Cơ học kết cấu công trình ngầm - Chương 2

Giáo trình cơ học kết cấu công trình ngầm và câu hỏi ôn tập

NQP-CHCTN 452.3 Kết cấu Neo 2. 3.1 Khái niệm và tính năng cơ học Neo đợc cấu thành từ cấu kiện (dạng thanh, cáp) chịu kéo, tích hợp trong khối đất/ đá (đợc cắm vào lỗ khoan trong khối đất/đá), liên kết trực tiếp (neo cơ học) hay gián tiếp (neo dính kết) với khối đất/đá. Neo có thể đóng vai trò làm cốt liệu trong khối đá, có thể liên kết các phần khác nhau của khối đá, cũng nh có thể tạo ra ứng lực trớc, do vậy neo có thể làm tăng khả năng mang tải của khối đá và cũng có thể thực hiện các chức năng chốt, giữ. ở trạng thái đợc kéo căng trớc neo tạo nên ứng suất nén trong khối đá (neo dự ứng lực) vừa cải thiện trạng thái ứng suất trong khối đá, vừa ép chặt các phần khối đá lại với nhau. Treo, liên kết Dầm chịu tải Vòm chịu tải 1a Treo các lớp yếu vào lớp cứng vững 1b Treo, chốt các khối đá riêng rẽ 2a Liên kết các lớp thành một dầm 2b Thanh neo đợc coi là cốt chịu kéo của dầm 3a Tạo vòm thấp 3b Tạo vòm bao quanh phần vòm của công trình ngầm NQP-CHCTN 46 Neo thờng đợc bố trí lắp dựng tỏa, xuyên vào trong khối đá theo hớng xuyên tâm so với trục của công trình ngầm, theo một mạng lới hay hệ thống nhất định, nhng cũng có thể đợc sử dụng đơn lẻ để ngăn ngừa khả năng tróc vỡ, tróc lở của các khối nứt dạng nêm (khối nêm), các tấm đá xung quanh công trình ngầm. Neo liên kết các phần khác nhau của khối đá có thể tạo nên các tổ hợp neo - khối đá có khả năng mang tải tốt hơn (dầm mang tải, vòm chịu tải); có thể coi nh cốt liệu trong khối đá và do vậy làm tăng khả năng chịu tải và giảm khả năng biến dạng của tổ hợp neo-khối đá. Neo dự ứng lực sẽ gây ra ứng suất hớng tâm, tạo ra trạng thái ứng suất ba trục có lợi về tác động cơ học đối với khối đá. Đặc biệt là khi kết hợp neo với các kết cấu chống khác nh bê tông phun, lới thép, khung thép .sẽ tạo nên một tổ hợp kết cấu chống - khối đá có khả năng chịu tải cao. Chẳng hạn tổ hợp bê tông phun-neo-khối đá, với chiều dài neo và chiều dày bê tông phun hợp lý là một trong dạng kêt cấu chống lý tởng đã và đạng đợc áp dụng và nghiên cứu hoàn thiện trên thế giới. 2.3.2 Các loại neo Cho đến nay đã xuất hiện khá nhiều loại neo, nếu phân biệt theo các dấu hiệu khác nhau chẳng hạn theo vật liệu, cấu tạo hoặc tính năng kỹ thuật Tuy nhiên để cho đơn giản có thể phân ra ba nhóm theo sự liên kết của các loại neo trong khối đá là: Neo cơ học; Neo dính kết và Neo hỗn hợp hay kết hợp (kết hợp hai loại trên) Các loại cơ bản đợc thể hiện trên sơ đồ hình 2.1 phân tố Neo cải tạo trạng thái ứng suất NQP-CHCTN 47 Hình 8.1. Phân nhóm các loại neo phổ biến Trong bảng 2.1 giới thiệu đặc điểm cơ bản và phạm vi áp dụng của hai loại neo