25 năm cơ học đất và địa kỹ thuật công trình

Bài viết này làm cho bản tóm tắt kinh nghiệm và phân tích về thành tích, điểm yếu, thách thức và cơ hội của SMGE tại Việt Nam trong suốt 25 năm qua. Đề xuất cho mô hình mới và các hoạt động để phát triển Xã hội Việt Nam của SMGE cũng như bài học kinh nghiệm được trình bày. Vai trò của cơ học đất, kỹ thuật địa kỹ thuật để lập kế hoạch, thiết kế, thực hiện, bảo trì dự án, bảo vệ môi trường, phòng ngừa và giảm nhẹ thiên tai được thảo luận.

cứu trong bài toán dự báo lún Luận án Tiến sỹ địa chất, Hà Nội 2003

2 Đoàn Thế Tường và nnk Tính chất lưu biến của đất Báo cáo tổng kết đề tài, 2004

4 Larsson R Consolidation of soft soil Linkoping, 1986

6 Goldstein M.N Mekhanhitsexkiie xvoixtva gruntov Moxkva 1977

7 Mextsian X.R Mekhanhitsexkiie xvoixtva gruntov i laboratornưie metodư ikh opredelenhiie

25 years of soil mechanics and geotechnical engineering (SMGE) Abstract : This paper make the summary of experiences and analysis on achievements, weakness, challenges, and opportunities of SMGE in Vietnam during last 25 years Proposals for new model and activities to develop Vietnam society of SMGE as well as lesson learned are presented The role of soil mechanics, geotechnical engineering for planning, design, implementation, maintenance of projects, protection of environment, prevention and mitigation of natural disasters are discussed

1 Mở đầu

Cơ học đất và Địa kỹ thuật công trình là một chuyên ngành kỹ thuật, áp dụng những kiến thức,

định nghĩa, khái niệm của toán học, vật lý, hoá học, cơ học, động lực học, thuỷ lực, dao động, môi

trường, sinh vật học … vào kỹ thuật xây dựng Cơ học đất vốn được xây dựng trên kinh nghiệm,

nghệ thuật và trở thành một môn kỹ thuật với sự đóng góp của Terzaghi cách đây hơn 70 năm Đối

tượng nghiên cứu, các lời giải kỹ thuật và giải pháp công nghệ của cơ học đất và địa kỹ thuật công

trình là Đất, đá, nước, khí với tác động của tải trọng, lực, năng lượng, dòng chảy, áp lực do con

người và thiên nhiên tạo nên Con người xây dựng nhà, trường, văn phòng, bệnh viện, cầu đường,

bến cảng, nhà máy, sân bay, đập chứa nước, đường hầm, khai thác mỏ … đều cần đến cơ học đất

và địa kỹ thuật Con người chôn lấp phế thải, nạo vét sông ngòi, biển cả, lấn biển, tôn nền, làm sạch

đất, nước, không khí, đều cần có các kiến thức và kinh nghiệm về Địa kỹ thuật và Địa kỹ thuật công

trình Trượt lở đất tự nhiên, trượt lở bờ sông, bờ biển, xây dựng đê điều, đào kênh mương thuỷ lợi,

phòng chống bão lụt, động đất, sóng thần … với mục đích giảm nhẹ thiên tai đều cần các lời giải Địa

kỹ thuật và kiến thức về cơ học đất Ngành cơ học đất, nền móng, Địa kỹ thuật công trình, Địa kỹ

thuật môi trường của thế giới và Việt Nam đã có những bước tiến vượt bậc trong 25 năm qua Lấy

mốc 25 năm vì vào thời điểm 1980 – 1981 Việt Nam tiếp nhận nhiều thiết bị khảo sát hiện trường,

phòng thí nghiệm, quy trình, quy phạm, sách, tạp chí, thông tin, từ chương trình UNDP của Liên hiệp

quốc dành cho Liên hiệp khảo sát Bộ xây dựng và chương trình hợp tác giữa Viện KHCN xây dựng với Viện Địa kỹ thuật Thuỵ Điển Mặt khác sau 5 năm giải phóng miền Nam, nhiều phương pháp thí nghiệm (thí dụ SPT), quy trình quy phạm và sách giáo khoa của các nước phương Tây bắt đầu có sự giao lưu với nền cơ học đất và địa kỹ thuật của miền Bắc, vốn là kiến thức và kinh nghiệm của Liên

Xô cũ, Trung Quốc và các nước XHCN khác Báo cáo trình bày những thành tựu đạt được trong lĩnh vực Cơ học đất và Địa kỹ thuật, một số tồn tại, thách thức và cơ hội cho sự phát triển

2 Thành tựu

2.1 Khảo sát đất nền và quan trắc Địa kỹ thuật

Với sự giúp đỡ của Viện SGI, Thuỵ Điển, EU từ những năm 1979 – 1980 nhiều thiết bị thí nghiệm trong phòng và hiện trường đã được nhập sang Việt Nam Việt Nam cũng tự chế ra xuyên tĩnh XT80

Xuyên tĩnh là thiết bị thích hợp để xác định địa tầng, sức kháng xuyên đầu mũi và ma sát

