Giáo trình cơ học đá - Chương 1 pot

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).
Tuỳ theo vị trí kết tinh của khối magma trong lòng ñất hay trên mặt ñất mà
người ta chia các ñá magma thành loại magma xâm nhập như granit, ñiabas, gabro…
hay magma phún xuất (phun trào) như bazan, ryolit…
ðá magma thường có cấu tạo khối, kiến trúc kết tinh hoặc thuỷ tinh, ñộ rỗng
thấp (thường < 2%), ñộ bền cao trừ khi ñá ñã bị phong hoá. Các ñá magma ñược chia
thành các loại theo cỡ hạt: Với các ñá magma hạt thô (cỡ hạt ñiển hình thường >
2mm) thì ñược gọi là ñá granit hay gabro tuỳ theo ñá thuộc loại axit hay bazơ. Với
các ñá magma hạt vừa (0,06 – 2mm) thì tạo thành ñá tương ứng là microgranit và
ñiabas. Với các ñá magma hạt mịn (< 0,06mm nhưng còn nhìn thấy ñược) thì tạo
thành ñá tương ứng là ryolit và bazan. Với các ñá magma có kiến trúc thuỷ tinh thì
ñược gọi là obxiñian và tachylit.


Hình 1.8. Khe nứt dạng
cột trong ñá bazan.




a) ở Ghềnh ñá ðĩa (Phú Yên – Việt Nam);
b) ở Devils Postpile (California – Mỹ).

Trong các loại ñá trên thì bazan là loại ñá phun trào phổ biến nhất, thường thấy
các khe nứt dạng cột rất rõ ràng trong ñá (hình 1.8). Khi phun trào dưới ñáy biển,
bazan thường tạo thành kiến trúc dạng gối. ðá bazan có màu sẫm ñến ñen, kiến trúc
porphyr và ẩn tinh, ñộ bền từ 300-350MPa, có khả năng chống lại các quá trình
phong hoá. ðá bazan ñược dùng làm vật liệu xây dựng, vật liệu cách ñiện, cách nhiệt

và chịu axit.
Granit là loại ñá xâm nhập thường gặp ở nhiều nơi. Ở các vùng phía Bắc, nó
thường ít hoặc không có dấu hiệu phong hoá, trong khi ở miền Nam, do khí hậu nóng
ẩm… phong hoá thường xâm nhập tới ñộ sâu 30m và ñôi khi tới 300m. Do chứa
felspat và khoáng vật sắt, mangan không ổn ñịnh với phong hoá hoá học nên granit
có xu hướng phân huỷ thành khoáng vật sét. Khi chưa bị phong hoá, granit có ñộ bền
cao khoảng 160 – 250MPa; ñược sử dụng rộng rãi trong giao thông, xây dựng,
kiến trúc…
1.1.6.2. ðá trầm tích
Do ñược thành tạo từ nhiều nguồn gốc khác nhau nên ñá trầm tích gồm một số
nhóm ñá khác nhau rõ rệt.

CƠ HỌC ðÁ.
29


Nhóm ñá trầm tích vụn ñược hình thành chủ yếu từ các mảnh vỡ của các loại
ñá tồn tại trước ñó hoặc từ các sản phẩm phong hoá của các ñá gốc, ñược nước, gió
hay băng hà vận chuyển, tích tụ rồi gắn kết lại với nhau một cách cơ học, nên loại
trầm tích này cũng ñược gọi là trầm tích cơ học.

