Phân tích ứng xử ứng suất biến dạng trong môi trường đá xung quanh công trình hầm giao thông có xét đến vai trò của neo

 Đánh giá trạng thái ứng suất – biến dạng, ổn định công trình ngầm và phân tích vai trò của neo trong ổn định công trình trong môi trường đá bằng phần mềm Phase2 Rocscience – Canada.. Đ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2011

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS BÙI TRƯỜNG SƠN

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm 2011 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM PHÕNG ĐÀO TẠO SĐH Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp HCM, ngày … tháng … năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TRẦN MINH ĐÔNG Phái: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 12-12-1981 Nơi sinh: THỪA THIÊN HUẾ

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã ngành: 60.58.60

MSHV: 09090296

1 TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG TRONG MÔI TRƯỜNG ĐÁ XUNG QUANH CÔNG TRÌNH HẦM GIAO THÔNG CÓ XÉT ĐẾN VAI TRÕ CỦA NEO

2 NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Luận văn bao gồm các nội dung sau:

 Đánh giá trạng thái ứng suất xung quanh công trình ngầm trong đá trước và sau khi xây dựng công trình ngầm

 Tổng kết các phương pháp bố trí neo và đánh giá độ ổn định công trình ngầm trong đá

 Đặc điểm mô hình đá đàn hồi-dẻo Hoek – Brown

 Đánh giá trạng thái ứng suất – biến dạng, ổn định công trình ngầm và phân tích vai trò của neo trong ổn định công trình trong môi trường đá bằng phần mềm Phase2 (Rocscience – Canada)

3 NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05-07-2010

4 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15-03-2011

5 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS BÙI TRƯỜNG SƠN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TS BÙI TRƯỜNG SƠN PGS TS VÕ PHÁN

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành chương trình cao học và luận văn, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình của quý thầy cô Bộ môn Địa cơ nền móng trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Thành phố Hồ chí Minh

Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô trong bộ môn Địa Cơ Nền Móng đã tận tình dạy bảo cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường

Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS Bùi Trường Sơn đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn đến các anh chị trong công ty TNHH một thành viên quản lý và khai thác hầm đường bộ Hải Vân đã tạo điều kiện và giúp đỡ rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn

Xin chân thành cảm ơn công ty Sài Gòn RDC, các đồng nghiệp và bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt thời gian học tập

Mặc dù đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi được những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn

Xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT

Trong tính toán, dự báo độ ổn định cho công trình ngầm, cần phải xác định được các quy luật biến đổi cơ học trong môi trường đất đá xung quanh Đề tài được thực hiện đối với bối cảnh công trình hầm giao thông trong môi trường đá trên cơ sở bài toán phẳng có xét đến vai trò của neo Mô hình đàn hồi-dẻo trên cơ sở tiêu chuẩn phá hoại Hoek – Brown (phiên bản năm 2002), là một trong những mô hình hiện đại, được sử dụng để đánh giá trạng thái ứng suất – biến dạng của môi trường đá

Ưu điểm của mô hình này là có xét đến mức độ nứt nẻ của khối đá Kết quả mô phỏng tính toán bằng chương trình Phase2 (Rocscience – Canada) cho thấy trong lớp đá phong hóa hoàn toàn gần bề mặt có sự xuất hiện biến dạng dẻo trong phạm vi khá rộng xung quanh biên công trình, cũng trong lớp địa chất đó có sử dụng hệ thống neo gia cố thì vùng biến dạng dẻo được thu hẹp lại Trong lớp đá phong hóa trung bình nằm sâu bên dưới, biến dạng dẻo ít xuất hiện và môi trường đá xung quanh hầm ứng xử trong phạm vi trạng thái đàn hồi trong cả hai trường hợp có neo

và không neo

EVALUATING STRESS–STRAIN STATE OF ROCK MASS

SURROUNDING TRANSPORT TUNNEL The calculation and prediction for the stability of underground structure is required to determine the mechanical laws of behaviour in rock mass surround This study is applied for transport tunnel in rock mass with consider role of bolt, based

on two-dimensional problem The elasto-plastic model behaviour of rock mass obeyed the latest Hoek – Brown failure criterion (version 2002) is used to evaluate the stress – strain state in rock mass The advantage of this model is taking into account disjointive rock The simulation results by Phase2 (Rocscience – Canada) program show that surrounding plastic zone of excavation boundary enlarges considerably when tunnel is excavated in completely decayed rock while plastic strain was restricted when tunnel is excavated in the same geologic with bolt system used In the deep average decayed rock, plastic strain was restricted and rock mass surrounding obeys elastic behavior in two cases with or without bolt

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 ĐÁNH GIÁ TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT XUNG QUANH CÔNG TRÌNH NGẦM TRONG ĐÁ TRƯỚC VÀ SAU KHI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH 3