- bên thích hợp để dự tính sức chịu tải của cọc, của nền và dự tính độ lún của móng trên nền cát

- Xuyên tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng cho phép xác định được khả năng thoát nước, hệ số thấm

và tiện ích cho thiết kế các loại cọc cát, bản nhựa, tầng hầm, và độ cố kết

- Cắt cánh là thiết bị thích hợp để xác định sức kháng cắt không thoát nước của nền sét yếu

- Xuyên động (SPT) có thể dùng để phân tầng, xác định sức chịu tải của nền, của cọc

- Nén ngang trong hố khoan cho phép xác định môđun biến dạng, cường độ, sức chịu tải của nền

- Bản nhựa thoát nước và gia tải trước bằng đất đắp hoặc hút chân không

- Cọc vôi đất, cọc xi măng đất (cường độ thấp)

- Cọc cát đầm chặt theo công nghệ của Nhật Bản

- Đất có cốt, vải địa kỹ thuật nhằm phân bổ ứng xuất đều hơn, ngăn cản sự trộn lẫn giữa đất cát

và bùn, đồng thời tăng khả năng chịu lực kéo

- Các loại cọc tre, cọc tràm, cọc bê tông ngắn, cọc ống nhựa, ống thép, ống bê tông … được sử dụng để xử lý nền đất yếu Các loại cọc ngắn (khoảng 3 – 4m) được thiết kế như nhóm cọc và khối móng quy ước Các loại cọc nhỏ (có tiết diện nhỏ hơn 25cm) được thiết kế như các loại cọc truyền thống

- Thay thế đất xấu bằng đất tốt hơn và được đầm chặt

- Cố kết động: (Sử dụng quả nặng rơi từ độ cao lớn) cho phép tăng quá trình cố kết, giảm độ lún

và tăng khả năng chịu tải của nền thích hợp cho các dự án lấn biển, xây dựng cụm, tuyến dân cư

- Cọc bê tông kết hợp với cọc thép (đóng và khoan) đã được sử dụng để xử lý hang động kast

- Cọc đường kính nhỏ (( < 25cm) bằng bê tông, thép, ống nhựa, luồng … phục vụ cho việc xây chen trong thành phố, chống lún, gia cường … đã thực sự trở thành một giải pháp kỹ thuật và công nghệ có nhiều ưu điểm:

( Tiết kiệm vật liệu và năng lượng;

( ít gây chấn động

( Sử dụng vật liệu tối ưu Tăng ma sát bên;

( Thiết kế, thi công và kiểm tra hết sức dễ dàng

( Phù hợp với điều kiện kỹ thuật – công nghệ – kinh tế – xã hội Việt Nam

2.4 Địa kỹ thuật môi trường

Từ thập kỷ 90, chúng ta đã bắt đầu quan tâm đến lĩnh vực này và thu được những bài học kinh nghiệm quý về:

- Nhiễm bẩn đất, nước, khí và các giải pháp phòng ngừa

- Nhiễm bẩn nguồn nước uống do amoniac

- Nhiễm bẩn đất và nước do tro xỉ

- Giải pháp ngăn ngừa và bảo vệ ảnh hưởng của các bãi rác và phế thải công nghiệp

- Kinh nghiệm và kỹ thuật sử lý phế thải, rác thải

- Lún sụt đất do khai thác nước ngầm

- Nền móng cho vùng có lún sụt mặt đất

2.5 Địa kỹ thuật với bảo vệ, phòng chống và giảm thiểu thiên tai

Các chuyên gia cơ học đất, địa kỹ thuật đã nghiên cứu, đề xuất nhiều giải pháp

- Cơ chế trượt lở mái dốc, bờ sông, bờ biển, hầm lò, đất đắp …

- Chất lượng đào tạo chuyên gia cơ học đất, Địa kỹ thuật còn thấp Thiếu hụt đội ngũ kế cận Trình

độ các Tiến sĩ, Thạc sĩ chuyên gia còn hạn chế Các luận án cao học và Tiến sĩ còn ít gắn với thực tiễn và nhu cầu phát triển

- ít các công trình về cơ học đất và địa kỹ thuật được công bố

- Thiếu cơ hội học tập, thực tập, tham dự Hội nghị quốc tế và đào tạo ở trình độ cao hơn

- Thiếu tiêu chuẩn chuyên ngành

- Thiếu thư viện Địa kỹ thuật được cập nhật

- Chưa phát huy được vai trò của Hội nghề nghiệp Thiếu kinh phí hoạt động

- Thiếu sự hợp tác giữa các Trường – Viện – Doanh nghiệp

- Năng lực chuyên môn, trình độ ngoại ngữ, khả năng sử dụng máy tính, giao lưu quốc tế còn nhiều hạn chế Cản trở sự hội nhập

4 Thách thức

- Thất thoát, lãng phí, tham nhũng trong xây dựng do thiếu chuyên nghiệp, đạo đức nghề nghiệp (lương tâm nghề nghiệp) thiếu trách nhiệm với xã hội, nhà dân, đồng nghiệp và sự an toàn

