Xem mẫu
- NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ
SỬ DỤNG BỘT NỞ ĐỂ PHÁ VỠ KHỐI ĐÁ
Nguyễn Xuân Mãn, Nguyễn Duyên Phong
Trường Đại học Mỏ-Địa chất
Email: mannxdoky@gmail.com
TÓM TẮT
Trong xây dựng công trình cần phải đào đắp, phá đất đá và san gạt mặt bằng. Khi nền là đá cứng rắn
hay đá mồ côi lớn cần phải làm cho khối đá tách ra thành các khối nhỏ. Bài viết trình bày một phương
pháp phá vỡ đá bằng bột nở. Đã đưa ra những đặc điểm của phương pháp và cách tính toán các thông
số của phương pháp phá đá bằng bột nở. Các tính toán minh họa số đã được xem xét. Kết quả nghiên
cứu có thể sử dụng để phá đá trong khi đào, phá đất đá và san gạt mặt bằng khi xây dựng công trình
ở vị trí cụ thể.
Từ khóa: đá khối, phá vỡ, bột nở phá đá, thông số tính toán, khoảng cách giữa hai lỗ khoan.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ Để khắc phục hạn chế của các phương pháp
Trong quá trình xây dựng công trình ở các vùng nêu trên có thể sử dụng bột nở để phá vỡ đá khối.
có nền đá cứng rắn, nơi có các khối đá mồ côi ở Phương pháp này có thể áp dụng mọi nơi và mang
sườn đồi núi ven các công trình giao thông có kích lại hiệu quả khá tốt.
thước lớn thì người ta cần phải phá vỡ khối đá ra 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
thành các khối nhỏ mới có thể đào hố móng, xúc
2.1. Khái quát chung về bột nở phá đá
bốc hay san gạt tạo mặt bằng.
Bột nở phá đá (stone cracking powder) là một
Có nhiều phương pháp phá vỡ đá khối thành
loại vật liệu dùng để phá khối đá, khối xây gạch đá
các khối nhỏ như [1], [2]: phương pháp cưa đá;
và khối bê tông [2] mà không cần dùng chất nổ. Áp
phương pháp tách chẻ bằng nêm (thủ công hay
suất trương nở của bột tăng dần và lớn hơn 300
cơ giới); dùng búa đập đá; nổ mìn; dùng bột nở.
kG/cm2. Lực kháng kéo của đá và bê tông nhỏ hơn
Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược
cường độ chịu nén của bột nở này hàng chục lần.
điểm khi sử dụng cho một công trình ở một vị trí
Với đá chỉ khoảng 40÷80 kG/cm2 và bê tông chỉ từ
xây dựng, cụ thể là:
20÷40 kG/cm2, nên khối đá và bê tông dễ dàng bị
- Phương pháp cưa đá thường dùng khi khai
tách phá sau khi khoan lỗ và nạp vữa bột nở phá
thác đá khối để đảm bảo chất lượng đá khai thác
đá vào [3]
ra (yêu cầu sản phẩm đá khối sau khi khai thác:
cần giữ được hoa văn tự nhiên và màu sắc của đá;
], [4].
đảm bảo kích thước lớn nhất có thể; tính liền khối
của đá tấm khi gia công);
- Phương pháp dùng nêm thủ công kém hiệu
quả và tốn nhiều công sức;
- Phương pháp nêm cơ giới cần có thiết bị
thủy lực;
- Phương pháp nổ mìn thường được sử dụng a) Bột nở Thạch An; b)Bột nở Sino-Crack
và rất có hiệu quả. Tuy nhiên trong nhiều trường H.1. Bột nở công nghiệp dùng để phá đá, bê tông [3], [4]
hợp không được phép dùng phương pháp nổ mìn Phương pháp này không làm chấn động nền
phá đá, chẳng hạn khi phá vỡ khối đá nơi có hệ đất, không có đá văng xa, không làm gây tiếng nổ
thống điện cao thế, nơi có nhiều người và phương và rung động không khí làm ảnh hưởng đến các
tiện qua lại, nơi có các di tích lịch sử như đền chùa, công trình và môi trường xung quanh. Hiện nay
nơi có các danh lam thắng cảnh, nơi có đập nước người ta dùng một số loại bột nở phá đá (xem hình
hay công trình an ninh quốc phòng,… H.1) như bột nở CRACKPOW (do Công ty TNHH
CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021 39
- XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI
Hóa chất Thạch An sản xuất), bột nở Sino-Crack. - Khoan lỗ khoan và nạp vữa bột nở vào lỗ
Quy cách đóng gói: 25 kg/ bao chứa 5 túi nhỏ; mỗi khoan bố trí các lỗ khoan theo đường dự kiến tách
túi nhỏ 5 kg. khối đá ra (xem hình H.3a)
- Trộn bột: Sử dụng một bao 5 kg bột nở với
2.2. Ưu điểm của phương pháp phá đá dùng
1,5÷2 lít nước lạnh trộn kỹ, đều và nhuyễn sau đó
bột nở
nạp ngay vào lỗ khoan trong khoảng 5÷10 phút
Ưu điểm của phương pháp phá đá dùng bột nở
sau khi pha trộn (xem hình H.3.b) [4]. Nước trộn
như sau:
cần sạch không lẫn dầu, tạp chất hữu cơ, nhiệt độ
- Không gây chấn động nền đất, không tạo sóng
khoảng 20 độ, dùng nước lạnh là tốt nhất.
