Về vấn đề xác định cường độ kháng cắt của khối đá

VÒ vÊn ®Ò x¸c ®Þnh c-êng ®é kh¸ng c¾t cña khèi ®¸ 
Bùi Khôi Hùng* 
Công ty Tư vấn xây dựng điện 1 
 Km 9 Nguyễn Trãi 
 Tel/Fax: 8543188, 8544140 
About determination of the shear strength of rockmass 
Abstract: This paper presents the methods determining the shear strength 
of rockmass and mentioning that the design values of shear strength in 
standard TCVN 4253.86 is rather low, it is only used to calculate the 
stability of dam on rock foundation corresponding to standard TCXDVN 
285: 2002, it shouldn't used to design tunnel and slope. The author 
recommends to use the value of shear strength of intact rock (rock bridge) 
and of joints in standard TCVN 4253.86, combines with the joint 
persistence ratio determining in the field to calculate the real shear strength 
of rockmass, this received value should be used to calculate the stability of 
tunnel and slope. 
Cường độ kháng cắt là chỉ tiêu quan trọng để 
tính toán ổn định của đập, của các mái dốc và 
công trình ngầm được xây dựng trên nền đá và 
trong khối đá. Tuy nhiên việc xác định góc ma 
sát và lực dính của khối đá là một nhiệm vụ rất 
khó khăn vì khối đá là một môi trường đặc biệt 
luôn tồn tại các khe nứt. Trong những thập kỷ 
qua, các nhà khoa học trên thế giới đã tập trung 
nhiều công sức giải quyết vấn đề này để đáp 
ứng các đòi hỏi cấp bách của việc xây dựng các 
công trình lớn trên nền đá. Bài báo này điểm qua 
các phương pháp xác định cường độ kháng cắt 
của khối đá và nêu lên một số vấn đề còn tồn tại 
cần trao đổi. 
1. Các phương pháp xác định cường độ 
kháng cắt của khối đá 
1.1. Xác định theo quy phạm: 
Trong hệ thống quy phạm hiện hành của Việt 
Nam, chỉ có tiêu chuẩn TCVN 4253.86 (nền các 
công trình thủy công) là đề cập đến cường độ 
kháng cắt của khối đá, tiêu chuẩn này được dịch 
từ XniP II-16-76 và sau này là XniP 2.02.02.85 
của Liên Xô. Trong tiêu chuẩn này đã giới thiệu 
bảng kiến nghị giá trị tính toán cường độ kháng 
cắt của khối đá được sử dụng cho các giai đoạn 
thiết kế ban đầu, qua bảng có một số nhận xét 
như sau: 
( Cường độ kháng cắt khi mặt trượt cắt qua 
tiếp xúc bê tông - nền đá và khi cắt qua khối đá 
(một phần theo khe nứt và một phần qua đá 
nguyên khối) là như sau: 
( Giá trị tính toán của khối đá có tg( lớn nhất là 
0,95 (tức là ( = 43o, 30) và lực dính lớn nhất là C 
= 0,4 MPa. 
Theo quy phạm của Trung Quốc thì trong giai 
đoạn nghiên cứu khả thi có thể kiến nghị cường 
độ kháng cắt của khối đá ở nền đập theo bảng 
sau: 
Bảng 1 
Phân 
loại khối 
đá 
Tiếp xúc bê tông - 
nền đá 
Khối đá 
tg( C (MPa) tg( C (MPa) 
I 
II 
III 
IV 
V 
1,5-1,3 
1,3-1,1 
1,1-0,9 
0,9-0,7 
0,7-0,4 
1,5-1,3 
1,5-1,3 
1,1-0,7 
0,7-0,3 
0,3-0,05 
1,6-1,4 
1,4-1,2 
1,2-0,8 
0,8-0,55 
0,55-0,1 
2,5-2,0 
2,0-1,5 
1,5-0,7 
0,7-0,3 
0,3-0,05 
Ghi chú: Đá loại I là đá cứng, nguyên vẹn. Đá 
loại II là đá cứng, khá nguyên vẹn: hoặc đá khá 
cứng, nguyên vẹn. Đá loại III là đá cứng, nứt nẻ; 
hoặc đá khá cứng khá nguyên vẹn; hoặc đá 
tương đối mềm, nguyên vẹn. Đá loại IV là đá 
cứng, nứt nẻ mạnh; hoặc đá tương đối cứng, nứt 
nẻ; hoặc đá mềm nguyên vẹn đến khá nguyên 
vẹn. Đá loại V là đá tương đối mềm, nứt nẻ 
mạnh; hoặcd dá mềm, nứt nẻ tới nứt nẻ mạnh; 
hoặc đá rất mềm nứt nẻ rất mạnh. 
