Về vấn đề xác định cường độ kháng cắt của khối đá

VÒ vÊn ®Ò x¸c ®Þnh c-êng ®é kh¸ng c¾t cña khèi ®¸<br /> Bùi Khôi Hùng*<br /> Công ty Tư vấn xây dựng điện 1<br /> Km 9 Nguyễn Trãi<br /> Tel/Fax: 8543188, 8544140<br /> <br /> About determination of the shear strength of rockmass<br /> Abstract: This paper presents the methods determining the shear strength<br /> of rockmass and mentioning that the design values of shear strength in<br /> standard TCVN 4253.86 is rather low, it is only used to calculate the<br /> stability of dam on rock foundation corresponding to standard TCXDVN<br /> 285: 2002, it shouldn't used to design tunnel and slope. The author<br /> recommends to use the value of shear strength of intact rock (rock bridge)<br /> and of joints in standard TCVN 4253.86, combines with the joint<br /> persistence ratio determining in the field to calculate the real shear strength<br /> of rockmass, this received value should be used to calculate the stability of<br /> tunnel and slope.<br /> <br /> Cường độ kháng cắt là chỉ tiêu quan trọng để cắt của khối đá được sử dụng cho các giai đoạn<br /> tính toán ổn định của đập, của các mái dốc và thiết kế ban đầu, qua bảng có một số nhận xét<br /> công trình ngầm được xây dựng trên nền đá và như sau:<br /> trong khối đá. Tuy nhiên việc xác định góc ma ( Cường độ kháng cắt khi mặt trượt cắt qua<br /> sát và lực dính của khối đá là một nhiệm vụ rất tiếp xúc bê tông - nền đá và khi cắt qua khối đá<br /> khó khăn vì khối đá là một môi trường đặc biệt (một phần theo khe nứt và một phần qua đá<br /> luôn tồn tại các khe nứt. Trong những thập kỷ nguyên khối) là như sau:<br /> qua, các nhà khoa học trên thế giới đã tập trung ( Giá trị tính toán của khối đá có tg( lớn nhất là<br /> nhiều công sức giải quyết vấn đề này để đáp 0,95 (tức là ( = 43o, 30) và lực dính lớn nhất là C<br /> ứng các đòi hỏi cấp bách của việc xây dựng các = 0,4 MPa.<br /> công trình lớn trên nền đá. Bài báo này điểm qua Theo quy phạm của Trung Quốc thì trong giai<br /> các phương pháp xác định cường độ kháng cắt đoạn nghiên cứu khả thi có thể kiến nghị cường<br /> của khối đá và nêu lên một số vấn đề còn tồn tại độ kháng cắt của khối đá ở nền đập theo bảng<br /> cần trao đổi. sau:<br /> 1. Các phương pháp xác định cường độ Bảng 1<br /> kháng cắt của khối đá<br /> 1.1. Xác định theo quy phạm: Phân Tiếp xúc bê tông -<br /> Khối đá<br /> Trong hệ thống quy phạm hiện hành của Việt loại khối nền đá<br /> Nam, chỉ có tiêu chuẩn TCVN 4253.86 (nền các đá tg( C (MPa) tg( C (MPa)<br /> công trình thủy công) là đề cập đến cường độ I 1,5-1,3 1,5-1,3 1,6-1,4 2,5-2,0<br /> kháng cắt của khối đá, tiêu chuẩn này được dịch II 1,3-1,1 1,5-1,3 1,4-1,2 2,0-1,5<br /> từ XniP II-16-76 và sau này là XniP 2.02.02.85 III 1,1-0,9 1,1-0,7 1,2-0,8 1,5-0,7<br /> của Liên Xô. Trong tiêu chuẩn này đã giới thiệu IV 0,9-0,7 0,7-0,3 0,8-0,55 0,7-0,3<br /> bảng kiến nghị giá trị tính toán cường độ kháng V 0,7-0,4 0,3-0,05 0,55-0,1 0,3-0,05<br />  Ghi chú: Đá loại I là đá cứng, nguyên vẹn. Đá thuộc vào ứng suất thẳng đứng, thấy rằng đó<br /> loại II là đá cứng, khá nguyên vẹn: hoặc đá khá là quan hệ phi tuyến.