TIỂU LUẬN cơ học đá (1)

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

MỞ ĐẦU

Phần lớn các lĩnh vực hoạt động sản xuất công nghệ của con người đều liên quan chặt chẽ tới quá trình phá hoại trạng thái tự nhiên của khối đá Các hoạt động khai thác khoáng sản, Xây dựng công trình ngầm, Xây dựng các công trình bề mặt ở những mức độ khác nhau đều làm thay đổi trạng thái và các quá trình cơ học xảy ra trong khối đá

Cơ học đá có nhiệm vụ nghiên cứu về đá, khối đá, những quá trình cơ học xảy ra trong khối đá khi có tác động của con người Hiện nay, các nhà địa cơ học rất khó đưa ra những giải pháp hợp lý cho công tác thiết kế, xây dựng công trình ngầm và công nghệ khai thác khoáng sản mà không dựa trên những lời giải của các bài toán ứng dụng thuộc lĩnh vực

cơ học đá

Việc đánh giá, dự báo và đảm bảo độ ổn định cho công trình ngầm là một trong những vấn đề quan trọng nhất thuộc lĩnh vực cơ học đá, cơ học khối đá và cơ học công trình ngầm Chính trạng thái công trình ngầm sẽ gây ra những ảnh hưởng mang tính quyết định tới hiệu quả, mức độ an toàn cho thiết bị, đội ngũ công nhân làm việc trong công trình Vì vậy, các nhà địa cơ học đã phải tiến hành tìm kiếm, thử nghiệm và áp dụng những giải pháp hiệu quả để đảm bảo trạng thái làm việc an toàn cần thiết cho các công trình ngầm xây dựng dân dụng và khai thác tài nguyên khoáng sản tại những điều kiện địa cơ học phức tạp khác nhau

Đây là vấn đề cần thiết phải được quan tâm trong các mỏ hiện nay Cơ học đá cũng cung cấp cho sinh viên một cái nhìn khái quát nhất về các dạng mất ổn định, phân tích động học mất ổn định và việc chống giữ ổn định cho các bờ mỏ và các bờ dốc đá trong thực tế hiện nay Lựa chọn được phương pháp khai đào, công cụ khai đào, phương tiên để phá vỡ đất đá hợp lý

Cơ học đá và khối đá cũng trang bị cho các sinh viên những công và phương tiện cần thiết khi khai đào đất đá, khoáng sản ngoài ra, cơ học đá cũng có ý nghĩa rất lớn đối với các

CHỦ ĐỀ: TÌM HIỂU ỨNG SUẤT TRONG KHỐI ĐÁ VÀ ỨNG SUẤT

NGUYÊN SINH – THỨ SINH

1 Tổng quát về ứng suất nguyên sinh.

1.1: Trạng thái ứng suất nguyên sinh.

Trạng thái ứng suất nguyên sinh còn được gọi là trạng thái ứng suất cơ bản, là ứng suất tồn tại trong khối đá ( khối nguyên ) trước khi khối đá chịu tác động kỹ thuật của con người Trong cơ học đá, trạng thái ứng suất nguyên sinh có ý nghĩa cơ bản đối với công tác nghiên cứu dự báo các quá trình biến đổi cơ học trong khối đá khi khai thác khoáng sản cũng như xây dựng công trình

Khác với ứng suất nguyên sinh, trường ứng suất thứ sinh của khối đá được tạo nên do quá trình khai đào ngầm xảy ra trong khối đá Quá trình nguyên cứu trường ứng suất nguyên sinh có vai trò đặc biệt quan trọng để dự đoán những biểu hiện khác nhau của các quá trình cơ học và chuẩn bị những giải pháp cần thiết để điều khiển trạng thái cơ học của khối đá

Nhìn chung, trường ứng suất nguyên của khối đá là một hàm phụ thuộc vào không gian và thời gian Do đó, các yếu tố gây nên những ảnh hưởng tới quá trình hình thành trường ứng suất nguyên sinh có thể phân chia thành 2 nhóm chính:

- Nhóm 1: Các yếu tố tác dụng thường xuyên tại các vị trí trong không gian tại các vị trí trong không gian

- Nhóm 2: Các yếu tố tác dụng tạm thời chỉ tạm thời ở một số vị trí trong không gian ( các quá trình kiến tạo địa chất, các quá trình thuỷ động học, quá trình khí động học, các quá trình khác xảy ra trong khối đá )

Thành phần của tenxơ tổng quát trong trường ứng suất nguyên sinh của khối đá.

