CHƯƠNG 1:ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN ĐẠI CƯƠNG §1. TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ THUỶ LÝ CỦA ĐẤT ĐÁ I. TÍNH CHẤT VẬT LÝ. Từ môn học "Địa chất công trình" chúng ta đã biết rằng vật liệu cấu tạo nên vỏ Quả Đất được chia làm 2 loại: đất và đá.
Đất là những vật thể rời (hạt đất) được sắp xếp với nhau theo những quy luật nhất định. Giữa các hạt đất là lỗ rỗng. Đá là môi trường liên tục hơn, tuy nhiên không phải là tuyệt đối. Trong đá có các lỗ rỗng và khe nứt ở các mức độ và kích thước khác nhau.
Nước dưới đất có thể chứa trong bản thân hạt đất, hút và giữ lại bao quanh hạt đất hoặc nằm trong khoảng rỗng giữa các hạt đất hoặc trong các kẽ nứt của đá. Như vậy, tính chất vật lý của môi trường quyết định hình thức tồn tại của nước và khả năng vận động của chúng trong môi trường đó. Vì vậy, trước tiên chúng ta phải nghiên cứu các tính chất vật lý của môi trường liên quan đến sự thấm. Thành phần hạt.
Đối với môi trường đất, thành phần hạt quyết định độ lỗ rỗng và kích thước lỗ rỗng ở trong đất, gián tiếp phản ánh mức độ phân tán của các hạt đất. Chỉ tiêu "thành phần hạt" thể hiện hàm lượng của các hạt có đường kính khác nhau trong môi trường, thường được biểu diễn bằng biểu đồ đường cong tích luỹ (hình 1. Người ta thường dùng chỉ tiêu thành phần hạt để phân loại đất, gọi tên đất. Có nhiều phương pháp phân loại được áp dụng đối với những yêu cầu thực tế khác nhau.
100 90 0,0016 ##### ##### 0,011 0,015 0,027 0,042 0,075 0,18 0,425 2 4,75 9,5 19 37,5 75 10,9 16,2 80 20,6 23,7 26,2 31,5 36,4 44,9 57,3 69,2 85,1 94,3 98,4 100 100 P hÇn tr¨m tÝch luü 70 60 50 40 30 20 10 0 0,00 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 §−êng kÝnh h¹t, mm Hình 1. Một biểu đồ thành phần hạt của đất. Một chỉ tiêu hỗ trợ trong việc đánh giá môi trường lỗ rỗng là "hệ số không đồng nhất" của hạt đất. Hệ số không đồng nhất là chỉ tiêu thể hiện mức độ không đồng đều của đất và được xác định theo công thức: D60 Cu = (1.1) D10 7 trong đó: D60 - đường kính cỡ hạt mà hàm lượng các hạt có đường kính bằng hoặc nhỏ hơn nó chiếm 60% trọng lượng.
D10 - đường kính cỡ hạt mà hàm lượng các hạt có đường kính bằng hoặc nhỏ hơn nó chiếm 10% trọng lượng. Khi Cu < 3 đất được coi là đều hạt; khi Cu > 5, đất có cấp phối tốt. Thành phần hạt của đất ảnh hưởng rất lớn đến vận tốc thấm của nước ở trong đất. Độ lỗ rỗng - độ nứt nẻ.
Độ lỗ rỗng của đất là tỷ số giữa thể tích phần rỗng ở trong đất so với tổng thể tích đất và được tính theo công thức: Vr n= .2) V trong đó: Vr - tổng thể tích của các lỗ rỗng ở trong mẫu đất. V - tổng thể tích mẫu đất. Mức độ xốp rỗng của đất cũng có thể được đặc trưng bởi một đại lượng khác gọi là hệ số rỗng e. Hệ số rỗng là tỷ số giữa thể tích phần rỗng ở trong đất chia cho thể tích phần hạt rắn của đất.3) Vh trong đó: Vr - tổng thể tích của các lỗ rỗng ở trong mẫu đất.