xung kích, không có tiếng nổ, không gây ra có bụi
và tạo khí độc làm gây ô nhiễm môi trường;
- Có thể định được hướng phá và tách đá theo ý
muốn; có thể phá những khối đá có hình dạng theo
ý muốn; khối đá được tách ra không bị vết, rạn nứt,
hoặc bị vỡ quá vụn; không làm đá văng xa;
- Bột nở còn có thể dùng trong khai thác đá khối
làm đá trang trí, ốp lát; để phá bê tông, bê tông cốt
thép, khối gạch đá xây khi thi công tại các công
trình xây dựng mới hay cải tạo; a) Khoan lỗ khoan; b) Nạp vữa vào lỗ khoan
- Bột nở tách đá thuộc về loại hàng hóa bình H.3. Khoa lỗ khoan và nạp vữa [2], [3]
thường; vận chuyển, sử dụng thuận lợi, không cần Dùng thùng chứa dung tích 10-15 lít để trộn
giấy phép như với vật liệu nổ; một mẻ; thiết bị trộn có thể là máy khoan lắp que
- Sử dụng bột nở để phá, tách đá là công việc trộn có mấu chữ T ở đầu; hay trộn thủ công bằng
đơn giản, không mất nhiều thời gian đào tạo, huấn que có bản rộng 3÷5 cm. Yêu cầu người trộn bột
luyện như thợ nổ mìn; không cần đầu tư thiết bị phải được đeo kính bảo hộ, găng tay cao su và
máy móc đặc biệt. khẩu trang.
- Nạp vữa vào lỗ khoan: Làm sạch lỗ khoan
2.3. Quy trình tiến hành phương pháp phá đá
trước khi nạp vữa bằng cách thổi khí để đưa phoi
bằng bột nở
khoan và các bụi bẩn khác ra khỏi lỗ khoan. Dừng
Sử dụng bột nở để phá đá được tiến hành theo nạp khi vữa đã nạp vào cách miệng lỗ 30 mm. Nạp
các bước sau: khoan lỗ, trộn bột nở thành vữa, nạp vữa vào lỗ khoan cần tiến hành cẩn thận, sao cho
vữa vào lỗ khoan, đậy lỗ khoan. Sau một khoảng vữa được đều và không tạo thành những túi khí
thời gian nạp vữa vào lỗ khoan thì bột nở tăng thể trong lỗ (sử dụng gậy nhỏ để chọc xử lý độ rỗng
tích làm phát sinh áp lực tác động vào thành lỗ vữa trong lỗ khoan). Với những lỗ nằm ngang, có
khoan. Nếu ta bố trí mạng các lỗ khoan thích hợp thể sử dụng bơm vữa lỏng vào hoặc lồng 1 cái
và tính toán được các thông số công nghệ dùng phễu mỏng, nhỏ vào trong lỗ, sau đó bơm vữa từ
bột nở thích hợp thì khối đá sẽ bị nứt vỡ thành các từ vào phễu, đồng thời rút phễu ra khỏi lỗ. Cần
phần nhỏ theo ý muốn (xem hình H.2). nhanh chóng che đậy lỗ lại sau khi nạp vữa.
2.4. Tính toán các thông số phá vỡ khối đá
bằng bột nở.
2.4.1. Khái quát chung
Nạp vữa vào lỗ khoan có đường kính D0, chiều
sâu nạp là L0 (thường lấy Lo=0,1L, L là chiều sâu lỗ
khoan). Đường kính lỗ khoan nạp vữa (D0) thông
thường từ 36÷60mm. Đường kính càng lớn, lực
trương nở càng lớn cho nên có thể tăng khỏang
H.2. Khối đá bị phá vỡ khi dùng bột nở [2] cách giữa các lỗ khoan. Đường kính lỗ khoan hợp
lý nhất đối với đá tảng là 38mm.
40 CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021
- NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ
Chiều sâu lỗ khoan (L) phụ thuộc vào loại đá và cách tâm lỗ khoan một khoảng r ( với r ≥ R ) thì giá
được lấy như sau: đá tảng (đá mồ côi) bằng 80 % trị σr có thể lấy theo công thức gần đúng sau đây
chiều cao khối đá; đá liền khối phân lớp bằng 105 [2]:
% chiều cao lớp; bê tông bằng 90 % chiều cao khối σr=k1k2PR/r2, (6)
bê tông.
Theo công thức (6) cho thấy khi r=R thì σr= P,
Khoảng cách giữa các lỗ khoan phụ thuộc
khi r khá lớn thì giá trị ứng suất này khá nhỏ (r
vào loại đá cần phá vỡ, thường dao động trong
tiến tới vô cùng thì σr dần tới không); k1 là hệ số
khoảng 25÷45 cm, đá càng rắn chắc thì khoảng
giảm ứng suất do các nguyên nhân thi công, thời
cách càng nhỏ.
tiết nóng trên 200C, thường lấy k1=0,8-0,9; k2 là hệ
Thể tích của vữa ban đầu V0 nạp vào lỗ khoan
số kể đến đường kính lỗ khoan lớn hơn 32mm và
được xác định theo công thức:
chiều sâu lỗ khoan lớn hơn 1,0m, thường lấy trung
V0=0,25πD20, (1) bình k2=0,7.
