Cách nhận diện và phân loại đá cho người không chuyên Một số vấn đề liên quan tới Cơ học đá công trình

n diện và gọi tên đá theo nguồn gốc (dành cho người không  chuyên) • Một số vấn đề về cơ học đá trong xây dựng Chu trình hình thành các loại đá theo nguồn gốc Nén chặt và gắn kết (hình thành đá) Biến đổi do nhiệt độ và áp suất Nóng chảy Đá biến chất Nguội và đông cứng (kết tinh) Đá mắc ma Đá trầm tíchnhiệt độ & áp suất Phong hóa, vận chuyển và tích tụ trầm tích Nâng kiến tạo, phong hóa, vận chuyển và tích tụ Nhận diện các loại đá dựa vào các đặc trưng • Thành phần khoáng vật: đá được tạo nên bằng các thành phần gì,  hàm lượng của các thành phần • Cấu trúc (kiến trúc và cấu tạo): Đặc điểm của các phần tử hợp thành  (hình dạng, kích thước của các hạt và đặc điểm liên kết giữa các hạt)  • Thế nằm: tư thế của đá ở ngoài tự nhiên (kích thước, hình dạng của  khối đá và quan hệ với đá khác).  Khi nhận diện đá có thể dựa vào nhiều đặc trưng khác như độ cứng,  thế nằm, đặc điểm của sản phẩm phong hóa từ đá đó Phân loại đá mắc ma Mắc ma xâm nhập – đông cứng dung dịch magma dưới mặt đất Tốc độ nguội chậm  tinh thể hạt lớn, nhìn thấy được bằng mắt thường (kiến trúc hiển tinh) Mắc ma phun trào – đông cứng dung dịch magma trên mặt đất Tốc độ nguội nhanh  tinh thể hạt rất nhỏ, không nhìn thấy được bằng mắt thường (kiến trúc ẩn tinh), hoặc không hình thành tinh thể (kiến trúc thủy tinh) Tốc độ nguội và đông cứng quyết định khả năng kết tinh các thành  phần khoáng vật trong đá. Dung dịch magma nguội càng chậm  các hạt tinh thể khoáng vật hình thành càng lớn Đặc điểm chung của đá mắc ma • Thường cứng: do kv chủ yếu là  các khoáng vật nhóm silcat • Kiến trúc kiểu kết tinh. Các hạt  khoáng vật thường sắc cạnh,  nhìn bề ngoài các tinh thể  thường có các mặt phẳng  nhẵn, một số lấp lánh • Nếu kết tinh hạt lớn thì có  nhiều màu, các màu đan xen  kiểu “khảm” Kiến trúc hiển tinh Kiến trúc ban tinh Kiến trúc ẩn tinh Kiến trúc thủy tinh Đá xâm nhập Đá phun trào Đông cứng  rất nhanh Đông cứng  nhanh Mối liên hệ giữa điều kiện hình thành và đặc điểm kiến trúc và cấu tạo của đá mắc ma Phun trào Xâm nhập Kiến trúc thủy tinh, do quá trình nguội nhanh chóng Kiến trúc hạt vụn gắn kết (các mảnh vụn núi lửa) Kiến trúc ban tinh do magma đông nguội 2 giai đoạn (ban đầu nguội chậm ở dưới sâu, sau đó nguội nhanh khi tới độ sâu tương đối nông) Kiến trúc toàn tinh do magma đông nguội chậm dưới sâu Kiến trúc ẩn tinh do magma nguội và đông cứng nhanh Kiến trúc thủy tinh, do quá trình đông nguội nhanh chóng Đá xâm nhập vs Đá phun trào Đá xâm nhập Đá phun trào Nơi hình thành Dưới mặt đất Trên mặt đất Tốc độ giảm nhiệt  giảm nhiệt chậm Giảm nhiệt nhanh Kiến trúc Toàn tinh ẩn tinh, thủy tinh Kích thước hạt Lớn Nhỏ Ví dụ: Granite Rhyolite Diorite Andesite Gabbro Bazan Phân loại đá trầm tích • Trầm tích vụn keo kết: các mảnh vụn gắn kết • Trầm tích hóa học • Trầm