Phương pháp mới để bố trí và thính toán vì neo gia cường khối đá

1.1- Về sơ đồ bố trí : Đến nay, việc bố trí VN gia cố MLKĐ chủ yếu vẫn được quyết định bởi kinh nghiệm, xoay quanh mức định tính về phương vị và mức bình quân về mật độ, theo từng nhóm,

1

PHƯƠNG PHÁP MỚI ĐỂ BỐ TRÍ VÀ TÍNH TÓAN

VÌ NEO GIA CƯỜNG KHỐI ĐÁ

Đỗ Thụy Đằng

ĐH Mỏ Địa chất Hà Nội

Email: dothuydang@gmail.com ; Tel: 091 276 3260

1 Nhận xét chung:

Vì neo (VN) đã và đang được dùng rộng rãi để gia cường các khối đá (KĐ) bên các mặt

lộ (ML) khác nhau Trong đó đáng kể nhất là các KĐ bên các ML xung quanh các công trình

ngầm, xung quanh các hố móng sâu và bên các bờ dốc lớn [1], [2], [3], [4], [5], [6] Có

trường hợp, chúng chỉ có giá trị sử dụng như các kết cấu chống giữ tạm thời Nhưng cũng có

trường hợp, chúng có giá trị sử dụng suốt từ khi hoàn thiện việc thi công lắp đặt, đến khi khai

thác xong công trình: từ mức tối thiểu là đóng vai trò cuả một hợp phần trong hệ thống kết

cấu chống cố định có 2 hay nhiều hợp phần, đến mức tối đa là đóng vai trò cuả các kết cấu

độc lập giữ an toàn cho công trình

Để dễ theo dõi, chúng ta quy ước: Mỗi VN tối đa gồm 3 đoạn: Đoạn nằm sâu trong KĐ

và xa ML nhất là đầu neo, đoạn nằm ngoài ML là đuôi neo và đoạn nằm giữa là thân neo Đến nay, cả cơ sở chọn vị trí và tư thế công tác; cũng như cơ sở tính toán quy cách và kết

cấu VN đều vẫn chưa có được lý thuyết minh bạch, cho nên cả người thiết kế và người thi

công đều vẫn khó áp dụng, đến

nỗi rất dễ bị áp dụng sai

1.1- Về sơ đồ bố trí : Đến nay, việc bố trí VN gia cố MLKĐ chủ yếu vẫn được quyết

định bởi kinh nghiệm, xoay quanh mức định tính về phương vị và mức bình quân về mật độ,

theo từng nhóm, bên từng MLKĐ cần gia cường bằng VN; còn ít phụ thuộc vào trạng thái

ứng suất (ư/s) của bản thân các phần tử đá ở từng vị trí bên ML

Ngay với 2 nhóm VN quan trọng nhất là nhóm VN gia cường các KĐ trên nóc và nhóm

VN gia cường KĐ bên tường, đã cho thấy tình trạng chưa chú ý đến các yêu cầu đặc thù,

tương ứng với từng địa điểm và phương vị công tác của mỗi nhóm :

- Với nhóm VN gia cường KĐ trên nóc:

Khi ML trên nóc có dạng cong vòm và KĐ có hai hệ khe nứt cắt nhau, mọi VN hiện

nay, hầu như đều được bố trí gần như vuông góc với ML [1;2;3;4;5…], với hy vọng : mỗi

khối sụt trở thành một khối nêm tự chèn, làm giảm tải trọng kéo VN và giảm được chiều dài

LN xuống mức tối thiểu, bất kể trạng thái ư/s của KĐ thay đổi theo vị trí của ML

Khi ML trên nóc nằm ngang và KĐ ở đây phân lớp ngang, tuy có 1số VN được bố trí

nghiêng, nhưng hầu hết các VN đều được bố trí vuông góc với ML[1],[3]…; với hy vọng

giảm được chiều dài neo LN xuống mức tối thiểu

- Với nhóm VN gia cường KĐ bên tường:

Có người đưa ra sơ đồ bố trí VN gần như vuông góc với ML [1,2 3, 4…], với hy vọng

tạo thuận lợi cho quá trình thi công lắp đặt VN Nhưng lại có người đưa ra sơ đồ bố trí VN

2

gần như vuông góc với mặt trượt giới hạn Mo-Cu lông [6,7,8…], với hy vọng nâng mức hiệu

quả gia cường KĐ lên cao

Nói chung, trạng thái ư/s của các phân tố đá bên cùng một ML công trình là không

giống nhau Cho nên, không chỉ nhiệm vụ của từng nhóm VN theo tư thế MLđã khác nhau;

mà cả nhiệm vụ của từng VN trong 1 nhóm cũng khác nhau Vì vậy, khi quy cách các VN

gần như nhau, thì việc bố trí chúng theo mật độ bình quân chắc chắn là chưa hợp lý Trong

đó, những trường hợp bất hợp lý nhất là (xem hình 1 ) :

Hình 1: Sơ đồ tính toán vì neo nêu trong các tài liệu [3] &[5]

A – Khoảng cách giữa các vì neo

L – Chiều dài làm việc của vì neo

1– Vì neo 2– Khối đá dự kiến có ứng suất phá hủy, nhưng được neo kết, trở thành cơ hệ như vỏ chống bán nhân tạo 3– Khối đá có ứng suất phá hủy nhưng không được neo kết

- Những vị trí bất lợi lớn nhất cho quá trình thi công và lắp đặt VN, nhưng vẫn bố trí

