Chương 1 — Khái quát địa chất – đất đá¶
Chương I đặt nền móng địa chất cho toàn bộ cuốn sách. Trước khi thiết kế bất kỳ móng nào, người kỹ sư phải hiểu đất nền được cấu tạo từ gì và hình thành như thế nào.
Hình minh hoạ trong chương này
Các ảnh trong chương này lấy từ giáo trình mở Physical Geology – 2nd Edition của Steven Earle (BCcampus, CC BY 4.0), có ghi nguồn. Xem đầy đủ tại ghi nguồn hình địa chất. Trang chỉ dùng các hình thuộc CC BY hoặc phạm vi công cộng.
1.1 Vị trí của địa kỹ thuật¶
Sách phân biệt ba bộ môn gắn bó với nhau:
- Địa chất học — khoa học về Quả Đất: thành phần, cấu trúc, sự hình thành, vận động, kiến tạo và biến đổi của nó.
- Địa chất công trình (ĐCCT) — bộ môn địa chất nghiên cứu môi trường địa chất phục vụ xây dựng: xác định điều kiện nền đất, lựa chọn mặt bằng, và cung cấp số liệu địa chất cho thiết kế nền móng.
- Địa kỹ thuật — bộ môn ứng dụng gắn ĐCCT với cơ đất & nền móng. Nhiệm vụ của nó là biến mô tả địa chất thành những con số mà người thiết kế dùng được.
Luận điểm thực tiễn của sách: ĐCCT đứng riêng thì còn quá định tính, còn cơ đất đứng riêng thì giả định quá nhiều về một nền đất đồng nhất. Địa kỹ thuật là nơi hai bên gặp nhau — và kết luận của nó quyết định loại móng, kích thước móng, giải pháp xử lý nền và biện pháp thi công.
1.2 Cấu trúc Quả Đất¶
Quả Đất phân thành các lớp hình cầu đồng tâm có tính chất vật lý khác biệt, giới hạn bởi các bề mặt hoặc vùng không liên tục. Địa vật lý phát hiện được các ranh giới này vì vận tốc truyền sóng địa chấn thay đổi đột ngột khi qua chúng; chỗ vận tốc lệch khỏi quy luật thường gọi là dị thường.
Hình. Cách phát hiện một ranh giới địa chấn. Sóng đi xuống macti rồi bị khúc xạ ngược lên tới trạm trước sóng chỉ truyền trong vỏ — chính quan sát này đã phát hiện ranh giới vỏ – macti (mặt Moho). © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2nd ed., Hình 9.1.5.
Với người kỹ sư, hệ quả rất cụ thể: loại đá, mức độ phong hoá, chiều sâu tới đá nguyên thể, và sự tồn tại của các đới yếu hoặc nứt nẻ.
1.3 Ba nhóm đất – đá chính¶
1.3.1 Đá magma¶
Hình thành do nguội và kết tinh khối vật chất nóng chảy. Đá xâm nhập như granit nguội chậm ở sâu nên hạt thô; đá phun trào như badan, andezit nguội nhanh trên mặt nên hạt mịn. Ở Việt Nam, badan trên các cao nguyên Tây Nguyên và Đông Nam Bộ phong hoá thành đất laterit — tới tay kỹ sư thì đã là đất, không còn là đá.
Hình. Cận cảnh đá granit và một số khoáng vật cấu tạo nên nó — H = hocblen, Q = thạch anh, F = fenspat. Tinh thể cỡ 0,1 – 3 mm. Chính cấu tạo tinh thể cài răng lược của đá magma xâm nhập khiến nó khoẻ khi còn nguyên khối, nhưng lại làm việc như một tập thể các khối rời khi đã bị nứt nẻ. © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2nd ed., Hình 1.4.2.
1.3.2 Đá trầm tích¶
Hình thành do lắng đọng, chôn vùi và cố kết. Đá mảnh vụn — cát kết, bột kết, sét kết — phân loại theo cỡ hạt; đá hoá học và hữu cơ gồm đá vôi, đôlômit. Hai đặc trưng chi phối hành vi kỹ thuật của chúng: mặt phân lớp là mặt yếu, và ở đá vôi là các-tơ — hang động, phễu sụt, kênh hoà tan khiến móng và hầm khó dự báo. Các dãy núi đá vôi phía Bắc Việt Nam là địa hình các-tơ điển hình.
Hình. Sỏi cuội trên bãi biển — nguyên liệu ban đầu của trầm tích mảnh vụn. Cỡ hạt, độ chọn lọc và độ mài tròn thấy ở đây cũng chính là các chỉ tiêu kỹ sư đọc trên hố khoan để gọi tên và phân loại đất. © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2nd ed., Hình 6.1.1.
Hình. Một số đá trầm tích mảnh vụn. Kiến trúc và mức độ gắn kết biến thiên rất rộng — đây là yếu tố chi phối lớn nhất tới sức kháng và tính biến dạng của nền trầm tích. © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2nd ed., Hình 6.1.8.
1.3.3 Đá biến chất¶
Hình thành từ đá có trước dưới tác dụng của nhiệt và áp lực: gơnai, đá phiến, đá hoa, quaczit, đá phiến sét. Quá trình biến chất tạo ra cấu tạo phiến — một cấu trúc định hướng mạnh làm cho sức kháng và biến dạng mang tính dị hướng rõ rệt: đá yếu hơn nhiều theo phương vuông góc với mặt phiến so với phương dọc mặt phiến.
