C¬ häc ®¸.1

NGUYỄN SỸ NGỌC ������������

CƠ HỌC ðÁ DÙNG CHO SINH VIÊN NGÀNH XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

.

NHÀ XUẤT BẢN GIAO THÔNG VẬN TẢI HÀ NỘI - 2005

2.C¬ häc ®¸

Chịu trách nhiệm xuất bản LÊ TỬ GIANG

Biên tập THÂN NGỌC ANH

Chế bản và sửa bài XƯỞNG IN TRƯỜNG ðẠI HỌC GTVT

NHÀ XUẤT BẢN GIAO THÔNG VẬN TẢI

80B Trần Hưng ðạo – Hà Nội ðT: 9423345 – Fax: 8224784

05230/805GTVT

075(6V)MS −

−

In 620 cuốn, khổ 19x27cm tại Xưởng in Trường ðại học GTVT. In xong và nộp lưu chiểu quý III năm 2005. Giấy chấp nhận kế hoạch xuất bản số 230/XB – QLXB ngày 03/03/2005

LỜI NÓI ðẦU

C¬ häc ®¸.3

Cơ học ñá là một môn học trong chương trình ñào tạo kỹ sư xây dựng công trình giao thông của Trường ðại học Giao thông vận tải, nhằm cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản nhất về các tính chất trạng thái của ñá và khối ñá nguyên trạng; các quá trình và hiện tượng cơ học xảy ra khi xây dựng các công trình trên ñá và trong ñá,từ ñó tìm ra các phương pháp phá huỷ có hiệu quả, cách ñiều khiển hợp lý áp lực ñá, làm ổn ñịnh các công trình xây dựng trên ñá, trong ñá và bằng ñá.

Với thời gian giảng dạy của môn học là 60 tiết, cuốn sách nhỏ này không thể trình bày hết ñược ñầy ñủ mọi khía cạnh của cơ học ñá lý thuyết và ứng dụng, mà mới chỉ nêu ñược một cách tóm tắt một số vấn ñề rất cơ bản của cơ học ñá.

Do trình ñộ bản thân có hạn mà kiến thức cơ học ñá lại rộng, nên chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót trong khi viết. Người viết rất mong ñược sự chỉ bảo của bạn ñọc gần xa.

Những ý kiến ñóng góp xin gửi về Bộ môn ðịa kỹ thuật – Khoa Công trình – Trường ðại học Giao thông Vận tải – Hà Nội.

Chúng tôi xin trân trọng cảm ơn.

Hà nội ngày 30 – 12 – 2004

Người viết

PGS.TS. Nguyễn Sỹ Ngọc Chủ nhiệm Bộ môn ðịa kỹ thuật,

Thư ký Hội Cơ học ñá Việt Nam

4.C¬ häc ®¸

MỤC LỤC

Lời nói ñầu 3

Mở ñầu 7

Chương I ðÁ VÀ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ðÁ 16

1.1. Các khái niệm cơ bản về ñá -

1.1.1. Sự thành tạo các loại ñá -

1.1.2. Thành phần của ñá 17

C¬ häc ®¸.5

1.1.3. Kiến trúc của ñá 25

1.1.4. Cấu tạo của ñá 26

1.1.5- Tính không ñồng nhất và dị hướng của ñá 27

1.1.6. Một số loại ñá thường gặp 28

1.2. Các tính chất cơ bản của ñá 35

1.2.1. Một số chỉ tiêu ñặc trưng cho hàm lượng các pha trong ñá 37

1.2.2. Tính chất cơ học 54

Chương II CÁC TÍNH CHẤT CỦA KHỐI ðÁ NGUYÊN TRẠNG 127

2.1. Khối ñá nguyên trạng và một vài ñặc ñiểm của nó. -

2.1.1. Khái niệm về khối ñá nguyên trạng -

2.1.2. Vài ñặc ñiểm của khối ñá nguyên trạng 128

2.2. Các tính chất của khối ñá nguyên trạng 132

2.2.1. Tính phong hoá 133

2.2.2. Tính chất nứt nẻ 143

2.2.3. Tính chất cơ học 157

2.2.4. Nước và khối ñá nguyên trạng 187

2.2.5. Một số tính chất khác của khối ñá 196

Chương III KHẢO SÁT VÀ ðÁNH GIÁ KHỐI ðÁ 202

3.1. Khảo sát khối ñá -

3.1.1. Mục ñích và nội dung khảo sát khối ñá -

3.1.2. Nguyên tắc cơ bản trong khảo sát khối ñá 203

3.1.3. Các phương pháp khảo sát 206

3.2. Phân loại khối ñá 213

3.2.1. Phân loại theo các chỉ tiêu ñộc lập 214

3.2.2. Phân loại theo các chỉ tiêu tổng hợp -

3.3. ðánh giá khối ñá 225

3.3.1. ðánh giá tính chất biến dạng của khối ñá -

3.3.2. ðánh giá ñộ bền khối ñá. 227

Chương IV ỔN ðỊNH NỀN VÀ BỜ DỐC ðÁ 228

4.1. Sự ổn ñịnh của nền ñá -

4.1.1. Khái niệm -

4.1.2. Sức chịu tải của nền ñá 238

4.2. Ổn ñịnh bờ dốc ñá 245

6.C¬ häc ®¸

4.2.1. Bờ dốc và ñộ ổn ñịnh của nó -

4.2.2. Tính toán ổn ñịnh bờ dốc 256

4.2.3. ðề phòng và chống trượt bờ dốc 276

Chương V TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ ÁP LỰC ðÁ XUNG QUANH CÔNG TRÌNH NGẦM 284

5.1. Ứng suất tự nhiên trong khối ñá -

5.1.1. Các giả thuyết về sự phân bố ứng suất trong ñá 285

5.1.2. Trạng thái ứng suất ban ñầu của khối ñá 287

5.1.3. Sự phân bố lại ứng suất trong vỏ trái ñất 291

5.1.4. Các phương pháp ño ứng suất tự nhiên trong khối ñá 294

5.2. Trạng thái ứng suất và biến dạng của ñá ở xung quanh công trình ngầm 305

5.2.1. Khái niệm về các công trình ngầm -

5.2.2. Trạng thái ứng suất của ñá ở xung quanh công trình ngầm 310

5.2.3. Biến dạng của ñá ở xung quanh công trình ngầm 324

5.3. Áp lực ñá trong công trình ngầm 328

5.3.1. Khái niệm về áp lực ñá -

5.3.2. Áp lực ñá trong các hầm ngang 333

5.3.3. Áp lực ñá trong thành giếng và hầm nghiêng 355

Phụ lục 365

Tài liệu tham khảo 372

MỞ ðẦU

1. VỊ TRÍ VÀ ðỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA CƠ HỌC ðÁ

Hàng nghìn năm qua, ñá ñã ñóng vai trò rất quan trọng trong các hoạt ñộng có ý thức của con người. Những công cụ lao ñộng và vũ khí thô sơ của người nguyên thuỷ, những Kim tự tháp ñồ sộ ñứng sừng sững cạnh tượng con Sphinx khổng lồ bằng ñá bên dòng sông Nil ở Ai Cập từ thời nô lệ, những ngôi nhà cao chọc trời; những ñường hầm ôtô, hầm ñường sắt xuyên qua núi hay ngầm dưới ñáy biển nối liền các ñảo xa xôi; những

Hình 01 – Kim tự tháp v Sphinx ở vùng Giza gần Cairo (Ai Cập) –

khoảng 2700 – 2550 TCN

C¬ häc ®¸.7

công trình bằng ñá nổi tiếng hay những khối tượng ñá khổng lồ tạc ngay trên vách ñá của thế giới ngày nay… ñều do ñá hay nhờ ñá tạo nên. ðá ngày càng trở nên gần gũi trong ñời sống con người.

Vì vậy việc nghiên cứu tính chất và trạng thái của ñá - nhất là của khối ñá nguyên trạng dưới tác dụng của ngoại lực như thiên nhiên (trọng lực, các tác dụng ñịa chất…) hay nhân tạo (lực do các công trình xây dựng, do hoạt ñộng sản xuất …) là rất quan trọng và cần thiết.

ðể ñáp ứng nhu cầu nghiên cứu trên, một môn khoa học mới ñược ra ñời, gọi là Cơ học ñá.

Cơ học là một môn khoa học liên quan tới năng lượng, lực và tác ñộng của chúng lên vật thể, nên có thể coi cơ học ñá là một bộ phận của ngành khoa học cơ học ñịa chất, chuyên nghiên cứu tính chất, trạng thái của ñá và khối ñá nguyên trạng, các quá trình và hiện tượng cơ học xảy ra khi tiến hành thi công các công trình trên ñá, ñể tìm ra các phương pháp phá huỷ ñá có hiệu quả, cách ñiều khiển hợp lý áp lực ñá và làm ổn ñịnh các bờ dốc ñá, nền ñá.

Môn khoa học cơ học ñá mang tính chất ứng dụng. Các lĩnh vực nghiên cứu của nó có lợi trực tiếp, thiết thực ñến các ngành kinh tế quốc dân, nhất là các ngành mỏ, giao thông, thuỷ lợi… Những hiểu biết về ñá và các ñặc trưng, trạng thái của nó sẽ giúp cho việc thiết kế và thi công các công trình trong ñá và trên ñá ñược hợp lý, có hiệu quả kinh tế và an toàn hơn.

Uỷ ban Cơ học ñá của Viện hàn lâm khoa học quốc gia Mỹ (1966) ñã ñịnh nghĩa: Cơ học ñá là môn khoa học lý thuyết và ứng dụng về những ứng xử cơ học của ñá, nó là ngành cơ học liên quan ñến sự phản ứng của ñá với các trường lực bao quanh chúng.

Hình 02 – Nhà mồ ở thành phố Petra (Jorñani ngày nay) ñào vào trong khối

ñá (thế kỷ VI TCN)

Hình 03 – Nhà thờ ðức Bà Paris (1163 – 1250)

8.C¬ häc ®¸

Hình 04 – Khối tượng 4 Tổng thống Mỹ ở núi Rushmore (bang Nam Dakota – Mỹ) (1927 – 1941)

Cơ học ñá dựa trên các thành tựu của vật lý chất rắn, các lý thuyết dẻo, thấm, lưu biến, các hiểu biết về ñịa chất, ñịa hoá… và các môn khoa học khác. Nó cũng ñược coi là phần nền tảng của khoa học về trái ñất- nhất là khoa học mở.

Khác với các vật liệu khác, ñá rất ña dạng, ít ñồng nhất nên ñôi khi khó hiểu và khó dự ñoán. Mặt khác, các sơ ñồ cơ học và hình học của các bài toán cơ học ñá thường khác với các sơ ñồ cổ ñiển của các bài toán ñàn hồi, dẻo… nên việc nghiên cứu ñá cũng có nhiều ñiểm riêng biệt.

Khi thi công các công trình trên ñá, các quá trình cơ học chính ñược nghiên cứu trong cơ học ñá là sự hình thành trạng thái ứng suất của khối ñá và sự thay ñổi của nó, sự chuyển ñộng của ñá ở các dạng khác nhau, sự tương tác giữa ñá và vì chống…

Việc nghiên cứu Cơ học ñá gồm một số hướng sau: - Tính chất của ñá và khối ñá nguyên trạng - Lý thuyết phá huỷ ñá - Sự xuất hiện và cách ñiều khiển áp lực ñá khi thi công công trình ngầm - Sự chuyển ñộng của ñá khi thi công công trình - Ổn ñịnh các bờ dốc ñá - Các hiện tượng ñộng lực trong khối ñá - Quá trình thấm trong ñá - Sự tương tác giữa các hiện tượng kiến tạo khu vực và vi ñịa chất công trình

trong khối ñá

2. SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CƠ HỌC ðÁ Cơ học ñá là một ngành khoa học rất trẻ. Lịch sử phát triển của nó có thể chia

thành ba giai ñoạn: Trong giai ñoạn ñầu, khi người ta ñã biết khai thác ñá và các khoáng sản ở sâu

trong lòng ñất thì vấn ñề ổn ñịnh hầm lò ñã ñược ñặt ra. Việc lựa chọn các phương pháp chống lò ñã ñòi hỏi phải nghiên cứu các quá trình biến dạng và phá huỷ của ñá ở xung quanh hầm lò, các quy luật phát triển của các quá trình ấy trong không gian và thời gian. Tuy vậy, ở giai ñoạn này, việc nghiên cứu mới chỉ ở mức ñộ mô tả, tổng kết các hiện tượng, chứ chưa phân tích ñược một cách sâu sắc cơ chế phát sinh và phát triển của chúng.

