Báo cáo khoa học: "nâng cao hiệu quả gia cố đá của các vì neo ma sát kiểu ống chẻ" pptx

Nếu coi các vì neo sau khi làm việc chung với đá xung quanh, có khả năng duy trì sự ổn định của khối đá đó chỉ nhờ vào khả năng chịu kéo dọc trục của chúng, thì những vì neo nào có diện

nâng cao hiệu quả gia cố đá của các vì neo ma sát kiểu ống chẻ

ks Đỗ thụy đằng

Trường Đại học Mỏ địa chất

Tóm tắt: Các vì neo ma sát kiểu ống chẻ (VNOC) tuy đã có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn

còn một số nhược điểm lμm hạn chế khả năng lμm việc vμ phạm vi áp dụng chúng

Bμi báo nμy tìm hiểu một số giải pháp hữu ích góp phần nâng cao hiệu quả gia cố đá vμ

mở rộng phạm vi áp dụng chúng

Summary: Friction anchors in model of split set there are many strong points, but they

remain some weak points yet, which restrain capacity for work and sphere of using them

This article search some useful solution for taking part in raising effect of consolidating

rock and expanding sphere of using them

i Đặt vấn đề

Trong thực tế, các vì neo ma sát kiểu ống chẻ (VNOC) [1] (hình 1) vẫn chưa được sử dụng

rộng rãi để gia cố đá, đặc biệt vẫn chỉ được sử dụng một cách dè dặt trong xây dựng dân dụng

Hình 1 Vì neo ma sát kiểu ống chẻ của hãng Ingersholl-Rand[1]

Về cấu tạo, chúng là những ống chẻ hở có khe dọc, làm bằng vật liệu có tính đàn hồi cao,

với độ cứng cao

Về cấu trúc ở trạng thái làm việc, chúng là những ống hở có lòng rỗng

Về đặc điểm thi công, chúng được lắp đặt trong lỗ khoan sẵn có đường kính nhỏ hơn đường kính tối đa của ống neo

Về đặc điểm công tác, chúng duy trì sự ổn định của vách lỗ khoan chủ yếu nhờ độ cứng ngang cùng với diện tích và vị trí bề mặt tiếp xúc hợp lý với vách lỗ khoan

nguyên nhân vì sao đến nay VNOC vẫn chưa được áp dụng rộng rãi, đã được nhiều người chú ý, tuy nhiên vẫn chỉ dừng ở mức xác định những ưu nhược điểm thông thường và tế đó vẫn chưa có những tìm hiểu sâu về biện pháp phát huy những ưu điểm cơ bản, khắc phục những nhược điểm có thể khắc phục cho phù hợp với các yêu cầu kinh tế kỹ thuật do thực tiễn đặt ra Trong phạm vi tìm hiểu ở đây, chúng ta chỉ xem xét những biến đổi khả năng gia cố đá của VNOC theo những ảnh hưởng lực học, tạm gác lại những biến đổi khả năng làm việc của chúng theo những ảnh hưởng khác

Nếu coi các vì neo sau khi làm việc chung với đá xung quanh, có khả năng duy trì sự ổn

định của khối đá đó chỉ nhờ vào khả năng chịu kéo dọc trục của chúng, thì những vì neo nào có diện tích mặt cắt ngang phù hợp với yêu cầu này sẽ là những vì neo tiết kiệm vật liệu Từ đó chúng ta thấy:

Mỗi VNOC bằng thép, thông thường có khối lượng thép bình quân là 1,8 kg/m - 2,9 kg/m,

sẽ có chi phí thép nhỏ hơn không chỉ khi so với mỗi vì neo kiểu nêm đầu bằng thép, thông thường có khối lượng thép bình quân là 3,9kg/m - 4,8kg/m, mà cả khi so với mỗi vì neo bê tông cốt thép (ở đây bê tông có nghĩa rộng là vật liệu nhân tạo phức hợp nhiều thành phần, trong đó thành phần hoạt tính là 1 hoặc 1 số chất liên kết vô cơ hay hữu cơ nào đó) thông thường có khối lượng thép bình quân là 2,5 kg/m - 3,9 kg/m

