Giải pháp gia cường mái dốc bằng neo

3.1. Các giải pháp nâng cao ổn định bờ mỏ

3.1.3. Giải pháp gia cường mái dốc bằng neo

Các neo đang được sử dụng để nâng cao ổn định cho các nhiệm vụ sau:

- Gia cố cho các hố đào sâu;

- Ổn định mái dốc;

- Ổn định các hố đào ngầm;

- Ổn định các kết cấu mới và hiện có;

- An toàn cho kết cấu chịu tải trọng thẳng đứng và di chuyển Trong đánh giá ổn định chung, người thiết kế phải tính đến:

a. Sức chịu tải của neo: ví dụ các neo có sức chịu tải cao ít ảnh hưởng đến ổn định chung hơn các neo có sức chịu tải thấp.

b. Vị trí các mặt phẳng phá hoại giới hạn để đảm bảo chiều dài bầu neo được đặt trong đá ổn định.

c. Xây dựng và quy hoạch vị trí áp dụng neo.

Để đánh giá sự ổn định chung người thiết kế cần chi tiết những vấn đề:

- Tải trọng làm việc của các neo;

- Các chiều dài neo tự do tối thiểu;

- Tổng mặt bằng thiết kế các neo.

Người thiết kế cũng cần chuẩn bị cho phép thay đổi thiết kế do vướng mắc hoặc thay đổi các điều kiện vật lý.

2. Neo trong đá

Việc dùng neo để đảm bảo ổn định của mái dốc đá mới hoặc đã có và các hố đào ngầm trong đá đã được thiết lập tốt cho hầu hết các loại đá. Tuỳ theo hoàn cảnh quy định, các neo có thể được dùng làm phương tiện riêng để tạo ổn định hoặc

65

chúng sử dụng phối hợp với các dạng gia cố khác như bê tông phun, xà thép, kết cấu giữa bằng bê tông.

Việc chọn neo trong một hoàn cảnh đã cho là một công việc cần đến kinh nghiệm và sự phán đoán. So sánh với kinh nghiệm đã có, cùng với nghiên cứu sơ đồ phân loại và các chỉ dẫn thực nghiệm, có thể đưa ra những lời khuyên có ích (Hock và Brown 1989; Barton và NNK 1979; Farmer và Shelton 1980).

Cần phải lựa chọn neo phù hợp với những điều kiện cụ thể. Phạm vi áp dụng được tổng hợp trong bảng 4.3.

Tw < Tx để làm giảm thiểu mất mát căng trước khi chịu tải trọng chu kỳ Hình 3.5: Quá trình căng kéo (theo Littlejohn ,1970)

Mặc dù loại neo kéo (chủ động) và bám dính hoàn toàn không kéo (bị động) đang được sử dụng rộng rãi, những kiến nghị cần kéo các neo đó càng sớm càng tốt sau khi lắp đặt. Lực căng trước trong thanh neo cần chọn lớn hơn bất cứ sự tăng giảm nào của tải trọng. Theo kiến nghị của Littejohn (1970) (hình 3.5) đầu tiên neo căng đến tải trọng yêu cầu (Tt), sau đó neo được chùng hoàn toàn. Khi căng lại đến (Tt) cần lưu ý tải trọng bên trên (Tx). Đối với (Tt) đã nêu, Tw cần phải dưới Tx nhằm giảm thiểu sự mất cưng trước cho một thanh neo chịu tải trọng chu kỳ khi làm việc.

Các neo chịu kéo gia cường khối đá tạo ra một mái dốc hoặc bao quanh hố đào bằng cách tăng sức kháng cắt dọc theo các chỗ không liên tục. Nó gắn chặn sự rời ra của các khối bị lỏng và tăng cường bản chất tự liên kết của khối đá. Sự tạo ra tác dụng neo ở một vùng được gia cường trong khối đá làm nó có độ mềm thích

TX X

Tt

Sức chịu nhổ

Chuyển vị đàn hồi của dây neo

Chuyển vị dây neo tại đầu neo

66

hợp, cho phép biến dạng nào đó và tạo ra độ cứng đủ để giảm thiểu sự hình thành các chỗ không liên tục trong khối đá.