Vh - tổng thể tích phần hạt cứng của đất. Quan hệ giữa hai đại lượng trên có thể được thể hiện thông qua phương trình sau: n e= (1.4) 1− n Đối với đá, ngoài khái niệm độ lỗ rỗng còn phải xét đến độ nứt nẻ - cũng là một khái niệm đặc trưng cho tính rỗng của đá. Đối với đá macma phun trào, đặc biệt phun trào dưới đáy biển thì có độ lỗ rỗng rất cao. Đối với các đá macma xâm nhập, các đá biến chất thì độ lỗ rỗng hầu như không đáng kể nhưng ngược lại độ nứt nẻ lại rất cao.
Để đánh giá mức độ nứt nẻ của đá người ta đưa ra một số chỉ tiêu: - Môđun nứt nẻ M - là số lượng kẽ nứt trên một mét dài đo theo phương vuông góc với kẽ nứt. Căn cứ vào giá trị M người ta phân loại mức độ nứt nẻ của đá ra làm 5 cấp: + Nứt nẻ rất yếu M< 1,5 + Nứt nẻ yếu 1,5 ÷ 5 + Nứt nẻ trung bình 5 ÷ 10 + Nứt nẻ mạnh 10 ÷ 30 + Nứt nẻ rất mạnh M > 30 8 Môđun kẽ nứt phản ánh mức độ nứt nẻ của đá nhưng không phản ánh được mức độ suy giảm tính chất của đá vì không thể hiện kích thước kẽ nứt. Một chỉ tiêu khác có thể khắc phục nhược điểm đó, đó là hệ số khe nứt. - Hệ số khe nứt Kkn - là tổng diện tích khe nứt trên một đơn vị diện tích nghiên cứu: K kn = ∑b l i i (1.5) F trong đó: bi, li – chiều rộng, chiều dài của khe nứt thứ i, m F- diện tích nghiên cứu, m2 Theo hệ số khe nứt Kkn Nayxtat L.
chia ra các mức độ nứt nẽ khác nhau của đá (bảng 1. Phân loại mức độ nứt nẽ của đá Mức độ nứt nẻ Kkn (%) Tính chất khe nứt Nứt nẻ yếu <2 Phát triển khe nứt mãnh dạng sợi tóc, chiều rộng 1mm, cá biệt 2mm, không có khe nứt vừa và lớn. Nứt nẻ vừa 2÷5 Ngoài các khe nứt mãnh chiều rộng 1mm (chiếm 50%) còn có khe nứt rộng 2 ÷ 5, cá biệt đến 5 ÷ 20mm Nứt nẻ mạnh 5 ÷ 10 Ngoài các khe nứt nhỏ còn có các khe nứt rộng 20 ÷ 100mm chiếm khoảng 10 ÷ 20% Nứt nẻ rất 10 ÷ 20 Ngoài các khe nứt nhỏ còn có các khe nứt lớn đến rất mạnh lớn, chiều rộng 20 ÷ 100mm và hơn nữa Nứt nẻ đặc biệt > 20 Đá ở đới cà nát, đá karst hoá, đá đổ, đá trượt mạnh 3. Tỷ diện tích bề mặt Tỷ diện tích bề mặt hay còn gọi là tỷ bề mặt, là tổng diện tích bề mặt của của tất cả các hạt cứng trong một đơn vị thể tích đất và được biểu diễn bằng đơn vị diện tích.
Đất hạt càng mịn, tỷ bề mặt càng lớn (hình 1.2) Tỷ bề mặt là một chỉ tiêu phụ thuộc vào thành phần hạt của đất. Cùng một hệ số rỗng, hạt càng bé tỷ bề mặt càng lớn. Tỷ bề mặt sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng vận động của nước ở trong đất. Sơ đồ biểu diễn tỷ diện tích bề mặt của hạt đất.
TÍNH CHẤT THUỶ LÝ Tính chất thuỷ lý của đất đá là những tính chất thể hiện khi đất đá tiếp xúc với nước. Trong chương trình này chúng ta nghiên cứu một số tính chất thuỷ lý chủ yếu sau: 1. Tính hút và giữ nước Là khả năng của một số loại đất đá hút và giữ lại một lượng nước nhất định trong bản thân chúng trong điều kiện có dòng chảy tự do. Tuỳ thuộc vào đặc điểm thạch học, mức độ gắn kết, cấu trúc lỗ rỗng người ta chia đất đá ra làm 3 loại theo mức độ hút và giữ nước: 1.
