Tiểu luận cơ học đá (áp lực đất đá)

Tiểu luận cơ đá mỏ và xây dựng công trình ngầm cũng như các ngành kỹ thuật khác. Quá trình phân loại khối đá có tác dụng lớn đến quá trình thiết kế các đường hầm, đặc biệt là để xác định kết cấu chống giữ cũng như quá trình lựa chọn phương án khai đào cho phù hợp. Phân loại khối đá là tiến hành phân các khối đá thành các nhóm theo những biểuhiện nhất định, theo những chỉ tiêu hay những tiêu chuẩn xác định. Phân loại khối đáđược phát triển với mục đích phục vụ công tác thiết kế xây dựng công trình ngầm, cụthể được sử dụng để đánh giá, nhận định về trạng thái khối đá tại hiện trường, để lựachọn và bố trí các giải pháp bảo vệ, chống giữ và thi công. Phân loại khối đá cũng

Bài tiểu luận số Mở đầu Việc nghiên cứu tính chất lý đá khối đá lĩnh vực thiếu tiền đề quan trọng học đá, giúp cho kỹ sư Xây dựng mỏ, khai thác mỏ ngành địa chất kỹ thuật liên quan thực công việc liên quan đến xây dựng đường hầm, khai thác khoáng sản công việc khác cách có hiệu Khi khai đào đường hầm gây tượng ổn định đất đá xung quanh khoảng trống ngầm Do đó, ta phải chống giữ ổn định cho khoảng trống ngầm, biết biểu ổn định khối đá xung quanh khoảng trống ngầm đưa biện pháp chống giữ thích hợp Các giả thiết giúp tính toán áp lực lên vỏ chống chống giữ công trình ngầm ngày sử dụng dược áp dụng vào điều kiện kiện tính chất đá công trình ngầm Page Bài tiểu luận số GIẢ THIẾT TÍNH TOÁN ÁP LỰC ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH KHOẢNG TRỐNG NGẦM Khái quát Xây dựng công trình ngầm ngày trở nên thiết kinh tế này, đặc biệt việc xây dựng giao thông đường sắt, đường bộ, giao thông đô thị lớn, xây dựng công trình kỹ thuật hạ tầng Đặc điểm kĩ thuật thiết kế thi công công trình ngầm có nhiều điểm khác với công trình xây dựng mặt đất .Các công trình ngầm xây dựng lòng đất, lòng núi, có quy mô không lớn liên quan đến nhiều giải pháp kĩ thuật, chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố chi phối, phải xem xét tổng hợp nhiều thành phần vấn đề 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 Song, thực tế kinh nghiệm thiết kế thi công xây dựng công trình ngầm ta chưa đáng kể, đội ngũ cán công nhân chuyên ngành có tay nghề cao thiếu, tài liệu nghiên cứu thiết kế, thi công khai thác công trình ngầm khan Page Bài tiểu luận số 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 Các phương pháp tính toán áp lực đất đá tác dụng lên kết cấu chống đỡ trình đào hầm Áp lực chủ yếu tác dụng lên vật chống đỡ trình thi công áp lực đá Áp lực đất đá xuất áp lực khối đá cân bằng, áp lực lớp đá nằm bên áp lực trương nở đá Cho đến chưa có lí luận chặt chẽ, xác thống Phương pháp dựa quan sát thực tế giả thiết vòm áp lực (hay gọi phương pháp dựa đánh giá chất lượng đá) với tác giả điển V.Ritter, M.M.Protodiakonov, Komerell, K.Terzaghi, A.Bierbaumer,… Nhóm phương pháp có ưu điểm: đơn giản; dễ xác định giá trị cách tính toán; sử dụng công thức-bảng tra không cần đo trường Tuy nhiên có hạn chế giá trị đưa chưa xác, số phân tích không phù hợp với phương pháp đào hầm Thường sử dụng để tính toán thiết kế kết cấu chống đỡ tạm thời Dưới số giả thiết tính toán áp lực đất đá: 2.1 Áp lực đất đá tác dụng lên công trình hầm ngầm nằm ngang 2.1.1 Áp lực • Theo giả thiết Prôtôdiakônốp: Xuất phát từ thí nghiệm mô hình (với cát ẩm) quan trắc thực tế Prôtôdiakônốp 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 Page Bài tiểu luận số Trọng lượng đá vòm sụt lún nguyên nhân gây áp lực đất, đá phía lên khung, vỏ chống x b 2a y Hình : Sơ đồ tính toán áp lực theo giả thiết Prôtôdiakônốp - Theo kết phân tích Prôtôđiakônốp, vòm áp lực có dạng parabol, biểu diễn theo phương trình sau: x2 a f y= - (2 0) Trong đó: - a : Nửa chiều rộng khoảng trống - f : Hệ số kiên cố đất đá khu vực công trình ngầm đào qua Như chiều cao từ đỉnh vòm phá hủy là: b= a f (2 0) Page Bài tiểu luận số Từ biểu thức (9.2) 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 0) Trong đó: - Qn : Áp lực tập trung phía - γ : dung trọng đất đá phía Giả thuyết áp lực Prôtôđiakônốp 