• Khối đá là đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng:

- Thành phần ứng suất thẳng đứng theo phương z bất kỳ được xác định theo công thức:

- Giải hệ phương trình trên ta được:

 Như vậy áp lực ngang trong trường hợp này chỉ phụ vào hệ số biến dạng ngang

- - hệ số Poisson của đất đá:

Nếu chỉ chú ý đến trọng lực thì ứng suất lớn nhất

- Khi hay khối đá chịu nén đơn trục

- Khi - khối đá chịu nén toàn phần ( trạng thái ứng suất thuỷ tĩnh )

Tuy nhiên có nhiều trường hợp kết quả đo thực tế thì , có nghĩa là áp lực ngang lại lớn hơn áp lực thẳng đứng Điều này có thể được giải thích rằng trong quá trình kiến tạo khối đá bị chốt căng cứng sang hai bên ngang Tức là ứng suất theo phương ngang không đổi, trong đó thì do nhiều điều kiện phong hoá nên bề mặt đất đá bị xói mòn, giảm đi nên ứng suất theo phương thẳng đứng cũng giảm đi Do đó mà có thể có trường hợp

• Khối đá đàn hồi dẻo:

Sơ đồ định nghĩa độ sâu giới hạn

- Nếu gọi là chiều sâu giới hạn mà tại đó đá bị phá huỷ dẻo do đó những loại đá phù hợp với mô hình pha huỷ dẻo khi :

- Xét khối đá chuyển từ trạng thái có tính chất như mô hình đàn hồi dẻo và chuyển trạng thái dẻo hoặc phá huỷ theo điều kiện bền Mohr có dạng đường thằng thì:

- Khi đá còn ở giới hạn đàn hồi thì các thành phần ứng suất được xác định như sau :

- Trong miền dẻo các thành phần ứng suất phải thoả mãn điều kiện;

Còn tại vị trí z = các thành phần ứng suất vừa phải thoả mãn điều kiện như trên miền đàn hồi và phải thoả mãn điều kiện dẻo

Ta có:

Mặt khác do: nên điều kiện trong miền đàn hồi - dẻo có phương trình như sau:

Và các thành phần ứng suất trong miền dẻo được viết như sau:

- Trong miền đàn hồi:

- Trong miền dẻo:

• Khối đá một hệ khe nứt:

1.2: Phương pháp nghiên cứu trạng thái ứng suất nguyên sinh.

 Theo phương pháp lý thuyết thông thường người ta chia ra làm 2 giả thiết:

- Khối đá là bán không gian vô hạn, hệ trục đặt tại mặt đất và coi bề mặt là bằng phẳng

- Khối đá là lớp vỏ trái đất trong đó có chú ý đến ảnh hưởng của quá trình tự quay của trái đất

2 Tổng quan về trạng thái ứng suất thứ sinh.

2.1: Trạng thái ứng suất thứ sinh.

Khi tiến hành khai đào xây dựng các công trình ngầm trong khối đá sẽ làm phá vỡ trạng thái cân bằng tự nhiên ban đầu của khối đá ( trạng thái ứng suất nguyên sivênh )

và hình thành nên một trạng thái ứng suất mới thoả mãn các điều kiện cân bằng mới của khối đá sau khi khai đào Trạng thái đó gọi là trạng thái ứng suất thứ sinh, trạng thái này dẫn đến những biến đổi cơ học trong khối đá, hình thành nên những biến dạng, dịch chuyển và các dạng phá huỷ trong đá Trạng thái biến đổi cơ học này có thể thay đổi hay hoặc không thay đổi theo thời gian, có thể dừng hoặc không dừng

2.2: Các yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái ứng suất thứ sinh.

