Phương pháp đánh giá và phân loại khối đá theo RMR và Q

Khi khảo sát khối đá phục vụ xây dựng công trình, phân loại khối đá có vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng khối đá. Phân loại khối đá là phân chia các khối đá thành các nhóm có cùng dấu hiệu hay các đặc tính, qua đó có thể đánh giá tính chất của khối đá. Phân loại đất đá còn làm cơ sở cho việc thiết kế dựa trên kinh nghiệm. 

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

Phân loại khối đá có thể dựa vào một chỉ tiêu độc lập nào đó của khối đá hoặc xét kết hợp nhiều yếu tố có ảnh hưởng tới tính chất của khối đá.

Mục đích của việc phân loại khối đá gồm có:

-          Xác định các yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới khối đá.

-          Chia khối đá thành các đơn nguyên, các phần có tính chất giống hoặc tương tự nhau.

-          Cung cấp thông tin cơ bản về đặc điểm của mỗi loại khối đá.

-          Liên hệ điều kiện khối đá với kinh nghiệm thu được từ các khối đá ở công trình khác.

-          Định lượng về chất lượng khối đá, đưa ra được các chỉ dẫn cho thiết kế.

-          Tạo cơ sở thống nhất cho các nhà địa chất và kỹ sư khi sử dụng.

Do tính tính chất phức tạp của khối đá và tùy vào mục đích của việc phân loại mà có các cách phân loại khác nhau. Các phân loại có thể ở dạng mô tả, cho điểm, hoặc có thể ở dạng đánh giá dựa trên mục đích của việc áp dụng… Có thể kể đến một số hệ thống phân loại điển hình sau: Phân loại khối đá của Terzaghi (1946) cho xây dựng công trình ngầm dựa trên một số mô tả đặc điểm nổi bật của khối đá và các yếu tố bất lợi có thể xảy ra khi xây dựng. Phân loại của Lauffer (1958) và Pacher et al (1974) dựa trên thời gian ổn định không chống đỡ của hầm để đánh giá chất lượng khối đá. Phân loại của Deere et al (1967) dựa trên chỉ số chất lượng đá RQD từ số liệu mô tả trụ khoan. Phân loại của Wickham et al (1972) dựa trên đặc điểm cấu trúc khối đá, ảnh hưởng của nước khe nứt và cả hướng của công trình hầm đặt trong khối đá đó. Phân loại theo chỉ số độ bền địa chất GSI của Hoek (1995) dựa trên đặc điểm khe nứt, cấu trúc khối đá và đực điểm khe nứt…

Trong số rất nhiều hệ thống phân loại theo các cách tiếp cận và mục đích khác nhau, có 2 phương pháp phân loại được sử dụng phổ biến nhất, đó là phương pháp của Bieniawski đánh giá theo chỉ số chất lượng khối đá RMR (Rock mass rating) và phương pháp của Barton đánh giá theo chỉ số chất lượng Q. Trong bài viết này, nội dung chủ yếu xoay quanh 2 hệ thống phân loại này. Tuy nhiên, bài viết không trình bày chi tiết các bước và cách đánh giá củ từng phương pháp mà chỉ tập trung phân tích đặc điểm của từng phương pháp và so sánh 2 phương pháp với nhau. Cả hai phương pháp này đều xét kết hợp các thông số về đặc điểm địa chất, kích thước và cả đặc điểm công trình vào việc phân loại. Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm nhất định. Vì vậy việc hiểu ưu điểm của mỗi phương pháp là rất quan trọng trong việc lựa chọn hệ thống phân loại.

Phương pháp phân loại theo RMR

Đây là phương pháp do Bieniawski (1976) đề xuất, phương pháp này còn được gọi là phân loại địa cơ học (Geomechanics Classification). Phân loại theo RMR được xây dựng trên cơ sở kinh nghiệm và được cập nhật thay đổi liên tục. Mục đích cuối cùng của phương pháp là đánh giá chất lượng và cường độ của khối đá. Trong phương pháp có xét đến 6 yếu tố để phân loại:

1. Độ bền nén một trục của đá
2. Chỉ số chất lượng đá RQD
3. Khoảng cách giữa các khe nứt
4. Đặc điểm bề mặt khe nứt
5.  Điều kiện nước trong khe nứt
6.  Điều kiện về hướng của khác khe nứt

Giá trị RMR được tính theo công thức:

RMR = A1 + A2 + A3 + A4 + A5 + B

Trong đó, A1, A 2, A3, A4, A5 và B lần lượt là điểm số chấm cho các yếu tố kể trên.

