Tóm tắt Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của sự dị hướng độ bền của đá phân lớp, phân phiến, nứt nẻ đến sự ổn định của công trình ngầm thủy công

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT 
VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM 
PHẠM QUỐC TUẤN 
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ DỊ HƯỚNG ĐỘ BỀN 
CỦA ĐÁ PHÂN LỚP, PHÂN PHIẾN, NỨT NẺ 
ĐẾN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA CÔNG TRÌNH NGẦM THỦY CÔNG 
Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng 
Mã số: 62 58 02 11 
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT 
Hà Nội, 2017
Công trình được hoàn thành tại Viện khoa học thủy lợi Việt Nam 
Người hướng dẫn khoa học: 
1. GS.TS. Nguyễn Quốc Dũng – Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam 
2. GS.TS. Feng Xia -Ting – Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc 
Phản biện 1: 
Phản biện 2: 
.. 
Phản biện 3: 
.. 
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện 
họp tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, 
171 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội. 
Vào hồi.. giờ  ngày . tháng . Năm 2017 
Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Việt Nam 
 hoặc Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam 
1 
MỞ ĐẦU 
1.1. Tính cấp thiết của đề tài 
Hiện nay ở Việt Nam các công trình ngầm đang được thi công 
nhiều trong các dự án cơ sở hạ tầng như: thuỷ lợi, thuỷ điện, giao 
thông, cơ sở hạ tầng 
Khi thi công các công trình ngầm qua vùng đá phiến, phân lớp, 
nứt nẻ mạnh, thời gian thi công sẽ bị kéo dài, đòi hỏi quá trình khảo 
sát phải nghiên cứu cẩn thận, mất nhiều thời gian mới đề ra được 
biện pháp thi công thích hợp. Do đó, nghiên cứu ảnh hưởng của tính 
dị hướng phân lớp, phân phiến là một vấn đề cần thiết của thực tiễn 
đặt ra.Vấn đề ổn định bền của vùng đất đá dị hướng xung quanh 
đường hầm thủy công, thông qua một chỉ số ổn định bền là một vấn 
đề cấp thiết phục vụ các kỹ sư có thể đưa ra quyết định nhanh và 
chính xác. 
1.2. Mục tiêu nghiên cứu 
− Thí nghiệm nén ba trục mẫu đá dị hướng đá sét vôi thuộc hệ tầng 
Đồng Giao, thuộc công trình thủy điện Sập Việt. Xây dựng các 
quan hệ giữa thông số độ bền cắt và các yếu tố dị hướng là góc dị 
hướng. 
− Xác định các thông số đàn hồi dị hướng của khối đá dị hướng 
thông qua việc sử dụng kết quả thí nghiệm trong phòng, áp dụng 
mô hình hồi qui tuyến tính đa biến. 
− Xây dựng hệ số ổn định bền của đường hầm thủy công đi qua 
vùng đá phân lớp, phân phiến, nứt nẻ mạnh, hệ số FAAI. 
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 
− Đối tượng nghiên cứu: Đường hầm thủy công đi qua đá nứt nẻ, 
phân lớp, phân phiến. 
− Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu các thông số độ bền dị hướng và 
dị hướng đàn hồi của khối đá dị hướng (phân phiến) ở công trình 
thủy điện Sập Việt. 
1.4. Phương pháp nghiên cứu 
2 
Phương pháp thí nghiệm trong phòng là phương pháp chính được 
sử dụng trong Luận án. 
Các số liệu thí nghiệm được thống kê, tính toán các quan hệ bằng 
phương pháp phân tích đa biến (multivariable analysis), mô hình hồi 
qui tuyến tính đa biến (multiple linear regession), phương pháp xác 
định mô hình tối ưu BMA (Bayesian Model Average), phương pháp 
xác định hệ số tầm quan trọng LMG (Lindermann, Merenda, Gold), 
phương pháp phân tích hiệp biến ANCOVA. Các phân tích đã xác 
định được tính chất dị hướng của các tổ hợp mẫu Sập Việt, Trung 
Quốc, Nhật Bản. Các yếu tố hình học của mẫu bao gồm đường kính 
mẫu, chiều cao mẫu được đưa vào phân tích. Các phân tích đều được 
kiểm định và có giá trị p< 0,05, chứng tỏ các kết quả thu được có ý 
nghĩa thống kê. 
Nội dung kiểm tra độ ổn định bền của hầm trong nền đá dị 
hướng trong lúc thi công được thực hiện mô hình PTHH sử dụng 
mềm RS2 của Rocscience Inc. (Canada). 
1.5. Tài liệu cơ sở của luận án 
− Luận án đã sử dụng đá lấy từ công trình thủy điện Sập Việt thuộc 
tỉnh Sơn La để chế tạo mẫu phục vụ cho các thí nghiệm của mình. 
Tác giả đã thực hiện một khối lượng thí nghiệm đủ lớn với 45 
mẫu thí nghiệm với 5 tổ hợp góc dị hướng khác nhau và ba cấp 
ứng suất chính nhỏ nhất 
 khác nhau để thí nghiệm nén ba trục. 
Với tổ hợp 25 mẫu đá dị hướng ứng với 5 tổ hợp góc dị hướng 
khác nhau phục vụ cho thí nghiệm nén một trục tại Phòng thí 
nghiệm trọng điểm quốc gia Trung Quốc thuộc Viện Hàn lâm 
Khoa học Trung Quốc (SKLGGE). 
