Kỹ Thuật - Công Nghệ - Kinh tế - Thương mại - Kỹ thuật 47 TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, tập 73, số 4, năm 2012 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỘ BỀN KHÁNG CẮT CỦA ĐÁ PHIẾN SERICITE HỆ TẦNG A VƯƠNG KHU VỰC ĐÀ NẴNG VÀ PHỤ CẬN THÔNG QUA THÍ NGHIỆM NÉN ĐƠN TRỤC TRONG PHÒNG Nguyễn Hoàng Giang1, Đỗ Quang Thiên2 1Trường Đại học Duy Tân Đà Nẵng 2Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Tóm tắt. Trên cơ sở công thức thực nghiệm của Panhiucov P. N., nhóm tác giả đã tiến hành thí nghiệm 60 mẫu đá phiến sericite hệ tầng A Vương khu vực Quảng Nam - Đà Nẵng trên máy nén một trục trong phòng, nhằm xác định độ bền kháng cắt của chúng. Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm, chúng tôi tiến hành so sánh với các phương pháp thí nghiệm độ bền kháng cắt đang hiện hành ở Việt Nam, nhận xét và đề xuất phạm vi ứng dụng của phương pháp này đối với các thành tạo đá cứng và đá nửa cứng ở khu vực nghiên cứu. 1. Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển chung của cả nước, những năm gần đây trên địa bàn Quảng Nam - Đà Nẵng các dự án xây dựng đang được triển khai khắp mọi nơi. Đặc biệt, hầu hết các dự án thủy điện, cầu và các công trình cao tầng với móng cắm vào đá gốc của một số thành tạo địa chất trên địa bàn nghiên cứu đã và đang rất thiếu số liệu về tính chất cơ lý của đá cứng. Trong đó, các chỉ tiêu về độ bền kháng cắt gần như rất khó thực hiện do nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan khác nhau. Tuy vậy, theo các tài liệu địa chất thu thập được và từ thực tiễn khảo sát cho thấy, phần lớn ở khu vực nghiên cứu, tầng đá móng bắt gặp có tuổi Cambri - Orđovic sớm, hệ tầng A Vương, với thành phần chính là: Đá phiến sericite - thạch anh, đá phiến sericite - clorit xen đá phiến sét, ít hơn là cát kết dạng quarzit, thấu kính đá hoa, phổ biến nhất là đá phiến sericite - thạch anh. Đây là thành tạo đá gốc thường được các nhà thiết kế sử dụng làm nền các công trình cho giải pháp móng sâu. Do vậy, việc nghiên cứu xác định cường độ kháng cắt của các thành tạo đá cứng thuộc hệ tầng A Vương không chỉ có ý nghĩa lớn về mặt khoa học trong việc xây dựng một bức tranh tổng quan về độ bền kháng cắt của thành tạo này, mà còn có tính ứng dụng cao trong công tác thiết kế thi công móng sâu trên địa bàn đang xét. 2. Tổng quan về các phương pháp xác định độ bền kháng cắt của đá cứng Độ bền kháng cắt của đá là một trong những chỉ tiêu rất quan trọng trong nghiên cứu cơ học đá cũng như tính toán thiết kế nền móng. Để xác định độ bền kháng cắt của đá cứng, có thể tiến hành trực tiếp tại khối đá tại hiện trường, hoặc thí nghiệm trực tiếp 48 trên mẫu đá trong phòng, hoặc thông qua các công thức bán thực nghiệm, thực nghiệm,… Các phương pháp xác định độ bền kháng cắt của đá cứng có thể kể ra như dưới đây: 2.1. Thí nghiệm hiện trường Các thí nghiệm cắt hiện trường đối với đá cứng thường sử dụng các phương pháp sau: - Thí nghiệm nén sập các khối đất đá trong hố đào, hầm thăm dò: được sử dụng để xác định góc nội ma sát φ và lực dính kết C của đá cứng thông qua nén sập 2 khối đá có cùng thành phần trạng thái giống nhau nhưng khác nhau về kích thước. Sau khi nén sập 2 khối đá đó, người ta lập hệ 2 phương trình cân bằng giới hạn bậc nhất do C.A.Coulomb đề ra giữa tổng lực cắt trượt và tổng lực chống cắt trượt các khối đá thí nghiệm. - Thí nghiệm xác định các thông số kháng cắt của đất đá bằng phương pháp đẩy ngang (HPT - Horizontal Pressing Test): Phương pháp này được sử dụng để xác định thông số kháng cắt của đất dăm vụn với kích thước dăm tối đa không lớn hơn 100mm do Viện nghiên cứu xây dựng Sverdlovsk đề xuất. Khác với phương pháp nén sập, thí nghiệm đẩy ngang chỉ tiến hành ở một khối đất đá và chỉ sử dụng 1 hoặc 2 kích tạo lực ngang để xác định φ, C nhằm cung cấp cho tính toán thiết kế các công trình chịu lực ngang (đập, tường chắn,…). - Thí nghiệm cắt phẳng mẫu lớn hiện trường (FPST - Field Plane Shear Test): là phương pháp rất thịnh hành ở Liên Xô cũ và Trung Quốc, áp dụng đối với đất dăm vụn với kích thước dăm tối đa không