Bài tập Địa kỹ thuật tuyển chọn: Phần 2

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:99

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nối tiếp nội dung phần 1, phần 2 cuốn sách "Địa kỹ thuật - Có ví dụ và bài tập" trình bày các bài tập về hiện tượng địa chất động lực công trình, công tác khảo sát địa kỹ thuật. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài tập Địa kỹ thuật tuyển chọn: Phần 2

C hư ơ ng IV HIỆN TƯỢNG ĐỊA CHÂT ĐỘNG Lực CÔNG TRÌNH Đất đá tạo nên vỏ trái đất (thạch quyền') rất đa dạng và phức tạp lại không ngừng biến đổi do nhiẻu nguyên nhân. Có những nguyên nhân bên trong, nội động lực; và các nguyên nhân bên ngoài (trên và gần mặt đất), ngoại động lực, tác động làm thay đổi đất đá về sự phân bố và các đặc điểm khác. Các quá trình (hiện tượng) này có thể diẽn ra chậm chạp hoặc đột ngột (động đất) với quy m ô và hậu quả rất khác nhau. Có các quá trình làm biến đổi sâu sắc đất đá như quá trình vận động kiến tạo của vỏ trái đất, quá trình hoạt động của các lò m acm a hay hiện tượng động đất kiến tạo, hiện tượng phong hóa hóa h ọ c ,... lại có các hiện tượng hay quá trình gây ảnh hưởng xấu đến điéu kiện thi công, dến ổn định và tuổi thọ công trình xây dựng: hiện tượng trượt lở đất đá ở sườn dốc, hiện tượng kacstơ, hiện tượng xói ngầm và hiện tượng cất chảy.v.v... Việc nghiên cứu nguyên nhân, quy mô, quá trình phát sinh và phát triển cùa các quá trình (hiện tượng) địa chất động lực nhằm hiểu rõ điều kiện thành tạo, sự biến đổi cùa đất đá, cấu trúc của các lóp đất đ á ,... Tim ra các giải pháp phòng ngừa và giải pháp xử lý kỹ thuật các hiện tượng đó, đảm bảo cho quá trình thi công và sử dụng công trình xây dựng một cách hợp lý và đem lại hiệu quả kinh tế thiết thực. §1. HIỆN TƯ ỢN G VẬN ĐỘNG K IẾN T Ạ O CỦA T H Ạ C H QU YỂN I. K hái niệm c h u n g Hiện tượng xảy ra do nội động lực phát sinh trong vỏ trái đất, làm thay đổi cấu trúc cùa các lớp đất đá của thạch quyển. Nó bao gồm vận động dao động thẳng đứng và vận động biến vị (vận động tạo núi), xảy ra từ từ nhưng với quy mô rộng lớn và m ạnh mẽ. Giải thích nguyên nhân của hiện tượng này, hiện nay có nhiểu giả thuyết: N hóm giả thuyết tĩnh cho rằng thạch quyển không có dịch chuyển lớn, các hoạt động kiến tạo hình thành các cấu trúc địa chất chủ yếu là các lực thắng đứng, các lực nằm ngang tạo ra các nếp uốn và các đứt gẫy sinh ra từ các lực thảng đứng, và N lióm giả thuyết động thì ngược lại, cho rằng hoạt động kiến tạo đã làm cho các châu lục (các m ảng thạch quyển) không ớ nguyên vị trí cũ mà có sự xê dịch ngang trong không gian và thời gian, tạo ra các quá trình biến động kiến tạo. Trong nhóm giả thuyết động có: thuyết kiến tạo m ảng (thuyết trôi dạt lục địa và thuyết tách dãn đáy đại dương). Học lliuyêt kiến tạo m ảng giải thích kiến tạo và các quá trình địa chất của trái đất theo cơ chê động. T huyết này cho rằng, sự dịch chuyển đến hàng nghìn km của thạch 169
quyến (gồm 12 m ảng lớn và 13 m ảng nhỏ) trên quyển m ém ờ manti , gãy ra các hiện tượng uốn nếp, đứt gẫy, biến dạng các dãy núi cung đảo,., như hiện nay. T ừ th ế kỷ 17 người ta đã nhận thấy, dạng địa hình bò biển có thể khớp lại với nhau (hình 4-1 ) cùa châu Mỹ vói châu Phi và châu Â u và cho rằng các châu lục nguyên là m ột đại cháu lục sau đó bị tách ròi ra. T huyết này được A .W egener (Đức, 1912) hoàn chình, ông không chỉ dựa vào sự tương tự về hình dạng của các châu lục m à bằng các bằng chứng xác thực hơn (các hóa thạch và động thực vật, dấu tích hiện tượng bãng hà và hiện tượng địa hình ờ các châu lục giống nhau,). Đại châu lục bị tách vỡ từ kỷ Jura cách nay khoảng 200 triệu năm). T huyết tách dãn đáy đại dương. T huyết này được các nhà địa chất - đ ịa vật lý đưa ra các căn cứ quan trọng (sự tồn tại của quyển m ềm , cấc dãy sống núi giữa đại dương, sự giảm bẻ dày và tuổi của phần trẽn lớp trầm tích ở phía đỉnh các dãy núi giữa đại dương, sự đáo trường từ của trái đất trong khoảng 4 triệu năm lại đây...). -Ả—ầ._____ Đới ch úi xuống ___________ Ranh gia m chưa chắc chăn àng -------------- C a c d ư t g ả y b ie n d ổ i ________ ► Huí^ « o rfn a irç luung a s òa mảng và sông nui giãn nô < cu“™ 0" yf e^ Hinh 4-1. Hướng dịclì clmyển và kiểu ranh giới của các quyển cliínli. II. C ác đ ạ c đ iểm c ủ a n ế p u ố n và đ ứ t gẫy Vận động kiến tạo của thạch quyển làm thay đổi cấu tạo địa chất của vỏ trái đất, tạo ra các nếp uốn và các đứt gẫy, Tùy theo độ m ạnh cùa nội động lực và trạng thái cùa đất đá, chúng có các đặc điểm sau đây. 1. Các nếp uốn Sự vận động kiến tạo (vận động uốn nếp) xảy ra ở dưới sâu hoặc đá tiếp xúc với thể m acm a (làm nóng lên) đá có biến dạng dẻo và hậu quả là tạo ra các nếp uốn (hình 4-2). 170
H ình 4-2. Lũng sông ở nếp uốn a) Nếp lồi, b). Nếp lõm c). Các yếu tô'cấu tạo nếp uốn I - Nhân. 2- Đinh, 3- Đường bán lể. 4- Canh, ữ - Góc dốc của cánh. AB - Đường phương cúa cánh. Lực vận động kiến tạo tác dụng vào các vỉa đá ở trạng thái cứng sẽ gây ra biến dạng giòn làm m ất tính liên tục của các vỉa đá và 2 khối đá (cánh đứt gẫy) vừa bị tách ra có sự chuyển dịch thẳng đứng hoặc theo phương ngang tạo ra các đứt gẫy (đứt gẫy ngang). Tùy theo sự chuyển dịch tương hỗ của hai cánh, người ta chia đứt gẫy thành: đứt gẫy thuận (hình 4-3), đút gẫy nghịch và đứt gẫy ngang. Tại m ặt đứt gẫy thuận, hai cánh chuyển dịch với xu hướng xa rời nhau, m ặt đứt gẫy thường gồ ghề không phẳng, chứa nhiều dăm sạn, vụn đá kích thước lớn, ít chất sét lấp nhét. Vùng lân cận dọc theo m ặt đút gẫy thường có dứt gẫy phụ, khe nứt phát triển và là nơi tích tụ và lưu thông nước ngấm. Tại mặt đứt gẫy nghịch cánh trẽn được đẩy trượt trên cánh dưới, hai cánh có xu hướng chà xát vào nhau, ma sát m ạnh làm cho có nhiều vết xước hoậc nhẵn bóng, mặt đứt gẫy hẹp chứa nhiều m ảnh vụn nhỏ và chất sét, tạo thành đới phá hủy rộng (hình 4-4). H ình 4-3. Sự lùnh thành dứt gẫy thuận a). và b) Hình khối đứt gảy, c) Các yếu tó’cấu tạo I - C á n h t r ẽ n . 2 - C á n h d ư ớ i , 3 - M ặ t đ ứ t g ẫ y . a - B iê n đ ộ d i c h u y ể n d ứ n g , a - G ó c n g h i ê n g m ặ t d ứ t g ẫ y H ình 4-4. Sụ dịch cluiyển cùa đíú gảy, đặc điềm mặt dírt gảy a) Đírt gẫy lliuận b) Đứt gẫy nghịch; c) Vét xước trên mặt dử! gẫy; d) Biến vị địa tầng theo mặt đíct gầy. 171
