Chương 9 — Tính chất của đá¶
Chương này bổ sung cho Chương 6 (cường độ đá từ phân loại và thử nghiệm) bằng các tính chất vật lý và cường độ cắt của đá: trọng lượng, khoáng vật, độ cứng, cường độ cắt theo vật liệu và theo nguồn gốc địa chất, và đặc biệt là cường độ cắt của khe nứt.
Hình. Ảnh hưởng của khe nứt: cường độ và mô đun của khối đá chỉ còn một phần nhỏ so với đá nguyên, còn độ thấm lại do khe nứt quyết định.
9.1 Tính chất kỹ thuật chung của các loại đá phổ biến¶
Bảng 9.1 — Tính chất điển hình (dải rộng do biến thiên tự nhiên).
| Loại đá | Trọng lượng đơn vị (kN/m³) | qu khô (MPa) | Mô đun đàn hồi E (GPa) |
|---|---|---|---|
| Đá granit (granite) | 26 – 27 | 100 – 250 | 20 – 60 |
| Đá bazan (basalt) | 27 – 30 | 100 – 300 | 40 – 80 |
| Đá vôi (limestone) | 24 – 27 | 30 – 150 | 20 – 60 |
| Đá cát kết (sandstone) | 22 – 26 | 20 – 120 | 10 – 40 |
| Đá bùn (mudstone) | 20 – 24 | 5 – 40 | 2 – 15 |
| Đá phiến sét (shale) | 22 – 26 | 10 – 60 | 5 – 30 |
| Đá phiến (slate) | 26 – 28 | 50 – 150 | 20 – 50 |
| Đá hoa (marble) | 26 – 28 | 50 – 150 | 30 – 60 |
| Đá diệp thạch (gneiss) | 26 – 29 | 50 – 200 | 20 – 60 |
9.2 Trọng lượng của đá¶
Bảng của mục này đưa trọng lượng đơn vị khô và bão hòa cho từng nhóm đá, cần cho tính ứng suất phủ, tải trọng bản thân của khối đá và áp lực lên tường chắn.
9.3 Khoáng vật của đá¶
Bảng của mục này liệt kê khoáng vật tạo đá chính theo nhóm đá (magma, trầm tích, biến chất), giúp dự đoán độ cứng, khả năng phong hóa và độ bền.
9.4 Hàm lượng silica trong đá magma¶
Bảng 9.4 — Phân loại đá magma theo hàm lượng SiO₂.
| Nhóm | SiO₂ (%) | Đá điển hình |
|---|---|---|
| Siêu bazơ | < 45 | Peridotit, đunit |
| Bazơ | 45 – 52 | Gabro, bazan |
| Trung tính | 52 – 66 | Diorit, andesit |
| Axit | > 66 | Granit, ryolit |
Hàm lượng silica càng cao thì đá thường càng cứng và càng giòn; đá axit cũng là nguồn thạch anh tự do gây bệnh bụi phổi silic khi khoan khô.
9.5 Thang độ cứng¶
Thang độ cứng khoáng vật Mohs (1–10) và các thang độ cứng tương đối dùng trong mô tả đá tại hiện trường.
9.6 Độ cứng của đá¶
Bảng của mục này liên hệ độ cứng (Mohs, hoặc thang địa kỹ thuật) với cường độ nén một trục qu và với mức từ chối của giàn khoan — công cụ ước lượng nhanh qu tại hiện trường.
9.7 Phân loại bùn đá – sét phiến theo tỷ lệ khoáng¶
Bảng 9.7 — Phân loại theo tỷ lệ sét/khoáng.
| Tên gọi | Tỷ lệ khoáng sét | Đặc điểm |
|---|---|---|
| Bùn kết (mudstone) | < ⅓ | Giòn, khó bóc lớp |
| Bùn sét (claystone) | ⅓ – ⅔ | Dễ phân lớp |
| Sét phiến (shale) | > ⅔ | Phân lớp mạnh, dễ vỡ theo lớp |
Việc phân biệt này quan trọng vì đá bùn chịu được phong hóa và ngậm nước tốt hơn sét phiến.