lớn hơn 100mm. Thí nghiệm này thường tiến hành cắt tối thiểu 3 mẫu có kích thước mỗi cạnh khoảng 25 - 40 cm và chiều cao 15cm. - Thí nghiệm cắt mẫu đá lớn: Thí nghiệm này nhằm xác định φ, C của đá nứt nẻ phong hóa (IIa) và đá tương đối nguyên khối (IIb, đá tươi). Nguyên lý thí nghiệm tương tự như thí nghiệm cắt phẳng mẫu đất chứa dăm vụn và tiến hành trực tiếp trên 4 đến 5 trụ đá có tiết diện 70 x 70 (cm), cao 35cm được gia công đáy hầm thăm dò. Kết quả thu được là các cặp giá trị σ1 - T1, σ2 - T2, σ3 - T3… dùng để xác định tgφ và C bằng phương pháp số như đã đề cập. - Thí nghiệm độ nghiêng trên các thỏi đá tại hiện trường: Đây là thí nghiệm được tiến hành bằng cách lấy một thỏi đá trong tự nhiên có khe nứt nhám, đặt nghiêng nó trên một thỏi khác cho đến khi nó bắt đầu trượt (do tác dụng của trọng lượng bản thân). Sau đó đo góc trượt nhỏ nhất khi đá bắt đầu trượt, từ đó sẽ tính được độ bền cắt lớn nhất của mặt đáy thỏi; nó bằng ứng suất cắt lớn nhất mà mặt đá tạo được để chống lại sự trượt (Barton và Choubey, 1977). 2.2. Thí nghiệm trong phòng Trong phòng thí nghiệm, người ta thường xác định C, φ theo các phương pháp sau: 49 - Thí nghiệm độ nghiêng trên các lõi khoan: Thí nghiệm này được tiến hành bằng cách lấy 2 đoạn lõi khoan đặt tiếp xúc với nhau và gắn lên mặt bàn nghiêng. Đoạn lõi khoan thứ ba được đặt ở phía trên và có thể trượt tư do. Bàn sẽ được nâng nghiêng từ từ cho đến khi đoạn lõi khoan nằm trên bắt đầu bị trượt, sau đó đo góc nghiêng α và xác định góc nội ma sát theo công thức của Stimpson (1981): b = arctg (1,155 tgα) (1) - Thí nghiệm cắt trực tiếp: Tuỳ theo số lượng và dạng mặt cắt mà người ta có thể cắt trực tiếp mẫu đá theo một hay hai mặt phẳng hoặc theo một mặt trụ. Dựa vào lực cắt làm phá huỷ mẫu và diện tích các mặt cắt trong các phương pháp khác nhau mà người ta sẽ tính được độ bền cắt. - Thí nghiệm cắt có nén (cắt xiên): Mẫu thí nghiệm được đặt trong các khuôn thép có góc vát khác nhau so với phương nằm ngang. Dưới tác dụng của lực nén, do khuôn thép có thể dịch chuyển ngang nên mẫu sẽ bị phá huỷ theo mặt vát của khuôn. Mẫu đá thí nghiệm cũng có dạng hình trụ và đạt các yêu cầu kỹ thuật như khi thí nghiệm nén một trục. Khoảng hở giữa khuôn và mẫu thí nghiệm không quá 2mm. Khi xác định độ bền cắt của đá cứng, chỉ cần dùng các khuôn cắt có góc vát α = 45o và 60o. Đối với những mẫu đá yếu, phải dùng cả khuôn có góc vát α = 30o. Độ bền cắt được tính theo công thức: F P F T sin = psinα (2) Trong đó: T là thành phần lực cắt tính theo P; F là tiết diện mẫu khi bị phá huỷ; P là áp lực trên một đơn vị diện tích mặt mẫu. Đặt các giá trị của σ = pcosα và τ = psinα trong các lần thí nghiệm khác nhau lên hệ trục toạ độ τ, σ sẽ vẽ được đường biểu diễn quan hệ giữa chúng. Từ đó có thể suy ra các giá trị của góc nội ma sát φ và lực dính kết C của đá. - Phương pháp bán thực nghiệm Hoek – Brown (phần mềm Rocklab): Xuất phát từ thí nghiệm cắt 3 trục một mẫu đá, các tác giả trên 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 đó được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong đánh giá địa kỹ thuật đất đá bằng phương pháp RMR (Rock Mass Rating) và Q (Q system). Hiện nay, tiêu chuẩn này được ứng dụng rất thuận tiện, dễ dàng thông qua phần mềm Roclab. - Phương pháp của Panhiucov P.N.: Phương pháp này đề xuất phương pháp xác định lực dính kết C và góc nội ma sát của mẫu đá trên cơ sở thí nghiệm nén đơn trục mẫu đá trong phòng kết hợp đo góc vỡ (góc vỡ là góc tạo bởi mặt vỡ với trục thẳng đứng) và chỉ ứng dụng cho những loại đá sét ở trạng thái cứng và biến dạng của mẫu khi nén H ≤ 10 chiều cao mẫu H0. Các đặc trưng về độ bền kháng cắt được xác định như dưới đây: 0 452 độ (3) 50 2 452 0 tg C n KGcm2 (4) Nếu biến dạng của mẫu khi nén H >10 hoặc trong trường hợp không xác định được góc vỡ thì lực dính kết được tính bởi công thức: 2 n C KGcm2 (5) Hình 1. Mô hình thí nghiệm sức kháng cắt theo Panhiucov P. N. 2.3. Thí nghiệm trong phòng kết hợp đo đạc khe nứt của đá cứng Thí nghiệm trong phòng kết hợp với đo đạc khe nứt của đá cứng nhằm xác định các thông số