Một phương pháp thiết kế neo dính kết theo nguyên lý gia cố khối đá

Nội dung text: Một phương pháp thiết kế neo dính kết theo nguyên lý gia cố khối đá

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 37, 01/2012, tr.39-43 MỘT PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ NEO DÍNH KẾT THEO NGUYÊN LÝ GIA CỐ KHỐI ĐÁ NGUYỄN MẠNH KHẢI, Văn phòng Chủ tịch nước NGUYỄN QUANG PHÍCH, NGUYỄN VĂN MẠNH, Trường Đại học Mỏ - Địa chất LÊ VĂN CÔNG, Viện Khoa học Công nghệ mỏ Tóm tắt: Sử dụng neo dính kết để gia cố, giữ ổn định khối đá trong xây dựng công trình ngầm, khai thác mỏ và các lĩnh vực khác đã và đang được triển khai rộng rãi. Tuy nhiên cho đến nay vẫn còn tồn tại nhiều quan điểm khác nhau về cơ chế làm việc của neo dính kết và cũng vì vậy, neo dính kết được thiết kế theo nhiều phương pháp, dựa trên các giả thiết khác nhau. Bài báo trình bày cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế neo dính kết theo nguyên lí gia cố khối đá. Các tham số của hệ thống neo được xác định với giả thiết là kết cấu neo góp phần tăng khả năng nhận tải và giảm khả năng biến dạng của khối đá. Sử dụng neo để tạo ra kết cấu chống tích thiết kế có thể là phương pháp giải tích, phương cực, tăng cường mức độ ổn định của khối đá pháp số, phương pháp thí nghiệm tại hiện xung quanh các công trình ngầm đã được tiến trường, thí nghiệm vật lý hay phân loại khối đá hành trên thế giới từ thế kỷ trước. Cùng với [1]. khối lượng xây dựng công trình ngầm ngày Ở nước ta, cho đến nay nguyên lý làm việc càng nhiều, các loại neo càng được sử dụng của neo được phân tích theo nhiều dấu hiệu rộng rãi, được phát triển, hoàn thiện và ngày khác nhau, nhưng việc xác định các thông số càng tỏ ra rất công hiệu trong nhiều lĩnh vực. của kết cấu neo vẫn chủ yếu được thực hiện Neo dính kết (NDK), điển hình là neo bê tông theo "nguyên lý treo" hoặc " nguyên lý dầm hay cốt thép (BTCT), neo chất dẻo cốt thép (CDCT) vòm mang tải". Về mặt cơ học, việc tính toán và neo chất dẻo cốt chất dẻo (CDCD) ngày càng như thế tương tự như sơ đồ cho trước tải trọng. chiếm tỷ lệ cao so với các loại neo khác. Tại Tuy nhiên, cả lý thuyết và thực tế đều chứng tỏ Việt nam sử dụng chủ yếu neo dính kết (neo bê rằng "vòm phá hủy" hay "vòm cân bằng" không tông cốt thép) để chống giữ, gia cố khối đá phải bao giờ cũng xuất hiện, nhất là khi đã sử trong xây dựng công trình ngầm và khai thác dụng neo hoặc bê tông phun. Việc tính toán than hầm lò. Neo dính kết có thể được lắp dựng theo các nguyên lý trên chưa thực sự khai thác dính kết một phần ở đầu neo với khối đá và cho hết vai trò gia cố của NDK. Tính tích cực của phép kéo căng tạo dự ứng lực (ứng suất trước) neo là làm tăng khả năng "tự mang tải" của khối như ở neo cơ học đầu nở, song thông thường đá được chú ý không đầy đủ, nhất là khi tính nhất trong thực tế hiện nay là toàn bộ thân neo theo nguyên lý treo. Cũng đã có các công trình được gắn kết với khối đá. Trong trường hợp này nghiên cứu tính toán thiết kế neo theo nguyên lý có thể coi neo dính kết đóng vai trò gia cố khối gia cố được tiến hành, như Nguyễn Quang đá. Khối đá có thể ví như "được đặt cốt". Phích, Đào Văn Canh (1996) [2,3], Lê Văn Mặc dù NDK được sử dụng ngày càng Công (2002) [4], tuy nhiên, chưa có được các nhiều, song nhận thức, hiểu biết về khả năng chỉ dẫn thiết kế cụ thể. Một chỉ dẫn theo nguyên làm việc, khả năng chiụ tải khi thiết kế kết cấu tắc này được giới thiệu trong [5], song cho bài neo vẫn còn nhiều hạn chế. Vật liệu làm thân toán với các thông số mang tính trung bình hóa neo, đường kính thanh neo, khoảng cách, chiều trong vùng cắm neo. dài cũng như các tham số của kết cấu neo vẫn Sau đây giới thiệu phương pháp tính giải chủ yếu được xác định và lựa chọn theo kinh tích có chú ý đến kích thước vùng ảnh hưởng nghiệm, mặc dù phương pháp thiết kế và cơ sở của neo trong khối đá.