cơ học và neo dính kết cánh xòe neo nêm chẻ nêm trợt cánh nêm nêm chẻ đầu nêm vòng chốt vòng lò xo cánh nêm nêmneo ống rãnh hở rãnh neo ống phồng, hay ống ép épphồnglỗneo Perfo tấm thép có lỗthanh neo vữa xi măngneo dính kết đầu neo vành roăng neo cánh xòe + dính kết đầu trộn chất hóa cứng nhựa neo ống kết hợp dính kết neo ống neo dính kết vữa xi măng neo ống phồng và dính kết ống phồng thanh neo chất dính kết tấm đệm Neo cơ học Neo dính kết Neo kết hợp Các loại neo phổ biếnNeo cơ học Neo hỗn hợp Neo dính kết Kết hợp cơ học + dính kết Neo đầu nở Neo ma sát Dính kết bê tông Dính kết chất dẻo NQP-CHCTN 48Bảng 2.1 Đặc điểm và khả năng áp dụng của neo cơ học và dính kết STT Dấu hiệu Neo đầu nở Neo ma sát Neo chất dẻo cốt thép Neo bê tông cốt thép 1 Độ bền cần thiết của đá cứng mềm ữcứng mềmữcứng mềm/cứng 2 Mức độ nứt nẻ ở vùng quanh neo không có khe nứt nứt nẻ nhiều khe nứt nhỏ khe nứt nhỏ 3 Mức độ thích ứng với công nghệ khoan nổ mìn không tốt tốt tốt 4 Thời gian tác động ngay lập tức ngaylập tức sau 30 giây khoảng 12 tiếng 5 Tạo ứng suất trớc tốt tốt có/không có/không 6 Mức độ thích ứng khi lỗ khoan ẩm tốt/rỉ tốt/dễ bị rỉ tuỳ điều kiện tốt 7 Chức năng làm neo chốt tốt tốt đợc không 8 Chức năng làm neo liên kết khi dính kết toàn thân tốt 9 Sử dụng riêng rẽ đơn lẻ tốt không kinh tế 2.3.2.1 Neo cơ học Neo đầu nở. Neo đầu nở là loại neo có cơ cấu nêm để mở rộng đầu neo tao liên kết với khối đá lên thành phía đáy lỗ khoan. Tùy theo cấu tạo của đầu neo các loại neo đợc phân biệt ra neo nêm chẻ, nêm trợt và cánh xòe. Nêm chẻ: nêm đợc cài vào đầu neo đã xẻ rãnh. Khi đã ấn neo chom đấy lỗ khoan thì đánh mạnh vào đuôi neo. Nêm sẽ đợc đóng vào rãnh, tẽ đầu neo ra và tạo lực lên thành đáy lỗ khoan, giữ chốt thanh neo tại đây khi chịu kéo. Phí miệng lỗ khoan có bản đệm, tiếp đó là ê cu. Vặn ê cu sẽ làm cho bản đệm đợc ghìm chặt vào miệng lỗ khoan hay biên khoảng trống. Nhờ đó thanh neo đợc kéo căng, gây áp lực lên phần đá miệng lỗ khoan và lên thành đáy lỗ khoan. Phần đá nằm trong vùng chịu ảnh hởng sẽ bị nén ép chặt lại. Nêm trợt cánh xòe: Đầu thanh neo có ren, cùng với nêm hình côn có ren trong liên kết cới thanh neo. Khi cắm neo đến đáy lỗ khoan, thanh neo đợc xuay tại đuôi neo, làm cho nêm hình côn đợc kéo sâu về phía lỗ khón và mở rộng các cánh NQP-CHCTN 49neo áp chặt vào thành đáy lỗ khoan. Các tác dụng kế tiếp tơng tự nh ở neo nêm chẻ. Hình 7.2. Một số dạng neo đầu nở phổ biến. 213465ba defc NQP-CHCTN 50u điểm: + Gía thành tơng đối rẻ. + Neo phát huy khả năng mang tải ngay sau khi lắp đặt. + Do khi lắp đặt sử dụng biện pháp xoay thanh neo nên tại đầu neo và thân neo tồn tại những lực xoắn và lực kéo tơng ứng nh những lực ứng suất trớc. Khi sử dụng