Nguyên lý làm việc của vì neo gia cường khối đá

Like và chia sẻ bài viết
1. Khái niệm chung:
1.1- Vì neo (VN) đã và đang được sử dụng rộng rãi để gia cường nhiều khối đá (KĐ) khác nhau. Trong đó, đáng chú ý nhất là các KĐ bên các mặt lộ xung quanh các công trình ngầm, xung quanh các hố móng sâu và bên các bờ dốc lớn [1] , [2], [3]... Có trường hợp, chúng chỉ có giá trị sử dụng như các kết cấu chống tạm thời, nhưng cũng có trường hợp, chúng có giá trị sử dụng cả trong giai đoạn thi công công trình và trong giai đoạn khai thác (sử dụng) công trình: từ mức tối thiểu là giữ vai trò của một hợp phần trong hệ thống kết cấu chống cố định có 2 hay nhiều hợp phần; đến mức tối đa là giữ vai trò của các kết cấu chống cố định độc lập.

1.2- Để sử dụng VN gia cường KĐ vừa phù hợp với cả yêu cầu kinh tế, vừa phù hợp với cả điều kiện tự nhiên, điều kiện thi công và các điều kiện kỹ thuật cụ thể, chúng ta cần cố gắng chọn sơ đồ bố trí VN cho phép tận dụng có hiệu quả cao mọi khả năng làm việc của VN nói riêng và toàn cơ hệ KĐ có VN nói chung. Chúng ta cần cố gắng tạo điều kiện cho mỗi VN được đóng vai trò một cốt (armature) gia cường kĐ xung quanh mình. Tuy nhiên, chúng ta cũng cần nhận thức rõ một số điểm giống và khác nhau căn bản giữa VN trong cơ hệ KĐ có VN và cốt thép chính trong bê tông cốt thép là: Mặc dù VN trong cơ hệ KĐ có Vn cũng là phần vật liệu mang tải chính của toàn cơ hệ; nhưng được đặt vào KĐ từ những mặt lộ định hình KĐ đó, sau quá trình chiếm một phần không gian của KĐ, theo phương pháp tự chiếm (VN dạng vít xoắn trực tiếp, VN dạng cọc đóng hoặc ép trực tiếp); hoặc theo phương pháp sử dụng lỗ khoan chuyên dùng. Cho nên, khi lắp đặt, cả hình thức kiến trúc và sơ đồ bố trí chúng đều có đặc điểm khác với cốt thép chính trong bê tông cốt thép thông thường.
- VN chỉ có dạng thanh hoặc dây thẳng, không uốn lượn và không liên kết được với nhau thành lưới thành khung.
- Vị trí và tư thế của VN luôn phụ thuộc vào cấu trúc của KĐ, đặc tính của mặt lộ, không gian trống thi công, đặc tính của kết cấu cùng gia cường KĐ và khả năng thi công thực tế.
- Khi chọn sơ đồ bố trí và quy trình lắp đặt VN, không những phải thực hiện các biện pháp đảm bảo an toàn chung, còn phải thực hiện các biện pháp phòng ngừa các sự cố do đặc tính của trường ứng suất trong KĐ như đã nêu trong [5].
1.3 Trong bài viết này, chỉ nói đến nguyên lý làm việc của loại VN gia cường kĐ rắn trong vỏ trái đất, là loại VN chỉ có thể thi công lắp đặt từ mặt lộ của KĐ nguyên đó. Mỗi hệ thống VN này, nói chung chỉ là một hệ thống thanh hoặc sợi có đầu nằm trong KĐ còn đuôi nằm tại mặt lộ, không có mối liên kết trực tiếp với nhau nằm trong KD. Tuy nhiên, chúng vẫn có những tác dụng tương hỗ nhau nào đó:
- Thứ nhất, thông qua chính bản thân KĐ tự nhiên, bởi vì các phần tử đá xung quanh mỗi VN, sau khi đã làm việc chung với nhau trong 1 cơ hệ, đã có các đặc tính mới, do đó khi chúng tương tác với nhau cũng theo những thông số mới.
- Thứ hai, có thể là những cấu kiện hoặc kết cấu giằng giữ và chống đỡ mặt lộ KĐ và cùng liên kết với các đuôi VN.