<br /> cứng, nguyên vẹn. Đá loại III là đá cứng, nứt nẻ; 1.3. Xác định cường độ chống cắt của khối<br /> hoặc đá khá cứng khá nguyên vẹn; hoặc đá đá bằng cách giải bài toán ngược<br /> tương đối mềm, nguyên vẹn. Đá loại IV là đá Hiện nay ở Việt Nam đã xây dựng nhiều<br /> cứng, nứt nẻ mạnh; hoặc đá tương đối cứng, nứt công trình thủy điện và giao thông có quy mô<br /> nẻ; hoặc đá mềm nguyên vẹn đến khá nguyên lớn nên đã hình thành nhiều mái dốc cao<br /> vẹn. Đá loại V là đá tương đối mềm, nứt nẻ<br /> trong các loại đất đá khác nhau, do đó việc<br /> mạnh; hoặcd dá mềm, nứt nẻ tới nứt nẻ mạnh;<br /> đo vẽ, thu thập các tài liệu địa chất và giải<br /> hoặc đá rất mềm nứt nẻ rất mạnh.<br /> bài toán ngược về sự ổn định của các mái<br /> Thấy bảng trên có những khác biệt với<br /> dốc đã tồn tại sau nhiều năm tháng sẽ cho<br /> TCVN 4253-86 như sau:<br /> các thông tin tin cậy nhất về tính chất của<br /> ( Cường độ kháng cắt của khối đá cao hơn<br /> khối đá. Việc sử dụng chương trình SLOPE<br /> của tiếp xúc bê tông - nền đá.<br /> làm cho việc giải bài toán ngược trở nên<br /> ( Cường độ kháng cắt của khối đá có tg(<br /> nhanh chóng và đơn giản.<br /> lớn nhất là 1,6 và lực dính lớn nhất là 2 MPa,<br /> 1.4. Xác định cường độ kháng cắt của khối<br /> như vậy giá trị tg gấp 1,7 lần và C gấp 5 lần<br /> đá theo tiêu chuẩn Hoek - Brown (chương<br /> so với TCVN 4253-86.<br /> trình Roclab)<br /> 1.2. Xác định bằng các thí nghiệm địa cơ<br /> Xuất phát từ thí nghiệm cắt 3 trục một mẫu<br /> học ngoài trời<br /> đá, các ông đã đề xuất ý tưởng cắt 3 trục một<br /> Từ những năm 70 tại công trình thủy điện<br /> khối đá lớn dựa trên cơ sở tiêu chuẩn Hoek-<br /> Hòa Bình đã tiến hành thí nghiệm xác định<br /> Brown và các giá trị đặc trưng cho khối đá đã<br /> cường độ chống cắt của tiếp xúc bê tông nền<br /> được sử dụng rộng rãi trên thế giới là RMR<br /> đá theo quy trình (-01-73 của Nga. Mỗi xê ri<br /> và Q.<br /> thí nghiệm ở đáy hầm gồm 3 bệ bê tông đổ<br /> Hiện nay đã phát hành chương trình<br /> trên nền đá, bệ băng bê tông cốt thép có tiết<br /> Roclab dựa trên cơ sở tiêu chuẩn phá hủy<br /> diện 70,7 x 70,7cm, cao 65cm, phải bố trí sao<br /> Hoek-Brown sử dụng rất thuận tiện, đó là một<br /> cho lực thẳng đứng và lực đẩy phải cùng đi<br /> bước tiến lớn trong lĩnh vực nghiên cứu cơ<br /> qua tâm đáy bệ để tránh mômen uốn. Mỗi bệ<br /> học đá. Để tính được cường độ kháng cắt<br /> được cắt với 1 tải trọng thẳng đứng khác<br /> của khối đá cần biết 4 thông số đầu vào là<br /> nhau, hướng tác dụng lực cắt là từ thượng<br /> cường độ kháng nén của mẫu đá, giá trị GSI<br /> lưu về hạ lưu.<br /> (GSI = RMR89-5), giá trị mi (phụ thuộc vào<br /> Tại một số công trình thủy điện điện đã<br /> loại đá, được xác định bằng nén 3 trục hoặc<br /> tiến hành thí nghiệm xác định lực chống cắt<br /> tra bảng) và mức độ phá hủy D của khối đá<br /> của khối đá theo phương pháp cắt trực tiếp<br /> do nổ mìn.<br /> (ASTM 454-85). Mỗi xêri thí nghiệm gồm 5<br /> Dưới đây là bảng so sánh các kết quả thí<br /> trụ đá nguyên, trụ đá được gia công ở đáy<br /> nghiệm địa cơ học ngoài trời trong khối đá<br /> hầm có tiết diện 70 x 70cm, cao 35cm. Mỗi<br /> granit và kết quả tính theo chương trình<br /> trụ được cắt với 1 tải trọng thẳng đứng khác<br /> Roclab tại công trình thủy điện Sê San 3<br /> nhau, từ các kết quả nhận được của 5 trụ đá,<br /> đang được xây dựng:<br /> vẽ biểu đồ cường độ cắt đỉnh và còn dư phụ<br />  Bảng 2<br /> <br /> Xác định Đới