Giáo Trình Địa Chất Công Trình - Môn Địa Chất CV402 | Trường đại học kiến trúc Hà Nội

lOMoARcPSD| 58854646
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI KHOA XÂY DỰNG
BÀI GIẢNG MÔN HỌC
ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH Chủ biên: ThS. Nguyễn
Hoài Nam Thành viên tham gia: ThS. Nguyễn Thành An
ThS. Phan Tự Hƣớng lOMoARcPSD| 58854646
HÀ NỘI, THÁNG 06 NĂM 2015
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI KHOA XÂY DỰNG
BÀI GIẢNG MÔN HỌC
ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH Chủ biên: ThS. Nguyễn
Hoài Nam Thành viên tham gia: ThS. Nguyễn Thành An
ThS. Phan Tự Hƣớng
Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2015
Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2015 CHỦ BIÊN TRƢỞNG BỘ MÔN
ThS. Nguyễn Hoài Nam
PGS. TS. Vƣơng Văn Thành lOMoARcPSD| 58854646 Mục lục MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 6
1. Địa chất công trình và nội dung của môn học .........................................................
6 2. Nhiệm vụ của ĐCCT ............................................................................................... 7
3. Các phƣơng pháp nghiên cứu và ý nghĩa tài liệu khảo sát ĐCCT ..........................
7 CHƢƠNG 1. TRÁI ĐẤT VÀ VỎ TRÁI ĐẤT ........................................................... 8
1.1. Cấu trúc bên trong của Trái đất ............................................................................ 8
1.2. Hoạt động địa chất nội sinh .................................................................................. 9
1.2.1. Vận động kiến tạo ............................................................................................. 9
1.2.2. Động đất .......................................................................................................... 13
1.3. Hoạt động địa chất ngoại sinh ............................................................................ 18
1.3.1. Phong hoá đất đá ............................................................................................. 19
1.3.2. Hiện tƣợng karst (cactơ) .................................................................................. 22
1.3.3. Hiện tƣợng trƣợt đất đá trên sƣờn dốc ............................................................ 25 1.3.4. Hiện tƣợng mƣơng
xói .................................................................................... 29
1.3.5. Hiện tƣợng xâm thực và tích tụ của sông ........................................................
30 1.4. Khái niệm cơ bản về khoáng vật và đất đá ........................................................ 33
1.4.1. Khoáng vật ...................................................................................................... 33
1.4.2. Đất đá .............................................................................................................. 38
1.5. Đá magma ..........................................................................................................
39 1.6. Đất đá trầm tích ..................................................................................................
42 1.7. Đá biến chất ........................................................................................................ 49
CHƢƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT ĐÁ................................................. 51
2.1. Phân loại đất đá theo quan điểm Địa chất công trình......................................... 51
2.2. Tính chất cơ lý của đá ........................................................................................ 51 lOMoARcPSD| 58854646
2.2.1. Tính chất vật lý của đá .................................................................................... 51
2.2.2. Tính chất đối với nƣớc của đá .........................................................................
54 2.2.3. Tính chất cơ học của đá................................................................................... 55
2.3. Tính chất cơ lý của đất ....................................................................................... 70
2.3.1. Tính chất vật lý của đất ................................................................................... 70
2.3.2. Tính chất đối với nƣớc của đất ........................................................................ 76 2.3.3. Tính chất cơ học của
đất ................................................................................. 82
2.3.4. Đặc trƣng thống kê và giá trị tính toán các chỉ tiêu cơ lý của đất ................... 90 CHƢƠNG 3. NƢỚC DƢỚI
ĐẤT ............................................................................ 96
3.1. Khái niệm chung ................................................................................................ 96
3.1.1. Nguồn gốc nƣớc dƣới đất ................................................................................ 96 3.1.2. Các dạng nƣớc trong đất
đá ............................................................................. 96
3.1.3. Phân loại tầng chứa nƣớc ................................................................................ 97 lOMoARcPSD| 58854646 Mục lục
3.1.4. Tính chất vật lý và hoá học của nƣớc dƣới đất ............................................. 100
3.2. Hiện tƣợng thấm trong đất đá .......................................................................... 103
3.2.1. Khái niệm về thấm ........................................................................................ 103
3.2.2. Các yếu tố thuỷ động lực của dòng thấm ...................................................... 103 3.2.3. Tốc độ thấm và định luật
Darcy .................................................................... 106
3.3. Dòng thấm phẳng ổn định của nƣớc dƣới đất .................................................. 108
3.3.1. Dòng thấm phẳng trong tầng đất đá đồng nhất ............................................. 109
3.3.2. Dòng thấm phẳng trong tầng đất đá không đồng
nhất .................................. 113
3.4. Vận động của nƣớc dƣới đất đến các công trình thu nƣớc thẳng đứng ........... 115
3.4.1. Dòng thấm đến giếng thu nƣớc hoàn chỉnh .................................................. 116
3.4.2. Dòng thấm đến giếng thu nƣớc không hoàn chỉnh ....................................... 119
3.5. Dòng thấm đến công trình thu nƣớc nằm ngang (kênh) .................................. 122
3.5.1. Dòng thấm đến kênh thu nƣớc hoàn chỉnh ................................................... 122
3.5.2. Dòng thấm đến kênh thu nƣớc không hoàn chỉnh ........................................ 123
3.6. Biến dạng thấm ................................................................................................ 124
3.6.1. Hiện tƣợng cát chảy ...................................................................................... 124 3.6.2. Hiện tƣợng xói
ngầm ..................................................................................... 126 CHƢƠNG 4.