tích sinh hóa Đặc điểm nhận diện chung: Có cấu tạo phân lớp Kiểu kiến trúc xi măng gắn kế các hạt vụn Kiểu kiến trúc kết tinh Có hóa thạch, hữu cơ Trầm tích vụn gắn kết (trầm tích cơ học) Đá được hợp thành bởi các hạt vụn, tên đá gọi kiến trúc (theo kích thước hạt vụn) 2+ mm 2 mm 1/16 mm 1/256 mm Cát kết chụp qua kính hiển vi. Cả hạt vụn và xi măng gắn kết đều là thạch anh. Trái: hình chụp thực  tế; Phải: phân tích ảnh : các hạt vụn và xi măng. Source: Karla Panchuk (2018) CC BY 4.0 modified  after Woudloper, Public Domain view source Cuội kết vs Dăm kết Cát kết Bột kết Sét kết và đá sét phiến Quy luật chung: Hạt càng nhỏ, sờ càng mịn; Độ cứng giảm dần 300.webp Đá trầm tích hóa học– vô cơ, không phải là đá mảnh vụn, hình thành do quá trình kết tủa hoặc bốc hơi Trầm tích silic Đá vôi, đá Đolomit Đá muối Đá thạch cao Trầm tích sinh hóa Đá trầm tích sinh hóa– hình thành từ xác sinh vật. Từ xác động vật Các vỏ sò gắn kết Từ xác thực vật Nhận diện ngoài hiện trường • Đá thường có tính phân lớp Đá biến chất • hình thành do quá trình biến đổi từ đá có trước bởi nhiệt độ  và áp suất • Do nhiệt độ  thay đổi kiến trúc đá ban đầu  kiến trúc kết tinh  (biến tinh) • Do áp suất : các hạt của đá có xu thế bị biến dạng  các hạt dạng  tấm, vảy, dạng kim  cấu tạo phân phiến Dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất: Các hạt khoáng vật thay  đổi hình dạng (chuyển sang dẹt), thay đổi kích thước (lớn hơn),  định hướng và sắp xếp lại, có thể hình thành khoáng vật mới do  phản ứng hóa học.  Tác dụng của áp lực làm thay đổi kiến trúc và  cấu tạo ‐ cấu tạo phân phiến • Cấu tạo không phân phiến • Cấu tạo phân phiến Trước khi bị biến chất Sau khi bị biến chất Các dạng cấu tạo của đá biến chất Đá sét kết ‐ trầm  tích) kiến trúc  hạt sét Đá phiến bảng Kiến trúc hạt rất  nhỏ, dạng vảy Đá phiến  Kiến trúc hạt  trung bình đến  lớn (có thể nhìn  thấy) Đá Gneiss  (Gơ nai)  Kiến trúc biến  tinh Cấu tạo phân phiến Cấu tạo dải Cấu tạo không  phân phiến ` Đá trầm tích Đá biến chất có do yếu tố áp lực Đá biến chất chỉ do nhiệt https://opengeology.org/textbook/6‐metamorphic‐rocks/ https://opengeology.org/textbook/6‐metamorphic‐rocks/ Dấu hiệu nhận biết ngoài hiện trường Các đá có cấu tạo phiến ‐cycle/foliated‐ metamorphic‐rocks Các mức độ biến chất Mức độ biến chất rất thấp thấp trung bình cao Khoảng nhiệt độ 150‐300°C 300‐450°C 450‐550°C Above 550°C Đá ban đầu Sét bột kết Đá phiến bảng phyllite Đá phiến Gơ nai (gneiss) Granite Không thay đổi Không thay đổi Không thay đổi Granit Gơ nai Basalt Phiến clorite Phiến clorite Amphibolite Amphibolite Sandstone Không đổi Biến đổi ít quartzite quartzite Limestone Ít thay đổi Đá hoa Đá hoa Đá hoa Nguồn: https://opentextbc.ca/geology/chapter/7‐2‐ classification‐of‐metamorphic‐rocks/ Tên đá Kiến trúc & Cấu tạo Cỡ hạt Đặc điểm Đá gốc Rất nhỏ nhỏ Vừa đến to Vừa đến to Vừa đến to Vừa đến to Nhỏ P h â n p h