CT 2

VNOC vừa dễ chế tạo, vừa dễ lắp đặt

Cho nên có thể coi VNOC là 1 trong số những vì neo tiên tiến

Tuy nhiên, cần chú ý rằng, các vì neo sau khi làm việc chung với đá xung quanh, không chỉ chịu kéo dọc trục của chúng, mà còn chịu uốn và chịu cắt ngang trục của chúng nữa [3] Các vì neo thép kiểu nêm đầu, ngay khi có chi phí vật liệu (đặc biệt là vật liệu thép) lớn hơn các vì neo bê tông cốt thép lấp đầy toàn phần, nhưng vẫn không ngăn được chuyển vị ngang tương đối của đá nứt nẻ trong phạm vi khoảng hở giữa thân neo và lỗ khoan Cho nên khi so với các vì neo bê tông cốt thép lấp đầy có cùng khả năng chịu kéo dọc trục, khả năng làm việc của các vì neo thép kiểu nêm đầu vẫn kém hiệu quả hơn

So với các vì neo bê tông cốt thép lấp đầy có cùng khả năng chịu kéo dọc trục, trong rất nhiều trường hợp, khả năng làm việc của các VNOC thông dụng bằng thép vẫn kém hiệu quả hơn; đáng chú là:

- Khi vách lỗ khoan kém đều đặn, nhất là khi đá ở đây nứt nẻ không đều và vách lỗ khoan

đã bị lở loét

- Khi đá vách lỗ khoan bị nứt nẻ hoặc bị phân lớp có chuyển vị ngang tương đối, gây cắt và gây bẹp không đều theo chiều dài ống neo Đặc biệt khi đá xung quanh có chuyển vị ngang thân neo ở vị trí xa đoạn đầu mũi neo, gây bẹp ống neo, làm giảm khe hở dọc thậm chí làm giảm đáng kể đường kính làm việc của vì neo, đến nỗi cả đoạn đầu mũi neo và 1 phần đoạn

thân neo không còn tiếp xúc với vách lỗ khoan, trong một chừng mực nào đó, có thể vì neo vẫn

không tuột khỏi lỗ khoan, nhưng gần như đã mất giá trị sử dụng vì không còn làm việc theo yêu

cầu đặt ra

Dưới đây, chúng ta tìm hiểu biện pháp cải tiến VNOC thường gặp bằng thép, để giảm chi

phí vật liệu, dễ lắp đặt, nhưng có khả năng chịu lực ngang cao hơn để hiệu quả công tác của

chúng cao hơn, tạo cơ sở mở rộng phạm vi áp dụng chúng lớn hơn

II Những tìm hiểu cơ bản

2.1 Trong đời sống hàng ngày, chúng ta vẫn bắt gặp nhiều vì neo với các tên thông

dụng: đinh, đinh vít

Khi bỏ qua ứng lực căng trước do đóng đinh hoặc

vặn vít quá tay, nhiệm vụ cơ bản của chiếc đinh cũng như

đinh vít trên tường, trên cột để treo đồ vật độc lập

(khung tranh, câu đối ) gần như chỉ là chống cắt ngang;

còn nhiệm vụ cơ bản của mỗi chiếc đinh (vít) giữ giá đồ

vật trên tường (hình 2) lại có sự khác nhau: Theo chiều từ

trên xuống, nhiệm vụ chống kéo dọc của các đinh giảm

dần còn nhiệm vụ chống cắt ngang của các đinh được

coi như bằng nhau Riêng chiếc đinh sát mút dưới của

khung giá, gần như chỉ có nhiệm vụ chống cắt ngang

2.2 Do đặc tính của đá bên mặt lộ có sự thay

đổi không giống nhau cả về thành phần vật chất,

cũng như về kiến trúc và cấu tạo (đáng chú ý là về tính lỗ

rỗng, tính nứt

Hình 2 Sơ đồ các đinh (vít)

