Đang tải... (xem toàn văn)
giáo trình địa chất công trình
LỜI NÓI ĐẦU Địa chất công trình là môn khoa học nghiên cứu những kiến thức cơ bản về đặc tính vật lý, các chỉ tiêu vật lý của đất nhằm cung cấp thông tin cần thiết phục vụ quá trình tính toán thiết kế và thi công các công trình giao thông, xây dựng, thủy lợi Môn học này đã được đưa vào chương trình đào tạo kỹ thuật công trình của nước ta từ lâu. Những hiểu biết về địa chất công trình đã giúp ích rất nhiều cho sinh viên trong việc tìm hiểu, nghiên cứu các hiện tượng địa chất thường gặp và tích luỹ kiến thức quan trọng cho công việc sau khi ra trường. Để phục vụ công tác giảng dạy cho sinh viên – học sinh chuyên ngành Xây dựng cầu đường bộ và ngành Xây dựng dân dụng và công nghiệp, trường Cao đẳng giao thông vận tải Miền Trung chủ trương biên soạn và in ấn tập tài liệu Giáo trình địa chất công trình. Nội dụng giáo trình được viết gọn trong 5 chương: Chương 1: Một số khái niệm về Trái đất Chương 2: Đất đá. Chương 3: Nước dưới đất. Chương 4: Các hiện tượng địa chất hiện đại liên quan đến xây dựng công trình. Chương 5: Các phương pháp khảo sát địa chất Trong quá trình biên soạn, tác giả đã nhận được rất nhiều ý kiến của tập thể cán bộ giảng viên giảng dạy của trường Giáo trình Địa chất công trình phục vụ công tác giảng dạy cho sinh viên – học sinh chuyên ngành Xây dựng cầu đường bộ, Xây dựng dân dụng của trường, ngoài ra còn là tài liệu tham khảo cho các cán bộ làm công tác khác. Tuy đã cố gắng biên soạn, nhưng do trình độ và kiến thức chuyên môn có hạn chắc chắn tập tài liệu này còn rất nhiều khiếm khuyết. Kính mong bạn đọc góp ý kiến để lần tái bản cuốn sách sẽ hoàn thiện hơn. Ý kiến góp ý xin gửi về Tổ cơ sở - Khoa Công Trình – Trường Cao đẳng GTVT Miền Trung. Xin chân thành cảm ơn. Tác giả 1 2 Chương 1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ TRÁI ĐẤT 1.1 MỞ ĐẦU 1.1.1 Nhiệm vụ, đối tượng nghiên cứu của môn học địa chất công trình 1.1.1.1. Nhiệm vụ nghiên cứu Xác định điều kiện địa chất công trình của khu vực xây dựng, so sánh lựa chọn vị trí bố trí công trình thích hợp. Kiến nghị về các biện pháp công trình. Nêu lên các điều kiện thi công dự đoán các hiện tượng địa chất xảy ra trong thi công và trong 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 dựng thiên nhiên của địa phương phục vụ cho xây dựng công trình. 1.1.1.2. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu đất đá dùng làm nền, làm môi trường và làm vật liệu xây dựng công trình. Nội dung chủ yếu là nghiên cứu sự phân bố và sắp xếp của đất đá, ảnh hưởng của nguồn gốc, điều kiện thành tạo cũng như môi trường xung quanh đến các tính chất vật lý và cơ học của đất đá. Nghiên cứu các phương pháp cải thiện tính chất xây dựng của đất đá. Nghiên cứu các hiện tượng địa chất: trượt, cát chảy, xói ngầm, Karst, phong hóa. Tìm hiểu nguyên nhân phát sinh và điều kiện phát triển của chúng để đề