Nền là đá thường có sức chịu tải rất lớn bởi đa phần độ bền nén, bền cắt của đá rất cao, so với móng đôi khi còn cao hơn. Bài viết giới thiệu một số phương pháp tính sức chịu tải được xây dựng từ những nghiên cứu khe nứt của tác giả trên thế giới.
KHOA H“C SINH VI¥N Ảnh hưởng hệ thống khe nứt đá tới sức chịu tải đá Impacts of crack system in the rock bed on the bearing capacity of the rock bed Nguyễn Hoài Nam Tóm tắt Nền đá thường có sức chịu tải lớn đa phần độ bền nén, bền cắt đá cao, so với móng đơi cao Tuy nhiên, trường hợp đá nứt nẻ, chế phá hoại tác dụng tải trọng cơng trình thường phức tạp phụ thuộc vào đặc điểm hệ thống khe nứt, sức chịu tải trở thành vấn đề phức tạp Bài báo giới thiệu số phương pháp tính sức chịu tải xây dựng từ nghiên cứu khe nứt tác giả giới Abstract The rock bed usually has very high bearing capacity thank to very high cutting strength, shear strength and compressive strength, even higher than foundation in some cases However, in case of the foundation composed of cracked rock, the destructive mechanism in the foundation under building loads is often complicated depending on the characteristics of the crack system, then the bearing capacity can become very complicated problems This paper introduces some load calculations that have been developed by international researchers on the crack system ThS.Nguyễn Hồi Nam Bộ mơn Địa Kỹ Thuật, Khoa Xây dựng ĐT: 0913580026 Email: khanhnamdkt@yahoo.com 58 Đặt vấn đề Sức chịu tải tải trọng tác dụng vào diện chịu tải mà không làm cho bị biến dạng trượt đến mức gây ổn định Đối với đất thường đặc trưng độ cứng nhỏ nhiều độ cứng diện chịu tải, với đá khác khơng nhiều có lớn Do đó, đá nguyên khối vấn đề sức chịu tải thứ yếu thiết kế móng Nhưng với đá nứt nẻ, giả thiết mơi trường liên tục khơng phù hợp, lan truyền ứng suất biến dạng hoàn toàn khác chế phá hủy có khác biệt phụ thuộc vào đặc điểm khe nứt Sự phá hủy đá tác dụng tải trọng Khe nứt sản phẩm trình biến dạng phá huỷ chi phối hàng loạt yếu tố Do đó, xét cách tồn diện nhiều loại khe nứt khác Về mặt địa chất học, theo nguồn gốc lực, phân khe nứt kiến tạo khe nứt phi kiến tạo; khe nứt nội sinh khe nứt ngoại sinh Trong học đá, nứt nẻ vấn đề phức tạp việc xây dựng mô hình tính tốn học cho khối đá Vì thế, tìm hiểu nứt nẻ đá phải đánh giá theo nhiều khía cạnh - Khe nứt nguyên sinh với khe nứt thứ sinh Khe nứt nguyên sinh thường nhỏ khó phát ln tiềm ẩn ổ định qua nó, sản phẩm q trình co rút đông cứng nguội, lạnh khối đá magma đá vây quanh, hệ cấu tạo phân lớp thường có bề mặt phân lớp đá trầm tích Khe nứt thứ sinh, xuất sau đá hình thành tác động yếu tố nội ngoại sinh phát triển từ khe nứt nguyên sinh Thông thường khe nứt thứ sinh hình thành hệ thống khe nứt - Khe nứt vỉa, khe nứt phân vỉa Khe nứt vỉa khe nứt song song với mặt lớp, thường khe nứt kéo dài, có độ mở bé bị lấp nhét Khe nứt phân vỉa khe nứt