Xác định cường độ lực liên kết của khối đá theo các thông số độ bền của mẫu đá và chỉ số khối đá RMR

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 12 XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ LỰC LIÊN KẾT CỦA KHỐI ĐÁ THEO CÁC THƠNG SỐ ĐỘ BỀN CỦA MẪU ĐÁ VÀ CHỈ SỐ KHỐI ĐÁ RMR NGUYỄN SỸ NGỌC*, PHẠM QUỐC TUẤN** The estimate of rock-mass cohesion by a function of intact rock parameters and the RMR values Abstract: The rock-mass cohesion is a parameter important when using Mohr-Coulomb model. The Mohr-Coulomb model is an elastoplastic model based on the Mohr-Coulomb failure criterion and is the most common model in the context of geotechnical modeling. When using model, it is essential to estimate cohesion and internal friction angle. This paper reviews the estimate of rock-mass cohesion as function of intact rock parameters and the RMR (Rock Mass Rating system) values. Keywords: RMR, rock-mass properties, Mohr-Coloumb failure criterion, intact rock properties, rock-mass classification, shear strength, rock-mass strength, intact rock strength. ĐẶT VẤN ĐỀ* Khi tính tốn nền mĩng, ổn định cơng trình với trượt thì cần phải cĩ các số liệu về các thơng số sức chống cắt của khối đá, mà cụ thể là cường độ lực liên kết c và gĩc ma sát trong của khối đá. Việc xác định trực tiếp các thơng số này với khối đá nĩi chung là phức tạp, tốn kém. Vì vậy, người ta thường muốn sử dụng những phương pháp đơn giản hơn, nhanh hơn hay những cơng thức thực nghiệm đơn giản, ngắn gọn hơn, dễ áp dụng hơn và cũng đảm bảo một độ tin cậy nhất định. Đối với gĩc ma sát trong, thơng số này sẽ được đề cập sau, ở đây chỉ trình bày những phương pháp xác định cường độ lực liên kết của khối đá. Trước kia, người ta đã sử dụng các cơng thức * Bộ mơn Địa kỹ thuật, khoa Cơng trình, Đại học Giao thơng Vận tải DĐ: 0904364356 Email: cogn1945@gmail.com; ** Cơng ty TNHH Tư vấn Đầu tư Xây dựng Điện lực; DĐ: 0932218599 E-mail: tanpq81@gmail.com; thể hiện quan hệ giữa cường độ lực liên kết của mẫu đá và của khối đá như của K. Terzaghi: (1) trong đĩ: ck – là cường độ lực liên kết của khối đá; c- là cường độ lực liên kết của mẫu đá; Al – là diện tích phần đá liên tục (của các cầu đá) trong tồn bộ diện tích mặt đá định xét A. hay cơng thực của G.L. Fixenko (1965) khi khối đá bị phân cắt bởi các khe nứt hầu như vuơng gĩc với nhau: (2) hoặc khi khối đá bị phân cắt bởi những khe nứt ngiêng, chéo nhau: (3) trong đĩ: a- hệ số, phụ thuộc vào độ bền và các đặc trưng nứt nẻ của đá, cĩ giá trị thay đổi từ 0,5 (với đá sét -cát khơng chặt, phong hĩa mạnh) tới 10 (với đá phun trào bền chắc). ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 13 H/l - là tỉ số giữa chiều cao của khối đá và kích thước trung bình của các tảng nứt nẻ do các khe nứt tạo thành. c’- là cường độ lực liên kết giữa các tảng đá riêng biệt. Như vậy, các cơng thức trên đều mới chỉ dựa vào diện tích, kích thước bên ngồi, loại đá mà chưa kể đến nhiều các yếu tố bên trong và các tác động bên ngồi đến khối đá nứt nẻ, mà chính các yếu tố này lại ảnh hưởng lớn đến cường độ lực liên kết của khối đá. 1. PHÂN LOẠI KHỐI ĐÁ THEO CHỈ SỐ KHỐI ĐÁ RMR Z.T. Bieniawski (1973) đã phân loại khối đá theo chỉ số khối đá RMR dựa trên 6 thơng số và được biểu diễn theo cơng thức: + (4) trong đĩ: - là điểm số xét tới độ bền nén một trục của đá, cĩ giá trị từ 0-:-15 tương ứng với độ bền nén một trục tới ; là điểm số xét tới chỉ số chất lượng đá RQD của đá, cĩ giá trị từ 3-:-20, ứng với RQD của đá từ <25 tới 100%. là điểm số xét đến khoảng cách giữa các mặt gián đoạn (các khe nứt), cĩ giá trị từ 5- :-20 khi khoảng cách giữa các khe nứt từ 2m; là điểm số xét tới đặc điểm của các khe nứt như độ nhám, độ mở, chất lấp đầy khe nứt, cĩ giá trị từ 0-:-30 tùy theo đặc điểm của các khe nứt tương ứng với các loại từ E tới A. là điểm số xét tới ảnh hưởng của nước ngầm trong khối đá, cĩ giá trị từ 0-:-15 tùy theo tính ẩm, lưu lượng và áp lực nước trong khe nứt. là điểm số xét tới hướng của các khe nứt so với cơng trình. Tùy thuộc vào loại cơng trình và hướng cắm của các khe nứt cĩ thuận lợi hay khơng mà các giá trị của nĩ cĩ thể thay đổi từ 0 -:- (-12) đối với hầm; từ 0-:- (-25) đối với nền hay từ 0-:- (-60) đối với bờ dốc. Theo đĩ, giá trị lớn nhất của RMR là 100 và tùy theo giá trị RMR của khối đá, mà người ta đánh giá chất lượng khối đá và dự tính cường độ lực liên kết của khối đá như trong bảng 1. Bảng 1 Cấp đá Trị số RMR Đặc điểm ck, kPa I 81-100 Rất tốt >400 II 61-80 Tốt 300-400 III 41-60 Trung bình 200-300 IV 21-40 Xấu 100-200 V <21 Rất xấu <100 Tuy rằng cách phân loại và đánh giá khối đá theo chỉ số RMR cũng đã đưa ra những giá trị của cường độ lực liên kết của khối đá, nhưng vẫn chỉ là trong một khoảng, khĩ xác định chính xác sẽ khĩ đưa ra những số liệu cụ thể khi tính tốn, thiết kế ổn định cơng trình. 2. TÍNH TỐN CƯỜNG ĐỘ LỰC LIÊN KẾT THEO CHỈ DẪN EM 1110-1-2908 Năm 1994, trong chỉ dẫn EM 1110-1-2908 của Cục Cơng binh quân đội Mỹ đã nêu ra cách xác định cường độ lực liên kết của khối đá thơng qua cường độ lực liên kết của mẫu đá và chỉ số RMR của khối đá. Hình 1: Tiêu chuẩn độ bền tuyến tính Mohr-Coulomb. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 14 Xuất phát từ vịng trịn Mohr vẽ cho thí nghiệm nén và kéo một trục của mẫu đá và cho rằng đường bao vịng trịn Mohr cĩ dạng đường thẳng (Hình 1) cĩ thể viết: (5) hay biến đổi thành: (6) nghĩa là: (7) trong đĩ: là độ bền nén một trục của mẫu đá. là gĩc ma sát trong của mẫu đá; Và như vậy, cường độ lực liên kết của khối đá sẽ được tính qua cường độ lực liên kết của mẫu đá theo cơng thức: (8) với s là một hệ số, được tính theo cơng thức: (9) Giá trị lớn nhất của RMR là 100. Khi ấy, chất lượng khối đá là rất tốt và trị số của s sẽ bằng 1, nghĩa là cường độ lực liên kết của mẫu đá và khối đá bằng nhau. Trong những trường hợp khác, do trị số của RMR<100 nên giá trị của s luơn luơn <1. Tính thử với các giá trị của RMR