Đất đá giữ nước tốt, ví dụ, than bùn, sét, sét pha,. Đất đá giữ nước kém, ví dụ, cát pha, đất hoàng thổ, macnơ,. Đất đá không giữ nước, ví dụ, cát, sỏi, các đá liền khối. Đất đá hút và giữ nước thì bị ẩm, vì vậy, để đặc trưng cho mức độ giữ nước của đất đá người ta đưa ra chỉ tiêu "độ ẩm".
Độ ẩm là tỷ số giữa khối lượng nước chứa trong đất đá Gn với khối lượng của chính khối đất đá đó Gđ. Tính nhả nước Là khả năng của đất đá bão hoà nước cho nước thoát ra dưới tác dụng của lực trọng trường. Để đặc trưng cho tính nhả nước người ta dùng hệ số nhả nước hay độ nhả nước, ký hiệu là μ: μ = Wbh − W pt ln (1.7) 10 Trong đó Wbh - độ chứa nước bão hoà, tức là lượng nước lớn nhất chứa trong đất đá khi đất đá bão hoà; Wptln - độ chứa nước phân tử lớn nhất, tức là lượng nước lớn nhất bị hút và giữ lại trên bề mặt hạt do lực hút phân tử. Cát, cuội, sỏi có độ nhả nước lớn nhất.
Sét, than bùn không nhả nước. Tính thấm nước Là khả năng của đất đá cho nước vận động qua bản thân chúng do sự chênh lệch áp lực thuỷ tĩnh. Tính thấm nước của đất đá phụ thuộc vào độ lổ rỗng và kích thước lỗ rỗng, trong đó kích thước lỗ rỗng có vai trò lớn hơn nhiều. Tính thấm nước của đất đá được đặc trưng bởi hệ số thấm, ký hiệu là k.
Dựa vào tính thấm nước người ta chia đất đá ra làm các loại. - Đất đá thấm nước tốt, ví dụ như cát cuội sỏi, đá cứng nứt nẻ mạnh,. - Đất đá thấm nước kém: sét pha, cát pha, đá cứng ít nứt nẻ,. - Đất đá không thấm nước: sét, đá cứng liền khối,.
Hệ số thấm k không chỉ phụ thuộc vào bản thân môi trường đất đá mà còn phụ thuộc vào trạng thái vật lý của chất lỏng thấm. Khi chất lỏng thấm trong đất đá là nước muối, nước có nồng độ khí hoà tan cao, nước có nhiệt độ cao hoặc dầu lửa, sử dụng hệ số thấm k để tính toán có thể cho kết quả không đúng. Trong những trường hợp đó người ta dùng hệ số thấm xuyên kx. Hệ số thấm xuyên là tính chất của đất đá cho khí hoặc chất lỏng nói chung vận động qua bản thân chúng khi có chênh áp hoặc thế.
Hệ số thấm xuyên không phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng mà chỉ phụ thuộc vào kích thước và đặc điểm lỗ rỗng của đất đá. Hệ số thấm xuyên liên quan với hệ số thấm bằng công thức sau đây: k kx = (1.8) γn μ trong đó γ - trọng lượng riêng của nước; μ- hệ số nhớt động của chất lỏng. Tính mao dẫn Là khả năng của đất cho nước dâng lên từ mặt thoáng một chiều cao nhất định. Chiều cao cột nước dâng lên trên mặt thoáng gọi là chiều cao mao dẫn.
Sự dâng cao mực nước trong các lỗ rỗng mao quản trong đất xảy ra do sức căng bề mặt của nước. Chiều cao mao dẫn được xác định theo công thức: 2σ cos θ H= (1.9) rγ n trong đó: σ - sức căng bề mặt θ - góc ướt r - bán kính lỗ rỗng γn -trọng lượng riêng của nước Chiều cao mao dẫn phụ thuộc vào loại đất. Đất hạt càng mịn, kích thước lỗ rỗng càng nhỏ, chiều cao mao dẫn càng lớn. Chiều cao mao dẫn của cát hạt trung 0,15-0,35m trong khi đó của sét có thể đạt đến 4,0-5,0m.
SỰ HÌNH THÀNH VÀ TỒN TẠI CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT I.
