Cơ học đá - Nguyễn sĩ ngọc

C¬ häc ®¸.
1

NGUYỄN SỸ NGỌC
















CƠ HỌC ðÁ
DÙNG CHO SINH VIÊN NGÀNH XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

.
NHÀ XUẤT BẢN GIAO THÔNG VẬN TẢI
HÀ NỘI - 2005



2.
C¬ häc ®¸




Chịu trách nhiệm xuất bản
LÊ TỬ GIANG
Biên tập
THÂN NGỌC ANH

Chế bản và sửa bài
XƯỞNG IN TRƯỜNG ðẠI HỌC GTVT

NHÀ XUẤT BẢN GIAO THÔNG VẬN TẢI
80B Trần Hưng ðạo – Hà Nội
ðT: 9423345 – Fax: 8224784
05230/8
05
GTVT
075(6V)
MS −
−










In 620 cuốn, khổ 19x27cm tại Xưởng in Trường ðại học GTVT. In xong và nộp lưu
chiểu quý III năm 2005. Giấy chấp nhận kế hoạch xuất bản số 230/XB – QLXB ngày
03/03/2005



LỜI NÓI ðẦU

C¬ häc ®¸.

3


Cơ học ñá là một môn học trong chương trình ñào tạo kỹ sư xây dựng công
trình giao thông của Trường ðại học Giao thông vận tải, nhằm cung cấp cho sinh
viên những kiến thức cơ bản nhất về các tính chất trạng thái của ñá và khối ñá
nguyên trạng; các quá trình và hiện tượng cơ học xảy ra khi xây dựng các công trình
trên ñá và trong ñá,từ ñó tìm ra các phương pháp phá huỷ có hiệu quả, cách ñiều
khiển hợp lý áp lực ñá, làm ổn ñịnh các công trình xây dựng trên ñá, trong ñá và
bằng ñá.
Với thời gian giảng dạy của môn học là 60 tiết, cuốn sách nhỏ này không thể
trình bày hết ñược ñầy ñủ mọi khía cạnh của cơ học ñá lý thuyết và ứng dụng, mà
mới chỉ nêu ñược một cách tóm tắt một số vấn ñề rất cơ bản của cơ học ñá.
Do trình ñộ bản thân có hạn mà kiến thức cơ học ñá lại rộng, nên chắc chắn sẽ
không tránh khỏi những thiếu sót trong khi viết. Người viết rất mong ñược sự chỉ bảo
của bạn ñọc gần xa.
Những ý kiến ñóng góp xin gửi về Bộ môn ðịa kỹ thuật – Khoa Công trình –
Trường ðại học Giao thông Vận tải – Hà Nội.
Chúng tôi xin trân trọng cảm ơn.
Hà nội ngày 30 – 12 – 2004
Người viết
PGS.TS. Nguyễn Sỹ Ngọc
Chủ nhiệm Bộ môn ðịa kỹ thuật,
Thư ký Hội Cơ học ñá Việt Nam

4.
C¬ häc ®¸

MỤC LỤC

Lời nói ñầu 3
Mở ñầu 7
Chương I

ðÁ VÀ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ðÁ
16
1.1. Các khái niệm cơ bản về ñá -
1.1.1. Sự thành tạo các loại ñá -
1.1.2. Thành phần của ñá 17

C¬ häc ®¸.
5

1.1.3. Kiến trúc của ñá 25

1.1.4. Cấu tạo của ñá 26
1.1.5- Tính không ñồng nhất và dị hướng của ñá 27
1.1.6. Một số loại ñá thường gặp 28
1.2. Các tính chất cơ bản của ñá 35
1.2.1. Một số chỉ tiêu ñặc trưng cho hàm lượng các pha trong ñá 37
1.2.2. Tính chất cơ học 54
Chương II

CÁC TÍNH CHẤT CỦA KHỐI ðÁ NGUYÊN TRẠNG
127
2.1. Khối ñá nguyên trạng và một vài ñặc ñiểm của nó. -
2.1.1. Khái niệm về khối ñá nguyên trạng -
2.1.2. Vài ñặc ñiểm của khối ñá nguyên trạng 128
2.2. Các tính chất của khối ñá nguyên trạng 132
2.2.1. Tính phong hoá 133
2.2.2. Tính chất nứt nẻ 143
2.2.3. Tính chất cơ học 157
2.2.4. Nước và khối ñá nguyên trạng 187
2.2.5. Một số tính chất khác của khối ñá 196
Chương III

KHẢO SÁT VÀ ðÁNH GIÁ KHỐI ðÁ
202
3.1. Khảo sát khối ñá -
3.1.1. Mục ñích và nội dung khảo sát khối ñá -
3.1.2. Nguyên tắc cơ bản trong khảo sát khối ñá 203
3.1.3. Các phương pháp khảo sát 206
3.2. Phân loại khối ñá 213
3.2.1. Phân loại theo các chỉ tiêu ñộc lập 214
3.2.2. Phân loại theo các chỉ tiêu tổng hợp -

3.3. ðánh giá khối ñá 225
3.3.1. ðánh giá tính chất biến dạng của khối ñá -
3.3.2. ðánh giá ñộ bền khối ñá. 227
Chương IV

ỔN ðỊNH NỀN VÀ BỜ DỐC ðÁ
228
4.1. Sự ổn ñịnh của nền ñá -
4.1.1. Khái niệm -
4.1.2. Sức chịu tải của nền ñá 238
4.2. Ổn ñịnh bờ dốc ñá 245

6.
C¬ häc ®¸

4.2.1. Bờ dốc và ñộ ổn ñịnh của nó -
4.2.2. Tính toán ổn ñịnh bờ dốc 256
4.2.3. ðề phòng và chống trượt bờ dốc 276
Chương V

TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ ÁP LỰC ðÁ XUNG QUANH
CÔNG TRÌNH NGẦM
284
5.1. Ứng suất tự nhiên trong khối ñá -
5.1.1. Các giả thuyết về sự phân bố ứng suất trong ñá 285
5.1.2. Trạng thái ứng suất ban ñầu của khối ñá 287
5.1.3. Sự phân bố lại ứng suất trong vỏ trái ñất 291
5.1.4. Các phương pháp ño ứng suất tự nhiên trong khối ñá 294
5.2. Trạng thái ứng suất và biến dạng của ñá ở xung quanh
công trình ngầm 305

5.2.1. Khái niệm về các công trình ngầm -
5.2.2. Trạng thái ứng suất của ñá ở xung quanh công trình ngầm 310
5.2.3. Biến dạng của ñá ở xung quanh công trình ngầm 324
5.3. Áp lực ñá trong công trình ngầm 328
5.3.1. Khái niệm về áp lực ñá -
5.3.2. Áp lực ñá trong các hầm ngang 333
5.3.3. Áp lực ñá trong thành giếng và hầm nghiêng 355
Phụ lục 365
Tài liệu tham khảo 372



MỞ ðẦU
1. VỊ TRÍ VÀ ðỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA CƠ HỌC ðÁ
Hàng nghìn năm qua, ñá ñã ñóng
vai trò rất quan trọng trong các hoạt ñộng
có ý thức của con người. Những công cụ
lao ñộng và vũ khí thô sơ của người
nguyên thuỷ, những Kim tự tháp ñồ sộ
ñứng sừng sững cạnh tượng con Sphinx
khổng lồ bằng ñá bên dòng sông Nil ở Ai
Cập từ thời nô lệ, những ngôi nhà cao
chọc trời; những ñường hầm ôtô, hầm
ñường sắt xuyên qua núi hay ngầm dưới
ñáy biển nối liền các ñảo xa xôi; những
Hình 01
–
Kim tự
tháp v Sphinx
ở vùng Giza gần Cairo (Ai Cập) –

khoảng 2700 – 2550 TCN

C¬ häc ®¸.
7

công trình bằng ñá nổi tiếng hay những khối tượng ñá khổng lồ tạc ngay trên vách ñá
của thế giới ngày nay… ñều do ñá hay nhờ ñá tạo nên. ðá ngày càng trở nên gần gũi
trong ñời sống con người.
Vì vậy việc nghiên cứu tính chất và trạng thái của ñá - nhất là của khối ñá
nguyên trạng dưới tác dụng của ngoại lực như thiên nhiên (trọng lực, các tác dụng
ñịa chất…) hay nhân tạo (lực do các công trình xây dựng, do hoạt ñộng sản xuất …)
là rất quan trọng và cần thiết.
ðể ñáp ứng nhu cầu nghiên cứu trên, một môn khoa học mới ñược ra ñời, gọi
là Cơ học ñá.
Cơ học là một môn khoa học liên quan tới
năng lượng, lực và tác ñộng của chúng
lên vật thể, nên có thể coi cơ học ñá là
một bộ phận của ngành khoa học cơ học
ñịa chất, chuyên nghiên cứu tính chất,
trạng thái của ñá và khối ñá nguyên trạng,
các quá trình và hiện tượng cơ học xảy ra
khi tiến hành thi công các công trình trên ñá, ñể
tìm ra các phương pháp phá huỷ ñá có hiệu quả,
cách ñiều khiển hợp lý áp lực ñá và làm ổn ñịnh
các bờ dốc ñá, nền ñá.
Môn khoa học cơ học ñá mang tính chất
ứng dụng. Các lĩnh vực nghiên cứu của nó có
lợi trực tiếp, thiết thực ñến các ngành kinh tế
quốc dân, nhất là các ngành mỏ, giao thông,
thuỷ lợi… Những hiểu biết về ñá và các ñặc

trưng, trạng thái của nó sẽ giúp cho việc thiết kế
và thi công các công trình trong ñá và trên ñá ñược hợp lý, có hiệu quả kinh tế và an
toàn hơn.
Uỷ ban Cơ học ñá của Viện hàn lâm khoa
học quốc gia Mỹ (1966) ñã ñịnh nghĩa: Cơ học
ñá là môn khoa học lý thuyết và ứng dụng về
những ứng xử cơ học của ñá, nó là ngành cơ học liên quan ñến sự phản ứng của ñá
với các trường lực bao quanh chúng.