Hình 1.9. ðá cuội kết. Hình 1.10. ðá dăm kết.
Tuỳ theo kích thước của các mảnh vụn trong ñá mà người ta chia thành các ñá
cuội kết (hình 1.9), dăm kết (hình 1.10), cát kết các loại, bột kết và sét kết. Trong các
loại ñá này thì ñộ rỗng ñóng vai trò rất quan trọng. ðộ rỗng sẽ nhỏ nhất khi các hạt
nhỏ lấp ñầy lỗ rỗng giữa các hạt lớn hơn hay khi trong các lỗ rỗng lấp ñầy các chất
gắn kết. Tuỳ theo thành phần trong ñá cát kết mà người ta còn chia thành cát kết
thạch anh (khi ñá ñược tạo thành chủ yếu từ thạch anh) (hình 1.11), arko (khi thành
phần chủ yếu của ñá là felspat) và grauvac (khi ñá ñược tạo thành từ các mảnh vụn
ñá).

a) b)
Hình 1.11. Cát kết thạch anh
a) Chọn lọc tốt; b) Chọn lọc kém.
Một loại cát
kết ñặc biệt có
nguồn gốc magma
ñược tạo thành do
các mảnh vụn phun
ra từ núi lửa.
Những ñám mây
bốc lửa (hình
1.12) gồm các vật liệu vụn trôi nổi trên khí và bụi có nhiệt ñộ rất cao, di chuyển
xuống dưới theo sườn núi lửa với tốc ñộ lớn, khi nguội lạnh, tuỳ theo thành phần là
các mảnh vụn có góc cạnh hay các hạt mịn như tro mà sẽ tạo thành dăm kết núi lửa
hay tuf núi lửa. Các hạt gắn kết với nhau trong ñiều kiện nhiệt ñộ cao, tạo thành một
loại ñá chặt cứng, có tính chất tương tự như ñá magma cùng loại.

Hình 1.12. ðám mây bốc lửa
ñang chảy xuống theo sườn của một núi lửa.

Nhóm ñá trầm tích carbonat bao gồm ñá vôi, chủ yếu ñược tạo nên bằng
khoáng vật calcit, ñá ñôlomit và một số ñá thuộc nhóm trầm tích vụn nhưng có chứa
vôi.
Cũng như nhóm ñá trên, ñộ rỗng là thuộc tính cơ bản ñể phân biệt ñặc tính cơ
học của các loại ñá khác nhau trong nhóm. Người ta phân biệt ñộ rỗng nguyên sinh là
do khi chưa lấp ñầy các lỗ rỗng giữa các hạt. ðộ rỗng thứ sinh ñược tạo nên bởi
sự mở rộng mạng tinh thể trong quá trình biến ñổi calcit thành ñolomit – quá trình
ñolomit hoá. ðá vôi rất không ñồng nhất về mặt cấu tạo: một số loại thì xốp, nhưng
một số loại thì rất chặt. Theo nguồn gốc thành tạo, ñá vôi có thể chia thành các loại
ñá vôi hoá học, hữu cơ, vụn và hỗn hợp.
ðá vôi hoá học thường ñược thành tạo do sự lắng ñọng các chất kết tủa
carbonat ở trong nước. ðiển hình của loại này là tuf vôi và ñá vôi trứng cá. ðá tuf
vôi ñược tạo thành ở vùng có nước mạch lộ ra. Do chảy trên mặt ñất, một phần CO
2

bị mất ñi nên CaCO
3
ñược kết tủa lại, tạo thành ñá vôi có lỗ rỗng và không phân lớp.
Loại tuf vôi có ñộ chặt cao, ñộ rỗng nhỏ, có một phần kiến trúc kết tinh thì ñược gọi
là travertin. ðộ bền của tuf vôi khi khô khoảng 80MPa. ðá vôi trứng cá ñược tạo
thành ở biển nông do sự kết tủa các hạt CaCO
3

ñồng tâm, rồi chúng lại ñược gắn lại
với nhau bằng chính calcit. ðộ bền loại ñá này chỉ khoảng 16 – 20MPa.
ðá vôi hữu cơ ñược thành
tạo do sự tích tụ các di tích hữu cơ,
phổ biến nhất là loại ñá vôi vỏ sò
(hình 1-13). Loại ñá vôi này có ñộ
rỗng cao, ñộ bền thấp. Một dạng
Hình 1.13. ðá vôi vỏ sò.