Trong những năm 30 của thế kỷ XIX, người ta ñã quan sát thấy hiện tượng sụt lún mặt ñất do việc khai thác than nằm gần mặt ñất ở ngoại ô thành phố Liège (Bỉ) và mấy chục năm sau, hiện tượng tương tự cũng xảy ra ở một vài thành phố của ðức. Nhiều tác giả ñã nghiên cứu chúng và ñã ñề ra ñược những nguyên tắc ñầu tiên, xác ñịnh phạm vi ảnh hưởng của việc khai thác hầm lò ñối với mặt ñất: Năm 1864, J.Goodwin, một kỹ sư người Anh ñã nêu khá ñầy ñủ những yếu tố ảnh hưởng tới sự sụt lún mặt ñất như hệ thống hầm lò, tính chất của ñá, góc nghiêng và chiều dài vỉa, chiều sâu khai thác… nghĩa là những yếu tố có ảnh hưởng quyết ñịnh nhất.

C¬ häc ®¸.9

Cũng trong giai ñoạn này, việc nghiên cứu các thành phần ứng suất của khối ñá cũng bắt ñầu ñược chú ý: năm 1874, F.Rziha, một chuyên gia về hầm của ðức và bốn năm sau, giáo sư người Thụy sỹ A. Heim ñã nêu lên giả thuyết về thành phần ứng suất nằm ngang trong khối ñá và quan hệ của nó với thành phần ứng suất thẳng ñứng, nhưng khi ñó, những giả thuyết này chưa ñược thừa nhận và phổ biến rộng rãi.

ðể nghiên cứu, thí nghiệm ñá, ngươi ta ñã dùng các thiết bị ñơn giản hay hoàn thiện các máy kéo, nén, uốn và các ñầu kẹp mẫu khi kéo do nhà vật lý Hà lan P.Musschenbrock chế tạo từ năm 1729.

Nói chung, việc nghiên cứu cơ học ñá ở giai ñoạn này mới chỉ chú ý ñến các hiện tượng bên ngoài, các giả thuyết thường mang tính chất thực nghiệm, chưa bao hàm các chỉ tiêu phản ánh thực chất khối ñá bị biến dạng.

Giai ñoạn hai có thể tính từ cuối thế kỷ XIX.

Trong giai ñoạn này, người ta ñã xây dựng ñược nhiều giả thuyết khá chặt chẽ về bản chất vật lý, cơ chế các quá trình xảy ra trong khối ñá khi thi công các công trình.

Năm 1885, M.Fayol, một kỹ sư người Pháp và 4 năm sau, kỹ sư trắc ñịa người ðức W.Trompeter ñã nêu ra lý thuyết về sự phân vùng áp lực ñá xung quanh công trình ngầm.

Năm 1907, giáo sư người Nga M. M. Protodjakonov ñã ñề ra giả thuyết hình thành vòm áp lực trong các công trình ngầm. Công trình này là một bước tiến rất lớn trong cơ học ñá, tạo ñiều kiện ñể tính toán các thông số cho vì chống, nhưng cũng chưa phù hợp với các công trình có tiết diện lớn và nằm sâu trong lòng ñất.

ðồng thời với việc xuất hiện các giả thuyết về áp lực ñá và trạng thái ứng suất xung quanh công trình ngầm, các dụng cụ ño ứng suất và biến dạng của ñá ñã ñược chế tạo tinh vi, ñộ chính xác cao hơn và có thể ño trực tiếp ngay tại khối ñá. Người ta cũng bắt ñầu dùng phương pháp mô hình ñể nghiên cứu các quá trình biến dạng của ñá xung quanh công trình ngầm.

Năm 1909, người ta ñã dùng phương pháp phun vữa ñể làm ổn ñịnh các ñường hầm.

Năm 1912, T.Karman ñã nghiên cứu ñá ở trạng thái ứng suất thể tích- một trạng thái rất phù hợp với ñá ở ñiều kiện tự nhiên.

Năm 1918, người ta ñã bắt ñầu sử dụng neo ñể làm ổn ñịnh các khối ñá.

Năm 1926, J. Schmidt ñã ñưa ra những giả thuyết về tính chất ñàn hồi, kết hợp với lý thuyết của A. Heim về ứng suất ban ñầu của khối ñá, tạo nên những cơ sở ñầu tiên của Cơ học ñá.

Năm 1938, nhà ñịa chất người Chi nê R.Fenner ñã công bố những kết quả nghiên cứu về áp lực ñá, nói chung cũng gần với kết quả của J. Schmidt. Cũng trong năm này, viện sỹ Xô viết A.N.ðinnik ñã nêu rõ ñặc ñiểm phân bổ ứng suất trong khối ñá có tính ñến hệ số áp lực ngang. Những năm sau, nhiều tác giả ñã phát triển thêm công trình của ông.

10.C¬ häc ®¸

Nói chung, trong giai ñoạn này, người ta ñã nghiên cứu sâu về các quá trình biến dạng và phá huỷ của ñá ở trên mặt ñất cũng như trong các công trình ngầm bằng các máy ño ñạc chính xác cao. Người ta ñã gắn các quá trình biến dạng và phá huỷ ñá do việc thi công các công trình với các quá trình thay ñổi trạng thái ứng suất của khối ñá. Nói một cách khác, trong giai ñoạn này, người ta ñã chuyển dần dần từ việc nghiên cứu các hiện tượng bên ngoài sang việc nghiên cứu các nguyên nhân gây ra chúng.

Giai ñoạn thứ ba- giai ñoạn cơ học ñá hiện ñại có thể bắt ñầu tính từ cuối những năm 30 của thế kỷ XX.

Do tích luỹ ñược nhiều kinh nghiệm thực tế khi khai thác khoáng sản hay thi công công trình ngầm, người ta ñã nhận thấy những sự không phù hợp giữa các phương pháp tính ñã ñưa ra và các sơ ñồ tính toán vì chống. ðối với ñá, lý thuyết và các phương pháp nghiên cứu cơ học môi trường rời rạc là cơ sở của những giả thuyết của giai ñoạn trước không còn phù hợp nữa, người ta bắt ñầu sử dụng rộng rãi lý thuyết và các phương pháp nghiên cứu cơ học môi trường liên tục, nhất là lý thuyết ñàn hồi, ñể tìm hiểu sự thay ñổi trạng thái ứng suất tự nhiên do việc thi công các công trình trong ñá và trạng thái của khối ñá xung quanh công trình khi có sự thay ñổi ứng suất ấy.

ðồng thời với việc phát triển lý thuyết, nhiều phương pháp thực nghiệm ñể ñánh giá trạng thái ứng suất của khối ñá cũng ñược ñề ra. Người ta sử dụng rất rộng rãi phương pháp quang ñàn hồi dùng cho các mô hình có thể thể hiện ñược các ñiều kiện ñịa chất khác nhau như phân lớp, không ñồng nhất… Các phương pháp ñịa – vật lý dùng ñể ñánh giá trạng thái ứng suất của ñá mà không cần phải ño biến dạng của nó nhờ các sóng ñàn hồi cũng ñã ñược áp dụng tại thực ñịa trên các khối ñá.

Do thực tế ñòi hỏi phải xây dựng ñược các mô hình giống với các quy luật biến dạng thực của ñá, nên trong giai ñoạn này, người ta ñã lập ñược các sơ ñồ tính toán biến dạng không chỉ cho vật thể ñàn hồi mà còn cho các vật thể biến dạng theo thời gian.

Năm 1950, lần ñầu tiên, phương pháp ñào hầm mới kiểu Áo (NATM) ñã ñược nêu ra.

Những năm 1950-1954, hai nhà nghiên cứu Xô viết F.A.Belaenko và K.V.Ruppeneyt ñã lập ñược công thức tính toán áp lực ñá xung quanh hầm mà có tính ñến biến dạng ñàn hồi- dẻo.

Trong khoảng 1955-1958, các nhà nghiên cứu Ba lan J.Litwiniszyn và A. Salustowicz cũng ñã lập ñược mô hình tính toán cho các biến dạng ñàn hồi – nhớt.

Năm 1957, kỹ sư người Pháp J. Talobre ñã xuất bản cuốn “ Cơ học ñá” trong ñó ñã trình bày tương ñối hệ thống các vấn ñề về cơ học ñá và ứng dụng của nó trong xây dựng công trình.

Từ năm 1960, người ta bắt ñầu nghiên cứu về sự biến dạng của ñá theo thời gian. Ở Liên Xô, vấn ñề này ñã ñược Zh. X. Erzhanov, V.T. Glusko… nghiên cứu rất sâu.

Trong giai ñoạn này, người ta ñã hoàn thiện các phương pháp và dụng cụ ño biến dạng và chuyển vị của ñá xung quanh công trình ngầm, ñồng thời xác ñịnh ngay tại chỗ các tính chất của khối ñá nguyên trạng. Hiện nay, ngoài các thiết bị tin cậy có

C¬ häc ®¸.11

khả năng giám sát và dự báo sự chuyển vị của ñá, các kỹ thuật tính toán ñã phát triển tới mức mà các cách ứng xử của ñá có thể ñược mô hình hoá và dự ñoán với ñộ tin cậy nhất ñịnh.

Tháng 10 năm 1962, Hội Cơ học ñá Quốc tế (the International Society for Rock Mechanics – ISRM) ñược thành lập ở Áo trên cơ sở Hội các nhà ñịa – vật lý, ñịa chất công trình nước Áo do S.Stini thành lập từ 1951- Hội Cơ học ñá Quốc tế ñã tập hợp ñược các chuyên gia cơ học ñá của nhiều nước trên thế giới – Các hội nghị cứ 4 năm một lần của Hội ñã thông báo các kết quả nghiên cứu về cơ học ñá, ñồng thời ñề ra phương hướng nghiên cứu trong thời gian tới. Những hội nghị gần ñây của Hội là lần thứ VIII năm 1995 ở Tokyo (Nhật), lần thứ IX năm 1999 ở Paris (Pháp) và gần ñây nhất, lần thứ X ở Johannesburg (Nam Phi) năm 2003.

Ở nước ta, ñá ñã là ñối tượng gần gũi của con người từ rất lâu. Tổ tiên chúng ta, những người Việt cổ (sống cách ñây khoảng trên dưới 10.000 năm) ñã biết sử dụng ñá rất sớm: ñá ñược dùng làm công cụ lao ñộng(rìu, dao, cuốc… bằng ñá), làm ñồ trang sức cho các thiếu nữ (các vòng ñá, khuyên tai… bằng ñá) hay làm nhạc cụ ñể sử dụng trong các sinh hoạt cộng ñồng (các ñàn ñá, tù và bằng ñá…).

Trong thời phong kiến, nhiều thành cổ bằng ñá ñã ñược xây dựng với quy mô khá lớn như thành nhà Hồ (cao 5m, dày 3m ở An Lộc, Vĩnh Lộc - Thanh Hoá ngày nay, ñược xây từ năm 1397 bằng những khối ñá xanh lớn, có khối có kích thước 1,7x5,1 x 2,2m nặng tới 40 tấn), thành nhà Mạc (thành cổ Tuyên Quang có hình vuông, mỗi chiều 275m, cao 3,5m, dày 0,8m ñược xây dựng bằng ñá ong từ năm 1592) hay thành cổ Sơn Tây (ñược xây dựng từ năm 1822 cũng bằng ñá ong, mỗi chiều của toà thành vuông này cũng tới 400m).