ra các biện pháp xử lý khi xây dựng các công trình Nghiên cứu nước dưới đất để khắc phục các khó khăn do nước gây ra khi thi công và sử dụng công trình, hoặc dùng nó để phục vụ cho sinh hoạt, công nông nghiệp. Nghiên cứu các phương pháp khảo sát địa chất công trình nhằm thăm dò đánh giá các điều kiện địa chất công trình của khu vực được đầy đủ, chính xác, nhanh chóng và tiết kiệm. Nghiên cứu địa chất công trình để lập ra quy hoạch các khu vực xây dựng công nghiệp và dân dụng hay để quy hoạch thủy lợi, giao thông. 1.1.2 Các phương pháp nghiên cứu địa chất công trình 1.1.2.1. Phương pháp địa chất học Đây là phương pháp quan trọng nhất để nghiên cứu địa chất. Nội dung là tìm hiểu sự phát triển các hiện tượng địa chất trong quá khứ có liên quan đến sự tạo thành các dạng địa hình, tính chất, sự phân bố, sắp xếp của đất đá trong khu vực. Từ đó, đánh giá điều kiện địa chất của khu vực và dự đoán các hiện tượng địa chất sẽ xảy ra. 3 Để làm được điều này phải dùng các biện pháp thăm dò, khảo sát, thí nghiệm… 1.1.2.2. Phương pháp thí nghiệm mô hình và tương tự địa chất Phương pháp thí nghiệm mô hình: giúp ta nghiên cứu các hiện tượng địa chất xảy ra ở nền công trình khi thi công, khai thác, sử dụng dưới tác động của môi trường bên ngoài. Nội dung: dựa vào sự tương tác giữa các trường vật lý khác nhau Phương pháp tương tự địa chất: là phương pháp kinh nghiệm dựa trên nguyên lý: đất đá trải qua các quá trình địa chất như nhau thì có các đặc trưng vật lý, cơ học tương tự nhau 1.1.2.3. Phương pháp tính toán lý thuyết Từ các đặc trưng đã biết, dùng các lý thuyết tính toán để tìm ra các đặc trưng đã biết: thường dùng khi tính lún, ổn định đất nền, lượng nước chảy vào hố móng… 1.2. MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ TRÁI ĐẤT 1.2.1. Cấu tạo của Trái Đất Trái đất có dạng hình cầu, phình to ở xích đạo và hơi dẹt ở hai cực, bán kính vào khoảng 6377,296km và độ dẹt là 1/300.8 Do quá trình thành tạo và hoạt động kiến tạo mà vỏ trái đất có dạng xù xì, lồi lõm mạnh. Nơi cao nhất là đỉnh Everest trong dãy Hymalaya ở Trung Quốc với độ cao 8864m so với mực nước biển. Nơi thấp nhất là vực Marian ở Thái Bình Dương với độ sâu 11034m Cấu tạo Trái đất: theo các kết quả nghiên cứu đất đá trong lòng đất bằng phương pháp địa chấn, người ta cho rằng trong lòng đất, đất đá được sắp xếp thành nhiều lớp. Lớp vỏ Trái đất: với chiều dày từ 5-70 Km, trung bình khoảng 35Km. Trong lớp này gồm các lớp đất đá trầm tích và bazan có khối lượng thể tích từ 2.5-2.9 g/cm3. Thành phần chủ yếu, ngoài oxy là silic và nhôm. Lớp giữa: Bề dày từ 70-2900 Km Nhân Trái đất: Từ độ sâu 2900 km đến tâm Trái đất, thành phần chủ yếu là Niken và Sắt 1.2.2. Cấu tạo bên ngoài của vỏ Trái Đất Bên ngoài Trái đất chia thành các quyển sau: Khí quyển: Là lớp vỏ không khí của Trái đất, phân bố từ mặt đất đến khoảng độ cao 3000 Km. Khí quyển được chia ra làm 3 tầng: tầng đối