III. Đ iều kiện cấu tạo địa ch ất và tính chất xây dựng của nó N hư trên đã trình bày, đo vận động kiến tạo làm thay đổi dạng nằm (nguyén sinh) củi đất dá trầm tích tạo ra dạng nằm m ới (dạng nằm thứ sinh) bao gồm : dạng nằm đơr nghiêng, các nếp uốn và các đút gẫy cùng các khe nứt kiến tạo. N giên cứu các dạng nằm thứ sinh của đá trầm tích cho ta biết lịch sử hình thành và biến đổi địa ch ất cùa khu vực, ánh hướng của cấu tạo địa chất đến tính chất xây dựng của nền đát đ á và điều kiện môi trường xây dựng các công tình giao thông, thủy lợi và công trình ngầm ,.. Khi nền đất đá gồm các lóp nằm ngang, chiểu dày ổn định, không có lóp đất yếu thì cho ta điều kiện thuận lợi xây dựng công trình, khộ xảy ra lún không đều (hình 4-5); Khi nền gồm các lớp có cường độ khác nhau có cấu tạo đơn nghiêng dễ gây hiện tượng trượt ớ sườn dốc hoặc lún không đều hoặc gây hiện tượng thấm m ất nước trong hổ chứa (hình 4-5). H ình 4-5 a) & b) Các lớp nằm ngang, c) & d) Các lớp nằm nghiêng. Việc chọn vị trí đặt công trình hợp lý, tùy thuộc loại công trình, ở nơi có cấu tạo nếp uốn rất quan trọng. N ó đảm bảo điều kiện kỹ thuật thi cõng và ổn định lâu dài cho công trình. Trên hình 4-6. thể hiện cách so sánh việc chọn vị trí đặt cõng trình tùy theo cấu tạo địa chất và loại công trình cần xây dựng. Công trình ngầm nên chọn tuyến dọc theo nhân nếp lồi sẽ có lợi về địa áp và tránh phức tạp về biện pháp xừ lý thấm khi thi công, sử dụng a) H ình 4-6. So sánh các cácli cliọn vị trí công trình theo câu tạo địa chất a) Dập 2 dẽm ất Iiước hơn đập 1, b) Tuyến đường 1 ổn định hơn tuyến 2, ỉ và 4 c) Các đường hầm song song với đường phương. 172
công trình. Nếu đặt tuyến dọc theo đỉnh nếp lõm sẽ gặp bất lợi về địa áp, tốn kém cho giá pháp xử lý thấm vào công trình. Đ ối với công trình xây dựng trên m ạt đất, nên chọn vị trí ở nhân nếp lõm hoặc tuyến đường bộ chạy dọc theo nhân nếp lõm hoặc doc theo cấu tạo đơn nghiêng, nghiêng ngược chiều với chiều dốc địa hình, đỡ tốn cóng đào đãp và tạo được độ dốc taluy lớn. Những khu vực có cấu tạo đứt gãy, nền công trình kém ổn định hoặc dê m ât ôn đinh khi xảy ra động đất. Nơi có đứt gẫy hoặc khe nứt kiến tạo phát triển m ạnh (do đứt gẫy nghịch) nên chọn giải pháp dùng m óng sâu vì loại nền này rất dễ bị biến đối về độ bên và tính biến dạng do tác dụng của nước ngẩm và động đất. Tuy nhiên, để tìm kiếm nước ngầm ở trung du và m iền núi, cấn phải tim ra nơi có cấu tạo nếp lõm, cấu tạo đứt gẫy hoặc nơi có khe nút phát triển. Với đặc điểm cấu tạo như vậy nước ngầm mới tích tụ và lưu thông thuận lợi. §2. HIỆN TƯ Ợ N G Đ Ộ NG ĐẤT I. K hái niệm Động đất là hiện tượng đất đá cấu tạo nên vỏ trái đất bị rung động đàn hồi (chấn động đàn hổi) do nguyên nhân nội hoặc ngoại động lực gây ra. Động đất xảy ra rất đột ngột, diễn biến trong thời gian rất ngắn. Các trận động đất lớn gây ra tai hoạ ghê gớm , thiệt hại về sinh m ạng và của cải, cực kì khó khãn trong công tác phòng chống, nó gây hư hại và có thể phá huỷ các công trình xây dựng. H àng năm trên thế giới xảy ra khoảng 8 vạn (9trận/h) trận động đất. Nơi xảy ra động đất nhiểu nhất thuộc vành đai núi lửa T hái Bình Dương. 1. P hán loại đ ộ n g đ ất th eo nguyên n h â n p h á t sinh 1) Đ ộng đất kiến tạo do sự vận động kiến tạo cùa vỏ quả đất sinh ra, có chấn tâm ở sâu, thường có cường độ m ạnh hoặc rất mạnh. Đ ộng đất kiến tạo chiếm khoảng 95% số vụ động đất và phạm vi ảnh hưởng của nó rất rộng. 2) Dộng đất núi lửa xảy ra trước hoặc trong quá trình núi lửa hoạt động, chấn tâm ờ không sáu so với động đất kiến tạo. Cường độ động đát không lớn và không dữ dội; 3) Động đất bào trụi xảy ra do sập hầm , trượt lở đất đá ở sườn dốc,... chấn tâm ờ rất nống, cường độ yếu và quy m ó nhỏ. 2. Các y ẽu tô' cấu tạo đ ộ n g đãt Các trận động đất dược cấu tạo bởi: chấn tâm (M), tâm ngoài (A), tâm đối (A ’), sóng dọc (Vd), sóng ngang (V ng) và sóng m ặt đất (Vm (hình 4.7). Chấn tâm (tảm động đất) là ) nơi phát sinh sóng động đất. Điểm trên m ặt đất gẩn chấn tám nhất gọi là tám ngoài và điếm ớ trên m ặt đất xa chấn tâm nhất gọi là tâm đối. Sóng dọc phát sinh do sự co dãn cùa đất đá dọc theo phương truyền sóng, có vặn tốc và cường độ lớn nhất. 173
A Sóng ngang gây ra sự trượt (đẩy ngang công trình) và sự biến dạng đất đá theo phương vuông góc với phương truyền sóng. Sóng ngang chỉ truyền đi trong vật thể rắn và có cường độ V„s = 0 ,5 9 V d. Sóng Vj và v n lan truyền từ tâm động đất ra bốn phía dưới g dạng các tia sóng. Các tia này cũng bị khúc xạ và phản xạ khi gặp các tầng đất đá có tính đàn hồi và khối lượng riêng A' khác nhau. Sóng m ặt đất V m truyền từ tâm ngoài, lan toả ra xung quanh H ình 4.7: Sơ đồ cấu IÇ theo các đường tròn đống tâm. M ỗi m ột điểm ở trên m ặt đất là động đất M - clìấn tán A - Tám ngoài; môt chấn tàm. Sóng măt đất thường nhỏ Vm = 0,53 V d= 0,9 V A' - Tám đối và o - Tám In M ột điểm ở trên m ặt đất, trước tiên nhận được sóng V j, sau đến song Vng rồi mới đến sóng Vm, chúng giao thoa và sinh ra hiện tượng chấn động phức tạp: M ỗi hạt đất đá sẽ thành m ột trung tâm lan truyền chấn động dọc và chấn động ngang như m ột tâm động đất mới (hình 48). V ận tốc truyền sóng động đất tỉ lệ thuận với hệ số đàn hổi Ej, hệ số poatsion (J. của m ôi trường và tỉ lệ nghịch với Ỵs của đất đá. Vm V í dụ: trong nền đấ granit (Ej = 4,8- 1 0 ", (i. = 0,25 và ys = 2,62) có vận tốc Hình 4.8: Sơ đồ truyền sóng động đất truyền sóns V “ = 4,6km /s, V„B= 2,7 km/s và V m = 2,4 km /s. II. Đ án h giá lự c động đất Đ ộ m ạnh c ơ b àn: Đ ộ m ạnh cùa động đất có thể xảy ra tại m ột vùng vói m ột tẩn suất nào đó m ang tính dự báo (dựa vào thống kê, tổng hợp tài liệu nhiều năm ) để chọn cấp động đất đại diện cho vùng đó. Đ ộ m ạnh tliực tê\ Đ ộ m ạnh này xét đến tính chất đất đá (Ej, |X, y j , chiểu sâu mực nước ngấm và nâng lượng cùa trận động đất E (erg). T heo B.V.Golixưn năng lượng động đất xác định bằng công thức: E = * 2ysv ( ệ ) (4-1) Trong đó: ys - khối lượng riêng lớp trên của vỏ trái đất, g/cm 2; V- vận tốc truyển sóng động đất, cm /s; A - biên độ dao động sóng động đất, cm; T - chu kì dao động sóng động đất, s. 174