KHẢO SÁT ĐỊA KỸ THUẬT ......................................................... 128
4.1. Nguyên tắc chung ............................................................................................. 128
4.2. Nội dung và phƣơng pháp tiến hành công tác khảo sát địa kỹ thuật ............... 129
4.2.1. Công tác thu thập tài liệu .............................................................................. 129
4.2.2. Công tác trắc địa ............................................................................................ 129 4.2.3. Công tác đo vẽ
ĐCCT ................................................................................... 129
4.2.4. Công tác địa vật lý .........................................................................................
132 4.2.5. Công tác thí nghiệm trong phòng .................................................................. 135
4.2.6. Công tác khoan đào thăm dò ......................................................................... 136
4.3. Các thí nghiệm hiện trƣờng trong khảo sát địa kỹ thuật .................................. 138
4.3.1. Công tác thí nghiệm nén tĩnh nền ................................................................. 138 5 lOMoARcPSD| 58854646
4.3.2. Công tác thí nghiệm cắt cánh ........................................................................ 140 4.3.3. Công tác thí nghiệm xuyên
tĩnh .................................................................... 141
4.3.4. Công tác thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) ............................................... 144
4.4. Báo cáo khảo sát địa kỹ thuật ........................................................................... 146
4.5. Khảo sát địa kỹ thuật cho xây dựng dân dụng và công nghiệp ........................ 146
4.5.1. Khảo sát ĐCCT sơ bộ ................................................................................... 147
4.5.2. Khảo sát ĐCCT chi tiết trên khoảnh đất đƣợc chọn ..................................... 147
4.5.3. Khảo sát ĐCCT bổ sung ............................................................................... 148
CHƢƠNG 5. CÁC PHƢƠNG PHÁP CẢI TẠO ĐẤT ........................................... 149
5.1. Khái niệm chung .............................................................................................. 149
5.2. Các phƣơng pháp làm tăng độ chặt của đất nền ............................................... 149
5.2.1. Độ chặt của đất và các yếu tố ảnh hƣởng ...................................................... 149
5.2.2. Các biện pháp nén chặt đất trên mặt ............................................................. 151
5.2.3. Nén chặt đất dƣới sâu .................................................................................... 151 5.2.4. Gia cố đất yếu bằng năng lƣợng
nổ: ............................................................. 151
5.2.5. Nhóm các phƣơng pháp gia cố bằng thiết bị tiêu nƣớc thẳng đứng ............. 152
5.3. Các biện pháp cải tạo sự phân bố ứng suất và điều kiện biến dạng của nền ... 152
5.3.1. Đệm cát: ........................................................................................................
152 5.3.2. Đệm đất: ........................................................................................................ 152
5.3.3. Đệm đá sỏi: ................................................................................................... 152
5.3.4. Bệ phản áp: .................................................................................................... 152
5.4. Các phƣơng pháp xử lý nền bằng hoá lý .......................................................... 152
5.4.1. Phƣơng pháp phụt vữa ximăng ..................................................................... 152
5.4.2. Phƣơng pháp silicat hoá ................................................................................ 152
5.4.3. Phƣơng pháp điện thấm ................................................................................. 152 5.4.4. Phƣơng pháp điện hoá
học ............................................................................ 152 5.5. Một số phƣơng
pháp khác ................................................................................ 152
PHỤ LỤC TƢƠNG QUAN GIỮA CÁC HỆ ĐƠN VỊ ......................................... 153 6 lOMoARcPSD| 58854646 Mục lục
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 154 Mở đầu MỞ ĐẦU
1. Địa chất công trình và nội dung của môn học
“Công trình xây dựng là sản phẩm đƣợc tạo thành bởi sức lao động của con ngƣời, vật
liệu xây dựng, thiết bị lắp đặt vào công trình, đƣợc liên kết định vị với đất, có thể bao
gồm phần dƣới mặt đất, phần trên mặt đất, phần dƣới mặt nƣớc và phần trên mặt nƣớc,
đƣợc xây dựng theo thiết kế.” - Luật Xây dựng 2003.
Theo định nghĩa này, các công trình xây dựng đều “đƣợc liên kết định vị với đất”. Do
đó khả năng ổn định và làm việc bình thƣờng của công trình xây dựng không những
phụ thuộc vào phần thân của công trình, mà còn phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện địa
chất công trình (ĐCCT) của khu vực xây dựng.
