Cơ Học Đá Phần 8 ppt

Mặt khỏc, do cỏc phần mặt trượt cú ủộ nghiờng khụng như nhau nờn chỳng khụng thể coi giống nhau trong quỏ trỡnh phỏ huỷ sự ổn ủịnh của bờ dốc và khụng thể cú một trạng thỏi cõn bằng giới

268.Cơ học đá

Chia khối trượt thành hai khối ở trạng thỏi cõn bằng giới hạn bằng một mặt phẳng ở bờn trong khối trượt và ủi qua giao ủiểm hai mặt trượt Giữa hai khối ủược chia ra cú tương tỏc với nhau (cỏc phản lực R3 và lực liờn kết c3l3 trờn mặt phẳng chia

ở hỡnh 4-25)

Trọng lượng hai khối trượt

ủược chia ra là G1 và G2 Do tương

tỏc nờn trờn cỏc mặt trượt sẽ cú cỏc

ðể giải bài toỏn, nếu lập cỏc

phương trỡnh hỡnh chiếu hay

Nhưng vỡ khối 1 khụng ổn ủịnh nờn ủường thẳng song song với hướng của R1lại khụng ủi qua F Khoảng cỏch từ F xuống ủoạn thẳng theo hướng của R1 là giỏ trị nhỏ nhất của phần lực bị thiếu (ủoạn FM) ðõy cũng chớnh là lực giữ cần thiết phải

bổ sung ủể giữ bờ dốc ở trạng thỏi cõn bằng giới hạn

Phương phỏp này ủơn giản nhưng kộm chớnh xỏc Mặt khỏc, do cỏc phần mặt trượt cú ủộ nghiờng khụng như nhau nờn chỳng khụng thể coi giống nhau trong quỏ trỡnh phỏ huỷ sự ổn ủịnh của bờ dốc và khụng thể cú một trạng thỏi cõn bằng giới hạn ủồng thời xẩy ra tại hai khối ủỏ ủược chia ra từ 3 mặt phẳng khỏc nhau

+ Phương phỏp tải trọng thừa

Người ta quan sỏt thấy là khi bờ dốc cú hai mặt trượt bị mất ổn ủịnh thỡ sự phỏ huỷ sẽ xảy ra hai mặt trượt dốc hơn, khi cỏc lực tỏc ủộng lờn nú gần ủạt tới trạng thỏi cõn bằng giới hạn Do khối ủỏ khụng phải là vật rắn tuyệt ủối nờn khi phần trờn của

bờ dốc bị dịch chuyển, chỳng sẽ truyền xuống phớa dưới cỏc tải trọng thừa ủể tạo nờn một trạng thỏi cõn bằng mới Vỡ vậy, khi tớnh toỏn, nờn kể ủến hiện tượng này

Giả sử cú bờ dốc gồm hai mặt trượt như hỡnh (4.26)

1 1

R2

R3B

F M

H

E D

Cơ học đá.269

Chia khối trượt thành hai khối bằng

mặt phẳng thẳng ủứng ủi qua giao ủiểm

của hai mặt trượt Phõn tớch cỏc lực tỏc

dụng lờn khối 2 như khi phõn tớch lực

trong bài toỏn 1 mặt trượt

Giả sử rằng lực gõy trượt ở khối 2

lớn hơn tổng cỏc lực giữ, khối sẽ bị dịch

chuyển và truyền xuống khối 1 một lực S,

Phõn tớch lực G1 và S thành cỏc thành phần vuụng gúc và song song với mặt trượt, thành phần vuụng gúc lại gõy ra lực ma sỏt…

1 1 1 2 2

2 2

2 1 1

costg

cossin

GsinG

lc tgsin

tgcossin

GcosG

n

α

−αϕ

α

−α+

α

+ϕα

−αϕ

α

−α+

trọng thừa, tớnh từ trờn xuống dưới

và lưu ý rằng phải bỏ qua những giỏ

trị õm của tải trọng thừa S vỡ ủất ủỏ

khụng cú khả năng tiếp nhận lực

Hỡnh 4.26. Phương phỏp tải trọng

thừa

1 2

3

4

1 α 1 G

G2

G3

G

2 α

α

α 4 4

2 2 G2 Ns

s

T N G

1 1 1

c l1 11

α

1 α -

α2

Gs

Tính toán ổn ñịnh trong bài toán không gian

Trong thực tế, nhiều khi gặp các bờ dốc bị giới hạn bởi nhiều hệ thống khe nứt

có các góc phương vị hướng dốc khác nhau Sự chuyển dịch của các bờ dốc này có thể xảy ra theo một, hai hay ba mặt khe nứt

