Giáo trình Cơ lý đá

Chia sẻ: dinhquanghieu

Cơ lý đá là môn khoa học lý thuyết và ứng dụng, với các đối tượng nghiên cứu bao gồm đá và khối đá. Đồng thời cơ lý đá là một lĩnh vực của cơ học, nghiên cứu các biểu hiện cơ học, vật lý của đá và khối đá dưới tác dụng của các trường vật lý khác nhau.

Bạn đang xem 20 trang mẫu tài liệu này, vui lòng download file gốc để xem toàn bộ.

Nội dung Text: Giáo trình Cơ lý đá

 

  1. Giáo trình Cơ lý đá - 1 -
  2. Mục Lục Bài mở đầu ....................................................................................................- 1 - 1. Khái niệm ..............................................................................................- 3 - 2. Nhiệm vụ của cơ học đá và phương pháp nghiên cứu ........................- 3 - 3. Vai trò của cơ học đá trong lĩnh vực xây dựng mỏ và công trình ngầm- 4 - Chương 1. đại cương về đá và khối đá ........................................................- 5 - 1.1. Đá .....................................................................................................- 5 - 1.1.1.Khái niệm......................................................................................- 5 - 1.1.2. Thành phần vật chất ....................................................................- 5 - 1.1.3. Đặc điểm cấu trúc ........................................................................- 6 - Chương 2. Tính chất cơ lý của đất đá ....................................................... - 15 - 2.1. Tính chất vật lý ................................................................................ - 15 - 2.1.1. Các đặc trưng vật lý cơ bản của đá............................................- 15 - 2.1.2. Tính chất âm học của đá ........................................................... - 17 - 2.1.3. Tính chất nhiệt động lực học ..................................................... - 23 - 2.2.4. Tính chất điện từ của đá ............................................................ - 31 - 2.2. Tính chất cơ học...............................................................................- 40 - 2.2.1. khái niệm ................................................................................... - 40 - 2.2.2. Các dạng phá hủy ......................................................................- 42 - 2.3.3. Các loại độ bền ..........................................................................- 44 - Câu hỏi ôn tập..................................................................................... - 47 - - 2 -
  3. Bài mở đầu 1. Khái niệm Cơ lý đá là môn khoa học lý thuyết và ứng dụng, với các đối tượng nghiên cứu bao gồm đá và khối đá. Đồng thời cơ lý đá là một lĩnh vực của cơ học, nghiên cứu các biểu hiện cơ học, vật lý của đá và khối đá dưới tác dụng của các trường vật lý khác nhau. Các vấn đề cơ bản liên quan với cơ lý đá trong lĩnh vực khai thác mỏ và xây dựng công trình ngầm như sau: - Phá vỡ, tách bóc khối đá; - ổn định công trình ngầm, bờ dốc, nền đá; - Sự cố, tác động nguy hại đến công trình; Đối tượng nghiên cứu trong cơ lý đá được phân chia ra hai nhóm là đá và khối đá xuất phát từ những đặc điểm riêng của chúng, liên quan với các phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật nghiên cứu và những yêu cầu ứng dụng thực tế. Quá trình biến đổi cơ học: Trong và sau khi thi công các công trình lên trên hoặc vào trong khối đá sẽ có những biến đổi cơ học nhất định trong khối đá - Thay đổi điều kiện chất tải trong khối đá; - Hình thành trạng thái ứng suất, biến dạng mới; - ứng suất có thể vượt quá độ bền (khả năng chịu tải); - Có thể gây mất ổn định do cấu trúc (rơi, trượt các khối nứt); - Cần hay không cần sử dụng các giải pháp bảo vệ, chống giữ; Khác với một số lĩnh vực cơ học kỹ thuật trong cơ học đá không phải lúc nào cũng coi phá huỷ là nguy hiểm, tác hại cần phải loại trừ, mà trong nhiều trường hợp phải chấp nhận, phải tìm cách sử dụng, điều khiển cho có lợi, đặc biệt trong khai thác mỏ và xây dựng công trình ngầm. 2. Nhiệm vụ của cơ lý đá và phương pháp nghiên cứu Nhiệm vụ chính của cơ lý đá là: - Nghiên cứu các tính chất cơ học của đá và khối đá; - Nghiên cứu các hiện tượng biến đổi hay các quá trình biến đổi cơ học khi đá và khối đá chịu tác động kỹ thuật nhân tạo; - Nghiên cứu các tính chất vật lý đá. Do những đặc điểm phức tạp của đối tượng nghiên cứu và các vấn đề cần nghiên cứu nên cho đến nay, để thực hiện được các nhiệm vụ này, cơ học đá đã phát triển cũng như đã áp dụng nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau. Các tính chất cơ học của đá, khối đá được nghiên cứu bằng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường hay tại chỗ bằng cách gây các tác - 3 -
