Về vấn đề xác định cường độ kháng cắt khối đá

Bài viết này trình bày các phương pháp xác định cường độ cắt của rockmass và đề cập rằng các giá trị thiết kế của cường độ cắt trong Chuẩn 425 425,86 khá thấp, nó chỉ được sử dụng để tính toán độ ổn định của đập trên nền đá tương ứng với tiêu chuẩn TCXDVN 285: 2002, nó không nên được sử dụng để thiết kế đường hầm và độ dốc. Tác giả khuyến nghị sử dụng giá trị cường độ cắt của đá nguyên vẹn (cầu đá) và các khớp trong tiêu chuẩn MA 4253.86.

Về vấn đề xác định c-ờng độ kháng cắt khối đá Bựi Khụi Hựng* Cụng ty T xõy dựng điện Km 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 tiêu quan trọng để tính tốn ổn định đập, mái dốc cơng trình ngầm xây dựng đá khối đá Tuy nhiên việc xác định góc ma sát lực dính khối đá nhiệm vụ khó khăn khối đá mơi trường đặc biệt tồn khe nứt Trong thập kỷ qua, nhà khoa học giới tập trung nhiều công sức giải vấn đề để đáp ứng đòi hỏi cấp bách việc xây dựng cơng trình lớn đá Bài báo điểm qua phương pháp xác định cường độ kháng cắt khối đá nêu lên số vấn đề tồn cần trao đổi Các phương pháp xác định cường độ kháng cắt khối đá 1.1 Xác định theo quy phạm: Trong hệ thống quy phạm hành Việt Nam, có tiêu chuẩn TCVN 4253.86 (nền cơng trình thủy cơng) đề cập đến cường độ kháng cắt khối đá, tiêu chuẩn dịch từ XniP II-16-76 sau XniP 2.02.02.85 Liên Xô Trong tiêu chuẩn giới thiệu bảng kiến nghị giá trị tính tốn cường độ kháng cắt khối đá sử dụng cho giai đoạn thiết kế ban đầu, qua bảng có số nhận xét sau: ( Cường độ kháng cắt mặt trượt cắt qua tiếp xúc bê tông - đá cắt qua khối đá (một phần theo khe nứt phần qua đá nguyên khối) sau: ( Giá trị tính tốn khối đá có tg( lớn 0,95 (tức ( = 43o, 30) lực dính lớn C = 0,4 MPa Theo quy phạm Trung Quốc giai đoạn nghiên cứu khả thi kiến nghị cường độ kháng cắt khối đá đập theo bảng sau: Bảng Phân Tiếp xúc bê tông đá loại khối đá tg( C (MPa) I II III IV V 1,5-1,3 1,5-1,3 1,3-1,1 1,5-1,3 1,1-0,9 1,1-0,7 0,9-0,7 0,7-0,3 0,7-0,4 0,3-0,05 Khối đá tg( C (MPa) 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 đá cứng, nguyên vẹn Đá loại II đá cứng, nguyên vẹn: đá cứng, nguyên vẹn Đá loại III đá cứng, nứt nẻ; đá cứng nguyên vẹn; đá tương đối mềm, nguyên vẹn Đá loại IV đá cứng, nứt nẻ mạnh; đá tương đối cứng, nứt nẻ; đá mềm nguyên vẹn đến nguyên vẹn Đá loại V đá tương đối mềm, nứt nẻ mạnh; hoặcd dá mềm, nứt nẻ tới nứt nẻ mạnh; đá mềm nứt nẻ mạnh Thấy bảng có khác biệt với TCVN 4253-86 sau: ( Cường độ kháng cắt khối đá cao tiếp xúc bê tông - đá ( Cường độ kháng cắt khối đá có tg( lớn 1,6 lực dính lớn MPa, giá trị tg gấp 1,7 lần C gấp lần so với TCVN 4253-86 1.2 Xác định thí nghiệm địa học ngồi trời Từ năm 70 cơng trình thủy điện Hịa Bình tiến hành thí nghiệm xác định cường độ chống cắt tiếp xúc bê tơng đá theo quy trình (-01-73 Nga Mỗi xê ri thí nghiệm đáy hầm gồm bệ bê tông đổ đá, bệ băng bê tông cốt thép có tiết diện 70,7 x 70,7cm, cao 65cm, phải bố trí cho lực thẳng đứng lực đẩy phải qua tâm đáy bệ để tránh mômen uốn Mỗi bệ cắt với tải trọng thẳng đứng khác nhau, hướng tác dụng lực cắt từ thượng lưu hạ lưu Tại số công trình thủy điện điện tiến hành thí nghiệm xác định lực chống cắt khối đá theo phương pháp cắt trực tiếp (ASTM 454-85) Mỗi xêri thí nghiệm gồm trụ đá nguyên, trụ đá gia công đáy hầm có tiết diện 70 x 70cm, cao 35cm Mỗi trụ cắt với tải trọng thẳng đứng khác nhau, từ kết nhận