Giáo trình cơ học đá - Chương 5 ppt

284.
Cơ học đá




Chng 5
TRNG THI NG SUT V
P LC XUNG QUANH CễNG TRèNH NGM
5.1. NG SUT T NHIấN TRONG KHI
Ngy nay con ngi cng ủi sõu vo trong lũng ủt ủ khai thỏc khoỏng sn v
tỡm hiu Trỏi t. Ngi ta ủó khai thỏc n , Nam Phi trong nhng m ủ sõu
3000 3500m, du v khớ ủó ủc khai thỏc trong cỏc ging khoan sõu ti 6000
7000m v l khoan sõu nht th gii ủó tin hnh bỏn ủo Konxki (Liờn Xụ c) ủt
ti chiu sõu 12.206m.
Nhng s liu trờn so vi bỏn kớnh Trỏi t ( khong 6370000m) thỡ tht l vụ
cựng bộ, ngha l ủỏ mi ch ủc nghiờn cu phn ngoi cựng ca v Trỏi t.
cỏc chiu sõu khỏc nhau, do chu lc nộn ca cỏc lp ủỏ nm trờn nờn trong
ủỏ ủó xut hin ng sut gi l ng sut t nhiờn. ng sut t nhiờn trong khi ủỏ
chu nh hng quyt ủnh ca hai yu t l trng lc v lc kin to.
Trng lc l lc hỳt ca Trỏi t, ủc ủc trng bng gia tc ri t do, ký
hiu l g. Nú ph thuc vo khong cỏch t ủim ủang xột ti tõm ca Trỏi t v
trng lng th tớch ca ủỏ. Vỡ hỡnh dỏng Trỏi t khụng phi l mt hỡnh cu tuyt
ủi nờn ti cỏc ủim khỏc nhau trờn Trỏi t, giỏ tr ca gia tc g khụng nh nhau.
Nu coi s sai khỏc ny l khụng ủỏng k thỡ trong tớnh toỏn, ngi ta thng ly giỏ
tr ca gia tc g=981cm/s
2
hay 1000cm/s
2
.

Trng lc s gõy ra thnh phn ng sut thng ủng tu theo khong cỏch z t
ủim ủang xột ti mt ủt v trng lng th tớch ca cỏc lp ủỏ nm trờn, ủc tớnh
theo cụng thc:

z
= . z (5.1)
Nhiu nh nghiờn cu ủó ủo ng sut ti cỏc chiu sõu khỏc nhau trong cỏc m
v cụng trỡnh xõy dng cỏc ủim khỏc nhau trờn th gii v ủó khng ủnh quan h
trờn v th hin chỳng trờn hỡnh 5.1.
Trng lc ủng thi cng gõy ra cỏc ng sut theo phng ngang. Chỳng s
ủc nghiờn cu trong phn sau.
Cỏc lc kin to phc tp hn
trng lc vỡ nú phõn b khụng ủu
trong khụng gian vi cỏc tc ủ
chuyn ủng v bin dng khỏc nhau.
Theo A.V. Peyve, cỏc lc kin
to cú th l lc ca cỏc quỏ trỡnh
nhit, lm cht, c hc hay quay vi

C¬ häc ®¸.
285

tốc ñộ không ổn ñịnh của Trái ðất. Các chuyển ñộng kiến tạo gây ra lực kiến tạo có
phương nằm ngang ñược coi là nguyên nhân của ứng suất tiếp lớn nhất, xuất hiện
trong khối ñá.
5.1.1. CÁC GIẢ THUYẾT VỀ SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG KHỐI ðÁ
Dưới tác dụng của trọng lực và lực kiến tạo, tại một ñiểm bất kỳ nằm sâu trong
khối ñá sẽ có các ứng suất theo các phương khác nhau. ðể nghiên cứu chúng, người
ta phải ñề ra các giả thuyết về quan hệ
giữa các loại ứng suất trong ñá.

Các giả thuyết này ñều dựa trên
giả thiết là khối ñá chỉ chịu tác dụng
của trọng lực.
5.1.1.1. Giả thuyết của A. Heim
Trong quá trình xây dựng các ñường hầm, nhà ñịa chất Thuỵ Sỹ Albert Heim
nhận thấy là hầm chịu ảnh hưởng của các áp lực cao, tác dụng theo mọi phía trong
khối ñá. Ông cho rằng thành phần ứng suất theo phương thẳng ñứng σ
z
do trọng
lượng của khối ñá nằm trên gây ra bằng với thành phần ứng suất nằm ngang σ
x
.
σ
x
= σ
z
= γ z (5.2)
trong ñó: γ là trọng lượng thể tích của ñá;
z là chiều sâu từ ñiểm ñang xét trong khối ñá ñến mặt ñất.
Giả thuyết này Heim ñề ra năm 1878. Trước ñó 4 năm, kỹ sư mỏ người ðức
F.Rziha cũng có những ý kiến tương tự.
Theo giả thuyết này, không thể giải thích ñược hiện tượng sai khác giữa ứng
suất theo phương nằm ngang và theo phương thẳng ñứng ñã quan sát thấy ở một số
khu vực.
5.1.1.2. Giả thuyết của K. Terzaghi
K.Terzaghi ñã liên hệ ứng suất dư với tính chất ñàn hồi của ñá và cho rằng nếu
một khối ñá bị nén dưới tác dụng của trọng lượng bản thân nó theo phương thẳng
ñứng, thì nó cũng bị nén cả theo phương nằm ngang, biểu thị bằng hệ số biến dạng
ngang (hệ số Poisson) ν. Ở chiều sâu rất lớn, sự phát triển theo phương ngang bị hạn
chế bởi môi trường xung quanh. Do vậy, trong mặt phẳng của khối ñá, không xảy ra

sự dịch chuyển ngang mà chỉ sinh ra ứng suất phản.
Theo ñịnh luật Hooke tổng quát, ñối với vật ñàn hồi, ñẳng hướng có thể viết:

( )
[
]
zyxx

E
1
σ+σν−σ=ε (5.3)
trong ñó: ε
x
là biến dạng tương ñối theo phương X;
E là môñun ñàn hồi;
ν là hệ số Poisson;
σ
x
, σ
y
, σ
z
là các ứng suất theo các phương X, Y, Z.
Hình 5.1. ðo ứng suất thẳng
ñứng tại các chiều sâu khác nhau ở các
ñiểm trên thế giới (theo Hoek và Brow,
1978).

286.
C¬ häc ®¸

Theo giả thuyết của Terzaghi, không có biến dạng theo phương ngang, nghĩa là
ε
x
= 0, nên:
σ
x
– ν (σ
y
+ σ
z
) = 0 (5.4)
Coi các ứng suất trong mặt phẳng ngang là bằng nhau (σ
x
= σ
y
), suy ra:
σ
x
=
z

1
σ
ν−
ν
(5.5)
Ứng suất theo phương thẳng ñứng σ
z
có thể tính theo công thức (5.2), nên giả

thuyết của Terzaghi có thể viết:
σ
x
= z
1
γ
ν
ν
−
(5.6)
Hệ số
ν−
ν
1
gọi là hệ số áp lực ngang, ký hiệu là λ
o
. Vì hệ số Poisson ν thay
ñổi trong khoảng 0,08 – 0,5 nên hệ số áp lực ngang thay ñổi từ 0,1 – 1 (thường
là khoảng 0,2 – 0,3) nghĩa là rất nhỏ so với giả thuyết của A.Heim.
Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng giả thuyết này không phù hợp với thực tế và
việc xác ñịnh hệ số Poisson (cơ sở ñể tính hệ số áp lực ngang) của ñá nứt nẻ rất khó
khăn và thiếu chính xác ñã hạn chế khả năng sử dụng của giả thuyết này.
5.1.2.3. Giả thuyết của P.R.Sheorey
Năm 1994, Sheorey ñã phát triển mô hình ứng suất nhiệt ñàn hồi tĩnh cho ñất
và ñã lập ñược công thức ñể biểu diễn quan hệ giữa các thành phần ứng suất nằm
ngang và ứng suất thẳng ñứng theo một tỷ số k, ñược xác ñịnh theo công thức:
k = 0,25 + 7E
x








+
z
1
001,0
(5.7)
trong ñó: E
x
là môñun biến dạng trung bình của các lớp nằm trên, ñược xác
ñịnh theo hướng nằm ngang, tính bằng GPa.
z là chiều sâu ñiểm ñang xét tính từ mặt ñất (m).
Theo phương trình trên, P.R.Sheorey ñã vẽ ñồ thị biểu diễn sự thay ñổi của k
theo chiều sâu khi với các giá trị của E
x
khác nhau (hình 5.2).
Biểu ñồ của Sheorey cũng
tương ứng với các kết quả nghiên cứu
của E.T. Brown và E. Hoek (1978),
của G.Herget (1988) và một số tác
giả khác.
Như vậy, dù theo giả thuyết nào
chăng nữa, thì giữa ứng suất theo
phương ngang và ứng suất theo
phương thẳng ñứng của một ñiểm tại
một chiều sâu bất kỳ nào ñó trong
khối ñá cũng có một tỷ số. Thực tế

thấy là tỷ số này thay ñổi trong phạm
Hình 5.2. Bi
ểu ñồ quan hệ giữa hệ số
k và chiều sâu với các giá trị môñun biến
dạng ngang khác nhau.