Hình 02 – Nhà mồ ở thành phố Petra
(Jorñani ngày nay) ñào vào trong khối
ñá (thế kỷ VI TCN)
Hình 03 – Nhà thờ ðức Bà Paris
(1163 – 1250)

8.
C¬ häc ®¸


Hình 04 – Khối tượng 4 Tổng thống Mỹ ở núi Rushmore (bang Nam
Dakota – Mỹ) (1927 – 1941)
Cơ học ñá dựa trên các thành tựu của vật lý chất rắn, các lý thuyết dẻo, thấm,
lưu biến, các hiểu biết về ñịa chất, ñịa hoá… và các môn khoa học khác. Nó cũng
ñược coi là phần nền tảng của khoa học về trái ñất- nhất là khoa học mở.

Khác với các vật liệu khác, ñá rất ña dạng, ít ñồng nhất nên ñôi khi khó hiểu và
khó dự ñoán. Mặt khác, các sơ ñồ cơ học và hình học của các bài toán cơ học ñá
thường khác với các sơ ñồ cổ ñiển của các bài toán ñàn hồi, dẻo… nên việc nghiên
cứu ñá cũng có nhiều ñiểm riêng biệt.
Khi thi công các công trình trên ñá, các quá trình cơ học chính ñược nghiên
cứu trong cơ học ñá là sự hình thành trạng thái ứng suất của khối ñá và sự thay ñổi
của nó, sự chuyển ñộng của ñá ở các dạng khác nhau, sự tương tác giữa ñá và vì
chống…
Việc nghiên cứu Cơ học ñá gồm một số hướng sau:
- Tính chất của ñá và khối ñá nguyên trạng
- Lý thuyết phá huỷ ñá
- Sự xuất hiện và cách ñiều khiển áp lực ñá khi thi công công trình ngầm
- Sự chuyển ñộng của ñá khi thi công công trình
- Ổn ñịnh các bờ dốc ñá
- Các hiện tượng ñộng lực trong khối ñá
- Quá trình thấm trong ñá
- Sự tương tác giữa các hiện tượng kiến tạo khu vực và vi ñịa chất công trình
trong khối ñá
2. SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CƠ HỌC ðÁ
Cơ học ñá là một ngành khoa học rất trẻ. Lịch sử phát triển của nó có thể chia
thành ba giai ñoạn:
Trong giai ñoạn ñầu, khi người ta ñã biết khai thác ñá và các khoáng sản ở sâu
trong lòng ñất thì vấn ñề ổn ñịnh hầm lò ñã ñược ñặt ra. Việc lựa chọn các phương
pháp chống lò ñã ñòi hỏi phải nghiên cứu các quá trình biến dạng và phá huỷ của ñá
ở xung quanh hầm lò, các quy luật phát triển của các quá trình ấy trong không gian
và thời gian. Tuy vậy, ở giai ñoạn này, việc nghiên cứu mới chỉ ở mức ñộ mô tả, tổng
kết các hiện tượng, chứ chưa phân tích ñược một cách sâu sắc cơ chế phát sinh và
phát triển của chúng.
Trong những năm 30 của thế kỷ XIX, người ta ñã quan sát thấy hiện tượng sụt
lún mặt ñất do việc khai thác than nằm gần mặt ñất ở ngoại ô thành phố Liège (Bỉ) và

mấy chục năm sau, hiện tượng tương tự cũng xảy ra ở một vài thành phố của ðức.
Nhiều tác giả ñã nghiên cứu chúng và ñã ñề ra ñược những nguyên tắc ñầu tiên, xác
ñịnh phạm vi ảnh hưởng của việc khai thác hầm lò ñối với mặt ñất: Năm 1864,
J.Goodwin, một kỹ sư người Anh ñã nêu khá ñầy ñủ những yếu tố ảnh hưởng tới sự
sụt lún mặt ñất như hệ thống hầm lò, tính chất của ñá, góc nghiêng và chiều dài vỉa,
chiều sâu khai thác… nghĩa là những yếu tố có ảnh hưởng quyết ñịnh nhất.

Cơ học đá.
9

Cng trong giai ủon ny, vic nghiờn cu cỏc thnh phn ng sut ca khi ủỏ
cng bt ủu ủc chỳ ý: nm 1874, F.Rziha, mt chuyờn gia v hm ca c v
bn nm sau, giỏo s ngi Thy s A. Heim ủó nờu lờn gi thuyt v thnh phn
ng sut nm ngang trong khi ủỏ v quan h ca nú vi thnh phn ng sut thng
ủng, nhng khi ủú, nhng gi thuyt ny cha ủc tha nhn v ph bin rng rói.
nghiờn cu, thớ nghim ủỏ, ngi ta ủó dựng cỏc thit b ủn gin hay hon
thin cỏc mỏy kộo, nộn, un v cỏc ủu kp mu khi kộo do nh vt lý H lan
P.Musschenbrock ch to t nm 1729.
Núi chung, vic nghiờn cu c hc ủỏ giai ủon ny mi ch chỳ ý ủn cỏc
hin tng bờn ngoi, cỏc gi thuyt thng mang tớnh cht thc nghim, cha bao
hm cỏc ch tiờu phn ỏnh thc cht khi ủỏ b bin dng.
Giai ủon hai cú th tớnh t cui th k XIX.
Trong giai ủon ny, ngi ta ủó xõy dng ủc nhiu gi thuyt khỏ cht ch
v bn cht vt lý, c ch cỏc quỏ trỡnh xy ra trong khi ủỏ khi thi cụng cỏc cụng
trỡnh.
Nm 1885, M.Fayol, mt k s ngi Phỏp v 4 nm sau, k s trc ủa ngi
c W.Trompeter ủó nờu ra lý thuyt v s phõn vựng ỏp lc ủỏ xung quanh cụng
trỡnh ngm.
Nm 1907, giỏo s ngi Nga M. M. Protodjakonov ủó ủ ra gi thuyt hỡnh
thnh vũm ỏp lc trong cỏc cụng trỡnh ngm. Cụng trỡnh ny l mt bc tin rt ln

trong c hc ủỏ, to ủiu kin ủ tớnh toỏn cỏc thụng s cho vỡ chng, nhng cng
cha phự hp vi cỏc cụng trỡnh cú tit din ln v nm sõu trong lũng ủt.
ng thi vi vic xut hin cỏc gi thuyt v ỏp lc ủỏ v trng thỏi ng sut
xung quanh cụng trỡnh ngm, cỏc dng c ủo ng sut v bin dng ca ủỏ ủó ủc
ch to tinh vi, ủ chớnh xỏc cao hn v cú th ủo trc tip ngay ti khi ủỏ. Ngi ta
cng bt ủu dựng phng phỏp mụ hỡnh ủ nghiờn cu cỏc quỏ trỡnh bin dng ca
ủỏ xung quanh cụng trỡnh ngm.
Nm 1909, ngi ta ủó dựng phng phỏp phun va ủ lm n ủnh cỏc ủng
hm.
Nm 1912, T.Karman ủó nghiờn cu ủỏ trng thỏi ng sut th tớch- mt
trng thỏi rt phự hp vi ủỏ ủiu kin t nhiờn.
Nm 1918, ngi ta ủó bt ủu s dng neo ủ lm n ủnh cỏc khi ủỏ.
Nm 1926, J. Schmidt ủó ủa ra nhng gi thuyt v tớnh cht ủn hi, kt hp
vi lý thuyt ca A. Heim v ng sut ban ủu ca khi ủỏ, to nờn nhng c s ủu
tiờn ca C hc ủỏ.
Nm 1938, nh ủa cht ngi Chi nờ R.Fenner ủó cụng b nhng kt qu
nghiờn cu v ỏp lc ủỏ, núi chung cng gn vi kt qu ca J. Schmidt. Cng trong
nm ny, vin s Xụ vit A.N.innik ủó nờu rừ ủc ủim phõn b ng sut trong
khi ủỏ cú tớnh ủn h s ỏp lc ngang. Nhng nm sau, nhiu tỏc gi ủó phỏt trin
thờm cụng trỡnh ca ụng.

