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 l à 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 L N 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 L N 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 ML đã 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 nguyên lý: 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 3 đèo Hải Vân, khi đang thi công bên dưới (do hệ thống vì neo và kết cấu gia cố sơ bộ đất đá ở đây chưa phù hợp với đặc điểm của môi trường xung quanh và quy trình đào ). Một số trường hợp đã gặp sự cố do bố trí VN theo sơ đồ bình quân không hợp lí: Đến nỗi, trong 1 số nhóm VN được thiết kế, có thể gặp 1 số VN quá thừa bền làm việc với 1 số 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 có cơ sở hiểu về tải trọng tổng quát của mỗi VN nói chung, chúng ta có thể xem xét hệ tải trọng của một số VN đơn giản có các tên riêng thông dụng: đinh, đinh vít, đinh bu lông neo…, khi chưa kể dến dự lực căng dọc chúng do lực đóng hoặc vặn chúng hơi quá ngưỡng: - Các đinh (vít) thẳng đứng, định vị trần giả lên trần thật, nếu mũ đinh đủ bền, các thân đinh gần như chỉ cần chống lực dọc đinh (vít). - Các đinh (vít) nằm ngang trên tường, cột…để treo khung ảnh, câu đối, đồng hồ, bảng tin…các thân đinh gần như chỉ cần chống lực cắt ngang đinh (vít). - Đối với các bu lông neo trên tường để mắc võng, căng dây phơi…, nếu góc hợp bởi tiếp tuyến của đầu buộc dây võng, dây phơi…với trục dọc bu lông neo là  t ; lực dọc bu lông neo là F d và lực ngang bu lông neo là Q n ; rõ ràng, khi  t tăng từ :  t (o) = 0 đến  t (90) = 90 0 , thì F d giảm dần từ F d (max) > 0 xuống F d (min) = 0 ; còn Q n tăng dần từ Q n(min) = 0 đến Q n (max) > 0 . Nghĩa là khi : 0 <  t < 90 0 thì các bu lông này vừa phải chịu lực dọc bu lông, vừa phải chịu lực ngang bu lông. Riêng khi :  t = 0 thì chúng chỉ chịu lực dọc và riêng khi :  t = 90 0 thì chúng chỉ chịu lực ngang. - Đối với nhóm đinh (vít) nằm ngang cùng định vị một giá đỡ hàng kiểu công xôn, trên tường đứng (hình 3 ), mỗi cái lại nhận 1 hệ tải trọng riêng theo chiều từ trên xuống: lực tác dụng dọc đinh (vít) giảm dần, còn lực tác dụng ngang đinh (vít) có thể coi như là bằng nhau; riêng đinh (vít) sát mút dưới khung giá, gần như chỉ có nhiệm vụ chống cắt ngang. - Còn với đinh (vít) định vị dây néo giá đỡ hàng đó, có nhiệm vụ thay đổi từ chống nhổ dọc đến chống cắt ngang tương ứng với góc hợp với dây néo từ 0 0 đến 90 0 (hình 3). - Trong dầm nhiều lớp, ghép bằng các bu lông bắt vuông góc với dầm, đặt trên 2 gối tựa; khi dầm bị uốn võng, mỗi bu lông cũng nhận 1 hệ tải trọng riêng, tùy vào các yếu tố ảnh hưởng khác nhau, trong đó có vị trí của bu lông tương ứng với chiều dài dầm ghép : bu lông ở mặt cắt dầm chịu ứng suất uốn cực trị, gần như chỉ chịu lực dọc; còn các bu lông khác, nói chung đều chịu cả lực dọc và lực cắt, vì mặt cắt ngang dầm ban đầu là phẳng và vuông góc với trụ dọc dầm, nhưng sau khi dầm biến dạng uốn võng, nói chung chúng không còn phẳng và vuông góc với trục dầm nữa ( giả thuyết Bécnuli và giả thuyết các thớ dọc dầm không đẩy và không ép nhau - khi nghiên cứu biến dạng của dầm chịu uốn thuần túy trong lý thuyết sức bền vật liệu chỉ là gần đúng, và cần hạn chế áp dụng vào đây) . - Đặc biệt, khi tìm hiểu về nhóm que tăm liên kết các củ khoai với nhau để tạo hình những con giống ngộ nghĩnh , chúng ta không những thấy mỗi que tăm phải chịu 1 hệ tải trọng riêng, mà còn thấy chúng chỉ định vị những củ khoai rời rạc với nhau , không thông qua 1 khối vật chất cố định nào cả. H×nh 3: S¬ ®å c¸c ®inh (vÝt) n»m ngang, ®Þnh vÞ gi¸ ®¬ hµng trªn tuêng ®óng. 1 - Gi¸ ®¬ . 