2. 1. Mô hình bài toán và kết quả * EnNn σ Để nghiên cứu, khảo sát vấn đề nêu ra bằng ==α= E σ* lý thuyết, ở đây trước tiên xét mô hình bài toán 0N0 phẳng, phát triển kết quả trong [2,3,4,5] với các 22 πRRdE-E+dE-Elklk0tntndk giả thiết sau: 1+=1+A 2 0 Công trình ngầm có tiết diện tròn với bán 4aErr 0 kính R (1/2 chiều rộng đường lò); trạng thái ứng (1) suất ban đầu là thủy tĩnh với thành phần ứng trong đó: dlk - đường kính lỗ khoan neo; dn - suất p=.H ( là dung trọng trung bình của khối đường kính thanh neo; Edk - mô đun đàn hồi của đá, H là độ sâu bố trí công trình ngầm); chất dính kết (bêtông hay chất dẻo); En - mô Khối đá trước khi neo có mô đun đàn hồi đun đàn hồi của vật liệu làm thanh neo (chúng ta mới sử dụng thép, còn một số nước trên thế là E , độ bền nén đơn trục là σ* và hệ số 0 N0 giới đã sử dụng thanh neo bằng chất dẻo); a - Poisson 0 =0,5; khoảng cách giữa các thanh neo trong vòng neo, Vùng khối đá sau khi neo có mô đun đàn tính trên biên công trình và trong nghiên cứu * hồi là En , độ bền nén đơn trục là σNn và hệ số này cũng là khoảng cách không đổi giữa các Poisson n =0,5. Giữa các tham số cơ học của hàng neo; - hệ số gia cố khi sử dụng NDK, vùng khối đá sau và trước khi neo được xác phụ thuộc vào các tham số hình học của kết cấu định gần đúng theo mô hình vật liệu tổ hợp neo và các tham số cơ học của các vật liệu (composite) như trong [1], phụ thuộc vào kích thành phần; ở đây cho thấy rõ tăng khi mật độ thước diện tích vùng tác động của một thanh neo tăng, tức là a giảm. neo, cụ thể càng xa biên hầm, hệ số gia cố càng Khối đá được khảo sát theo sơ đồ trên giảm, theo biểu thức sau: hình 1 với vùng R <r<L+R là vùng được neo và chiều dài thân neo bằng L. p E (r); σ* ( r ) L n Nn R+L R * E0; σ N0 Hình 1. Sơ đồ bài toán neo gia cố khối đá Giải bài toán trên với các điều kiện biên và 2 tương ứng nhận được các kết quả về quy luật 11R+L phân bố ứng suất trong vùng có cắm neo (chỉ số σrkn =p- p-p 1-. 2 (R+L) Br n) và vùng không có neo (chỉ số kn). 11A1A 2 11R+L σrn =2p. ++ 2323 σ =p+ p-p 1-. B2r3r2R3R θkn 2 (R+L) Br 1 1 2A 1 A trong đó: σθn =2p. 2 + 3 + 2 + 3 B 2r 3r 2R 3R 2
3. 22 ứng suất trên biên sẽ lớn hơn so với trạng thái π dE-E+dE-Elkdk0tntndk chưa cắm neo. Do vậy cần đánh giá khả năng A=R 2 4aE 0 ổn định của khối đá sau khi cắm neo, cũng như 3 12 R+L-R 3 tính toán, điều chỉnh các tham số neo, sao cho B=+A khối đá được đưa về trạng thái ổn định. R32 RR+L3 3 Gọi n0 và n là hế số ổn định của khối đá Từ đó dựa vào mối quan hệ giữa các thành trước và sau khi neo, được định nghĩa bởi các phần chuyển vị với biến dạng và biến dạng với biểu thức: ứng suất, xác định được thành phần ứng suất σσσ trên biên công trình ngầm σ cũng như độ n==;n=N0N0Nn . (7) θ n - b 0 σ2pσ dịch chuyển tuyệt đối của các điểm trên biên θ0θn-b u theo các biểu thức sau: Khối đá xung quanh công trình ngầm sau n - b khi đào được coi là mất ổn định nếu n 1. Như vậy, nếu 1+A 0 3 cho trước hay ấn định trước hệ số ổn định n 3 R+L theo mong muốn, hoàn toàn có thể xác định 3 được các thông số của hệ thống neo (chiều dài 1+AR+L0 2p (2) neo, mật độ neo, đường kính thanh neo, đường 223 3 kính lỗ khoan ) trong mối tương quan với các 1+AR+L-AR00 33 tính chất cơ học của khối đá và các thành phần của kết cấu neo (thanh neo, chất dính kết). 