Đánh giá mức độ nứt nẻ của đá trong địa chất công trình

Bài viết lấy cảm hứng và sử dụng hình minh họa từ bài trình bày của đồng nghiệp, tiến sĩ Conny Zeeb.
The topic is inspired by the lecture note of Dr. Conny Zeeb, my colledge. Thanks to Conny for giving me the references.



Nứt nẻ là những phá huỷ hay mặt phân cắt trong đá do nhiều nguyên nhân khác nhau (tự nhiên, kiến tạo, phong hoá, trượt…) làm mất tính chất liên tục của đá. Nứt nẻ là một khái niệm rộng, từ mặt phá hủy rộng như đứt gãy tới các vi khe nứt có kích thước rất nhỏ. Nứt nẻ có thể bao gồm đứt gẫy, khe nứt, mặt vỡ…

Sự tồn tại các khe nứt trong đá làm thay đổi tính chất của nó và ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng chịu lực và tính thấm nước của khối đá gây bất lợi cho việc xây dựng công trình. Do đó, việc nghiên cứu đặc điểm nứt nẻ của đá rất quan trọng. Việc tính chất nứt nẻ của đá cũng được đánh giá theo  nhiều  khía  cạnh  khác  nhau  tùy vào mục đích và đối tượng mà đá được sử dụng. Các khe nứt thường không tồn tại đơn lẻ trong đá mà thường theo hệ thống gồm nhiều khe nứt. Khi nghiên cứu đặc điểm nứt nẻ của đá, người ta thường quan tâm tới: sự phân bố, thế nằm, kích thước, đặc điểm bề mặt khe nứt và vật liệu lấp nhét trong khe nứt.  Có thể chia ra làm 2 nhóm đặc trưng cơ bản như sau:

Các đặc trưng của mỗi khe nứt:

-          Vị trí và thế nằm của khe nứt trong không gian: được đặc trưng bởi đường phương và góc dốc.

-          Kích thước khe nứt đặc trưng bởi chiều dài, chiều rộng và độ mở của khe nứt,

-          Đặc điểm vật chất lấp nhét trong khe nứt,

-          sự dịch chuyển tương đối giữa 2 mặt của khe nứt,

-          đặc điểm bề mặt khe nứt: độ gồ ghề, độ nhám

Các đặc trưng của hệ thống khe nứt

-          khoảng cách giữa các khe nứt,

-          mật độ khe nứt

-          cường độ nứt nẻ

-          đặc điểm chiều dài khe nứt: chiều dài trung bình của khe nứt, sự phân bố chiều dài khe nứt

-          tính liên tục của các khe nứt

-          đặc điểm về sự giao cắt giữa các khe nứt…

Việc đánh giá, mô tả hệ thống khe nứt thường gặp các khó khăn sau:

Khi khảo sát, chúng ta không thể đo đạc toàn bộ khối đá hay toàn bộ phạm vi đá cần nghiên cứu. Thay vào đó chúng ta chỉ khảo sát các vị trí, diện tích đại diện. Khi khảo sát, không phải lúc nào chúng ta cũng có thể chọn nơi để đo đạc đánh giá, bởi chúng ta chỉ có thể đo đạc tại những điểm lộ hoặc tại các vị trí khoan, đào khảo sát. Việc lựa chọn các điểm khảo sát làm sao để có thể đánh giá phản ánh khách quan cho toàn phạm vi khảo sát rất quan trọng. Thông thường, những thông tin do chúng ta đo đạc, đánh giá thông qua một số điểm có diện tích nhỏ không phản ánh được hết tính chất nứt nẻ của toàn khối đá. Do những khó khăn kể trên, việc sử đánh giá tính chất nứt nẻ của đá cần kết hợp sử dụng với việc thống kê.

