Tiểu luận cơ học đá (áp lực đất đá)

Bài tiểu luận số 02 MỤC LỤC SV: Đinh Văn Điệp Bài tiểu luận số 02 TÍNH TOÁN DỰ BÁO ÁP LỰC ĐẤT ĐÁ TÁC DỤNG XUNG QUANH CÁC KHOẢNG TRỐNG CÔNG TRÌNH NGẦM SAU KHI KHAI ĐÀO Tổng quan Như biết sau công trình ngầm khai đào đất đá xung quanh công trình ngầm bị biến dạng chuyển vị vào phía khoảng trống công trình ngầm gây số dạng phá hủy sập lở nóc, sạt lở bên hông, bùng nền… Để chống giữ tượng cần phải có kết cấu chống phù hợp, cần thiết phải có tính toán dự báo áp lực đất đá tác động lên vỏ chống công trình ngầm để thiết kế chống giữ công trình ngầm cho hợp lý Để xác định áp lực đất đá tác dụng lên công trình ngầm người ta chia làm nhóm sau: Các phương pháp lý thuyết Các phương pháp kinh nghiệm Các phương pháp đo đạc Các phương pháp lý thuyết dựa vào giả thuyết để tính toán phương pháp đo đạc kinh nghiệm phải dựa vào đo đạc trường sau đem phòng thí nghiệm để kiểm tra kết Công trình ngầm nằm ngang 2.1 Áp lực Hiện có nhiều giả thuyết xác định áp lực xây dựng phát triển phần số coi khối đá môi trường rời Trong số đó, giả thuyết nhiều sử dụng thực tế “giả thuyết vòm áp lực” Prôtôđiakônốp, giả thuyết áp lực Bierbaumer Terzaghi 2.1.1 Giả thuyết Prôtôdiakônốp Cơ sở hình thành Xuất phát từ thí nghiệm mô hình (với cát ẩm) quan trắc thực tế Prôtôđiakônốp cho rằng, sau khai đào phía khoảng trống hình thành vòm sụt lún dịch chuyển thẳng phía khoảng trống Khối đá phía vòm sụt lún trạng thái cân ổn định Trọng lượng đá vòm sụt lún nguyên nhân gây áp lực đất, đá phía lên khung, vỏ chống SV: Đinh Văn Điệp Bài tiểu luận số 02 x b 2a y Hình : Sơ đồ tính áp lực theo giả thuyết G.S Protodiaconop Theo kết phân tích Prôtôđiakônốp, vòm áp lực có dạng parabol, biểu diễn theo phương trình sau: x2 y= a f (2 ) Trong đó: a - Nửa chiều rộng khoảng trống; f - Hệ số kiên cố đất đá phía Như chiều cao đỉnh vòm phá huỷ là: b= a f (2 ) Từ biểu thức ta thấy vòm áp lực phụ thuộc vào chiều rộng khoảng trống (a) tính chất học đá (f) Tính áp lực tập trung cho đơn vị chiều dài khoảng trống ta có: Qn = a γ f (2 ) Trong đó: Qn - áp lực tập trung phía nóc; γ - dung trọng đất đá phía nóc; Phạm vi áp dụng SV: Đinh Văn Điệp Bài tiểu luận số 02 Giả thuyết áp lực Protodiaconop áp dụng đào đường lò qua vùng đất đá cứng vững Công trình ngầm đặt độ sâu lớn mà có áp lực nóc, không xuất áp lực nông Ưu nhược điểm Giả thuyết Protodiaconop cho áp lực có sở đơn giản, dễ dàng tính toán, song đề cập tới áp lực mà chưa đề cập tới áp lực bên hông công trình sau khai đào 2.1.2 Giả thuyết áp lực Tsimbarevich Cơ sở hình thành Theo quan điểm Tximbarevich cho rằng: Sau khai đào hai bên sườn khoảng trống bị sụt lở, chiều rộng vòm phá huỷ phía 2a1, xác định theo công thức sau:  90 − ϕ  a = a + h tg    (2 ) Trong đó: H - chiều cao khoảng trống; ϕ - góc ma sát đất đá Như chiều cao đỉnh vòm phá huỷ b1 xác định theo biểu thức sau:  90 − ϕ   a + h.tg  a1   b1 = = f f (2 ) b h 2a θ1=(450-φ/2) θ2=(450+φ/2) Hình : Sơ đồ tính toán áp lực đất đá theo giả thuyết Tximbarevich SV: Đinh Văn Điệp Bài tiểu luận số 02 Từ xác định áp lực đất đá theo công thức sau:   90 − ϕ ( a + htg ) − a2   2a Qn =  .