− Kết quả thí nghiệm của Tập đoàn Kajima (Nhật Bản); 
− Kết quả thí nghiệm tổ hợp mẫu đá phiến của Phòng thí nghiệm 
trọng điểm quốc gia Trung Quốc. 
1.6. Các luận điểm bảo vệ 
− Các thông số độ bền cắt bao gồm góc ma sát trong φ và cường 
độ lực liên kết c của hệ mặt yếu không phụ thuộc vào góc dị 
3 
hướng α và ứng suất chính nhỏ nhất σ trong khối đá dị hướng 
bao quanh đường hầm. 
− Nếu thỏa mãn điều kiện của Lekhnixhkiy thì khối đá dị hướng có 
thể được coi là vật thể đẳng hướng theo một mặt phẳng. 
1.7. Nội dung của luận án 
Luận án gồm có 158 trang đánh máy khổ A4 trong đó có 144 
trang thuyết minh, 113 hình vẽ và đồ thị, 37 bảng biểu và 140 tài 
liệu tham khảo cùng với 65 trang phụ lục tham khảo. Ngoài phần mở 
đầu và kết luận kiến nghị, Luận án bao gồm: 
− Chương 1: Tổng quan nghiên cứu về độ bền của khối đá dị hướng 
và sự ổn định công trình ngầm trong đá dị hướng; 
− Chương 2: Xác định các thông số độ bền cắt của đá dị hướng; 
− Chương 3: Xác định các thông số đàn hồi dị hướng của đá dị 
hướng; 
− Chương 4: Bài toán xác định tính ổn định ứng suất của công trình 
ngầm trong nền đá phân lớp, phân phiến được mô hình như môi 
trường dị hướng; 
1.8. Điểm mới về khoa học 
Đề xuất phương pháp xác định thông số độ bền cắt bằng các kết 
quả của thí nghiệm nén ba trục và thí nghiệm nén một trục, theo các 
tổ hợp góc dị hướng và ứng suất chính nhỏ nhất 
 không đổi. 
Dựa trên các kết quả của các thông số độ bền cắt trên, Luận án 
sử dụng các công cụ xác suất thống kê đã đi đến chứng minh được 
giả thiết của Nghiêm Hữu Hạnh (1985) đó là: 
− Hệ mặt yếu đặc trưng bởi góc dị hướng 	 có các đặc trưng thông 
số độ bền cắt cmy và 
 là gần như không đổi với các góc dị 
hướng 	 khác nhau. 
− Hệ mặt yếu đặc trưng bởi góc dị hướng 	 có các đặc trưng thông 
số độ bền cắt cmy và 
 là gần như không đổi từng cấp ứng suất 

. 
4 
Luận án sử dụng tổng hợp các thông số độ bền cắt, đàn hồi dị 
hướng đã được tính toán và thiết lập mô hình tính toán xác định ứng 
suất chính lớn nhất xung quanh hầm dẫn nước thủy điện Sập Việt có 
so sánh với kết quả tính toán từ phần mềm thương mại RocData của 
Rocscience Inc.. Đề xuất chỉ tiêu ổn định bền FAAI, kết quả chỉ tiêu 
FAAI được so sánh với chỉ tiêu Strength Factor của phần mềm 
thương mại RS2 của Rocscience Inc. (Canada) cho thấy sự tương 
đồng. 
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘ BỀN 
CỦA KHỐI ĐÁ DỊ HƯỚNG VÀ ĐỘ ỔN 
ĐỊNH CÔNG TRÌNH NGẦM TRONG 
ĐÁ DỊ HƯỚNG 
1.1. Đặt vấn đề 
Nghiên cứu ổn định của công trình trong nền đá thực chất là xác 
định chính xác trạng thái ứng suất – biến dạng của khối đá xung 
quanh công trình ngầm. Vấn đề xây dựng sơ đồ tính toán khối đá đã 
được nhiều tác giả nước ngoài đề cập, trong Hình 1-1, đã trình bày 
lưu đồ các phương pháp xây dựng sơ đồ tính toán khối đá. 
Hình 1-1: Lưu đồ của các phương pháp xây dựng sơ đồ tính 
toán khối đá (Feng, Hudson, 2011), Nguyễn Công Mẫn dịch. 
5 
1.2. Các phương pháp nghiên cứu độ bền của khối đá dị hướng 
− Nghiên cứu độ bền đá dị hướng bằng chỉ tiêu độ bền nén một 
trục. 
− Nghiên cứu độ bền của đá dị hướng bằng thí nghiệm xác định độ 
bền bằng phương pháp tải trọng tập trung (point load test). 
− Nghiên cứu độ bền của đá dị hướng bằng phương pháp thí 
nghiệm nén theo đường kính mẫu (phương pháp nén Brazil). 
− Nghiên cứu độ bền đá dị hướng bằng phương pháp thí nghiệm cắt 
biến góc. 
− Nghiên cứu độ bền của đá dị hướng bằng phương pháp thí 
nghiệm nén ba trục. 
1.3. Các tiêu chuẩn bền cho khối đá dị hướng 
− Tiêu chuẩn Mohr- Coulomb, tiêu chuẩn Patton (1966), tiêu chuẩn 
Barton- Bandis (1970) 
− Tiêu chuẩn bền thực nghiệm bao gồm: Hoek–Brown (1980), 
Ramamurthy và nnk (1985), Saroglou và Tsiambaos (2008), 
Rafiai (2011), 
− Tiêu chuẩn bền Mohr –Coulomb cho đá dị hướng: Tiêu chuẩn bền 
của Jeager (1969), đề xuất của Walsh B.J và nnk, và đề xuất của 
Nghiêm Hữu Hạnh (1985). 
