Cơ Học Đá Phần 6 ppt

C¬ häc ®¸.
191

của giañien thuỷ lực là 1 ñơn vị về giá trị, ñộ dẫn T bằng tích của hệ số thấm với
chiều dày tầng chứa nước.
Tuỳ theo giá trị của hệ số thấm của khối ñá, người ta chia mức ñộ thấm của
khối ñá như sau:
Khối ñá thấm ít, khi k < 10
-8
m/s;
Khối ñá thấm vừa , khi k = 10
-8
– 10
-6
m/s;
Khối ñá thấm mạnh , khi k = 10
-6
– 10
-4
m/s;
Khối ñá thấm rất mạnh, khi k > 10
-4
m/s;
Khối ñá dạng karst, khi k coi như vô hạn.
Hệ số thấm của ñá phụ thuộc vào tất cả các yếu tố làm ảnh hưởng tới ñộ rỗng
của ñá tức là dạng, kích thước, sự ñịnh hướng, thành phần hạt, mức ñộ gắn kết giữa
các hạt trong ñá.
Với các ñá phân lớp, hệ số thấm theo hướng song song với mặt phân lớp
thường lớn hơn hệ số thấm theo hướng vuông góc với mặt lớp rất nhiều (có khi tới
10 lần) gây nên sự dị hưởng trong tính chất thấm của khối ñá.

Hệ số thấm còn phụ thuộc vào áp lực
tác dụng lên khối ñá. Áp lực lên khối ñá tăng
lên làm các khe nứt, lỗ rỗng bị nén lại, nước
khó thấm qua hơn- do vậy hệ số thấm giảm
ñi – Tuy nhiên, hiệu quả làm giảm hệ số
thấm còn phụ thuộc vào dạng các lỗ rỗng và
khe nứt. Thực nghiệm ñã thấy là với các lỗ
rỗng có dạng gần như hình cầu thì ñá ít chịu
nén, hệ số thấm giảm ít còn với những ñá có
những khe nứt, lỗ rỗng dẹt, ñịnh hướng theo
một phương thì khi chịu nén, ñộ rỗng giảm
mạnh làm hệ số thấm cũng giảm mạnh theo
(hình 2.43).
P.Habib và G.Vouille ñã thí nghiệm
với ñá vôi có ñộ rỗng n=15–25%, và
cát kết cứng có ñộ rỗng n = 15 – 21%, trong
ñá có chứa những lỗ rỗng hình cầu thì khi áp
lực tăng lên, hệ số thấm hầu như không thay
ñổi (k=7,5.10
-5
m/s và 2,4.10
-8
m/s). Với ñá
thạch anh và ñá phiến có những khe nứt nhỏ
song song với nhau, khi áp lực tăng lên từ 0 tới 4,5 MPa, hệ số thấm của một loại ñá
ñã giảm từ 1,3. 10
-10
m/s xuống 1,5.10
-11
m/s, còn ở loại ñá kia, ñã giảm từ 1,2.10

-9

xuống 1,9.10
-10
m/s.
 Xác ñịnh các ñặc trưng của dòng thấm.
- ðo áp lực nước.
Việc xác ñịnh áp lực nước dưới ñất nhằm ñánh giá sự thay ñổi của nó trong quá
trình thi công và khai thác công trình. Trị số áp lực nước cũng ñược dùng ñể kiểm tra
Hình 2.43. S
ự thay ñổi hệ số thấm khi
áp lực lên mẫu thay ñổi
1- ðá vôi, 2- ðá gneis,
3- ðá gneis nứt nẻ, 4- ðá granit.

192.
Cơ học đá

cỏc d ủoỏn ca thit k, hiu qu ca vic thoỏt nc. ủo ỏp lc nc, ngi ta
thng dựng cỏc loi ỏp k khỏc nhau nhng ủn gin nht l ỏp k kiu ng ủng.
p k kiu ng ủng (hỡnh 2-44) gm mt ng cng cú ủu di gn vi ủu
ỏp k, cũn ủu trờn ủ h. u ỏp k cú th l mt ng lc thng, mt ng cht do
xp hay mt ng s thm nc. Trc khi ủt vo trong l khoan, ủu ỏp k phi
ủc no nc. Sau khi ủó ủt ỏp k, ủ cỏt ht thụ hay si xung quanh ủu ỏp k ủ
lm thnh mt tng lc. cỏch ly tng lc, phớa trờn nú phi ủ sột ủ to thnh mt
lp chng thm. Phớa trờn tng ny l cỏc tng va sột hay xi mng, ủt lp ủ cỏch
ly tt ming l khoan. Phớa trờn cựng l np ủy ca ỏp k.
Nc di ủt s dõng lờn trong ng
ca ỏp k ủn ủ cao bng ct nc ỏp lc
ti ủim ủo. Chiu cao ny ủc ủo bng cỏc

thc cú gn búng ủốn hay chuụng ủ bỏo
hiu khi chỳng ủó tip xỳc vi nc.
Ngoi ra ngi ta cng cũn dựng loi
ỏp k kiu ủin hay kiu khớ nộn cú th ủo
ủc ỏp lc nc trong cỏc vt liu cú ủ
dn thu lc thp (nh ủt sột hay cỏc khe
nt cỏch xa nhau trong ủỏ) hay ủt nhng
v trớ khụng th ti gn ủc (nh phớa sau
v chng ca hm hay di ủỏy ủp) trong
cỏc quỏ trỡnh giỏm sỏt lõu di.
- Xỏc ủnh ủ dn thu lc v
lng mt nc ủn v.
s dng ủc ủnh lut Darcy trong
tớnh toỏn phi xỏc ủnh ủc ủ dn thu lc
(hay h s thm) ca khi ủỏ.
ỏ thm rt chm so vi ủt. Lng
nc thm qua ủỏ trong 1h cú khi ch
khong 0,01cm
3
. xỏc ủnh ủ dn thu lc ca ủỏ, ngi ta cú th thớ nghim trờn
mu ủỏ hay ti thc ủa.
+ Vi mu ủỏ cú th dựng phng phỏp thớ nghim ca trng Bỏch
khoa Paris (Phỏp): mu ủỏ thớ nghim cú ủng kớnh t 36 60mm, di t 72
150mm ủc lm sch v no nc (thi gian ủ mu no nc cú th ti hng thỏng),
bc quanh mu bng mt lp mng cht do ri ủt mu vo trong bung ỏp lc vi
ỏp lc t 0,8 100MPa. T biu thc ca ủnh lut Darcy ủó vit phng trỡnh (2-
90), khi thớ nghim vi mu ủỏ cú th vit:

F.
l

p
.
1
.kQ


=
(2-91)
trong ủú: Q l lu lng nc thm qua mu;


p l ỏp lc chờnh lch gia hai ủu mu;
Hỡnh 2-44. p k kiu ng ủng.

C¬ häc ®¸.
193

l là chiều dài của mẫu;
F là tiết diện ngang của mẫu.
Do vậy
p.F
l
Q
k
∆
η
=
(2-92)
Nếu bỏ qua ñộ nhớt của nước (coi trị số của
η

xấp xỉ bằng 1) thì hệ số thấm
của ñá có thể xác ñịnh theo công thức:

pF
Ql
k
∆
=
(2-93)
+ Với khối ñá nguyên trạng, ñể xác ñịnh hệ số thấm tại thực ñịa, người ta
có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau như hút nước tại các lỗ khoan, ép nước thí
nghiệm trong các lỗ khoan, hay ñổ nước thí nghiệm trong các hố ñào…
Thực tế khảo sát thường hay áp dụng phương pháp ép nước thí nghiệm vì nó
ñơn giản, rẻ tiền, nhanh chóng xác ñịnh ñược hệ số thấm của ñá bị ngập nước và
không bị ngập nước.
Người ta có thể dùng 1 nút ñể cách ly khoảng cuối cùng của lỗ khoan ñể làm
thí nghiệm hay bằng hai nút ñể xác ñịnh hệ số thấm của ñá trong một khoảng nào ñó
(giữa hai nút) của ñá trong lỗ khoan. Trong các khoảng thí nghiệm, nước ñược ép
vào ñá với một áp lực nào ñó. Tuỳ theo tính chất nứt nẻ, ñộ thấm của ñá mà lượng
nước thấm vào ñá sẽ nhiều hay ít và từ ñó sẽ xác ñịnh lượng mất nước ñơn vị q là
lượng nước tính bằng lít thấm vào ñá sau 1 phút thí nghiệm trên chiều dài 1m lỗ
khoan khi chịu một áp lực không ñổi bằng 0,01MPa (tương ñương với 1m cột nước),
ðại lượng này ñặc trưng cho tính thấm nước của ñá. ðơn vị tính của lượng mất nước
ñơn vị là luygiông (lugeon), ký hiệu là L. Lugeon là lượng mất nước ñơn vị bằng
lượng nước thấm vào ñá là 1l/ph trong ñoạn lỗ khoan dài 1m khi chịu áp lực không
ñổi là 1MPa sau 10’ thí nghiệm.
Do nước ñi vào các lớp ñá dưới tác dụng của áp lực nên mực nước trong lỗ
khoan bị giảm ñi. ðể ñảm bảo áp lực nước không ñổi phải tiếp tục bơm nước vào.
Tuỳ theo lượng nước này mà người ta cũng tính ñược lượng mất nước ñơn vị theo
công thức:

lh
Q
q
=
(2-94)
trong ñó: Q là lưu lượng nước bơm vào lỗ khoan (l/ph);
l là chiều dài ñoạn lỗ khoan thí nghiệm (m);
h là áp lực thực tế trong ñoạn thí nghiệm (m).
Theo TCVN 4253-86 thì mức ñộ thấm của khối ñá có thể phân loại như trong
bảng 2-10.
Bảng 2-10
Mức ñộ thấm nước
Lượng mất nước
ñơn vị q (l/ph.m
2
)
Lượng mất nước
ñơn vị q, lugeon
ðộ dẫn thuỷ
lực K (m/ngñ)

