Nghiên cứu xác định hệ số vật liệu Hoek-Brown (Mi) của đá san hô nứt nẻ bằng các kết quả thí nghiệm ba trục

Bài viết trình bày phương pháp xác định hệ số vật liệu mi của đá san hô bằng hệ thống thí nghiệm ba trục. Hệ số mi thường được xác định bằng phương pháp tra bảng hoặc xác định giá trị theo kinh nghiệm, việc ứng dụng hệ thống thí nghiệm ba trục đá sẽ giúp việc xác định mi cho cơ sở xác định chính xác hơn.

ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ VẬT LIỆU HOEK - BROWN (MI) CỦA ĐÁ SAN HƠ NỨT NẺ BẰNG CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM BA TRỤC ThS NGUYỄN QÚY ĐẠT, KS TRẦN VĂN CƯƠNG Học viện Kỹ thuật Quân Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp xác định hệ số vật liệu mi đá san hơ hệ thống thí nghiệm ba trục Hệ số mi thường xác định phương pháp tra bảng xác định giá trị theo kinh nghiệm, việc ứng dụng hệ thống thí nghiệm ba trục đá giúp việc xác định mi cho sở xác định xác Kết báo có ý nghĩa thực tiễn việc nghiên cứu đưa khuyến nghị giá trị mi mẫu đá san hơ dựa kết thí nghiệm mẫu thực tế Abstract: The paper presents a method to determine the Hoek-Brown material constant mi of the coral rock using triaxial test systems The mi has been recently determined by using a reference table or experience, therefor using triaxial test systems on rock specimens helps determine the mi for determined basis more exactly The results presented in this paper have practical meaning for research, proposing the mi of coral specimen based on results of reality experimental samples san hô điều kiện ngồi đảo xa khó thực hiện, nghiên cứu xác định số liệu thí nghiệm phòng Việc tính tốn tiêu học khối đá lấy theo tiêu chuẩn TCVN 4253:2012 dựa độ bền nén mẫu đá, việc thí nghiệm chưa hoàn toàn đặc trưng cho khối đá Phương pháp dựa theo tiêu chuẩn Hoek – Brown, phương pháp phổ biến khác tính tốn đặc trưng học phù hợp với khối đá san hơ, dựa lý thuyết thực nghiệm chặt chẽ, logic, phù hợp với ứng xử phá hoại giòn vật liệu đá Phương pháp áp dụng số cơng trình thủy điện, cơng trình ngầm nước Sử dụng tiêu chuẩn Hoek-Brown, để xác định cường độ biến dạng khối đá nói chung, cần tính đến ba tính chất khối đá là: cường độ kháng nén trục mẫu đá, số độ bền địa chất GSI hệ số vật liệu Hoek-Brown mi Bài báo trình bày phương pháp xác định mi đá san hô, hệ số quan trọng đòi hỏi xác định Đặt vấn đề: hệ thống thí nghiệm ba trục mẫu đá Hệ số mi thông số quan trọng để sử dụng tiêu chuẩn Hoek-Brown tính tốn tiêu học khối đá Nó xác định thí nghiệm nén ba trục đá, nhiên, nhiều dự án đủ kết thí nghiệm trục để đơn giản ước lượng giá trị mi tra bảng tham khảo Cách thức giới hạn số loại đá dựa vào giá trị cường độ kháng nén trục đá thiết bị thí nghiệm ba trục đá Việt Nam hạn chế loại đá thí nghiệm chủ yếu lấy thực địa nơi xây dựng dự án Tập hợp kết lớn nhiều chủng loại thường dự án lớn như: thủy điện Cửa Đạt - Thanh Hóa, thủy điện Se San Đối với đá san hô, loại đá đặc