TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN ĐỊA KỸ THUẬT PGS TS PHẠM HỮU SY KHẢO SÁT ĐỊA KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2012 Mục lục Các loại đất đá vỏ đất 1.1 Phân loại đá theo điều kiện hình thành 1.1.1 Đá magma 1.1.2 Đá trầm tích 1.1.3 Đá biến chất 1.2 Phân loại đá theo tính chất xây dựng - Đá cứng - Đá nửa cứng 1.3 Phân loại đất theo điều kiện hình thành - Đất trầm tích - Đất tàn tích - Đất sườn tích 1.4 Phân loại đất theo tính chất xây dựng - Đất rời - Đất dính Các tượng địa chất động lực 2.1 Kiến tạo 2.2 Động đất 2.3 Phong hóa 2.4 Karst 2.5 Trượt mái dốc Khảo sát địa kỹ thuật 3.1 Mục đích, nhiệm vụ, nội dung khảo sát địa kỹ thuật 3.2 Các nguyên tắc cần tuân thủ khảo sát 3.3 Các giai đoạn khảo sát 3.3.1 Khảo sát cho lập báo cáo đầu tư 3.3.2 Khảo sát cho lập dự án đầu tư 3.3.3 Khảo sát cho thiết kế kỹ thuật 3.3.4 Khảo sát cho lập vẽ thi công 3.4 Tổ chức khảo sát 3.5 Các phương pháp khảo sát 3.5.1 Đo vẽ địa chất cơng trình 3.5.2 Đào thăm dò 3.5.3 Khoan thăm dò 3.5.4 Thăm dò địa vật lý 3.5.5 Thí nghiệm phịng 3.5.6 Thí nghiệm trường 3.5.7 Quan trắc định kỳ 3.6 Hồ sơ khảo sát địa chất cơng trình Phân tích kết khảo sát đánh giá điều kiện địa kỹ thuật xây dựng Trang 5 12 15 18 18 22 23 26 28 29 29 30 31 31 32 32 33 34 35 35 38 39 43 47 49 59 60 62 Trong tập tài liệu công tác khảo sát địa chất công trình viện dẫn theo tiêu chuẩn xây dựng hành Tiêu chuẩn xây dựng sửa đổi, bổ sung hàng năm lần biên soạn lại Người đọc nên tìm hiểu để cập nhật theo tiêu chuẩn Tác giả LỜI NÓI ĐẦU Trước kỹ sư địa chất cơng trình chun phối hợp với kỹ sư thiết kế để giải vấn đề xây dựng cơng trình Kỹ sư địa chất cơng trình có nhiệm vụ khảo sát thu thập thông tin phục vụ cho thiết kế Tuy nhiên, kỹ sư thiết kế cơng trình khơng đủ mạnh để tự giải vấn đề móng giải pháp xử lý, kỹ sư địa chất cơng trình khơng giải vấn đề mà túy cung cấp thơng tin Vì ngành Địa kỹ thuật đời Ban đầu môn học, phát triển trở thành ngành học có mã chuyên ngành đào tạo Địa kỹ thuật chuyên ngành đào tạo chuyên cung cấp kiến thức tổng hợp từ môn học truyền thống trước liên quan đến đất đá gồm địa chất cơng trình, học đất, học đá, móng cơng trình Khảo sát địa chất để thu thập thông tin phục vụ cho thiết kế gọi khảo sát địa chất cơng trình - nhiệm vụ nội dung Địa chất công trình trở thành phần Địa kỹ thuật, nhiên chất cơng việc khơng có thay đổi Vì vậy, tập giảng số thuật ngữ chun mơn có dùng mơn học Địa chất cơng trình có thay đổi cho phù hợp với tên môn học – Địa kỹ thuật Bởi vậy, thuật ngữ sau hiểu tương đương, khơng có phân biệt: Khảo sát địa chất cơng trình Khảo sát địa kỹ thuật Điều kiện địa chất cơng trình Điều kiện địa kỹ thuật cơng trình Mặt cắt địa kỹ thuật Mặt cắt địa chất cơng trình Việc đời chun ngành Địa kỹ thuật để đáp ứng nhu cầu thực tế lĩnh vực Xây dựng, lấp chỗ trống kỹ sư thiết kế kỹ sư địa chất cơng trình Vì vậy, Địa kỹ thuật khơng thay Địa chất cơng trình, khảo sát địa chất thu thập thông tin phục vụ thiết kế nhiệm vụ kỹ sư địa chất cơng trình Mục đích cung cấp kiến thức khảo sát địa chất cơng trình cho kỹ sư địa kỹ thuật để hành nghề khảo