5.3.1. KHÁI NIỆM VỀ ÁP LỰC đÁ
Ở trạng thái tự nhiên, khối ựá ựã có một trạng thái ứng suất ban ựầu. Khi ựào hầm trong ựá thì phần ựá xung quanh hầm sẽ xuất hiện một trường ứng suất mới, khác với trạng thái ứng suất ban ựầu. Nếu không ựược chống ựỡ bằng các khung, vỏ chống thì ựá trong hầm sẽ bị biến dạng, dịch chuyển vào phắa trong khoảng trống của hầm, gây lên một áp lực thường gọi là Ộáp lực ựáỢ, Ộáp lực mỏỢ hay Ộáp lực ựịa tầngỢ. Theo Uỷ ban thuật ngữ kỹ thuật thuộc Viện hàn lâm khoa học của Liên Xô cũ thì áp lực ựá là áp lực do những lực trong ựá ở xung quanh hầm gây ra. Nói một cách khác, áp lực do tập hợp những lực sinh ra từ những biến ựổi cơ học của khối ựá xung quanh hầm tác dụng lên khung, vỏ chống của hầm gọi là áp lực ựá.
5.3.1.1. Cơ chế xuất hiện áp lực ựá
Việc xuất hiện áp lực ựá trong hầm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như tắnh chất của ựá, chiều sâu ựặt hầm, các ựiều kiện ựịa chất kỹ thuật mỏ (phương pháp khai thác mỏ, góc ựổ của ựá, kắch thước, dạng và thời gian phục vụ của hầmẦ) và nhiều yếu tố khác nữa. Trong các hầm lò tự nhiên, áp lực ựá có thể xuất hiện theo nhiều hướng khác nhau tuỳ theo từng ựiều kiện cụ thể. để giải thắch các sự xuất hiện này, người ta phải ựưa ra các giả thuyết khác nhau.
Theo J.Talobre
Talobre giả thiết rằng ựá ở trạng thái ứng suất thuỷ tĩnh (theo giả thuyết phân bố ứng suất của Heim), nghĩa là σz = σx = p*.
Khi ấy, theo công thức (5.34), ứng suất vòng tròn σθ của ựá sẽ là: + = σθ 2 2 * r a 1 p
Tại mép hầm (a = r), σθ sẽ lớn nhất bằng 2p. Ở xung quanh hầm sẽ không xảy ra hiện tượng gì khi σθmax < σự (σự là giới hạn ựàn hồi của ựá).
Trong những trường hợp khác, nếu tại mép hầm, σθ ựạt tới giá trị của σự thì trong khối ựá sẽ xuất hiện vùng ựá bị biến dạng dẻo hoặc có cả vùng ựá bị vụn nát. Ở ựây ứng suất giảm ựi, làm ựá bị dịch chuyển một phần vào phắa trong hầm, cho tới khi tạo thành một trạng thái ổn ựịnh mới (hình 5.20).
Hình 5.20. Cơ chế xuất hiện áp lực ựá theo J.Talobre.
Cách giải thắch của J.Talobre chỉ mang tắnh chất ựịnh tắnh, vì nó ựã không kể ựến mức ựộ ựồng nhất của khối ựá.
Theo L.V.Rabcewicz
Rabcewicz giả thiết là hầm ựược ựào ở trong khối ựá chỉ chịu tác dụng của ứng suất thẳng ựứng σz = p*, σx = 0. Sau ựó khối ựá ở xung quanh hầm sẽ dần dần hình thành một trạng thái cân bằng mới.
Giả sử khối ựá ở xung quanh hầm không bị xáo ựộng do các công tác mỏ trước ựó, thì sự phân bố lại ứng suất trong khối ựá ựó thường xảy ra theo 3 giai ựoạn:
đầu tiên ở hai bên hầm xuất hiện các khối hình nêm chuyển ựộng về phắa hầm theo hướng vuông góc với ứng suất nén chắnh. Khoảng cách giữa hai ựầu nêm bằng khoảng 1,5 Ờ 1,8 ựường kắnh hầm (hình 5,21a).