lưu, tầng giữa, tầng ozon. Thủy quyển: Là phần vỏ nước không liên tục của Trái Đất, chiếm 70,8% diện tích bề mặt Thạch quyển: Là lớp vỏ Trái đất, chủ yếu là đá mắc ma và đá biến chất Sinh quyển: bao gồm những vùng khí quyển và thủy quyển mà sinh vật có thể sinh sống được 1.2.3. Các đặc điểm vật lý của Trái Đất Khối lượng thể tích và áp lực bên trong lòng đất tăng dần theo chiều sâu 4 Nhiệt độ của Trái đất được tạo ra từ hai nguồn nhiệt là bức xạ mặt trời và nguồn nhiệt sinh ra trong lòng đất do các phản ứng hóa học và hạt nhân. CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1 I. Câu hỏi lý thuyết 1. Trình bày nhiệm vụ và đối tượng nghiên cứu môn học địa chất công trình 2. Trình bày đặc điểm cấu tạo của trái đất. Chương 2. ĐẤT ĐÁ 5 2.1. KHOÁNG VẬT 2.1.1 Khoáng vật Đất đá là đối tượng nghiên cứu đầu tiên của địa chất công trình. Nó là tập hợp của một hay nhiều khoáng vật khác nhau. Vì vậy, trước khi nghiên cứu về đất đá, người ta phải nghiên cứu về khoáng vật. Khoáng vật: Khoáng vật là hợp chất của các nguyên tố hóa học tự nhiên hay các nguyên tố tự sinh được hình thành do các quá trình lý hóa khác nhau trong vỏ Trái đất hay trên nền mặt đất. Khoáng vật có thể ở thể khí (CO2, H2S ), thể lỏng ( thủy ngân, nước…), thể rắn (thạch anh, fenspat, mica…) Đa số khoáng vật ở thể rắn và có dạng kết tinh. Ý nghĩa của việc nghiên cứu khoáng vật Khoáng vật là những thành phần cấu tạo nên đá, quyết định tính chất xây dựng của đá. Do vậy nghiên cứu khoáng vật ta hiểu biết được nguồn gốc và điều kiện hình thành đá. Nghiên cứu khoáng vật giúp ta nhận xét khả năng sử dụng của đất đá trong xây dựng công trình. 2.1.2. Một số đặc tính của khoáng vật 2.1.2.1. Trạng thái vật lý Khoáng vật ở dạng kết tinh: các nguyên tử hay ion được xắp xếp theo một tự nhất định làm cho KV có hình dáng bên ngoài nhất định. VD: thạch anh, calcit,… Khoáng vật vô định hình: không có cấu trúc mạng tinh thể, không có hình dáng bên ngoài nhất định, tính chất theo mọi phương có thể coi như nhau (đẳng hướng) VD: opal,… 2.1.2.2. Hình dáng tinh thể Theo hình dạng phát triển của khoáng vật trong không gian chia thành: - Loại hình phát triển theo 1 phương: hình lăng trụ, hình kim, hình que…VD: thạch anh, amphibol,… - Loại hình phát triển theo hai phương: dạng tấm, vảy, lá,… VD: mica, thạch cao, barit,… - Loại hình phát triển theo ba phương: dạng hạt, tập hợp hạt,… VD: halit, pyrit, calcopyrit,… 2.1.2.3. Màu và vết vạch Màu của KV là một trong những đặc tính quan trọng của KV, đó là tính chất đầu tiên khiến người ta chú ý tới khi quan sát KV. Màu của KV do thành phần hoá học và các tạp chất trong nó quyết định. KV có chứa Fe, Mg thường có màu sẫm, KV chứa Si, Al có màu nhạt. VD: KV chứa Fe 2+ thường có màu lục, Fe 3+ có màu nâu đỏ,…Khi lẫn tạp chất KV có thể có nhiều màu khác nhau. Tuy nhiên một màu nào đó có thể đặc trưng cho một KV nhất định. Ví dụ: Màu xanh – azurit