γ 3f  90 − ϕ  (a + htg )   (2 ) Ngoài tính toán người ta thường sử dụng đại lượng áp lực phân bố Các đại lượng lấy gần cho hai trường hợp nêu là: qn = γ.b qn = γ b1 (2 ) Phạm vi áp dụng Trong thực tế, đá hai bên sườn khoảng trống cứng vững (f>4), người ta tính áp lực theo Prôtôđiakônốp, hai bên sườn có xu hướng bị phá huỷ (đá bị nứt nẻ f> a biểu thức trở thành: Qn = 2a γ λtgϕ (2 ) Phạm vi áp dụng Giả thuyết Tezaghi áp dụng cho công trình nằm nông gần bề mặt đất có chịu tải trọng công trình bên thông qua lực phân bố p Ưu nhược điểm So với giả thuyết Bierbaumer Tezaghi có xét đến hệ số áp lực ngang bất kì, phần đất đá sập lở phát triển rộng hai bên kéo dài đến tận chân công trình ngầm, Bierbaumer cho phần đất đá sập lở đến đỉnh công trình ngầm 2.2 Áp lực sườn Áp lực đá tác dụng theo phương nằm ngang từ hai bên sườn công trình ngầm phía khoảng trống gọi áp lực sườn (hay áp lực hông) Áp lực sườn tính theo giả thuyết Tximbarevich (hình 7.53) Cơ sở phương pháp lý thuyết tường chắn đất hay áp lực đất Coulomb SV: Đinh Văn Điệp Bài tiểu luận số 02 Sau khai đào khoảng trống, đá bị phá huỷ hai bên sườn, có xu trượt phía khoảng trống gây áp lực lên tường chắn hay vỏ chống B A Q cd G c C N T R h φ Hình : Sơ đồ tính toán áp lực lên tường chắn Mặt trượt AC mặt trượt giả định, thoả mãn điều kiện sau: Mặt trượt phẳng; Mặt gianh giới tường chắn khối đất ma sát; phương tác dụng áp lực đất lên trùng với phương nằm ngang Các thành phần lực pháp tuyến N lực tiếp tuyến T mặt trượt phải thoả mãn điều kiện cân Conlomb-Mohr: T = N tgϕ Từ mặt trượt giả định mặt trượt nguy hiểm mặt trượt gây áp lực lớn lên tường chắn Trong đó: G - trọng lượng khối đất trượt; SV: Đinh Văn Điệp 10 Bài tiểu luận số 02 qcđ - phản lực tường lên khối đất,đá trượt áp lực chủ động tác dụng lên lực tường; R - phản khối đất, đá phía mặt trượt lên khối trượt lực thành phần tác dụng lên mặt trượt Đương nhiên, khối trượt trạng thái cân tĩnh, lực thành phần thoả mãn điều kiện cân tĩnh Biểu đồ tổng hợp lực hình γh cot gα Qcd = Gtg (α − ϕ ) G= (2 ) Áp lực tập trung lên tường chắn: h γ Qcd = cot gα tg (α − ϕ ) pcđ đạt giá trị cực đại dQcd =0 dα (2 ) , nghĩa là: h γ  tg (α − ϕ ) cot g (α )  + − =0  sin α cos (α − ϕ )  (2 ) Từ nhận α= 90 + ϕ (2 ) góc tạo mặt trượt nguy hiểm với phương nằm ngang γh 2  900 − ϕ  Qcd = tg     (2 ) Từ tính áp lực (ứng suất) phân bố lên phân tố chiều cao dh độ sâu h, xem h đối số là: SV: Đinh Văn Điệp 11 Bài tiểu luận số 02 dQcd  90 − ϕ  qcd = = γh.tg   dh   (2 ) Theo cách tính này, biểu đồ phân bố áp lực sườn công trình nằm ngang có dạng hình thang với: qcd1 = γ1.h1.tg2(450-ϕ1/2) qcd2 = γ2.h2.tg2(450-ϕ2/2) qcd1 qcd1 2a h qcd2 qcd2 Hình : Biểu đồ phân bố áp lực sườn theo giả thuyết Tximbarevich Trong đó: γ1, ϕ1 - dung trọng góc ma sát đá phía nóc; γtb - dung trọng trung bình đá đá sườn, xác định theo biểu thức sau: γ tb = (γ h + γ h ) h1 + h (2 ) Trong đó: h1 - chiều cao vòm phá huỷ bên sườn ; γ2, ϕ2 - dung trọng góc ma sát đá bên sườn công trình; Khi áp lực sườn