biệt từ nguồn gốc thành tạo chưa nghiên cứu nhiều vùng phân bố đá san hơ ngồi khơi, điều kiện nghiên cứu khó khăn Tổng quan hệ số vật liệu tiêu chuẩn Mẫu thí nghiệm nghiên cứu báo lấy hố khoan trường lớp đá san hô Việc xác định tiêu đặc trưng học khối đá san hô cần thiết cung cấp số liệu thiết kế Thí nghiệm trường đá 54 Hoek- Brown Chuẩn phá hoại Hoek-Brown (HB) gọi chuẩn bền HB tiêu chuẩn lập từ kinh nghiệm cho phép xác định quan hệ tương quan thành phần ứng suất trạng thái giới hạn khối đá Để xác định đường bao độ bền khối đá nứt nẻ, tác giả đưa thêm hệ số vào phương trình đường bao độ bền đá liền khối Theo HB, độ bền khối đá nứt nẻ xác định từ kết hợp kết thí nghiệm phòng với quan sát, mô tả đo đạc trường [3] Xác định mi sử dụng phương trình tiêu chuẩn Hoek-Brown: (1) đó: 1, 3 - ứng suất lớn nhỏ thời điểm phá hủy thí nghiệm nén trục; ci - cường độ kháng nén trục vật liệu đá nguyên vẹn lấy từ khối đá tạo thành; Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2019 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA s, a - số phụ thuộc vào đặc tính khối đá; giá trị s nằm khoảng từ với khối đá nứt [ - với GSI > 25 thì: nẻ đến với vật liệu đá nguyên vẹn s tính sau: ] ; a = 0.5; - với GSI < 25 thì: s = 0; ; ( - với GSI = 100 thì: s = (khi khối đá nguyên trạng); ) GSI (Geological Strengh Index): số độ bền địa chất khối đá, sử dụng cho việc đánh giá độ bền khối đá điều kiện địa chất khác Hệ số xác định r : D - hệ số xáo động hay hệ số tác động biện pháp thi công mức độ nguyên vẹn khối đá D chạy từ (khối đá nguyên vẹn) đến (khối đá bị xáo động mạnh) Dữ liệu thí nghiệm chất lượng cao thường cho hệ số xác định r lớn 0.9 mb - hệ số Hoek-Brown cho khối đá phụ thuộc loại đá (theo hệ số vật liệu mi): [ ] (2) Hệ số vật liệu mi xác định từ thí nghiệm trục mẫu đá nguyên vẹn lấy từ khối đá tạo thành Từ công thức (1) (2) cho thấy mối quan hệ ứng suất thời điểm phá hoại đá vai trò hệ số mi tiêu chuẩn HoekBrown cần xác định phân tích kết thí nghiệm ba trục mẫu đá Ngồi ra, hệ số mi gây ảnh hưởng đến hình dạng đường bao phá hoại Mohr góc ma sát tức thời đá mức ứng suất pháp hiệu khác Với đặc điểm đá san hơ, có GSI = 42, để xác định mi sử dụng công thức: (3) Với nhiều kết thí nghiệm ba trục mẫu đá thu nhận được, chúng phân tích để xác định cường độ kháng nén trục σci hệ số Hoek-Brown mi mô tả Hoek Brown (1980) Thí nghiệm nén thực với cấp áp lực hông chọn khoảng < σ3 < 0.5σci Trong phân tích này, phương trình (3) viết lại dạng sau [2]: (4) đó: x = σ3 y = (σ1 - σ3)  Cho n mẫu, với mẫu đá nguyên vẹn s = 1, cường độ kháng nén trục σci hệ số vật liệu mi tính theo cơng thức đây: ∑ [ [ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ] ∑ ∑ ∑ (5) ∑ ∑ ∑ ] Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2019 (6) [∑ [∑ ∑ ∑ ∑ ] ][∑ ∑ ] (7)  Trường hợp đá vỡ nứt nẻ mạnh, giá trị hệ số mi tính theo phương trình: [ ∑ ∑ ] (8) Khi giá trị s gần không, phương trình (1.6) đơi cho giá trị