Màu lục – malachit 6 Màu nâu – limonit Màu đen sắt – magnesit (manhezit) Màu vàng đồng – calcopyrit Màu vàng kim – vàng tự nhiên,… Vết vạch: Để thử vết vạch, người ta vạch KV lên 1 tấm sứ nhám màu trắng, bột KV để lại trên tấm sứ gọi là vết vạch. Nhìn chung KV có màu và vết vạch giống nhau, VD: màu của KV malachit và màu vết vạch của nó đều có màu lục. Một số KV màu của nó và màu vết vạch khác nhau, VD: hematit màu gần như đen nhưng vết vạch có màu đỏ máu; pyrit có màu vàng thau nhưng vết vạch màu đen. 2.1.2.4. Độ trong suốt và ánh Độ trong suốt là khă năng KV cho ánh sáng xuyên qua. Dựa vào độ trong suốt người ta chia ra: - KV trong suốt: topaz, thạch anh, muscovit,… - KV nửa trong suốt: thạch cao, sphalerit, thần sa,… - KV không trong suốt: pyrit, magnesit, graphit,… Ánh là khả năng phản xạ màu sắc của KV khi ánh sáng chiếu qua, có một số loại ánh đặc trưng: - Ánh thuỷ tinh: thạch anh, calcit,… - Ánh xà cừ: mica,… - Ánh kim cương, còn gọi là ánh ađamantin: kim cương, zircon, sphalerit,… - Ánh kim: là ánh của các kim loại điển hình như: pyrit, calcopyrit,… Ngoài ra còn có ánh mỡ: opal, talc,… 2.1.2.5. Tính cát khai Là tính chất đặc biệt của vật chất kết tinh. Tính cát khai là khả năng tinh thể KV hay hạt KV tách theo những mặt phẳng rất nhẵn theo phương hướng kết tinh nhất định khi chịu tác dụng của ngoại lực, mặt phẳng đó gọi là mặt cát khai. - Cát khai rất hoàn toàn KV dễ tách theo những phương hướng nhất định thành những lá mỏng, mặt cát khai trơn nhẵn, VD: mica, clorit, - Cát khai hoàn toàn lấy búa đập nhẹ lên KV chúng bị tách ra thành những mảnh nhỏ giống tinh thể mẹ, mặt cát khai tương đối nhẵn: calcit, galen,… - Cát khai trung bình khi bị tác dụng ngoại lực khó tách ra thành những mặt phẳng nhất định. Trên mặt vỡ của KV vừa thấy mặt cát khai vừa thấy vết vỡ, VD: pyroxen, amphybol,… - Cát khai không hoàn toàn KV vỡ không theo quy tắc nào, VD: thạch anh, … 2.1.2.6. Vết vỡ Dưới tác dụng của ngoại lực KV bị vỡ ra không theo bất kỳ phương hướng kết tinh nào mà thành vết lồi lõm trên bề mặt KV. - Vết vỡ phẳng: theo các mặt dễ tách. - Vết vỡ vỏ sò: trên mặt vết vỡ thường có những vòng đồng tâm giống vỏ sò, VD: thạch anh, opal, magnesit,… - Vết vỡ nham nhở (vết vỡ răng cưa) bề mặt vết vỡ lởm chởm, VD: đồng, bạc 7 - Vết vỡ dạng đất: Trên mặt vết vỡ có bột mịn như đất, VD: kaolinit - Vết vỡ dạng sợi: Vết vỡ có dạng mảnh như sợi, VD: asbest (albet),… 2.1.2.7. Độ cứng Là khả năng chống lại những tác dụng cơ học bên ngoài của KV. Có nhiều phương pháp đo độ cứng của KV như: khắc, vạch lên bề mặt KV. Để so sánh độ cứng của KV khác nhau, người ta thường dùng thang độ cứng tương đối của F. Mohs. Trong thang độ cứng Mohs, đầu nhọn của KV đứng sau có thể vạch lên tất cả KV đứng trước nó. Ngoài ra trong thực tế, khi đi thực địa có thể dùng mảnh kính độ cứng 5,5, lưỡi dao thép 6,5, móng tay 2,5,… để xác định nhanh chóng độ cứng