 900
3900 Thái cổ 1400
III.2. Các giả thiết địa kiến tạo và ảnh hưởng của nó đến xây dựng công trình
- Hiện tượng kiến tạo : là hiện tượng xảy ra do nội động lực phát sinh trong vỏ trái đất làm thay
đổi cấu trúc các lớp đất đá cấu tạo nên vỏ trái đất, tách vỏ trái đất thành nhiều mảng và các
mảng này tương tác với nhau để tạo nên các dạng địa hình trên trái đất.
Khoa Công Trình Tài liệu Địa chất công trình
Bộ Môn Kỹ thuật cơ sở GV: Phạm Thị Thùy An
* Mảng kiến tạo :
- Là một phần của thạch quyển.
- Bề mặt Trái Đất có thể chia ra thành bảy mảng kiến tạo chính và nhiều mảng kiến tạo nhỏ.
1. Mảng Thái Bình Dương
2. Mảng Âu - Á
3. Mảng Ấn - Úc
4. Mảng châu Phi
5. Mảng Bắc Mỹ
6. Mảng Nam Mỹ
7. Mảng Nam Cực
- Các mảng kiến tạo có độ dày khoảng 100 km (60 dặm) và bao gồm hai loại vật liệu cơ bản:
lớp vỏ đại dương và lớp vỏ lục địa. Nằm dưới chúng là một lớp tương đối dẻo của lớp phủ
được gọi là quyển mềm chuyển động liên tục. Lớp này trong lượt của mình lại có một lớp rắn
chắc hơn của lớp phủ nằm dưới nó.
- Thành phần của hai dạng lớp vỏ khác nhau một cách đáng kể. Lớp vỏ đại dương chủ yếu chứa
các loại đá bazan, trong khi lớp vỏ lục địa chủ yếu chứa các loại đá granit với tỷ trọng thấp có
chứa nhiều nhôm và điôxít silic (SiO
2
). Hai dạng này của lớp vỏ cũng khác nhau về độ dày,
trong đó lớp vỏ lục địa dày hơn một cách đáng kể.
- Sự chuyển động của quyển mềm làm cho các mảng kiến tạo bị chuyển động theo một tiến
trình gọi là sự trôi dạt lục địa, nó được giải thích bằng thuyết kiến tạo mảng. Sự tương tác giữa
các mảng kiến t
ạo đã tạo ra các dãy núi và núi lửa, cũng như tạo ra các trận động đất và các
hiện tượng địa chất khác.
Khoa Công Trình Tài liệu Địa chất công trình
Bộ Môn Kỹ thuật cơ sở GV: Phạm Thị Thùy An
Trang 22/67
- Ranh giới giữa các mảng kiến tạo không trùng với ranh giới các châu lục. Hiện nay người ta
biết rằng Trái Đất là hành tinh duy nhất trong hệ Mặt Trời có hiện tượng kiến tạo mảng, mặc
ằm ngang thường gặp ở những miền mà các
chuyển động kiến tạo của vỏ TĐ yếu hoặc lớp đá chưa trải qua các quá trình chuyển động kiến
tạo nào đáng kể
- Thế nằm nghiêng : thế nằm nghiêng của lớp đá có thể là thế nằm nguyên sinh (được hình thành
ngay từ ban đầu theo địa hình dốc). Để thể hiện vị trí của một lớp đ
á nằm nghiêng, cần xác định
các yếu tố thế nằm nghiêng của lớp đó
đường phương – góc phương vị đường phương
đường dốc – góc dốc
đường hướng dốc – góc phương vị hướng dốc
* Thế nằm uốn nếp của lớp đá :
- Nếp uốn là những dạng uốn cong của các đá trầm tích hay đá phun trào chủ yếu sinh ra do kết
quả biến dạng dẻo của đá dưới tác dụng cảu các lực kiến tạo (chủ yếu là ép đẩy ngang)
- Nếp uốn được chia thành 2 dạng chính :
Nếp uốn lồi : là dạng uốn cong của các lớp đá, hướng bề lồi lên phía trên. Vì thế ở phần
trong (phần nhân của nếp uốn lồi có các đá cổ nhất)
Nếp uốn lõm : là dạng uố
n cong của các lớp đá, hướng bề lồi về phía dưới nên nhân của
nếp uốn lõm có các đá trẻ nhất
- Cấu trúc của uốn nếp
Khoa Công Trình Tài liệu Địa chất công trình
Bộ Môn Kỹ thuật cơ sở GV: Phạm Thị Thùy An
Trang 23/67
Sườn của nếp uốn gọi là cánh (chú ý : đối với nhiều loại nếp uốn, cánh của nếp uốn vừa
thuộc nếp uốn lõm vừa thuộc nếp uốn lồi phía bên cạnh)
Nơi uốn cong nhất tạo nên nếp lồi hay nếp lõm được coi là vòm của nếp uốn và đường nối
các điểm uốn cong đó gọi là đỉnh của nếp uốn (vì nơi đó có cao độ lớn nhất)
Mặt phẳng chứa đỉnh của nếp uốn và phân nếp uốn thành 2 phần bằng nhau gọi là mặt trục
- Các dạng nếp uốn : (dựa vào độ dốc của cánh và của mặt trục nếp uốn so với mp nằm ngang)
Nếp uốn thẳng đứng (nếp uốn cân) : các cánh của nếp uốn đều dốc về 2 phía. cả 2 cánh đều
IV.1. Tính chất nước của đất đá
IV.1.1 Tính thấm
- Là sự vận động của chất lỏng trong môi trường lỗ rỗng hoặc khe nứt bảo hoà nước.
