Tiểu luận cơ học đá (phân loại khối đá)

Phân loại khối đá được phát triển với mục đích phục vụ công tác thiết kế xây dựng công trình ngầm, cụ thể được sử dụng để đánh giá, nhận định về trạng thái khối đá tại hiện trường, để lự

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU – HÌNH ẢNH.

PHÂN LOẠI KHỐI ĐÁ.

1 Tổng quan.

Phân loại khối đá là tiến hành phân các khối đá thành các nhóm theo những biểu hiện nhất định, theo những chỉ tiêu hay những tiêu chuẩn xác định Phân loại khối đá được phát triển với mục đích phục vụ công tác thiết kế xây dựng công trình ngầm, cụ thể được sử dụng để đánh giá, nhận định về trạng thái khối đá tại hiện trường, để lựa chọn và bố trí các giải pháp bảo vệ, chống giữ và thi công Phân loại khối đá cũng còn được sử dụng để phục vụ công tác lập dự toán và quyết toán công trình Các phương pháp phân loại khối đá hầu hết đều dựa theo kinh nghiệm, hoặc kết hợp các kinh nghiệm định lượng thực tế với các kết quả phân tích theo lý thuyết Nói tóm lại, mục đích lớn nhất của việc phân loại khối đá đó là:

• Lựa chọn sơ bộ phương pháp khai đào cho công trình ngầm

• Lựa chọn sơ bộ biện pháp và kết cấu chống giữ cho công trình ngầm sau khai đào

2 Các phương pháp phân loại khối đá.

2.1 Phân loại khối đá theo Deer ( RQD ).

2.1.1 Nội dung.

Phương pháp phân loại khối đá theo RQD gọi là phương pháp đánh giá chất lượng khối đá( Rock Quaility Designation) do Deer đề xuất năm 1963 Từ quan sát và nhận xét độ dài các thỏi khoan lấy lên từ các lỗ khoan, theo Deer thì chỉ số RQD (chỉ

số chất lượng khối đá) được xác định theo công thức thực nghiệm sau:

% 100

KS

P

L

L

Trong đó:

LP - Tổng chiều dàI các thỏi khoan có chiều dài >2 lần đường kính lỗ khoan cần khảo sát: khi đường kính lỗ khoan bằng 5cm

LKS - Chiều dài lỗ khoan khảo sát

Dựa vào RQD Deer đã sắp xếp các khối đá làm 5 loại tương đương theo bảng sau:

Bảng 2 1: Sự sắp xếp chất lượng khối đá theo Deer.

RQD Phân loại chất

lượng

Số khe nứt/1mdài

Tỷ lệ mô đun biến dạng KE

Tỷ số Vdk/Vdm

2.1.2 Ưu nhược điểm.

 Ưu điểm

• Phương pháp này được tiến hành một cách đơn giản, nhanh chóng cho ra kết quả

 Nhược điểm

• RMR phân loại khối đá chỉ dựa và một chỉ tiêu duy nhất là chất lượng lõi khoan mà bỏ qua nhiều yếu tố quan trọng khác như đặc điểm cấu trúc của khối đá, độ bền của đá và khối đá, nước trong khối đá…

• Tại các khe nứt có chứa chất lấp nhét dạng sét Các chất lấp nhét này sẽ làm giảm ma sát của các khe nứt Do vậy cho dù chỉ số RQD cao nhưng thực tế khối đá xung quanh công trình ngầm không ổn định

• Giá trị của RQD không phụ thuộc vào kích thước công trình ngầm

• RQD bằng 100% là rất bất hợp lý trong trường hợp khối đá có khoảng cách các khe nứt liên tục là 105mm, trong trường hợp này khối đá có thể bị sập

đổ ngay vì mất ổn định do khối nêm RQD bằng 0% trong trường hợp đá nứt

nẻ mạnh nên không thu hồi được lõi khoan, nhưng thực tế hầm không bị mất

ổn định ngay lập tức do nguyên lý khối khóa

2.1.3 Phạm vi áp dụng.

Do ưu điểm dễ xác định nên phương pháp phân loại khối đá của Deer thường được áp dụng cho các đường lò trong mỏ

2.2 Phân lọa khối đá theo Bienawski ( RMR ).

2.2.1 Nội dung.

Phân loại khối đá theo RMR (Rock Mass Rating) của Bienawski có chú ý đến 6 điểm khác nhau trong khối đá và được xác định bằng công thức thực nghiệm sau:

RMR = I1+ I2+ I3+ I4 I5+ I6 (2.2) Trong đó:

I1 – Tham số xét đến độ bền nén đơn trục của khối đá

I2 – Tham số thể hiện lượng thu hồi lõi khoan RQD

I3 – Tham số thể hiện khoảng cách giữa các khe nứt

I4 – Tham số thể hiện trạng thái của các khe nứt

I5 – Tham số thể hiện điều kiện ngậm nước của đá

I6 – Tham số thể hiện mối tương quan giữa thế nằm và hướng của đá Các tham số và RMR cũng như sự phân loại đá theo Bienawski được thể hiện trong bảng như sau:

Bảng 2 2: Đặc trưng của 6 tham số điểm theo Bienawski.

Chỉ số nén

điểm ISRM(1972) >8MN/m

2 3-8MN/m2 1-3MN/m2

1-2MN/m2

ở phạm vi này nên sử dụng độ

Độ

bền

của

đá

>200MN/m2

100-200MN/m2

50-100MN/m2

25-50 MN/m2

bền nén

10-25,3-10,1-3

Độ bền nén

đơn trục

2

Trị số RQD 90-100% 75-90% 50-75% 25-50% <25%

3

Khoảng cách khe

nứt

>3m 1-3m 0,3-1m 50-300m <50m

4 Trạng tháI khe nứt

Bề mặt rất nhám không xuyên suốt, không chất lấp nhét

Bề mặt nhám nhẹ, cứng, độ

mở <1mm

Bề mặt nhám nhẹ, mềm, độ

mở 1mm

Bề mặt nhám trơn, độ

mở 1 -1,5mm

có lấp nhét, khe nứt xuyên suốt

Chất lấp nhét mềm

độ mở

>5mm, khe nứt xuyên suốt

Chảy vào

10m đường hầm

Không có nước chảy <25l/Phút

25-125l/Phú t

>125l/Phú t

5 Nước

ngầm

nước/ứng

suất lớn nhất Trạng thái

chung

Hoàn toàn khô ráo ẩm ướt Nước với

áp lực nhỏ

Xử lý nước khó khăn

6

Góc dốc và đường

phương khe nứt

Rất thuận lợi

Thuận lợi Tương đối

tốt

Không thuận lợi

Rất không thuận lợi

I6

Đường hầm tuynel

Bảng 2 3: Các nhóm phân loại đá theo Bienawski.

Chỉ số RQD Phương pháp

đào

Các biện pháp gia cố có thể sử dụng

Cực kỳ tốt

RQD>90

a.Đào bằng máy

Không hoặc sử dụng loại vì thép nhẹ tại nơi cần Chiều cao vùng phá huỷ 0-0.2B

Không hoặc sử dụng loại vì

Không hoặc thỉnh thoảng (Sử dụng neo điểm)

Không hoặc

Không hoặc sử dụng cục bộ tại nơI cần thiết

Không hoặc sử dụng cục bộ tại

b.Đào bàng khoan nổ mìn

thép nhẹ tại nơi cần chiều cao vùng phá huỷ 0-0.3B

thỉnh thoảng (Sử dụng neo điểm)

nơI cần thiết Với chiều dầy 50-70mm

Tốt

RQD=(75-90)

a.Đào bằng máy

b.Đào bằng khoan nổ mìn

Vì thép loại nhẹ cách nhau 1.5-1.8m

Chiều cao vùng phá huỷ 0-0.4B

Vì thép loại nhẹ cách nhau 1.5-1.8m

Chiều cao vùng phá huỷ 0-0.6B

Neo điểm hoặc neo mạng mật

độ 1.5-1.8m

Neo mạng mật

độ 1.5-1.8m

Không hoặc sử dụng cục bộ với chiều dầy 50-75mm

Không hoặc sử dụng cục bộ với chiều dầy 50-75mm

Trung bình và

tốt vừa

RQD=(55-70)

a.Đào bằng máy

b.Đào bàng khoan nổ mìn

Vì thép loại nhẹ tới trung bình cách nhau 1.5-1.8m

Chiều cao vùng phá huỷ 0.4-1.0B

Vì thép loại nhẹ tới trung bình cách nhau 1.2-1.5m

Chiều cao vùng phá huỷ 0.6-1.3B

Neo mạng 1.2-1.8m

Neo mạng 0.9-1.8m

50-100mm tại nóc

Lớn hơn hoặc bằng 100mm tại nóc và hông

Đá trung bình

và yếu RQD

=25-50

a.Đào bằng máy

b.Đào bàng khoan nổ mìn

Vì thép loại trung bình khép kín dạng tròn cách nhau 0.9-1.2m

Chiều cao vùng phá huỷ 1.0-1.6B

Vì thép loại trung bình hoặc nặng cách nhau0.6-1.2m chiàu cao vùng phá huỷ1.3-2.0B