Phạm vi huy động hiệu quả sẽ phụ thuộc vào các đặc trưng biến dạng tương đối của neo và khối đá, có thể thay đổi từ có trước cho đến phù hợp với hoàn cảnh cụ thể nhờ neo dính bám vào khối đá bao quanh trên chiều dài hoặc tách rời trên chiều dài neo tự do.

Neo bám dính hoàn toàn, thường được sử dụng, cung cấp sự ngăn giữ dọc theo chiều dài tự do, giảm thiểu sự giãn nở của các mối nối và tạo ra khả năng lớn nhất để gìn giữ sự phối hợp mong muốn giữa độ cứng và độ mềm.

Bảng 3.3. Các điều kiện đá và áp dụng gia cố Loại gia

cố Các điều kiện đá và áp dụng

Chốt đá

Áp dụng:

a. Để đảm bảo ổn định của vùng rất gần bề mặt đào.

b. Gia cố cho đá cần phải lấy đi ở giai đoạn sau

c. Để gia cố chung khi được đặt rất gần bề mặt có trước, khi hình thành lực kéo sau khi đặt.

d. Để gia cố trước khi đào

Đá: Phù hợp cho mọi loại. Trong đá yếu cần có chiều dài phù hợp để có thể tạo được độ bền chịu kéo cho chốt.

Bu lông đá

Áp dụng: Gia cố chung cho mọi loại đào đất hở.

Đá:

a. Bu lông có bầu kiểu cơ học chỉ thích hợp khi sử dụng trong đá cứng.

b. Bu lông có bầu phun vữa có thể dùng trong mọi loại đá. Khi đá yếu hoặc đất sét lẫn trong có xu hướng vào trong các lỗ khoan, có thể sức chịu tải của neo không đủ thì dùng bầu neo phun vữa cao su.

Áp lực chống lớn nhất: 300kN/m2 Neo

đá

Áp dụng: Gia cố các hố đào hở lớn đòi hỏi áp lực chống đỡ cao và chiều dài gia cố dài:

Chủ yếu dùng phối hợp với bu lông, chốt hoặc bê tông phun.

Đá: Thích hợp cho mọi loại đá, nhưng cần kiểm tra cẩn thận trong đá có

67

Loại gia

cố Các điều kiện đá và áp dụng

hỗn hợp đá chất lượng thấp được liên kết cứng, hoặc đá vụn, mặt trượt nhẵn, các khe nứt được lấp đầy, dòng nước mạnh, ứng suất tại chỗ cao, đá trồi lên hay bị nén mạnh (Barton và NNK 1979).

Trong đá yếu, cần các neo phù hợp cho đất.

Áp lực chống nhỏ nhất: 200kN/m2 Áp lực chống lớn nhất: 600kN/m2

Áp lực chống = áp lực chống có được tại thời điểm lắp đặt

Chiều dài tự do tách rời chỉ sử dụng trong trường hợp khi neo cần có ứng suất trước trong khai thác, khi dự kiến chuyển vị do kéo sau lớn, hoặc khi một chuyển vị cục bộ trị số đáng kể xảy ra có thể làm vượt quá ứng suất neo.

Neo tạo ra một điểm cách biệt của gia cố. Tính hiệu quả của neo trong việc giữ độ nguyên vẹn của mặt đá phụ thuộc vào mức độ nứt nẻ của bề mặt, khoảng cách giữa các neo và kích thước của bề mặt nó gia cố (Hock và Brown 1981; CIRIA 1983).

Sự mất ổn định của mái dốc đá hoặc hố đào ngầm có thể do một hoặc các nguyên nhân sau đây:

- Chuyển vị của các khối, các nêm đá khi chịu tác động những ngoại lực, đặc biệt trong lực, áp lực nước, băng và thực vật

- Chuyển vị của các khối hoặc các nêm đá khi chịu tác động của các ứng suất tại chỗ.

- Sự phá hoại của đá nguyên vẹn do vượt quá ứng suất.

- Sự phá huỷ hoặc phong hoá hoá học của đá khi chịu các điều kiện khí hậu.