Ở thế kỷ XIX, một số công trình bằng ñá ñã ñược xây dựng, tồn tại tới ngày nay và trở thành những thắng cảnh của ñất nước như Ngọ môn (cửa chính vào ðại nội ở cố ñô Huế, ñược xây dựng bằng những khối ñá lớn từ năm 1802), ðài Nghiên, Tháp Bút (bên hồ Hoàn Kiếm, Hà Nội ñược xây dựng từ năm 1867), nhà thờ ñá Phát Diệm (Ninh Bình)…

Bước vào thế kỷ XX, do việc khai thác mỏ, phát triển giao thông và năng lượng… ñòi hỏi phải có những hiểu biết nhất ñịnh về cơ học ñá. Người Pháp ñã nghiên cứu ñể ñào các hầm lò khai thác than ở vùng mỏ Hồng Gai - Cẩm Phả (thuộc tỉnh Quảng Ninh ngày nay), làm ñường hầm giao thông trên tuyến ñường sắt xuyên Việt (trong những năm của thập niên 30), làm nhà máy thuỷ ñiện ða Nhim (trong những năm 1961-1964 công suất 160MW với ñường hầm dẫn nước dài 4878m, ñường kính 3,4m ñược ñào xuyên qua ñèo Ngoạn Mục…

Sau khi hoà bình lập lại, do sự phát triển toàn diện của nền kinh tế quốc dân, việc nghiên cứu và thí nghiệm cơ học ñá ñã ñược chú trọng hơn, dần dần cơ học ñá ñã ñóng vai trò nhất ñịnh trong công cuộc phát triển kinh tế, xây dựng ñất nước. Người ta ñã nghiên cứu tính chất của ñất ñá, các quá trình cơ học xảy ra khi thi công các công trình trong ñá và áp dụng các phương pháp ñánh giá và phân loại ñá ñang ñược sử dụng trên thế giới trong xây dựng công trình ngầm. Các nhà máy thuỷ ñiện lớn ñã ñược xây dựng như Hoà Bình (xây dựng trong những năm 1979-1994, công suất 1920MW, ñập chắn nước cao128m, gian hầm máy có kích thước 280 x22 x 53m) hay Yaly (xây dựng từ 1993-1999, công suất 720MW, ñập cao 69m và gian

12.C¬ häc ®¸

hầm máy có kích thước 118 x 21 x 42m). Các hầm lò, các ñường giao thông ngầm cũng ñược xây dựng với những biện pháp kỹ thuật tiên tiến, cách ñánh giá trạng thái khối ñá phù hợp với những tiến bộ của thế giới như hầm ñường bộ qua ñèo Hải Vân trên quốc lộ I dài gần 6.500m, tiết diện 10 x 7m ñã áp dụng công nghệ ñào hầm mới của Áo khi thi công và cách phân loại ñá theo chỉ số RMR (Rock Mass Rating).

Trong tương lai, người ta ñã bắt ñầu xây dựng nhà máy thuỷ ñiện Sơn La, lớn nhất ðông Nam Á với công suất 3600MW và ñập chắn nước cao tới 265m.

Cùng với sự phát triển của khoa học cơ học ñá, những người làm công tác cơ học ñá Việt Nam ñã tập hợp nhau lại trong một tổ chức gọi là “Hội Cơ học ñá Việt Nam” ñược thành lập vào tháng 10/1984. Các cuộc ñại hội của Hội cứ 5 năm một lần nhằm tổng kết những thành tích nghiên cứu trong những năm qua và ñề ra những phương hướng hoạt ñộng, nghiên cứu trong những năm tới. Những ñại hội gần ñây của Hội như ñại hội lần thứ III vào năm 1997, lần thứ IV vào năm 2002 ñều ñược tổ chức tại Hà Nội.

Năm 1996, Hội Cơ học ñá Việt Nam ñược chính thức công nhận là thành viên của Hội Cơ học ñá Quốc tế ISRM.

3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CƠ HỌC ðÁ ðá là một tập hợp có quy luật của nhiều khoáng vật. Nó ña dạng, không ñồng

nhất, dị hướng và luôn tồn tại những lỗ rỗng, khe nứt. Do vậy, việc nghiên cứu ñá thường phức tạp và khó hơn các vật liệu khác.

Khi nghiên cứu ñá thường phân biệt khái niệm mẫu ñá và ñá nguyên trạng.

Mẫu ñá ñược coi như một thể tích ñá mà tại ñó không thể phát hiện ñược các khe nứt bằng mắt thường.

ðá nguyên trạng (ñá nguyên khối) ñược coi như là một phần của vỏ trái ñất nằm trong phạm vi ảnh hưởng của công trình. Do vậy, ñá nguyên trạng gồm cả các khe nứt và vật liệu lấp nhét trong các khối ñá, chúng không tách khỏi vỏ trái ñất, chịu ảnh hưởng của các quá trình hoạt ñộng nội sinh hay ngoại sinh của vỏ trái ñất ở khu vực nghiên cứu. Tính chất của ñá nguyên trạng phụ thuộc vào thành phần và tính chất của các khoáng vật tạo nên ñá, vào ñặc ñiểm của các hệ khe nứt có trong khối ñá, vào ñộng thái nước dưới ñất và trường ứng suất tự nhiên.

ðể nghiên cứu cơ học ñá, người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng nói chung, có thể gộp lại thành ba nhóm chính: Phương pháp ño ñạc, quan sát trong ñiều kiện tự nhiên; phương pháp mô hình và phương pháp lý thuyết.

Hình 0-5. Hầm ñường bộ Hải Vân

C¬ häc ®¸.13

Phương pháp ño ñạc và quan sát trong ñiều kiện tự nhiên giữ vai trò quan trọng nhất. Qua việc quan sát và ño ñạc tại thực ñịa sẽ xác ñịnh ñược những thông số cơ bản và các ñặc trưng của quá trình ñịnh nghiên cứu trong các ñiều kiện ñịa - cơ học cụ thể như ứng suất, biến dạng, chuyển vị của ñá và sự thay ñổi của chúng theo các yếu tố tác ñộng chính. Từ những số liệu ñó sẽ phân loại ñược các hiện tượng, quá trình ñịnh nghiên cứu, giải thích ñược các cơ chế chung và bản chất vật lý của chúng tiến tới tổng kết cả về mặt lý thuyết lẫn thực tiễn.

Trong phương pháp ño ñạc và quan sát hiện trường, người ta lại chia ra:

- Xác ñịnh các tính chất vật lý và các ñặc ñiểm cấu trúc của khối ñá.

- Xác ñịnh các thông số chuyển vị, biến dạng của ñá.

- Nghiên cứu trạng thái ứng suất trong ñá và sự thay ñổi của nó.

- Nghiên cứu tương tác của ñá với vì chống và áp lực ñá trong công trình ngầm.

Phương pháp mô hình cũng ñược sử dụng rộng rãi ñể nghiên cứu cơ học ñá. Nó phát hiện ñược vai trò của các yếu tố tác ñộng khác nhau trong quá trình ñịnh nghiên cứu và tìm ñược giá trị của các thông số cần thiết mà các phương pháp khác không thể làm ñược. Tuy nhiên, các mô hình không thể thể hiện ñược ñầy ñủ các ñiều kiện ñịa chất tự nhiên. Trong phương pháp mô hình, người ta có thể dùng các loại mô hình ly tâm, mô hình vật liệu tương ñương, mô hình quang học… Với mỗi loại mô hình sẽ có những lý thuyết riêng và bắt buộc phải tuân theo khi sử dụng chúng.

Phương pháp lý thuyết cho phép giải các bài toán cơ học ñá ở mức ñộ tổng quát nhất, các ñiều kiện của bài toán thay ñổi trong một phạm vi rất rộng. Tuy nhiên, mức ñộ chính xác của lời giải cho bài toán phụ thuộc vào mức ñộ liệt kê ñầy ñủ các yếu tố tác ñộng, các thông số cơ bản tương ứng với quá trình nghiên cứu và tính chất của khối ñá. Muốn sử dụng phương pháp lý thuyết, phải xây dựng ñược một mô hình toán học của hiện tượng, quá trình ñịnh nghiên cứu. Trong cơ học ñá, ñể có ñược một mô hình toán học, người ta phải lý tưởng hoá tính liên tục của ñá, trên cơ sở ñó sẽ áp dụng các lý thuyết của môi trường liên tục, các quy luật của lý thuyết ñàn hồi, dẻo, cân bằng giới hạn… Trong các công trình tính toán, các hệ số, chỉ số thường ñược xác ñịnh từ việc ño ñạc tại thực ñịa hoặc thí nghiệm trong phòng hay trên các mô hình.

Trong những trường hợp không có sẵn lời giải, trạng thái ứng suất – biến dạng trong ñá có thể giải gần ñúng bằng phương pháp số nhờ sự trợ giúp của các máy tính ñiện tử. Người ta có thể dùng phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp biên rời rạc và phương pháp phân tử riêng… ñể giải các bài toán cơ học ñá.

Chương I

ðÁ VÀ CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ðÁ

ðá là những phần vật chất tạo nên vỏ Trái ðất. Nó là tập hợp của một hay nhiều khoáng vật khác nhau, có cấu tạo và thành phần khoáng vật tương ñối ổn ñịnh.

1.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ðÁ 1.1.1. SỰ THÀNH TẠO CÁC LOẠI ðÁ

Về sự hình thành các loại ñá ñã ñược trình bày rất rõ ràng trong các giáo trình ñịa chất ñại cương hay ñịa chất công trình. Ở ñây chỉ nhắc lại một vài ñiểm chính.

Theo nguồn gốc thành tạo, ñá ñược chia thành 3 loại chính: ñá magma, ñá trầm tích và ñá biến chất.

1.1.1.1. ðá magma ñược thành tạo do sự ñông cứng của dòng dung nham nóng chảy phun lên từ trong lòng ñất. Dòng dung nham này là các dung dịch silicat có thành phần rất phức tạp và chứa các loại khí, hơi nước khác nhau.

Khi dòng dung nham phun lên và ñông cứng lại ngay trong lòng ñất thì sẽ tạo thành ñá magma xâm nhập. Do ñược thành tạo trong ñiều kiện áp suất cao, sự ñông cứng xảy ra từ từ và ñều ñều nên các khoáng vật dễ dàng kết tinh, tạo nên ñá magma kết tinh hoàn toàn, dạng khối, chặt xít như ñá granit, gabro…

Khi dòng dung nham trào lên mặt ñất và ñông cứng lại thì sẽ tạo thành ñá magma phún xuất (hay phun trào). Do ở mặt ñất nhiệt ñộ và áp suất thấp, nhiệt thoát nhanh nên không thuận lợi cho việc kết tinh của các khoáng vật, tạo nên ñá magma ở dạng vô ñịnh hình, có nhiều lỗ rỗng như ñá bazan, ñá bọt… Các ñá phun trào ñược thành tạo từ ñại cổ sinh thì ñược gọi là ñá phun trào cổ, còn nếu thành tạo mới gần ñây thì ñược gọi là phun trào trẻ.

1.1.1.2. ðá trầm tích ñược thành tạo có thể theo 3 cách:

- Do sự lắng ñọng và gắn kết của các mảnh vụn (là các sản phẩm phong hoá của ñá gốc hay các vụn núi lửa);

- Do sự kết tủa của chất hoá học có trong nước;

- Do sự nén chặt của các di tích ñộng, thực vật.

Tuỳ theo các cách thức thành tạo như vậy mà người ta cũng chia thành các ñá trầm thích cơ học, trầm tích hoá học và trầm tích hữu cơ.

ðá trầm tích chỉ chiếm 5% khối lượng vỏ Trái ðất nhưng nó bao phủ tới 75% diện tích mặt ñất với các chiều dày khác nhau (từ 3 – 4km ở vùng Trung Á, còn 1km ở vùng Xibir và chỉ từ 0,3 – 0,7km ở Thái Bình Dương.

CƠ HỌC ðÁ.17

1.1.1.3. ðá biến chất ñược tạo thành do sự biến ñổi sâu sắc của ñá magma, ñá trầm tích và cả ñá biến chất có trước dưới tác ñộng của nhiệt ñộ cao, áp suất lớn và các chất có hoạt tính hoá học.

Dựa vào các nhân tố tác ñộng chủ yếu, người ta chia ra:

� Biến chất tiếp xúc xảy ra ở khu vực tiếp giáp giữa khối magma nóng chảy và ñá vây quanh. Nhiệt ñộ cao ñã làm thay ñổi thành phần, kiến trúc và tính chất của ñất ñá. Càng xa khối magma, mức ñộ biến chất của ñá giảm dần.