Thấy bảng trên có những khác biệt với 
TCVN 4253-86 như sau: 
( Cường độ kháng cắt của khối đá cao hơn 
của tiếp xúc bê tông - nền đá. 
( Cường độ kháng cắt của khối đá có tg( 
lớn nhất là 1,6 và lực dính lớn nhất là 2 MPa, 
như vậy giá trị tg gấp 1,7 lần và C gấp 5 lần 
so với TCVN 4253-86. 
1.2. Xác định bằng các thí nghiệm địa cơ 
học ngoài trời 
Từ những năm 70 tại công trình thủy điện 
Hòa Bình đã tiến hành thí nghiệm xác định 
cường độ chống cắt của tiếp xúc bê tông nền 
đá theo quy trình (-01-73 của Nga. Mỗi xê ri 
thí nghiệm ở đáy hầm gồm 3 bệ bê tông đổ 
trên nền đá, bệ băng bê tông cốt thép có tiết 
diện 70,7 x 70,7cm, cao 65cm, phải bố trí sao 
cho lực thẳng đứng và lực đẩy phải cùng đi 
qua tâm đáy bệ để tránh mômen uốn. Mỗi bệ 
được cắt với 1 tải trọng thẳng đứng khác 
nhau, hướng tác dụng lực cắt là từ thượng 
lưu về hạ lưu. 
Tại một số công trình thủy điện điện đã 
tiến hành thí nghiệm xác định lực chống cắt 
của khối đá theo phương pháp cắt trực tiếp 
(ASTM 454-85). Mỗi xêri thí nghiệm gồm 5 
trụ đá nguyên, trụ đá được gia công ở đáy 
hầm có tiết diện 70 x 70cm, cao 35cm. Mỗi 
trụ được cắt với 1 tải trọng thẳng đứng khác 
nhau, từ các kết quả nhận được của 5 trụ đá, 
vẽ biểu đồ cường độ cắt đỉnh và còn dư phụ 
thuộc vào ứng suất thẳng đứng, thấy rằng đó 
là quan hệ phi tuyến. 
1.3. Xác định cường độ chống cắt của khối 
đá bằng cách giải bài toán ngược 
Hiện nay ở Việt Nam đã xây dựng nhiều 
công trình thủy điện và giao thông có quy mô 
lớn nên đã hình thành nhiều mái dốc cao 
trong các loại đất đá khác nhau, do đó việc 
đo vẽ, thu thập các tài liệu địa chất và giải 
bài toán ngược về sự ổn định của các mái 
dốc đã tồn tại sau nhiều năm tháng sẽ cho 
các thông tin tin cậy nhất về tính chất của 
khối đá. Việc sử dụng chương trình SLOPE 
làm cho việc giải bài toán ngược trở nên 
nhanh chóng và đơn giản. 
1.4. Xác định cường độ kháng cắt của khối 
đá theo tiêu chuẩn Hoek - Brown (chương 
trình Roclab) 
Xuất phát từ thí nghiệm cắt 3 trục một mẫu 
đá, các ông đã đề xuất ý tưởng cắt 3 trục một 
khối đá lớn dựa trên cơ sở tiêu chuẩn Hoek-
Brown và các giá trị đặc trưng cho khối đá đã 
được sử dụng rộng rãi trên thế giới là RMR 
và Q. 
Hiện nay đã phát hành chương trình 
Roclab dựa trên cơ sở tiêu chuẩn phá hủy 
Hoek-Brown sử dụng rất thuận tiện, đó là một 
bước tiến lớn trong lĩnh vực nghiên cứu cơ 
học đá. Để tính được cường độ kháng cắt 
của khối đá cần biết 4 thông số đầu vào là 
cường độ kháng nén của mẫu đá, giá trị GSI 
(GSI = RMR89-5), giá trị mi (phụ thuộc vào 
loại đá, được xác định bằng nén 3 trục hoặc 
tra bảng) và mức độ phá hủy D của khối đá 
do nổ mìn. 