trong khoảng phân loại từng cấp đá sẽ được kết quả như trong bảng 2. Bảng 2 Cấp đá Trị số RMR s I 81-100 0,121-1 II 61-80 0,013-0,108 III 41-60 0,00142-0,012 IV 21-40 0,000153-0,00127 V <21 <0,000153 Sẽ là cĩ ý nghĩa hơn, nếu tính liên tục và lập thành bảng để nhanh chĩng dùng được giá trị của s khi cĩ một giá trị RMR cụ thể như trong bảng 3. Bảng 3 RMR s RMR s RMR s RMR s 100 1 79 0.0970 58 0.009404 38 0.001019 99 0.8948 78 0.0868 57 0.008415 37 0.000912 98 0.8007 77 0.0776 56 0.007530 36 0.000816 97 0.7165 76 0.0695 55 0.006738 35 0.000730 96 0.6412 75 0.0622 54 0.006029 34 0.000653 95 0.5738 74 0.0556 53 0.005395 33 0.000585 94 0.5134 73 0.0498 52 0.004828 32 0.000523 93 0.4594 72 0.0446 51 0.004320 31 0.000468 92 0.4111 71 0.0399 50 0.003866 30 0.000419 91 0.3679 70 0.0357 49 0.003459 29 0.000375 90 0.3292 69 0.0319 48 0.003096 28 0.000335 89 0.2946 68 0.0286 47 0.002770 27 0.000300 88 0.2636 67 0.0256 46 0.002479 26 0.000269 87 0.2359 66 0.0229 45 0.002218 25 0.000240 86 0.2111 65 0.0205 44 0.001985 24 0.000215 85 0.1889 64 0.0183 43 0.001776 23 0.000192 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 15 RMR s RMR s RMR s RMR s 84 0.1690 63 0.0164 42 0.001589 22 0.000172 83 0.1512 62 0.0147 41 0.001422 21 0.000154 82 0.1353 61 0.0131 40 0.001273 20 0.000138 81 0.1211 60 0.0117 39 0.001139 19 0.000123 80 0.1084 59 0.010509 3. PHƯƠNG TRÌNH ĐỘC LẬP TÍNH TỐN CƯỜNG ĐỘ LỰC LIÊN KẾT Sen và Sadagah (2003) đề xuất cơng thức tính tốn cường độ lực liên kết của khối đá từ chỉ tiêu RMR như sau: (10) Phương trình (10) được thể hiện trong hình 2. Hình 2: Đánh giá sự phụ thuộc của cường độ lực liên kết của khối đá với chỉ tiêu RMR (theo Sen & Sadagah (2003)) Aydan và Kawamoto (2001) đề xuất cơng thức tính cường độ lực liên kết của khối đá như sau: (11) Trong đĩ: ; chỉ tiêu bền của khối đá. Quan hệ trực tiếp giữa cường độ lực liên kết của khối đá và chỉ tiêu RMR được Aydan (2012) thể hiện dưới dạng phương trình sau: (12) 4. TÍNH TỐN CHỈ TIÊU CƯỜNG ĐỘ LỰC LIÊN KẾT CỦA KHỐI ĐÁ TẠI KHU VỰC ĐẬP DÂNG CHUYỂN NƯỚC THUỘC CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN NAM-E-MOUN TỈNH SEKONG - NƯỚC CHDCND LÀO Như vậy đối với khối đá, bằng các giá trị đã tính được của chỉ số RMR qua cách phân loại Bieniawski đã khá phổ biến ở nước ta, chúng ta cĩ thể nhanh chĩng xác định được giá trị cường độ lực liên kết của khối đá theo các phương pháp của EM-1110-1-2908, hoặc của Sen và Sadagah (2003), của Aydan (2012). Điều này chắc sẽ thuận lợi và chính xác hơn rất nhiều nếu chỉ dùng một kết quả phân loại khối đá theo chỉ số RMR, như đã thấy trong bảng 1, giá trị của cường độ lực liên kết của khối đá chỉ được xác định trong một khoảng chứ khơng phải là một số cụ thể, khơng thuận lợi rõ ràng khi tính tốn thiết kế cơng trình trong đá, trên đá, và bằng đá. Dự án thủy điện Nam E-Moun nằm trên địa bàn huyện Dak cheung, tỉnh Sekong, Lào. Các hạng mục chính của dự án: Đập chính xây dựng trên sơng Nam e-Moun; Đập