M ức độ nguy hại của động đất không chỉ phụ thuộc vào E m à còn phụ thuộc vao đọ sâu chấn tâm , phương truyền sóng và gia tốc địa chấn (a), loại đất đá làm nền, chiêu sâu mực nưóc ngẩm ,... G ia tốc địa chấn a được xác định theo công thức: =A — (4. 2) T d X 2 2 A Hoặc - — —= - n A cos nt = - n A c - d t2 Trong đó: . 27t : A cosco, CO = nt và vận tốc góc n = — Điểm có co = 0° hoặc (0 = 180° có gia tốc lớn nhất (a =-n 2A). Gia tốc địa chấn khác nhau theo loại đất đá. V í dụ, biên độ dao động trong cát Ac = 162,mm, đá rắn chắc A j = 7,8m m , chu kì dao động của sóng động đất T = 1,8 giây. Ta có: acâl = n2A c = 16,2mm x í =197, 4 mm/s2 I 1,8 J aJá = 7,8m m X « 95m m / s2 T Vậy hệ sô' địa chấn K d l= - = 1 ^ M = 0 ,0 2 « 2 % ; g 9800 Kđí = 9800 = 0,0097 « 1%. Dựa vào cường độ động đất, thang MSK - 64 phân độ m ạnh động đất thành 12 cấp theo dấu hiệu chủ yếu nhất vể mức dộ hư hỏng nhà (công trình), các biến dạng dư trong đất đá, sự phá hoại địa hình, sự biến đổi chế độ nuớc m ặt và nước ngầm,... Các trận động đất cấp 7 trớ lên đểu gây nguy hiểm , cho sinh m ạng con người và những hư hỏng cho cộng trình. Độ Richter là thang cấp động đất do Charles F. Richter đề nghị (1935), dể xác định cấp động dất nhờ m áy đo địa chấn đặt cách chấn tâm lOOkn, đo biên độ dao động lớn nhất (S, m m m ) của con lắc đơn có chu kỳ T = 0,25s, khi động đất xảy ra. V í dụ trận động đất có biên độ dao động lớn nhất của con lắc s = 200m m = 200000|im . Cấp động đất tính theo độ Richter (M) là: M = lgS = lg200000 = 5,3. và tống năng lượng (E) của trận động đất: L g E = 1 1 ,8 + 1,5M = 11,8 + 1,5 X 5,3 * 2 0 - » E = 2,10"(Jun) 175
ớ nước ta đã có sơ đồ phân vùng động dất theo thang 12 cấp. Theo những tài liệu ghi lại được, các trận động đất ờ nước ta thường xảy ra ờ dưới cấp 6 , số trận động dát từ cấp 6 đến cấp 8 không nhiều. Gần đây nhất (ngày 01-11-1935) trận động đất ờ Đ iện Biên Phú, chấn tám ở sâu 35km , có độ mạnh cấp 9 (6,75 độ Richte). 3. Đ ộ m ạ n h tín h toán là độ m ạnh thực tế có xét đến kết cấu. cấp và loại cóng trình, đến loại đất đá và chiều sâu m ực nước ngầm . Đ ối với các cống trình có quy m ó lớn, quan trọng, khi thiết k ế thường phải tính tăng thêm 1 hoặc 2 cấp động đất để đảm bào tính ổn định và tuổi thọ cũa công trình. V ùng có mực nước dưới đất ờ sáu h < lm tăng thêm 1 cấp; h = 4m tăng thêm 0,5 cấp; h > lOm không tăng thêm cấp động đất. III. Biện pháp phòng chỏng đ ộn g đất khi xày dựng cóng trình Cho đến nay, các giải pháp phòng chống động đất có độ m ạnh trên cấp 9 được xem là chưa có hiệu quả. Các trận động đất m ạnh nếu không phá hỏng kết cấu cóng trình thì cũng gáy tác hại làm công trình bị biến dạng hoặc gây lún khổng đểu. Tuy nhiên, để hạn c h ế tác hại của động đất khi xây dựng công trình vẫn cần có giải pháp kĩ thuật thích hợp. 1. C h ọ n vị trí và diện tích x á y d ự n g c ó n g trìn h ở khu vực có cấu tạo địa chất dơn gián, địa hình ít bị phân cắt và có độ dốc bé. T ránh những nơi có đút gẫy, có đới phá huỷ m ạnh. N hư vậy, tránh được hiện tượng trượt lở đất đá ờ sườn dốc và hiện tượng lún không đều khi xảy ra động đất. 2. C h ọ n giải p h á p k ế t cấu c ó n g trin h chắc chắn, hình dáng công trình đối xứng, trọng tám cóng trình thấp (nguyên tắc con lật đặt) và tính toán sao cho lực động đất (lực quán tính) theo phương ngang có giá trị bé: F = ma (4.3) Trong đó: m - khối lượng còng trình; Hoặc tính toán sao cho, chu kì dao động vốn có (Tc) của công trinh khác với chu kì dao động của sóng động đất. Chu kì dao động cùa công trình tính theo công thức: (4-4) Trong đó: K - hệ số phụ thuộc loại đất đ á làm nền công trình (đá rắn chắc K = 1,79; cuội sỏi đắng hướng K = 1,12; đất có tính nén lún bão hoà nước K = 0,41; cóng trình có biến vị ngang hoặc thẳng đứng đật trên nền cuội sỏi K = 0,28). p - trọng lượng dơn vị cùa công trình; L - chiều dài cóng trình; Et. - m ôđun đàn hổi của công trình; M - m ôm en quán tính tác dụng vào tiết diện ngang của công trình; g - gia tốc trọng lực. 176
Cố thể đánh giá khả nãng ổn định chống lật đổ công trình do động đất theo công thức: K s = - = tgS (4-5) g Trong đó: K s - hệ sô' động đất; ô - góc địa chấn. Khi K, hay ỗ lớn, công trình dễ m ất ổn định, lật đổ. 3. Đ á n h giá ổn đ ịn h m á i dốc, áp lực đất sau tư ờ ng chán trong vùng động đất qua đó, chọn giải pháp thích hợp. - Góc ổn định cùa m ái dốc (Oq) khi xảy ra động đất được xác định như sau: (4-6) Trong đó: (p - góc m a sát trong của đất cấu tạo m ái dốc. - Xác định áp lực chủ động của khối đất tác dụng lên tường chắn khi có động đất: (4-7) Trong đó: Y - khối lượng thể tích đất sau tường chắn; h - chiều cao khối đất sau tường chắn; (p và 5 như trên. 4. D ù n g vật liệu x à y d ự n g n h ẹ hoặc m ó n g dặc biệt, khả nãng đàn hồi tốt để giảm tác hại của động đất. N hật Bản (1985) và H àn Q uốc (1995) đã dùng giải pháp m óng cọc đài phễu (Top base) cho các công trình xây dựng để tránh tác hại của động đất rất thành cóng (xem §8 chương 8 “Đ ất xây dụng và phương pháp gia cô' nền đất” NXB Xây dựng Hà Nội, 2008). T ăng cường công tác nghiên cứu địa chấn, công tác dự báo động đất chính xác và kịp thời,.. §3. HIỆN TƯỢNG PH O N G HÓA VÀ ĐẶC ĐIỂM v ỏ p h o n g h ó a n h iệ t đ ó i Ẩm I. H iện tượng p h o n g hóa Quá trình phá huỷ, biến đổi chậm chạp và láu dài đất đá dưới tác dụng của không khí, nhiệt độ, gió, nước, m ua và sự hoạt động của s in h vật. Các đất đá có nguồn gốc, điểu kiện thành tạo, kiến trúc, cấu tạo, màu sắc, thành phần, điều kiện địa hình và khí hậu khác nhau,... có tốc độ phong hóa khác nhau. Đ á chứa nhiều pyrit dễ bị phong hóa, nhiều thạch anh khó bị phong hóa hơn. Kiến trúc hạt nhó và đều khó bị phong hóa hơn hạt không đều và nhiều thành phẩn mầu sắc khác nhau cùa các 177
khoáng vật. Đ á có nhiều khe nứt nguyên sinh (khe nứt phát sinh trong quá trình tạo đá - Khe nút ché) dễ bị phong hóa. V ùng nhiệt đói đá phong hóa m ạnh hơn vùng khí hậu lạnh giá. Tuỳ theo yểu t ố chính gây ra trong quá trình phong hóa và đặc điểm biến đ ổ i cùa sản phẩm phong h ó a , có thể chia quá trình phong hóa thành các loại: phong hóa vật lí, phong hóa học và phong hóa sinh vật. Phong hóa vật lí thường xảy ra trước rồi đến phong hóa học và phong hóa s in h vật. ở điều kiện tự nhiên, nước và khí ẩm hoặc rễ cây chỉ có thể xâm nhập vào đá khi đá đã bị nút nẻ, phá huỷ cơ học. T rong thực tế, khó phán biệt rõ ràng giai đoạn chuyển tiếp giữa hai loại phong hóa. 1. P hong hóa vật lí là quá trình phá huỷ đá gốc liền khối thành các khối nứt nẻ, các mánh vụn nhỏ nhung, không làm thay đổi thành phần của đá, thành phần vật chất ban đầu. Các yếu tố chính tham gia trong quá trình này là sự thay đổi nhiệt độ, tác dụng của sóng và gió.... N ăng lượng m ặt trời chiếu xuống m ặt đất ngày và đêm khác nhau, gây ra sự biến đổi sức căng bể m ặt của các khối đá. Các khoáng vật trong đá có hệ số giãn nở (thế tích và chiều d ài 1' 1 khác nhau. M àu sắc khác nhau khả năng hấp thụ nhiệt cũng khác nhau, dẫn đến sự tách vỡ đá thành m ảnh nhỏ, tảng hoặc lớp riêng rẽ, cuối cùng, thành các m ảnh vỡ vụn nhỏ (tới 0.005m m ). Nó là thành phần chính tạo ra đá vụn cơ học. Hiện tượng ẩm ướt, khô hanh, đông băng và tan băng lập đi lập lại cũng làm cho đá bị nứt né và vỡ vụn. Nước trong m ao quản (d < l |i ) gây ra áp lực p = l,5kg/cm 2. Rễ cáy lớn lên hoặc khi m ục nát bị thấm ướt,trương nở cũng gây ra áp lực đáng kể. N goài ra, sóng nước, gió bão cũng làm cho đá bị tách vỡ, ... 2. P h o n g hóa h ó a học là quá trình phong hóa diễn ra dưới các tác dụng của nước, ôxy, C 0 2, các axit vô cơ,... các m ảnh vụn bị biến đổi về thành phẩn hóa học và thành phần khoáng vật, tạo ra các hợp chất có thành phần đom giản (dạng ôxit, hidroxit) tồn tại bền vững ở trên và gần m ặt đất. Trong tự nhiên xảy ra tác dựng ỏxy hóa nhờ ôxy có trong không khí và trong nước. Tác dụng ôxy hóa m ạnh hay yếu tuỳ thuộc vào hàm lượng õxy tự do và hoạt động của sinh vật. Giới hạn ôxy hóa - khử sâu hay nông phụ thuộc vào đặc điểm đất đá, điều kiện địa hình, khí hậu và nhất là độ sâu mực nước ngầm ... Tác dụng ôxy hóa làm thay đổi khoáng vật, hóa trị của các nguyên tố và m àu sắc cùa đá; vật chất hữu cơ trong đá có m àu đen khi bị ô xy hóa có m àu xám sáng. 2FeS 2 + 7 0 2 + 2 H 20 -> 2 F e S 0 4 + 2 H 2S 0 4 6 F e S 0 4 + 3H 20 + 1 i/20 2 -> 2Fe 2(S 0 4), + 2Fe(O H ), 2 F e (S 0 4), + 9 H jO -> 2 F e 2 0 ,3 H 20 + 6 H 2S 0 4 gơtit (sắt nâu) 1 'Hệ s ố m ớ k h ố i c ù a thạch anh ( 0 ,0 0 0 3 1 ) g ấ p 2 lán fen sp a t ( 0 ,0 0 0 1 7 6 ) , m ic a ( 8 .1 0 ‘6). ố liv ìn ( 0 .0 0 0 2 8 4 ) g ấ p 1.7 lần c a o lin ii ( 0 ,0 0 0 2 ) ,... 178
Tác dụng hợp nước làm cho khoáng vật khan thành khoáng vật chứa nước va ton tại bền vững ớ trên m ặt đất. Đ ó là quá trình thành tạo thạch cao từ Anhydrit. C a S 0 4 +H 20 -> C aS 0 42H 20 Hoặc hêm atit biến thành L im ônit Fe 20 , + nH 20 -> Fe 20 , H 20 Tác dụng hợp nước thường kèm theo hiện tượng tăng thể tích của khoáng vật. Ngược lại quá trình trên là quá trình phá huỷ hoàn toàn các khoáng vật do tấc dụng thuỷ phân gây ra. Sự bào m òn, hoà tan khoáng vật cũ để hình thành khoáng vật mối do nước tuỳ thuộc độ pH của môi trường. Nước là dung môi hoạt động thường phàn li thành cấc ion H + và O H T í n h chất của môi trường do H + quyết định, độ pH. Cùng m ột loại khoáng vật bị thuỷ phân, trong môi trường có độ pH khác nhau sẽ sinh ra khoáng vật mới khác nhau: Fenspat [ ở m ôi trường pH < 7 thành tạo caolinit, Al 4[Si4O l(l](O H )g K[AlSi,Og] \ ở m ôi trường pH > 7 thành tạo M ônmôrilônit. (Al, M g) 2[Si40 | ()]0 H n H 20 Ngoài ra, còn có tác dựng cácbonát hóa, sunphát hóa... Như vậy, phong hóa hóa học làm biến đổi các khoáng vật phức tạp thành các khoáng vật đơn giản hơn vé thành phần hóa học và bền vững trên m ặt đất. Trong quá trình hoà tan, rửa trôi, m ang đi các ion làm thay đổi cấu trúc m ạng tinh thể, các khoáng vật không chứa nước thành các khoáng vật chứa nước, m ột số lớn chuyển sang trạng thái dung dịch thật hoặc dung dịch keo. 3. P h o n g hóa sin h vật bao gồm cả quá trình vật lí và hoá học do hoạt động của sinh vật. Các sinh vật: địa y, rêu, giun, kiến, chuột, m ố i, các vi khuẩn và các rễ cây làm tách vỡ đá đồng thời phân huỷ khoáng vật bằng axit hữu cơ. II. N hữ ng đ ạc đ iểm c ủ a vỏ p h o n g hóa n h iệt đới ẩm Các quá trình phong hóa tạo ra các sản phẩm phong hóa, m ột phần bị nước m ặt bào mòn, cuốn trôi, m ột phần lớn được tích tụ lại thành vỏ phong hóa (tầng tàn tích.eluvi). Thành phẩn khoáng vật và thành phẩn hạt, kiến trúc và cấu tạo, các tính chất vật lí cơ học của vỏ phong hóa đã khác rất nhiều so với đá gốc. Sự khác biệt này rất rõ theo chiểu sâu. Tuy nhiên, nhờ sản phẩm phong hóa ờ trên lớp m ặt tàn tàn tích có thể xác định được thành phần và tính chất của đá gốc ở bên dưới. Bởi lẽ, sản phẩm phong hóa của tầng tàn tích phụ thuộc vào thành phần đá gốc vào loại phong hóa. Ví dụ, đá mác ma axít khi bị phong hóa cho sét, thạch anh và mica. Thạch anh ở dạng cát, sạn, nên tàn tích của macma axit thường thô, màu sáng. Đá mácma bazơ phong hóa thành sét không có thạch anh, sản phẩm phong hóa có màu sẫm, đỏ nâu và hạt mịn. Đá vôi, đolômit có các sản phẩm phong hóa thường bị rửa trôi, chi lun lại sét và các loại ôxyt khó hoà tan. Đá gơnai và granit có sản phẩm phong hóa giống nhau; quaczit bị phong hóa thành cát thạch anh,... Ớ nước ta, sự hình thành vỏ phong hóa trong điểu kiện nhiệt đới ấm có thể chia thành 3 giai đoạn: - Giai đoạn m ộ t: làm biến đổi màu sắc, tạo khe nứt và làm đá vỡ vụn; các tác n h ân vật lí và hóa học làm cho trạng thái và thành phần của đá gốc bắt đầu bị biến đổi. Các khe nứt ngày càng phát triển và lấn sâu vào trong khối đá, làm cho quá trình phản ứng 179