� Biến chất ñộng lực xảy ra dưới tác ñộng của áp suất cao không chỉ do trọng lượng các lớp ñá nằm trên mà còn do áp lực sinh ra trong hoạt ñộng tạo sơn của các quá trình kiến tạo. Do vậy, ñất ñá bị mất nước, ñộ rỗng giảm ñi, sự liên kết giữa chúng tăng lên làm thay ñổi kiến trúc và cấu tạo của ñá.

� Biến chất khu vực thường xảy ra dưới sâu do tác ñộng ñồng thời của nhiệt ñộ cao và áp suất lớn làm thành phần, kiến trúc của ñá bị thay ñổi.

1.1.2. THÀNH PHẦN CỦA ðÁ

ðá có thể ñược tạo thành từ một khoáng vật (ñá ñơn khoáng) hay nhiều khoáng vật ñược gắn lại với nhau bằng các chất gắn kết (ñá ña khoáng). ða số các loại ñá ñều là ñá ña khoáng và như vậy thành phần của chúng sẽ gồm các khoáng vật và các chất gắn kết.

1.1.2.1. Các khoáng vật tạo ñá

Khoáng vật là những hợp chất của các nguyên tố hoá học tự nhiên hay các nguyên tố tự sinh ñược hình thành do các quá trình hoá lý khác nhau xảy ra trong vỏ Trái ðất hay trên mặt ñất. ða số các khoáng vật ở thể rắn và có trạng thái kết tinh. Theo A.P. Vinogradov, trong tự nhiên ñã biết khoảng gần 3000 khoáng vật, nhưng trong số ñó, chỉ có khoảng 30 – 50 khoáng vật ñóng vai trò quyết ñịnh trong việc thành tạo ñá ñược gọi là khoáng vật tạo ñá.

Các khoáng vật tạo ñá ñược chia thành từng nhóm và mỗi khoáng vật lại có những ñặc ñiểm về cấu tạo, lực liên kết trong mạng tinh thể… khác nhau dẫn ñến tính chất của chúng cũng khác nhau.

� Các nhóm khoáng vật tạo ñá chính:

Trong cơ học ñá thường không xác ñịnh thành phần khoáng vật ñầy ñủ và ñịnh lượng. Theo J.A. Franklin, có 6 nhóm khoáng vật tạo ñá chính ảnh hưởng ñến tính chất cơ học của hầu hết các loại ñá thường gặp trong xây dựng công trình. Các nhóm ñược nêu theo thứ tự giảm dần về chất lượng cơ học:

- Nhóm thạch anh – felspat

Thạch anh là thành phần chủ yếu của ñá granit và hầu hết các loại cát kết. Nó thường trong suốt hoặc có màu trắng ñến xám tựa thuỷ tinh, ñộ cứng 7.

Felspat là thành phần chủ yếu của hầu hết các ñá magma và cát kết loại arko. Nó gồm plagioclas và orthoclas có màu từ hồng ñến trắng, mờ ñục, rất dễ vạch bằng dao bỏ túi.

- Nhóm lithic / bazơ

Gồm các vụn ñá của ñá magma bazơ (bazan, gabro), cát kết grauvac xám tro, amphibolit và các khoáng vật bazơ sẫm màu như amphibol và pyroxen. Khi còn tươi, các khoáng vật này có ñộ cứng kém hơn thạch anh một chút.

- Nhóm mica

Gồm các khoáng vật dạng tấm như biotit (mica ñen), muscovit (mica trắng) và clorit, xuất hiện như thành phần phụ nhưng quan trọng của một số ñá magma và là thành phần chính của các ñá biến chất cấu tạo phân phiến. Biotit có màu tiêu biểu từ nâu ñến ñen; muscovit có màu bạc và clorit có màu xanh. Tính phân phiến và thường tạo thành các dải có hàm lượng mica cao làm yếu các ñá chứa chúng. Mica dễ bị tác ñộng bởi các tác nhân phong hoá.

- Nhóm carbonat

Gồm các khoáng vật như calcit, ñolomit… dễ nhận biết do chúng dễ bị vạch bằng dao, sủi bọt trong HCl loãng. Chúng xuất hiện dưới dạng các tinh thể, các hạt hay các vụn hoá thạch có cùng kích thước và do khả năng hoà tan, chúng cũng thường là xi măng gắn kết giữa các hạt và lấp ñầy lỗ rỗng. Các khoáng vật nhóm carbonat thường có màu trắng mờ ñến vàng sẫm sáng, ñôi khi có màu tối, thậm chí là màu ñen.

- Nhóm muối

Gồm muối mỏ, muối kali và thạch cao. Chúng thường mềm yếu và dẻo, ñôi khi chảy và có thể bị hoà tan trong khoảng thời gian xây dựng. Các khoáng vật này có khả năng hoà tan và ñược thành tạo từ các dung dịch muối biển. Màu của chúng thường từ màu mờ ñục tới trắng phớt hồng. Tinh thể halit có dạng khối ñặc trưng còn thạch cao lại có dạng sợi.

- Nhóm pelit (chứa sét)

Gồm các khoáng vật như kaolinit, illit, monmorilonit là các thành phần chủ yếu trong ñá phiến sét, ñá phiến và là sản phẩm thứ sinh trong nhiều ñá magma, biến chất và ñá vôi. Chúng có hạt mịn và do vậy, khó nhận biết, trừ khi suy luận từ ñặc tính mềm yếu và màu nâu – xanh – xám thông thường của chúng. Các khoáng vật sét có khả năng trương nở khác nhau, trong ñó monmorilonit trương nở mạnh nhất.

Khi mô tả ñá, các khoáng vật ñược liệt kê theo phần trăm và thứ tự giảm dần. Thí dụ ñá granit có thể mô tả theo thành phần khoáng vật là gồm felspat trắng tới vàng sẫm, 25% thạch anh, 10% khoáng vật chứa magne – sắt và 10% biotit.

� Cấu tạo của khoáng vật

Khoáng vật thường gặp ở dạng tinh thể hay hạt. Tuy một số khoáng vật có kích thước lớn như thạch anh, felspat… nhưng ña số các khoáng vật ñều ở dạng tinh thể nhỏ.

Các tinh thể khoáng vật thường có cấu tạo mạng là sơ ñồ hình học trong không gian cấu tạo của vật chất kết tinh. Giả sử có một mạng tinh thể như trên hình 1.1. Phần nhỏ nhất của tinh thể ñược biểu diễn bằng các ñường ñậm nét, ñược gọi là nhân cơ bản hay mạng phân tố, chúng sắp xếp liên tục theo 3 trục trong không gian tạo thành tinh thể.

CƠ HỌC ðÁ.19

Mạng phân tố ñược ñặc trưng bằng 6 yếu tố: 3 kích thước của khung mạng a, b, c và 3 góc giữa các trục X, Y, Z là α, β và γ. Tuỳ theo quan hệ hình học giữa các yếu tố của mạng mà các tinh thể ñược chia thành nhiều hệ khác nhau như tam tà (a ≠ b ≠ c ; α ≠ β ≠ γ ≠ 90o), tà phương (a ≠ b ≠ c; α = β = γ = 90o), lục phương (a = b ≠ c ; α = β = 90o, γ = 120o), lập phương (a = b = c; α = β = γ = 90o)…

Các tinh thể không chỉ khác nhau về hình dạng của mạng mà còn khác nhau ở dạng các vật chất nằm ở nút mạng. Theo ñó, người ta chia ra thành mạng ion khi các nút mạng là các ion mang ñiện tích âm hay dương (như mạng tinh thể muối mỏ NaCl…), mạng nguyên tử khi mỗi nút mạng là một nguyên tử vật chất (như mạng tinh thể kim cương, sfalerit ZnS…) hay mạng phân tử khi ở nút mạng là những phân tử trung hoà về ñiện (như trong mạng các liên kết hữu cơ…).

Tuy vậy, trong tự nhiên rất hay gặp các mạng hỗn hợp như mạng ion – phân tử. Các khoáng vật tạo ñá cũng hay là loại mạng này.

� Lực liên kết trong mạng tinh thể.

Lực liên kết trong mạng tinh thể có bản chất là lực tĩnh ñiện, sinh ra do tác ñộng tương hỗ chủ yếu là của các ñiện tử hoá trị của nguyên tử.

Do sự phân bố các ñiện tử trong nguyên tử và phân tử của các tinh thể không như nhau nên các lực liên kết trong các tinh thể khoáng vật cũng khác nhau. Người ta chia ra một số loại liên kết sau:

- Liên kết ion thường thấy ở các mạng ion, nghĩa là tại các nút mạng là các ion dương hay âm. Lực liên kết gây ra do lực hút giữa các ion mang ñiện tích trái dấu. Lực này tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các ion và tỷ lệ thuận với các ñiện tích của chúng.

- Liên kết ñồng hoá trị thường thấy ở các mạng nguyên tử. Lực liên kết sinh ra do tác ñộng trao ñổi ñiện tử giữa hai nguyên tử nằm ở hai nút mạng ở rất gần nhau.

- Liên kết carbon là thí dụ cổ ñiển của các loại liên kết này (như kim cương và một vài khoáng vật khác).

- Liên kết phân tử thường thấy ở các mạng phân tử. Các phân tử trung hoà về ñiện nhưng sự sắp xếp các ñiện tích trong chúng lại không hoàn toàn ñối xứng nên sự liên kết giữa các phân tử là lực tĩnh ñiện rất yếu như lực Vander Vaals, sinh ra khi chúng ở gần nhau. ðộ bền của những tinh thể có liên kết kiểu này rất kém.

- Liên kết kim loại ñặc trưng cho tính chất của tinh thể kim loại. Những nguyên tử kim loại sau khi mất ñiện tử trở thành các ion dương nằm ở

Hình 1.1. Mạng không gian của tinh thể.

các nút mạng, còn các ñiện tử tách ra nằm ở khoảng không giữa các nút. Giữa các ñiện tử, ion dương liên kết với nhau bằng các ñiện lực. Chính các lực này ñã giải thích cho ñộ bền của vật rắn.

Do mạng tinh thể của một vài khoáng vật có thể là hỗn hợp nên lực liên kết của chúng cũng không phải chỉ là một loại. Có thể theo hướng này thì là liên kết ion, còn theo hướng khác thì có thể là liên kết phân tử (như molibñenit, grafit…). ðiều này làm phát sinh tính chất dị hướng của các tinh thể.

� Một số ñặc trưng của khoáng vật:

- Trạng thái vật lý ða số các khoáng vật ñều ở dạng kết tinh, trong ñó các nguyên tử hay ion ñược sắp xếp theo một trật tự nhất ñịnh, tạo thành mạng lưới không gian làm khoáng vật có hình dáng bên ngoài nhất ñịnh. Một số khoáng vật vô ñịnh hình do không có cấu trúc mạng tinh thể không gian nên chúng không có hình dáng bên ngoài nhất ñịnh, tạo nên tính ñẳng hướng của khoáng vật: tính chất của khoáng vật theo mọi phương có thể coi là bằng nhau.

- Hình dáng tinh thể

Tuỳ theo sự phát triển trong không gian của mạng tinh thể, khoáng vật có thể có dạng hình lăng trụ, hình que, hình kim… khi tinh thể khoáng vật chỉ phát triển theo một phương; dạng tấm, vẩy, lá… khi tinh thể khoáng vật phát triển theo hai phương hay dạng hạt, cục… khi tinh thể phát triển theo cả ba phương.

- Màu sắc và vết vạch

Màu của khoáng vật là do thành phần hoá học và các tạp chất trong nó quyết ñịnh. Theo ñó, người ta chia làm khoáng vật màu sáng (không màu, trắng, xám sáng, vàng hồng…) và khoáng vật màu sẫm (ñen, xanh, nâu và các màu tối khác…).

Vết vạch là màu của bột khoáng vật ñể lại trên tấm sứ trắng, nhám khi cọ vào nó. Thường thì màu của khoáng vật và của vết vạch là giống nhau nhưng cũng có những khoáng vật lại không thể hiện như vậy: Khoáng vật hêmatit có màu ñen, xám thép nhưng màu của vết vạch lại là ñỏ máu hay khoáng vật pyrit có màu vàng thau nhưng vết vạch lại có màu ñen.