giữ giá đồ vật trên tường CT 2

nẻ và tính phân lớp), cho nên ngay cả khi đá nóc làm việc như dầm chịu uốn (hình 3) cũng

không thể bỏ qua sự biến dạng bất thường của mặt cắt ngang (vuông góc với các thớ lớp) cùng

với sự trượt tương đối bất thường giữa các thớ lớp với nhau Nói khác đi, giả thuyết mặt cắt

phẳng (giả thuyết Becnuli) và giả thuyết các thớ dọc không đẩy - ép nhau khi nghiên cứu biến

dạng của dầm chịu uốn thuần túy trong lý thuyết sức bền vật liệu [5], cần phải hạn chế áp dụng

vào đây

Hình 3 Sơ đồ bố trí vì neo gia cố đá nóc [2], [4] & [6]

a - Tạo dầm đá b - Tạo vòm đá

Tiếc rằng, đến nay mọi thiết kế vì neo không những chưa đề cập đến hướng điều chỉnh các giả thuyết này, mà còn chưa đề cập đến ảnh hưởng của các thành phần tải trọng không dọc trục vì neo

Khi nghiên cứu trường ứng suất trong đá xung quanh mặt lộ, chúng ta thấy: chỉ có 1 số rất

ít phân tố đá ở những vị trí đặc biệt là chỉ chịu trạng thái ứng suất đơn trục, còn hầu như mọi phân tố đá đều phải chịu trạng thái ứng suất phức tạp

trường hợp vì neo chỉ chịu khi kéo dọc có thể xảy ra khi vì neo làm việc theo nguyên lý treo bị bố trí vuông góc với mặt lộ đá đang chịu uốn bởi mômen cực trị gây căng mặt lộ đó Vì thế, muốn thi công được vì neo này phải chống giữ sơ bộ cho mặt lộ tại đây; nhằm đề phòng chính quá trình khoan lỗ neo làm cho ứng suất trong đá xung quanh tăng đột biến, dẫn đến phá huỷ dòn bất thường cho chúng và gây ra tai nạn đáng tiếc [7] Để khi thi công vì neo khỏi phải chống giữ sơ bộ mặt lộ bằng kết cấu khác, hoặc là không nên bố trí vì neo tại vị trí đặc biệt đó, hoặc là chỉ tiến hành thi công vì neo tại vị trí đặc biệt đó, sau khi đã thi công và đưa vào sử dụng các vì neo lân cận đủ khả năng ngăn cản sự xuất hiện của mômen uốn cực trị nguy hiểm

Việc tính vì neo chỉ theo điều kiện chịu kéo dọc đương nhiên là chưa hợp lý với hầu hết các vì neo thực tế

Các vì neo gia cố đá trong thực tế khó tránh khỏi các tải trọng gây uốn và cắt ngang chúng Nói khác đi, để các vì neo làm việc có hiệu quả, chúng phải có khả năng mang tải phức tạp: vừa chịu lực kéo, vừa chịu uốn và cắt ngang [3]

Như vậy các VNOC nói riêng, các vì neo ống rỗng nói chung, muốn có khả năng làm việc tốt như các vì neo đặc có khả năng chịu kéo dọc tương tự, cần phải có độ cứng chống biến dạng ngang (đặc biệt là chống bẹp ngang) hợp lý; đây là yêu cầu khó thực hiện khi chúng vẫn trong tình trạng rỗng lòng; vì thế người sử dụng thường kém tin tưởng vào chúng và thường chỉ áp

dụng chúng một cách dè dặt trong một phạm vi hẹp

CT 2

2.3 Chất lượng công tác của các VNOC phụ thuộc rất nhiều vào các thông số sau

diện tiếp xúc cùng với vị trí tác dụng của lực uốn và cắt ngang Thế mà các thông số này lại phụ thuộc vào: độ lệch tâm của cả ống neo và vách lỗ khoan; độ cứng chống bẹp của ống neo; cùng với tính nứt nẻ và cấu trúc của đá