  4. động cơ học lên mẫu đá (trong phòng thí nghiệm), khối đá (tại hiện trường) trong những điều kiện cho phép và ghi nhận lại các hiện tượng, các biểu hiện biến đổi của mẫu, cho phép có được nhận định về các tính chất cơ học của chúng. Trên cơ sở đó sẽ xây dựng được các mô hình cơ học về đá cũng như khối đá, bao gồm mô hình biến dạng, mô hình phá huỷ. Các hiện tượng hay các quá trình biến đổi cơ học được nghiên cứu, ghi nhận bằng nhiều cách khác nhau, bao gồm: - Nghiên cứu lý thuyết: hình thành các sơ đồ bài toán cơ học với các điều kiện biên, điều kiện ban đầu và các mô hình cơ học xác định, sau đó giải các bài toán đã được xây dựng bằng phương pháp giải tích hay phương pháp số; - Nghiên cứu trên mô hình: xây dựng các các mô hình vật chất mô phỏng khối đá với các công trình xây dựng (mô hình vật liệu tương đương, mô hình quang ứng suất...) và nghiên cứu các diễn biến trên mô hình theo các nguyên lý tương đương về hình học, vật lý; - Nghiên cứu qua đo đạc, quan trắc tại hiện trường bằng các phương pháp của nhiều lĩnh vực khác nhau như trắc địa, địa vật lý, kỹ thuật đo lường. 3. Vai trò của cơ học đá trong lĩnh vực xây dựng mỏ và công trình ngầm Ngoài những công trình được triển khai phục vụ công tác khai thác khoáng sản, trên thế giới và Việt Nam, ngày càng có nhiều công trình quan trọng, có quy mô lớn được tiến hành xây dựng trên mặt đất (nhà, đập nước, cầu đường, sân bay...) hoặc vào trong lòng đất (các đường hầm, các hầm trạm ngầm, nhà máy thuỷ điện ngầm…). Các vùng nhất định của vỏ trái đất trở thành nền đón đỡ các công trình trên mặt đất, hoặc trở thành không gian tiếp nhận các công trình ngầm. Nói chung khi tiến hành xây dựng các công trình, có hàng loạt vấn đề cơ học cần giải quyết nhằm: - Nâng cao hiệu quả của công tác khai đào; - Đảm bảo tính bền vững và ổn định lâu dài của công trình; - Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị trong khi xây dựng và trong quá trình sử dụng, vận hành, khai thác công trình; - Thoả mãn các yêu cầu về kinh tế, xã hội; Các vấn đề cơ học cần giải quyết trong lĩnh vực xây dựng cũng tương tự như trong lĩnh vực khai thác khoáng sản, song với mức độ yêu cầu thường khắt khe hơn. Cũng vì thế, công tác chuẩn bị thi công xây dựng công trình thường đòi hỏi phải tiến hành nghiên cơ học đá chi tiết hơn và đầu tư kinh phí nhiều hơn so với lĩnh vực khai thác khoáng sản. Thực tế có nhiều trường hợp, công tác nghiên cứu cơ học đá còn tốn kém hơn so với chính công tác thiết kế, quy hoạch các công trình đó. - 4 -
  5. Chương 1. đại cương về đá và khối đá 1.1. Đá 1.1.1.Khái niệm Trong cơ học đá, đá được hiểu là mẫu đá, cục đá hoặc phần đá rắn cứng được bao quanh bởi các mặt phân cách (khối nứt) trong khối đá. Vì vậy, đá còn được hiểu với nghĩa hẹp là đá liền khối hay đá nguyên vẹn. Kích thước của chúng thường chất cơ học của không quá 50 cm. Các tính chúng cứu trong phòng thí nghiệm. Theo quan điểm của môn sức bền vật liệu, đá có thể được chủ yếu được nghiên hiểu theo nghĩa vật liệu đá. Hình 1.1. Mẫu đá 1.1.2. Thành phần vật chất Đá là tập hợp các khoáng vật. Trong các loại đá khác nhau, các khoáng vật tồn tại ở dạng các tinh thể khoáng vật hoặc mảnh vỡ khoáng vật, tuỳ thuộc vào nguồn gốc cũng như điều kiện thành tạo của chúng. Mỗi loại khoáng vật có thành phần vật chất nhất định (các nguyên tố hay hợp chất hoá học hình thành và tồn tại tự nhiên) và chính các khoáng vật liên kết với nhau tạo nên đá do đó khoáng vật được coi là các phần tử cấu trúc của đá. Một loại đá có thể bao gồm từ một hay nhiều loại khoáng vật, do vậy thành phần vật chất của đá được đánh giá qua hàm lượng các loại khoáng vật có trong đá. Hàm lượng của mỗi loại khoáng vật thường được tính theo tỷ lệ phần trăm (%) hay tỷ phần đơn vị (thập phân) của trọng lượng, thể tích hay diện tích của loại khoáng vật đó trong đá. Theo hàm lượng khoáng vật có trong đá, đá được phân biệt thành đá đơn khoáng và đá đa khoáng. Đá chỉ bao gồm từ một loại khoáng vật được gọi là đá đơn khoáng. Đá bao gồm từ hai hay nhiều loại khoáng vật gọi là đá đa khoáng. - 5 -