2 - D©y nÐo. 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 : 6 + Neo kết số lượng đủ lớn các lớp đá mỏng kém ổn định, nằm liên tiếp từ ML trở đi, thành 1 tầng đá dày có neo kết cứng vững ổn định. + Neo kết số lượng đủ lớn các mảng đá nứt nẻ hoặc các phần tử đá liên kết yếu, cùng nằm theo ML, thành 1 KĐ dày có neo kết cứng vững ổn định. + Neo kết số lượng đủ lớn các tảng đá rời, nằm liên tiếp từ ML trở đi, thành 1 KĐ dày có neo kết cứng vững ổn định . 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 <  < 90 o ); 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 . 8 + Thí dụ 1: với các hầm lò hình thang, hình vòm… đối xứng và chịu tải trọng đối xứng tương ứng , không nên bố trí VN vuông góc với trục dọc công trình tại vị trí giữa nóc. Hình 5 : Sơ đồ chống giữ hầm lò bằng và nghiêng bằng VN phối hợp với các kết cấu lắp ghép khác nhau [14] . + Thí dụ 2: Với các hầm lò bằng và nghiêng hình tròn cùng chịu tải đối xứng qua 2 mặt phẳng vuông góc với nhau, cùng nhận trục dọc công trình làm giao tuyến, trong đó có 1 mặt phẳng thẳng đứng, không nên bố trí VN trong các mặt phẳng thẳng đứng đó. Còn với các giếng đứng hình tròn, chịu tải trọng đối xứng tỏa tròn, không nên bố trí VN theo các phương xuyên tâm. 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 9 vẫn không đem lại hiệu quả kỹ thuật đáng kể; cho nên tốt nhất là tránh bố trí các VN độc lập tại các vị trí ML của KĐ đang nguy hiểm. d/. Việc thi công lắp đặt VN tại những vị trí ML bất kỳ nào đó của KĐ khi không có gia cường sơ bộ và gia cường tạm thời bằng các kết cấu khác hoặc các VN lân cận, chỉ có thể thành công khi KĐ đó đang rất bền vững và tốc độ biến dạng chậm , đảm bảo các VN tại đó 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: 45 0    60 0 ; 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 (R N ) của KĐ đó  ( 1 =  1(N)  R N ). 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 (R k ) của KĐ đó   3 =  3(K) < R k . b/  3 = 0 . c/  3 là ư/s nén ( 3(N) ) mang dấu (+) có trị số độ bền nén đơn (R N ) của KĐ đó   3(N) <  1(N)  R N . [...]... TẮT NỘI DUNG: PHƯƠNG PHÁP MỚI ĐỂ BỐ TRÍ VÀ TÍNH TOÁN VÌ NEO GIA CƯỜNG KHỐI ĐÁ Đỗ Thụy Đằng Hiện nay vẫn chưa có nguyên lý chặt chẽ để chọn sơ đồ bố trí và quy trình tính toán vì neo gia cường khối đá Chỉ dẫn chọn vị trí và tư thế vì neo chỉ là định tính Chỉ dẫn xác định mật độ vì neo chỉ là để tìm mật độ bình quân Chỉ dẫn tính toán vì neo chỉ dựa vào khả năng chịu kéo dọc của chúng Để vì neo làm việc... cao , chúng cần được bố trí và tính toán tuỳ theo trạng thái ứng suất và biến dạng của từng loại phân tố của khối đá, sau khi kết hợp với khả năng thi công nhằm biến khối đá chưa gia cường thành khối đá có cốt hợp lý Khi thực hiện nguyên lý này, chúng ta không những phải biết được đặc tính của vì neo và khối đá, mà còn phải kiểm soát được sự biến đổi các đặc tính đó, nhằm sử dụng vì neo đạt được hiệu... Hình 7: Trạng thái ứng suất của phân tố đá nghiên cứu theo trường hợp 1; khi không có và khi có vì neo gia cường độc lập A- Các vòng tròn Mo ứng suất và đường đặc tính bền của khối đá nghiên cứu B- Phân