Sau thời gian nhất định đã nạp vữa, thể tích vữa
2.4.2. Xác định khoảng cách tối ưu giữa hai
sẽ nở làm tăng thể tích lên N lần, tức là thể tích vữa
lỗ khoan
sau trương nở tối đa sẽ là VN=NV0. Nếu không có
Với khoảng cách giữa hai tâm lỗ khoan 1 và lỗ
thành lỗ khoan ngăn chặn thì thể tích vữa VN sẽ
khoan 2 là a (xem hình H.2).
chứa trong một không gian với lỗ khoan có đường
kính là D, xác định trong mối quan hệ như sau:
VN=0,25πD2=NV0, (2)
Như vậy biến dạng của vữa theo phương bán
kính của lỗ khoan sẽ là:
Ɛ=(D-D0)/D0=(D/D0)-1, (3)
Thay giá trị D0 và D từ (1) và (2) vào (3) rồi biến
đổi cho ta:
Ɛ=((4NV0/π)0.5/(4V0/π)0.5) -1=(N0.5 -1), (4)
Do có thành lỗ khoan ngăn chặn biến dạng nên
H.2. Tách đá theo đường nối hai tâm lỗ khoan
phát sinh áp lực P trên biên thành lỗ khoan để
Tại một điểm N nằm trên đoạn thẳng nối hai
chống lại biến dạng trên đây. Gía trị ứng suất này
tâm lỗ khoan 1 và 2 và cách lỗ khoan thứ nhất một
có thể tính theo lý thuyết đàn hồi như sau:
khoảng r1, cách lỗ khoan thứ 2 một khoảng r2 sẽ có
P=EƐ=E (N0.5 -1), (5)
ứng suất tổng là [2]:
Áp lực P được phân bố đều trên biên thành lỗ
σrT=k1k2PR(1/r12 + 1/r22), (7)
khoan (xem hình H.4).
Khi r1=r2=a/2 thì giá trị σrT là nhỏ nhất. Thay
r1=r2=a/2 vào công thức (7), biến đổi cho ta:
σrT=4 k1k2PR /a2, (8)
Điều kiện để khối đá có thể bị nứt phá ra là ứng
suất tổng tính theo (8) phải lớn hơn hoặc bằng
cường độ của khối đá xung quanh lỗ khoan [1], tức
là phải thỏa mãn điều kiện sau:
σrT=4k1k2PR/a2 ≥ [σ], (9)
Trong (9): [σ] - cường độ của đá.
H.4. Áp lực P phân bố đều tác động lên thành lỗ khoan
Thay giá trị của P từ (5) vào (9) sau đó biến đổi
Khi bên trong thành một lỗ khoan tác dụng một
ta nhận được quan hệ sau:
áp lực P phân bố đều trên chu vi thì trong khối đá
σrT=4 k1k2RE (N0.5 -1)/a2 ≥ [σ], (10)
xung quanh lỗ khoan sẽ có sự phân bố một trường
ứng suất σr (xem hình H.4). Tại vị trí điểm M(r,θ) Từ (10) rút ra:
CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021 41
- XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI
a ≤ (4 k1k2RE (N0.5 -1)/ [σ])0.5, (11) Bảng 2. Chi phí lượng bột nở để phá vỡ 1 m3 vật liệu [3], [4]
Như vậy ta sẽ lấy: Lượng bột nở tách đá cho 1 m3, kg/m3
a=(4 k1k2RE (N0.5 -1)/[σ])0.5, (12) Bột nở
Loại đá Bột nở phá
Từ (12) cho thấy khoảng cách a giữa hai lỗ High Range Bột nở Sino-
cần phá vỡ đá Tràng An
khoan phụ thuộc vào mô đun đàn hồi của khối đá, Soundless Crack của
do Việt Nam
của Trung Trung Quốc
cường độ của khối đá và hệ số tăng thể tích của sản xuất
Quốc
bột nở.
Đá mềm 5÷8 4÷6 6÷7
2.4.3. Lượng bột nở để phá vỡ 1m3 đá. Đá cứng trung bình 8÷12 6÷10 7÷11
Thể tích vùng đá khối bị phá hủy Vph do một lỗ Đá rất cứng 12÷20 10÷15 11÷16
khoan tạo ra tính gần đúng sẽ là:
Bê tông thường 5÷8 5÷10 6÷12
Vph=L.a2, m3, (13)
Bê tông cốt thép 10÷25 10÷20 12÷22
Lượng bột nở Q nạp vào lỗ khoan là:
Q=L.∆, kg, với ∆ là mật độ bột nở phân bố cho 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
1m dài lỗ khoan. Một trong các phương pháp phá vỡ đá khối
Như vậy lượng bột nở đơn vị q để phá hủy 1m3 thành các khối nhỏ trong khai thác mỏ, trong xây
đá sẽ là: dựng công trình là sử dụng bột nở. Trong một số
q=Q/Vph=L.∆/L.a2=∆/a2, kg/m3, (14) điều kiện môi trường và vị trí nơi xây dựng công
Mật độ bột nở phân bố cho 1m dài lỗ khoan ∆ trình không cho phép dùng phương pháp nổ mìn thì
phụ thuộc vào loại bột nở, đường kính lỗ khoan; có đây là phương pháp khả thi, hiệu quả và đơn giản.
thể lấy thực nghiệm hiện trường hay theo Bảng 1. Các loại bột nở sử dụng hiện nay đều đáp ứng
Bảng 1. Lượng bột nở định mức cho 1m dài lỗ khoan [3], [4]. yêu cầu sử dụng với các ưu điểm về nhiều mặt.