ðể tính toán ổn ñịnh, người ta có thể dùng cách tính của H.V Hovland (1977): Chọn hệ trục toạ ñộ vuông góc nằm trong khối trượt, trục thứ ba chọn theo hướng dịch chuyển của bờ dốc Chia khối trượt thành những khối mỏng bằng những mặt phẳng vuông góc với trục thứ ba Do ñã biết dạng mặt trượt, sẽ xác ñịnh ñược diện tích tiết diện của mỗi mảnh và sẽ tính ổn ñịnh của từng mảnh ñã chia

Kết quả tính ổn ñịnh trong bài toán không gian bằng phương pháp này thường lớn hơn kết quả tính toán trong bài toán phẳng từ 5 – 35%, và như vậy, về mặt an toàn thì tính toán trong bài toán phẳng vẫn an toàn hơn

Ngoài phương pháp trên, người ta còn ñánh giá ổn ñịnh trong bài toán không gian bằng phương pháp ñồ thị Nguyên tắc chung là vẽ các mặt khe nứt và mặt bờ dốc trên biểu ñồ, tìm giao tuyến của các mặt khe nứt (mặt yếu trong khối ñá), xác ñịnh vùng có khả năng gây ra trựơt rồi ñánh giá sự ổn ñịnh của bờ dốc qua vị trí của các mặt yếu so với vùng nguy hiểm của khối ñá

Hình 4.28. Biểu diễn mặt khe nứt

Cể hảc ệị.271

bằng vòng tròn lớn ở phép chiếu dùng bán cầu dưới

để thể hiện các mặt khe nứt và mặt bờ dốc trên biểu ựồ, người ta có thể dùng

nhiều phép chiếu, phép vẽ khác nhau, nhưng có lẽ phổ biến hơn cả là phương pháp

vòng tròn lớn: Dùng hình cầu và mặt phẳng xắch ựạo ựể biểu diễn các mặt phẳng có

góc phương vị hướng dốc và góc dốc khác nhau Mặt phẳng này cũng coi như một

mặt khe nứt, khi cắt hình cầu sẽ theo một vòng tròn lớn (hình 4.28a) Tuỳ theo chiếu

phần giao tuyến ở bán cầu trên hay dưới xuống mặt xắch ựạo mà ta sẽ ựược các

ựường biểu diễn mặt khe nứt theo các hướng khác nhau Thường người ta hay dùng

bán cầu dưới (hình 4.28b) Chiếu giáo tuyến trên bán cầu dưới xuống mặt xắch ựạo,

sẽ ựược một cung tròn, thể hiện mặt khe nứt có góc phương vị ựường phương và góc

dốc tương ứng Cung tròn này sẽ có tâm nằm trên ựường vuông góc với hướng của

góc phương vị ựường phương tắnh từ cực Bắc (hướng lên trên) và cách tâm của vòng

tròn xắch ựạo một khoảng ựúng bằng số chỉ góc phương vị hướng dốc (khoảng cách

này cũng ựúng bằng khoảng cách từ ựỉnh cung tròn tới mép của vòng tròn xắch ựạo) (hình 4.28c)

Mặt xắch ựạo thường ựược vẽ sẵn thành các mạng lưới ựường kinh tuyến và vĩ

đo góc phương vị hướng dốc (130o so với phương Bắc) và ựánh dấu ựiểm này trên

chu vi ựường xắch ựạo

+ Xoay tấm giấy can ựể ựiểm ựánh dấu góc phương vị hướng dốc trùng với trục nằm ngang đông Ờ Tây, nghĩa là ựã xoay giấy ựi 40o đo một góc 50o

tắnh từ mép của vòng tròn xắch ựạo và vẽ vòng tròn lớn ựi qua ựiểm này

Tâm của vòng tròn lớn sẽ ựược xác ựịnh bằng cách ựo một khoảng 50o kể từ

tâm hay 40o kể từ mép của vòng tròn xắch ựạo trên trục đông Ờ Tây

272.Cể hảc ệị

Hình 4.30. Xác ựịnh giao tuyến của hai mặt khe nứt có thế nằm 130 o < 50 o và 250 o < 30 o

- Xác ựịnh giao tuyến của hai mặt khe nứt Hai mặt khe nứt có góc phương

vị hướng dốc là 130o và 250o, góc dốc là 50o và 30o Giao tuyến của hai mặt này có thể xác ựịnh như sau:

+ Vẽ hai vòng tròn lớn như cách vẽ trên

+ Xoay giấy can ựể giao ựiểm của hai vòng tròn lớn nằm trên trục đông Ờ Tây của vòng tròn xắch ựạo và hướng ựổ của ựường giao tuyến này ựo ựược

là 20,5o

+ Xoay giấy can lại ựể ựiểm ựánh dấu cực Bắc trên giấy trùng với cực Bắc của mặt xắch ựạo, góc phương vị hướng dốc xác ựịnh ựược là 200,5o (hình 4.30)

