nâng cao hiệu quả gia cố đá của các vì neo ma sát kiểu ống chẻ ks. Đỗ thụy đằng Trờng Đại học Mỏ địa chất Tóm tắt: Các vì neo ma sát kiểu ống chẻ (VNOC) tuy đã có nhiều u điểm, nhng vẫn còn một số nhợc điểm lm hạn chế khả năng lm việc v phạm vi áp dụng chúng. Bi báo ny tìm hiểu một số giải pháp hữu ích góp phần nâng cao hiệu quả gia cố đá v mở rộng phạm vi áp dụng chúng. Summary: Friction anchors in model of split set there are many strong points, but they remain some weak points yet, which restrain capacity for work and sphere of using them. This article search some useful solution for taking part in raising effect of consolidating rock and expanding sphere of using them. i. Đặt vấn đề Trong thực tế, các vì neo ma sát kiểu ống chẻ (VNOC) [1] (hình 1) vẫn cha đợc sử dụng rộng rãi để gia cố đá, đặc biệt vẫn chỉ đợc sử dụng một cách dè dặt trong xây dựng dân dụng [2]. CT 2 Hình 1. Vì neo ma sát kiểu ống chẻ của hãng Ingersholl-Rand[1] Về cấu tạo, chúng là những ống chẻ hở có khe dọc, làm bằng vật liệu có tính đàn hồi cao, với độ cứng cao. Về cấu trúc ở trạng thái làm việc, chúng là những ống hở có lòng rỗng. Về đặc điểm thi công, chúng đợc lắp đặt trong lỗ khoan sẵn có đờng kính nhỏ hơn đờng kính tối đa của ống neo. Về đặc điểm công tác, chúng duy trì sự ổn định của vách lỗ khoan chủ yếu nhờ độ cứng ngang cùng với diện tích và vị trí bề mặt tiếp xúc hợp lý với vách lỗ khoan. nguyên nhân vì sao đến nay VNOC vẫn cha đợc áp dụng rộng rãi, đã đợc nhiều ngời chú ý, tuy nhiên vẫn chỉ dừng ở mức xác định những u nhợc điểm thông thờng và tế đó vẫn cha có những tìm hiểu sâu về biện pháp phát huy những u điểm cơ bản, khắc phục những nhợc điểm có thể khắc phục cho phù hợp với các yêu cầu kinh tế kỹ thuật do thực tiễn đặt ra. Trong phạm vi tìm hiểu ở đây, chúng ta chỉ xem xét những biến đổi khả năng gia cố đá của VNOC theo những ảnh hởng lực học, tạm gác lại những biến đổi khả năng làm việc của chúng theo những ảnh hởng khác. Nếu coi các vì neo sau khi làm việc chung với đá xung quanh, có khả năng duy trì sự ổn định của khối đá đó chỉ nhờ vào khả năng chịu kéo dọc trục của chúng, thì những vì neo nào có diện tích mặt cắt ngang phù hợp với yêu cầu này sẽ là những vì neo tiết kiệm vật liệu. Từ đó chúng ta thấy: Mỗi VNOC bằng thép, thông thờng có khối lợng thép bình quân là 1,8 kg/m - 2,9 kg/m, sẽ có chi phí thép nhỏ hơn không chỉ khi so với mỗi vì neo kiểu nêm đầu bằng thép, thông thờng có khối lợng thép bình quân là 3,9kg/m - 4,8kg/m, mà cả khi so với mỗi vì neo bê tông cốt thép (ở đây bê tông có nghĩa rộng là vật liệu nhân tạo phức hợp nhiều thành phần, trong đó thành phần hoạt tính là 1 hoặc 1 số chất liên kết vô cơ hay hữu cơ nào đó) thông thờng có khối lợng thép bình quân là 2,5 kg/m - 3,9 kg/m. CT 2 VNOC vừa dễ chế tạo, vừa dễ lắp đặt. Cho nên có thể coi VNOC là 1 trong số nhng vì neo tiên