1.1 Các giả thuyết về sự phân bố ứng suất trong khối đá 3

1.1.1 Giả thuyết của A Heim 3

1.1.2 Giả thuyết của K Terzaghi 4

1.1.3 Giả thuyết của P.R Sheorey 5

1.2 Trạng thái ứng suất ban đầu trong khối đá 6

1.3 Trạng thái ứng suất – biến dạng tự nhiên 9

1.3.1 Trạng thái ứng suất trong khối đá đàn hồi 10

1.3.2 Khối đá không đàn hồi, đồng nhất 12

1.3.3 Khối đá có một hệ khe nứt 13

1.3.4 Xác định độ sâu giới hạn và trạng thái ứng suất giới hạn dẻo trong khối đá đàn hồi – dẻo 14

1.4 Trạng thái ứng suất sau khi xây dựng công trình ngầm 16

1.5 Nhận xét và phương hướng đề tài 30

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH NEO TRONG ĐÁ 31

2.1 Các loại bulông neo 31

2.1.1 Các loại bulông neo thông thường 33

2.1.2 Các loại neo đặc biệt 38

2.2 Phân tích sự làm việc của neo 44

2.2.1 Hiệu ứng treo 44

2.2.2 Hiệu ứng dầm kết hợp 47

2.2.3 Hiệu ứng chốt 50

2.3 Nhận xét chương 51

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH KHỐI ĐÁ ĐÀN HỒI – DẺO DỰA TRÊN TIÊU CHUẨN PHÁ HOẠI HOEK - BROWN 52

3.1 Tiêu chuẩn phá hoại Hoek – Brown (phiên bản năm 2002) 52

3.2 Mô hình khối đá đàn hồi – dẻo dựa trên tiêu chuẩn phá hoại Hoek - Brown 55

3.2.1 Phương pháp phân tích 55

3.2.2 Tiêu chuẩn dẻo 56

3.2.3 Ứng suất trong vùng dẻo 61

3.2.4 Ứng suất trong phạm vi đàn hồi 62

3.2.5 Phân tích chuyển vị và biến dạng 62

3.3 Nhận xét chương 68

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH VAI TRÕ CỦA NEO TRONG ĐÁ TRONG CÔNG TRÌNH HẦM GIAO THÔNG 69

4.1 Giới thiệu công trình và điều kiện địa chất công trình hầm Hải Vân 69

4.2 Tính toán độ ổn định công trình hầm giao thông 73

4.2.1 Độ ổn định của công trình trước khi gia cố bằng neo 73

4.2.2 Độ ổn định công trình sau khi gia cố bằng neo 90

4.3 Kết luận chương 105

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

- 1 -

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học của đề tài

Các hoạt động khai thác khoáng sản, xây dựng công trình ngầm, xây dựng công trình bề mặt ở những mức độ khác nhau đều thay đổi trạng thái và các quá trình cơ học xảy ra bên trong khối đá Việc đánh giá, dự báo và đảm bảo độ ổn định cho công trình ngầm là một trong những vấn đề quan trọng trong lĩnh vực cơ học đá và công trình ngầm

Trong thực tế, công tác chống giữ và bảo đảm điều kiện làm việc an toàn cho công trình ngầm chiếm một tỉ trọng lớn trong tổng giá thành xây dựng và sử dụng công trình Trong một số vùng có điều kiện địa chất phức tạp, chi phí bảo dưỡng, bảo vệ công trình có thể đạt tới 90% tổng giá thành xây dựng công trình Điều này bắt buộc các kỹ sư thiết kế phải tìm kiếm, áp dụng những phương pháp dự báo khả năng thay đổi trạng thái công trình ngầm dưới tác dụng của các yếu tố, điều kiện địa chất tại những khu vực khác nhau và lựa chọn các giải pháp hiệu quả nâng cao độ

ổn định công trình ngầm

Công trình trong đá có thể bị mất ổn định do sự xuất hiện của hệ thống nứt nẻ trong khu vực lân cận các đứt gãy Để hạn chế mức độ chuyển vị hay mất ổn định nên việc gia cường khối đá cần được xem xét tính toán Một trong các biện pháp hữu hiệu được chọn lựa sử dụng là bố trí hệ thống neo Trong trường hợp xuất hiện mặt trượt yếu nhất, việc bố trí neo thường có thể dễ dàng căn cứ vào góc trượt và góc ma sát của đá ở mặt trượt ( 0

- 2 -

2 Nhiệm vụ của đề tài

Nhiệm vụ chủ yếu của đề tài gồm:

- Tổng kết các phương pháp bố trí neo và đánh giá độ ổn định công trình ngầm trong đá

- Phân tích mô phỏng bài toán trên cơ sở các dữ liệu thực tế nhằm làm sáng tỏ vai trò của neo trong ổn định công trình trong môi trường đá

3 Phương pháp nghiên cứu

- Mô phỏng đánh giá độ ổn định của môi trường đá xung quanh công trình ngầm trên cơ sở bài toán phẳng

- Phân tích vai trò ảnh hưởng của hệ thống neo lên độ ổn định của công trình Việc

mô phỏng nhờ sự trợ giúp của phần mềm Phase 2

- 3 -

CHƯƠNG 1 ĐÁNH GIÁ TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT XUNG QUANH CÔNG TRÌNH NGẦM TRONG ĐÁ TRƯỚC VÀ SAU KHI XÂY DỰNG CÔNG

TRÌNH 1.1 Các giả thuyết về sự phân bố ứng suất trong khối đá

Dưới tác dụng của trọng lực và lực kiến tạo tại một điểm bất kỳ nằm sâu trong khối đá sẽ có các ứng suất theo các phương khác nhau Tồn tại các giả thuyết về quan hệ giữa các loại ứng suất trong đá, các giả thuyết này đều dựa trên giả thiết là

khối đá chỉ chịu tác dụng của trọng lực [5], [6], [9], [23]