âm, trường hợp đặt s = tính hệ số mi sau: ∑ ∑ (9) Mẫu đá san hô nghiên cứu San hô lớp động vật, có khung xương cứng cấu tạo từ ổ vôi (CaCO3) cá thể san hô tạo q trình sống Các quần thể san hơ phát triển vùng biển nhiệt đới, nước sạch, độ mặn vừa phải (34 - 36‰) nhiệt độ o trung bình năm khơng 18 C Những san hô sống không nhô cao mặt nước triều xuống không sâu 50m, chúng phát triển mạnh độ sâu không sâu 10m Ở độ sâu lớn, thức ăn ôxy cần thiết cho hô hấp san hơ khơng nữa, chúng bị chết Bộ khung xương lại chúng tạo nên đảo hình vành khun, hình móng ngựa rạn chắn có quy mơ khác Các loại đá vơi thơng thường có thành phần chủ yếu canxit dolomit, đá san hơ loại đá vơi có thành phần khống vật aragonit canxit Do q trình kiến tạo tầng trầm tích đá, tinh thể aragonit bị canxit hoá hạt canxit đóng vai trò xi măng gắn kết; kết phân tích thành phần thạch học đá san hô cho thấy thành phần cacbonat chiếm tỷ lệ trung bình 80% Ngồi ra, khối đá san hơ chịu tác động mạnh q trình phong hóa điều kiện thành tạo từ nhiều lồi san hơ khác dẫn đến đá có tính bất đồng cao độ lỗ rỗng lớn Trong trình tồn phát triển, đảo san hô trải qua nhiều lần nâng hạ chuyển động kiến tạo vỏ Trái đất tương ứng với 55 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA chu kỳ phát triển diệt vong quần thể san hô Sự thành tạo lớp đá san hơ có liên quan mật thiết với dao động mực nước biển thể canxit để trở thành đá vôi san hô Lớp phân Đá san hơ nằm chủ yếu ngồi khơi đảo san hơ với điều kiện lấy mẫu khó khăn; thực lỗ khoan đạt tới độ sâu 60m Hình trụ địa chất phổ biến đảo san hô từ xuống bao gồm lớp sau: vững chắc, có độ rỗng lớn (10 – 20%), Lớp 1: Cát san hô, độ dày 0.8m – 1.0m; Lớp 2: Cành nhánh san hô lẫn cát sạn, tảng san hô, độ dày 12.5m – 15m; Lớp 3: Đá vôi san hô màu trắng xám, xám vàng, độ dày khoảng 44m chưa kết thúc lớp Tầng đá san hơ hình thành chủ yếu từ bố tương đối ổn định, độ sâu gặp lớp từ 11.2 – 15.0m, bề dày lớp tương đối lớn; cấu tạo đá lấp nhét dăm, sạn, cát san hơ, cấu tạo khối Kết phân tích thạch học mẫu đá cho thấy thành phần chủ yếu carbonat dạng ẩn tinh, vi hạt tập hợp có màu phớt xám nâu (thành phần sét vật chất hữu cơ), đa phần chúng thay giả hình cho phần xương sinh vật, số nơi quan sát rõ phần carbonat thay cho vách ngăn có dạng tỏa tia cá thể san hơ vài mảnh sinh vật có dạng lưỡi liềm khơng hồn chỉnh Các tiêu lý trung bình lớp theo thí q trình canxit hố tinh thể aragonit, hầu hết tinh thể aragonit thay thể tinh nghiệm phòng bảng Bảng Tổng hợp tiêu lý trung bình đá san hơ Tên tiêu Độ ẩm bão hòa Khối lượng thể tích khơ bão hòa Khối lượng riêng Độ rỗng Cường độ kháng nén hở tổng khơ  bão hòa  Cường độ kháng kéo Hệ số biến mềm Môđun đàn hồi Mô đun tổng biến dạng Ký hiệu W c bh s nh nt k n Thí nghiệm ba trục mẫu đá nghiên cứu 3.1 Thiết bị thí nghiệm qui trình thí nghiệm Thí nghiệm thực hệ thống thí nghiệm ba trục (Triaxial test system) hãng E x 10 g/cm g/cm % Giá trị trung bình 