sát mà để phân tích sử dụng kết khảo sát Vì lý trên, nội dung khảo sát địa chất cơng trình trình bày cho đối tượng ngành học Địa kỹ thuật không túy cơng nghệ kỹ thuật khảo sát mà có nội dung phân tích kết kinh nghiệm đánh giá điều kiện địa chất công trình Nội dung tập giảng gồm có phần chính: Các kiến thức đất đá trình địa chất động lực, trình bày ngắn gọn có tính chất nhắc lại để người học dễ theo dõi, quy chiếu phân tích điều kiện địa chất cơng trình; Tổ chức khảo sát phương pháp khảo sát; Phân tích kết khảo sát đánh giá điều kiện địa chất cơng trình khu vực xây dựng Tác giả CÁC LOẠI ĐẤT ĐÁ TRONG VỎ QUẢ ĐẤT Đất đá đối tượng nghiên cứu, sử dụng hoạt động xây dựng Khảo sát địa kỹ thuật thực nhiệm vụ Trong vỏ đất đất đá chia làm hai loại: đất đá Đá loại vật liệu có mối liên kết cứng hạt (liên kết hóa học liên kết xi măng) nằm thành khối liên tục khối nứt nẽ Đất loại vật liệu rời, hạt liên kết cứng 1.1 Phân loại đá theo điều kiện hình thành Trong địa kỹ thuật đá phân loại theo nhiều cách khác mục đích phân loại khác Ở đề cập cách phân loại chính: phân loại theo điều kiện hình thành theo tính chất xây dựng Đá theo điều kiện hình thành chia làm loại: đá magma, đá trầm tích đá biến chất 1.1.1 Đá magma Đá magma hình thành từ dung dịch magma chúng lên từ lòng đất, nhiệt, nguội lạnh, đông cứng mà thành Khi khối magma lên đạt đến mặt đất, phun trào lên mặt đất (núi lửa) nguội lạnh đông cứng mặt đất gọi đá phun trào Tiêu biểu cho loại đá bazan mà phổ hiến Tây Nguyên (hình 2) Hình Đá bazan mái hố móng cơng trình thủy điện Bn Kp, Đăk Lăk Ngược lại, khối magma đơng cứng lưng chừng lịng đất gọi đá magma xâm nhập Tiêu biểu cho loại đá granite mà người ta hay dùng làm đá lát ốp tường (hình 3) Ở Việt Nam đá granite làm cho nhiều công trình thủy điện thủy điện Lai Châu, thủy điện Buôn Tua Srah (tỉnh Đak Nông), thủy điện Đakdrinh (Quảng Ngãi)… Theo hàm lượng SiO2 đá magma chia làm loại: đá magma axit lượng chứa SiO2 lớn 65%; đá magma trung tính lượng chứa SiO2 từ 55 – 65%; đá magma bazơ hàm lượng SiO2 từ 45 – 55% magma siêu bazơ hàm lượng SiO2 nhỏ 45% Hàm lượng SiO2 ảnh hưởng đến tính chất dung dịch magma đơng cứng thành đá ảnh hưởng đến tính chất đá Dung dịch magma axit thường có tính nhớt cao, linh động, phun trào thường dạng phun nổ không chảy xa, đông cứng thường cho đá có màu sáng, kháng phong hóa tốt, ngược lại, dung dich magma bazơ thường linh động, phun trào thường phun chảy, đông cứng thường cho đá có màu tối, ổn định phong hóa Hình Núi lửa phun trào Hình Đá ốp lát granite Hình Granite thủy điện Lai Châu Thế nằm đá xâm nhập chia làm loại: nằm dạng nền, dạng nấm, dạng mạch, dạng lớp Thế nằm dạng khối magma nằm sâu có diện tích phân bố lớn, vài chục vài trăm km2 Thế nằm dạng thường đá granite granodiorite, loại xâm nhập sâu, xuất lộ bề mặt vận động kiến tạo kết Hình Đá xâm nhập dạng mạch Hình Đá mạch xuất lộ hợp chế độ bào mòn mạnh mẽ, liên tục lâu dài Ở Việt Nam đá granite phổ biến tỉnh Nam Trung Bộ Thế nằm dạng nấm tức khối đá magma có dạng hình nấm, khối magma xâm nhập vào khoảng khơng lớp đá trầm tích, nâng lớp phía lên để chiếm chỗ đơng