Về hạn chế của mô hình Hoek-Brown trong mô phỏng khối đá

Theo thảo luận và phê bình của ngài Nick Barton về mô hình Hoek-Brown cho khối đá trong bài bài báo "Twenty Strange Years in the World of Rock Mechanics and Engineering Geology", tạm dịch là "20 năm lạ lùng trong lĩnh vực Cơ học đá và Địa chất công trình thế giới" 

Nguồn: https://irispublishers.com/ctcse/pdf/CTCSE.MS.ID.000768.pdf

Bài báo "Twenty Strange Years in the World of Rock Mechanics and Engineering Geology" của Nick Ryland Barton thảo luận về những thách thức trong lĩnh vực cơ học đá và địa chất công trình, đặc biệt nhấn mạnh sự phức tạp của việc khảo sát và mô hình hóa khối đá nứt nẻ so với đất hoặc vật liệu đồng nhất. Tác giả chỉ trích việc áp dụng rộng rãi phương pháp GSI (Geological Strength Index) và các phương trình Hoek-Brown liên quan, cho rằng chúng đơn giản hóa quá mức và có thể dẫn đến những mô hình không thực tế, đặc biệt khi GSI được sử dụng lặp lại nhiều lần trong các công thức. 

Trong mô hình Hoek-Brown, chỉ số GSI đơn giản nhưng được sử dụng được lặp đi lặp lại nhiều lần trong các công thức tính các tham số: 16 lần trong phương trình Hoek-Brown (Hoek et al. 2002) cho tham số Mohr-Coulomb ‘c’ (lực dính đơn vị), lặp 12 lần trong phương trình H-B tính góc ma sát ‘ϕ’ và 10 lần cho ước tính độ bền nén 1 trục khối đá ‘σcm’". Ngoài ra, hệ số xáo động D, một hệ số mà bản thân nó khó xác định chính xác cũng xuất hiện 7 lần và 6 lần trong các phương trình H-B khi tính ‘c’ và ‘ϕ’". Việc lặp lại nhiều lần có thể dẫn đến kết quả thiếu chính xác hoặc thậm chí ra kết quả sai lệch lớn.

Hoek-Brown dựa trên Mohr-Coulomb giả định rằng khối đá có độ bền là kết hợp của các thành phần c và ϕ tuy nhiên quá trình phá hủy khối đá không huy động cả 2 thành phần này đồng thời.

Bên cạnh thảo luận về các vấn đề cơ học khối đá, Barton đề xuất các phương pháp phân loại khối đá định lượng khác như hệ thống Q và mô hình rời rạc (discontinuum modeling), như UDEC-BB, là hiệu quả hơn trong việc phản ánh thực tế sự phức tạp của khối đá có khe nứt, đặc biệt trong các dự án hầm mỏ và sườn dốc. Bài viết cũng nêu bật sự khác biệt giữa mô hình liên tục (continuum modeling) và mô hình rời rạc (discontinuum modeling), nhấn mạnh sự vượt trội của mô hình không liên tục trong việc tái tạo ứng xử thực tế của khối đá và sự cần thiết của một sự thay đổi tư duy trong thiết kế công trình đá tốt hơn.

Về sự không thực tế của mô phỏng liên tục trong cơ học đá

Một bài báo mới của cụ Barton

"REFLECTIONS ON AN UNREALISTIC CONTINUUM BRANCH OF ROCK MECHANICS– DISCONTINUOUS BEHAVIOUR ALTERNATIVES."

Bài báo tập trung vào việc phê bình các mô hình liên tục (continuum modelling) trong cơ học đá, đặc biệt là chỉ số GSI (Geological Strength Index) và phương trình Hoek-Brown, vốn được sử dụng rộng rãi trong hơn 30 năm qua. Tác giả lập luận rằng các mô hình này thường không phản ánh chính xác quá trình phá hủy của khối đá do không tính đến đầy đủ vai trò của các khe nứt hiện có và dựa quá nhiều vào các tham số của đá nguyên khối (intact rock). Barton cho rằng các giải pháp cổ điển như Mohr-Coulomb (M-C) đưa ra kết quả sai lệch lớn, chẳng hạn như dự đoán độ cao tối đa của vách đá vượt quá thực tế, vì chúng đánh giá quá cao độ bền gắn kết của đá nguyên khối thay vì tập trung vào liên kết yếu nhất.