VN như những vị trí khác, mà không khuyến cáo cách bố trí và thi công riêng

- Những vị trí xuất hiện sự tập trung ư/s cao, nhưng vẫn bố trí lượng VN theo tiêu chí

bình quân

- Những VN gia cường phần ML chịu ư/s kéo pháp tuyến lớn nhất cũng chỉ có các

thông số giống như những VN gia cường phần ML chịu ư/s nén pháp tuyến lớn nhất

1.2- Về sơ đồ tính toán : Đa số VN chỉ được tính toán theo yêu cầu chịu kéo dọc, 1 số

VN chỉ được tính toán theo yêu cầu chịu cắt ngang [7] Đến nay vẫn chưa có sơ đồ tính toán

tổng quát, vì vẫn chưa làm rõ được nguyênlý: VN muốn gia cường KĐ nào, phải làm việc

chung với KĐ đó và cũng phải chịu trạng thái ư/s tương hợp với trạng thái ư/s của cơ hệ KĐ

đã neo kết đó

Một số trường hợp do không đủ thông tin về VN, đến nỗi không dám sử dụng VN ( bởi

không đủ khả năng thi công VN chịu kéo dọc quá lớn, có độ dài quá lớn và có đầu neo quá

phức tạp), và chấp nhận sử dụng kết

cấu khác vừa đắt tiền, vừa chiếm

không gian lớn ,vừa khó thi công,

vừa tốn thời gian chế tạo và thi

công,vừa khó phối hợp với kết cấu

khác…

Hình 2: Sự cố sụt nóc đoạn cửa

Nam nhánh chính hầm đường ôtô dưới

VN bị quá tải và số nhóm đó trở thành không đủ khả năng sử dụng

Một số trường hợp khác; mặc dù đã sử dụng các VN không thỏa mãn yêu cầu của hiện trường, lại bố trí chúng vào những vị trí bất lợi, nhưng vẫn không có biện pháp thi công phù hợp với yêu cầu an toàn tương hợp, nên đã tự chuốc lấy tai họa khôn lường (hình 2)

2 – Những nghiên cứu cơ bản :

2.1 Một số quy ước sơ bộ :

Chúng ta có thể ví các VN như là các cốt (armatures) gia cường KĐ Cho nên cần cố gắng bố trí chúng đảm nhận các vai trò tương xứng, trong hệ thống kết cấu KĐ có cốt, mà khả năng thi công lắp đặt VN là đáp ứng được và chi phí chung là cho phép : hoặc là làm việc với từng ư/s chính hoặc là làm việc với cả ư/s phức tạp, trong từng điều kiện cụ thể, sao

cho hệ thống kết cấu KĐ có cốt không xuất hiện trạng thái ư/s vượt quá giới hạn bền của KĐ

(thậm chí vòng tròn Mo ư/s thực tế luôn luôn nằm trong giới hạn bền của KĐ có cốt) trong suốt thời gian dự kiến

Trên cơ sở trạng thái ư/s của từng phân tố đá tại ML và đường đặc tính giới hạn bền của

KĐ [9,10], chúng ta có thể kết hợp với khả năng thi công thực tế, để tìm ra các thông số cơ bản của từng nhóm cũng như từng VN tương ứng

Chúng ta coi ư/s chính của phân tố đá tại ML KĐ có các đặc tính sau:

- Dấu của ư/s chính gây nén là dương(+), còn dấu của ư/s chính gây kéo là âm(-)

- Các ư/s chính tác dụng dọc trục công trình là các ư/s chính trung gian (2)

- Trong mặt phẳng vuông góc với trục dọc công trình , các ư/s chính tác dụng theo

phương vuông góc và tiếp tuyến với đường biên công trình là các ư/s chính lớn nhất (1) và nhỏ nhất (3)

Cho nên để tiện sử dụng lý thuyết bền Mo-Culông, chúng ta chỉ nghiên cứu những phân tố đá có trạng thái ư/s khối; nhưng trong mặt cắt vuông góc với trục dọc tính toán của công trình, có tác dụng của các ư/s chính lớn nhất (1) và nhỏ nhất (3)

Hơn nữa, nhiệm vụ quan trọng nhất của công tác gia cường KĐ xung quanh công trình

là gia cường các phân tố đá tại ML có khả năng chịu các trạng thái ư/s nguy hiểm Cho nên bước đầu, trong phạm vi bài viết này, chúng ta chỉ nghiên cứu sơ đồ bố trí và neo gia cường các phân tố này của KĐ, khi coi toàn KĐ có cùng phẩm chất

2.2 Một số nhận xét :

4

- Để cú cơ sở hiểu về tải trọng tổng quỏt của mỗi VN núi chung, chỳng ta cú thể xem

xột hệ tải trọng của một số VN đơn giản cú cỏc tờn riờng thụng dụng: đinh, đinh vớt, đinh bu

lụng neo…, khi chưa kể dến dự lực căng dọc chỳng do lực đúng hoặc vặn chỳng hơi quỏ

ngưỡng:

- Cỏc đinh (vớt) thẳng đứng, định vị trần giả lờn trần thật, nếu mũ đinh đủ bền, cỏc thõn

đinh gần như chỉ cần chống lực dọc đinh (vớt)

- Cỏc đinh (vớt) nằm ngang trờn tường, cột…để treo khung ảnh, cõu đối, đồng hồ, bảng

tin…cỏc thõn đinh gần như chỉ cần chống lực cắt ngang đinh (vớt)

