Nghiên cứu xác định đặc trưng cơ học của khối đá san hô theo tiêu chuẩn Hoek - Brown

Bài báo trình bày phương pháp tính toán các đặc trưng cơ học của khối đá san hô tại nền, mái dốc và tuynel theo tiêu chuẩn Hoek – Brown bằng phần mềm Roclab. Phương pháp này mới được tiếp cận và sử dụng trên cơ sở một số khối đá ở nước ta nên các kết quả so sánh với các phương pháp khác chưa nhiều. Kết quả của bài báo bước đầu có ý nghĩa thực tiễn trong việc nghiên cứu, kiến nghị giá trị tính toán chỉ tiêu cơ học của khối đá san hô phục vụ cho thiết kế và thi công công trình.

ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA KHỐI ĐÁ SAN HÔ THEO TIÊU CHUẨN HOEK - BROWN ThS NGUYỄN QUÝ ĐẠT Học viện kỹ thuật Qn Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp tính theo tiêu chuẩn TCVN 4253-2012 dựa toán đặc trưng học khối đá san hô nền, mái dốc tuynel theo tiêu chuẩn Hoek – Brown phần mềm Roclab Phương pháp tiếp cận sử dụng sở số thông số đầu vào độ bền nén mẫu đá nên không đại diện cho khối đá Khi phương pháp dựa theo tiêu chuẩn Hoek – Brown nghiên cứu, tính tốn đặc trưng học khối đá san khối đá nước ta nên kết so sánh với phương pháp khác chưa nhiều Kết báo bước đầu có ý nghĩa thực tiễn việc nghiên cứu, kiến nghị giá trị tính tốn tiêu học hô cho thấy khả quan, ưu điểm sau: khối đá san hô phục vụ cho thiết kế thi cơng cơng trình Abstract: The paper presents a method to determine the mechanical properties of the coral rock mass at the base foundations, slopes, and tunnel based on Hoek-Brown Criterion using Roclab software This method has been recently used for some rock mass in Vietnam, there are lacks of comparisons the results obtained using other methods The results presented in this paper have practical meaning for research, proposing mechanical properties of coral rock mass for design and construction Đặt vấn đề Theo kết khảo sát địa chất cơng trình, cấu trúc san hơ bao gồm lớp từ xuống: cát san hơ; cành nhánh san hô lớp đá san hô Trong đó, lớp cành nhánh làm cho cơng trình nhỏ Tuy nhiên, tương lai qui mơ cơng trình tăng lên lớp đá san hơ lớp lựa chọn đặt móng cơng trình Do vậy, việc xác định tiêu độ bền khối đá san hô cần thiết Hiện nay, có nhiều phương pháp xác định đặc trưng học khối đá cơng trình ngầm, cơng trình thủy cơng như: xác định theo quy phạm TCVN 4253-2012, xác định thí nghiệm địa học trời, xác định theo tiêu chuẩn Hoek - Brown,… Việc thí nghiệm trường đá san hơ gần khơng thể chi phí tốn Còn tiêu học khối đá lấy Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 Tiêu chuẩn Hoek-Brown tiêu chuẩn lý thuyết thực nghiệm chặt chẽ logic, tiêu tính tốn: Modul biến dạng, sức kháng cắt, kháng nén định lượng hóa hàm tốn học Phương pháp có tính thực tế áp dụng số cơng trình thủy điện, cơng trình ngầm ví dụ như: Cơng trình thủy lợi, thủy điện Cửa Đạt - Thanh Hóa…[2] Tiêu chuẩn xây dựng sở kinh nghiệm từ nhiều số liệu thực tế bao gồm nhiều loại đá khác nhau, đường bao độ bền có dạng phi tuyến phù hợp với thí nghiệm điều kiện áp lực hông Tiêu chuẩn Hoek-Brown phù hợp với đá giòn hay điều kiện ứng suất đảm bảo đá có phá hoại giòn Tiêu chuẩn Hoek-Brown 1.1 Khái quát tiêu chuẩn 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 Mối quan hệ có dạng phi tuyến Theo HB, độ bền khối đá nứt nẻ xác định từ kết hợp kết thí nghiệm phòng với quan sát mơ tả đo đạc trường [1], [2]  Nguyên lý nghiên cứu đánh giá độ bền tính biến dạng khối đá nứt nẻ: - Tiêu chuẩn đưa với mục đích xác định đặc trưng học khối đá nứt nẻ điều kiện ứng suất tương tự điều kiện làm thí nghiệm ba trục mẫu