194.
Cơ học đá

(L)
Khụng thm nc
t thm nc
Thm nc
Thm nc mnh

Thm nc rt mnh
< 0,01
0,01 0,1
0,1 1
1 10
> 10
< 10
-4

10
-4
10
-3
10
-3
10
-2

10
-2
10
-1

> 10
-1
< 0,01
0,01 0,1
0,1 1
1 10
> 10

Lng mt nc ủn v ch l mt ủi lng tng ủi, kt qu xỏc ủnh nú
ph thuc rt nhiu vo ủ rng, mc ủ nt n ca ủỏ ủnh nghiờn cu, chiu di
ủon l khoan thớ nghim, ỏp lc nc bm vo v mt lot cỏc yu t khỏc. i
lng ny khụng s dng ủc ủ tớnh toỏn tớnh thm nc ca ủỏ, nhng nhng ti
liu thu ủc trong khi ộp nc thớ nghim cỏc l khoan riờng bit cú th dựng ủ
suy rng cho ton b khi ủỏ. Bng cỏc h s chuyn ủi xỏc ủnh ủc khi hỳt nc
v ộp nc thớ nghim ti cựng mt ủon l khoan, ngi ta cú th ủỏnh giỏ ủc h
s thm ca khi ủỏ. Thc nghim cú th coi 1L

10
5
cm/s.
dn thu lc cng ủc tớnh t cỏc cụng thc ủó dn trong cỏc sỏch ủa cht
thu vn khi núi v nc di ủt.
Khi nc khụng ỏp:

r
R
ln
)h(H
Q
K
22

=

(2-95)
Khi nc cú ỏp:

r

R
ln
h)m(H2
Q
K

=

(2-96)
trong ủú: Q l lu lng nc bm vo cỏc l khoan;
H l ct nc ỏp ban ủu;
h l ct nc cũn li trong l khoan;
R l bỏn kớnh nh hng;
r l bỏn kớnh l khoan.
Khi thớ nghim hin trng trong cỏc l khoan, h s thm ca ủỏ cng cú th
ủc tớnh theo cụng thc:

2
1
12
h
h
ln
)tt(F
A
k

=
(2-97)
trong ủú: A l din tớch tit din ngang ca l khoan;

F l h s hỡnh dỏng ca l khoan cú th ly bng (2
2,75) D (D l ủng kớnh l khoan).
h
1
v h
2
l chiu cao ct nc trong l khoan ti thi ủim t
1
v t
2
.

C¬ häc ®¸.
195

Với các khối ñá nứt nẻ có các khe nứt có chiều rộng là e, song song và cách
nhau một khoảng l thì theo J.L.Serafim (1968), có thể tính hệ số thấm theo công
thức:

l12
e
k
n
3
η
γ
=
(2-98)
trong ñó:
γ

n
là trọng lượng thể tích của nước;

η
là ñộ nhớt ñộng lực của nước.
Khi trong ñá chỉ có một khe nứt chiều rộng không ñổi là e thì hệ số thấm sẽ
tính ñược:

η
γ
=
12
e
k
n
2
(2-99)
và tốc ñộ chảy của nước trong khe nứt sẽ là:

I.
12
e
v
n
2
η
γ
=
(2-100)
2.2.5. MỘT SỐ TÍNH CHẤT KHÁC CỦA ðÁ

2.2.5.1. Tính chất nhiệt
Trong nhiều trường hợp (các hiện tượng ñịa chất, sự can thiệp của con người
vào thiên nhiên…), ứng xử cơ học của ñá ñã bị chi phối bởi tính chất nhiệt của nó.
Sự nở vì nhiệt, sự truyền nhiệt… là những hiện tượng vật lý quan trọng nhất ñến quá
trình phát triển của vỏ Trái ðất.
Khi nghiên cứu tính chất nhiệt của ñá, người ta thường quan tâm ñến một số
thông số ñặc trưng sau:
 Hệ số dẫn nhiệt
λ
, ñặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của ñá. Trị số của
λ

càng lớn thì ñá càng dẫn nhiệt tốt.
Hệ số dẫn nhiệt chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố:
- Thành phần khoáng vật.
Nếu gọi
λ
tb
là hệ số dẫn nhiệt trung bình của ñá thì trị số của nó có thể tính từ
biểu thức:
lg
λ
tb
=
Σ
v
i
lg
λ
i

(2-101)
trong ñó: v
i
là thể tích tương ñối của khoáng vật thứ i có hệ số dẫn nhiệt là
λ
i
.
- ðộ rỗng của ñá.
V.V.Rzhevxki và G.Ja.Novik (1973) ñã ñưa ra công thức liên hệ giữa hệ số dẫn
nhiệt và ñộ rỗng n của ñá.

λ
tb
=
λ
o
(1 – n)
3
khi n
≈
20% (2-102)
và
[
]
)n2(n1
otb
−−λ=λ
khi n rất nhỏ (2-103)
nghĩa là khi ñộ rỗng của ñá càng tăng thì hệ số dẫn nhiệt càng giảm.

196.
C¬ häc ®¸

- ðộ ẩm của ñá càng tăng thì hệ số dẫn nhiệt của ñá cũng tăng theo. Thực
nghiệm ñã thấy là khi bị no nước, hệ số dẫn nhiệt của sét ñã tăng lên 6 – 8 lần so với
sét ở trạng thái khô. ðiều này có thể giải thích là do
λ
của nước hay hơi nước ñều lớn
hơn
λ
của không khí chứa trong các lỗ rỗng.
- Nhiệt ñộ cũng ảnh hưởng ñến hệ số dẫn nhiệt. Nói chung, khi nhiệt tăng,
thì hệ số dẫn nhiệt giảm. Một số tác giả ñã ñưa ra công thức thực nghiệm biểu thị
quan hệ này:

λ
T = A (2-104)
trong ñó:
λ
là hệ số dẫn nhiệt;
T là nhiệt ñộ tuyệt ñối;
A là một hệ số phụ thuộc từng loại ñá. Với ñá quarzit, granit… thì
A = 900 – 1600.
Người ta cũng nghiên cứu thấy hệ số dẫn nhiệt của ñá kết tinh thường lớn hơn
của ñá vô ñịnh hình, hệ số dẫn nhiệt theo hướng vuông góc với mặt phân lớp thường
nhỏ hơn so với hướng song song. Hệ số dị hướng về tính dẫn nhiệt của ñá gneis là
1,44, của ñá hoa là 1,02, của ñá vôi là 1,35… Trước kia ñơn vị của
λ
là cal/m.h.
o

C.
Ngày nay, theo hệ SI, ñơn vị của
λ
thường là W/m
o
C.
 Nhiệt dung c là lượng nhiệt cần thiết cung cấp cho 1kg khối lượng hay 1m
3

thể tích ñá ñể nhiệt ñộ của nó tăng lên 1
o
C.
Khi tính cho 1kg khối lượng, sẽ ñược nhiệt dung khối lượng hay nhiệt khối, ký
hiệu là c
m
ñơn vị tính là (J/kg.
o
C).
Khi tính cho 1m
3
thể tích, sẽ ñược nhiệt dung thể tích hay nhiệt thể tích, ký
hiệu là c
v
, ñơn vị tính là (J/m
3
.
o
C).
Giữa hai ñại lượng này có sự liên hệ.
c

v
= c
m
.
ρ
c
(2-105)
trong ñó:
ρ
c
là khối lượng thể tích của ñá ở trạng thái khô.
Nhiệt dung càng lớn, ñá càng khó thay ñổi nhiệt ñộ. Vì vậy nhiệt dung ñặc
trưng cho quán tính nhiệt của ñá.
 Hệ số khuếch tán nhiệt hay hệ số phân bố nhiệt ñộ
α
ñặc trưng cho khả
năng làm ñồng ñều nhiệt ñộ tại các ñiểm trong khối ñá, ñược tính theo công thức:

v
c
λ
=α
(2-106)
Nếu
α
càng lớn, sự phân bố nhiệt ñộ tại các ñiểm trong khối ñá càng ñồng ñều,
ngược lại, khi trị số của
α
càng nhỏ, quán tính nhiệt của ñá này cao, sự sai khác nhiệt
ñộ tại các ñiểm khác nhau trong khối ñá càng rõ rệt.