Dưới đây là bảng so sánh các kết quả thí 
nghiệm địa cơ học ngoài trời trong khối đá 
granit và kết quả tính theo chương trình 
Roclab tại công trình thủy điện Sê San 3 
đang được xây dựng: 
 Bảng 2 
Xác định 
cường độ 
chống cắt theo 
Vị trí 
Đới IIA Đới IIB 
Khi phá hủy Giá trị còn dư Khi phá hủy Giá trị còn dư 
(độ C MPa (độ C MPa (độ C MPa (độ C MPa 
Tiếp xúc bê 
tông - đá 
Hầm 1 42,18 0,65 42,18 0,33 43,48 1,30 43,48 0,23 
Hầm 2 43,48 0,78 43,48 0,13 43,48 0,98 40,48 0,16 
Trụ đá 
Hầm 1 53,12 1,17 48,30 0,24 54,16 1,22 48,59 0,14 
Hầm 2 56,48 0,65 48,54 0,28 59,23 0,80 47,43 0,14 
Chương trình 
Roclab 
Hầm 2 56 1,21 60 1,89 
Ghi chú: Để tính chương trình Roclab các thông số đầu vào của đá đới IIA là GSI - 63, (c = 60 
MPa, mi = 25, D = 0,3, của đá đới IIB là GSI - 70, (c = 90 MPa, mi = 25, D = 0,3. 
Từ bảng 2 thấy rằng kết quả tính lực chống 
cắt theo chương trình Roclab là chấp nhận được 
và cường độ chống cắt của thí nghiệm các trụ đá 
lớn hơn hẳn các số liệu kiến nghị trong TCVN 
4253-86. 
1.5. Xác định cường độ chống cắt theo hệ số 
liên tục của các khe nứt 
Đối với 1 khối đá nứt nẻ, phá hủy sẽ phát triển 
theo một đường cắt qua các khe nứt của một hệ 
và các cầu đá nguyên vẹn, do đó cần xác định hệ 
số liên tục của khe nứt (joint persistence ratio) dọc 
theo mặt phá hủy. Để tính được hệ số này cần đo 
chiều dài của từng đoạn khe nứt và chiều dài của 
từng cầu đá giữa đầu mút của các khe nứt trùng 
với đường phá hủy. Theo Jennings (1970), hệ số 
liên tục k được xác định theo công thức sau: 
(JL 
k = 
(JL + (RBR 
Trong đó (JL là tổng chiều dài của các khe 
nứt và (RBR là tổng chiều dài của các cầu đá 
dọc theo mặt phá hủy dự kiến. 
Tại công trình thủy điện Tam Hiệp (Trung 
Quốc), để tính ổn định của đập bê tông và nhà 
máy thủy điện sau đập trên nền đá, đã đo vẽ và 
xác định hệ số liên tục của khe nứt theo các 
phương khác nhau và đã biểu diễn bằng đồ thị 
hoa hồng, hệ số k thay đổi từ 0,2 đến 0,772. 
Cường độ kháng cắt dọc mặt phá hủy dự kiến 
được xác định như sau: 
C = (1 - k) Cr + k Cj 
tg( = (1-k) tg(r + ktg(j 
Trong đó Cr và tg(r là lực dính và góc ma sát 
của cầu đá nguyên vẹn, Cj và tg(j là của khe nứt. 
Theo mặt trượt phá hủy dự kiến ở nền đập Tam 
Hiệp có phương 133,5o đã tính được hệ số liên tục 
của khe nứt k = 0,726. Cường độ kháng cắt của 
cầu đá nguyên vẹn là ( = 59,50o, C = 2 MPa, của 
khe nứt là ( = 35o, C = 0,2 MPa, từ các công thức 
trên đã tính được mặt phá hủy dự kiến theo 
phương 133,5o có ( = 44,20o, C = 0,69 MPa. 
2. Bàn về cường độ chống cắt của khối đá 
được kiến nghị trong TCVN 4253.86 
Trong tiêu chuẩn này đã kiến nghị 3 loại 
cường độ chống cắt của nền đá: 
( Khi mặt phá hủy hoàn toàn không trùng với 
các khe nứt và mặt tiếp xúc bê tông - nền đá tức 
là khi mặt phá hủy cắt qua các cầu đá. 
( Khi mặt phá hủy cắt qua các khe nứt và các 
cầu đá. 
( Khi mặt phá hủy hoàn toàn cắt qua các khe 
nứt lấp đầy cát và sét có chiều rộng nhỏ hơn 
2mm, 2 đến 20mm và lớn hơn 20mm. 
Sử dụng cường độ chống cắt của cầu đá và 
của các khe nứt được kiến nghị trong TCVN 
4253.86, áp dụng công thức Jennings đã được 
dùng ở công trình Tam Hiệp, ta có thể tính được 
cường độ chống cắt của khối đá (mặt phá hủy đi 
qua các khe nứt và các cầu đá). 