chuyển nước xây dựng trên sơng Houay Het, hầm chuyển nước vào hầm chính dài 12,235km, hầm chính 7,838km, tháp điều áp, đường ống áp lực hở dài 643m và nhà máy cĩ cơng suất 129MW. Đập chuyển nước là một trong những hạng mục chính của dự án, cĩ các thơng số chính sau: Chiều dài đập: 127m. Chiều cao đập: 28,4m. Điều kiện địa chất cơng trình: Tại khu vực tuyến nghiên cứu được chia làm 3 khu chính: ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 16 lịng sơng, vai phải và vai trái. Trong khuơn khổ bài báo này, chúng tơi nghiên cứu khu vực vai trái, điều kiện địa chất được phân bố như sau: - Đới (tQ+edQ+IA1): Lớp này gặp ngay trên bề mặt địa hình, chiều dày thay đổi từ 2,3-7,0m, trung bình 4,6m. Thành phần sét, sét pha màu đỏ nâu đến nâu xám, trạng thái dẻo cứng. - Đới phong hĩa mạnh HW: Lớp này nằm tiếp theo của lớp tQ+edQ+IA1, chiều sâu bắt gặp từ 2,3-7,0m và kết thúc 8,8-10,0m. Chiều dày từ 1,8-7,7m, trung bình 4,8m. Thành phần sét lẫn dăm sạn, cục tảng bị phong hĩa nứt nẻ mạnh, mất màu đá gốc. - Đới phong hĩa MW: Đới này nằm tiếp theo của lớp HW, chiều sâu bắt gặp từ 8,8- 10,0m và kết thúc 12,3-20,1m. Chiều dày từ 2,3-11,3m, trung bình 6,8m. Thành phần đá cát kết bị ép, sericit thạch anh, đá bị nứt nẻ mạnh, khe nứt mở lấp nhét bởi sét, bề mặt khe nứt bị phong hĩa, cường độ đá giảm. RQDtb=57%. 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 2. 00 x x x x x x x x xx xx xx xx xx MW SW HW 5 1 5 798.00 Hình 3: Mặt cắt dọc tim tuyến đập chuyển nước thủy điện Nam-e-Moun (nguồn SDCC, 2019). - Đới phong hĩa nhẹ SW: Đới này tiếp theo của đới MW, chiều sâu bắt gặp từ 12,3-20,1m, kết thúc > 25,0m. Chiều dày >4,9m. Thành phần đá cát kết bị ép màu xám xanh, sericit thạch anh màu xám đen, đá nứt nẻ yếu, cĩ các mạch thạch anh xuyên cắt, đá bị dập vỡ mạnh đoạn 24-25m tại HK-II-02. Đá cứng chắc. RQDtb=55%. - Đới đá tươi Fr: Đới đá sâu nhất, chiều sâu bắt gặp > 25,0m. Thành phần đá cát kết màu xám xanh, đá cứng chắc, liền khối, RQDtb = 100%. Kết quả thí nghiệm trong phịng cho thấy kết quả chỉ tiêu vật lý của đá nguyên trạng được trình bày trong bảng 4. Bảng 4 (nguồn Pưyry, 2017) Khối lượng đơn vị UCS Loại đá (g/cm3) (MPa) (độ) (MPa) Đá cát kết 2,6 50-80 55-65 10-20 Kết quả tính tốn thơng số độ bền cắt của khối đá được thực hiện bằng tính tốn theo tiêu chuẩn bền Hoek-Brown dựa trên kết quả thí nghệm trong phịng (bảng 4) và mơ tả chỉ tiêu bền địa chất GSI (Geological Strength Index) trên các khối đá lộ lịng sơng khi mơ tả hiện trường. Kết quả được thể hiện trong bảng 5. Hình 4: Chi tiết khối đá cát kết lộ bên bờ sơng (nguồn Pưyry,2017). ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 17 Bảng 5 (nguồn P yry,2017) Loại đá- mức độ phong hĩa (độ) (kPa) GSI RMR Đá cát kết nguyên vẹn (Fr) 50-55 1000-1400 60-70 65-75 Đá cát kết – phong hĩa nhẹ (SW) 50-55 800-1000 45-55 50-60 Đá cát kết phong hĩa trung bình đến mạnh (MW-HW) 50-55 500-800 25-35 30-40 Kết quả tính tốn chỉ tiêu cường độ lực liên kết của khối đá cát kết thuộc bờ trái khu vực đầu mối đập chuyển nước được thực hiện theo các phương pháp chỉ dẫn EM 1110-1-2908, cơng thức số (10), (12), được thể hiện trong bảng 6. Bảng 6 EM-1110-1- 2908 CT (10) Sen & Sadagah (2003) CT (12) Aydan (2012) Loại đá- mức độ phong hĩa RMR (kPa) (kPa) (kPa) Đá cát kết nguyên vẹn (Fr) 65-75 204,68-621,77 235,63-271,88 2363,64-3333,33 Đá cát kết – phong hĩa nhẹ (SW) 50-60 38,66-117,44 181,25-217,50 1428,57-2000,00 Đá cát kết phong hĩa trung bình đến mạnh (MW-HW) 30-40 4,19-12,72 108,75-145,00 666,67-1000,00 Các kết quả tính tốn cường độ lực liên kết của khối đá cát kết trong bảng 5 và bảng 6 được thể hiện trong hình 5. Nhìn vào kết quả trong hình 5 chúng ta cĩ thể thấy rõ ràng xu hướng tăng tuyến tính cho cả bốn phương pháp, với hệ số tương quan R bình phương từ 0,72- 0,97, riêng với phương pháp của Sen & nnk đã là tuyến tính. Do đĩ, cĩ thể thấy cả bốn phương pháp đều xuất phát từ thực nghiệm và xây dựng thành các phương trình tuyến tính. Trong 4 phương pháp thì cĩ thể chia thành 3 xu hướng: Xu hướng 1 cho giá trị cường độ lực liên kết của khối thiên nhỏ đĩ là phương pháp của EM1110- 1-2908 và phương pháp của Sen & nnk; Xu hướng thứ 2 là xu hướng lấy trung bình, đại diện là sử dụng tiêu chuẩn bền Hoek-Brown; Xu hướng thứ 3 là xu hướng thiên cao, đại diện là phương pháp của Aydan (2012); ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 18 Hình 5: Kết quả tính tốn cường độ lực liên kết của khối đá cát kết bờ trái đập chuyển nước-thủy điện Nam-e-Moun và phương trình hồi qui tuyến tính mơ phỏng xu hướng của các phương pháp Chỉ tiêu cường độ lực liên kết của khối đá được xác định trong các tiêu chuẩn của Nhật (Kokichi Kikuchi & nnk,1982), tiêu chuẩn Trung Quốc DL 5108-1999, tiêu chuẩn Nga CHu 2.02.02-85: Nền cơng trình thủy cơng được thể hiện trong bảng 7. Bảng 7: Kết quả đề xuất áp dụng giá trị cường độ lực liên kết của khối đá cát kết bờ trái đập chuyển dịng thủy điện Nam-e-Moun theo các tiêu chuẩn Nhật, Trung Quốc, Nga Loại đá ứng với UCS từ 50-80MPa TC Nhật (MPa) TC Trung Quốc (MPa) TC Nga (MPa) Đá cát kết nguyên vẹn (Fr) 2,0-1,5 0,40 Đá cát kết – phong hĩa nhẹ (SW) 1,5-0,70 0,30 Đá cát kết phong hĩa trung bình đến mạnh (MW-HW) 0,70-0,30 0,20 So sánh các kết quả tính tốn và đề xuất trong các bảng 5-:-7, cĩ thể thấy, tiêu chuẩn Nhật cĩ giá trị gần với phương pháp của Aydan (2012), tiêu chuẩn Trung Quốc cĩ giá trị gần với việc sử dụng tiêu chuẩn bền Hoek-Brown để xác định các thơng số của tiêu chuẩn Mohr- Colounb, tiêu chuẩn Nga cho giá trị gần với phương pháp tính của EM 1110-1-2908 và Sen & nnk (2003) và gần giống với giá trị được Bieniawski kiến nghị trong bảng 1. 