10.
Cơ học đá

Núi chung, trong giai ủon ny, ngi ta ủó nghiờn cu sõu v cỏc quỏ trỡnh
bin dng v phỏ hu ca ủỏ trờn mt ủt cng nh trong cỏc cụng trỡnh ngm bng
cỏc mỏy ủo ủc chớnh xỏc cao. Ngi ta ủó gn cỏc quỏ trỡnh bin dng v phỏ hu
ủỏ do vic thi cụng cỏc cụng trỡnh vi cỏc quỏ trỡnh thay ủi trng thỏi ng sut ca
khi ủỏ. Núi mt cỏch khỏc, trong giai ủon ny, ngi ta ủó chuyn dn dn t vic
nghiờn cu cỏc hin tng bờn ngoi sang vic nghiờn cu cỏc nguyờn nhõn gõy ra

chỳng.
Giai ủon th ba- giai ủon c hc ủỏ hin ủi cú th bt ủu tớnh t cui
nhng nm 30 ca th k XX.
Do tớch lu ủc nhiu kinh nghim thc t khi khai thỏc khoỏng sn hay thi
cụng cụng trỡnh ngm, ngi ta ủó nhn thy nhng s khụng phự hp gia cỏc
phng phỏp tớnh ủó ủa ra v cỏc s ủ tớnh toỏn vỡ chng. i vi ủỏ, lý thuyt v
cỏc phng phỏp nghiờn cu c hc mụi trng ri rc l c s ca nhng gi thuyt
ca giai ủon trc khụng cũn phự hp na, ngi ta bt ủu s dng rng rói lý
thuyt v cỏc phng phỏp nghiờn cu c hc mụi trng liờn tc, nht l lý thuyt
ủn hi, ủ tỡm hiu s thay ủi trng thỏi ng sut t nhiờn do vic thi cụng cỏc
cụng trỡnh trong ủỏ v trng thỏi ca khi ủỏ xung quanh cụng trỡnh khi cú s thay
ủi ng sut y.
ng thi vi vic phỏt trin lý thuyt, nhiu phng phỏp thc nghim ủ
ủỏnh giỏ trng thỏi ng sut ca khi ủỏ cng ủc ủ ra. Ngi ta s dng rt rng
rói phng phỏp quang ủn hi dựng cho cỏc mụ hỡnh cú th th hin ủc cỏc ủiu
kin ủa cht khỏc nhau nh phõn lp, khụng ủng nht Cỏc phng phỏp ủa vt
lý dựng ủ ủỏnh giỏ trng thỏi ng sut ca ủỏ m khụng cn phi ủo bin dng ca
nú nh cỏc súng ủn hi cng ủó ủc ỏp dng ti thc ủa trờn cỏc khi ủỏ.
Do thc t ủũi hi phi xõy dng ủc cỏc mụ hỡnh ging vi cỏc quy lut bin
dng thc ca ủỏ, nờn trong giai ủon ny, ngi ta ủó lp ủc cỏc s ủ tớnh toỏn
bin dng khụng ch cho vt th ủn hi m cũn cho cỏc vt th bin dng theo thi
gian.
Nm 1950, ln ủu tiờn, phng phỏp ủo hm mi kiu o (NATM) ủó ủc
nờu ra.
Nhng nm 1950-1954, hai nh nghiờn cu Xụ vit F.A.Belaenko v
K.V.Ruppeneyt ủó lp ủc cụng thc tớnh toỏn ỏp lc ủỏ xung quanh hm m cú
tớnh ủn bin dng ủn hi- do.
Trong khong 1955-1958, cỏc nh nghiờn cu Ba lan J.Litwiniszyn v A.
Salustowicz cng ủó lp ủc mụ hỡnh tớnh toỏn cho cỏc bin dng ủn hi nht.
Nm 1957, k s ngi Phỏp J. Talobre ủó xut bn cun C hc ủỏ trong

ủú ủó trỡnh by tng ủi h thng cỏc vn ủ v c hc ủỏ v ng dng ca nú trong
xõy dng cụng trỡnh.
T nm 1960, ngi ta bt ủu nghiờn cu v s bin dng ca ủỏ theo thi
gian. Liờn Xụ, vn ủ ny ủó ủc Zh. X. Erzhanov, V.T. Glusko
nghiờn cu rt sõu.
Trong giai ủon ny, ngi ta ủó hon thin cỏc phng phỏp v dng c ủo
bin dng v chuyn v ca ủỏ xung quanh cụng trỡnh ngm, ủng thi xỏc ủnh ngay
ti ch cỏc tớnh cht ca khi ủỏ nguyờn trng. Hin nay, ngoi cỏc thit b tin cy cú

Cơ học đá.
11

kh nng giỏm sỏt v d bỏo s chuyn v ca ủỏ, cỏc k thut tớnh toỏn ủó phỏt trin
ti mc m cỏc cỏch ng x ca ủỏ cú th ủc mụ hỡnh hoỏ v d ủoỏn vi ủ tin
cy nht ủnh.
Thỏng 10 nm 1962, Hi C hc ủỏ Quc t (the International Society for
Rock Mechanics ISRM) ủc thnh lp o trờn c s Hi cỏc nh ủa vt lý,
ủa cht cụng trỡnh nc o do S.Stini thnh lp t 1951- Hi C hc ủỏ Quc t ủó
tp hp ủc cỏc chuyờn gia c hc ủỏ ca nhiu nc trờn th gii Cỏc hi ngh
c 4 nm mt ln ca Hi ủó thụng bỏo cỏc kt qu nghiờn cu v c hc ủỏ, ủng
thi ủ ra phng hng nghiờn cu trong thi gian ti. Nhng hi ngh gn ủõy ca
Hi l ln th VIII nm 1995 Tokyo (Nht), ln th IX nm 1999 Paris (Phỏp) v
gn ủõy nht, ln th X Johannesburg (Nam Phi) nm 2003.
nc ta, ủỏ ủó l ủi tng gn gi ca con ngi t rt lõu. T tiờn chỳng
ta, nhng ngi Vit c (sng cỏch ủõy khong trờn di 10.000 nm) ủó bit s
dng ủỏ rt sm: ủỏ ủc dựng lm cụng c lao ủng(rỡu, dao, cuc bng ủỏ), lm
ủ trang sc cho cỏc thiu n (cỏc vũng ủỏ, khuyờn tai bng ủỏ) hay lm nhc c
ủ s dng trong cỏc sinh hot cng ủng (cỏc ủn ủỏ, tự v bng ủỏ).
Trong thi phong kin, nhiu thnh c bng ủỏ ủó ủc xõy dng vi quy mụ
khỏ ln nh thnh nh H (cao 5m, dy 3m An Lc, Vnh Lc - Thanh Hoỏ ngy

nay, ủc xõy t nm 1397 bng nhng khi ủỏ xanh ln, cú khi cú kớch thc
1,7x5,1 x 2,2m nng ti 40 tn), thnh nh Mc (thnh c Tuyờn Quang cú hỡnh
vuụng, mi chiu 275m, cao 3,5m, dy 0,8m ủc xõy dng bng ủỏ ong t nm
1592) hay thnh c Sn Tõy (ủc xõy dng t nm 1822 cng bng ủỏ ong, mi
chiu ca to thnh vuụng ny cng ti 400m).
th k XIX, mt s cụng trỡnh bng ủỏ ủó ủc xõy dng, tn ti ti ngy
nay v tr thnh nhng thng cnh ca ủt nc nh Ng mụn (ca chớnh vo i
ni c ủụ Hu, ủc xõy dng bng nhng khi ủỏ ln t nm 1802), i Nghiờn,
Thỏp Bỳt (bờn h Hon Kim, H Ni ủc xõy dng t nm 1867), nh th ủỏ Phỏt
Dim (Ninh Bỡnh)
Bc vo th k XX, do vic khai thỏc m, phỏt trin giao thụng v nng
lng ủũi hi phi cú nhng hiu bit nht ủnh v c hc ủỏ. Ngi Phỏp ủó
nghiờn cu ủ ủo cỏc hm lũ khai thỏc than vựng m Hng Gai - Cm Ph (thuc
tnh Qung Ninh ngy nay), lm ủng hm giao thụng trờn tuyn ủng st xuyờn
Vit (trong nhng nm ca thp niờn 30), lm nh mỏy thu ủin a Nhim (trong
nhng nm 1961-1964 cụng sut 160MW vi ủng hm dn nc di 4878m,
ủng kớnh 3,4m ủc ủo xuyờn qua ủốo Ngon Mc
Sau khi ho bỡnh lp li, do s phỏt trin ton din ca nn kinh t quc dõn,
vic nghiờn cu v thớ nghim c hc ủỏ ủó ủc chỳ trng hn, dn dn c hc ủỏ
ủó ủúng vai trũ nht ủnh trong cụng cuc phỏt trin kinh t, xõy dng ủt nc.
Ngi ta ủó nghiờn cu tớnh cht ca ủt ủỏ, cỏc quỏ trỡnh c hc xy ra khi thi cụng
cỏc cụng trỡnh trong ủỏ v ỏp dng cỏc phng phỏp ủỏnh giỏ v phõn loi ủỏ ủang
ủc s dng trờn th gii trong xõy dng cụng trỡnh ngm. Cỏc nh mỏy thu ủin
ln ủó ủc xõy dng nh Ho Bỡnh (xõy dng trong nhng nm 1979-1994, cụng
sut 1920MW, ủp chn nc cao128m, gian hm mỏy cú kớch thc 280 x22 x
53m) hay Yaly (xõy dng t 1993-1999, cụng sut 720MW, ủp cao 69m v gian