1.1.1 Giả thuyết của A Heim

Trong quá trình xây dựng các đường hầm, nhà địa chất Thụy Sỹ Albert Heim nhận thấy rằng hầm chịu ảnh hưởng của các áp lực cao, tác dụng tại mọi phía trong khối đá Ông cho rằng thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng z do trọng lượng của khối đá nằm trên gây ra bằng với thành phần ứng suất nằm ngang x

z

x

z   

Trong đó:  - trọng lượng thể tích của đá;

z – chiều sâu từ điểm đang xét trong khối đá đến mặt đất

Giả thuyết này Heim đề ra năm 1878 Trước đó 4 năm, kỹ sư mỏ người Đức F Rziha cũng có những ý kiến tương tự

Giả thuyết này không giải thích được hiện tượng sai khác giữa ứng suất theo phương nằm ngang và theo phương thẳng đứng đã quan sát thấy ở một số khu vực

- 4 -

1.1.2 Giả thuyết của K Terzaghi

K Terzaghi đã liên hệ ứng suất dư với tính chất đàn hồi của đá và cho rằng nếu một khối đá chịu nén dưới tác dụng của trọng lượng bản thân theo phương thẳng đứng thì cũng chịu nén cả theo phương nằm ngang, biểu thị bằng hệ số biến dạng ngang (hệ số Poisson  ) Ở chiều sâu lớn, sự phát triển theo phương ngang bị hạn chế bởi môi trường xung quanh Do vậy, trong mặt phẳng của khối đá, không xảy ra

sự dịch chuyển ngang mà chỉ sinh ra ứng suất phản (phản lực)

Theo định luật Hook tổng quát, đối với vật liệu đàn hồi, đẳng hướng, có thể viết:

 ( )

1

z y x

x  

 , , - các ứng suất theo các phương x, y, z

Theo giả thuyết của Terzaghi, không có biến dạng theo phương ngang, nghĩa là 0



x

 , nên:

0 )

Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng giả thuyết này không phù hợp với thực tế và việc xác định hệ số Poisson (cơ sở để tính hệ số áp lực ngang) của đá nứt nẻ rất khó khăn

và thiếu chính xác đã hạn chế khả năng sử dụng của giả thuyết này

1.1.3 Giả thuyết của P.R Sheorey

Năm 1994, Sheorey đã phát triển mô hình ứng suất đàn hồi tĩnh cho đất và đã lập được công thức để biểu diễn quan hệ giữa các thành phần ứng suất nằm ngang và

ứng suất thẳng đứng theo một tỷ số K, được xác định theo công thức:

- 6 -

Hình 1-1 Biểu đồ quan hệ giữa hệ số K và chiều sâu với các giá trị module

biến dạng ngang khác nhau

Biểu đồ của Sheorey cũng tương ứng với các kết quả nghiên cứu của E.T Brown và

E Hoek (1978), của G Herget (1988) và một số tác giả khác

Như vậy, giữa ứng suất theo phương ngang và phương đứng của một điểm tại

một độ sâu bất kỳ trong khối đá là một tỷ số Thực tế cho thấy tỷ số này thay đổi trong phạm vi khá rộng tùy thuộc điều kiện cụ thể của khu vực nghiên cứu Vì vậy, không thể dự đoán được hệ số K cho từng vùng mà phải tùy theo điều kiện cụ thể xác định cho phù hợp và các giả thuyết về sự phân bố ứng suất phải được hoàn

chỉnh thêm

1.2 Trạng thái ứng suất ban đầu trong khối đá

Ở các chiều sâu khác nhau, do chịu lực nén của các lớp đá nằm bên trên nên trong đá đã suất hiện ứng suất gọi là ứng suất tự nhiên Ứng suất tự nhiên trong khối

đá chịu ảnh hưởng quyết định của hai yếu tố là trọng lực và lực kiến tạo Trạng thái ứng suất là tập hợp của các ứng suất sinh ra trong khối đá khi chịu tác dụng của

ngoại lực [6], [7]

Ở trạng thái tự nhiên (khi chưa chịu ảnh hưởng của việc thi công công trình),

trong đá tồn tại một trạng thái ứng suất gọi là trạng thái ứng suất ban đầu Đây là

- 7 -

đặc điểm cơ học rất đặc biệt của khối đá Nhưng việc xác định trạng thái ứng suất ban đầu của đá rất khó chính xác vì tài liệu về tính chất của khối đá còn ít, cần thiết xác lập một giả thuyết riêng cho khối đá Mặc khác, việc tiến hành thực nghiệm trên

khối đá rất phức tạp, đôi khi làm hỏng trạng thái ứng suất ban đầu của nó

Như đã trình bày, ứng suất trong khối đá phụ thuộc vào trọng lực và các lực kiến

tạo mà trong đó trọng lực đóng vai trò quyết định Các lực kiến tạo, tác động của nước ngầm và nước mặt, các hoạt động sản xuất của con người có tác dụng làm sai

lệch trạng thái ứng suất ban đầu do trọng lực gây ra

Để nghiên cứu trạng thái ứng suất ban đầu, có thể sử dụng phương pháp giải tích hay phương pháp thực nghiệm