Do tầm quan trọng rất lớn của điều kiện địa chất công trình đối với công trình xây dựng,
nên các sinh viên Ngành Xây dựng đều đƣợc trang bị các kiến thức về lĩnh vực này.
Cho tới nay đã có nhiều định nghĩa khác nhau về địa chất công trình:
Theo F.P. Xavarenxky: Địa chất công trình là một lĩnh vực của địa chất, nghiên
cứu các vấn đề ứng dụng địa chất vào việc xây dựng công trình. Ông cho rằng nhiệm
vụ cơ bản của ĐCCT là nghiên cứu các quá trình địa chất và các tính chất vật lý kỹ
thuật của đất đá có tác dụng quyết định đến điều kiện xây dựng công trình và phƣơng
hƣớng của các biện pháp ĐCCT, nhằm bảo đảm điều kiện ổn định của các khối đất tự nhiên.
G.N. Kamenxky quan niệm: ĐCCT là một khoa học nhằm phục vụ các mục đích thực
hành và xây dựng, với nhiệm vụ cơ bản là thuyết minh và nghiên cứu những hiện tƣợng
địa chất có thể phát sinh tại địa điểm xây dựng công trình và có thể gây ảnh hƣởng tới
công trình cũng nhƣ điều kiện thi công xây dựng.
I.V. Popov cho rằng: Về phƣơng diện lý thuyết nên coi ĐCCT nhƣ một lĩnh vực của
địa chất nghiên cứu động lực học của vỏ trái đất liên quan với hoạt động xây dựng của
con ngƣời. Ông nhấn mạnh: Để nghiên cứu hoàn cảnh địa chất của việc xây dựng và
khai thác công trình, ĐCCT phải khảo sát các đối tƣợng địa chất.
Theo V.D Lomtadze: ĐCCT là một môn khoa học về điều kiện địa chất để xây dựng
các loại công trình và sử dụng lãnh thổ vào nhiều mục đích kinh tế khác nhau. lOMoARcPSD| 58854646
ĐCCT gồm những nhánh chủ yếu sau:
- Thạch luận công trình nghiên cứu bản chất các tính chất của đất đá và quy luật biến
đổi trong không gian của chúng nghĩa là các quá trình gây nên trạng thái vật lí và tính
chất của chúng trong thời gian thành tạo và sự tồn tại về sau trong vỏ Trái đất. TLCT
còn dự báo sự thay đổi tính chất của đất đá dƣới tác dụng của hoạt động xây dựng, đề
ra các phƣơng pháp nghiên cứu và cải tạo tính chất cơ lý của đất đá.
- Địa chất động lực công trình nghiên cứu các quá trình địa chất và ảnh hƣởng của 8 lOMoARcPSD| 58854646 Mở đầu
chúng đến xây dựng công trình.
- Địa chất công trình chuyên môn nghiên cứu khả năng xây dựng các công trình trong
các điều kiện địa chất khác nhau tìm ra các biện pháp KSCT phục vụ cho việc thiết kế
xây dựng công trình và cải tạo lãnh thổ về mặt xây dựng.
- Địa chất công trình khu vực nghiên cứu điều kiện ĐCCT từng vùng lớn, từng khu vực
của đất nƣớc phục vụ cho sử dụng lãnh thổ về xây dựng.
2. Nhiệm vụ của ĐCCT
Là một khoa học nảy sinh do yêu cầu của hoạt động xây dựng và khai tác hợp lý lãnh
thổ, ĐCCT hƣớng tới giải quyết các nhiệm vụ cơ bản sau:
1 - Nghiên cứu về mặt địa chất công trình những loại đất đá có thể dùng làm nền
thiên nhiên, làm môi trƣờng và làm vật liệu xây dựng cho những công trình
khác nhau. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nguồn gốc đất đá và sự tái tạo về sau
của chúng ở trong vỏ Trái đất đối với tính chất cơ lý. Do đó lại có nhiệm vụ
nghiên cứu các quy luật biến đổi tính chất của đất đá trong không gian, cũng
nhƣ các nhân tố ảnh hƣởng đến sự biến đổi đó; lập ra hệ phân loại đất đá về
mặt ĐCCT theo nguồn gốc; đề xuất ra những phƣơng pháp mới và thống nhất
các phƣơng pháp hiện có để nghiên cứu cũng nhƣ xử lý kết quả nghiên cứu;
vạch ra các phƣơng pháp cải tạo tính chất của những loại đất đá khác nhau.
2 - Nghiên cứu các quá trình và hiện tƣợng địa chất ảnh hƣởng đến việc đánh
giá lãnh thổ về mặt xây dựng, cũng nhƣ các nguyên nhân và nhân tố tạo điều
kiện cho các quá trình và hiện tƣợng đó phát sinh và thúc đẩy chúng phát triển;
đề ra các phƣơng pháp nghiên cứu những quá trình và hiện tƣợng địa chất,
phƣơng pháp đánh giá chúng về mặt định tính và định lƣợng.