0
1
2
3
4
Κ
1000
2000
3000
E (GP )
a
x
10
25
50
75
100
Z(m)

Cơ học đá.
287

vi khỏ rng, tu thuc ủiu kin c th ca khu vc nghiờn cu: N.Hast nghiờn cu
mt s m ca Thu S thỡ thy h s k rt ln, bng 1,5 8, cũn L.Obert (1967) ủó

nghiờn cu ti mt s m M thỡ t s k cng xp x bng 1.
Vỡ vy, khụng th d ủoỏn ủc h s k cho tng vựng m phi tu ủiu kin c th
xỏc ủnh cho phự hp v cỏc gi thuyt v s phõn b ng sut phi ủc hon chnh
thờm.
5.1.2. TRNG THI NG SUT BAN U CA KHI
Trng thỏi ng sut l tp hp ca cỏc ng sut sinh ra trong khi ủỏ khi chu
tỏc dng ca ngoi lc.
trng thỏi t nhiờn (khi cha thi cụng cụng trỡnh), ủỏ ủó cú mt trng thỏi
ng sut gi l trng thỏi ng sut ban ủu. õy l mt ủc ủim c hc rt ủc bit
ca khi ủỏ. Nhng vic xỏc ủnh trng thỏi ng sut ban ủu ca ủỏ rt kộm chớnh
xỏc vỡ ti liu v tớnh cht ca khi ủỏ cũn ớt, phi xỏc lp mt gi thuyt riờng cho
khi ủỏ. Mt khỏc, vic tin hnh thc nghim trờn khi ủỏ rt phc tp, ủụi khi lm
hng trng thỏi ng sut ban ủu ca nú.
Nh ủó núi trờn, ng sut ca ủỏ ph thuc vo trng lc v cỏc lc kin to
m trong ủú trng lc ủúng vai trũ quyt ủnh. Cỏc lc kin to, tỏc ủng ca nc
ngm v nc mt, cỏc hot ủng sn xut ca con ngi cú tỏc dng lm sai lch
trng thỏi ng sut ban ủu do trng lc gõy ra.
nghiờn cu trng thỏi ng sut ban ủu, ngi ta cú th dựng phng phỏp
gii tớch hay phng phỏp thc nghim.
Phng phỏp gii tớch da trờn cỏc s liu ủó thu thp ủc v tớnh cht ca ủỏ,
cú th ủỏnh giỏ ủc gn ủỳng thnh phn trng lc v nờu ra nh hng ca lc
kin to, cỏc quỏ trỡnh to ủỏ.
Phng phỏp thc nghim nhm kim tra li vic ủỏnh giỏ ca phng phỏp
gii tớch v k ủn cỏc yu t khỏc trong vic thnh to trng thỏi ng sut, nhng nú
li mang tớnh cht khu vc, thiu tớnh cht tng quỏt cho ton b khi ủỏ. Vỡ vy, nờn
ủỏnh giỏ trng thỏi ng sut ban ủu bng phng phỏp gii tớch.
Ti mt ủim bt k ca khi ủỏ ủc ủc trng bng 6 thnh phn ng sut: 3
thnh phn ng sut phỏp
x
,

y
,
z
v 3 thnh phn ng sut tip tỏc dng trong cỏc
mt phng tng ng
xy
,
xz
,
yz
(hỡnh 5.3). Gi s rng cỏc ng sut ny ch do
trng lc gõy ra thỡ cỏc thnh phn ng sut s thay ủi theo chiu sõu ca ủim ủang
xột.
Riờng thnh phn ng sut phỏp theo
phng thng ủng
z
, vi ủỏ phõn lp cú th tớnh
theo cụng thc:

z
=
i
h
i
(5.8)
trong ủú:
i
l trng lng th tớch ca lp
ủỏ th i cú chiu dy l h
i

.
hay cú th tớnh theo cụng thc:
Hỡnh 5.3 Cỏc thnh phn ng
sut trong mt phõn t ủỏ.
z
x
y
zx
zy
yx
yz


z





y

x

xz
xy

288.
C¬ häc ®¸

σ

z
=
∫
γ
H
o
dz )z(
(5.9)
với H là chiều dày lớp ñá ñang xét.
Các thành phần ứng suất khác sẽ ñược tính theo σ
z
với các hệ số tỷ lệ:








σ
τ
=λ
σ
τ
=λ
σ
τ
=λ
σ

σ
=λ
σ
σ
=λ
, ;
;
z
yz
yz
z
xz
xz
z
xy
xy
z
y
y
z
x
x
(5.10)
Các hệ số λ
x
, λ
y
chính là hệ số áp lực ngang. Tuỳ theo ñiều kiện ñịa chất của
vùng mà các hệ số này có thể lớn hơn hay nhỏ hơn 1 như ñã nói trên. Mặt khác, tuỳ
theo mức ñộ ñồng nhất và ñẳng hướng của ñá mà các hệ số này cũng ñược tính theo

các công thức khác nhau.
Với ñá biến dạng tuyến tính, ñồng nhất và ñẳng hướng thì theo giả thuyết
Terzaghi:

ν−
ν
=λ=λ
1

yx
(5.11)
Với ñá biến dạng tuyến tính, không ñồng nhất và chỉ ñẳng hướng theo mặt (giả
sử mặt ñẳng hướng vuông góc với trục z) thì:

ν−
ν
=λ=λ
1

E
E

1
1
yx
(5.12)
trong ñó: E, ν là môñun ñàn hồi và hệ số Poisson của ñá trong mặt ñẳng
hướng;
E
1

, ν
1
là các ñại lượng trên nhưng theo hướng vuông góc với mặt
ñẳng hướng.
Tuỳ theo các thành phần ứng suất mà trạng thái ứng suất ban ñầu của ñá sẽ
khác nhau.
Nói chung, người ta chia làm hai loại.
5.1.2.1. Trạng thái ứng suất thuỷ tĩnh
Với khối ñá ñồng nhất, ñẳng hướng, trạng thái ứng suất thuỷ tĩnh gồm các
thành phần sau:








=τ=τ=τ
σ=σ=σ
γ=σ
∫
0
dz )z(
yzxzxy
zyx
H
o
x
(5.13)

5.1.2.2. Trạng thái ứng suất không thuỷ tĩnh
Trong trạng thái này có thể chia ra:

C¬ häc ®¸.
289


Khối ñá ñồng nhất và không ñồng nhất, ñẳng hướng và không ñẳng hướng,
nhưng ổn ñịnh, sẽ có các thành phần ứng suất là:






σλ=τσλ=τσλ=τ
σλ=σσλ=σγ=σ
∫
. ; . ; .
. ; . ; dz )z(
zyzyzzxzxzzxyxy
H
o
zyyzxxx
(5.14)
Các hệ số λ trong các công thức trên phụ thuộc vào tính chất của ñá và các ñặc
trưng cơ học cấu trúc của nó, có thể tính theo công thức (5.11), (5.12).

Khối ñá bị phá hoại, có các thành phần ứng suất là:






=τ=τ=τ
σλ=σσλ=σγ=σ
∫
0
. ; . ; dz )z(
yzxzxy
H
o
zyyzxxx
(5.15)
Các hệ số λ có thể bằng 0 khi với ñá không có áp lực hay tính theo công thức
(5.11) với khối ñá có áp lực.

Khối ñá ñồng nhất và không ñồng nhất, ñẳng hướng và không ñẳng hướng,
chịu ảnh hưởng của các quá trình kiến tạo, grañien nhiệt ñộ cao, tải trọng trên mặt
lớn… thì các thành phần ứng suất có thể viết:








τ+σλ=ττ+σλ=ττ+σλ=τ

σ+σλ=σσ+σλ=σ
σ+γ=σ
∫
. ; . ; .
. ; .
dz )z(
*
yzzyzyz
*
xzzxzxz
*
xyzxyxy
*
yzyy
*
xzxx
H
o
*
zx
(5.16)
trong ñó:
, , , , ,
*
yz
*
xz
*
xy
*

z
*
y
*
x
τττσσσ
là các thành phần ứng suất bổ sung do các
lực kiến tạo, tải trọng trên mặt… gây ra.
Các hệ số λ có thể tính theo các công thức (5.11), (5.12).

Khối ñá phân lớp hay khối ñá có các mặt khe nứt song song với nhau.
-

Khi mặt phân lớp nằm ngang, thì ứng suất thẳng ñứng có thể tính theo
công thức (5.8), còn các ứng suất theo phương nằm ngang, có thể tính
theo công thức (5.12).
-

Khi mặt phân lớp (hay mặt khe nứt) hợp với phương thẳng ñứng một
góc α (hình 5.4), cho rằng trên bề mặt các khe nứt không có lực liên kết
(c = 0), tại ñấy, ñiều kiện bền Coulomb có thể viết:
τ
α
= σ
α
. tgϕ (5.17)
Tại chiều sâu z bất kỳ, thành phần ứng suất thẳng ñứng σ
z
vẫn ñược tính theo
công thức (5.1).

Trên sơ ñồ phân tích ứng suất,
chiếu lên các trục theo phương σ
x

và σ
z
sẽ ñược:
α
σ
σ
τ
z
x
α
α
τ
α
σ
α
z
α
σ
σ
τ
z
x
α
α
τ
α

σ
α
z
σ
z

290.
C¬ häc ®¸

σ
x
= σ
α
cosα (1 – tgϕ tgα)
(5.18)
σ
z
= σ
α
sinα (1+ tgϕ cotgα)
(5.19)
Do vậy:
( )
ϕ+α
=λ=
σ
σ
tg
1

z
x
(5.20)
Cuối cùng, thành phần ứng suất theo phương nằm ngang sẽ ñược tính theo
công thức:

( )
z . .
tg
1

x
γ
ϕ+α
=σ (5.21)
Các trạng thái ứng suất trên sẽ ñược dùng ñể giải các bài toán cơ học ñá trong
những trường hợp cụ thể.
5.1.3. SỰ PHÂN BỐ LẠI ỨNG SUẤT TRONG VỎ TRÁI ðẤT
Ở trạng thái không chuyển ñộng, khối ñá ñã có một trạng thái ứng suất ban ñầu
do trọng lượng của các lớp ñá nằm trên. Theo tính toán, khối ñá không thể bị phá huỷ
chỉ do một yếu tố trọng lực: Cho rằng granit có ñộ bền nén bằng 37 – 379MPa (theo
E.G. Gazier, 1973) và có trọng lượng thể tích trung bình bằng 26,6kN/m
3
(theo bảng
1.3) thì chiều sâu mà tại ñó ñá granit sẽ bị phá huỷ (bị nứt) do trọng lượng của khối
ñá cũng là granit nằm trên sẽ là từ khoảng 1400 ñến 14000m. Nhưng thực tế lại
không phải như vậy, khối ñá granit bị nứt nẻ tại những chiều sâu không ñáng kể và
các vết nứt hợp với phương của ứng suất chính (phương thẳng ñứng) những góc nhỏ
hơn 45
o

. Vì vậy phải có một thành phần ứng suất khác góp phần vào việc phá huỷ ñá.
ðiều này ñược nhiều nhà nghiên cứu giải thích rằng trong tự nhiên, khối ñá
luôn luôn ở trạng thái chuyển ñộng.
T.Kobayashi ñã nhận thấy là sau mỗi lần ñộng ñất, mặt ñất bị chuyển vị 2 –
3m, có khi tới 8m. Những năm gần ñây, do những trận ñộng ñất mạnh ở vùng
Hymalaya làm các ñỉnh núi bị nâng lên cao từ 40 – 60m và một vài ñỉnh núi trong
khoảng 50 năm trở lại ñây ñã bị nâng lên tất cả ñến gần 100m. H.Closs ñã nêu ñầy ñủ
những chứng cứ ñể giả thiết rằng hầu như mọi phần trên vỏ Trái ðất ñều ở trạng thái
chuyển ñộng. Tốc ñộ và ñặc trưng của chuyển ñộng này thay ñổi trong một phạm vi
rất rộng.
Ngay cả ở một phạm vi nhỏ mà theo quan ñiểm ñịa chất, có thể coi là cố kết,
người ta cũng vẫn ño ñược các chuyển vị rất nhỏ bằng các máy móc hiện ñại chính
xác: Giữa vùng Lestal và Closterl (ở ðức) cách nhau 100km, trong vòng 1 năm,
người ta ñã ghi ñược sự chênh lệch ñộ cao là 52mm.
E.Tschernig và A.Watznauer cũng ñã nêu ra nhiều dẫn chứng về sự chuyển vị
của khối ñá dọc theo các ñứt gẫy hay theo phương thẳng ñứng và nằm ngang.
Hình 5.4. Sơ ñ
ồ phân tích ứng suất trong khối
ñá có một hệ thống khe nứt.