IIA Đới IIB<br /> cường độ Vị trí Khi phá hủy Giá trị còn dư Khi phá hủy Giá trị còn dư<br /> chống cắt theo (độ C MPa (độ C MPa (độ C MPa (độ C MPa<br /> Tiếp xúc bê Hầm 1 42,18 0,65 42,18 0,33 43,48 1,30 43,48 0,23<br /> tông - đá Hầm 2 43,48 0,78 43,48 0,13 43,48 0,98 40,48 0,16<br /> Hầm 1 53,12 1,17 48,30 0,24 54,16 1,22 48,59 0,14<br /> Trụ đá<br /> Hầm 2 56,48 0,65 48,54 0,28 59,23 0,80 47,43 0,14<br /> Chương trình<br /> Hầm 2 56 1,21 60 1,89<br /> Roclab<br /> <br /> Ghi chú: Để tính chương trình Roclab các thông số đầu vào của đá đới IIA là GSI - 63, (c = 60<br /> MPa, mi = 25, D = 0,3, của đá đới IIB là GSI - 70, (c = 90 MPa, mi = 25, D = 0,3.<br /> <br /> Từ bảng 2 thấy rằng kết quả tính lực chống hoa hồng, hệ số k thay đổi từ 0,2 đến 0,772.<br /> cắt theo chương trình Roclab là chấp nhận được Cường độ kháng cắt dọc mặt phá hủy dự kiến<br /> và cường độ chống cắt của thí nghiệm các trụ đá được xác định như sau:<br /> lớn hơn hẳn các số liệu kiến nghị trong TCVN C = (1 - k) Cr + k Cj<br /> 4253-86. tg( = (1-k) tg(r + ktg(j<br /> 1.5. Xác định cường độ chống cắt theo hệ số Trong đó Cr và tg(r là lực dính và góc ma sát<br /> liên tục của các khe nứt của cầu đá nguyên vẹn, Cj và tg(j là của khe nứt.<br /> Đối với 1 khối đá nứt nẻ, phá hủy sẽ phát triển<br /> theo một đường cắt qua các khe nứt của một hệ Theo mặt trượt phá hủy dự kiến ở nền đập Tam<br /> và các cầu đá nguyên vẹn, do đó cần xác định hệ Hiệp có phương 133,5o đã tính được hệ số liên tục<br /> số liên tục của khe nứt (joint persistence ratio) dọc của khe nứt k = 0,726. Cường độ kháng cắt của<br /> theo mặt phá hủy. Để tính được hệ số này cần đo cầu đá nguyên vẹn là ( = 59,50o, C = 2 MPa, của<br /> chiều dài của từng đoạn khe nứt và chiều dài của khe nứt là ( = 35o, C = 0,2 MPa, từ các công thức<br /> từng cầu đá giữa đầu mút của các khe nứt trùng trên đã tính được mặt phá hủy dự kiến theo<br /> với đường phá hủy. Theo Jennings (1970), hệ số phương 133,5o có ( = 44,20o, C = 0,69 MPa.<br /> liên tục k được xác định theo công thức sau:<br /> 2. Bàn về cường độ chống cắt của khối đá<br /> (JL<br /> được kiến nghị trong TCVN 4253.86<br /> k=<br /> Trong tiêu chuẩn này đã kiến nghị 3 loại<br /> (JL + (RBR<br /> cường độ chống cắt của nền đá:<br /> Trong đó (JL là tổng chiều dài của các khe<br /> ( Khi mặt phá hủy hoàn toàn không trùng với<br /> nứt và (RBR là tổng chiều dài của các cầu đá<br /> các khe nứt và mặt tiếp xúc bê tông - nền đá tức<br /> dọc theo mặt phá hủy dự kiến.<br /> là khi mặt phá hủy cắt qua các cầu đá.<br /> Tại công trình thủy điện Tam Hiệp (Trung<br /> ( Khi mặt phá hủy cắt qua các khe nứt và các<br /> Quốc), để tính ổn định của đập bê tông và nhà<br /> cầu đá.<br /> máy thủy điện sau đập trên nền đá, đã đo vẽ và<br /> ( Khi mặt phá hủy hoàn toàn cắt qua các khe<br /> xác định hệ số liên tục của khe nứt theo các<br /> nứt lấp đầy cát và sét có chiều rộng nhỏ hơn<br /> phương khác nhau và đã biểu diễn bằng đồ thị<br /> 2mm, 2 đến 20mm và lớn hơn 20mm.<br />  Sử dụng cường độ chống cắt của cầu đá và dùng ở công trình Tam Hiệp, ta có thể tính được<br /> của các khe nứt được kiến nghị trong TCVN cường độ chống cắt của khối đá (mặt phá hủy đi<br /> 4253.86, áp dụng công thức Jennings đã được qua các khe nứt và các cầu đá).