Vậy giao tuyến của hai mặt khe nứt sẽ có góc phương vị hướng dốc là 200,5o

và góc dốc là 20,5o

- Biểu diễn các loại chuyển dịch chủ yếu của bờ dốc ựá

Trong phần khái niệm (mục 4.2.1.1) ựã nêu một số loại chuyển dịch chủ yếu của bờ dốc ựá Dùng biểu ựồ vòng tròn lớn có thể biểu diễn ựược các loại chuyển dịch ựó (hình 4.31) (theo J.T Markland Ờ 1972)

- đánh giá sơ bộ sự ổn ựịnh của bờ dốc

Sau khi ựã dùng biểu ựồ vòng tròn lớn ựể biểu thị các mặt khe nứt, các mặt bờ dốc cũng như các giao tuyến của các mặt khe nứt khác nhau, người ta có thể ựánh giá

sơ bộ sự ổn ựịnh của bờ dốc qua các biểu ựồ ựó điều này có thể thấy trên hình (4.32)

4.2.2.3 Tắnh toán ổn ựịnh theo phương pháp phân tắch trạng thái ứng suất Ờ biến

dạng

Trong phương pháp này, người ta muốn biểu diễn một cách rõ ràng quan hệ hàm số giữa ứng suất và biến dạng của ựá nằm trong bờ dốc với các ựiều kiện biên của chúng ựể có thể xác ựịnh ựược trường ứng suất tại mọi ựiểm của bờ dốc ựịnh nghiên cứu

Khi tắnh toán ổn ựịnh bằng cách phân tắch trạng thái ứng suất Ờ biến dạng, phải

sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

a) Cung trượt trong ựá thải hoặc ựá nứt nẻ rất mạnh

Vòng tròn lớn của mặt bờ dốc

đỉnh bờ dốc

Cơ học đá.273

b) Trượt theo mặt khe nứt hay mặt lớp

c) Trượt theo hai mặt bờn

d) Phỏ huỷ kiểu lật, ủổ trong ủỏ cứng do cấu trỳc dạng cột bị tỏch ra bởi cỏc

khe dốc ủứng

Hỡnh 4.31 Biểu diễn cỏc loại chuyển dịch chủ yếu của bờ dốc ủỏ bằng biểu ủồ vũng trũn lớn

Vũng trũn lớn của hệ khe nứt

chớnh

ðỉnh bờ dốc Vũng trũn lớn của mặt bờ dốc

Hướng trượt

Vũng trũn lớn của mặt bờ dốc ðỉnh bờ dốc

Vũng trũn lớn của

hệ khe nứt chớnh

c

Hướng trượt

Gúc phương vị hướng dốc của

Trượt theo giao tuyến của hai mặt A và

B khi β> βi với β, βi là gúc nghiờng của bờ dốc và của giao tuyến của hai mặt khe nứt

Vũng trũn lớn của hai hệ khe nứt

274.Cể hảc ệị

Hình 4.32 đánh giá sơ bộ sự ổn ựịnh của bờ dốc ựá

Chia khối trượt bằng mạng lưới tam giác Tại mỗi ựiểm nút ựều xác ựịnh tọa ựộ phẳng, tắnh chất vật lý của môi trường, quan hệ hàm số của sự chuyển vị, biến dạng tương ựối, sự chuyển từ ứng suất ra lực tại ựiểm nút của nóẦ

Lập các ma trận cho mỗi phần tử bằng hệ thống các phương trình tuyến tắnh thoả mãn các ựiều kiện cân bằng, ựồng thời lập ra các ựiều kiện biên ựể giải chúng trên máy tắnh

Sau khi ựã xác ựịnh ựược sự phân bố ứng suất (nhất là ứng suất trượt) trên bờ dốc, ựem so sánh với ựộ bền cắt lớn nhất tại ựiểm lựa chọn sẽ vẽ ựược các vùng phân

bố ứng suất như vùng bị phá huỷ, vùng phá huỷ mở rộng hay vùng biến dạng của toàn bộ bờ dốc

để có thể áp dụng ựược phương pháp này, phải có ựầy ựủ những số liệu về tắnh chất biến dạng và ựộ bền của ựá như môựun biến dạng theo trục x và y, Ex , Ey ; hệ

số Poisson ν; các ựặc trưng của sức chống cắt ϕ, c; hệ số áp lực ngang k, trọng lượng thể tắch γ của ựất ựáẦ đây cũng là một khó khăn vì các số liệu trên không phải lúc nào cũng xác ựịnh ựược một cách chắnh xác Mặt khác, một vấn ựề khó khăn nữa là phải xác ựịnh ựược trạng thái ứng suất ban ựầu của ựá, mà ựiều này lại phụ thuộc vào cấu trúc ựịa chất, ựịa hình và lịch sử phát triển của nó cũng như các hoạt ựộng của nước ngầmẦ Nói chung, khi áp dụng phương pháp này ựòi hỏi việc khảo sát ựịa chất công trình phải ựược thực hiện ở mức ựộ rất cao và trong thực tế hiện nay, không phải lúc nào cũng ựáp ứng ựược