Phương pháp giải tích dựa trên các số liệu đã thu thập được về tính chất của đá,

có thể đánh giá được gần đúng thành phần trọng lực và nêu ra ảnh hưởng của lực

kiến tạo, các quá trình tạo đá

Phương pháp thực nghiệm nhằm kiểm tra lại việc đánh giá của phương pháp giải

tích và kể đến các yếu tố khác trong việc hình thành trạng thái ứng suất nhưng nó lại mang tính chất khu vực, thiếu tính chất tổng quát cho toàn bộ khối đá Vì vậy, việc đánh giá trạng thái ứng suất ban đầu bằng phương pháp giải tích thường được

áp dụng hơn

Tại một điểm bất kỳ của khối đá được đặc trưng bằng 6 thành phần ứng suất: 3

thành phần ứng suất pháp x,y,z và 3 thành phần ứng suất tiếp tác dụng trong các mặt phẳng tương ứng xy,xz,yz (hình 1-2) Giả sử rằng các ứng suất này chỉ do trọng lực gây ra thì các thành phần ứng suất sẽ thay đổi theo chiều sâu của điểm

đang xét

- 8 -

Hình 1-2 Các thành phần ứng suất trong phân tố đá

Riêng thành phần ứng suất pháp theo phương thẳng đứng z với đá phân lớp có

Trong đó: i- trọng lượng thể tích của lớp đá thứ i có chiều dày là hi

Hay có thể tính theo công thức:



Với: H - chiều dày lớp đá đang xét

Các thành phần ứng suất khác sẽ được tính theo z với các hệ số tỷ lệ:

z

yz yz z

xz xz z

xy xy

z

y y z

x x

Với đá biến dạng tuyến tính, không đồng nhất và chỉ đẳng hướng theo mặt (giả

sử mặt đẳng hướng vuông góc với trục z) thì:

E

E K

Trong đó:

E,  - module đàn hồi và hệ số Poisson của đá trong mặt đẳng hướng

E1, 1- các đại lượng trên nhưng theo hướng vuông góc với mặt đẳng hướng

Tùy theo các thành phần ứng suất mà trạng thái ứng suất ban đầu của đá sẽ khác

nhau

1.3 Trạng thái ứng suất - biến dạng tự nhiên

Việc xác định trạng thái ứng suất biến dạng tự nhiên nhằm dự báo các quá trình biến đổi cơ học trong khối đá và chuẩn bị những giải pháp cần thiết để điều khiển trạng thái cơ học của khối đá cho việc xây dựng công trình [5], [6], [9]

- 10 -

Các yếu tố có thể ảnh hưởng đến trạng thái ứng suất – biến dạng tự nhiên có thể chia thành 2 nhóm:

- Các yếu tố tác động thường xuyên: trọng trường, nhiệt trường, các tính chất cơ lý

và những đặc điểm cấu trúc khối đá, địa hình bề mặt vỏ trái đất

- Các yếu tố tác dụng tạm thời: quá trình kiến tạo địa chất, các quá trình thủy động học, động đất

Với giả thiết đơn giản chỉ chú ý đến lực trọng trường, mặt đất bằng phẳng, khối

đá là đồng nhất

- Thành phần ứng suất chính zg được xác định theo biểu thức:

0( )

Như vậy, việc xác định trạng thái ứng suất tự nhiên được quy về xác định hệ số

áp lực ngang K, có chú ý đến các đặc điểm, tính chất của đá và khối đá

1.3.1 Trạng thái ứng suất trong khối đá đàn hồi

Trạng thái ứng suất tác động trong khối đá chưa gây ra tác động hóa dẻo hay phá hủy

Khối đá đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng:

Thành phần ứng suất theo phương đứng:

Khối đá đàn hồi, phân lớp (không đồng nhất):

Hình 1-3 Khối đá đàn hồi, phân lớp

Xét trường hợp đơn giản: các lớp đá nằm ngang là đồng nhất và đẳng hướng Xét hai điểm: A nằm trong một lớp (k) ở độ sâu Zk và điểm B nằm ở ranh giới giữa lớp (k) và lớp (k+1)

Hình 1-4 Quy luật phân bố trong khối đá đàn hồi, phân lớp

1.3.2 Khối đá không đàn hồi, đồng nhất

Nếu khối đá có biểu hiện không đàn hồi (đàn hồi–nhớt), các ứng suất nguyên

sinh phụ thuộc vào thời gian Để đơn giản, giả thiết tại thời điểm hình thành t = 0 và tại t  0 ứng suất z = ×z = const

- Trường hợp khối đá có biểu hiện như mô hình Kelvin, hệ số áp lực ngang Kk được xác định theo biểu thức:

/ )

(11

t k

- 13 -

Khi t   thì Kk = K0, hệ số áp lực ngang cũng như các thành phần ứng suất theo phương nằm ngang tăng dần theo thời gian và đạt giá trị cuối cùng tương tự như trường hợp khối đá đàn hồi, đồng nhất

- Trường hợp khối đá có biểu hiện như mô hình Maxwell, hệ số áp lực ngang KMđược xác định:

/(1 t )

M

(1.19)Khi t  thì KM =1, các thành phần ứng suất sẽ là: x = y = z = ×z

Kết quả phân tích cho thấy, khi khối đá có biểu hiện như mô hình Maxwell, sau khoảng thời gian đủ lớn, trạng thái ứng suất tự nhiên có các thành phần ứng suất theo mọi phương là như nhau Biểu hiện này có thể gặp ở các loại đá chứa sét, đá muối,