về độ bền kháng cắt của khối đá nguyên đã có nhiều tác giả nghiên cứu, nhưng đáng chú ý là phương pháp của S.I.Popov và phương pháp của J. K. Jennings. - Phương pháp S. I. Popov: Trong quá trình thí nghiệm xác định các thông số kháng cắt, ông quan tâm lực dính kết Cm hơn là giá trị góc nội ma sát m, bởi vì lực dính kết Cm biến thiên rất lớn, có thể từ 0 - 500 kGcm2 đến 700 kGcm2. Ngược lại góc nội ma sát m thì thay đổi ít hơn từ 15 -20 đến 45-50. Trên cơ sở kết hợp phân tích kết quả thí nghiệm trong phòng với kết quả đo đạc khe nứt trong khối đá ông đưa ra công thức sau: Cm = .Ci (KGcm2) (6) Trong đó: Cm, Ci là lực dính kết của đất đá khối nguyên và của các mẫu riêng lẻ; là hệ số khe nứt (lấy tùy thuộc vào đặc điểm nứt nẻ của đất đá). - Phương pháp hệ số khe nứt liên tục của J.K.Jennings: cũng dựa trên các kết quả thí nghiệm trong phòng và đo đạc khe nứt bằng cách giải hệ phương trình sau: tgm = (1-K). tgrb + K.tgj (7) Cm = (1-K). Crb + K.Cj (Kgcm2) (8) Mẫu đá Mặt vỡ I l Mẫu đá 51 Trong đó K là hệ số khe nứt liên tục bằng tổng chiều dài các khe nứt trong khối nguyên và được xác định theo công thức 9: rbj j ll l K (9) lj là chiều dài khe nứt; lrb là kích thước của các khối đá nguyên (cầu đá - rocky bridge); tgj, Cj là hệ số ma sát và lực dính kết của đất đá ở mặt khe nứt được xác định theo thí nghiệm hiện trường hoặc trong phòng; tgrb, Crb là hệ số ma sát, lực dính kết của cầu đá được xác định theo thí nghiệm trong phòng. Giải hệ 2 phương trình trên sẽ xác định được góc nội ma sát và lực dính kết của đất đá trong khối nguyên. 3. Kết quả xác định các đặc trưng độ bền kháng cắt của đá phiến hệ tầng A Vương thông qua thí nghiệm nén đơn trục trong phòng (Phương pháp của Panhiucov P.N.) Nhằm thực hiện các nội dung nghiên cứu, chúng tôi tiến hành lấy 60 mẫu đá trong các lõi khoan của các công trình: Dự án đầu tư cơ sở hạ tầng ưu tiên thành phố Đà Nẵng (CSHT); khách sạn Bạch Đằng (BDHC); viễn Đông Merdian Tower (VDMT); khu du lịch nghỉ dưỡng biển cao cấp Ngũ Hành Sơn (MMBR); khu nghỉ dưỡng Raffles (RR); khu nghỉ dưỡng The Nam Khang (NKR); cầu Trần Thị Lý - Nguyễn Văn Trỗi (TTL); khu phức hợp Tourane (THC). Các mẫu đá thí nghiệm được chọn lựa và gia công với đường kính bằng chiều cao mẫu, kích thước từ 57,5cm đến 73,0cm (hình 2a). Hình 2. Mẫu đá được gia công với kích thước d=h=57,5-73,0cm (a) và các dạng phá hủy của mẫu đá trên cơ sở thí nghiệm nén đơn trục để đo góc vở (b, c, d) Sau khi gia công mẫu đá, tiến hành thí nghiệm nén đơn trục trên mẫu đá ở trạng thái khô gió đến khi mẫu đá bị phá hủy, rồi tiến hành đo góc vỡ của từng mẫu đá bị phá hủy. Công tác thí nghiệm được tiến hành theo đúng qui trình và các tiêu chuẩn hiện hành, đảm bảo tính chính xác cho mẫu đá thí nghiệm. Kết quả nghiên cứ...
TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, tập 73, số 4, năm 2012 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỘ BỀN KHÁNG CẮT CỦA ĐÁ PHIẾN SERICITE HỆ TẦNG A VƯƠNG KHU VỰC ĐÀ NẴNG VÀ PHỤ CẬN THÔNG QUA THÍ NGHIỆM NÉN ĐƠN TRỤC TRONG PHÒNG Nguyễn Hoàng Giang1, Đỗ Quang Thiên2 1Trường Đại học Duy Tân Đà Nẵng 2Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Tóm tắt Trên cơ sở công thức thực nghiệm của Panhiucov P N., nhóm tác giả đã tiến hành thí nghiệm 60 mẫu đá phiến sericite hệ tầng A Vương khu vực Quảng Nam - Đà Nẵng trên máy nén một trục trong phòng, nhằm xác định độ bền kháng cắt của chúng Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm, chúng tôi tiến hành so sánh với các phương pháp thí nghiệm độ bền kháng cắt đang hiện hành ở Việt Nam, nhận xét và đề xuất phạm vi ứng dụng của phương pháp này đối với các thành tạo đá cứng và đá nửa cứng ở khu vực nghiên cứu 1 Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển chung của cả nước, những năm gần đây trên địa bàn Quảng Nam - Đà Nẵng các dự án xây dựng đang được triển khai khắp mọi nơi Đặc biệt, hầu hết các dự án thủy điện, cầu và các công trình cao tầng với móng cắm vào đá gốc của một số thành tạo địa chất trên địa bàn nghiên cứu đã và đang rất thiếu số liệu về tính chất cơ lý của đá cứng Trong đó, các