cắt qua mặt lớp, khe nứt phổ biến Vùng uốn nếp vò nhàu mạnh mẽ so với khe nứt vỉa có nhiều khả gây ổn định Theo số nghiên cứu có Ja.Extrin (1966) phá hủy đá hoa chịu tác động tải trọng tăng dần, cho thấy khối đá bị phá hủy có phân bố trạng thái ứng suất theo vùng phân chia sau: Vùng 1: Đây vùng nằm trực tiếp diện chịu tải có khơng gian giới hạn bề mặt có đặc điểm phụ thuộc vào tính đồng khái qt mặt cầu Trong vùng có nhiều vết rạn nứt, mạnh mẽ mép diện chịu tải Đặc điểm phù hợp với phá hoại đáy đột hình trụ thí nghiệm đột Do xác định tải trọng tiếp xúc theo công thức: T„P CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG Hỡnh a , b, c: trình hình thành trạng thái phá hủy khơng hình thành khối trượt d,e trình hình thành trạng thái phá hủy cắt hình thành khối trượt xác định px = p 2π a a − x Trong đó: Px - ứng suất điểm x; P- tải trọng tác dụng lên đột; a – bán kính đột Theo biểu thức x=a áp lực lớn Vùng 2: nằm kề vùng giới hạn mặt cầu xác lập phân chia mức độ phá hủy gọi vùng bị nén chặt, ranh giới vùng không rõ rệt Để độ xác cao tin cậy theo yêu cầu việc tính tốn sức chịu tải cần có lựa chọn phương pháp tính phù hợp với đặc điểm bị phá hoại - Khi đá bị phá hủy trượt: Khi đá bị pha hoại trượt tính tốn sức chịu tải theo cong thức Buisman- Tertzaghi Hình 1d,e trình hình thành trạng thái phá hủy cắt hình thành khối trượt xác định Các phương pháp tinh toán sức chịu tải đá + Khái niệm: Đơn giản đánh giá khả chịu tải thường dựa độ bền nén trục khối đá Kết đánh giá khơng phải tải trọng tính từ trạng thái cân giới hạn mà thường tải trọng cho phép Cơng thức tính tốn tải trọng cho phép: [q] = qg h Fs Trong đó: [q] - sức chịu tải cho phép; qgh - sức chịu tải giới hạn; Fs - hệ số an toàn Đánh giá đơn giản sức chịu tải thường cho kết có độ tin cậy cao ổn định thường có sai số lớn Vì thế, chun mơn có nhiều phương pháp đánh giá khác ϕ ,γ - đặc trưng đá NC = ( Nϕ + 1) Nϕ , N γ = ( Nϕ − 1) Nϕ Vùng 4: xuất tải trọng lớn, có đặc trưng nhận biết xuất vết nứt phát triển rộng phía phần mặt thống Hình 1a , b, c trình hình thành trạng thái phá hủy khơng hình thành khối trượt Trong đó: C, B,D chiều rộng chiều sâu chọn móng Vùng 3: đặc trung khe nứt thẳng đứng mép diện chịu tải, phần đá vùng bị nghiền nát Tuy nhiên, đặc điểm phá hủy hay hình thành đới phá hủy phụ thuộc vào yếu tố quan trọng đặc điểm thành phần cấu trúc đá đặc điểm nứt nẻ phân lớp khối đá Sự phụ thuộc minh họa qua hình 1, đó: qgh = CN c + 0,5γ BN γ + γ DN q = Nq ϕ = Nϕ tg (45o − ) Khi khối đá phong hóa nứt nẻ mạnh tạo thành khối đá rời C=0: = qgh 0,5γ BN γ + γ DN q Khi khối đá bị trượt cục bộ: = qgh CN C + 0,5γ BN γ Ngoài cần ý tới tương quan chiều rộng với chiều sâu chơn móng hình dạng móng - Khi đá bị phá hủy nén Phá hủy xen phá hủy nén cột đá, phá hủy xẩy nén nở hông Sức chịu tải giới hạn tính tốn qua cường độ liên kết khối đá theo công thức ϕ = q 2Ctg (45o + ) gh - Khi khối đá bị phá hủy nứt vỡ: Đây trường hợp khối đá có khe nứt thẳng đứng bị nứt vỡ chịu tải Theo B.W Bishnoi (1968) sức chịu tải diện chịu tải sau: Hình tròn : qgh = JCNcr Hình vng qgh= 0.85JCNcr + Các cơng thức xác định sức chịu tải S¬ 26 - 2017 59 KHOA H“C SINH VI¥N Hình băng: qg h = JCN c r 2.2 + 0.18 Trong đó: L B J - hệ số hiệu chỉnh, phụ thuộc chiều dày L, rộng B diện chịu tải C - Lực dính kết đơn vị khối đá với Loại đá A B C D Đá cấu tạo khối: Granit, diorit, dolomit 100 100 0.2qgh 10 Đá phân phiến khơng bị phong hóa 40 40 0.2qgh Đá Vôi 40 15 0.2qgh Đá cát kết 25 15 0.2qgh Đá phong hóa vỡ vụn 10 0.2qgh Đá phiến yếu 0.2qgh qu S C= ϕ 2tg 45o + 2 Ncr - Hệ số sức chịu tải 2 Nϕ N cr = đá: + Nϕ Cotgϕ S 1 − − Nϕ cotgϕ + Nϕ B N0 với S khoảng cách khe hay chiều rộng khối S = exp RMR − 100 Chú ý ton/ft = 95.8 Kpa Trong đó: A - tiêu chuẩn cho phép mục đích xây dựng quản lý tiêu chuẩn (1968); B - tiêu chuẩn xây dựng quốc gia (1967); C - tiêu chuẩn xây dựng ổn định (1964); D - tiêu chuẩn địa phương Los Angeles (1959) - Theo Peck sức chịu tải cho phép đá nứt nẻ (1974) Theo B.W Bishnoi tính sức chịu tải giới hạn theo độ bền nén trục qu đá qua biểu thức: qgh Nϕ −1 S Nϕ N = qu ϕ Nϕ − B + Tính tốn theo tiêu chuẩn - Theo TCXD 45-78 , thành phần thẳng đứng lực chống lại tác dụng nén giới hạn đá Nu xác định theo công thức: N u = Rd bl Trong đó: Rđ – giá trị thí nghiệm độ bền nén trục mẫu đá bão hòa; b, l - chiều rộng dài diện chịu tải - Theo tiêu chuẩn ngành giao thông 22TCN 18-1979 sức chịu tải đá tính: R’ = kmRd Trong đó: k - hệ số kể đến đồng đá thường lấy k= 0.17; m - hệ số kể đến điều kiện làm việc thường m=3; Rđ giá trị thí nghiệm độ bền nén trục mẫu đá bão hòa + Xác định sức chịu tải theo bảng tra - Theo tiêu chuẩn USA sức chịu tải đá lấy theo bảng: RQD [q ] MPa 100 28.7 90 19.2 75 11.5 50 6.23 25 2.87 0.96 Kết luận kiến nghị Tính tốn sức chịu tải đá có nhiều phương pháp tính tốn khác hầu hết dựa nghiên cứu thực nghiệm hệ thống khe nứt với thí nghiệm trường Do phương pháp có ưu nhược điểm khác với loại khe nứt Tính tốn dây cứng chịu tải trọng thẳng đứng Calculation of hard wire under vertical load Nguyễn Vũ Thiêm Tóm tắt Dây cứng hiểu cong, võng có độ cứng kháng uốn định hai đầu tựa gối đỡ chịu tải trọng nhờ vào lực căng dọc trục Lý thuyết dây cứng kết khái quát hóa lý thuyết dây mà dây mềm trường hợp riêng Bài báo trình bầy phương pháp tính tốn xác nội lực, chuyển vị dây cứng Abstract Hard wires are defined as bars which are bending deflection and have bending resistance Hard wires are supported at two ends and beared load by axial thrust Hard wire theory is a generalized consequence of string theory in which soft wires are a specific case This paper presents a calculating method of the internal force and the displacement of hard wires Hầu hết phương pháp tính tốn sức chịu tải dựa thông số kết đánh giá đặc điểm