Sử dụng bột nở để phá vỡ khối đá

NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI

XÂY DỰNG CƠNG 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:

TÓM TẮT
Trong xây dựng cơng 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 tốn các thơng
số của phương pháp phá đá bằng bột nở. Các tính tốn 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 cơng trình
ở vị trí cụ thể.
Từ khóa: đá khối, phá vỡ, bột nở phá đá, thơng số tính tốn, khoảng cách giữa hai lỗ khoan.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong q trình xây dựng cơng trình ở các vùng
có nền đá cứng rắn, nơi có các khối đá mồ côi ở
sườn đồi núi ven các cơng trình giao thơng có kích
thước lớn thì người ta cần phải phá vỡ khối đá ra
thành các khối nhỏ mới có thể đào hố móng, xúc
bốc hay san gạt tạo mặt bằng.
Có nhiều phương pháp phá vỡ đá khối thành
các khối nhỏ như [1], [2]: phương pháp cưa đá;
phương pháp tách chẻ bằng nêm (thủ công hay
cơ giới); dùng búa đập đá; nổ mìn; dùng bột nở.
Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược
điểm khi sử dụng cho một cơng trình ở một vị trí
xây dựng, cụ thể là:

- Phương pháp cưa đá thường dùng khi khai
thác đá khối để đảm bảo chất lượng đá khai thác
ra (yêu cầu sản phẩm đá khối sau khi khai thác:
cần giữ được hoa văn tự nhiên và màu sắc của đá;
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
và rất có hiệu quả. Tuy nhiên trong nhiều trường
hợp không được phép dùng phương pháp nổ mìn
phá đá, chẳng hạn khi phá vỡ khối đá nơi có hệ
thống điện cao thế, nơi có nhiều người và phương
tiện qua lại, nơi có các di tích lịch sử như đền chùa,
nơi có các danh lam thắng cảnh, nơi có đập nước
hay cơng trình an ninh quốc phòng,…

Để khắc phục hạn chế của các phương pháp
nêu trên có thể sử dụng bột nở để phá vỡ đá khối.
Phương pháp này có thể áp dụng mọi nơi và mang
lại hiệu quả khá tốt.
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1. Khái quát chung về bột nở phá đá
Bột nở phá đá (stone cracking powder) là một
loại vật liệu dùng để phá khối đá, khối xây gạch đá
và khối bê tông [2] mà không cần dùng chất nổ. Áp
suất trương nở của bột tăng dần và lớn hơn 300
kG/cm2. Lực kháng kéo của đá và bê tông nhỏ hơn

cường độ chịu nén của bột nở này hàng chục lần.
Với đá chỉ khoảng 40÷80 kG/cm2 và bê tơng chỉ từ
20÷40 kG/cm2, nên khối đá và bê tông dễ dàng bị
tách phá sau khi khoan lỗ và nạp vữa bột nở phá
đá vào [3]
], [4].

a) Bột nở Thạch An;
b)Bột nở Sino-Crack
H.1. Bột nở công nghiệp dùng để phá đá, bê tông [3], [4]
Phương pháp này khơng làm chấn động nền
đất, khơng có đá văng xa, khơng làm gây tiếng nổ
và rung động khơng khí làm ảnh hưởng đến các
cơng trình và mơi trường xung quanh. Hiện nay
người ta dùng một số loại bột nở phá đá (xem hình
H.1) như bột nở CRACKPOW (do Cơng ty TNHH

CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021 39


XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ

Hóa chất Thạch An sản xuất), bột nở Sino-Crack.
Quy cách đóng gói: 25 kg/ bao chứa 5 túi nhỏ; mỗi
túi nhỏ 5 kg.
2.2. Ưu điểm của phương pháp phá đá dùng
bột nở
Ưu điểm của phương pháp phá đá dùng bột nở
như sau:
- Không gây chấn động nền đất, khơng tạo sóng