trong đá cứng, neo có khả năng mang tải cao. Nhợc điểm: + Chỉ hạn chế sử dụng trong điều kiện đá có độ cứng trung bình và cứng. + Khó có khả năng lắp đặt chính xác. + Phải kiểm tra và đánh giá sự phù hợp của quá trình kéo thanh neo khi lắp đặt. Neo có thể bị mất khả năng mang tải khi chịu tác động của sóng nổ mìn hoặc khi phần đá áp sát tấm đệm neo bị phá huỷ do lực tác dụng quá lớn. + Chỉ sử dụng làm kết cấu chống tạm trừ khi đợc bảo vệ chống ăn mòn và đợc lấp nhét bằng các chất dính kết. Sơ đồ thi công các loại neo đầu nở Neo ma sát. Có thể coi neo ma sát là loại neo tiên tiến trong lĩnh vực kỹ thuật gia cố khối đá. Hai loại neo ma sát điển hình bao gồm: "neo ống có rãnh hở"- Split set "và "neo ống nở hay neo ống phồng"- Swellex. Đối với cả hai loại neo trên, sức kháng ma sát chống lại hiện tợng trợt đợc sinh ra nhờ áp lực hớng kính tác dụng từ thân neo lên thành lỗ khoan trên suốt chiều dài của neo. Neo ma sát là loại neo duy nhất mà trong đó tải trọng từ khối đá nờmThõn neoNeo nờm ch Neo cỏnh xũe NQP-CHCTN 51đợc truyền trực tiếp lên thân neo không qua bất kỳ kết cấu trung gian nào khác nh kết cấu khoá cơ học hay chất dính kết nh trong các loại neo cơ học và neo dính kết. Mặc dù ở trên gộp chung cả hai loại neo vào nhóm neo ma sát song giữa chúng vẫn có những sự khác nhau đáng kể. Sự khác nhau đó nằm trong cơ chế liên kết giữa neo với thành lỗ khoan, tính tác động gia cố đối với khối đá của từng loại cũng nh quy trình lắp đặt chúng. Nói một cách chính xác, chỉ có duy nhất loại neo ống chẻ đợc gọi là neo ma sát và vì vậy đôi khi còn gọi là neo ma sát ống chẻ ổn định khối đá. Cơ chế liên kết của neo Swellex bao gồm cả ma sát và khoá cứng. Đối với loại neo Swellex EXL, khi tải trọng tác dụng trong neo đạt tới độ bền kéo cuối cùng của neo thì nó mới bắt đầu trợt. Loại neo này có khả năng chịu những biến dạng lớn mà không có sự phá huỷ neo xảy ra. + Đờng kính lỗ khoan là yếu tố có ảnh hởng quyết định để ngăn chặn sự phá huỷ xảy ra trong quá trình lắp đặt cũng nh tạo ra lực ép giữ lên thành lỗ khoan. Nhờ đặc tính có khả năng chịu những biến dạng lớn mà hai loại neo: Thân neo Tấm đệmthanh neo tấm đệm Hình 7.3. Sơ đồ cấu tạo neo ống có rãnh hở. Hình 7.4 Cấu tạo neo ống phồng Swellex. NQP-CHCTN 52neo ống chẻ và neo Swellex EXL rất phù hợp để sử dụng trong điều kiện đất đá có tính biến dạng lớn. Phạm vi áp dụng chủ yếu của neo ống chẻ là trong công nghiệp mỏ còn đối với xây dựng dân dụng thì nó rất ít khi đợc sử dụng. Trong khi đó, neo Swellex có thể sử dụng trong tất cả các lĩnh vực, đặc biệt là sử dụng làm kết cấu gia cố trong các đờng hầm dân dụng. Đặc tính của neo Swellex đợc thể hiện trong bảng 2.2 dới đây: Bảng 2.2. Đặc tính kỹ thuật của neo