tố đá nghiên cứu cùng với phương vị và ứng lực căng cần thiết n của vì neo gia cường phân tố đó 1 - Vòng tròn Mo ứng suất thứ sinh phá hủy dự kiến: 1ph (1) = 0 và 3ph (1) = K (1) > RK 2 - Vòng tròn... của phân tố đá nghiên cứu theo trường hợp 2; khi không có và khi có vì neo gia cường độc lập A/ Các vòng tròn Mo ứng suất và đường đặc tính bền của khối đá nghiên cứu B/ Phân tố đá nghiên cứu cùng với phương vị và ứng lực căng cần thiết N(2) của vì neo gia cường phân tố đó 1 - Vòng tròn Mo ứng suất thứ sinh phá hủy dự kiến: (1ph(2)= N) và (3ph(2)= K) 2 - Vòng tròn Mo ứng suất giới hạn bền kéo... P'n(3) 1ph(3)1ghP'(3) 0 0ghP'n(3) at(3) Hình 9: Trạng thái ứng suất của phân tố đá nghiên cứu theo trường hợp 3; khi không có và khi có vì neo gia cường độc lập A - Phân tố đá nghiên cứu cùng với phương vị và ứng lực căng cần thiết (2) của vì neo gia cường B - Các vòng tròn Mo ứng suất và đường đặc tính bền của khối đá nghiên cứu 1 - Vòng tròn Mo ứng suất thứ sinh phá hủy dự kiến: 2 - Vòng tròn... tạm thời để gia cường tạm thời cho KĐ nghiên cứu, rồi mới dùng VN gia cường cho KĐ đó, sao cho thoả mãn yêu cầu gắn kết KĐ nghiên cứu với các KĐ nguyên ổn định lâu dài Sau khi VN đã làm việc theo yêu cầu đặt ra, mới được coi là kết cấu tạm thời đã hết nhiệm vụ b- Dùng các kết cấu sơ bộ để gia cường sơ bộ cho KĐ nghiên cứu rồi dùng VN cùng làm việc, để gia cường thêm cho KĐ đó - Dùng VN gia cường cho... n(4) ,, n(4) N Hình 10 : Trạng thái ứng suất của phân tố đá nghiên cứu theo trường hợp 4; khi không có và khi có vì neo gia cường độc lập C- Các vòng tròn Mo ứng suất và đường đặc tính bền của khối đá nghiên cứu D- Phân tố đá nghiên cứu cùng với phương vị và ứng lực căng cần thiết n(4) của vì neo gia cường phân tố đó 1 - Vòng tròn Mo ứng suất giới hạn nén đơn 2 - Vòng tròn Mo ứng suất giới hạn kéo đơn... mang tải, thế nằm và sự phân bố Thế mà, điều kiện tự nhiên của KĐ lại phụ thuộc vào cả vị trí và thời gian tồn tại độc lập của ML; còn chất lượng VN lại phụ thuộc cả vào vật liệu cùng với trình độ gia công và thi công; cho nên để thi công VN cần bám sát điều kiện hiện trường để điều chỉnh thiết kế cho phù hợp Để xác định chiều dài đặc biệt là chiều dài đoạn đầu neo [1] & [2] cần dựa vào đặc tính vùng... được chọn và đường đặc tính bền của KĐ nghiên cứu, cùng với dấu của các ư/s trong các biểu thức và bất đẳng thức có liên quan; mà còn phải dựa vào: điều kiện đầu tư, khả năng thi công và điều kiện hiện trường thực tế để chọn vị trí và phương vị VN gia cường cho các KĐ nghiên cứu Có trường hợp, có thể dùng VN gia cường trực tiếp cho KĐ nghiên cứu Nhưng cũng có trường hợp chỉ nên dùng VN gia cường gián... bố trí VN: a/ Để bố trí VN gia cường các phân tử đá trong mặt phẳng hoạt động của ư/s chính nhỏ nhất 3 = 0 và song song với ư/s chính trung gian 2 (quy ước gọi là mặt phẳng A), khi nội lực mô men đạt cực trị và nội lực cắt ngang bằng không (đặc biệt là khi mô men gây căng thớ ML); vì không lắp đặt được VN vuông góc với mặt phẳng A, cho nên chúng ta có 2 phương án: - Nếu cho phép sử dụng kết cấu gia . 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). - 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. phân tố đá nghiên cứu theo trường hợp 3; khi không có và khi có vì neo gia cường độc lập. A - Phân tố đá nghiên cứu cùng với phương vị và ứng lực căng cần thiết  (2) của vì neo gia cường