Cơ học đá.
291

Tt c nhng thớ d trờn chng t cú nhng lc luụn luụn ủc b sung lm
chuyn v lp v Trỏi t, lm xut hin cỏc ng sut ln. Vỡ vy, khụng cú trng
thỏi cõn bng lý tng ti mt ủim no ủú trờn v Trỏi t, ngha l trng thỏi ng
sut ca ủỏ luụn luụn thay ủi theo thi gian, ng sut ca ủỏ luụn luụn ủc phõn
b li.
Biu hin rừ rng nht ca s phõn b li ng sut ca ủỏ l cỏc hin tng
trt, n ủỏ v nt ủỏ.

ủõy ch nờu lờn hai hin tng sau, vỡ trong chng trc ủó nờu khỏ rừ rng
v hin tng trt.
5.1.3.1. Nt ủỏ
thng quan sỏt thy phn ủỏ gn mt ủt, nht l trờn cỏc sn
dc: Cỏc vt nt thng song song vi mt khi ủỏ. iu ny ủó ủc mt s nh
nghiờn cu gii thớch nh sau: Ti mt ủim bt k nm sõu trong khi ủỏ ủu chu
tỏc dng ca 3 thnh phn ng sut
x
,
y
,
z
. Tu tng ni, tng ch m quan h
gia cỏc thnh phn ng sut ny cú th khỏc nhau. chiu sõu rt ln thỡ cú ủy ủ
3 thnh phn ng sut ngha l trng thỏi ng sut th tớch. Cng lờn gn mt ủt,
chiu sõu cng gim, nht l cỏc sn dc thỡ mt thnh phn s b mt ủi. T trng
thỏi ng sut 3 phng chuyn thnh trng thỏi ng sut phng lm xut hin cỏc vt
nt v ủt gy cú hng song song vi mt b dc.
Theo C. Jaeger (1975) thỡ hin tng ny ch thy chiu sõu nh hn 15m.
Nhng theo L.M
u
&&
ller (1971), ngay ủ sõu 80m, vn thy xut hin hin tng
ny.
Cỏc vt nt phỏt sinh, trong nhng ủiu kin thun li, do s tỏc ủng mnh
ca yu t khớ hu lm ủỏ b búc thnh tng lp (theo A.Kieslinger).
Hin tng nt ủỏ rt thng gp trong t nhiờn. Khi xõy dng trờn cỏc b dc
ủỏ, phi chỳ ý ủn nú v cú nhng bin phỏp x lý thớch hp.
5.1.3.2. N ủỏ
l hin tng phỏ hu nhanh chúng trng thỏi ng sut gii hn ca

mt khi ủỏ, lm ủỏ b v vn, nghin nh, pht ra, phỏ hoi cỏc vỡ chng v cỏc
thit b sn xut trong hm lũ. N ủỏ thng kốm theo s chn ủng khi ủỏ xung
quanh, nhng ting ủng chúi tai, nhng lung khớ d di.
Hin tng n ủỏ ủó xy ra nhiu ni trờn th gii nh vựng m ủỏ kim
cng ca Tip Khc, vựng m chỡ km ca ỏo, vựng m vng ca M, vựng m
vng ủng kn ca Canaủa cỏc vựng m mui, hin tng n ủỏ xy ra cng
mónh lit: nm 1958, ti vựng m kali mang tờn E.Telman (Cng ho dõn ch c
c ) ủó xy ra mt trn n ủỏ, chn ủng nú gõy ra ủó ghi li ủc tn Moxkva,
Th Nh K v Tõy Ban Nha.
Nu theo gi thuyt cho rng ỏp lc ch do thnh phn trng lc thỡ hin tng
n ủỏ ch cú th xy ra ủ sõu ln hn 600m. Nhng thc t, nhiu trn n ủó xy
ra ti chiu sõu rt nh nh m than nõu ca Liờn Xụ c (chiu sõu 130 90m) hay
Tõy c iu ny cú th do hin tng tp trung ng sut gõy ra.
Nhiu nh nghiờn cu cho rng nguyờn nhõn ca hin tng n ủỏ cng ging
nh ca hin tng nt ủỏ, ngha l mt trng thỏi ng sut b phỏ v ủ ủt ti mt
trng thỏi cõn bng mi. Nhng cụng trỡnh ca E. Tschernig v L.V.Rabcewicz ủó
gii thớch khỏ rừ rng. C.Torre da trờn c s toỏn hc ủó gii thớch nhiu quy lut

292.
Cơ học đá

xut hin n ủỏ khỏ phự hp vi thc nghim. ễng ta cho rng hin tng n ủỏ ch
xy ra khi vũm hm ủt theo hng tip tuyn vi hng ca ng sut nộn ln nht.
5.1.4. CC PHNG PHP O NG SUT T NHIấN TRONG KHI
Vic ủo ng sut t nhiờn trong khi ủỏ ủó ủc nhiu nh khoa hc nghiờn
cu t lõu v do vy hin nay cú rt nhiu phng phỏp ủo ng sut t nhiờn.
Theo A.A.Korablev (1969) thỡ cỏc phng phỏp ủo ng sut ca khi ủỏ cú th
chia lm hai nhúm:
Nhúm cỏc phng phỏp gii tớch da trờn c s lý thuyt ủn hi v do, ủng
thi dựng gi thuyt v ỏp lc m v cỏc phng tin toỏn hc khỏc. Cỏc phng

phỏp ny thng ớt phự hp vi ủỏ.
Nhúm cỏc phng phỏp thc nghim cú th chia lm 2 ph nhúm tu theo hỡnh
thc thớ nghim ti thc ủa hay trong phũng thớ nghim.
Trong phũng thớ nghim cú th dựng phng phỏp mụ hỡnh quang hc, mụ
hỡnh ly tõm hay phng phỏp vt liu tng ủng.
Ngoi thc ủa cú th dựng cỏc phng phỏp d ti, phng phỏp hiu ỏp lc,
phng phỏp ủo bin dng hay cỏc phng phỏp ủa vt lý
ủõy ch xột ủn cỏc phng phỏp ủo ng sut ti thc ủa, ngay ti ch cn
xỏc ủnh ng sut (phng phỏp in situ).
Ti thc ủa, ngi ta cú th ủo ng sut trong khi ủỏ thnh cỏc hm lũ, cỏc
vt l hoc ti mt chiu sõu no ủú ca khi ủỏ.
5.1.4.1. o ng sut trờn thnh khi ủỏ
Bng cỏc phng phỏp ủo khỏc nhau, ngi ta s xỏc ủnh ủc ng sut
thnh khi ủỏ ch khụng phi ng sut t nhiờn trong khi ủỏ. S liờn h gia hai
loi ng sut ny cũn rt hn ch, nờn t ng sut trờn thnh khi ủỏ khụng th suy ra
ng sut t nhiờn trong khi ủỏ ủc.
Vic ủo ny ch xỏc ủnh tớnh cht ca ủỏ ngay thnh hm lũ.
ủo ng sut trờn thnh khi ủỏ, ngi ta cú th dựng nhiu phng phỏp:

Phng phỏp gim ti ton phn
Phng phỏp ny do G.Oberti s dng ln ủu tiờn nm 1936.
Nguyờn tc ca phng phỏp ny l ủo bin dng ca ủỏ ti mt ủim trờn
thnh khi ủỏ sau khi ủó cỏch ly phn ủỏ cú ủt dng c ủo ra khi ton b khi ủỏ
bng mt rónh trũn, sõu.
Bin dng k ủc ủt vo v trớ ủnh ủo bng 2 mc ủó
chụn cn thn vo thnh khi ủỏ (hỡnh 5.5).
Vic gim ti ton phn ch ủỏ ủnh nghiờn cu ủc
thc hin bng cỏch khoan mt rónh trũn, sõu xung quanh dng
c ủo.
Do b gim ti, ủỏ s b bin dng v ủc th hin trờn

bin dng k.

C¬ häc ®¸.
293

Nếu biết trước môñun ñàn hồi của ñá (hoặc xác ñịnh và lấy trị số trung bình số
học của môñun ñàn hồi theo các hướng) sẽ suy ra ñược ứng suất trên thành khối ñá
theo các công thức liên hệ ở chương II.
Do kích thước của các biến dạng kế nhỏ nên khi ño, có thể ñặt nó theo các
hướng khác nhau. Việc tạo rãnh tròn có thể dùng các máy khoan xoay có ñường kính
Φ250mm.
Phương pháp này chỉ sử dụng trong ñá tương ñối khô, cần
phải tốn nhiều thời gian và ñảm bảo ñộ chính xác khi ñặt dụng
cụ. Kết quả thí nghiệm phụ thuộc vào chỉ số của biến dạng kế mà
ñộ chính xác và việc hiệu chỉnh nó không thể ñánh giá bằng một
chỉ tiêu nào ñược.
Ngoài ra, áp dụng phương pháp này, ở cuối quá trình giảm
tải, ñá dễ bị phá huỷ làm sai lệch giá trị của môñun biến dạng (trừ
loại ñá rất cứng).

