Xác định các thông số nổ mìn để làm chặt đất Trong xây dựng nguyễn xuân mn Phạm Thanh tiến bùi văn tuấn Viện Cơ học ứng dụng nguyễn xuân Tùng Trờng Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Xây dựng công trình trên nền đất yếu đòi hỏi phải gia cờng, cải tạo để nâng cao các chỉ tiêu cơ - lý theo hớng có lợi, nhằm tăng ổn định cho công trình. Phơng pháp tăng dung trọng của đất bằng nổ mìn nén ép kết hợp với phun dung dịch lấp khoảng trống sau nổ trong khối đất đợc đề trong bi viết ny đã đa ra cách xác định các thông số nổ mìn trong cải tạo đất. Summary: Constructions built on weak soil require consolidation and rehabilitation to raise the mechaphysical norms of soil for stabilization enhancement of the constructions. The method of increasing soil weight by wedged mine explosion together with filling the hole after explosion with solution is mentioned in this article. The method of defining parameters of mine explosion in soil improvement is also proposed. CT 2 1. Đặt vấn đề Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng đất có cùng thành phần hạt, thành phần khoáng vật nếu có độ rỗng nhỏ thì dung trọng tăng lên và độ chặt cũng đợc cải thiện. Làm tăng độ chặt của đất đợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực xây dựng: giao thông, thuỷ lợi, xây dựng ngầm, xây dựng dân dụng và công nghiệp. Khi đợc làm chặt thì các chỉ tiêu về độ bền của đất tăng, khả năng bị biến dạng và tính thấm nớc giảm và do đó tính ổn định của công trình xây dựng đợc cải thiện [1]. Trên cơ sở các số liệu thực tế đã cho phép xây dựng tơng quan giữa dung trọng, độ bền của đất với độ rỗng [2]: n = no (1 - b) 2 , b > 0 (1) trong đó: = o (1 - n); n - độ bền nén của đất ứng với dung trọng ; no - độ bền nén của đất ứng với trờng hợp độ rỗng n = 0; o - dung trọng của đất ứng với n = 0, tức là dung trọng riêng của đất; n - độ rỗng của đất. Nh vậy, nếu bằng cách nào đó ta làm cho độ rỗng của đất giảm đi thì chỉ tiêu bền sẽ tăng lên. Chỉ tiêu bền chống cắt của đất cũng tuân theo quy luật trên. Hiện nay ngời ta áp dụng các phơng pháp làm chặt đất sau đây: + Làm chặt bằng phơng pháp đầm cơ học (đầm rơi). + Làm chặt bằng xe lu (đầm lăn) + Làm chặt bằng đầm rung + Nén trớc bằng tĩnh tải. Trong bài viết này trình bày phơng pháp làm chặt đất bằng nổ mìn ép đất tạo khoảng rỗng và sau đó bơm phụt dung dịch vữa vào khoảng rỗng. 2. Mối quan hệ giữa độ chặt với hệ số độ rỗng Độ chặt của đất (D) đợc đánh giá qua chỉ tiêu hệ số rỗng e (e = n/(1 n)), xác định bởi công thức [1]: D = (e max - e)/ (e max - e min ) (2) trong đó: e max và e min - hệ số rỗng cực đại và cực tiểu của đất; e - hệ số rỗng của đất. CT 2 Độ chặt của đất là hàm của nhiều yếu tố: D = f( k ) = f(w, T kv , T hat , t 0 , A, P tđ , ) (3) trong đó: w - độ ẩm của đất; T kv - thành phần khoáng vật của đất; T hat - thành phần hạt của đất; t 0 - nhiệt độ của đất; A - công làm chặt đất; P tđ - phơng thức mà tải trọng tác động vào đất. Bằng thực nghiệm đã xác định rằng khi độ ẩm của đất trong khoảng w = 12% đến 14% thì độ nén chặt đạt giá trị cực đại. Khi