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 trên mẫu đá trong phòng, hoặc thông qua các công thực bán thực nghiệm, thực nghiệm,… Các phương pháp xác định độ bền kháng cắt của đá cứng có thể kể ra như dưới đây:

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. Thí nghiệm trong phòng

Trong phòng thí nghiệm, người ta thường xác định C, φ theo các phương pháp sau:

- 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):

j_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 = 45^o và 60^o. Đối với những mẫu đá yếu, phải dùng cả khuôn có góc vát α = 30^o. Độ bền cắt được tính theo công thức:

 = 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 a 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 DH ≤ 10% chiều cao mẫu H₀. Các đặc trưng về độ bền kháng cắt được xác định như dưới đây:

            [độ]                                          (3)

     [KG/cm²]                                 (4)

Nếu biến dạng của mẫu khi nén DH >10% hoặc trong trường hợp không xác định được góc vỡ thì lực dính kết được tính bởi công thức:

           [KG/cm²]                                             (5)

Hình 1. Mô hình thí nghiệm sức kháng cắt theo Panhiucov P.N.

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 C_m hơn là giá trị góc nội ma sát j_m, bởi vì lực dính kết C_m biến thiên rất lớn, có thể từ 0 - 500 kG/cm² đến 700 kG/cm². Ngược lại góc nội ma sát j_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:

C_m = a.C_i (KG/cm²)                                                    (6)

Trong đó: C_m, C_i là lực dính kết của đất đá khối nguyên và của các mẫu riêng lẻ; a 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:

tgj_m = (1-K). tgj_rb + K.tgj_j                                                    (7)

C_m = (1-K). C_rb + K.C_j (Kg/cm²)                                (8)

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:

                                                         (9)

l_j là chiều dài khe nứt; l_rb là kích thước của các khối đá nguyên (cầu đá - rocky bridge); tgj_j, C_j 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; tgj_rb, C_rb 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.

Nguyễn Hoàng Giang

Những công thức và hình vẽ không thể hiện tốt ở đây. Bạn nào biết cách đưa lên có thể trình bày lại hoặc hướng dẫn để viết các bài sau.

Những ai quan tâm thêm cứ để lại địa chỉ email. Mình sẽ gửi trực tiếp.

Những bài với nội dung nhiều hình ảnh Thầy có thể làm bằng word rồi sau đó upload file sẽ thuận tiện hơn!

Nhưng mình lại k khoái đính kèm file lắm (tốn tài nguyên và người đọc bắt buộc tải về mới xem đc, tốn thời gian, phải đăng ký, ...!)

muốn để lại email cũng phải đăng ký đó thầy ạ! bài viết của thầy rất bổ ích! n0 tiếc là ko đọc được công thức. Mong thầy gửi lại cho e với ạ! mail của e: tungha135hus@gmail.com

Cám ơn thầy rất nhiều!!!