Sự chuyển vị tăng lên làm ựáy và nóc hầm bị trượt. Áp lực bên sườn phát triển theo hướng nằm ngang dần dần hình thành ellip áp lực cao và vùng ựá bị vỡ vụn (hình 5.21b).
Giai ựoạn cuối cùng là lúc vùng ựá vỡ vụn bị biến dạng, có xu hướng chuyển ựộng về phắa bên trong hầm (hình 5.21c).
Hình 5.21. Cơ chế xuất
hiện áp lực ựá theo L.V.Rabcewicz.
Nhiều tài liệu nghiên cứu và quan sát thực tế cũng thấy tương tự như cách mô tả của Rabcewicz, ngay cả trong trường hợp hệ số áp lực ngang k < 1 do Schmidt, Fenner và Terzaghi sau này ựã nghiên cứu.
Tuy nhiên, các cách giải thắch về sự xuất hiện áp lực ựá của Talobre và Rabcewicz ựều giả thiết rằng ựá là ựồng nhất và ựẳng hướng. Với ựá nứt nẻ, bị phân
P* P* P* P* P* * * P P * P a) b) c)
cắt hay phân lớp thì các cách giải thắch trên không phù hợp. Theo F.P.Jaecklin, ứng suất kéo trên vòm hầm ựào trong ựá phân lớp nằm ngang không lớn bằng các trị số tắnh toán ở hầm ựào trong ựá ựẳng hướng.
5.3.1.2. Các phương pháp nghiên cứu áp lực ựá
để nghiên cứu áp lực ựá, người ta có thể dùng phương pháp nghiên cứu tại thực ựịa, các phương pháp mô hình trong phòng thắ nghiệm và phương pháp giải tắch.
Phương pháp nghiên cứu tại thực ựịa.
Khi ựo áp lực ựá tại thực ựịa, người ta có thể dùng các phương pháp ựã nêu trong phần ựo ứng suất và biến dạng của khối ựá nguyên trạng, ngoài ra, người ta còn dùng phương pháp ựo trực tiếp áp lực ựá tại một ựiểm nào ựó. Muốn vậy người ta có thể dùng các loại dụng cụ ựo lực (dinamomètre) kiểu cơ học, kiểu hơi ép, kiểu ựiện hay kiểu dâyẦ nhưng phổ biến hơn cả vẫn là dụng cụ ựo lực kiểu cơ học.
Dụng cụ ựo lực kiểu cơ học loại 50Ả180 hay 45Ả135 có bộ phận chắnh là tấm thép ựàn hồi. Khi chịu áp lực, nó sẽ bị uốn và làm quay kim ựồng hồ chỉ áp lực. Loại dụng cụ này không sợ ẩm hay sự thay ựổi của nhiệt ựộ, nhưng cồng kềnh và ựắt tiền.
Loại dụng cụ gọn nhẹ và rẻ hơn có bộ phận ựàn hồi bằng cao su, cấu tạo của nó ựơn giản, rẻ tiền nên loại dụng cụ này cũng ựược dùng nhiều ựể ựo áp lực tại các ựiểm xung quanh hầm.
Các dụng cụ ựo kiểu dây dùng rất có hiệu quả, nhưng cấu tạo phức tạp và giá thành cao.
Các dụng cụ ựo lực kiểu ựiện có kết quả ựo không ổn ựịnh vì các cảm biến của nó rất nhạy với sự thay ựổi nhiệt ựộ, ựộ ẩm và các tác ựộng khác.
Phương pháp ựo tại thực ựịa giúp người ta phát hiện ựược kịp thời các vùng nguy hiểm trong hầm, nhưng nó chỉ ựo ựược sau khi ựã thi công hầm, không dùng ựược ựể tắnh toán thiết kế hầm.
Các phương pháp thực nghiệm trong phòng.
để nghiên cứu áp lực ựá trong phòng thắ nghiệm người ta thường làm các mô hình. Phương pháp dùng các mô hình do M.Fayol ựề ra từ 1885. Những năm sau này, nhiều nhà nghiên cứu ựã phát triển thêm thành nhiều loại mô hình khác nhau.