Neo mạng 0.9-1.5m

Neo mạng 0.9-1.5m

BTP dày 100-150mm tại nóc

và sườn kết hợp với neo

BTP dày 150mm tại nóc

và sườn kết hợp với neo

Rất yếu (Đất

đá không bị

nén ép và

trương nở)

RQD <25

a.Đào bằng máy

b.Đào bàng khoan nổ mìn

Vì thép loại nặng hình tròn cách nhau 0.6m Chiều cao vùng phá huỷ 1.6-2.2B

Vì thép loại nặng hình tròn cách nhau 0.6m Chiều cao vùng phá huỷ 2.0-2.8B

Neo mạng 0.6-1.2m

Neo mạng 0.9m

BTP dày 150mm hoặc lớn hơn trên toàn bộ mặt cắt Kết hợp với vì thép loại trung bình

BTP dày 150mm hoặc lớn hơn trên toàn bộ mặt cắt Kết hợp với vì thép loại

trung bình

Rất yếu (Đất

đá bị nén ép và

trương nở)

RQD <25

a.Đào bằng máy

b.Đào bàng khoan nổ mìn

Vì thép loại rất nặng cách nhau 0.6m Chêìu cao vùng phá huỷ tới 75m

Vì thép loại rất nặng cách nhau 0.6m Chêìu cao vùng phá huỷ tới 75m

Neo mạng 0.6-0.9m

Neo mạng 0.6-0.9m

BTP dày 150mm hoặc lớn hơn trên toàn bộ mặt cắt.Kết hợp với

vì thép loại nặng BTP dày 150mm hoặc lớn hơn trên toàn bộ mặt cắt.Kết hợp với

vì thép loại nặng

2.2.2 Ưu nhược điểm.

 Ưu điểm: Phương pháp phân loại khối đá của Bienawski có xét tới ảnh hưởng của nhiều yếu tố bằng cách cho điểm các yếu tố đó, nhờ đánh giá tới nhiều yếu

tố để phân loại khối đá nên phương pháp này cho kết quả chính xác và gần với thưc tế hơn sơ với phương pháp của Deer

 Nhược điểm: Chi phí cho phương pháp đánh giá, phân loại này lớn, tốn kém cả

về mặt thời gian

2.2.3 Phạm vi áp dụng.

 Phương pháp phân loại khối đá RMR thường được áp dụng cho các công trình

có vốn đầu tư ban đầu lớn, tuổi thọ cao như các công trình ngầm giao thông, thủy lợi, thủy điện, các công trình ngầm thi công theo phương pháp NATM… phương pháp này ít được sử dụng trong ngành mỏ vì tốn kém về thời gian và chi phí

2.3 Phân loại theo Barton và Lunder.

2.3.1 Nội dung.

Trên cơ sở phân tích thống kê các kết quả quan trắc xây dựng các công trình ngầm Năm 1974 Barton(Nauy) đã đưa ra một phương pháp phân loại khối đá theo chỉ tiêu chất lượng tunnel ( Tunnel – Quaility) Q Được xác định bằng biểu thức:

SRF

J J

J J

RQD

a

r n

Trong đó:

Jn- Chỉ số chú ý đến số lượng khe nứt khối đá

Jr – Chỉ số xét đến ảnh hưởng của độ nhám của các mặt khe nứt

Ja – Chỉ số xét tới mức độ phong hoá bề mặt của các khe nứt

Jw – Chỉ số kể tới ảnh hưởng của nước ngầm

SRF – Chỉ số tính đến sự suy giảm ứng suất

Bảng 2 4: Các nhóm khối đá theo Barton, Lien, Lunde.

Giá trị của chỉ tiêu Q Cấp ổn định khối đá Đặc điểm ổn định của khối đá

Hình 2 1: Xác định kết cấu chống dựa trên chỉ số chất lượng đường hầm Q.