hóa học xáy ra thuận lợi và m ạnh m ẽ hơn. M ột cơ cấu th à n h phần hóa học m ới được hìnli thành và xuất hiện m ột số khoáng vật thứ sin h thành phần hạt (dâm sạn) rất đa dạng và góc cạnh; thành phần khoáng vật hầu hết giống đá gốc. - G iai đoạn h a i: T hành tạo các khoáng vật thứ sinh có trạng thái, thành phần hóa học và khoáng vật khác nhiều so với đá gốc, các đá m ấcm a axít, trung tính, đá phiến xẽrixit giàu nhôm biến thành sét caolinit hyđrom ica. Đ á phun trào bazan biến thành "đất đỏ", đá trầm tích (cuội kết, dăm kết, cát kết),...) chuyển thành cuội, dăm sạn. cát, sét hoặc sét pha bớ rời. N hìn chung, các đới phong hóa đã được hình thành khá rõ rệt. Do tác dụng cùa dòng nước m ặt (tạm thời) gây ra hiện tượng xói m òn hoặc bóc m òn. tích tụ lại thành trầm tích eluvi hoặc deluvi ở sườn dốc. - Giai đoạn L a ten t lioá: trước tiên là quá trình feralit hóa I I > 1 rói dán dẩn V Si02 ) chuyến sang Latêrit hóa, được hình thành sau giai đoạn thành tạo các khoáng vật thứ sinh: T rong quá trình hòa tan, các kim loại kiẻm và kiểm đất tạo ra m ôi trường kiềm , Ihành tạo hyđrõm ica 6 K [A lSi,O s] + 2COj + 2H 20 => 2K A l 2[A lS i,0 ,„ ][0 H ]2 + 2K 2CO , + 1 2S i0 2 fenspatkali H yđrôm ica Sau đó, nước rửa trôi các C ation và m ột phấn S i0 2 tạo thành m õi trường axit và các khoáng vật m ỏnôrilônit hoặc hydrôm iaca biến thành khoáng vật thuộc nhóm Caolinit: 4KA1 2[A1Sì,OH] 2[O H ]2 + 2 C 0 2 + 8H 20 => 3A l 4[Si40 „ ,][0 H ]s + 2 K 2C O „ Cuối cùng, các khoáng vật thứ sinh bị phân hủy sinh ra các hợp chất bển vững trên mạt đất ỏ dạng ôxyt và hyđrôxit. Al 4[Si40 „ ,] [0 H ]8 + nH 20 => 2 A I A 3 H 20 + 4 S i 0 2nH 20 C aolinit Boxit Ô pan Các đá m acm a axit, đá phiến hai m ica, ở điều kiện m ôi trường axit tạo ra vỏ phong hóa Latèrit, còn đá m acm abazo và siêu bazơ tạo ra vỏ phong hóa Ôcrơ. V ò phong hóa Latẽrit có thành phần hóa học thay đổi theo quy luật từ dưới lên trên: Các ôxyt A I 20 „ F e iO j, T i0 2 có xu hướng tích tụ lại ở lớp gần m ặt đất, còn S i0 2, M gO , N a ,0 có xu hướng giảm đi với mức độ khác nhau. Các ôxyt Fe 20 „ AI 20 3 không bị hòa tan, lắng đọng tại chỗ. Do m ao dãn ớ m ùa khô và bốc hơi nước bề m ặt đất, các ôxyt này được kéo lên và bị mất nước, tích tụ thành òxyt AI, Fe ở gần m ặt đất. Phẩn tích tụ nhóm vừa dầy vừa sâu hơn tích tụ sắt; T i0 2 cũng tích tụ nhưng không rõ rệt ngược lại, S i0 2 giảm đi đáng kế. Đặc điếm liên kết kiến trúc trong đất L atẽrit có nguồn gốc đá phiến kết tinh: Liên kết kiến trúc ngưng keo - xúc biến có khung kiến trúc không gian xốp rời, qua kính hiến vi (phóng đại 600 lần) thấy có nhiều khe nứt và lỗ rỗng hình ống, các hạt đất được gắn kết với nhau bằng m àng keo do các cation trao đổi tạo nên. Khi độ ám vượt quá 25% , xung quanh các hạt có m àng nước m óng bao phù làm giảm lực liên kết giữa 180
các ion, giảm cường độ và độ bển của khối đất. Lúc này, chỉ tổn tại trong đất phân liên kêt ngưng keo do lực ion - tĩnh điện của các lớp điện kép tạo ra. - Liên kết kiến trúc hỗn hợp ngưng tụ - xi m ãng và ngưng tụ - kết tinh do các hạt sét và dung dịch Fe 20 „ A I 1O 3 có trong đất tạo nên. Từ tính cùa sắt trong Fe 20 , tạo ra một loại kiến trúc giữa các hợp thể có trong đất. Đ ộ bền cùa liên kết kiến trúc giảm xuống theo độ sâu và rõ rệt nhất khi đất ớ trạng thái bão hòa nước. Các liên kết kiến trúc này phụ thuộc vào m àng sỏnvat và sự hóa già cùa m àng keo. Khi m àng sônvat thay đổi thì độ bền kiến trúc cũng thay đổi (thể hiện qua tín h lún ướt của đất phong hóa). Độ bển kiến trúc phụ thuộc vào hình dạng khung đất (khung kiến trúc), kích thước hạt và các chất liên kết khung. K hung kiến trúc càng xốp, độ rỗng càng cao, khả năng hút nưốc cùa đất tăng lên. Các hạt nhỏ có độ bẻn liên kết kiến trúc lớn hơn hạt to. Càng gần m ặt đất, do lượng Fe 20 , và A I 2O j tăng lên, lực liên kết kiến trúc và độ bền kiến trúc cũng tăng. - Latẽrit có cấu tạo hạt đậu, kết hạch, cấu tạo tổ ong, khi tiếp xúc với không khí và bị bốc hơi nước sẽ biến thành đá ong. Đá ong gặp phổ biến ở các vùng trung du: Tây Hà Nội, Bắc Ninh, Bắc G iang, Phú thọ, Vĩnh Phúc, Biên hòa,— Đất L atêrit có thé dùng làm nền công trình khá tốt, làm vật liệu đắp đập, rải đường. Do có tính lún ướt và khả năng phục hổi kiến trúc rất chậm , khi xây dựng công trình trẽn dất phong hóa nén chú ý có biện pháp bảo vệ kiến trúc ban đầu của đất, không làm tăng độ ẩm của đất trong quá trình m ờ móng. III. N hữ ng biện p h á p xử lí tầ n g p hong hóa tro n g xây dự ng Để có giải pháp thích hợp cần tiến hành nghiên cứu mức độ phong hóa và tính chất của đất đá bị phong hóa bằng cách, lấy mẫu đất ở các độ sâu khác nhau cúa vỏ phong hóa. Nghiên cứu nguyên nhãn và tốc độ phong hóa, những tính chất vật ií - cơ học và thành phần hạt của vỏ phong hóa theo diện và theo chiều sâu. Sau khi có đẩy đủ tài liệu nghiên cứu theo nội dung trên, tiến hành lập giải pháp xử lí thích hợp. Nén chọn địa điểm có lớp vỏ phong hóa m ỏng, thuận lợi vé kinh tế và giải pháp kĩ thuật. Khi cổng trình có quy m ô nhỏ, bề dày vỏ phong hóa m ỏng, tiến hành việc bóc bỏ lớp phong hóa không đạt yêu cầu xây dựng. Dùng vật liệu đất sét, silicat, bi tum, xi mãng,...che phủ lên đất đá đang bị phong hóa. Khi thi cõng m ớ m óng nên giữ lại một lớp móng (5 10cm) trên cốt đáy m óng theo thiết k ế để ngăn cản quá trình phong hóa. Khi thi công xây m óng mới bóc bỏ lóp bảo vệ này. Cũng có thể dùng dung dịch sét, vữa xi máng hoặc thủy tinh lỏng, ... phụt vào các khe nứt, làm tăng khả năng liên kết, sức chịu tải cùa nền đất và làm giảm đáng kể tính thấm của đất đá khi xây dựng công trình ngẩm hoặc công trình thủy công. Tất nhiên, để sử dụng đạt kết quả cao các biện pháp này, cần phải khảo sát tỉ mì phương phát triển, độ lớn, mật độ cùa khe nứt. §4. HIỆN TƯ ỢN G CÁT CHẢY (ĐẤT CHẢY) I. K h ái niệm Cát cháy là m ột hiện tượng cát hạt nhỏ, hạt mịn, cát chứa bụi ờ trạng thái bão hòa nước, cháy thành dòng, thành lớp vào trong hô' m óng hoặc khi khai thác m ỏ lộ thiên, có 181