chỉ tiêu về độ bền kháng cắt gần như rất khó thực hiện do nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan khác nhau Tuy vậy, theo các tài liệu địa chất thu thập được và từ thực tiễn khảo sát cho thấy, phần lớn ở khu vực nghiên cứu, tầng đá móng bắt gặp có tuổi Cambri - Orđovic sớm, hệ tầng A Vương, với thành phần chính là: Đá phiến sericite - thạch anh, đá phiến sericite - clorit xen đá phiến sét, ít hơn là cát kết dạng quarzit, thấu kính đá hoa, phổ biến nhất là đá phiến sericite - thạch anh Đây là thành tạo đá gốc thường được các nhà thiết kế sử dụng làm nền các công trình cho giải pháp móng sâu Do vậy, việc nghiên cứu xác định cường độ kháng cắt của các thành tạo đá cứng thuộc hệ tầng A Vương không chỉ có ý nghĩa lớn về mặt khoa học trong việc xây dựng một bức tranh tổng quan về độ bền kháng cắt của thành tạo này, mà còn có tính ứng dụng cao trong công tác thiết kế thi công móng sâu trên địa bàn đang xét 2 Tổng quan về các phương pháp xác định độ bền kháng cắt của đá cứng Độ bền kháng cắt của đá là một trong những chỉ tiêu rất quan trọng trong nghiên cứu cơ học đá cũng như tính toán thiết kế nền móng Để xác định độ bền kháng cắt của đá cứng, có thể tiến hành trực tiếp tại khối đá tại hiện trường, hoặc thí nghiệm trực tiếp 47 trên mẫu đá trong phòng, hoặc thông qua các công thức bán thực nghiệm, thực nghiệm,… Các phương pháp xác định độ bền kháng cắt của đá cứng có thể kể ra như dưới đây: 2.1 Thí nghiệm hiện trường Các thí nghiệm cắt hiện trường đối với đá cứng thường sử dụng các phương pháp sau: - Thí nghiệm nén sập các khối đất đá trong hố đào, hầm thăm dò: được sử dụng để xác định góc nội ma sát φ và lực dính kết C của đá cứng thông qua nén sập 2 khối đá có cùng thành phần trạng thái giống nhau nhưng khác nhau về kích thước Sau khi nén sập 2 khối đá đó, người ta lập hệ 2 phương trình cân bằng giới hạn bậc nhất do C.A.Coulomb đề ra giữa tổng lực cắt trượt và tổng lực chống cắt trượt các khối đá thí nghiệm - Thí nghiệm xác định các thông số kháng cắt của đất đá bằng phương pháp đẩy ngang (HPT - Horizontal Pressing Test): Phương pháp này được sử dụng để xác định thông số kháng cắt của đất dăm vụn với kích thước dăm tối đa không lớn hơn 100mm do Viện nghiên cứu xây dựng Sverdlovsk đề xuất Khác với phương pháp nén sập, thí nghiệm đẩy ngang chỉ tiến hành ở một khối đất đá và chỉ sử dụng 1 hoặc 2 kích tạo lực ngang để xác định φ, C nhằm cung cấp cho tính toán thiết kế các công trình chịu lực ngang (đập, tường chắn,…) - Thí nghiệm cắt phẳng mẫu lớn hiện trường (FPST - Field Plane Shear Test): là phương pháp rất thịnh hành ở Liên Xô cũ và Trung Quốc, áp dụng đối với đất dăm vụn với kích thước dăm tối đa không lớn hơn 100mm Thí nghiệm này thường tiến hành cắt tối thiểu 3 mẫu có kích thước mỗi cạnh khoảng 25 - 40 cm và chiều cao 15cm - Thí nghiệm cắt mẫu đá lớn: Thí nghiệm này nhằm xác định φ, C của đá nứt nẻ phong hóa (IIa) và đá tương đối nguyên khối (IIb, đá tươi) Nguyên lý thí nghiệm tương tự như thí nghiệm cắt phẳng mẫu đất chứa dăm vụn và tiến hành trực tiếp trên 4 đến 5 trụ đá có tiết diện 70 x 70 (cm), cao 35cm được gia công đáy hầm thăm dò Kết quả thu được là các cặp giá trị σ1 - T1, σ2 - T2, σ3 - T3… dùng để xác định tgφ và C bằng phương pháp số như đã đề cập - Thí nghiệm độ nghiêng trên các thỏi đá tại hiện trường: Đây là thí nghiệm được tiến hành bằng cách lấy một thỏi đá trong tự nhiên có khe nứt nhám, đặt nghiêng nó trên một thỏi khác cho đến khi nó bắt đầu trượt (do tác dụng của trọng lượng bản thân) Sau đó đo góc trượt nhỏ nhất khi đá bắt đầu trượt, từ đó sẽ tính được độ bền cắt lớn nhất của mặt đáy thỏi; nó bằng ứng suất cắt lớn nhất mà mặt đá tạo được để chống lại sự trượt (Barton và Choubey, 1977) 2.2 Thí nghiệm trong phòng Trong phòng thí nghiệm, người ta thường xác định C, φ theo các phương pháp sau: 48 - Thí nghiệm độ nghiêng trên các lõi khoan: Thí nghiệm này được tiến hành bằng cách lấy 2 đoạn lõi khoan đặt tiếp xúc với nhau và gắn lên mặt bàn nghiêng Đoạn lõi khoan thứ ba được đặt ở phía trên và có thể trượt tư do Bàn sẽ được nâng nghiêng từ từ cho đến khi đoạn lõi khoan nằm trên bắt đầu bị trượt, sau đó đo góc nghiêng α và xác định góc nội ma sát theo công thức của Stimpson (1981): b = arctg (1,155 tgα) (1) - Thí nghiệm cắt trực tiếp: Tuỳ theo số lượng và dạng mặt cắt mà người ta có thể cắt trực tiếp mẫu đá theo một hay hai mặt phẳng hoặc theo một mặt trụ Dựa vào lực cắt làm phá huỷ mẫu và diện tích các mặt cắt trong các phương pháp khác nhau mà người ta sẽ tính được độ bền cắt - Thí nghiệm cắt có nén (cắt xiên): Mẫu thí nghiệm được đặt trong các khuôn thép có góc vát khác nhau so với phương nằm ngang Dưới tác dụng của lực nén, do khuôn thép có thể dịch chuyển ngang nên mẫu sẽ bị phá huỷ theo mặt vát của khuôn Mẫu đá thí nghiệm cũng có dạng hình trụ và đạt các yêu cầu kỹ thuật như khi thí nghiệm nén một trục Khoảng hở giữa khuôn và mẫu thí nghiệm không quá 2mm Khi xác định độ bền cắt của đá cứng, chỉ cần dùng các khuôn cắt có góc vát α = 45o và 60o Đối với những mẫu đá yếu, phải dùng cả khuôn có góc vát α = 30o Độ bền cắt được tính theo công thức: T P sin = psinα (2) FF Trong đó: T là thành phần lực cắt tính theo P; F là tiết diện mẫu khi bị phá huỷ; P là áp lực trên một đơn vị diện tích mặt mẫu Đặt các giá trị của σ = pcosα và τ = psinα trong các lần thí nghiệm khác nhau lên hệ trục toạ độ τ, σ sẽ vẽ được đường biểu diễn quan hệ giữa chúng Từ đó có thể suy ra các giá trị của góc nội ma sát φ và lực dính kết C của đá - Phương pháp bán thực nghiệm Hoek – Brown (phần mềm Rocklab): Xuất phát từ thí nghiệm cắt 3 trục một mẫu đá, các tác giả trên 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 đó được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong đánh giá địa kỹ thuật đất đá bằng phương pháp RMR (Rock Mass Rating) và Q (Q system) Hiện nay, tiêu chuẩn này được ứng dụng rất thuận tiện, dễ dàng thông qua phần mềm Roclab - Phương pháp của Panhiucov P.N.: Phương pháp này đề xuất phương pháp xác định lực dính kết C và góc nội ma sát của mẫu đá trên cơ sở thí nghiệm nén đơn trục mẫu đá trong phòng kết hợp đo góc vỡ (góc vỡ là góc tạo bởi mặt vỡ với trục thẳng đứng) và chỉ ứng dụng cho những loại đá sét ở trạng thái cứng và biến dạng của mẫu khi nén H ≤ 10% chiều cao mẫu H0 Các đặc trưng về độ bền kháng cắt được xác định như dưới đây: 2450 [độ] (3) 49 C n [KG/cm2] (4) 0 2tg 45 2 Nếu biến dạng của mẫu khi nén H >10% hoặc trong trường hợp không xác định được góc vỡ thì lực dính kết được tính bởi công thức: C n [KG/cm2] (5) 2 I Mặt vỡ Mẫlu đá Mẫu đá Hình 1 Mô hình thí nghiệm sức kháng cắt theo Panhiucov P N 2.3 Thí nghiệm trong phòng kết hợp đo đạc khe nứt của đá cứng Thí nghiệm trong phòng kết hợp với đo đạc khe nứt của đá cứng nhằm xác định các thông số về độ bền kháng cắt của khối đá nguyên đã có nhiều tác giả nghiên cứu, nhưng đáng chú ý là phương pháp của S.I.Popov và phương pháp của J K Jennings - Phương pháp S I Popov: Trong quá trình thí nghiệm xác định các thông số kháng cắt, ông quan tâm lực dính kết Cm hơn là giá trị góc nội ma sát m, bởi vì lực dính kết Cm biến thiên rất lớn, có thể từ 0 - 500 kG/cm2 đến 700 kG/cm2 Ngược lại góc nội ma sát m thì thay đổi ít hơn từ 15 -20 đến 45-50 Trên cơ sở kết hợp phân tích kết quả thí nghiệm trong phòng với kết quả đo đạc khe nứt trong khối đá ông đưa ra công thức sau: Cm = .Ci (KG/cm2) (6) Trong đó: Cm, Ci là lực dính kết của đất đá khối nguyên và của các mẫu riêng lẻ; là hệ số khe nứt (lấy tùy thuộc vào đặc điểm nứt nẻ của đất đá) - Phương pháp hệ số khe nứt liên tục của J.K.Jennings: cũng dựa trên các kết quả thí nghiệm trong phòng và đo đạc khe nứt bằng cách giải hệ phương trình sau: tgm = (1-K) tgrb + K.tgj (7) Cm = (1-K) Crb + K.Cj (Kg/cm2) (8) 50 Trong đó K là hệ số khe nứt liên tục bằng tổng chiều dài các khe nứt trong khối nguyên và được xác định theo công thức 9: K lj (9) l j lrb lj là chiều dài khe nứt; lrb là kích thước của các khối đá nguyên (cầu đá - rocky bridge); tgj, Cj là hệ số ma sát và lực dính kết của đất đá ở mặt khe nứt được xác định theo thí nghiệm hiện trường hoặc trong phòng; tgrb, Crb là hệ số ma sát, lực dính kết của cầu đá được xác