1.4. Nhận xét về ảnh hưởng của góc dị hướng và ứng suất 
chính nhỏ nhất đến thông số độ bền cắt của hệ mặt yếu 
Jeager đã đề xuất công thức ước lượng cường độ lực liên kết và 
coi góc ma sát trong 
 là không đổi. McLamore đã tiến hành thí 
nghiệm trên đá phiến Green River shale, đây là đá thường được biết 
dưới tên gọi đá phiến dầu Colorado hoặc đá phiến dầu, cho thấy giá 
trị góc ma sát trong 
 là có thay đổi khá nhỏ, đối với cường độ lực 
liên kết  thay đổi khoảng 35% ứng với ba trường hợp tính của ông. 
Nghiên Hữu Hạnh (1985, 1999) đã xây dựng giả thiết của mình là 
cường độ lực liên kết c, và góc ma sát trong 
 không phụ thuộc và 
góc dị hướng và giá trị ứng suất chính nhỏ nhất 
. Cả ba tác giả trên 
đều nhận xét rằng, việc xác định các thông số độ bền cắt của đá dị 
6 
hướng là một vấn đề khó khăn, và còn nhiều vấn đề cần bàn. Các lý 
thuyết do Jeager, Mclamore, giả thiết của Nghiêm Hữu Hạnh đề xuất 
là một vấn đề lý thuyết vẫn còn chưa được kiểm chứng độ tin cậy 
bằng các phương pháp thống kê hiện đại. 
1.5. Ổn định công trình ngầm trong khối đá dị hướng 
Các lý thuyết tính toán ổn định công trình ngầm đã được phát 
triển khá nhiều, các lý thuyết đó có thể qui về 4 loại xu hướng sau 
đây: 
Hình 1-2: Sơ đồ phân loại các xu hướng tính toán ổn định 
công trình ngầm 
trong luận án sử dụng xu hướng 3 để giải bài toán ổn định công 
trình ngầm trong khối đá dị hướng. 
1.6. Kết luận chương 1 
Jeager (1969) và nnk đã sử dụng tiêu chuẩn bền Mohr –Coulomb 
làm cơ sở biến đổi đề xuất tiêu chuẩn bền cho mặt phá hủy trong hệ 
mặt phẳng. Jeager (2007) cũng phát biểu, khối đá nguyên trạng sẽ 
được phá hủy theo mặt phẳng giả định với các thông số độ bền cắt là 
, - lần lượt là góc ma sát trong và cường độ lực liên kết của khối 
đá nguyên trạng. 
Trong đề xuất của Nghiêm Hữu Hạnh (1985, 1999), ông đã phân 
được vùng áp dụng từng công thức xác định giá trị ứng suất chính 
 
riêng biệt. Tuy nhiên các nghiên cứu của Nghiêm Hữu Hạnh (1985, 
1999) dựa trên các giả thuyết là tồn tại một mặt phẳng phá hủy với 
Không xét 
đến tác dụng 
tương hỗ giữa 
đất đá xung 
quanh kết cấu 
chống đỡ 
Có xét đến tác dụng 
tương hỗ giữa đất đá với 
kết cấu chống đỡ (xu 
hướng tính theo biến 
dạng), mô hình vật liệu 
đàn hồi, đồng nhất và 
đẳng hướng 
Phương pháp tính toán ổn định công trình ngầm 
Tương tự xu hướng 2 nhưng 
có chú ý thêm đến sự mất ổn 
định của đất đá kèm sự biến 
dạng của nó, mô hình vật liệu 
đàn dẻo, không đồng nhất và dị 
hướng 
Phân 
loại khối 
đá 
7 
các thông số độ bền cắt không đổi. Đó là các vấn đề tồn tại mà tác 
giả Luận án sẽ giải quyết trong Luận án này, nhằm kiểm chứng lại 
giả thiết của Nghiêm Hữu Hạnh (1985, 1999). Sự phụ thuộc của các 
thông số độ bền cắt bao gồm ϕ’, c’ vào trạng thái ứng suất còn chưa 
được nghiên cứu bằng thực nghiệm. 
CHƯƠNG 2 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘ BỀN CẮT 
CỦA ĐÁ DỊ HƯỚNG 
2.1. Đặt vấn đề 
− Nghiên cứu sự ảnh hưởng của sự thay đổi của các góc dị hướng 
của mặt lớp và ứng suất σ trong các tiêu chuẩn bền. 
− Xác định phương pháp đánh giá các thông số độ bền độ bền cắt 
của đá dị hướng, tính toán độ bền cắt của khối đá dị hướng. 