Nói chung ứng suất tại chỗ tăng theo độ sâu dưới mặt đất. Như vậy, tại các độ sâu nhỏ, sự ổn định của mái dốc đá hoặc hố đào hở được khống chế bằng không gian ba chiều của mái dốc hoặc hố đào và các đặc trưng của kết cấu đá. Tại các độ sâu lớn, sự ổn định của hố đào được khống chế bằng sự hạn chế của ứng suất gây phá hoại đá nguyên mẫu hoặc chuyển vị khối dọc theo các chỗ không liên tục có

68

trước.

b. Các mái dốc

Cơ chế phá hoại trong các mái dốc đá về nguyên tắc được xác định theo những xem xét chi tiết về hướng, khoảng cách và các đặc trưng vật lý của các chỗ mất liên tục thể hiện trên mặt đá. Các ảnh hưởng thứ yếu có thể được xác định từ tương tác ứng suất/biến dạng và ảnh hưởng của phương pháp đào Những đánh giá về ổn định cần dựa trên khảo sát địa kỹ thuật chi tiết về kết cấu đá và tăng cường bằng cách sử dụng cách biểu diễn đồ hoạ đa chiều hoặc phương pháp đồ hoạ khác (Kovari và Fritz 1976; Hoec và Bray 1977; Matheson 1983; Phillips 1971).

Các kiểu phá hoại chính phải kể đến trong mái dốc và cắt đá được minh hoạ trong hình 4.6 cùng với chỉ dẫn về chức năng của neo trong việc cải thiện sự ổn định. Các cơ chế sau đây có thể được ghi nhận, đơn lẻ hoặc phối hợp:

- Phá hoại theo mặt tiếp xúc đá yếu;

- Phá hoại định trước dọc theo một hoặc nhiều khe nứt;

- Phá hoại kiểu nêm dọc theo các khe nứt giao nhau;

- Phá hoại dọc theo các chỗ phân cách yếu các vùng cắt hoặc bề mặt phá hoại có từ trước;

- Phá hoại lật trong đá có các khe nứt ẩn sâu.

Phân tích khối đá hoặc những vùng có khả năng không ổn định có thể thực hiện bằng cách xem xét các lực ngoài tác động trên khối và các vùng đơn khi dùng phép phân tích động học đơn giản (hình 4.7), các kỹ thuật tính toán trên máy (Loudon và NNK 1983). Độ bền của các khe nứt dọc theo chúng có thể xảy ra phá hoại cần được xác định bằng thí nghiệm đại diện cho vùng riêng đó hoặc phương pháp thực nghiệm đại diện cho vùng riêng đá hoặc phương pháp thực nghiệm (Hoek và Bray 1977;

Barton 1971, 1979; Landanyi và Archambault 1970).

Trong đá yếu hoặc nhiều khe nứt, có thể áp dụng các phương pháp phân tích ổn định tương tự như trong đất của Bishop, Morgensten.

69

Hình 3.6. Các kiểu phá hoại nguyên tắc trong mái dốc và chỗ cắt đá a) Trượt đáy hoặc các mặt phẳng lớp

b) Trượt trên các khe nứt.

c) Trượt trên chỗ đứt đoạn hoặc các mặt phẳng nghiêng.

d) Lật.

e) Nêm phá hoại.

Quá trình thoát nước bề mặt là rất quan trọng. Các phương pháp thoát nước tiêu biểu cho mái dốc đá đã được Hoek và Bray (1977) mô tả. Phân tích mái dốc cần thực hiện theo ứng suất có hiệu quả, có kể đến hiệu quả của bất cứ biện pháp thoát nước nào. Các thông số ứng suất dư cần được sử dụng nếu những khe nứt có chứa sét hoặc phá hoại sẵn sàng xảy ra ở đó. Khi xảy ra các chuyển vị lớn, lực dính

Các mặt phẳng phá hoại

Hướng chuyển vị có thể Mặt phẳng phá hoại tới hạn

Mặt phẳng phá hoại tới hạn

Mặt phẳng phá hoại tới hạn

a) b)

c) d)

e)

70

cần lấy bằng không và thiết kế chỉ dựa trên sức kháng ma sát của khe nứt (Noble 1973, Wagner và NNK 1975; Brandl 1976). Quan trọng là cần thực hiện phân tích độ nhạy để đánh giá ảnh hưởng của từng yếu tố và khả năng thay đổi của từng thông số riêng biệt.