Phương pháp đo khe nứt trong địa chất công trình:

Trong địa chất và địa chất công trình, có nhiều phương pháp để đánh giá đặc điểm nứt nẻ của đá. Theo phương pháp  truyền thống hay còn gọi là phương pháp địa chất, đặc điểm nứt nẻ của đá được xác định thủ công bằng cách đo đạc ngay tại các vị trí đá lộ ở hiện trường. Bên cạnh đó, còn có các phương pháp sử dụng ảnh hay công nghệ tiên tiến để nghiên cứu nứt nẻ. Xử lý ảnh và đo khe nứt bằng lazer là những phương pháp mới đã được áp dụng. Tuy nhiên các kỹ thuật này đòi hỏi thiết bị và công nghệ, chủ yếu là áp dụng trong phân tích ảnh viễn thám, việc áp dụng trong địa chất công trình còn hạn chế. Trong thực khảo sát hiện nay, công tác đo thủ công vẫn là phổ biến.  Trong công tác đo đạc đánh giá nứt nẻ nói chung, có 2 cách đo cơ bản: đo theo tuyến và đo theo diện tích. Tuy nhiên, trên cơ sở hai cách đo này, việc đo đạc hiện trường có thể kết các kỹ thuật mới như chụp ảnh phân tích, quét tia lazer.

Phương pháp đo theo tuyến (Scanline sampling or scanline mapping) theo Priest and Hudson (1981). Theo phương pháp này, các khe nứt cắt qua tuyến đã chọn sẽ được đo đạc. Thường tuyến đo có hai dạng: đường thẳng và đường tròn. Tất cả các thông tin về khe nứt có thể xác định một cách nhanh chóng. Kết quả chỉ cung cấp thông tin một chiều cho hệ thống nứt nẻ. Việc phân tích nứt quả thông qua nõn khoan với các thông số RQD, RR… hay ảnh chụp hố khoan chính là tuân theo phương pháp này. Kết quả đo theo phương pháp này sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều bởi phương, độ dài, vị trí của tuyến đo. 

Đã có nhiều nghiên cứu và thảo luận về phương pháp này, tuy nhiên cho đến nay vẫn chưa có một tiêu chuẩn cụ thể được chấp nhận rộng rãi.

Trong thực tế, thường sử dụng thước kéo dài từ 2 đến 30m theo các phương khác nhau theo bề mặt đá lộ. Việc đo đạc được tiến hành dọc theo tuyến đo ghi lại vị trí và các thông tin của từng khe nứt cắt qua tuyến đã chọn. Việc chọn chiều dài đo phụ thuộc vào kích thước trung bình của các tảng bị phân chia bởi các khe nứt trong khối đá đang nghiên cứu.  Đá càng nứt nẻ ít thì chiều dài tuyến đo phải càng lớn. Theo Priest và Hudson (1976) chiều dài của tuyến đo nên lấy tối thiểu là 50 lần khoảng cách trung bình giữa các khe nứt.  Priest kiến nghị chiều dài tuyến đo đảm bảo cắt qua 150 đến 350 khe nứt, 50% trong đó có thể nhìn thấy điểm cuối của khe nứt.

Hướng của các tuyến đo nên được chọn sao cho cắt qua nhiều khe nứt nhất, đó là vuông góc với các khe nứt chính. Trong thực tế, trong đá thường tồn tại các nhóm khe nứt cắt nhau.  Thông thường có thể chọn một số tuyến vuông góc với nhau để đo. Priest (1993) kiến nghị sự dụng ít nhất 3 đường đo vuông góc với nhau. Trong trường hợp các khe nứt không vuông góc với tuyến đo, số liệu đo có thể hiệu chỉnh theo Terzaghi (1965) và Robertson(1970).