Dùng RMR có thể đánh giá thời gian ổn định không cần chống của công trình ngầm. Ngoài ra có thể xác định các thông số về cường độ và biến dạng của khối đá như lực dính, góc ma sát, mô đun biến dạng, cường độ khối đá, tải trọng của khối đá tác dụng lên hệ thống chống đỡ … Singh and R. K. Goel (1999).

Hạn chế của RMR: việc đánh giá phụ thuộc nhiều vào khả năng quan sát và kinh nghiệm của chuyên gia. Điều này cũng có thể dẫn đến sự sai lệch đáng kể trong việc xếp loại đá. Việc đánh giá sẽ trở nên phức tạp khi khối đá có cường độ kháng nén không đồng nhất, đó là khi khối đá gồm nhiều loại đá hay có mức độ phong hóa khác nhau hay khi đá có tính phân phiến, phân tập.

Theo cách đánh giá RMR, yếu tố ứng suất không được kể đến, các kinh nghiệm thu được ở điều kiện ứng suất nhỏ (<25MPA). Do đó, các trường hợp ứng suất lớn có khả năng dẫn tới các hiện trượng nổ đá không được kể tới. Sự có mặt của các đứt gẫy hay đới yếu trong khối đá cũng được kể tới, tuy nhiên không có đánh giá một cách chi tiết.

Phương pháp phân loại theo Q

Đây là phương pháp do Barton (1974) đề xuất, phương pháp này được dựa trên cơ sở rất nhiều các công trình ngầm trong lịch sử. Đây cũng là phương pháp phân loại đặc thù cho xây dựng công tình ngầm. Phương pháp phân loại này xét tới:

1. Chỉ số chất lượng đá RQD
2. Kích thước các tảng trong khối đá
3. Sức chống cắt của các mặt không liên tục giữa các tảng đá
4. Sự tồn tại các vùng yếu trong khối đá
5.  Điều kiện nước trong khe nứt
6. Điều kiện ứng suất

Công thức xác định giá trị chỉ số Q như sau:

Q = RQD/Jn × Jr/Ja ×  Jw/SRF

Trong đó: RQD giá trị chỉ số chất lượng đá, Jr là điểm số chấm cho số lượng nhóm khe nứt; Jr là điểm số chấm cho độ nhám khe nứt, Ja là điểm số cho độ biến đổi vật liệu thành khe nứt, Jw là điểm số cho điều kiện nước trong khe nứt và SRF là điểm số cho điều kiện ứng suất của khối đá.

Hệ thống phân loại này còn đưa ra biểu chỉ dẫn cho thiết kế chống đỡ, trong đó có xét tới kích thước công trình ngầm và khoảng đào.

Hạn chế của hệ thống phân loại nằm ở chỗ, do được xây dựng từ kinh nghiệm của các công trình ngầm trong quá khứ, phạm vi áp dụng của Q thích hợp với các công trình ngầm có bề rộng từ 2.5m đến 30m. Giống với RMR, với khối đá có các đới yếu, đặc biệt vật liệu có tính trương nở thì việc sử dụng giá trị Q sẽ không còn phù hợp.

Sự tương tự giữa RMR và Q

Hai phương pháp phân loại, đánh giá khối đá theo RMR và Q có nhiều điểm tương đồng nhau trong cách xác định các thông số để tính chỉ số chất lượng khối đá. 

-          Hai phương pháp này chỉ sử dụng các đặc điểm hoặc chỉ tiêu rất cơ bản để đánh giá khối đá. Việc quan sát, mô tả và đo đạc tương đối đơn giản.

-          Các thông tin mô tả về đặc điểm địa chất được quy ra thành điểm số cụ thể.

-          Cả hai cách đều xét tới điều kiện nước trong đá và đều bao gồm một số thành phần của cường độ vật liệu đá. 

