CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NEO TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THANH CỐT NEO
1.1. NEO CHỐNG GIỮ CÔNG TRÌNH NGẦM
1.1.1. Tình hình nghiên cứu và sử dụng neo trên thế giới
Neo đã có từ cuối thế kỷ XIX và trong 5 thập kỷ gần đây đã được sử dụng rất rộng rãi trong công tác chống giữ các công trình ngầm trên thế giới.
Hàng năm tại Liên Xô (cũ) đã chống giữ khoảng 500 km đường lò đá bằng neo. Tại Mỹ hàng năm đưa vào sử dụng khoảng 20 triệu chiếc neo chất dẻo cốt thép, Tây Đức khoảng 1,5 triệu chiếc và neo cũng được sử dụng rộng rãi ở một số nước khác như Ba Lan, Pháp, Trung Quốc và Nhật Bản [1]… Trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm và địa kỹ thuật, kết cấu neo đã và đang là phương pháp cơ bản trong việc gia cố, chống giữ ổn định khối đất đá [8].
Cùng với nhu cầu sử dụng ngày càng nhiều kết cấu chống giữ bằng neo. Cho đến nay trên thế giới đã có hàng trăm loại neo ra đời, trong đó có neo polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh và đã được ứng dụng thành công. Hình 1.1 giới thiệu một số thanh cốt neo của nước ngoài.
Neo thanh Waidman Neo chùm Waidman NeoTrung Quốc
Neo Minova Neo Liên Xô (cũ)
Hình 1.1. Neo polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh của một số hãng trên thế giới chào hàng tại Việt Nam [119], [120], [138], [139], [140], [141].
Tại hình 1.1 thanh neo cốt sợi thuỷ tinh do hãng Waidman-Thuỵ sĩ đã được nghiên cứu và sử dụng để chống giữ công trình ngầm nhiều nơi trên thế giới với nhiều loại hình khác nhau như thanh đơn đặc, thanh đơn rỗng để bơm phun, neo chùm và phạm vi sử dụng cũng rất đa dạng [138], [139]. Cũng là neo polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh kết dính thông thường, nhưng có hình dạng, kết cấu khác và đã được sử dụng rộng rãi và phổ biến ở Liên Xô cũ đó là neo sợi thuỷ tinh thanh thẳng có quấn dây thép ở đầu, bện xoắn hoặc nêm chẻ [119], [120]. Ngoài ra, còn có các dạng thanh neo cốt sợi thuỷ tinh khác như của Trung Quốc hay của hãng Minova [140], [141].
Trong thực tế khi sử dụng neo, người ta cố gắng lắp đặt neo càng sớm càng tốt ngay sau khi khai đào công trình ngầm. Hiện nay, phương pháp đào hầm mới của NATM-Áo (New Austrian Tunnelling Method) đang được sử dung rất rộng rãi khi thi công xây dựng công trình ngầm, trong đó neo kết hợp với bê tông phun (BTP) tạo thành kết cấu chống tạm được thi công ngay sau mỗi chu kỳ khoan nổ mìn và xúc bốc đất đá. Cũng bằng phương pháp này, khi đào trong đất đá mềm yếu người ta tiến hành gia cố gương (cược gương) bằng các thanh neo polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh, ngay sau mỗi chu kỳ khoan nổ mìn.
Trên thế giới, khi lựa chọn loại neo sử dụng để chống giữ cho công trình ngầm, ngoài việc quan tâm tới đặc tính làm việc của neongười ta thường rất chú ý tới các yếu tố khác như: điều kiện địa cơ học khối đá, mục đích sử
dụng neo (neo cố định, tạm hay kết hợp với vỏ chống khác...) có ảnh hưởng tới khả năng mang tải cũng như tuổi thọ làm việc của neo. Dựa vào cấu tạo và tính năng kỹ thuật của mỗi loại neo, Stillborg [91] đã nêu kiến nghị về phạm vi áp dụng cho từng loại neo theo những điều kiện khác nhau.
Để phân loại neo, người ta dựa vào tính năng kỹ thuật; khả năng mang tải; vật liệu làm neo như: gỗ, thép, polyme-compozit, hoặc cấu tạo neo như dạng: ống, thanh, sợi và nguyên lý liên kết làm việc như: liên kết cơ học, liên kết dính kết và liên kết hỗn hợp, như sơ đồ phân loại hình 1.2.
Hình 1.2. Sơ đồ phân loại neo theo nguyên lý liên kết [18]
Trong quá trình sử dụng người ta rút ra một số nét khác nhau chủ yếu về đặc tính làm việc của mỗi loại neo như sau [13]:
- Đối với neo cơ học, biến dạng là không đổi dọc theo toàn bộ chiều dài tự do của neo. Có nghĩa là, bất kì sự dịch chuyển nào của đá giữa 2 điểm đầu và đuôi neo cũng được phân bố đều trên toàn bộ chiều dài thân neo.
- Đối với neo dính kết, biến dạng của khối đá và neo không thể tách rời nhau. Tải trọng được phân bố xung quanh neo vào khoảng xấp xỉ 5÷20 lần đường kính thanh neo.
- Đối với neo cơ học, cũng giống như neo dính kết ở chỗ biến dạng giữa neo và khối đá không thể tách rời ở mức độ tải trọng giới hạn cho phép nào đó, khi tải trọng tác dụng vượt quá 50% giới hạn bền cho phép thì neo
Các loại neo phổ biến
ống chẻ bắt đầu trượt, còn neo ống phồng chỉ trượt khi tải trọng tác dụng gần bằng giới hạn bền cho phép.
Từ những kết quả nghiên cứu ứng dụng trên thế giới cho thấy thanh cốt neo được làm từ vật liệu polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh có độ bền kéo tương đương thép, nhưng khắc phục được một số nhược điểm của thép như độ bền cắt thấp hơn, chính yếu tố này tạo điều kiện thuận lợi khi nổ mìn tiến gương, hoặc tổ hợp máy đào, máy khấu than cần tiến qua, đồng thời lại bền trong môi trường vi khí hậu nóng ẩm và trọng lượng bằng 1/4 trọng lượng của thép, cuối cùng là tính phù hợp về kích thước trong thi công của thanh cốt neo polyme-compozit tốt hơn thanh cốt neo thép rất nhiều. Như vây, có thể thấy rằng thanh cốt neo polyme-compozit cốt sợi thủy tinh có thể thay thế và khắc phục được một số nhược điểm của neo thép có cùng mục đích sử dụng [120].