CƠ HỌC ðÁ.
31

khác của ñá vôi hữu cơ là ñá phấn, có thành phần giống như ñá vôi nhưng ñộ bền thì
thấp hơn nhiều.
ðá vôi vụn gồm những mảnh vụn của ñá vôi và ñược gắn chặt lại bằng calcit.
ðây là loại ñá tái trầm tích.
ðá vôi hỗn hợp ñược thành tạo một phần từ các mảnh vụn, một phần từ các vật
chất hữu cơ hay hoá học. Phổ biến nhất là ñá marn có thành phần gồm CaCO
3
(từ 20
– 80%) và sét. Tuỳ theo lượng CaCO
3
mà có thể có loại ñá vôi sét (hay ñá marn vôi)
khi lượng CaCO
3
lớn hơn và ñá marn sét khi lượng CaCO
3
ít. Ở ngoài biển, ñá marn
tạo thành tầng dày. Khi lộ trên mặt ñất, nó dễ bị phong hoá, tạo thành ñá bùn.
ðá ñolomit ñược thành tạo từ khoáng vật cùng tên với các tạp chất như calcit,

thạch cao màu xám trắng hay ñỏ. Kiến trúc dạng hạt, cấu tạo khối chặt xít. ðộ bền
nén của ñolomit khoảng 100 – 140MPa. ðolomit ñược dùng làm vật liệu xây dựng,
vật liệu chịu lửa.

Nhóm ñá muối: ðá của nhóm này thường gặp ở dạng halit (NaCl), silvin
(KCl), silvinit (hỗn hợp của halit và silvin) (hình 1.14), anhydrit và thạch cao (CaSO
4

ở dạng khan và ngậm nước)…
Tất cả các ñá trong nhóm ñều
có thể hoà tan ñược trong
nước. Theo quan ñiểm ñịa
chất, các trầm tích này cũng
ñược gọi là trầm tích do bốc
hơi hay ñá bốc hơi, ñược
thành tạo do sự bốc hơi của
nước trong hồ nước mặn
và biển.
Các ñá muối thường có
màu trắng. Muối ăn (NaCl)
thường có vị mặn, muối kali
có vị ñắng. Các trầm tích ñá
muối dày tạo thành mỏ kích
thước lớn.
Anhydrit là CaSO
4
ở
dạng khan, khi gặp nước biến
thành thạch cao, thể tích tăng lên tới > 30%. ðộ bền nén của anhydrit khoảng 60 –
80MPa.

Thạch cao ñược tạo thành do kết quả hợp nước của CaSO
4
, có màu trắng hay
xám, vàng, nâu khi bị lẫn các tạp chất. Kiến trúc hạt thô. ðộ bền nhỏ hơn 20MPa.
Thạch cao ñược dùng làm phấn, vật liệu trang trí trong xây dựng hay ñể bó bột trong
y tế.

Nhóm ñá trầm tích hữu cơ ñược thành tạo do sự tích tụ và nén chặt của các
di tích ñộng thực vật. Từ các di tích ñộng vật sẽ tạo thành các loại ñá như ñá vôi vỏ
Hình 1.14
. ðá silvinit
(vùng Solikamsk
–
Liên Xô cũ).
sò, ñá vôi san hô, ñá phấn như ñã trình bày trong nhóm ñá trầm tích carbonat. Từ các
di tích thực vật sẽ tạo thành các loại trầm tích như ñiatomit, opoka (ñá silic), than
bùn hay than ñá…
1.2.6.3. ðá biến chất
ðá biến chất ñược thành tạo từ các ñá magma, trầm tích hoặc biến chất ñã tồn
tại trước ñó do sự tác ñộng mạnh mẽ của nhiệt ñộ cao và áp suất lớn.
Biến chất tiếp xúc xảy ra do sự nung nóng các khối ñá gần kề của dòng magma
xâm nhập.
Biến chất ñộng lực xảy ra do sự ứng suất cục bộ quá lớn làm biến dạng, nứt nẻ
và vỡ vụn ñá.
Biến chất khu vực tác ñộng trên một diện tích rộng lớn bằng sự tăng ñồng thời
của cả nhiệt ñộ và áp suất.
ðá gneis (loại paragneis hay
orthogneis) ñược tạo thành do sự
biến chất của ñá trầm tích hay ñá
magma ban ñầu. Khi ñá biến chất