i ế n K h ô n g p h â n p h i ế n Đá dễ tách, bề mặt phân tách nhẵn và mờ Mica chiếm ưu thế, phân phiến dạng vảy Đá tách vỡ theo bề mặt gợn sóng, bề mặt phân tách nhìn láng bóng Cấu tạo phân dải do sự phân tách khoáng vật Các hạt calcite, dolomit cài móc vào nhau Các hạt thạch anh biến dạng do nóng chảy, cấu tạo khối cứng chắc Đá hưu cơ đen bóng, có thể vỡ dạng vỏ sò Sét kết dạng phiến, đá cát bột kết, bột kết Đá phiến lợp (đá phiến bảng) Đá phiến phylit Đá phiến lợp Đá phiến Phylit Đá phiến Gơ nai Đá hoa Quartzit Than anthasit Đá phiến, granit, các đá mắc ma Đá vôi, dolomit Cát kết thạch anh Than nâu M ứ c độ biến chất tăng Bảng phân loại – gọi tên đá biến chất Đặc điểm chung của đá biến chất • Thường cứng, chặt xít • Cấu tạo phiến, phân thớ • Các loại đá phiến dễ phân tách, dễ bị phong hóa, dễ trượt theo các mặt phiến • Các hạt khoáng vật có dạng tấm, dạng que Dựa vào đặc điểm kiến trúc Kiến trúc hạt kết tinh Cấu tạo đồng nhất Cứng Hạt nhỏ, đồng  nhất Aplite/diabase Kích thước không đồng nhất, hạt to  lẫn hạt nhỏ hoặc rất nhỏ Rhyolite, Latite, Andesite, Basalt Hạt thô, đều hạt Pecmatite, granite, Granodiorite, Diorite, Gabbro, Peridotite Nửa cứng tới mềm Các đá trầm tích hóa học hoặc biến chất nhiệt Theo TP  khoáng vật Canxit Đá vôi Canxit & dolomit Dolomit Halit Đá muối Thạch cao Thạch cao Anhydrit Anhydrit Canxit & dolomit, chặt Đá hoa Cấu tạo không đồng nhất Hạt dạng que song  song, không có mica Đá phiến  Amphibole Phân dải sáng màu và tối màu Gneiss Khoáng vật dạng tấm, vảy  song song Đá phiến mica liên tục : Đá phiến mica Đá phiến clorite (Đá phiến lục) Kiến trúc không thấy hạt Cấu tạo đồng nhất Cứng  có dấu hiệu  mắc ma  Phân theo màu sắc: đá magma felsic hay mafic không có dấu hiệu mắc ma Có dấu hiệu phong hóa cầu Sét kết, bột kết Có tính hòa tan ĐÁ VÔI hạt mịn Mềm Cấu tạo  dị  hướng Cấu tạo phân lớp dễ tách Sét kết phân phiến Ánh thủy tinh, vết vỡ vỏ sò Sét kết silic, đá phiến silic Đá có thớ, phiến Không có mica: Đá phiến sét Có mica: Đá phiến phylite Kiến trúc hạt vụn  gắn kết Phân theo kích thước nhóm hạt chủ yếu Chủ yếu hạt cuội sỏi Cuội kết Chủ yếu hạt dăm Dăm kết Chủ yếu hạt cát Cát kết  Chủ yếu hạt cát và tro núi lửa Tuff Nguồn: Goodman (1989) Một số vấn đề cơ học đá trong xây dựng • Các thông số cơ học của đá và khối đá • Móng trên nền đá • Ổn định mái dốc đá • Tính toán đá rơi, đá lăn (optional) Bài toán ổn định của công trình đối với đá Có thể  trượt dọc  khe nứt  không? có không Khối đá nứt nẻ mạnh Đá liền khối, mềm yếu Trượt theo mặt khe nứt Trượt trên mặt khe nứt giao nhau Sử dụng độ bền khe nứt Sử dụng độ bền khối đá 32 Các đặc điểm khối đá 33 Khối đá Vật liệu đá Tp Khoáng  vật Kiến trúc,  cấu tạo  Các khe  nứt Tính chất  khe nứt Dạng phân  bố khe nứt Mật độ  khe nứt 34 A. Loại đá E. Thế nằm khe nứt M. Nước khe nứt L. Kích thước &  hình dạng thỏi đá L. Độ nhám D. Loại khe nứt (mặt lớp, đứt