Phương pháp giảm tải một phần
Phương pháp này do Mathar (người ðức) ñề ra năm 1933
ñể ño ứng suất trong các cấu trúc kim loại và ứng suất dư trong
các chi tiết kim loại: Trên mặt phẳng của một phân tố có ứng
suất, người ta khoan một lỗ khoan ñường kính nhỏ, nghĩa là ñã
làm giảm một phần tải trọng. Do vậy các phần ở gần lỗ mất trạng thái cân bằng ứng
suất và xảy ra sự phân bố lại ứng suất ở ñó. Theo các biến dạng ño ñược do có sự
phân bố lại ứng suất, người ta sẽ xác ñịnh hướng của các ứng suất tiếp chính tại ñiểm
cần ño.
Năm 1950, J.Talobre ñã dùng phương pháp này ñể xác ñịnh ứng suất trong ñá

và gọi là phương pháp “lỗ khoan trung tâm”. Lắp nối tiếp 3 biến dạng kế (tốt nhất là
biến dạng kế kiểu cảm ứng) thành một tam giác ñều xung quanh ñiểm ñịnh giảm tải
(hình 5.6).
Từ tâm của tam giác ñều, khoan một lỗ khoan có ñường kính ñủ nhỏ ñể trong
phần ñá có ñặt các biến dạng kế, ứng suất giảm ñi không quá 1/3. Thực nghiệm ñã
làm với lỗ khoan có ñường kính Φ56mm và ñược khoan bằng lưỡi khoan kim cương.
Sau khi khoan, giữa các mốc có sự dịch chuyển tương ñối và sẽ thể hiện trên biến
dạng kế.
Việc chuyển từ giá trị các chuyển vị
ño ñược ở các ñiểm mốc sang các trị số
ứng suất có thể làm ñược bằng cách so
sánh với mẫu ñá cùng loại ñã làm trong
phòng thí nghiệm (ñã xác ñịnh ñược các
ñặc trưng ñàn hồi của nó). Nhưng việc
làm này phức tạp và có ñộ sai lệch
lớn.
Gần ñây, người ta ñã hoàn thiện
phương pháp này bằng cách dùng các
Hình 5.5
ðo ứng suất
bằng phương
pháp giảm tải
toàn phần.
1. Rãnh gi
ảm tải;
2. Neo;
3. Biến dạng kế.

Hình 5.6. ðo ứng suất theo phương
pháp lỗ khoan trung tâm.

1.

Mốc; 2. Biến dạng kế;
3. Lỗ khoan giảm tải.


294.
C¬ häc ®¸

cảm biến hay các biến dạng kế tháo lắp ñược.

Phương pháp dựa trên sự hồi phục áp lực
Phương pháp này do A.Mayer ñề ra.
Nguyên tắc của phương pháp là phục hồi lại áp lực ñã mất ñi trong quá trình
giảm tải bằng cách kích thuỷ lực ñặt trong các rãnh giảm tải.
Phương pháp này sẽ
ño ñược trực tiếp ứng suất
ban ñầu có trong khối ñá và
ghi lại ñược sự thay ñổi ứng
suất theo thời gian. Phương
pháp này còn ñược gọi là
phương pháp hiệu áp lực.
Dựa trên nguyên tắc này, có
một số cách xác ñịnh cụ thể
sau:
-

Trên mặt khối ñá
ñịnh ño, người ta căng các
sợi dây theo các hướng khác

nhau rung ñộng với tần số
riêng ñã ñịnh trước (hình
5.6).
Giảm tải một phần
bằng cách ñào một rãnh
phẳng ở gần ñó. Do bị giảm
một phần ứng suất, các sợi
dây sẽ bị dao ñộng với tần
số khác ñi.
Sau ñó, ñặt các kích phẳng vào trong rãnh và lèn chặt lại bằng vữa ximăng.
Kích phẳng là một hộp dẹt bằng ñồng hay thép lá dày 2 – 3mm, hai ñầu ñược hàn lại
và thông với một ống dẫn chất lỏng từ một bơm tay ñể tạo ra áp lực trong kích. Ở
Liên xô cũ thường dùng loại kích phẳng có kích thước 600
x
400
x
600mm, chịu
ñược áp lực lớn nhất là 20MPa.
Ở Mỹ thường dùng kích phẳng có kích thước (305–406)
x
(305–406)
x
38mm, chịu ñược áp lực lớn nhất là 70MPa.
Ở Pháp thường dùng kích Freyssinet.
Tăng áp lực của kích cho tới khi nào các sợi dây dao ñộng với tần số và âm sắc
ban ñầu thì thôi. Trị số áp lực của kích cũng chính là giá trị ứng suất ban ñầu ở thành
khối ñá.
ðể xác ñịnh chính xác hướng của ứng suất chính tại một vị trí ño, có thể ñặt 2
kích theo hướng vuông góc với nhau.
Hình 5.7. Xác ñịnh ứng suất

dựa trên sự phục hồi áp lực.
1.Khối ñá; 2. Rãnh ñào; 3. Dây rung;
4. Vữa xi măng; 5. Kích phẳng.


C¬ häc ®¸.
295

Phương pháp này tuy ñơn giản nhưng phạm vi sử dụng còn bị hạn chế vì
khoảng ño ngắn (chỉ dùng cách thành ñá khoảng 2–2,5m), tại những chỗ này, do ảnh
hưởng của việc thi công hầm lò, làm xuất hiện sự phân bố lại ứng suất, có chỗ ñá bị
phá huỷ. Do vậy, giá trị ño ñược cũng chỉ là gần ñúng và trong một vài trường hợp
(ñá mềm hay bị phá huỷ mạnh) thì không thể dùng ñược.
Giá thành phương pháp này khá cao và thời gian ño cũng lâu.
-

Xung quanh ñiểm ñịnh ño ứng suất, người ta căng các dây như trên.
Việc giảm tải một phần ñược thực hiện bằng cách khoan một lỗ khoan có
ñường kính Φ166mm tại ñiểm ño. Sau ñó thả vào lỗ khoan một pressiomètre có
ñường kính tương tự (xem mục 2.3.2). Tăng áp lực của pressiomètre cho tới khi các
sợi dây lại dao ñộng với tần số và âm sắc ban ñầu thì thôi.
Áp lực của pressiomètre lúc ñó chính là ứng suất ban ñầu của thành khối ñá.
Trong phương pháp này phải khoan lỗ khoan lớn bằng lưỡi khoan kim cương,
sâu khoảng gần 1m, nên mất thời gian và giá thành cũng ñắt.
-

Dùng phương pháp lỗ khoan trung tâm ñã nói trên.
Sau khi các mốc ñã bị dịch chuyển tương ñối với nhau, người ta thả vào lỗ
khoan một kích tròn có ñường kính cũng bằng 56mm. Vì chiều dài kích cũng chỉ
khoảng 220mm nên chiều sâu lỗ khoan cũng không nên quá 250mm.

Tăng áp lực của kích dần dần ñể ñịnh hướng các mốc trở lại vị trí ban ñầu. Qua
ñó sẽ thấy ñược ứng suất ở trên thành khối ñá.
Nói chung, trong các cách làm trên, sự gắn kết của xi măng nhiều khi cũng làm
sai lệch kết quả thí nghiệm. ðể giảm bớt các sai số, phải tiến hành các thí nghiệm bổ
sung, nhưng nói chung cũng khá phức tạp.
5.1.4.2. ðo ứng suất tại một chiều sâu của khối ñá
Việc ño ứng suất tại một chiều sâu của khối ñá ñược tiến hành bằng cách khoan
các lỗ khoan xuống tới ñiểm ñịnh nghiên cứu. Qua biến dạng ngang hay dọc của ñá ở
thành lỗ khoan sẽ suy ra ñược trạng thái ứng suất của khối ñá hay ñộ ổn ñịnh của
khối ñá… Nhưng việc ño này cũng gặp phải khó khăn là
phải chuyển từ trị số biến dạng ño ñược sang trị số ứng
suất, thiết bị ño phức tạp và giá thành cao.
ðể ño ứng suất tại một chiều sâu trong khối ñá, có thể
dùng một số phương pháp sau:

Phương pháp giảm tải toàn phần
Nguyên tắc của phương pháp này ñã trình bày trong
phần ño ứng suất trên thành khối ñá.
Dựa trên nguyên tắc ñó, có thể có một vài cách làm
cụ thể sau:
-

Giảm tải toàn phần, ño biến dạng ñàn hồi ở ñáy
lỗ khoan.

296.
C¬ häc ®¸

Khoan một lỗ khoan tới chiều sâu ñịnh ño ứng suất. Mài nhẵn ñáy lỗ khoan
bằng các lưỡi khoan ñặc biệt rồi gắn lên mặt ñá 2 hay 3 cảm biến bằng nhựa êpôxi.

Việc bố trí vị trí của cảm biến có thể vuông góc với nhau hay hợp với một trục tưởng
tượng các góc khác nhau (hình 5.8).
ðể giảm tải toàn phần, dùng lưỡi khoan kim cương lấy mẫu, khoan một rãnh
vòng giảm tải với chiều sâu bằng khoảng 1,5 ñến 2 lần ñường kính lỗ khoan.
Khi ñó, ñá ở lỗ khoan sẽ bị biến dạng. Theo biến dạng mà các cảm biếm ñã ghi
sẽ xác ñịnh ñược biến dạng tương ñối ở mặt ñáy lỗ khoan.
Từ ñây suy ra ñược ứng suất chính của khối ñá:

( )
21
2
1

1
E
νε+ε
ν−
=σ (5.22)

( )
12
2
2

1
E
νε+ε
ν−
=σ (5.23)
trong ñó: E và ν là môñun ñàn hồi và hệ số Poisson

của ñá xác ñịnh ñược trong phòng thí
nghiệm.
Nhược ñiểm của phương pháp này là do khi khoan có
nước nên khó cách ly ñược các cảm biến với nước. Mặt
khác, các cảm biến ñược nối với mặt ñất bằng cách dây dẫn nên khi khoan, cần
khoan quay làm việc gắn cố ñịnh cảm biến lên mẫu rất khó.
-

Giảm tải toàn phần, ño ứng suất ở ñáy lỗ khoan theo sự giảm áp lực ở các
dụng cụ ño.
Phương pháp này do N.Hast dùng lần ñầu tiên tại Thuỵ Sỹ năm 1951.
ðầu tiên khoan một lỗ khoan có ñường kính 26mm tới chiều sâu ñịnh ño ứng
suất. Sau ñó bằng cần khoan, ñặt cái cảm biến ño ứng suất vào vị trí cần ño.
ðể ép chặt cảm biến vào ñá, người ta
dùng các nêm. Vì sự làm việc của cảm biến
phụ thuộc nhiều vào áp lực tại chỗ tiếp xúc
giữa phần ñệm của cảm biến với thành lỗ
khoan và ñộ ñàn hồi của bản thân cảm biến,
rất dễ làm kết quả ño bị sai lệch, nên ñể khử
các sai số này, người ta phải hiệu chỉnh các
cảm biến trước khi thả nó xuống lỗ khoan
bằng cách thử ở phòng thí nghiệm trong các
khuôn hiệu chỉnh ñặc biệt bằng chính ñá của
nơi ñịnh nghiên cứu hay các vật liệu khác
như thép, nhôm…
Việc giảm tải toàn phần ñược thực
hiện bằng lưỡi khoan kim cương lấy mẫu có
Hình 5.8.
ðo ứng suất ở dư
ới

sâu bằng ph
ương pháp
gi
ảm tải toàn phần.
1. Mẫu ñá;
2. Tenxơmet;
3. Cáp;
4. Lưỡi khoan;
5. Cần rỗng.