2.3.2 Mối quan hệ giữa RMR và hệ thống Q.

Dựa trên các trương hợp nghiên cứu, Bieniawski (1976) là tác giả đầu tiên đề xuất một sự hiệu chỉnh giữa hệ thống RMR và hệ thống Q

RMR = 9,0lnQ + 44 Vào năm 1978, Rutledge và Preston đã công bố một mối quan hệ khác

RMR = 5,9lnQ + 43 Những mối quan hệ khác

RMR = 5,4lnQ + 55,2, Moreno (1980) RMR = 5lnQ + 60,8, Cameron et al., (1981) RMR = 10,5lnQ + 41,8, Abad et al., (1984)

2.3.3 Phạm vi sử dụng.

 Phân loại khối theo Barton và Lunder được dung để đánh giá khối đá, lựa chọn

sơ bộ kết cấu chống cũng như phương pháp khai đào cho các công trình ngầm giao thông, thủy điện…

2.4 Phân loại khối đá theo phương pháp NATM.

NATM( New American Tunnelling Method)

Nội dung của phương pháp là dựa trên quá trình quan sát, đo đạc, ghi lại sự chuyển dịch biến dạng của đất đá trên biên công trình ngầm theo thời gian bằng các dụng cụ

đo đạc khác nhau Phương pháp này dự đoán kỹ càng biểu hiện tự nhiên của đất đá và cho phép áp dụng các biện pháp sau(gồm các giai đoạn):

 Cho phép đá biến dạng nhỏ

 Đặt bê tông phun và hệ thống chống đỡ neo đá Cách này khá mềm dẻo nhưng

mà đất đá không được biến dạng thêm

 Quan sát và đo sự chuyển động của đất đá và tải trọng mà đá gây ra trên kết cấu chống đỡ trong một thời gian

Khi đá và hệ thống chống đỡ đã tạm ổn định thì khi đó mới tiến hành chống cố định lớp vỏ hầm thực thụ Nếu khi đó đo được biến dạng đủ lớn thì cần phải thay đổi

hệ thống chống đỡ, khi đó có thể tăng hoặc giảm chiều dầy kết cấu chống(BTP, BTCT

đổ tại chỗ…) hoặc phải thay đổi hẳn loại kết cấu chống đỡ cố định khác

Từ những nhận định trên phương pháp này đã đánh giá tổng quát 6 cấp loại đá khác nhau

Bảng 2 5: Phân loại cấp độ đá theo NATM.

1 Loại I

Bao gồm các đá cứng vững, nứt nẻ nhẹ nhưng ổn định Sự biến dạng ban đầu rất nhỏ có tính chất đàn hồi và không đáng

kể Quá trình sau khi khai đào sau một thời gian dài không cần chống giữ

Bê tông phun có thể sử dụng thêm sợi thép không cần neo

Bao gồm các loại đá cứng, nứt nẻ nhẹ nhưng ổn định sự biến dạng ban đầu nhỏ

Bê tông phun sợi thép

2 Loại II

Quá trình ổn định của đất đá trên biên công trình có thể chỉ được vài ngày khi

không chống

có thêm neo

3 Loại III

Bao gồm các loại đá nứt nẻ nhiều, không

ổn định có thể biến dạng ban đầu nhỏ chỉ

ổn định trong một thời gian ngắn sau đó đất đá sẽ bị tróc vỡ và rơi xuống nền công

trình

Cần chống đỡ ngay nóc

và sườn hầm bằng bê tông phun có gia cố sợi thép Có thể cần chống

đỡ thêm bằng neo đá

và sườn thép

4 Loại IV

Bao gồm các loại đá có độ nứt nẻ cao và không ổn định do các đứt gẫy trong đá làm cho đá có thể rơi ra khỏi khối đá nguyên sự tồn tại của thời gian không

chống ngắn

Chống đỡ ngay có thể

là bê tông phun, bê tông phun sợi thép, thép nhẹ bước chống phù hợp

5 Loại V

Bao gồm các loại đá bị phong hoá cao và không ổn định và cát rời tính ổn định thấp sau một thời gian thì chúng bị biến dạng liên tục và có thể dẫn đến bị phá huỷ

Chống đỡ ngay có thể neo, thép loại trung bình hoặc kết cấu có tính chịu lực ngay

6 Loại VI

Bao gồm các loại đá phong hoá gần mặt đất đá địa hình tính ổn định rất thấp

Có thể phải gia cố khối

đá trước khi khai đào Sau khi khai đào phảI chống đỡ ngay bằng các kết cấu có tính chất chịu lực ngay như thép,

bê tông, bê tông cốt thép đúc sẵn…

2.4.1 Ưu nhược điểm.