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 Giả thuyết Prôtôđiakônốp 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 • Theo giả thiết Tsimbarevich : Theo Tsimbarevich cho : sau khai đào hai bên sườn khoảng trống bị sụt lở chiều rộng vòm phá hủy phía 2a 1, xác định theo công thức sau:  90 − ϕ  a = a + h tg    (2 4) Trong đó: - H : Chiều cao khoảng trống; - ϕ : Góc ma sát ảo đất đá Page Bài tiểu luận số Chiều cao đỉnh vòm phá huỷ b1 xác định theo biểu thức sau:  90 − ϕ   a + h.tg  a1   b1 = = f f (2.0) Ở đây, theo Tsimbarevich f hệ số độ kiên cố đất đá phía f lấy theo bang M.M Prôtôđiakônốp b h θ1=(450-φ/2) θ2=(450+φ/2) 2a Hình : Sơ đồ tính toán áp lực theo giả thuyết Tsimbarevich Từ xác định áp lực đất đá theo công thức sau: Page Bài tiểu luận số   90 − ϕ ( a + htg ) − a2   2a Qn =  .γ 3f  90 − ϕ  (a + htg )   (2 0) 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: 2a γ Qn = λtgϕ (2 24) 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 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 Page 12 Bài tiểu luận số 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 Cơ sở phương pháp lý thuyết tường chắn đất hay áp lực đất Coulomb 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 Q C G c N cd T h R φ A Hinh : Sơ đồ tính áp lực 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: Page 13 Bài tiểu luận số - G : trọng lượng khối đất trượt; - 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 G= cot gα Qcd = Gtg (α − ϕ ) (2 25) Áp lực tập trung lên tường chắn: h γ Qcd = cot gα tg (α − ϕ ) pcđ đạt giá trị cực đại dQcd =0 dα h2γ (2 26) , nghĩa là:  tg (α − ϕ ) cot g (α )  + − =0 cos (α − ϕ )   sin α Từ nhận : Page 14 (2.27) Bài tiểu luận số α= 90 + ϕ (2.28) góc tạo mặt trượt nguy hiểm với phương nằm ngang γh 2  900 − ϕ  Qcd = tg     (2.29) Từ tính áp lực (ứng suất) phân bố lên phân tố chiều cao dh độ sâu h, xem h đối số là: dQcd  90 − ϕ  qcd = = γh.tg   dh   (2.30) 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 qcd2 h qcd2 Hình : Biểu đồ phân bố áp lực sườn theo giả thuyết Tximbarevich Page 15 Bài tiểu luận số 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 (2.31) 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 (2.32) Áp lực từ bên sườn sau khai đào co bóp biến đổi tùy theo điều kiện đất đá, đá cứng áp lực bên không biến đổi biến đổi không đáng kể Còn đá yếu áp lực bên sườn biến đổi nhanh chóng cần thiết kế chống giữ nhanh chóng 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 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 b1 qcd qbd A h x0 ϕ 450 − Page 16 B C P0 E F 450 + ϕ Bài tiểu luận số Hình 7: Sơ đồ tính áp lực theo Tsimbarevich 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 Q cđ 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) (2.34) qbđ = γ.x tg2 (45+ϕ/2) (2.35) 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 ( 450 − ) γ x0 = ϕ − tg ( 45 − ) (2.36) với : γ, ϕ dung trọng góc ma sát đá phía công trình ngầm Page 17 Bài tiểu luận số - 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 (2.37) 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 + ) (2.38) 2.4: Áp lực đá công trình ngầm nằm nghiêng Công trình ngầm xếp vào loại nằm nghiêng 100 ≤ α ≤ 750 Áp lực đá dự tính dựa vào giả thuyết cho công trình ngầm nằm ngang, có ý đến góc nghiêng công trình Page 18 Bài tiểu luận số B b1 h A h' B' α A' Hình : Sơ đồ tính áp lực cho 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 Khi áp lực thẳng đứng tính theo biểu thức: h ϕ   γ a + tg (450 − )  cos α  qn = γ b1 =  f (2.39) Các thành phần tác dụng vuông góc với trục công trình ngầm q n tác dụng song song Tn là: Page 19 Bài tiểu luận số h ϕ   γ a + tg (450 − )  cos α  qn = γ b1 =  f (2.40) ϕ   γ a.sin α + h tg(450 − ) tgα   Tn = q n sin α =  f (2.41) Áp dụng tương tự tính áp lực sườn áp lực theo giả thuyết Tximbarevich Với giả thuyết Protodiakonop 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 áp dụng cho toàn chiều dài giếng để tính toán _ 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 Page 20