đá; - Tiêu chuẩn phá hủy đề xuất có khả mở rộng áp dụng thích hợp khối đá nứt nẻ; - Tiêu chuẩn phá hủy diễn giải phương trình tốn học đơn giản, thơng số có đơn vị đo thơng dụng hợp lý 61 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 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 Các hệ số có liên hệ với đặc điểm khối đá, thường thông qua đo đạc, mô tả, nhận dạng phân loại khối đá Như vậy, theo HB, độ bền khối đá nứt nẻ xác định từ kết hợp kết thí nghiệm phòng với quan sát, mơ tả đo đạc trường [3] nguyên khối theo bảng kinh nghiệm HoekBrown;  Tiêu chuẩn Hoek-Brown áp dụng cho khối đá nứt nẻ: + với RMR89 < 23 (đá có chất lượng kém): GSI tra bảng Hoek-Brown xác định qua hệ số Q' Barton: = + ( / + ) (1) - GSI (Geological Strengh Index): số độ bền địa chất, sử dụng cho việc đánh giá độ bền khối đá cho điều kiện địa chất khác nhau, chủ yếu mức độ nứt nẻ đặc điểm bề mặt khe nứt đó: + với RMR76 > 18: GSI = RMR76 + với RMR89 > 23: GSI = RMR89-5 = GSI = 9logQ'+44 với '1, '3: ứng suất hữu hiệu lớn nhỏ thời điểm phá hủy thí nghiệm nén trục; × (4) (5) (Các trị số Jr, Jn, Ja tra bảng phân loại Barton đề xuất năm 1974) + RMR76 RMR89 giá trị phân loại khối đá ci: cường độ kháng nén trục mẫu đá nguyên vẹn; xác định cách cho '3 = công thức (1) ta có: ′ = ( ) (2) theo Bieniaswki đề xuất năm 1976 1989 (Rock Mass Rating) phụ thuộc thông số: ci, số RQD, bước khe nứt, đặc tính khe nứt mb: hệ số Hoek-Brown phụ thuộc vào loại đá (theo hệ số mi); - D: hệ số xáo động hay hệ số tác động biện pháp thi cơng (nổ mìn đào) mức độ nguyên vẹn khối đá (hệ số nguyên khối) D chạy từ (khối đá nguyên vẹn) đến (khối đá bị [( = − 100)/(28 − 14 )] (3) Với: xáo động mạnh) - mi: hệ số vật liệu phụ thuộc loại đá; xác định từ đường cong thí nghiệm trục mẫu đá s a: số Hoek-Brown phụ thuộc vào đặc tính khối đá [( - với GSI > 25 thì: = − 100)/(9 − )] (6) - với GSI < 25 thì: s = = - với GSI = 100 thì: s = (khi khối đá nguyên trạng) = 1/2 + 1/6 / / − (7) =( )= 1− ( )= 1− 10(( 10(( )/ )/ ) ( ) ( − ) / (8) / / (9) / Trong đó: / Ứng suất pháp cắt liên hệ với ứng suất cơng thức Balmer: ( + =1+ ( / + ) (10) Modul biến dạng khối đá: 100) (11) (12) 1.2 Quan hệ tiêu chuẩn Mohr-Coulomb (MC) Hoek - Brown (HB) thực cách khớp đường bao tuyến tính MC với đường cong HB từ Thực tế thiết kế xây dựng cơng trình sử dụng tiêu chuẩn phá hoại MC cho tính tốn (c φ gần gũi thông số mb, s hay a theo chuẩn HB); ngồi ra, khơng xác định trực tiếp c φ phương trình (1) khoảng giá trị ứng suất nhỏ t đến 3='3max, hình minh họa [4] Quá trình khớp bao gồm việc làm cân diện tích phía phía đồ thị MC giới hạn cho khối đá Do vậy, nên cần phải xác định c φ tương đương cho khối đá từ quan hệ HB Điều đường bao HB Kết việc xác định khác tùy thuộc vào việc chọn giá trị '3max 62 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Việc làm cho ta công thức sau góc ( = sin ( )( ( = ( )( ) ) ( ( ) ma sát ’ lực dính c’: ) ) ) ( ( (13) (14) ) )/(( )( )) - Các giá trị mb, a, S đánh giá phương trình thực nghiệm (3), (6) (7); - Cường độ kháng nén trục mẫu đá nguyên vẹn c số vật liệu đá mi xác định thí nghiệm phòng; - ci: Cường độ kháng nén trục mẫu đá trạng thái bão hòa, (MPa); - GSI: Chỉ số độ bền địa chất khối đá, xác định theo công thức: GSI = RMR - - mi - Hệ số Hoek-Brown đặc trưng cho loại đá, đá cứng hạt thơ giá trị mi cao Hằng số mi xác định thí nghiệm nén Hình Quan hệ ứng suất lớn nhỏ cho tiêu chuẩn Hoek - Brown Mohr - Coulomb tương đương Nghiên cứu xác định đặc trưng học khối đá san hô phần mềm Roclab 2.1 Thơng số đầu vào phần mềm Roclab