trụ đá, vẽ biểu đồ cường độ cắt đỉnh dư phụ thuộc vào ứng suất thẳng đứng, thấy quan hệ phi tuyến 1.3 Xác định cường độ chống cắt khối đá cách giải toán ngược Hiện Việt Nam xây dựng nhiều cơng trình thủy điện giao thơng có quy mơ lớn nên hình thành nhiều mái dốc cao loại đất đá khác nhau, việc đo vẽ, thu thập tài liệu địa chất giải toán ngược ổn định mái dốc tồn sau nhiều năm tháng cho thơng tin tin cậy tính chất khối đá Việc sử dụng chương trình SLOPE làm cho việc giải toán ngược trở nên nhanh chóng đơn giản 1.4 Xác định cường độ kháng cắt khối đá theo tiêu chuẩn Hoek - Brown (chương trình Roclab) Xuất phát từ thí nghiệm cắt trục mẫu đá, ông đề xuất ý tưởng cắt trục khối đá lớn dựa sở tiêu chuẩn HoekBrown giá trị đặc trưng cho khối đá sử dụng rộng rãi giới RMR Q Hiện phát hành chương trình Roclab dựa sở tiêu chuẩn phá hủy Hoek-Brown sử dụng thuận tiện, bước tiến lớn lĩnh vực nghiên cứu học đá Để tính cường độ kháng cắt khối đá cần biết thông số đầu vào cường độ kháng nén mẫu đá, giá trị GSI (GSI = RMR89-5), giá trị mi (phụ thuộc vào loại đá, xác định nén trục tra bảng) mức độ phá hủy D khối đá nổ mìn Dưới bảng so sánh kết thí nghiệm địa học ngồi trời khối đá granit kết tính theo chương trình Roclab cơng trình thủy điện Sê San xây dựng: Bảng Xác định cường độ chống cắt theo Tiếp xúc bê tông - đá Trụ đá Chương trình Roclab Đới IIA Đới IIB Khi phá hủy Giá trị dư Khi phá hủy Giá trị dư (độ C MPa (độ C MPa (độ C MPa (độ C MPa Hầm Hầm Hầm 42,18 43,48 53,12 0,65 0,78 1,17 42,18 43,48 48,30 0,33 0,13 0,24 43,48 43,48 54,16 1,30 0,98 1,22 43,48 40,48 48,59 0,23 0,16 0,14 Hầm 56,48 0,65 48,54 0,28 59,23 0,80 47,43 0,14 Hầm 56 1,21 60 1,89 Vị trí Ghi chú: Để tính chương trình Roclab thông số đầu vào đá đới IIA GSI - 63, (c = 60 MPa, mi = 25, D = 0,3, đá đới IIB GSI - 70, (c = 90 MPa, mi = 25, D = 0,3 Từ bảng thấy kết tính lực chống cắt theo chương trình Roclab chấp nhận cường độ chống cắt thí nghiệm trụ đá lớn hẳn số liệu kiến nghị TCVN 4253-86 1.5 Xác định cường độ chống cắt theo hệ số liên tục khe nứt Đối với khối đá nứt nẻ, phá hủy phát triển theo đường cắt qua khe nứt hệ cầu đá nguyên vẹn, cần xác định hệ số liên tục khe nứt (joint persistence ratio) dọc theo mặt phá hủy Để tính hệ số cần đo chiều dài đoạn khe nứt chiều dài cầu đá đầu mút khe nứt trùng với đường phá hủy Theo Jennings (1970), hệ số liên tục k xác định theo công thức sau: (JL k= (JL + (RBR Trong (JL tổng chiều dài khe nứt (RBR tổng chiều dài cầu đá dọc theo mặt phá hủy dự kiến Tại công trình thủy điện Tam Hiệp (Trung Quốc), để tính ổn định đập bê tông nhà máy thủy điện sau đập đá, đo vẽ xác định hệ số liên tục khe nứt theo phương khác biểu diễn 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 xác định sau: C = (1 - k) Cr + k Cj tg( = (1-k) tg(r + ktg(j Trong Cr tg(r lực dính góc ma sát cầu đá nguyên vẹn, Cj tg(j khe nứt Theo mặt trượt phá hủy dự kiến đập Tam Hiệp có phương 133,5o tính hệ số liên tục khe nứt k = 0,726 Cường độ kháng cắt cầu đá nguyên vẹn ( = 59,50o, C = MPa, khe nứt ( = 35o, C = 0,2 MPa, từ cơng thức tính mặt phá hủy dự kiến theo phương 133,5o có ( = 44,20o, C = 0,69 MPa Bàn cường độ chống cắt khối đá kiến nghị TCVN 4253.86 Trong tiêu chuẩn kiến nghị loại cường độ chống cắt đá: ( Khi mặt phá hủy hồn tồn khơng trùng với khe nứt mặt tiếp xúc bê tông - đá tức mặt phá hủy cắt qua cầu đá ( Khi mặt phá hủy cắt