Vì vậy, việc tắnh toán ổn ựịnh bằng phương pháp phân tắch trạng thái ứng suất Ờ biến dạng chỉ ựược dùng trong các bờ dốc ựất nhân tạo lớn và cao với các ựặc trưng ựịa kỹ thuật ựã biết một cách rõ ràng

mà tại Vienne (Áo), Bruxelles (Bỉ), Rome (Ý)… cũng ghi lại ñược Thị trấn Longarone và làng mạc lân cận thung lũng sông Piave ñã bị tàn phá nặng nề, 2117 người ñã bị chết trong tai nạn này

Khi hiện tượng trượt ñã xảy ra, những khối trượt hàng trăm ngàn hoặc hàng triệu m3 ñang trên ñà di chuyển thì không có một biện pháp, một sức mạnh nào có thể ngăn cản ñược Vì vậy, phải có những biện pháp ñể ñề phòng và chống trượt bờ dốc, không ñể các hiện tượng trượt bờ dốc xảy ra

Hiện nay, ñể ñề phòng và chống trượt bờ dốc có thể dùng rất nhiều biện pháp khác nhau và người ta thường phân chúng thành từng nhóm như các cách phân loại của K Terzaghi (1948), X.K Abramov (1951), E.P Iemelianova (1968), I Taniguchi (1972), T Mahr (1973),…

Theo nguyên tắc thực hiện và nguyên lý tác dụng thì các phương pháp chống trượt bờ dốc có thể chia làm 6 nhóm: sửa mặt bờ dốc; thoát nước cho bờ dốc; giữ bờ dốc không bị phong hoá, làm chắc ñất ñá, làm các công trình chống trượt, các biện pháp ñặc biệt Trong mỗi nhóm lại gồm nhiều biện pháp cụ thể khác nhau, ở ñây chỉ trình bày những biện pháp thường dùng và có hiệu quả nhất

4.2.3.1 Sửa mặt bờ dốc

Sửa mặt bờ dốc tức là làm thay ñổi hình dáng bên ngoài của bờ dốc ñể bờ dốc ñược ổn ñịnh Việc làm này thường theo nguyên tắc làm giảm nhẹ phần trên ñỉnh bờ dốc và làm nặng thêm trọng lượng ở phần chân bờ dốc Muốn vậy người ta có thể dùng một số biện pháp sau:

Làm thoải bờ dốc (hình 4.33a)

Bóc bỏ lớp ñất ñá trên ñỉnh bờ dốc (hình 4.33b)

Làm bờ dốc có nhiều bậc nhỏ (hình 4.33b)

pháp này tuy ñơn

giản nhưng ñem lại hiệu quả rõ ràng V.Mencl ñã tính là chỉ cần giảm thể tích một khối lượng trượt ñi 4% ở phần trên bờ dốc cũng ñã làm hệ số ổn ñịnh bờ dốc tăng thêm 10% Việc thực hiện các biện pháp này có thể dùng phương pháp nổ mìn tạo biên như người ta ñã làm ở nhà máy sửa chữa tàu biển Phà Rừng hay nhà máy thuỷ ñiện Hoà Bình…

Người ta ñã tổng kết là có ñến 30% các trường hợp chống trượt bờ dốc ñã sử dụng biện pháp này

4.2.3.2 Thoát nước cho bờ dốc

Nước mặt và nước ngầm ảnh hưởng rất lớn ñến ñộ ổn ñịnh của bờ dốc ðể giữ cho bờ dốc ổn ñịnh, phải làm sao ñể nước không thấm vào khu vực bờ dốc hoặc phải hướng nước ngầm chảy ra xa bờ dốc

Thoát nước mặt

ðể ngăn chặn nước thấm vào bờ dốc, phải nhanh chóng dẫn nước mưa hay nước mặt từ vùng cao hơn chảy xuống ra khỏi bờ dốc Muốn vậy có thể thực hiện một số biện pháp sau:

- Làm mương rãnh thoát nước

- Lấp chặt các khe nứt, lỗ rỗng ñể ngăn nước thấm vào

- Che phủ các khe nứt bằng màng chất dẻo

- Tạo màng chống thấm phủ lên bờ dốc ñể chống nước thấm vào bờ dốc

Thoát nước ngầm

Việc thoát nước ngầm chỉ có hiệu quả khi nắm vững ñược ñiều kiện ñịa chất thuỷ văn và cấu trúc ñịa chất khu vực bờ dốc