3
2

1
Hình 5.9. ðo ứng suất tại một
chiều sâu của khối ñá theo phương
pháp của N.Hast.
1. Cảm biến; 2. Nêm;
3. Rãnh giảm tải.

Cơ học đá.
297

ủng kớnh 87mm, ủt ủng tõm vi l khoan trc ti chiu sõu ủnh ủo. Do b
gim ti, lc ủy ca ủỏ vo cỏi cm bin gim ủi, giỏ tr ny ủc ghi li trờn trm
ủo. So sỏnh giỏ tr ny trờn ủng cong hiu chnh ủó thu ủc trong phũng thớ
nghim s ủc tr s ca ng sut ti mt chiu sõu no ủú trong khi ủỏ (hỡnh 5.9).
thu ủc hng v tr s ca ng sut chớnh, ngi ta tin hnh gim ti 3
ln, mi ln li quay cm bin ủi 45

o
hay 60
o
. Mi ln ủo ti mt hng li phi
khoan thờm khong 80 100mm, ngha l ủ ủo li mt ủim, phi khoan sõu thờm
khong 240 300mm na bng li khoan cú ly mu. xỏc ủnh ng sut ti
ủim ủo, cng cn bit thờm mụủun ủn hi ca ủỏ trong phũng thớ nghim v ca
khi ủỏ ủnh ủo. Nu mụủun ủn hi ca ủỏ ủnh ủo ng sut E
m
khỏc vi mụủun ủn
hi ca ủỏ (hay vt liu lm khuụn hiu chnh) E
k
thỡ cỏc giỏ tr ca cm bin ủo ng
sut phi nhõn vi h s = E
m
/ E
k
.
u ủim ca phng phỏp ny l loi tr ủc hin tng tp trung ng sut
ủỏy l khoan, thi gian thớ nghim cng ngn.
Vỡ vy, nú ủc coi l phng phỏp chớnh ủ ủo ng sut ti mt chiu sõu no
ủú.
Ngy nay, nhiu nc ủó s dng phng phỏp ny, nhng cỏch tin hnh ci
tin hn mt chỳt: u tiờn khoan mt l khoan thng cú ủng kớnh bng vi l
khoan gim ti sau ny. Gn ti chiu sõu ủnh ủo ng sut, ngi ta khoan mt l
khoan ủng trc, cú ủng kớnh nh hn (37mm cng gi l l khoan hoa tiờu)
cho ti chiu sõu ủnh ủo. Chốn cht cỏc thit b ủo vo l khoan nh, ghi s ủc ban
ủu ri khoan tip vi ủng kớnh ln nh ban ủu (hỡnh 5.10). Do b gim ti, lc
ủy ca ủỏ vo cỏi cm bin ca ủu ủo gim ủi; s ủc ny cng ủc ghi li. Bng
cỏch tớnh toỏn vi gi thit ủỏ l mụi trng ủn hi tuyn tớnh, theo cỏc cụng thc

trong lý thuyt ủn hi s xỏc ủnh ủc cỏc tr s ng sut trong khi ủỏ.
M, ngi ta dựng cỏc ủu ủo
USBM ca y ban M ca M, Nam Phi
dựng thit b CSIR ca Hi ủng nghiờn
cu khoa hc v cụng nghip, hay cỏc kiu
LNEC ca B o Nha, kiu CSIRO ca
c, kiu SSPB Hiltscher ca Thu
in

Phng phỏp da trờn s phc hi
ỏp lc.
Nguyờn tc ca phng phỏp ny
cng ging nh phng phỏp l khoan
trung tõm, nhng do cn xỏc ủnh ng sut
ti mt chiu sõu nn cỏch lm cú phc tp
hn mt chỳt.
Khoan mt l khoan cú ủng kớnh
185mm, chiu sõu l khoan xỏc ủnh theo
v trớ cn ủo ng sut. Trờn mt ủỏy l
khoan, ủt 3 bin dng k ni tip nhau
Lỗ khoan chính
Lỗ khoan hoa tiêu
Tạo lỗ khoan
giảm tải
Hỡnh 5.10. Trỡnh t khoan v

ủt ủu ủo ng sut.


298.

C¬ häc ®¸

thành hình tam giác ñều, sao cho các kim của chúng ñều chỉ vạch 0.
Giảm tải một phần bằng cách từ tâm lỗ khoan, khoan một lỗ khoan có ñường
kính bằng 56mm. Quan sát sự chuyển vị của các biến dạng kế và ghi lại các trị số của
chúng.
Thả vào lỗ khoan mới một kích hình trụ (hay một pressiomètre) có ñường kính
56mm. Tăng áp lực kích tới khi nào các số chỉ của biến dạng kế trở về trị số ban ñầu
thì thôi.
Áp lực của kích chính là ứng suất của ñá tại chiều sâu thí nghiệm.
Bằng phương pháp này sẽ ño ñược ứng suất tại bất kỳ một chiều sâu nào ñó,
nhưng cách làm khá phức tạp và phải khoan các lỗ khoan ñường kính lớn.

Phương pháp quang ñàn hồi.
Phương pháp này do Y.Hiramatsu, Y.Niwa và Y. Oka (người Nhật) ñề ra từ
năm 1957.
Ở ñáy lỗ khoan ứng với chiều sâu ñịnh nghiên cứu, người ta lắp 1 gương và ñĩa
bằng các vật liệu có hoạt tính quang học sao cho ñĩa khi thí nghiệm bị biến dạng
cùng với ñá bao quanh lỗ khoan.
Bằng một dung cụ ñặc biệt kiểu như một súng lục, người ta chiếu xuống ñáy lỗ
khoan tia sáng vàng phân cực, gặp các chất khử cực ở ñiã dưới ñáy lỗ khoan, nó bị
bật lại và ghi thành ảnh trong thiết bị ñó.
Theo ảnh, không những sẽ xác ñịnh trị số của ứng suất ở ñáy lỗ khoan mà còn
xác ñịnh ñược cả trạng thái ứng suất tại ñáy lỗ khoan khi thí nghiệm.
Ở Anh, A.Roberts cũng ñã chế ra các dụng cụ theo nguyên tắc trên.
Ở Liên Xô cũ, người ta cũng ñã dùng các dụng cụ kiểu ΑΣΑ - P và OΑ ñể ño
ứng suất trong khối ñá.

Các phương pháp ñịa – vật lý
Trong những năm gần ñây, các phương pháp ñịa – vật lý ñã ñược sử dụng rộng

rãi ñể ño ứng suất và ñã thu ñược nhiều kết quả.
Dựa trên nguyên tắc ñịa – vật lý, người ta có thể dùng nhiều phương pháp khác
nhau nhưng phổ biến nhất là phương pháp âm học và phương pháp chấn ñộng.
-

Phương pháp âm học
Phương pháp này ñã ñược dùng từ hơn 50 năm trước và là một phương pháp
rất có hiệu quả. Nó dựa trên cơ sở nghiên cứu các xung ñàn hồi tự nhiên sinh ra trong
khối ñá khi trạng thái ứng suất của ñá bị thay ñổi. Thực nghiệm và các quan sát thực
tế ñã thấy là khi thay ñổi trạng thái ứng suất trong mẫu hay trong khối ñá thì chúng
ñều phát sinh các xung âm. Áp lực càng tăng thì tần số của xung âm sinh ra không
ngừng tăng lên và sẽ cực ñại trước khi bắt ñầu phá huỷ khối ñá.
Vì vậy, nếu xác ñịnh ñược bằng thực nghiệm tần số của xung âm sinh ra trong
phần ñá ñịnh nghiên cứu, sẽ có thể ñánh giá ñộ ổn ñịnh của khối ñá và sự thay ñổi
tương ñối trạng thái ứng suất của nó. I.D.Rivkin, P.A.Bogdanov và V.P.Zapolxki ñã

C¬ häc ®¸.
299

nghiên cứu ở vùng mỏ Krivôi Rozh (Liên Xô cũ) ñã thấy là khi tần số xung âm là 1 –
20 trong 1 phút thì ñã thấy bắt ñầu phá huỷ ñá mà mắt thường không thấy ñược, khi
tần số 20 – 40 trong 1 phút thì ñá bị phá huỷ kèm theo những sụt lở cục bộ, khi
tần số tới 40 – 60 trong 1 phút thì khối ñá bắt ñầu ở trạng thái không ổn ñịnh bị sập
ñổ.
Tất nhiên, giá trị của các tần số này thay ñổi tuỳ theo tính chất của ñá và trạng
thái ứng suất của chúng.
Một bộ dụng cụ ñể thí nghiệm bằng phương pháp âm học thường gồm:
Bộ phận thu sóng âm, tần số âm sinh ra trong khối ñá ñịnh nghiên cứu, bộ phận
khuếch ñại ñể làm rõ các tín hiệu mà bộ phận thu ñã nhận ñược.
Các thiết bị ño ñể ghi các tín hiệu âm ñã thu ñược.

Nguồn ñiện và dây dẫn.
-

Phương pháp chấn ñộng
Phương pháp này cũng còn ñược gọi là phương pháp xung hay phương pháp
siêu âm, nghiên cứu trạng thái ứng suất của ñá trên cơ sở nghiên cứu sự phụ thuộc
giữa sự truyền có ñiều kiện của các xung ñàn hồi nhân tạo trong khối ñá ñịnh nghiên
cứu và các ñặc trưng trạng thái ứng suất của nó.
Thường thường, người ta hay dùng sự liên hệ giữa các tốc ñộ truyền sóng ñàn
hồi ngang và dọc với các ñặc trưng ñàn hồi của khối ñá (theo công thức (1.173) –
(1.177) ñể ñánh giá tính chất của ñá sau khi ñã ño ñược các tốc ñộ truyền sóng ñàn
hồi trong chúng. Cùng một loại sóng ñàn hồi, nhưng khi thí nghiệm, người ta có thể
làm trong các áp lực khác nhau. P.Habib, G.Dawance và nhiều nhà nghiên cứu khác
ñã thấy là áp lực càng tăng thì tốc ñộ truyền sóng ñàn hồi cũng tăng lên ngay từ ñầu
và sẽ ngừng lại khi áp lực ñạt tới 30 – 70% ñộ bền nén của ñá.
Với mỗi loại ñá, mức ñộ tăng tốc ñộ truyền sóng ñàn hồi theo sự tăng của áp
lực không như nhau. O.I.Xilaeva ñã nêu thành công thức:
C = Kp
1/n
(5.24)
trong ñó: C là tốc ñộ truyền sóng ñàn hồi;
K là hệ số tỷ lệ;
p là áp lực ñặt lên mẫu;
n là hệ số, phụ thuộc vào tính chất của ñá.
Muốn xác ñịnh ñược tốc ñộ truyền sóng ñàn hồi, phải khoan 2 hay 3 lỗ khoan
song song với nhau, cách nhau 0,5 – 1 hay vài m. Tại 1 lỗ khoan sẽ ñặt máy phát dao
ñộng, còn ở lỗ khoan kia sẽ ñặt máy thu. Các máy này ñều nối với máy ghi ñịa chấn.
Biết khoảng cách giữa hai lỗ khoan, thời gian truyền sóng ñàn hồi, sẽ suy ra
ñược tốc ñộ truyền sóng của nó. Kết quả thí nghiệm phụ thuộc rất nhiều vào việc ép
chặt các máy ño vào thành lỗ khoan. Vì vậy, nếu có ñược thiết bị kiểm tra chất lượng