tiến. Tuy nhiên, cần chú ý rằng, các vì neo sau khi làm việc chung với đá xung quanh, không chỉ chịu kéo dọc trục của chúng, mà còn chịu uốn và chịu cắt ngang trục của chúng nữa [3]. Các vì neo thép kiểu nêm đầu, ngay khi có chi phí vật liệu (đặc biệt là vật liệu thép) lớn hơn các vì neo bê tông cốt thép lấp đầy toàn phần, nhng vẫn không ngăn đợc chuyển vị ngang tơng đối của đá nứt nẻ trong phạm vi khoảng hở giữa thân neo và lỗ khoan. Cho nên khi so với các vì neo bê tông cốt thép lấp đầy có cùng khả năng chịu kéo dọc trục, khả năng làm việc của các vì neo thép kiểu nêm đầu vẫn kém hiệu quả hơn. So với các vì neo bê tông cốt thép lấp đầy có cùng khả năng chịu kéo dọc trục, trong rất nhiều trờng hợp, khả năng làm việc của các VNOC thông dụng bằng thép vẫn kém hiệu quả hơn; đáng chú là: - Khi vách lỗ khoan kém đều đặn, nhất là khi đá ở đây nứt nẻ không đều và vách lỗ khoan đã bị lở loét. - Khi đá vách lỗ khoan bị nứt nẻ hoặc bị phân lớp có chuyển vị ngang tơng đối, gây cắt và gây bẹp không đều theo chiều dài ống neo. Đặc biệt khi đá xung quanh có chuyển vị ngang thân neo ở vị trí xa đoạn đầu mũi neo, gây bẹp ống neo, làm giảm khe hở dọc thậm chí làm giảm đáng kể đờng kính làm việc của vì neo, đến nỗi cả đoạn đầu mũi neo và 1 phần đoạn thân neo không còn tiếp xúc với vách lỗ khoan, trong một chừng mực nào đó, có thể vì neo vẫn không tuột khỏi lỗ khoan, nhng gần nh đã mất giá trị sử dụng vì không còn làm việc theo yêu cầu đặt ra. Dới đây, chúng ta tìm hiểu biện pháp cải tiến VNOC thờng gặp bằng thép, để giảm chi phí vật liệu, dễ lắp đặt, nhng có khả năng chịu lực ngang cao hơn để hiệu quả công tác của chúng cao hơn, tạo cơ sở mở rộng phạm vi áp dụng chúng lớn hơn. II. Những tìm hiểu cơ bản 2.1. Trong đời sống hàng ngày, chúng ta vẫn bắt gặp nhiều vì neo với các tên thông dụng: đinh, đinh vít Khi bỏ qua ứng lực căng trớc do đóng đinh hoặc vặn vít quá tay, nhiệm vụ cơ bản của chiếc đinh cũng nh đinh vít trên tờng, trên cột để treo đồ vật độc lập (khung tranh, câu đối ) gần nh chỉ là chống cắt ngang; còn nhiệm vụ cơ bản của mỗi chiếc đinh (vít) giữ giá đồ vật trên tờng (hình 2) lại có sự khác nhau: Theo chiều từ trên xuống, nhiệm vụ chống kéo dọc của các đinh giảm dần còn nhiệm vụ chống cắt ngang của các đinh đợc coi nh bằng nhau. Riêng chiếc đinh sát mút dới của khung giá, gần nh chỉ có nhiệm vụ chống cắt ngang. 2.2. Do đặc tính của đá bên mặt lộ có sự thay đổi không giống nhau cả về thành phần vật chất, cũng nh về kiến trúc và cấu tạo (đáng chú ý là về tính lỗ rỗng, tính nứt Hình 2. Sơ đồ các đinh (vít) giữ giá đồ vật trên tờng CT 2 nẻ và tính phân lớp), cho nên ngay cả khi đá nóc làm việc nh dầm chịu uốn (hình 3) cũng không thể bỏ qua sự biến dạng bất thờng của mặt cắt ngang (vuông góc với các thớ lớp) cùng với sự trợt tơng đối bất thờng giữa các thớ lớp với nhau. Nói khác đi, giả thuyết mặt