- Tính thấm của đất đá được xác định bằng hệ số thấm K (m/s, m/ngđ)
o Không thấm : sét, đá cứng không nứt nẻ (K < 0,001m/ngđ)
o Thấm yếu : sét pha cát, cát pha sét, cát mịn (K = 0,1 – 1 m/ngđ)
o Thấm tốt : cát nhỏ đến thô, sỏi, sạn (K = 1 – >100 m/ngđ)
IV.1.2 Tính mao dẫn
- Là hiện tượng nước dâng lên trong các lỗ rỗng nhỏ của đất đá do lực căng bề mặt tác động ở
những bề mặt phân cách giữa vật chất có trạng thái vật lý khác nhau (như giữa chất lỏng –
khí, rắn - lỏng)
- Biểu hiện của tính chất mao dẫn của đất : chiều cao cột nước có thể giữ được bởi lực mao
dẫn (sứ
c căng bề mặt) và lực dính do mao dẫn.
Sức căng bề mặt α (lực căng trên 1 đơn vị chiều dài cắt ngang bề mặt) có phương tiếp tuyến
với mặt căng nước.
θ : góc ướt (đặc trưng phân tử giữa nước và hạt rắn)
Lực kéo căng mặt nước 2πrα (do 2 lực tác dụng 2 bên thành của ống), chiếu lên phương
thẳng đứng có P = 2πrα.cosθ => chính lực kéo căng P này làm nước dâng lên trong ống
Trọng lực của cột nước trong ống làm kéo nước hạ xuống G = πr
2
.H
md
. ρ . g
r : bán kính ống mao dẫn
H
md
sét pha cát 150-400
sét 400-500
Khoa Cơng Trình Tài liệu Địa chất cơng trình
Bộ Mơn Kỹ thuật cơ sở Chương I : Mở đầu
Trang 25 / 67
- Ảnh hưởng của mao dẫn : gây ẩm ướt cho cơng trình, tính chất cơ lý của đất đá giảm
xuống
- Ngun 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.
IV.1.3 Tính chứa nước của đất đá
+ Đất đá là một tập hợp các hạt khóang vật ở thể rắn, các lỗ rỗng chứa nước và khơng khí
- Thể rắn gồm các hạt khóang vật thường gọi là hạt đất. Tính chất của đất phần lớn phụ
thuộc vào độ lớn, hình dạng hạt và các thành phần khống vật khác của chúng
- Trong đất đá ở điều kiện tự nhiên lúc nào cũng chứa 1 lượng nước nhất định. Lượng
nước này là pha lỏng ở trong đất. Nước có tác dụng mạnh với các hạt khống vật
trong đất.
- Nếu các lỗ rỗng trong đất đá khơng chứa đầy nước thì khơng khí sẽ lấp đầy các chỗ
đó. Và khơng khí này chính là pha khí của đất đá.
+ Do vậy, để thuận tiện, người ta đưa ra mơ hình đất gồm 3pha được tách rời ra với các
lượng riêng biệt nhưng vẫn giữ được tỉ lệ chuẩn xác giữa chúng
Mơ hình đất chi tiết biểu thị các lượng thể tích và khối lượng khác nhau.
rắn
nước
không khí
chiếm tồn bộ lỗ rỗng)
r
n
bh
tn
V
V
W
W
G ==
Dựa vào độ bão hồ nước để phân chia đất loại cát làm 3 loại :
đất hơi ẩm
5.00 ≤< G
đất ẩm
8.05.0 ≤< G
đất bão hòa 18.0 ≤< G
IV.1.4 Tính khơng ổn định với nước của đất đá (trương nở và co ngót)
a/ Tính trương nở :
Copyright: Tài liệu đại học ©