3P1 Đưa các đại lượng cơ học đã định nghĩa và u=R=n-b xác định vào biểu thức đánh giá mức độ ổn định 3 2E0 2R của khối đá sau khi neo sẽ nhận được: 1+A1-0 3 * * 3 R+L σNn 1+A0N0 σ n== 1 σσθn-bθn-b u 0 (3) 3 223 3 2R * 1+ A00 R+L - A R σN0 33 1+A1-0 3 1+A 3 0 3 R+L 2p 1+A R+L 0 với: 3 22R 22 = 1+ A n - A n π dE-E+dE-Elkdk0tntndk 0 0 0 0 3 . (4) 33R+L A=0 2 4a E 0 2 3 u - chuyển vị tuyệt đối của biên công trình R+L An00 0 = 3 ngầm không có neo, khi coi khối đá là đàn hồi, R3 2 1+An00 -n đồng nhất. Từ các biểu thức (2) và (3) so với 3 các đại lượng tương ứng khi không neo: (8) 3p Từ đó có thể tính được chiều dài cần thiết σθ0 =2p; u 0 = R . (5) của thanh neo L theo biểu thức: E0 chúng ta nhận thấy quy luật : 2 An00 σθn-b σ θ0 ; u n-b <u 0 . (6) 3 . (9) L=R 3 -1 Điều đó chứng tỏ rằng, thông qua cắm neo 2 1+ A00 n -n sẽ hạn chế được dịch chuyển của khối đá về 3 phía khoảng trống ngầm, tuy nhiên thành phần 2
4. Xuất phát từ điều kiện giá trị L>0, nghĩa σ=σsN-KDN-D biểu thức trong dấu khai căn lớn hơn 1, từ đó RMR-10072-100 -3,066 còn lại điều kiện (như phân tích trong [1]): s=exp=exp=e=0,0466 2 99 . (10) 1 + A n - n00 > 0 * 3 σ=60.0,0466=60.0,216=12,96MPa=σN-KDN0 Từ đó cho phép xác định A khi ấn định Với giả thiết gần đúng trạng thái ứng suất 0 nguyên sinh là thủy tĩnh, thành phần ứng suất trước hệ số ổn định mong muốn, cụ thể có: pháp tiếp tuyến trên biên đường hầm sau khi 3n đào là: A >0 ( - 1 ) . (11) 2n0 2H=600.0,027= 16,2 MPa Kết hợp với (10) với (4) sẽ xác định được do vậy, ở trạng thái không chống hệ số ổn định khoảng cách giữa các thanh neo, trên cơ sở lựa nhận giá trị: σ*12,96 chọn đường kính thanh neo, đường kính lỗ n===0,8N0 khoan và chất dính kết với các tham số cơ học 0 2γH16,2 của chúng, theo biểu thức. Từ biểu thức (11) cho thấy kết cấu neo đạt 22 hiệu quả gia cố, khi khoảng cách giữa các thanh π dE-E+dE-Elkdk0tntndk a . (12) neo trên biên hầm a < 0 , 8 2 9 m. 4 31 -1E Với các khoảng cách giữa các thanh neo 0 được chọn để tính là 0,8m; 0,7m và 0,6m, từ 2n 0 các biểu thức (4) và (13) xác định được giá trị Tuy nhiên, cũng có thể lựa chọn khoảng của A và n Với mức độ ổn định cần đạt trên cách giữa các thanh neo theo kinh nghiệm, từ 0 max. biên sau khi gia cố n=1, cho phép xác định đó tính được . Trong trường hợp này hệ số chiều dài thanh neo theo (9). Các kết quả tính ổn định khối đá sau khi cắm neo sẽ đạt được giá được thống kê trong bảng 1. trị lớn nhất theo biểu thức. Bảng 1. Kết quả tính neo theo nguyên lý gia cố khối đá 2 . (13) n=1+Anmax00 3 a (m) 0,8 0,7 0,6 A 0,403 0,527 0,717 Tùy thuộc yêu cầu gia cố hệ số ổn định 0 n 1,015 1,08 1,18 thực tế sẽ nắm trong khoảng lựa chọn sau: max n 1 1 1 1<n<n . (14) max L (m) 2,9 1,1 0,5 2. Ví dụ tính toán Các giá trị tính toán cho thấy khá phù hợp Một đường hầm có đường kính 4,0m được với các điều kiện thực tế, hoặc tính bằng đào ở độ sâu H=300m, trong khối đá đồng nhất. phương pháp treo chốt. * Đá có độ bền nén đơn trục σ=60MPaN-D , dung 3. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp trọng =27kN/m3= 0,0027MN/m3; khối đá Các kết quả thu được cho phép khẳng định rằng, hoàn toàn có thể áp dụng phương pháp được đánh giá có chất lượng tốt với RMR=72. trên để xây dựng cơ sở thiết kế kết cấu neo theo Mô đun đàn hồi bằng 0,5.103MPa, của thanh nguyên lý gia cố khối đá. Phương pháp được neo bằng thép là 210.103MPa, của chất dính kết 3 xây dựng xuất phát từ các nguyên lý cơ học là 30.10 MPa. Các thanh neo (sử dụng tại các lôgích, chặt chẽ. Mặc dù bài toán được đề cập công trình thủy điện) có đường kính mới chỉ là bài toán cơ bản với các điều kiện 25mm=0,025m; đường kính lỗ khoan neo là biên đơn giản, nhưng đã cho các kết quả dễ 42mm=0,042m. chấp nhận so với số liệu thực tế. Từ các điều kiện đã cho, có thể xác định độ Đối với các điều kiện hình học và điều kiện bền nén của khối đá theo tiêu chuẩn Hoek- biên phức tạp, trong [1] đề xuất sử dụng Brown. phương pháp số với các thủ thuật thích hợp. 3