của KV. 10 KV chuẩn trong thang độ cứng Mohs theo thứ tự từ mềm nhất (độ cứng 1) đến cứng nhất (độ cứng 10) 1. Talc 6. Orthorclas 2. Thạch cao 7. Thạch anh 3. Calcit 8. Topaz 4. Fluorit 9. Corindon 5. Apatit 10. Kim cương 2.1.2.8. Tỷ trọng Tỷ trọng của KV rất khác nhau, thông thường KV chia 3 loại - Loại nhẹ: có tỷ trọng < 2,5 như: thạch cao, graphit,… - Loại trung bình: tỷ trọng từ 2,5 – 4 như: calcit, thạch anh, corindon,… - Loại nặng: tỷ trọng > 4 như: pyrit, magnetit,… Ngoài những tính chất trên, KV còn có một số tính chất khác như sủi bọt với HCl 10%, tính đàn hồi, khả năng uốn cong hay dát mỏng,… Dựa vào những tính chất này người ta nhận biệt KV. 2.1.3 . Một số khoáng vật tạo đá chính. Theo thành phần hóa học: chia thành 8 lớp: Lớp 1 (silicat): Plagioclas (Na2O.Al2O3.6SiO2), orthoclas (K 2 O.Al2O3.6SiO2) … Lớp 2 (oxyt và hydroxyt): Thạch anh (SiO 2 ), Coridon (Al 2 O 3 )… Lớp 3 (carbonat): Calcit (CaCO 3 ), dolomit (CaMg(CO 3 ) 2 )… Lớp 4 (sulfat): Thạch cao (CaSO 4 .2H 2 O), Anhydrit (CaSO 4 )… Lớp 5 (sulfur): Pyrit (FeS 2 ), Calcopyrit (CuFeS2), galenit (PbS) Lớp 6 (phosphat): Apatit Ca5(F, Cl)(PO4)3 … Lớp 7 (halogenur): Halit (NaCl), Fluorit (CaF2) … Lớp 8 (nguyên tố tự sinh): Vàng (Au), kim cương (C) … 2.2. ĐÁ MẮC MA 2.2.1. Điều kiện thành tạo. Đá mắc ma được thành tạo do sự đông cứng của dòng dung nham mắc ma nóng chảy. Dung nham này là dung dịch silicat phun trào lên từ lòng đất. 8 Dựa vào đặc điểm phun trào và nguội lạnh, người ta chia ra: Đá mắc ma xâm nhập: được thành tạo trong điều kiện áp suất cao, đông cứng từ từ nên các khoáng vật dễ dàng kết tinh, tạo nên đá kết tinh hoàn toàn ở dạng khối, chặt xít (đá granit,…) Đá mắc ma phun trào: được thành tạo ngay trên mặt đất, trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp, nhiệt thoát nhanh, nên không thuận lợi cho việc kết tinh của các khoáng vật, do vậy đá thường ở dạng vô định hình, có nhiều lỗ rỗng như đá bazan, đá bọt. 2.2.2. Thành phần khoáng vật và tính chất xây dựng 2.2.2.1. Thành phần khoáng vật Thành phần khoáng vật của đá mắc ma gồm felspat (60%), Amphibol và Pyroxen (17%), thạch anh (12%), mica (4%). Dựa vào hàm lượng SiO2 người ta chia ra: - Mắc ma axit: hàm lượng SiO 2 >65% như đá granít, libarit… - Mắc ma trung tính : hàm lượng 55% < SiO 2 <65% như đá ddiorrit, syenit… - Mắc ma bazơ: hàm lượng 45% < SiO 2 < 55% như đá gabro, bazan… - Mắc ma siêu bazơ: hàm lượng SiO 2 < 45% như đá peridotit, dunit… 2.2.2.2. Tính chất xây dựng của đá mắc ma Đá magma gặp ở Điện Biên, Hoà Bình, Nghệ An, Kon Tum, Bình Định,… Các loại đá magma xâm nhập ít bị biến đổi, có độ bền lớn, khả năng chống thấm nước cao, thích hợp cho việc xây dựng các hồ chứa, đường hầm,… Các đá phun trào khả năng chịu lực kém hơn đá xâm nhập, dễ thấm nước hơn, nên không thích hợp cho việc làm nền các hồ chứa hay xây dựng các đường hầm. 9 Trong đá magma có các khe nứt nguyên sinh