Cần chú ý rằng, tác dụng gia cường KĐ tự nhiên của VN không chỉ nhờ khả năng mang tải dọc VN mà còn nhờ cả khả năng mang tải ngang VN nữa [ 4;7 ]. trường hợp VN trong cơ hệ KĐ có VN chỉ chịu kéo dọc trục VN chính là 1 trường hợp riêng. Trong thực tế, còn có nhiều cơ hệ KĐ có VN chỉ chịu lực cắt ngang VN và hơn nữa còn có rất nhiều cơ hệ KĐ có VN phải chịu lực tổng hợp cả dọc và ngang VN. [ 7 ]. [ 8 ]. [ 9 ].
2. Những phân tích cơ bản:
Để có cơ sở hiểu về nguyên lý làm việc của mỗi VN gia cường KĐ, chúng ta xem xét những ví dụ điển hình về hệ tải trọng và nguyên lý làm việc của một số VN đơn giản với 1 số tên gọi thông dụng: đinh, đinh vít, đinh bu lông neo... làm việc chung với khối vật liệu rắn, khi chưa kể đến dự lực căng dọc chúng do đóng hoặc vặn chúng quá ngưỡng.
2.1- Khi dùng đinh (vít) định vị trần giả lên trần thật phía trên, tự trọng của trần giả gây cho mỗi đinh (vít) một trường ứng suất riêng tương ứng với đặc tính làm việc riêng của từng đinh (vít), trong đó điển hình là phương làm việc của chúng:
- Góc kẹp giữa phương thẳng đứng và trục dọc đinh (vít) càng nhỏ thì lực dọc trục đinh (vít) càng lớn và lực ngang đinh (vít) càng nhỏ.
Khi kể đến độ võng của trần giả và đặc tính dẻo dai của vật liệu trần giả, để cơ hộ trần và đinh (vít) làm việc hiệu quả, rõ ràng đinh (vít) càng gần giữa mỗi nhịp, càng nên thẳng đứng, còn các đinh (vít) càng gần các đầu mút mỗi nhịp, càng nên lệch mũi đinh (vít) về phía đầu mút nhịp tương ứng.
2.3- Mỗi đinh (vít) nằm ngang trong 1 nhóm cùng định vị một giá đỡ hàng kiểu công xôn trên tường đứng, lại nhận một hệ tải trọng riêng: Theo chiều từ trên xuống, lực tác dụng dọc đinh (vít) giảm dần; còn lực tác dụng ngang đinh (vít) được coi như bằng nhau. Riêng chiếc đinh (vít) sát mút dưới của khung giá, gần như chỉ có nhiệm vụ chịu cắt ngang [7].
2.4- Khi dầm ghép nhiều lớp bằng các bu lông vuông góc, bị uốn võng, mỗi bu lông phải nhận một hệ tải trọng riêng, tuỳ thuộc các yếu tố ảnh hưởng khác nhau, trong đó có vị trí của bu lông theo chiều dài của dầm ghép:
- Các bu lông ở mặt cắt dầm chịu uốn cực trị, gần như chỉ chịu lực dọc.
- Các bu lông khác, nói chung đều chịu lực cả lực dọc và lực cắt, vì mặt cắt ngang của dầm ban đầu là phẳng và vuông góc với trục dọc của dầm, nhưng sau khi biến dạng uốn võng, nói chung là không phẳng và không vuông góc với trục dọc chung của dầm (giả thuyết mặt cắt phẳng của Bécnuli và giả thuyết các thớ dọc dầm không đẩy - ép nhau khi nghiên cứu biến dạng của dầm chịu uốn thuần tuý trong lý thuyết sức bền vật liệu chỉ là gần đúng, và cần hạn chế áp dụng vào đây).
2.5- Đặc biệt, khi tìm hiểu về nhóm đinh liên kết các hòn cuội với nhau để tạo hình 1 con giống ngộ nghĩnh nào đó, chúng ta không những biết được: mỗi đinh trong nhóm, nói chung phải chịu một hệ tải trọng riêng; mà còn biết được: nhóm đinh này không cần liên kết hoặc tương tác với bất kỳ khối vật chất cố định nào khác, nhưng vẫn tạo ra được một kết cấu độc lập, đủ khả năng chịu được một hệ tải trọng nào đó cùng với hệ trọng lượng bản thân.
2.6- Qua các thí dụ trên, chúng ta thấy:
- Thứ nhất, rất ít VN chịu trạng thái ứng suất đơn (kể cả dọc trục và ngang trục); đa số các VN chịu trạng thái ứng suất phức tạp (vừa dọc trục, vừa ngang trục) [4]; [6]; [8]; [9].