Bảng 3 
 Đá có cường độ kháng nén, 1 trục lớn hơn 50 MPa, dạng khối, dạng phân 
lớp, dạng phiến, nứt nẻ vừa, phong hóa yếu 
Cầu đá Các khe nứt có chất lấp đầy là sét và cát có chiều rộng 
(mm) như sau 
tg(/( (độ) C 
 (MPa) 
Nhỏ hơn 2 2 đến 20 Lớn hơn 20 
tg(/( (độ) C 
 (MPa) 
tg(/( (độ) C 
(MPa) 
tg(/( (độ) C 
(MPa) 
Cường độ kháng cắt 
của cầu đá và của các 
khe nứt có chiều rộng 
khác nhau theo tiêu 
chuẩn TCVN 4253.86 
2,4/ 
67,38 
4 
0,8/ 
38,66 
0,15 0,7/35 0,1 
0,55/ 
28,81 
0,05 
Cường độ kháng cắt 
của khối đá (mặt phá 
hủy cắt qua các khe nứt 
và qua các cầu đá) theo 
TCVN 4253.86 
tg(/( = 0,85/40,36 C = 0,3 
Cường độ kháng cắt 
của khối đá tính theo 
Jennings khi mặt phá 
hủy cắt qua các khe nứt 
có chiều rộng khác 
nhau và có hệ số liên 
tục của khe nứt là 
72,6% 
1,23/ 
51,07 
0,79 
1,16/ 
49,37 
0,75 
1,05/ 
46,58 
0,72 
Qua các bảng đã nêu trên thấy rằng giá trị tính toán của cường độ kháng cắt của khối đá kiến nghị 
trong TCVN 4253.86 là thấp hơn khá nhiều so với các kết quả thí nghiệm ngoài trời cũng như kết quả 
tính theo các phương pháp Hoek-Brown và Jennings. Đó là vì các nước Phương Tây cũng như 
Trung Quốc khi thiết kế đập bê tông trên nền đá đã sử dụng cường độ kháng cắt của khối đá gần 
như theo kết quả thí nghiệm và đập có hệ số an toàn chống trượt trong điều kiện tải trọng bình 
thường là 2-3, trong khi đó TCXDVN 285:2002 vẫn giữ nguyên mặt cắt đập như các nước nhưng lại 
hạ thấp hệ số an toàn còn k = 1,315, do đó phải hạ thấp chỉ tiêu chống trượt của khối đá. Hiện nay 
nhiều cơ quan tư vấn nghĩ rằng cường độ chống cắt của khối đá nêu trong TCVN 4253.86 là sát với 
thực tế và đã sử dụng các giá trị này để thiết kế tuynen và mái dốc, gây lãng phí lớn. 
Trên cơ sở các trình bày ở trên có thể rút ra một số kiến nghị như sau: 
- Các giá trị tính toán cường độ kháng cắt của khối đá kiến nghị trong TCVN 4253.86 chỉ sử dụng 
để tính ổn định của đập trên nền đá theo TCXDVN 285:2002 (Công trình thủy lợi: Các quy định chủ 
yếu về thiết kế). 
- Các giá trị cường độ kháng cắt này là thấp khá nhiều so với thực tế, không nên sử dụng để thiết 
kế tuy nen và mái dốc. 
- Có thể sử dụng cường độ kháng cắt của đá nguyên vẹn (cầu đá) và của các khe nứt có chiều 
rộng khác nhau nêu trong TCVN 4253.86 để tính cường độ kháng cắt thật của khối đá bằng cách đo 
vẽ tại các vết lộ hoặc hố móng để xác định các thông số của các hệ khe nứt và hệ số liên tục của khe 
nứt theo các phương khác nhau, bằng công thức Jennings tính được ( và C của mặt trượt phá hủy 
dự kiến theo từng phương khác nhau. Khi tính toán sự ổn định của các tuynen và mái dốc cần lập mô 
hình khe nứt và sử dụng cường độ kháng cắt của mặt trượt được xác định theo các hệ số liên tục 
của các hệ khe nứt. 
Tài liệu tham khảo 
1. Các công trình thủy lợi: Các quy định chủ yếu về thiết kế TCXDVN 285: 2002 
2 Evert Hoek. Rock enginnering.2000. 
3. Large dams in China, a fifty year review. Beijing 2000. 
4. Nền các công trình thủy công TCVN 4253.86 
5. Quy phạm khảo sát thăm dò địa chất công trình thủy lợi thủy điện (Tiêu chuẩn nhà nước CHND 
Trung Hoa), Bắc Kinh 1993.