xung kích, khơng có tiếng nổ, khơng gây ra có bụi
và tạo khí độc làm gây ơ nhiễm mơi 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 q vụn; khơng làm đá văng xa;
- Bột nở cịn có thể dùng trong khai thác đá khối
làm đá trang trí, ốp lát; để phá bê tơng, bê tơng cốt
thép, khối gạch đá xây khi thi cơng tại các cơng
trình xây dựng mới hay cải tạo;
- Bột nở tách đá thuộc về loại hàng hóa bình
thường; vận chuyển, sử dụng thuận lợi, không cần
giấy phép như với vật liệu nổ;
- Sử dụng bột nở để phá, tách đá là công việc
đơn giản, không mất nhiều thời gian đào tạo, huấn
luyện như thợ nổ mìn; khơng cần đầu tư thiết bị
máy móc đặc biệt.
2.3. Quy trình tiến hành phương pháp phá đá
bằng bột nở
Sử dụng bột nở để phá đá được tiến hành theo
các bước sau: khoan lỗ, trộn bột nở thành vữa, nạp
vữa vào lỗ khoan, đậy lỗ khoan. Sau một khoảng
thời gian nạp vữa vào lỗ khoan thì bột nở tăng thể
tích làm phát sinh áp lực tác động vào thành lỗ
khoan. Nếu ta bố trí mạng các lỗ khoan thích hợp
và tính tốn được các thơng số cơng nghệ dùng
bột nở thích hợp thì khối đá sẽ bị nứt vỡ thành các
phần nhỏ theo ý muốn (xem hình H.2).

NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI

- Khoan lỗ khoan và nạp vữa bột nở vào lỗ
khoan bố trí các lỗ khoan theo đường dự kiến tách
khối đá ra (xem hình H.3a)
- Trộn bột: Sử dụng một bao 5 kg bột nở với
1,5÷2 lít nước lạnh trộn kỹ, đều và nhuyễn sau đó
nạp ngay vào lỗ khoan trong khoảng 5÷10 phút
sau khi pha trộn (xem hình H.3.b) [4]. Nước trộn
cần sạch khơng lẫn dầu, tạp chất hữu cơ, nhiệt độ
khoảng 20 độ, dùng nước lạnh là tốt nhất.

a) Khoan lỗ khoan;
b) Nạp vữa vào lỗ khoan
H.3. Khoa lỗ khoan và nạp vữa [2], [3]
Dùng thùng chứa dung tích 10-15 lít để trộn
một mẻ; thiết bị trộn có thể là máy khoan lắp que
trộn có mấu chữ T ở đầu; hay trộn thủ cơng bằng
que có bản rộng 3÷5 cm. u cầu người trộn bột
phải được đeo kính bảo hộ, găng tay cao su và
khẩu trang.
- Nạp  vữa vào lỗ khoan: Làm sạch lỗ khoan
trước khi nạp vữa bằng cách thổi khí để đưa phoi
khoan và các bụi bẩn khác ra khỏi lỗ khoan. Dừng
nạp khi vữa đã nạp vào cách miệng lỗ 30 mm. Nạp
vữa vào lỗ khoan cần tiến hành cẩn thận, sao cho
vữa được đều  và không tạo thành những túi khí
trong lỗ (sử dụng gậy nhỏ để chọc xử lý độ rỗng
vữa trong lỗ khoan). Với những lỗ nằm ngang, có
thể sử dụng bơm vữa lỏng vào hoặc lồng 1 cái
phễu mỏng, nhỏ vào trong lỗ, sau đó bơm vữa từ

từ vào phễu, đồng thời rút phễu ra khỏi lỗ. Cần
nhanh chóng che đậy lỗ lại sau khi nạp vữa.
2.4. Tính tốn các thơng số phá vỡ khối đá
bằng bột nở.

H.2. Khối đá bị phá vỡ khi dùng bột nở [2]

40

CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021

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) thơng
thường  từ 36÷60mm. Đường kính càng lớn, lực
trương nở càng lớn cho nên có thể tăng khỏang
cách giữa các lỗ khoan. Đường kính lỗ khoan hợp
lý nhất đối với đá tảng là 38mm.


NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI

XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ

Chiều sâu lỗ khoan (L) phụ thuộc vào loại đá và
được lấy như sau: đá tảng (đá mồ côi) bằng 80 %
chiều cao khối đá; đá liền khối phân lớp bằng 105
% chiều cao lớp; bê tông bằng 90 % chiều cao khối
bê tông.