- Thứ hai, theo tương tác giữa VN với các khối vật rắn xung quanh và tác dụng của VN, có thể chia các VN nói chung thành 3 phân nhóm:
Phân nhóm 1: Liên kết khối vật rắn rời với khối vật rắn cố định
Phân nhóm 2: Liên kết các phần tử rời của khối vật rắn rời với nhau.
Phân nhóm 3: vừa liên kết các khối vật rắn rời với nhau, vừa liên kết chúng với khối vật rắn cố định.
3. Nguyên lý làm việc của VN gia cường KĐ:
3.1- Khi nghiên cứu trạng thái ứng suất thứ sinh trong các KĐ bên các mặt lộ khác nhau (bên bờ dốc, xung quanh công trình ngầm...) nhưng chưa được gia cường, chúng ta đều thấy: chỉ rất ít các phần tử đá phải chịu các trạng thái ứng suất đơn, còn hầu hết các phần tử đá đều phải chịu các trạng thái ứng suất phức tạp khác nhau. Như vậy, chúng ta suy ra được:
- Phải cố gắng bố trí và tính toán VN làm việc chung với KĐ, để trạng thái ứng suất thứ sinh mới của cả cơ hệ KĐ có VN dù trong giai đoạn thi công lắp đặt VN hay trong giai đoạn sử dụng VN đều an toàn; các ứng suất nguy hiểm không xuất hiện, được thay bằng các ứng suất trong phạm vi an toàn; còn các ứng suất khác có thể thay bằng các ứng suất lớn hơn nhưng vẫn trong phạm vi an toàn.
- Việc bố trí và tính toán VN, dẫu cố gắng đáp ứng yêu cầu đặt cốt, nhưng do còn phụ thuộc vào đặc điểm của vị trí, tư thế và không gian trống xung quanh các phần tử đá cần bố trí và thi công lắp đặt VN, cho nên các thông số của VN gia cường KĐ phải được xác định theo điều kiện cụ thể của hiện trường và đặc tính tương tác của VN được chọn với KĐ xung quanh. Nói chung nếu các thông số này chỉ được xác định theo khả năng chịu lực dọc trục VN là chưa hợp lý.
3.2- Mục tiêu gia cường KĐ bằng VN chính là làm cho VN cùng làm việc với KĐ để thay đổi đặc tính cơ lý của KĐ đó, sao cho cơ hệ KĐ có VN đủ ổn định theo yêu cầu đặt ra. Cho nên, để VN làm việc đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật và an toàn cao, chúng ta cần dựa vào điều kiện thực tế khi chế tạo, thi công lắp đặt và sử dụng VN để bố trí cho VN làm việc trong KĐ theo sơ đồ phù hợp nhất, tương ứng với 1 hoặc tổ hợp 1 số hình thức làm việc trong các nguyên lý làm việc sau đây:
3.2.1- Nguyên lý neo kết bản thân KĐ yếu nằm theo mặt lộ: dùng VN thay đổi hệ lực tương tác giữa các bộ phận trong bản thân KĐ yếu đó (gồm một số đủ lớn các phân lớp đá mỏng, các bộ phận đá, cũng như các phần tử đá gần như riêng rẽ hoặc chỉ tương tác yếu với nhau), để biến đổi cơ hệ KĐ yếu đủ dầy đã neo kết đó thành một kết cấu bán nhân tạo, đủ khả năng tự ổn định theo yêu cầu mang tải thực tế đặt ra. Theo nguyên lý này, VN có thể làm việc dưới 1 hoặc 1 số hình thức cơ bản sau:
+ Neo kết số lượng đủ lớn các lớp đá mỏng kém ổn định, cùng nằm theo mặt lộ, thành một tầng đá dầy có neo kết cứng vững ổn định.
+ Neo kết số lượng đủ lớn các mảng đá nứt nẻ hoặc các phần tử đá liên kết yếu, cùng nằm theo mặt lộ, thành một KĐ dầy có neo kết cứng vững ổn định.
+ Neo kết số lượng đủ lớn các tảng đá rời, cùng nằm theo mặt lộ, thành một KĐ dầy có neo kết cứng vững ổn định.
3.2.2- Nguyên lý neo giữ KĐ yếu nằm theo mặt lộ, với KĐ ổn định nằm tiếp giáp: dùng VN thay đổi hệ phản lực tựa của KĐ yếu đó (không hạn chế số lượng các phân lớp đá mỏng, các bộ phận đá, cũng như các phần tử đá gần như riêng rẽ, hoặc chỉ tương tác yếu với nhau). Theo nguyên lý này, VN có thể làm việc dưới 1 hoặc 1 số hình thức cơ bản sau đây:
+ Treo KĐ yếu bên dưới lên KĐ ổn định bên trên, nhằm phòng chống sự sập lở hoặc tróc lở KĐ yếu bên dưới.