3 - Nghiên cứu nƣớc dƣới đất để khắc phục các khó khăn do nƣớc gây ra khi thi
công và sử dụng công trình cũng nhƣ dùng nó để phục vụ cho sinh hoạt, tƣới
và các nhu cầu của sản xuất đời sống.
4 - Nghiên cứu và hoàn thiện các phƣơng pháp khảo sát ĐCCT.
5 - Nghiên cứu ĐCCT khu vực để quy hoạch xây dựng công nghiệp và dân dụng,
để quy hoạch thuỷ lợi, giao thông,...
3. Các phƣơng pháp nghiên cứu và ý nghĩa tài liệu khảo sát ĐCCT
* Phƣơng pháp địa chất:
* Phƣơng pháp thực nghiệm:
* Phƣơng pháp tƣơng tự địa chất: lOMoARcPSD| 58854646
Chương 1: Đất đá
* Phƣơng pháp lý thuyết tính toán:
CHƢƠNG 1. TRÁI ĐẤT VÀ VỎ TRÁI ĐẤT
1.1. Cấu trúc bên trong của Trái đất
Các kết quả nghiên cứu cấu trúc bên trong của Trái đất bằng các phƣơng pháp địa địa
vật lý, đặc biệt là phƣơng pháp địa chấn đo tốc độ truyền sóng dọc (Vp) và tốc độ truyền
sóng ngang (Vs) khi đi qua vật chất bên trong Trái đất, ngƣời ta chia Trái đất ra thành
ba vành đồng tâm (hình 1.1), ngoài cùng là vỏ Trái đất, giữa là manti và trong cùng là nhân.
Hình 1.1: Cấu trúc bên trong Trái đất - Vỏ Trái đất (crust):
Trong phần vỏ Trái đất, tốc độ truyền sóng dọc thay đổi từ 6,5-7,4km/s, khi sang phần
manti thì tăng đột ngột lên 7,9-8,2km/s; còn tốc độ truyền sóng ngang thay đổi từ 3,7-
3,8km/s, đến manti thì đột ngột tăng lên 4,5-4,7km/s.
Chiều dày vỏ thay đổi từ 5-12km ở đại dƣơng, 30-40km ở đồng bằng và 50-70km ở
vùng núi cao, trung bình 35km, chiếm khoảng 15% thể tích và khoảng 1% trọng lƣợng
của toàn bộ Trái đất.
Mặt ranh giới giữa lớp vỏ và lớp manti đƣợc gọi là mặt Mohorovixic (đƣợc lấy theo
tên của nhà địa vật lý ngƣời Nam Tƣ), còn gọi là mặt Môhô hay mặt M. - Manti (mantle):
Lớp manti phân bố từ mặt M đến độ sâu 2900km, tại đây có một ranh giới phân chia
giữa manti với nhân Trái đất (gọi là mặt Guten Berg) biểu hiện ở sự thay đổi đột ngột
tốc độ truyền sóng địa chấn, Vp từ 13,64km/s xuống 7,98km/s, Vs nguyên là 7,23km/s đột nhiên biến mất.
- Nhân Trái đất ngăn cách với manti bằng ranh giới Gutenberg ở độ sâu 2900km lOMoARcPSD| 58854646
Chương 1: Đất đá 8
đến tâm Trái đất (6370km).
Ngƣời ta nhận thấy ở phần manti trên, trong quãng độ sâu từ 60 đến 250km, có tính
chất là tốc độ truyền sóng địa chấn giảm đi rõ rệt, điều đó chứng tỏ thành phần vật chất
ở đây có tính dẻo và mềm. Vì thế đới này đƣợc gọi là quyển mềm.
Sự tƣơng tác giữa các phần tử bên trong vỏ Trái đất, cũng nhƣ sự tƣơng tác giữa vỏ
Trái đất với các quyển bên trong và bên ngoài Trái đất đã dẫn tới sự hình thành và phát
triển các hoạt động địa chất nội sinh và ngoại sinh; sự hình thành và biến đổi các loại đất đá khác nhau.
1.2. Hoạt động địa chất nội sinh
Nhiều hoạt động địa chất biểu hiện thƣờng xuyên trên bề mặt Trái đất nhƣ núi lửa,
động đất có nguồn gốc từ năng lƣợng bên trong Trái đất tạo nên và có liên quan trực
tiếp với những hoạt động của các mảng thạch quyển, đó là những quá trình hay hoạt
động địa chất nội sinh.
Hoạt động địa chất nội sinh bao gồm 2 loại chính là vận động kiến tạo và động đất.