- Tụt hậu, thiếu khả năng cập nhật, thiếu sự sáng tạo và động năng để phát triển

- Kiến thức và kinh nghiệm nghèo nàn, không thường xuyên học tập, nghiên cứu, trao đổi thông tin

- Thiếu sự quan tâm của xã hội, của Nhà nước… về sự cần thiết và vai trò của kỹ thuật và kỹ sư

- Chưa hình thành được thị trường cho Khoa học – Kỹ thuật – Công nghệ, tư vấn, giáo dục đào tạo Không tạo được động lực cho sự tự nguyện cá nhân

- Chủ nghĩa bằng cấp, chủ nghĩa quyền lực, chủ nghĩa cá nhân, chủ nghĩa cầu danh, cầu lợi, suy thoái đạo đức, coi trọng đồng tiền đã cản trở sự phát triển của KHKT, giáo dục đào tạo, kinh tế, nói chung và chuyên ngành Cơ học đất và Địa kỹ thuật công trình nói riêng

- Thoả mãn, bằng lòng với kiến thức, kinh nghiệm, thiếu ý chí học tập vươn lên

- Thiếu tính cộng đồng để chia sẻ thông tin, kiến thức, kinh nghiệm Thiếu sự hợp tác

- Chất lượng con người, chất lượng công trình và sản phẩm còn thấp Các giá trị không được đề cao

5 Cơ hội

Chuyên ngành Cơ học đất và Địa kỹ thuật là nền móng cho một công trình, đồng thời cũng là nền tảng cho sự phát triển Cơ học đất và Địa kỹ thuật làm việc với đất (Mẹ) với không khí, trời (Cha) với nước (Anh em, bạn bè) Vì vậy chúng ta phải tôn trọng và bảo vệ tự nhiên, môi trường và đa dạng sinh học Vì sự nghiệp xoá đói giảm nghèo, phát triển bền vững và Hội nhập kinh tế quốc tế

Đất nước là cả một công trường lớn, tìm được sự cân bằng giữa Phát triển và Bảo vệ môi trường cần có các lời giải thông minh của kỹ sư địa kỹ thuật

Phát triển bền vững được hiểu là thế hệ hôm nay phải sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên để có thể dành quyền lợi cho các thế hệ tương lai Đất, nước, không khí đa dạng sinh học, tài nguyên thiên nhiên … phải được sử dụng một cách thông minh, khôn khéo trên cơ sở các kiến thức Khoa học –

Kỹ thuật – Công nghệ – Văn hoá vững vàng và có trách nhiệm

Cơ hội đặt ra cho các nhà Cơ học đất và Địa kỹ thuật là:

- Có hiểu biết sâu sắc hơn và ứng xử đúng đắn hơn với các loại đất nền Việt Nam Đặc biệt là đất sét yếu

- Tham gia vào công tác quy hoạch sử dụng đất và nước

- Tư vấn kỹ thuật các giải pháp xử lý đất yếu, chống trượt lở mái dốc, bờ sông, bờ biển, đê điều …

- Tư vấn kỹ thuật cho các giải pháp nền móng tiết kiệm, giảm chi phí và tăng hiệu quả

- Thiết kế và thi công công trình ngầm

- Thiết kế và thi công công trình ven biển, trên hải đảo, vùng sâu vùng xa

- Bảo vệ môi trường

- Phòng chống và giảm nhẹ thiên tai

- Giải pháp phòng chống động đất

- Kỹ thuật mới, công nghệ mới, vật liệu mới trong ngành địa kỹ thuật

- Phương pháp tính, phần mềm, MTĐT, công nghệ thông tin… để đẩy nhanh quá trình nghiên cứu

- Nâng cao trình độ đào tạo Xuất bản sách, tạp chí, báo chí

- Xây dựng phòng thí nghiệm hợp chuẩn, phòng thử ly tâm, phòng thí nghiệm môi trường … để có thể hiểu biết sâu hơn về các giải pháp kỹ thuật

- Phát triển các thiết bị đo, quan trắc, định vị (GPS) nhằm cung cấp các thông tin kịp thời, chính xác phục vụ cho lời giải kỹ thuật và giải pháp công nghệ

- Phòng chống nhiễm bẩn, làm sạch đất và nước bị nhiễm bẩn, bảo vệ sự lan toả, phân bón trong đất và nước của đioxin …

- Lập quy trình quy phạm về Địa kỹ thuật

- Viết sách, đổi mới giáo trình, chương trình học tập

- Tranh thủ sự giúp đỡ quốc tế

- Tham gia vào chương trình đào tạo

6 Đề xuất về mô hình tổ chức và nội dung hoạt động của Hội cơ học đất và Địa kỹ thuật công trình (2006 – 2009)

6.1 Hội cơ học đất và Địa kỹ thuật công trình Việt Nam (VSSMGE) tiếp tục duy trì là thành viên chính thức của Hội cơ học đất và Địa kỹ thuật công trình quốc tế (ISSMGE) Tích cực tham gia hoạt động của ISSMGE Mở rộng quan hệ quốc tế với Hội cơ học đất và Địa kỹ thuật công trình của các nước thành viên