1.3.3 Khối đá có một hệ khe nứt

Khảo sát trường hợp khối đá có một hệ khe nứt song song Giả thiết mật độ khe nứt đủ dày (khối đá đồng nhất với dấu hiệu này) và trên mặt khe nứt không có lực dính kết (c = 0), nghĩa là trên mặt khe nứt trạng thái ứng suất thỏa mãn điều kiện Coulomb: α = α×tg

Hình 1-5 Trạng thái ứng suất nguyên sinh trong khối đá có một hệ khe nứt

Khi  = 0 (khe nứt không có ma sát) thì K = 1, x = y = z

- 15 -

Hình 1-6 Trạng thái giới hạn trên biểu đồ Mohr

Điều kiện xảy ra dẻo khi:    max*

0

2(1 )

Khi mặt đất bằng phẳng, các lớp đá nằm ngang hoặc dốc thoải và trong vùng nghiên cứu không có hoạt động kiến tạo, hoàn toàn có thể phân tích trạng thái ứng suất nguyên sinh bằng phương pháp giải tích;

- 16 -

Khi tiến hành xây dựng công trình trong các vùng đồi núi không có hoạt động kiến tạo, có thể kết hợp phân tích giải tích và phân tích bằng phương pháp số với mô hình bài toán biên phù hợp;

Trong các vùng dự báo có hoạt động kiến tạo, cần tiến hành đo đạc để có thể

dự báo được phương, chiều và cường độ tác dụng của từng thành phần ứng suất

1.4 Trạng thái ứng suất sau khi xây dựng công trình ngầm

Quá trình xây dựng công trình ngầm sẽ phá hủy trạng thái ứng suất tự nhiên của khối đá Các quá trình cơ học mới xảy ra sẽ tạo ra trạng thái ứng suất – biến dạng cân bằng mới trong vùng khối đá bao quanh công trình ngầm [5], [9]

Tùy theo dạng công trình ngầm (hầm hay giếng), tiết diện của nó (hình tròn hay không phải hình tròn) và các giả thiết về tính chất của khối đá (coi là môi trường đàn hồi, dẻo hay từ biến ) mà các nhà chuyên môn đề ra các lời giải khác nhau về

sự phân bố ứng suất trong đá

Sự hiểu biết những quy luật biến dạng của khối đá cho phép dự báo chuẩn xác những khả năng biểu hiện có thể có của các quá trình cơ học xảy ra trong chúng Bài toán trên là phức tạp vì phụ thuộc vào nhiều yếu tố ảnh hưởng:

- Trạng thái cơ học ban đầu của khối đá

- Đặc điểm địa chất, cấu trúc cũng như tính chất cơ học của khối đá

- Hình dạng, kích thước, qui mô công trình

- Phương pháp thi công và biện pháp công nghệ được áp dụng áp dụng như thi công bằng phương pháp khoan nổ mìn hay bằng máy, các biện pháp gia cố khối đá bằng neo hay khoan phụt vữa…

- 17 -

Đã có các bài toán cổ điển về sự phân bố ứng suất trong tấm kim loại có đục lỗ tròn Sau này, các nhà nghiên cứu cũng dùng cách này để xác định trạng thái ứng suất của đá xung quanh công trình hầm tiết diện tròn trong đá cứng

Từ năm 1898, Ch Kirsch đã nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong bài toán phẳng cho môi trường đồng nhất, đẳng hướng, liên tục và đàn hồi tuyến tính Sau này, J Schmidt (1926), R Fenner (1938), K Terzaghi và F.E Richart (1952) đã nghiên cứu tỉ mỉ hơn trong các khối đá đàn hồi và không đàn hồi với các hệ số áp lực ngang khác nhau

Trong môi trường dá đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng

- Hầm tiết diện tròn: Giả sử đào một hầm ngang, tiết diện tròn trong khối đá nguyên trạng

Tại một điểm bất kỳ xung quanh hầm sẽ có mặt của các ứng suất: ứng suất hướng tâmr, ứng suất theo chu vi (ứng suất vòng tròn)  , và ứng suất cắt rhướng dọc theo trục của hầm Các ứng suất này phụ thuộc vào trạng thái ứng suất ban đầu của khối đá, vào vị trí của điểm đang xét (nghĩa là khoảng cách từ điểm đang xét đến tâm của hầm và góc hợp giữa đường phương của đoạn thẳng nối điểm đang xét với tâm của hầm và trục tọa độ

Hình 1-7 Các thành phần ứng suất xung quanh hầm tiết diện tròn

- 18 -

Giả sử trong khối đá có áp lực theo phương thẳng đứng 3 và áp lực theo phương nằm ngang là 1 thì các thành phân ứng suất tại một điểm ở xung quanh hầm được tính theo công thức của Ch Kirsch (1898)(13)

2cos

312

12

2cos3

412

12

4 4 2

2 1

3

4

4 1

3 2

2 1

3

4 4 2

2 1

3 2

2 1

a

r

a r

a

x

a r

a r

r - khoảng cách từ điểm đang xét tới tâm hầm;

 - góc giữa trục hoàng và phương của đoạn thẳng nối điểm đang xét tới tâm hầm tính ngược theo chiều quay kim đồng hồ

