Từ điển học thuật Kỹ thuật và công nghệ

Sức chịu cắt là gì? Bản chất cơ học và ứng dụng

Tiếng Anhshear strength

Tên gọi kháccường độ chống cắtđộ bền cắt

Sức chịu cắt là ứng suất cắt cực đại mà vật liệu hoặc khối đất đá có thể tiếp nhận trước khi xảy ra hiện tượng trượt, trượt nứt hoặc phá hủy cấu trúc dọc theo một mặt phẳng trượt xác định.

Cập nhật 31/8/2026

Sức chịu cắt là ứng suất cắt cực đại mà vật liệu hoặc khối đất đá có thể tiếp nhận trước khi xảy ra hiện tượng trượt, trượt nứt hoặc phá hủy cấu trúc dọc theo một mặt phẳng trượt xác định. Trong cơ học môi trường liên tục, cơ học đất, cơ học đá và kỹ thuật công trình, sức chịu cắt là thông số cơ lý cơ bản quyết định sức chịu tải của nền móng, độ ổn định của mái dốc tự nhiên hoặc nhân tạo, và độ bền của các kết cấu xây dựng trước tải trọng tiếp tuyến.

Bản chất cơ học và tiêu chuẩn phá hủy Mohr-Coulomb

Khi một phân tử vật liệu chịu tác dụng của các trạng thái ứng suất phức tạp trong không gian ba chiều, sự phá hủy trượt xảy ra khi ứng suất tiếp xúc trên một mặt cắt bất kỳ vượt quá khả năng liên kết nội tại và ma sát giữa các phần tử. Sức chịu cắt đại diện cho giới hạn trên của ứng suất cắt mà vật liệu còn duy trì được sự cân bằng cơ học.

Mô hình kinh điển và được áp dụng phổ biến nhất để xác định sức chịu cắt của đất đá là tiêu chuẩn phá hủy Mohr-Coulomb. Theo lý thuyết này, sức chịu cắt trên một mặt phẳng phá hủy là hàm tuyến tính của ứng suất pháp tuyến tác dụng vuông góc lên mặt phẳng đó, được biểu diễn qua phương trình toán học sau:

τf=c+σtan⁡ϕ\tau_f = c + \sigma \tan \phi

Trong đó:

  • τf\tau_f là sức chịu cắt của vật liệu tại thời điểm phá hủy, tính bằng kilopascal (kPa) hoặc megapascal (MPa).
  • cc là lực dính kết nội tại (cohesion), phản ánh lực liên kết hóa lý và tương tác xi măng hóa giữa các hạt vật liệu độc lập với ứng suất pháp tuyến, tính bằng kilopascal (kPa) hoặc megapascal (MPa).
  • σ\sigma là ứng suất pháp tuyến tác dụng vuông góc lên mặt phẳng trượt phá hủy, tính bằng kilopascal (kPa) hoặc megapascal (MPa).
  • ϕ\phi là góc ma sát trong (angle of internal friction) của vật liệu, tính bằng độ.
  • tan⁡ϕ\tan \phi là hệ số ma sát nội tại biểu thị mức độ gia tăng sức chịu cắt tương ứng với sự gia tăng của ứng suất pháp tuyến.

Nguyên lý ứng suất hữu hiệu Terzaghi

Trong môi trường đất bão hòa nước, tải trọng ngoài được gánh vác bởi hai thành phần: khung cốt hạt khoáng vật và áp lực nước trong các lỗ rỗng. Nước không có khả năng tiếp nhận ứng suất cắt ở trạng thái tĩnh. Do đó, theo nguyên lý ứng suất hữu hiệu của Karl Terzaghi, sự biến dạng và sức chịu cắt của đất chỉ phụ thuộc trực tiếp vào ứng suất pháp tuyến hữu hiệu truyền qua các điểm tiếp xúc giữa các hạt khoáng vật.

Phương trình ứng suất hữu hiệu và phương trình sức chịu cắt hữu hiệu được xác định như sau:

σ′=σ−u\sigma' = \sigma - u

τf=c′+σ′tan⁡ϕ′=c′+(σ−u)tan⁡ϕ′\tau_f = c' + \sigma' \tan \phi' = c' + (\sigma - u) \tan \phi'

Trong đó:

  • σ′\sigma' là ứng suất pháp tuyến hữu hiệu tác dụng lên khung hạt đất, tính bằng kilopascal (kPa).
  • uu là áp lực nước lỗ rỗng bên trong khối đất bão hòa, tính bằng kilopascal (kPa).
  • c′c' là lực dính kết hữu hiệu của đất, tính bằng kilopascal (kPa).
  • ϕ′\phi' là góc ma sát trong hữu hiệu của đất, tính bằng độ.