12.
C¬ häc ®¸

hầm máy có kích thước 118 x 21 x 42m). Các hầm lò, các ñường giao thông ngầm
cũng ñược xây dựng với những biện pháp kỹ thuật tiên tiến, cách ñánh giá trạng thái
khối ñá phù hợp với những tiến bộ của thế giới như hầm ñường bộ qua ñèo Hải Vân
trên quốc lộ I dài gần 6.500m, tiết diện 10 x 7m ñã áp dụng công nghệ ñào hầm mới
của Áo khi thi công và cách phân loại ñá theo chỉ số RMR (Rock Mass Rating).
Trong tương lai, người ta ñã bắt ñầu xây dựng nhà máy thuỷ ñiện Sơn La, lớn
nhất ðông Nam Á với công suất 3600MW và ñập chắn nước cao tới 265m.
Cùng với sự phát triển của khoa học cơ học ñá, những người làm công tác cơ
học ñá Việt Nam ñã tập hợp
nhau lại trong một tổ chức gọi là
“Hội Cơ học ñá Việt Nam” ñược
thành lập vào tháng 10/1984.
Các cuộc ñại hội của Hội cứ 5
năm một lần nhằm tổng kết
những thành tích nghiên cứu
trong những năm qua và ñề ra
những phương hướng hoạt ñộng,
nghiên cứu trong những năm tới.
Những ñại hội gần ñây của Hội
như ñại hội lần thứ III vào năm
1997, lần thứ IV vào năm 2002
ñều ñược tổ chức tại Hà Nội.
Năm 1996, Hội Cơ học ñá Việt Nam ñược chính thức công nhận là thành viên
của Hội Cơ học ñá Quốc tế ISRM.
3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CƠ HỌC ðÁ
ðá là một tập hợp có quy luật của nhiều khoáng vật. Nó ña dạng, không ñồng
nhất, dị hướng và luôn tồn tại những lỗ rỗng, khe nứt. Do vậy, việc nghiên cứu ñá
thường phức tạp và khó hơn các vật liệu khác.
Khi nghiên cứu ñá thường phân biệt khái niệm mẫu ñá và ñá nguyên trạng.
Mẫu ñá ñược coi như một thể tích ñá mà tại ñó không thể phát hiện ñược các

khe nứt bằng mắt thường.
ðá nguyên trạng (ñá nguyên khối) ñược coi như là một phần của vỏ trái ñất
nằm trong phạm vi ảnh hưởng của công trình. Do vậy, ñá nguyên trạng gồm cả các
khe nứt và vật liệu lấp nhét trong các khối ñá, chúng không tách khỏi vỏ trái ñất, chịu
ảnh hưởng của các quá trình hoạt ñộng nội sinh hay ngoại sinh của vỏ trái ñất ở khu
vực nghiên cứu. Tính chất của ñá nguyên trạng phụ thuộc vào thành phần và tính
chất của các khoáng vật tạo nên ñá, vào ñặc ñiểm của các hệ khe nứt có trong khối
ñá, vào ñộng thái nước dưới ñất và trường ứng suất tự nhiên.
ðể nghiên cứu cơ học ñá, người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác
nhau, nhưng nói chung, có thể gộp lại thành ba nhóm chính: Phương pháp ño ñạc,
quan sát trong ñiều kiện tự nhiên; phương pháp mô hình và phương pháp lý thuyết.
Hình 0-5. Hầm ñường bộ Hải Vân

C¬ häc ®¸.
13

Phương pháp ño ñạc và quan sát trong ñiều kiện tự nhiên giữ vai trò quan trọng
nhất. Qua việc quan sát và ño ñạc tại thực ñịa sẽ xác ñịnh ñược những thông số cơ
bản và các ñặc trưng của quá trình ñịnh nghiên cứu trong các ñiều kiện ñịa - cơ học
cụ thể như ứng suất, biến dạng, chuyển vị của ñá và sự thay ñổi của chúng theo các
yếu tố tác ñộng chính. Từ những số liệu ñó sẽ phân loại ñược các hiện tượng, quá
trình ñịnh nghiên cứu, giải thích ñược các cơ chế chung và bản chất vật lý của chúng
tiến tới tổng kết cả về mặt lý thuyết lẫn thực tiễn.
Trong phương pháp ño ñạc và quan sát hiện trường, người ta lại chia ra:
- Xác ñịnh các tính chất vật lý và các ñặc ñiểm cấu trúc của khối ñá.
- Xác ñịnh các thông số chuyển vị, biến dạng của ñá.
- Nghiên cứu trạng thái ứng suất trong ñá và sự thay ñổi của nó.
- Nghiên cứu tương tác của ñá với vì chống và áp lực ñá trong công trình
ngầm.
Phương pháp mô hình cũng ñược sử dụng rộng rãi ñể nghiên cứu cơ học ñá. Nó

phát hiện ñược vai trò của các yếu tố tác ñộng khác nhau trong quá trình ñịnh nghiên
cứu và tìm ñược giá trị của các thông số cần thiết mà các phương pháp khác không
thể làm ñược. Tuy nhiên, các mô hình không thể thể hiện ñược ñầy ñủ các ñiều kiện
ñịa chất tự nhiên. Trong phương pháp mô hình, người ta có thể dùng các loại mô
hình ly tâm, mô hình vật liệu tương ñương, mô hình quang học… Với mỗi loại mô
hình sẽ có những lý thuyết riêng và bắt buộc phải tuân theo khi sử dụng chúng.
Phương pháp lý thuyết cho phép giải các bài toán cơ học ñá ở mức ñộ tổng
quát nhất, các ñiều kiện của bài toán thay ñổi trong một phạm vi rất rộng. Tuy nhiên,
mức ñộ chính xác của lời giải cho bài toán phụ thuộc vào mức ñộ liệt kê ñầy ñủ các
yếu tố tác ñộng, các thông số cơ bản tương ứng với quá trình nghiên cứu và tính chất
của khối ñá. Muốn sử dụng phương pháp lý thuyết, phải xây dựng ñược một mô hình
toán học của hiện tượng, quá trình ñịnh nghiên cứu. Trong cơ học ñá, ñể có ñược một
mô hình toán học, người ta phải lý tưởng hoá tính liên tục của ñá, trên cơ sở ñó sẽ áp
dụng các lý thuyết của môi trường liên tục, các quy luật của lý thuyết ñàn hồi, dẻo,
cân bằng giới hạn… Trong các công trình tính toán, các hệ số, chỉ số thường ñược
xác ñịnh từ việc ño ñạc tại thực ñịa hoặc thí nghiệm trong phòng hay trên các mô
hình.
Trong những trường hợp không có sẵn lời giải, trạng thái ứng suất – biến dạng
trong ñá có thể giải gần ñúng bằng phương pháp số nhờ sự trợ giúp của các máy tính
ñiện tử. Người ta có thể dùng phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử
hữu hạn, phương pháp biên rời rạc và phương pháp phân tử riêng… ñể giải các bài
toán cơ học ñá.




Chương I
ðÁ VÀ CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ðÁ
ðá là những phần vật chất tạo nên vỏ Trái ðất. Nó là tập hợp của một hay
nhiều khoáng vật khác nhau, có cấu tạo và thành phần khoáng vật tương ñối ổn ñịnh.

1.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ðÁ
1.1.1. SỰ THÀNH TẠO CÁC LOẠI ðÁ
Về sự hình thành các loại ñá ñã ñược trình bày rất rõ ràng trong các giáo trình
ñịa chất ñại cương hay ñịa chất công trình. Ở ñây chỉ nhắc lại một vài ñiểm chính.
Theo nguồn gốc thành tạo, ñá ñược chia thành 3 loại chính: ñá magma, ñá trầm
tích và ñá biến chất.
1.1.1.1. ðá magma ñược thành tạo do sự ñông cứng của dòng dung nham nóng chảy
phun lên từ trong lòng ñất. Dòng dung nham này là các dung dịch silicat có thành
phần rất phức tạp và chứa các loại khí, hơi nước khác nhau.
Khi dòng dung nham phun lên và ñông cứng lại ngay trong lòng ñất thì sẽ tạo
thành ñá magma xâm nhập. Do ñược thành tạo trong ñiều kiện áp suất cao, sự ñông
cứng xảy ra từ từ và ñều ñều nên các khoáng vật dễ dàng kết tinh, tạo nên ñá magma
kết tinh hoàn toàn, dạng khối, chặt xít như ñá granit, gabro…
Khi dòng dung nham trào lên mặt ñất và ñông cứng lại thì sẽ tạo thành ñá
magma phún xuất (hay phun trào). Do ở mặt ñất nhiệt ñộ và áp suất thấp, nhiệt thoát
nhanh nên không thuận lợi cho việc kết tinh của các khoáng vật, tạo nên ñá magma ở
dạng vô ñịnh hình, có nhiều lỗ rỗng như ñá bazan, ñá bọt… Các ñá phun trào ñược
thành tạo từ ñại cổ sinh thì ñược gọi là ñá phun trào cổ, còn nếu thành tạo mới gần
ñây thì ñược gọi là phun trào trẻ.
1.1.1.2. ðá trầm tích ñược thành tạo có thể theo 3 cách:
- Do sự lắng ñọng và gắn kết của các mảnh vụn (là các sản phẩm phong hoá
của ñá gốc hay các vụn núi lửa);
- Do sự kết tủa của chất hoá học có trong nước;
- Do sự nén chặt của các di tích ñộng, thực vật.
Tuỳ theo các cách thức thành tạo như vậy mà người ta cũng chia thành các ñá
trầm thích cơ học, trầm tích hoá học và trầm tích hữu cơ.
ðá trầm tích chỉ chiếm 5% khối lượng vỏ Trái ðất nhưng nó bao phủ tới 75%
diện tích mặt ñất với các chiều dày khác nhau (từ 3 – 4km ở vùng Trung Á, còn 1km
ở vùng Xibir và chỉ từ 0,3 – 0,7km ở Thái Bình Dương.

