Chuẩn phá hoại Hoek-Brown (HB) – hay còn gọi là chuẩn bền HB - là một tiêu chuẩn được lập từ kinh nghiệm cho phép xác định quan hệ tương quan giữa các thành phần ứng suất ở trạng thái giới hạn của khối đá. Mối quan hệ này có dạng phi tuyến. Khi dùng tiêu chuẩn phá hoại, khối đá được coi là môi trường liên tục để mô phỏng, tính toán và thiết kế.
Ban đầu chuẩn phá hoại này được đưa ra dựa trên các kết quả thí nghiệm vật liệu đá cứng liền khối có phá hủy giòn của Hoek (1968) kết hợp với nghiên cứu mô hình của Brown (1970) và được đưa để áp dụng đối với khối đá có khe nứt trong công trình ngầm. Tuy nhiên, ban đầu hướng phá hủy của khối đá không được xét tới, khối đá được coi là ứng xử như vật liệu liên tục. Để xác định đường bao độ bền của khối đá nứt nẻ, các tác giả đã đưa thêm các hệ số vào phương trình đường bao độ bền của đá liền khối. Các hệ số này có sự liên hệ với đặc điểm của khối đá, thường thông qua các đo đạc, mô tả, nhận dạng và phân loại khối đá. Như vậy, theo HB, độ bền khối đá nứt nẻ có thể xác định được từ kết hợp kết quả thí nghiệm trong phòng với quan sát mô tả và đo đạc hiện trường. Điển hình là việc kết hợp chỉ số khối đá RMR (Rock Mass Rating) của Bieniawski (1989) vào chuẩn phá hoại Hoek & Brown (1988). Tuy nhiên, kinh nghiệm cho thấy, việc kết hợp RMR vào chuẩn phá hoại không được phù hợp, đặc biệt với đá yếu (RMR <25). Để hạn chế này, chỉ số GSI (tạm dịch là chỉ số độ bền địa chất) được đề xuất sử dụng trong chuẩn bền HB cho việc đánh giá độ bền của khối đá Hoek et al(1995). Chỉ số GSI có ưu điểm hơn RMR ở chỗ khi áp dụng vào tiêu chuẩn bền HB ở chỗ nó có điều kiện áp dụng linh hoạt hơn, bản thân chỉ số này cũng được đánh giá dựa trên các quan sát mô tả địa chất nhiều hơn. Do là chuẩn phá hoại được xây dựng dựa trên kinh nghiệm nên chuẩn này liên tục được cập nhập, bản mới nhất có thể kể đến Hoek et al. (2002).
Phương trình tổng quát của chuẩn phá hoại HB có dạng như sau:
Phương trình tổng quát của chuẩn phá hoại HB có dạng như sau:
Trong đó: σ1 và σ3 là ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất trong trường hợp nén 3 trục; σn là độ bền nén một trục của mẫu đá; m, s, a là những hệ số đặc trưng cho tính chất của khối đá. Các hằng số này được xác định theo GSI như sau:
s=exp((GSI-100)/(9-3D))
GSI là chỉ số xác định độ bền của khối đá cho các điều kiện địa chất khác nhau, chủ yếu là mức độ nứt nẻ và đặc điểm bề mặt khe nứt. GSI được lấy theo kết quả mô tả đặc điểm các yếu tố này, có thể xác định theo Marinos and Hoek (2000) hay Marinos et al. (2005). Theo Hoek et al (1995), GSI cũng có thể được xác định theo kinh nghiệm dựa vào thông số RMR89, chỉ số chất lượng khối đá theo Bieniawski (1989), hoặc chỉ số chất lượng đá Q’ theo Barton (1974).
với RMR'89 >23
với RMR'89 <23
Tuy nhiên, việc xác định GSI gián tiếp theo 2 thông số RMR’89 hoặc Q’ được cho là không đáng tin cậy. Hơn nữa bản thân việc xác định các thông số này cũng đã phức tạp. Ngoài ra, thực tế cho thấy hầu các kỹ sư địa chất và địa chất công trình ưa (nếu không nói là rất khoái, hihi) xác định GSI qua bảng mô tả mẫu.