  6. 1.1.3. Đặc điểm cấu trúc Đặc điểm cấu trúc của đá bao gồm tất cả các dấu hiệu phản ánh hình dạng, kích thước các phần tử cấu trúc, mối liên kết giữa các phần tử cấu trúc, quy luật sắp xếp và quy luật phân bố phần tử cấu trúc. - Kích thước các phần tử cấu trúc của đá là đại lượng mang ý nghĩa thống kê, được định nghĩa bằng kích thước hạt trung bình phân tích trên lát mỏng. Hầu hết các phần tử cấu trúc của các loại đá có kích thước nằm trong khoảng 10 4 10 2 mm. Tuy nhiên trên thế giới cũng đã tìm được một số tinh thể khoáng vật có kích thước lớn hơn như thạch anh, xpôđunmen, nhưng đó chỉ là những trường hợp không phổ biến. - Hình dạng các phần tử cấu trúc của đá rất đá rất phức tạp, một mặt bị chi phối bởi cấu trúc mạng tinh thể của các nguyên tố, các hợp chất hóa học của các khoáng vật, mặt khác chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện thành tạo. Để cho đơn giản có thể chia ra làm ba nhóm là các phần tử cấu trúc dạng đều, dạng thanh và dạng tấm. Các phần tử cấu trúc theo ba phương gần như bằng nhau được xếp vào nhóm dạng đều (hay đều cạnh). Phần tử cấu trúc dạng thanh nếu như kích thước theo một phương nào đó lớn hơn hẳn so với kích thước theo hai phương khác. Phần tử cấu trúc dạng tấm nếu như kích thước theo một phương nào đó nhỏ hơn hẳn so với kích thước theo hai phương khác. Các phần tử cấu trúc của các đá trầm tích cơ học thường là các mảnh vỡ của các khoáng vật (gây ra do phong hoá vật lý, cơ học). Tuỳ thuộc vào quãng đường vận chuyển của các mảnh vỡ từ vị trí bị phá huỷ đến vị trí lắng đọng mà các phần tử cấu trúc có thể có dạng tròn cạnh nếu các mặt vỡ lồi và tròn (ví dụ như cuội kết), hoặc có dạng góc cạnh nếu các mặt vỡ lồi lõm và sắc cạnh (ví dụ như đá dăm kết). Hình 1.2. Hình dạng phần tử cấu trúc của đá - 6 -
  7. - Mối liên kết giữa các phần tử cấu trúc tạo đá phụ thuộc vào điều kiện thành tạo của đá và có thể được phân chia thành mối liên kết trực tiếp và mối liên kết gián tiếp. Về bản chất vật lý, mối liên kết trực tiếp có thể có dạng tương tự như mối liên kết bên trong các tinh thể. Trong một loại đá có thể tồn tại nhiều mối liên kết khác nhau. Do vậy, xác định lực liên kết cũng như năng lượng liên kết giữa các phần tử cấu trúc là một vấn đề hết sức phức tạp. Tuy nhiên, có thể rút ra quy luật mang tính định tính là: Tổng năng lượng liên kết giữa các phần tử cấu trúc tỷ lệ thuận với diện tích mặt tiếp xúc giữa chúng. Điều đó có nghĩa là trong cùng một đơn vị thể tích đá, diện tích mặt tiếp xúc càng lớn thì năng lượng liên kết càng lớn. ở các đá trầm tích cơ học, lực liên kết và năng lượng liên kết phụ thuộc vào bản chất của các chất gắn kết. Các chất gắn kết thường là sét, thạch cao, can xít, thạch anh. Đá với chất gắn kết là sét, thạch cao thường có lực gắn kết nhỏ hơn so với đá với chất gắn kết là can xít, thạch anh. Dựa vào mức độ và bản chất mối liên kết giữa các phần tử cấu trúc của đá có thể phân biệt ba loại đá khác nhau: + Đá bở rời: là hỗn hợp cơ học của các phần tử cấu trúc cùng loại hay khác loại mà giữa chúng không có mối liên kết nào cả, ví dụ như cát, cuội sỏi. + Đá dính kết: khi giữa các phần tử cấu trúc có mối liên hệ keo với nước là chất gắn kết, ví dụ như sét, bô xít. + Đá cứng có mối liên kết vững chắc hay đá rắn chắc khi giữa các phần tử cấu trúc có mối liên kết cứng rắn. - Cấu trúc hướng: Các phần tử cấu trúc trong đá được sắp xếp hỗn độn không theo một quy luật, trật tự nào, ta nói rằng đá có cấu trúc vô hướng. Đá có cấu trúc có hướng nếu như các phần tử cấu trúc được sắp xếp thành các lớp, các dải, các nếp uốn và phiến. Đặc điểm của cấu trúc phân phiến là các khoáng vật dạng tấm sắp xếp song song với nhau. Cấu trúc của đá dạng dải nếu như các phân tử cấu trúc sắp xếp thành các dải song song với nhau nhưng thành phần vật chất ở các dải là khác nhau. Đặc điểm của cấu trúc nếp uốn là các dải, các phiến bị uốn cong, lượn sóng. Những đặc điểm cấu trúc có hướng này làm cho tính chất cơ học của đá cũng phụ thuộc vào hướng. Đá có cấu trúc vô hướng sẽ đẳng hướng về tính chất vật lý, cơ học; đá có cấu trúc có hướng sẽ dị hướng về tính chất vật lý, cơ học. - Cấu trúc phân bố: Các phần tử cấu trúc khác nhau trong đá có thể phân bố đều hoặc không đều. Khi các phần tử cấu trúc phân bố đều đặn theo hàm lượng của chúng có trong đá, được xem là có cấu trúc phân bố đều. Đá có cấu trúc phân bố không đều nếu như các phần tử cấu trúc khác nhau tích tụ thành từng ổ, từng đám. Tuy nhiên nếu như các ổ, các đám đó lại phân bố đều thì khi phạm vi được nghiên cứu, khảo sát (mẫu thí nghiệm) có kích thước đủ lớn, cấu trúc phân bố của - 7 -
  8. đá lại được coi là đều. Điều này có nghĩa là khái niệm đều hay không đều mang tính tương đối phụ thuộc vào kích thước của phạm vi được nghiên cứu, khảo sát. Cấu trúc phân bố của đá gây ra sự phụ thuộc của các tính chất cơ lý của đá vào toạ độ tức là gây ra tính đồng nhất (đồng chất) - đá có cấu trúc phân bố đều; hay không đồng nhất (không đồng chất) - đá có cấu trúc phân bố không đều. 1.2. Khối đá 1.2.1. Khái niệm Khối đá theo nghĩa rộng được hiểu là vùng nào đó trong vỏ trái đất, được sử dụng làm nền cho các công trình xây dựng trên bề mặt trái đất hoặc làm không gian xây dựng (chứa đựng) các công trình ngầm trong vỏ trái đất, cũng như ở dạng khối đá bờ mỏ, bờ dốc hoặc các tảng đá có kích thước khá lớn. Các tính chất cơ học của khối đá thường được nghiên cứu tại hiện trường hay tại chỗ. Kích thước của khối đá cần được chú ý đến khi nghiên cứu, khảo sát phụ thuộc vào kích thước của công trình xây dựng cũng như những đặc điểm địa chất, tính chất cơ học của khối nguyên. Khối nguyên là khối đá ở điều kiện tự nhiên, chưa chịu tác động kỹ thuật của con người. Như vậy khối đá được hiểu là một phần nào đó của khối nguyên, trong đó có diễn ra các quá trình biến đổi cơ học khi có tác động cơ học của con người. Cũng vì vậy, khối đá còn được hiểu là vùng chịu ảnh hưởng của các công trình xây dựng. 1.2.2. Mặt phân cách trong khối đá 1. Các loại mặt phân cách Khối đá có thể bao gồm từ một hay nhiều loại đá khác nhau và có kích thước lớn. Với kích thước lớn như thế, trong khối đá thường tồn tại các mặt phân cách khác nhau; đó là những bề mặt làm gián đoạn tính liên tục của khối đá. Các mặt phân cách trong khối đá có thể là mặt phân lớp, mặt phân phiến, các khe nứt (vi mô) và các phay phá hoặc đứt gẫy. Mặt phân lớp là bề mặt ranh giới phân chia các lớp đá trầm tích khác nhau ví dụ giữa các lớp cát kết và than, hoặc các lớp đá trầm tích cùng loại nhưng khác nhau về đặc điểm cấu trúc chẳng hạn giữa các lớp cát kết có kích thước hạt khác nhau. Các mặt phân lớp thường bằng phẳng, xuất hiện trong thời gian ngừng hoạt động hoặc thay đổi điều kiện của quá trình trầm tích. Mặt phân phiến có thể là các bề mặt bằng phẳng, cong hoặc lượn sóng xuất hiện ở phần dưới sâu hay phần trên của vỏ Trái đất do tác dụng của các lực kiến tạo. Chúng là hậu quả của các quá trình biến chất của các đá trầm tích, đá phun trào hoặc đá biến chất khác tạo thành các loại đá kết tinh mới. - 8 -
  9. Các khe nứt là các vết rạn nứt, xuất hiện trong các lớp đá do tác dụng của các lực kiến tạo gây ra, với đặc điểm là không có dịch chuyển tương đối của các phần tử đá hai phía (bờ) khe nứt dọc theo hướng phát triển. Phay phá (hoặc đứt gẫy) là các khe nứt đặc biệt lớn, ở đây đã xuất hiện hiện tượng dịch chuyển ngược chiều của các phần tử khối đá đối diện với nhau ở hai bờ của khe nứt, cũng vì vậy còn được gọi là đứt gẫy. Hình 1.3. Mặt phân cách trong khối đá Sau này, không chú ý đến nguồn gốc hình thành và đặc điểm riêng của các loại mặt phân cách, chúng ta gọi chung các mặt phân cách với khái niệm khe nứt hay vết nứt. Như vậy cách gọi này có tính chất quy ước. 