tốc độ chậm chạp hoặc nhanh chóng hoặc tai biến dưới hình thức đùn lẽn khi khai đào đến chúng. Cát chảy là m ột hiện tượng gây khó khăn trong quá trình thi công h ố m óng, công trình ngầm , gây m ất ổn định m ái dốc, khối trượt, làm m ất ổn định và gây biến dạng các cống trình lân cận, tăng khối lượng đào đất, thời gian thi công và gây tốn kém chi phí giải pháp kĩ thuật,... Cát chảy thường có độ chặt kết cấu xốp rời, dễ bị nén chặt, bị dồn ép hoặc bị trồi lẽn. Cát chảy là loại đất yếu, kém ổn định, khi thi công cần có biện pháp kĩ thuật đặc biệt để dám bảo sự ổn định cho các cõng trình. Dựa vào đặc điểm của hiện tượng, thành phần hạt của đất, thông thường chia cát chảy thành hai loại: cát chảy giả và cát chảy thật. 1. C ác c h ả y giả: H iện tượng cát (các loại kích cỡ), dưới tác dụng của áp lực thủy động của dòng thấm nước dưới đất, cát chảy thành dòng ở trạng thái lơ lửng và di chuyến theo phương của dòng thấm . Đặc điểm của cát chảy giả là hiện tượng bắt đầu ở nơi có gradien thủy lực lớn nhất trong khối cát và hiện tượng này giảm dần dần đến ngưng hẳn khi áp lực của nước giảm, gradien thủy lực giảm làm m ất tính lưu động của cát, làm cho khối cát ổn định. Cường độ (m ức độ nhanh chậm ) của hiện tượng cát chảy phụ thuộc vào thành phẩn hạt, hình dạng và độ tròn nhẵn của hạt cát, độ chặt kết cấu của khối cát, thành phần khoáng vật của hạt cát và quan trọng nhất là độ lớn của građien thủy lực cùa dòng thấm. Khi gradien thủy lực của dòng thấm đạt đến giá trị độ lớn nhất định sẽ gây ra hiện tượng cát chảy giả. Người ta gọi nó là građien thủy lực giới hạn (Igh), được xác định theo công thức: Ig h = I i J r ^ a - n ) (4-8) Yn Trong đó: ys - khối lượng riêng của hạt cát, g/cm'1; n - độ rỗng cúa khối cát, tính bằng phần đơn vị; y'„ - khối lượng riêng của nước. Như vậy, Igh thực chất là dung trọng đẩy nổi của khối cát. Nếu gradiên thủy lực của dòng thấm I lớn hơn Ish thì hiện tượng cất chảy giả xảy ra. Vì ở chân dốc thường có građiên thúy lực lớn nhất nên, nếu hiện tượng cát chảy xảy ra thì đẩu tiên xảy ra ớ chán dốc. 2. C át chảy thật: H iện tượng cát hạt nhỏ, hạt m ịn, cát chứa bụi và hạt sét ờ trạng thái bão hòa nưóc, chảy thành dòng, thành lớp dưới tác động của áp lực thủy tĩnh. Các khối cát này có chứa các hạt keo sét, cấc vi sinh vật bao quanh hạt cát.tạo thành thể dễ linh động, sức chống cắt của chúng rất bé, khối cát thường có m àu xám , dễ đổi m àu khi tiếp xúc với không khí, tính thấm nước và thải nước cũng rất bé, độ chứa ẩm lớn và chúng giống như m ột chất lóng nhớt. 182
Khi tác dụng lực rung lắc chúng tạo thành m ột khối đồng nhất, chảy loang ra thành lớp, trên bể m ặt xuất hiện m ột lớp nước đục giống m àu cùa vữa xim ăng lỏng. Nêu khoan vào lớp cát chảy thật, cát tạo thành nút bịt khi rút mũi khoan lên, gây khó khăn và nguy hiểm, dẫn đến sự c ố làm kẹt và tắc thiết bị khoan. Cát chảy thật chảy tràn lan, liên tục, làm tăng khối lượng đào đất. Cát chảy thật có khuynh hướng biến đổi xúc biến khi có tải trọng rung hoặc chấn động. C húng có thể tự khôi phục trạng thái ổn định ban đầu sau khi các tác dụng trẽn chấm dứt K hối cát chảy thật bị hong khỏ tạo thành loại đất dính, khá cứng, sáng màu hơn ban đầu, tạo thành các tấm giòn dễ vỡ. Có thể dùng cách đơn giản để phân biệt cát chảy thật và cát chảy giả: Lấy xô cát đó đồ ra nền phẳng (tấm bẽ tông hoặc tấm gỗ) nếu đụn cát có hình chóp nón đó là cát chảy giả, nếu tạo ra hình chiếc bánh dày có độ dốc 2° 5°, đó là các chảy thật (hình 4.9). Nghiên cứu tính chất cơ lí của cát chảy thật rất khó khăn, vì việc lấy m ẫu nguyên dạng để thí nghiệm trong phòng hoặc tiến hành thí nghiệm tại hiện trường đều rất phức tạp và có thể không làm được. Hiện nay chỉ có rất ít số H ình 4.9: liệu đáng tin cậy, vì phẩn lớn sô' liệu thu thập a - Cát chảy giả; b) Cát chảy thật dược là kết quả thí nghiệm những mẫu ít nhiều không còn tính nguyên dạng. Trong điều kiện không thể ép trồi và không chảy phì ra, cát chảy bị biến dạng ở mức độ nhất định dưới tác dụng của tải trọng, nó vẫn có thể làm nền thiên nhiên cùa cõng trình. Tuy nhiên, đối với cộng trình có tải trọng lớn hoặc tải trọng động nên có biện pháp kĩ thuật xù lí, gia cố,cải tạo nền cái chảy thật và phải thận trọng đánh giá độ chặt tự nhiên của cát. 0 trạng thái bão hòa nước, do nước liên kết vật lí và áp lực đấy nổi thủy tĩnh làm giảm lực tương tác giữa các hạt, tính ổn định của khối đất bị giảm theo. Dưới tác dụng cùa trọng lượng bản thân, ớ m ái dốc lập tức xuất hiện hiệu ứng lực cắt. Ngoài ra, còn phát sinh áp lực nưóc lỗ rỗng và thành phần cắt của trọng lực tăng lẽn một trị số bầng áp lực thúy động là nguyên nhân làm xuất hiện tính chảy của cát chảy thật. Trong khối cát bão hòa nước (hình 4.10) ở tại độ sâu (H + Z) có trọng lượng cột nước u = (H, + Z)y„ và áp lực thủy tĩnh Pt = Z.Ỵj„ (ứng suất có hiệu được truyền lên cốt đất). Khi tăng chiểu cao cột nước lên m ột giá trị h (hình 4.10b) nước bắt đầu chuyển động từ dưới lên làm xuất hiện trong cát áp lực thủy động (P,j): H, + z + h _ p - = _ l Y — -y«- = Irn - (4 -9 ) Áp lực thúy động sẽ làm giảm ứng suất có hiệu ( ỡ ) m ột trị số PtJ nào đó: ã = Zydn- P td Khi ZYj „ = Pj„, thì ơ = 0. Nghĩa là građién thủy lực đạt đến građiẽn tới hạn (Ilh). Lúc này, đất cát trở nên xốp và bắt đầu chảy, trong lỗ khoan cát đùn lên thành nút bịt. 183