6.2 Ban chấp hành Hội tập hợp đủ đại diện các Trường, Viện, Doanh nghiệp … đảm bảo có đủ mạng lưới các chi hội và các chuyên gia

6.3 Thường trực của Ban chấp hành có 15 người để kịp thời đưa ra các quyết định đúng đắn 6.4 Quỹ của các thành viên đóng góp là nguồn chính cho hoạt động Vận động cac nhà tài trợ giúp đỡ

6.5 Tổ chức hoạt động nghiên cứu, dịch vụ tư vấn, đào tạo, chuyển giao công nghệ … để phát huy được năng lực của đông đảo hội viên và có Quỹ cho hoạt động của Hội

6.6 Bảo trợ và giúp đỡ các hoạt động của Công ty AA – Corp., Viện Địa kỹ thuật và một số đơn vị khác trong công tác tư vấn, đào tạo, nghiên cứu khoa học, xuất bản phẩm và phát triển công nghệ Hoạt động của các đơn vị trên góp phần cho sự phát triển của Hội

6.7 Hội sẽ thành lập các Tiểu ban kỹ thuật để phối hợp các Hội viên giải quyết một nội dung cụ thể Thí dụ xây dựng một tiêu chuẩn

6.8 Hội sẽ tiếp tục tham gia nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ, tư vấn, phản biện xã hội, đào tạo, giáo dục, phổ biến kiến thức, tham gia chương trình đăng bạ kỹ sư

6.9 Hội sẽ tiếp tục phát triển các chương trình, các đề tài Hợp tác quốc tế Tranh thủ cao nhất sự giúp đỡ của bạn bè, đồng nghiệp nhằm nâng cao kiến thức trình độ, kỹ năng và cơ hội học tập, nghiên cứu

6.10 Hội sẽ xây dựng chương trình đào tạo và nâng cao trình độ cho kỹ sư Địa kỹ thuật Tham gia xây dựng chương trình đào tạo Cao học và Tiến sĩ về Địa kỹ thuật

7 Bài học kinh nghiệm

7.1 Sự phát triển của chuyên ngành cơ học đất và Địa kỹ thuật trong 25 năm qua là nhờ có sự cố gắng nhiệt tình, yêu nghề, yêu đất nước của một thế hệ của một số bộ môn, một số cá nhân Thiếu những người chủ chốt, các sáng kiến và sự năng động sẽ bỏ qua cơ hội

7.2 Phải tôn trọng các chữ sau đây trong quan hệ hợp tác và hoạt động nghề nghiệp: Tôn trọng (Respect), Kết hợp (Combination), Trao đổi thông tin (Communication), Nâng cao năng lực (Competence), Cam kết (Commitment), Có đạo đức nghề nghiệp (Ethics), Trách nhiệm (Responsibility), Tường minh (Trasparency), Dân chủ (Democracy) và Chủ nghĩa nghề nghiệp, Tính chuyên nghiệp (Professionalism)

7.3 Biết kết hợp khai thác các giá trị của Văn hoá Đông phương với Văn minh phương Tây Khai thác triệt để mối quan hệ và hợp tác Đông – Tây, tìm kiếm và khai thác được các mối quan hệ trên Hình thành được chương trình hợp tác quốc tế với Thuỵ Điển, Canada, Mỹ, Pháp, Đức, Anh … Quan

hệ giữa các cá nhân các nhà địa kỹ thuật Việt Nam và quốc tế là hết sức quan trọng

7.4 Lựa chọn được những cán bộ chủ chốt hoạt động cho các chương trình hợp tác, nghiên cứu và đóng góp cho Hội Họ phải là những người:

- Có năng lực chuyên môn, tình yêu nghề nghiệp, có khả năng hợp tác và tổ chức thực hiện

- Có tầm nhìn lâu đài cho sự phát triển

- Có tính mục tiêu và xác định được nhu cầu phát triển

- Biết Quản lý điều hành, lập kế hoạch và chương trình hoạt động

- Nhạy cảm, hiểu biết, cởi mở, chân thành, trong sáng, có độ linh động cao Biết mình là Ai? Và có thể làm được gì Sống đạo đức, khiêm tốn, tín, nghĩa …

- Có tính chuyên nghiệp cao, có chuyên môn sâu giao tiếp tốt bằng tiếng Anh, sử dụng thành thạo Máy tính điện tử, internet … cho các mục đích học tập, giảng dạy, nghiên cứu khoa học

- Đóng góp tự nguyện cho sự phát triển của Hội, của chuyên ngành

- Dễ dàng hợp tác với tất cả

- Có hiểu biết về lịch sử, văn hoá và giá trị (Giá trị = chất lượng/giá thành)

7.5 Những yếu tố quan trọng đã phát triển

- Phải có con người có chất lượng - Man MAN

- Phải có kinh phí để hoạt động - Money MONEY

- Phải có phương pháp hoạt động - Methods METHODS

- Phải biết quản lý điều hành - Management MANAGEMENT

- Phải biết tiết kiệm từng phút - Minnocite MINUTE

Tức là nguyên lý 6M

Yếu tố con người là quan trọng nhất, theo nguyên lý thiên địa nhân Kỹ sư Địa kỹ thuật phải có hiểu biết về triết học, văn hoá đông phương, phong thuỷ, dịch lý, ngũ hành, âm dương … Vì họ phải ứng xử hành ngày với đất, nước, khí