chuyển tiếp dần từ granit ñến ñá
gneis thì sẽ ñược loại ñá
granitogneis. ðá gneis có cấu tạo
gneis ñiển hình: một dải khoáng vật
sáng màu gồm thạch anh, felspat rồi
tiếp ñến một dải khoáng vật sẫm
màu gồm biotit, horblend. ðá gneis
có ñộ bền cao, từ 80 – 180MPa (hình
1.15).
Hình 1.15. ðá gneis.
Khi hàm lượng mica, clorit và các khoáng vật dạng tấm khác trong ñá khá
nhiều (thường khoảng > 50%) thì sẽ tạo ra trong ñá tính phân phiến và phân lớp
mỏng gọi là các ñá phiến (hình 1.16). Tuỳ theo hàm lượng khoáng vật nào chiếm ưu
thế trong ñá phiến mà người ta có thể gặp ñá phiến mica, ñá phiến sét, ñá phiến
amphibol… Khi trong thành phần của ñá phiến không có mica mà chỉ gồm những hạt
mịn sẽ tạo thành ñá ngói, cứng và có thể tách ra thành từng tấm.







CƠ HỌC ðÁ.
33




Hình 1.16. ðá phiến.

ðối với các ñá cấu tạo khối, tuỳ theo thành phần ñá ban ñầu của chúng mà khi
bị biến chất có thể tạo thành các loại ñá rất khác nhau. ðá vôi khi bị biến chất sẽ tạo
thành ñá hoa với các màu sắc khác nhau có thể dùng ñể tạc tượng hay làm vật liệu
trang trí (hình 1.17). ðá quarzit ñược tạo thành do cát kết thạch anh bị biến chất có
ñộ bền rất cao (tới 350MPa), làm nền cho các công trình xây dựng rất tốt. ðá sừng là
loại ñá biến chất từ các ñá không phân phiến với các hạt rất mịn cũng ñược sử dụng
như một loại vật liệu xây dựng, làm nền công trình xây dựng.
Từ một số ñá thường gặp trong tự nhiên, tiểu
ban phân loại ñá của Hội Cơ học ñá Quốc tế (ISRM)
ñã ñịnh nghĩa các tên ñá chủ yếu và tóm tắt chúng
trong bảng 1.1. Trong Cơ học ñá, ñá phải ñược gọi
tên theo các tên gọi trong bảng tóm tắt này.
1.2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ðÁ
Tập hợp các tính chất của ñất ñá, trước kia
thường gọi là “tính chất cơ - lý” nghĩa là gồm tính
chất cơ học mà ñặc trưng bằng một số chỉ tiêu liên
quan ñến tính chất cơ học của ñá như ñộ bền, tính
chất biến dạng, tính chất lưu biến… và tính chất vật
lý như trọng lượng thể tích, ñộ rỗng, ñộ ẩm… của ñá.
Trong những năm gần ñây, ngoài những tính chất
trên, các ñặc trưng khác của ñá cũng ñược nghiên cứu
tỷ mỷ như tính chất nhiệt (với các ñặc trưng như ñộ
dẫn nhiệt, ñộ giãn nở vì nhiệt…), tính chất ñiện – từ
(như các ñặc trưng ñiện trở suất, ñộ nhiễm từ, ñộ từ
cảm…), tính chất âm học (như các tốc ñộ truyền sóng
ñàn hồi, suất cản sóng…)… nên thuật ngữ “tính chất
cơ - lý” trên trở nên không ñầy ñủ và không chính
xác. Mặt khác, các hiện tượng cơ học, nhiệt học, ñiện
– từ học, âm học… ñều thuộc về vật lý học, nghĩa là
các tính chất cơ học, nhiệt học, ñiện – từ học… ñều là

