Chương 1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH KHỐI ĐÁ, ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH KHỐI ĐÁ,
1.5 Phân loại chất lượng khối đá
Trong công tác khảo sát địa chất công trình thường phải đánh giá chất lượng khối đá nhằm đáp ứng yêu cầu thiết kế. Có nhiều phương pháp phân loại chất lượng khối đá, có phương pháp phân loại dựa vào đơn chỉ tiêu, có phương pháp đa chỉ tiêu. Dưới đây giới thiệu một số phương pháp đã và đang được sử dụng rộng rãi.
* Phương pháp RQD của Deere (1976):
D.U. Deere (1967) đưa ra chỉ số RQD để đặc trưng mức độ nứt nẻ của khối đá. RQD là chỉ số kinh nghiệm, được xác định bằng tỉ lệ phần trăm của tổng chiều dài các thỏi nõn khoan dài hơn 10cm so với chiều dài khoan :
RQD % = chiều dài các thỏi khoan >10cm x 100% / chiều dài khoan.
Bảng 1.5: Phân loại khối đá theo chỉ số RQD
Chất lượng khối đá
Chỉ số RQD (%)
Số khe nứt trên một mét dài
Tỷ số modul biến dạng kE
(Ek/Em)
Tỷ số vecto truyền sóng dọc (Vk/Vm)
Rất xấu 0 – 25 >15 - 0.0 – 0.2
Xấu 25 – 50 15 – 8 <0.2 0.2 – 0.4
Trung bình 50 – 75 8 – 5 0.2 – 0.5 0.4 – 0.6
Tốt 75 – 90 5 – 1 0.5 – 0.8 0.6 – 0.8
Rất tốt 90 – 100 <1 0.8 – 1.0 0.8 – 1.0
trong đó:
Ek: Modul biến dạng của khối đá;
Em: Modul biến dạng của mẫu đá;
Vk: Tốc độ sóng dọc đo tại hiện trường;
Vm: Tốc đọ sóng dọc đo trên mẫu;
Với thiết bị và kỹ thuật khoan tốt, chất lượng lấy nõn khoan cao thì giá trị chỉ số RQD phản ánh tương đối trung thực tính nứt nẻ của khối đá.
* Phân loại khối đá theo hệ thống Q của Barton ( Na Uy):
Phương pháp Q được Barton và Viện Địa kỹ thuật Na uy đề ra từ năm 1974, sau thời gian áp dụng ngày càng được hoàn thiện do tích luỹ và bổ sung những số liệu mới, kinh nghiệm mới, hiện nay được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới. Giá trị Q là chỉ số chất lượng đào tuynen của khối đá (rock tunnelling quality index), thay đổi từ 0.001 đến 1000, được xác định bởi :
Q = ( RQD / Jn ) X ( Jr / Ja ) X ( JW / SRF ); (1.14)
trong đó :
• RQD là chỉ số đánh giá chất lượng đá, lấy chẵn từ 10 đến 100
• Jn là chỉ số chỉ ảnh hưởng của số lượng các hệ khe nứt ( cho điểm từ 0.5 đến 20 )
• Jr là chỉ số thể hiện độ nhám của khe nứt (cho điểm từ 0.5 đến 4)
• Ja là chỉ số thể hiện trạng thái của khe nứt khi thành khe nứt tiếp xúc được với nhau khi trượt (cho điểm từ 0.75 đến 20)
• JW là chỉ số thể hiện mức độ ngậm nước (cho điểm từ 0.05 đến 1)
• SRF là yếu tố suy giảm ứng suất của khối đá quanh công trình ngầm (stress reduction factor) cho điểm từ 0.5 đến 400.
Tỉ số ( RQD / Jn ) phản ánh ảnh hưởng của cấu trúc khối đá, thể hiện gần đúng kích thước của các tảng đá. RQD có giá trị thay đổi từ 5 đến 100, giá trị Jn từ 0.5 đến 20.
Tỉ số (Jr / Ja) phản ánh độ nhám và đặc trưng ma sát của thành khe nứt hoặc chất lấp đầy, đặc trưng cho cường độ kháng cắt giữa các tảng đá.
Tỉ số (JW / SRF) gồm 2 thông số. SRF là số đo của : 1) tải trọng đất đá rời khi đào qua đứt gẫy và sét lẫn đá, 2) ứng suất trong đá cứng, 3)các tải trọng nén ép trong đá mềm và dẻo, giá trị này có thể coi là thông số ứng suất tổng. Thông số JW là số đo của áp lực nước ngầm, nó làm giảm cường độ kháng cắt của các khe nứt và làm giảm áp lực pháp tuyến hữu hiệu, làm yếu sét lấp đầy trong khe nứt. Tỉ số JW / SRF biểu thị ứng suất hoạt động.
Hệ thống Q được xác lập tại Na Uy là xứ sở được cấu tạo bởi các đá cứng chắc, do đó cường độ kháng nén một trục của mẫu đá không được sử dụng trực tiếp mà chỉ được đề cập đến khi xác định giá trị SRF. Nhưng khi hệ thống Q đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới thì gặp nhiều vùng phân bố đá trầm tích yếu, do đó Barton (1995) đã cải tiến giá trị Q như sau :
QC = Q x ( σC /100) , (1.15)
trong đó: σC là cường độ kháng nén 1 trục của mẫu đá có đơn vị là MPa.