7.6 Phải hình thành được các mô hình tổ chức, hoạt động kết hợp hài hoà các mục tiêu

Nghiên cứu (Viện) + học tập giảng dạy (Trường) + sản xuất kinh doanh, tư vấn (Công ty)

Phát triển các Công ty – các doanh nghiệp khoa học kỹ thuật – Công nghệ để cung cấp các dịch

vụ kỹ thuật, công nghệ, giáo dục đào tạo, chuyển công nghệ, tư vấn đầu tư, xuất nhập khẩu kỹ thuật, công nghệ với chât lượng cao

7.7 Đặc biệt quan tâm tới tổ chức Hội thảo, lớp học, xuất bản, thông tin trên trang web áp dụng công nghệ tin học để giao lưu trực tuyến, xuất bản tuyển tập dưới dạng CD

7.8 Trang thủ sự giúp đỡ của báo chí, cơ quan ngôn luận … để định hướng đúng đến dư luận xã hội và hiểu biết về nghề nghiệp

8 Kết luận và kiến nghị

8.1 Vai trò của cơ học đất và Địa kỹ thuật công trình là hết sức quan trọng trong quy hoạch, thiết

kế xây dựng khai thác, bảo dưỡng, sử dụng công trình

8.2 Cơ học đất và Địa kỹ thuật là chuyên ngành quan trọng để bảo vệ, giữ gìn, khai thác hợp lý đất, nước, khí môi trường và tài nguyên thiên nhiên

8.3 Cơ học đất và địa kỹ thuật công trình cung cấp các lời giải kỹ thuật và công nghệ để phòng chống và giảm thiểu thiên tai: Trượt lở đất, lũ lụt, bão, động đất, lũ quét

8.4 Thành tựu, hạn chế, thách thức, cơ hội, nội dung và tổ chức hoạt động, bài học kinh nghiệm

đã được phân tích, kiến nghị để các hội viên đóng góp

Cần thiết tổ chức lại Hội cơ học đất và Địa kỹ thuật công trình Việt Nam, lựa chọn được ban chấp hành mới thông qua điều lệ mới và định hướng cho sự phát triển

Đường cong ứng suất biến dạng của đá

và ứng dụng để lựa chọn các điều kiện giới hạn

Nghiêm Hữu Hạnh*

The stress-strain curve of rock and applications for choosing the limit conditions

Abstract: In this paper the author analyzes the relationships of stress and strain state of rock on

stress-strain curve, remarks on some limit conditions, as: elastic limit point, long-term strength, peak strength and ultimate strength Different chooses of limit conditions for estimate of stability of

constructions are recommended

1 Đặt vấn đề

Mối quan hệ ứng suất biến dạng của đá phản

ánh sự ứng xử của đá dưới tác dụng của tải

trọng Đây thường là mối quan hệ phi tuyến Tuy

nhiên, trong nhiều bài toán kỹ thuật thường giới

hạn ở vùng biến dạng tuyến tính của đá để áp

dụng các lời giải của lý thuyết đàn hồi Trong khi

đó, kết quả nghiên cứu của rất nhiều tác giả ở

trong và ngoài nước [1, 2, 3, 6, 9, 10] đều thấy

rằng đối với nhiều loại đá, đặc biệt đá trầm tích,

giới hạn đàn hồi chỉ chiếm khoảng 40-50% độ

bền của đá Điều này có nghĩa là khả năng chịu

tải của đá đã không được sử dụng được hết Đối

với nhiều công trình có thời gian sử dụng ngắn

hạn, như các đường hầm khảo sát, các bờ dốc

của các mỏ khai thác khoáng sản, các lò chợ

trong khai thác than bằng phương pháp hầm

lò…khi lấy giới hạn đàn hồi làm căn cứ để đánh

giá sự ổn định thì sẽ “bỏ phí” sức chịu tải của đá,

lúc đó, bờ dốc có thể là qua thấp hoặc hầm lò

được chèn chống quá nhiều Bởi vậy, sử dụng

hợp lý sức chịu tải của đá là một câu chuyện rất

đáng được quan tâm Khi nói đến sức chịu tải,

độ ổn định…người ta thường chú ý ngay đến

trạng thái ứng suất và các điều kiện giới hạn của

chúng Vậy thì, trong các bài toán thực tế có thể

có bao nhiêu điều kiện giới hạn và nên chọn điều

kiện nào cho từng lời giảI cụ thể Tác giả của bài

này trình bầy về mối quan hệ giữa đường cong

ứng suất biến dạng và các điều kiện đặc trưng của nó, từ đó trao đổi về việc lựa chọn điều kiện giới hạn trong tính toán ổn định công trình