những phản ứng của ñá trước những trường khác
nhau của vật lý học; cơ học là một phần của vật lý
học nên không thể ñể ngang nhau như một tính chất
cơ - lý… Vì vậy, hợp lý và chính xác hơn, nên gọi tập hợp các tính chất của ñá là các
ñặc trưng của tính chất vật lý của ñá.
Như vậy, nói ñến tính chất vật lý của ñá, nghĩa là nói ñến các chỉ tiêu ñặc trưng
cho hàm lượng tương ñối của các pha trong ñá, các chỉ tiêu của tính chất cơ học, tính
chất nhiệt, tính chất ñiện – từ, tính chất âm học, tính chất phóng xạ… của ñá.
Hình 1.17. Tượng Vệ nữ
ở Milo bằng ñá hoa (tìm
thấy năm 1820).

Từ cuối những năm 1970 của thế kỷ trước, quan niệm này ñã ñược một số nhà
nghiên cứu cơ học ñá Liên Xô cũ như I.A. Turchaninov; M.A. Iofix; E.V. Kaxparjan
nêu ra trong các công trình nghiên cứu của mình cũng như năm 1991, trong công
trình ñã công bố, một số nhà nghiên cứu cơ học ñá của Pháp như J. Grolier, A.
Fernandez, M Hucher và J.Riss cũng có những ý kiến tương tự.

ðịnh nghĩa các tên ñá chủ yếu theo ISRM (1979)
Nhóm nguồn
gốc
Trầm tích Biến chất Magma
Lớp
Phân
phiến
Khối – thớ nứt
Cấu tạo
Mảnh vụn (hạt vụn) Kết tinh hay thuỷ tinh (ẩn tinh)
Các khoáng vật sáng
màu như thạch anh,

felspat, mica và các
khoáng vật giống
felspat
Các
khoáng
vật sáng
và sẫm
mầu
Các
khoáng
vật sẫm
mầu
Cỡ
hạt,
mm
Kiến
trúc
Các hạt là ñá thạch
anh, felspat và
khoáng vật sét
50% các hạt
là carbonat
50% các hạt là
ñá magma hạt
mịn
ðá hoá
học, hữu
cơ
Thạch
anh,

felspat,
khoáng
vật sẫm
mầu hình
kim
Phụ thuộc
ñá mẹ
Axit
Trung
tính
Bazơ Siêu bazơ
Hạt
rất
thô
Pegmatit

Hạt
thô
Hạt là các vụn ñá
Hạt tròn cạnh:
cuội kết
Hạt góc cạnh:
dăm kết
Cuội
kết
chứa
vôi
Hạt tròn
cạnh:
cuội kết.

Hạt góc
cạnh: ñá
dăm kết
núi lửa
Granit ðiorit Gabro




Hạt
vừa
Cát kết: các hạt
chủ yếu là các vụn
khoáng vật
Cát kết thạch anh:
95% thạch anh lỗ
rỗng hay gắn kết
Arko: 75% thạch
anh, tới 23%
felspat, lỗ rống hay
gắn kết
Grauvac: 73%
thạch anh, 15%
nền hạt vụn mịn,
mảnh vụn ñá và
felspat
Cát
kết
chứa
vôi

Micro -
granit
Micro-
ñiorit
ðiabas
Hạt
mịn
Hạt
rất
mịn
Argilit
ðá phiến: argilit
phân phiến
Bột kết: 50% các
hạt mịn
Sét kết: 50% các
hạt rất mịn
ðá vôi
Sét kết
chứa
vôi (ñá
phấn)
Tro núi lửa
Tuf núi
lửa
Các ñá
muối
(halit,
anhyñrit)
Thạch cao

ðá vôi
ðolomit
ðá bùn
Than non
Than ñá
Gneis:
xen kẽ
các dải
khoáng
vật dạng
phiến và
dạng hạt
Quarzit
ðá hoa
Granulit
ðá sừng
Amphibolit
Ryolit Anñesit Bazan


Pyroxe-
nit
và
Periño-tit


Serpenti-
nit

60



2













0,06

0.002
Thuỷ
tinh


ðá sừng
ñá silic
Thuỷ tinh núi lửa: obxiñian, ñá
dầu, tachylit.