Các ảnh hưởng phụ thuộc thời gian như phong hoá, sự thay đổi các đặc trưng độ bền do nhiều ảnh hưởng môi trường hoặc có biến dạng. Các ảnh hưởng đó không dễ dàng phân tích chi tiết được, nhưng cần đánh giá các thay đổi có khả năng trong những đặc trưng và ảnh hưởng đến ổn định. Cần kiểm tra khả năng đá có thể lộ ra khí quyển và bị thoái hoá (BRE Digest số 269, 1983).

Do đá được coi là một biện pháp ổn định của hệ neo, riêng hoặc phối hợp với các biện pháp khác, sẽ hình thành kết cấu có hệ số an toàn cần thiết. Bố trí các neo sẽ dựa trên kết cấu địa chất và chiều dài bầu neo đặt ngoài bất cứ mặt phẳng phá hoại tới hạn nào (hình 3.6). Trong đá liên kết chặt có thể dùng các neo tạo gia cố gần bề mặt để ngăn ngừa hiện tượng lở ra (thường phối hợp với một hệ thống giữ như mạng lưới hoặc bê tông phun).

Các phương pháp đào có ảnh hưởng đáng kể đến những yêu cầu của neo.

Cần dùng kỹ thuật nổ được khống chế ngăn ngừa biến dạng đá và giảm thiểu khả năng đá lở (Fookes và Sweeney 1976).

Cần quan sát bề mặt để đánh giá các giả thiết thiết kế và khẳng định rằng bất cứ xu hướng nào dẫn đến mất ổn định trong tương lai đều được kiểm soát.

T = Lùc neo



Mặt phẳng phá hoại

Phản lực pháp tuyến

W = Trọng lượng khối Ma sát



71

Hình 3.7. Phân tích đơn giản ổn định của các mái dốc trong đá (a) Hình dạng khối mô tả các lực nguyên tắc tác động trên khối Lực cơ

bản

Thành phần trong mặt phẳng

phá hoại Hướng

W Wt = Wsin  Wn = W cos  tg ’

Trọng lực

Ngược hướng chuyển dịch T Tt = T cos ( + )

Tn = T sin ( + ) tg ’

Mái dốc trên Mái dốc dưới

Ngược hướng chuyển dịch (b) Giải các lực song song với mặt phảng phá hoại

Tổng các lực chống chuyển dịch Hệ số an toàn Sf =

Tổng các lực gây chuyển dịch

Dạng của hệ này phụ thuộc vào các độ lớn và hướng tương đối của các lực tác động tức là:

( + ) < 900; Tt < Wt Sf =

t n n t

W W T T  

( + ) < 900; Tt > Wt Sf =

t n n t

T W T W  

( + ) > 900; Sf =

t t

n n

W T

W T





3. An toàn của kết cấu chịu tải trọng thẳng đứng và di động trong đá

Do thiếu các thông tin chi tiết về khối đá nên độ bền chịu cắt của đá thường bỏ qua (Kelman và Holmes 1971; Littlejohn và Bruce 1977).

Khi việc chống giữ các neo phụ thuộc chủ yếu vào các đặc trưng cơ học của đá nguyên vẹn thì chỉ dùng những đặc trưng đó khi có kết quả thí nghiệm cho chính vị trí đang được xem xét.

Phân tích động vùng bầu neo sẽ đòi hỏi sự hiểu biết bao quát về các điều kiện đá đặt bầu neo.

Trong tính toán chỉ được dùng trọng lượng có hiệu quả của đá.

Khi các nhóm neo đặt gần nhau có những bầu neo cùng nằm trên mặt đá ngang và đáy khối đá nằm ngang thì phải khảo sát khả năng phá hoại theo lớp (Brown 1970). Để ngăn chặn phá hoại theo lớp cần đặt nghiêng theo mặt bằng một

72

số bầu neo (Công ty Soletanche 1968) hoặc bố trí xen kẽ nhiều bầu neo tại các độ sâu khác nhau (Littlejohn và Truman Davíe 1974; Viện kỹ thuật xây dựng Nam phi 1974) để giảm cường độ ứng suất trên bất kỳ mặt phẳng nào.

Trong trường hợp sau, các neo được lựa chọn sẽ tăng độ sâu 25%50% chiều dài bầu neo.