- Trạng thái cơ học ban đầu của khối đá: trạng thái ứng suất nguyên sinh và các dấu hiệu, đặc điểm cơ học trong khối nguyên, những biến đổi trước khi xây dựng công trình

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

- Hình dạng, kích thước ( hay quy mô ) và vị trí của công trình: khoảng trống được khai đào trên hay vào trong khối đá và các tải trọng tác động vào khối đá

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

- Một số hình ảnh về phương pháp thi công:

Chuẩn bị mặt bằng khoan nổ mìn

Vì neo bê tông cốt thép

2.3: Cơ chế mất ổn định khối đá xung quanh công trình ngầm.

Quá trình xây dựng các công trình ngầm trong khối đá sẽ phá vỡ trạng thái cân bằng

tự nhiên trong khối đá, hình thành trạng thái ứng suất mới (trạng thái ứng suất thứ sinh) thõa mãn các điều kiện cân bằng mới, sự hình thành trạng thái cân bằng mới này sẽ dẫn đến những biến đổi cơ học trong khối đá dưới dạng các quá trình biến dạng, dịch chuyển cũng như phá hủy Các quá trình đó được gọi là các quá trình cơ học, trạng thái ứng suất thứ sinh cùng với các quá trình cơ học là những dấu hiệu mới của trạng thái cơ học mới của khối đá; trạng thái này có thể không biến đổi hoặc biến đổi theo thời gian và là một trong những nguyên nhân chính gây nên mất ổn định của khối đá xung quanh công trình ngầm Sự mất ổn định của khối đá xung quanh công trình ngầm xuất hiện ở hai dạng cơ bản, đó là mất ổn định

do cấu trúc và mất ổn định do biến đổi cơ học

- Mất ổn định do cấu trúc: quá trình này thường xuất hiện ở nhiều dạng khác nhau

mà nguyên nhân chủ yếu là do sự hình thành các khối nêm (khối nứt giao cắt với biên công trình ngầm), cơ chế mất ổn định có thể là tróc, tách các khối nứt, rơi, lở hoặc trượt các khối nêm vào khu vực đã tách bóc đất đá ra khỏi khối nguyên

- Mất ổn định do biến đổi cơ học: Nguyên nhân chính của sự mất ổn định này là do tác động cơ học vượt quá khả năng mang tải của khối đá, các dạng mất ổn định liên quan đến quá trình biến đổi cơ học bao gồm: phá vỡ hay phá hủy tách, phá hủy cắt, phá hủy dạng sập lở nóc

• Một số hiện tượng phá huỷ đất đá trên biên công trình ngầm.

- Sập đổ ở phía trước gương đào

- Tróc nở đá trên nóc hầm

- Công thức cân bằng tương đương của cơ học môi trường liên tục.

Trong hệ toạ độ trục:

= ; = + ; = = =

= = = = Với ; Trong đó:

- là các dịch chuyển theo phương hướng tâm và phương trục đường hầm, tương ứng

- Các thành phần ứng suất là các ứng suất chính

- Công thức cân bằng lực r :

- Và theo phương z là:

- Ở đây theo phương r và phương z Thành phần thứ 2 trong công thức miêu tả độ cong, bán kính cong của phần tử Điều này có thể chỉ ra rằng: Nếu các điểm r tới phương thẳng đứng z, và công thức 8.37b được viết là:

- Ở đây thành phần là đúng với thực tế rằng không quan hệ tuyến tính với độ sâu (Ví dụ, ) Trong phần uốn cong, với tỷ lệ thuận với độ sâu z Cần chú ý rằng thành phần này và thành phần dộ uốn cong, tồn tại chỉ với Điều này có nghĩa rằng trường hợp ngược lại là do khả năng của vật liệu để chống đỡ lại ứng suất sai lệch, như ứng suất kéo Quỹ đạo không uốn cong của đồ thị quan hệ chỉ có thể là trong môi trường thủy tĩnh Điều này là lý do tại sao đất/đá thường làm cho kết cấu chống có tuổi thọ ngắn do một phần sự ảnh hưởng của nước ngầm