cắt phẳng (giả thuyết Becnuli) và giả thuyết các thớ dọc không đẩy - ép nhau khi nghiên cứu biến dạng của dầm chịu uốn thuần túy trong lý thuyết sức bền vật liệu [5], cần phải hạn chế áp dụng vào đây. Hình 3. Sơ đồ bố trí vì neo gia cố đá nóc [2], [4] & [6] a - Tạo dầm đá b - Tạo vòm đá Tiếc rằng, đến nay mọi thiết kế vì neo không những cha đề cập đến hớng điều chỉnh các giả thuyết này, mà còn cha đề cập đến ảnh hởng của các thành phần tải trọng không dọc trục vì neo. Khi nghiên cứu trờng ứng suất trong đá xung quanh mặt lộ, chúng ta thấy: chỉ có 1 số rất ít phân tố đá ở những vị trí đặc biệt là chỉ chịu trạng thái ứng suất đơn trục, còn hầu nh mọi phân tố đá đều phải chịu trạng thái ứng suất phức tạp. trờng hợp vì neo chỉ chịu khi kéo dọc có thể xảy ra khi vì neo làm việc theo nguyên lý treo bị bố trí vuông góc với mặt lộ đá đang chịu uốn bởi mômen cực trị gây căng mặt lộ đó. Vì thế, muốn thi công đợc vì neo này phải chống giữ sơ bộ cho mặt lộ tại đây; nhằm đề phòng chính quá trình khoan lỗ neo làm cho ứng suất trong đá xung quanh tăng đột biến, dẫn đến phá huỷ dòn bất thờng cho chúng và gây ra tai nạn đáng tiếc [7]. Để khi thi công vì neo khỏi phải chống giữ sơ bộ mặt lộ bằng kết cấu khác, hoặc là không nên bố trí vì neo tại vị trí đặc biệt đó, hoặc là chỉ tiến hành thi công vì neo tại vị trí đặc biệt đó, sau khi đã thi công và đa vào sử dụng các vì neo lân cận đủ khả năng ngăn cản sự xuất hiện của mômen uốn cực trị nguy hiểm. Việc tính vì neo chỉ theo điều kiện chịu kéo dọc đơng nhiên là cha hợp lý với hầu hết các vì neo thực tế. Các vì neo gia cố đá trong thực tế khó tránh khỏi các tải trọng gây uốn và cắt ngang chúng. Nói khác đi, để các vì neo làm việc có hiệu quả, chúng phải có khả năng mang tải phức tạp: vừa chịu lực kéo, vừa chịu uốn và cắt ngang [3]. Nh vậy các VNOC nói riêng, các vì neo ống rỗng nói chung, muốn có khả năng làm việc tốt nh các vì neo đặc có khả năng chịu kéo dọc tơng tự, cần phải có độ cứng chống biến dạng ngang (đặc biệt là chống bẹp ngang) hợp lý; đây là yêu cầu khó thực hiện khi chúng vẫn trong tình trạng rỗng lòng; vì thế ngời sử dụng thờng kém tin tởng vào chúng và thờng chỉ áp dụng chúng một cách dè dặt trong một phạm vi hẹp. CT 2 2.3 Chất lợng công tác của các VNOC phụ thuộc rất nhiều vào các thông số sau diện tiếp xúc cùng với vị trí tác dụng của lực uốn và cắt ngang. Thế mà các thông số này lại phụ thuộc vào: độ lệch tâm của cả ống neo và vách lỗ khoan; độ cứng chống bẹp của ống neo; cùng với tính nứt nẻ và cấu trúc của đá. Một mặt độ sai lệch bán kính và trục dọc của cả lỗ khoan và mặt ngoài của ống neo nói chung là rất khác nhau; mặt khác các VNOC thờng phải có độ cứng chống bẹp ống và độ cứng chống chèn dập đủ lớn; cho nên khả năng tạo cho mặt ngoài của vì neo tiếp xúc với vách lỗ khoan một cách trực tiếp và đầy đủ, cũng nh tiếp xúc theo yêu cầu là