đầm nén thì công tối u làm đất có độ chặt lớn nhất là: A 12 kG.m = 120 N.m. Đất có thành phần hạt đồng nhất khó làm chặt và tốn nhiều công. Đất chứa các hạt sét nhiều cũng khó làm chặt. Đất càng có mức độ không đồng nhất về cỡ hạt thì càng dễ làm chặt. Đất có thành phần khoáng vật có khả năng chứa nớc sẽ khó làm chặt và quá trình sẽ kéo dài để cố kết đất. Tải tĩnh làm đất chứa sét dễ chặt hơn tải động. Ngợc lại tải động làm đất rời dễ chặt hơn. Nhiệt độ của đất cao sẽ làm tăng quá trình làm chặt đất. 3. Lm chặt đất bằng nổ mìn ép Phơng pháp này đặc biệt hiệu quả khi gia cố đất yếu dạng dính và dẻo. Bản chất của phơng pháp này là: dùng năng lợng thuốc nổ để nén ép đất lại làm tăng độ chặt của đất. Độ chặt của đất tăng do có sự sắp xếp lại cấu trúc và thế nằm của đất nhờ năng lợng nổ. Phần không gian rỗng trong khối đất sau nổ đợc lấp đầy bằng cát hay vật liệu khác làm tăng quá trình cố kết của đất dính. Kết quả là sức chịu tải của đất tăng lên. Muốn đạt đợc độ chặt cần thiết ta phải thiết kế nổ mìn cho điều kiện cụ thể của đất với các thông số ban đầu đã biết. Giả thiết đất có: + Độ rỗng ban đầu là: n 0 = V 0 r/ V = V 0 r/ (V 0 r + V h ) + Hệ số rỗng ban đầu là: e 0 = V 0 r/ V h ; + Tơng ứng là độ chặt ban đầu: D 0 a. Xác định thể tích của toàn bộ không gian rỗng trong một khối đất cần làm chặt do nổ Để đạt đợc độ chặt cần thiết D CT thì giá trị hệ số rỗng cần thiết sẽ là: e ct Ta có: D CT = (e max - (V ct r/ V h ))/(e max - e min ); (4) D 0 = (e max - (V 0 r/ V h ))/(e max - e min ); (5) V ct r = V h [ e max - e D CT ] V 0 r = V h [ e max - e D 0 ] CT 2 e = (e max - e min ) với một loại đất nhất định thì e là không đổi; e max - tơng ứng với đất có độ chặt lớn nhất; e min - tơng ứng với đất có độ chặt nhỏ nhất; Suy ra: V = V ct r - V c r = - V h e (D CT - D 0 ) = V h e (D 0 D CT ) (6) Nh vậy để có đợc độ chặt cần thiết D CT thì cần tạo nên một khoang rỗng trong khối đất với thể tích đúng bằng chênh lệch thể tích rỗng ban đầu ứng với D 0 và thể tích rỗng ứng với D CT. theo công thức (6). b. Tính toán lợng nổ Để tạo ra thể tích khoang rỗng V cần phải nổ một lợng nổ là: M = k 1 k 2 V. 10 2 /A, kg (7) trong đó: k 1 - hệ số hiệu quả sử dụng khả năng công nổ; k 2 - tỷ số giữa khả năng sinh công của thuốc nổ sử dụng so với thuốc nổ chuẩn thử nghiệm; A - khả năng sinh công của thuốc nổ chuẩn tính bằng cm 3 /10 gam thuốc nổ (giá trị này cho sẵn trong các bảng sử dụng thuốc nổ công nghiệp); Lợng thuốc nổ cho một lỗ khoan để nổ là: m = M/N; N - số lợng lỗ khoan cần thiết, xác định theo kích thớc vùng gia cố với mật độ trung bình là: s = (3 - 4) m 2 /1 lỗ khoan c. Ví dụ tính Giả thiết cho thể tích vùng cần gia cố là: V = 1500 m 3 ; Kích thớc của vùng cần gia cố: a x b = (15 x 20) m 2 Độ lỗ rỗng ban đầu của đất là: n 0 = 0,2; e mãx = 0,5; e min = 0,1; e = e mãx - e min = 0,5 - 0,1 = 0,4; Từ đó suy ra hệ số rỗng: e 0 = n 0 /(1 - n 0 ) = 0,2/(1 - 0,2) = 0,25; V h = (1- n 0 )V = 0,8 V Độ chặt ban đầu là: D 0 = (e mãx - e 0 )/(e mãx - e min ) = (0.5 - 0.25)/0.4 = 0,625; Độ chặt cần thiết đợc lấy bằng: D CT = 0,925; Tổng thể tích khoảng rỗng do nổ tạo ra là: V = V h e (D c - D 0 ) = 0,8 V. 0,4. 