300.
C¬ häc ®¸

chỗ tiếp xúc thì kết quả càng chính xác. Nếu không, các lỗ khoan nên khoan bằng
lưỡi khoan kim cương ñể thành lỗ khoan ñược phẳng, nhẵn hay dùng các thiết bị kẹp
kiểu thuỷ lực hay hơi ép.
Biết ñược tốc ñộ truyền sóng ñàn hồi, muốn chuyển sang trị số ứng suất, phải
dựa vào ñường cong chuẩn ñã xác ñịnh trước trong phòng thí nghiệm với cùng loại
ñá ñịnh ño và các trạng thái ứng suất thích hợp.
ðể thu ñược trị số ñáng tin cậy hơn, người ta có thể kết hợp cả việc dùng các
kích thuỷ lực ñể xác ñịnh trị số ứng suất tại chỗ ñịnh ño. Việc làm song song các thí
nghiệm này sẽ làm tăng ñộ chính xác của kết quả thu ñược.
Ở Liên Xô cũ, khi ño ứng suất bằng phương pháp chấn ñộng thường dùng các
máy Oẽ - 55, YCA – 2M, ẩẽA…
Ngoài ra, trong phương pháp ñịa – vật lý, người ta cũng còn dùng các phương
pháp ñiện, từ, phóng xạ ñể ño ứng suất trong khối ñá, nhưng phạm vi sử dụng cũng
còn nhiều hạn chế. Mặt khác, trong các phương pháp ñịa – vật lý, khoảng cách ño dài
nên kết quả thu ñược chỉ là giá trị trung bình của ứng suất thực tế trong khối ñá. Nó
khác với các phương pháp trên, giá trị thu ñược là ứng suất tại một ñiểm nào ñó cần
ño.

Phương pháp phá vỡ thuỷ lực
Phá vỡ thuỷ lực thường là phương pháp khả thi duy nhất ñể ño ứng suất tại ñộ
sâu vài trăm ñến vài nghìn mét
như ñể nghiên cứu các bồn chứa
dầu và khí, ñể thiết kế các công
trình ngầm nằm sâu trước khi có
các giếng hoặc hầm thăm dò. Kết
quả của phương pháp là xác ñịnh

trực tiếp ñược giá trị của ứng
suất nén chính nhỏ nhất bất kể
tính chất cơ học của khối ñá như
thế nào và ñánh giá ñược các
thành phần ứng suất khác.
Một hệ thống nút (packer)
ñơn hoặc kép ñối xứng ñược
“ñặt” (ñược bơm phồng lên) ở ñộ
sâu yêu cầu ñể cách ly khoang
thí nghiệm. ðể có kết quả tốt
nhất, chọn một ñoạn tương ñối
cách nước và không có khe nứt
trong lỗ khoan. Bơm chất lỏng
vào khoang thí nghiệm và tăng
dần áp lực của nó lên, ñồng thời
theo dõi lượng dầu ñược bơm
(hình 5.11). Sự tăng ñột ngột của
chất lỏng kèm theo sự giảm ñột

C¬ häc ®¸.
301

ngột của áp lực chứng tỏ là ñã xảy ra sự phá vỡ thuỷ lực. Quá trình phá vỡ thuỷ lực
tiếp tục lan truyền từ lỗ khoan khi chất lỏng ñược bơm vào và nó có hướng vuông
góc với hướng của ứng suất chính nhỏ nhất.
Khi sự phá vỡ thuỷ lực ñã lan ñi ñược khoảng 10 lần ñường kính lỗ khoan thì
ngừng bơm bằng cách ñóng van và ño áp suất tức thời lúc ñóng van. Quá trình ñược
lặp lại vài lần ñể ñảm bảo số ño chắc chắn cho áp suất này, nó sẽ bằng ứng suất chính
nhỏ nhất. Hiệu số áp lực phá vỡ giữa hai lần thí nghiệm (thứ nhất và thứ hai) sẽ cho
biết ñộ bền kéo của ñá. Hướng của mặt phá vỡ ñược xác ñịnh nhờ một camera truyền

hình hoặc một máy quét siêu âm, hoặc một buồng ñánh dấu.
Khi mặt phá vỡ gần song song với lỗ khoan, có thể sử dụng những công thức
của Hubbert và Willis ñể tính các thành phần ứng suất có hiệu chính.
σ’
min
= p
s
– p
o
(5.25)
σ’
max
= T +
3p
s
– p
f
– p
o
(chu trình 1) (5.26)
σ’
max
= 3p
s
–
p
r
– p
o
(chu trình tiếp theo) (5.27)

trong ñó: p
s
là áp
suất tức
thời lúc
ñóng van;
p
o
là áp
suất nước
lỗ rỗng ban ñầu;
T là ñộ bền kéo của ñá;
p
f
là áp suất bắt ñầu phá vỡ;
p
r
là áp suất tái phá vỡ.
Phương pháp phá vỡ thuỷ lực trên ñã ñược C.Fairhurst ñề ra năm 1965 và
B.C.Haimson (1978) phát triển thêm ñể ño ứng suất trong ñá. Cũng từ phương pháp
trên, năm 1986 Cornet ñã thí nghiệm ngay tại các khe nứt của ñá trên thành lỗ khoan
với các góc nghiêng khác nhau ñể xác ñịnh toàn bộ ứng suất tại khu vực nghiên cứu.
Phương pháp này không làm phá vỡ ñá.
Năm 1983, O.Stephanson ñã cải tiến phương pháp phá vỡ thuỷ lực bằng cách
ñặt một màng mỏng giữa ñá và chất lỏng. Nhờ vậy, những khe nứt có thể phát sinh
dọc theo trục lỗ khoan mà chất lỏng không thấm vào khe nứt ñược. Thiết bị ño có
cấu tạo gần giống với giãn kế lỗ khoan (dilatometer) ñã trình bày trong mục 2.2.3.2.
Trước khi thí nghiệm, thiết bị ñược hiệu chỉnh bằng cách bơm trong một ống kim
loại, sau ñó thả xuống lỗ khoan và thiết bị ñược mở ra do áp lực và những thông số
ñàn hồi của ñá sẽ ñược xác ñịnh từ quan hệ giữa áp suất và thể tích bơm vào. ðo ứng

suất tại chỗ bằng cách tăng áp lực ñến khi ñá bị phá vỡ. Hướng của khe nứt phát triển
theo mặt vuông góc với hướng của ứng suất chính nhỏ nhất, ñược xác ñịnh qua một
băng nhựa ñánh dấu bọc xung quanh màng mỏng. Sử dụng các phương trình phá vỡ
thuỷ lực, áp suất về giới hạn ban ñầu, và ñộ bền kéo ñã biết của ñá sẽ thu ñược giá trị
hiệu cuả tổng các ứng suất chính. Các ứng suất chính sau ñó có thể ñược tách ra bằng
Hình 5.11. ðo ứng suất
bằng phương pháp phá vỡ thuỷ lực.
a)

Buồng tạo sự phá vỡ thuỷ lực;
b)

Buồng ñánh dấu ñể khảo sát hướng phá vỡ;

c)

ðồ thị áp suất – th
ời gian của sự phá vỡ
thuỷ lực.


302.
C¬ häc ®¸

cách ñiều chỉnh lại áp lực trong lỗ khoan ñể xác ñịnh áp lực ngắt, là ñiểm uốn trên
ñường cong thể tích – áp suất tại ñó tái lập sự phá vỡ.
Phương pháp này chỉ nghiên cứu ñược trong phạm vi khoảng 1 hay 2 ñường
kính kể từ thành lỗ khoan và không biết ñược trạng thái áp lực – thể tích chất lỏng
trong việc phá vỡ. Mặc dù vậy, phương pháp này vẫn ñược sử dụng rộng rãi, vì nó
gọn hơn, sạch hơn, nhanh và thuận tiện hơn so với phương pháp phá vỡ thuỷ lực ban

ñầu, chủ yếu vì không phải vận chuyển, sử dụng một lượng lớn chất lỏng ñiều áp.

Phương pháp ño ñộ hội tụ của ñường hầm
Phương pháp này dựa trên nguyên tắc là trong hầm, ứng suất tổng cộng quanh
ñường hầm là tổng của các ứng suất ban ñầu trong khối ñá và ứng suất phát sinh do
ñào hầm thay ñổi theo khoảng cách từ ñiểm ñang xét tới gương hầm. Trên một mặt
cắt nằm ngang sát gương hầm hình tròn, ñặt các mốc ño hội tụ theo hai tia vuông góc
với nhau và tia thứ ba là phân giác của góc hợp giữa hai tia trên. Ở ñây mối quan hệ
ứng suất – biến dạng ñược xác ñịnh theo trạng thái ứng suất phẳng. Khi gương hầm
ñi tiếp ñược một ñoạn lớn hơn một lần ñường kính của hầm thì quan hệ ứng suất –
biến dạng ở ñây cũng ñược coi như trong bài toán biến dạng phẳng. Bằng công thức
trong lý thuyết ñàn hồi sẽ xác ñịnh ñược trạng thái ứng suất ban ñầu nếu ño ñược ñộ
hội tụ của chu tuyến ñường hầm ở các tia. Kết quả sẽ chính xác hơn nếu xác ñịnh
ñược ñộ hội tụ cho hai hầm tròn cùng kích thước, ñào vuông góc với nhau ở cùng
một cao ñộ.
5.2. TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA ðÁ Ở XUNG QUANH
CÔNG TRÌNH NGẦM
5.2.1. KHÁI NIỆM VỀ CÁC CÔNG TRÌNH NGẦM
Công trình ngầm là những công trình nằm sâu dưới mặt ñất, có hình dáng khác
nhau (hầm ngang, giếng ñứng hay dạng buồng…) nhằm phục vụ các mục ñích khác
nhau như ñể khai thác khoáng sản (các hầm, lò trong mỏ…), ñể làm các công trình
giao thông (các hầm ñường sắt, hầm ñường ôtô…), các công trình năng lượng (các
gian máy, các hầm dẫn của nhà máy thuỷ ñiện ngầm, nhà máy ñiện nguyên tử
ngầm…), các công trình thuỷ lợi (các kênh dẫn nước ngầm…), các kho chứa ngầm
(các hầm chứa chất lỏng, chất khí, hoa quả, thực phẩm…) hay các công trình quốc
phòng (các nhà máy sản xuất vũ khí, kho chứa vũ khí ngầm, các công trình phòng
thủ ngầm…) và trong tương lai, sẽ có các thành phố ngầm ở sâu trong lòng ñất.
Tuỳ theo mục ñích sử dụng mà các công trình ngầm sẽ có hình dáng và kích
thước khác nhau. Tiết diện ngang của chúng có thể < 100m
2