Để chỉ dẫn, độ sâu của neo có thể được xác định bằng cách dùng các thông số thích hợp trong công thức của bảng 4.4

Trong đó:

 - Độ bền chịu cắt của đá, kN/m2;

St - Hệ số an toàn về phá hoại (trong thực tế dùng giá trị từ 23);

s - Khoảng cách giữa các neo, m;

’ - Góc na sát có hiệu đi qua các chỗ nứt gãy trong khối đá (theo độ);

Kinh nghiệm hiện trường với các neo nghiêng hướng xuống trong đá (Bruce 1976) cho thấy rằng phá hoại chung cùng với bề mặt đè trên không xảy ra đối với tỷ số độ mảnh (h/D) vượt quá 15, ở đây h là độ sâu tính đến đỉnh của bầu neo và D là đường kính của bầu neo. Đối với các neo mảnh (h/D>15) cơ chế phá hoại trong đá có xu hướng cục bộ ở vùng bầu neo.

Bảng 3.4. Độ sâu của neo đảm bảo ổn định chung Loại đá Công thức cho độ sâu Côn

Chú ý

Một neo Tuyến nhiều neo

Đá không đồng nhất 









 44 , 4

w fT S

s T Sf w

83 , 2

Sf 24

Góc đỉnh bằng 900 (giả thiết) Đá nứt nẻ không

theo quy lật 3 2 '

3











tg T Sf w









' 2

stg T Sf w

Đá nứt nẻ bị ngập

không theo quy luật 3   2 '

3









  

 tg

T S

w w f

  







 2'

 stg T S

w w f

4. Thiết kế bầu neo trong đá

a. Sự phân bố của ma sát bên trong đá

Căn cứ vào công trình của Berardi (1967), Coates và Yu (1970) có thể kết

73

luận rằng sự phân bố của lực dính bám được huy động tại giao diện đá/vữa gần như đông nhất, trừ khi đá mềm. Có thể áp dụng không đồng nhất cho phần lớn các loại đá khi Ec/ER<10,ở đây: Ec là mô đun đàn hồi của vữa và ER là mô đun hàn hồi của đá.

Mặc dù có những dấu hiệu cho thấy rằng, giả thiết liên quan đến sự phân bố đều độ dính bám là không hoàn toàn chính xác, nhưng cần lưu ý một số phá hoại đã gặp tại giao diện đá/vữa và những thiết kế mới thường được căn cứ trên các dự án cũ đã hoàn thành tốt đẹp. Điều đó có nghĩa là các giá trị dính bám làm việc trước đây đã được sử dụng lại hoặc sửa đôi chút tuỳ theo sự phán đoán của người thiết kế.

b. Các giá trị ma sát bên trong đá

Trong một số loại đá, đặc biệt dạng hạt, mức độ phong hoá khác nhau có giá trị ’ tương đối thấp, giả thiết ult = 10%fcu, có thể dẫn đến xác định độ bền cắt thấp một cách giả tạo. Trong những trường hợp như vậy, giả thiết ult = từ 20%fcu35%fcu là hợp lý.

Nói chung, do thiếu các nguyên tắc thiết kế thực nghiệm cho nhiều loại đá khác nhau, những giá trị dính bám thường xác định mà không xem xét các số liệu độ bền, phân loại chính xác đá và vữa xi măng.

Mức độ phong hoá của đá là yếu tố quan trọng không chỉ ảnh hưởng đến độ dính bám giới hạn, mà còn đến các đặc trưng tải trọng - biến dạng. Mức độ phong hoá ít khi được định lượng, nhưng để thiết kế trong đá mềm hoặc phong hoá có những dấu hiệu cho thấy rằng, cần sử dụng các thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn. Ví dụ trong đá granit phong hoá ở Nhật Bản (Suzuki và nnk 1972) độ lớn của lực dính bám giới hạn ult(kN/m2) đã được xác định từ biểu thức:

ult = 7N + 120 (3.8) Tương tự biểu thức (2) đã được thiết lập cho đá phấn cứng/rắn (cấp phong hoá I đến III), (Littlejohn 1970):

ult = 10N (3.9) Trong đó N là số nhát đập cho mỗi 0,3m.

Barley (1988) cũng đã cung cấp các số liệu hiện trường trong đá phấn (cấp I