6.88 2.21 2.36 2.72 15.18 18.81 79.2 kG/cm bh n 60.0 σk K khơ bão hòa khơ bão hòa Đơn vị % kG/cm kG/cm kG/cm Eo x 10 2 14.0 0.76 0.49 0.37 0.40 0.30 Controls Ý Hệ thống bao gồm ba phận khung nén, thiết bị tạo áp lực hơng thiết bị gia tải thẳng đứng (hình 1) Các phụ kiện kèm bao gồm: buồng ba trục, dụng cụ tạo mẫu gắn tem điện trở đo biến dạng mẫu Hình Hệ thống thí nghiệm ba trục đá 56 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2019 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Qui trình thí nghiệm bao gồm bước: hình trụ đường kính 54mm chiều cao mẫu Bước Chế bị mẫu gắn biến trở đo biến 108mm Mẫu đánh nhẵn vị trí gián biến trở đo dạng Mẫu đá san hô khoan, cắt đảm bảo độ biến dạng dọc trục biến dạng ngang Kiểm tra vuông trục mặt mẫu mài mẫu tiêu chuẩn hoạt động biến trở ơm kế (hình 2) a) Máy khoan lõi đá b) Máy cắt, mài mẫu đá c) Mẫu đá sau chế bị Hình Chế bị mẫu thí nghiệm Bước Lắp đặt thí nghiệm: Tiến hành lắp mẫu thêm cách lắp đặt theo tiêu chuẩn khác vào buồng trục, cài đặt phần mềm điều khiển website controlgroup [7]) kết nối buồng gia tải đứng với máy tính, thiết lập Trong trình lắp mẫu vào buồng nén ba trục cần kiểm tra lại điện trở, mở phần mềm trước bật thiết bị buồng gia tải kết nối với máy tính Sau thiết lập thơng số đầu vào máy điền thông số tem đo biến dạng mẫu đá (hình 4) thơng số thí nghiệm Sơ đồ kết nối hệ thống thí nghiệm ba trục với máy tính thể hình (có thể tham khảo Hình Sơ đồ kết nối hệ thống thí nghiệm mẫu buồng nén sau lắp đặt Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2019 57 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Hình Thiết lập thơng đầu vào, kiểm sốt tải biến dạng Bước Tiến hành thí nghiệm: tạo áp lực thẳng Kết thí nghiệm mẫu đá nghiên cứu đứng ban đầu đầu gia tải tiếp xúc mẫu, tạo áp thể thông qua biểu đồ quan hệ ứng lực hông theo nguyên tắc < σ3 < 0.5σci tiến suất – biến dạng; bảng tiêu học: modun hành tăng tải thẳng đứng đến mẫu phá hủy Kết biến dạng, hệ số poisson, ứng suất lớn thí nghiệm thể mục 2.2 nhỏ thời điểm mẫu phá hủy 3.2 Kết thí nghiệm hình M1 (sig3 = 0.5Mpa) M2 (sig3 = 1.0Mpa) M3 (sig3 = 1.5Mpa) M4 (sig3 = 2.0Mpa) M5 (sig3 = 3.0Mpa) M6 (sig3 = 5.0Mpa) Hình Biểu đồ ứng suất biến dạng ứng với áp lực hơng khác 58 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2019 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Xác định hệ số vật liệu mi sử dụng kết thí nghiệm) cường độ kháng nén trục mẫu nghiệm ba trục đá Sử dụng công thức (8) để tính mi [2], [3]: ∑ ∑ [ ] Kết thí nghiệm ba trục đá cho liệu ứng suất lớn σ1 ứng suất nhỏ σ3 thời điểm phá hủy mẫu Do đá san hơ loại đá có tính nứt nẻ vừa đến mạnh nên để xác [ đó: định mi cần bổ sung thơng số hệ số Hoek- ] [∑ ∑ ∑ [∑ ][∑ ∑ Kết thí nghiệm sau: Brown s, số độ bền địa chất GSI, hệ số xáo động D (sử dụng phương pháp tra bảng kinh ] ∑ ] Bảng Kết tính tốn giá trị x, y phục vụ xác định mi TT x = σ3 σ1 y = (σ1 - σ3) 2 xy x y (MPa) (MPa) 0.5 