Khoảng cách giữa các lỗ khoan phụ thuộc
vào loại đá cần phá vỡ, thường dao động trong
khoảng 25÷45 cm, đá càng rắn chắc thì khoảng
cách càng nhỏ.
Thể tích của vữa ban đầu V0 nạp vào lỗ khoan
được xác định theo công thức:
V0=0,25πD20,

(1)

Sau thời gian nhất định đã nạp vữa, thể tích vữa
sẽ nở làm tăng thể tích lên N lần, tức là thể tích vữa
sau trương nở tối đa sẽ là VN=NV0. Nếu khơng có
thành lỗ khoan ngăn chặn thì thể tích vữa VN sẽ
chứa trong một khơng gian với lỗ khoan có đường
kính là D, xác định trong mối quan hệ như sau:
VN=0,25πD2=NV0,

cách tâm lỗ khoan một khoảng r ( với r ≥ R ) thì giá
trị σr có thể lấy theo cơng thức gần đúng sau đây
[2]:
σr=k1k2PR/r2,

(6)

Theo công thức (6) cho thấy khi r=R thì σr= P,
khi r khá lớn thì giá trị ứng suất này khá nhỏ (r
tiến tới vơ cùng thì σr dần tới không); k1 là hệ số
giảm ứng suất do các ngun nhân thi cơng, thời
tiết nóng trên 200C, thường lấy k1=0,8-0,9; k2 là hệ

số kể đến đường kính lỗ khoan lớn hơn 32mm và
chiều sâu lỗ khoan lớn hơn 1,0m, thường lấy trung
bình k2=0,7.
2.4.2. Xác định khoảng cách tối ưu giữa hai
lỗ khoan
Với khoảng cách giữa hai tâm lỗ khoan 1 và lỗ
khoan 2 là a (xem hình H.2).

(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
phát sinh áp lực P trên biên thành lỗ khoan để
chống lại biến dạng trên đây. Gía trị ứng suất này
có thể tính theo lý thuyết đàn hồi như sau:
P=EƐ=E (N0.5 -1),

(5)

Áp lực P được phân bố đều trên biên thành lỗ
khoan (xem hình H.4).

H.2. Tách đá theo đường nối hai tâm lỗ khoan
Tại một điểm N nằm trên đoạn thẳng nối hai
tâm lỗ khoan 1 và 2 và cách lỗ khoan thứ nhất một
khoảng r1, cách lỗ khoan thứ 2 một khoảng r2 sẽ có
ứng suất tổng là [2]:
σrT=k1k2PR(1/r12 + 1/r22),

(7)

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],
H.4. Áp lực P phân bố đều tác động lên thành lỗ khoan
Khi bên trong thành một lỗ khoan tác dụng một
áp lực P phân bố đều trên chu vi thì trong khối đá
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)

(9)

Trong (9): [σ] - cường độ của đá.

Thay giá trị của P từ (5) vào (9) sau đó biến đổi
ta nhận được quan hệ sau:
σrT=4 k1k2RE (N0.5 -1)/a2 ≥ [σ],

(10)

Từ (10) rút ra:

CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021 41


XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ

a ≤ (4 k1k2RE (N0.5 -1)/ [σ])0.5,

NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI

(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)

Từ (12) cho thấy khoảng cách a giữa hai lỗ

khoan phụ thuộc vào mô đun đàn hồi của khối đá,
cường độ của khối đá và hệ số tăng thể tích của
bột nở.
2.4.3. Lượng bột nở để phá vỡ 1m3 đá.
Thể tích vùng đá khối bị phá hủy Vph do một lỗ
khoan tạo ra tính gần đúng sẽ là:
Vph=L.a2, m3,



(13)

Lượng bột nở Q nạp vào lỗ khoan là:
Q=L.∆, kg, với ∆ là mật độ bột nở phân bố cho
1m dài lỗ khoan.
Như vậy lượng bột nở đơn vị q để phá hủy 1m3
đá sẽ là:
q=Q/Vph=L.∆/L.a2=∆/a2, kg/m3,

(14)

Mật độ bột nở phân bố cho 1m dài lỗ khoan ∆
phụ thuộc vào loại bột nở, đường kính lỗ khoan; có
thể lấy thực nghiệm hiện trường hay theo Bảng 1.
Bảng 1. Lượng bột nở định mức cho 1m dài lỗ khoan [3], [4].
Loại bột nở