2. Đặc trưng cơ bản Trong khối đá thường tồn tại từ một đến ba hệ thống khe nứt khác nhau (còn gọi là hệ hay họ khe nứt). Một hệ hay họ khe nứt là tập hợp các khe nứt chạy song song hoặc gần song song với nhau. Để có thể phân tích, đánh giá được ảnh hưởng của các hệ khe nứt đến tính chất cơ học của khối đá cũng như các quá trình cơ học xảy ra trong khối đá, nhất thiết phải khảo sát, điều tra kỹ các hệ thống khe nứt tồn tại trong khối đá. Hiện nay, các hệ thống khe nứt thường được phân tích, mô tả định lượng thông qua các đặc trưng cơ bản: thế nằm hay vị trí trong không gian, chiều dài, chiều dày của khe nứt, trạng thái bề mặt của khe nứt và các chất lấp nhét trong khe nứt. - 9 -
  10. Hình 1.4. Hệ thống khe nứt trong khối đá Thế nằm của khe nứt được đánh giá qua ba đại lượng là góc phương vị, góc dốc và phương vị hướng dốc, được xác định thông qua các yếu tố sau: - Đường phương của hệ khe nứt là giao tuyến của mặt phẳng chứa khe nứt với mặt phẳng nằm ngang. - Góc phương vị đường phương là góc tạo bởi đường phương và hướng bắc tính theo chiều kim đồng hồ kể từ hướng bắc . Hình 1.5. Các Yếu tố thế nằm của khe nứt - Đường hướng dốc là đường nằm trong mặt phẳng chứa khe nứt và tạo với đường phương một góc vuông. - Góc dốc là góc tạo bởi đường hướng dốc và hình chiếu của nó lên mặt phẳng nằm ngang . - Góc phương vị hướng dốc là góc tạo bởi đường phương hướng bắc và hình chiếu của đường hướng dốc lên mặt phẳng nằm ngang theo chiều kim đồng hồ ( + 90 0 ). Chiều dài của các khe nứt của một hệ là kích thước dài trung bình đo theo hướng dốc; Chiều rộng là kích thước dài trung bình của mặt khe nứt đo theo đường phương. Tuỳ thuộc vào kích thước của khe nứt, các khe nứt có thể chạy xuyên suốt hay ngắt quãng, gián đoạn trong khối đá. - 10 -
  11. Chiều dày của khe nứt được định nghĩa bằng khoảng cách lớn nhất giữa hai bờ của khe nứt và trong nhiều tài liệu chuyên môn khác còn gọi là độ mở của khe nứt. Mật độ của một hệ khe nứt được định nghĩa bởi tỷ số giữa số lượng các khe nứt của một hệ (n) và chiều dài tuyến khảo sát, đo đạc (L), vuông góc với các khe nứt theo biểu thức sau: n k kn  ,khe nứt/mét (1-1) L L L Hình 1.7. Mật độ khe nứt Ngoài ra còn có hai đại lượng khác cũng được sử dụng là mức độ phân cách phẳng và mức độ phân cách thể tích. Mức độ phân cách phẳng được định nghĩa bằng tỷ số giữa tổng diện tích các mặt khe nứt và diện tích bề mặt chứa các khe nứt được khảo sát. Mức độ phân cách thể tích là tỷ số giữa tổng số các khe nứt trong thể tích miền hay phạm vi được khảo sát. Hình dạng bề mặt các khe nứt được đánh giá qua hình dạng và độ nhám cả bề mặt các khe nứt. Bề mặt các khe nứt có thể là bằng phẳng, phân bậc, cong, lượn sóng hoặc răng cưa và có thể là trơn, nhẵn hay nhám. Các yếu tố này phản ánh mức độ ma sát của bề mặt khe nứt, liên quan đến các hiện tượng trượt dọc theo các mặt khe nứt. - 11 -
  12. Trạng thái của các khe nứt được phân biệt theo ba trường hợp: các khe nứt đóng (khe nứt kín), hở (khe nứt mở) hoặc chứa các chất lấp nhét. Các chất lấp nhét có thể là nước, hoặc sản phẩm phong hoá bị cà nát như sét, sạn hoặc các sản phẩm kết tinh như can xít, thạch anh. 1.2.3. Đặc điểm cấu trúc Đặc điểm cấu trúc của khối đá được phân tích theo bốn dấu hiệu: kích thước và hình dạng các phần tử cấu trúc; mối liên kết giữa các phần tử cấu trúc; quy luật sắp xếp; quy luật phân bố các phần tử cấu trúc. - Kích thước và hình dạng các khối nứt phụ thuộc vào mật độ và sự phân bố của các hệ khe nứt trong khối đá. Đại lượng nghịch đảo của hệ số mật độ khe nứt chính là khoảng cách trung bình thống kê giữa các khe nứt của một hệ khe nứt dkn 1 d kn  ,m (1-2) k kn Đồng thời khoảng cách giữa các khe nứt cũng phản ánh kích thước của các khối nứt. Các khối nứt có thể nhận các dạng khác nhau tuỳ theo khoảng cách trung bình giữa các khe nứt của các hệ khe nứt. Các khối nứt có thể có dạng đều, dạng thanh hay dạng tấm. Giả sử có thể xác định gần đúng khoảng cách giữa các khe nứt của các hệ theo ba phương trực giao (hay gần trực giao) với nhau (x,y,z). Khi đó thể tích của khối nứt có thể biểu diễn gần đúng theo biểu thức Vkn  d knx .d kny .d knz (1-3) - 12 -