Mật độ bột nở cho 1 m Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng các thông số
dài lỗ khoan ∆ (kg/m) phụ thuộc vào quan trọng trong quy trình công nghệ sử dụng bột
Loại bột nở đường kính lỗ khoan nở phá vỡ đá khối hay bê tông là khoảng cách tối
36 mm 38 mm 40mm 42mm ưu giữa hai lỗ khoan a (m) và chi phí lượng bột nở
Bột nở High Range để phá vỡ 1 m3 đá khối q (kg/m3).
Soundless của Trung 1,6 1,8 2,0 2,2 Khoảng cách giữa hai lỗ khoan a (m) phụ thuộc
Quốc vào giới hạn bền của đá khối, đường kính lỗ khoan
Bột nở Sino-Crack của và hệ số trương nở thể tích của vữa bột nở. Khi đá
1.4 1.6 1.8 2.0
Trung Quốc có cường độ lớn thì khoảng cách giữa hai lỗ khoan
Bột nở phá đá Tràng An sẽ nhỏ hơn; nếu hệ số trương nở thể tích càng lớn
1,8 2,0 2,2 2,4
do Việt Nam sản xuất thì áp lực phá vỡ càng tăng và do đó có thể tăng
2.4.4. Tính toán minh họa khoảng cách giữa hai lỗ khoan.
Để tính toán minh họa số ta lấy các số liệu Chi phí lượng bột nở q (kg/m3) để phá vỡ 1m3
sau đây: vật liệu (đá khối, bê tông,..) dao động trong khoảng
Bán kính lỗ khoan R=18mm=0,018m từ 4 kg đến 25 kg. Giá trị q phụ thuộc không chỉ vào
(D=2R=0,036 m); [σ]=30 MPa; E=4.000 MPa; loại bột nở mà còn phụ thuộc vào định mức lượng
sử dụng bột nở Sino-Crack của Trung Quốc; lấy thuốc cho một mét dài lỗ khoan, vào độ bền của vật
k1=0,8; k2=0,7. liệu cần phá và vào đường kính của lỗ khoan. Khi
Tính toán: Tra bảng 1 cho ∆=1,6 kg/m. Thay các đá cứng thì lượng bột nở q tăng lên và ngược lại.
giá trị vào (12) ta nhận được: a=46 cm. Thay a=0,46
m và ∆=1,6 kg/m vào (14) cho ta: q=7,56 kg/m3. 4. KẾT LUẬN
Kinh nghiệm dùng bột nở pha đá và bê tông cho Có nhiều phương pháp phá vỡ khối đá trong
thấy chi phí lượng bột nở cho 1m3 vật liệu phá vỡ xây dựng và khai thác mỏ. Khi phương pháp nổ
dao động như cho trên Bảng 2. mìn không thể tiến hành được và các phương pháp
42 CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021
- NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ
khác có nhiều nhược điểm thì phương pháp phá vỡ trộn bột nở thành vữa, nạp vữa vào lỗ khoan, đậy
khối đá bằng bột nở là khả thi và mang lại hiệu quả. lỗ khoan.
Nguyên lý của phương pháp phá vỡ khối đá Đã tính toán được khoảng cách tối ưu giữa hai
bằng bột nở là tạo ra nội ứng suất trong khối đá do lỗ khoan để nạp vữa a theo công thức (12) và tính
thể tích bột nở tăng lên khi pha trộn với nước và toán minh họa số cho thấy phù hợp với thực tiễn.
nạp vữa vào lỗ khoan. Đã đưa ra công thức tính chi phí bột nở q để phá
Đã đưa ra các quy trình thi công phá vỡ khối vỡ 1m3 đá theo công thức (14) và tính toán minh
đá bằng bột nở theo các bước như sau: khoan lỗ, họa số cho kết quả phù hợp thực tiễn
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nhữ Văn Bách (2003). Nâng cao hiệu quả phá vỡ đất đá bằng nổ mìn trong khai thác mỏ. Nhà xuất
bản Giao thông Vận tải. Hà Nội
2. Nguyễn Xuân Mãn (2009). Khai thác đá khối. Tài liệu Bồi dưỡng Giám đốc điều hành mỏ. Trường Đại
học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh. Tp. Hồ Chí Minh
3. Bột nở tách đá Sino-Crack < https://hanoichem.vn/products/sino-crack-bot-no-tach-da>
4. Bột nở tách đá
USE CRACKING POWDER TO BREAK THE ROCK BLOCK
Nguyen Xuan Man, Nguyen Duyen Phong
ABSTRACT
In construction, it is necessary to dig, fill, level the face ground. When the foundation is hard rock, or
large orphan rock, it is necessary to cause the rock mass to split into small blocks. The article presents a
method of breaking rock with baking powder. The characteristics of the method and how to calculate the
parameters of the rock breaking method with baking powder were given. Numerical illustration calculations
were considered. Research results can be used to break rocks during excavation, backfilling or leveling
when constructing works in specific locations.