- ðộ trong suốt và ánh

ðộ trong suốt của khoáng vật là khả năng khoáng vật cho ánh sáng xuyên qua. Theo ñó, người ta chia thành các mức ñộ trong suốt (như thạch anh, muscovit…), nửa trong suốt (như thạch cao, sphalerit…), không trong suốt (như pyrit, magnetit…).

Ánh của khoáng vật là sự phản xạ màu sắc trên mặt khoáng vật khi ánh sáng chiếu vào. Người ta chia thành ánh kim và ánh phi kim (như ánh thuỷ tinh, ánh xà cừ, ánh mỡ, ánh añamatin…).

- Tính dễ tách (cát khai)

Tính dễ tách là khả năng tinh thể của một vài khoáng vật có thể tách ra ñược theo những mặt phẳng song song với nhau khi chịu tác dụng lực. Các mặt phẳng này cũng ñược gọi là mặt tách hay mặt cát khai.

CƠ HỌC ðÁ.21

Theo O. Brave (1848), người sáng lập ra lý thuyết cấu tạo mạng của tinh thể thì mặt cát khai là mặt có mật ñộ nút lớn nhất và khoảng cách giữa các mặt cũng là lớn nhất.

Trong một mặt của mạng tinh thể (hình 1.2), kẻ các hướng OA, OB, OC. Mật ñộ nút dày nhất là ở hướng OA (khoảng cách giữa các nút là bé nhất). Ký hiệu khoảng cách giữa các mặt song song liên tiếp theo các hướng trên, tương ứng là d1, d2 và d3; và khoảng cách giữa các nút theo các hướng trên tương ứng là a1, a2 và a3 thì có thể dễ dàng nhận thấy là:

a1d1 = a2d2 = a3d3 = ad (1.1)

nghĩa là tích của khoảng cách giữa các nút mạng theo một hướng nào ñó và khoảng cách giữa hai mặt song song liên liếp theo hướng ñó luôn là một hằng số.

Vì vậy, khi khoảng cách giữa hai mặt song song càng lớn (trong khi khoảng cách giữa các nút mạng càng giảm – nghĩa là mật ñộ nút càng dày) thì lực liên kết giữa chúng càng giảm, chúng càng dễ tách xa nhau khi chịu tác dụng lực.

Ở mạng tinh thể như trên hình 1.2, mặt cát khai sẽ là mặt MN, trùng với hướng OA.

Tuy nhiên, lực liên kết giữa các nút mạng không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng mà còn phụ thuộc vào sự tương tác giữa chúng, nghĩa là còn phải tính ñến các lực liên kết hoá học.

Tính chất cát khai cũng có thể giải thích bằng thuyết năng lượng bề mặt. Theo V.ð. Kuznexhov thì mặt cát khai sẽ trùng với mặt có năng lượng bề mặt bé nhất. Năng lượng bề mặt có thể coi là năng lượng dư trên một ñơn vị diện tích hay là lực cần thiết ñặt vào một ñơn vị chiều dài ñể tách lớp trên mặt (với các chất lỏng, năng lượng bề mặt ñược gọi là sức căng bề mặt).

Tuỳ theo mức ñộ dễ tách của các khoáng vật mà người ta có thể chia thành dễ tách rất hoàn toàn (như mica, muối mỏ…), hoàn toàn (như calcit…), trung bình (như felspat…), không hoàn toàn (như apatit, olivin…) và rất không hoàn toàn (như corinñon, magnetit…).

- Vết vỡ

Vết vỡ là dạng bất kỳ của mặt khoáng vật khi bị phá huỷ.

Tuỳ theo hình dạng của vết vỡ, người ta chia thành vết vỡ phẳng (khi khoáng vật bị vỡ theo các mặt dễ tách, ñặc trưng cho các khoáng vật có tính dễ tách cao), vết vỡ vỏ sò (như thạch anh…), vết vỡ nham nhở (khi mặt vết vỡ lởm chởm, không bằng phẳng như các khoáng vật ñồng, bạc…) và vết vỡ ñất (khi bị vỡ, khoáng vật vụn như ñất, như ở khoáng vật kaolinit…).

- ðộ cứng

ðộ cứng là khả năng chống lại tác dụng của ngoại lực của khoáng vật, ñặc trưng cho ñộ bền cục bộ của nó.

d2 B

C

A

d3

d1

o

M N

Hình 1.2. Một mặt của mạng tinh thể.

Trong thực tế, thường dùng ñộ cứng tương ñối, nghĩa là so sánh ñộ cứng của khoáng vật với 10 khoáng vật chuẩn do F. Mohs chọn ra từ thế kỷ XIX. Việc so sánh ñược thực hịên theo nguyên tắc khi cọ xát hai khoáng vật với nhau, khoáng vật nào cứng hơn sẽ ñể lại vết xước trên khoáng vật kia.

Các khoáng vật trong thang ñộ cứng của Mohs ñược coi là mềm nhất (ñộ cứng 1) tới cứng nhất (ñộ cứng 10) như sau:

1- Talc 6- Orthoclas

2- Thạch cao 7- Thạch anh

3- Calcit 8- Topaz

4- Fluorit 9- Corinñon

5- Apatit 10- Kim cương.

Ngoài ra, người ta còn dùng ñộ cứng của một số vật phổ biến như móng tay (ñộ cứng 2,5), mảnh kính (5,5), lưỡi dao thép (6,5)… ñể dễ dàng xác ñịnh ñộ cứng tại thực ñịa.

- Tỷ trọng

Tuỳ theo sự thay ñổi tỷ trọng của các khoáng vật, người ta chia thành khoáng vật nặng khi tỷ trọng > 4 như pyrit, magnetit…; khoáng vật trung bình khi tỷ trọng từ 2,5 – 4 như thạch anh, calcit… và khoáng vật nhẹ khi tỷ trọng < 2,5 như thạch cao, orthoclas…

ða số các khoáng vật thường có tỷ trọng từ 2,5 – 3,5.

- Tính dị hướng

Dị hướng là tính chất phụ thuộc vào hướng của tinh thể: theo các hướng song song với nhau thì tính chất của nó là như nhau, nhưng khi xét theo các hướng khác nhau thì tính chất của nó lại thay ñổi. Tính dị hướng của khoáng vật có thể giải thích theo lý thuyết cấu tạo mạng của tinh thể.

Trên hình 1.2, theo các hướng OA, OB, OC mật ñộ nút (số lượng nút trên 1 ñơn vị chiều dài) là không giống nhau. Mật ñộ dày nhất là theo hướng OA, thưa nhất là ở hướng OC, do vậy lực liên kết giữa các nút mạng theo các hướng cũng sẽ không như nhau làm tính chất của khoáng vật theo các hướng khác nhau sẽ khác nhau. Với các hướng song song, chúng có cùng mật ñộ nút và do vậy, tính chất của chúng hầu như không thay ñổi.

Người ta thường ñể ý ñến sự dị hướng ñộ cứng của khoáng vật và hệ số dị hướng là tỷ số giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của một chỉ tiêu theo các hướng khác nhau ñược dùng ñể thể hiện tính dị hướng của khoáng vật.

Thí dụ: Khoáng vật rất dị hướng về ñộ cứng là disthen với hệ số dị hướng bằng 3,13.

Ngoài các tính chất trên, khoáng vật còn có một số tính chất khác như khả năng sủi bọt với HCl 10%, tính ñàn hồi, khả năng uốn cong hay dát mỏng, từ tính, tính phóng xạ…

1.1.2.2. Chất gắn kết

CƠ HỌC ðÁ.23

Trong ñá ña khoáng hay ñá vụn, các khoáng vật hay các hạt ñá ñược gắn lại với nhau bằng các chất gắn kết.

� Các loại chất gắn kết

Tuỳ theo tính chất, thành phần của chất gắn kết mà người ta chia ra các loại chất gắn kết sau:

- Chất gắn kết silic gồm SiO2 hay SiO2.nH2O…

- Chất gắn kết carbonat gồm calcit CaCO3, siñerit FeCO3 …

- Chất gắn kết sulfat như thạch cao CaSO4 …

- Chất gắn kết có chứa sắt như hematit Fe2O3, limonit 2Fe2O3.3H2O…

- Chất gắn kết có chứa sét gồm các khoáng vật sét như kaolinit Al2O3.2SiO2.2H2O, illit…

- Chất gắn kết từ bitum hay các chất khác.

Theo thứ tự kể trên, ñộ bền của các chất gắn kết giảm dần nên các ñá ñược gắn kết bằng silic là loại ñá cứng và bền vững nhất trong các ñá trầm tích. Các chất gắn kết cũng có màu sắc rất ñặc trưng: Silic và vôi thường có màu xám nhạt, siñerit có màu da bò, hematit có màu ñỏ, còn limonit lại có màu nâu.

� Các kiểu gắn kết

Tuỳ theo tương quan giữa các chất gắn kết và các hạt ñá ñược gắn kết mà người ta chia thành 3 kiểu gắn kết:

- Gắn kết kiểu tiếp xúc khi chất gắn kết chỉ có ở chỗ tiếp xúc giữa các hạt (hình 1.3a).

- Gắn kết kiểu lấp ñầy hay lỗ rỗng khi chất gắn kết lấp ñầy lỗ rỗng giữa các hạt (hình 1.3b).

- Gắn kết kiểu bazan hay cơ sở khi chất gắn kết tràn ñầy trong khối ñá làm các hạt ñá không tiếp xúc với nhau (hình 1.3c).

a) b) c) Hình 1.3. Các kiểu gắn kết.

a) Kiểu tiếp xúc; b) Kiểu lấp ñầy; c) Kiểu bazan.

Theo thứ tự kể trên, khi với cùng một loại khoáng vật và chất gắn kết, ñộ bền của ñá tăng dần.

1.1.3. KIẾN TRÚC CỦA ðÁ

Kiến trúc là tổng hợp các ñặc trưng thành tạo của ñá ñược xác ñịnh bằng mức ñộ kết tinh; dạng, kích thước hạt và quan hệ lẫn nhau giữa các phần tạo nên ñá, nghĩa là giữa các khoáng vật tạo ñá và dung nham trong ñá magma hay chất gắn kết trong ñá trầm tích vụn.

1.1.3.1. Theo mức ñộ kết tinh, người ta chia ra:

� Kiến trúc toàn tinh hay kiến trúc hạt, ñặc trưng cho loại ñá nằm dưới sâu, kết tinh trong ñiều kiện thuận lợi: quá trình ñông nguội xảy ra từ từ, các tinh thể có ñủ thời gian ñể lớn lên, tạo nên trong ñá gồm toàn những hạt kết tinh có thể nhìn rõ ñược bằng mắt thường (hình 1.4).

� Kiến trúc porphyr tạo thành khi ñiều kiện kết tinh không thuận lợi: phần magma ñông lại ở dạng thuỷ tinh, trên nền ñó có nổi lên những tinh thể lớn của khoáng vật tạo ñá. ðá gồm cả các khoáng vật ở dạng kết tinh và những tinh thể nhỏ mà mắt thường không nhìn thấy ñược

(hình 1.5).

� Kiến trúc ẩn tinh gồm những tinh thể rất nhỏ chỉ nhìn thấy ñược qua kính hiển vi, xảy ra khi dòng dung nham bị nguội lạnh nhanh trên mặt ñất, tinh thể không ñủ thời gian ñể hình thành, chỉ tạo ñược những tinh thể rất nhỏ (hình 1.6).

� Kiến trúc thuỷ tinh tạo thành khi ñiều kiện kết tinh rất không thuận lợi. Dòng dung nham bị nguội lạnh rất nhanh tạo thành một khối thuỷ tinh ñặc xít. Kiến trúc này thường thấy khi dòng dung nham phun lên từ lòng ñất ở dưới ñáy biển.

1.1.3.2. Theo kích thước hạt kết tinh, Hội Cơ học ñá Quốc tế (ISRM) chia thành một số loại kiến trúc sau:

� Kiến trúc hạt rất thô khi ñường kính hạt > 60mm.