1.2.1. Vận động kiến tạo
Vận động kiến tạo, còn gọi là chuyển động kiến tạo hay hoạt động kiến tạo. Đó là quá
trình vận động của vỏ Trái đất do hoạt động của nội lực. Kết quả của sự vận động này
là tạo ra các đặc điểm cơ bản của bề mặt Trái đất nhƣ: nếp uốn, đứt gãy, thay đổi thế
nằm các lớp đất đá, gây ra hoạt động magma - núi lửa,…
Theo phƣơng vận động của vỏ, vận động kiến tạo đƣợc chia làm 2 dạng: vận động
thẳng đứng và vận động ngang.
a) Vận động thẳng đứng (thăng trầm)
Vận động thẳng đứng hay vận động lên xuống còn đƣợc gọi là vận động thăng trầm
đƣợc biểu hiện bằng sự nâng lên hay hạ xuống một cách rất chậm của các khu vực khác nhau của vỏ Trái đất.
Cùng với thời gian hƣớng vận động của các khu vực này thay đổi, các khu vực đƣợc
nâng lên sẽ hạ xuống, còn khu vực bị hạ xuống sẽ nâng lên (cũng vì vậy vận động này
còn đƣợc gọi là vận động dao động).
Vận động thăng trầm làm xê dịch đƣờng bờ biển, dẫn tới sự thành tạo thềm sông, biển,
hồ; thành tạo các dạng địa hình xâm thực bóc mòn ở vùng núi, các bậc hang động ở vùng địa hình karst,...
Ở nƣớc ta, có các vệt sóng vỗ trên vách đá vôi ở độ cao 2-5m ở Hạ Long; cao 1015m
tại vùng Đồng Giao (Ninh Bình); các lớp trầm tích sò hến biển nằm cao 5m trên mực
nƣớc biển ở Diễn Châu (Nghệ An);… Theo đo đạc, Vịnh Bothnia (Thụy Điển) nâng lên lOMoARcPSD| 58854646
Chương 1: Đất đá
10,2mm/năm; NewYork (Mỹ) hạ thấp 2,3mm/năm; Hà Lan hạ thấp 23mm/năm; Nhiều
miền ở Pháp và Đức hạ thấp 3mm/năm. lOMoARcPSD| 58854646
Chương 1: Đất đá
Hình 1.2: Dấu vết biển lùi ở Hà Tiên
Khi mặt đất nâng lên, biển bị lùi ra xa, mặt đất đƣợc mở rộng, tạo ra hiện tƣợng biển
lùi, trầm tích biển lùi có kích thƣớc hạt giảm dần từ trên xuống dƣới. Khi mặt đất hạ
xuống, nƣớc biển tràn vào làm lục địa bị thu hẹp lại, tạo nên hiện tƣợng biển tiến, trầm
tích biển tiến có kích thƣớc hạt tăng dần từ trên xuống dƣới. Kết quả tạo nên các lớp
trầm tích khổng lồ, hình thành tƣơng quan biển và lục địa ngày nay. b) Vận động ngang
Vận động ngang bao gồm những vận động do áp lực theo phƣơng ngang gây ra, làm
đất đá bị uốn nếp tạo thành các nếp uốn hay bị phá hủy tạo thành các khe nứt và đứt gãy. * Nếp uốn
Nếp uốn là kết quả của hiện tƣợng biến dạng dẻo các lớp đất đá, xảy ra do các lực theo
phƣơng ngang tác động từ từ, trong một khoảng một khoảng thời gian rất dài với tốc độ
chuyển động rất nhỏ làm đất đá bị uốn cong, lƣợn sóng nhƣng không bị mất tính liên
tục của chúng (hình 1.3).
Các nếp uốn đƣợc chia làm hai loại cơ bản là nếp lồi và nếp lõm: Nếp lồi (bồi tà) khi
các lớp đá bị cong lên; Nếp lõm (hƣớng tà) khi các lớp đá bị võng xuống.
Mỗi nếp uốn đƣợc đặc trƣng bởi yếu tố sau (hình 1.4):
- Vòm là phần uốn cong của nếp uốn chuyến tiếp từ cánh này sang cánh khác;
- Mặt trục nếp uốn là mặt giả thiết đi qua đỉnh vòm, phân chia nếp uốn hai phần
bằng nhau. Mặt này có thể phẳng hoặc cong.
- Cánh là phần đất đá bị nghiêng đi ở hai bên mặt trục;
- Đƣờng trục là giao tuyến giữa mặt trục và mặt tầng đất đá;
- Góc cắm của nếp uốn là góc nghiêng của đƣờng trục với mặt phẳng nằm ngang. 1 3 lOMoARcPSD| 58854646
Chương 1: Đất đá a) b) Hình 1.3: Cấu trúc nếp lồi (a) và nếp lõm (b)
Hình 1.4: Các yếu tố của nếp uốn * Đứt gãy
Khi đá bị các lực kiến tạo tác dụng, trong đá xuất hiện ứng lực. Khi ứng lực vƣợt quá
một giới hạn nào đó (gọi là giới hạn bền), đá bị biến dạng phá hủy, trong đá xuất hiện
các mặt nứt gọi là các khe nứt. Nếu dọc theo các mặt nứt này các khối đá bị nứt ra, dịch
chuyển tƣơng đối với nhau thì các khe nứt đó đƣợc gọi là đứt gãy. Vậy đứt gãy là sản
phẩm biến dạng của đá, là một mặt hoặc một đới, dọc theo mặt hoặc đới ấy có hiện 14 lOMoARcPSD| 58854646
Chương 1: Đất đá
tƣợng dịch chuyển theo phƣơng song song với mặt hoặc đới đó. Khối đá ở 2 phía của
đứt gãy gọi là 2 cánh của đứt gãy.