- Đối với cỏc bu lụng neo trờn tường để mắc vừng, căng dõy phơi…, nếu gúc hợp bởi

tiếp tuyến của đầu buộc dõy vừng, dõy phơi…với trục dọc bu lụng neo là t ; lực dọc bu lụng

neo là Fd và lực ngang bu lụng neo là Qn ; rừ ràng, khi t tăng từ : t (o)= 0 đến t (90)= 900 , thỡ

Fd giảm dần từ Fd (max) > 0 xuống Fd (min)= 0 ; cũn Qn tăng dần từ Qn(min)= 0 đến Qn (max)> 0

Nghĩa là khi : 0 < t < 900 thỡ cỏc bu lụng này vừa phải chịu lực dọc bu lụng, vừa phải chịu

lực ngang bu lụng Riờng khi : t = 0 thỡ chỳng chỉ chịu lực dọc và riờng khi : t = 900 thỡ

chỳng chỉ chịu lực ngang

- Đối với nhúm đinh (vớt) nằm ngang cựng

định vị một giỏ đỡ hàng kiểu cụng xụn, trờn

tường đứng (hỡnh 3 ), mỗi cỏi lại nhận 1 hệ tải

trọng riờng theo chiều từ trờn xuống: lực tỏc

dụng dọc đinh (vớt) giảm dần, cũn lực tỏc dụng

ngang đinh (vớt) cú thể coi như là bằng nhau;

riờng đinh (vớt) sỏt mỳt dưới khung giỏ, gần như

chỉ cú nhiệm vụ chống cắt ngang

- Cũn với đinh (vớt) định vị dõy nộo giỏ đỡ

hàng đú, cú nhiệm vụ thay đổi từ chống nhổ dọc

đến chống cắt ngang tương ứng với gúc hợp với

dõy nộo từ 00 đến 900 (hỡnh 3)

- Trong dầm nhiều lớp, ghộp bằng cỏc bu lụng bắt vuụng gúc với dầm, đặt trờn 2 gối tựa;

khi dầm bị uốn vừng, mỗi bu lụng cũng nhận 1 hệ tải trọng riờng, tựy vào cỏc yếu tố ảnh

hưởng khỏc nhau, trong đú cú vị trớ của bu lụng tương ứng với chiều dài dầm ghộp : bu lụng

ở mặt cắt dầm chịu ứng suất uốn cực trị, gần như chỉ chịu lực dọc; cũn cỏc bu lụng khỏc, núi

chung đều chịu cả lực dọc và lực cắt, vỡ mặt cắt ngang dầm ban đầu là phẳng và vuụng gúc

với trụ dọc dầm, nhưng sau khi dầm biến dạng uốn vừng, núi chung chỳng khụng cũn phẳng

và vuụng gúc với trục dầm nữa ( giả thuyết Bộcnuli và giả thuyết cỏc thớ dọc dầm khụng đẩy

và khụng ộp nhau - khi nghiờn cứu biến dạng của dầm chịu uốn thuần tỳy trong lý thuyết sức

bền vật liệu chỉ là gần đỳng, và cần hạn chế ỏp dụng vào đõy)

- Đặc biệt, khi tỡm hiểu về nhúm que tăm liờn kết cỏc củ khoai với nhau để tạo hỡnh

những con giống ngộ nghĩnh , chỳng ta khụng những thấy mỗi que tăm phải chịu 1 hệ tải

trọng riờng, mà cũn thấy chỳng chỉ định vị những củ khoai rời rạc với nhau , khụng thụng

qua 1 khối vật chất cố định nào cả

Hình 3: Sơ đồ các đinh (vít) nằm ngang, định vị giá đơ hàng trên tuờng

đúng.

1 - Giá đơ 2 - Dây néo.

5

Khi nghiên cứu trạng thái ư/s thứ sinh trong các KĐ bên các ML khác nhau ( bên bờ dốc, xung quanh hầm lò…) khi chưa được gia cường, chúng ta đều thấy: rất ít các phần tử đá chỉ chịu trạng thái ư/s đơn, còn hầu hết các phần tử đá đều phải chịu trạng thái ư/s phức tạp;

do đó rất ít VN chỉ chịu trạng thái ư/s đơn (kể cả dọc trục và ngang trục); đa số các VN chịu trạng thái ư/s phức tạp (vừa dọc trục, vừa ngang trục [7,8 ,9,14…]

Đến đây, chúng ta suy ra được:

- Phải cố gắng bố trí và tính toán VN làm việc chung với KĐ, để cả cơ hệ KĐ và VN đều có trạng thái ư/s thứ sinh mới , an toàn trong suốt quá trình thi công và sử dụng VN: đối với KĐ, các ư/s nguy hiểm dự kiến đều không xuất hiện và đều được thay thế bằng các ư/s khác nhỏ hơn nhưng không vượt quá giới hạn an toàn, còn các ư/s dự kiến khác có thể được thay thế bằng lớn hơn nhưng vẫn trong giới hạn an toàn