Tuy ựã rất cố gắng, song mô hình không thể thể hiện ựầy ựủ các ựiều kiện như trong thực tế về trạng thái ứng suất cuả khối ựá cũng như các tắnh chất của nó. Tuy nhiên dùng các mô hình có thể thấy ựược cơ chế quá trình biến dạng của ựá xung quanh hầm hay các ảnh hưởng riêng biệt của từng yếu tố ựến sự phân bố ứng suất xung quanh hầm.
Trong phòng thắ nghiệm, người ta dùng một số loại mô hình sau: - Mô hình ly tâm.
Mô hình ly tâm do G.I.Pokrovxki và N.N.đaviựenkov ựề ra từ năm 1932 ở Liên Xô cũ.
Xuất phát từ một trong những ựiều kiện tương tự trong phương pháp mô hình là:
inv l l t t t m m m = γ σ = γ σ (5.87)
trong ựó: σm, ϒm, lm là ứng suất, trọng lượng thể tắch và kắch thước dài của mô hình.
σt, γt, lt là các ựại lượng tương ứng ở khối ựá trong tự nhiên. Khi giữ cho σm = σt, thì:
γm lm = γt lt (5.88) hay t m t m l l γ = γ (5.89)
Nghĩa là trọng lượng thể tắch ở mô hình phải lớn gấp lt/lm lần trọng lượng thể tắch của ựá trong tự nhiên. Nhưng thường tỷ lệ mô hình là 1:100 và nhỏ hơn Ờ nên không thể tạo ra ựược một vật liệu mô hình có trọng lượng thể tắch lớn hơn trọng lượng thể tắch của ựá 100 lần ựược. Vì vậy, phải tạo ra một trọng lượng thể tắch giả bằng lực quán tắnh sinh ra khi quay mô hình trong máy ly tâm với các lực ly tâm tương ứng.
Trong phương pháp này, mô hình làm bằng ựá tự nhiên (ở nơi ựịnh nghiên cứu) có tỷ lệ ựã tắnh sẵn ựặt trong giá ựỡ của máy ly tâm. Bằng cách quay ựều giá ựỡ có mô hình theo một bán kắnh xác ựịnh R, tốc ựộ quay n vòng trong 1 phút, người ta tạo ra lực quán tắnh ựể làm ựá có một trọng lượng thể tắch giả tương ứng với công thức (5.89).
Ghi lại biến dạng và ứng suất của ựá trong mô hình tại các ựiểm khác nhau, nghiên cứu quy luật phân bố ứng suất trong ựó, có thể suy ra những thông số kỹ thuật mỏ tốt nhất ựể làm ổn ựịnh các công trình.
Với máy ly tâm hiện ựại có thể thắ nghiệm các mô hình cao tới 0,4 Ờ 0,5m. Tuỳ theo mục ựắch nghiên cứu mà tỷ lệ mô hình có thể từ 20 Ờ 500.
Phương pháp mô hình ly tâm dùng rất có hiệu quả khi nghiên cứu áp lực ựá. Nó là phương pháp duy nhất trong các phương pháp mô hình ựã dùng ựá tự nhiên ựể làm mô hình. điều này rất có ý nghĩa.
Tuy vậy, phương pháp này cũng có nhiều hạn chế: Trong mô hình ly tâm, trường lực cơ học không ựồng nhất do bán kắnh của máy ly tâm bé. Mặt khác, càng xa trọng tâm mô hình, dọc theo chiều cao của nó, bán kắnh quay thực tế bị thay ựổi, do vậy làm sai lệch tỷ lệ mô hình ựã tắnh trước. Với ựá phân lớp, dùng phương pháp này cũng khó và có khi không thực hiện ựược.
- Mô hình vật liệu tương ựương.
Phương pháp này do G.N.Kuznexhov ựề ra năm 1936 ở Liên Xô cũ.