không thể thực hiện đợc. 2.4 Các VNOC thờng gặp bằng thép, mặc dù đã c chế tạo bằng thép chất lợng cao, có tính đàn hồi lớn, nhng nếu chiều dày không đủ độ lớn, để có độ cứng chống bẹp đủ lớn, vẫn khó chống lại ảnh hởng của lực gây uốn ngang và cắt ngang, khi các khối đá nứt nẻ xô trợt tơng đối mạnh ngang thân vì neo; cho nên việc chế tạo chúng cũng không dễ dàng và đơn giá mỗi vì neo này cũng không rẻ. 2.5 Các VNOC không có khả năng mang dự lực căng dọc cần thiết. 2.6 Nhận xét sơ bộ về các vì neo ma sát kiểu ống phồng bằng thép, chúng ta thấy chúng có 1 số u điểm lớn khắc phục c 1 số nhợc điểm quan trọng của các VNOC nh: - Đảm bảo sự tiếp xúc trực tiếp và đầy đủ giữa mặt ngoài vì neo với vách lỗ khoan. - Quá trình làm phồng ống neo cũng chính là quá trình gây co rút chiều dài chung của ống neo và tạo ra dự lực căng dọc lớn đáng kể để tăng khả năng ổn định cho đá xung quanh. Nhng, chúng lại mắc 1 số nhợc điểm, đáng kể nh: - Thông thờng, các vì neo ma sát kiểu ống phồng bằng thép phải có khối lợng thép bình quân [2] là 2,0 kg/m - 4,0 kg/m. - Sau khi căng phồng và tiếp xúc trực tiếp với toàn vách lỗ khoan, cả độ ngoằn ngoèo, lồi lõm, cùng với khả năng chống uốn và chống bẹp ngang của các vì neo này, khi chịu ảnh hởng xấu của sự biến dạng ngang lỗ khoan, đều có thể trở thành không kiểm soát nổi. Rất có thể một số điểm lõm của ống neo lại phải nhận nhng lực xô trợt tơng đối mạnh của các khối đá nứt nẻ bên ngoài, dẫn đến sự mất khả năng làm việc chung của vì neo. Và chính nhng vì neo bị mất khả năng làm việc chung này làm cho khối đá xung quanh tiềm ẩn nhng nguy cơ mất ổn định bất thờng. 2.7 Cả loại VNOC bằng thép và loại vì neo ma sát kiểu ống phồng bằng thép đều có chung nhợc điểm lớn là khi ống neo bị bẹp ngang thân , gây mất tiếp xúc với đá xung quanh ở đoạn đầu mũi neo và 1 phần thân neo, chúng đều mất khả năng làm việc cần thiết; cho nên đều đòi hỏi phải có sự cải tiến hữu ích. CT 2 III. Một số giải pháp hữu ích với VNOC 3.1 Để tạo thuận lợi cho việc lắp đặt các VNOC bằng thép, cần áp dụng biện pháp tạm khép chặt khe hở dọc [8] ngang trong quá trình chế tạo. 3.2 Khi đ áp dụng biện pháp tạm khép chặt khe hở dọc, không cần tạo mặt nón cho mũi neo để giảm khó khăn không cần thiết cho công tác chế tạo neo. 3.3 Để có thể tăng khả năng chống bẹp và khả năng tạo hệ lực tơng tác phân bố theo mặt ngoài của neo, tốt nhất là phối hợp đặc tính của các VNOC với các vì neo dính kết và với các vì neo đặc. Cụ thể là: - Phải dùng chất dính kết có tính lu động thích hợp để lấp đầy và tạo lực dính kết tại các khoảng trống giữa vách lỗ khoan với mặt ngoài của vì neo. - Phải nhồi chặt lòng vì neo bằng vật liệu rắn. Trong đó đáng chú ý nhất là không gian trống bên ngoài và bên trong lòng đoạn đầu mũi vì neo phải càng đặc càng tốt; đảm bảo dù có biến dạng thu nhỏ tiết diện ngang thân thì vì neo vẫn bám dính