CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHỐNG GIỮ CÁC ĐƯỜNG LÒ XUYÊN VỈA
3.2 Phân tích tính toán k ết cấu chống bằng neo, kết hợp lưới thép, bê tô ng
3.2.2 Các phương pháp thiết kế neo
3.2.2.1 Phương pháp giải tích
Phương pháp cổ nhất, đơn giản nhất và được sử dụng khá rộng rãi để thiết kế neo là phương pháp giải tích, thiết kế theo nguyên lý treo chốt và nguyên lý tạo thành kết cấu nhận tải có chú ý đến tự trọng của khối đá phân lớp mỏng, vùng khối đá bị phân hủy, sự hình thành áp lực chủ động hoặc bị động[12].
Tùy thuộc sự xuất hiện các vùng phá hủy hoặc sự xuất hiện các lớp đá kém ổn định mà neo được lắp dựng mang tính đơn lẻ, cục bộ hay mang tính hệ thống và từ đó cũng hình thành các sơ đồ tính neo cục bộ hay neo hệ thống.
a. Tính neo theo nguyên lý treo, chốt
Theo nguyên lý treo chốt, hệ thống neo phía nóc hầm được thiết kế phải thỏa mãn các yêu cầu chung sau:
• Khả năng nhận tải của hệ thống neo đá vách, SB, cần phải lớn hơn trọng lượng W của các lớp đá vách tơi rời được neo chốt (12):
(3.2)
• Các lực neo chốt AF của hệ neo phải lớn hơn trọng lượng của lớp đá vách tơi rời được neo (12): (3.3)
• Việc tính toán phải gắn với hệ số an toàn SF, cụ thể (12):
(3.4)
• Số lượng neo n tính trên một mét vuông neo/m2, cần thiết để chống giữ một lớp đá có chiều dày t, được xác định bởi (12): n = SF (3.5) Trong đó:
SF: Hệ số an toàn;
ρ: Khối lượng thể tích trung bình của các lớp đất đá được neo;
g: Gia tốc trọng trường;
Pf: Khả năng nhận tải của neo.
Trên cơ sở cơ chế chung này các cách tính khác nhau được phát triển tùy thuộc sơ đồ treo chốt cụ thể. Phương pháp treo chốt được coi là thích hợp cho môi trường có ứng suất thấp. Tuy nhiên các lực tác dụng theo phương nằm ngang cũng có thể làm tăng tải trọng tác dụng lên neo [12] cho thấy rằng tải trọng đó được tác dụng vào neo thường gấp 2 lần tự trọng trong thiết kế.
Trên hình 3.11 là ví dụ về khả năng xuất hiện khối nêm có thể trượt hay rơi vào khoảng trống, cũng như phía nóc hầm (nóc phẳng) có các lớp mềm yếu, kết cấu neo tại một phạm vi hẹp được coi là neo cục bộ.
Hình 3.11 Ví dụ các dạng phá hủy và sơ đồ cắm neo
Khi trong khối xung quanh công trình ngầm xuất hiện vùng phá hủy khép kín ngoài phần khối đá có thể sập trượt phía nóc, vùng đá bị phá hủy bên sườn có thể trượt lở, thì vùng đá bị phá hủy phía nền cũng có thể bị đùn vào khoảng trống. Khi đó phải sử dụng neo hệ thống như trên sơ đồ hình 3.12.
Hình 3.12 Ví dụ sơ đồ tính cho toàn bộ hệ thống neo b. Tính neo theo lý thuyết dầm và vòm mang tải
Nguyên lý dầm và vòm chịu tải cũng được sử dụng để thiết kế hệ thống neo cho nóc lò [12], đặc biệt là khi nóc lò có dạm vòm. Với mô hình dầm mang tải, các tham số chi phối biểu hiện của dầm chịu tải trọng (cũng như trọng lượng của vùng đá bị phá hủy) theo mô hình dầm ngàm chặt hai đầu, được xác định như sau (12):
• Ứng suất uốn lớn nhất (MPa) u-max = ρ.g.B2/(2.t) (3.6)
• Ứng suất cắt lớn nhất (MPa) c-max = 3.ρ.g.B/4 (3.7)
• Độ võng lớn nhất v = .ρ.g.B4/(32.E.t2) (3.8) Trong đó: B: Khẩu độ của nóc hầm (chiều rộng đường hầm),m;
t: Chiều dày của lớp đá vách được kết nối lại, m;
ρ: Khối lượng thể tích trung bình của lớp đá, kg/m3; g: Gia tốc trọng trường, m/s2;
E: Mô đun đàn hồi, MPa.
Xuất phát từ nhiều trường hợp trong thực tế là kết cấu dầm nhận tải bao hàm cả hai hiệu ứng là vừa làm tăng ma sát của vùng đá được neo, vừa có tác dụng treo chốt Panek [12] đã xây dựng các biểu thức tính toán chi tiết cho trường hợp khối đá phân lớp, đường hầm có nóc phẳng. Trên cơ sở các quy luật toán học nhận được đã xây dựng toán đồ đơn giản như trên hình 3.13, cho phép lựa chọn các thông số của kết cấu neo một cách thuận lợi.
Với giả thiết neo có khả năng tăng khả năng chống cắt, chống trượt vùng đá được neo bằng neo cơ học đầu nở và neo dính kết, Lang (1959, 1961) [12] đã xây dựng mô hình tính neo với giả thiết về sự hình thành vòm nhận tải.
Nói chung các biểu thức tính toán theo nguyên lý hình thành kết cấu nhận tải được nêu trong tài liệu còn khá tóm lược, không cho hết thấy được những giả thiết, giả định rõ ràng khi xây dựng các công thức tính, đặc biệt là về khả năng nhận tải của kết cấu nhận tải sau khi neo. Vì vậy việc áp dụng không đơn giản.
Hình 3.13 Toán đồ phân tích hiệu ứng dầm nhận tải theo Panek [13]