Bằng các loại vật liệu như hỗn hợp cát + mica + thạch cao, sét, hỗn hợp cát + vaseline kỹ thuật, dầu máyẦ và các chất gắn kết như parafin kỹ thuật, chất dẻo, thạch caoẦ người ta tạo ra các mô hình tương tự như trong tự nhiên theo các ựiều kiện tương tự về hình học, ựộng lực học và ựộng học nhất ựịnh.
t t m t m m . . l l σ γ γ = σ (5.90)
Nghĩa là ứng suất trong mô hình phải ựảm bảo sao cho bằng ứng suất trong khối ựá tự nhiên nhân với tắch của tỷ lệ kắch thước mô hình và tự nhiên và tỷ lệ giữa trọng lượng thể tắch của vật liệu làm mô hình và ựá.
Ngoài ra, mô hình phải tuân theo những tỷ lệ nhất ựịnh về kắch thước, về lực tác dụng, về thời gianẦ
G.N.Kuzexhov còn nêu ra các ựiều kiện tương tự về hộ chiếu ựộ bền của vật liệu làm mô hình và khối ựá tự nhiên.
n t m t m nm . . l l σ γ γ = σ (5.91) k t m t m km . . l l σ γ γ = σ (5.92) c . . l l c t m t m m γ γ = (5.93) tgϕm = tgϕ. (5.94)
trong ựó: σnm, σkm, cm, tgϕm là giới hạn bền nén, giới hạn bền kéo, cường ựộ lực liên kết và hệ số ma sát trong của vật liệu làm mô hình.
σn, σk, c, tgϕ là các ựại lượng tương tự của khối ựá tự nhiên. Mô hình phải phản ảnh ựầy ựủ cấu trúc và các ựặc ựiểm cấu tạo của khối ựá ựịnh nghiên cứu. Nhưng ựiều kiện này không phải lúc nào cũng thực hiện ựược.
Bằng các dụng cụ ựo giống như các dụng cụ dùng ở thực ựịa người ta sẽ xác ựịnh ựược trạng thái ứng suất của mô hình. Từ các liên hệ về ựiều kiện tương tự như các công thức (5-61) Ờ (5.64)Ầ người ta sẽ suy ra ựược trạng thái ứng suất, áp lực ựá trong khối ựá tự nhiên.
Tuỳ theo mục ựắch nghiên cứu mà tỷ lệ mô hình có thể từ 1: 400, 1:100 hay 1: 60, 1: 10. Trong trường hợp trọng lượng bản thân mô hình không ựủ tạo nên áp lực cần thiết (khi khối ựá ở dưới sâu), thì phải ựặt thêm tải trọng phân bố ựều lên trên mô hình. Khi tắnh toán cũng phải chú ý ựến hiện tượng này.
Phương pháp mô hình vật liệu tương ựương cho phép nghiên cứu khá tỉ mỉ cơ chế các quá trình xảy ra trong hầm, nhất là các quá trình biến dạng. Do vậy phương pháp này ựược sử dụng rất rộng rãi.
Phương pháp giải tắch.
Phương pháp giải tắch dựa vào các lý thuyết ựàn hồi, dẻo hay lý thuyết môi trường rời và các ựặc trưng cơ học của khối ựá ựịnh nghiên cứu ựể tắnh toán áp lực ựá trong các hầm có ựiều kiện ựịa chất khác nhau.
Nhờ phương pháp này, người ta sẽ dự tắnh ựược áp lực ựá ở khối ựá ựịnh nghiên cứu. Trên cơ sở ựó sẽ tắnh toán, thiết kế, thi công các hầm cũng như các biện pháp ổn ựịnh chúng.
Trong phần sau, sẽ trình bày cụ thể phương pháp này. 5.3.2. ÁP LỰC đÁ TRONG CÁC HẦM NGANG
Ở khối ựá xung quanh hầm, áp lực ựá có thể xuất hiện theo phương thẳng ựứng (áp lực nóc và nền hầm) hay theo phương nằm ngang (áp lực bên sườn).