Thực nghiệm thấy là hệ số
α
tỷ lệ nghịch với nhiệt ñộ, ñộ ẩm của ñá và tỷ lệ
thuận với ñộ rỗng của nó,
α
ñược tính bằng m
2
/s. ðôi khi, người ta cũng dùng ñơn vị
m
2
/h.

C¬ häc ®¸.
197

 Hệ số giãn nở nhiệt
β
là sự thay ñổi tương ñối về thể tích của ñá khi nhiệt ñộ
tăng lên 1
o
C.

TV
V
∆
∆
=
1
.
β

(2-107)
trong ñó:
∆
V là sự thay ñổi thể tích của thể tích V ban ñầu do có sự thay ñổi
nhiệt ñộ
∆
T.
Hệ số giãn nở nhiệt ñặc trưng cho sự thay ñổi kích thước của khối ñá dưới tác
dụng của nhiệt ñộ.
β
càng lớn, ñá càng bị giãn nở nhiều, nguy cơ biến dạng và ñứt
gãy càng cao.
ðơn vị tính của hệ số
β
là 1/
o
C.
Hệ số
β
của ñá cũng phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
Khi khối lượng thể tích của ñá càng tăng thì hệ số
β
càng giảm.
Quan hệ giữa ñộ rỗng và hệ số
β
ñược biểu diễn theo quan hệ:

n1
0
−β=β

(2-108)
trong ñó:
β
o
là hệ số giãn nở nhiệt của khoáng vật ñồng nhất.
Khi nhiệt ñộ tăng thì hệ số
β
cũng tăng. Theo V.V.Rzhevki và G.Ja.Novik thì:

β
=
β
o
(1 + aT) (2-109)
trong ñó: a là hệ số, với ña số các loại khoáng vật có giá trị là 1,25 .
10
–3
.
T là nhiệt ñộ tuyệt ñối.
Hệ số
β
cũng thay ñổi theo hướng song song hay vuông góc với mặt phân lớp
trong các ñá phân lớp. Thực nghiệm thấy là hệ số
β
theo hướng song song với mặt
lớp nhỏ hơn hệ số này khi xác ñịnh theo phương vuông góc với mặt lớp.
Vì sự thay ñổi thể tích của ñá dưới tác dụng của nhiệt là sự thay ñổi kích thước
của cả ba chiều trong khối ñá. Người ta cho rằng trong ñá ñồng nhất thì:

β

= 3
α
t
(2-110)
với
α
t
là hệ số giãn nở theo chiều dài, ñược xác ñịnh theo công thức:

T
L
.
L
1
t
∆
∆
=α
(2-111)
trong ñó:
∆
L là sự thay ñổi chiều dài (kích thước) so với chiều dài (kích thước)
ban ñầu L do có sự thay ñổi nhiệt ñộ
∆
T.
Một số ñặc trưng của tính chất nhiệt của ñá, theo V.V.Rzhevki và G.Ja.Novk
(1973) có thể tóm tắt trong bảng (2-11). Trong bảng này các ñơn vị tính của hệ số
dẫn nhiệt
λ
vẫn theo ñơn vị cũ (kcal/mh

o
C = Cal/mh
o
C). Muốn ñổi ra
ñơn vị W/m
o
C phải nhân với hệ số 1,163 (lưu ý là 1cal = 4,1868J và W = J/s). Tương

198.
Cơ học đá

t nh vy ủn v ca nhit dung cng l ủn v c (kcal/kg
o
C) = cal/kg
o
C). Mun
ủi ra ủn v theo h SI (J/kg
o
C) phi nhõn vi h s 4186,8.
Bng 2-11
Tờn ủỏ
H s dn nhit,


,kcal/mh
o
C
Nhit dung, c,
kcal/kg
o

C
H s gión n
nhit,

.10
5
.1/
o
C
(1) (2) (3) (4)
Bazan
Gabro
Gneis
Granit
(1)
2,5 3,7
1,7
1,4 2,9
1,9 3,5
(2)
0,15 0,21
0,04
0,04
0,13 0,19
(3)
0,54


0,6 0,9
(4)

Diabas
ỏ vụi
Quarzit
ỏ hoa
Cỏt kt
2,9
0,85 2
5,4
1,1
1,1 3,6
0,04
0,16 0,25
0,05
0,1
0,2
0,54
0,5 0,89
1,1
0,3 1,5
0,5 1,2
Gii hn thay ủi ca

l 0,17 10 kcal/mh
o
C
C l 0,12 0,29 kcal/kg
o
C

l 2.10
-6
10
-4
1/
o
C
2.2.5.2. Tớnh cht ủin
Tớnh cht ủin ca ủỏ cng nh cỏc vt rn khỏc ủc quyt ủnh bng mc ủ
liờn kt ca cỏc ht tớch ủin trong mng tinh th.
Theo tớnh cht ủin, vt rn cú th chia lm ba nhúm:
Vt cỏch ủin hay ủin mụi, trong ủú ủa s cỏc ht mang ủin ủu trng thỏi
liờn kt.
Vt bỏn dn trong ủú cỏc ht tớch ủin liờn kt vi nhau yu. Di tỏc dng ca
ủin t trng hay nhit bờn ngoi, cỏc ht y ủc b sung nng lng v s cỏc ht
tớch ủin t do cng tng lờn.
Vt dn ủin coi nh gm cỏc ion dng nm trong mụi trng cỏc ủin t t
do, cú kh nng dch chuyn trong th tớch vt cht.
ỏ v cỏc khoỏng vt cú th l cht cỏch ủin (nh kim cng, mica, ủỏ bazan
khụ) l cht bỏn dn (nh ủỏ bazan m, ủỏ granit) hay cht dn ủin (nh
graphit, cỏc qung kim loi)

Cơ học đá.
199

ủc trng cho tớnh cht ủin ca ủỏ, ngi ta thng dựng mt s ch tiờu
nh ủ thm ủin mụi, tớnh dn ủin (hay ủin tr sut) v tn tht ủin mụi nhng
thng dựng nht l tớnh dn ủin.
Tớnh dn ủin ca ủỏ l kh nng ủỏ ủ dũng ủin ủi qua, nú cú th ủc ủc
trng bng ủ dn ủin

cú ủn v l 1/

m hay ủin tr sut

cú giỏ tr bng nghch
ủo ca ủ dn ủin, tớnh bng

m,.
Tớnh dn ủin ca ủỏ thay ủi trong mt phm vi khỏ rng, ph thuc vo
thnh phn ca chỳng. a s cỏc khoỏng vt to ủỏ ủu cú ủ dn ủin kộm (

=
10
12
10
20


m). Trong cỏc ủỏ phõn lp, khi theo phng song song vi mt lp thỡ:


//
=



i
V
i

(2-112)
trong ủú:

i
l ủ dn ủin ca khoỏng vt th i cú th tớch tng ủi Vi.
Theo phng vuụng gúc vi mt phõn lp thỡ:



=


i
Vi
1
(2-113)
Thng thỡ


<

//
nờn to ra s d hng trong tớnh dn ủin ca ủỏ.
m cng nh hng ti tớnh dn ủin ca ủỏ. Do ủ dn ủin ca nc ln
hn ủ dn ủin ca khoỏng vt to ủỏ rt nhiu nờn khi ủ m ca ủỏ tng lờn lm
ủ dn ủin ca ủỏ cng tng (ủin tr sut ca ủỏ gim ủi). Tuy nhiờn, mc ủ thay
ủi ủ dn ủin ca ủỏ cũn ph thuc vo ủ thm ca ủỏ.
Thớ d ủin tr sut ca cỏt bóo ho nc nht t 10 30

m, nhng khi bóo

ho nc khoỏng, ủin tr sut ch cũn 2 0,1

m.
Nhit ủ cng nh hng ti ủ dn ủin ca ủỏ theo lý thuyt lng th v s
dn ủin: nhit ủ cng tng thỡ ủ dn ủin cng tng theo: khi tng ti 60
o
C, ủ dn
ủin ca ủỏ ủó tng t 20 10
q
ln. ỏ cú ủ dn ủin ban ủu thp thỡ mc ủ tng
do nh hng ca nhit ủ cng mnh.
Theo V.V.Rzhevxki v G.Ja.Novik (1973) thỡ ủin tr sut ca mt s loi ủỏ
cú th thy trong bng 2.12.
Bng 2-12
Tờn ủỏ
in tr sut

m
Tờn ủỏ
in tr sut

m
Argilit
Bazan
Gneis
Granit
Gabro
iorit
iabas
ỏ vụi

10 10
2

10
3
10
6

10
2
10
7

10
2
10
7

10
2
10
5

10
2
10
8

10
2

10
6

10
2
10
3

Cỏt kt
Than ủỏ
Quarzit
ỏ hoa
Periủotit
Qung magnetit
Qung pyrit
Syenit
10 10
8

10
3
10
2

10 10
5

10
2
10

5

10
2
10
3

10 10
5

10 10
2

10
2
10
5


200.
C¬ häc ®¸

Ngoài các tính chất nhiệt, ñiện của ñá, trong những mục ñích khác, người ta
còn nghiên cứu tính chất từ (với các ñặc trưng như ñộ thấm từ, ñộ nhiễm từ, ñộ cảm
từ…) hay tính chất phóng xạ của ñá nữa.