36.CH
ð

Bảng 1.1

C¬ häc ®¸.
37

Trong hàng loạt các ñặc trưng trên, tuỳ theo từng yêu cầu cụ thể mà người ta có
thể xác ñịnh và sử dụng các ñặc trưng khác nhau của ñá. Trong phần này chỉ nêu lên
các ñặc trưng, các tính chất cơ bản nhất của ñá thường ñược dùng nhất trong khi tính
toán, thiết kế và xây dựng công trình.
1.2.1. MỘT SỐ CHỈ TIÊU ðẶC TRƯNG CHO HÀM LƯỢNG CÁC PHA
TRONG ðÁ
ðá gồm có 3 pha: rắn, lỏng và khí. Tuỳ theo tỷ lệ hàm lượng các pha có trong
ñá mà làm ñá có thể nặng hay nhẹ, ẩm hay khô; chặt xít hay xốp rỗng… ðể phân biệt
các ñặc tính này, người ta thường dùng một số chỉ tiêu sau:
1.2.1.1. Trọng lượng riêng và khối lượng riêng

Trọng lượng riêng của ñá là trọng lượng một ñơn vị thể tích pha cứng của
nó. Về trị số, trọng lượng riêng ñược tính bằng tỷ số giữa trọng lượng phần cứng của
ñá và thể tích của nó. Trọng lượng riêng thường ñược ký hiệu là γ
s
, ñơn vị tính
thường là kN/m
3
hay MN/m
3
.

γ
s
=
s
s
V
Q
(1.3)
trong ñó: Q
s
là trọng lượng phần cứng của ñá.
V
s
là thể tích phần cứng của ñá.
Trọng lượng riêng của ñá phụ thuộc vào trọng lượng riêng và tỷ lệ thể tích của
các khoáng vật tạo ñá có trong ñá. Biết ñược các khoáng vật tạo ñá và tỷ lệ thể tích
của chúng trong ñá, sẽ tính ñược trọng lượng riêng của ñá theo công thức:

∑
=
γ=γ
n
1i
iss
V .
i
(1.4)
trong ñó: γ
si
là trọng lượng thể tích của khoáng vật tạo ñá thứ i.

V
i
là tỷ lệ thể tích của khoáng vật tạo ñá thứ i trong ñá.
n là số lượng khoáng vật tạo ñá có trong ñá.
ðồng thời với trọng lượng riêng, trong thực tế còn dùng một ñại lượng gọi là tỷ
trọng, là tỷ số giữa trọng lượng riêng của một loại ñá nào ñó so với trọng lượng riêng
của nước. Tỷ trọng là một ñại lượng không có thứ nguyên và ñược xác ñịnh theo
công thức:

n
s
γ
γ
=∆ (1.5)
trong ñó: ∆ là tỷ trọng của ñá.
γ
n
là trọng lượng riêng của nước.

38.
C¬ häc ®¸

Thực tế thường khó xác ñịnh ñược trọng lượng của vật (là sức hút của Trái ðất
vào vật ấy tại một nơi nào ñó) mà chỉ dễ dàng xác ñịnh ñược khối lượng (là số lượng
vật chất có trong vật hay chính xác hơn là ñại lượng xác ñịnh quán tính của vật ấy)
của vật bằng các cách cân khác nhau. Tại các vị trí khác nhau thì trọng lượng của vật
không giống nhau, trong khi khối lượng của vật luôn không ñổi.
Quan hệ giữa trọng lượng và khối lượng của một vật ñã ñược xác lập theo lý
thuyết của vật lý sơ cấp:
P = m.g (1.6)