Keywords: block rock, breaking, rock breaking powder, calculated parameters, space between two
drill holes.
Ngày nhận bài: 20/4/2021;
Ngày gửi phản biện: 25/4/2021;
Ngày nhận phản biện: 9/5/2021;
Ngày chấp nhận đăng: 15/6/2021.
Trách nhiệm pháp lý của các tác giả bài báo: Các tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về các số liệu,
nội dung công bố trong bài báo theo Luật Báo chí Việt Nam.
CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021 43
- XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CHIỀU DÀY ĐẾN PHÂN BỐ ỨNG SUẤT
VÀ BIẾN DẠNG TIẾP TUYẾN CỦA TẤM ĐỆM NEO
Đào Viết Đoàn
Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Email: daovietdoan@gmail.com
TÓM TẮT
Tấm đệm neo là một trong những bộ phận quan trọng cấu thành nên kết cấu neo. Bài viết sử dụng
phương pháp số xây dựng mô hình với kích thước lưới (dài×rộng×cao=6 m×0,6 m×4 m), lắp đặt thanh
neo vào giữa mô hình với kích thước tấm đệm bằng 150×150 mm. Mô phỏng ảnh hưởng của chiều dày
tấm đệm neo đến phân bố ứng suất tiếp tuyến và biến dạng tiếp tuyến trên bề mặt tấm đệm. Kết quả
nghiên cứu cho thấy rất rõ sự ảnh hưởng của chiều dày tấm đệm neo đến sự phân bố ứng suất tiếp
tuyến và biến dạng tiếp tuyến trong tấm đệm. Kết quả nghiên cứu giúp cho các đơn vị thiết kế thi công
có cơ sở để lựa chọn kích thước cho tấm đệm neo.
Từ khóa: kết cấu neo, tấm đệm neo, chiều dày tấm đệm, phân bố ứng suất trong tấm đệm, biến
dạng trong tấm đệm.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ tiếp tuyến trên bề mặt tấm đệm. Kết quả cho thấy
Cấu tạo của kết cấu chống neo bao gồm các sự phụ thuộc rất rõ phân bố ứng suất tiếp tuyến
bộ phận: thân cốt neo, tấm đệm neo, đai ốc neo và biến dạng tiếp tuyến trên bề mặt tấm đệm neo
và vòng đệm. Trong đó tấm đệm neo khi thiết kế khi thay đổi chiều dày tấm đệm. Cũng từ kết quả
lựa chọn cần phải đưa ra được kích thước chiều nghiên cứu sẽ giúp cho các đơn vị thiết kế thi công
rộng, chiều dày và các tham số về cơ học vật liệu có cơ sở để lựa chọn kích thước chiều dày cho tấm
làm tấm đệm. Hiện nay trong các thiết kế hộ chiếu đệm neo.
chống neo việc lựa chọn chiều dày cho tấm đệm 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
thường không tính toán lựa chọn mà lấy theo kinh 2.1. Giới thiệu tấm đệm neo
nghiệm, chính vì vậy có thể dẫn đến việc lựa chọn
Tấm đệm neo là một trong những bộ phận quan
chiều dày tấm đệm quá lớn gây lãng phí vật liệu
trọng cấu thành nên kết cấu chống neo. Nếu tấm
hoặc lựa chọn chiều dày tấm đệm quá mỏng sẽ làm đệm mất hiệu quả, mất tác dụng thì kết cấu chống
giảm hiệu quả của gia cố. Về mặt định tính chúng neo cũng mất đi tác dụng chống giữ [4]. Để cho tấm
ta có thể thấy rằng chiều dày tấm đệm neo có ảnh đệm làm việc hiệu quả ngoài phụ thuộc chất lượng
hưởng đến việc phân bố ứng suất theo phương trong quá trình thi công lắp đặt còn phụ thuộc vào
tiếp tuyến và biến dạng theo phương tiếp tuyến trên kích thước của tấm đệm trong đó có kích thước về
bề mặt tấm đệm hay nói cách khác là ảnh hưởng chiều dày tấm đệm. Hiện nay để chống giữ đường
trực tiếp đến chịu lực của tấm đệm. Hiện nay, các lò bằng kết cấu chống neo thường dùng 2 loại
công bố nghiên cứu về ảnh hưởng của chiều dày kết cấu chống neo đó là neo thường và neo cáp,
tấm đệm neo đến sự phân bố ứng suất tiếp tuyến ứng với mỗi loại neo này thì sử dụng tấm đệm có
và biết dạng tiếp tuyến trong tấm đệm còn ít được chiều dày và kích thước tương ứng. Đối với neo
đề cập đến. Bài viết sử dụng phương pháp số xây thường kích thước tấm đệm neo phổ biến sử dụng
dựng mô hình với kích thước lưới (chiều dài × rộng các loại có kích thước: dài×rộng×dày (mm) bằng
× cao=6 m×0,6 m×4 m), lắp đặt thanh neo vào giữa 120×120×6 mm, 150×150×8 mm, 150×150×10
mô hình với kích thước tấm đệm bằng 150×150 mm, 200×200×10 mm, 250×250×10 mm. Đối với
mm. Mô phỏng ảnh hưởng của chiều dày tấm đệm neo cáp thì kích thước tấm đệm neo phổ biến dùng
neo đến phân bố ứng suất tiếp tuyến và biến dạng các loại có kích thước: dài×rộng×dày (mm) bằng
44 CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021
- NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ
300×300×12 mm, 300×300×14 mm, 350×350×14
mm, 350×350×16 mm. Hình ảnh vị trí của tấm đệm (1)
của neo thường và neo cáp trong kết cấu neo thể
hiện trên hình H.1. (2)
Trong đó: N1 - Lực theo phương pháp tuyến,
kN/m; N2 - Lực theo phương tiếp tuyến, kN/m; P
- Lực tác dụng khi vặn chặt ê cu neo, kN; R - Bán
kính vỏ cầu, m; αM - Góc hợp bởi lực P đến điểm
khảo sát trên tấm đệm, độ; α’ - Góc hợp bởi lực P
đến khi tấm đệm bắt đầu đạt đến trạng thái giới
hạn, độ; α’’ - Góc hợp bởi lực P đến khi tấm đệm
bắt đầu đạt đến trạng thái giới hạn phá hủy, độ.