Mật độ bột nở cho 1 m
dài lỗ khoan ∆ (kg/m) phụ thuộc vào

đường kính lỗ khoan

36 mm

38 mm

40mm

42mm

Bột nở High Range
Soundless của Trung
Quốc

1,6

1,8

2,0

2,2

Bột nở Sino-Crack của
Trung Quốc

1.4

1.6

1.8

2.0

Bột nở phá đá Tràng An
do Việt Nam sản xuất

1,8

2,0

2,2

2,4

2.4.4. Tính tốn minh họa
Để tính tốn minh họa số ta lấy các số liệu
sau đây:
Bán kính lỗ khoan R=18mm=0,018m
(D=2R=0,036 m); [σ]=30 MPa; E=4.000 MPa;
sử dụng bột nở Sino-Crack của Trung Quốc; lấy
k1=0,8; k2=0,7.
Tính tốn: Tra bảng 1 cho ∆=1,6 kg/m. Thay các
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.
Kinh nghiệm dùng bột nở pha đá và bê tơng cho
thấy chi phí lượng bột nở cho 1m3 vật liệu phá vỡ
dao động như cho trên Bảng 2.
42

CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021

Loại đá
cần phá vỡ

Bột nở
High Range
Soundless
của Trung
Quốc

Bột nở phá
Bột nở Sinođá Tràng An
Crack của
do Việt Nam
Trung Quốc
sản xuất

Đá mềm

5÷8

4÷6

6÷7

Đá cứng trung bình

8÷12

6÷10

7÷11

Đá rất cứng

12÷20

10÷15

11÷16

Bê tơng thường

5÷8

5÷10

6÷12

Bê tơng cốt thép

10÷25

10÷20

12÷22

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Một trong các phương pháp phá vỡ đá khối
thành các khối nhỏ trong khai thác mỏ, trong xây

dựng cơng trình là sử dụng bột nở. Trong một số
điều kiện môi trường và vị trí nơi xây dựng cơng
trình khơng cho phép dùng phương pháp nổ mìn thì
đây là phương pháp khả thi, hiệu quả và đơn giản.
Các loại bột nở sử dụng hiện nay đều đáp ứng
yêu cầu sử dụng với các ưu điểm về nhiều mặt.
Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng các thơng số
quan trọng trong quy trình cơng nghệ sử dụng bột
nở phá vỡ đá khối hay bê tông là khoảng cách tối
ưu giữa hai lỗ khoan a (m) và chi phí lượng bột nở
để phá vỡ 1 m3 đá khối q (kg/m3).
Khoảng cách giữa hai lỗ khoan a (m) phụ thuộc
vào giới hạn bền của đá khối, đường kính lỗ khoan
và hệ số trương nở thể tích của vữa bột nở. Khi đá
có cường độ lớn thì khoảng cách giữa hai lỗ khoan
sẽ nhỏ hơn; nếu hệ số trương nở thể tích càng lớn
thì áp lực phá vỡ càng tăng và do đó có thể tăng
khoảng cách giữa hai lỗ khoan.
Chi phí lượng bột nở q (kg/m3) để phá vỡ 1m3
vật liệu (đá khối, bê tông,..) dao động trong khoảng
từ 4 kg đến 25 kg. Giá trị q phụ thuộc khơng chỉ vào
loại bột nở mà cịn phụ thuộc vào định mức lượng
thuốc cho một mét dài lỗ khoan, vào độ bền của vật
liệu cần phá và vào đường kính của lỗ khoan. Khi
đá cứng thì lượng bột nở q tăng lên và ngược lại.
4. KẾT LUẬN
Có nhiều phương pháp phá vỡ khối đá trong
xây dựng và khai thác mỏ. Khi phương pháp nổ
mìn khơng thể tiến hành được và các phương pháp

NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI

khác có nhiều nhược điểm thì phương pháp phá vỡ
khối đá bằng bột nở là khả thi và mang lại hiệu quả.
Nguyên lý của phương pháp phá vỡ khối đá
bằng bột nở là tạo ra nội ứng suất trong khối đá do
thể tích bột nở tăng lên khi pha trộn với nước và
nạp vữa vào lỗ khoan.
Đã đưa ra các quy trình thi cơng phá vỡ khối
đá bằng bột nở theo các bước như sau: khoan lỗ,

XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ

trộn bột nở thành vữa, nạp vữa vào lỗ khoan, đậy
lỗ khoan.
Đã tính tốn được khoảng cách tối ưu giữa hai
lỗ khoan để nạp vữa a theo cơng thức (12) và tính
tốn minh họa số cho thấy phù hợp với thực tiễn.
Đã đưa ra cơng thức tính chi phí bột nở q để phá
vỡ 1m3 đá theo cơng thức (14) và tính tốn minh
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 < />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.

CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021 43


XÂY DỰNG CƠNG 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 Đồn
Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Email:

TĨM 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 mơ hình với kích thước lưới (dài×rộng×cao=6 m×0,6 m×4 m), lắp đặt thanh
neo vào giữa mơ hình với kích thước tấm đệm bằng 150×150 mm. Mơ 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 cơng
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
Cấu tạo của kết cấu chống neo bao gồm các
bộ phận: thân cốt neo, tấm đệm neo, đai ốc neo
và vịng đệm. Trong đó tấm đệm neo khi thiết kế
lựa chọn cần phải đưa ra được kích thước chiều
rộng, chiều dày và các tham số về cơ học vật liệu
làm tấm đệm. Hiện nay trong các thiết kế hộ chiếu
chống neo việc lựa chọn chiều dày cho tấm đệm
thường khơng tính tốn lựa chọn mà lấy theo kinh
nghiệm, chính vì vậy có thể dẫn đến việc lựa chọn
chiều dày tấm đệm quá lớn gây lãng phí vật liệu
hoặc lựa chọn chiều dày tấm đệm quá mỏng sẽ làm
giảm hiệu quả của gia cố. Về mặt định tính chúng
ta có thể thấy rằng chiều dày tấm đệm neo có ảnh
hưởng đến việc phân bố ứng suất theo phương
tiếp tuyến và biến dạng theo phương tiếp tuyến trên
bề mặt tấm đệm hay nói cách khác là ảnh hưởng
trực tiếp đến chịu lực của tấm đệm. Hiện nay, các

công bố nghiên cứu về ảnh hưởng của chiều dày
tấm đệm neo đến sự phân bố ứng suất tiếp tuyến
và biết dạng tiếp tuyến trong tấm đệm cịn ít được
đề cập đến. Bài viết sử dụng phương pháp số xây
dựng mơ hình với kích thước lưới (chiều dài × rộng
× cao=6 m×0,6 m×4 m), lắp đặt thanh neo vào giữa
mơ hình với kích thước tấm đệm bằng 150×150
mm. Mơ phỏng ảnh hưởng của chiều dày tấm đệm
neo đến phân bố ứng suất tiếp tuyến và biến dạng
44

CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021

tiếp tuyến trên bề mặt tấm đệm. Kết quả cho thấy
sự phụ thuộc rất rõ phân bố ứng suất tiếp tuyến
và biến dạng tiếp tuyến trên bề mặt tấm đệm neo
khi thay đổi chiều dày tấm đệm. Cũng từ kết quả
nghiên cứu sẽ giúp cho các đơn vị thiết kế thi cơng
có cơ sở để lựa chọn kích thước chiều dày cho tấm
đệm neo.
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1. Giới thiệu tấm đệm neo
Tấm đệm neo là một trong những bộ phận quan
trọng cấu thành nên kết cấu chống neo. Nếu tấm
đệm mất hiệu quả, mất tác dụng thì kết cấu chống
neo cũng mất đi tác dụng chống giữ [4]. Để cho tấm
đệm làm việc hiệu quả ngoài phụ thuộc chất lượng
trong q trình thi cơng lắp đặt cịn phụ thuộc vào
kích thước của tấm đệm trong đó có kích thước về
chiều dày tấm đệm. Hiện nay để chống giữ đường

lò bằng kết cấu chống neo thường dùng 2 loại
kết cấu chống neo đó là neo thường và neo cáp,
ứng với mỗi loại neo này thì sử dụng tấm đệm có
chiều dày và kích thước tương ứng. Đối với neo
thường kích thước tấm đệm neo phổ biến sử dụng
các loại có kích thước: dài×rộng×dày (mm) bằng
120×120×6 mm, 150×150×8 mm, 150×150×10
mm, 200×200×10 mm, 250×250×10 mm. Đối với
neo cáp thì kích thước tấm đệm neo phổ biến dùng
các loại có kích thước: dài×rộng×dày (mm) bằng


NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI

XÂY DỰNG CƠNG 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
của neo thường và neo cáp trong kết cấu neo thể
hiện trên hình H.1.