trong ñó: P là trọng lượng của vật.
m là khối lượng của vật.
g là gia tốc rơi tự do, thay ñổi theo vị trí tại ñiểm ñang xét trên mặt
ñất.
Vì vậy, biết khối lượng của một vật, sẽ dễ dàng tính ñược trọng lượng của nó.
Theo V.N. Kobranova, giá trị trọng lượng riêng của một số loại khoáng vật và
ñá trầm tích có thể thấy trong bảng 1.2.
Bảng 1.2
Tên khoáng vật và
ñá
γ
γγ
γ
s
, kN/m
3
Tên khoáng vật và
ñá
γ
γγ
γ
s
, kN/m
3
Anhydrit
Biotit
Calcit
ðolomit
Halit
Kaolinit

Magnetit
Monmorilonit
Olivin
Orthoclas
28 – 30
26,9 – 31,6
27,1 – 27,2
28 – 29,9
21 – 22
26 – 26,3
49,7 – 51,8
20 – 25,2
31,8 – 35,7
25 – 26,2
Plagioclas
Pyrit
Thạch anh
Bột kết
Cát kết
ðá vôi
ðá phấn
ðolomit
Sét kết
26,1 – 27,6
49,5 – 51
26,5 – 26,6
26,5 – 27,3
26,4 – 26,8
27,0 – 27,4
26,3 – 27,3

27,5 – 28,8
25,5 – 27,0

Khối lượng riêng của ñá là khối lượng một ñơn vị thể tích pha cứng của nó.
Về trị số, khối lượng riêng ñược tính bằng tỷ số giữa khối lượng phần cứng của ñá và
thể tích của nó. Khối lượng riêng thường ñược ký hiệu là ρ
s
, tính bằng g/cm
3
hay
t/m
3
.

s
s
s
V
m
=ρ (1.7)

Cơ học đá.
39

trong ủú: m
s
l khi lng phn cng ca ủỏ.
Cng nh trng lng riờng, khi lng riờng ca ủỏ ph thuc vo thnh phn
khoỏng vt v t l ca cỏc khoỏng vt to ủỏ cú trong ủỏ. Gia khi lng riờng v
trng lng riờng cú mt s liờn h:

s
= g.
s
(1.8)
Nu so sỏnh khi lng riờng ca ủỏ vi khi lng riờng ca nc thỡ s ủc
mt ủi lng gi l t khi, thng ký hiu l D:
D =
n
s


(1.9)
trong ủú:
n
l khi lng riờng ca nc.
T khi l mt ủi lng khụng th nguyờn.
xỏc ủnh khi lng riờng ca ủỏ, phi tớnh ủc khi lng v th tớch
phn cng trong ủỏ. Mun vy, ngi ta cú th dựng nhiu phng phỏp xỏc ủnh
khỏc nhau:
-

Dựng bỡnh ủo th tớch
Bỡnh ủo th tớch l mt bỡnh bng thu tinh c hp v di (ủng kớnh c bỡnh
l 10mm, di 180 200mm) dung tớch khong 120 150cm
3
. Trờn c bỡnh cú cỏc
vch chia chớnh xỏc ti 0,1cm
3
. Phn di ca bỡnh phỡnh to ra.

