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