Vi sinh vật sống trong đất cát chảy thực có tác dụng đối với thành phần khoáng vật, tính phân tán, kết cấu và trạng thái ứng suất của đát. Các visinh vật tạo ra các bong bóng khí, gây ra áp lực thừa trong pha lỏng của đất bão hòa nước, là năng lượng làm lãng tính linh động của đất. II. B iện p h á p n g ă n n g ừ a , xử lý c á t c h ảy 1. N ộ i d u n g c h ủ y ế u n g h iê n c ứ u n ề n đất có cát chảy - Đ iều kiện th ế nằm , sự phân bỏ' trong tự nhiên, quan hệ với các lớp đất đá tiếp giáp, điều kiện địa hình, địa m ạo và các dấu hiệu thể hiện khả năng có cát chảy,... - Thành phẩn và tính chất cơ lí của cát chảy: Độ chặt kết cấu, tính xúc biến, tín h thấm và độ nhả nước, sức chống cắt và tính biến dạng của đất ở trạng thái nguyên dạng. - Loại tầng chứa nước, mực nước dưới H ình 4.10. Phân b ố ứng suất trong cát bão hòa ... , “ ... ., ... nước (cát cliảy) đất, phương dòng thấm và giá tri građiên _ . , : , - . . . ơ - ứng suất có liiệu, II - Ap lưc lô l ông. thúy lực. - Xem xét kĩ m ôi trường xây dựng xung quanh, vị trí công trình sẽ xây dựng, tìm giải pháp kĩ thuật thi công đảm bảo an toàn và ổn định lâu dài cho công trình xây dựng.... 2. B iện p h á p x ử lí cát chảy Đối vối cát chảy giả giải pháp xử lí đơn giản hơn rất nhiều so với cát chảy thật. Chỉ cần có biện pháp hạ thấp mực nước ngầm . N ghĩa là, giảm građiên thủy lực trong khối cát (nển cát chảy giả) lập tức hiện tượng cát chảy bị ngưng lại. Đối với cát chảy thật có thể dùng các giải pháp xử lí sau đây: - Phương pháp cố kết hóa học, bằng m ột dung dịch hoặc hai dung dịch: thủy tinh lỏng và muối canxi clorua, được bơm vào trong lỗ rỗng của đất cát chảy, có tác dụng liên kết các hạt đất, tâng cường độ và giảm tính thấm của khối đất được xử lí. Các chất này đóng vai trò làm chất xi m ăng gắn kết như trong đá trẩm tích. - Phương pháp điện thẩm và điện hóa học. Phương pháp điện thẩm , ứng dụng hiện lượng điện động học trong đất, có tác dụng tháo khô nước trong khối cát chảy thật, làm giám lỗ rỗng và tính lưu động của khối cát. Đ ể tăng khả năng liên kết các hạt cát và không cho nước thấm từ xung quanh vào khối đất cát chảy thật, dùng phương pháp điện thẩm kết hợp bơm dung dịch hóa học (Canxi clorua hoặc thủy tin h lỏng, - N a ,0 S i0 ,n H ,0 ,...) vào lỗ khoan ớ cực dương (điện hóa học). - Phương pháp dùng chấn động, lợi dụng tính xúc biến của khối cát chảy thật. Nhờ tác dụng chấn động, khối cát đạt trạng thái đồng nhất có m ật độ hạt tăng, nước trong khối cát được đẩy lên, tập trung ở bể m ặt của khối đất rồi cho chảy vào hố thu nước, nhờ đó, làm giảm độ ẩm cùa đất cát chảy thật. 184
- Phương pháp thi công hố m óng bằng giếng chìm khi tầng cất chảy có chiêu dày lớn. Trường hợp chiéu dày không lớn, bên dưới là lớp đất khá tốt không thấm nước thì dừng phương pháp đóng cọc có ván cừ kín hoặc dùng các tấm thép làm tường vây đê thi cong hô m óng. C ũng có thể dùng phương pháp đông lạnh để làm đông cứng khối cát chảy thật hoặc dùng cuội sỏi làm lớp đệm dưới m óng công trình đặt trên nền đất cất chảy... §5. H IỆ N TƯ Ợ N G X Ó I NGẦM I. K h á i niệm Hiện tượng địa chất tự nhiên do dòng thấm nước dưới đất cuốn trói các hạt đất hoặc bào xói, rửa lũa cấc chất lấp nhét ở khe nứt, hốc kacstơ, làm giảm độ chặt, tăng tính thấm cúa các lớp đất đá. Xói ngầm xảy ra trong điều kiện địa chất nhất định, các lớp đất đá có thành phần không đổng nhất, liên kết rời rạc, các hạt bé có thể di chuyển qua lỗ rỗng do các hạt lớn tạo thành và dưới áp lực của dòng thấm nước dưới đất. Xói ngẩm có thể xảy ra ở nơi tiếp giáp giữa hai lớp cát (hoặc đất hạt bụi - cát hạt thỏ) có cỡ hạt sai khác nhau nhiều lần. Dưới tác dụng của dòng thấm , các chất lấp nhét trong khe nứt hoặc trong các hốc K acstơ bị rứa lũa và cuốn trôi. Xói ngầm phát triển tương đối chậm (hàng năm hoặc vài chục năm), nhưng phổ biến rộng rãi trong thiên nhiên và biểu hiện rất đa dạng. Xói ngầm thường xảy ra ở chán dốc, vách công trình ngầm, chán đê vào mưa lũ hoặc chân đập hồ chứa nước,... Xói ngầm moi chuyển hạt đất làm cho độ chặt của đất giảm , độ rỗng tăng lên. Dưới tác dụng tải trọng bản thãn của đất đá (hoặc công trình) bên trên làm cho đất lún sụt, hình hành khe nứt, đới yếu, có thể gây hiện tượng trượt đất đá sườn dốc, có thể gây lún nhiều hoặc lún không đểu, làm biến dạng dẫn đến phá hoại công trình. Xói ngầm làm tăng đáng kể tính thấm của đất đá, gây khó khăn trong thi công đào hố m óng, các cõng trình ngẩm , gây thấm mất nước trong hổ chứa nước qua vai đập,... ngoài ra, do hiện lượng lấp bịt của các hạt nhỏ vào lỗ rỗng và chỗ trống, quá trinh này không hoạt động bình thường và kém hiệu quả. II. Điều kiện p h á t sin h và p h á t triể n xói ngầm 1. N h ữ n g điều k iệ n có thè p h á t sin h x ó i ngầm a) Trong lớp đất đá phải có thành phẩn hạt và kết cấu nhất định; b) Trong đất đá có tính nứt nẻ, xốp rời và có m iền xả ra và tiéu thoát các hạt nhỏ khi bị cuốn trôi; c) Vận tốc dòng thấm đủ lớn để có thể thắng được trọng lượng của hạt đất. Hiện nay, chưa có phương pháp định lượng chính xác m à chỉ có phương pháp gần đúng phán đoán khá nãng phát sinh xói ngầm. Khi cất có thành phẩn hạt, kết cấu và tồn tại áp lực thủy động ớ mái dốc thích hợp, đồng bộ, mới có thể phát sinh xói ngầm . Trong đó, áp lực thúy động đóng vai trò chủ yếu nhất. Áp lực thủy động xác định theo cóng thức sau: 185
(4-10) T rong đó: P,J - áp lực thúy động; y„ - khối lượng riêng của nước; n, e - độ rỗng và hệ số rỗng của đất; I - gradiên thúy lực. Lực giữ các hạt đất (hình 4.11) hay lực TỴTý duy trì trạng thái cân bằng cúa hạt đất T: H ình 4-11: Sơ đồ lực tác dụng lẽn sườn T = Nf (4-11) dóc klii có áp lực thủy động T rong đó: N - khối lượng hạt đất hay lực vuông góc với phương dòng thấm ; f = tg ọ - hệ số m a sát; Nếu P,J > T thì hiện tượng xói ngầm phát sinh. 2. N h ữ n g điểu k iệ n đ ể cho x ó i ng ấ m p h á t triển a) Đất đá không đồng nhất và có hê số không đồng nhất C u = > 20; d io b) Trong đất có khả năng xuất hiện dòng chảy rối, nghía là I > 5; c) Tại ranh giới tiếp giáp, hệ số thấm lớp trước (hạt nhỏ) bằng hoặc nhỏ hơn 1/2 hệ số thấm lớp sau (hạt to). d) Dòng thấm phải có nguồn cung cấp nước và phải có m iền xả các hạt nhỏ. Đế hiện tượng xói ngầm phát triển phải thoả m ãn cả bốn điều kiện trẽn đây. 1) Đánh giá khả nãng xói ngầm theo công thức kinh nghiệm của L .I.K ôzlova. (4-12) Trong đó: d lb - đường kính trung bình của nhóm hạt bé; ds „ D*,, - đường kính nhóm hạt bé và nhóm hạt lớn có đường kính bằng và nhỏ hơn nó chiếm 60% khối lượng m ẫu phân tích (Phạm vi sử dụng cóng thức: d,„ < 0,088; d«, = 0,3 - 0,5 và D 60 = 2 + 15m m ). 2) Đánh giá khá năng xói ngầm theo E .A .Z am arin, dựa vào građién giới hạn: Iz = (ys - l ) ( l - n ) + 0.5n (4-13) Trong dó: y„ - khối lượng riêng của hạt đất, g/crrv; ■ n - độ rỗng tính bằng phán đơn vị. T hông thường cát có Y„ = 2,65 -í- 2,70 và n = 0,3 -í- 0,5, do đó Iz = 1,34 -í- 1.1. 186