Khi áp lực nước lỗ rỗng uu gia tăng (do tải trọng xây dựng nhanh, động đất hoặc mực nước ngầm dâng cao), ứng suất hữu hiệu σ′\sigma' sẽ bị suy giảm mạnh, kéo theo sự sụt giảm nghiêm trọng của sức chịu cắt τf\tau_f, dẫn đến nguy cơ mất ổn định mái dốc và trượt lở đất.

Phân loại sức chịu cắt theo trạng thái biến dạng và điều kiện thoát nước

1. Sức chịu cắt đỉnh, trạng thái tới hạn và sức chịu cắt dư

Dưới tác dụng của biến dạng trượt liên tục, sức chịu cắt của đất sét quá cố kết hoặc đất cát chặt trải qua các giai đoạn biến đổi rõ rệt:

  • Sức chịu cắt đỉnh (Peak shear strength): Là giá trị sức chịu cắt cực đại mà mẫu đất đạt được ở giai đoạn đầu của quá trình biến dạng, khi liên kết cấu trúc ban đầu và sự chèn móc cơ học giữa các hạt khoáng vật chưa bị phá vỡ.
  • Sức chịu cắt trạng thái tới hạn (Critical state shear strength): Là sức chịu cắt khi đất biến dạng liên tục dưới thể tích không đổi, cấu trúc sắp xếp lại ở trạng thái cân bằng động.
  • Sức chịu cắt dư (Residual shear strength): Theo nghiên cứu kinh điển của Skempton (1964) về độ ổn định lâu dài của các mái dốc đất sét, khi biến dạng trượt tích lũy rất lớn dọc theo mặt trượt, các hạt sét dạng tấm bị định hướng song song hoàn toàn với phương trượt, làm mất toàn bộ lực dính kết cấu và giảm góc ma sát xuống giá trị ma sát dư ϕr′\phi_r'. Sức chịu cắt dư là thông số then chốt để đánh giá sự tái trượt của các khối trượt ngầm cổ và mái dốc đã từng xuất hiện vết nứt phá hủy.

2. Sức chịu cắt theo điều kiện thoát nước trong thí nghiệm ba trục

Tùy thuộc vào tốc độ gia tải so với tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng, sức chịu cắt được xác định thông qua ba sơ đồ thí nghiệm nén ba trục chuẩn:

Sơ đồ thí nghiệm Ký hiệu Đặc điểm thoát nước và ứng suất Ứng dụng thực tế
Không cố kết - Không thoát nước UU Không cho thoát nước trong cả giai đoạn ép áp lực buồng lẫn giai đoạn cắt; đo sức chịu cắt không thoát nước SuS_u Tính toán ổn định ngắn hạn ngay sau khi thi công móng hoặc đắp nền nhanh trên nền đất sét yếu
Cố kết - Không thoát nước CU Cho thoát nước để cố kết hoàn toàn dưới áp lực buồng, sau đó đóng van thoát nước khi cắt; đo áp lực nước lỗ rỗng uu Đánh giá ổn định khi có sự thay đổi tải trọng đột ngột sau thời gian dài công trình đã tích nước hoặc đắp nền từng giai đoạn
Cố kết - Thoát nước CD Cho thoát nước hoàn toàn trong cả giai đoạn cố kết và giai đoạn cắt với tốc độ rất chậm để áp lực nước lỗ rỗng duy trì bằng 0 Tính toán độ ổn định lâu dài hạn của mái dốc tự nhiên, bờ kênh đào và đập đất sau nhiều năm vận hành

Sức chịu cắt của đất không bão hòa và khối đá có khe nứt

1. Mô hình sức chịu cắt đất không bão hòa của Fredlund và cs. (1978)

Đối với đất nằm trên mực nước ngầm có sự hiện diện đồng thời của pha khí và pha lỏng, Fredlund, Morgenstern và Widger (1978) đã mở rộng lý thuyết Mohr-Coulomb bằng cách đưa thêm biến trạng thái ứng suất độc lập là sức hút dính ma trận (ua−uwu_a - u_w):

τf=c′+(σ−ua)tan⁡ϕ′+(ua−uw)tan⁡ϕb\tau_f = c' + (\sigma - u_a) \tan \phi' + (u_a - u_w) \tan \phi^b

Trong đó:

  • uau_a là áp lực khí lỗ rỗng, tính bằng kilopascal (kPa).
  • uwu_w là áp lực nước lỗ rỗng, tính bằng kilopascal (kPa).
  • (σ−ua)(\sigma - u_a) là ứng suất pháp tuyến ròng (net normal stress), tính bằng kilopascal (kPa).
  • (ua−uw)(u_a - u_w) là sức hút dính ma trận (matric suction), tính bằng kilopascal (kPa).
  • ϕb\phi^b là góc ma sát phản ánh mức độ gia tăng sức chịu cắt theo sự gia tăng của sức hút dính ma trận, tính bằng độ.