cứng Dạng nấm thường nhỏ dạng nền, từ vài đến vài chục km2 Dạng mạch magma xâm nhập vào kẽ nứt đá vây quanh đơng cứng (hình 5) Trên bề mặt địa hình dạng mạch nhận diện gờ cao so với xung quanh (hình 6) Đá magma dạng mạch chống thấm thiên nhiên tốt xây dựng hồ chứa nước Dạng lớp trường hợp đặc biệt dạng mạch, hình thành dung dịch magma xâm nhập vào kẽ nứt đá vây quanh kẽ nứt mặt lớp đá trầm tích Vì xâm nhập đơng cứng kẽ nứt mặt lớp nên có hình dạng lớp đá vây quanh Đặc điểm đá magma dạng mạch/dạng lớp chiều dày mạch/của lớp thường nhỏ, vài centimet đến vài mét diện phân bố lớn Hình khối magma diabase dạng lớp xen kẹp lớp sét kết cát kết chỉnh hợp đá trầm tích Thế nằm đá magma phun trào gồm dạng vòm (vòm núi lửa), thường đặc trưng cho đá magma axid; dạng lớp phủ, đặc trương cho đá magma bazơ dạng dịng chảy Magma dạng dịng chảy có thành phần axid bazơ, hình thành dung nham trào lên mặt đất chảy theo chỗ trũng địa hình xa khỏi miệng núi lửa Mức độ xa hay gần phụ thuộc thành phần dung nham điều kiện địa hình Magma phun trào thường có chiều dày khơng lớn, nhiên phun làm nhiều đợt tạo nên lớp phủ dày Kiến trúc đá magma phản ánh điều kiện hình thành chúng Đối với đá xâm nhập sâu, trình nhiệt xảy chậm, khống vật có đủ thời gian để kết tinh lớn lên, vậy, đá magma xâm nhập sâu thường có kiến trúc tồn tinh, hạt lớn Ngược lại, đá xâm nhập nông thường kiến trúc ban tinh tồn tinh hạt mịn, đá Hình Một khối magma dạng lớp diabase phun trào thường có kiến trúc thủy tinh xen lớp sét kết cát kết Hiểu quy luật giúp phân tích tài liệu khảo sát địa kỹ thuật cách tốt nhất, bảo đảm cơng trình xây dựng ổn định kinh tế Đá magma loại đá sử dụng tốt dùng làm nền, làm vật liệu xây dựng công trình Tuy nhiên, để đánh giá chúng cách đầy đủ cần phải xét theo hai khía cạnh: tính chất xác định trình khảo sát tính chất ổn định lâu dài theo thời gian Khác với đá trầm tích, đá magma đá nội sinh đá cứng, có cường độ lớn dễ bị phong hóa phơi lộ bề mặt Một sườn dốc cấu tạo đá magma phun trào cắt mái dựng đứng để làm đường cứng phong hóa, khoảng 20 năm sau trượt lở Đã có số trường hợp đáng tiếc xảy dân miền núi cắt mái dốc để làm nhà gây tổn thất nặng nề tính mạng tài sản Một vấn đề cần lưu ý đánh giá đá địa kỹ thuật cơng trình tính nứt nẽ đá Trong đá magma thường có hệ thống kẽ nứt kiến tạo, kẽ nứt co ngót kẽ nứt dỡ tải Vai trò hệ thống kẽ nứt phân tích kỹ lưỡng mục Khi khảo sát đánh giá địa điều kiện địa chất nền, kỹ sư địa kỹ thuật phải cảnh báo thay đổi tính chất đá magma theo thời gian đề xuất giải pháp bảo vệ để bảo đảm cơng trình ổn định đến hết tuổi thọ cơng trình 1.1.2 Đá trầm tích Đá trầm tích hình thành phần ngồi lớp vỏ trái đất, bao phủ ¾ diện tích châu lục phần lớn đáy biển Bề dày chúng thay đổi, có chỗ tới 10 kilomet Đá trầm tích hình thành theo cách khác vậy, tương ứng tạo nên loại đá khác Các đá có trước lộ mặt đất chịu tác dụng tác nhân khí quyển, thủy sinh vật quyển, đá bị phá hủy Quá trình phá hủy đá xảy hai hình thức phá hủy học (nứt vỡ), tạo nên sản phẩm mãnh vụn khối tảng, dăm, sạn, cát, bụi, sét, phá hủy hóa học, tạo nên ion Phá hủy hóa học trình hịa tan