- Trong hệ toạ độ đề các:

- biến đổi:

- Trong hệ toạ độ trụ:

- Quy tắc biến đổi:

• Ứng suất kiến tạo:

- Trường hợp đơn giản nhất là lời giải này được hoàn thành với các điều kiện biên: Khi

(8.40)

- Do đó, trường ứng suất ở xa vô cùng sẽ trở thành trường ứng suất nguyên nguyê n sinh:

• Trong môi trường thuỷ tĩnh:

- Trường hợp đặc biệt với được viết bởi :

- Những biểu thị cho lời giải này trong bài toán đối xứng trục là bán kính r chỉ phụ thuộc vào các biến số đã không xuất hiện

- Lời giải Lame trong trường hợp này có dạng:

- Phân bố ứng suất xung quanh các đường hầm:

• Trong môi trường dẻo:

- Từ công thức (8.44), các ứng suất chính khác nhau thì p giảm

- Hiện nay chúng ta có thể khẳng định rằng khối đá không phải đàn hồi, nó có thể là đàn hồi dẻo và các ứng suất chính khác nhau không vượt quá một giới hạn gọi là điều kiện hạn ché Với vật liệu dính kết điều kiện giới hạn được viết là:

- Ở đây được gọi là góc ma sát trong (hay góc nội ma sát) Do đó, điều kiện bền giới hạn được thỏa mãn khi:

- Với một vật liệu có điều kiện giới hạn góc ma sát trong và lực dính kết c điều kiện được viết là:

- Điều kiện giới hạn cũng có thể được miêu tả trong biểu đồ Mohr như trong hình trên

- Nếu trước đó, p có giá trị nhỏ, yêu cầu trong công thức (8.35) được biểu thị bằng công thức (8.34) bị vi phạm trong phạm vi vẫn được xác định) Như vậy lời giải đàn hồi (8.44) không thể được sử dụng trong trường hợp này Chúng ta để ý đến công thức cân bằng theo phương hướng tâm

(8.55)

- Và đưa vào bên trong công thức đó các công thức đã thu được từ (8.52):

KẾT LUẬN

Trạng thái ứng suất trong khối đá gồm 2 loại:

Trạng thái ứng suất nguyên sinh hay trạng thái ứng suất ban đầu tồn tại trong quá trình thành tạo khối đá, khi chúng chưa chịu tác động gì của con người cũng như các tác động kỹ thuật bên ngoài

Trạng thái ứng suất thứ sinh: khi tiến hành khai đào xây dựng công trình ngầm trong các khối đá sẽ làm phá vỡ trạng thái cân bằng tự nhiên ban đầu trong khối đá Khi đó sẽ làm thay đổi trạng thái ứng suất nguyên sinh trong khối đá, hình thành trạng thái ứng suất mới thoả mãi các điều kiện cân bằng mới trong khối đá Trạng thái ứng suất mới hình thannhf sau khi công trình ngầm được khai đào gọi là trạng thái ứng suất thứ sinh, sự hình thành trạng thái ứng suất thứ sinh sẽ dẫn tới những biến đổi cơ học trong khối đá hình thành các biến dạng, dịch chuyển cũng như các biến dạng phá huỷ trong khối đá Trạng thái cơ học

• TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bài giảng học phần: Đá, khối đá và các tính chất vật lý của chúng TS Trần Tuấn Minh [2] Giáo trình cơ học đá và khối đá TS Trần Tuấn Minh

[3] Sách cơ học đá PGS.TS Võ Trọng Hùng – TS Phùng Mạnh Đắc

[4] Và một vài tư liệu tham khảo trên mạng