Hình. Đá phiến sét tại một mái cắt đường ở dãy Columbia, B.C., bong ra theo mặt phiến. Chính cấu trúc định hướng này — chứ không phải độ bền nguyên khối — quyết định mái cắt đứng được hay sẽ trượt. © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2nd ed., Hình 5.1.2.
1.4 Phong hoá và trạng thái của nền đất¶
Phong hoá là quá trình biến đá thành đất — và cũng là quá trình thường quyết định móng sẽ tựa trên vật liệu nguyên vẹn hay trên một khối đã suy yếu, có cấu trúc. Luận điểm của sách: mức độ phong hoá quan trọng hơn tên gọi của đá. Bốn cơ chế làm phần lớn công việc:
- Bong tróc do giảm tải (exfoliation) — bóc lớp phủ khiến đá nở ra và nứt song song với mặt đất.
- Nêm băng (frost wedging) — nước trong khe nứt đóng băng, nở ra và bẩy đá tách rời; cơ chế hiệu quả nhất ở vùng núi phía Bắc nước ta.
- Kết tinh muối — muối lớn lên trong lỗ rỗng, đẩy các hạt tách nhau, tạo bề mặt tổ ong.
- Rễ cây và sinh vật — rễ làm rộng mọi khe nứt mà nó chui vào.
Hình. Khe nứt bong tróc trong đá granit lộ ra ở mái cắt đường cao tốc Coquihalla, B.C. Đá bóc thành từng tấm song song với mặt đất mới lộ vì áp lực bó bị mất đi. © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2nd ed., Hình 5.1.1.
Hình. Phong hoá tổ ong trên cát kết (đảo Gabriola, B.C.). Muối kết tinh trong lỗ rỗng đã bẩy các hạt tách nhau, để lại bề mặt rỗ tổ ong gần như không còn cường độ nguyên khối. © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2nd ed., Hình 5.1.5.
Hình. Tích tụ taluy dưới chân vách đá bị vỡ do băng giá (Keremeos, B.C.). Vật liệu phong hoá tích lại ở đây là taluy (colluvium) — loại đất rời, chọn lọc kém, thường ở trạng thái cân bằng không bền mà kỹ sư phải nhận ra tại hiện trường. © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2nd ed., Hình 5.1.4.
1.5 Cấu trúc: mặt phân lớp, mặt phiến và đứt gãy¶
Hai khối đá có cùng cường độ nguyên khối vẫn có thể làm việc hoàn toàn khác nhau khi kể đến cấu trúc. Các yếu tố chi phối là mặt phân lớp, mặt phiến, khe nứt và đứt gãy — và đặc biệt là phương của chúng so với tải trọng hoặc mái cắt.
Hình. Một đứt gãy (đường nét đứt trắng) trong đá xâm nhập ở đảo Quadra, B.C. Một mạch đá màu hồng bị đứt gãy dịch chuyển khoảng 10 cm, theo chiều phải. Đứt gãy là mặt đá đã bị phá huỷ: nó là một mặt gián đoạn trong mô hình nền, chứ không phải một đường vẽ trên bình đồ. © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2nd ed., Hình 12.3.4.
Hình. Đứt gãy nghịch McConnell tại Mt. Yamnuska, Alberta. Đá vôi kỷ Cambri bị chờm lên bột kết kỷ Creta — một tấm dày 800 m bị đẩy đi khoảng 40 km. Khi đứt gãy nghịch đặt đá khoẻ lên trên đá yếu thì chính lớp yếu quyết định thiết kế. © Steven Earle, CC BY 4.0 — Physical Geology, 2nd ed., Hình 12.3.9.
1.6 Kỹ sư lấy được gì từ chương này¶
Chỉ loại đá không quyết định hành vi. Ba yếu tố chi phối là mức độ phong hoá, mức độ nứt nẻ, và phương của mặt phân lớp / mặt phiến so với phương tải trọng. Một khối granit "khoẻ" nhưng bị cắt bởi các khe nứt gần nhau có thể làm việc kém hơn một khối cát kết phân lớp tốt.
1.7 Thuật ngữ¶
| Tiếng Anh | Tiếng Việt (sách dùng) |
|---|---|
| geology | địa chất học |
| engineering geology | địa chất công trình (ĐCCT) |
| geotechnique | địa kỹ thuật |
| soil mechanics and foundations | cơ đất & nền móng |
| discontinuity | bề mặt / vùng không liên tục |
| anomaly | dị thường |
| igneous rock | đá magma |
| intrusive / extrusive | xâm nhập / phun trào |
| sedimentary rock | đá trầm tích |
| clastic | mảnh vụn |
| metamorphic rock | đá biến chất |
| bedding plane | mặt phân lớp |
| foliation | cấu tạo phiến |
| karst | các-tơ (karst) |
| weathering | phong hoá |
| exfoliation | bong tróc (giảm tải) |
| frost wedging | nêm băng |
| talus / colluvium | tích tụ sườn (taluy) |
| fault | đứt gãy |
| joint | khe nứt |
1.8 Các điểm then chốt¶
- Địa kỹ thuật = ĐCCT + cơ đất & nền móng. Không nửa nào đủ nếu đứng riêng.
- Quả Đất phân lớp; địa vật lý tìm ranh giới nhờ ảnh hưởng của chúng lên vận tốc sóng.
- Hành vi của đá do phong hoá, nứt nẻ và phương cấu tạo quyết định, không chỉ do loại đá.
- Phong hoá là quá trình biến đá thành đất — bong tróc, nêm băng, kết tinh muối và rễ cây đều phá khối đá trước khi kỹ sư khoan tới.
- Đá vôi các-tơ và đá biến chất có phiến là hai loại nền khó dự báo nhất ở Việt Nam.