Phân loại khối đá theo hệ phân loại nào tốt nhất

Hiện nay, trên toàn thế giới có rất nhiều các hệ thống phân loại khối đá khác nhau. Trong đó có một vài hệ thống (GSI, RMR, hệ thống Q) được sử dụng phổ biến hiện nay. Câu hỏi "Hệ phân loại khối đá nào tốt nhất?" có lẽ không có một câu trả lời duy nhất. Thực tế cho thấy mỗi hệ phân loại được phát triển nhằm phục vụ một mục đích cụ thể, phản ánh những khía cạnh khác nhau của khối đá và điều kiện công trình.

Ở Việt Nam, RQD vẫn là hệ phân loại chung và riêng ngành Mỏ vẫn dùng chỉ số f của Prodiakonov (100 năm tuổi) nhưng không có trong số liệu thống kê này ;) 

Thông thường, để đánh giá hệ thống phân loại, thường dựa vào các yếu tố sau: (i) tiết kiệm nhưng an toàn; (ii) có thể áp dụng chung hoặc chỉ áp dụng cho một mục đích chuyên môn cụ thể; (iii) dựa trên các tham số dễ xác định....  Có thể nhận xét 3 hệ phân loại phổ biến như sau:

RMR (Rock Mass Rating) của Bieniawski có lẽ là hệ phân loại được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới (ít nhất dựa vào thống kê sách vở và các tài liệu viết về nó). Với các thông số tương đối dễ xác định như cường độ đá nguyên khối, chỉ số RQD, khoảng cách khe nứt, điều kiện khe nứt và nước ngầm, RMR cho phép kỹ sư nhanh chóng đánh giá chất lượng khối đá tại hiện trường. Nhờ tính đơn giản và trực quan, RMR đã trở thành "ngôn ngữ chung" trong nhiều báo cáo khảo sát địa chất công trình và địa kỹ thuật.

Trong khi đó, Q-System của Barton được phát triển với mục tiêu gắn trực tiếp chất lượng khối đá với yêu cầu chống đỡ công trình ngầm. Hệ thống này đặc biệt chú trọng đến đặc điểm của hệ khe nứt, điều kiện nước ngầm và ảnh hưởng của trạng thái ứng suất. Vì vậy, Q-System được sử dụng rất rộng rãi trong thiết kế hầm tại các nước Bắc Âu, nơi có nhiều công trình ngầm trong đá cứng. Đối với kỹ sư hầm, Q-System không chỉ là một hệ phân loại mà còn là công cụ hỗ trợ lựa chọn giải pháp chống đỡ.

Sự phát triển mạnh mẽ của mô hình số trong vài thập kỷ gần đây đã đưa GSI (Geological Strength Index) trở thành một trong những hệ thống được sử dụng nhiều nhất trong nghiên cứu và thiết kế hiện đại. Khác với RMR hay Q-System, GSI không hướng đến phân loại chất lượng khối đá theo nghĩa truyền thống mà tập trung vào việc mô tả cấu trúc khối đá và đặc điểm của các mặt gián đoạn (các khe nứt). Giá trị GSI được sử dụng trực tiếp trong tiêu chuẩn phá hoại Hoek–Brown để xác định các thông số cơ học của khối đá phục vụ phân tích bằng các phần mềm như FLAC, RS2 hay PLAXIS.

Có thể nói rằng RMR giúp trả lời câu hỏi "Khối đá tốt hay xấu?", Q-System hỗ trợ quyết định "Cần chống đỡ như thế nào?", còn GSI giúp xác định "Khối đá sẽ ứng xử ra sao trong mô hình tính toán?". Chính vì vậy, xu hướng hiện nay không phải là lựa chọn một hệ phân loại duy nhất mà là kết hợp nhiều hệ thống để tận dụng thế mạnh của từng phương pháp.

Một kỹ sư địa kỹ thuật cứng là ngoài việc biết tính toán xác định chỉ số phân loại còn phải hiểu ý nghĩa thực sự đằng sau các con số đó và biết sử dụng chúng đúng mục đích trong khảo sát, thiết kế và thi công công trình.

Đá lật (rock toppling)

Hiện tượng đá lật (rock toppling), một số thầy gọi là "đá đổ", thôi cứ mạnh dạn gọi là đá lật đổ, vì bản chất là khối đá bị lật xoay và đổ xuống. Đây là một trong các dạng dịch chuyển sườn dốc. Hiện tượng đá lật đổ thường xảy ra khi khối đá ở sườn dốc được chia thành một loạt các phiến hoặc cột do các khe nứt dốc đứng và kéo dài song song hoặc gần song song với mặt sườn dốc. Khi đá lật đổ, cột đá hoặc phiến đá xoay quanh một điểm cố định ở chân dốc hoặc gần chân dốc đồng thời xảy ra sự trượt giữa các lớp. Đá lật đổ cũng có thể xảy ra với một cột đá hoặc phiến đá đơn lẻ (hiếm gặp hơn) khi đá bị chia cắt bởi một gián đoạn.

Nguồn hình ảnh: bài giảng cơ học đá

Xây dựng trên địa hình dốc

 

Khi xây dựng trên/trong khu vực địa hình dốc, nên ưu tiên bố trí công trình theo hướng bậc thang hoặc giật cấp, hạn chế việc đào – đắp quá mức để giảm thay đổi địa hình tự nhiên.