CƠ HỌC ðÁ.
17

1.1.1.3. ðá biến chất ñược tạo thành do sự biến ñổi sâu sắc của ñá magma, ñá trầm
tích và cả ñá biến chất có trước dưới tác ñộng của nhiệt ñộ cao, áp suất lớn và các
chất có hoạt tính hoá học.
Dựa vào các nhân tố tác ñộng chủ yếu, người ta chia ra:
 Biến chất tiếp xúc xảy ra ở khu vực tiếp giáp giữa khối magma nóng chảy và
ñá vây quanh. Nhiệt ñộ cao ñã làm thay ñổi thành phần, kiến trúc và tính chất của ñất
ñá. Càng xa khối magma, mức ñộ biến chất của ñá giảm dần.
 Biến chất ñộng lực xảy ra dưới tác ñộng của áp suất cao không chỉ do trọng
lượng các lớp ñá nằm trên mà còn do áp lực sinh ra trong hoạt ñộng tạo sơn của các
quá trình kiến tạo. Do vậy, ñất ñá bị mất nước, ñộ rỗng giảm ñi, sự liên kết giữa
chúng tăng lên làm thay ñổi kiến trúc và cấu tạo của ñá.
 Biến chất khu vực thường xảy ra dưới sâu do tác ñộng ñồng thời của nhiệt ñộ
cao và áp suất lớn làm thành phần, kiến trúc của ñá bị thay ñổi.
1.1.2. THÀNH PHẦN CỦA ðÁ
ðá có thể ñược tạo thành từ một khoáng vật (ñá ñơn khoáng) hay nhiều khoáng
vật ñược gắn lại với nhau bằng các chất gắn kết (ñá ña khoáng). ða số các loại ñá
ñều là ñá ña khoáng và như vậy thành phần của chúng sẽ gồm các khoáng vật và các
chất gắn kết.
1.1.2.1. Các khoáng vật tạo ñá
Khoáng vật là những hợp chất của các nguyên tố hoá học tự nhiên hay các
nguyên tố tự sinh ñược hình thành do các quá trình hoá lý khác nhau xảy ra trong vỏ
Trái ðất hay trên mặt ñất. ða số các khoáng vật ở thể rắn và có trạng thái kết tinh.
Theo A.P. Vinogradov, trong tự nhiên ñã biết khoảng gần 3000 khoáng vật, nhưng
trong số ñó, chỉ có khoảng 30 – 50 khoáng vật ñóng vai trò quyết ñịnh trong việc
thành tạo ñá ñược gọi là khoáng vật tạo ñá.
Các khoáng vật tạo ñá ñược chia thành từng nhóm và mỗi khoáng vật lại có
những ñặc ñiểm về cấu tạo, lực liên kết trong mạng tinh thể… khác nhau dẫn ñến

tính chất của chúng cũng khác nhau.
 Các nhóm khoáng vật tạo ñá chính:
Trong cơ học ñá thường không xác ñịnh thành phần khoáng vật ñầy ñủ và ñịnh
lượng. Theo J.A. Franklin, có 6 nhóm khoáng vật tạo ñá chính ảnh hưởng ñến tính
chất cơ học của hầu hết các loại ñá thường gặp trong xây dựng công trình. Các nhóm
ñược nêu theo thứ tự giảm dần về chất lượng cơ học:
- Nhóm thạch anh – felspat
Thạch anh là thành phần chủ yếu của ñá granit và hầu hết các loại cát kết. Nó
thường trong suốt hoặc có màu trắng ñến xám tựa thuỷ tinh, ñộ cứng 7.
Felspat là thành phần chủ yếu của hầu hết các ñá magma và cát kết loại arko.
Nó gồm plagioclas và orthoclas có màu từ hồng ñến trắng, mờ ñục, rất dễ vạch bằng
dao bỏ túi.
- Nhóm lithic / bazơ
Gồm các vụn ñá của ñá magma bazơ (bazan, gabro), cát kết grauvac xám tro,
amphibolit và các khoáng vật bazơ sẫm màu như amphibol và pyroxen. Khi còn tươi,
các khoáng vật này có ñộ cứng kém hơn thạch anh một chút.
- Nhóm mica
Gồm các khoáng vật dạng tấm như biotit (mica ñen), muscovit (mica trắng) và
clorit, xuất hiện như thành phần phụ nhưng quan trọng của một số ñá magma và là
thành phần chính của các ñá biến chất cấu tạo phân phiến. Biotit có màu tiêu biểu từ
nâu ñến ñen; muscovit có màu bạc và clorit có màu xanh. Tính phân phiến và thường
tạo thành các dải có hàm lượng mica cao làm yếu các ñá chứa chúng. Mica dễ bị tác
ñộng bởi các tác nhân phong hoá.
- Nhóm carbonat
Gồm các khoáng vật như calcit, ñolomit… dễ nhận biết do chúng dễ bị vạch
bằng dao, sủi bọt trong HCl loãng. Chúng xuất hiện dưới dạng các tinh thể, các hạt
hay các vụn hoá thạch có cùng kích thước và do khả năng hoà tan, chúng cũng
thường là xi măng gắn kết giữa các hạt và lấp ñầy lỗ rỗng. Các khoáng vật nhóm
carbonat thường có màu trắng mờ ñến vàng sẫm sáng, ñôi khi có màu tối, thậm chí là
màu ñen.

- Nhóm muối
Gồm muối mỏ, muối kali và thạch cao. Chúng thường mềm yếu và dẻo, ñôi khi
chảy và có thể bị hoà tan trong khoảng thời gian xây dựng. Các khoáng vật này có
khả năng hoà tan và ñược thành tạo từ các dung dịch muối biển. Màu của chúng
thường từ màu mờ ñục tới trắng phớt hồng. Tinh thể halit có dạng khối ñặc trưng còn
thạch cao lại có dạng sợi.
- Nhóm pelit (chứa sét)
Gồm các khoáng vật như kaolinit, illit, monmorilonit là các thành phần chủ yếu
trong ñá phiến sét, ñá phiến và là sản phẩm thứ sinh trong nhiều ñá magma, biến chất
và ñá vôi. Chúng có hạt mịn và do vậy, khó nhận biết, trừ khi suy luận từ ñặc tính
mềm yếu và màu nâu – xanh – xám thông thường của chúng. Các khoáng vật sét có
khả năng trương nở khác nhau, trong ñó monmorilonit trương nở mạnh nhất.
Khi mô tả ñá, các khoáng vật ñược liệt kê theo phần trăm và thứ tự giảm dần.
Thí dụ ñá granit có thể mô tả theo thành phần khoáng vật là gồm felspat trắng tới
vàng sẫm, 25% thạch anh, 10% khoáng vật chứa magne – sắt và 10% biotit.
 Cấu tạo của khoáng vật
Khoáng vật thường gặp ở dạng tinh thể hay hạt. Tuy một số khoáng vật có kích
thước lớn như thạch anh, felspat… nhưng ña số các khoáng vật ñều ở dạng tinh thể
nhỏ.
Các tinh thể khoáng vật thường có cấu tạo mạng là sơ ñồ hình học trong không
gian cấu tạo của vật chất kết tinh. Giả sử có một mạng tinh thể như trên hình 1.1.
Phần nhỏ nhất của tinh thể ñược biểu diễn bằng các ñường ñậm nét, ñược gọi là nhân
cơ bản hay mạng phân tố, chúng sắp xếp liên tục theo 3 trục trong không gian tạo
thành tinh thể.

CƠ HỌC ðÁ.
19

Mạng phân tố ñược ñặc trưng bằng 6
yếu tố: 3 kích thước của khung mạng a, b, c

và 3 góc giữa các trục X, Y, Z là α, β và γ.
Tuỳ theo quan hệ hình học giữa các yếu tố
của mạng mà các tinh thể ñược chia thành
nhiều hệ khác nhau như tam tà (a ≠ b ≠ c ;
α ≠ β ≠ γ ≠ 90
o
), tà phương (a ≠ b ≠ c; α
= β = γ = 90
o
), lục phương (a = b ≠ c ; α = β
= 90
o
, γ = 120
o
), lập phương (a = b =
c; α = β = γ = 90
o
)…
Các tinh thể không chỉ khác nhau về
hình dạng của mạng mà còn khác nhau ở
dạng các vật chất nằm ở nút mạng. Theo ñó,
người ta chia ra thành mạng ion khi các nút
mạng là các ion mang ñiện tích âm hay dương (như mạng tinh thể muối mỏ NaCl…),
mạng nguyên tử khi mỗi nút mạng là một nguyên tử vật chất (như mạng tinh thể kim
cương, sfalerit ZnS…) hay mạng phân tử khi ở nút mạng là những phân tử trung hoà
về ñiện (như trong mạng các liên kết hữu cơ…).
Tuy vậy, trong tự nhiên rất hay gặp các mạng hỗn hợp như mạng ion – phân tử.
Các khoáng vật tạo ñá cũng hay là loại mạng này.
 Lực liên kết trong mạng tinh thể.
Lực liên kết trong mạng tinh thể có bản chất là lực tĩnh ñiện, sinh ra do tác