<br /> Bảng 3<br /> <br /> Đá có cường độ kháng nén, 1 trục lớn hơn 50 MPa, dạng khối, dạng phân<br /> lớp, dạng phiến, nứt nẻ vừa, phong hóa yếu<br /> Cầu đá Các khe nứt có chất lấp đầy là sét và cát có chiều rộng<br /> (mm) như sau<br /> tg(/( (độ) C Nhỏ hơn 2 2 đến 20 Lớn hơn 20<br /> (MPa) tg(/( (độ) C tg(/( (độ) C tg(/( (độ) C<br /> (MPa) (MPa) (MPa)<br /> Cường độ kháng cắt<br /> của cầu đá và của các<br /> 2,4/ 0,8/ 0,55/<br /> khe nứt có chiều rộng 4 0,15 0,7/35 0,1 0,05<br /> 67,38 38,66 28,81<br /> khác nhau theo tiêu<br /> chuẩn TCVN 4253.86<br /> Cường độ kháng cắt<br /> của khối đá (mặt phá tg(/( = 0,85/40,36 C = 0,3<br /> hủy cắt qua các khe nứt<br /> và qua các cầu đá) theo<br /> TCVN 4253.86<br /> Cường độ kháng cắt<br /> của khối đá tính theo<br /> Jennings khi mặt phá<br /> 1,23/<br /> hủy cắt qua các khe nứt 1,16/ 0,75 1,05/<br /> 51,07 0,79 0,72<br /> có chiều rộng khác 49,37 46,58<br /> nhau và có hệ số liên<br /> tục của khe nứt là<br /> 72,6%<br /> <br /> Qua các bảng đã nêu trên thấy rằng giá trị tính toán của cường độ kháng cắt của khối đá kiến nghị<br /> trong TCVN 4253.86 là thấp hơn khá nhiều so với các kết quả thí nghiệm ngoài trời cũng như kết quả<br /> tính theo các phương pháp Hoek-Brown và Jennings. Đó là vì các nước Phương Tây cũng như<br /> Trung Quốc khi thiết kế đập bê tông trên nền đá đã sử dụng cường độ kháng cắt của khối đá gần<br /> như theo kết quả thí nghiệm và đập có hệ số an toàn chống trượt trong điều kiện tải trọng bình<br /> thường là 2-3, trong khi đó TCXDVN 285:2002 vẫn giữ nguyên mặt cắt đập như các nước nhưng lại<br /> hạ thấp hệ số an toàn còn k = 1,315, do đó phải hạ thấp chỉ tiêu chống trượt của khối đá. Hiện nay<br /> nhiều cơ quan tư vấn nghĩ rằng cường độ chống cắt của khối đá nêu trong TCVN 4253.86 là sát với<br /> thực tế và đã sử dụng các giá trị này để thiết kế tuynen và mái dốc, gây lãng phí lớn.<br /> Trên cơ sở các trình bày ở trên có thể rút ra một số kiến nghị như sau:<br /> - Các giá trị tính toán cường độ kháng cắt của khối đá kiến nghị trong TCVN 4253.86 chỉ sử dụng<br /> để tính ổn định của đập trên nền đá theo TCXDVN 285:2002 (Công trình thủy lợi: Các quy định chủ<br /> yếu về thiết kế).<br /> - Các giá trị cường độ kháng cắt này là thấp khá nhiều so với thực tế, không nên sử dụng để thiết<br /> kế tuy nen và mái dốc.<br /> - Có thể sử dụng cường độ kháng cắt của đá nguyên vẹn (cầu đá) và của các khe nứt có chiều<br /> rộng khác nhau nêu trong TCVN 4253.86 để tính cường độ kháng cắt thật của khối đá bằng cách đo<br /> vẽ tại các vết lộ hoặc hố móng để xác định các thông số của các hệ khe nứt và hệ số liên tục của khe<br /> nứt theo các phương khác nhau, bằng công thức Jennings tính được ( và C của mặt trượt phá hủy<br /> dự kiến theo từng phương khác nhau. Khi tính toán sự ổn định của các tuynen và mái dốc cần lập mô<br /> hình khe nứt và sử dụng cường độ kháng cắt của mặt trượt được xác định theo các hệ số liên tục<br /> của các hệ khe nứt.<br /> <br /> Tài liệu tham khảo<br /> 1. Các công trình thủy lợi: Các quy định chủ yếu về thiết kế TCXDVN 285: 2002<br /> 2 Evert Hoek. Rock enginnering.2000.<br /> 3. Large dams in China, a fifty year review. Beijing 2000.<br /> 4. Nền các công trình thủy công TCVN 4253.86<br /> 5. Quy phạm khảo sát thăm dò địa chất công trình thủy lợi thủy điện (Tiêu chuẩn nhà nước CHND<br /> Trung Hoa), Bắc Kinh 1993.<br />