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Xác định cường độ lực liên kết của khối đá là ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 19 một cơng việc khĩ khăn, địi hỏi một loạt các kết quả thí nghiệm hiện trường và mơ tả thực địa của khối đá và bộ số liệu thí nghiệm trong phịng kết hợp với các phương pháp phân loại khối đá như RMR, GSI, Trong khuơn khổ bài báo này, dựa trên các kết quả khảo sát hiện trường và thí nghiệm trong phịng đã kiến nghị các giá trị cường độ lực liên kết cho khối đá cát kết bờ trái khu vực đập chuyển nước thuộc cơng trình thủy điện Nam-e- Moun (CHDCND Lào) với 03 xu hướng: Xu hướng cao cĩ giá trị từ 2,3-3,3MPa; Xu hướng trung bình cĩ giá trị từ 1,4-2,0 MPa; Xu hướng thấp cĩ giá trị <1MPa. Cả ba giá trị của 03 xu hướng này đều phù hợp với từng tiêu chuẩn trong tiêu chuẩn Nhật, Trung Quốc, Nga. Quan hệ giữa giá trị cường độ lực liên kết của khối đá với giá trị RMR cĩ thể coi là tuyến tính. Tuy nhiên với việc sử dụng dạng đường tuyến tính bao các vịng trịn Mohr, hoặc dạng đường tuyến tính tiếp tuyến với đường cong của tiêu chuẩn Hoek-Brown sẽ cĩ một họ đường tuyến tính tiếp xúc với đường cong tiêu chuẩn Hoek- Brown hoặc vịng trịn Mohr, do đĩ lấy đường thẳng nào là một cơng việc địi hỏi sự đầu tư và kinh nghiệm của các kỹ sư địa kỹ thuật. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Khơi Hùng, Một số vấn đề về Địa chất cơng trình và các dự án xây dựng thủy điện, thủy lợi ở Việt Nam, NXB Dân Trí, Hà Nội, 2016. [2] Nghiêm Hữu Hạnh, Cơ học đá, NXB Xây dựng, Hà Nội, 2004. [3] Nguyễn Sỹ Ngọc, Cơ học đá (in lần thứ 2), NXB Giao thơng Vận tải, Hà Nội, 2011. [4] Aydan, Ư, Tokashiki, N., Genis ¸ M. “Some considerations on yield (failure) criteria in rock mechanics”. In: Proceedings of the 46th US rock mechanics/geomechanics symposium, Chicago, Illinois, June 24-27, 2012. ARMA 12- 640 (on CD) 2012. https://www.onepetro.org/ conferencepaper/ARMA-2012-640 [5] Aydan, Ư., Kawamoto, T. “The stability assessment of a large underground opening at great depth”. In: Proceedings of the 17th International Mining Congress., Turkey, Ankara, 1. pp. 277 - 288. 2001. maden.org. tr/resimler/ekler/eb2f1 a06667bfb9 _ek.pdf [6] Hoek, E.; Brown, E.T. Underground excavation in Rock, The institution of Mining and Metallurgy, London, 1908. [7] Hoek, E.; Brown, E.T. The Hoek-Brown failure criterion and GSI -2018 edition, Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 3(2018), p.p 1-19. https://doi.org/10. 1016/j.jrmge.2018.08.001 [8] Pưyry Ltd,Nam-e-Moun HPP, Base Design - Geological Interpretation Report, Laos, 2017. [9] SDCC, Songda Corp.,Nam-e-Moun HPP, Detail Design - Geological Interpretation Report, Hanoi, 2019. [10] Sen, Z., Sadagah, B. H. “Modifid rock mass classifiation system by continuous rating”. Engineering Geology. 67 (3-4), pp. 269-280. 2003. DOI: 10.1016/S0013-7952(02)00185-0 [11] Tokashiki, N.; Aydan, O. Estimation of rockmass properties of Ryukyu limestone. In Proceedings of the ISRM Regional Symposium- 7th Asian Rock Mechanics Symposium, Seoul, Korea, 15–19 October 2012. [12] U.S. Army Corps of Engineering EM 1110-1-2908: Engineering and Design Rock Foundation; Washington DC, 1994. Người phản biện: PGS, TS. ĐỒN THẾ TƯỜNG