Phương pháp đo theo diện tích hay còn gọi là đo theo cửa sổ (Window sampling / cell mapping): Phương pháp này được Pahl (1981) đề xuất và được phân tích bởi Priest (1993). Theo phương pháp này, chọn ô hay ‘’cửa sổ’’ thường là hình vuông hoặc chữ nhật trên diện đá lộ, các khe nứt có trong diện tích chọn sẽ được đo đạc. Độ lớn khu vực đo có ảnh hưởng nhiều tới kết quả đo, do vậy diện tích đo càng lớn thì càng cho kết quả đo càng chính xác. Priest (1993) kiến nghị chọn sao cho cửa sổ đo cắt qua tối thiểu 30 đến 100 khe nứt. Nên chọn hai mặt đá vuông góc với nhau để đo để tránh việc đo thiếu các khe nứt song song song với mặt đá. Phương pháp này sẽ hạn chế được các sai lệch do hướng của khe nứt. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là tốn công sức và thời gian. Việc quyết định khe nứt nào cần đo đạc cũng rất phức tạp, đặc biệt trong trường hợp có nhiều khe nứt nhỏ.  Ngoài ra đo đạc theo phương pháp này cũng bị ảnh hưởng nhiều bởi diện tích đo

Phương pháp này thường được áp dụng khi đo đạc các điểm đá lộ, hay phân tích ảnh viễn thám. Nếu thực hiện đo đạc thủ công thì sẽ rất tốn công, tuy nhiên phương pháp này sẽ phù hợp nếu kết hợp công nghệ xử lý ảnh bằng hỗ trợ của máy tính trong việc đo đạc.

Ngoài hai phương pháp trên, Mauldon et al  (2001) đưa ra một phương pháp kết hợp, đó là phương pháp ước lượng theo diện hình tròn (Circular estimator). Phương pháp này kết hợp đo theo tuyến và diện tích của hình tròn. 

Theo phương pháp này, một phạm vi hình tròn trên diện đá lộ được chọn để đo đạc. Khi đo, chỉ việc xác định số khe nứt (n) cắt với đường tròn và số điểm mút của khe nứt nằm trong đường tròn đó. Do đó, phương pháp này chỉ xác định các thông tin về mật độ khe nứt và chiều dài trung bình. Phương pháp này tiết kiệm hơn về thời gian. Bằng cách đo như vậy cũng sẽ loại trừ được ảnh hưởng sai số lấy mẫu.

Như trình bày ở trên, mỗi phương pháp đo đạc khe nứt đều có những ưu điểm và hạn chế nhất định. Việc lựa chọn phương pháp phục vụ khảo sát nên căn cứ vào mục đích công việc và điều kiện thực tế về điều kiện đá lộ, nhân lực, thiết bị và công nghệ. Trong đa số công tác đo vẽ khảo sát địa chất công trình hiện nay, khi đo vẽ cho công trình cụ thể, việc tiến hành đo theo tuyến thường được áp dụng. Tuy nhiên, với sự phát triển của khoa học công nghệ, việc đo đạc theo diện tích có sự kết hợp với phân tích ảnh bằng các chương trình máy tính ngày càng trở nên khả thi hơn.

Hoek & Londe (1974)
''The function of Rock mechanics engineers is not to compute accurately but to judge soundly''

Tài liệu tham khảo

Zeeb, C. (2013). Characterization and flow simulations of discrete fracture networks. Doctoral Thesis. Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Eberhard Karls Universität Tübingen.

Priest, S. D., J. A. Hudson (1981). Estimation of discontinuity spacing and trace length using scanline surveys: International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, v. 18, p. 183-197.

Pahl, P. J. (1981). Estimating the mean length of discontinuity traces: International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, v. 18, p. 221-228.

Mauldon, M., W. M. Dunne, M. B. Rohrbaugh, Jr. (2001). Circular scanlines and circular windows: new tools for characterizing the geometry of fracture traces: Journal of Structural Geology, v. 23, p. 247-258.

Priest, S. D. (2004). Determination of discontinuity size distributions from scanline data: Rock Mechanics and Rock Engineering, v. 37, p. 347-368.

Priest, S. D. (1993) Discontinuity analysis for rock engineering: London, Chapman & Hall, 473 p. 

Terzaghi, R.D. (1965). Source of error in joint surveys. Geotechnique 15, 287-304.
Hoek & Londe,  P.   1974. The design of rock slopes and foundations. General Report on Theme III. Proceedings of Third  Congress International  Society  of Rock  Mechanics, Denver, l(A),  613-752.