5.3.2.1. Áp lực ựá ở nóc hầm
Ngày nay, có rất nhiều phương pháp dự tắnh áp lực ựá ở nóc hầm của các nhà nghiên cứu về ựá. Mỗi phương pháp chỉ ựúng trong những ựiều kiện mỏ - ựịa chất nhất ựịnh. Nói chung, người ta có thể chia các phương pháp xác ựịnh thành hai nhóm:
Nhóm thứ nhất gồm những phương pháp cho rằng áp lực lên vì chống là một ngoại lực. Trị số của nó không phụ thuộc vào cấu tạo của vì chống, chế ựộ làm việc của nó, mà chỉ là một hàm số của tắnh chất của ựá, kắch thước hầm, chiều sâu ựặt hầmẦ Vì thế, nhóm phương pháp này ựược gọi là các phương pháp tắnh theo tải trọng cho trước.
Trong nhóm này, phải kể ựến các phương pháp của các giáo sư M.M.ProtodỖjakonov, P.M.Xhimbarevich, V.D.Xlexarev (Liên Xô cũ) và P.Kvapil (Tiệp Khắc)Ầ
Nhóm thứ hai gồm những phương pháp cho rằng áp lực ựá lên vì chống không phải là một ngoại lực Ờ mà là kết quả tác dụng tương hỗ giữa vì chống và ựá ở xung quanh hầm.
Trị số áp lực ựá là một hàm số của biến dạng ựường bao của hầm. Vì vậy, nhóm phương pháp này còn ựược gọi là các phương pháp tắnh theo biến dạng cho trước.
Nói chung, các phương pháp trong nhóm này có triển vọng hơn, vì các phương trình trạng thái ựưa ra ựể giải quyết gần với tự nhiên và các quá trình cơ học xảy ra trong các công trình ngầm.
Trong nhóm này, gồm các phương pháp của A.Labase (Bỉ), K.V.Ruppeneyt, Zh.X.Erzhanov (Liên Xô cũ), A.Salustowicz (Ba Lan)Ầ
Tắnh áp lực ựá theo tải trọng cho trước.
Nói chung các phương pháp tắnh trong nhóm này ựều dựa trên giả thuyết hình thành vòm cân bằng tự nhiên. Sau khi vùng ựá vụn nát ở nóc hầm ựã sập lở hết, phần ựá còn lại sẽ hình thành một vòm chịu áp lực của khối ựá nằm trên. Áp lực ựá sẽ do phần ựá gồm giữa vòm cân bằng tự nhiên và nóc hầm gây ra.
Từ giả thuyết này lại có nhiều cách tắnh khác nhau. - Theo M.M.ProtodỖjakonov.
ProtodỖjakonov tắnh toán cho môi trường rời, có ma sát trong nhưng không có liên kết. Giả sử tại chiều sâu H có một hầm hình chữ nhật chiều rộng bằng 2a. Trên ựỉnh hầm, theo giả thuyết, sẽ hình thành một vòm cân bằng tự nhiên có chiều cao b. để tắnh ựược áp lực ựá, phải xét dạng ựường cong của vòm và xác ựịnh ựược chiều cao vòm cân bằng.
Qua 0, lấy hệ trục vuông góc 0x, 0y.
Xét sự cân bằng của ựoạn cung 0M, với M (x, y). Thay phần tác dụng của ựoạn cung B0 và AM bằng 2 lực T và R có hướng tiếp tuyến với 0 và A vì môi trường xem như bị liên kết thiếu (hình 5.22a).
Hình 5.22. Sơ ựồ tắnh toán theo Protod'jakonov.
Lấy mômen của tất cả các lực với ựiểm M. Vì ựoạn cung cân bằng, nên:
∑ = − =0 2 x . px Ty ) M ( M (5.95)
trong ựó: p là áp lực phân bố ựều trên nóc hầm. Do vậy: x2
T 2
p
y= (5.96)
Từ phương trình này, suy ra cung vòm hầm có dạng một parabol.
để xác ựịnh chiều cao vòm, xét trạng thái cân bằng tại chân vòm, ựiểm A (hình 5-22b).
Vì vòm ựối xứng nên chỉ xét 1/2 vòm bên trái.