Cụ cũng phê phán việc sử dụng mức ứng suất khởi phát nứt (crack initiation stress) theo tỷ lệ 0.4 lần UCS (độ bền nén đơn trục), cho rằng nó không liên quan trực tiếp đến UCS mà thay vào đó phụ thuộc vào độ bền kéo (tensile strength) và tỷ số Poisson. Ông đề xuất cần xem xét lại cách tiếp cận sự phá hủy của khối đá, kết hợp các yếu tố như khe nứt và hành vi phi tuyến tính, thay vì dựa vào các phương trình "hộp đen" như Hoek-Brown. Ngoài ra, Barton so sánh các mô hình liên tục với mô hình không liên tục (discontinuum modelling), chẳng hạn như tiêu chuẩn Barton-Bandis, vốn mô tả chi tiết hơn ứng xử trượt và giãn nở (dilation) của khe nứt.

Bài báo kết luận rằng các mô hình liên tục như GSI và Hoek-Brown, dù phổ biến, có thể không đủ để mô tả thực tế phức tạp của khối đá có khe nứt, đặc biệt trong các bài toán thực tế như thiết kế sườn dốc mỏ lộ thiên. Tác giả kêu gọi một cách tiếp cận mới, nhấn mạnh tầm quan trọng của dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng dựa trên cơ chế thực tế hơn là các giả định đơn giản hóa quá mức.

Link bài báo: https://www.researchgate.net/publication/387755489_Barton_N_2025_Reflections_on_unrealistic_continuum_modelling_NBA_30p

Vi khe nứt trong đá

Theo nhiều nghiên cứu thí nghiệm đá giòn cũng như các vật liệu giòn khác, ứng xử cơ học của đá giòn dưới điều kiện ứng suất có liên quan chặt chẽ với quá trình hình thành và phát triển của các vi khe nứt trong đá. Các khe nứt vi mô trong đá có ảnh hưởng tới các đặc tính cơ lý của đá như cường độ kháng nén, tốc độ truyền sóng đàn hồi, tính thấm và tính dẫn điện… Việc nghiên cứu các khe nứt, về sự sắp xếp, mật độ, kích thước cũng như sự hình thành và phát triển của chúng theo điều kiện ứng suất giúp chúng ta nghiên cứu các đặc tính cơ lý của đá cũng như ứng xử của đá ở các điều kiện ứng suất nhất định.

Các dạng phá hủy của đá khi nén

Khi đá chịu tác dụng của tải trọng dẫn tới phá hủy, hình thức phá hủy và đặc điểm bề mặt nứt vỡ phản ánh cơ chế của quá trình phá hủy, đồng thời phản ánh điều kiện ứng suất khi tác dụng tải trọng. Kiểu phá hủy ảnh còn hưởng tới cường độ của mẫu đá. Do đó, thông qua kiểu phá hủy của mẫu đá sau khi nén, chúng ta có thể phần nào nhận xét cơ chế và cường độ của đá. Việc phân tích kiểu phá hoại cho chúng ta cái nhìn rõ hơn về sự phân bố ứng suất trong mẫu đá. Khi hiểu sự ảnh hưởng của dạng phá hoại tới cường độ của đá giúp, chúng ta phân tích có thể đánh giá kết quả của thí nghiệm nén một cách sâu sắc hơn.

Cơ chế phá hoại của đá khi nén

Bài viết về cơ chế phá hoại đá khi nén do quá trình hình thành và phát triển các vi khe nứt trong đá.

Trong đá thường luôn tồn tại các vi khe nứt, rất nhỏ, thậm chí mắt thường không nhìn thấy được. Các vi khe nứt này thường phân bố và nằm theo hướng bất bất kỳ. Các vi khe nứt này có ảnh hưởng rất nhiều tới đặc tính cơ học của đá, trong đó có ảnh hưởng cả tới cường độ kháng nén một trục của đá. Đã có nhiều tài liệu nghiên cứu đề cập tới ảnh hưởng này. Các nghiên cứu thí nghiệm cho thấy các mặt nứt vỡ gây phá hoại đá đều phát sinh và hình thành từ hệ thống các vi khe nứt ban sẵn có trong đá. Quá trình phá hoại đá có liên quan trực tiếp tới sự hình thành và phát triển các khe nứt này. Vị trí, mật độ, kích thước và hướng của các vi khe nứt trong đá là một trong các yếu tố góp phần quyết định kiểu phá hoại của mẫu đá.