với những hầm tiết diện
bé (các hầm lò trong mỏ, các ñường hầm ôtô hẹp…) hay > 100m
2
với những hầm tiết
diện lớn như các ñường xe ñiện ngầm, hầm ñường ôtô 4 làn xe hay nhiều hầm thông
với nhau có thể tới 40.000m
3
(như kho chứa hoa quả ngầm ở Stockholm – Thuỵ
ðiển) hay chứa ñược 2 triệu m
3
dầu (hầm chứa dầu ở vịnh Phần Lan) hay những
hầm lớn có thể chứa ñược tới 20.000 người.
Các công trình ngầm ngày càng ñược thi công nhiều hơn cùng với sự tiến bộ
khoa học kỹ thuật chung của thế giới.

C¬ häc ®¸.
303

Trong các loại công trình ngầm thì các công trình ngầm ñể phục vụ giao thông
vận tải chiếm một tỷ lệ khá lớn trong tổng số chiều dài các loại hầm và dẫn ñầu về số
lượng thể tích hầm và chi phí ñể xây dựng hầm.
Các công trình giao thông ngầm ñã chiếm một ñịa vị rất quan trọng trong toàn
bộ mạng lưới giao thông ở các nước tiên tiến. Vì vậy, từ rất lâu, người ta ñã làm các
công trình giao thông ngầm và chúng ngày càng ñược khai thác triệt ñể hơn.
Ngay từ năm 1826, Brunel ñã ñào hầm dưới lòng sông Thames chảy qua
Lonñon. ðến năm 1843, công việc mới hoàn thành, hầm dài 1.190m.
Trong khoảng những năm 1857 – 1871, người Pháp ñã thi công ñường hầm
Mont Cénis (giữa Pháp và Ý) dài 12.236m. Cũng trong thời gian này, người Nga ñã
làm ñược hầm ñường sắt ñầu tiên của nước mình dài 1.280m (hầm ñường sắt ñầu tiên
trên thế giới là do người Anh xây dựng từ năm 1826 – 1830, trên ñường từ Liverpool

ñến Manchester).
Từ ñầu thế kỷ XX, các hầm ñường sắt và hầm ñường ôtô ñược thi công rất
nhiều, nhất là trong các vùng núi ở Trung Âu. Trước năm 1971, người ta ñã làm
ñường hầm Mont Blanc ở giữa Pháp và Ý dài 11,6km, tiết diện 10x10,5m; ñường
hầm Saint Gothard chạy qua dãy Alpes dài 14,998km, tiết diện 12 x 9m, cách hầm
này khoảng 30m lại có một ñường hầm Grand Sasso dài 10,5km gồm hai hầm song
song với nhau, tiết diện 8 x 7m ñể ôtô có thể chạy theo hai chiều.
Chiều dài và một số ñặc tính kỹ thuật của một số ñường hầm ñào trong dãy
Alpes ñược tóm tắt trong bảng 5.1.
Từ lâu, người ta ñã muốn thực hiện việc nối các ñảo hay các lục ñịa với nhau
bằng các ñường hầm thì khoảng cuối thế kỷ XX, nhiều ñường hầm ñã hoàn thành ñể
thực hiện các ý tưởng ñó.
Một số ñường hầm trong dãy Alpes
Bảng 5.1
Hầm
Chiều
dài, m
Chiều
sâu ñặt
hầm, m
Nhiệt ñộ
lớn nhất,
o
C
Cấp ñịa
nhiệt,
m/
o
C
Loại ñá

Albula
Apennine
Arlberg

S
t
Gotthart
Karawanken
Lotschberg
Mont Cénis
Simplon
Tauern
5.886
18.500
10.250

14.998
7.976
14.605
12.236
19.729
8.551
750
2.000
715

1.752
916
1.673
1.610

2.135
1.567
11 – 52
64
18,5 –34

40,4
15
34
29,5
55,4
23,9
49

38,6

47
144
45
58,4
37
49
Granit

Gneis có mica,
granit


Granit, ñá phiến
Cát kết, ñá vôi

Granit, gneis và ñá

304.
C¬ häc ®¸

phiến mica
Người Nhật ñã làm ñường sắt nối liền ñảo Honshu và Kiusiu dài 18,6km, tiết
diện 80m
2
. Từ năm 1972, người ta bắt ñầu xây dựng ñường hầm Seikan nối liền ñảo
Honshu và Hokkaido tiết diện 11,1 x 9,1m với chiều dài 53,85km (trong ñó 23,3km
nằm sâu dưới mực nước biển khoảng 240m và sâu hơn ñáy biển 100m). Cách ñường
hầm này khoảng 20m lại làm một ñường hầm phụ rộng khoảng 16m
2
. Công trình ñã
hoàn thành vào tháng II / 1988.
Từ năm 1881, người Anh và người Pháp ñã cùng nhau ñào từ hai phía ñể làm
một ñường hầm chạy qua eo biển La Manche. Khi ñào ñược hầm dài 1,9km, ñường
kính 2,1m (phía Anh ñã ñào ñược với tốc ñộ 15,4m/ngày ñêm và duy trì như vậy
trong 53 ngày) thì không ñào tiếp nữa. Mãi ñến năm 1987, cả hai bên lại ñào lại, làm
một hầm ñường sắt dài 50,5km. Năm 1994 ñã hoàn thành với chi phí khoảng 67 tỷ
FF (khoảng 15 tỷ USD). Từ Paris ñến Lonñon, theo ñường này chỉ ñi mất khoảng
hơn 2h.
Người ta cũng nghĩ ñến việc làm các ñường hầm dưới eo biển Gibraltar ñể nói
liền châu Âu và châu Phi dài khoảng 48km hay làm ñường hầm dưới eo biển
Bosphore ñể nối liền châu Âu và châu Á.
Trong những thành phố lớn, ñông dân (như Mexico city: 18,8 triệu dân; New
York: 16,2 triệu; Thượng Hải: 13,3 triệu; Tokyo: 11,7 triệu…), mật ñộ dân số lớn
(như ở Paris, mật ñộ trung bình là khoảng 26.000 người/km

2
, có nơi lên tới 80.000
người/km
2
, ở Tokyo – 17.000 người/km
2
…), mật ñộ xe cộ quá nhiều nên người ta ñã
nghĩ tới việc xây dựng các ñường ôtô, ñường xe ñiện ngầm và các công trình công
cộng ngầm dưới lòng ñất.
Ở London, người ta dự ñịnh làm các ñường hầm ñường kính tới 18m, trong ñó
có 4 tầng ñường và mỗi ñường có thể ñể 2 hay 3 xe chạy. ðường hầm này cách mặt
ñất từ 30 – 60m, dài khoảng 300km và thời gian xây dựng phải mất khoảng 10 – 15
năm.
Ở Paris trong những năm tới sẽ thực hiện phương án xây dựng hầm ñường ôtô
tiết diện tròn (ñường kính khoảng 16m) hay ellip (các bán trục là 8,5
x
7,5m).
Ở Tokyo, từ lâu người ta ñã ñịnh làm hầm ñường ôtô 5 tầng ở dưới nhà ga ñể
nối liền giao thông ñường sắt và ñường xe ñiện ngầm.
Ở Moxkva, ñường xe ñiện ngầm là một trong những phương tiện giao thông
công cộng quan trọng nhất, chiếm hơn 40% tổng số người ñi lại trong thành phố: 6 –
7 triệu lượt người / ngày. So với các thành phố lớn khác như New York, Paris,
Tokyo…, số người ñi lại trên 1km ñường xe ñiện ngầm của Moxkva là lớn nhất và số
người ñi lại bằng xe ñiện ngầm hàng năm của Moxkva cũng là lớn nhất: 2.130 triệu
lượt người (trong khi ở Tokyo là 1.780 triệu; Paris là 1.180 triệu, New York là 1.070
triệu…) theo số liệu của D. Saxxorov, 1981.
Ở các thành phố lớn khác như Rome (Ý), Stockholm (Thuỵ ðiển), Montréal
(Canaña)… người ta ñã dự ñịnh xây các cửa hàng tổng hợp, hiệu giải khát tại các
ñường trong hệ thống ñường nhiều tầng của ñường hầm ngầm.

C¬ häc ®¸.
305

Gần ñây, Trung Quốc ñã công bố kế hoạch xây dựng thành phố ngầm ở ñộ sâu
30m dưới lòng ñất của Thượng Hải. ðến năm 2006, thành phố ngầm này sẽ hoàn
thành và bắt ñầu hoạt ñộng.
Ở nước ta, các công trình ngầm ñược xây dựng chủ yếu ñể phục vụ cho giao
thông và thuỷ ñiện.
Trong những năm 30 của thế kỷ trước, khi làm ñường sắt xuyên Việt (ñường
sắt Thống nhất hiện nay) từ Hà Nội tới thành phố Hồ Chí Minh dài 1.726km, khổ
ñường 1000mm, người Pháp ñã xây dựng một số hầm hầu hết có chiều rộng 4,2 –
4,4m; chỉ có hai hầm ở km 725 + 157 và km 1226 + 963 là chỉ rộng có 3,85m và
chiều cao ñều khoảng 4,85 – 5,1m, tổng chiều dài các hầm là 8.371m.
Chiều dài và các vị trí ñoạn hầm trên tuyến ñường sắt Thống nhất có thể thấy
trong bảng 5.2 (theo Nguyễn Duy Sơn ở Bộ Giao thông Vận tải).
Bảng 5.2
TT Vị trí
Chiều dài,
m
TT Vị trí
Chiều dài,
m
1
2
3
4
5
6
7
8

9
10
11
12
13
Km 455 + 449
455 + 877
456 + 245
466 + 139
466 + 593
725 + 157
732 + 995
745 + 914
757 + 284
757 + 842
759 + 484
766 + 063
770 + 766
64
244
96
96
192
220
358
445
170
125
129
564

321
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
Km 774 + 673
998 + 248
1026 + 834
1168 + 541
1224 + 222
1226 + 936
1228 + 034
1229 + 221
1230 + 992
1234 + 295
1290 + 177
1307 + 000
1310 + 852
994
223
170

356
1197
371
159
60
403
408
219
514
76
Năm 1970, khi cải tạo lại ñường sắt Hà Nội – Lạng Sơn dài 163km, trong ñoạn
ðồng Mỏ – Bản Thí (từ km 120 ñến km 140), người ta ñã xây dựng một số ñoạn hầm
cho ñường sắt khổ 1435mm, rộng từ 5,6 – 6m và cao từ 6,2 – 6,4m. Chiều dài và vị
trí của một số hầm trên tuyến ñường sắt Hà Nội–Lạng Sơn có thể thấy trong bảng 5.3
(Nguyễn Duy Sơn, 1995).