H.1. Vị trí lắp tấm đệm neo thường và neo cáp
2.2. Phân tích chịu lực trên vỏ tấm đệm cầu
Để tính tốn khả năng chịu tải của tấm đệm, giả
thiết tấm đệm hình cầu có bán kính cầu cong lồi là
R, tải trọng tập trung truyền từ đai ốc neo vào đệm
cầu là P, mặt dưới tấm đệm ép sát vào bề mặt đất
đá coi là gối cố định, mơ hình tính tốn chịu lực của
tấm đệm cầu thể hiện trên hình H.2 [1].
a)

(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.
Theo tài liệu [3] quá trình làm thí nghiệm gia tải
thấy rằng, khi gia tải vào tấm đệm cầu, vị trí góc α’
hợp bởi lực P bắt đầu ở trạng thái giới hạn, lực tiếp
tục được truyền xuống phần cầu cong bên dưới
của tấm đệm và cuối cùng đạt đến vị trí trạng thái
giới hạn phá hủy α’’. Theo công thức (1), (2) αM
càng nhỏ, tải trọng theo phương pháp tuyến và tiếp
tuyến càng lớn, giá trị ứng suất chính càng lớn sẽ
dẫn đến tấm đệm cầu bị phá hủy. Vị trí phá hủy sẽ
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 cơng 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 cơng thức sau [3]:
τs=(σ1 - σ2)/2=σs/2

Hình 2. Mơ hình tính tốn chịu lực của tấm đệm cầu

(5)

Thay công thức (3) và (4) vào (5) ta có cơng
thức tính lực chịu tải của tậm đệm cầu như sau [4]:

a) Mơ 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
theo phương pháp tuyến và tiếp tuyến N1 và N2
dưới tác dụng của lực P được tính theo cơng thức
sau: [3], [4]:

(6)
Thơng qua biến đổi quan hệ hình học đạt được
bán kính vỏ cầu theo cơng thức sau [3]:

CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021 45


XÂY DỰNG CƠNG 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
được σs của vật liệu thép, chiều dày b và bán kính
cong đáy cầu, sử dụng cơng thức (6), (7) có thể tính
ra bán kính cầu R, chiều cao cầu h, bán kính lỗ tấm
đệm a thỏa mãn theo bất đẳng thức sau [3]:
(8)

Trong đó: C=πbσs là hằng số vật lý của thép tấm
đệm, khi có được phạm vi giá trị bán kính cầu hợp
lý R sẽ tính ngược ra được phạm vi thiết kế hợp lý
của giá trị h và a, b từ đó xác định được tham số
hình học của khn làm tấm đệm.
2.3. Mơ phỏng ảnh hưởng chiều dày tấm
đệm đến phân bố ứng suất và biến dạng tiếp
tuyến trên tấm đệm
2.3.1 Xây dựng mơ hình mơ phỏng
Do ảnh hưởng của tham số chiều dày tấm đệm
đến phân bố ứng suất trong tấm đệm có giá trị
nhỏ, nên nếu xây dựng mơ hình khối đá sau đó
tiến hành đào đường lị 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
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 mơ hình khối đá với các điều kiện biên và lắp
đặt kết cấu neo để nghiêm cứu.

H.3. Mơ hình lưới mơ phỏng
Mơ hình mơ nghiên cứu ảnh hưởng của tham số
chiều dày tấm đệm neo đến ứng suất tiếp tuyến và
biến dạng tiếp tuyến trong tấm đệm được sử dụng
bằng phần mềm Flac3D [1]. Kích thước của mơ hình
lưới (chiều dài×rộng×cao=6 m×0,6 m×4 m), lắp đặt
thanh neo vào giữa mơ 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
mm và 24 mm. Trong mơ hình tính lấy kích thước
tấm đệm bằng 150×150 mm, mơ đun đàn hồi của
tấm đệm bằng 200 GPa, hệ số Poisson μ=0.3,
cường độ giới hạn của tấm đệm băng 235 MPa,
cường độ giới hạn của thanh neo bằng 500 MPa,
chiều dài neo bằng 2,4 m đường kính 22 mm. Các
tham số của khối đá thể hiện trên Bảng 1.
2.3.2. Ảnh hưởng của chiều dày tấm đệm đến
phân bố ứng suất tiếp tuyến trên tấm đệm
Kết quả hình ảnh mơ phỏng ảnh hưởng của
chiều dày tấm đệm đến ứng suất theo phương tiếp
tuyến trên bề mặt tấm đệm thể hiện trên hình H.4.

h=8 mm h=12 mm h=16 mm

h=20 mm h=24 mm
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

46

Mật độ
(kg.m-3)

Mô đun thể tích
(GPa)

Mơ đun cắt
(GPa)

Góc ma sát trong
(độ)

Cường độ kháng kéo
(MPa)

Lực dính kết
(MPa)

2500

2,18

1,45

32

0,40

1,10

CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021


NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI

Đường cong phân bố ứng suất theo phương
tiếp tuyến trên bề mặt tấm đệm ứng với các chiều
dày của tấm đêm thể hiện trên hình H.5.