Ở Việt Nam, khi xây dựng có tình trạng san gạt, đào đắp tùy tiện để lấy mặt bằng xây dựng. Ở nhiều nơi miền núi, người dân có xu hướng cắt taluy, đắp nền trên sườn dốc mà không có biện pháp chống trượt, không xây tường chắn hay rãnh thoát nước. Điều này khiến hiện tượng sạt lở, xói mòn xảy ra ngày càng nhiều, đặc biệt trong mùa mưa. Ngay cả các công trình của nhà nước cũng gặp tình trạng kiểu này, dẫn đến để đảm bảo ổn định công trình cần áp dụng các giải pháp địa kỹ thuật như móng thiết kế sâu đến lớp đất ổn định, sử dụng móng cọc, tường chắn, neo đất, hoặc hệ thống thu nước mặt và nước ngầm phức tạp ... dẫn đến chi phí tốn kém.

Thay vì san phẳng toàn bộ khu vực bằng cách đào sâu phần cao và đắp đầy phần thấp – dễ gây mất cân bằng ứng suất, hình thành khối trượt hoặc sụt lở, thiết kế bậc thang cho phép công trình “thích ứng” với độ dốc hiện hữu. Mỗi khối công trình hoặc nền móng được đặt trên một cao độ tương đối ổn định, được liên kết với nhau bằng tường chắn, tường biên hoặc taluy bảo vệ, giúp giảm áp lực đất lên công trình phía dưới.

Xây dựng theo cấu trúc dạng bậc thang có nhiều lợi ích kỹ thuật và môi trường như:

- Giảm khối lượng đào – đắp đất, tiết kiệm chi phí thi công và hạn chế phá vỡ cân bằng tự nhiên.

- Giảm dòng chảy tập trung trên bề mặt, hạn chế xói mòn và rửa trôi đất.

- Tạo điều kiện bố trí hệ thống thoát nước phân tầng, giúp nước chảy tự nhiên, tránh thấm ngược vào mái dốc.

- Về kiến trúc cảnh quan, dạng giật cấp giúp công trình hòa nhập với địa hình, tạo tầm nhìn đa hướng và tận dụng tối đa không gian.

Các dạng trượt mái dốc trong đất tàn tích

 

Hiện tượng trượt và sạt lở đất trong đất phong hóa thường được kích hoạt bởi mưa lớn, và là kết quả của sự gia tăng tạm thời áp lực lỗ rỗng trong mái dốc. Đây là một điểm khác biệt quan trọng so với đất trầm tích, nơi mà mực nước ngầm có xu hướng duy trì ở vị trí cân bằng lâu dài và không bị ảnh hưởng bởi thời tiết. Động đất mạnh cũng có thể là yếu tố kích hoạt hiện tượng trượt hoặc sạt lở đất. Nguyên nhân của nhiều trận sạt lở đất lớn trong đất phong hóa thực chất là do hoạt động của con người. Các hoạt động như đào cắt mái dốc, đắp đất trên sườn dốc, làm ngăn cản hệ thống thoát nước tự nhiên và đường thấm, cũng như nạn phá rừng đều là các yếu tố làm giảm độ ổn định của mái dốc và có thể dẫn đến sạt lở.

Các quan sát thực tế cho thấy trượt trong đất tàn tích rất hay gặp dạng cung tròn nông, trượt tịnh tiến theo mặt ranh giới giữa tầng phong hóa mạnh với tầng đất đá tốt hơn, trượt dạng khối theo ranh giới giữa tầng phong hóa mạnh và tầng đất đá tốt hơn bên dưới.

Có nhiều trường hợp mái dốc trong đất phong hóa có thể còn bị chi phối bởi sự hiện diện của các mặt yếu. các mặt yếu thường là các khe nứt có sẵn từ khi đá chưa bị phong hóa, độ bền kháng cắt dọc các khe nứt này thường yếu hơn và đặc biệt là nơi nước tập trung thấm vào. Điều này có khả năng xảy ra với những loại đất đã chịu tác động biến dạng kiến tạo, hoặc được hình thành từ các loại đá đã chịu biến dạng như vậy. Sự tồn tại của các mặt yếu này khiến việc xác định kiểu trượt có thể xảy ra và giá trị của các tham số sức kháng của đất trở nên vô cùng khó khăn, do đó kết quả phân tích ổn định thường không đáng tin cậy. Đối với trường hợp khi các vết nứt định hướng theo một hướng nhất định như ở đất phong hóa có nguồn gốc từ đá trầm tích có thể chứa các mặt yếu phản ánh những lớp yếu cụ thể trong vật liệu gốc. Trong trường hợp này có thể xác định được các tham số cắt trong những lớp yếu đó và sử dụng chúng trong phân tích ổn định hợp lý. 

Các cách phân tích ổn định mái dốc bằng phương pháp số

Phân tích ổn định mái dốc là một công việc rất quan trọng đối với các kỹ sư địa kỹ thuật. Có rất nhiều phương pháp có thể sử dụng cho công việc này. Một nhiệm vụ cơ bản của việc phân tích ổn định mái dốc, đó là xác định hệ số an toàn cho mái dốc. Đây là hệ số để đánh giá công trình ổn định hay mất an toàn. Từ thời sơ khai, việc phân tích chủ yếu dựa trên tính tay, do đó đương nhiên, cần sử dụng các giả thiết để đơn giản hóa bài toán sao cho … khả thi cho việc tính toán. Theo thời gian, các công cụ tính toán – máy tính giúp cho việc tính toán thuận tiện hơn. Hàng loạt các phương pháp đã ra đời theo hướng lý thuyết phức tạp lên và độ chính xác tăng theo. Có rất nhiều phương pháp, trong đó, hai phương pháp chính thường được sử dụng đó là phương pháp cân bằng tới hạn (limit equilibrium method – LEM) và phương pháp phân tích bài toán bằng phương pháp số.

Các phương pháp phân tích ổn định mái dốc

Trong phân tích ổn định mái dốc, có hai phương pháp chính thường được sử dụng: phương pháp cân bằng tới hạn (limit equilibrium method – LEM) và phương pháp số dựa trên lý thuyết đàn hồi dẻo.