H.1. Vị trí lắp tấm đệm neo thường và neo cáp Theo tài liệu [3] quá trình làm thí nghiệm gia tải
thấy rằng, khi gia tải vào tấm đệm cầu, vị trí góc α’
2.2. Phân tích chịu lực trên vỏ tấm đệm cầu hợp bởi lực P bắt đầu ở trạng thái giới hạn, lực tiếp
Để tính toán khả năng chịu tải của tấm đệm, giả tục được truyền xuống phần cầu cong bên dưới
thiết tấm đệm hình cầu có bán kính cầu cong lồi là của tấm đệm và cuối cùng đạt đến vị trí trạng thái
R, tải trọng tập trung truyền từ đai ốc neo vào đệm giới hạn phá hủy α’’. Theo công thức (1), (2) αM
cầu là P, mặt dưới tấm đệm ép sát vào bề mặt đất
càng nhỏ, tải trọng theo phương pháp tuyến và tiếp
đá coi là gối cố định, mô hình tính toán chịu lực của
tuyến càng lớn, giá trị ứng suất chính càng lớn sẽ
tấm đệm cầu thể hiện trên hình H.2 [1].
dẫn đến tấm đệm cầu bị phá hủy. Vị trí phá hủy sẽ
a)
xảy ra tại điểm mất ổn định giới hạn của kết cấu
tấm đệm cầu tại đáy tiếp giáp phần cầu với phần
phẳng của tấm đệm. Ứng suất chính lớn nhất và
ứng suất chính nhỏ nhất tại bộ phận đáy cầu tiếp
giáp với phần phẳng của tấm đệm dưới tác dụng
của lực P được tính theo công thức sau [3], [4]:
(3)
b) (4)
Dựa theo tiêu chuẩn phá hủy vật liệu kim loại
của Tresca, phần bộ phận cong lồi (hình cầu) xảy
ra phá hủy cần thỏa mãn điều kiện là khi đạt đến
ứng suất cắt lớn nhất τs và ứng suất cắt được tính
theo công thức sau [3]:
τs=(σ1 - σ2)/2=σs/2 (5)
Thay công thức (3) và (4) vào (5) ta có công
Hình 2. Mô hình tính toán chịu lực của tấm đệm cầu thức tính lực chịu tải của tậm đệm cầu như sau [4]:
a) Mô hình chịu lực của tấm đệm cầu, b) mặt cắt hình học tấm đệm cầu
Tại điểm M bất kỳ trên vỏ tấm đệm cầu, lực (6)
theo phương pháp tuyến và tiếp tuyến N1 và N2 Thông qua biến đổi quan hệ hình học đạt được
dưới tác dụng của lực P được tính theo công thức bán kính vỏ cầu theo công thức sau [3]:
sau: [3], [4]:
CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021 45
- XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI
(7)
Trong đó: σs – là cường độ giới hạn của thép
làm tấm đệm cầu, các tham số khác thể hiện trên
hình H.2b.