ðể thoát ñược nước ngầm có thể dùng một số biện pháp sau:

- Khoan các giếng khoan giảm áp hay các giếng khoan tập trung nước, sau dùng bơm hút nước ñi

- Dùng các lỗ khoan nghiêng là biện pháp có hiệu quả và hay ñược dùng nhất Tuy mới bắt ñầu áp dụng từ 1939 ở Mỹ, nhưng sau ñó ñã ñược

A B a)

B

A

b)

A B a)

B

A

b) 0

Gn

rG

c)

4.2.3.3 Giữ cho bờ dốc khỏi bị phong hoá

Biện pháp này nhằm giữ cho các ñặc trưng cơ học của ñá trên mặt bờ dốc không bị giảm ñi do ñá không bị phong hoá dần dần dưới tác ñộng của các tác nhân phong hoá

Với các bờ dốc ñá có thể dùng lớp phủ bằng bitum, xi măng hay ñôi khi còn dùng cả các lưới thép nhỏ ở bên trong gắn chặt với ñá bằng các bu lông ngắn rồi phủ ximăng ở ngoài (hình 4.34)

Biện pháp này ñơn giản, dễ làm nhưng cần phải chú ý tới khe nứt bên trong ñá Với lưu lượng lớn, chúng có thể làm bờ dốc bị trượt cùng với cả lớp phủ

các vật liệu liên kết, tạo nên một sự liên kết

nhân tạo giữa các khối với nhau

Tuỳ theo tính chất ñá, mức ñộ rỗng và nứt

nẻ, khối lượng ñá cần phải làm chắc mà người

ta có thể dùng các hỗn hợp bitum, silicát hay

các hỗn hợp ximăng, cát ñể bơm vào lỗ khoan Hình 4.35. Làm chắc ñá bằng

cách bơm vữa xi măng

1 Khe nứt;

2 Mặt trượt;

3 Lỗ khoan;

4 Hỗn hợp ñã ñông cứng trong lỗ khoan

4

2

cln

1-tgn

1-tg

G N

k

trong ñó: G là trọng lượng khối ñá phải làm chắc;

α là góc hợp giữa hướng lỗ khoan và hướng khe nứt trong ñá;

σk là ñộ bền kéo của vữa xi măng

Ngoài ra, ñể làm chắc ñất ñá, người ta cũng có thể dùng nhiệt hay dùng phương pháp ñiện hoá, nhưng những phương pháp này không ñược áp dụng rộng rãi

4.2.3.5 Các công trình công trượt

Trong nhóm này có rất nhiều biện pháp và chúng chiếm tới 40 – 50% tổng số các trường hợp ñã dùng ñể chống trượt bờ dốc

Cùng với việc xuất hiện những tiến bộ khoa học mới trong lĩnh vực cơ học ñất

ñá, nền móng, nhiều biện pháp kỹ thuật mới có hiệu quả cao ñã ñược áp dụng ñể chống trượt bờ dốc như các loại tường chắn, tường chống hay neo…

Hình 4.36. Tường chống

a) Dạng cột; b) Dạng khối

Hình 4.37 Tường chắn (thị xã Hoà Bình)

Các loại neo ngày nay cũng ñược dùng khá phổ biến ñể chống trượt bờ dốc Tuỳ theo kết cấu của neo mà có thể có loại neo thường hay neo ứng suất trước, neo tác dụng tạm thời hay vĩnh cửu

Lực căng neo làm bờ dốc ổn ñịnh thêm ðiều này có thể giải thích một cách sơ lược qua hình 4.38

Neo ñược ñặt theo hướng hợp với phương pháp tuyến của mặt trượt một góc θ Lực căng neo T sẽ ñược phân tích thành các thành phần vuông góc và song song với mặt trượt ñều có tác dụng làm bờ dốc ổn ñịnh thêm

Khi có neo, hệ số ổn ñịnh ñược tính theo công thức:

α

θ+ϕθ+

trong ñó: W là trọng lượng khối trượt;

α là góc nghiêng của mặt trượt so với phương nằm ngang;

T là lực căng neo;

θ là góc giữa phương của lực căng neo và phương pháp tuyến với mặt trượt;