28.26 770.62 385.309 0.25 593851.5 1.0 30.01 841.58 841.580 1.00 708257.1 1.5 31.89 923.55 1385.328 2.25 852948.5 2.0 34.05 1027.20 2054.405 4.00 1055145.0 3.0 37.58 1190.25 3570.750 9.00 1416695.1 5.0 40.68 1273.06 6365.312 25.00 1620687.9 Tổng 13 6026.26 14602.68 41.50 6247584.94 Kết xác định thông số: n = 6; sigci = 27.4; D = 0.7; S = 0.00022; GSI = 42 hệ số vật liệu mi = 16.88 theo kết tập hợp số liệu thí nghiệm với hệ số độ tin cậy r = 0.919 Kết luận kiến nghị Từ kết thí nghiệm ba trục mẫu đá san hô, xác định hệ số vật liệu đại diện mi = 16.88 Kết đóng vai trò quan trọng việc tính tốn thơng số tính chất học khối đá theo tiêu chuẩn Hoek-Brown Số liệu đá san hơ khiêm tốn, báo góp phần bổ sung giá trị hệ số vật liệu loại đá san hô vào bảng kinh nghiệm xác định hệ số vật liệu cho loại đá Điều có ý nghĩa khoa học nghiên cứu đặc trưng học khối đá san hô phục vụ thiết kế xây dựng cơng trình loại đá So sánh với giá trị tra bảng giá trị hệ số vật liệu mi đá vơi thơng thường 9÷12 với đá vôi san hô khoảng 16.88 Bằng việc kết hợp thí nghiệm ba trục mẫu đá đánh giá chất lượng khối đá trường, kết sơ ban đầu cho thấy giảm giá trị mi so với mức độ gia tăng khe nứt mức độ phong hóa Tuy nhiên, để nâng cao độ xác xác định giá trị mi kiểm tra độ tin cậy nhận định Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2019 trên, cần thí nghiệm số lượng mẫu đá lớn Mặt khác, trầm tích san hơ có tính bất đồng cao nên cần tăng số mẫu đá lấy độ sâu lớn mở rộng thêm khu vực khảo sát để có tập hợp số liệu dày hơn, cho kết xác định hệ số vật liệu mi có hệ số tin cậy cao TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Quang Phích (2000), Lý thuyết học khối đá nguyên khối nứt nẻ, Trường Đại học Mỏ địa chất, Hà Nội Evert Hoek (2006), Practical Rock Engineering Hoek E and Brown E.T (1983), Strengh of jointed rock masses, giảng Rankine Hoek-Brown Failure Criterion (2006), Edition by Evert Hoek, Carlos Caranza-Torres and Brent Corkum Roclab - User's guide for Rock mass Strength analysis using the Hoek-Brown criterion software, 2002 Xia-Ting Feng (2017), Rock Mechanics and Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences https://www.controls-group.com/eng/rock-mechanicstesting-equipment/automatic-uniaxial-and-triaxial-testsystem.php Ngày nhận bài: 17/6/2019 Ngày nhận sửa lần cuối: 29/6/2019 59 ... kết thí nghiệm ba trục mẫu đá san hô, xác định hệ số vật liệu đại diện mi = 16.88 Kết đóng vai trò quan trọng việc tính tốn thơng số tính chất học khối đá theo tiêu chuẩn Hoek-Brown Số liệu đá san. .. san hô khiêm tốn, báo góp phần bổ sung giá trị hệ số vật liệu loại đá san hô vào bảng kinh nghiệm xác định hệ số vật liệu cho loại đá Điều có ý nghĩa khoa học nghiên cứu đặc trưng học khối đá san. .. ] Kết thí nghiệm ba trục đá cho liệu ứng suất lớn σ1 ứng suất nhỏ σ3 thời điểm phá hủy mẫu Do đá san hơ loại đá có tính nứt nẻ vừa đến mạnh nên để xác [ đó: định mi cần bổ sung thông số hệ số