Swellex. Đặc tính kỹ thuật điển hình Neo Swellex EXL/Super Đơn vị Đờng kính ống thép 26/36mm Sức chịu tải cuối cùng của ống thép 110/215kN Biến dạng dọc trục cuối cùng của ống thép 20%/15% Trong lợng neo không kể tấm đệm và bulông 2/4 kg/m Đờng kính lỗ khoan 354/484mm Chiều dài neo Chiều dài bất kỳ u nhợc điểmcủa neo Swellex EXL. Ưu điểm: + Lắp đặt đơn giản. Chỉ cần một giá khoan hoặc một cần khoan là có thể lắp đặt đợc. + Có khả năng mang tải ngay sau khi lắp đặt. + Dễ dàng để sử dụng kết hợp với lới thép. Nhợc điểm: + Giá thành tơng đối cao. + Khó lắp đặt khi neo có chiều dài lớn. + Không thể sử dụng để làm kết cấu chống cần có thời gian tồn tại lớn (kết cấu chống cố định) trừ khi có biện pháp bảo vệ chống ăn mòn. + ống thép dễ bị ăn mòn từ cả bên trong và bên ngoài của ống Neo Swellex đợc đăng ký nhãn hiệu của hãng Atlas Copco AB, Thụy Điển. NQP-CHCTN 532.3.2.2 Neo dính kết. Neo dính kết đợc liên kết với khối đá trên thành lỗ khoan bằng vữa xi măng hoặc chất dẻo. Trong thực tế thờng sử dụng hai loại chính là neo bê tông cốt thép và neo chất dẻo cốt thép. Neo bê tông (xi măng) cốt thép. Neo dính kết đã đợc sử dụng rộng rãi trên thế giới từ 50 năm trớc đây trong cả lĩnh vực khai thác mỏ và các ngành xây dựng dân dụng. Hầu hết các loại kết cấu neo dính kết đều bao gồm các thanh thép trơn hoặc thép gân đợc dính kết trên suốt chiều dài của nó. Vật liệu thông thờng sử dụng làm chất dính kết là vữa xi măng. Chúng có thể sử dụng để làm kết cấu chống tạm cũng nh kết cấu chống cố định trong nhiều điều kiện khối đá khác nhau. Loại neo làm từ thép gân thờng đợc sử dụng nhiều nhất để làm vỏ chống cố định, đặc biệt trong các công trình thuộc lĩnh vực xây dựng dân dụng. Đặc tính của neo bê tông cốt thép đợc thể hiện trong bảng 2.3 dới đây: Bảng 2.3 Đặc tính kỹ thuật của neo bê tông cốt thép. Đặc tính kỹ thuật điển hình Đơn vị Chất lợng thép 570N/mm2 Đờng kính thanh thép 20mm Sức chịu tải cuối cùng 180kN Biến dạng đơn trục cuối cùng 15% Trong lợng neo không kể tấm đệm và bulông 2.6 kg/m Đờng kính lỗ khoan 355mm Chiều dài neo Chiều dài bất kỳ theo yêu cầu u điểm: + Dễ dàng lắp đặt và là một kết cấu gia cố Nhợc điểm: + Do sử dụng vữa xi măng nên neo chỉ có khả năng chịu tải trọng tối đa theo thiết kế sau vài vữa xi măng thanh neo tấm đệm mũ ốc Hình 3.5 Neo dính kết bê tông cốt thép NQP-CHCTN 54hiệu quả, bền vững. + Hệ thống gia cố bằng neo dính kết có khả năng mang tải cao trong điều kiện đá cứng. ngày. + Chất lợng của vữa phụt vào cũng nh của công tác phụt vữa khó có thể kiểm tra và duy trì ổn định. + Không thể sử dụng trong vùng có dòng nớc ngầm chảy trong lỗ khoan. + Chỉ có thể gây ứng suất trớc trong neo khi sử dụng quy trình lắp đặt neo đặc biệt. S thi