ϕ là góc ma sát trong của ñá

280.Cơ học đá

Việc tớnh toỏn neo, thiết kế

chỳng ủó ủược trỡnh bày trong cỏc

sỏch chuyờn khảo, nhưng khi thiết

kế, phải lưu ý tới ỏp lực nước trong

cỏc khe nứt, sự ăn mũn dõy neo, sự

chựng ứng suất trong ủỏ và cả trong

neo Dựng neo ủem lại hiệu quả

kinh tế lớn do khối lượng vật liệu

xõy dựng ớt (giảm ủược từ 40 –

85%) Thi cụng neo khụng ủũi hỏi

mặt bằng lớn và ủem lại vẻ mỹ quan

cho cụng trỡnh

Trong thực tế, người ta

thường kết hợp nhiều biện phỏp

chống trượt với nhau ủể ủem lại hiệu quả tốt hơn ðể ổn ủịnh vựng trượt ở tunel gần Ruzbakhi trờn ủường Podolinex – Orlov (Tiệp Khắc), người ta ủó dựng tường chắn

và 212 neo ứng suất trước với sức căng của mỗi neo là 1000kN (hỡnh 4.39) hay trờn tuyến ủường sắt ở San Remo (í), người ta ủó dựng tới 300 neo ứng suất trước với sức căng của mỗi neo là 1200kN (hỡnh 4.40), kết hợp với cỏc cọc bờ tụng, cỏc khối

bờ tụng trờn mặt ủể làm ổn ủịnh bờ dốc phiỏ trờn của ủường

Dựng tường chắn và neo ủể làm ổn ủịnh bờ dốc ở Ruzbakhi (Tiệp Khắc)

Hỡnh 4.38 Ổn ủịnh bờ dốc bằng neo

a) Mặt trượt; b) Neo

W T b a

α θ

3 Bờ dốc ban ñầu; 4 Mặt trượt;

5 Khối bê tông; 6 Cọc bê tông

ñường sắt

284.Cơ học đá

Chương 5

TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ

ÁP LỰC ðÁ XUNG QUANH CễNG TRèNH NGẦM

5.1 ỨNG SUẤT TỰ NHIấN TRONG KHỐI ðÁ

Ngày nay con người càng ủi sõu vào trong lũng ủất ủể khai thỏc khoỏng sản và tỡm hiểu Trỏi ðất Người ta ủó khai thỏc ở Ấn ðộ, Nam Phi trong những mỏ ở ủộ sõu

3000 – 3500m, dầu và khớ ủó ủược khai thỏc trong cỏc giếng khoan sõu tới 6000 – 7000m và lỗ khoan sõu nhất thế giới ủó tiến hành ở bỏn ủảo Konxki (Liờn Xụ cũ) ủạt tới chiều sõu 12.206m

Nhưng số liệu trờn so với bỏn kớnh Trỏi ðất ( khoảng 6370000m) thỡ thật là vụ cựng bộ, nghĩa là ủỏ mới chỉ ủược nghiờn cứu ở phần ngoài cựng của vỏ Trỏi ðất

Ở cỏc chiều sõu khỏc nhau, do chịu lực nộn của cỏc lớp ủỏ nằm trờn nờn trong

ủỏ ủó xuất hiện ứng suất gọi là ứng suất tự nhiờn Ứng suất tự nhiờn trong khối ủỏ chịu ảnh hưởng quyết ủịnh của hai yếu tố là trọng lực và lực kiến tạo

Trọng lực là lực hỳt của Trỏi ðất, ủược ủặc trưng bằng gia tốc rơi tự do, ký hiệu là g Nú phụ thuộc vào khoảng cỏch từ ủiểm ủang xột tới tõm của Trỏi ðất và trọng lượng thể tớch γ của ủỏ Vỡ hỡnh dỏng Trỏi ðất khụng phải là một hỡnh cầu tuyệt ủối nờn tại cỏc ủiểm khỏc nhau trờn Trỏi ðất, giỏ trị của gia tốc g khụng như nhau Nếu coi sự sai khỏc này là khụng ủỏng kể thỡ trong tớnh toỏn, người ta thường lấy giỏ trị của gia tốc g=981cm/s2 hay ≈ 1000cm/s2

Trọng lực sẽ gõy ra thành phần ứng suất thẳng ủứng tuỳ theo khoảng cỏch z từ ủiểm ủang xột tới mặt ủất và trọng lượng thể tớch của cỏc lớp ủỏ nằm trờn, ủược tớnh theo cụng thức:

Nhiều nhà nghiờn cứu ủó ủo ứng suất tại cỏc chiều sõu khỏc nhau trong cỏc mỏ

và cụng trỡnh xõy dựng ở cỏc ủiểm khỏc nhau trờn thế giới và ủó khẳng ủịnh quan hệ trờn và thể hiện chỳng trờn hỡnh 5.1

Trọng lực ủồng thời cũng gõy ra cỏc ứng suất theo phương ngang Chỳng sẽ ủược nghiờn cứu trong phần sau

Cỏc lực kiến tạo phức tạp hơn

trọng lực vỡ nú phõn bố khụng ủều

trong khụng gian với cỏc tốc ủộ

chuyển ủộng và biến dạng khỏc nhau

Theo A.V Peyve, cỏc lực kiến

tạo cú thể là lực của cỏc quỏ trỡnh

nhiệt, làm chặt, cơ học hay quay với

Cơ học đá.285

tốc ủộ khụng ổn ủịnh của Trỏi ðất Cỏc chuyển ủộng kiến tạo gõy ra lực kiến tạo cú phương nằm ngang ủược coi là nguyờn nhõn của ứng suất tiếp lớn nhất, xuất hiện trong khối ủỏ