tập trung tác dụng lên khung chống là: Qs = qcd 1+ + qcd h (2 ) 2.3 Áp lực Áp lực tác dụng từ phía vào khoảng trống công trình ngầm gọi áp lực Tuỳ theo nguyên nhân gây áp lực dẫn đến tượng bùng có nhiều SV: Đinh Văn Điệp 12 Bài tiểu luận số 02 phương pháp, giả thuyết xây dựng để tính áp lực Dưới giới thiệu giả thuyết Tximbarêvich, dựa sở phân tích hình thành mặt trươt dưói công trình theo Bêldetxki C D b h x qc 450 − B A ϕ P E C qb A 450 + F ϕ Hình : Sơ đồ tính áp lực theo Tximbarevich Theo phân tích Beldetxki tác dụng tải trọng giới hạn P (do tác dụng cột đá BCĐ trọng lượng khung vỏ chống gây ra), khối đá ABC bị dịch chuyển xuống phía dọc theo AB Coi mặt AC tường chắn giả định, mặt AC chịu tác dụng áp lực chủ động Qcđ Tác động đẩy khối ACE trồi lên khoảng trống, dọc theo mặt trượt AE Như vậy, khối ACE gây áp lực bị động Qbđ lên AC Theo lý thuyết áp lực lên tường chắn học đất dựa vào sơ đồ có: qcđ = (p0 + γ.x) tg2 (45-ϕ/2) qbđ = γ.x tg2 (45+ϕ/2) Tại độ sâu x0 thoả mãn điều kiện: qcđ= qbđ x= x0 Từ cho phép xác định x0 theo biểu thức sau: p0 ϕ tg ( 45 − ) γ x0 = ϕ − tg ( 450 − ) SV: Đinh Văn Điệp (2 ) 13 Bài tiểu luận số 02 với : γ, ϕ dung trọng góc ma sát đá phía công trình ngầm Áp lực chủ động, áp lực bị động toàn phần, tập trung tác dụng lên AC theo công thức sau:  γ x 20  ϕ Q cd =  + p x  tg (45 − )   Q bd = ϕ γ x 20 tg (45 + ) 2 (2 ) Nếu đá nóc, sườn (đồng nhất) bỏ qua trọng lượng khung vỏ chống, đồng thời coi áp lực tác dụng thẳng đứng lên đá hai bên sườn khoảng trống p0 trọng lượng cột đá vòm sụt lở khối trượt xác định chiều sâu giớn hạn x0 cách gần theo biểu thức: ϕ (h + b1 ).tg (45 − ) x0 = ϕ − tg (45 + ) (2 ) Áp lực đất đá lên công trình ngầm nằm nghiêng Công trình ngầm xếp vào loại nằm nghiêng 10 ≤ α ≤ 750 Áp lực đá dự tính dựa vào giả thuyết cho công trình ngầm nằm ngang, có ý đến góc nghiêng công trình h α b h' A B A ' B' SV: Đinh Văn Điệp 14 Bài tiểu luận số 02 Hình : Sơ đồ tính áp lực lên công trình ngầm nằm nghiêng Nhưng thực tế khung, vỏ chống đặt mặt cắt BB' vuông góc với trục công trình ngầm, áp lực vòm áp lực gây tách thành hai thành phần: tác dụng vuông góc với trục công trình ngầm (tức thẳng đứng vào khung chống) song song với trục công trình ngầm Các thành phần tác dụng vuông góc với trục công trình ngầm q n tác dụng song song Tn là: ϕ   γ a.cos α + h tg(450 − )   q n = q n cos α =  f ϕ   γ a.sin α + h tg(450 − ) tgα   Tn = q n sin α =  f (3 ) (3 ) Áp dụng tương tự tính áp lực sườn áp lực theo giả thuyết Tximbarevich Áp lực đất đá lên công trình ngầm thẳng đứng 4.1 Cơ sở hình thành Công trình có góc nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang α > 750 coi công trình thẳng đứng Hiện có nhiều giả thuyết khác để xác định áp lực lên khung, vỏ chống công trình thẳng đứng, coi khối đá môi trường rời Ở giới thiệu hai giả thuyết Prôtôđiakônốp Tximbarevich Prôtôđiakônốp cho vỏ chống giếng đứng làm việc tường chắn, chịu áp lực lăng trụ trượt ABC H 450+φ/2 qs Hình : Sơ đồ tính toán áp lực lên giếng đứng theo Protodiaconop SV: Đinh Văn Điệp 15 Bài tiểu luận số 02 Việc