Theo đặc tính dịch chuyển của các cánh, ngƣời ta chia thành đứt gãy thuận, đứt gãy
nghịch và đứt gãy ngang (hình 1.5): a)
Hình 1 . 5 : Một số dạng đứt gãy
thường gặp
a - Đứt gãy thuận;
b - Đứt gãy nghịch; c)
c - Đứt gãy bằng. b)
Trong thực tế các đứt gãy có thể phát triển thành hệ thống để tạo thành địa hào hay địa lũy (hình 1.6):
Hình 1.6: Cấu trúc địa hào và địa lũy
Để nhận biết đứt gãy có thể dựa vào các dấu hiệu:
- Sự bất chỉnh hợp địa tầng: Thế nằm không chỉnh hợp là thế nằm của các lớp đất đá
phản ánh sự gián đoạn, không liên tục của quá trình thành tạo.
- Đới dăm kết kiến tạo nằm giữa đứt gãy: các đá nằm song song với mặt đứt gãy bị phá
huỷ vỡ vụn và đƣợc gắn kết lại. 1 5 lOMoARcPSD| 58854646
Chương 1: Đất đá
- Mặt đứt gãy còn sót lại với kích thƣớc nhỏ.
- Sự định hƣớng của các dãy núi, sông, thung lũng theo phƣơng đứt gãy.
- Sự xuất lộ thuỷ văn hoặc có mặt của thảm thực vật dọc theo đứt gãy. c) Ảnh hƣởng
của vận động kiến tạo đến công trình
Nói chung các vận động kiến tạo đều làm giảm tính đồng nhất, độ bền và tăng tính thấm
của đất đá,… đòi hỏi các biện pháp xử lý phức tạp và tốn kém khi xây dựng.
Xây dựng ở đây cần lƣu ý đến hiện tƣợng lún không đều, hiện tƣợng mất nƣớc, không
ổn định nền và mái dốc.
* Ảnh hƣởng của khe nứt, đứt gãy kiến tạo -
Gây ra hiện tƣợng thấm mất nƣớc, trƣợt lở và kém ổn định đối với nền
đập, mái đƣờng, mái kênh. -
Khi xây dựng tuyến đƣờng, đƣờng hầm cần bố trí vuông góc hoặc chéo
với đƣờng phƣơng của mặt đứt gãy thì việc xử lý nền yếu ở khu vực mặt đứt gãy
ít, nếu bố trí song song hoặc trùng với mặt đứt gãy thì vần đề xử lý nền móng và thi công khó khăn.
* Ảnh hƣởng của nếp uốn -
Khi xây dựng các công trình ngầm cắm vào cấu trúc của nếp lõm thì tại
đó áp lực đất, áp lực nƣớc lớn gây khó khăn cho thiết kế và thi công. -
Khi công trình ngầm cắm vào cấu trúc của nếp lồi thì tại đó áp lực đất, áp
lực nƣớc bé thuận lợi cho việc thiết kế và thi công, nhƣng phần nóc của công
trình thƣờng xuất hiện nhiều khe nứt làm sạt lở phần nóc. -
Khi xây dựng hồ chứa nếu xây trên cấu trúc của nếp lồi thì gây ra hiện
tƣợng mất nƣớc, do đó nên xây dựng trên cấu trúc của nếp lõm vì tại đó nƣớc tập trung lớn. 1.2.2. Động đất a) Khái niệm
Sự rung chuyển đột ngột của thạch quyển tại một khu vực nào đó trong lòng đất gây
nên sự dao động lan truyền trên một vùng lớn hoặc nhỏ đƣợc gọi là động đất (địa chấn).
Trên thế giới trung bình 3 năm thì có 1 trận động đất phá hoại mạnh và hàng nghìn trận
động đất nhỏ hơn. Trên bảng 1.1 liệt kê một số trận động đất đáng chú ý. 16 lOMoARcPSD| 58854646
Chương 1: Đất đá
Ở Việt Nam cũng đã xảy ra những trận động đất khá mạnh, thí dụ năm 1935 ở Điện
Biên (6,8 độ Richter); 24/3/1983 - Tuần Giáo (6,7 độ Richter);… b) Nguyên nhân gây ra động đất
Động đất có thể xảy ra do các nguyên nhân sau:
+ Động đất do đất sụt (chiếm khoảng 3%): Sinh ra do khối đất đá ở trên nóc các
hang động ngầm, các hầm lò khai thác,... bị sụt lún đột ngột. Động đất loại này thƣờng
xảy ra ở gần mặt đất, nơi có các loại đá dễ hoà tan (thạch cao, đá vôi,...). Do đó, cƣờng
độ nhỏ, và chỉ có ý nghĩa địa phƣơng.