với lỗ khoan và làm việc đợc bình thờng. Để đạt đợc các yêu cầu này, đơn giản nhất là sử dụng bê tông. Tuỳ theo đặc tính của đá xung quanh và mục tiêu sử dụng vì neo (về nguyên lý làm việc, về thời gian tồn tại ) mà chọn chất lợng và số lợng bê tông cho phù hợp. Thêm vào đó, để đảm bảo khả năng dính kết của đoạn đầu mũi neo với đáy lỗ khoan; đoạn ống này, không những phải có đờng kính chung và khe hở chung, mà còn phải có thêm các lỗ ngang để 1 lợng nhỏ chất liên kết, trong quá trình nhồi lèn, có thể trào ra tăng cờng dính kết đoạn đầu mũi neo với đáy lỗ khoan. 3.4 Khi đ dự kiến áp dụng giải pháp nhồi chặt lòng VNOC bằng bê tông, lực đàn hồi của ống neo chỉ còn sử dụng để tạo ra lực ma sát với thành lỗ khoan đáp ứng khả năng làm việc sơ bộ cho vì neo; vì thế có thể giảm chi phí thép làm ống neo đến mức chất lợng thép và tiết diện ngang của ống vừa phù hợp với yêu cầu tạo lực đàn hồi đó, vừa phù hợp với yêu cầu chịu kéo đứt và cắt ngang đã đặt ra. ý 3.5 Để phù hợp với yêu cầu sử dụng và yêu cầu thi công cần chú + Các vì neo dốc lên với độ dốc lớn (bê tông ớt trong ống có thể tự trôi trợt ra ngoài), nên truyền lực đầm nhồi bê tông thông qua nút đàn hồi, để khi rút mũi đầu ra, bê tông không bị trôi trợt ra ngoài. + Mọi đoạn đầu mũi của các VNOC đều nên nhồi bê tông giàu thậm chí có thêm phụ gia nở thể tích. + Khi vách lỗ khoan tơng đối nhẵn nhụi, rất ít nứt nẻ và khe nứt rất nhỏ, khả năng biến dạng và chuyển vị ngang lỗ khoan của đá ở đây là không đáng kể, lòng đoạn thân ống neo có thể để rỗng, nhng tốt nhất là nhồi chặt bằng hỗn hợp cốt liệu trơ rắn cứng theo cấp phối đặc chắc, cùng với nút chặn cố định. CT 2 + Khi vách lỗ khoan kém nhẵn nhụi, có nhiều khe nứt ngang hoặc đã bị lở loét; dự đoán ống neo có thể bị tác dụng của nhng tải trọng ngang tập trung (hoặc theo dạng tĩnh lực hoặc theo dạng xung lực), lòng đoạn thân ống neo cần đợc nhồi chặt bằng bê tông có hàm lợng chất dính kết tơng ứng đồng biến với khả năng biến dạng và chuyển vị ngang lỗ khoan của đá ở đây. IV. Kết luận Các vì neo ma sát kiểu ống chẻ (VNOC) tuy đã có nhiều u điểm, đặc biệt là: dễ lắp đặt và lắp đặt xong là tham gia gia cố đá ngay; nhng vẫn còn một số nhợc điểm làm hạn chế khả năng làm việc và phạm vi áp dụng chúng. Chúng ta đã tìm hiểu một số giải pháp hữu ích, trên cơ sở sử dụng 1 số lợng nhỏ vật t thông dụng, rẻ tiền; cùng với một số công nghệ chế tạo và thi công đơn giản, an toàn; nhằm chuyển đổi các VNOC truyền thống trở thành các vì neo mới vừa có đặc tính ma sát bình thờng, vừa có đặc tính liên kết và đặc tính khối đặc cần thiết, góp phần nâng cao độ an toàn và tính hiệu quả gia cố đá, từ đó tạo cơ sở cho việc mở rộng phạm vi áp dụng chúng: - Giải pháp tạo thuận lợi cho việc đa VNOC vào lỗ khoan [8]. - Giải pháp tăng diện tơng tác giữa VNOC và vách lỗ khoan. - Giải pháp tăng khả năng bám dính của đoạn đầu