- Việc bố trí VN gia cường KĐ, dẫu cố gắng đáp ứng yêu cầu đặt cốt, nhưng do còn phụ thuộc vào đặc điểm của vị trí, tư thế và không gian trống xung quanh các phần tử đá cần

bố trí và thi công lắp đặt neo; cho nên các thông số của VN gia cường KĐ nếu chỉ được xác định yêu cầu chịu lực dọc trục VN là chưa hợp lý, chúng phải được xác định theo điều kiện

cụ thể của hiện trường và đặc tính tương tác của VN với KĐ xung quanh

- Theo tương tác giữa VN với các KĐ rắn xung quanh và tác dụng của VN; có thể chia các VN nói chung thành 3 nhóm : 1/ Nhóm liên kết các phần tử của KĐ rắn vỡ rời hoặc nứt

nẻ với KĐ rắn liên kết cố định 2/ Nhóm liên kết các phần tử của bản thân KĐ rắn vỡ rời hoặc nứt nẻ với nhau 3/ Nhóm vừa liên kết các phần tử của KĐ rắn vỡ rời hoặc nứt nẻ với nhau, vừa liên kết chúng với KĐ rắn liên kết cố định

Như vậy, các VN nhóm 1 có phần thân neo không nhất thiết phải liên kết ngang với

KĐ rắn và rời nằm gần ML, chỉ cần đầu neo liên kết đặc biệt với KĐ xung quanh đủ ổn định

và đuôi neo làm việc chung với ML; các VN nhóm 2 thường ngắn hơn, nhưng cả số lượng và chất lượng các liên kết giữa VN với các phần tử đá rắn và rời nằm vây quanh đều phải tương ứng thích hợp ; cho nên thường khó xác định được điều kiện áp dụng đạt hiệu quả tối ưu ; còn các VN nhóm 3 làm việc tin cậy hơn các VN nhóm 1, nhưng để có thêm dự trữ bền có thể tính như các VN nhóm 1

2.3- Nguyên lý làm việc của VN gia cường KĐ bên ML:

Từ hiểu biết phương pháp dùng VN gia cố KĐ rắn trong vỏ trái đất là dùng VN thay đổi đặc tính cơ lý dự kiến theo điều kiện hiện trường của KĐ đó; cho nên để sử dụng VN gia cường KĐ vừa phù hợp cả yêu cầu kinh tế, vừa phù hợp cả điều kiện tự nhiên, điều kiện thi công và các điều kiện kỹ thuật cụ thể, chúng ta cần phải tùy theo điều kiện hiện trường cùng với khả năng chế tạo và thi công lắp đặt VN, mà chọn cho chúng có thể làm việc theo 1sơ đồ công tác phù hợp nhất,tương ứng với 1 hoặc tổ hợp 1số hình thức làm việc trong số các

nguyên lý làm việc sau đây:

2.3.1- Nguyên lý neo kết bản thân KĐ yếu nằm theo ML với nhau (gọi tắt là nguyên

lý neo kết) : dùng VN thay đổi hệ lực tương tác giữa các phần tử trong bản thân KĐ yếu đó (gồm 1 số đủ lớn các phân lớp đá mỏng, các phần tử đá gần như riêng rẽ hoặc chỉ tương tác yếu với nhau), để biến cơ hệ KĐ yếu đủ dày đã neo kết đó, thành 1 kết cấu bán nhân tạo, đủ khả năng tự ổn định theo yêu cầu mang tải thực tế đặt ra Theo nguyên lý neo kết, VN có thể làm việc dưới 1 hoặc 1số hình thức cơ bản sau đây :

2.3.2 – Nguyên lý neo giữ KĐ yếu nằm theo ML với KĐ ổn định nằm tiếp giáp (gọi tắt

là nguyên lý neo giữ) : dùng VN thay đổi hệ phản lực của KĐ yếu đó (không hạn chế số lượng các phân lớp đá mỏng, các bộ phận đá, cũng như các phần tử đá gần như riêng rẽ, hoặc chỉ tương tác yếu với nhau) Theo nguyên lý neo giữ, VN có thể làm việc dưới 1 hoặc 1 số hình thức cơ bản sau :

+Treo KĐ yếu bên dưới lên KĐ ổn định bên trên; nhằm phòng chống sự sập lở hoặc sự tróc lở KĐ yếu bên dưới

+ Định vị KĐ yếu nằm theo ML bên tường với KĐ ổn định nằm ẩn xa sau KĐ yếu đó; nhằm phòng chống sự lật đổ, sự uốn gãy và sự trượt lở KĐ yếu đó

+ Định vị KĐ yếu nằm theo mặt nền với KĐ ổn định nằm ẩn sâu dưới KĐ yếu đó; nhằm phòng chống sự bồng nền

Trên thực tế, khi làm việc theo nguyên lý neo giữ, tuy VN vẫn có tác dụng neo kết; nhưng do tác dụng này chỉ đóng vai trò rất nhỏ so với tác dụng neo giữ ; cho nên khi đó, có thể cho phép bỏ qua tác dụng neo kết

2.3.3 – Trong trường hợp chung, trạng thái ư/s của VN là phức tạp, với sự biểu hiện khác nhau của từng thành phần ư/s pháp tuyến và tiếp tuyến, tương ứng với từng sơ đồ bố trí

để tiếp nhận các ngoại lực khác nhau Vì thế, khi tính toán VN theo điều kiện bền và ổn định lực học, phải dựa vào sơ đồ bố trí và sơ đồ tải trọng để tính toán theo biểu hiện của từng trạng thái: chịu kéo, chịu uốn và chịu cắt cụ thể, không thể coi VN chỉ đơn thuần là chịu kéo dọc

2.3.4 – Khi chọn nguyên lý cùng với hình thức làm việc của VN để bố trí và tính toán chúng, cần chú ý rằng :