Theo Hoek and Brown thì tỷ số mb/mi thường nhỏ, lấy bằng < 0,1 với các khối đá nứt nẻ và lấy bằng 0.4 – 0.6 cho các khối đá cứng, ít nứt nẻ. Các đặc trưng cơ học khác của đá như góc ma sát trong và cường độ lực liên kết cũng có thể suy ra từ các hệ số s và m.
mi hệ số vật liệu của đá nguyên khối, là thông số xác định từ các đường cong thí nghiệm 3 trục đối với mẫu đá nguyên khối theo Hoek&Brown(1980). Trong trường hợp không có kết quả thí nghiệm 3 trục, mi có thể lấy theo bảng kinh nghiệm.
D hệ số xáo động, phụ thuộc vào mức độ nguyên vẹn hay xáo động của khối đá, có giá trị biến đổi từ 0 (đối với khối đá nguyên vẹn) tới 1 (đối khối đá bị xáo động mạnh). Giá trị D được chọn theo loại công trình và điều kiện thi công. Một số yếu tố ảnh hưởng tới giá trị D đã được nhiều tác giả kể đến như Cheng and Liu (1990), Sonmez and Ulusay (1999), Lorig and Varona (2001), … D cũng có thể được xác định theo hướng dẫn của chính Hoek (2002). Tuy nhiên, chính tác giả của chuẩn HB khuyến cáo, hệ số D nên được hiệu chỉnh tùy vào số liệu quan trắc hiện trường.
Hình 1: Khái quát việc xác định đường bao độ bền của khối đá nứt nẻ từ đường bao độ bền mẫu đá và đo đạc thực tế
Xác định thông số mô hình Mohr-Coulomb (MC) từ chuẩn phá hoại HB
Một hạn chế của chuẩn phá hoại Hoek-Brown là việc sử dụng quan hệ giữa các thành phần ứng suất chính. Trong khi đó, với các bài toán địa kỹ thuật, đặc biệt là với bài toán ổn định mái dốc thường sử dụng các thông số ứng suất cắt và ứng suất pháp.
Thực tế thiết kế xây dựng công trình cho thấy, các tiêu chuẩn thiết kế cũng như phần mềm thiết kế thường sử dụng các thông số cường độ của mô hình MC cho tính toán. Việc sử dụng các thông số sức kháng cắt như lực dính c, góc ma sát f gần gũi với đa số các kỹ sư hơn là các thông số mb, s hay a theo chuẩn HB. Hơn nữa, không có cách trực tiếp xác các thông số c, f cho khối đá. Do vậy, người ta đưa ra phương pháp xác định thông số MC của khối đá từ phương trình quan hệ của HB. Công thức chung của việc chuyển đổi này là:
Từ các đánh giá khối đá (chủ yếu là mô tả) à đường bao phá hoại Hoek-Brown --> đường bao phá hoại Mohr-Coulomb --> Các chỉ tiêu c, phi theo MC. --> tài nhỉ :D
Để xác định các thông số MC, chúng ta khớp đường bao tuyến tính của MC với đường bao phi tuyến của HB trong khoảng ứng suất chính nhỏ từ sk đến s’3max. Việc chọn đường MC sao cho phần diện tích giữa phần nằm trên và phần nằm dưới đường MC được giới hạn bởi đường bao HB. Lưu ý, việc xác định này sẽ cho kết quả khác nhau tùy thuộc vào việc chọn giá trị s’3max. Do đó, giá trị s’3max sẽ được chọn theo điều kiện từng trường hợp cụ thể. Từ phương trình giữa các thành phần ứng suất chính của MC xác định được, chúng ta sẽ có phương trình về cường độ kháng cắt theo thành phần ma sát và lực dính. Công thức xác định phi’, c’ như sau:
Trong đó s’3 = s’3max/sci
Nhìn công thức tính phi’, c’ có vẻ phức tạp nhưng việc tính này khá đơn giản và thuận tiện khi chúng ta sử dụng phần mềm hỗ trợ ROCLAB, có thể download ở đây: http://www.rocscience.com/products/RocLab.asp (miễn phí mà rất tiện lợi và tốt, thế mới tài, khà khà)
Hình 2: Quan hệ giữa ứng suất chính lớn nhất và ứng suất chính nhỏ nhất theo chuẩn HB và chuẩn MC tương đương
Một số ưu điểm của chuẩn HB:
- đường bao độ bền có dạng phi tuyến phù hợp với thí nghiệm ở điều kiện có áp lực hông.
- tiêu chuẩn được xây dựng trên cơ sở kinh nghiệm từ nhiều số liệu thực tế bao gồm nhiều loại đá khác nhau
- cách xác định tính chất khối đá rõ ràng.