Bảng 1.1: Một số trận động đất lớn trên thế giới Thời gian Địa điểm Thiệt hại 1556 Sơn Tây (Trung Quốc)
830.000 ngƣời thiệt mạng 1/11/1755 Lisbon (Bồ Đào Nha)
Phá hủy toàn bộ cảng, hàng chục nghìn ngƣời chết 1923 Tokyo
Hơn 100.000 ngƣời chết, hạ tầng cơ sở bị phá hủy. 1976 Đƣờng Sơn (Trung Quốc) 240.000 ngƣời chết 1978 Iran 25.000 ngƣời chết 7/12/1988 Armenia 25.000 ngƣời chết 21/6/1990 Iran 50.000 ngƣời chết 30/9/1993 Nepan, Bắc Ấn Độ 22.000 ngƣời chết 17/1/1995 Cobe (Nhật Bản)
6.055 ngƣời chết, thiệt hại hằng trăm tỉ đô la 17/8/1999 Thổ Nhĩ Kỳ 20.000 ngƣời chết 26/12/2004 Ấn Độ Dƣơng 225.000 ngƣời chết 11/3/2011 Thái Bình Dƣơng
Hơn 15.884 ngƣời thiệt mạng.
+ Động đất do núi lửa (chiếm khoảng 7%): Do nén ép khí núi lửa tạo nên. Loại này có
thể làm huỷ diệt các vùng dân cƣ nhƣ đã xảy ra với thành phố Pompei (Ý) và các thành
phố khác. Tuy nhiên, phạm vi ảnh hƣởng của động đất không lớn và số lần xảy ra cũng không nhiều.
+ Động đất do chuyển động kiến tạo (chiếm khoảng 90%): Loại động đất này rất phổ
biến, có cƣờng độ mạnh và phạm vi ảnh hƣởng lớn nhất. Các trận động đất lớn đã xảy
ra đều thuộc loại này. Sự hình thành động đất do chuyển động kiến tạo có thể đƣợc giải thích nhƣ sau: 1 7 lOMoARcPSD| 58854646
Chương 1: Đất đá -
Vỏ trái đất đƣợc chia làm 6 mảng chính: Phi, Mỹ, Nam Cực, Úc-Ấn, Âu-Á và
Thái Bình Dƣơng, ngoài ra còn có 14 tiểu vùng lục địa (hình 1.7). -
Các dòng đối lƣu trong quyển mềm làm cho các mảng chuyển động theo 3 hình
thức cơ bản: tách rãn; hội tụ và trƣợt song song (hình 1.8). -
Khi các mảng di chuyển hội tụ hay trƣợt song song, năng lƣợng đƣợc tích luỹ
dọc theo các đứt gãy giữa các mảng. Biến dạng có thể xuất hiện từ từ và liên tục, hoặc
đột biến dƣới dạng một trận động đất. Khi động đất xảy ra, năng lƣợng tích luỹ ở vị trí
đứt đoạn địa tầng đƣợc giải phóng gây phá huỷ môi trƣờng xung quanh chấn tiêu (gây
nứt, trƣợt, vò nhàu đất đá), một phần năng lƣợng đƣợc truyền đi dƣới dạng sóng, gọi
là sóng địa chấn. Sau khi năng lƣợng đƣợc giải phóng thì quá trình tích luỹ năng lƣợng
lại bắt đầu ở vùng xung yếu tại đứt gãy, sau khoảng thời gian 10 - 100 năm lại có khả
năng xảy ra động đất. Vì vậy động đất có tính chu kỳ.
Ngoài ra động đất có thể xảy ra do một số hoạt động của con ngƣời nhƣ: nổ mìn, nổ
bom, do xây dựng hồ chứa nƣớc có cột nƣớc cao,...
Hình 1.7: Mô hình kiến tạo mảng và vành đai núi lửa
Hình 1.8: Hướng chuyển động của các mảng
c) Các yếu tố cấu tạo động đất 18 lOMoARcPSD| 58854646
Chương 1: Đất đá
Chấn tâm (tâm trong - focus): Là một khu vực trong lòng đất, nơi phát sinh động đất,
nơi tập trung và giải thoát năng lƣợng cho động đất (hình 1.9). Dựa vào độ sâu lò động
đất, ngƣời ta chia động đất thành các loại:
- Động đất nông hay động đất mặt có độ sâu chấn tiêu nhỏ hơn 70km tính từ mặt
đất (chiếm khoảng 72,5% tổng số trận động đất).
- Động đất trung gian: Chấn tiêu nằm ở độ sâu 70-300km (chiếm khoảng 23,5%).