- Kết quả bố trí và tính toán VN theo nguyên lý cùng với hình thức nào, cũng chỉ có hiệu quả hợp lý riêng, khi điều kiện hiện trường, đặc tính VN và công nghệ thi công có hình thức tương ứng với sơ đồ tính toán mẫu cuả nguyên lý cùng với hình thức ấy

- Khi các điều kiện khác giống nhau, VN làm việc theo nguyên lý treo thường dài hơn

và mập hơn; vì thế chỉ nên bố trí và tính toán chúng làm việc theo hình thức này khi không

có điều kiện bố trí và tính toán chúng làm việc theo các hình thức và nguyên lý khác Thí dụ như: khi số các lớp đá mỏng sát mặt lộ hơi ít, chúng chỉ ổn định nếu được định vị với lớp đá dày ổn định phía trên; hoặc khi các lớp đá mỏng sát ML đang bị kéo căng gần đến giới hạn, đặc biệt là tại mặt cắt có mômen uốn cực đại gây căng ML [9]

Dưới đây là cơ sở lý thuyết để chọn sơ đồ bố trí và tính toán VN gia cường các phần tử

đá bên ML có thể phải chịu các trạng thái ư/s nguy hiểm nếu không được gia cường bằng

VN, với mục tiêu kinh tế kỹ thuật cơ bản là:

+ Giữ cho cơ hệ KĐ có VN không phải chịu trạng thái ư/s nguy hiểm

7

+ Cho phép sử dụng loại VN thông dụng, có quy cách hợp lý, dễ chế tạo, dễ thi công, thi công nhanh, dễ tu chỉnh, có khả năng làm việc chung với các kết cấu bổ sung và giá thành hợp lý

2.4 - Những vị trí mặt lộ KĐ không nên bố trí VN nếu trước đó chưa có biện pháp gia cường sơ bộ

2.4.1- Nguyên tắc chung:

Bậc quản lý tài, chẳng nguôi ngoai phòng hiểm họa

Nhà chuyên môn giỏi, luôn nổi trội giữ an toàn

Khi chưa có sự gia cường sơ bộ cho ML KĐ (bằng bê tông phun, bằng các cấu kiện lắp ghép, bằng các trụ chống…), để tránh gây ra những sự cố bất thường cho KĐ, không nên

bố trí VN vuông góc với ML KĐ tại những điểm có nội lực mô men cực trị (tiếp tuyến của biểu đồ mô men tại đây nằm song song với tiếp tuyến của ML KĐ tại đây) và những điểm có nội lực mô men bằng không nằm xen giữa hai phần ML KĐ có biểu đồ nội lực mô men trái dấu nhau (góc nhọn  giữa tiếp tuyến của biểu đồ nội lực mô men tại đây và tiếp tuyến của đường biên khối đá tại đây luôn nằm trong khoảng: 0 <  < 90o); nhất là khi nội lực mô men cực trị gây căng thớ biên (hình 4 – theo [15]) Bởi vì trong các trường hợp đó, các mặt phẳng vừa song song với trục dọc công trình, vừa vuông góc với ML KĐ tại điểm này, chính là các mặt phẳng chịu các trạng thái ứng suất nguy hiểm Thế mà quá trình thi công lắp đặt VN, đặc biệt là công đoạn khoan lỗ neo tại các vị trí này, cũng chính là quá trình làm giảm lượng vật chất và tính liên kết trong các mặt phẳng đó của KĐ

Hình 4 : Một số sơ đồ phân bố ứng suất pháp tuyến chính xung quanh hầm lò bằng (theo[15])

Thêm vào đó, đá nói chung là vật liệu chịu kéo và chịu cắt không tốt, cho nên cần đặc biệt tránh bố trí VN vuông góc với ML KĐ tại các điểm có nội lực mô men cực trị gây căng thớ mặt lộ, nhất là mặt lộ nóc hầm lò Bởi vì, mọi hoạt động thi công lắp đặt VN, đặc biệt là công đoạn khoan lỗ neo tại các vị trí này, đều làm tăng đáng kể ư/s kéo (k) thực tế trong mặt phẳng chính qua đây (k); thậm chí có thể làm cho vòng tròn Mo ư/s mới của phân tố đá tại đây, trở thành cắt qua đường đặc tính giới hạn bền - làm mất tính bền - của chính KĐ đó

2.4.2- Biện luận sơ bộ về khả năng bố trí VN ở những vị trí ML có ư/s nguy hiểm:

a/ Từ nguyên tắc chung không bố trí VN ở những vị trí ML nguy hiểm chưa được gia cường sơ bộ, có thể suy ra:

+ Đối với ML xung quanh hầm lò có mặt cắt ngang đối xứng và chịu tải trọng đối xứng, cần chú ý trước hết là: không nên bố trí VN nằm trong các trục đối xứng đó Ngoài ra, chỉ nên bỏ qua khuyến nghị này, khi tại đây đã có kết cấu gia cường sơ bộ

b/ Muốn VN làm việc có hiệu quả tại những phần ML có nội lực mô men căng thớ

ML, có thể dựa vào biểu đồ nội lực mô men để thực hiện gia cường KĐ bằng VN kết hợp với kết cấu khác, bắt đầu từ bước kết hợp các VN ở các vị trí ML an toàn với các kết cấu lắp ghép hỗ trợ nào đó (dầm đỡ, tấm chắn, lưới chắn…) cũng như kết cấu bê tông phun; đến bước bổ sung các VN ở các vị trí mặt lộ tuy ban đầu có nội lực mô men căng thớ trong,

nhưng đã được gia cường sơ bộ bởi các VN lân cận và các kết cấu hỗ trợ vừa thi công xong