202.

C¬ häc ®¸


.
Chương 3
KHẢO SÁT VÀ ðÁNH GIÁ KH
ỐI ðÁ
Trong thực tế xây dựng, các công trình có thể ñược tiến hành trên ñá, trong ñá
hay làm bằng ñá . Muốn thiết kế và thi công công trình có kết quả, phải có những dự
báo về ñá , nước dưới ñất và trạng thái ứng suất của nền ñá. Vì vậy việc khảo sát,
ñánh giá khối ñá là việc làm rất quan trọng và cần thiết.
Việc khảo sát ñịa chất công trình (trong ñó có khối ñá ) ñã ñược trình bày nhiều
trong các giáo trình ñịa chất công trình, trong các chuyên khảo…Ở chương này chỉ
nêu những ñiểm cơ bản nhất khi khảo sát khối ñá ở hiện trường, ñánh giá và phân
loại chúng ñể sử dụng thuận lợi trong thiết kế và thi công công trình trong ñá .
3.1. KHẢO SÁT KHỐI ðÁ
3.1.1. MỤC ðÍCH VÀ NỘI DUNG KHẢO SÁT KHỐI ðÁ
3.1.1.1. Mục ñích khảo sát
Việc khảo sát khối ñá tại hiện trường nhằm một số mục ñích sau:
 Tìm hiểu cấu trúc của khối ñá gồm những thông tin về sự phân bố, thành
phần, kiến trúc, cấu tạo, thế nằm của ñá trong khu vực sẽ xây dựng công trình.
 Nghiên cứu, các ñặc ñiểm của khối ñá như tính không ñồng nhất, tính dị
hướng và tính gián ñoạn của khối ñá.
 Nghiên cứu, xác ñịnh các tính chất của khối ñá như mức ñộ phong hoá, tính
chất nứt nẻ, tính chất cơ học và một số tính chất ñặc biệt khác.
 Nghiên cứu nước dưới ñất qua sự phân bố, các ñặc trưng ñịa chất thuỷ văn
và ảnh hưởng của chúng ñến xây dựng công trình.
 Nghiên cứu sự phân bố ứng suất và trị số ứng suất tự nhiên trong khối ñá ở
nền công trình.
3.1.1.2. Nội dung khảo sát

ðể thực hiện ñược mục ñích của khảo sát, nội dung khảo sát khối ñá bao gồm
một số công việc sau:
 Thu thập và nghiên cứu các tài liệu ñã có, liên quan ñến khu vực xây dựng.
Việc thu thập, phân tích và tổng hợp tài liệu ñã có giúp cho việc ñánh giá mức
ñộ phức tạp của ñiều kiện ñịa chất công trình ở khu vực ñịnh nghiên cứu- Bằng việc
kế thừa các kết quả ñã có ở tài liệu cũ, sẽ ñịnh hướng ñúng ñắn cho các công việc
tiếp theo.
 Khảo sát khái quát tại thực ñịa.

C¬ häc ®¸.
203

Bằng việc trực tiếp khảo sát thực ñịa sẽ ñánh giá, làm chính xác hơn những tài
liệu ñã thu thập ñược, trên cơ sở ñó sẽ ñề ra ñược nội dung của các công việc trong
giai ñoạn tiếp theo.
 Thăm dò tại thực ñịa bằng các phương tiện khảo sát khác nhau ñể giải quyết
những tồn tại khi ño vẽ tại thực ñịa. Việc thăm dò này có thể tiến hành bằng các
phương pháp thủ công(như ñào các hố, các giếng thăm dò) hay cơ giới (như các loại
máy khoan) hay bằng các thiết bị ñịa- vật lý (như ño ñịa chấn, ño ñiện trở suất của
ñá…).
 Thí nghiệm trong phòng ñể xác ñịnh các chỉ tiêu tính chất của mẫu ñá ñược
lấy từ thực ñịa, ñồng thời tiến hành các thí nghiệm hiện trường ñể làm chính xác
thêm các kết quả ñể xác ñịnh ñược trong phòng, nghiên cứu tìm các tương quan thực
nghiệm giữa các chỉ tiêu của mẫu ñá và khối ñá ñể sử dụng trong thiết kế, tính toán
xây dựng công trình. Nhiều thí nghiệm hiện trường cũng ñược tiến hành ñể xác ñịnh
các thông số ñịa chất thuỷ văn hay trạng thái và trị số ứng suất ban ñầu tại các ñiểm
trong khối ñá.
 Quan trắc lâu dài ñể chỉnh lý các tài liệu ñã sử dụng trong thiết kế, thi công
và khai thác công trình.
Các công trình thường có thời gian sử dụng lâu. Theo thời gian, tính chất của

ñá và vật liệu xây dựng công trình cũng bị thay ñổi. Việc quan trắc lâu dài sẽ góp
phần chỉnh lý các số liệu ñã có trong thời gian trước, ñịnh hướng cho việc ñề suất
các biện pháp ñể ñảm bảo khai thác công trình ổn ñịnh lâu dài.
3.1.2. NGUYÊN TẮC CƠ BẢN TRONG KHẢO SÁT KHỐI ðÁ
Khảo sát khối ñá là một công việc phức tạp, ñòi hỏi phải sử dụng các thiết bị
dựa trên những thành tựu của khoa học và kỹ thuật tiên tiến kết hợp với tư duy lao
ñộng khoa học sáng tạo của con người.
Khi khảo sát, một số nguyên tắc phải tuân theo là:
3.1.2.1. Nguyên tắc kế thừa
Nguyên tắc này nhằm tận dụng các tài liệu các kết quả ñã thu ñược của các giai
ñoạn khảo sát và phương pháp khảo sát trước ñó.
Trên cơ sở phân tích các tài liệu của giai ñoạn trước, kế thừa nhưng có chọn lọc
sẽ không chỉ tiết kiệm ñược về mặt kinh phí mà còn giúp cho việc ñịnh hướng, lập
phương án khảo sát trong các giai ñoạn sau, rút ngắn thời gian và ñạt kết quả khảo
sát tốt nhất.
Thông thường, kinh phí khảo sát chiếm khoảng 2,5% kinh phí xây dựng cơ bản
ñối với những công trình có ñiều kiện ñịa hình cấu trúc chất ñơn giản, giao thông
thuận tiện và có thể lớn hơn, tới 5% cho những công trình ở các vùng sâu, vùng xa và
ñiều kiện ñịa chất phức tạp. Với nguồn kinh phí có hạn như vậy, việc kế thừa có
chọn lọc kết quả khảo sát có trước là một nguyên tắc không thể quên trong khi khảo
sát khối ñá, góp phần ñem lại hiệu quả kinh tế của việc khảo sát.

204.
C¬ häc ®¸

3.1.2.2. Nguyên tắc giai ñoạn
Việc khảo sát khối ñá phải ñược tiến hành dần dần theo các giai ñoạn khác
nhau, ñi từ khái quát ñến chi tiết, từ ñịnh tính ñến ñịnh lượng, từ khu vực lớn ñến
diện tích hẹp…ñể phục vụ cho việc chuẩn bị ñầu tư và thực hiện ñầu tư các dự án
xây dựng công trình. Ứng với mỗi giai ñoạn, người ta sẽ có những quy ñịnh cụ thể về

mục ñích, nội dung và khối lượng công việc phải tiến hành.
Trong thời kỳ chuẩn bị ñầu tư, việc khảo sát khối ñá nhằm mục ñích lập ñược
báo cáo nghiên cứu tiền khả thi và báo cáo nghiên cứu khả thi.
Trong thời kỳ thực hiện ñầu tư, việc khảo sát nhằm mục ñích lập ñược thiết kế
kỹ thuật và thiết kế bản vẽ thi công.
Khi hoàn thành ñầu tư, kết thúc việc xây dựng công trình cũng phải khảo sát tại
thực ñịa, nhằm ñánh giá, so sánh các số liệu thực tế với các dự báo ban ñầu, các tác
ñộng của việc khai thác công trình với môi trường xung quanh…
Tuỳ ñiều kiện cụ thể của công trình xây dựng và mức ñộ quan trọng của nó,
trong những ñiều kiện cho phép, người ta có thể gộp hai giai ñoạn vào làm một.
Trong mỗi giai ñoạn khảo sát trên, phương pháp và khối lượng công việc khảo
sát ñược lựa chọn trên các cơ sở sau:
- Mức ñộ phức tạp của các ñiều kiện ñịa chất ở khu vực xây dựng công trình
- Quy mô công trình và ý nghĩa kinh tế- xã hội của nó
- Mức ñộ nghiên cứu ñịa kỹ thuật của khu vực xây dựng
- Phạm vi sử dụng của các phương pháp khảo sát và khả năng trang bị các
thiết bị khảo sát của ñơn vị thi công.
Tổng hợp các nhiệm vụ khảo sát, các phương pháp khuyến nghị và kết quả của
các giai ñoạn khảo sát có thể tóm tắt trong bảng 3.1 (theo Nghiêm Hữu Hạnh, 2001).