9.8 Biến thiên tương đối tính chất đá do khe nứt¶
Bảng 9.8 — Tỷ số tính chất (khối đá / đá nguyên) theo mật độ khe nứt.
| Số khe nứt trên mét | Tỷ số cường độ | Tỷ số mô đun |
|---|---|---|
| 1 | 0,9 – 1,0 | 0,8 – 1,0 |
| 5 | 0,6 – 0,8 | 0,5 – 0,7 |
| 10 | 0,4 – 0,6 | 0,3 – 0,5 |
| > 20 | 0,2 – 0,4 | 0,1 – 0,3 |
Đây là cơ sở của hệ số giảm khối đá — cường độ khối đá có thể chỉ bằng 20–40% cường độ đá nguyên.
9.9 Cường độ đá suy từ góc phá hoại¶
Từ góc phá hoại đo trên mẫu đá vỡ (góc của mặt phá hoại so với trục mẫu), suy ra tỷ số cường độ giữa các phương — dùng để đánh giá dị hướng (anisotropy) của đá phân lớp.
9.10 Defect đá và chỉ số chất lượng đá RQD¶
Bảng của mục này liên hệ RQD với mật độ khe nứt thể tích (Jv) và với chất lượng khối đá — cầu nối sang Chương 18 (hệ thống phân loại khối đá).
9.11 Cường độ đá từ phòng thí nghiệm đến hiện trường¶
Bảng 9.11 — Hệ số suy giảm cường độ từ mẫu phòng ra khối đá hiện trường.
| Điều kiện | Hệ số áp dụng |
|---|---|
| Mẫu phòng, đá nguyên | 1,0 |
| Khối đá ít nứt | 0,5 – 0,7 |
| Khối đá nứt trung bình | 0,2 – 0,5 |
| Khối đá nứt mạnh | 0,05 – 0,2 |
9.12 Cường độ cắt và góc ma sát của đá theo vật liệu¶
Bảng của mục này đưa c′ và φ cho đá nguyên của từng loại vật liệu — dùng cho phân tích ổn định mái dốc đá và sức chịu tải móng đá.
9.13 Cường độ cắt của đá từ giá trị RQD¶
Tương quan cường độ cắt của khối đá với RQD, cho phép chuyển từ cường độ mẫu phòng sang cường độ khối đá chỉ bằng một chỉ số dễ đo.
9.14 Cường độ cắt và góc ma sát theo nguồn gốc địa chất¶
Bảng của mục này phân nhóm đá theo nguồn gốc địa chất (magma, biến chất, trầm tích) và đưa dải c′ và φ điển hình — hữu ích khi chưa có thí nghiệm.
9.15 Góc ma sát của khe nứt đá¶
Bảng 9.15 — Góc ma sát đỉnh của khe nứt (đá khô, không lấp nhét).
| Điều kiện khe nứt | φ (°) |
|---|---|
| Khe mở, mặt nhẵn | 20 – 30 |
| Khe gợn sóng nhẹ | 30 – 35 |
| Khe gợn sóng, mặt nhám | 35 – 45 |
| Khe lấp nhét sét mềm | 15 – 25 |
Khe nứt có lấp nhét sét là trường hợp nguy hiểm nhất: φ giảm mạnh và có thể xuống dưới 20°.
9.16 Góc ma sát của gờ nhám (asperity)¶
Bảng của mục này đưa góc ma sát tăng thêm do gờ nhám (asperity) theo biên độ gồ ghề và chiều dài sóng — cơ sở của tiêu chuẩn Barton (JRC).
9.17 Cường độ cắt của khe nứt có lấp nhét¶
Bảng của mục này đưa cường độ cắt của vật liệu lấp nhét (sét, bùi, cát) và chiều dày lấp nhét ảnh hưởng đến cường độ khe nứt — điểm quyết định trong ổn định mái dốc đá.
Ghi nhớ của chương¶
- Cường độ khối đá ≠ cường độ đá nguyên — hệ số suy giảm thường chỉ còn 20–50% (mục 9.8, 9.11).
- Khe nứt có lấp nhét sét (mục 9.15, 9.17) là điều khiển chính của ổn định mái dốc đá — không thể bỏ qua.
- Hàm lượng silica (mục 9.4) vừa là chỉ dấu độ cứng vừa là cảnh báo an toàn lao động (bệnh bụi phổi silic).
- Trọng lượng đơn vị đá (mục 9.2) cần cho tính ứng suất phủ và áp lực lên tường.