Mô hình này giải thích rõ hiện tượng mái dốc đất không bão hòa duy trì độ đứng vững cao trong mùa khô nhờ sức hút dính ma trận, nhưng nhanh chóng bị sạt lở khi mưa lớn kéo dài làm bão hòa đất và triệt tiêu sức hút dính.

2. Tiêu chuẩn sức chịu cắt khe nứt đá Barton-Choubey (1977)

Trong cơ học đá, khối đá thường bị chia cắt bởi các hệ thống khe nứt, nứt nẻ và mặt phân lớp. Barton và Choubey (1977) đã thiết lập phương trình thực nghiệm phi tuyến tính để dự báo sức chịu cắt đỉnh của các khe nứt đá thô ráp:

τf=σntan⁡[JRClog⁡10(JCSσn)+ϕb]\tau_f = \sigma_n \tan \left[ \text{JRC} \log_{10} \left( \frac{\text{JCS}}{\sigma_n} \right) + \phi_b \right]

Trong đó:

  • σn\sigma_n là ứng suất pháp tuyến hiệu dụng tác dụng vuông góc lên mặt khe nứt đá, tính bằng megapascal (MPa).
  • JRC\text{JRC} là hệ số nhám khe nứt (Joint Roughness Coefficient), dao động trong thang điểm chuẩn từ 0 đến 20.
  • JCS\text{JCS} là cường độ kháng nén của thành khe nứt đá (Joint Wall Compressive Strength), tính bằng megapascal (MPa).
  • ϕb\phi_b là góc ma sát cơ bản đo trên bề mặt đá nhẵn phẳng không có gờ nhám, tính bằng độ.

Phương pháp thí nghiệm xác định sức chịu cắt

Trong thực hành kỹ thuật địa kỹ thuật, các thông số sức chịu cắt được xác định thông qua hệ thống thí nghiệm trong phòng và hiện trường:

  • Thí nghiệm cắt trực tiếp bằng máy cắt phẳng: Theo Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 4199:1995, mẫu đất được đặt trong hộp cắt gồm hai nửa và chịu lực nén pháp tuyến không đổi trong khi một nửa hộp bị dịch chuyển ngang để tạo mặt trượt phẳng cưỡng bức. Phương pháp này đơn giản, nhanh chóng nhưng nhược điểm là mặt trượt bị cố định trước và ứng suất phân bố không đồng đều.
  • Thí nghiệm nén ba trục (Triaxial test): Mẫu đất hình trụ bọc màng cao su đặt trong buồng áp lực chất lỏng, chịu áp lực buồng đẳng hướng và lực nén lệch dọc trục cho đến khi phá hủy. Đây là phương pháp tiêu chuẩn chính xác nhất, cho phép kiểm soát áp lực nước lỗ rỗng và mô phỏng chính xác đường dẫn ứng suất trong thực tế.
  • Thí nghiệm cắt cánh hiện trường (Field Vane Shear Test, FST): Sử dụng cánh cắt bốn cánh cắm sâu vào tầng đất sét mềm yếu dưới đáy hố khoan và xoay tròn để đo mô-men xoắn cực đại, từ đó suy ra sức chịu cắt không thoát nước tại chỗ mà không làm xáo động mẫu.

Ứng dụng trong phân tích kỹ thuật và tiêu chuẩn xây dựng

Sức chịu cắt là thông số đầu vào sống còn trong hầu hết các bài toán tính toán kết cấu và nền móng công trình:

  • Phân tích ổn định mái dốc: Theo phương pháp phân thỏi đơn giản hóa của Bishop (1955), hệ số an toàn chống trượt của mái dốc được tính toán dựa trên tỷ số giữa tổng sức chịu cắt chống trượt hữu hiệu huy động dọc theo mặt trượt trụ tròn và tổng lực gây trượt do trọng lượng bản thân khối đất tạo ra.
  • Tính toán sức chịu tải nền móng: Các công thức sức chịu tải móng nông kinh điển của Terzaghi, Meyerhof và Hansen đều phát triển dựa trên việc giải bài toán cân bằng giới hạn dẻo của khối đất dưới đáy móng chịu phá hủy cắt trượt trồi.
  • Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép chịu cắt: Theo Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 5574:2018, độ bền của dầm và bản bê tông trên tiết diện nghiêng chịu lực cắt được tính toán tổng hợp từ sức kháng cắt của bê tông dọc theo vết nứt nghiêng (QbQ_b) và khả năng chịu lực của cốt thép đai (QswQ_{sw}) bắc qua tiết diện nghiêng.