gãy) H. vật liệu lấp nhét,  bề dày B. Độ bền mặt khe nứt J. Mức độ liên tục/chiều dài của khe nứt I. Khoảng cách giữa các khe nứt K. Số hệ khe nứt B,  J1, J2 Khảo sát khối đá 35 Xác định các thông tin đặc  điểm khối đá • Thông tin về mức độ nứt  nẻ • Thông tin về mức độ  phong hóa • Thông tin về nước trong  khối đá  • V.v... Một số phương pháp phân loại • Chỉ số RQD • Phương pháp của Bieniawski: chỉ số RMR (Rock Mass Rating); chỉ số SMR • Phương pháp của Barton - NGI (Norway Geotechnical Institute) - chỉ số Q / Hệ thống Q (Q System); Q-slope • Phương pháp của Hoek và Brown: chỉ số độ bền GSI (geological strength index) Phân loại khối đá 36 Ví dụ • Vb: kích thước các thỏi đá • Jc=độ bền khe nứt 10 mặt khe nứt điển hình có độ nhám bề mặt tăng dần (Barton and Choubey, 1977 ) Đánh giá khả năng mất ổn định mái dốc bằng phương pháp chiếu cầu 41 Trượt phẳng  Đinh mái dốc Vòng tròn lớn biểu  diễn bề mặt mái dốc Hướng trượt Vòng tròn lớn biểu diễn mặt trượt ứng  với tâm của các điểm cực Trượt nêm Đinh mái dốc Vòng tròn lớn biểu  diễn bề mặt mái dốc Hướng trượt Vòng tròn lớn biểu diễn mặt trượt ứng  với tâm của các điểm cực Độ bền khe nứt tự nhiên 42 Độ bền đỉnh Thí nghiệm cắt đối với khe nứt Các tiêu chuẩn phá hủy Độ bền dư JRC= hệ số độ nhám khe nứt JCS= độ bền kháng nén của đá ở bề mặt khe  nứt r = góc ma sát dư Nguồn: Barton (2013) 2. Độ bền khe nứt 43 Các tiêu chuẩn bền đối với khe nứt: (1) Mohr-Coulomb (2) Patton (3) Barton - Bandis JRC= hệ số độ nhám khe nứt JCS = Độ bền thành khe nứt r=Goc ma sát dư của khe nứt JRC JRS theo TN bật này Schmidt 2. Sức chịu tải của nền 44 S ứ c c h ị u t ả i c h o p h é p q a ( M P a ) Chỉ số RQD Lưu ý: lấy qa < c với c là độ bền nén của mẫu đá Tính sức chịu tải  cho phép của nền đá theo chỉ số RQD Sức chịu tải của móng theo tcvn_9362_2012 45 Móng nông: Sức chịu tải của móng theo TCVN 10304:2014 • Với móng cọc Rc,u = c qb Ab (kN) Trong đó: • c là hệ số điều kiện làm việc của cọc trong nền, c =1; • Ab là diện tích tựa cọc trên nền • qb là cường độ sức kháng của nền dưới mũi cọc chống; • Đối với cọc đóng hoặc ép, tựa trên nền đá và nền ít bị nén, qb = 20Mpa) • Đối với cọc đóng hoặc ép nhồi, khoan nhồi và cọc ống nhồi bê tông tựa  lên nền đá không phong hóa, hoặc nền ít bị nén 46 g n,m,c mb R Rq  Trong mọi trường hợp giá trị qb không lấy quá 20MPa. ) d l 4,01(Rq f d mb  Chiều sâu ngàm <0,5m Chiều sâu ngàm 0,5m Rc,m,n – độ bền chịu nén một trục tiêu chuẩn của khối đá trong trạng thái no nước ld là chiều sâu ngàm cọc vào đá; df là đường kính ngoài của phần cọc ngàm vào đá. Giá trị của )d l 4,01( f d lấy không quá 3 Sức chịu tải của móng theo TCVN 10304:2014 • Xác định sơ bộ giá trị tiêu chuẩn độ bền chịu nén một trục của khối đá trong trạng thái no nước (bão hòa) Rc,m,n = Rc,n K • Độ bền nén một trục • K = hệ số xét sự có mặt của các khe nứt, tra theo RQD (Bảng 1) 47 Cảm ơn mọi người đã theo dõi!