+ Định vị KĐ yếu nằm theo mặt lộ bên tường với KĐ ổn định nằm ẩn xa sau kĐ yếu đó, nhằm phòng chống sự lật đổ, sự uốn gẫy và sự trượt lở KĐ yếu đó.
+ Định vị KĐ yếu nằm theo mặt nền với KĐ ổn định nằm ẩn sâu dưới KĐ yếu đó, nhằm phòng chống sự bồng nền.
Trên thực tế, khi làm việc theo nguyên lý này, tuy VN vẫn có tác dụng neo kết bản thân KĐ yếu đó; nhưng do tác dụng này chỉ đóng vai trò rất nhỏ trong tác dụng chung là neo giữ KĐ yếu đó với KĐ ổn định, cho nên đều bị bỏ qua.
4- Nhận định chung:
Trong trường hợp chung, trạng thái ứng suất của VN là phức tạp, với sự biểu hiện khác nhau của từng thành phần ứng suất pháp tuyến và tiếp tuyến, tương ứng với sơ đồ bố trí để tiếp nhận các ngoại lực khác nhau. Nghĩa là, khi tính toán VN theo điều kiện bền và ổn định lực học, phải dựa vào sơ đồ bố trí và sơ đồ tải trọng để tính toán theo biểu hiện của từng trạng thái ứng suất chịu kéo, chịu uốn và chịu cắt cụ thể, không nên coi VN chỉ đơn thuần là chịu kéo dọc.
Khi chọn nguyên lý cùng với hình thức làm việc của VN để bố trí và tính toán chúng cần chú ý rằng:
- Kết quả bố trí và tính toán VN theo nguyên lý cùng với hình thức làm việc nào cũng chỉ có hiệu quả hợp lý riêng, nếu như điều kiện hiện trường, đặc tính kỹ thuật của VN và công nghệ thi công có hình thức tương ứng với sơ đồ tính toán mẫu của nguyên lý cùng với hình thức làm việc ấy.
- Khi các điều kiện khác giống nhau, VN làm việc theo hình thức treo thường dài hơn và to ngang hơn; vì thế chỉ nên bố trí và tính toán chúng làm việc theo các hình thức của nguyên lý này khi không có điều kiện bố trí và tính toán chúng làm việc theo các hình thức của nguyên lý khác. Thí dụ: khi các lớp đá mỏng sát mặt lộ chỉ ổn định nếu được định vị với lớp đá dày ổn định phía trên; hoặc khi các lớp đá sát mặt lộ đang bị kéo căng gần đến giới hạn đặc biệt là tại mặt cắt có mômen uốn cực đại gây căng thớ mặt lộ [5].
- Các VN phân nhóm 1 có thân neo không nhất thiết phải liên kết ngang với các KĐ rắn và rời nằm gần mặt lộ, chỉ cần có liên kết đặc biệt với KĐ cố định và với KĐ rắn tại mặt lộ.
- Các VN phân nhóm 2 thường ngắn hơn, nhưng một mặt phải có liên kết thích hợp với các KĐ rắn và rời nằm xung quanh, mặt khác phải liên kết được 1 số thích hợp các KĐ rắn và rời đó,c ho nên thường khó áp dụng đạt hiệu quả tối ưu.
- Các VN phân nhóm 3 làm việc hiệu quả hơn các VN phân nhóm 1 nhưng để dự trữ bền có thể tính như các VN phân nhóm 1.
Không nên đơn giản hoá việc chọn nguyên lý làm việc của VN gia cường KĐ bằng cách chọn nguyên lý VN liên kết KĐ yếu bên mặt lộ với KĐ ổn định vây quanh. Cần dựa vào điều kiện cụ thể về gia công chế tạo, hiện trường thi công, trình độ thi công và khả năng thiết kế rồi linh hoạt sáng tạo để chọn ra phương án chế tạo, phương án thi công và sơ đồ tính toán, bố trí cùng với nguyên lý làm việc cho từng nhóm Vn khác nhau, nhằm tăng tính hiệu quả của VN lên.
Theo THXDVN
Viết và chia sẻ bình luận: Like để cập nhật các bài viết qua facebook. Cảm ơn bạn đã ghé thăm, ủng hộ!

About Tứ Đoàn Ngọc

Đoàn Ngọc Tứ chào mừng bạn tới với website và cảm ơn bạn đã ủng hộ trang này.