Tổng hợp nhiệm các vụ khảo sát hiện trường
Bảng 3.1
Giai ñoạn Nhiệm vụ Các phương pháp khuyến nghị Kết quả
(1) (2) (3) (4)
Chuẩn bị
ñầu tư –
Tiền khả
thi

Nghiên
cứu tổng thể


Nghiên cứu các ñiều kiện ñịa chất,
ñịa mạo theo các tài liệu lưu trữ:
nghiên cứu ảnh vệ tinh, ảnh máy
bay, thực hiện các lộ trình ñịa chất,
lập bản ñồ tổng quan
Kết luận
ñánh giá
Luận
chứng
L
ựa chọn vị trí
hoặc tuyến xây
Nghiên cứu lập bản ñồ ñịa kỹ thuật
(ðKT). Nghiên cứu ñịa chất, ñịa
Kết quả sơ
bộ về ñiều

Cơ học đá.
205

kinh t k
thut
Kh thi
dng. ỏnh giỏ
nn, múng thun
li nht, kho sỏt

vt liu xõy dng
ủa phng
mo da trờn cỏc cụng trỡnh kho
sỏt ủó cú sn(ging, taluy, b dc,
trng thỏi cụng trỡnh); tin hnh
kho sỏt (ủa vt lý, khoan, ủo)
vi khi lng khụng ln
kin KT
khu vc
vi cỏc ủc
ủim v
ủiu kin
ủa cht,
ủa mo,
ủa cht
thu vn
Thit k
k thut
v tng d
toỏn
Thu thp cỏc s
liu ủu vo ủ
lun chng v ủ
tin cy v tớnh
hiu qu ca cụng
trỡnh, chn v trớ
cho tng loi
cụng trỡnh c th,
chn loi kt cu
v phng phỏp

thi cụng, kt lun
v mc ủ phự
hp ca vt liu
xõy dng
Nghiờn cu KT trong quỏ trỡnh
ủo ủc ủa cht: Lp bn ủ KT
cú kốm theo cỏc cụng trỡnh kho sỏt
(ủa vt lý, khoan, ủo); thớ nghim
trong phũng v hin trng; cỏc thớ
nghim ủa cht thu vn. Thm dũ
t m vt liu ủa phng (cỏc thớ
nghim trong phũng v hin
trng); tớnh toỏn tr lng. Bỏo
cỏo v ủiu kin KT ca nn cụng
trỡnh.
Kt lun
v ủiu
kin ủa
cht cụng
trỡnh cỏc
hng mc,
ủi tng
c th,
ủỏnh giỏ
ủnh lng
cỏc ch tiờu
c lý ca
ủt ủỏ
(1) (2) (3) (4)
Kho sỏt

cho bn
v thi
cụng
Cung cp ti liu
ủ hon chnh gii
phỏp thit k v
x lý nn. T vn
cỏc vn ủ KT
xut hin trong
quỏ trỡnh xõy
dng; nghim thu
hon cụng nn;
lp h s cỏc cụng
trỡnh kho sỏt
trong xõy dng
Lp h s KT tt c cỏc cụng
trỡnh kho sỏt trong thi cụng. T
vn lp ủt cỏc thit b quan trc;
giỏm sỏt vic s dng vt liu ủa
phng; kin ngh cỏc bin phỏp
gia cng nn cụng trỡnh
Cỏc t
liu, h s
xõy dng;
bỏo cỏo
trung gian;
cỏc kt
lun
Kt thỳc
xõy dng

So sỏnh cỏc kt
qu kho sỏt, lp
h s cỏc cụng
trỡnh khai ủo
trong xõy dng.
i chng ủiu
kin lm vic ca
Phõn tớch kt qu quan trc, nghiờn
cu tớnh hiu qu ca cỏc bin phỏp
ủc bit khỏc nhau: nghiờn cu cỏc
quỏ trỡnh t nhiờn phỏt sinh do tỏc
ủng ca xõy dng hoc vn hnh
cụng trỡnh
Bỏo cỏo,
cụng b,
tham gia
lp h s
cụng trỡnh

206.
C¬ häc ®¸

công trình với
những dự báo
ðKT trong các
giai ñoạn
3.1.2.3. Nguyên tắc kết hợp
Trong thực tế khảo sát, mỗi phương pháp khảo sát ñều có những ưu, nhược
ñiểm và phạm vi sử dụng riêng. Kết hợp chúng lại, các phương pháp sẽ bổ sung cho
nhau, nâng cao và làm chính xác thêm kết quả khảo sát.

Thực tế ñã thấy là hiệu quả khảo sát sẽ tăng lên rất nhiều khi áp dụng nhiều
phương pháp khảo sát và thí nghiệm cùng một lúc.
3.1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT
Việc khảo sát khối ñá tại hiện trường có thể ñược tiến hành bằng nhiều phương
pháp khác nhau từ những dụng cụ ño vẽ ñơn giản ñến các thiết bị, máy móc phức
tạp.
3.1.3.1. ðo vẽ ñịa chất
Bằng mắt thường và các dụng cụ ño ñạc ñơn giản kết hợp với tư duy khoa học,
người ta có thể thu thập ñược rất nhiều thông tin về các vết lộ ñá, sự phân bố cũng
như kiến trúc, cấu tạo của khối ñá trong vùng ñịnh nghiên cứu.
ðối với ñá cần ghi chép tên ñá, màu sắc, thành phần khoáng vật, cỡ hạt, tính
phân lớp, thế nằm của các lớp ñá…
ðối với các khe nứt phải xác ñịnh ñược vị trí của khe nứt trong không gian, số
lượng và loại các khe nứt, các ñặc tính của hệ thống khe nứt.
3.1.3.2. Phương pháp chụp ảnh
Chụp ảnh là phương pháp nghiên cứu, thăm dò từ xa (cũng gọi là viễn thám)
nhằm thu ñược những hình ảnh của vùng ñá ñịnh nghiên cứu- Bằng phương pháp
chụp ảnh sẽ loại trừ ñược các sai số chủ quan, có khả năng khảo sát những vùng rộng
lớn, phát hiện ñược các ñặc ñiểm ñịa chất của khu vực như các uốn nếp, ñứt gãy và
có thể khảo sát từ xa, những vùng ñịa hình khó khăn mà không thể trực tiếp ñến gần
ñược.
Việc chụp ảnh có thể ñược thực hiện trên mặt ñất (bằng các máy ảnh thông
thường) hay từ trên máy bay (bằng các máy ảnh hàng không chuyên dụng). ðể xử lý
các ảnh chụp, có thể bằng mắt thường hay bằng các kính lập thể.
Trong những trường hợp ñặc biệt, phải sử dụng việc chụp ảnh bằng các tia
hồng ngoại hay ra ña và tia cực tím thu ñược các bức xạ sóng ngắn và cao tần có ñộ
xuyên thấu lớn. Sóng ra ña chỉ phản xạ với ñất ñá, mặt nước mà không phản xạ với
thực vật và mây- ðiều này cho phép sử dụng chúng trong vùng rừng rậm hoặc
quanh năm mây phủ hay ñể nghiên cứu trạng thái no nước của ñất ñá.

C¬ häc ®¸.
207

Tuy nhiên, nhược ñiểm của phương pháp chụp ảnh là bị phụ thuộc nhiều vào
ñiều kiện ñịa mạo, thời tiết, thảm thực vật và chi phí lớn.
3.1.3.3. Các công trình thủ công
Việc ñào các công trình thăm dò thường ñược tiến hành bằng thủ công- trong
những trường hợp ñặc biệt lắm, khi ñiều kiện ñịa chất và không gian cho phép mới
có thể sử dụng các phương tiện cơ giới như máy ñào, xe ủi…
 Hố ñào thường có dạng chữ nhật, kích thước khoảng 1,5x2,5m. Chiều sâu
hố ñào phụ thuộc vào tính chất của ñất ñá nhưng cũng không quá 4m, với các hố ñào
sâu thì phải ñào theo kiểu bậc thang, phải chống thành hố ñào khi ñào trong những
ñiều kiện ñịa chất phức tạp, trong các ñá yếu…
 Hào thăm dò có thể chạy dài hàng chục mét theo một hướng nào ñó ñể theo
dõi sự phân bố của các lớp ñá. Cũng như hố ñào, khi cần thiết, phải chống thành hào,
giữ cho thành hào không bị sập lở.
 Giếng thăm dò ñược tiến hành khi ñịnh nghiên cứu sự phân bố các lớp ñá
theo chiều sâu. Chiều sâu của giếng có thể tới hàng chục mét. Trong vùng ñá không
ổn ñịnh, phải chống thành giếng bằng các vì chống bằng gỗ.
 Lò thăm dò là những công trình nằm ngang, ñào sâu vào trong lòng ñá ñể
nghiên cứu lớp vỏ phong hoá hay tính chất của các lớp ñá . Tiết diện lò thường là
hình thang, chiều rộng khoảng1,4-1,8m và chiều cao khoảng 1,8-2m. Lò càng ñào
sâu, ñá càng không ổn ñịnh thì càng phải chống lò bằng các vì chống bằng các loại
vật liệu khác nhau nhưng thường là bằng gỗ. Phải có hệ thống chiếu sáng, thông gió,
thoát nước cho các lò thăm dò.
Nói chung, khi khảo sát bằng các công trình thủ công, phải ño vẽ thế nằm của
ñá, các yếu tố nứt nẻ của ñá ñồng thời phải quan sát, mô tả ñá bằng tên, màu sắc, cấu
tạo và kiến trúc của chúng. Với các khe nứt, cần ghi chép kích thước, số lượng và
loại khe nứt, hệ thống khe nứt. Với từng hệ khe nứt, phải quan sát và ño thế nằm,
khoảng cách, ñộ nhám, chất lấp ñầy và ñặc trưng của nước dưới ñất.