� Kiến trúc hạt thô khi ñường kính hạt từ 2 – 60mm.

� Kiến trúc hạt vừa khi ñường kính hạt từ 0,06 – 2mm.

� Kiến trúc hạt mịn khi ñường kính hạt từ 0,002 – 0,06mm.

Hình 1.4. Kiến trúc toàn tinh (ðá granit có chứa các hạt lớn orthoclas, thạch anh và biotit)

Hình 1.5. Kiến trúc porphyr

Hình 1.6. Kiến trúc ẩn tinh

CƠ HỌC ðÁ.25

� Kiến trúc hạt rất mịn khi ñường kính hạt < 0,002mm.

Trong tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5747 – 1993, kiến trúc của ñá ñược phân chia theo kích thước của các hạt với cách gọi tên và kích thước hạt hơi khác:

� Kiến trúc ñá tảng khi kích thước hạt > 300mm

� Kiến trúc cuội (dăm) khi kích thước hạt từ 150 – 300mm

� Kiến trúc sỏi (sạn) khi kích thước hạt từ 2 – 150mm

� Kiến trúc hạt cát khi kích thước hạt từ 0,06 – 2mm

� Kiến trúc hạt bụi khi kích thước hạt từ 0,002 – 0,06mm

� Kiến trúc hạt sét khi kích thước hạt từ < 0,002 mm.

1.1.3.3. Theo dạng và mức ñộ ñồng ñều của hạt

Theo hình dạng của hạt kết tinh, tuỳ theo tương quan giữa 3 chiều kích thước của hạt mà người ta chia thành kiến trúc ñẳng thước (khi kích thước 3 trục gần như nhau), kiến trúc dạng tấm (khi có 2 trục dài và 1 trục ngắn) và kiến trúc dạng sợi (khi có 2 trục ngắn và 1 trục dài).

Tuỳ theo hình dạng của hạt kết tinh sau khi ñã bị mài mòn mà người ta có thể chia thành kiến trúc hạt góc cạnh, nửa góc cạnh, nửa tròn cạnh, tròn cạnh hoặc rất tròn cạnh.

Tuỳ theo mức ñộ ñồng ñều của các hạt kết tinh mà người ta lại chia thành kiến trúc hạt ñều (khi các hạt có kích thước gần giống nhau) và kiến trúc hạt không ñều (khi các hạt có kích thước rất khác nhau).

1.1.4. CẤU TẠO CỦA ðÁ

Cấu tạo là những ñặc ñiểm về sự sắp xếp trong không gian của những thành phần tạo nên ñá và mức ñộ liên tục của chúng.

1.1.4.1. Trong cơ học ñá, theo sự ñịnh hướng của các khoáng vật trong không gian thì có một số cấu tạo chính là:

� Cấu tạo khối ñược tạo thành do các thành phần tạo nên ñá sắp xếp không theo một trật tự, một qui luật nào cả, tạo nên một khối ñá chặt xít.

Cấu tạo này ñặc trưng chủ yếu cho ñá magma, khi các dòng dung nham trào lên rồi ñông ñặc lại. Ở ñá biến chất và ñá trầm tích cũng thấy có cấu tạo này.

Do sự sắp xếp một cách ngẫu nhiên của các thành phần tạo nên ñá, nên theo các hướng khác nhau, tính chất của khối ñá coi như là giống nhau - ñá có tính chất ñẳng hướng.

� Cấu tạo phân lớp ñược tạo thành do sự lắng ñọng liên tiếp của các lớp ñá có thành phần và kích thước hạt khác nhau trong ñá trầm tích hay do sự ñông cứng của các dải theo phương dịch chuyển của dòng magma trong ñá magma hay do sự biến chất cao của các dải ñá có trước trong ñá biến chất. Tuỳ theo chiều dày của lớp mà người ta chia thành phân lớp mảnh, mỏng, trung bình và không phân lớp (tạo thành khối).

Cấu tạo này ñặc trưng cho ñá trầm tích.

� Cấu tạo phân phiến ñược tạo thành do sự biến ñổi của ñá trong quá trình làm chặt hay các quá trình kiến tạo gây ra áp suất cao, nhiệt ñộ lớn. Trong ñá có những dải ñá dài song song với nhau, chiều dày của các dải này nhỏ.

Trong cấu tạo phân phiến, người ta lại chia thành phân phiến nguyên sinh và thứ sinh khi bề mặt các lớp phân phiến vẫn song song hay ñã bị lệch lạc ñi so với hướng phân lớp chính ban ñầu.

Cấu tạo này ñặc trưng cho ñá biến chất.

1.1.4.2. Theo mức ñộ liên tục của sự sắp xếp các thành phần tạo nên ñá, người ta chia hai loại cấu tạo chính:

� Cấu tạo chặt xít khi các thành phần tạo nên ñá sắp xếp chặt xít với nhau, trong ñá hầu như không có lỗ rỗng.

Cấu tạo chặt xít thường ñặc trưng cho ñá magma và ñá biến chất. ðộ rỗng (là tỷ số % giữa thể tích của lỗ rỗng trong ñá và chính thể tích của mẫu ñá) của các loại ñá này thường chỉ từ 0,8 – 1,2% (theo N.I.Xhaxhov).

� Cấu tạo lỗ rỗng ñược tạo thành khi sự sắp xếp ngẫu nhiên, không chặt chẽ của các thành phần tạo nên ñá. Trong ñá có rất nhiều lỗ rỗng ở giữa các thành phần tạo nên ñá hay tạo thành do sự thoát khí và hơi nước từ dòng dung nham của ñá magma.

Cấu tạo lỗ rỗng thường ñặc trưng cho ñá trầm tích. Với các ñá này, ñộ rỗng thường rất lớn, có thể từ 3 – 39% với ñá cát kết hay từ 0,6 – 33% với ñá vôi, ñolomit (theo N.I. Xhaxhov).

Ngoài các cấu tạo trên, trong ñá magma, người ta cũng gọi là cấu tạo hạnh nhân khi trong các lỗ rỗng lại chứa các khoáng vật thứ sinh khác hay cấu tạo dạng bọt, dạng xỉ khi trong ñá có rất nhiều lỗ rỗng làm ñá xốp và nhẹ (hình 1.7).

1.1.5 TÍNH KHÔNG ðỒNG NHẤT VÀ DỊ HƯỚNG CỦA ðÁ

ðá là tập hợp của nhiều khoáng vật. Bản thân mỗi khoáng vật ñã có tính dị hướng và sự sắp xếp chúng trong ñá không theo một trật tự, một qui luật nào nên về mặt thành phần khoáng vật, ñá là một vật thể không ñồng nhất.

ðá ñược thành tạo do sự gắn kết các khoáng vật khác nhau trong ñá trầm tích hay do sự ñông nguội của các khoáng vật trong dung nham nóng chảy của ñá magma, mà sự sắp xếp các hạt khoáng vật trong khối ñá là hoàn toàn ngẫu nhiên nên về mặt sắp xếp các hạt trong ñá cũng là không ñồng nhất.

Khi thành tạo ñá, các lỗ rỗng ñược hình thành một cách hoàn toàn ngẫu nhiên, bất kỳ về mặt cấu tạo và kích thước. Các lỗ rỗng có thể liên hệ với nhau và cũng có thể riêng biệt nếu ở những chỗ khác nhau trong khối ñá, ñộ rỗng của ñá cũng khác nhau, nghĩa là ñá không ñồng nhất về mặt ñộ rỗng.

Hình 1.7. ðá bazan dạng bọt

CƠ HỌC ðÁ.27

Việc làm chặt ñá phụ thuộc vào chiều sâu. ðá càng nằm dưới sâu thì do áp lực của các tầng ñá nằm trên, ñá càng ñược lèn chặt. Mức ñộ làm chặt cũng phụ thuộc vào cấu tạo và các hoạt ñộng kiến tạo xảy ra tại các vị trí khác nhau trong khối ñá. Các khe nứt kiến tạo ñược tạo thành cũng không phải là giống nhau trong tất cả mọi ñiểm của khối ñá. Vì vậy, ñá không ñồng nhất về mức ñộ làm chặt và tính chất nứt nẻ của nó.

Do chịu ảnh hưởng của nhiều mặt về sự không ñồng nhất nên ñá thể hiện tính không ñồng nhất qua các biểu hiện khác nhau, nhưng rõ nhất là tính dị hướng, là sự khác nhau về các chỉ tiêu tính chất của ñá khi xét theo các hướng khác nhau.

Với các ñá trầm tích và biến chất, sự dị hướng thể hiện ở sự khác nhau về tính chất khi xét theo hướng song song hay vuông góc với các mặt phân lớp hay phân phiến của ñá. Người ta dùng hệ số dị hướng là tỷ số giữa một chỉ tiêu tính chất nào ñó của ñá xác ñịnh theo hướng vuông góc với mặt phân lớp hay phân phiến và chính chỉ tiêu ñó khi xác ñịnh theo hướng song song với mặt phân lớp hay phân phiến của ñá.

//X

Xk d

⊥= (1.2)

trong ñó: X là một chỉ tiêu tính chất nào ñó của ñá.

Với ñá magma, sự dị hướng chỉ xảy ra khi có một lớp khoáng vật ñược ñịnh hướng theo một phương nào ñó, mà ñiều này lại hiếm xảy ra trong quá trình thành tạo ñá magma – nên thực tế, người ta coi magma là những khối ñẳng hướng.

1.1.6. MỘT SỐ LOẠI ðÁ THƯỜNG GẶP

Theo nguồn gốc thành tạo, ñá ñược chia thành các ñá magma, biến chất và trầm tích. Trong mỗi loại ñá ñó, tuỳ theo vị trí, ñiều kiện thành tạo và kích thước các hạt mà người ta lại chia ra nhiều tên ñá khác nhau.

Các nhà ñịa chất thì khi phân loại, hay nặng về nguồn gốc hình thành của các loại ñá, còn ñối với những người nghiên cứu cơ học ñá, người ta thường dựa trên sự quan sát ñịnh hướng ñơn thuần về cỡ hạt của những thành phần tạo nên ñá.

1.1.6.1. ðá magma

ðá magma ñược thành tạo do sự ñông cứng của dòng dung nham nóng chảy (magma) phun lên từ trong lòng ñất.

Thành phần chủ yếu của ñá magma là felspat (khoảng 60%), amphibolvà pyroxen (khoảng 17%), thạch anh (khoảng 12%), mica (khoảng 4%) và các khoáng vật khác.

Nếu theo hàm lượng SiO2 có trong ñá thì người ta chia ñá magma thành loại ñá magma axit (khi lượng SiO2 > 65%), ñá magma trung tính (khi lượng SiO2 = 55 – 65%), ñá magma bazơ (khi lượng SiO2 = 45 – 55%) và ñá magma siêu bazơ (khi lượng SiO2 < 45%).

Tuỳ theo tỷ lệ các khoáng vật sẫm màu có trong ñá mà các ñá magma có thể có màu sáng (thường là ñá magma axit) hay màu sẫm vừa, quá sẫm (với ñá magma bazơ và siêu bazơ).

Tuỳ theo vị trí kết tinh của khối magma trong lòng ñất hay trên mặt ñất mà người ta chia các ñá magma thành loại magma xâm nhập như granit, ñiabas, gabro… hay magma phún xuất (phun trào) như bazan, ryolit…

ðá magma thường có cấu tạo khối, kiến trúc kết tinh hoặc thuỷ tinh, ñộ rỗng thấp (thường < 2%), ñộ bền cao trừ khi ñá ñã bị phong hoá. Các ñá magma ñược chia thành các loại theo cỡ hạt: Với các ñá magma hạt thô (cỡ hạt ñiển hình thường > 2mm) thì ñược gọi là ñá granit hay gabro tuỳ theo ñá thuộc loại axit hay bazơ. Với các ñá magma hạt vừa (0,06 – 2mm) thì tạo thành ñá tương ứng là microgranit và ñiabas. Với các ñá magma hạt mịn (< 0,06mm nhưng còn nhìn thấy ñược) thì tạo thành ñá tương ứng là ryolit và bazan. Với các ñá magma có kiến trúc thuỷ tinh thì ñược gọi là obxiñian và tachylit.