 Ưu điểm: Phương pháp phân loại này có tính hiện đại hơn, dựa vào quan trắc giá trị dịch chuyển của khối đá và biến dạng của đường hầm làm cơ sở cho

phương pháp Phương pháp này giúp lựa chọn được loại hình kết cấu chống cũng như thời điểm lắp dựng kết cấu chống hợp lý, giúp giảm được chiều dày của kết cấu chống từ đó tiết kiệm được thời gian, tiền bạc và nhân công lao động

 Nhược điểm: Đòi hỏi cần phải có thiết bị quan trắc hiện đại

2.4.2 Phạm vi áp dụng.

 Phương pháp này được áp dụng cho các đường hầm thi công theo phương pháp NATM như đường hầm giao thông, thủy lợi

2.5 Phân loại khối đá theo G.S Protodiaconop.

2.5.1 Nội dung.

Phương pháp phân loại đá theo G.S Prôtôđiakônôv hay còn gọi là phương pháp phân loại đá theo độ cứng với chỉ số f (chỉ số độ cứng) được xác định dựa trên cơ sở thí nghiệm nén với các loại đá khác nhau và rút ra kết luận về tính chất cơ học cho các loại đá khác nhau:

Giá trị độ cứng f được xác định theo công thức sau:

100

n

Trong đó:

σn - Độ bền nén của loại đá đem thí nghiệm Dựa vào chỉ số f cũng chia ra các nhóm đá có tính chất cơ học khác nhau Dưới đây là một sắp xếp về đặc điểm của các nhóm đá

Bảng 2 6: Phân loại khối đá theo f (độ kiên cố ).

STT Giá trị độ cứng f Đặc điểm ổn định của khối đá

2.5.2 Sơ bộ kiến nghị biện pháp khai đào và kết cấu chống giữ:

 f < 3 khai đào thủ công, nổ mìn với lượng thuốc nổ ít, hoặc đào bằng máy Chống giữ bằng khung thép, bê tông cốt thép đúc sẵn, hoặc các kết cấu chống nặng

 f = 3 - 6 khai đào bằng máy hoặc khoan nổ mìn; chống giữ bằng khung thép, neo + lưới thép (trong điều kiện cụ thể)

 f > 6 - nên sử dụng khoan nổ mìn, trong trường hợp cụ thể sử dụng các máy đào; chống giữ thì sử dụng bê tông phun, lưới thép, khung thép

2.5.3 Ưu nhược điểm.

 Ưu điểm: Cho kết quả nhanh, phương pháp thực hiện đơn giản, không yêu cầu cao về trang thiết bị và ít tốn kém hơn so với các phương pháp trên

 Nhược điểm:

• Không đánh giá đến yếu tố cấu trúc của khối đá, ảnh hưởng của công tác thi công, ảnh hưởng của nước ngầm…

• Thực tế, có những loại đá có độ bền nén >2000 kG/cm2 (nghĩa là hệ số

độ kiên cố của đá f > 20) và như vậy công thức trên trở nên không chính xác Sau này, L.I Baron (1955) đã sử dụng công thức hợp lý hơn

để xác định hệ số bền chắc:

30 300

n n

f = σ + σ

(2.5) Theo công thức này, khi σn đạt tới 3000kG/cm2 thì f cũng chỉ bằng 20, thỏa mãn với giới hạn trên của hệ số độ kiên cố đất đá của G.S Protodiakonov

2.5.4 Phạm vi áp dụng.

Phương pháp phân loại khối đá này thường được sử dụng trong ngành mỏ do những ưu điểm đã nêu ở trên

3 Kết luận.

Việc đánh giá chất lượng của khối đá được lựa chọn vào từng cấp độ nghiên cứu cũng như điều kiện thí nghiệm và phương pháp thi công mà chúng ta sẽ áp dụng để khai đào xây dựng công trình ngầm Thông thường trong xây dựng các công trình ngầm trong mỏ hiện nay đa phần vẫn sử dụng các tài liệu của Liên Xô cũ nên hiện nay trong ngành mỏ thường vẫn hay sử dụng phương pháp phân loại khối đá của G.S Prôtôđiakônôv phương pháp phân loại theo f và phương pháp RQD của