Dầu khí, địa chất - Chương 2: Những nguyên tắc chung để nghiên cứu và phân loại đất đá trong địa chất công trình

Chương 2 NHỮNG NGUYÊN TẮC CHUNG ĐỂ NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT ĐÁ TRONG ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH 1. Đất đá làm nền • Trong thực tiễn xây dựng, đất đá được sử dụng làm nền thiên nhiên, môi trường hoặc vật liệu xây dựng cho các loại công trình. Vì vậy, nghiên cứu đất đá trong ĐCCT đều nhằm nghiên cứu độ bền, mức độ biến dạng, độ ổn định và độ ngấm nước của chúng dưới tác dụng của các quá trình tự nhiên. • Độ bền là tính chất của đất đá chống lại sự phá hoại dưới tác dụng của tải trọng. • Mức độ biến dạng được đặc trưng bằng sự thay đổi hình dạng kết cấu và thể tích của đất đá; • Độ ổn định là khả năng đất đá giữ nguyên được trạng thái vật lý, độ bền hoặc sự cân bằng cho trước dưới tác dụng của các lực khác nhau (phong hóa, trọng lực); • Độ ngấm nước – tính chất cho nước ngấm qua. • • Những tính chất quan trọng nêu trên là do điều kiện lịch sử tự nhiên hình thành chúng (tức điều kiện thế nằm, thành phần, kiến trúc, cấu tạo và trạng thái vật lý) quyết định, cho nên việc nghiên cứu đất đá trong ĐCCT cần phải mang tính chất thạch học. • Quan điểm nghiên cứu đất đá trong ĐCCT như vậy còn do đất đá trong vỏ Trái Đất thường xuyên bị biến đổi đáng kể dưới tác dụng của các quá trình địa chất tự nhiên (sinh đá, biến chất, phá hủy kiến tạo, khe nứt, phong hóa …)  do vậy nghiên cứu thạch học trong ĐCCT khác với thạch học chính thống. • Cũng cần xét tới các yếu tố nhân tạo phát sinh khi xây dựng công trình như khi đào hố sâu, khai thác ngầm trong đất, khi dỡ tải và làm giảm độ chặt, khi tác dụng tải trọng và nén chặt thêm, tháo khô, làm thay đổi độ ẩm, tăng hay giảm ảnh hưởng của nước dưới đất, thay đổi chế độ nhiệt của đất đá … Phương hướng nghiên cứu ĐCCT đòi hỏi: 1. Nghiên cứu chi tiết toàn bộ mặt cắt đất đá trong phạm vi đới chịu nén dưới tác dụng của công trình hoặc trong phạm vi ảnh hưởng của nó. 2. Tách trong mặt cắt ra tất cả những loại đất đá có các dấu hiệu thạch học và chất lượng xây dựng khác nhau nhiều, không kể chiều dày và sự phân bố của chúng. Đặc biệt lưu ý tách các loại đất yếu theo quan điểm xây dựng. 3. Nghiên cứu không riêng gì các dấu hiệu thạch học của đất đá mà cả trạng thái vật lý và các tính chất cơ lý của chúng. 4. Nghiên cứu đất đá ở trạng thái tự nhiên với kết cấu và độ ẩm tự nhiên, trong điều kiện sũng nước… Trong những trường hợp đất đá được sử dụng làm vật liệu xây dựng thì có thể nghiên cứu chúng trong tình trạng kết cấu bị phá hoại. 5. Xét đến và phát hiện sự thay đổi thành phần, trạng thái và tính chất đất đá dưới tác dụng của công trình và dự báo những biến đổi đó, 6. Aùp dụng rộng rãi các phương pháp chuyên môn ở trong phòng và ngoài trời