2.2. Công việc thu thập mẫu đá thí nghiệm 
Các khối đá từ công trình thủy điện Sập Việt được vận chuyển về 
Công ty cổ phần tư vấn xây dựng Điện 1 để tiến hành lựa chọn, phân 
loại và chuyển đến Trung tâm phân tích và thí nghiệm thuộc Tổng 
cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam để tiến hành chế tạo mẫu đá 
thí nghiệm. Sau khi gia công mẫu, đặt ký hiệu cho các tổ hợp mẫu, 
ký tự bắt đầu là chữ G ứng với góc dị hướng 	 = 0, K ứng với 
	 = 30, L ứng với 	 = 45, M ứng với 	 = 60, N ứng với 
	 = 90, các mẫu chỉ có số được dùng để thí nghiệm Brazil. Chi tiết 
xem Hình 2-1: 
Hình 2-1: Các góc dị hướng được dùng để chế tạo mẫu 
2.3. Phương pháp thí nghiệm và mục đích của các thí nghiệm 
Công tác thí nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm trọng 
điểm quốc gia về cơ học đá thuộc Viện Cơ học đất đá thuộc Viện 
Hàn lâm Khoa học Trung Quốc. Tác giả sẽ sử dụng phương pháp 
8 
Hình 2-2: Hệ thống thí nghiệm nén 
ba trục MTS 815.03 
Hình 2-3: Hệ thống thí nghiệm cơ học 
đá đa chức năng RMT 150C 
nghiên cứu độ bền của đá dị hướng theo các phương pháp sau: Thí 
nghiệm nén một trục; Thí nghiệm nén ba trục. 
2.4. Thiết bị thí nghiệm và trình tự thí nghiệm 
Các thiết bị thí nghiệm là hệ thống thí nghệm nén ba trục MTS 
815.03 và hệ thống thí nghiệm cơ học đá đa chức năng RMT 150C ( 
Hình 2-2và Hình 2-3), các trình tự thí nghiệm được nên rõ trong 
thuyết minh. 
2.5. Kết quả thí nghiệm nén ba trục 
Hình 2-4: Kết quả thí nghiệm 
nén ba trục ứng với góc dị hướng 
 =0o và từng cấp ứng suất chính 
nhỏ nhất . 
Hình 2-5: Kết quả thí nghiệm nén 
ba trục ứng với góc dị hướng  =30o 
và từng cấp ứng suất chính nhỏ nhất 
. 
9 
Hình 2-6: Kết quả thí nghiệm 
nén ba trục ứng với góc dị hướng 
 = 45o và từng cấp ứng suất 
chính nhỏ nhất . 
Hình 2-7: Kết qu
ba trục ứng với góc d
60o và từng cấp ứ
nhất . 
Hình 2-8: Kết quả thí nghiệm nén ba trục ứng với góc d
và từng cấp ứng suất chính nhỏ nhất . 
2.6. Phân tích kết quả thí nghiệm 
Luận án sử dụng mô hình BMA (Bayesian Model Average
phương pháp xác định giá trị tầm quan trọng (LMG) nh
các mối tương quan tuyến tính giữa giá trị 
  
 (sig13) 
ả thí nghiệm nén 
ị hướng  = 
ng suất chính nhỏ 
ị hướng  = 90o 
) và 
ằm xác định 
và các giá 
10 
trị bao gồm: góc dị hướng (Angle), ứng suất chính nhỏ nhất ( sig3), 
đường kính mẫu (D), chiều cao mẫu (H). Kết quả phân tích BMA và 
xác định giá trị tầm quan trọng LMG được thể hiện trong, Hình 2-9, 
Hình 2-10. 
Hình 2-9: Biểu đồ 
phân tích BMA cho 
các mô hình lựa 
chọn 
Hình 2-10: Biểu đồ tương quan đa biến giữa các 
đại lượng Angle: Góc dị hướng (độ); sig3: Ứng suất 
chính nhỏ nhất (MPa); D: Đường kính mẫu, H: 
Chiều cao mẫu và sig13 
2.7. Nhận xét về tính dị hướng và các yếu tố ảnh hưởng đến 
việc đánh giá tính chất cơ học của các tổ hợp mẫu thí 
nghiệm Sập Việt (Việt Nam), Trung Quốc và Nhật Bản 
Việc xác định tương quan đa biến các biến số trong công tác thí 
nghiệm sẽ cho chúng ta thấy một ma trận các yếu tố thể hiện mối 
quan hệ giữa các biến số với nhau, hay nói cách khác là sự ảnh 
hưởng lẫn nhau của các thông số mẫu. 
11 
Bảng 2-1: Bảng đánh giá tính dị hướng và ảnh hưởng của các 
biến số đến kết quả thí nghiệm nén ba trục của các tổ hợp mẫu 
đá dị hướng 
Tổ hợp mẫu Mô hình 
tối ưu 
Xác suất ảnh 
hưởng của 
biến số góc dị 
hướng khi 
đứng độc lập 
đến đại lượng 
   
Phương 
sai đại 
lượng 
   
(r2) 
Tần 
suất 
xuất 
hiện 
Giá trị 
tầm 
quan 
trọng 
LMG 
của 
biến số 
góc dị 
hướng 
	 
 D H (%) (%) (%) (%) 
Mẫu đá dị hướng 
Sập Việt 
x x x 22,90 63,00 15,50 11,47 
Mẫu đá dị hướng ở 
Nhật Bản 
x x x 34,60 67,80 26,10 6,03 
Mẫu đá dị hướng ở 
Trung Quốc 
x x 72,20 86,40 50,80 2,87 
Bảng 2-1, cho chúng ta thấy tính dị hướng của mẫu đá giảm dần 
từ mẫu Việt Nam, Trung Quốc, Nhật Bản. Công tác chế tạo mẫu tốt 
dần t ...  σ1(0)i ; σ90(0)i 
i = số hệ khe nứt <n 
Tính giá trị 	89, 	899 , σ1i 
Xác định 
1(8):8; 
OUTPUT 
mặt yếu (Hình 2-15), hai hệ mặt yếu (Hình 2-16), ba hệ mặt yếu 
(Hình 2-17). 