Hạn chế của mô hình Mohr-Coulomb và xu hướng phát triển

Mặc dù tiêu chuẩn Mohr-Coulomb được áp dụng rộng rãi nhờ tính đơn giản và trực quan, mô hình này tồn tại một số hạn chế cơ bản khi mô phỏng ứng xử thực tế của vật liệu địa kỹ thuật:

  • Bỏ qua ảnh hưởng của ứng suất chính trung gian: Tiêu chuẩn Mohr-Coulomb giả định sức chịu cắt chỉ phụ thuộc vào ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất, bỏ qua vai trò của ứng suất chính trung gian (σ2\sigma_2). Trên thực tế, σ2\sigma_2 có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền cắt trong điều kiện biến dạng phẳng và trạng thái ứng suất 3 chiều thực tế.
  • Tính dị hướng của khối đất đá: Để khắc phục hạn chế này, Chen và cs. (2020) đã phát triển tiêu chuẩn phá hủy tổng quát cho đất có xét đến tính dị hướng không gian 3 chiều và ảnh hưởng của hướng sắp xếp hạt khoáng vật đối với sức chịu cắt.
  • Mô hình cấu biến nâng cao: Trong các phần mềm phần tử hữu hạn hiện đại (như PLAXIS, FLAC), các mô hình đàn dẻo cứng hóa (Hardening Soil Model) và mô hình Cam-Clay biến tính đang dần thay thế mô hình Mohr-Coulomb thuần túy khi phân tích các hố đào sâu đô thị, hầm ngầm và công trình chịu tải trọng động phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

Sức chịu cắt của đất phụ thuộc vào những yếu tố cơ bản nào?

Sức chịu cắt của đất phụ thuộc vào hai thành phần chính theo mô hình Mohr-Coulomb: lực dính kết nội tại c (tạo bởi liên kết hóa lý giữa các hạt mịn) và góc ma sát trong phi (tạo bởi sự ma sát và chèn móc cơ học giữa các hạt khoáng vật dưới ứng suất nén pháp tuyến).

Tại sao áp lực nước lỗ rỗng tăng lại làm giảm sức chịu cắt của đất?

Theo nguyên lý ứng suất hữu hiệu Terzaghi, sức chịu cắt của đất chỉ được truyền qua khung hạt khoáng vật. Khi áp lực nước lỗ rỗng tăng lên, ứng suất hữu hiệu giữa các hạt giảm đi tương ứng, làm suy giảm lực ma sát tiếp xúc và khiến đất dễ bị trượt lở.

Sự khác biệt giữa sức chịu cắt đỉnh và sức chịu cắt dư là gì?

Sức chịu cắt đỉnh là độ bền cực đại đạt được khi kết cấu hạt và sự chèn móc chưa bị phá vỡ. Sức chịu cắt dư là độ bền tối thiểu còn lại sau khi đất đã chịu biến dạng trượt rất lớn khiến các hạt khoáng vật bị định hướng song song với mặt trượt.

Trong thực tế xây dựng, thí nghiệm nào cho kết quả sức chịu cắt đáng tin cậy nhất?

Thí nghiệm nén ba trục trong phòng thí nghiệm được coi là chuẩn xác nhất vì cho phép kiểm soát chặt chẽ áp lực buồng, áp lực nước lỗ rỗng và điều kiện thoát nước theo các sơ đồ UU, CU hoặc CD phù hợp với từng giai đoạn chịu tải của công trình.

Tài liệu tham khảo

  1. Skempton AW. (1964). Long-Term Stability of Clay Slopes. Géotechnique, 14(2), 77-102. DOI: 10.1680/geot.1964.14.2.77
  2. Bishop AW. (1955). The use of the Slip Circle in the Stability Analysis of Slopes. Géotechnique, 5(1), 7-17. DOI: 10.1680/geot.1955.5.1.7
  3. Fredlund DG, Morgenstern NR, Widger RA. (1978). The shear strength of unsaturated soils. Canadian Geotechnical Journal, 15(3), 313-321. DOI: 10.1139/t78-029
  4. Barton N, Choubey V. (1977). The shear strength of rock joints in theory and practice. Rock Mechanics, 10(1-2), 1-54. DOI: 10.1007/bf01261801
  5. Chen H, Wang Y, Li J, Sun D. (2020). A general failure criterion for soil considering three-dimensional anisotropy. Computers and Geotechnics, 125, 103691. DOI: 10.1016/j.compgeo.2020.103691
  6. Bộ Khoa học và Công nghệ (1995). TCVN 4199:1995. Đất xây dựng - Phương pháp xác định sức chống cắt trong phòng thí nghiệm ở máy cắt phẳng. Nguồn
  7. Bộ Xây dựng (2018). TCVN 5574:2018. Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép. Nguồn