5. Các ví dụ tính toán bằng chương trình FLAC [4]. Lê Văn Công. Nghiên cứu áp dụng neo chất trong [1, 6, 7] đã minh họa sự phù hợp của các dẻo cốt thép chống giữ các đường lò tại các mỏ thủ thuật tính toán, so sánh với các phương than Việt Nam. Luận văn thạc sỹ. Hà Nội 2002. pháp tính theo nguyên lý tương tác. [5]. Nguyễn Quang Phích, 1998. Một phương Các kết quả nhận được cho phép khẳng định pháp xác định các thông số hợp lý của kết cấu tính ưu việt của phương pháp tính neo theo chống bằng neo dính kết. Tuyển tập báo cáo nguyên lý gia cố khối đá. Đương nhiên, đối với Hội nghị khoa học kỹ thuật Mỏ toàn quốc lần các khối đá đặc trưng bởi các điều kiện địa chất thứ XI -8/1998. Tr.126-129 phức tạp, cần thiết phải tiếp tục nghiên cứu để [6]. Le Van Cong, Nguyen Quang Phich, Bui xây dựng được các mô hình gia cố phù hợp, Thanh Long. Numerical analysis of tương ứng. geomechanical process around underground TÀI LIỆU THAM KHẢO opening with rock bolt support using FLAC. [1]. Nguyễn Quang Phích và nnk. Nghiên cứu xây dựng và hoàn thiện các mô hình tính toán, International Mining Conference -2010. thiết kế neo dính kết trong xây dựng mỏ và Advanced Mining for Sustainable development. công trình ngầm. Đề tài nghiên cứu khoa học Proceedings. Ha Long 23-35 Sep. 2010. p 622- cấp Bộ, mã số B2009-02-76TĐ. Hà Nội, tháng 628. 8 năm 2011. [7]. Nguyễn Quang Phích, Nguyễn Văn Mạnh, [2]. Nguyễn Quang Phích, Đào Văn Canh, Nguyễn Văn Trí, Đặng Văn Kiên, Đỗ Ngọc 1996. Về quy luật và khả năng gia cố khối đá Anh. Một số kết quả so sánh tính neo dính kết khi sử dụng neo dính kết. Tạp chí Công nghiệp theo phương pháp gia cố khối đá và tương tác mỏ số 4/1996; Tr.5;6;10. neo-khối đá. Tuyển tập báo cáo hội nghị khoa [3]. Đào Văn Canh, 1996. Nghiên cứu xác định học lần thứ 19. Quyển 2 Cơ điện-Xây dựng. Hà và lựa chọn những thông số hợp lý của vỏ Nội 11/11/2010. Tr. 148-152. Một số vấn đề Cơ chống nhẹ khi đào lò xuyên vỉa qua đất đá học đá Việt nam đương đại. Nhà xuất bản Xây tương đối vững chắc tại các mỏ hầm lò Việt dựng 2010. Tr.203-208. Nam. Luận án PTS KHKT, Hà Nội. SUMMARY A design method for fully grouted rock bolt due to the reinforcement principle of rock masses Nguyen Manh Khai, Office of the President Nguyen Quang Phich, Nguyen Van Manh, University of Mining and Geology Le Van Cong, IMSAT Rockbolts are widely used as a tunnel support and are considered as an effective and economical means of supporting in varies conditions. Unfortunately, the coupling mechanism is still not very clearly at present. The design of rock bolt in tunnelling or other excavations is still empirical, and there are few methods to evaluate the bolting effect in most case. A new model for design of fully grouted rockbolts based on the principle of reinforcement capability of fully grouted rockbolts is suggested. Based on the received analytical solution for a symetrical boundary problem of a circular tunnel with grouted rockbolts a design method has been developed. 4