- Động đất sâu: Chấn tiêu nằm ở độ sâu 300-720km (chiếm khoảng 4%). Cho đến
nay các nhà địa chấn chƣa quan trắc đƣợc trận động đất nào có độ sâu chấn tiêu vƣợt quá 720km.
Tâm ngoài (epicenter): là hình chiếu của chấn tâm lên mặt đất.
Sóng địa chấn (seismic waves): Các dao động đƣợc truyền đi từ tâm địa chấn dƣới
dạng sóng, đƣợc gọi là sóng địa chấn. Theo quan hệ giữa phƣơng truyền sóng và
phƣơng dao động của vật chất, các sóng địa chấn đƣợc chia ra làm 3 loại:
Hình 1.9: Sơ đồ cấu tạo động đất - Sóng dọc (sóng nén - P):
là sóng có phƣơng dao động trùng với phƣơng truyền sóng. Có đặc tính là biên độ nhỏ,
chu kỳ ngắn, tốc độ truyền sóng lớn, bình quân 56km/s. Dựa vào sóng P có thể biết đƣợc
hƣớng phân bố của lò. Nếu có trên 2 trạm đo địa chấn thì xác định đƣợc vị trí của lò động đất.
- Sóng ngang (sóng cắt - S): là sóng có phƣơng dao động vuông góc với phƣơng
truyền sóng, có đặc điểm là biên độ và chu kỳ tƣơng đối lớn, tốc độ truyền sóng
tƣơng đối nhỏ. Sóng ngang chỉ lan truyền trong vật thể rắn với tốc độ nhỏ hơn
tốc độ truyền sóng dọc 1,7 lần.
- Sóng trên mặt (sóng - L): từ tâm ngoài, nơi sóng đến sớm nhất, dao động sẽ
truyền ra xung quanh theo các làn sóng đồng tâm tựa nhƣ dao động của mặt
nƣớc khi có một vật nặng rơi xuống, gọi là sóng mặt đất. Sóng này có dạng 1 9 lOMoARcPSD| 58854646
Chương 1: Đất đá
hình sin tắt dần và có tốc độ nhỏ hơn cả tốc độ sóng ngang. Nó gây lực phá hoại chủ yếu.
Các sóng P, S, L sẽ gây ra các chấn động thẳng đứng, nằm ngang trên bề mặt Trái đất.
Trƣớc tiên sẽ gặp chấn động thẳng đứng sau đó là chấn động ngang rồi mới đến chấn động mặt.
d) Cấp động đất và cƣờng độ động đất
Động đất đƣợc thể hiện ở sự dịch chuyển hoặc biên độ thay đổi của các phần tử đất
đƣợc ghi lại trong các hiện tƣợng tàn phá đối với các công trình hoặc trong các máy đo
địa chấn. Có 2 kiểu thể hiện mức độ động đất là cấp động đất và cƣờng độ động đất.
* Cấp động đất:
Cấp động đất là những đơn vị biểu thị độ lớn nhỏ của năng lƣợng động đất. Hiện nay
cấp động đất thƣờng đƣợc đánh giá theo độ Richter (do C.F. Richter đề xuất năm 1935):
Độ mạnh của động đất đƣợc đánh giá bằng chấn cấp M (Magnitude) - là logarit cơ số
10 của biên độ cực đại A ( m - bằng một phần nghìn milimet) ghi tại 1 điểm cách chấn
tâm D = 100km trên máy đo địa chấn có chu kỳ dao động riêng T = 0,8s (M = lgA). Ví
dụ trong một lần động đất, biên độ lớn nhất A = 10mm = 10.000 m, và logA = log10000
= 4, nhƣ vậy động đất thuộc cấp 4.
Quan hệ giữa năng lƣợng E đƣợc giải phóng ở chấn tiêu với cƣờng độ sóng mặt Ms
đƣợc tính theo công thức: LogE = 11,8 + 1,5Ms (1.1)
Để hình dung cụ thể hơn về độ Richter, chúng ta có thể đƣa ra so sánh sau: năng lƣợng
của một trận động đất mạnh 7,3 độ Richter tƣơng đƣơng với năng lƣợng nổ của quả
bom 50 triệu tấn thuốc nổ TNT; trận động đất 8,5 độ Richter đã từng xảy ra năm
1950 trong dãy Hymalaya có năng lƣợng tƣơng đƣơng với năng lƣợng của 100.000
quả bom nguyên tử mà Mỹ ném xuống Hiroshima tháng 8 năm 1945.
* Cƣờng độ động đất:
Cƣờng độ động đất là khái niệm chỉ sự phá hoại và ảnh hƣởng của động đất đối với vật
kiến trúc trên mặt đất. Để phân chia cƣờng độ có thể dựa vào các thang sau:
- Thang độ MCS (do Mercalli, Cancani và Sieberg đề xuất năm 1912): Cƣờng độ của
động đất đƣợc chia thành 12 cấp dựa theo gia tốc cực đại (a) của sóng động đất: 4 2 a A T 2 (1.2) 20