Trong các công trình thủ công, phải lấy mẫu ñá ñại diện cho từng lớp. Các mẫu
ñá yếu phải ñược bảo quản cẩn thận và chuyển tới nơi thí nghiệm.
3.1.3.4. Các lỗ khoan thăm dò
Khoan nghĩa là dùng các thiết bị khác nhau khoan sâu vào lòng ñất ñể lấy mẫu
ñất ñá tại một chiều sâu nào ñó hay ñể tạo thành các lỗ khoan nhằm tiến hành các thí
nghiệm khác như ño ñịa vật lý, nén ngang, xuyên tiêu chuẩn… trong lỗ khoan.
Việc khoan có thể ñược tiến hành trên mặt ñất (các lỗ khoan trên cạn) hay trên
mặt nước (các lỗ khoan trên suối, trên sông hay trên biển) hay trong lòng ñất (các lỗ
khoan trong hầm lò…). Các lỗ khoan có thể vuông góc hay nghiêng với mặt ñất ñá
một góc nào ñó tuỳ theo mục ñích và yêu cầu của khảo sát.
ðể khảo sát ở hiện trường với ñá, người ta có thể dùng các máy khoan tự hành
như các máy ếÃÁ 50A, CÁế150ầẩễ của Liên Xô cũ, máy B-53 của Thuỵ ðiển, máy

208.
C¬ häc ®¸

BE-50 của Pháp… hay các máy khoan cố ñịnh ( có thể tháo rời từng bộ phận ) như
máy YKÁ12/25 của Liên Xô cũ, các máy XJ-100, GY-50, SH-30… của Trung Quốc,
các máy Koken KT-100, Tone TCD-1 của Nhật…

Hình 3.1.
Máy khoan XJ - 100
ðể tiến hành khoan, ngoài máy khoan, còn cần phải có nguồn năng lượng từ
ñiện lưới quốc gia hay các ñộng cơ diesel, các máy bơm dung dịch, các dụng cụ
khoan như lưỡi khoan, cần khoan, ống mẫu , ống chống và các loại ñầu nối khác
nhau.
ðể lấy ñược mẫu ñá, người ta phải dùng phương pháp khoan xoay lấy mẫu với
các lưỡi khoan có ñường kính từ 50-203mm, trên ñó có gắn các răng hợp kim cứng
hay các lưỡi khoan kim cương tuỳ theo ñộ bền của ñá khoan qua.
Việc áp dụng hài hoà các
thông số của chế ñộ khoan là tải
trọng lên ñáy lỗ khoan P, tốc ñộ
quay của bộ dụng cụ khoan n,
lưu lượng Q và chất lượng nước
rửa bơm xuống lỗ khoan sẽ ñem
lại hiệu quả cho công tác khoan,
nâng cao tỷ lệ lấy mẫu ñá trong
khoan.
Các mẫu ñá lấy ñược khi
khoan ( các lõi khoan) có chiều
dài tuỳ theo chiều dài của ống
mẫu (thường khoảng 3,5m) sẽ
ñược bảo quản cẩn thận theo quy
phạm hiện hành và vận chuyển tới nơi thí nghiệm.
Hình 3-2. Các lưỡi khoan kim cương

C¬ häc ®¸.
209

Trên cơ sở các tài liệu ñã ghi chép trong nhật ký khoan và các kết quả thí
nghiệm xác ñịnh các chỉ tiêu tính chất của ñá ở mẫu khoan lấy ñược trong quá trình
khoan, người ta sẽ lập ñược hình trụ lỗ khoan. Trên hình trụ này sẽ thể hiện ñược
chiều sâu của từng lớp ñá, ñộ sâu tương ứng của chúng, mô tả các ñặc ñiểm sơ bộ
của ñá cũng như những ghi chép về vị trí, các ñiểm lấy mẫu nguyên trạng và không
nguyên trạng, giá trị của các lần thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT…
Hình trụ lỗ khoan sẽ là cơ sở ñể lập các mặt cắt ñịa chất sau này. Thí dụ một
hình trụ lỗ khoan ñược thể hiện trên hình 3-3.
3.1.3.5. Phương pháp ñịa - vật lý
ðịa – vật lý phương pháp ứng dụng những nguyên tắc, thành tựu của vật lý vào
việc nghiên cứu ñịa chất. Các lớp ñất ñá khác nhau sẽ có những ñặc trưng vật lý,
những phản ứng khác nhau khi chịu sự tác ñộng của một trường vật lý nào ñó.
Phương pháp ñịa vật lý có thể sử dụng ñể ño ở trên mặt ñất và ở dưới sâu, trong các
lỗ khoan hay trong các công trình hào, lò, giếng. Ưu ñiểm của nó là có thể tiến hành
từ xa, nghiên cứu tới chiều sâu lớn và thu ñược nhiều thông tin cùng một lúc theo các
hướng khác nhau trong không gian. Kết quả của thí nghiệm ñịa – vật lý thường mang
tính khách quan vì ña số các thiết bị thí nghiệm ñều có bộ phận tự ghi. Thiết bị thí
nghiệm ñịa – vật lý thường gọn, nhẹ, tính cơ ñộng và năng suất cao nên chúng rất
hay ñược sử dụng.
Tuy nhiên, phương pháp ñịa – vật lý không thể xác ñịnh ñược tất cả các ñặc
trưng vật lý của ñất ñá. Một số phương pháp ñịa – vật lý có thể dùng ñể nghiên cứu
trong cơ học ñá là các phương pháp ñịa chấn, phương pháp ño ñiện, phương pháp ra
ña xuyên ñất, một số phương pháp ño trong lỗ khoan hay các phương pháp trọng lực,
phương pháp từ… Có thể mô tả tóm tắt một số phương pháp như sau:
 Phương pháp ño ñiện.
Cơ sở của phương pháp này là các lớp ñá khác nhau sẽ có ñiện trở suất biểu
kiến khác nhau. Dựa vào các giá trị thu ñược khi thí nghiệm, sẽ xác ñịnh ñược ranh
giới giữa các lớp ñá.
Trên mặt ñất người ta bố trí các ñiện cực phát C

1
,C
2
ñược nối với nguồn ñiện
có cường ñộ I. Các ñiện cực thu P
1
,P
2
bố trí ở phía trong C
1
,C
2
theo các khoảng cách
khác nhau (hình 3-4). Qua hai cực ñiện này sẽ xác ñịnh ñược hiệu ñiện thế U. ðiện
trở suất biểu kiến của ñá sẽ ñược xác ñịnh theo công thức:









−−









−
=
4321
r
1
r
1
r
1
r
1
1
I
U
2
π
ρ
(3.1)
trong ñó: r
1
÷ r
4
là các khoảng cách giữa các ñiện cực trên hình 3.4.
HÌNH TRỤ LỖ KHOAN
Công trình: Cầu Ân Nghĩa - ðường Hồ Chí Minh

Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT)

S
ố

chi
ều
Bề
dày
Ký

Mô tả
ðộ Số búa N/15cm C.
Mẫu

210.
C¬ häc ®¸

hi
ệu
lớ
p
sâu
lớp
(m)
lớp
(m)
hiệ
u
sâu
(m)
N

1
N2 N3
số
SPT
N
Biểu ñồ
ñất,
ñá
1

24,9
6

0,6
0,6

ðất phủ: Sét pha
nâu xám,nâu
vàng(ðất trồng)

2





22,5
9

0,6


2,1



Sét nâu vàng nâu
sám ñốm ñỏ,trạng
thái nửa cứng-
cứng



1,9



4



5



5

10



UD1
1,4-1,6
3







16,7
9







8,5

5,8



Sét mầu nâu
sám,xám vàng
trạng thái cứng

3,4

5,2

6,7

7,8

6

6

6

5

8

9

10

7

10

11

11

7

18

20

21

14




4







12,8

9






12,
4




3,9

Sét nâu vàng, xám
vàng lẫn ñỏ nâu,
lẫn dăm sạn,trạng
thái dẻo cứng


9,4


11



4

5


6


6


7


6


13


12



5





9,89

15,
4



3

Sét màu nâu, xám
vàng,ñốm ñỏ,lẫn ít
dăm sạn, trạng
thái dẻo mềm

12,
5



14


2



2

3



2

2



3

5



5

UD2
2,8-3,0

UD3
4,8-5,0

UD4
6,0-6,2
UD5
8,0-8,2

UD6
10,5-
10,7


UD7
12,9-
13,1
UD8
14,8-15




9a







0,99

24,
3




8,9

ðá vôi phong hoá
màu nâu vàng lẫn
xám trắng, nứt nẻ
rất mạnh (vôi- sét)













C1
16,8-17

9b





2,21





27,
5


ðá vôi xám xanh,
xám trắng nứt nẻ ít

C2
27-27,5
Ghi chú
Lỗ khoan kết thúc tại ñộ sâu 27,5m
Bản vẽ số 2
UD- Mẫu ñất nguyên
dạng
D- Mẫu ñất không nguyên
dạng
C- Mẫu ñá
Hình 3.3. Hình trụ lỗ khoan.