Hình 2-15: Kết quả tính toán 
độ bền cắt của khối đá với 1 
hệ mặt yếu 
Hình 2-16: Kết quả tính toán độ 
bền cắt của khối đá với 2 hệ mặt 
yếu 
Hình 2-17: Kết quả tính toán 
độ bền cắt của khối đá với 3 hệ 
mặt yếu 
2.10. Tính toán chuyển vị tổng thể của khối đá bằng phương 
pháp Multiple Yield Model (MYM) 
200
400
600
0 100 200 300
Góc dị huớng
Ứ
ng
su
ât
ch
ín
h 
lớ
n 
nh
ấ
t
80
120
160
200
0 100 200 300
Góc dị huớng
Ứ
ng
su
ât
ch
ín
h 
lớ
n 
nh
ất
75
100
125
150
175
0 100 200 300
Góc dị huớng
Ứ
ng
su
ât
ch
ín
h 
lớ
n 
nh
ấ
t
16 
Luận án sử dụng hai tiêu chuẩn bền là của Jaeger và của Nghiêm 
Hữu Hạnh và sẽ được kiểm chứng với các kết quả thí nghiệm ba trục 
của tập đoàn KAJIMA, kết quả mô phỏng thí nghiệm nén ba trục 
bằng mô hình MYM ( Multiple Yield Model) được thể hiện trong 
Hình 2-18, cho thấy tiêu chuẩn bền của Nghiêm Hữu Hạnh phù hợp 
với kết quả thí nghiệm bằng MYM và tiêu chuẩn bền của Jeager. 
Hình 2-18: Kết quả thí nghiệm nén ba trục mô phỏng bởi 
phương pháp MYM và so sánh với các kết quả sử dụng tiêu 
chuẩn bền Jaeger và Nghiêm Hữu Hạnh 
2.11. Kết luận chương 2 
Trong chương này đã nêu cách chế tạo mẫu đá thí nghiệm để cho 
nghiên cứu ở công trình thủy điện Sập Việt, huyện Yên Châu, tỉnh 
Sơn La. Đã trình bày quá trình thí nghiệm nén ba trục và nén một 
trục tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia Trung Quốc thuộc 
Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (SKLGGE). 
Qua đó đã đánh giá được tương quan chất lượng mẫu, các tham 
số ảnh hưởng đến thí nghiệm độ bền nén bằng phương pháp nén ba 
17 
trục của các nhóm mẫu đá dị hướng từ Sập Việt, Trung Quốc và 
Nhật Bản. 
Từ kết quả đầu vào là thí nghiệm nén ba trục của bản thân tác 
giả, của đồng nghiệp tại phòng thí nghiệm SKLGGE và kết quả thí 
nghiệm hiện trường và ba trục của tập đoàn KAJIMA và việc tính 
toán phân tích hiệp biến, tác giả đã xác định đuwocj ảnh hưởng của 
thông số ứng suất chính nhỏ nhất và góc dị hướng đến các thông số 
độ bền cắt của mặt yếu, viết được các phương trình hồi qui tuyến tính 
được thể hiện trong (2-1), (2-2), (2-3), (2-4). Qua đó cho chúng ta 
thấy những kết luận quan trọng sau: 
− Hệ mặt yếu đặc trưng bởi góc dị hướng α có các đặc trưng thông 
số độ bền cắt cmy và φ là gần như không đổi với các góc dị 
hướng 	 khác nhau. 
− Hệ mặt yếu đặc trưng bởi góc dị hướng 	 có các đặc trưng thông 
số độ bền cắt cmy và 
 là gần như không đổi với từng cấp ứng 
suất 
. 
Tác giả và các đồng nghiệp tại KAJIMA đã xây dựng mô phỏng 
thí nghiệm nén ba trục cho đá dị hướng với các góc dị hướng và các 
cấp ứng suất chính nhỏ nhất 
 khác nhau bằng phương pháp MYM. 
Kết quả mô phỏng cho thấy, giữa lý thuyết tính toán theo thuyết bền 
của Jeager và thuyết bền của Nghiêm Hữu Hạnh hoàn toàn phù hợp 
với tính toán trên mô hình bằng lý thuyết MYM. 
CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐÀN HỒI 
DỊ HƯỚNG CỦA ĐÁ DỊ HƯỚNG 
3.1. Phương pháp xác định các thông số đàn hồi của đá dị 
hướng 
Lý thuyết xác định các đại lượng của tính chất đàn hồi dị hướng 
được đặc trưng bởi 5 đại lượng bao gồm: E,E’, =, =′ ,G’ lần lượt là E 
và E’ là các mô đun đàn hồi Young trong mặt phẳng đẳng hướng và 
trong mặt phẳng trực hướng với mặt phẳng đẳng hướng; ?	@à	?′ là 
18 
hai hệ số Poisson và G’ là mô đun đàn hồi cắt cho mặt phẳng đẳng 
hướng; Đã có nhiều nghiên cứu, trình bày trong đó nổi bật có các tác 
giả Amadei (1992), Barla (1974), Min (2012), đã sử dụng lý thuyết 
đàn hồi cho vật thể dị hướng của Lekhnixhkiy (1981). Các công thức 
tính các thông số đàn hồi cho đá dị hướng có thể viết lại dưới dạng 
ma trận cho tổ hợp 3 mẫu ứng với 3 góc dị hướng 	 = 0B và 
	 = 90B, và 0B ≤ 	 ≤ 90B như sau: 
DEF = DGF. DHF	 (3-1)	
trong đó: DϵF- là ma trận dạng cột (Nx1) của các đại lượng biến 
dạng được xác định bằng thí nghiệm; DTF- ma trận dạng (Nx5)- ma 
trận phụ thuộc vào góc dị hướng; DCF- ma trận cột (5x1) có giá trị là 
DCF = (

K
,

KL
,
M
K
,
ML
KL
,

NL
). 