qua khe nứt cầu đá ( Khi mặt phá hủy hoàn toàn cắt qua khe nứt lấp đầy cát sét có chiều rộng nhỏ 2mm, đến 20mm lớn 20mm Sử dụng cường độ chống cắt cầu đá khe nứt kiến nghị TCVN 4253.86, áp dụng công thức Jennings dùng cơng trình Tam Hiệp, ta tính cường độ chống cắt khối đá (mặt phá hủy qua khe nứt cầu đá) Bảng Đá có cường độ kháng nén, trục lớn 50 MPa, dạng khối, dạng phân lớp, dạng phiến, nứt nẻ vừa, phong hóa yếu Cầu đá Các khe nứt có chất lấp đầy sét cát có chiều rộng (mm) sau tg(/( (độ) C Nhỏ 2 đến 20 (MPa) tg(/( (độ) C tg(/( (độ) C (MPa) (MPa) Lớn 20 tg(/( (độ) C (MPa) Cường độ kháng cắt cầu đá khe nứt có chiều rộng khác theo tiêu 2,4/ 67,38 0,8/ 38,66 0,15 0,7/35 0,1 0,55/ 28,81 0,05 chuẩn TCVN 4253.86 Cường độ kháng cắt khối đá (mặt phá tg(/( = 0,85/40,36 C = 0,3 hủy cắt qua khe nứt qua cầu đá) theo TCVN 4253.86 Cường độ kháng cắt khối đá tính theo Jennings mặt phá hủy cắt qua khe nứt có chiều rộng khác 1,23/ 51,07 0,79 1,16/ 49,37 0,75 1,05/ 46,58 0,72 có hệ số liên tục khe nứt 72,6% Qua bảng nêu thấy giá trị tính tốn cường độ kháng cắt khối đá kiến nghị TCVN 4253.86 thấp nhiều so với kết thí nghiệm ngồi trời kết tính theo phương pháp Hoek-Brown Jennings Đó nước Phương Tây Trung Quốc thiết kế đập bê tông đá sử dụng cường độ kháng cắt khối đá gần theo kết thí nghiệm đập có hệ số an toàn chống trượt điều kiện tải trọng bình thường 2-3, TCXDVN 285:2002 giữ nguyên mặt cắt đập nước lại hạ thấp hệ số an tồn cịn k = 1,315, phải hạ thấp tiêu chống trượt khối đá Hiện nhiều quan tư vấn nghĩ cường độ chống cắt khối đá nêu TCVN 4253.86 sát với thực tế sử dụng giá trị để thiết kế tuynen mái dốc, gây lãng phí lớn Trên sở trình bày rút số kiến nghị sau: - Các giá trị tính tốn cường độ kháng cắt khối đá kiến nghị TCVN 4253.86 sử dụng để tính ổn định đập đá theo TCXDVN 285:2002 (Cơng trình thủy lợi: Các quy định chủ yếu thiết kế) - Các giá trị cường độ kháng cắt thấp nhiều so với thực tế, không nên sử dụng để thiết kế nen mái dốc - Có thể sử dụng cường độ kháng cắt đá nguyên vẹn (cầu đá) khe nứt có chiều rộng khác nêu TCVN 4253.86 để tính cường độ kháng cắt thật khối đá cách đo vẽ vết lộ hố móng để xác định thông số hệ khe nứt hệ số liên tục khe nứt theo phương khác nhau, cơng thức Jennings tính ( C mặt trượt phá hủy dự kiến theo phương khác Khi tính tốn ổn định tuynen mái dốc cần lập mơ hình khe nứt sử dụng cường độ kháng cắt mặt trượt xác định theo hệ số liên tục hệ khe nứt Tài liệu tham khảo Các cơng trình thủy lợi: Các quy định chủ yếu thiết kế TCXDVN 285: 2002 Evert Hoek Rock enginnering.2000 Large dams in China, a fifty year review Beijing 2000 Nền cơng trình thủy cơng TCVN 4253.86 Quy phạm khảo sát thăm dò địa chất cơng trình thủy lợi thủy điện (Tiêu chuẩn nhà nước CHND Trung Hoa), Bắc Kinh 1993  ... TCVN 4253.86 Cường độ kháng cắt khối đá (mặt phá tg(/( = 0,85/40,36 C = 0,3 hủy cắt qua khe nứt qua cầu đá) theo TCVN 4253.86 Cường độ kháng cắt khối đá tính theo Jennings mặt phá hủy cắt qua khe... chóng đơn giản 1.4 Xác định cường độ kháng cắt khối đá theo tiêu chuẩn Hoek - Brown (chương trình Roclab) Xuất phát từ thí nghiệm cắt trục mẫu đá, ông đề xuất ý tưởng cắt trục khối đá lớn dựa sở tiêu... - Có thể sử dụng cường độ kháng cắt đá nguyên vẹn (cầu đá) khe nứt có chiều rộng khác nêu TCVN 4253.86 để tính cường độ kháng cắt thật khối đá cách đo vẽ vết lộ hố móng để xác định thơng số hệ