2 Đặc điểm đường cong ứng suất-biến dạng của đá

Đường cong ứng suất - biến dạng được xác định bằng thí nghiệm nén các mẫu đá, thường là hình trụ có chiều cao bằng 2 lần đường kính Trong quá trình thí nghiệm người ta ghi được tải trọng nén và tương ứng với nó là biến dạng tuyệt đối theo phương dọc và ngang của mẫu, từ đó xác lập được biểu đồ “ứng suất: (-biến dạng tương đối: (” có trục tung thể hiện ( và trục hoành - ( để đơn giản từ đây gọi ( là biến dạng Vật thể được gọi là đàn hồi nếu khi dỡ tải về không biến dạng cũng quay trở về không Trong thực tế hầu như hiếm có loại đá nào thoả mãn điều kiện đàn hồi lý tưởng

đó

Hình 1 Đường cong ứng suất-biến dạng của đá: OA: biến dạng do khép kín các khe nứt, AB: Biến dạng tuyến tính, BC: Biến dạng đàn

* Viện Địa kỹ thuật

169 Nguyễn Ngọc Vũ - Hà Nội

Tel: 5564524, 0913554386

Email: nghiemhuuhanh@yahoo.com

dẻo, CD: Biến dạng sau giới hạn bền

Đường cong “(-(” trong thí nghiệm nén ba trục

(Hình 2) của Hallbauer và nnk [5] cho thấy sự

hình thành các mặt nứt vỡ trong mẫu đá quartzit

hạt mịn chứa sét kết Tại đó, ở điểm B trong

đoạn AB, những rạn nứt lẻ loi đầu tiên đã xuất

hiện rời rạc, chủ yếu ở phần giữa của mẫu

Chiều dài của chúng có xu hướng chạy song

song với trục ứng suất chính lớn nhất Như vậy,

tại đây đã xuất hiện các biến dạng không thuận

nghịch biểu hiện cho sự bắt đầu phát triển các vi

khe nứt và phá vỡ cấu trúc của đá Nhiều nghiên

cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy quá trình

này diễn ra ngay cả khi lực nén tác dụng lên mẫu

thí nghiệm là không đổi [1, 4] Có thể đây là

nguyên nhân cho sự hình thành biến dạng dẻo

và biến dạng theo thời gian Đến cuối đoạn BC

đã có sự gia tăng vi khe nứt hợp sinh theo một

mặt ở phần giữa của mẫu Tại điểm ứng suất lớn

nhất, C, mặt vỡ vi khe nứt phát triển ở phần giữa

của mẫu, lớn dần, tiến đến hai đầu của mẫu do

sự nối tiếp các vi khe nứt với nhau Cuối cùng,

trong đoạn CD, mặt vỡ phát triển đến hai đầu

mẫu; hướng của nó thay đổi, có xu hướng chạy

chéo ra mép mẫu, chia mẫu làm hai phần, giảm

nhanh sức kháng của mẫu Thể tích vi khe nứt,

được đo ở trạng thái không tải sau đó, vào

khoảng 16-19%, được coi là đáng kể

Hình 2 Sự phát triển vi khe nứt trong quá trình thí nghiệm nén ba trục (Theo Hallbauer và nnk,1973)

Trên đường cong ứng suất biến dạng, nhiều tác giả [1, 2, 4, 7, 9] chia ra các vùng đặc trưng như vùng biến dạng tuyến tính, vùng biến dạng phi tuyến và vùng biến dạng phá huỷ Một số nét đặc trưng của các vùng

 

 

  yz

xz xy z y x

00

0

01

200

00

00

1200

0

00

01

00

01

00

01

1

(1)

trong đó: (x, (y, (z, (xy, (xz, (zy (x, (y, (z -các

ứng suất pháp tuyến, tiếp tuyến và biến dạng dài

tương đối thành phần; (xy, (xz, (zy- các biến

dạng trượt tương đối, E, (- môđun Young và hệ

số Poisson, được coi là những hằng số

2 Vùng biến dạng phi tuyến, môdun dẻo D

và độ bền nén

Vùng BC, thường bắt đầu ở khoảng 2/3 của

giá trị cực đại ở đá giòn và khoảng 1/3 - ở đá

dẻo[2, 6, 7, 9], có độ dốc của đường cong giảm

dần đến không tương ứng với sự gia tăng ứng

suất Trong vùng này sự biến đổi tính chất và

cấu trúc đá là không thuận nghịch và các chu kỳ

tăng và giảm tải kế tiếp nhau vẽ nên các đường

cong hoàn toàn khác nhau [3, 4, 58] Một chu kỳ

dỡ tải PQ (Hình 1) cho một giá trị biến dạng dư

(o Nếu tiếp tục tăng tải, thì đường cong ứng

suất biến dạng QR của chu kỳ này không trùng

với đường OABP, điểm R nằm cao hơn điểm P

Trong đoạn BC, đá ứng xử như một vật thể đàn-dẻo [1, 8], E và ( không còn là hằng số nữa

mà thay đổi phụ thuộc vào trạng thái của ứng suất Có nhiều phương pháp để mô phỏng quan

hệ ứng suất biến dạng trong đoạn phi tuyến này Kuzneshov [11] mô hình hoá biến dạng phi tuyến

e của đoạn BC gồm hai thành phần: biến dạng đàn hồi ( và biến dạng dẻo ( Ông và thể hiện chúng như sau:

z z z

y y y

x x x

e e e

xz xz xz

xy xy xy

e e e

xz xy z y x

0 0

0 0

0 1

2 0

0 0

0

0 0

1 2 0

0 0

0 0

0 1

0 0

0 1

0 0

0 1

hợp lý hơn cho trường hợp cận kề với vùng

phá huỷ mẫu tại điểm C trên đường cong “(-(”,

còn khi ứng suất chưa đạt được giới hạn phá

huỷ, sử dụng giá trị này có thể là gượng ép Mối quan hệ giữa môdun đàn hồi và môdun dẻo được xác định theo kết quả thí nghiệm nén, được [1] xác định như sau:

D = E/P (4) trong đó: P – chỉ số dẻo xác định được từ

đường cong “(-(”

Khi tiếp tục tăng tải, đường cong “(-(” tiến

đến điểm C, điểm cực đại của đường cong

ứng suất biến dạng và tương ứng với độ bền

nén của đá Đúng ra, đây là độ bền nén tạm

thời, thu nhận được trong thí nghiệm nén

thông thường

3 Vùng sau giới hạn bền, độ bền tới hạn

Đoạn CD đặc trưng bởi đường cong có góc

dốc âm, tg của góc này được gọi là mođun độ

cứng [10] Một chu kỳ dỡ tải ST thường dẫn

đến giá trị biến dạng dư rất lớn và sự tăng tải

kế tiếp sẽ vẽ nên đường cong ứng suất biến

dạng TU tiến tới đường cong CD tại điểm U

nằm thấp hơn điểm S Vùng CD là đặc thù của

trạng thái giòn Khi đường cong tiến tới D biến

dạng tăng nhanh đột biến, đá bị phá huỷ ứng

suất tại điểm D được gọi là ứng suất tới hạn

(confining stress) [5], giá trị ứng suất được

gọi là độ bền tới hạn (ultimate strength) (ult[4]

Trong các thí nghiệm nén thông thường, độ

cứng của hệ máy thí nghiệm-mẫu không đủ để

phản ánh vùng CD, các mẫu thường bị vỡ

ngay ở đoạn lân cận với điểm C

4 Tính dẻo và tính giòn

Đá được coi là có đặc tính “dẻo” (ductile)

khi nó có thể chịu được các biến dạng thông

thường mà không mất khả năng chịu tải của

mình, hoặc có đặc tính “giòn” (brittleness) khi

khả năng chịu tải của nó giảm đi theo sự gia

tăng biến dạng [4, 5] (không nên nhầm với

vật liệu dẻo và giòn) Như vậy, ở vùng BC đá

nằm ở trạng thái dẻo, còn ở vùng CD - trạng

thái giòn Độ dẻo hoặc độ giòn của vật liệu đá

được xác định bởi độ dốc của đường cong

ứng suất biến dạng tương ứng Trong trạng

thái dẻo, sau khi dỡ tải, nếu tăng tải nó có thể

chịu được ứng suất lớn hơn ứng suất đã có

khi dỡ tải Ngược lại ở trạng thái giòn, sau khi

dỡ tải, nếu tăng tải thì nó chỉ có thể chịu được

ứng suất thấp hơn ứng suất khi dỡ tải Trong trường hợp nén ba trục đối xứng trục, theo kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả [4, 5, 10], chúng tôi thấy khi ứng suất (3 nhỏ (thường dưới 100MPa), quan hệ giữa biến dạng và ứng suất có dạng gần giống với thí nghiệm nén đơn trục Trong tường hợp này tổng của

ba biến dạng thành phần bằng biến dạng thể tích

5 Tính từ biến và độ bền lâu dài

Như ở trên đã đề cập, tại đoạn BC ngoài biến dạng đàn hồi, còn có biến dạng dẻo phụ thuộc vào thời gian, nghĩa là trong đoạn này xẩy ra quá trình từ biến Theo thuyết từ biến

di truyền, dựa vào phương trình từ biến phức hợp, hàm biến dạng theo thời gian được [1]

Nếu thay cho môdun đàn hồi E, môđun dẻo

D, ta sử dụng môdun từ biến MCR Modulus of creep, thì môdun này có thể được thể hiện như sau:

 

xz xy z y x

t t

t

t t

t t

t t

0 0

0 0

0 1

2 0

0 0

0

0 0

1 2 0

0 0

0 0

0 1

0 0

0 1

0 0

0 1

1

(7)

Phân tích họ các đường từ biến của đá,

nhiều nhà nghiên cứu nhận định rằng khi ứng

suất trong đá chưa đạt được một giới hạn

nào đó, được gọi là độ bền lâu dài (( biến

dạng theo thời gian giảm dần, đá sẽ không bị

phá huỷ [1] Khi khi ứng suất trong đá bằng

hoặc lớn hơn độ bền lâu dài (( biến dạng của

đá tăng theo thời gian và khi đạt được giá trị

giới hạn đá bị phá huỷ Theo [1], độ bền lâu

dài của đá được xác định theo công thức:

Kết quả thí nghiệm nén đơn trục trên mẫu

bột kết ở mỏ than Cọc 6 (Quảng Ninh) cho

các thông số sau: ( = 0,37.10-6s-1; ( = 0,516

10-6s-1; ( = 0,0043-(1-(); ( = 0,73; ( = 1,104,

t1 = 12.104s Các điểm giới hạn: (c

=13,5Mpa; (( =7,7 Mpa; (e =4,0 MPa,

E=2,07.103 MPa, ( = 0,31 Phương trình từ

Vấn đề quan trọng bậc nhất trong xây

dựng là công trình cần được ổn định trong

suốt thời gian khai thác, vận hành Sự ổn

định này thường được đánh giá theo trạng

thái ứng suất, do đó, độ bền và các tiêu

chuẩn đánh giá nó luôn là vấn đề được quan tâm hàng đầu Từ đường cong ứng suất-biến dạng có thể nhận ra 4 điểm đặc trưng có liên quan chặt chẽ với việc đánh giá ổn định công trình, đó là: giới hạn đàn hồi, độ bền tức thời (thường gọi là độ bền), độ bền lâu dài và độ bền tới hạn

Như đã biết, sự phá huỷ đá xẩy ra theo cơ chế kéo và trượt Trong trường hợp chịu tác dụng nén, điều kiện xuất hiện trạng thái ứng suất giới hạn phụ thuộc vào sức kháng cắt giới hạn ứng suất tác dụng Đối với đá chúng

ta đã rất quen thuộc với lý thuyết bền Mohr cho điểm C trên biểu đồ đường cong ứng suất biến dạng:

(s = (tg( + c, (9) trong đó:

c và ( là các thông số của sức kháng trượt, phụ thuộc vào trạng thái ứng suất, được xác định bằng thực nghiệm, thường được gọi là lực liên kết và góc nội ma sát của

đá

Tương tự như công thức (9), chúng ta có thể thiết lập được tiêu chuẩn đàn hồi dưới dạng đường bao các vòng tròn Mohr ứng suât tương ứng với các trạng thái ứng suất ở điều kiện giới hạn đàn hồi và độ bền lâu dài của đá Điều kiện đàn hồi có thể đươc xác đinh theo công thức sau:

(e = (tg(e + ce, (10)

trong đó:

Điều kiện bền lâu dài của đá có thể được

xác định như sau:

(( = (tg(( + c(, (11)

trong đó: (e, ((, C( là những thông học phụ

thuộc vào trạng thái ứng suất và được xác

11 – ở trạng thái giới hạn bền lâu dài,

10- ở trạng thái giới hạn đàn hồi

Các đường biểu diễn các công thức (9),

(10) và (11) được thể hiện trên hình 3 Từ

đó có thể nhận xét như sau:

( Khi ( (e, đá ở trạng thái biến dạng đàn

hồi

( Khi (e  ( < (( đá ở trạng thái biến dạng

đàn dẻo, từ biến với biến dạng giảm dần

theo thời gian và không gây nên sự phá huỷ

đá,

( Khi ((  ( < (s đá ở trạng thái biến

dạng đàn dẻo, từ biến với biến dạng tăng

theo thời gian và cuối cùng đá bị phá huỷ

Thông thường, các nhà thiết kế thường tính toán sao cho trong đá không xuất hiện vùng biến dạng dẻo, nghĩa là ứng suất thường không lớn hơn giới hạn đàn hồi Giới hạn này, theo kết quả thí nghiệm của nhiều phòng thí nghiệm, chỉ bằng 30% - 70% độ bền phụ thuộc vào từng loại đá Chấp nhận điều này đồng nghĩa với việc không tận dụng hết độ bền của đá, không phù hợp với những quan niệm tiên tiến

Vấn đề đặt ra là sử dụng tối đa độ bền của đá như thế nào Điều này phụ thuộc trước hết vào mục đích, thời gian sử dụng công trình và vào điều kiện cụ thể của đất

đá cũng như trạng thái ứng suất trong nó Khi công trình là vĩnh cửu, chúng tôi thấy rằng hoàn toàn có thể sử dụng độ bền lâu dài làm điều kiện giới hạn thay cho giới hạn đàn hồi Nếu vậy độ bền của đá sẽ được phát huy thêm khoảng 15-20% Khi công trình là bán vĩnh cửu hoặc sử dụng ngắn hạn, phụ thuộc vào thời gian công tác và tính chất từ biến có thể sử dụng độ bền lâu dài tương ứng với thời gian công tác làm điều kiện giới hạn thay cho giới hạn đàn hồi Lúc này độ bền của đá sẽ được phát huy thêm khoảng 20-60% so với khi dùng điều kiện đàn hồi Thậm chí, trong một số trường hợp, như ở các mỏ khai thác ngắn hạn, có thể dùng biến dạng sau giới hạn , nghĩa là tận dụng toàn bộ độ bền của đá

Hình 4 cho thấy mối quan hệ “( - (” của đá hoa [5] Trên hình này chúng ta thấy rằng nếu ứng suất (3 càng lớn thì độ bền của đá càng cao Điều đó có nghĩa là trong trường hợp có thể nên tạo ra ứng suất (3 để tăng sức chịu tải của nền đá Điều này phù hợp với công nghệ đào hầm kiểu NATM