0,3 = 0, 096V = 0,1V V = 0,1x 1500 m 3 = 150 m 3 Xác định các thông số nổ: + Dùng thuốc nổ Amonit số 6JB có: A = 320 cm 2 ; k 1 = 0,85; k 2 = 1,2 CT 2 + Tính M = 1,2 .0,85 10 2 .150/320 = 47,8 kg. Lấy M = 50 kg. + Số lỗ khoan cần thiết là: N = F/ s =(15 x 20) m 2 /4m 2 /lỗ = 75 lỗ . + Số lợng các lỗ khoan đờng biên: N b = Chu vi/2 m/lỗ = 70/2 = 35 lỗ. + Số lợng các lỗ khoan hàng bên trong: 75 - 35 = 40 lỗ. + Chiều sâụ trung bình một lỗ khoan: L kh = 0,6H tb = 0.6.V/F = 0,6.1500 m 3 /300 m 2 = 0,6.5 = 3.0 m + Tổng số mét khoan: L tong = 50.3.0 = 150 m + Lợng thuốc nạp trung bình cho một lỗ khoan bên trong (lợng thuốc cho lỗ khoan biên lấy bằng 0.8 lợng thuốc trong các lỗ khoan bên trong): q tbtrong = M/ (40 + 35.0.8) = 50/68 = 0.735 kg/lỗ. Lấy bằng 0.75 kg/lỗ = 3 thỏi thuốc: mỗi thỏi 250 gam, dài 25 cm. + Lợng thuốc nạp trung bình cho một lỗ khoan biên: q tbbien = 0.588 kg/ lỗ; lấy bằng 0.6 kg/lỗ; lấy 3 thỏi thuốc mỗi thỏi 200 gam dài 25 cm + Kết cấu lỗ mìn cho trong hình 1. Lợng thuốc trong một lỗ khoan đợc phân 3 đoạn theo chiều sâu; khoảng phân đoạn lấy bằng 0.5 m. 1 2 3 125 25 50 25 50 25 Hình 1. Kết cấu lỗ mìn: 1 - Búa cát; 2 v 3: thỏi thuốc di 25 cm. Vùng rỗng Hình 2. Lỗ mìn sau nổ CT 2 4. Kết luận - Hiện nay ngời ta sử dụng nhiều phơng pháp để làm chặt đất nh: đầm rơi, đầm lăn, đầm rung và nén trớc tĩnh tải,Những phơng pháp này hiệu quả trong xây dựng đờng, đấp đập, trong môi trờng đất xốp, ít ẩm ớt và có thành phần hạt không đồng đều. - Trong môi trờng đất dính và ở các địa hình không thuận lợi (sờn núi, mái dốc,) hoặc vùng cần gia cố không quá lớn ngời ta sử dụng phơng pháp nổ mìn nén ép làm chặt đất. Hiệu quả làm chặt đất của phơng pháp này sẽ đợc tăng lên khi các khoảng trống đợc chèn lấp bởi cát, vữa nghèo hay các dung dịch (ximăng, silicat) - Trong bài viết đã đa ra nguyên lý và phơng pháp tính toán làm chặt đất bằng nổ mìn để có thể đạt độ chặt theo thiết kế. Đã đa ra phơng pháp luận tính toán các thông số nổ mìn và đồng thời đa ra các tính toán số minh hoạ cho một vùng giả định muốn gia cố. Tài liệu tham khảo [1] Đỗ Minh Toàn. Đất đá xây dựng. Hà Nội, 2003. [2] V. V. RJEVXKI, G. Ya. NOVIK. Cơ sở vật lý đá. Bản dịch ra tiếng Việt. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1971. [3] Nguyễn Xuân Mãn. Nổ mìn phá đá. Bài giảng cho lớp giám đốc điều hành mỏ. ĐH Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh, 2005Ă . trọng của đất bằng nổ mìn nén ép kết hợp với phun dung dịch lấp khoảng trống sau nổ trong khối đất đợc đề trong bi viết ny đã đa ra cách xác định các thông số nổ mìn trong cải tạo đất. Summary:. đất. Tải tĩnh làm đất chứa sét dễ chặt hơn tải động. Ngợc lại tải động làm đất rời dễ chặt hơn. Nhiệt độ của đất cao sẽ làm tăng quá trình làm chặt đất. 3. Lm chặt đất bằng nổ mìn ép Phơng. toán làm chặt đất bằng nổ mìn để có thể đạt độ chặt theo thiết kế. Đã đa ra phơng pháp luận tính toán các thông số nổ mìn và đồng thời đa ra các tính toán số minh hoạ cho một vùng giả định