làm tăng mức độ phong hoá, giảm độ bền, tăng tính biến dạng, tăng thấm nước, vì vậy dùng đá magma làm nền công trình phải xem xét đến mức độ nứt nẻ, mức độ phong hoá của đá,… để tránh những sự cố có thể xảy ra đảm bảo cho công trình được ổn định khai thác lâu dài. Nhìn chung, đá magma thường có độ bền cao, dễ khai thác, dễ gia công nên được sử dụng rộng rãi làm nền, môi trường, vật liệu xây dựng, đá ốp lát, điêu khắc, một số làm vật liệu chịu lửa, chịu axit. 2.3. ĐÁ TRẦM TÍCH 2.3.1. Điều kiện thành tạo Các sản phẩm đất đá bị phá hủy do quá trình phong hóa, được gió vận chuyển đến nơi khác thấp hơn. Các sản phẩm này sẽ tích tụ, lắng đọng lại rồi được nén chặt hoặc được gắn kết với nhau, tạo thành đá trầm tích. 2.3.2. Thành phần khoáng vật và tính chất xây dựng 2.3.2.1. Thành phần khoáng vật Khoáng vật: ngoài các khoáng vật của đá gốc như thạch anh, mica, felspat… trong đá trầm tích còn có các khoáng vật thứ sinh. Chất gắn kết: các chất gắn kết đã gắn kết các mảnh vụn lại với nhau để tạo thành đá trầm tích. Thành phần và kiểu gắn kết ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cơ học của đá. 2.3.2.2. Tính chất xây dựng Đá trầm tích chỉ chiếm 5% khối lượng vỏ Trái đất, nhưng nó bao phủ 75% diện tích bề mặt Trái đất nên ảnh hưởng nhiều đến các công trình xây dựng. Đá trầm tích cơ học có khả năng chịu lực lớn, tuy nhiên đá phân lớp và trong đá thường có khe nứt sinh ra do sự vận động của Trái đất, do tác dụng của phong hoá, làm ảnh hưởng đến sức chịu tải của đá. Vì vậy, khi xây dựng công trình trên đá này cần phải nghiên cứu trạng thái, kiến trúc và cấu tạo của đá. Đá trầm tích hóa học có độ bền cơ học cao thích hợp cho việc làm nền công trình, nhưng một số đá có tính hoà tan, nứt nẻ, hang hốc do hoạt động karst nên khi xây dựng công trình phải quan tâm đến sự hình thành và phát triển karst trong quá trình xây dựng và khai thác công trình. Đá trầm tích hữu cơ thường yếu, dễ bị tan rã khi gặp nước, không thuận lợi để làm nền công trình. Như vậy, đá trầm tích có thể sử dụng làm vật liệu xây dựng như đá vôi (đá ốp lát, đá hộc, đá dăm, nung vôi, xi măng), đá cát kết, bột kết, sét kết (đá hộc, đá dăm), một số loại đá trầm tích hoá học và hữu cơ được khai thác sử dụng như khoáng sản (thạch cao, muối mỏ, điatomit, than đá,…). 2.4. ĐÁ BIẾN CHẤT 10 . nhằm cung cấp thông tin cần thiết phục vụ quá trình tính toán thiết kế và thi công các công trình giao thông, xây dựng, thủy lợi Môn học này đã được đưa vào chương trình đào tạo kỹ thuật công. chuyên ngành Xây dựng cầu đường bộ và ngành Xây dựng dân dụng và công nghiệp, trường Cao đẳng giao thông vận tải Miền Trung chủ trương biên soạn và in ấn tập tài liệu Giáo trình địa chất công. trình để lập ra quy hoạch các khu vực xây dựng công nghiệp và dân dụng hay để quy hoạch thủy lợi, giao thông. 1.1.2 Các phương pháp nghiên cứu địa chất công trình 1.1.2.1. Phương pháp địa chất học Đây