Trong thiết kế chống giữ bằng kết cấu neo, để
tiết kiệm vật liệu cần sử dụng tấm đệm cầu có sức
chịu tải nhỏ nhất là Tm, thỏa mãn Ps ≥Tm; khi xác định
H.3. Mô hình lưới mô phỏng
được σs của vật liệu thép, chiều dày b và bán kính
Mô hình mô nghiên cứu ảnh hưởng của tham số
cong đáy cầu, sử dụng công thức (6), (7) có thể tính
chiều dày tấm đệm neo đến ứng suất tiếp tuyến và
ra bán kính cầu R, chiều cao cầu h, bán kính lỗ tấm
biến dạng tiếp tuyến trong tấm đệm được sử dụng
đệm a thỏa mãn theo bất đẳng thức sau [3]: bằng phần mềm Flac3D [1]. Kích thước của mô hình
lưới (chiều dài×rộng×cao=6 m×0,6 m×4 m), lắp đặt
(8) thanh neo vào giữa mô hình thể hiện trên hình H.3,
nghiên cứu các phương án thay đổi tham số chiều
dày của tấm đệm neo d=8 mm, 12 mm, 16 mm, 20
Trong đó: C=πbσs là hằng số vật lý của thép tấm mm và 24 mm. Trong mô hình tính lấy kích thước
đệm, khi có được phạm vi giá trị bán kính cầu hợp tấm đệm bằng 150×150 mm, mô đun đàn hồi của
lý R sẽ tính ngược ra được phạm vi thiết kế hợp lý tấm đệm bằng 200 GPa, hệ số Poisson μ=0.3,
của giá trị h và a, b từ đó xác định được tham số cường độ giới hạn của tấm đệm băng 235 MPa,
hình học của khuôn làm tấm đệm. cường độ giới hạn của thanh neo bằng 500 MPa,
chiều dài neo bằng 2,4 m đường kính 22 mm. Các
2.3. Mô phỏng ảnh hưởng chiều dày tấm tham số của khối đá thể hiện trên Bảng 1.
đệm đến phân bố ứng suất và biến dạng tiếp
tuyến trên tấm đệm 2.3.2. Ảnh hưởng của chiều dày tấm đệm đến
phân bố ứng suất tiếp tuyến trên tấm đệm
2.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng Kết quả hình ảnh mô phỏng ảnh hưởng của
Do ảnh hưởng của tham số chiều dày tấm đệm chiều dày tấm đệm đến ứng suất theo phương tiếp
đến phân bố ứng suất trong tấm đệm có giá trị tuyến trên bề mặt tấm đệm thể hiện trên hình H.4.
nhỏ, nên nếu xây dựng mô hình khối đá sau đó
tiến hành đào đường lò theo kích thước thiết kế,
lắp đặt neo, thì ứng suất trong tấm đệm sẽ bị ảnh
hưởng của công tác khai đào và như vậy sẽ rất khó
thấy được rõ sự ảnh hưởng khi thay đổi chiều dày h=8 mm h=12 mm h=16 mm
tấm đệm đến phân bố ứng suất và biến dạng trên
tấm đệm neo. Chính vì vậy trong nghiên cứu này
ta không xét đến ảnh hưởng của trường ứng suất
trọng lực khối đá và công tác khai đào mà chỉ xây
dựng mô hình khối đá với các điều kiện biên và lắp h=20 mm h=24 mm
đặt kết cấu neo để nghiêm cứu. H.4. Phân bố ứng suất tiếp tuyến trên tấm đệm ứng với các chiều dày
Bảng 1. Tham số cơ học vật lý của khối đá
Mật độ Mô đun thể tích Mô đun cắt Góc ma sát trong Cường độ kháng kéo Lực dính kết
(kg.m-3) (GPa) (GPa) (độ) (MPa) (MPa)
2500 2,18 1,45 32 0,40 1,10
46 CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021
- NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ
Đường cong phân bố ứng suất theo phương bố ứng suất tiếp tuyến trên bề mặt tấm đệm ứng
tiếp tuyến trên bề mặt tấm đệm ứng với các chiều với các trường hợp chiều dày thấy rằng ứng suất
dày của tấm đêm thể hiện trên hình H.5. tiếp tuyến tập trung lớn nhất tại vị trí cách tâm tấm
đệm 50 mm và giảm dần về phía bên ngoài cũng
như tâm tấm đệm. Khi tấm đệm có chiều dày lớn
từ 16÷24 mm sự chênh lệch về giá trị ứng suất
tiếp tuyến là không đáng kể, nhưng khi tấm đệm có
chiều dày nhỏ sự chênh lệch giá trị ứng suất tiếp
tuyến thể hiện rõ hơn. Điều này cho thấy không nên
lựa chọn tấm đệm có chiều dày quá lớn vì không
có tác dụng nhiều về mặt chịu lực mà còn gây lãng
phí vật liệu, nhưng cũng không nên lựa chọn chiều
dày tấm đệm quá mỏng vì tấm đệm sẽ không đủ
khả năng chịu lực, dễ bị cong vênh và biến dạng.
Từ kết quả mô phỏng thể hiện trên hình H.6 ta
có thể thấy rằng khi thay đổi giá trị chiều dày tấm
H.5. Đường cong phân bố ứng suất tiếp tuyến đệm thì biến dạng theo phương tiếp tuyến trên bề
ứng với các chiều dày tấm đệm mặt tấm đệm có sự thay đổi. Chiều dày tấm đệm
neo càng lớn thì giá trị biến dạng theo phương tiếp
2.3.3. Ảnh hưởng của chiều dày tấm đệm đến tuyến trên bề mặt tấm đệm càng nhỏ, điều này có
biến dạng theo phương tiếp tuyến trên tấm đệm thể giải thích là khi chiều dày tấm đệm tăng làm
cho tấm đệm cứng hơn từ đó khả năng kháng biến
Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của chiều dày
dạng cũng lớn hơn. Cũng từ biểu đồ đường cong
tấm đệm đến biến dạng theo phương tiếp tuyến
biến dạng theo phương tiếp tuyến trên tấm đệm
trên bề mặt tấm đệm thể hiện trên hình H.6.