  13. Hình 1.10. Hình dạng của khối nứt - Mối liên kết giữa các khối nứt phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau. Các yếu tố chủ yếu bao gồm: chiều dày của các khe nứt, trạng thái bề mặt của khe nứt, các chất lấp nhét trong khe nứt cũng như mức độ phân cách của khối đá. Cũng vì thế cho đến nay chưa có nhận định tổng quát về mối liên kết này. Tuy nhiên, từ những dấu hiệu phân tích trên cho phép ta rút ra nhận xét là mối liên kết giữa các phần tử cấu trúc càng tốt nếu như mức độ phân cách của khối đá càng nhỏ (càng ít), khe nứt có chiều dày càng nhỏ, chất lấp nhét là thạch anh hay can xít, bề mặt của khe nứt là nhám và răng cưa; ngược lại, mối liên kết càng yếu nếu như mức độ phân cách lớn, chất lấp nhét là nước hay không khí, bề mặt khe nứt là phẳng và trơn. Đương nhiên trong thực tế có thể có nhiều tổ hợp khác nhau của các yếu tố kể trên do đó mối liên kết giữa các phần tử cấu trúc của khối đá rất phức tạp, đa dạng. Nhận định trên chỉ mang ý nghĩa định tính. Để có thể có được nhận định, đánh giá định lượng, cần thiết phải tiến hành khảo sát, phân tích kỹ từng trường hợp cụ thể. - Cấu trúc hướng: khối đá có thể có cấu trúc định hướng hoặc không định hướng là hoàn toàn phụ thuộc vào các loại phần tử cấu trúc (khối nứt) cũng như số lượng các hệ khe nứt và quy luật phân bố của chúng trong miền khối đá được khảo sát. Có thể phân biệt các trường hợp sau: + Khối đá chỉ bao gồm từ một loại đá: khi đó khối đá có cấu trúc vô hướng hay không định hướng nếu các phần tử cấu trúc có dạng đều; khối đá có cấu trúc định hướng nếu các phần tử cấu trúc có dạng thanh hay dạng tấm. Như vậy trong trường hợp này cấu trúc hướng của khối đá phụ thuộc vào mật độ khe nứt của các hệ khe nứt. + Khối đá bao gồm từ nhiều loại đá khác nhau: trong trường hợp này khối đá có cấu trúc định hướng rõ rệt bởi vì tính chất của các lớp đá cũng như các mặt phân cách giữa chúng luôn khác nhau. - Cấu trúc phân bố: Tuỳ thuộc vào các loại đá trong khối đá, các quy luật phân bố của khối nứt trong khối đá mà cấu trúc được coi là đều hay không đều. Khối đá có cấu trúc phân bố đều nếu như nó chỉ bao gồm từ một loại đá. Trong trường hợp khác, khối đá có cấu trúc phân bố không đều. Rõ ràng là, khi khối đá bao gồm từ hai hay nhiều loại đá khác nhau, các loại đá tồn tại dưới dạng các lớp hay khối với ranh giới khá rõ rệt do đó không thể có được phân bố đều các loại đá khác nhau trong đá. Nếu khối đá bao gồm chỉ từ một loại khối nứt thì khối đá được coi là đồng nhất, ngược lại là khối đá không đồng nhất. Câu hỏi ôn tập 1. Khái niệm về đá và các thành phần vật chất trong đá? - 13 -
  14. 2. Đặc điểm cấu trúc của đá? 3. Khái niệm khối đá? 4. Mặt phân cách trong khối đá? 5. Đặc điểm cấu trúc của khối đá? - 14 -
  15. Chương 2. Tính chất cơ lý của đất đá 2.1. Tính chất vật lý 2.1.1. Các đặc trưng vật lý cơ bản của đá 1. Mật độ của đá Mật độ của đá được đánh giá qua hai đại lượng vật lý đặc trưng là khối lượng riêng và khối lượng thể tích. Khối lượng riêng của đá (0) là khối lượng phần cốt khoáng Mck tính theo một đơn vị thể tích phần cốt khoáng Vck, nghĩa là: M ck 0 = (2-1) Vck Như vậy, khối lượng riêng của đá hoàn toàn phụ thuộc vào thành phần vật chất của đá. Do vậy khi biết được khối lượng riêng của từng loại khoáng vật 0kvi (từng loại phần tử cấu trúc) và hàm lượng của chúng theo tỷ phần thể tích vkvi, hoàn toàn có thể tính được khối lượng riêng của đá theo biểu thức sau: n 0 =  i 1 okvi .v kvi (2-2) Với vkvi là hàm lượng tính theo tỷ phần thể tích của khoáng vật loại i trong đá Vkvi vkvi = (2-3) Vtp Khối lượng riêng của đá không phản ánh trực tiếp trạng thái vật lý của đá và ít được sử dụng trong cơ học đá. Tuy nhiên, biết được khối lượng riêng và khối lượng thể tích của đá có thể xác định gần đúng được độ rỗng của đá. Khối lượng thể tích của đá  được định nghĩa bởi tỷ số giữa khối lượng toàn phần Mtp và thể tích toàn phần Vtp của mẫu đá được khảo sát: M tp = (2-4) Vtp Khối lượng toàn phần bao gồm khối lượng phần cốt khoáng và khối lượng các chất chứa trong các lỗ rỗng và các vi khe nứt (như nước, không khí). Như vậy, khối lượng thể tích của đá không chỉ phụ thuộc vào thành phần vật chất mà còn phụ thuộc vào các yếu tố như: độ rỗng, thành phần vật chất có trong lỗ rỗng của đá. Khối lượng thể tích là đại lượng phản ánh trạng thái vật lý của đá, cụ thể là mức độ nén chặt (hay chèn chặt của đá). Do vậy trong các tài liệu chuyên môn còn sử dụng khái niệm mật độ thay cho khái niệm khối lượng thể tích thông qua đại lượng khối lượng tỷ đối hay hệ số mật độ của đá được định nghĩa theo biểu thức:  Kp = 1 (2-5) 0 - 15 -