C¬ häc ®¸.
211

Tuỳ theo việc bố trí các ñiện cực theo sơ ñồ Wenner (khoảng cách giữa các
ñiện cực bằng nhau) hay sơ ñồ Schlumberger (các ñiện cực bố trí ñối xứng) mà ñiện
trở suất biểu kiến sẽ ñược xác ñịnh bằng các công thức tương ứng:
Với sơ ñồ Wenner
I
U
a2π=ρ (3.2)
Với sơ ñồ Schlumberger
l
2
lL
.

I
U
22
−
π
=ρ (3.3)
Ở mỗi sơ ñồ bố trí, chiều sâu ño ñiện
trở suất cũng khác nhau. Có thể coi gần ñúng
chiều sâu ño trong sơ ñồ Wenner là gần bằng
a, còn trong sơ ñồ Schlumberger là gần bằng
L/2. Do vậy thay ñổi khoảng cách giữa các
ñiện cực trên mặt ñất, người ta sẽ tính ñược
ñiện trở suất tại các chiều sâu khác nhau, từ
ñó có thể xác ñịnh ñược ranh giới giữa các
lớp ñá theo sự gẫy khúc của biểu ñồ quan hệ
giữa ñiện trở suất biểu kiến và khoảng cách
giữa các ñiện cực.
Người ta cũng tiến hành ño ñiện trở
suất của ñất ñá dọc theo chiều sâu của các lỗ
khoan, qua ñó có thể xác ñịnh ñược các lớp
ñá khác nhau và chiều dày tương ứng của
chúng.
Trị số ñiện trở suất của một số loại ñá
có thể thấy trong bảng 2.12.

Phương pháp ñịa chấn.
Cơ sở của phương pháp ñịa chấn là
sóng ñàn hồi lan truyền với các vận tốc khác
nhau trong các môi trường khác nhau.
Các sóng ñàn hồi ñược tạo ra bằng

cách ñập mạnh búa tạ vào ñá hay cho nổ một
lượng thuốc nổ nhỏ trên ñá.Các thiết bị thu
ñược bố trí lại những khoảng cách khác nhau
so với nguồn sóng ñể xác ñịnh thời gian
truyền sóng. Bằng cách tính tốc ñộ truyền sóng theo sóng dọc hay sóng khúc xạ mà
người ta có thể xác ñịnh ñược chiều dày của các lớp ñá khác nhau, phán ñoán ñược
các loại ñá theo tốc ñộ truyền sóng của chúng.
Các ñá no nước và ít nứt nẻ thường có tốc ñộ truyền sóng cao (≥6km/s), còn
với các ñá có nhiều lỗ rỗng không no nước, ñá vỡ vụn, bị phong hoá sâu thì tốc ñộ
truyền sóng thấp hơn (khoảng 3km/s).
Thường khi xác ñịnh ñịa tầng , người ta chỉ ño tốc ñộ truyền sóng dọc. Khi
muốn ñánh giá các ñặc trưng cơ học của ñá, người ta phải xác ñịnh cả tốc ñộ truyền
I
U
C
P
C
a)
r
r
r
r
1
4
2
3
P
1
1
2

2
P
U
P
1
C
1
I
C
2
2
I
a a
I
U
C
P
C
a)
r
r
r
r
1
4
2
3
P
1
1

2
2
P
U
P
1
C
1
I
C
2
2
I
a a a
P
U
P
1
C
1
C
2
2
I
2l
L L
b)
c)
Hình3.4.
Phương pháp ño ñiện

a-

Bố trí chung
b-

Sơ ñồ Wenner
c-

Sơ ñồ Schlumberger


212.
Cơ học đá

súng ngang v tc ủ súng mt. Cú th dựng cỏc cụng thc (1.173) ủn (1.178) ủ
phc v cho vic tớnh toỏn ny.
Tr s ca tc ủ truyn súng dc trong mt s loi ủỏ cú th xem trong bng
1.18.

Raủa xuyờn ủt
Raủa xuyờn ủt s dng súng ủin t trong di tn t 1-1000MHz ủ nghiờn
cu, phỏt hin cỏc ranh gii ủa cht, mc nc di ủt v cỏc vt d thng di
mt ủt. Raủa ủo ủc nng lng ủin t quột phn hi t ủng biờn ca cỏc ủa
tng hoc cỏc vựng d thng cú hng s ủin mụi (ủ t thm) tng phn rừ rng.
Phng phỏp ny nhanh chúng ủnh v cỏc hang hc karst, cỏc khe nt v ủt
gy cha nc hoc cha sột, cỏc mt phong hoỏ hay mt tip xỳc gia cỏc loi ủỏ.

Phng phỏp ủa - vt lý l khoan.
Trong l khoan, ngi ta cú th dựng kớnh ngm m nguyờn tc ging nh kớnh
vin vng thng dựng ti ủ sõu khụng quỏ 30m, cho phộp thy ủc kiu nt n,

ủi vũ nhu,v vn ca ủỏ thnh l khoan.
Camera l khoan ủc s dng ủ quay ủc cỏc hỡnh nh di l khoan,
qua ủú, bit ủc ủt ủỏ trờn thnh l khoan, ủ nghiờng ca l khoan v ủt ủỏ
ủỏy l khoan. Cỏc hỡnh nh ny cú th thy ủc trc tip hay ủc chộp li trờn
bng hỡnh.
Karota l khoan l dựng cỏc thit b ủa vt lý ủ xỏc ủnh cỏc ủc tớnh khỏc
nhau ca ủỏ trờn sut chiu di ca l khoan hay tng ủon ca l khoan. Cỏc thụng
s m karota cú th ủo ủc l vn tc õm, ủin tr sut, ủin trng t nhiờn trong
dung dch khoan v bc x t nhiờn phỏt ra t ủỏ hoc phn bc x ca ủỏ vi bc x
ht nhõn phỏt ra t ủu ủo. Karota l khoan cũn cú th cho bit ủ rng, ủ cht, ủ
bóo ho, hm lng sột v cỏc thụng s khỏc na.
3.2. PHN LOI KHI
Phõn loi khi ủỏ tc l sp xp cỏc khi ủỏ thnh tng nhúm theo cỏc du hiu
hay cỏc ủc tớnh ging nhau ca tng nhúm, qua ủú cú th ủỏnh giỏ ủc tớnh cht
ca khi ủỏ.
u tiờn, khi mi phõn loi ủỏ, ngi ta ch da vo mt vi ch tiờu ủc lp,
d xỏc ủnh nh ủ bn nộn mt trc ca ủỏ. Khi tớnh cht nt n ca khi ủỏ ủc
quan tõm hn thỡ ngi ta ủó phõn loi theo ch s cht lng ủỏ RQD. Sau ny, cng
nghiờn cu ủỏ v khi ủỏ, ngi ta cng thy l cn phi dựng mt ch tiờu cú tớnh
cht tng hp, k ủn nhiu yu t nh hng ti tớnh cht ca khi ủỏ nh ủ bn
ca mu ủỏ, mt ủ khe nt,ủc ủim ca cỏc mt giỏn ủon, ủiu kin ủa cht thu
vn, trng thỏi ng sut ca khi ủỏ ủ phõn loi khi ủỏ v vỡ th, mt s cỏch
phõn loi theo ch s khi ủỏ RMR, theo h Q, theo ch s n ủnh S ra ủi.
3.2.1. PHN LOI THEO CC CH TIấU C LP
3.2.1.1. Theo ủ bn nộn mt trc

Hi c hc ủỏ quc t (ISRM) ủó phõn loi ủỏ theo ủ bn nộn mt trc nh
trong bng 1.9.

C¬ häc ®¸.