Xác định mô hình hồi qui tuyến tính đa biến của tổ hợp 5x20 
biến độc lập và 20 biến phụ thuộc, bằng phương pháp bình phương 
nhỏ nhất, sử dụng ngôn ngữ R, tác giả đã xác lập được kết quả của 
mô hình tuyến tính trong Bảng 3-1, và kết quả các thông số đàn hồi 
dị hướng của đá dị hướng Sập Việt trong Bảng 3-2. 
Bảng 3-1: Xác định các thông số đàn hồi dị hướng bằng mô hình 
hồi qui tuyến tính đa biến (cho đá dị hướng thủy điện Sập Việt) 
 E ( Ước số) Sai số chuẩn (SE) 
Giá trị kiểm 
định t Trị số p 
(1) (2) (3) (4) (5) 
Hằng số -7.30E-05 2.25E-05 -3.241 0.00592 
a1 (1/E) 9.40E-05 3.65E-05 2.577 0.02193 
a2 (1/E’) 8.66E-05 3.65E-05 2.374 0.03245 
a3 (O
P
) 2.43E-05 4.49E-05 0.54 0.59761 
a4 (O
L
PL
) 3.92E-05 2.25E-05 1.74 0.10386 
a5 ( 
QL
) 1.63E-04 1.10E-04 1.478 0.16161 
19 
Bảng 3-2: Kết quả xác định các thông số đàn hồi dị hướng 
của đá dị hướng thủy điện Sập Việt 
Số TN E 
(GPa) 
E’ 
(GPa) 
? ?′ E/E’ R′/E G’ 
20 10,641 11,554 0,258 0,453 0,92 1,09 6,153 
Các chỉ tiêu đánh giá tính dị hướng đàn hồi của khối đá Sập Việt 
và đá phiến Trung Quốc được đánh giá theo chỉ tiêu E/E’ hoặc E’/E, 
Emax, Emin là mô đun đàn hồi lớn nhất và nhỏ nhất của mẫu đá dị 
hướng khi thí nghiệm nén một trục, được trình bày trong Bảng 3-3. 
Bảng 3-3: Các chỉ tiêu đánh giá tính đàn hồi dị hướng 
của khối đá dị hướng Sập Việt và khối đá phiến Trung Quốc 
Loại 
đá 
E 
(GPa) 
E’ 
(GPa) 
G’ 
(GPa) 
E’/E Emax 
(GPa) 
Emim 
(GPa) 
Emax/Emin STUV
S
TWX 
LMG 
(%) 
Sập 
Việt 
10,641 11,540 6,154 1,08 9,74 5,59 1,75 2,12 37,16 
Trung 
Quốc 
76,805 97,493 180,245 1,28 34,18 27,23 1,26 1,18 48,43 
Các kết quả trong Bảng 3-3 
được trình bày dưới dạng biểu 
đồ dạng thanh như trong Hình 
3-1. 
Hình 3-1: Đánh giá chỉ tiêu dị 
hướng đàn hồi của nhóm đá dị 
hướng Sập Việt và nhóm đá 
phiến Trung Quốc 
trong đó: AF: chỉ tiêu dị 
hướng; tlEkd: là tỷ lệ E’/E của 
khối đá; tlEmd là tỷ lệ Emax/Emin 
của mẫu đá; tlUCS là tỷ lệ YZ
[\]
YZ
[^_ 
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
SapViet TQ
factor(type)
AF
tl
tlEkd
tlEm
tlUCS
20 
là độ bền nén một trục ứng với góc dị hướng cho giá trị lớn nhất và 
nhỏ nhất. 
Qua các so sánh các giá trị trong Bảng 3-3; Hình 3-1, cho thấy 
tính dị hướng được định lượng qua các thông số đàn hồi dị hướng 
trong đó hệ số E’/E lớn nhất là 1,28 đối với khối đá dị hướng của 
Trung Quốc, đối với khối đá dị hướng Sập Việt là 1,08. Tuy nhiên ở 
các mẫu thí nghiệm thì các giá trị dị hướng của mẫu đá Sập Việt lại 
lớn hơn mẫu đá dị hướng của Trung Quốc. Đại lượng ảnh hưởng đến 
giá trị biến dạng của khối đá dị hướng lớn nhất ở hai dạng đá là khác 
nhau: ở khối đá Sập Việt là E (mô đun đàn hồi theo phương mặt 
phân lớp), còn ở khối đá Trung Quốc lại là O`
P`
 tức là hệ số Poisson và 
mô đun đàn hồi của mặt phẳng trực hướng với mặt phân lớp, phân 
phiến. 