đá Các sản phẩm phá hủy nước, gió vận chuyển đến nơi đó, mà sức mang chúng khơng cịn thắng trọng lượng hạt, hạt bắt đầu trầm đọng tích lũy Các mãnh vụn trình vận chuyển nước va chạm với với đáy sơng, bị mài trịn, trầm đọng theo quy luật tuyển lựa theo đường kính hạt tạo nên lớp đất: tảng lăn, cuội, sỏi, cát, bụi, sét Các lớp đất chia làm hai loại đất hạt thô đất hạt mịn (xem mục 1.4) Theo thời gian, tác dụng áp lực địa tầng chất xi măng tự nhiên chúng nén chăt, cố kết xi măng hóa tạo nên đá trầm tích keo kết Tên gọi đá lấy theo tên đất rời cộng thêm “keo kết”, ví dụ, cuội thành cuội kết, cát thành cát kết, đất bụi thành bột kết, đất sét thành đá sét kết Đối với vật liệu phá hủy ion, kích thước nhỏ nên không trầm đọng sông đất liền mà đến biển chí biển xa bờ, nơi mà sóng khơng có dịng chảy ven bờ kết tủa trầm đọng, tạo nên đá trầm tích hóa học Đá vôi, dolomite, thạch cao, muối mỏ loại đá thuộc nhóm Đối với trường hợp sơng lớn, vật liệu vận chuyển đến tận biển không ion mà sét, bụi, chí cát Khi đó, cát, bụi trầm đọng gần bờ, xa sét xa đá trầm tích hóa học Thực tế chuyển đổi ranh giới loại cát kết - bột kết - sét kết - đá trầm tích hóa học khơng rõ ràng mà chuyển đổi dần Sau trầm đọng sét, để chuyển sang trầm đọng đá vơi có khoảng chuyển tiếp mà q trình trầm đọng hạt sét có lẫn chất kết tủa cacbonat canxi Loại đá gọi sét vôi Khi hàm lượng vôi nhiều sét đá gọi vơi sét hàm lượng hai loại tương đương gọi đá macnơ (marl) Đá macnơ phổ biến đảo Cát Bà, Hải Phòng Một loại đá thứ ba, hình thành theo cách khác mà khơng qua giai đoạn mơ tả trên, đá trầm tích sinh vật Sinh vật, bao gồm động vật thực vật, trình sinh sống phát triển, chết đi, xác chúng tích đọng chỗ, nén chặt hóa đá hình thành tầng trầm tích sinh vật, ví dụ, tầng than non, đá vơi vỏ sị, đá vơi san hơ (các hình 8, 9, 10) Đá vơi sinh học có nhiều dấu hiệu khác đá vơi hóa học chặt hơn, khơng có phân lớp phạm vi tầng đá vôi, thành phần vôi có chứa nhiều di tích lồi sinh vật cịn sót Do đặc điểm q trình hình thành mà thành phần khống vật đá trầm tích phức tạp Đối với đá trầm tích keo kết, thành phần cấu tạo nên mãnh vụn loại khống vật mà từ tạo nên đá trầm tích cịn thành phần chất xi măng gắn kết thường khống vật canxit, opal (oxid silic vơ định hình) oxid sắt (hematite, limonite) Đối với trầm tích hóa học thành phần khống vật chúng chất chúng kết kết tủa Hình Sơ đồ mơ tả hình muối Thành phần khống vật đá trầm tích sinh thành đá trầm tích thực vật vật chủ yếu canxit (trầm tích tích đọng xác lồi động vật) cacbon vơ định hình (trầm tích than non), số phổ biến silic tích lũy xác vi sinh vật tảo, amip Một đặc điểm chung đá trầm tích có tính phân lớp Sự hình thành lớp đá trầm tích có gián đoạn trầm đọng thay đổi thành phần vật liệu tích tụ Sự phân lớp dấu hiệu quan trọng đánh giá điều kiện địa chất công trình mà phân tích kỹ mục Một đặc tính thứ hai đá trầm tích Hình Một mẫu đá vơi vỏ sị Hình 10 Đá vôi san hô đá ngoại sinh đa dạng cách hình thành (trầm đọng hạt vụn keo kết; kết tủa từ dung dịch, trầm đọng xác sinh vật) nên loại đá khác thành phần khống vật tính chất xây dựng Ngay cách hình