H.5. Đường cong phân bố ứng suất tiếp tuyến
ứng với các chiều dày tấm đệm
2.3.3. Ảnh hưởng của chiều dày tấm đệm đến
biến dạng theo phương tiếp tuyến trên tấm đệm
Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của chiều dày
tấm đệm đến biến dạng theo phương tiếp tuyến
trên bề mặt tấm đệm thể hiện trên hình H.6.

H.6. Biến dạng theo phương tiếp tuyến trên tấm đệm
ứng với các chiều dày
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Từ kết quả mô phỏng thể hiện trên các hình H.4
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
mặt tấm đệm có sự thay đổi, chiều dày tấm đệm
neo càng lớn thì giá trị ứng suất tiếp tuyến trên bề
mặt tấm đệm càng nhỏ. Cũng từ đường cong phân

XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ

bố ứng suất tiếp tuyến trên bề mặt tấm đệm ứng
với các trường hợp chiều dày thấy rằng ứng suất
tiếp tuyến tập trung lớn nhất tại vị trí cách tâm tấm
đệm 50 mm và giảm dần về phía bên ngồi 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 khơng nên
lựa chọn tấm đệm có chiều dày q lớn vì khơng
có tác dụng nhiều về mặt chịu lực mà cịn gây lãng
phí vật liệu, nhưng cũng khơng 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 mơ phỏng thể hiện trên hình H.6 ta
có thể thấy rằng khi thay đổi giá trị chiều dày tấm
đệm thì biến dạng theo phương tiếp tuyến trên bề
mặt tấm đệm có sự thay đổi. Chiều dày tấm đệm
neo càng lớn thì giá trị biến dạng theo phương tiếp
tuyến trên bề mặt tấm đệm càng nhỏ, điều này có
thể giải thích là khi chiều dày tấm đệm tăng làm

cho tấm đệm cứng hơn từ đó khả năng kháng biến
dạng cũng lớn hơn. Cũng từ biểu đồ đường cong
biến dạng theo phương tiếp tuyến trên tấm đệm
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
chiều dày tấm đệm khơng nên chọn q mỏng vì
sẽ làm cho tấm đệm biến dạng lớn không đáp ứng
được khả năng kháng biến dạng của tấm đệm.
Nhưng cũng không nên chọn chiều dày tấm đệm
quá lớn vì sẽ làm cho chi phí vật liệu tăng.
4. KẾT LUẬN
➢ Chiều dày của tấm đệm neo có ảnh hưởng
đến phân bố ứng suất tiếp tuyến trong tấm đệm,
nhưng vị trí ứng suất tập trung lớn nhất chỉ xuất

CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021 47

XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ

hiện tại vị trí cách tâm của tấm đệm 50 mm cịn
vùng ngồi biên và sát tâm tấm đệm có ảnh hưởng
khơng nhiều. Chiều dày của tấm đệm càng lớn giá
trị ứng suất tiếp tuyến càng nhỏ và ngược lại.
➢ Chiều dày tấm đệm có ảnh hưởng đến biến
dạng tiếp tuyến trong tấm đệm. Kết quả mô phỏng
cho thấy biến dạng theo phương tiếp tuyến tập
trung chủ yếu vùng chịu ứng suất tiếp tuyến lớn
nhất, vùng này cách tâm tấm đệm bằng 50 mm,
trong vùng tâm và biên ngoài tấm đệm với khoảng

NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI

20÷50 mm do ứng suất tiếp tuyến khá nhỏ nên biến
dạng cũng khá nhỏ.
➢ Từ kết quả mô phỏng cho thấy khi lựa chọn
chiều dày tấm đệm không nên chọn quá mỏng vì sẽ
làm cho tấm đệm biến dạng lớn không đáp ứng được
khả năng kháng biến dạng của tấm đệm. Nhưng
cũng không nên chọn chiều dày tấm đệm q lớn
vì sẽ làm cho chi phí vật liệu tăng. Thông thường
chiều dày tấm đệm cho neo thường bằng từ 8÷10
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 cơng bố trong bài báo theo Luật Báo chí Việt Nam.

48

CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021