ứng với các chiều dày của tấm đệm thấy rằng khi
thay đổi chiều dày tấm đệm thì biến dạng lớn nhất
đều tập trung tại vị trí cách tâm tấm đệm bằng 50
mm, giá trị biến dạng nhỏ nhất tại vị trí tâm và biên
ngoài của tấm đệm. Trên tấm đệm chỉ xuất hiện
biến dạng tiếp tuyến theo một chiều. Khi tấm đệm
có chiều dày từ 16÷24 mm sự chênh lệch về giá trị
biến dạng tiếp tuyến là không đáng kể nhưng khi
tấm đệm có chiều dày nhỏ sự chênh lệch giá trị
biến dạng tiếp tuyến thể hiện rõ hơn. Đặc biệt tại
trường hợp chiều dày tấm đệm bằng 8 mm thì giá
trị biến dạng lớn hơn so với các trường hợp khác
khá rõ.
Từ kết quả mô phỏng cho thấy khi lựa chọn
H.6. Biến dạng theo phương tiếp tuyến trên tấm đệm chiều dày tấm đệm không nên chọn quá mỏng vì
ứng với các chiều dày sẽ làm cho tấm đệm biến dạng lớn không đáp ứng
được khả năng kháng biến dạng của tấm đệm.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Nhưng cũng không nên chọn chiều dày tấm đệm
Từ kết quả mô phỏng thể hiện trên các hình H.4
quá lớn vì sẽ làm cho chi phí vật liệu tăng.
và H.5 ta có thể thấy rằng khi thay đổi giá trị chiều
dày tấm đệm thì giá trị ứng suất tiếp tuyến trên bề 4. KẾT LUẬN
mặt tấm đệm có sự thay đổi, chiều dày tấm đệm ➢ Chiều dày của tấm đệm neo có ảnh hưởng
neo càng lớn thì giá trị ứng suất tiếp tuyến trên bề đến phân bố ứng suất tiếp tuyến trong tấm đệm,
mặt tấm đệm càng nhỏ. Cũng từ đường cong phân nhưng vị trí ứng suất tập trung lớn nhất chỉ xuất
CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021 47
- XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI
hiện tại vị trí cách tâm của tấm đệm 50 mm còn 20÷50 mm do ứng suất tiếp tuyến khá nhỏ nên biến
vùng ngoài biên và sát tâm tấm đệm có ảnh hưởng dạng cũng khá nhỏ.
không nhiều. Chiều dày của tấm đệm càng lớn giá ➢ Từ kết quả mô phỏng cho thấy khi lựa chọn
trị ứng suất tiếp tuyến càng nhỏ và ngược lại. chiều dày tấm đệm không nên chọn quá mỏng vì sẽ
➢ Chiều dày tấm đệm có ảnh hưởng đến biến làm cho tấm đệm biến dạng lớn không đáp ứng được
dạng tiếp tuyến trong tấm đệm. Kết quả mô phỏng khả năng kháng biến dạng của tấm đệm. Nhưng
cho thấy biến dạng theo phương tiếp tuyến tập cũng không nên chọn chiều dày tấm đệm quá lớn
trung chủ yếu vùng chịu ứng suất tiếp tuyến lớn vì sẽ làm cho chi phí vật liệu tăng. Thông thường
nhất, vùng này cách tâm tấm đệm bằng 50 mm, chiều dày tấm đệm cho neo thường bằng từ 8÷10
trong vùng tâm và biên ngoài tấm đệm với khoảng mm, chiều dày tấm đệm cho neo cáp từ 12÷16 mm
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Itasca (2005). Flac Fast Lagrangian Analysis of Continua. User’s Guide. Third Edition (Flac Version
3.0) April 2005.
2. LIC, STILLBORG B. (1999) Analytical models for rock bolts[J]. International Journal of Rock Mechanics
and Mining Sciences, 36(8): 1013-1029.
3. , , , (2016).
33 3 ,.
4. . (200)
RESEACH EFFECTS OF ANCHOR PLATES THICKNESS ON ITS TANGENTIAL
STRESS AND DEFORMATION DISTRIBUTION
Dao Viet Doan
ABSTRACT
The anchor plate is one of the important components constituting the anchor structure. The paper uses
a numerical method to build the model with the mesh size (length×width×height=6mx0.6mx4m), install
a bolt in the middle of the model with the size of the plates is 150×150mm. Studies the effect width and
thickness of the square plates on the stress distribution and the deformation in plates. These results show
that the influence of the dimensions of plates on tangential stress distribution and tangential deformation
in the plates. The research results help designing, constructing companies to have the basis for selection
dimensions of anchor plates.
Keywords: anchor structure, anchor plates, plates thickness, distribution of stress inside of plates,
deformation inside of plates.
Ngày nhận bài: 14/5/2021;
Ngày gửi phản biện: 15/5/2021;
Ngày nhận phản biện: 25/5/2021;
Ngày chấp nhận đăng: 20/6/2021.
Trách nhiệm pháp lý của các tác giả bài báo: Các tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về các số liệu,
nội dung công bố trong bài báo theo Luật Báo chí Việt Nam.
48 CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021
nguon tai.lieu . vn