định theo thí nghiệm trong phòng Giải hệ 2 phương trình trên sẽ xác định được góc nội ma sát và lực dính kết của đất đá trong khối nguyên 3 Kết quả xác định các đặc trưng độ bền kháng cắt của đá phiến hệ tầng A Vương thông qua thí nghiệm nén đơn trục trong phòng (Phương pháp của Panhiucov P.N.) Nhằm thực hiện các nội dung nghiên cứu, chúng tôi tiến hành lấy 60 mẫu đá trong các lõi khoan của các công trình: Dự án đầu tư cơ sở hạ tầng ưu tiên thành phố Đà Nẵng (CSHT); khách sạn Bạch Đằng (BDHC); viễn Đông Merdian Tower (VDMT); khu du lịch nghỉ dưỡng biển cao cấp Ngũ Hành Sơn (MMBR); khu nghỉ dưỡng Raffles (RR); khu nghỉ dưỡng The Nam Khang (NKR); cầu Trần Thị Lý - Nguyễn Văn Trỗi (TTL); khu phức hợp Tourane (THC) Các mẫu đá thí nghiệm được chọn lựa và gia công với đường kính bằng chiều cao mẫu, kích thước từ 57,5cm đến 73,0cm (hình 2a) Hình 2 Mẫu đá được gia công với kích thước d=h=57,5-73,0cm (a) và các dạng phá hủy của mẫu đá trên cơ sở thí nghiệm nén đơn trục để đo góc vở (b, c, d) Sau khi gia công mẫu đá, tiến hành thí nghiệm nén đơn trục trên mẫu đá ở trạng thái khô gió đến khi mẫu đá bị phá hủy, rồi tiến hành đo góc vỡ của từng mẫu đá bị phá hủy Công tác thí nghiệm được tiến hành theo đúng qui trình và các tiêu chuẩn hiện hành, đảm bảo tính chính xác cho mẫu đá thí nghiệm Kết quả nghiên cứu thực nghiệm 51 được trình bày trên hình 2, bảng 2 và bảng 3 Bảng 2 Các thông số thí nghiệm và kết quả đo góc vở của các mẫu đá phiến hệ tầng A Vương khu vực Quảng Nam - Đà Nẵng Ký hiệu Đường kính Diện tích Tải trọng Cường độ Góc vỡ STT chịu nén kháng nén mẫu mẫu, d (mm) phá hủy (KN) 2 (độ) 2(cm ) n (KG/cm ) 1 CSHT1 57,5 25,97 67,34 259,33 30 2 CSHT2 57,5 25,97 104,90 403,97 10 3 CSHT3 57,5 25,97 128,89 496,36 30 4 MMBR1 57,5 25,97 158,25 609,42 10 5 MMBR2 57,5 25,97 195,10 751,33 20 6 MMBR3 57,5 25,97 156,05 600,95 20 7 MMBR4 57,5 25,97 75,16 289,44 10 8 MMBR5 57,5 25,97 124,92 481,07 10 9 MMBR6 57,5 25,97 126,10 485,61 10 10 MMBR7 57,5 25,97 114,00 439,01 30 11 MMBR8 57,5 25,97 104,10 400,89 15 12 MMBR9 57,5 25,97 43,71 168,33 25 13 MMBR10 57,5 25,97 62,30 239,92 18 14 TTL1 57,5 25,97 165,64 637,88 30 15 TTL2 57,5 25,97 159,30 613,47 20 16 TTL3 57,5 25,97 68,47 263,68 28 17 TTL4 57,5 25,97 105,95 408,01 15 18 TTL5 69,0 37,39 65,50 175,17 30 19 TTL6 69,0 37,39 312,54 835,83 10 20 TTL7 69,0 37,39 109,06 291,66 30 21 TTL8 69,0 37,39 363,34 971,68 18 22 TTL9 69,0 37,39 85,62 228,97 22 23 TTL10 69,0 37,39 158,73 424,49 15 24 TTL11 69,0 37,39 216,80 579,79 30 52 25 TTL12 69,0 37,39 236,07 631,32 10 37,39 151,74 26 TTL13 69,0 37,39 321,90 405,80 5 41,85 88,40 27 TTL14 69,0 41,85 166,33 860,86 18 37,39 75,50 28 TTL15 73,0 37,39 322,50 211,21 20 37,39 119,10 29 THC1 73,0 37,39 373,30 397,41 10 37,39 95,60 30 THC2 69,0 37,39 168,70 201,91 19 37,39 226,80 31 THC3 69,0 37,39 246,10 862,47 28 37,39 161,70 32 THC4 69,0 37,39 331,90 318,51 30 37,39 98,40 33 THC5 69,0 37,39 176,30 998,32 30 37,39 85,50 34 THC6 69,0 37,39 332,50 255,66 25 37,39 129,10 35 THC7 69,0 37,39 383,30 451,16 20 37,39 105,60 36 THC8 69,0 37,39 178,70 606,53 18 37,39 236,80 37 THC9 69,0 41,85 121,21 658,15 10 41,85 188,82 38 THC10 69,0 41,85 232,00 432,44 10 41,85 284,85 39 THC11 69,0 41,85 351,18 887,60 5 40 THC12 69,0 263,15 18 41 THC13 69,0 471,48 15 42 THC14 69,0 228,65 25 43 THC15 69,0 889,21 30 44 VDMT1 69,0 345,25 15 45 VDMT2 69,0 1025,06 18 46 VDMT3 69,0 282,41 12 47 VDMT4 69,0 477,90 7 48 VDMT5 69,0 633,28 10 49 RR1 73,0 289,61 12 50 RR2 73,0 451,14 15 51 RR3 73,0 554,31 25 52 RR4 73,0 680,58 20 53 NKR1 73,0 839,06 10 53 54 NKR2 73,0 41,85 280,89 671,12 5 55 NKR3 73,0 41,85 135,29 323,24 10 56 NKR4 73,0 41,85 224,86 537,24 12 57 NKR5 73,0 41,85 226,98 542,32 8 58 BDHC1 73,0 41,85 205,20 490,28 18 59 BDHC2 73,0 41,85 187,38 447,70 22 60 BDHC3 73,0 41,85 166,10 396,85 25 Bảng 2 Bảng tính các đặc trựng độ bền kháng cắt của đá phiến hệ tầng A Vương khu vực Quảng Nam - Đà Nẵng thông qua góc vỡ của mẫu đá phá hủy Cường độ Góc nội Lực dính 2 42 Ký hiệu kháng nén Góc vỡ ma sát 4 STT tg( 4 2 ) kết C mẫu n (độ) (rad) 2 (rad) (rad) (KG/cm2) φ (độ) (độ) (KG/cm2) 1 CSHT1 259,33 30 30 0,785398 15 0,262 1,047 1,732 74,86 2 CSHT2 403,97 10 70 0,785398 35 0,611 1,396 5,671 35,62 3 CSHT3 496,36 30 30 0,785398 15 0,262 1,047 1,732 143,29 4 MMBR1 609,42 10 70 0,785398 35 0,611 1,396 5,671 53,73 5 MMBR2 751,33 20 50 0,785398 25 0,436 1,222 2,747 136,73 6 MMBR3 600,95 20 50 0,785398 25 0,436 1,222 2,747 109,36 7 MMBR4 289,44 10 70 0,785398 35 0,611 1,396 5,671 25,52 8 MMBR5 481,07 10 70 0,785398 35 0,611 1,396 5,671 42,41 9 MMBR6 485,61 10 70 0,785398 35 0,611 1,396 5,671 42,81 10 MMBR7 439,01 30 30 0,785398 15 0,262 1,047 1,732 126,73 11 MMBR8 400,89 15 60 0,785398 30 0,524 1,309 3,732 53,71 12 MMBR9 168,33 25 40 0,785398 20 0,349 1,134 2,145 39,25 13 MMBR10 239,92 18 54 0,785398 27 0,471 1,257 3,078 38,98 14 TTL1 637,88 30 30 0,785398 15 0,262 1,047 1,732 184,14 15 TTL2 613,47 20 50 0,785398 25 0,436 1,222 2,747 111,64 16 TTL3 263,68 28 34 0,785398 17 0,297 1,082 1,881 70,10 17 TTL4 408,01 15 60 0,785398 30 0,524 1,309 3,732 54,66 54 18 TTL5 175,17 30 30 0,785398 15 0,262 1,047 1,732 50,57 70 0,785398 35 0,611 1,396 5,671 73,69 19 TTL6 835,83 10 30 0,785398 15 0,262 1,047 1,732 84,20 54 0,785398 27 0,471 1,257 3,078 157,86 20 TTL7 291,66 30 46 0,785398 23 0,401 1,187 2,475 46,26 60 0,785398 30 0,524 1,309 3,732 56,87 21 TTL8 971,68 18 30 0,785398 15 0,262 1,047 1,732 167,37 70 0,785398 35 0,611 1,396 5,671 55,66 22 TTL9 228,97 22 80 0,785398 40 0,698 1,484 11,430 17,75 54 0,785398 27 0,471 1,257 3,078 139,86 23 TTL10 424,49 15 50 0,785398 25 0,436 1,222 2,747 38,44 70 0,785398 35 0,611 1,396 5,671 35,04 24 TTL11 579,79 30 52 0,785398 26 0,454 1,239 2,904 34,76 34 0,785398 17 0,297 1,082 1,881 229,29 25 TTL12 631,32 10 30 0,785398 15 0,262 1,047 1,732 91,95 30 0,785398 15 0,262 1,047 1,732 288,19 26 TTL13 405,80 5 40 0,785398 20 0,349 1,134 2,145 59,61 50 0,785398 25 0,436 1,222 2,747 82,10 27 TTL14 860,86 18 54 0,785398 27 0,471 1,257 3,078 98,54 70 0,785398 35 0,611 1,396 5,671 58,02 28 TTL15 211,21 20 70 0,785398 35 0,611 1,396 5,671 38,13 80 0,785398 40 0,698 1,484 11,430 38,83 29 THC1 397,41 10 54 0,785398 27 0,471 1,257 3,078 42,75 60 0,785398 30 0,524 1,309 3,732 63,17 30 THC2 201,91 19 40 0,785398 20 0,349 1,134 2,145 53,31 30 0,785398 15 0,262 1,047 1,732 256,69 31 THC3 862,47 28 60 0,785398 30 0,524 1,309 3,732 46,26 54 0,785398 27 0,471 1,257 3,078 166,53 32 THC4 318,51 30 66 0,785398 33 0,576 1,361 4,705 30,01 33 THC5 998,32 30 55 34 THC6 255,66 25 35 THC7 451,16 20 36 THC8 606,53 18 37 THC9 658,15 10 38 THC10 432,44 10 39 THC11 887,60 5 40 THC12 263,15 18 41 THC13 471,48 15 42 THC14 228,65 25 43 THC15 889,21 30 44 VDMT1 345,25 15 45 VDMT2 1025,06 18 46 VDMT3 282,41 12 47 VDMT4 477,90 7 76 0,785398 38 0,663 1,449 8,144 29,34 48 VDMT5 633,28 10 70 0,785398 35 0,611 1,396 5,671 55,83 49 RR1 289,61 12 66 0,785398 33 0,576 1,361 4,705 30,78 50 RR2 451,14 15 60 0,785398 30 0,524 1,309 3,732 60,44 51 RR3 554,31 25 40 0,785398 20 0,349 1,134 2,145 129,24 52 RR4 680,58 20 50 0,785398 25 0,436 1,222 2,747 123,86 53 NKR1 839,06 10 70 0,785398 35 0,611 1,396 5,671 73,97 54 NKR2 671,12 5 80 0,785398 40 0,698 1,484 11,430 29,36 55 NKR3 323,24 10 70 0,785398 35 0,611 1,396 5,671 28,50 56 NKR4 537,24 12 66 0,785398 33 0,576 1,361 4,705 57,10 57 NKR5 542,32 8 74 0,785398 37 0,646 1,431 7,115 38,11 58 BDHC1 490,28 18 54 0,785398 27 0,471 1,257 3,078 79,65 59 BDHC2 447,70 22 46 0,785398 23 0,401 1,187 2,475 90,44 60 BDHC3 396,85 25 40 0,785398 20 0,349 1,134 2,145 92,53 Sau khi xử lý xác suất thống kê (đối với 2 nhóm giá trị lực dính kết và góc nội ma sát), kết quả không có giá trị nào bị loại Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm các đặc trưng độ bền kháng cắt của đá phiến hệ tầng A Vương theo phương pháp Panhiucov P.N., chúng tôi tiến hành so sánh với các kết quả nghiên cứu khác của thành tạo này ở khu vực nghiên cứu theo thí nghiệm cắt phẳng mẫu lớn hiện trường FPST và theo tiêu chuẩn phá hủy Hoek - Brown (qua một số kết quả thí nghiệm ở các công trình thủy điện khu vực Đà Nẵng và vùng lân