thành trầm tích keo kết phụ thuộc vào chất xi măng thành phần hạt vụn mà cho loại đá có cường độ khác nhau, ví dụ cát kết thạch anh cát kết mềm chẳng hạn Theo số liệu Quy chuẩn Xây dựng Việt Nam, tập III, cát kết thạch anh cho cường độ kháng nén trục 1760 kG/cm2 cát kết mềm 12 kG/cm2, gấp đến 146 lần đá magma tỷ số cường độ đá cứng diaba nhỏ bazan 3300/815 kG/cm2, xấp xỉ bốn lần 1.1.3 Đá biến chất Đá biến chất tạo thành từ loại đá có trước bị biến đổi thành phần khoáng vật, kiến trúc, cấu tạo điều kiện môi trường đá tồn bị thay đổi Q trình biến chất đá xảy lịng đất tác nhân nhiệt độ cao, áp suất lớn, tác dụng dung dịch thuỷ nhiệt xảy trường hợp sau đây: Biến chất tiếp xúc (biến chất nhiệt ) Khi khối magma với nhiệt độ 900  1300 C từ lò magma xâm nhập vào vỏ đất bị nhiệt, đá vây quanh bị nung nóng, hình thành nên đới đá biến chất bao quanh khối magma (hình 11) Kích thước Hình 11 Sơ đồ phân bố khối đới biến chất tiếp xúc phụ thuộc vào granite xâm nhập đới đá biến chất nhiệt độ kích thước khối macma xâm nhập, lượng khí nóng dung dịch thủy tiếp xúc bao quanh nhiệt thoát từ macma Do ảnh hưởng gradient nhiệt, gần chỗ tiếp xúc mức độ biến chất tăng Đối với đá sét kết, biến chất tăng dần từ phân phiến cục bộ, dần đến phân phiến hoàn toàn cuối biến chất hoàn toàn trở thành đá sừng (hornfels) Đá sừng sản phẩm biến chất nhiệt mức độ cao (hình 12) Tương tự, cát kết biến chất thành quartzit, cao thành gơnai Hình 12 Sản phẩm trình biến chất tiếp xúc sét kết mức độ khác Biến chất động lực Biến chất động lực xảy hoạt động địa động lực vỏ Quả đất làm cho áp suất tăng cao làm biến chất đá Bởi vậy, biến chất động lực thường xảy dọc đới đứt gãy, đới phá hủy kiến tạo lớn Mức độ biến chất đá tăng theo độ tăng áp suất Ở áp suất thấp biến chất đá mức xếp lại cấu trúc nén ép, áp suất tăng xảy tái kết tinh, đá biến chất hồn tồn Q trình biến chất đá xảy hình thức: cà nát, mylonit hố, nóng chảy cục tái kết tinh Hình 13 Đá bị mylonit hố Hình14 Đá biến chất động lực pseudotachylit Cà nát trình đá bị nứt vỡ, tạo thành mảnh vụn, mảnh vụn bị xoay trình nghiền nát, chúng bị vo tròn cuối bao vật liệu mịn, hình thành nên loại đá gọi cuội kết kiến tạo Milonit sản phẩm trình cà nát đá, tạo nên tác dụng đồng thời ứng suất cắt lớn áp lực nén Do vậy, q trình milonit hóa liên quan tới đứt gãy lớn (hình 13) Trong phần lớn Hình 15 Sét kết biến chất khu vực trường hợp biến chất động lực mãnh mức độ khác liệt nhất, vật liệu nghiền nát bị nóng chảy để tạo đá thủy tinh pseudotachylit (hình 14) 10 ... 50 Cách phân loại áp dụng rộng rãi xây dựng cơng trình thủy 14 Phân loại GS M.M.Protodiakonov GS M.M.Protodiakonov dựa vào hệ số kiên cố f để phân chia Riêng đá chia làm loại đá (20); (15); (8-10);... lại, đá xâm nhập nông thường kiến trúc ban tinh toàn tinh hạt mịn, đá Hình Một khối magma dạng lớp diabase phun trào thường có kiến trúc thủy tinh xen lớp sét kết cát kết Hiểu quy luật giúp phân... kháng nén trục 1760 kG/cm2 cát kết mềm 12 kG/cm2, gấp đến 146 lần đá magma tỷ số cường độ đá cứng diaba nhỏ bazan 3300/815 kG/cm2, xấp xỉ bốn lần 1.1.3 Đá biến chất Đá biến chất tạo thành từ loại