mũi neo, cho phép chúng có thể làm việc theo nguyên lý treo trong trạng thái chịu kéo dọc một cách an toàn. - Giải pháp tăng khả năng truyền tải ngang, chống bẹp, đảm bảo khả năng tơng tác với vách lỗ khoan theo toàn chiều dài vì neo và tạo cơ sở cho việc giảm chi phí thép làm ống neo. Cần nhắc lại rằng: Khi muốn lắp đặt vì neo, đặc biệt là VNOC tại nhng vị trí đá đang có ứng suất kéo nguy hiểm theo các phơng ngang lỗ neo, phải có biện pháp đề phòng sự cố: gia cờng sơ bộ cho đá bằng kết cấu hỗ trợ tạm thời; gia cờng sơ bộ cho đá bằng các vì neo lân cận. Tránh làm mất vật chất và liên kết của đá tại những vị trí đó khi cha có gia cờng sơ bộ, đề phòng khả năng làm xuất hiện trạng thái ứng suất kéo phá huỷ. Bởi vì chính quá trình tạo lỗ neo để lắp đặt chúng là quá trình làm mất vật chất và liên kết của đá, có thể làm xuất hiện trạng thái ứng suất kéo phá huỷ trong đá xung quanh, trong khi các VNOC cũng nh hầu hết các vì neo khác, đều không có khả năng chủ động gây kéo ngợc đá vách lỗ neo theo các chiều hớng về phía tâm và trong các mặt phẳng ngang trục lỗ neo đó [7]. Khi đá vách lỗ neo chịu trạng thái ứng suất kéo theo các hớng ly tâm và trong các mặt phẳng ngang trục lỗ neo đó; chính lực giãn ngang của VNOC lại làm tăng ứng suất kéo đó lên và có thể vợt ngỡng nguy hiểm. CT 2 Tài liệu tham khảo [1]. Tunnel et ouvrages souterrains - N 0 129 - Paris - 5+6/1995 [2]. B. Stillborg. Professional users handbook for rock bolting - Bản dịch chữ Việt - Đỗ Ngọc Anh - Sổ tay ngời sử dụng neo gia cố công trình - Đà Nẵng - 2002. [3]. Nguyễn Văn Phơng. Về việc sử dụng vì neo gia cờng khi xét tới tác động của lực cắt - Thông tin khoa học công nghệ mỏ - Viện Khoa học công nghệ mỏ Hà Nội - 2+3/2005. [4]. V.P. Volkov & đr - Tonneli i metropoliten - NXB. Transport - Moxkva - 1964 (tiếng Nga); [5]. Nguyễn Y Tô (chủ biên). Sức bền vật liệu - Tập 1 - NXB. Đại học và trung học chuyên nghiệp- Hà Nội - 1967. [6]. R. Schach; K. Garshol & A.M.Heltzen. Rock bolting - A practical handbook - Norwegian institute of rock blasting techniques - 1979. [7]. Đỗ Thụy Đằng. Những vị trí mặt lộ của khối đá cần hạn chế bố trí vì neo - T/c Ngời xây dựng - Hà Nội - 10/2006. [8]. Đỗ Thụy Đằng. Để giảm bớt thi gian lắp đặt các neo ống hở khi đi gơng công trình ngầm - T/c Ngời xây dựng - 12/2003 . nâng cao hiệu quả gia cố đá của các vì neo ma sát kiểu ống chẻ ks. Đỗ thụy đằng Trờng Đại học Mỏ địa chất Tóm tắt: Các vì neo ma sát kiểu ống chẻ (VNOC) tuy đã có. tế, các vì neo ma sát kiểu ống chẻ (VNOC) [1] (hình 1) vẫn cha đợc sử dụng rộng rãi để gia cố đá, đặc biệt vẫn chỉ đợc sử dụng một cách dè dặt trong xây dựng dân dụng [2]. CT 2 Hình 1. Vì neo. neo thực tế. Các vì neo gia cố đá trong thực tế khó tránh khỏi các tải trọng gây uốn và cắt ngang chúng. Nói khác đi, để các vì neo làm việc có hiệu quả, chúng phải có khả năng mang tải phức