C¬ häc ®¸.
309

Bảng 5.3
Thứ tự Vị trí Chiều dài, m
1
2
3
4
5
6
7
8

Km 123 + 311
126 + 174
126 + 383
127 + 594
129 + 305
131 + 442
132 + 572
133 + 410
162
162
218
112
86
1069
74
108
Tháng 8-2000, người ta bắt ñầu xây dựng hầm ñường bộ trên ñoạn ñường qua
ñèo Hải Vân dài 6274m với kích thước rộng 10m và cao 7,5m. Song song với hầm
này, còn có một hầm lánh nạn rộng 4,7m, cao 3,8m. Công trình dự ñịnh sẽ hoàn
thành vào tháng 5-2005, tổng chi phí tới 251 triệu USD.
Ở thành phố Hồ Chí Minh, người ta cũng ñã dự tính sẽ làm ñường hầm Thủ
Thiêm dài 1970m, gồm hầm dẫn và hầm chui dưới lòng sông Sài Gòn (dài khoảng
380m) ñể nối từ bến Chương Dương (quận 1) với Thủ Thiêm (quận 2).
Mới ñây, người ta còn dự ñịnh sẽ làm ñường xe ñiện ngầm dưới lòng thành
phố, gồm 2 tuyến: Tuyến chợ Bến Thành – Cầu Tham Lương dài 10,5km và tuyến
chợ Bến Thành – Bến xe Miền Tây dài 9,9km. Hai tuyến này sẽ vận chuyển ñược 17
triệu lượt người trong 1 năm và năm 2006, công trình sẽ bắt ñầu khởi công.
Các ñường hầm cho thuỷ ñiện cũng ñược xây dựng ở nước ta từ những năm
60, khi thi công nhà máy thuỷ ñiện ða Nhim (công suất 160MW), người ta ñã ñào
một ñường hầm dài 4.878m xuyên qua ñèo Ngoạn Mục ñể ñưa nước từ hồ nhân tạo

ðơn Dương về nhà máy phát ñiện Krongpha. Hầm có ñường kính 3,4m.
Trong những năm 1979 – 1994, khi xây dựng nhà máy thuỷ ñiện Hoà Bình (lớn
nhất ðông Nam Á, xếp thứ 12 trên thế giới, công suất 1920MW), người ta cũng ñã
ñào các hầm cho gian máy chính kích thước 208 x 22 x 53m và ñường hầm dẫn dài
1.507m. Khi công trình này ñược hoàn thành cũng là lúc những người làm thuỷ ñiện
lại bắt ñầu xây dựng một công trình thuỷ ñiện mới với công suất nhỏ hơn 720MW tại
Yaly thuộc hai tỉnh Gia Lai và KonTum. Ở ñây người ta ñã ñào các hầm cho gian
máy với kích thước 118,5 x 21 x 42m và cho gian biến thế với diện tích 164,25 x
14m, ñào các hầm dẫn nước dài 380m có ñường kính là 7m. Công trình ñã hoàn
thành vào năm 1999.
Trong tương lai, khi nhà máy thuỷ ñiện Sơn La ñược xây dựng thì việc thi công
các hầm với kích thước lớn, ñào các hầm dẫn nước dài sẽ ñòi hỏi một trình ñộ cao về
thiết kế và thi công công trình ngầm ñể xây dựng ñược một nhà máy thuỷ ñiện có
công suất gần gấp 2 lần máy thuỷ ñiện Hoà Bình: 3600MW.
5.2.2. TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA ðÁ Ở XUNG QUANH CÔNG TRÌNH
NGẦM

310.
C¬ häc ®¸

Ở trạng thái tĩnh, trong khối ñá ñã có một trạng thái ứng suất tự nhiên ban ñầu.
Khi thi công một công trình ngầm trong khối ñá thì làm trạng thái ứng suất của nó bị
thay ñổi, xuất hiện một trạng thái ứng suất mới. Vì vậy, phải nghiên cứu trạng thái
ứng suất của ñá nằm ở xung quanh công trình ngầm.
Tuỳ theo dạng công trình ngầm (hầm hay giếng), tiết diện của nó (hình tròn
hay không phải là hình tròn) và các giả thiết về tính chất của khối ñá (coi là môi
trường ñàn hồi, dẻo hay từ biến…) mà người ta ñã ñề ra các lời giải khác nhau về sự
phân bố ứng suất trong ñá.
5.2.2.1. Sự phân bố ứng suất của ñá ở xung quanh hầm
Từ lâu, người ta ñã giải các bài toán cổ ñiển về sự phân bố ứng suất trong tấm

kim loại có ñục lỗ tròn. Sau này, người ta cũng dùng cách giải này ñể xác ñịnh trạng
thái ứng suất của ñá ở xung quanh hầm tiết diện tròn trong ñá cứng.
Từ năm 1898, Ch. Kirch ñã nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong bài toán
phẳng cho môi trường ñồng nhất, ñẳng hướng, liên tục và ñàn hồi tuyến tính. Sau này
J.Schmidt (1926), R.Fenner (1938), K.Terzaghi và F.E. Richart (1952)… ñã nghiên
cứu tỷ mỷ hơn trong các khối ñá ñàn hồi có hệ số áp lực ngang khác nhau và cả trong
các môi trường không ñàn hồi nữa.
 Với ñá ñàn hồi, ñồng nhất và ñẳng hướng.
- Hầm tiết diện tròn.
Giả sử ñào một hầm ngang, tiết diện tròn trong
khối ñá nguyên trạng.
Tại một ñiểm bất kỳ xung quanh hầm sẽ có mặt của
các ứng suất: ứng suất hướng tâm σ
r
, ứng suất theo chu
vi (ứng suất vòng tròn) σ
θ
và ứng suất cắt τ
rθ
hướng dọc
theo trục của hầm. Các ứng suất này phụ thuộc vào trạng
thái ứng suất ban ñầu của khối ñá, vào vị trí của ñiểm
ñang xét (nghĩa là khoảng cách từ ñiểm ñang xét tới tâm
của hầm và góc hợp giữa phương của ñoạn thẳng nối
ñiểm ñang xét với tâm của hầm và trục toạ ñộ (hình
5.12).
Giả sử trong khối ñá có áp lực theo phương thẳng
ñứng σ
3
và áp lực theo phương ngang là σ

1
thì các thành phần ứng suất tại một ñiểm
ở xung quanh hầm ñược tính theo công thức của Ch. Kirsch (1898).












θ








−+
σ−σ
=τ
θ









+
σ−σ
+








+
σ+σ
=σ
θ








+−

σ−σ
−








−
σ+σ
=σ
θ
θ
2sin
r
a3
r
a2
1
2
2cos
r
a3
1
2
r
a
1

2
2cos
x
a3
r
a4
1
2
r
a
1
2
4
4
2
2
13
r
4
4
13
2
2
13
4
4
2
2
13
2

2
13
r
(5-28)
r
A
0
1
σ
σ
σ
σ
θ
θ
Α
Α
r
3
Hình 5
-12.
Các
thành ph
ần ứng suất xung
quanh hầm tiết diện tròn.


C¬ häc ®¸.
311

trong ñó: a là bán kính hầm;

r là khoảng cách từ ñiểm ñang xét tới tâm hầm;
θ là góc giữa phương của σ
1
và ñoạn thẳng nối ñiểm ñang xét với
tâm hầm, tính ngược chiều kim ñồng hồ.
Từ công thức trên, giá trị lớn nhất của các ứng suất tại một ñiểm ở xung quanh
hầm sẽ phụ thuộc vào sin và cos của góc 2θ. Do vậy, ñồ thị biểu diễn sự phân bố
ứng suất sẽ ñối xứng với các trục toạ ñộ.
Nếu thừa nhận giả thiết của K.Terzaghi về sự phân bố ứng suất tự nhiên trong
khối ñá với hệ số áp lực ngang λ
o
(công thức 5.6) thì các công thức của Ch. Kirsch sẽ
ñược viết dưới dạng:












θ









−+λ−
σ
=τ






θ








+λ−+









+λ+
σ
=σ






θ








+−λ−−








−λ+
σ

=σ
θ
θ
2sin
r
a3
r
a2
1)1(
2
2cos
r
a3
1)1(
r
a
1)1(
2
2cos
r
a3
r
a4
1)1(
r
a
1)1(
2
4
4

2
2
o
3
r
4
4
o
2
2
o
3
4
4
2
2
o
2
2
o
3
r
(5-29)
Xét giá trị của ứng suất vòng tròn σ
θ
tại các ñiểm trên mép hầm có r = a.
Khi góc θ = 0 và θ = π thì cos 2θ = 1
σ
θ
= (3 – λ

o
)σ
3
(5-30)
Khi góc θ = ± π/2 thì cos 2θ = –
1
σ
θ
= – (1 – 3λ
o
)σ
3
(5.31)
Tương tự như vậy, người ta cũng sẽ tính ñược các cực trị của σ
r
, hay τ
rθ
với các
góc ñặc biệt khác nhau.
Nếu coi rằng khối ñá chỉ chịu áp lực thẳng ñứng phân bố ñều là σ
3
= p và
không có áp lực ngang (λ
o
= 0) thì các thành phần ứng suất tại một ñiểm xung quanh
hầm có thể tính theo sự nghiên cứu của K.Terzaghi và E.Richart (1952).













θ








−+=τ






θ









++








+=σ






θ








+−−









−=σ
θ
θ
2sin
r
a3
r
a2
1
2
p
2cos
r
a3
1
r
a
1
2
p
2cos
r
a3

r
a4
1
r
a
1
2
p
4
4
2
2
r
4
4
2
2
4
4
2
2
2
2
r
(5-32)