ñộng tương hỗ chủ yếu là của các ñiện tử hoá trị của nguyên tử.
Do sự phân bố các ñiện tử trong nguyên tử và phân tử của các tinh thể không
như nhau nên các lực liên kết trong các tinh thể khoáng vật cũng khác nhau. Người ta
chia ra một số loại liên kết sau:
- Liên kết ion thường thấy ở các mạng ion, nghĩa là tại các nút mạng là các
ion dương hay âm. Lực liên kết gây ra do lực hút giữa các ion mang ñiện
tích trái dấu. Lực này tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các ion và tỷ lệ
thuận với các ñiện tích của chúng.
- Liên kết ñồng hoá trị thường thấy ở các mạng nguyên tử. Lực liên kết
sinh ra do tác ñộng trao ñổi ñiện tử giữa hai nguyên tử nằm ở hai nút
mạng ở rất gần nhau.
- Liên kết carbon là thí dụ cổ ñiển của các loại liên kết này (như kim
cương và một vài khoáng vật khác).
- Liên kết phân tử thường thấy ở các mạng phân tử. Các phân tử trung hoà
về ñiện nhưng sự sắp xếp các ñiện tích trong chúng lại không hoàn toàn
ñối xứng nên sự liên kết giữa các phân tử là lực tĩnh ñiện rất yếu như lực
Vander Vaals, sinh ra khi chúng ở gần nhau. ðộ bền của những tinh thể
có liên kết kiểu này rất kém.
- Liên kết kim loại ñặc trưng cho tính chất của tinh thể kim loại. Những
nguyên tử kim loại sau khi mất ñiện tử trở thành các ion dương nằm ở
Hình 1.1. Mạng không gian của
tinh thể.
các nút mạng, còn các ñiện tử tách ra nằm ở khoảng không giữa các nút.
Giữa các ñiện tử, ion dương liên kết với nhau bằng các ñiện lực. Chính
các lực này ñã giải thích cho ñộ bền của vật rắn.
Do mạng tinh thể của một vài khoáng vật có thể là hỗn hợp nên lực liên kết của
chúng cũng không phải chỉ là một loại. Có thể theo hướng này thì là liên kết ion, còn
theo hướng khác thì có thể là liên kết phân tử (như molibñenit, grafit…). ðiều này
làm phát sinh tính chất dị hướng của các tinh thể.
 Một số ñặc trưng của khoáng vật:

- Trạng thái vật lý
ða số các khoáng vật ñều ở dạng kết tinh, trong ñó các nguyên tử hay ion
ñược sắp xếp theo một trật tự nhất ñịnh, tạo thành mạng lưới không gian
làm khoáng vật có hình dáng bên ngoài nhất ñịnh. Một số khoáng vật vô
ñịnh hình do không có cấu trúc mạng tinh thể không gian nên chúng không
có hình dáng bên ngoài nhất ñịnh, tạo nên tính ñẳng hướng của khoáng vật:
tính chất của khoáng vật theo mọi phương có thể coi là bằng nhau.
- Hình dáng tinh thể
Tuỳ theo sự phát triển trong không gian của mạng tinh thể, khoáng vật có
thể có dạng hình lăng trụ, hình que, hình kim… khi tinh thể khoáng vật chỉ
phát triển theo một phương; dạng tấm, vẩy, lá… khi tinh thể khoáng vật
phát triển theo hai phương hay dạng hạt, cục… khi tinh thể phát triển theo
cả ba phương.
- Màu sắc và vết vạch
Màu của khoáng vật là do thành phần hoá học và các tạp chất trong nó quyết
ñịnh. Theo ñó, người ta chia làm khoáng vật màu sáng (không màu, trắng,
xám sáng, vàng hồng…) và khoáng vật màu sẫm (ñen, xanh, nâu và các màu
tối khác…).
Vết vạch là màu của bột khoáng vật ñể lại trên tấm sứ trắng, nhám khi cọ
vào nó. Thường thì màu của khoáng vật và của vết vạch là giống nhau
nhưng cũng có những khoáng vật lại không thể hiện như vậy: Khoáng vật
hêmatit có màu ñen, xám thép nhưng màu của vết vạch lại là ñỏ máu hay
khoáng vật pyrit có màu vàng thau nhưng vết vạch lại có màu ñen.
- ðộ trong suốt và ánh
ðộ trong suốt của khoáng vật là khả năng khoáng vật cho ánh sáng xuyên
qua. Theo ñó, người ta chia thành các mức ñộ trong suốt (như thạch anh,
muscovit…), nửa trong suốt (như thạch cao, sphalerit…), không trong suốt
(như pyrit, magnetit…).
Ánh của khoáng vật là sự phản xạ màu sắc trên mặt khoáng vật khi ánh
sáng chiếu vào. Người ta chia thành ánh kim và ánh phi kim (như ánh thuỷ

tinh, ánh xà cừ, ánh mỡ, ánh añamatin…).
- Tính dễ tách (cát khai)
Tính dễ tách là khả năng tinh thể của một vài khoáng vật có thể tách ra ñược
theo những mặt phẳng song song với nhau khi chịu tác dụng lực. Các mặt
phẳng này cũng ñược gọi là mặt tách hay mặt cát khai.

CƠ HỌC ðÁ.
21

Theo O. Brave (1848), người sáng lập ra lý thuyết cấu tạo mạng của tinh thể thì
mặt cát khai là mặt có mật ñộ nút lớn nhất và khoảng cách giữa các mặt cũng là lớn
nhất.
Trong một mặt của mạng tinh thể (hình 1.2), kẻ các hướng OA, OB, OC. Mật
ñộ nút dày nhất là ở hướng OA (khoảng cách giữa các nút là bé nhất). Ký hiệu
khoảng cách giữa các mặt song song liên tiếp theo các hướng trên, tương ứng là d
1
,
d
2
và d
3
; và khoảng cách giữa các nút theo các hướng trên tương ứng là a
1
, a
2
và a
3

thì có thể dễ dàng nhận thấy là:
a

1
d
1
= a
2
d
2
= a
3
d
3
= ad (1.1)
nghĩa là tích của khoảng cách giữa các nút mạng theo một hướng nào ñó và khoảng
cách giữa hai mặt song song liên liếp theo hướng ñó luôn là một hằng số.
Vì vậy, khi khoảng cách giữa hai mặt
song song càng lớn (trong khi khoảng cách giữa
các nút mạng càng giảm – nghĩa là mật ñộ nút
càng dày) thì lực liên kết giữa chúng càng
giảm, chúng càng dễ tách xa nhau khi chịu tác
dụng lực.
Ở mạng tinh thể như trên hình 1.2, mặt
cát khai sẽ là mặt MN, trùng với hướng OA.
Tuy nhiên, lực liên kết giữa các nút mạng
không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng mà còn phụ thuộc vào sự tương tác
giữa chúng, nghĩa là còn phải tính ñến các lực
liên kết hoá học.
Tính chất cát khai cũng có thể giải thích
bằng thuyết năng lượng bề mặt. Theo V.ð. Kuznexhov thì mặt cát khai sẽ trùng với
mặt có năng lượng bề mặt bé nhất. Năng lượng bề mặt có thể coi là năng lượng dư
trên một ñơn vị diện tích hay là lực cần thiết ñặt vào một ñơn vị chiều dài ñể tách lớp

trên mặt (với các chất lỏng, năng lượng bề mặt ñược gọi là sức căng bề mặt).
Tuỳ theo mức ñộ dễ tách của các khoáng vật mà người ta có thể chia thành dễ
tách rất hoàn toàn (như mica, muối mỏ…), hoàn toàn (như calcit…), trung bình (như
felspat…), không hoàn toàn (như apatit, olivin…) và rất không hoàn toàn (như
corinñon, magnetit…).
- Vết vỡ
Vết vỡ là dạng bất kỳ của mặt khoáng vật khi bị phá huỷ.
Tuỳ theo hình dạng của vết vỡ, người ta chia thành vết vỡ phẳng (khi
khoáng vật bị vỡ theo các mặt dễ tách, ñặc trưng cho các khoáng vật có tính
dễ tách cao), vết vỡ vỏ sò (như thạch anh…), vết vỡ nham nhở (khi mặt vết
vỡ lởm chởm, không bằng phẳng như các khoáng vật ñồng, bạc…) và vết vỡ
ñất (khi bị vỡ, khoáng vật vụn như ñất, như ở khoáng vật kaolinit…).
- ðộ cứng
ðộ cứng là khả năng chống lại tác dụng của ngoại lực của khoáng vật, ñặc
trưng cho ñộ bền cục bộ của nó.
d
2
B
C
A
d
3
d
1
o
M N
Hình 1.2. Một mặt của mạng
tinh thể.
Trong thực tế, thường dùng ñộ cứng tương ñối, nghĩa là so sánh ñộ cứng của
khoáng vật với 10 khoáng vật chuẩn do F. Mohs chọn ra từ thế kỷ XIX. Việc so sánh