5.1.1 CÁC GIẢ THUYẾT VỀ SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG KHỐI ðÁ Dưới tỏc dụng của trọng lực và lực kiến tạo, tại một ủiểm bất kỳ nằm sõu trong khối ủỏ sẽ cú cỏc ứng suất theo cỏc phương khỏc nhau ðể nghiờn cứu chỳng, người

ta phải ủề ra cỏc giả thuyết về quan hệ

giữa cỏc loại ứng suất trong ủỏ

Cỏc giả thuyết này ủều dựa trờn

giả thiết là khối ủỏ chỉ chịu tỏc dụng

của trọng lực

5.1.1.1 Giả thuyết của A Heim

Trong quỏ trỡnh xõy dựng cỏc ủường hầm, nhà ủịa chất Thuỵ Sỹ Albert Heim nhận thấy là hầm chịu ảnh hưởng của cỏc ỏp lực cao, tỏc dụng theo mọi phớa trong khối ủỏ ễng cho rằng thành phần ứng suất theo phương thẳng ủứng σz do trọng lượng của khối ủỏ nằm trờn gõy ra bằng với thành phần ứng suất nằm ngang σx

trong ủú: γ là trọng lượng thể tớch của ủỏ;

z là chiều sõu từ ủiểm ủang xột trong khối ủỏ ủến mặt ủất

Giả thuyết này Heim ủề ra năm 1878 Trước ủú 4 năm, kỹ sư mỏ người ðức F.Rziha cũng cú những ý kiến tương tự

Theo giả thuyết này, khụng thể giải thớch ủược hiện tượng sai khỏc giữa ứng suất theo phương nằm ngang và theo phương thẳng ủứng ủó quan sỏt thấy ở một số khu vực

5.1.1.2 Giả thuyết của K Terzaghi

K.Terzaghi ủó liờn hệ ứng suất dư với tớnh chất ủàn hồi của ủỏ và cho rằng nếu một khối ủỏ bị nộn dưới tỏc dụng của trọng lượng bản thõn nú theo phương thẳng ủứng, thỡ nú cũng bị nộn cả theo phương nằm ngang, biểu thị bằng hệ số biến dạng ngang (hệ số Poisson) ν Ở chiều sõu rất lớn, sự phỏt triển theo phương ngang bị hạn chế bởi mụi trường xung quanh Do vậy, trong mặt phẳng của khối ủỏ, khụng xảy ra

sự dịch chuyển ngang mà chỉ sinh ra ứng suất phản

Theo ủịnh luật Hooke tổng quỏt, ủối với vật ủàn hồi, ủẳng hướng cú thể viết:

1978)

286.Cơ học đá

Theo giả thuyết của Terzaghi, khụng cú biến dạng theo phương ngang, nghĩa là

εx = 0, nờn:

σx – ν (σy + σz ) = 0 (5.4) Coi cỏc ứng suất trong mặt phẳng ngang là bằng nhau (σx = σy), suy ra:

là khoảng 0,2 – 0,3) nghĩa là rất nhỏ so với giả thuyết của A.Heim

Nhiều nhà nghiờn cứu cho rằng giả thuyết này khụng phự hợp với thực tế và việc xỏc ủịnh hệ số Poisson (cơ sở ủể tớnh hệ số ỏp lực ngang) của ủỏ nứt nẻ rất khú khăn và thiếu chớnh xỏc ủó hạn chế khả năng sử dụng của giả thuyết này

5.1.2.3 Giả thuyết của P.R.Sheorey

Năm 1994, Sheorey ủó phỏt triển mụ hỡnh ứng suất nhiệt ủàn hồi tĩnh cho ủất

và ủó lập ủược cụng thức ủể biểu diễn quan hệ giữa cỏc thành phần ứng suất nằm ngang và ứng suất thẳng ủứng theo một tỷ số k, ủược xỏc ủịnh theo cụng thức:

trong ủú: Ex là mụủun biến dạng trung bỡnh của cỏc lớp nằm trờn, ủược xỏc

ủịnh theo hướng nằm ngang, tớnh bằng GPa

z là chiều sõu ủiểm ủang xột tớnh từ mặt ủất (m)

Theo phương trỡnh trờn, P.R.Sheorey ủó vẽ ủồ thị biểu diễn sự thay ủổi của k theo chiều sõu khi với cỏc giỏ trị của Ex khỏc nhau (hỡnh 5.2)