3) Đ ánh giá khả năng phát triển xói ngẩm bằng đồ thị quan hệ giữa građiên thuy lực bé nhất với hộ sô không đồng nhất của V .X .Ixtôm ina (hình 4.12). Như vậy, theo cac phương pháp đánh giá xói ngầm đã đề xuất và các phương pháp đã được nghiên cứu đêu thoà m ãn những điều kiện phát triển xói ngẩm đã nêu ờ trên. III. M ột số biện p h á p n g ãn ng ừ a và xử lý xói ngầm 1 . N ộ i d u n g n g h iên cứ u đia k ĩ th u ậ t đối với x ó i ngẩm Cần điều tra tra tỉ mỉ đặc điểm địa hình, Iz đặc biệt, là mái dốc có ảnh hưởng đến s gradiẽn thủy lực. Làm rõ cấu tạo địa chất, \ trạng thái phản bố và tổn tại của cấc lớp đất I ■v đá. Điểu tra điểu kiện vận động của nước II mặt và nước dưới đất, các m ạch nước và nauồn cung cấp của chúng. Nghiên cứu xác định tính chất cơ-lí nghĩa là, phải làm rõ H ình 4.12: Đồ thị đánh giá khả Iiăng gây thành phẩn kích thước gây hiện tượng xói hiện tượng xói ngầm ngầm phải làm rõ thành phẩn khoáng vật, I. Vùng građiên gãy xói ngầm; 11. Vùng thành phần hàm Iươns chất dễ hòa tan, tính građién an toàn nứt nè và phương phát triển của khe nứt, đặc điếm cúa vỏ phons hóa... 2. Các biện p h á p ngăn ngừ a và x ử lí x ó i ngầm a) Ngăn nước mặt thấm xuống nơi có thê’ xảy ra xói ngầm bằng rãnh dạng xucmg cá để thoát nước mặt hoặc phù đất sét; thiết lập hệ thông thoát nước ngầm để giảm građiên thủy lực. b) Làm thiết bị lọc ngược ở nơi xuất lộ m ạch nước có xói ngầm bằng cách xếp đặt cuội, sỏi, cát theo từng lớp có kích thước hạt lớn dần theo chiều dòng thấm , vật liệu thâm này được bao bời lưới thép, phên và cót. Làm vòng vây cọc ván hoặc m àn chống thám (tưcmg chống thấm trong thân đập. đê) để kéo dài đường thấm , làm giảm građiên thủy lực của dòng thấm nước dưới đất. d) Bơm vữa xi m ãna hoặc thủy tinh lỏng làm tăng liên kết và lấp khoảng trống giữa các hạt đất. §6 . HIỆN TƯ ỢN G C A C T Ơ I. K hái niệm Cactơ là hiện tượna do nước mặt và nước dưới đất hòa tan và cuốn trôi đất đá dẻ hòa tan (đá vôi. đôlôm it. macnơ, đá phấn, thạch cao, A nhidrit, m uối m ỏ,...) tạo thành khe rãnh, hang hốc trong tầng đá và dạng địa hình đặc trưng trên m ặt đất. Các hang động do cacto tạo ra như: hang động ờ Vịnh Hạ Long, độna Tam Thanh. Nhị Thanh. Chùa Tiên (Lạng Son), động chùa Thày động chùa Hương (Hà Nội), Bích Động, Đ ịch L ộna, chùa Non nước (Ninh Bình) động Phong nha (Quảng Bình). V ọna Phu (Phú vẽn) hang động tron 2 núi đá vôi Hoàng Thạch (Hái Dương) v.v... 187
Đ ịa hình c actơ rất đặc trưng: bề m ặt đ ịa hình nhiều chỏm đ á tai m èo, rừng cột đá, các phễu và h ố hút nước, các thung lũng rải rác các m ỏm đá trơ trọi. Các hang động lộ trên m ặt đất (catơ chết) và các hang động, sông ngầm nằm dưới m ặt đ ất liên thõng với nhau. Các sông ngầm có thể dài từ vài chục m ét đến hàng nghìn m ét ở vùng núi đ á vôi thuộc Cao Bằng, M ộc châu, L ạng Sơn và N inh Bình. N hư vậy, cactơ có thể hình thành ở nông hoặc ở sâu tuỳ theo cấu tạo địa chất (hoạt động m ạnh ở đối đứt gảy), thành phần và mức độ đồng nhất của đá, điều kiện đ ịa hình và khí hậu trong vùng,... N hìn chung, hiện tượng cactơ làm cho địa hình phân cắt m ạnh, các khe rãnh và hang hốc làm m ất tính liền khối, gây m ất ổn định, tăng khả năng m ất nước cùa hổ chứa, gây sự c ố nguy hiểm cho đập ngân nước, gây khó khăn và tốn kém khi xảy dựng cõng trình trên nền đất đá có cactơ. C actơ gây nhiều điều phức tạp khi khai thác m ỏ, làm phát sinh các dòng nước lớn chảy vào cổng trình khai đào ngầm , hô' m óng xây dựng (N hà máy xi m ăng H oàng T hạch, Bỉm Scm,...). C áctơ làm biến dạng, sụt lún cõng trình. T uy nhiên, phần lớn các hang dộng có địa danh ờ nước ta đã nêu trên đều là những nơi danh thắng, phong cảnh rất đẹp, nổi tiếng gần xa, làm cho con người thêm yêu thiên nhiên đất nước. Các hang động cáctơ còn được sử dụng làm nơi ở, kho tàng và nơi sản xuất trong thời kì chiến tranh (các xí nghiệp quân giới, nhà m áy nhiệt điện,...). II. N h ữ n g đ iều k iện và q u á t r ìn h c a c tơ tr o n g tự n h iê n / . N h ữ n g điểu k iệ n th à n h tạo cactơ C áctơ được hình thành là do tấc dụng của nước m ặt và nước dưới đất đối với các đá dễ hòa tan. Nhưng hiện tượng cactơ có thể không phát sinh hoặc diễn biến rất chập chạp mặc dù nước tiếp xúc với đá có tính hòa tan hoặc rất dễ hòa tan. Đ ể quá trình ăn mòn, hòa tan, diễn ra liên tục và m ạnh m ẽ còn cần những điều kiện khác không thể thiếu được, đó là tính nứt nẻ của đá, sự vận động của dòng thấm , điều kiện tiêu thoát cùa các chất đã hòa tan. N ghĩa là, phải có điều kiện hóa lí thích hợp luôn phá vỡ sự căn bằng hóa học giữa nước có tính ăn m òn và đá có tính hòa tan. T heo Đ .X .X ôK ôlôp, để thành tạo cactơ phải thoả m ãn những điều kiện: "Có đá bị hòa tan, khả năng thấm nước của đá, nước vận động và nước có khả năng hòa tan". N hư vậy, có thế phân định rõ hơn những điều kiện thành tạo cactơ như sau: a) Đ á phải có tính hòa tan và các khe nứt phát triển; b) Nước có tính ăn m òn và vận động theo dòng thấm . Những điều kiện này phải đồng thời thoả m ãn và kết hợp hài hòa thì không thể không phát sinh hiện tượng cactơ. M ột khi thiếu m ột trong các yếu tố trên quá trình cactơ sẽ không tiến triển được. Bời vì, nếu đất đá có tính dễ hòa tan và nước có tính ăn m òn mạnh nhưng, nước không vận động vì khóng có khe nứt và nơi tiêu thoát thì dung dịch do nước và đá bị hòa tan sẽ đến lúc đạt trạng thái bão hòa hoặc quá bão hòa, hiện tượng hòa tan dá sẽ bị ngưng, hiện tượng cactơ chấm dứt. M ặt khác, trong tự nhiên khõng có đá bị hòa tan "thuần khiết" nên trẽn m ặt đá sẽ tích luỹ lại cặn, khỗng hòa tan, thường là chất sét, sẽ ngăn cách đá tiếp xúc với nước, làm cho quá trình hòa tan chấm dứt. N hư vậy. đẽ’ cho quá trình này phát triển phải bảo đảm đầy đủ các điều kiện đã nêu ờ trên. 188