(thí dụ sơ đồ : phối hợp VN với kết cấu thép [1] & [14] như trong hình 5)

c/ Khi muốn thi công lắp đặt VN tại những vị trí ML nguy hiểm, nhưng không có các kết cấu gia cường khác đang làm việc; có thể dựa vào cường độ của ư/s và tốc độ biến dạng của ML để chọn biện pháp thi công tương thích Với những vị trí ML của KĐ chịu trạng thái ư/s gần giới hạn , trước tiên cần thực hiện bước gia cường (chống đỡ) tạm thời cho KĐ tại đây bằng các kết cấu tạm thời khác nhau (từ mức thấp là sử dụng các kích, các cột đội và các văng tạm thời, đến mức cao là sử dụng các vì chống bằng gỗ và bằng thép ) để duy trì trạng thái ổn định, thậm chí tạo dự ứng lực nhằm đảm bảo cho KĐ trên ML không phải nhận các ư/s nguy hiểm trong suốt thời gian thi công lắp đặt VN gia cường chúng Với những vị trí

ML của KĐ chịu trạng thái ư/s chưa đến giới hạn, có thể áp dụng nguyên lý tăng dần số gối tựa, giảm dần nhịp ML tự do nhờ thi công lắp đặt các VN theo trình tự lấn dần từ chỗ an toàn nhiều hơn, đến chỗ an toàn ít hơn Hơn nữa, các VN này chỉ nên thiết kế làm việc theo

nguyên lý neo giữ; nghĩa là phải có đoạn đầu neo bám chặt vào KĐ ổn định lâu dài

Thực tế, biện pháp này thường phức tạp và cản trở các công việc khác, đồng thời gây tốn kém không khác gì sử dụng VN kết hợp với các kết cấu lắp ghép hỗ trợ đơn giản; nhưng

đã có dự trữ bền khá lớn, đến mức không phải thực làm gì thêm để ngăn chặn sự hình thành trạng thái ứng suất nguy hiểm cho KĐ (KĐ đã quá thừa bền, đến mức thêm VN có thể là lãng phí)

e/ Việc sử dụng VN gia cường KĐ hiện nay mặc dù chỉ theo chủ nghĩa bình quân chức năng, nhưng vẫn thành công có thể nói : hoặc là nhờ thiết kế dự trữ khả năng làm việc quá lớn, hoặc là nhờ thiết kế thời gian làm việc quá ngắn, biến dạng tại những phần mặt lộ nguy hiểm đã có sự hỗ trợ hiệu quả của những VN làm việc ở những phần ML lân cận

2.5 - Những vị trí phương vị nên ưu tiên bố trí VN gia cường KĐ

2.5.1 –Về mặt cơ học, nếu bố trí VN vuông góc với mặt cắt giới hạn bền (kéo đứt, trượt ) của phân tố đá là có thể đạt được hiệu quả cao trong công tác gia cường KĐ

Tuy nhiên về mặt thi công lắp đặt VN, phương vị này đôi khi khó thực hiện được, thậm chí có trường hợp không thể thực hiện được; nhất là, những điểm ML KĐ vừa có nội lực mô men đạt cực trị gây căng thớ ML, vừa có nội lực cắt ngang bằng không, sẽ không thể thi công lắp đặt được những VN thỏa mãn được những yêu cầu tối thiểu: vuông góc với những mặt cắt giới hạn bền – vừa song song với trục công trình (phương của ứng suất trung gian 2), vừa vuông góc với ML KĐ tại những điểm đó Thí dụ: với hầm lò bằng và nghiêng,

có mặt cắt ngang đối xứng, chịu tải trọng đối xứng sẽ không thể có biện pháp thi công lắp đặt

VN theo phương tiếp tuyến với mặt lộ KĐ và vuông góc với trục đối xứng

Để làm cốt cho KĐ trong trường này, hoặc là phải áp dụng loại cốt ngoài, dưới dạng các cấu kiện lắp ghép ngoài ML KĐ (hình 5), hoặc dưới dạng bê tông phun có sợi chịu kéo ; hoặc là phải chấp nhận bố trí VN xiên, đan chéo cánh sẻ qua mặt cắt có phân tố đang nghiên cứu; với góc nhọn  trong khoảng: 450    600; để chúng vưà chịu kéo, vừa chịu cắt

2.5.2 – Nhận xét cơ bản :

Một mặt, đá rắn nói chung cũng giống như các vật liệu dòn khác có khả năng chịu cắt tương ứng với lực dính kết đơn vị và lớn hơn khả năng chịu kéo.Mặt khác, VN không chỉ có khả năng chịu kéo dọc mà còn có khả năng chịu cắt ngang [11] Nếu bố trí VN chỉ làm nhiệm

vụ chịu kéo dọc trục, thì lãng phí khả năng chịu cắt ngang của chúng

Vì thế trong trường hợp chung, nên bố trí VN làm việc trong các mặt cắt có cả các ư/s pháp tuyến và tiếp tuyến, để vừa tận dụng được khả năng chịu cắt của VN và khối đá, vừa giảm bớt được yêu cầu chịu lực dọc trục của VN