Hình 1.8. Khe nứt dạng cột trong ñá bazan.

a) ở Ghềnh ñá ðĩa (Phú Yên – Việt Nam); b) ở Devils Postpile (California – Mỹ).

Trong các loại ñá trên thì bazan là loại ñá phun trào phổ biến nhất, thường thấy các khe nứt dạng cột rất rõ ràng trong ñá (hình 1.8). Khi phun trào dưới ñáy biển, bazan thường tạo thành kiến trúc dạng gối. ðá bazan có màu sẫm ñến ñen, kiến trúc porphyr và ẩn tinh, ñộ bền từ 300-350MPa, có khả năng chống lại các quá trình phong hoá. ðá bazan ñược dùng làm vật liệu xây dựng, vật liệu cách ñiện, cách nhiệt và chịu axit.

Granit là loại ñá xâm nhập thường gặp ở nhiều nơi. Ở các vùng phía Bắc, nó thường ít hoặc không có dấu hiệu phong hoá, trong khi ở miền Nam, do khí hậu nóng ẩm… phong hoá thường xâm nhập tới ñộ sâu 30m và ñôi khi tới 300m. Do chứa felspat và khoáng vật sắt, mangan không ổn ñịnh với phong hoá hoá học nên granit có xu hướng phân huỷ thành khoáng vật sét. Khi chưa bị phong hoá, granit có ñộ bền cao khoảng 160 – 250MPa; ñược sử dụng rộng rãi trong giao thông, xây dựng, kiến trúc…

1.1.6.2. ðá trầm tích

Do ñược thành tạo từ nhiều nguồn gốc khác nhau nên ñá trầm tích gồm một số nhóm ñá khác nhau rõ rệt.

CƠ HỌC ðÁ.29

� Nhóm ñá trầm tích vụn ñược hình thành chủ yếu từ các mảnh vỡ của các loại ñá tồn tại trước ñó hoặc từ các sản phẩm phong hoá của các ñá gốc, ñược nước, gió hay băng hà vận chuyển, tích tụ rồi gắn kết lại với nhau một cách cơ học, nên loại trầm tích này cũng ñược gọi là trầm tích cơ học.

Hình 1.9. ðá cuội kết. Hình 1.10. ðá dăm kết.

Tuỳ theo kích thước của các mảnh vụn trong ñá mà người ta chia thành các ñá cuội kết (hình 1.9), dăm kết (hình 1.10), cát kết các loại, bột kết và sét kết. Trong các loại ñá này thì ñộ rỗng ñóng vai trò rất quan trọng. ðộ rỗng sẽ nhỏ nhất khi các hạt nhỏ lấp ñầy lỗ rỗng giữa các hạt lớn hơn hay khi trong các lỗ rỗng lấp ñầy các chất gắn kết. Tuỳ theo thành phần trong ñá cát kết mà người ta còn chia thành cát kết thạch anh (khi ñá ñược tạo thành chủ yếu từ thạch anh) (hình 1.11), arko (khi thành phần chủ yếu của ñá là felspat) và grauvac (khi ñá ñược tạo thành từ các mảnh vụn ñá).

a) b)

Hình 1.11. Cát kết thạch anh

a) Chọn lọc tốt; b) Chọn lọc kém.

Một loại cát kết ñặc biệt có nguồn gốc magma ñược tạo thành do các mảnh vụn phun ra từ núi lửa. Những ñám mây bốc lửa (hình

1.12) gồm các vật liệu vụn trôi nổi trên khí và bụi có nhiệt ñộ rất cao, di chuyển xuống dưới theo sườn núi lửa với tốc ñộ lớn, khi nguội lạnh, tuỳ theo thành phần là các mảnh vụn có góc cạnh hay các hạt mịn như tro mà sẽ tạo thành dăm kết núi lửa hay tuf núi lửa. Các hạt gắn kết với nhau trong ñiều kiện nhiệt ñộ cao, tạo thành một loại ñá chặt cứng, có tính chất tương tự như ñá magma cùng loại.

Hình 1.12. ðám mây bốc lửa ñang chảy xuống theo sườn của một núi lửa.

� Nhóm ñá trầm tích carbonat bao gồm ñá vôi, chủ yếu ñược tạo nên bằng khoáng vật calcit, ñá ñôlomit và một số ñá thuộc nhóm trầm tích vụn nhưng có chứa vôi.

Cũng như nhóm ñá trên, ñộ rỗng là thuộc tính cơ bản ñể phân biệt ñặc tính cơ học của các loại ñá khác nhau trong nhóm. Người ta phân biệt ñộ rỗng nguyên sinh là do khi chưa lấp ñầy các lỗ rỗng giữa các hạt. ðộ rỗng thứ sinh ñược tạo nên bởi sự mở rộng mạng tinh thể trong quá trình biến ñổi calcit thành ñolomit – quá trình ñolomit hoá. ðá vôi rất không ñồng nhất về mặt cấu tạo: một số loại thì xốp, nhưng một số loại thì rất chặt. Theo nguồn gốc thành tạo, ñá vôi có thể chia thành các loại ñá vôi hoá học, hữu cơ, vụn và hỗn hợp.

ðá vôi hoá học thường ñược thành tạo do sự lắng ñọng các chất kết tủa carbonat ở trong nước. ðiển hình của loại này là tuf vôi và ñá vôi trứng cá. ðá tuf vôi ñược tạo thành ở vùng có nước mạch lộ ra. Do chảy trên mặt ñất, một phần CO2 bị mất ñi nên CaCO3 ñược kết tủa lại, tạo thành ñá vôi có lỗ rỗng và không phân lớp. Loại tuf vôi có ñộ chặt cao, ñộ rỗng nhỏ, có một phần kiến trúc kết tinh thì ñược gọi là travertin. ðộ bền của tuf vôi khi khô khoảng 80MPa. ðá vôi trứng cá ñược tạo thành ở biển nông do sự kết tủa các hạt CaCO3 ñồng tâm, rồi chúng lại ñược gắn lại với nhau bằng chính calcit. ðộ bền loại ñá này chỉ khoảng 16 – 20MPa.

ðá vôi hữu cơ ñược thành tạo do sự tích tụ các di tích hữu cơ, phổ biến nhất là loại ñá vôi vỏ sò (hình 1-13). Loại ñá vôi này có ñộ rỗng cao, ñộ bền thấp. Một dạng

Hình 1.13. ðá vôi vỏ sò.

CƠ HỌC ðÁ.31

khác của ñá vôi hữu cơ là ñá phấn, có thành phần giống như ñá vôi nhưng ñộ bền thì thấp hơn nhiều.

ðá vôi vụn gồm những mảnh vụn của ñá vôi và ñược gắn chặt lại bằng calcit. ðây là loại ñá tái trầm tích.

ðá vôi hỗn hợp ñược thành tạo một phần từ các mảnh vụn, một phần từ các vật chất hữu cơ hay hoá học. Phổ biến nhất là ñá marn có thành phần gồm CaCO3 (từ 20 – 80%) và sét. Tuỳ theo lượng CaCO3 mà có thể có loại ñá vôi sét (hay ñá marn vôi) khi lượng CaCO3 lớn hơn và ñá marn sét khi lượng CaCO3 ít. Ở ngoài biển, ñá marn tạo thành tầng dày. Khi lộ trên mặt ñất, nó dễ bị phong hoá, tạo thành ñá bùn.

ðá ñolomit ñược thành tạo từ khoáng vật cùng tên với các tạp chất như calcit, thạch cao màu xám trắng hay ñỏ. Kiến trúc dạng hạt, cấu tạo khối chặt xít. ðộ bền nén của ñolomit khoảng 100 – 140MPa. ðolomit ñược dùng làm vật liệu xây dựng, vật liệu chịu lửa.

� Nhóm ñá muối: ðá của nhóm này thường gặp ở dạng halit (NaCl), silvin (KCl), silvinit (hỗn hợp của halit và silvin) (hình 1.14), anhydrit và thạch cao (CaSO4 ở dạng khan và ngậm nước)… Tất cả các ñá trong nhóm ñều có thể hoà tan ñược trong nước. Theo quan ñiểm ñịa chất, các trầm tích này cũng ñược gọi là trầm tích do bốc hơi hay ñá bốc hơi, ñược thành tạo do sự bốc hơi của nước trong hồ nước mặn và biển.

Các ñá muối thường có màu trắng. Muối ăn (NaCl) thường có vị mặn, muối kali có vị ñắng. Các trầm tích ñá muối dày tạo thành mỏ kích

thước lớn.

Anhydrit là CaSO4 ở dạng khan, khi gặp nước biến thành thạch cao, thể tích tăng lên tới > 30%. ðộ bền nén của anhydrit khoảng 60 – 80MPa.

Thạch cao ñược tạo thành do kết quả hợp nước của CaSO4, có màu trắng hay xám, vàng, nâu khi bị lẫn các tạp chất. Kiến trúc hạt thô. ðộ bền nhỏ hơn 20MPa. Thạch cao ñược dùng làm phấn, vật liệu trang trí trong xây dựng hay ñể bó bột trong y tế.

� Nhóm ñá trầm tích hữu cơ ñược thành tạo do sự tích tụ và nén chặt của các di tích ñộng thực vật. Từ các di tích ñộng vật sẽ tạo thành các loại ñá như ñá vôi vỏ

Hình 1.14. ðá silvinit (vùng Solikamsk – Liên Xô cũ).

sò, ñá vôi san hô, ñá phấn như ñã trình bày trong nhóm ñá trầm tích carbonat. Từ các di tích thực vật sẽ tạo thành các loại trầm tích như ñiatomit, opoka (ñá silic), than bùn hay than ñá…

1.2.6.3. ðá biến chất

ðá biến chất ñược thành tạo từ các ñá magma, trầm tích hoặc biến chất ñã tồn tại trước ñó do sự tác ñộng mạnh mẽ của nhiệt ñộ cao và áp suất lớn.

Biến chất tiếp xúc xảy ra do sự nung nóng các khối ñá gần kề của dòng magma xâm nhập.

Biến chất ñộng lực xảy ra do sự ứng suất cục bộ quá lớn làm biến dạng, nứt nẻ và vỡ vụn ñá.

Biến chất khu vực tác ñộng trên một diện tích rộng lớn bằng sự tăng ñồng thời của cả nhiệt ñộ và áp suất.

ðá gneis (loại paragneis hay orthogneis) ñược tạo thành do sự biến chất của ñá trầm tích hay ñá magma ban ñầu. Khi ñá biến chất chuyển tiếp dần từ granit ñến ñá gneis thì sẽ ñược loại ñá granitogneis. ðá gneis có cấu tạo gneis ñiển hình: một dải khoáng vật sáng màu gồm thạch anh, felspat rồi tiếp ñến một dải khoáng vật sẫm màu gồm biotit, horblend. ðá gneis có ñộ bền cao, từ 80 – 180MPa (hình 1.15). Hình 1.15. ðá gneis.

Khi hàm lượng mica, clorit và các khoáng vật dạng tấm khác trong ñá khá nhiều (thường khoảng > 50%) thì sẽ tạo ra trong ñá tính phân phiến và phân lớp mỏng gọi là các ñá phiến (hình 1.16). Tuỳ theo hàm lượng khoáng vật nào chiếm ưu thế trong ñá phiến mà người ta có thể gặp ñá phiến mica, ñá phiến sét, ñá phiến amphibol… Khi trong thành phần của ñá phiến không có mica mà chỉ gồm những hạt mịn sẽ tạo thành ñá ngói, cứng và có thể tách ra thành từng tấm.

CƠ HỌC ðÁ.33

Hình 1.16. ðá phiến.

ðối với các ñá cấu tạo khối, tuỳ theo thành phần ñá ban ñầu của chúng mà khi bị biến chất có thể tạo thành các loại ñá rất khác nhau. ðá vôi khi bị biến chất sẽ tạo thành ñá hoa với các màu sắc khác nhau có thể dùng ñể tạc tượng hay làm vật liệu trang trí (hình 1.17). ðá quarzit ñược tạo thành do cát kết thạch anh bị biến chất có ñộ bền rất cao (tới 350MPa), làm nền cho các công trình xây dựng rất tốt. ðá sừng là loại ñá biến chất từ các ñá không phân phiến với các hạt rất mịn cũng ñược sử dụng như một loại vật liệu xây dựng, làm nền công trình xây dựng.