để nghiên cứu tính chất của đất đá kể cả những phương pháp mới còn chưa ứng dụng trong địa chất. 7. Tuân theo một trình tự nhất định trong việc nghiên cứu đất đá. Khái niệm đất nền: Mọi loại đất đá bị khai đào, làm hố móng, làm vật liệu xây dựng nền đường, đê, đập đất, hoặc nằm trong phạm vi tác dụng của công trình và các biện pháp xây dựng thường được gọi là đất nền. Tuy nhiên có nhiều quan điểm khác nhau. Theo N.M. Filatov – đất nền là những tầng dưới lớp mặt của các loại đất đá khác nhau, nằm trong đới vỏ phong hóa hiện đại. Theo K.I. Lukasev – đất nền là những sản phẩm vỡ vụn rời xốp của đá phun trào và biến chất hợp thành vỏ phong hóa của thạch quyển. V.K. Đmokhovski – đất nền là tất cả đất đá hợp nên phần trên của vỏ trái đất khi chúng được sử dụng để làm nền cho các công trình bên trên. 2. Phân loại đất đá trong địa chất công trình • Phân loại đất đá trong ĐCCT cũng là một phương tiện và phương pháp nhận thức chúng. Phân loại cần thiết cho những mục đích sau: 1. Để phân chia toàn bộ tính chất đa dạng của đất đá gặp trong thiên nhiên ra thành từng nhóm khác biệt theo các dấu hiệu về nguồn gốc và thạch học và chất lượng xây dựng, để khi dùng bảng phân loại có thể đánh giá được sơ bộ đất đá về mặt ĐCCT 2. Để lập các bản đồ, mặt cắt và sơ đồ ĐCCT; 3. Để xác định thành phần, khối lượng, phương pháp và phương hướng nghiên cứu đất đá về mặt ĐCCT; 4. Để lựa chọn phương pháp cải thiện các tính chất của đất đá • Có hệ thống phân loại chuyên môn và tổng quát. • Các hệ thống phân loại chuyên môn nhằm đáp ứng yêu cầu trong một lĩnh vực nào đó của công tác xây dựng. Các hệ phân loại này thường dựa vào một dấu hiệu nào đó của đất đá và trong trường hợp đó thường phân chia đất đá ra tương đối chi tiết. • Các hệ thống phân loại tổng quát được sử dụng vào các lĩnh vực xây dựng khác nhau, có xét tới một số hoặc nhiều dấu hiệu của đất đá. Trong các hệ phân loại này thường phân biệt tất cả các loại đất đá thông dụng nhất và nhận xét chúng về mặt xây dựng ở mức độ chi tiết nào đó. Dĩ nhiên, hệ phân loại tổng quát kém tỉ mỉ hơn so với phân loại chuyên môn. • Vì vậy, hệ phân loại chuyên môn gần như là bổ sung cho hệ phân loại tổng quát. • Trong các hệ phân loại chuyên môn thì thông dụng nhất là những hệ sau: 1. Phân loại theo sự ổn định của đất đá ở mái dốc dùng trong thiết kế xây dựng đường đắp, đường đào, đê thấp và những công trình bằng đất thông qua góc mái dốc tự nhiên; 2. Phân loại theo khả năng chịu tải của đất đá được sử dụng khi thiết kế và xây dựng móng công trình. 