Tuy nhiên để tận dụng được khả năng chịu cắt của VN, cần đảm bảo khả năng tương tác giữa VN và KĐ theo toàn chiều dài VN sớm đạt hiệu quả phù hợp Trừ các VN làm việc trực tiếp với KĐ xung quanh, ngay trong quá trình thi công lắp đặt (như các VN xoắn chẳng hạn); các cốt chịu lực chính của các VN khác đều cần được làm việc gián tiếp với KĐ trực

10

tiếp với KĐ xung quanh, ngay trong quá trình thi công lắp đặt (như các VN xoắn chẳng hạn); các cốt chịu lực chính của các VN khác đều cần được làm việc gián tiếp với KĐ xung quanh: hoặc qua vật liệu có dính kết (như các VN bê tông cốt thép, VN dẻo cốt thép ), hoặc qua vật liệu hạt rắn cứng lèn xung quanh cốt neo

2.6 – Sơ đồ bố trí và sơ đồ tải trọng tính toán vì neo gia cường KĐ

2.6.1 – Lập luận cơ bản :

Chúng ta biết rằng; theo tương quan giữa vòng tròn Mo ư/s ở trạng thái phá huỷ dự kiến của phân tố đá nghiên cứu cần dùng VN để gia cường, với đường đặc tính bền của KĐ

đó, có thể chia các trạng thái ư/s này thành hai nhóm:

- Nhóm trạng thái ư/s của KĐ có nửa trên vòng tròn Mo ư/s phá huỷ cắt nửa trên đường đặc tính bền của KĐ đó tại 2 điểm ( hình 6) Khi ư/s chính pháp tuyến lớn nhất 1 là ư/s nén (1(N)) mang dấu (+) có trị số khác độ bền nén đơn (RN) của KĐ đó  (1 = 1(N)  RN ) Còn ư/s pháp tuyến chính nhỏ nhất 3 tổng quát, có giá trị đại số nhỏ hơn 1  (3 < 1); tương ứng với 3 trường hợp: a/ 3 là ư/s kéo (3(K)) mang dấu (-) có trị số nhỏ hơn độ bền kéo đơn (Rk) của KĐ đó  3 = 3(K) < Rk b/ 3 = 0 c/ 3 là ư/s nén (3(N)) mang dấu (+) có trị số độ bền nén đơn (RN) của KĐ đó  3(N) < 1(N)  RN

Hình 6 : Sơ đồ quan hệ giưã vòng tròn Mo ứng suất an toàn (a) với vòng tròn Mo ứng suất phá

hủy dự kiến (p), vòng tròn Mo ứng suất giới hạn khả dĩ (g) và đường đặc tính bền

A/ Khi VN đảm bảo cho KĐ chỉ chịu trạng thái ứng suất an toàn trong miền ứng suất nén an toàn B/ Khi VN chỉ tạo ứng suất nén pháp tuyến chính  3(at) >  3() > 0; hoặc giảm ứng suất nén

pháp tuyến chính 0 <  1( ’ at) <  1( ’ ) để gia cường KĐ chịu trạng thái ứng suất nén đơn

C/ Khi VN tạo ứng suất nén pháp tuyến với mặt trượt khả dĩ của KĐ

chịu trạng thái ứng suất phức tạp

12

- Nhóm trạng thái ư/s của KĐ có nửa trên vòng tròn Mo ứng suất phá huỷ, cắt nửa trên đường đặc tính bền của KĐ đó tại 1 điểm (hình 11), khi ư/s pháp tuyến chính nhỏ nhất 3 là ư/s kéo (k) mang dấu (-) có trị số lớn hơn độ bền kéo đơn (Rk) của KĐ đó: (3 = k )>RK

Thông thường, sau khi VN đã làm việc chung với KĐ trên ML, dọc theo phương thân

VN, tác dụng chủ động của VN là gây nén chứ không phải gây kéo, vì thế VN vừa không có khả năng gây ư/s kéo cho đá trên ML, vừa không có khả năng trực tiếp giảm ư/s nén cho KĐ trên ML đó

Khi dùng VN gia cường KĐ, nếu không chú ý tới ảnh hưởng đồng thời của trạng thái ư/s tại ML KĐ, đường đặc tính bền của KĐ và công nghệ thi công độc lập, có thể quá lạc quan rằng, việc dùng VN gia cường KĐ, là để KĐ có trạng thái ư/s bền vững, biểu diễn bằng vòng tròn Mo ứng suất bền vững bất kỳ, nằm lọt trong đường đặc tính bền của KĐ đó

Xét 3 trường hợp gia cường KĐ nêu trên hình 6, chúng ta thấy, về mặt cơ học thuần tuý, nếu gia cường KĐ có được các trạng thái ư/s như thế, đều là đạt yêu cầu.