Chn 2 cc ủỏ ủnh xỏc ủnh khi lng riờng khong 100g, ủem gió trong ci
chy ủng ri sng qua rõy cú ủng kớnh l 2mm. Phn bt ủỏ cũn li trờn mt sng
li ủem gió v tip tc sng.
Ly khong 180g bt ủỏ ủó sng ủem sy nhit ủ 105 110 5
o
C ti khi
lng khụng ủi. Sau khong 2h, ly ra, ủ ngui ti nhit ủ trong phũng ri ủt
trong bỡnh hỳt m.
cht lng (nc ct hay du la) ti ngn di vch 0 ca bỡnh ủo. Tu
theo tớnh cht ca ủỏ m cht lng cú th l nc ct khi ủỏ khụng b ho tan hay du
la, axờtụn khi ủỏ cú cha cỏc mui tan ủc trong nc. Cỏc git cht lng tha
hay dớnh trờn c bỡnh phi ủc thm khụ bng giy lc.
Cõn ly 30g bt ủỏ ủó sy khụ bng cõn phõn tớch, ri ủ vo bỡnh ủo ti khi
no mc cht lng dõng lờn ti vch du 20cm
3
hay mt vch no ủú gn trờn c
bỡnh thỡ thụi. Chỳ ý khụng ủ bt ủỏ bỏm vo c bỡnh.
Quay nh bỡnh xung quanh trc ca nú ủ bt khớ trong bỡnh ni lờn hay cho
vo bỡnh chõn khụng cú ỏp sut bng 20 200mmHg trong 30 ủ ủui ht khớ ra.
Cõn phn bt ủỏ cũn li.
Khi lng riờng ca ủỏ s ủc xỏc ủnh theo cụng thc:

40.
C¬ häc ®¸


V
m-m

c

s
=ρ (1.10)
trong ñó: m là khối lượng bột ñá ñã sấy khô tới khối lượng không
ñổi.
m
c
là khối lượng bột ñá còn lại sau khi thí nghiệm.
V là thể tích chất lỏng dâng lên trong bình ño.
Khối lượng riêng ñược xác ñịnh bằng trị số trung bình số học giữa hai lần ño.
Kết quả thí nghiệm phụ thuộc rất nhiều vào việc ñẩy khí ra khỏi bột ñá.
-

Dùng picnomet (bình ño tỷ trọng)
Phương pháp này hay ñược dùng và kết quả khá chính xác.
Theo ΓOCT 7465 – 55 của Liên Xô cũ thì picnomet có thể là một bình thuỷ
tinh hình cầu cổ dài có ngấn ñánh dấu thể tích hay là một bình thuỷ tinh hình cầu cổ
ngắn, nắp có rãnh mao dẫn, có dung tích 25, 50 hay 100ml.
Với loại bình cầu cổ dài thì dung tích danh nghĩa ñạt ñược khi mực chất lỏng
trùng với ngấn trên cổ bình, còn với loại bình cầu nắp có rãnh mao dẫn, thì là khi trên
ñầu rãnh có thấy chất lỏng.
Cách xác ñịnh khối lượng riêng như sau:
Việc chọn và chuẩn bị mẫu cũng làm tương tự như phương pháp trên.
Rửa sạch bình ño, lau khô và ñem cân trên cân phân tích, ñược khối lượng m
o
.
ðổ ñầy nước cất vào bình ño và ñể cho nước cất có nhiệt ñộ thí nghiệm (18, 20
hay 22
o
C…) ñem cân bằng cân phân tích ñược khối lượng m
1

.
ðổ hết nước cất ra, lau sạch và khô bình ño rồi ñổ vào bình khoảng 10g bột ñá
ñã sấy khô tới khối lượng không ñổi, rồi ñem cân, ñược khối lượng m
2
.
ðể ñẩy hết khí ra khỏi bột ñá, người ta ñổ chất lỏng không hoà tan (nước cất,
dầu lửa, cồn… tuỳ theo tính chất của từng loại ñá) tới khoảng 1/2 hay 2/3 thể tích
bình ño.
ðun sôi trên bếp cát (không ñể cho chất lỏng trào ra ngoài) trong khoảng 20 –
30’. Việc ñẩy khí ra khỏi bột ñá cũng có thể thực hiện trong bình chân không.
Làm nguội bình ño trong chậu nước, ñem hút chân không và ñổ chất lỏng tới
vạch ngấn thật chính xác.
Lau khô bình ño rồi ñem cân, ñược khối lượng m
3
.
Khối lượng riêng của ñá sẽ ñược xác ñịnh theo công thức:

(
)
( ) ( )
23o1
clo2
s
mmmm
. mm

−−−
ρ
−
=ρ (1.11)

ðặt m
2
– m
o
= m