cận) được trình bày trên bảng 4 có thể nhận thấy các đặc trưng độ bền kháng cắt của đá phiến vùng nghiên cứu khá cao và biến động trong phạm vi rộng (φ =30-800, C = 18-288 KG/cm2) Còn xác định theo phương pháp Hoek - Brown và FPST thì các đặc trưng độ bền kháng cắt thấp và biến đổi không lớn Bảng 4 Các đặc trưng độ bền kháng cắt của đá phiến hệ tầng A Vương khu vực Đà Nẵng và phụ cận theo các phương pháp khác nhau [1], [2], [3] Phương pháp xác định Panhiucov P.N Hoek - Brown FPST Góc nội ma sát φ (độ) Min 30 29 54 Max 80 56 57 Lực dính kết C (KG/cm2) Min 18 1,06 3 Max 288 22,4 18 56 Xét phạm vi ứng dụng của phương pháp Panhiucov P N , chúng ta có thể thấy phương pháp này áp dụng rất phù hợp trong việc xác định các đặc trưng độ bền kháng cắt cho các đá phiến sét hệ tầng A Vương khu vực nghiên cứu bởi vì đá có cấu tạo phân phiến dạng xiên chéo, các điều kiện về góc vỡ và H ≤ 10% 4 Nhận xét và thảo luận Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm nêu trên, có thể đi đến một số nhận xét sau: - Các đặc trưng về độ bền kháng cắt của đá phiến hệ tầng A Vương khu vực nghiên cứu xác định theo phương pháp Panhiucov P N cho giá trị khá cao, biến động trong phạm vi rộng (φ =30 - 800, C = 18 - 288 KG/cm2), đặc biệt giá trị lực dính kết cho kết quả cao hơn nhiều lần so với phương pháp FPST và Hoek - Brown Tuy nhiên, phương pháp này rất đơn giản, dễ thực hiện, chi phí thấp, có thể sử dụng để tính toán các dẫn xuất trong điều kiện không có số liệu, kiểm chứng các đặc trưng kháng cắt của các thí nghiệm khác - Hạn chế của phương pháp Panhiucov P N là thí nghiệm thực hiện trên mẫu đá, chưa đánh giá đầy đủ độ bền của khối đá Phạm vi ứng dụng của phương pháp hẹp, không áp dụng được cho các loại đá magma, biến chất có cấu tạo không phân phiến, cấu tạo gơnai, đá trầm tích hạt thô có cấu tạo khối,… chỉ được phép áp dụng cho đá sét kết, phiến sét ở trạng thái cứng - Tuy nhiên, phương pháp này có thể ứng dụng tốt để suy diễn các đặc trưng kháng cắt của đá phiến hệ tầng A Vương vùng nghiên cứu Tuy giá trị C, φ xác định theo phương pháp này hơi cao và phạm vi biến đổi lớn, nhưng theo chúng tôi kết quả này có thể tin cậy được, phù hợp với sự phong phú về thành phần và quá trình phong hóa, nứt nẽ không đồng đều của đá gốc hệ tầng A Vương ở lãnh thổ nghiên cứu Kết quả xác định theo phương pháp FPST và Hoek - Brown cho lực dính kết C quá thấp không phù hợp với điều kiện làm việc tự nhiên của loại đá này Mặc dù, phương pháp Hoek - Brown có nhiều ưu việt vì áp dụng được cho tất cả các loại đá, có xét đến nhiều yếu tố khe nứt, nước dưới đất,… và được sử dụng khá phổ biến ở Việt Nam hiện nay TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Bùi Khôi Hùng, Về vấn đề xác định cường độ kháng cắt của khối đá, Tạp chí Địa kỹ thuật, số 1, Hà Nội, 2005 2 Công ty Tư vấn xây dựng điện 1, Báo cáo khảo sát địa chất công trình Thủy điện A Vương 3 Công ty Tư vấn xây dựng điện 1, Báo cáo khảo sát địa chất công trình Thủy điện A Lưới 57 4 Nguyễn Sỹ Ngọc, Cơ học đá, Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội, 2005 5 Đỗ Quang Thiên & nnk, Các phương pháp nghiên cứu và khảo sát địa chất công trình phục vụ xây dựng, Nxb Đại học Huế, Huế, 2010 6 Panhiucov P.N., Địa chất công trình, Giáo trình dạy cho sinh viên trường Đại học Mỏ hoặc khoa Mỏ, Matxcơva, (Bản Tiếng Nga), 1962 EXPERIMENTAL RESEARCH ON SHEAR RESISTANCE OF SERICITE SCHIST BELONGING TO A VUONG FORMATION IN QUANG NAM – DA NANG BY INDOOR UNIAXIAL COMPRESSION TEST Nguyen Hoang Giang1, Do Quang Thien2 1Duy Tan University 2College of Sciences, Hue University Abstract Based on the experimental formula of Panhiucov P N., the authors carried out experiments for 60 sericite schist samples of A Vuong formation in Quang Nam – Da Nang by uniaxial compresstion test in order to determine their shear resistances From results of the experimental research, we compare with some current different experiment methods on shear resistance in Viet Nam, making comments and proposing areas of applying this method to hard rock and semihard rock in the research area 58