  16. Đá có mức độ chèn chặt tuyệt đối khi Kp = 1 Nếu có thể bỏ qua thành phần vật chất trong các lỗ rỗng, các vi khe nứt thì mối liên hệ giữa khối lượng riêng, khối lượng thể tích và độ rỗng có thể biểu diễn qua biểu thức:  = 0(1 - Rtp) (2-6) Do đó khi biết được các khoáng vật tạo đá, hàm lượng thể tích của chúng, độ rỗng của đá có thể tính được khối lượng thể tích theo công thức sau: n  = (1 - Rtp)  i 1 okvi .v kvi (2-7) Trong đó: okvi – Khối lượng riêng của khoáng vật i; vkvi – Hàm lượng thể tích của khoáng vật i; Như vậy, trong trường hợp đá đơn khoáng, khối lượng thể tích của đá chỉ còn phụ thuộc vào độ rỗng của đá. Chẳng hạn đá vôi có khoáng vật chính tạo đá là Canxit với khối lượng riêng bằng 2,7 g/cm3 nhưng khối lượng thể tích có thể dao động từ 1,52,5 g/cm 3 tuỳ thuộc vào độ rỗng cũng như điều kiện thành tạo. Khối lượng thể tích của các đá thường nằm trong giới hạn từ 1,53,5 g/cm3. Các loại quặng thường có khối lượng thể tích lớn hơn bởi vì chúng chứa các khoáng vật nặng. Các đá trầm tích hoá học thường có khối lượng thể tích nhỏ, ví dụ thạch cao là 2,3 g/cm3, than và than bùn có thể tích rất thấp từ 0,722.0 g/cm3. Trọng lượng thể tích hay còn gọi là dung trọng của đá được tính từ khối lượng thể tích thông qua biểu thức:  = .g (2-8) Trong đó:  - Dung trọng hay trọng lượng thể tích; g - Gia tốc trọng trường; Trọng lượng thể tích của đá là đại lượng sử dụng rộng rãi trong cơ học đá và các lĩnh vực liên quan. 2. Độ ẩm của đá Độ ẩm của đá (W) được định nghĩa bằng tỷ số giữa khối lượng nước liên kết vật lý, nước lỗ rỗng Mn và khối lượng phần cốt khoáng Mck: Mn W= (2-9) M ck Độ ẩm cũng được tính theo phần trăm hay theo tỷ phần đơn vị thập phân. Độ ẩm được xác định trong điều kiện tự nhiên được gọi là độ ẩm tự nhiên (Wtn). - 16 -
  17. Độ ẩm ở điều kiện bão hoà nước được gọi là độ ẩm bão hoà (Wbh) hay độ chứa ẩm toàn phần. Nước liên kết vật lý tồn tại trong đá dưới dạng màng mỏng liên kết với các phần tử cấu trúc của đá nhờ lực hút phân tử giữa chúng. Lượng nước liên kết vật lý trong đá phản ánh khả năng hấp thụ nước của các khoáng vật tạo đá. Lượng nước liên kết trong đá càng nhiều khi tỷ suất bề mặt các phần tử cấu trúc càng lớn, cũng như khi đá có chứa càng nhiều các loại muối hoà tan và các khoáng vật sét. Đồng thời lượng nước liên kết vật lý có trong đá cũng phụ thuộc vào môi trường xung quanh như độ ẩm, nhiệt độ của môi trường. Nước liên kết vật lý và nước lỗ rỗng bao bọc các phần tử cấu trúc của đá nên làm giảm lực liên kết giữa các phần tử cấu trúc, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ học, vật lý của đá cũng như dung trọng của đá. 2.1.2. Tính chất âm học của đá Tính chất âm học của đá được đặc trưng bằng mối quan hệ giữa ứng suất thay đổi có tần số khác nhau (các dao động đàn hồi) với biến dạng của nó. Dựa vào tần số của dao động đàn hồi người ta chia ra: - Sóng hạ âm: có tần số f< 20 Hz - Sóng âm: có tần số f=2020000 Hz - Sóng siêu âm: có tần số f> 20000 Hz - Sóng vượt siêu âm: có tần số f>10 10 Hz (sóng vượt siêu âm có tần số gần với dao động nhiệt của các phần tử có f=1013 Hz). - Các sóng có tần số thấp, tắt nhanh và lan truyền trong vỏ quả đất được gọi là sóng địa chấn. 1. Các tính chất âm học của đá Đặc tính lan truyền dao động đàn hồi trong đá được xác định bằng các thông số âm học của đá: vận tốc lan truyền sóng đàn hồi, hệ số hấp thụ và hệ số sức cản sóng (đặc trưng bởi hệ số phản xạ và khúc xạ sóng đàn hồi). a. Vận tốc sóng Vận tốc sóng là vận tốc lan truyền của dao động đàn hồi trong môi trường đá. Vận tốc sóng phụ thuộc vào tính chất đàn hồi, mật độ của đá và tần số của sóng. - 17 -