ñược thực hịên theo nguyên tắc khi cọ xát hai khoáng vật với nhau, khoáng vật nào
cứng hơn sẽ ñể lại vết xước trên khoáng vật kia.
Các khoáng vật trong thang ñộ cứng của Mohs ñược coi là mềm nhất (ñộ cứng
1) tới cứng nhất (ñộ cứng 10) như sau:
1- Talc 6- Orthoclas
2- Thạch cao 7- Thạch anh
3- Calcit 8- Topaz
4- Fluorit 9- Corinñon
5- Apatit 10- Kim cương.
Ngoài ra, người ta còn dùng ñộ cứng của một số vật phổ biến như móng tay (ñộ
cứng 2,5), mảnh kính (5,5), lưỡi dao thép (6,5)… ñể dễ dàng xác ñịnh ñộ cứng tại
thực ñịa.
- Tỷ trọng
Tuỳ theo sự thay ñổi tỷ trọng của các khoáng vật, người ta chia thành
khoáng vật nặng khi tỷ trọng > 4 như pyrit, magnetit…; khoáng vật trung
bình khi tỷ trọng từ 2,5 – 4 như thạch anh, calcit… và khoáng vật nhẹ khi tỷ
trọng < 2,5 như thạch cao, orthoclas…
ða số các khoáng vật thường có tỷ trọng từ 2,5 – 3,5.
- Tính dị hướng
Dị hướng là tính chất phụ thuộc vào hướng của tinh thể: theo các hướng
song song với nhau thì tính chất của nó là như nhau, nhưng khi xét theo các
hướng khác nhau thì tính chất của nó lại thay ñổi. Tính dị hướng của khoáng
vật có thể giải thích theo lý thuyết cấu tạo mạng của tinh thể.
Trên hình 1.2, theo các hướng OA, OB, OC mật ñộ nút (số lượng nút trên 1
ñơn vị chiều dài) là không giống nhau. Mật ñộ dày nhất là theo hướng OA, thưa nhất
là ở hướng OC, do vậy lực liên kết giữa các nút mạng theo các hướng cũng sẽ không
như nhau làm tính chất của khoáng vật theo các hướng khác nhau sẽ khác nhau. Với
các hướng song song, chúng có cùng mật ñộ nút và do vậy, tính chất của chúng hầu
như không thay ñổi.
Người ta thường ñể ý ñến sự dị hướng ñộ cứng của khoáng vật và hệ số dị

hướng là tỷ số giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của một chỉ tiêu theo các hướng khác
nhau ñược dùng ñể thể hiện tính dị hướng của khoáng vật.
Thí dụ: Khoáng vật rất dị hướng về ñộ cứng là disthen với hệ số dị hướng bằng
3,13.
Ngoài các tính chất trên, khoáng vật còn có một số tính chất khác như khả năng
sủi bọt với HCl 10%, tính ñàn hồi, khả năng uốn cong hay dát mỏng, từ tính, tính
phóng xạ…
1.1.2.2. Chất gắn kết

CƠ HỌC ðÁ.
23

Trong ñá ña khoáng hay ñá vụn, các khoáng vật hay các hạt ñá ñược gắn lại với
nhau bằng các chất gắn kết.
 Các loại chất gắn kết
Tuỳ theo tính chất, thành phần của chất gắn kết mà người ta chia ra các loại
chất gắn kết sau:
- Chất gắn kết silic gồm SiO
2
hay SiO
2
.nH
2
O…
- Chất gắn kết carbonat gồm calcit CaCO
3
, siñerit FeCO
3
…
- Chất gắn kết sulfat như thạch cao CaSO

4
…
- Chất gắn kết có chứa sắt như hematit Fe
2
O
3
, limonit 2Fe
2
O
3
.3H
2
O…
- Chất gắn kết có chứa sét gồm các khoáng vật sét như kaolinit
Al
2
O
3
.2SiO
2
.2H
2
O, illit…
- Chất gắn kết từ bitum hay các chất khác.
Theo thứ tự kể trên, ñộ bền của các chất gắn kết giảm dần nên các ñá ñược gắn
kết bằng silic là loại ñá cứng và bền vững nhất trong các ñá trầm tích. Các chất gắn
kết cũng có màu sắc rất ñặc trưng: Silic và vôi thường có màu xám nhạt, siñerit có
màu da bò, hematit có màu ñỏ, còn limonit lại có màu nâu.
 Các kiểu gắn kết
Tuỳ theo tương quan giữa các chất gắn kết và các hạt ñá ñược gắn kết mà

người ta chia thành 3 kiểu gắn kết:
- Gắn kết kiểu tiếp xúc khi chất gắn kết chỉ có ở chỗ tiếp xúc giữa các hạt
(hình 1.3a).
- Gắn kết kiểu lấp ñầy hay lỗ rỗng khi chất gắn kết lấp ñầy lỗ rỗng giữa
các hạt (hình 1.3b).
- Gắn kết kiểu bazan hay cơ sở khi chất gắn kết tràn ñầy trong khối ñá làm
các hạt ñá không tiếp xúc với nhau (hình 1.3c).
a) b) c)
Hình 1.3. Các kiểu gắn kết.
a) Kiểu tiếp xúc; b) Kiểu lấp ñầy; c) Kiểu bazan.
Theo thứ tự kể trên, khi với cùng một loại khoáng vật và chất gắn kết, ñộ bền
của ñá tăng dần.
1.1.3. KIẾN TRÚC CỦA ðÁ
Kiến trúc là tổng hợp các ñặc trưng
thành tạo của ñá ñược xác ñịnh bằng mức
ñộ kết tinh; dạng, kích thước hạt và quan
hệ lẫn nhau giữa các phần tạo nên ñá,
nghĩa là giữa các khoáng vật tạo ñá và
dung nham trong ñá magma hay chất gắn
kết trong ñá trầm tích vụn.
1.1.3.1. Theo mức ñộ kết tinh, người ta
chia ra:
 Kiến trúc toàn tinh hay kiến trúc
hạt, ñặc trưng cho loại ñá nằm dưới sâu,
kết tinh trong ñiều kiện thuận lợi: quá
trình ñông nguội xảy ra từ từ, các tinh thể
có ñủ thời gian ñể lớn lên, tạo nên trong
ñá gồm toàn những hạt kết tinh có thể
nhìn rõ ñược bằng mắt thường (hình 1.4).
 Kiến trúc porphyr tạo thành khi

ñiều kiện kết tinh không thuận lợi: phần
magma ñông lại ở dạng thuỷ tinh, trên
nền ñó có nổi lên những tinh thể lớn của
khoáng vật tạo ñá. ðá gồm cả các khoáng
vật ở dạng kết tinh và những tinh thể nhỏ
mà mắt thường không nhìn thấy ñược
(hình 1.5).
 Kiến trúc ẩn tinh gồm những tinh
thể rất nhỏ chỉ nhìn thấy ñược qua kính
hiển vi, xảy ra khi dòng dung nham bị
nguội lạnh nhanh trên mặt ñất, tinh thể
không ñủ thời gian ñể hình thành, chỉ tạo
ñược những tinh thể rất nhỏ (hình 1.6).
 Kiến trúc thuỷ tinh tạo thành khi
ñiều kiện kết tinh rất không thuận lợi.
Dòng dung nham bị nguội lạnh rất nhanh
tạo thành một khối thuỷ tinh ñặc xít. Kiến
trúc này thường thấy khi dòng dung nham
phun lên từ lòng ñất ở dưới ñáy biển.
1.1.3.2. Theo kích thước hạt kết tinh, Hội Cơ học ñá Quốc tế (ISRM) chia thành một
số loại kiến trúc sau:
 Kiến trúc hạt rất thô khi ñường kính hạt > 60mm.
 Kiến trúc hạt thô khi ñường kính hạt từ 2 – 60mm.
 Kiến trúc hạt vừa khi ñường kính hạt từ 0,06 – 2mm.
 Kiến trúc hạt mịn khi ñường kính hạt từ 0,002 – 0,06mm.
Hình 1.4. Kiến trúc toàn tinh
(ðá granit có chứa các hạt lớn
orthoclas, thạch anh và biotit)
Hình 1.5. Kiến trúc porphyr
Hình 1.6. Kiến trúc ẩn tinh

CƠ HỌC ðÁ.
25

 Kiến trúc hạt rất mịn khi ñường kính hạt < 0,002mm.
Trong tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5747 – 1993, kiến trúc của ñá ñược phân
chia theo kích thước của các hạt với cách gọi tên và kích thước hạt hơi khác:
 Kiến trúc ñá tảng khi kích thước hạt > 300mm
 Kiến trúc cuội (dăm) khi kích thước hạt từ 150 – 300mm
 Kiến trúc sỏi (sạn) khi kích thước hạt từ 2 – 150mm
 Kiến trúc hạt cát khi kích thước hạt từ 0,06 – 2mm
 Kiến trúc hạt bụi khi kích thước hạt từ 0,002 – 0,06mm
 Kiến trúc hạt sét khi kích thước hạt từ < 0,002 mm.
1.1.3.3. Theo dạng và mức ñộ ñồng ñều của hạt
Theo hình dạng của hạt kết tinh, tuỳ theo tương quan giữa 3 chiều kích thước
của hạt mà người ta chia thành kiến trúc ñẳng thước (khi kích thước 3 trục gần như
nhau), kiến trúc dạng tấm (khi có 2 trục dài và 1 trục ngắn) và kiến trúc dạng sợi (khi
có 2 trục ngắn và 1 trục dài).
Tuỳ theo hình dạng của hạt kết tinh sau khi ñã bị mài mòn mà người ta có thể
chia thành kiến trúc hạt góc cạnh, nửa góc cạnh, nửa tròn cạnh, tròn cạnh hoặc rất
tròn cạnh.
Tuỳ theo mức ñộ ñồng ñều của các hạt kết tinh mà người ta lại chia thành kiến
trúc hạt ñều (khi các hạt có kích thước gần giống nhau) và kiến trúc hạt không ñều
(khi các hạt có kích thước rất khác nhau).
1.1.4. CẤU TẠO CỦA ðÁ
Cấu tạo là những ñặc ñiểm về sự sắp xếp trong không gian của những thành
phần tạo nên ñá và mức ñộ liên tục của chúng.
1.1.4.1. Trong cơ học ñá, theo sự ñịnh hướng của các khoáng vật trong không gian
thì có một số cấu tạo chính là:
 Cấu tạo khối ñược tạo thành do các thành phần tạo nên ñá sắp xếp không