cụng neo bờ tụng ct thộp http://www.scribd.com/doc/14130830/Tunnelling-Support#fullscreen:on Neo chất dẻo cốt thép. Vật liệu thông thờng sử dụng làm chất dính kết là chất dẻo. Chúng có thể sử dụng để làm kết cấu chống tạm cũng nh kết cấu chống cố định trong nhiều điều kiện khối đá khác nhau. Một số năm gần đây có ý cho rằng chất dẻo có thể thay vị trí của xi măng, nhng do hàng loạt nguyên nhân khác nhau, chủ yếu là giá, nên việc sử dụng vẫn còn bị hạn chế. Đặc tính của neo chất dẻo cốt thép đợc thể hiện trong bảng 2.4 dới đây: Bảng 2.4. Ví dụ về đặc tính kỹ thuật của neo chất dẻo cốt thép Đặc tính kỹ thuật điển hình Đơn vị Chất lợng thép 570N/mm2 Đờng kính thanh thép 20mm Sức chịu tải cuối cùng 180kN Biến dạng đơn trục cuối cùng 15% Trong lợng neo không kể tấm đệm và bulông 2.6 kg/m Đờng kính lỗ khoan tối đa 30mm Chiều dài neo Chiều dài bất kỳ theo yêu cầu u nhợc điểm của neo chất dẻo cốt thép. Ưu điểm: [...]... khoan chỉ rộng hơn đờng kính đầu thanh neo không quá 8mm Neo ct-bolt là một ví dụ điển hình của sự kết hợp neo đầu nở với neo dính kết đang đợc sử dụng rộng rài tại các nớc Tây-Bắc Âu NQP-CHCTN 56 2. 3 .2. 4 Các cấu kiện phụ trợ của kêt cấu neo Các kết cấu chống giữ bề mặt có thể là: tấm đệm neo, lới thép, hoặc các thanh giằng thép Tấm đệm - Tấm đệm đợc dùng để nhằm mục đích phân bố đều tải trọng tác dụng... 1 -2 mm thì có thể giảm lực kéo trong neo từ 2 0-7 0% NQP-CHCTN 57 do đó phải tiến hành kéo lại neo Sự biến dạng của tấm đệm sẽ giảm đáng kể khi sử dụng tấm đệm hình vòm hoặc tấm đệm lồi hình tam giác do các loại này có diện tích chống giữ (diện tích truyền lực) lớn hơn Các loại tấm đệm này cũng giúp cho kết cấu chống neo có tính linh hoạt cao Lới thép: - Có hai loại lới thép thông thờng đợc sử dụng kết. .. hỗn hợp điển hình tính theo phần trăm trọng lợng khô: Xi măng 15 - 20 % Cốt liệu thô 30 - 40% Cốt liệu mịn, cát 40 - 50% Phụ gia 2 - 5% Tỷ lệ nớc ximăng (theo trọng lợng) đối với hỗn hợp bê tông phun trộn khô nằm trong giới hạn 0.3 - 0.5 và sẽ đợc điều chỉnh bởi ngời vận hành cho phù hợp với điều kiện thực tế Để làm tăng khả năng liên kết, độ bền chịu uốn, chịu cắt, giảm sự hình thành các khe nứt co... đất đá, bê tông phun đợc sử dụng kết hợp với neo, đặc biệt là trong xây dựng dân dụng Cũng nh vậy, trong xây dựng các công trình ngầm trong mỏ, bê tông phun có tác dụng gia cố bề mặt khối đá nằm giữa các neo Chất lợng của lớp bê tông phun phụ thuộc vào loại vật liệu sử dụng trong hỗn hợp và thiết kế thành phần hỗn hợp trộn Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào NQP-CHCTN 58 trình độ và kỹ năng của ngời thực... thép đợc liên kết với bề mặt đá nhờ các chốt hoặc neo đặt cách nhau 1-1 ,5m Các thanh chốt hay neo này có