3. Phân loại theo biện pháp và khả năng khai thác đất đá được sử dụng khi thực hiện các công việc làm đất khác nhau vì loại đất quyết định giá thành 1m3 công tác này. 4. Phân loại theo độ kiên cố của đất đá (đặc trưng bởi sức chống lại lực phá hoại) dùng trong công tác mỏ. 5. Phân loại theo mức độ ngấm nước hoặc hấp thụ nước Trong những hệ thống phân loại tổng quát có các phân loại của N.N. Maxlov, E.M. Xergeev và F.P. Xavarenski. * Phân loại của N.N. Maxlov •Đất đá Lôùp ñaù cöùng Lôùp ñaù nöûa cöùng Lôùp ñaát rôøi Lôùp ñaát loaïi seùt Lôùp ñaát bò neùn luùn nhieàu •Nhóm chịu nước •Nhóm chịu nước •Nhóm chịu nước •Nhóm chịu nước •Nhóm chịu nước •Nhóm không chịu nước •Nhóm không chịu nước •Nhóm không chịu nước •Nhóm không chịu nước •Nhóm không chịu nước Bảng II.2. Phân loại tổng quát đất đá (E.M. Xergeev) Lôùp Nhoùm Phuï nhoùm Ñaù coù lieân keát cöùng acmaM Saâu (xaâm nhaäp) Noâng ( Phun traøo) Bieán chaát Bieán chaát khu vöïc Bieán chaát tieáp xuùc Traàm tích ñöôïc gaén keát Hoøn to ñöôïc gaén keát Haït nhoû ñöôïc gaén keát Loaïi seùt vaø loaïi buïi ñaõ hoùa cöùng Traàm tích hoùa hoïc vaø sinh hoùa ilitS Saét acbonatC ulfatS aloitH Bảng II.2. Phân loại tổng quát đất đá (E.M. Xergeev) (tiếp theo) Lôùp Nhoùm Phuï nhoùm Ñaù khoâng coù lieân keát cöùng Ñaát loaïi seùt vaø loaïi buïi seùt Seùt Hoaøng thoå Ñaát hoøn maûnh khoâng gaén keát Hoøn maûnh to Caùt Ñaát Maët Ñaát Maët Thuoäc töøng ñôùi Trung gian giöõa caùc ñôùi Ñaát nhaân taïo Ñaát nhaân taïo Caùc taàng vaên hoùa Phuø sa Ñaép Do con ngöôøi caûi taïo Do con ngöôøi laøm xấu ñi 3. Cơ sở phân loại đất đá theo địa chất công trình • Dấu hiệu địa chất tự nhiên để phân chia đất đá là nguồn gốc. Do vậy ta có đá macma, biến chất, trầm tích. • Mỗi kiểu nguồn gốc đều có những dấu hiệu và tính chất đặc trưng riêng; • Dấu hiệu và tính chất đó là: • 1. Thành phần khoáng vật; • 2. Kiến trúc, cấu tạo; • 3. Điều kiện thế nằm; • 4. Trạng thái vật lý và tính chất cơ lý. • Có thể hợp nhất các kiểu nguồn gốc và thạch học khác nhau của đất đá thành những nhóm theo các t/c cơ lý. • Căn cứ theo t/c cơ lý có thể chia thành 5 nhóm sau: • 1. Đá rắn chắc (đá cứng); • 2. Đá tương đối rắn chắc (đá nửa cứng); • 3. Đất rời xốp; • 4. Đất mềm dính; • 5. Đất đá có thành phần, trạng thái và t/c đặc biệt • Trong cách phân loại này (Phân loại Xavarenski được Lomtadje sửa đổi và bổ sung) nhận thấy có sự thay đổi chất lượng xây dựng từ nhóm 1 tới nhóm 5, có sự mất đi một số dấu hiệu và tính chất, xuất hiện một số dấu hiệu và tính chất mới. • Đá cứng là loại hoàn hảo nhất về mặt xây dựng. Độ bền và độ ổn định cao, độ biến dạng và độ ngấm nước bé; • Đá nửa cứng có độ bền và độ ổn định thấp hơn, độ biến dạng và độ ngấm nước cao hơn. Chúng bị nứt nẻ nhiều hoặc có hang hốc, không đồng nhất và có tính dị hướng rõ rệt; • Đất rời xốp và mềm dính có độ bền và độ ổn định thấp, độ biến dạng lớn, một số ngấm nước mạnh. Chúng chủ yếu có tuổi đệ Tứ. • Đất đá có thành phần, trạng thái và tính chất đặc biệt thông thường yếu về mặt xây dựng. (Xem 2.1) • (Xem bảng II.3 sách “Thạch luận công trình” Lomtadje)