theo một trật tự, một qui luật nào cả, tạo nên một khối ñá chặt xít.
Cấu tạo này ñặc trưng chủ yếu cho ñá magma, khi các dòng dung nham trào lên rồi
ñông ñặc lại. Ở ñá biến chất và ñá trầm tích cũng thấy có cấu tạo này.
Do sự sắp xếp một cách ngẫu nhiên của các thành phần tạo nên ñá, nên theo
các hướng khác nhau, tính chất của khối ñá coi như là giống nhau - ñá có tính chất
ñẳng hướng.
 Cấu tạo phân lớp ñược tạo thành do sự lắng ñọng liên tiếp của các lớp ñá có
thành phần và kích thước hạt khác nhau trong ñá trầm tích hay do sự ñông cứng của
các dải theo phương dịch chuyển của dòng magma trong ñá magma hay do sự biến
chất cao của các dải ñá có trước trong ñá biến chất. Tuỳ theo chiều dày của lớp mà
người ta chia thành phân lớp mảnh, mỏng, trung bình và không phân lớp (tạo thành
khối).
Cấu tạo này ñặc trưng cho ñá trầm tích.
 Cấu tạo phân phiến ñược tạo thành do sự biến ñổi của ñá trong quá trình làm
chặt hay các quá trình kiến tạo gây ra áp suất cao, nhiệt ñộ lớn. Trong ñá có những
dải ñá dài song song với nhau, chiều dày của các dải này nhỏ.
Trong cấu tạo phân phiến, người ta lại chia thành phân phiến nguyên sinh và
thứ sinh khi bề mặt các lớp phân phiến vẫn song song hay ñã bị lệch lạc ñi so với
hướng phân lớp chính ban ñầu.
Cấu tạo này ñặc trưng cho ñá biến chất.
1.1.4.2. Theo mức ñộ liên tục của sự sắp xếp các thành phần tạo nên ñá, người ta chia
hai loại cấu tạo chính:
 Cấu tạo chặt xít khi các thành phần tạo nên ñá sắp xếp chặt xít với nhau,
trong ñá hầu như không có lỗ rỗng.
Cấu tạo chặt xít thường ñặc trưng cho ñá magma và ñá biến chất. ðộ rỗng (là
tỷ số % giữa thể tích của lỗ rỗng trong ñá và chính thể tích của mẫu ñá) của các loại
ñá này thường chỉ từ 0,8 – 1,2% (theo N.I.Xhaxhov).
 Cấu tạo lỗ rỗng ñược tạo thành khi sự sắp xếp ngẫu nhiên, không chặt chẽ
của các thành phần tạo nên ñá. Trong ñá có rất nhiều lỗ rỗng ở giữa các thành phần
tạo nên ñá hay tạo thành do sự thoát khí và hơi nước từ dòng dung nham của ñá

magma.
Cấu tạo lỗ rỗng thường ñặc trưng cho ñá trầm tích. Với các ñá này, ñộ rỗng
thường rất lớn, có thể từ 3 – 39% với ñá cát kết hay từ 0,6 – 33% với ñá vôi, ñolomit
(theo N.I. Xhaxhov).
Ngoài các cấu tạo trên, trong ñá magma, người ta cũng gọi là cấu tạo hạnh
nhân khi trong các lỗ rỗng lại chứa các khoáng vật thứ sinh khác hay cấu tạo dạng
bọt, dạng xỉ khi trong ñá có rất nhiều lỗ rỗng làm ñá xốp và nhẹ (hình 1.7).
1.1.5 TÍNH KHÔNG ðỒNG NHẤT VÀ DỊ HƯỚNG CỦA ðÁ
ðá là tập hợp của nhiều khoáng vật. Bản thân mỗi khoáng vật ñã có tính dị
hướng và sự sắp xếp chúng trong ñá không theo một trật tự, một qui luật nào nên về
mặt thành phần khoáng vật, ñá là một vật thể
không ñồng nhất.
ðá ñược thành tạo do sự gắn kết các
khoáng vật khác nhau trong ñá trầm tích hay
do sự ñông nguội của các khoáng vật trong
dung nham nóng chảy của ñá magma, mà sự
sắp xếp các hạt khoáng vật trong khối ñá là
hoàn toàn ngẫu nhiên nên về mặt sắp xếp các
hạt trong ñá cũng là không ñồng nhất.
Khi thành tạo ñá, các lỗ rỗng ñược hình
thành một cách hoàn toàn ngẫu nhiên, bất kỳ
về mặt cấu tạo và kích thước. Các lỗ rỗng có
thể liên hệ với nhau và cũng có thể riêng biệt
nếu ở những chỗ khác nhau trong khối ñá, ñộ
rỗng của ñá cũng khác nhau, nghĩa là ñá không ñồng nhất về mặt ñộ rỗng.
Hình 1.7. ðá bazan dạng bọt

CƠ HỌC ðÁ.
27

Việc làm chặt ñá phụ thuộc vào chiều sâu. ðá càng nằm dưới sâu thì do áp lực
của các tầng ñá nằm trên, ñá càng ñược lèn chặt. Mức ñộ làm chặt cũng phụ thuộc
vào cấu tạo và các hoạt ñộng kiến tạo xảy ra tại các vị trí khác nhau trong khối ñá.
Các khe nứt kiến tạo ñược tạo thành cũng không phải là giống nhau trong tất cả mọi
ñiểm của khối ñá. Vì vậy, ñá không ñồng nhất về mức ñộ làm chặt và tính chất nứt
nẻ của nó.
Do chịu ảnh hưởng của nhiều mặt về sự không ñồng nhất nên ñá thể hiện tính
không ñồng nhất qua các biểu hiện khác nhau, nhưng rõ nhất là tính dị hướng, là sự
khác nhau về các chỉ tiêu tính chất của ñá khi xét theo các hướng khác nhau.
Với các ñá trầm tích và biến chất, sự dị hướng thể hiện ở sự khác nhau về tính
chất khi xét theo hướng song song hay vuông góc với các mặt phân lớp hay phân
phiến của ñá. Người ta dùng hệ số dị hướng là tỷ số giữa một chỉ tiêu tính chất nào
ñó của ñá xác ñịnh theo hướng vuông góc với mặt phân lớp hay phân phiến và chính
chỉ tiêu ñó khi xác ñịnh theo hướng song song với mặt phân lớp hay phân phiến của
ñá.

//
X
X
k
d
⊥
= (1.2)
trong ñó: X là một chỉ tiêu tính chất nào ñó của ñá.
Với ñá magma, sự dị hướng chỉ xảy ra khi có một lớp khoáng vật ñược ñịnh
hướng theo một phương nào ñó, mà ñiều này lại hiếm xảy ra trong quá trình thành
tạo ñá magma – nên thực tế, người ta coi magma là những khối ñẳng hướng.
1.1.6. MỘT SỐ LOẠI ðÁ THƯỜNG GẶP
Theo nguồn gốc thành tạo, ñá ñược chia thành các ñá magma, biến chất và
trầm tích. Trong mỗi loại ñá ñó, tuỳ theo vị trí, ñiều kiện thành tạo và kích thước các

hạt mà người ta lại chia ra nhiều tên ñá khác nhau.
Các nhà ñịa chất thì khi phân loại, hay nặng về nguồn gốc hình thành của các
loại ñá, còn ñối với những người nghiên cứu cơ học ñá, người ta thường dựa trên sự
quan sát ñịnh hướng ñơn thuần về cỡ hạt của những thành phần tạo nên ñá.
1.1.6.1. ðá magma
ðá magma ñược thành tạo do sự ñông cứng của dòng dung nham nóng chảy
(magma) phun lên từ trong lòng ñất.
Thành phần chủ yếu của ñá magma là felspat (khoảng 60%), amphibolvà
pyroxen (khoảng 17%), thạch anh (khoảng 12%), mica (khoảng 4%) và các khoáng
vật khác.
Nếu theo hàm lượng SiO
2
có trong ñá thì người ta chia ñá magma thành loại ñá
magma axit (khi lượng SiO
2
> 65%), ñá magma trung tính (khi lượng SiO
2
= 55 –
65%), ñá magma bazơ (khi lượng SiO
2
= 45 – 55%) và ñá magma siêu bazơ (khi
lượng SiO
2
< 45%).
Tuỳ theo tỷ lệ các khoáng vật sẫm màu có trong ñá mà các ñá magma có thể có
màu sáng (thường là ñá magma axit) hay màu sẫm vừa, quá sẫm (với ñá magma bazơ
và siêu bazơ).