3.2. Kết luận chương 3 
Sử dụng phương pháp phân tích tương quan đa biến, mô hình hồi 
qui tuyến tính đa biến với phương pháp sai số bình phương nhỏ nhất, 
phương pháp đánh giá tầm quan trọng của biến số LMG, bằng ngôn 
ngữ R, chương 3 đã lượng hóa được các giá trị của các đại lượng đàn 
hồi dị hướng của khối đá dị hướng Sập Việt và Trung Quốc. Các kết 
quả đã được kiểm chứng với điều kiện của một vật thể đàn hồi dị 
hướng và các điều kiện đều được thỏa mãn. Với các kiểm định thống 
kê với trị số p<=5%, điều đó cho thấy các kết quả nghiên cứu đã có ý 
nghĩa thống kê. 
CHƯƠNG 4 BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH TÍNH ỔN ĐỊNH 
ỨNG SUẤT CỦA CÔNG TRÌNH NGẦM 
TRONG NỀN ĐÁ PHÂN LỚP, PHÂN PHIẾN 
ĐƯỢC MÔ HÌNH HÓA NHƯ 
MÔI TRƯỜNG DỊ HƯỚNG 
4.1. Xác định vùng ổn định bền theo ứng suất xung quanh hầm 
dẫn nước công trình thủy điện Sập Việt 
21 
Kiến nghị sử dụng chỉ tiêu hệ số ổn định bền nhằm xác định 
vùng quá ứng suất của đá dị hướng xung quanh đường hầm qua công 
thức sau: 
FAAI = σgh/σ1 (4-1) 
trong đó: FAAI là hệ số ổn định bền, σgh - ứng suất pháp giới hạn 
tương ứng với σ3, giá trị này được xác định theo chương 2, tại từng 
vị trí tính toán, σ1 - ứng suất pháp tương ứng với σ3 khối đá quanh 
đường hầm. 
4.2. Kết quả tính toán tại hầm dẫn nước thủy điện Sập Việt 
Kết hợp các kết quả tính toán trên với kết quả tính toán điều kiện 
bền trong Chương 2, chúng ta xác định kết quả tính toán hệ số ổn 
định FAAI cho vùng đá cách biên hầm 0,15m được trình bày trong 
phần phụ lục. Kết quả so sánh giá trị FAAI với chỉ số strength factor 
cho chu vi vùng đá cách biên hầm 0,15m được trình bày trong các 
Hình 4-2, Hình 4-3, Hình 4-4 lần lượt ứng với từng trường hợp góc 
dị hướng 60o; 30o và 75o. Các kết quả cho thấy khoảng biến thiên của 
FAAI và strength factor là tương đương nhau, trường hợp 2 với góc 
dị hướng 30o thì khoảng biến thiên của FAAI thay đổi lớn hơn so với 
giá trị strength factor. Giá trị nhỏ nhất và lớn nhất của hai giá trị 
FAAI và strength factor là gần như nhau đối với trường hợp 1 và 
trường hợp 3 còn đối với trường hợp 2 thì hai giá trị nhỏ nhất của 
FAAI và strength factor khác nhau khá lớn, giá trị lớn nhất của hai 
chỉ số gần như nhau. 
Hình 4-1: Mô hình tính toán cho hầm dẫn nước thủy điện 
Sập Việt với trường hợp góc dị hướng  =	efg 
22 
Hình 4-2: Kết quả giá trị strength factor (chỉ số bền) và FAAI 
cho TH1 (góc dị hướng 60o) 
Hình 4-3: Kết quả giá trị strength factor (chỉ số bền) và FAAI 
cho TH2 (góc dị hướng 30o) 
Hình 4-4: Kết quả giá trị strength factor (chỉ số bền) và FAAI 
cho TH3 (góc dị hướng 75o) 
23 
4.3. Kết luận chương 4 
Chương này sử dụng kết quả của các chương trước để thiết lập 
thông số đầu vào của mô hình tính toán ổn định của hầm dẫn nước 
thủy điện Sập Việt trong nền đá dị hướng. Luận án cũng kiến nghị 
một thông số ổn định ứng suất của hầm dẫn nước Sập Việt đó là 
FAAI. 
Các trường hợp tính toán với các góc dị hướng của mô hình vật 
liệu đẳng hướng theo một mặt phẳng đã được giải trong chương này, 
cho thấy sự khác biệt giữa các góc dị hướng khác nhau. Điều đó 
chứng tỏ, điều kiện bền của nền đá dị hướng với các góc dị hướng 
khác nhau ảnh hưởng đến độ ổn định của công trình ngầm qua vùng 
đá phân lớp phân phiến nứt nẻ mạnh (khối đá dị hướng). 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 
1. Kết luận 
Tác giả đã đề xuất phương pháp xác định thông số độ bền cắt 
bằng các kết quả của thí nghiệm nén ba trục và thí nghiệm nén một 
trục, theo các tổ hợp góc dị hướng không đổi, ứng suất chính nhỏ 
nhất 
 không đổi. Dựa trên các kết quả của các thông số độ bền cắt 
trên, Luận án sử dụng công cụ xác suất thống kê đã đi đến chứng 
minh được giả thiết của Nghiêm Hữu Hạnh (1985) đó là: 
− Hệ mặt yếu đặc trưng bởi góc dị hướng 	 có các đặc trưng thông 
số độ bền cắt cmy và 
 là gần như không đổi với các góc dị 
hướng 	 khác nhau. 