Nếu bổ sung yêu cầu kinh tế và công nghệ thi công VN độc lập, thì yêu cầu gia cường trong hình 6A là chưa có mốc giới rõ ràng để xác định các thông số của VN cần thiết; còn yêu cầu gia cường trong hình 6B là chưa hợp lý về mặt công nghệ thi công Nếu KĐ chịu các trạng thái ư/s đơn trục, mà không có biện pháp thi công hỗ trợ, thì việc thi công VN vuông góc với phương ư/s chính đơn trục đã có, lại gây yếu thêm KĐ Vì thế, nếu KĐ chịu ư/s nén

đa trục, khi dùng VN chỉ để bổ sung cường độ cho ư/s chính nhỏ nhất tự nhiên của KĐ, chắc chắn sẽ gặp khó khăn lớn hơn và đòi hỏi mức độ đầu tư lớn hơn, so với khi dùng VN vuông góc với mặt trượt khả dĩ, để tạo ra lực nén pháp tuyến với mặt trượt khả dĩ này (Hình 6C), và

để có được 2 thành phần ư/s bổ sung cho cả ư/s chính nhỏ nhất 3 và ư/s chính lớn nhất 1 Thế mà, sau khi phân chia lực tổng hợp thành hai lực thành phần theo nguyên lý hình bình hành, thì tổng độ dài của hai lực thành phần, luôn lớn hơn độ dài của một lực tổng hợp; cho nên khi bố trí VN có phương vị thích hợp, tức là, đã chuyển vòng tròn Mo ư/s mới càng xa trục tung (theo hướng bổ sung lực nén để giảm tác dụng của lực kếo đang hoạt động), để đến nơi đường đặc tính bền có lòng càng rộng hơn và vòng tròn Mo ư/s càng dễ nằm lọt vào lòng đường đặc tính bền hơn; góp phần cho VN làm việc được hiệu quả hơn (hình 6C)

Khi dùng VN gia cường KĐ trên ML công trình là ngăn không cho trạng thái ư/s của các phân tố đá ở đây phát triển đến trạng thái ư/s phá huỷ dự kiến (biểu diễn bằng vòng tròn

Mo ư/s phá huỷ,cắt đường đặc tính bền của KĐ đó), mà chỉ dừng lại ở trạng thái ư/s bền, biểu diễn bằng vòng tròn Mo ư/s có đặc điểm cơ bản là (Hình 6C) :

+ Nằm trong miền an toàn giữa lòng đường đặc tính bền

+ Có tâm Oat cách phía bên phải tâm OPh của vòng tròn Mo ư/s thứ sinh phá huỷ dự kiến, một khoảng cần thiết nào đó phù hợp với tương quan giữa thời gian làm việc hiệu quả của VN và tính từ biến thực tế của KĐ

+ Cắt cung P1(Ph) bên phải vòng tròn Mo ư/s thứ sinh phá huỷ dự kiến (phần vòng tròn Mo ư/s thứ sinh phá huỷ dự kiến nằm bên phải các điểm cắt đường đặc tính bền của KĐ nghiên cứu, nhưng không kể điểm cắt này)

13

Cho nên , để chọn đặc tính và vị trí làm việc cho VN gia cường KĐ chúng ta chỉ chú ý chọn các thông số trạng thái ư/s bền của KĐ có liên quan trực tiếp đến phần đường đặc tính bền đang nghiên cứu của chính KĐ đó , nhưng nằm phía bên phải các điểm cắt vòng tròn Mo ư/s thứ sinh phá huỷ dự kiến (phần hàm số  =() xác định với  >P trong hình 6C)

Từ hình 6, chúng ta suy ra: để giảm chi phí gia công chế tạo cũng như chi phí gia công

và chi phí đảm bảo cho VN hoạt động an toàn, cần cố gắng chọn trạng thái ư/s an toàn cho

KĐ trên ML có ư/s chính lớn nhất 1(at) và ư/s chính nhỏ nhất 3(at) tương ứng trong các

khoảng sau đây:

1(gh) < 1(at) < 1(ph) (1) 3(gh) < 3 (at) < 1(at) (2)

Vì thế, tâm của vòng tròn Mo ư/s an toàn (Oat) có thể nằm trong một khoảng trục

hoành (hình 6C): từ gốc tọa độ đến tâm của vòng tròn Mo ư/s giới hạn (Ogh)

2.6.2.- Các thông số cơ bản :

a/ Quy ước:

- Trên mặt phẳng toạ độ -, chỉ biểu diễn các ư/s tiếp tuyến   0

- Đường đặc tính bền của KĐ đang nghiên cứu, xác định bằng hàm số (lập khi khảo sát địa chất và địa chất công trình – xem thêm [3 ] & [9]): = f() (3)

- Nếu nửa trên vòng tròn Mo ư/s phá huỷ dự kiến, cắt nửa trên đường đặc tính bền của

KĐ nghiên cứu tại 2 điểm: P và P’, thì P’ là giao điểm phía bên trái có tung độ P’ và hoành

độ P’ ; còn P là giao điểm phía bên phải (hình 6C), có tung độ P, hoành độ P Cho nên: P > P’ và (P - 3(ph)) > (P’ - 3(ph))

- Nếu nửa trên vòng tròn Mo ư/s phá huỷ dự kiến, cắt nửa trên đường đặc tính bền của

KĐ nghiên cứu tại 1 điểm: P*, thì P* có tung độ P* và hoành độ P*

- Ở đây, để đảm bảo tính tổng quát, chỉ nêu trình tự xác định các thông số cơ bản liên quan đến giao điểm P trong nhóm 1 Tuy nhiên, để có trình tự xác định các thông số cơ bản liên quan đến giao điểm P* trong nhóm 2, cũng có thể coi P* trong nhóm 2 tương đương với

P trong nhóm 1; kèm theo sự hiệu chỉnh dấu của các ư/s chính pháp tuyến và giá trị góc * ở tâm vòng tròn Mo ư/s phá huỷ dự kiến trong nhóm 2 – hợp bởi trục hoành với bán

ph ph

1ph ph p

) ( 3 1 ) ( 3 ) (

1 ph ph ph ph p