Một mặt độ sai lệch bán kính và trục dọc của cả lỗ khoan và mặt ngoài của ống neo nói chung là rất khác nhau; mặt khác các VNOC thường phải có độ cứng chống bẹp ống và độ cứng chống chèn dập đủ lớn; cho nên khả năng tạo cho mặt ngoài của vì neo tiếp xúc với vách lỗ khoan một cách trực tiếp và đầy đủ, cũng như tiếp xúc theo yêu cầu là không thể thực hiện

được

2.4 Các VNOC thường gặp bằng thép, mặc dù đã được chế tạo bằng thép chất lượng

cao, có tính đàn hồi lớn, nhưng nếu chiều dày không đủ độ lớn, để có độ cứng chống bẹp đủ lớn, vẫn khó chống lại ảnh hưởng của lực gây uốn ngang và cắt ngang, khi các khối đá nứt nẻ xô trượt tương đối mạnh ngang thân vì neo; cho nên việc chế tạo chúng cũng không dễ dàng và

đơn giá mỗi vì neo này cũng không rẻ

2.5 Các VNOC không có khả năng mang dự lực căng dọc cần thiết

2.6 Nhận xét sơ bộ về các vì neo ma sát kiểu ống phồng bằng thép, chúng ta

thấy chúng có 1 số ưu điểm lớn khắc phục được 1 số nhược điểm quan trọng của các

VNOC như:

- Đảm bảo sự tiếp xúc trực tiếp và đầy đủ giữa mặt ngoài vì neo với vách lỗ khoan

- Quá trình làm phồng ống neo cũng chính là quá trình gây co rút chiều dài chung của

ống neo và tạo ra dự lực căng dọc lớn đáng kể để tăng khả năng ổn định cho đá xung

quanh

Nhưng, chúng lại mắc 1 số nhược điểm, đáng kể như:

- Thông thường, các vì neo ma sát kiểu ống phồng bằng thép phải có khối lượng thép bình

quân [2] là 2,0 kg/m - 4,0 kg/m

- Sau khi căng phồng và tiếp xúc trực tiếp với toàn vách lỗ khoan, cả độ ngoằn ngoèo, lồi

lõm, cùng với khả năng chống uốn và chống bẹp ngang của các vì neo này, khi chịu ảnh hưởng

xấu của sự biến dạng ngang lỗ khoan, đều có thể trở thành không kiểm soát nổi Rất có thể một

số điểm lõm của ống neo lại phải nhận những lực xô trượt tương đối mạnh của các khối đá nứt

nẻ bên ngoài, dẫn đến sự mất khả năng làm việc chung của vì neo Và chính những vì neo bị

mất khả năng làm việc chung này làm cho khối đá xung quanh tiềm ẩn những nguy cơ mất ổn

định bất thường

2.7 Cả loại VNOC bằng thép và loại vì neo ma sát kiểu ống phồng bằng thép đều có

chung nhược điểm lớn là khi ống neo bị bẹp ngang thân, gây mất tiếp xúc với đá xung

quanh ở đoạn đầu mũi neo và 1 phần thân neo, chúng đều mất khả năng làm việc cần thiết; cho

nên đều đòi hỏi phải có sự cải tiến hữu ích

CT 2

III Một số giải pháp hữu ích với VNOC

3.1 Để tạo thuận lợi cho việc lắp đặt các VNOC bằng thép, cần áp dụng biện pháp tạm

khép chặt khe hở dọc [8] ngang trong quá trình chế tạo

3.2 Khi đ∙ áp dụng biện pháp tạm khép chặt khe hở dọc, không cần tạo mặt nón cho

mũi neo để giảm khó khăn không cần thiết cho công tác chế tạo neo

3.3 Để có thể tăng khả năng chống bẹp và khả năng tạo hệ lực tương tác phân bố theo

mặt ngoài của neo, tốt nhất là phối hợp đặc tính của các VNOC với các vì neo dính kết và với

các vì neo đặc Cụ thể là:

- Phải dùng chất dính kết có tính lưu động thích hợp để lấp đầy và tạo lực dính kết tại các

khoảng trống giữa vách lỗ khoan với mặt ngoài của vì neo

- Phải nhồi chặt lòng vì neo bằng vật liệu rắn

Trong đó đáng chú ý nhất là không gian trống bên ngoài và bên trong lòng đoạn đầu mũi vì

neo phải càng đặc càng tốt; đảm bảo dù có biến dạng thu nhỏ tiết diện ngang thân thì vì neo

vẫn bám dính với lỗ khoan và làm việc được bình thường

Để đạt được các yêu cầu này, đơn giản nhất là sử dụng bê tông

Tuỳ theo đặc tính của đá xung quanh và mục tiêu sử dụng vì neo (về nguyên lý làm việc,

về thời gian tồn tại ) mà chọn chất lượng và số lượng bê tông cho phù hợp

Thêm vào đó, để đảm bảo khả năng dính kết của đoạn đầu mũi neo với đáy lỗ khoan; đoạn ống này, không những phải có đường kính chung và khe hở chung, mà còn phải có thêm các lỗ ngang để 1 lượng nhỏ chất liên kết, trong quá trình nhồi lèn, có thể trào ra tăng cường dính kết

đoạn đầu mũi neo với đáy lỗ khoan

3.4 Khi đ∙ dự kiến áp dụng giải pháp nhồi chặt lòng VNOC bằng bê tông, lực đàn hồi

của ống neo chỉ còn sử dụng để tạo ra lực ma sát với thành lỗ khoan đáp ứng khả năng làm việc sơ bộ cho vì neo; vì thế có thể giảm chi phí thép làm ống neo đến mức chất lượng thép và tiết diện ngang của ống vừa phù hợp với yêu cầu tạo lực đàn hồi đó, vừa phù hợp với yêu cầu chịu kéo đứt và cắt ngang đã đặt ra

3.5 Để phù hợp với yêu cầu sử dụng và yêu cầu thi công cần chú

+ Các vì neo dốc lên với độ dốc lớn (bê tông ướt trong ống có thể tự trôi trượt ra ngoài), nên truyền lực đầm nhồi bê tông thông qua nút đàn hồi, để khi rút mũi đầu ra, bê tông không bị trôi trượt ra ngoài

+ Mọi đoạn đầu mũi của các VNOC đều nên nhồi bê tông giàu thậm chí có thêm phụ gia nở thể tích

+ Khi vách lỗ khoan tương đối nhẵn nhụi, rất ít nứt nẻ và khe nứt rất nhỏ, khả năng biến dạng và chuyển vị ngang lỗ khoan của đá ở đây là không đáng kể, lòng đoạn thân ống neo có thể để rỗng, nhưng tốt nhất là nhồi chặt bằng hỗn hợp cốt liệu trơ rắn cứng theo cấp phối đặc chắc, cùng với nút chặn cố định

CT 2

+ Khi vách lỗ khoan kém nhẵn nhụi, có nhiều khe nứt ngang hoặc đã bị lở loét; dự đoán ống neo có thể bị tác dụng của những tải trọng ngang tập trung (hoặc theo dạng tĩnh lực hoặc theo dạng xung lực), lòng đoạn thân ống neo cần được nhồi chặt bằng bê tông có hàm lượng chất dính kết tương ứng đồng biến với khả năng biến dạng và chuyển vị ngang lỗ khoan của đá

ở đây

IV Kết luận

Các vì neo ma sát kiểu ống chẻ (VNOC) tuy đã có nhiều ưu điểm, đặc biệt là: dễ lắp đặt và lắp đặt xong là tham gia gia cố đá ngay; nhưng vẫn còn một số nhược điểm làm hạn chế khả năng làm việc và phạm vi áp dụng chúng