Khi đá có σC < 100 MPa thì QC < Q.
Bảng 1.6: Phân loại chất lượng khối đá theo Barton, R.Lien và J.Lund
Giá trị Q Cấp khối đá Chất lượng khối đá
>400 I Đặc biệt tốt
100-400 II Cực kỳ tốt
40-100 III Rất tốt
10-40 IV Tốt
4-10 V Trung bình
1-4 VI Yếu
0.1-4 VII Rất yếu
0.01-0.1 VIII Cực kỳ yếu
0.001-0.01 IX Đặc biệt yếu
* Phân loại khối đá theo hệ thống RMR của J.T.Bieniawski:
Phương pháp phân loại khối đá theo hệ thống RMR hay còn gọi là phương pháp chỉ số khối đá (Rock Mass Rating) được JT Bieniawski đưa ra năm 1976. Sau nhiều năm đi vào thực tế, hệ thống phân loại này đã đạt được nhiều thành công và được áp dụng phổ biến trên toàn thế giới. Phương pháp này sử dụng 6 thông số để cho điểm khối đá như công thức dưới đây
RMR=I1+I2+I3+I4+I5+I6 (1.16) I1: Cường độ kháng nén dọc trục của vật liệu đá. Chỉ số này có thể được xác định từ độ bền kháng nén đơn trục của mẫu đá trong phòng hoặc được xác định bằng chỉ số nén điểm ISRM (1972)
I2: Chỉ số chất lượng đá RQD được xác định theo công thức của Deere (1963) hoặc theo modul khe nứt.
I3: Khoảng cách giữa các khe nứt, là khoảng cách trung bình giữa các mặt cấu trúc đồng loại trên một đơn vị chiều dài đoạn nghiên cứu.
I4: Trạng thái của các khe nứt. Dựa vào đặc điểm bề mặt của mặt cấu trúc, khả năng xuyên suốt của mặt cấu trúc cũng như độ mở và chất lấp nhét trong khe nứt để đánh giá trạng thái khe nứt.
I5: Điều kiện nước ngầm. Căn cứ vào lượng nước chảy vào 10m đường hầm, áp lực nước/ ứng suất lớn nhất và trạng thái chung của hầm (khô ráo, ẩm ướt, nhỏ giọt, nhỏ giọt mạnh, xuất lộ nước phải xử lý).
I6: Định hướng khe nứt. Thế nằm các mặt cấu trúc và hướng công trình, hướng mái dốc…
Năm yếu tố đầu là các yếu tố cơ bản, khi sử dụng giá trị RMR để tính độ bền địa chất GSI thì chỉ tính điểm của 5 yếu tố đầu.
Hệ thống RMR cũng được sử dụng để đánh giá cường độ và biến dạng của khôí đá. Việc sử dụng hệ thống này không phức tạp, các đầu vào để phân loại nhận được từ tài liệu lỗ khoan và đo vẽ tỉ mỉ khối đá, tuy nhiên đầu ra có khuynh hướng an toàn, do đó có thể dẫn tới các biện pháp gia cố thiên về an toàn. Theo tiêu chuẩn của quân đội Mỹ (EM 1110-2-2901) thì hệ thống phân loại RMR rất thích hợp với phương pháp đào hầm bằng khoan nổ. Giá trị RMR được xác định ngay trong quá trình đào tuynen để quyết định lựa chọn các kiểu gia cố đã dự kiến trong thiết kế, do đó phương pháp này đã được áp dụng trong công tác mô tả địa chất tuyến hầm năng lượng của một số công trình thủy điện đã và đang được thi công ở nước ta và cho thấy tính hiệu quả rất cao.
Căn cứ trên số điểm RMR của khối đá, Bieniawski đã phân ra 5 cấp chất lượng của khối đá: rất tốt, tốt, trung bình, xấu, rất xấu.
Hiện nay phương pháp phân loại chất khối đá RMR và Q được áp dụng phổ biến trong xây dựng công trình ngầm, đặc biệt là trong khai đào hầm. Tuy nhiên, các phương pháp này đòi hỏi kỹ sư địa chất hiện trường phải tích lũy
đủ kinh nghiệm và năng lực đánh giá thực tế khối đá để đưa ra các đặc trưng theo đúng điều kiện làm việc của khối đá trong phạm vi xây dựng công trình.
Bảng 1.7: Phân loại chất lượng khối đá theo Bieniawski
Nhóm
chất lượng I II III IV V
Chỉ tiêu
Số điểm RMR 81-100 61-80 41-60 21-40 <20
Đặc điểm Rất tốt Tốt Trung bình Xấu Rất xấu Lực dính kết
MN/m2 0.3 0.2-0.3 0.15-0.2 0.1-0.15 <0.1
Góc ma sát trong >450 400 - 450 350 - 400 300 - 350 <300 Thời gian
lưu không
10 năm khi khẩu độ là
5m
6 tháng khi khẩu độ là
4m
1 tuần khi khẩu độ là 5m
5 giờ khi khẩu độ là
5m
10 phút khi khẩu độ là 5m Khoảng cách
không chống 4-40m 2.5-25m 1.5-7.0m 0.8-2.5m <0.8m