Từ công thức (1-23), giá trị lớn nhất của các ứng suất tại một điểm xung quanh hầm sẽ phụ thuộc vào sin và cos của góc2 Do vậy, đồ thị biểu diễn sự phân bố ứng suất sẽ đối xứng với các trục tọa độ

Nếu thừa nhận giả thuyết của K Terzaghi về sự phân bố ứng suất tự nhiên trong khối đá với hệ số áp lực ngang othì các công thức của Ch Kirsch sẽ được viết dưới dạng:

2

2cos

311

11

2

2cos3

411

11

2

4 4 2

2 3

4 4 2

2 3

4 4 2

2 2

2 3

a

r

a r

a

r

a r

a r

a

o r

o o

o o

r

(1.24)

- 19 -

Xét giá trị của ứng suất vòng tròn  tại các điểm trên mép hầm có r = a

Khi góc   0 và   thì cos 2  1

3)3(  

Khi góc   / 2 thì cos 2   1

3)31

Tương tự như vậy, có thể tính được các cực trị của r, hay r với các góc đặc biệt khác nhau

Nếu xem khối đá chỉ chịu áp lực thẳng đứng phân bố đều là 3 P và không có

áp lực ngang (O 0) thì các thành phần ứng suất tại một điểm xung quanh hầm có thể tính theo sự nghiên cứu của K Terzaghi và E Richart (1952)

2cos

311

2

2cos3

411

2

4 4 2

2

4 4 2

2

4 4 2

2 2

a p

r

a r

a p

r

a r

a r

a p

r

Nghĩa là ứng suất sẽ không phụ thuộc vào góc  nữa mà chỉ phụ thuộc vào khoảng cách từ điểm đang xét tới tâm của hầm Giá trị lớn nhất của  tại mép hầm

sẽ tăng bằng 2p Điều này cho phép suy ra công thức (1.25) hoặc (1.26)

Có thể xác định các giá trị ứng suất tại các điểm khác nhau trong điều kiện hệ số

áp lực ngang khác nhau, kết quả được thể hiện trên hình 1-8

Hình 1-8 Sự phân bố ứng suất xung quanh hầm tiết diện tròn theo các trạng thái

ứng suất ban đầu khác nhau (theo Turchaninov, 1977)

- 21 -

Trong thực tế có thể có những công trình mà tiết diện của nó không phải là hình tròn mà là hình elip, hình thang, hình chữ nhật đã làm tròn góc hay hình chữ nhật có vòm Sự phân bố ứng suất xung quanh những hầm như vậy không thể tính theo các công thức trên

Từ năm 1913, C.E Inglis đã nghiên cứu cụ thể hơn với các loại tiết diện khác nhau như hình thang, chữ nhật, tam giác

Theo X.G Lekhniski (1950, 1962), khi đào một hình elip có bán trục lớn là a nằm ngang và bán trục bé là b theo phương thẳng đứng thì tại mép hầm, các ứng suất theo phương trục x nằm ngang x và theo phương y thẳng đứng y sẽ được tính theo công thức:

2 2

2 2 2

2 3

0

/

2 2

3 2

2 2

2 3

0

/

)1(

)32()1)(

21()21()1()

1()1

(

)1(

1)

1)(

21

)1

(

d

d d d

d d d

d d

d

d d

d d d

2 2

2 2

2 3 0

/

2 / 3 2 2

2 2 2 2

2 3 0

/

)1(

)1)(

2()1(1)

1(

)1(

)12(1)

23()1)(

12()1(

c

c c

c c c

c

c c c

c c c

- 22 -

C,d,,- các tỷ số, được xác định theo công thức:

c = a/b; d = b/a; x / a;  y / b

Các ký hiệu về ứng suất khác cũng có ý nghĩa tương tự như trên

Tùy theo hệ số áp lực ngang k mà dạng của các biểu đồ phân bố ứng suất của đá

ở xung quanh công trình hầm cũng có những nét khác nhau Trên hình 1.9 là biểu

đồ phân bố ứng suất cho 3 trường hợp khi k = 1 (trạng thái ứng suất thủy tĩnh) và khi k = 0,25; k = 10

Hình 1-9 Sự phân bố ứng suất xung quanh hầm tiết diện ellip với các hệ số áp lực

ngang khác nhau (theo Turchaninov, 1977)

- 23 -

Nói chung, dạng biểu đồ phân bố ứng suất của đá xung quanh hầm tiết diện ellip cũng gần tương tự như ở hầm tiết diện tròn, nhưng ở hầm có dạng ellip, mức độ giảm ứng suất khi đi xa tâm hầm nhanh hơn so với hầm tròn Trong những điều kiện thuận lợi nhất, khoảng cách ảnh hưởng này cũng chỉ bằng 1,2 lần bán trục lớn (hiệu giữa ứng suất tại mép hầm và một điểm nào đó trong khối đá cũng không quá 5%)

Người ta cũng xác định được sự phân bố ứng suất của đá xung quanh hầm hình chữ nhật hay hầm có dạng vòm tròn trong các trạng thái ứng suất khác nhau Trên hình 1-10 là biểu đồ phân bố ứng suất của đá xung quanh hầm khi ở trạng thái ứng suất tĩnh

Hình 1-10 Sự phân bố ứng suất xung quanh hầm tiết diện chữ nhật và dạng vòm

(theo Turchaninov, 1977)