-          Cả hai hệ thống phân loại đều dựa trên kinh nghiệm thu từ các công trình trong lịch sử, do đó các hệ thống phân loại này chỉ phù hợp trong phạm vi điều kiện nhất định.

Do hai phương pháp phân loại theo RMR và Q có nhiều điểm tương đồng, đã nhiều nghiên cứu thực tế so sánh và đưa ra quan hệ tương quan giữa hai thông số này. Có thể kể đến một vài công thức tương quan của Bieniawsky (1976) và một số tác giả khác như được đề cập trong Goel (1996):

RMR = 9lnQ +44                    Bieniawsky (1976)

RMR = 5.9lnQ +43                 Rutledge and Preston (1978)

RMR = 5.4lnQ + 55.2             Moreno (1980)

RMR = 5lnQ + 60.8                Camaron-Clarke (1981)

RMR = 10.5lnQ + 41.8           Abad (1984)

Sự khác nhau giữa RMR và Q

-          Cả hai cách đều quan tâm tới đặc điểm điều kiện địa chất và hình học của khối đá nhưng cách xét tới các đặc điểm đó có phần khác nhau. Sự khác biệt chủ yếu giữa hai phương pháp này là cách lấy trọng số cho mỗi chỉ tiêu là khác nhau.

-          RMR sử dụng trực tiếp cường độ kháng nén trong khi Q chỉ xét cường độ trong mối liên hệ với điều kiện ứng suất hiện trường.

-          RMR không xét tới thông số điều kiện ứng suất trong khối đá, đây khác biệt lớn nhất giữa hai hệ thống phân loại này

-          Về việc xác định, RMR là kết quả của việc lấy tổng điểm cho các yếu tố được xét, còn Q là kết quả của việc lấy tích các hệ số.

-          Khi trong khối đá có các vùng yếu, khi phân loại theo RMR không đề cập tới việc xét vùng này, còn theo Q thì có xét tới qua hệ số giảm ứng suất.

-          Việc chỉ dẫn chống đỡ công trình ngầm kèm theo hai hệ thống phân loại khác nhau: ở RMR là bảng chỉ dẫn chống đỡ cho hầm có bề rộng 10m, còn ở Q là biểu đồ chỉ dẫn chống đỡ cho hầm kích cỡ khác nhau.

Có thể nói, RMR và Q có nhiều nét tương đồng. Trong nhiều trường hợp, cùng công tác mô tả đo đạc, chúng ta có thể đánh giá phân loại khối đá theo cả hai phương pháp. Qua đó chúng ta có thể đối chứng giữa 2 phương pháp, so sánh khối lượng đào chống theo chỉ dẫn của mỗi phương pháp phân loại để có thể có lựa chọn chống đỡ tin cậy nhất.

Tài liệu tham khảo

Hoek & Londe (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.  
Terzaghi,  K.  (1946).  Rock  defects  and  loads  on tunnel  supports.  In Rock  tunneling  with steel  supports, (eds R. V. Proctor and T. L. White) 1, 17-99. Youngstown, OH: Commercial Shearing and Stamping Company.

Lauffer, H. 1958. Gebirgsklassifizierung für den Stollenbau. Geol. Bauwesen 24(1),  46-51.

Pacher,  F., Rabcewicz, L. and Golser, J. (1974). Zum der seitigen Stand der Gebirgsklassifizierung in Stollen-und Tunnelbau. Proc. XXII Geomech. colloq., Salzburg, 51-58.

Wickham, G.E., Tiedemann, H.R. and Skinner, E.H. (1972). Support determination based on  geologic  predictions.  In Proc.  North  American  rapid  excav.  tunneling  conf., Chicago, (eds K.S. Lane and L.A. Garfield), 43-64. New York: Soc. Min. Engrs, Am. Inst. Min. Metall. Petrolm Engrs.

B. Singh and R. K. Goel (1999). Rock Mass Classification: A Practical Approach in Civil Engineering, Elsevier

E. Hoek (1995). Strength of the rock and rock masses, ISRM News Journal, 2, No. 2

Goel, R.K. et al (1996). Correlation between Barton’s Q and Bieniawski’s RMR – A new approach. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr, 33, No.2, 179-181.