Chúng ta đã tìm hiểu một số giải pháp hữu ích, trên cơ sở sử dụng 1 số lượng nhỏ vật tư thông dụng, rẻ tiền; cùng với một số công nghệ chế tạo và thi công đơn giản, an toàn; nhằm chuyển đổi các VNOC truyền thống trở thành các vì neo mới vừa có đặc tính ma sát bình thường, vừa có đặc tính liên kết và đặc tính khối đặc cần thiết, góp phần nâng cao độ

an toàn và tính hiệu quả gia cố đá, từ đó tạo cơ sở cho việc mở rộng phạm vi áp dụng chúng:

- Giải pháp tạo thuận lợi cho việc đưa VNOC vào lỗ khoan [8]

- Giải pháp tăng diện tương tác giữa VNOC và vách lỗ khoan

- Giải pháp tăng khả năng bám dính của đoạn đầu mũi neo, cho phép chúng có thể làm

việc theo nguyên lý treo trong trạng thái chịu kéo dọc một cách an toàn

- Giải pháp tăng khả năng truyền tải ngang, chống bẹp, đảm bảo khả năng tương tác

với vách lỗ khoan theo toàn chiều dài vì neo và tạo cơ sở cho việc giảm chi phí thép làm

ống neo

Cần nhắc lại rằng: Khi muốn lắp đặt vì neo, đặc biệt là VNOC tại những vị trí đá đang có

ứng suất kéo nguy hiểm theo các phương ngang lỗ neo, phải có biện pháp đề phòng sự cố: gia

cường sơ bộ cho đá bằng kết cấu hỗ trợ tạm thời; gia cường sơ bộ cho đá bằng các vì neo lân

cận Tránh làm mất vật chất và liên kết của đá tại những vị trí đó khi chưa có gia cường sơ bộ,

đề phòng khả năng làm xuất hiện trạng thái ứng suất kéo phá huỷ Bởi vì chính quá trình tạo lỗ

neo để lắp đặt chúng là quá trình làm mất vật chất và liên kết của đá, có thể làm xuất hiện trạng

thái ứng suất kéo phá huỷ trong đá xung quanh, trong khi các VNOC cũng như hầu hết các vì

neo khác, đều không có khả năng chủ động gây kéo ngược đá vách lỗ neo theo các chiều

hướng về phía tâm và trong các mặt phẳng ngang trục lỗ neo đó [7] Khi đá vách lỗ neo chịu

trạng thái ứng suất kéo theo các hướng ly tâm và trong các mặt phẳng ngang trục lỗ neo đó;

chính lực giãn ngang của VNOC lại làm tăng ứng suất kéo đó lên và có thể vượt ngưỡng nguy

hiểm

CT 2

Tài liệu tham khảo

[1] Tunnel et ouvrages souterrains - N0 129 - Paris - 5+6/1995

[2] B Stillborg Professional users handbook for rock bolting - Bản dịch chữ Việt - Đỗ Ngọc Anh

- Sổ tay người sử dụng neo gia cố công trình - Đà Nẵng - 2002

[3] Nguyễn Văn Phương Về việc sử dụng vì neo gia cường khi xét tới tác động của lực cắt -

Thông tin khoa học công nghệ mỏ - Viện Khoa học công nghệ mỏ Hà Nội - 2+3/2005

[4] V.P Volkov & đr - Tonneli i metropolitenư - NXB Transport - Moxkva - 1964 (tiếng Nga);

[5] Nguyễn Y Tô (chủ biên) Sức bền vật liệu - Tập 1 - NXB Đại học và trung học chuyên

nghiệp- Hà Nội - 1967

[6] R Schach; K Garshol & A.M.Heltzen Rock bolting - A practical handbook - Norwegian

institute of rock blasting techniques - 1979

[7] Đỗ Thụy Đằng Những vị trí mặt lộ của khối đá cần hạn chế bố trí vì neo - T/c Người xây

dựng - Hà Nội - 10/2006

[8] Đỗ Thụy Đằng Để giảm bớt th i gian lắp đặt các neo ống hở khi đi gương công trình ngầm -

T/c Người xây dựng - 12/2003♦