Với đá không đồng nhất, đẳng hướng theo mặt

Trong thực tế thường ít gặp loại đá đàn hồi, đồng nhất, đẳng hướng Để xét trạng thái ứng suất của khối đá không đẳng hướng và không đồng nhất lại khó Do vậy thường nghiên cứu với giả thiết là đá không đồng nhất và chỉ đẳng hướng trong các

- 24 -

mặt song song với nhau Những mặt này có thể là mặt phân lớp hay phân phiến của khối đá Tính chất của đá theo mọi phương trên mặt phân lớp coi là giống nhau Với giả thiết này, việc nghiên cứu trạng thái ứng suất của đá bằng phương pháp giải tích

sẽ dễ dàng hơn

Với khối đá không đồng nhất, đẳng hướng theo mặt và biến dạng tuyến tính thì định luật Hook tổng quát trong hệ trục tọa độ có trục y vuông góc với mặt phẳng đẳng hướng sẽ có dạng:

1 1

1

1 1

)(

1

1)(

1

G G G

E E

E E

E E

xy xy

xz xz

xz yz

y x

z z

y z

x y

y z

x x

Trong đó: x,y,z- biến dạng tương đối theo các phương x, y, z;

E,  - module đàn hồi và hệ số Poisson trong mặt đẳng hướng;

xy xz

yz  

 , , - biến dạng góc trong các mặt tương ứng

G và G1 module trượt đặc trưng cho sự chống lại các biến dạng góc trong mặt đẳng hướng và trong mặt vuông góc với mặt đẳng hướng

Module trượt G có thể tính từ module đàn hồi và hệ số Poisson theo công thức:

- 25 -

)1(

Do vậy, từ công thức (1.32) có thể viết:

y x

1 2

1 1 1

1 1 2

1

)1(1

1

11

E E

E

E E

y y

y x

1 1 2

111

E E

E E

E E

y xy x

(1.36)

xy y

y xy x x x

E E

2 1

4 0

1

2 2 2 1

1 2

1

2 1

coscos

sin2

1sin

2

2)(

y x

xy x

x xy

x xy y x y

x

E E

G E

E

G

E a

a

G

E E

E a

a i

E

E a

2

cossin)1)(

1)(

cos(sin



- 27 -

Khi tiết diện hầm là hình ellip, theo Lexhniski, ứng suất của đá cũng tính tương

tự theo các công thức đã tính với hầm tiết diện tròn Nhưng do kể đến dạng hầm và

hệ số áp lực ngang , nên tại điểm ở mép hầm trên trục nằm ngang ứng suất sẽ là:

- hệ số áp lực ngang ở trạng thái ứng suất ban đầu của khối đá ( 1)

Dễ dàng nhân thấy là khi trạng thái ứng suất ban đầu của khối đá là thủy tĩnh (  1) và tiết diện hầm là hình tròn (c = 1) thì các công thức (1.42), (1.43), sẽ giống như các công thức (1.40), (1.41)

Trong một số trường hợp, sự sai khác giữa trị số các ứng suất trong khối đá đẳng hướng và không đẵng hướng cũng không lớn lắm trong khi các điều kiện khác hầu như giống nhau, nghĩa là có thể không kể đến hiện tượng bất đẳng hướng

- 28 -

Trong môi trường khối đá đàn hồi – dẻo

Hình 1-11 Sơ đồ lực, vùng biến dạng dẻo và phân bố ứng suất quanh hầm (a)

Ổn định đường hầm theo thời gian (b)

Nếu không có biện pháp chống đỡ, vùng dẻo sẽ phát triển theo thời gian và có

thể dẫn tới sập hầm Nếu đá chịu đựng được trạng thái ứng suất mới thì hầm sẽ dần

ổn định Vùng dẻo được xác định theo phương pháp Fenner hay phương pháp Hoek

(2000)

Phương pháp Hoek: phương pháp đơn giản xem xét tương tác giữa áp lực đá với

vỏ chống theo lý thuyết dẻo để đánh giá và dự tính biện pháp chống đỡ thích hợp

Hoek đã lập các biểu đồ không thứ nguyên với các thông số độ bền và biến dạng

của hầm:

Vùng dẻo được xác định theo phương pháp Hoek (2000) cho trường hợp không

có vỏ chống và có vỏ chống thể hiện như ở hình 1-12, 1-13

Hoek & Brown (1980) và Brady & Brown (1985) đã lập các đường quan hệ để

tiện tính bulong đá neo cơ học, vỏ chống bêtông phun hay vữa trát hay các vì chống

thép cho các đường hầm tròn thể hiện trong hình 1-14

- 29 -

Hình 1-12 Trường hợp chưa có vỏ chống (p i = 0)

Hình 1-13 Trường hợp có vỏ chống (p i ≠ 0)

Hình 1-14 Quan hệ áp lực chống và kích thước hầm

- 30 -

1.5 Nhận xét và phương hướng của đề tài

Từ các kết quả phân tích về mức độ diễn biến quá trình cơ học xảy ra trong khối

đá khi có công trình ngầm, có thể phân biệt 3 trường hợp chủ yếu sau:

- Các tác động cơ học đang còn nằm trong giới hạn nhất định, chưa đạt tới giới hạn chịu tải của khối đá, nên xung quanh công trình ngầm không xuất hiện hiện tượng phá hủy hoặc dẻo