Một số hạn chế của chuẩn phá hoại HB:
- Cơ sở của chuẩn Hoek-Brown là đá bị phá hoại do cắt khi đạt trạng thái tới hạn. Điều này trái với cơ chế phá hoại thực tế của đá.
- Chỉ quan tâm tới hai thành phần ứng suất chính, thành phần ứng suất thứ ba không được xét tới.
- Bản thân HB là chuẩn xác định độ bền khối đá một cách gián tiếp (có thể không cần kể đến hạn chế này, vì thực tế chưa có chuẩn nào xác định độ bền khối đá một cách trực tiếp cả)
- Việc sử dụng HB chỉ phù hợp cho trường hợp đá liền khối hoặc khối đá nứt nẻ mạnh (khi hướng và kích thước khe nứt trong khối đá không mang tính chất quyết định độ bền khối đá đang xét). Điều này liên quan tới yếu tố tỷ lệ kích thước của khối đá/công trình đang xét so với hệ thống khe nứt.
- HB chỉ phù hợp với đá giòn hay trong điều kiện ứng suất đảm bảo đá có phá hoại giòn.
- HB chỉ phù hợp với khối đá đồng nhất và đẳng hướng. Tất nhiên, cũng đã và sẽ có một số nghiên cứu cải tiến chuẩn HB để sử dụng cho trường hợp đá dị hướng, việc mở rộng hay cải tiến HB không được đề cập trong bài viết này.
Dài dòng vậy, phức tạp vậy, nhưng chuẩn HB vẫn được cho là đơn giản và khá rõ ràng trong việc xác định các thông số. Chính vì thế, dù chuẩn HB có những hạn chế nhất định, HB vẫn được ‘’dân tình’’ ưa chuộng và mến dùng.
Tài liệu tham khảo
Brown, E.T.
1970. Strength of
models of rock
with intermittent joints. J. Soil Mech. Foundn Div., ASCE 96, SM6,
1935-1949.
Cheng, Y.,
and Liu, S.
1990. Power caverns
of the Mingtan Pumped
Storage Project, Taiwan.In Comprehensive Rock Engineering.
(ed. J.A. Hudson), Oxford: Pergamon, 5, 111-132.
Hoek, E. 1968. Brittle
failure of rock. In Rock Mechanics in
Engineering Practice. (eds K.G.
Stagg and O.C. Zienkiewicz), 99-124. London: Wiley
Hoek, E.
and Brown, E.T. (1980). Empirical strength criterion for rock masses.
J. Geotech. Engng Div., ASCE 106 (GT9), 1013-1035.
Hoek, E.
& Brown, E.T. (1980). Underground
Excavations in Rock. London: Institution of
Mining and Metallurgy, 527pp.
Hoek, E. & Brown, E.T. (1988). The Hoek‐Brown failure criterion ‐ a 1988 update. In J.H. Curran (ed.),Proc. 15th Canadian Rock Mech. Symp., Toronto. Toronto: University of Toronto, pp. 31‐38.
Hoek E, Kaiser PK,
Bawden WF (1995) Support of underground excavations in hard rock, A.A. Balkema,
Rotterdam
Hoek E, Carranza-Torres
CT, Corkum B (2002) Hoek–Brown failure criterion—2002 edition. In: Hammah R,
Bawden W, Curran J, Telesnicki M (eds) Proceedings of the Fifth North American Rock
Mechanics Symposium (NARMS-TAC), University of Toronto Press, Toronto, pp
267–273
Hoek E (2007) Practical
Rock Engineering. e-book
Marinos, P and Hoek, E. 2000 GSI – A geologically friendly tool for rock mass strength estimation. Proc. GeoEng2000 Conference, Melbourne. 1422-1442.
Marinos V, Marinos P, Hoek E (2005) The geological strength index: applications and limitations. Bull Eng Geol Environ 64(1):55–65
Lorig, L.,
and Varona, P. (2001) Practical
slope-stability analysis using finite-difference codes. In Slope
stability in surface mining. (eds. W.A. Hustrulid, M.J. McCarter and
D.J.A. Van Zyl).
Littleton: Society for
Mining, Metallurgy and Exploration, Inc., 115-124
Sonmez, H., and
Ulusay, R. (1999).
Modifications to the geological strength index (GSI) and their
applicability to the stability of slopes. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 36 (6),
743-760.
No comments:
Post a Comment