nứt nẻ, tiêu RQD thông số chủ yếu Sức chịu tải đá nứt nẻ có mối quan hệ mật thiết với đặc điểm hệ thống khe nứt, đặc điểm nứt nẻ chịu chi phối thành phần khống vật tính chất học đá Do đó, việc sử dung RQD phải xem xét mối quan hệ với thành phần thạch học độ bền kháng nén đá./ T¿i lièu tham khÀo Nguyễn Quang Phích (2007), Cơ học đá, NXB Xây dựng Nguyễn Sỹ Ngọc (2005), Giáo trình học đá dành cho sinh viên ngành xây dựng cơng trình, NXB Giao thông vận tải Lê Lai 1982 Địa chất cấu tạo Bài giảng trường Đại học MỏĐịa chất Nghiêm Hữu Hạnh (2004), Cơ học đá, NXB Xây dựng Nguyễn Uyên (2007), Cơ học đá ứng dụng, NXB Xây dựng Võ Trọng Hùng Phùng Mạnh Đắc (2005), Cơ học đá ứng dụng 60 Tiêu chuẩn ( Ton/ft2) T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG xây dựng cơng trình ngầm khai thác mỏ, NXB Khoa học Kỹ thuật John A Franklin Maurice B Dusseault (2000), Cơ học đá cơng trình, NXB Giáo dục Đào Huy Bích (2000) Lý thuyết đàn hồi, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội Nguyễn Văn Vượng Lý thuyết Đàn nhớt, NXB Khoa học kỹ thuật 10 T.L Anderson (2005) Fracture Mechanics Published CRC Khái niệm dây cứng Dây cứng hiểu cong, võng có độ cứng kháng uốn định hai đầu tựa gối đỡ chịu tải trọng nhờ vào lực căng dọc trục Dây cứng tương tự vòm (thanh cong lồi) khác chỗ vòm chủ yếu chịu nén có hướng vồng lên ngược với dây cứng chịu kéo chủ yếu có hướng võng xuống Dây cứng có dạng hình học ấn định chế tạo chống lại thay đổi dạng hình học ban đầu trình làm việc Với khơng thay đổi hình dáng dây cứng nên sử dụng làm phần tử kết cấu mái treo, đường ống treo… Lý thuyết dây cứng kết khái quát hóa lý thuyết dây mà dây mềm trường hợp riêng Tính dây cứng chịu tải trọng thẳng đứng Xét dây cứng liên kết hai đầu gối tựa đồng mức, trước chịu tải dây có dạng hình học tương ứng với tung độ z ( Hình 1) Dưới tác dụng tải trọng thẳng đứng bao gồm tải trọng thân dây bị giãn có chuyển vị thẳng đứng (độ võng) w Nhiệm vụ đặt ta cần xác định nội lực, biến dạng chuyển vị hệ Các thành phần phản lực đứng tính giống hệ dầm đơn giản l l A= q ( l − x ) dx; l ∫0 B= qxdx; (1) l ∫0 Ta xét mặt cắt theo phương thẳng đứng tiết diện C có hồnh độ x chiếu thành phần lực lên trục x, ta nhận thấy giống dây mềm lực căng ngang tiết diện dây diều Chiếu lực lên trục z ta được: x F 0 A − ∫ qdx − Htgϕ − ∫ τ dF = 0; (2) Trong đó: x A − ∫ qdx : Tổng ngoại lực phía bên trái KS.Nguyễn Vũ Thiêm Bộ môn Sức bền vật liệu - Cơ kết cấu Khoa Xây dựng ĐT: 0982770647 F ∫ τ dF = Qτ : Tổng ứng suất tiếp lấy theo toàn tiết diện Dựa vào phương trình (2) ta tính thành phần thẳng đứng lực căng = QΦ Htgϕ − Qτ ; (3) Giá trị tang góc nghiêng lực căng xác định bằng: tgϕ = H x F − − A qdx τ dF ∫ ∫ 0 (4) Phương trình cân mơmen lấy theo điểm C nằm dây có dạng S¬ 26 - 2017 61 KHOA H“C SINH VI¥N Đạo hàm bặc hai tung độ đường căng bằng: zΦ,, =z ,, + wΦ,, = q ; H (14) Trong đó: wϕ, w’ϕ, w’’ϕ độ võng đường căng đạo hàm Ax = m ∫ qxdx − H ( z + w ) −= Φ 0; l −∆l (5) H= Trong đó: x ∫ Ax − qxdx : Là mơmen có giá trị mơmen uốn dầm m: mômen uốn dây Lực căng dây xác định sau: T= 1+ QΦ2 ; H Φ2 M w,, − k w = k z − H (7) Trong đó: EJ: Là độ cứng kháng uốn dây ( mômen quán tính J lấy tương tiết diện thẳng đứng) w’’: Là đạo hàm bậc hai độ võng dây Khi biểu thức (5) có dạng phương trình độ võng lý thuyết cầu treo: EJw,, − H ( z + w ) + M = 0; (8) Phương trình biểu diễn trạng thái biến dạng dây cứng Ta giải phương trình chưa biết lực căng ngang Một khó khăn tính tốn hệ treo xác định lực căng ngang, có nhiều phương pháp khác giải vấn đề Một phương pháp sử dụng lý thuyết dây Dưới tác dụng tải trọng dây dài đọan ta có: S += ∆S l −∆l ∫ ( Q + EJw ) 1+ ,, H2 dx ; (9) T„P CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG Tung đường căng tính sau: M zΦ =z + wΦ = ; H (12) (f + ∆f Φ ) , ta được: Φ Kết hợp biểu thức với (11) , viết: (15) 2 + 2QEJw,, + ( EJw,,, ) dx Đặt: = H Mη1 M 2η f + ∆ f + ( ) Φ Dk Dk (17) 2 Mη1 η Mη1 M + + ( S − l + ∆S + ∆l ) − 24 − f ; 2 Dk D k Dk η k ( S − l + ∆S + ∆l ) − 24 Mη1 k −1 − f ; 1+ η1 Dk (18) η1; η2 chứa đạo hàm w’’’ Đạo hàm xác háo phép lặp gần đứng Kết luận Để tìm mức gia tăng độ võng đường căng Δfϕ ta sử dụng cơng thức (2) lấy bình phương nhân với mẫu số ta có: ∫ Q Cơng thức (18) có tính chất truy hồi đại lượng (16) Trong w* nghiệm riêng phương trình khơng Tính w* phụ thuộc vào vế phải phương trình (11) C1 C2 số tích phân, giá trị chúng tính từ điều kiện biên l + ∆f Φ ) + Nghiệm tổng quát (11) có dạng: ( S − l + ∆S + ∆l )= H2 (f hoặc: IV w = C1ch ( kx ) + C2 sh ( kx ) + w* ; M = D ∆f Φ = − Với: qN = EJw Cường độ phản kháng dây cứng tác dụng ngoại lực = ∆f w,, − k w = −k wΦ ; Biểu thức (17) phương trình bậc hai mức gia tăng độ võng đường căng biến dạng Giải phương trình ta M w, m wΦ = − z = w- = w+ ; H k H ,, Q Q w wΦ, = − z , = w, − = w, + Φ ; H k H IV q q w wΦ,, = − z ,, = w,, − = w,, + N ; H k H Phương pháp tính dây cứng khác vói phương pháp tính dây mềm phải kể đến ảnh hưởng độ cứng chống uốn Vì độ cứng chống uốn nhỏ thay đổi khơng nhiều nên trường hợp tính gần giống dây mềm bổ sung thêm khái niệm đường căng Cách tính tốn cho phép ta xác định nội lực, biến dạng chuyển vị dây cứng cách tương đối xác Độ xác cao thực phép lặp./ l M M ; = Q 2dx D= ; EJ ; ∫ f + ∆f Φ k ( f + ∆f Φ ) T¿i lièu tham khÀo Lều Thọ Trình (1985), Cách tính hệ dây theo sơ đồ biến dạng, Nxb Khoa học kü thuật, Hà Nội tr 5-190 Phạm Văn Trung (2006), Phương pháp tính hệ kết cấu dây mái treo, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Alan Jennings Matrix Computation for Engineers and Scientists, John Wiley & Sons- Chicheste-New York - Brisbane - Toronto pp 65-69 Otto F.(1966), Das hängende Dach, Bauwelt Verlag Berlin Otto F.