213


Theo tiêu chuẩn và quy phạm xây dựng của Liên Xô cũ (SNiP
2.02.01-83) thì ñá ñược phân loại theo ñộ bền nén một trục ở trạng thái no nước σ
nnn

như trong bảng 3.2.
Bảng 3.2
Loại ñá
ðộ bền nén khi no nước σ
nnn
, MPa
Rất bền
Bền
Bền vừa
Ít bền
ðộ bền kém
ðộ bền thấp
ðộ bền rất thấp
> 120
120–50
50–15
15–5
5–3
3–1
< 1
3.2.1.2. Theo hệ số bền chắc của Protodjakonov
M.M. Protodjakonov (1909) ñã ñề ra hệ số bền chắc f và dùng nó ñể phân loại
ñất ñá như trong bảng 1.21. Hệ số f và cách phân loại này ñã dùng rất phổ biến ở

Liên Xô và các nước trong phe xã hội chủ nghĩa trước kia.
3.2.1.3. Theo chỉ số chất lượng ñá RQD
Năm 1963, D.U.Deere ñã ñề ra chỉ số chất lượng ñá RQD và ñã ñánh giá chất
lượng ñá theo chỉ tiêu này như trong bảng 2.7.
3.2.2. PHÂN LOẠI KHỐI ðÁ THEO CÁC CHỈ TIÊU TỔNG HỢP
Nhiều tác giả ñã ñề ra cách phân loại khối ñá theo một chỉ tiêu tổng hợp như
cách phân loại theo chỉ số cấu trúc của ñá RSR (Rock Structure Rating) của nhóm
G.E Wickham và những người khác (1972) theo chỉ số khối ñá RMR (Rock Mass
Rating của Z.T. Bieniawski(1973), theo hệ Q của nhóm N.Barton và những người
khác (1974) hay theo chỉ số ổn ñịnh S của N. X. Bulưchev (1975). Dưới ñây sẽ trình
bày rõ hơn 3 phương pháp phân loại sau:
3.2.2.1. Phân loại khối ñá theo chỉ số khối ñá RMR
Trên cơ sở nghiên cứu cơ học ñá ở Nam Phi, năm 1973 lần ñầu tiên Z.T.
Bieniawski ñã ñưa ra cách phân loại khối ñá RMR gồm 6 thông số. Cách phân loại
này ngay lập tức ñã ñược phổ biến rất rộng rãi. Sau ñó tác giả ñã cải biên và ñưa ra
cách phân loại dưới ñây vào năm 1989.
Chỉ số RMR ñược xác ñịnh bằng công thức:
RMR = R
βS
+ R
RQD
+ R
dj
+ R
cj
+ R
w
+ R
oj
(3.4)

trong ñó: R
βS
là ñiểm số kể ñến ñộ bền nén một trục của ñá;
R
RQD
là ñiểm số xét tới chỉ số RQD;
R
dj
là ñiểm số xét tới khoảng cách mặt gián ñoạn;
R
cj
là ñiểm số xét tới ñặc ñiểm gián ñoạn;
R
w
là ñiểm số xét tới ảnh hưởng của nước trong khối ñá;
R
oj
là ñiểm số xét tới ảnh hưởng của các mặt gián ñoạn.

214.
C¬ häc ®¸

Chỉ số RMR ñược sử dụng rộng rãi trong việc ñánh giá khối ñá nền công trình,
bờ dốc ñá cũng như khối ñá quanh tuynel. Cách tính ñiểm của các ñiểm số ñược nêu
trong bảng 3.3.
Bảng 3.3
σ
σσ
σ
n

(MPa) R
β
ββ
βS

RQD(%) R
RQD

Khoảng cách
gián ñoạn
R
dj

ðặc ñiểm
gián ñoạn
R
cj
> 250
15 90–100 20
> 3,0m
30 A 25
100–250 12 75–90 17 1–3m 25 B 20
50–100 7 50–75 13 0,3–1m 20 C 12
25–50 4 25–50 8 0,05–0,3m 10 D 6
5–25
1–5
< 1
2
1
0

< 25
3
< 0,05m
5 E 0
Nước trong khe nứt R
oj

q
10

u/ σ
σσ
σ
1

Tính ẩm
R
w

Phương cắm
mặt gián ñoạn
Hầm Nền Bờ dốc
0 0 Khô 15 Rất thuận lợi 0 0 0
< 10
0–0,1
ẩm
10
Thuận lợi
–2 –2 –5
10–25 0,1–0,2 ướt 7 Trung bình –5 –7 –25

25–125 0,2–0,5
Chảy
giọt
4
Không thuận
lợi
–10 –15 –50
> 125 > 0,5
Chảy
dòng
0
Rất không
thuận lợi
–12 –25 –60
Ghi chú:
A- rất nhám, không liên tục, khép kín, tươi, không phong hoá;
B- hơi nhám, ñộ mở < 1mm, phong hoá nhẹ;
C- hơi nhám, ñộ mở > 1mm, phong hoá nhẹ ;
D- phẳng nhẵn, có lấp nhét, ñộ mở < 5mm hoặc liên tục từ 1-5mm;
E- chất lớp nhét mềm yếu, ñộ mở > 5mm;
q
n
- lượng nước chảy vào 10m ñường hầm tính bằng lít/phút;
u- áp lực nước khe nứt;
σ
1
- ứng suất chính lớn nhất.
Theo trị số của RMR, ñá khối ñược phân chia thành 5 cấp, nêu ở bảng 3.4.
Bảng 3.4
Cấp ñá ðặc ñiểm

Thời gian ổn ñịnh không
chống
Khoảng không
chống
ðiểm số
RMR

C¬ häc ®¸.
215

I Rất tốt ñến 20 năm 15m 81–100
II Tốt 1 năm 10m 61–80
III T. bình 7 năm 5m 41–60
IV Xấu 10 giờ 2,5m 21–40
V Rất xấu 1/ 2 giờ 1m
< 21
Tuỳ thuộc vào ñiểm số RMR, thời gian ổn ñịnh của khối ñá không cần chống
thay ñổi từ 0,5 giờ ñến 20 năm.
Phân loại theo chỉ số RMR cũng ñược gọi là phân loại ñịa cơ học, nó ñược sử
dụng rộng rãi trong xây dựng công trình ngầm, mỏ và nền móng công trình.
Với ñá làm nền, Cording và những người khác (1971) ñã nêu công thức liên
hệ:
E
M
= 2RMR–100 (3.5)
trong ñó: E
M
là môdun biến dạng của ñá xác ñịnh tại hiện trường, tính bằng
GPa với RMR > 50.
Theo J. Serafim và J. Pereira (1983), trong trường hợp RMR < 50, có thể dùng

công thức:

40
10RMR
M
10E
−
= (3.6)
Cường ñộ lực liên kết và góc ma sát trong của ñá có thể tính theo giá trị của
RMR qua các cấp ñá (bảng 3.5).
Bảng 3.5
Cấp ñá I II III IV V
Cường ñộ lực liên kết,
kPa
> 400
300–400 200–300 100–200
< 100
Góc ma sát trong của
khối ñá,ñộ
< 45
35–45 25–35 15–25
< 15

3.2.2.2. Phương pháp phân loại khối ñá theo hệ thống Q (Q system)
Năm 1974, N.Barton, R.Lien và J. Lunde thuộc Viện ðịa kỹ thuật Na Uy ñã ñề
xuất cách phân loại ñá trong hầm thông qua hệ thống Q, là tổng hợp của nhiều yếu tố
và ñược xác ñịnh theo công thức:

SRF
J

J
J
J
RQD
Q
w
a
r
n
=
(3-7)
trong ñó: RQD là chỉ số chất lượng ñá, giá trị của nó lấy từ 10-100 theo các
số chia hết cho 5;

216.
C¬ häc ®¸

J
n
là hệ số kể ñến số lượng các khe nứt, giá trị của nó lấy từ 0,5-20,
theo bảng (3-5);
J
r
là hệ số kể ñến ñộ nhám của khe nứt, giá trị của nó lấy từ 0,5-4,
theo bảng (3-7);
J
a
là hệ số kể ñến sự biến ñổi của khe nứt, giá trị của nó lấy từ
0,75-20, theo bảng (3-8);
J

w
là hệ số kể ñến ảnh hưởng của nước, giá trị của nó lấy từ 0,05-1,
theo bảng (3-9);
SRF là yếu tố giảm ứng suất (Stress Reduction Factor) của ñá, giá
trị của nó lấy từ 0,5 – 400, theo bảng (3-10).
Bảng 3-6
Số lượng khe nứt J
n

(1) (2)
Khối ñá không hoặc ít nứt nẻ
Khối ñá có 1 hệ khe nứt
Khối ñá có 1 hệ khe nứt và vài khe nứt ngẫu nhiên
Khối ñá có 2 hệ khe nứt
Khối ñá có 2 hệ khe nứt và vài khe nứt ngẫu nhiên
(1)
0,5 – 1
2
3
4
6
(2)
Khối ñá có 3 hệ khe nứt
Khối ñá có 3 hệ khe nứt và vài khe nứt ngẫu nhiên
Khối ñá có ≥ 4 khe nứt, có các khe nứt ngẫu nhiên lớn, có
dạng khối nhỏ.
Khối ñá nứt nẻ nhiều, gần như ñất
9
12

15
20
Chú ý: Tại chỗ ñường hầm giao nhau, J
n
tăng lên 3 lần. Tại cửa hầm tăng J
n
lên 2
lần

Bảng 3-7
ðộ nhám của khe nứt J
r

Thành khe nứt tiếp xúc nhau hoặc thành khe nứt cách nhau <10cm
khe nứt không liên tục 4
khe nứt nhám, không ñều, gợn sóng 3
khe nứt nhẵn, gợn sóng 2
khe nứt trơn, gợn sóng 1,5