Biểu ủồ của Sheorey cũng

tương ứng với cỏc kết quả nghiờn cứu

của E.T Brown và E Hoek (1978),

của G.Herget (1988) và một số tỏc

giả khỏc

Như vậy, dự theo giả thuyết nào

chăng nữa, thỡ giữa ứng suất theo

phương ngang và ứng suất theo

phương thẳng ủứng của một ủiểm tại

một chiều sõu bất kỳ nào ủú trong

khối ủỏ cũng cú một tỷ số Thực tế

thấy là tỷ số này thay ủổi trong phạm

Hỡnh 5.2. Biểu ủồ quan hệ giữa hệ số

k và chiều sõu với cỏc giỏ trị mụủun biến

Cơ học đá.287

vi khỏ rộng, tuỳ thuộc ủiều kiện cụ thể của khu vực nghiờn cứu: N.Hast nghiờn cứu ở một số mỏ của Thuỵ Sỹ thỡ thấy hệ số k rất lớn, bằng 1,5 – 8, cũn L.Obert (1967) ủó nghiờn cứu tại một số mỏ ở Mỹ thỡ tỷ số k cũng xấp xỉ bằng 1

Vỡ vậy, khụng thể dự ủoỏn ủược hệ số k cho từng vựng mà phải tuỳ ủiều kiện cụ thể xỏc ủịnh cho phự hợp và cỏc giả thuyết về sự phõn bố ứng suất phải ủược hoàn chỉnh thờm

5.1.2 TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BAN ðẦU CỦA KHỐI ðÁ

Trạng thỏi ứng suất là tập hợp của cỏc ứng suất sinh ra trong khối ủỏ khi chịu tỏc dụng của ngoại lực

Ở trạng thỏi tự nhiờn (khi chưa thi cụng cụng trỡnh), ủỏ ủó cú một trạng thỏi ứng suất gọi là trạng thỏi ứng suất ban ủầu ðõy là một ủặc ủiểm cơ học rất ủặc biệt của khối ủỏ Nhưng việc xỏc ủịnh trạng thỏi ứng suất ban ủầu của ủỏ rất kộm chớnh xỏc vỡ tài liệu về tớnh chất của khối ủỏ cũn ớt, phải xỏc lập một giả thuyết riờng cho khối ủỏ Mặt khỏc, việc tiến hành thực nghiệm trờn khối ủỏ rất phức tạp, ủụi khi làm hỏng trạng thỏi ứng suất ban ủầu của nú

Như ủó núi trờn, ứng suất của ủỏ phụ thuộc vào trọng lực và cỏc lực kiến tạo

mà trong ủú trọng lực ủúng vai trũ quyết ủịnh Cỏc lực kiến tạo, tỏc ủộng của nước ngầm và nước mặt, cỏc hoạt ủộng sản xuất của con người cú tỏc dụng làm sai lệch trạng thỏi ứng suất ban ủầu do trọng lực gõy ra

ðể nghiờn cứu trạng thỏi ứng suất ban ủầu, người ta cú thể dựng phương phỏp giải tớch hay phương phỏp thực nghiệm

Phương phỏp giải tớch dựa trờn cỏc số liệu ủó thu thập ủược về tớnh chất của ủỏ,

cú thể ủỏnh giỏ ủược gần ủỳng thành phần trọng lực và nờu ra ảnh hưởng của lực kiến tạo, cỏc quỏ trỡnh tạo ủỏ

Phương phỏp thực nghiệm nhằm kiểm tra lại việc ủỏnh giỏ của phương phỏp giải tớch và kể ủến cỏc yếu tố khỏc trong việc thành tạo trạng thỏi ứng suất, nhưng nú lại mang tớnh chất khu vực, thiếu tớnh chất tổng quỏt cho toàn bộ khối ủỏ Vỡ vậy, nờn ủỏnh giỏ trạng thỏi ứng suất ban ủầu bằng phương phỏp giải tớch

Tại một ủiểm bất kỳ của khối ủỏ ủược ủặc trưng bằng 6 thành phần ứng suất: 3 thành phần ứng suất phỏp σx, σy, σz và 3 thành phần ứng suất tiếp tỏc dụng trong cỏc mặt phẳng tương ứng τxy, τxz, τyz (hỡnh 5.3) Giả sử rằng cỏc ứng suất này chỉ do trọng lực gõy ra thỡ cỏc thành phần ứng suất sẽ thay ủổi theo chiều sõu của ủiểm ủang xột

Riờng thành phần ứng suất phỏp theo

phương thẳng ủứng σz , với ủỏ phõn lớp cú thể tớnh

theo cụng thức:

σz = Σ γi hi (5.8) trong ủú: γi là trọng lượng thể tớch của lớp

ủỏ thứ i cú chiều dày là hi hay cú thể tớnh theo cụng thức:

Hỡnh 5.3 Cỏc thành phần ứng suất trong một phõn tố ủỏ