- Xung quanh công trình ngầm xuất hiện các vùng dẻo hay phá hủy cục bộ như các vùng chịu kéo, chịu nén do ứng suất tập trung lớn Trong trường hợp này xuất hiện các vết rạn nứt ở nóc, sườn và nền công trình ngầm

- Tính chất cũng như mức độ phức tạp của các quá trình biến đổi cơ học xảy ra xung quanh công trình ngầm đã được chứng tỏ qua các kết quả thực nghiệm cũng như phân tích lý thuyết đòi hỏi phải nghiên cứu, phân tích thận trọng các dữ liệu về khối đá được sử dụng Có như vậy công tác thiết kế và thi công mới mang lại hiệu quả kinh tế và đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật

Trong trường hợp trạng thái ứng suất vượt quá phạm vi đàn hồi, môi trường đá sẽ xuất hiện dẻo Để hạn chế sự mất ổn định, tăng cường độ liên kết và mức độ toàn khối của khối đá có thể sử dụng hệ thống neo liên kết Sự xuất hiện của hệ thống neo có thể làm chất lượng đá tốt hơn, độ ổn định của công trình vì thế cũng được tăng theo Đó cũng chính là mục tiêu của đề tài

- 31 -

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH NEO TRONG ĐÁ

2.1 Các loại bulông neo

Bulông neo là vật liệu được lắp đặt để chống đỡ các khối đá rời, gia cường mái

và vách hầm Bulông neo được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1927, từ đó đến nay

đã trở thành hệ thống chống đỡ chủ yếu trong các hầm mỏ cũng như các công trình ngầm Nhiều nghiên cứu được thực hiện để tối ưu hoá phương pháp thi công, đặc tính kỹ thuật, phương pháp thử tải neo cũng như điều kiện ứng dụng của từng hệ thống neo Nội dung chương này trình bày các vấn đề cơ bản về bulông neo và những loại neo được sử dụng rộng rãi trong thi công các công trình ngầm [3], [10], [14], [15], [16], [19], [20]

Hình 2-1 Bố trí bulông neo che chống mái và vách hầm

Bulông neo gia cường đất đá bằng cách liên kết các lớp đá phân tầng, nứt vỡ hay các khối đá rời rạc lại với nhau Hiệu quả liên kết đạt được nhờ lực ma sát tạo ra bởi việc cài khoá vào nhau dọc theo bulông neo và bề mặt đá Dựa trên hình thức neo giữ, bulông neo có thể chia làm hai nhóm cơ bản:

 Neo ở đỉnh: Bulông neo ở đỉnh được neo nhờ một thiết bị cơ học hoặc chất kết dính gắn ở đầu phía trên của bulông neo Tấm đỡ được đặt giữa đầu dưới của bulông neo và mái hầm đóng vai trò như phần neo thứ 2 tại miệng lỗ khoan Thân neo được gây ứng suất trước trong quá trình thi công

 Neo dính kết trên suốt chiều dài: Đối với bulông neo có dạng dính kết trên suốt chiều dài, khoảng hở giữa thân neo và lỗ khoan được bơm đầy xi măng

cụ thể Bảng 2-1 tóm tắt các loại bulông neo được sử dụng hiện nay

Bảng 2-1 Các loại bulông neo phổ biến

Loại bulông Kiểu đầu neo Phạm vi sử

Sử dụng rộng rãi

- Neo tiêu chuẩn Đá cường độ

vừa

- Neo dạng gàu Đá mềm Neo gán chất nổ Đá cường độ

thấp

Sử dụng hạn chế

Nhựa, vữa kết dính Dùng cho tất

cả các loại địa chất, đặc biệt

là đá yếu

Dùng ngày càng nhiều

(24inch)

Neo mở rộng kết hợp nhựa không trộn

Hầu hết địa chất

Bất lợi:

- Xi măng co ngót

- Thời gian lắp đặt kéo dài

- Khoan

- Phun

- Đặt trong bao

- Phun

- Đặt trong bao Neo cáp Neo mở rộng Đá cường độ

vừa

Gán thiết bị đàn hồi

Neo sợi thuỷ

tinh

Nhựa kết dính Địa chất yếu Lắp đặt phức tạp

Đinh ốc Neo mở rộng Hầu hết địa

chất

Dùng để thí nghiệm

Neo ma sát Ma sát suốt chiều

dài

Địa chất yếu Rẻ nhưng cần thiết

bị chuyên dùng

Giàng mái

Neo mở rộng Mái ngược Dùng tại nơi giao

nhau giữa hai đường hầm hoặc nơi có áp lực lớn Neo Swellex Kẹp suốt chiều dài Tầng chứa

nước

Bơm nước áp lực cao làm căng ống Neo có đầu tự

khoan

Phun vữa suốt chiều dài

Địa chất yếu Đầu khoan được để

lại trong lỗ khoan

2.1.1 Các loại bulông neo thông thường

Bulông neo ở đỉnh (neo cơ học)

Loại bulông neo này lợi dụng sức neo chặt của đầu neo để hạn chế phạm vi biến dạng và long rời Tuy có rất nhiều loại neo cơ học, nhưng chúng đều có các bộ phận sau:

- Một thanh thép đặc

- Thiết bị neo cơ học ở đầu trên của thanh

- Thiết bị gây ứng suất ở đầu dưới của thanh