tính toán áp lực lên vỏ chống dựa theo sở lý thuyết tường chắn đất Áp lực tác dụng lên khung, vỏ chống áp lực chủ động xác định gần cho toàn chiều dài giếng là: ϕ q s = γ z.tg ( 450 − ) (4 ) Trong đó: γ- dung trọng trung bình khối đá xung quanh going ϕ- góc ma sát 'ảo' trung bình z- độ sâu kể từ mặt đất Gọi γi, fi hi dung trọng, hệ số kiên cố chiều dày lớp đá thứ i, γ ϕ xác định theo công thức sau: n γ= n ∑ γ i.hi n ∑h i =1 ∑f h i f= i =1 i ∑h i =1 ; i i =1 n i (4 ) ϕ=arctgf; Như vậy, áp lực sườn qs tăng dần lên theo độ sâu có biểu đồ phân bố dạng tam giác Tximbarevich xác định áp lực dựa vào lý thuyết tường chắn đất Tuy nhiên, khác với giả thuyết Prôtôđiakônốp, áp lực tính cho lớp đất, đá riêng biệt Đồng thời tính tác giả xem lớp đất đá phía gây áp lực phân bố lên lớp đất đá phía γ1, h1,ϕ1 γ2, h2,ϕ2 γ3, h3,ϕ3 γ4, h4,ϕ4 γ5, SV: Đinh Văn Điệp 16 Bài tiểu luận số 02 Hình : Biểu đồ phân bố áp lực theo giả thuyết Tximbarevich Với giả thiết trên, áp lực phân bố độ sâu z lớp thứ n xác định theo công thức sau: n n ϕ Z q SN = ∑ γ i hi + ( z − ∑ hi )γ n tg (450 − n )  i =1  i =1 (4 ) Như vậy, tính riêng áp lực (vách) (trụ) lớp n ta có: n q 1SN = ( ∑ γ i h i ).tg (450 − i =1 ϕn ) n q SN = ( ∑ γ i h i + γ n h n ).tg (450 − i =1 ϕn ) (4 ) Với γi; hi; ϕi : dung trọng, chiều dày góc ma sát lớp đất đá thứ i Bằng cách tính này, biểu đồ phân bố áp lực lên khung vỏ chống phụ thuộc vào tính chất học loại đất, đá trường hợp cụ thể 4.2 Phạm vi áp dụng Với giả thuyết Protodiaconop nên áp dụng để tính toán áp lực lên phần cổ giếng đứng đất đá phần cổ giếng chủ yếu đất phủ Còn với giả thuyết Tximbarevich dụng cho toàn chiều dài giếng để tính toán 4.3 Ưu nhược điểm Giả thuyết Protodiaconop cho áp lực phân bố theo hình thang, xuống sâu áp lực lên thành giếng lớn, kết cấu chịu áp lực lớn vậy, điều không Do giả thuyết Tximbarevich có ưu điểm áp lực phân bố lớp đất đá khác phụ thuộc vào áp lực đất đá phía tính chất lý đất đá lớp đó, lớp có bước nhảy áp lực Do ta thấy áp lực lên giếng theo giả thuyết Tximbarevich nhỏ so với Protodiaconop giả thuyết hợp lý SV: Đinh Văn Điệp 17 Bài tiểu luận số 02 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Quang Phích, 2007 Cơ học đá, NXB Xây dựng T.S Trần Tuấn Minh, 2016 Giáo trình Cơ học đá khối đá, NXB Xây dựng T.S Trần Tuấn Minh, 2014 Cơ học tính toán kết cấu chống giữ công trình ngầm T2 T.S Trần Tuấn Minh, 2014 Tin học ứng dụng xây dựng công trình Ngầm Mỏ NXB Xây dựng SV: Đinh Văn Điệp 18 ... áp lực lên thành giếng lớn, kết cấu chịu áp lực lớn vậy, điều không Do giả thuyết Tximbarevich có ưu điểm áp lực phân bố lớp đất đá khác phụ thuộc vào áp lực đất đá phía tính chất lý đất đá lớp... cho lớp đất, đá riêng biệt Đồng thời tính tác giả xem lớp đất đá phía gây áp lực phân bố lên lớp đất đá phía γ1, h1,ϕ1 γ2, h2,ϕ2 γ3, h3,ϕ3 γ4, h4,ϕ4 γ5, SV: Đinh Văn Điệp 16 Bài tiểu luận số... gây áp lực lớn lên tường chắn Trong đó: G - trọng lượng khối đất trượt; SV: Đinh Văn Điệp 10 Bài tiểu luận số 02 qcđ - phản lực tường lên khối đất ,đá trượt áp lực chủ động tác dụng lên lực tường;