− Hệ mặt yếu đặc trưng bởi góc dị hướng 	 có các đặc trưng thông 
số độ bền cắt cmy và 
 là gần như không đổi từng cấp ứng suất 

. 
Tác giả cũng xây dựng được các phương trình quan hệ giữa các 
thông số độ bền cắt với giá trị ứng suất chính nhỏ nhất, và góc dị 
hướng cho tổ hợp mẫu đá dị hướng Sập Việt, nhóm đá của Trung 
Quốc, nhóm đá của Nhật Bản. Các phân tích này đều được kiểm định 
và có giá trị p<0,05, có ý nghĩa thống kê. 
24 
Các phân tích tầm quan trọng LMG, mô hình tối ưu BMA cũng 
xác định được tính chất dị hướng của mẫu đá cũng thay đổi theo các 
tổ hợp mẫu Sập Việt, Trung Quốc, Nhật Bản. Các yếu tố hình học 
của mẫu bao gồm đường kính mẫu, chiều cao mẫu được đưa vào 
phân tích, các phân tích trên đều được kiểm định và có giá trị p< 
0,05, chứng tỏ các kết quả thu được có ý nghĩa thống kê. 
Luận án sử dụng mô hình hồi qui tuyến tính đa biến để xác định 
các đại lượng đàn hồi dị hướng (bao gồm 5 thông số) của khối đá 
được coi như là vật thể đẳng hướng theo một mặt phẳng. Các thông 
số đàn hồi dị hướng của nhóm đá Sập Việt và Trung Quốc đều được 
kiểm tra lại điều kiện dị hướng coi là đẳng hướng theo một mặt 
phẳng, và các thông số đều được thỏa mãn 
Luận án sử dụng tổng hợp các thông số độ bền cắt, đàn hồi dị 
hướng đã được tính toán và thiết lập mô hình tính toán xác định ứng 
suất chính lớn nhất xung quanh hầm dẫn nước thủy điện Sập Việt, và 
đề xuất chỉ tiêu ổn định bền FAAI. So sánh kết quả xác định FAAI 
và chỉ số Strength factor trong phần mềm RS2, các kết quả thu được 
thấy tính tương thích giữa hai chỉ tiêu trên. Do đó, tạo khả năng áp 
dụng FAAI cho thực tiễn sản xuất. 
2. Kiến nghị 
− Tiến hành thực nghiệm tại công trường và đo đạc chính xác hóa 
chỉ tiêu FAAI theo tỷ lệ nguyên hình 1:1. Tiếp tục nghiên cứu xây 
dựng bộ phần mềm thương mại trọn vẹn xác định chỉ tiêu bền 
FAAI qua đó vẽ được vùng mất ổn định bền. 
− Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của tính dị hướng của khối đá tới 
công trình chịu ảnh hưởng của áp lực cao và nhiệt độ cao, áp 
dụng cho các công trình dầu khí và hầm dẫn nước chịu áp lực cao. 
− Tiếp tục nghiên cứu áp dụng mô hình xử lý số liệu thống kê hiện 
đại hơn vào việc thiết lập các mô hình tính toán của cơ học đá. 
− Áp dụng phương pháp tích hợp hệ thống và liên kết mạng tạo sự 
giao lưu khoa học giữa các nhà nghiên cứu địa kỹ thuật Việt Nam 
với thế giới. 
25 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 
1. Pham Quoc Tuan, Nghiem Huu Hanh, Xia-Ting Feng, 2015, 
Determination of the shear strength parameter of some rock types 
modeled by transversal anisotropic body, Proceeding of Vietrock 
2015 International Symposium an ISRM specialized conference, 
Hanoi, Vietnam. 
2. Mori, T., Pham Quoc Tuan, Morikawa, S., Tabei, K., 2015, 
Multiple Yield Model in Anisotropic Rock for Underground 
Cavern, Proceeding of Vietrock 2015 International Symposium 
an ISRM specialized conference, Hanoi, Vietnam. 
3. Pham Quoc Tuan, Nghiem Huu Hanh, Phi Hong Thinh, 2015, 
Analysis stability of rock slope at left bank of South portal of 
North tunnel – Da Nang – Quang Ngai expressway, Proceeding 
of Vietrock 2015 International Symposium an ISRM specialized 
conference, Hanoi, Vietnam. 
4. Pham. Q.T, Nghiem H.H., 2014.10, Failure model for rock 
anisotropic formations and application to hydropower house 
Dong Nai river of Vietnam, Proc. of the 8th Asian Rock 
Mechanics Symposium, Sapporo, Japan. 
5. Pham Quoc Tuan, Nghiem Huu Hanh, 2013, Stability analysis of 
right abutment in Ho Ho dam after the incident of overtopping the 
dam, Proc. of 13th Japan Symposium on Rock Mechanics, 
Okinawa, Japan. 
6. Phạm Quốc Tuấn, Nghiêm Hữu Hạnh, 2012, Tiêu chuẩn bền cho 
khối đá nứt nẻ dị hướng và khả năng ứng dụng, Tuyển tập công 
trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ 9, Nhà xuất bản 
ĐHBK, Hà Nội. 
7. Phạm Quốc Tuấn, 2007, Tính toán hầm dẫn nước không có lớp 
áo bê tông chịu lực tại thủy điện Huội Quảng tỉnh Sơn La, Tuyển 
tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ 8, Nhà 
xuất bản ĐHBK, Hà Nội.