Phương trình (1) có ba tham số cần phải xác định để tìm lời giải Trong việc tìm lời giải đánh giá cường độ khối đá nứt nẻ Hoek-Brown nhận thấy xác định thơng số mb, a, S cách đo đạc quan sát khối đá, thơng số có ý nghĩa tương tự tham số Bieniawski Barton đề cập phân loại khối đá họ Do Hoek Brown kiến nghị dùng giá trị điểm số phân loại chất lượng khối đá RMR Bieniawski Q Barton để xác lập giá trị mb, a, S [2] Phần mềm Roclab xây dựng sở tiêu chuẩn Hoek-Brown phần mềm xác định tiêu học khối đá phổ biến sử dụng hệ thống phân loại theo Q RMR - Phần mềm Roclab chứa đựng toàn biểu thức, cho phép tính tốn giá trị tiêu lý khối đá Thông số đầu vào cho phần mềm Roclab sau: Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 trục tra bảng; Do khơng có thí nghiệm ba trục mẫu đá, vị giá trị số vật liệu đá mi tra bảng - D: Hệ số tác động biện pháp thi công mức độ nguyên vẹn khối đá; - Tính tốn cho đá chọn mục Application Custom - (nhập giá trị ứng suất ngang cực đại 3max (Mpa)): = c: Dung trọng khô khối đá - Unit weight (Mpa) - Tính tốn cho tuynel chọn mục: Application Tunnels - Nhập giá trị dung trọng khô khối đá Unit weight (Mpa) chiều sâu tuyến tuynel Tuynel depth (m); - Tính tốn cho mái dốc chọn mục: Application Slopes - Nhập giá trị dung trọng khô khối đá Unit weight (Mpa) chiều cao mái dốc - Slope Height (m) 2.2 Thông số đầu phần mềm Roclab Phần mềm Roclab tính tốn cung cấp kết sau: - Giá trị hệ số Hoek-Brown (Hoek-Brown criterion): mb, S a; - Chỉ tiêu kháng cắt khối đá: (Mohr-Coulomb fit) bao gồm: + Giá trị lực dính kết C (Cohesion, Mpa); 63 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA + Giá trị góc ma sát (Friction angle, deg) 2.3 Ứng dụng phần mềm Roclab tính tốn - Chỉ tiêu học khối đá (Rock mass parameters) bao gồm: đặc trưng học khối đá san hô + Giá trị cường độ kháng cắt t (Tensile strength, Mpa); động xạ nhiệt, lượng gió lớn Do vậy, khối đá san hơ hình thành sâu, điều kiện ngập nước, chịu tác nhân phong hóa nhiệt độ, nước biển, khơng khí, gió Các tác + Giá trị cường độ kháng nén trục trụ đá c (Unixial compressive Strength, Mpa); + Giá trị cường độ kháng nén khối đá c (Global Strength, Mpa); + Modul tổng deformation, Mpa) biến dạng (Modulus of - Các đồ thị kháng nén kháng cắt: cho phép hiển thị (và không hiển thị) đường quan hệ theo tiêu chuẩn Mohr - Colomb, giá trị 1, 3, n, C', ' [5] San hô phát triển môi trường biển, chịu tác nhân làm cho phong hóa hóa học vật lý phát triển, q trình oxy hóa, thủy phân làm cho trầm tích san hơ bị biến đổi màu sắc, hình dạng, kích thước thành phần Dưới đây, ứng dụng phần mềm Roclab tính tốn đặc trưng học khối đá san hô tương ứng với điều kiện hình thành chúng, kết thể từ hình đến hình bảng đến bảng Hình Cường độ khối đá vơi san hơ phong hóa vừa cho cơng trình đảo Trường Sa lớn Hình Cường độ khối đá vơi san hơ phong hóa vừa cho mái dốc cơng trình đảo Trường Sa lớn Hình Cường độ khối đá vơi san hơ phong hóa vừa cho cơng trình đảo Đá Tây Hình Cường độ khối đá vơi san hơ phong hóa vừa cho mái dốc cơng trình đảo Đá Tây 64 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Bảng Tính tốn giá trị tính tốn tiêu lý khối đá TT Đá vôi san hô Trường Sa lớn Đá vôi san hô Đảo Đá Tây Lớp - phong hóa vừa Lớp - phong hóa vừa Giá trị Cho điểm Giá trị Cho điểm Mpa 10 Đơn vị Các thông số A Xác định RMR89 khối đá (theo Bieniawski 1989) Cường độ kháng nén mẫu đá trạng thái bão hoà 1KG/cm = 0.09807Mpa Giá trị RQD % 60 13 40 Bước khe nứt m 0.05 0.03 Đặc điểm mặt khe nứt c 20 c 20 c c A = Rất nhám, kín, khơng phong hố B = Hơi nhám, khe nứt rộng