  18. Vận tốc lan truyền sóng đàn hồi trong một môi trường vô hạn, đàn hồi tuyệt đối và đẳng hướng người ta có thể xác định theo công thức rút ra từ phương trình sóng. Vận tốc lan truyền sóng dọc trong khối nguyên: E 1  vd  g , m/s (2-10)  (1   )(1  2  ) Vận tốc lan truyền của sóng ngang: E 1 vn  g , m/s (2-11)  2(1   ) Tỉ số của vận tốc sóng dọc so với vận tốc sóng ngang là một hàm số chỉ của hệ số poisson của đá, và vì vậy, có thể dùng nó làm đặc trưng cho từng loại đá: vd 2(1   )  (2-12) vn 1  2 vd Trong phần lớn các trường hợp, tỉ số trong đá macma kết tinh và đá vn biến chất, thay đổi trong phạm vi rất hẹp, từ 1,7 đến 1,9. Trong đá trầm tích, tỉ số vd thay đổi nhiều hơn, từ 1,5 đến 14. Bởi vì đá trầm tích có nhiều lỗ hổng và kém vn vd bền thì có sức kháng trượt thấp. Đối với đá pha sét, rất lớn, còn trong đá bở rời, vn vd . vn Như vậy, vận tốc lan truyền các sóng đàn hồi trong đá được xác định bởi các tính chất đàn hồi và mật độ của chúng. Một điều đặc biệt là thực tế nó không phụ thuộc vào tần số, và điều đó cho phép sử dụng các sóng có tần số dao động bất kỳ để nghiên cứu. b. Sự lan truyền sóng đàn hồi Sự lan truyền sóng đàn hồi trong đá, cũng như trong một chất bất kì, kèm theo sự giảm dần cường độ của chúng và tuỳ theo khoảng cách từ nguồn phát sóng đến điểm khảo sát. Trong phần lớn trường hợp sự giảm cường độ dao động là do hai nguyên nhân sau: - 18 -
  19. - Đá hấp thụ một phần năng lượng của dao động động đàn hồi và biến nó thành cơ năng hay nhiệt năng, gây nên bởi ma sát lẫn nhau giữa các phần tử đá thực hiện chuyển động dao động; Biên độ dao động đàn hồi u liên hệ với quãng đường x mà sóng đi qua theo hàm số mũ: u  uo ex (2-13) Trong đó:  - Hệ số hấp thụ các dao động đàn hồi nó phụ thuộc vào tính chất của đá (các tính chất đàn hồi và hệ số ma sát trong), cũng như vào tần số dao động; u0- Biên độ dao động đàn hồi khi đi vào vật chất. x uo u Hình 2.1. Sự lan truyền dao động đàn hồi trong đá bị hấp thụ một phần năng lượng Vai trò của độ dẫn nhiệt trong sự hấp thụ các dao động đàn hồi liên quan với sự trao đổi năng lượng xảy ra tại thời điểm sóng đi qua giữa các phần đá chịu nén (nhiệt độ nâng cao) và phần đá chịu dãn (nhiệt độ hạ thấp). Tuy nhiên, độ lớn của phần hệ số hấp thụ do nhiệt gây nên chỉ đáng kể đối với kim loại, trong đá nó tương đối nhỏ và có thể bỏ qua. 82 f 2 Khi đó:    3 v3  Trong đó: v- Vận tốc của các dao động đàn hồi; - Mật độ của đá; - Hệ số độ dai (ma sát trong) của đá; f- Tần số dao động - 19 -
  20. Những thí nghiệm để xác định sự hấp thụ các dao động đàn hồi trong đá chứng tỏ rằng, đối với phần lớn đất đá sự phụ thuộc của  đối với tần số không phải là bậc hai mà gần như là bậc nhất. Quan hệ bậc nhất giữa  và f quan sát thấy ở than đá, muối mỏ, cát khô, granit,…Điều đó thể hiện rõ là, sự hấp thụ trong đá chủ yếu không phải là do độ dai và độ dẫn nhiệt của chúng gây nên, mà là do sự tán xạ khuếch tán. - Năng lượng bị phân tán theo các hướng khác nhau do tính chất không đồng nhất trong đá (độ cản sóng) được mô tả thông qua khả năng phản xà và khúc xạ sóng đàn hồi của đá. Sự phản xạ và khúc xạ sóng đàn hồi hoặc là xảy ra tại các mặt phân giới giữa các đá có tính chất âm học khác nhau, hoặc là khi sóng đàn hồi truyền từ môi trường bên ngoài vào đá (và ngược lại). Khi chuyển từ môi trường có độ cản sóng nhỏ sang môi trường có độ cản sóng lớn, phần lớn năng lượng âm được phản xạ lại. Chẳng hạn, khi các dao động đàn hồi chuyển từ không khí sang nước thì 99,8 % năng lượng của chúng được phản xạ, còn khi chuyển từ nước sang đá thì gần 85 %. M«i tr­ êng 1    M«i tr­ êng 2 Hình 2.2. Sự khúc xạ và phản xạ của sóng siêu âm trên mặt phân giới của hai môi trường; - Góc tới; - Góc phản xạ; - Góc khúc xạ. Khi đó, góc tới  và góc phản xạ  của sóng âm ở mặt phân cách là bằng nhau. Góc tới  và góc khúc xạ  của sóng đàn hồi xuyên vào đá tuân theo định luật Xenxi. Theo định luật đó, các góc này có mối quan hệ nhất định với các vận tốc sóng đàn hồi v1 và v2 trong môi trường thứ nhất và môi trường thứ hai: - 20 -
Theo dõi chúng tôi
Đồng bộ tài khoản