thể đợc bố trí tại khoảng giữa các kết cấu chống (khung thép v v ) hoặc giữa các neo gia cố đá Tuỳ thuộc vào khoảng cách giữa các điểm chốt giữ lới, khả năng mang tải của lớp lới thép kiểu mắt xích có thể thay đổi Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng với khoảng cách giữa các điểm chốt giữ 1,5 - 2, 0m, khả năng... http://www.google.com.vn/patents?hl=vi&lr=&vid=USPAT3940941&id=4O s4AAAAEBAJ&oi=fnd&dq=adhesive+bonded+anchors&printsec=abstract# v=onepage&q&f=false NQP-CHCTN 55 2. 3 .2. 3Neo hỗn hợp Neo hỗn hợp là neo hỗn hợp của hai loại trên để khắc phục những u nhợc điểm của mỗi loại Có hai loại neo chính là: Hỗn hợp neo đầu nở và neo dính kết Hỗn hợp neo ma sát và neo dính kết Neo BTCT đầu nở là một ví dụ rất điển hình cho loại neo này, trong đó một đầu thanh neo đợc...+ Lắp đặt dễ dàng và là kết cấu chống có hiệu quả cao tơng ứng với tuổi thọ lâu bền + Neo chất dẻo có khả năng mang tải cao trong điều kiện đá cứng và có khả năng mang tải ngay sau khi lắp đặt (thời gian đông kết của chất dẻo rất ngắn) + Nếu sử dụng chất dẻo đông kết nhanh tại đáy lỗ khoan, có thể áp dụng biện pháp ứng suất trớc đối với loại neo dính kết trên toàn bộ chiều dài thân neo... và các thanh neo cắm xiên so với bề mặt đá dẫn tới gây tải trọng tác dụng không có lợi lên đầu neo Không điều chỉnh góc cắm sờn nóc sờn Có thể điều chỉnh góc cắm Các cấu kiện phụ trợ của kết cấu neo + Nếu sử dụng tấm đệm dạng nửa hình cầu kết hợp với bu lông thì các thanh neo có thể lắp đặt nghiêng một góc nào đó so với bề mặt của khối đá mà không gây ứng suất kéo bất lợi tác dụng lên đầu neo Một u điểm... tốt với một bề mặt lồi lõm của khối đá Việc liên kết lới thép hàn hay lới thép kiểu mắt xích với bề mặt khối đá đợc thực hiện nhờ các tấm đệm phẳng của neo hoặc một tấm đệm thứ hai lắp vào một thanh neo đang tồn tại Điển hình, một lớp lới thép đờng kính 4 ,2 mm, kích thớc mắt lới 100 mm có thể sử dụng để gia cố trong lớp bê tông phun Các hình thức áp dụng kết hợp giữa bê tông phun và lới thép Ngày nay... + Khó có thể lựa chọn đờng kính lỗ khoan phù hợp cho quá trình nhào trộn và đông cứng của hỗn hợp chất dẻo cũng nh rất khó để lấp đầy hoàn toàn khoảng trống hình vành khuyên giữa thanh thép với thành lỗ khoan + Mức độ đáng tin cậy khi sử dụng các túi chất dẻo trong điều kiện dới ngầm không cao + Sử dụng chất dẻo có thể gây nguy hiểm khi thi công cũng nh có thể gây lãng phí Tuổi thọ bền vững của chất . biếnNeo cơ học Neo hỗn hợp Neo dính kết Kết hợp cơ học + dính kết Neo đầu nở Neo ma sát Dính kết bê tông Dính kết chất dẻo NQP-CHCTN 48Bảng 2. 1 Đặc điểm. NQP-CHCTN 4 52. 3 Kết cấu Neo 2. 3.1 Khái niệm và tính năng cơ học Neo đợc cấu thành từ cấu kiện (dạng thanh, cáp) chịu kéo,