(1966), Zugbeanspruchte Konstruktionen, Berlin Tang góc nghiêng đường căng Q tgϕΦ =zΦ, =z , + wΦ, = ; H Chia cho D nhân với (11) Trong phương trình (11) thành phần M/H tung độ lực căng zϕ, tức quỹ tích hình học điểm mà lực tổng hợp nội lực qua Đối với dây mềm rõ ràng đường căng trùng với trục dây Nhưng dây cứng khơng phải vậy, đường căng thấp cao trục, cắt qua trục Đường căng qua tâm khớp dù khớp gối hay khớp nhịp dây cứng có khớp nhịp Từ ta suy dây cứng có nhiều khớp đường căng lệch khỏi trục mômen uốn dây nhỏ Sử dụng khái niệm đường căng, q trình tính tốn coi dây cứng dây mềm có trục trùng với đường căng Từ đẳng thức (11) tính độ võng đường căng đạo hàm (10) Nếu hệ số độ mảnh k không đổi tồn chiều dài dây lời giải phương trình (11) khơng có phức tạp Nếu hệ số k thay đổi khơng thể tìm nghiệm dạng hàm đơn giản Dưới ta rõ độ cứng cần thiết dây dùng cho mái treo có giá trị không lớn ảnh hưởng không đáng kể đến lực căng ngang Ảnh hưởng thay đổi độ cứng nhỏ nữa, thay đổi ngun nhân có tiết diện khơng đổi bị cong Do từ trở ta coi k số Đối với dây thoải nghiệm phương trình (9) sau: 62 ( S + ∆S + l − ∆l ) 2 ( S − l + ∆S + ∆l ) dx Bước đầu, ta tính sơ lực căng ngang theo công thức dây mềm giả thiết EJ=0 Sau giải (8) tìm w, thay giá trị w’’ vào (10) hiệu chỉnh dần giá trị lực căng ngang Nếu sai số lớn cần phải lặp lại phép tính cách lấy giá trị lực căng ngang tìm từ (10) thay vào (8) Chia đẳng thức (8) cho EJ đặt H/EJ=k ta được: (6) Mômen uốn m dây cứng tính theo lý thuyết tương đối uốn thẳng Độ cong dây bỏ qua ta xét dây thoải, khí đó: m = EJw,, ; ∫ ( Q + EJw ) ,, l Đạo hàm tính từ tung độ ban đầu z, tức từ trạng thái mà dây có độ cứng đường căng trùng với trục Hình x l ,,, ,,, = 1; ∫ Qw dx η= ∫ ( w ) dx η2; Васильев В.С.(1969),и др Висячее седлообразное пакрытие киноконцертного зала - В кн.: Болышепролетные оболочки (труды Междунароного конгресcа ИАСС в Ленинграде, 1966) Т М., Стройиздат Москва Гарифилин Н М (1986), К расчету висячих комбинированных систем метoдом конечных элементов Висячие покрытия и Мосты, Воронеж,, pp144-157 Дмитриев Л.Г, Касилов А.В (1974) Вантовые покрытия Издательство “БУДІВЕЛЬНИК” КИЕВ Мацелинский Р Н.(1962), Расчет гибкиx нитей на произвольную вертикальную нагрузку – В кн,: Висячие покрытия, М., Стройиздат 10 Мацелинский Р Н.(1950), Статический расчет гибкиx висячие конструкций, М., Стройиздат (13) S¬ 26 - 2017 63 ... tính tốn sức chịu tải dựa thơng số kết đánh giá đặc điểm nứt nẻ, tiêu RQD thông số chủ yếu Sức chịu tải đá nứt nẻ có mối quan hệ mật thiết với đặc điểm hệ thống khe nứt, đặc điểm nứt nẻ chịu chi... định sức chịu tải theo bảng tra - Theo tiêu chuẩn USA sức chịu tải đá lấy theo bảng: RQD [q ] MPa 100 28.7 90 19.2 75 11.5 50 6.23 25 2.87 0.96 Kết luận kiến nghị Tính tốn sức chịu tải đá có... địa phương Los Angeles (1959) - Theo Peck sức chịu tải cho phép đá nứt nẻ (1974) Theo B.W Bishnoi tính sức chịu tải giới hạn theo độ bền nén trục qu đá qua biểu thức: qgh Nϕ −1