Từ một số ñá thường gặp trong tự nhiên, tiểu ban phân loại ñá của Hội Cơ học ñá Quốc tế (ISRM) ñã ñịnh nghĩa các tên ñá chủ yếu và tóm tắt chúng trong bảng 1.1. Trong Cơ học ñá, ñá phải ñược gọi tên theo các tên gọi trong bảng tóm tắt này.

1.2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ðÁ

Tập hợp các tính chất của ñất ñá, trước kia thường gọi là “tính chất cơ - lý” nghĩa là gồm tính chất cơ học mà ñặc trưng bằng một số chỉ tiêu liên quan ñến tính chất cơ học của ñá như ñộ bền, tính chất biến dạng, tính chất lưu biến… và tính chất vật lý như trọng lượng thể tích, ñộ rỗng, ñộ ẩm… của ñá. Trong những năm gần ñây, ngoài những tính chất trên, các ñặc trưng khác của ñá cũng ñược nghiên cứu tỷ mỷ như tính chất nhiệt (với các ñặc trưng như ñộ dẫn nhiệt, ñộ giãn nở vì nhiệt…), tính chất ñiện – từ (như các ñặc trưng ñiện trở suất, ñộ nhiễm từ, ñộ từ cảm…), tính chất âm học (như các tốc ñộ truyền sóng ñàn hồi, suất cản sóng…)… nên thuật ngữ “tính chất cơ - lý” trên trở nên không ñầy ñủ và không chính xác. Mặt khác, các hiện tượng cơ học, nhiệt học, ñiện – từ học, âm học… ñều thuộc về vật lý học, nghĩa là các tính chất cơ học, nhiệt học, ñiện – từ học… ñều là những phản ứng của ñá trước những trường khác nhau của vật lý học; cơ học là một phần của vật lý học nên không thể ñể ngang nhau như một tính chất cơ - lý… Vì vậy, hợp lý và chính xác hơn, nên gọi tập hợp các tính chất của ñá là các ñặc trưng của tính chất vật lý của ñá.

Như vậy, nói ñến tính chất vật lý của ñá, nghĩa là nói ñến các chỉ tiêu ñặc trưng cho hàm lượng tương ñối của các pha trong ñá, các chỉ tiêu của tính chất cơ học, tính chất nhiệt, tính chất ñiện – từ, tính chất âm học, tính chất phóng xạ… của ñá.

Hình 1.17. Tượng Vệ nữ ở Milo bằng ñá hoa (tìm thấy năm 1820).

Từ cuối những năm 1970 của thế kỷ trước, quan niệm này ñã ñược một số nhà nghiên cứu cơ học ñá Liên Xô cũ như I.A. Turchaninov; M.A. Iofix; E.V. Kaxparjan nêu ra trong các công trình nghiên cứu của mình cũng như năm 1991, trong công trình ñã công bố, một số nhà nghiên cứu cơ học ñá của Pháp như J. Grolier, A. Fernandez, M Hucher và J.Riss cũng có những ý kiến tương tự.

ð

ịnh

nghĩ

a cá

c tê

n ñá

chủ

yếu

theo

ISR

M (1

979)

Nh

óm n

guồn

gố

c T

rầm

tíc

h

Biế

n c

hất

M

agm

a

Lớ

p

Ph

ân

ph

iến

K

hối

– t

hớ

nứ

t C

ấu t

ạo

Mản

h v

ụn

(h

ạt v

ụn

) K

ết t

inh

hay

th

uỷ

tin

h (

ẩn t

inh

) C

ác k

hoán

g vậ

t sán

g m

àu n

hư th

ạch

anh,

fe

lspa

t, m

ica

và c

ác

khoá

ng v

ật g

iống

fe

lspa

t

Các

kh

oáng

vậ

t sán

g và

sẫm

m

ầu

Các

kh

oáng

vậ

t sẫm

m

ầu

Cỡ

hạt,

mm

K

iến

trúc

C

ác h

ạt là

ñá

thạc

h an

h, f

elsp

at v

à kh

oáng

vật

sét

50

% c

ác h

ạt

là c

arbo

nat

50%

các

hạt

là

ñá m

agm

a hạ

t m

ịn

ðá

hoá

học,

hữ

u cơ

Thạ

ch

anh,

fe

lspa

t, kh

oáng

vậ

t sẫm

m

ầu h

ình

kim

Phụ

thuộ

c ñá

mẹ

Axi

t T

rung

tí

nh

Baz

ơ S

iêu

bazơ

H

ạt

rất

thô

Peg

mat

it

Hạt

th

ô

Hạt

là c

ác v

ụn ñ

á H

ạt tr

òn c

ạnh:

cu

ội k

ết

Hạt

góc

cạn

h:

dăm

kết

Cuộ

i kế

t ch

ứa

vôi

Hạt

tròn

cạ

nh:

cuội

kết

. H

ạt g

óc

cạnh

: ñá

dăm

kết

nú

i lửa

G

rani

t ð

iori

t G

abro

Hạt

vừ

a

Cát

kết

: các

hạt

ch

ủ yế

u là

các

vụn

kh

oáng

vật

C

át k

ết th

ạch

anh:

95

% th

ạch

anh

lỗ

rỗng

hay

gắn

kết

A

rko:

75%

thạc

h an

h, tớ

i 23%

fe

lspa

t, lỗ

rốn

g ha

y gắ

n kế

t G

rauv

ac: 7

3%

thạc

h an

h, 1

5%

nền

hạt v

ụn m

ịn,

mản

h vụ

n ñá

và

fels

pat

Cát

kế

t ch

ứa

vôi

Mic

ro -

gr

anit

M

icro

-ñi

orit

ð

iaba

s

Hạt

m

ịn

Hạt

rấ

t m

ịn

Arg

ilit

ð

á ph

iến:

arg

ilit

ph

ân p

hiến

B

ột k

ết: 5

0% c

ác

hạt m

ịn

Sét

kết

: 50%

các

hạ

t rất

mịn

ðá vôi

Sét

kết

ch

ứa

vôi (

ñá

phấn

)

Tro núi lửa

Tuf

núi

lử

a

Các

ñá

muố

i (h

alit

, an

hyñr

it)

Thạ

ch c

ao

ðá

vôi

ðol

omit

ð

á bù

n T

han

non

Tha

n ñá

Gne

is:

xen

kẽ

các

dải

khoá

ng

vật d

ạng

phiế

n và

dạ

ng h

ạt

Qua

rzit

ð

á ho

a G

ranu

lit

ðá

sừng

A

mph

ibol

it

Ryo

lit

Anñ

esit

B

azan

Pyr

oxe-

nit

và

Per

iño-

tit

Ser

pent

i-ni

t

60 2

0,06

0.00

2

Thu

ỷ ti

nh

ð

á sừ

ng

ñá s

ilic

T

huỷ

tinh

núi

lửa:

obx

iñia

n, ñ

á dầ

u, ta

chyl

it.

36.CH

ð

Bảng 1.1

C¬ häc ®¸.37

Trong hàng loạt các ñặc trưng trên, tuỳ theo từng yêu cầu cụ thể mà người ta có thể xác ñịnh và sử dụng các ñặc trưng khác nhau của ñá. Trong phần này chỉ nêu lên các ñặc trưng, các tính chất cơ bản nhất của ñá thường ñược dùng nhất trong khi tính toán, thiết kế và xây dựng công trình.

1.2.1. MỘT SỐ CHỈ TIÊU ðẶC TRƯNG CHO HÀM LƯỢNG CÁC PHA TRONG ðÁ

ðá gồm có 3 pha: rắn, lỏng và khí. Tuỳ theo tỷ lệ hàm lượng các pha có trong ñá mà làm ñá có thể nặng hay nhẹ, ẩm hay khô; chặt xít hay xốp rỗng… ðể phân biệt các ñặc tính này, người ta thường dùng một số chỉ tiêu sau:

1.2.1.1. Trọng lượng riêng và khối lượng riêng

� Trọng lượng riêng của ñá là trọng lượng một ñơn vị thể tích pha cứng của nó. Về trị số, trọng lượng riêng ñược tính bằng tỷ số giữa trọng lượng phần cứng của ñá và thể tích của nó. Trọng lượng riêng thường ñược ký hiệu là γs, ñơn vị tính thường là kN/m3 hay MN/m3.

γs = s

s

VQ

(1.3)

trong ñó: Qs là trọng lượng phần cứng của ñá.

Vs là thể tích phần cứng của ñá.

Trọng lượng riêng của ñá phụ thuộc vào trọng lượng riêng và tỷ lệ thể tích của các khoáng vật tạo ñá có trong ñá. Biết ñược các khoáng vật tạo ñá và tỷ lệ thể tích của chúng trong ñá, sẽ tính ñược trọng lượng riêng của ñá theo công thức:

∑=

γ=γn

1iiss V .

i (1.4)

trong ñó: γsi là trọng lượng thể tích của khoáng vật tạo ñá thứ i.

Vi là tỷ lệ thể tích của khoáng vật tạo ñá thứ i trong ñá.

n là số lượng khoáng vật tạo ñá có trong ñá.

ðồng thời với trọng lượng riêng, trong thực tế còn dùng một ñại lượng gọi là tỷ trọng, là tỷ số giữa trọng lượng riêng của một loại ñá nào ñó so với trọng lượng riêng của nước. Tỷ trọng là một ñại lượng không có thứ nguyên và ñược xác ñịnh theo công thức:

n

s

γ

γ=∆ (1.5)

trong ñó: ∆ là tỷ trọng của ñá.

γn là trọng lượng riêng của nước.

38.C¬ häc ®¸

Thực tế thường khó xác ñịnh ñược trọng lượng của vật (là sức hút của Trái ðất vào vật ấy tại một nơi nào ñó) mà chỉ dễ dàng xác ñịnh ñược khối lượng (là số lượng vật chất có trong vật hay chính xác hơn là ñại lượng xác ñịnh quán tính của vật ấy) của vật bằng các cách cân khác nhau. Tại các vị trí khác nhau thì trọng lượng của vật không giống nhau, trong khi khối lượng của vật luôn không ñổi.

Quan hệ giữa trọng lượng và khối lượng của một vật ñã ñược xác lập theo lý thuyết của vật lý sơ cấp:

P = m.g (1.6)

trong ñó: P là trọng lượng của vật.

m là khối lượng của vật.

g là gia tốc rơi tự do, thay ñổi theo vị trí tại ñiểm ñang xét trên mặt ñất.

Vì vậy, biết khối lượng của một vật, sẽ dễ dàng tính ñược trọng lượng của nó.

Theo V.N. Kobranova, giá trị trọng lượng riêng của một số loại khoáng vật và ñá trầm tích có thể thấy trong bảng 1.2.

Bảng 1.2

Tên khoáng vật và ñá γγγγs, kN/m3 Tên khoáng vật và

ñá γγγγs, kN/m3

Anhydrit

Biotit

Calcit

ðolomit

Halit

Kaolinit

Magnetit

Monmorilonit

Olivin

Orthoclas

28 – 30

26,9 – 31,6

27,1 – 27,2

28 – 29,9

21 – 22

26 – 26,3

49,7 – 51,8

20 – 25,2

31,8 – 35,7

25 – 26,2

Plagioclas

Pyrit

Thạch anh

Bột kết

Cát kết

ðá vôi

ðá phấn

ðolomit

Sét kết

26,1 – 27,6

49,5 – 51

26,5 – 26,6

26,5 – 27,3

26,4 – 26,8

27,0 – 27,4

26,3 – 27,3

27,5 – 28,8

25,5 – 27,0

� Khối lượng riêng của ñá là khối lượng một ñơn vị thể tích pha cứng của nó. Về trị số, khối lượng riêng ñược tính bằng tỷ số giữa khối lượng phần cứng của ñá và thể tích của nó. Khối lượng riêng thường ñược ký hiệu là ρs, tính bằng g/cm3 hay t/m3.

s

ss V

m =ρ (1.7)