Giáo trình cơ học đá - Chương 5

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:88

Thêm vào BST

Báo xấu

93
lượt xem 28
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo Giáo trình cơ học đá ( Nhà xuất bản Giao thông vận tải ) dành cho sinh viên chuyên ngành xây dựng công trình - Chương 5 Trạng thái ứng suất và áp lực đá xugn quanh công trình ngầm

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình cơ học đá - Chương 5

Chương 5 TR NG THÁI NG SU T VÀ ÁP L C ðÁ XUNG QUANH CÔNG TRÌNH NG M 5.1. NG SU T T NHIÊN TRONG KH I ðÁ Ngày nay con ngư i càng ñi sâu vào trong lòng ñ t ñ khai thác khoáng s n và tìm hi u Trái ð t. Ngư i ta ñã khai thác n ð , Nam Phi trong nh ng m ñ sâu 3000 – 3500m, d u và khí ñã ñư c khai thác trong các gi ng khoan sâu t i 6000 – 7000m và l khoan sâu nh t th gi i ñã ti n hành bán ñ o Konxki (Liên Xô cũ) ñ t t i chi u sâu 12.206m. Nhưng s li u trên so v i bán kính Trái ð t ( kho ng 6370000m) thì th t là vô cùng bé, nghĩa là ñá m i ch ñư c nghiên c u ph n ngoài cùng c a v Trái ð t. các chi u sâu khác nhau, do ch u l c nén c a các l p ñá n m trên nên trong ñá ñã xu t hi n ng su t g i là ng su t t nhiên. ng su t t nhiên trong kh i ñá ch u nh hư ng quy t ñ nh c a hai y u t là tr ng l c và l c ki n t o. Tr ng l c là l c hút c a Trái ð t, ñư c ñ c trưng b ng gia t c rơi t do, ký hi u là g. Nó ph thu c vào kho ng cách t ñi m ñang xét t i tâm c a Trái ð t và tr ng lư ng th tích γ c a ñá. Vì hình dáng Trái ð t không ph i là m t hình c u tuy t ñ i nên t i các ñi m khác nhau trên Trái ð t, giá tr c a gia t c g không như nhau. N u coi s sai khác này là không ñáng k thì trong tính toán, ngư i ta thư ng l y giá tr c a gia t c g=981cm/s2 hay ≈ 1000cm/s2. Tr ng l c s gây ra thành ph n ng su t th ng ñ ng tuỳ theo kho ng cách z t ñi m ñang xét t i m t ñ t và tr ng lư ng th tích c a các l p ñá n m trên, ñư c tính theo công th c: σz = γ . z (5.1) Nhi u nhà nghiên c u ñã ño ng su t t i các chi u sâu khác nhau trong các m và công trình xây d ng các ñi m khác nhau trên th gi i và ñã kh ng ñ nh quan h trên và th hi n chúng trên hình 5.1. Tr ng l c ñ ng th i cũng gây ra các ng su t theo phương ngang. Chúng s ñư c nghiên c u trong ph n sau. Các l c ki n t o ph c t p hơn tr ng l c vì nó phân b không ñ u trong không gian v i các t c ñ chuy n ñ ng và bi n d ng khác nhau. Theo A.V. Peyve, các l c ki n t o có th là l c c a các quá trình nhi t, làm ch t, cơ h c hay quay v i 284.C¬ häc ®¸
t c ñ không n ñ nh c a Trái ð t. Các chuy n ñ ng ki n t o gây ra l c ki n t o có phương n m ngang ñư c coi là nguyên nhân c a ng su t ti p l n nh t, xu t hi n trong kh i ñá. 5.1.1. CÁC GI THUY T V S PHÂN B NG SU T TRONG KH I ðÁ Dư i tác d ng c a tr ng l c và l c ki n t o, t i m t ñi m b t kỳ n m sâu trong kh i ñá s có các ng su t theo các phương khác nhau. ð nghiên c u chúng, ngư i ta ph i ñ ra các gi thuy t v quan h gi a các lo i ng su t trong ñá. Hình 5.1. ðo ng su t th ng ñ ng t i các chi u sâu khác nhau các Các gi thuy t này ñ u d a trên ñi m trên th gi i (theo Hoek và Brow, gi thi t là kh i ñá ch ch u tác d ng 1978). c a tr ng l c. 5.1.1.1. Gi thuy t c a A. Heim Trong quá trình xây d ng các ñư ng h m, nhà ñ a ch t Thu S Albert Heim nh n th y là h m ch u nh hư ng c a các áp l c cao, tác d ng theo m i phía trong kh i ñá. Ông cho r ng thành ph n ng su t theo phương th ng ñ ng σz do tr ng lư ng c a kh i ñá n m trên gây ra b ng v i thành ph n ng su t n m ngang σx. σx = σz = γ z (5.2) γ là tr ng lư ng th tích c a ñá; trong ñó: z là chi u sâu t ñi m ñang xét trong kh i ñá ñ n m t ñ t. Gi thuy t này Heim ñ ra năm 1878. Trư c ñó 4 năm, k sư m ngư i ð c F.Rziha cũng có nh ng ý ki n tương t . Theo gi thuy t này, không th gi i thích ñư c hi n tư ng sai khác gi a ng su t theo phương n m ngang và theo phương th ng ñ ng ñã quan sát th y m t s khu v c. 5.1.1.2. Gi thuy t c a K. Terzaghi K.Terzaghi ñã liên h ng su t dư v i tính ch t ñàn h i c a ñá và cho r ng n u m t kh i ñá b nén dư i tác d ng c a tr ng lư ng b n thân nó theo phương th ng ñ ng, thì nó cũng b nén c theo phương n m ngang, bi u th b ng h s bi n d ng ngang (h s Poisson) ν. chi u sâu r t l n, s phát tri n theo phương ngang b h n ch b i môi trư ng xung quanh. Do v y, trong m t ph ng c a kh i ñá, không x y ra s d ch chuy n ngang mà ch sinh ra ng su t ph n. Theo ñ nh lu t Hooke t ng quát, ñ i v i v t ñàn h i, ñ ng hư ng có th vi t: [ ] σ x − ν(σ y + σ z ) 1 εx = (5.3) E trong ñó: εx là bi n d ng tương ñ i theo phương X; E là môñun ñàn h i; ν là h s Poisson; σx, σy, σz là các ng su t theo các phương X, Y, Z. C¬ häc ®¸.285
Theo gi thuy t c a Terzaghi, không có bi n d ng theo phương ngang, nghĩa là εx = 0, nên: σx – ν (σy + σz ) = 0 (5.4) Coi các ng su t trong m t ph ng ngang là b ng nhau (σx = σy), suy ra: ν σx = σz (5.5) 1− ν ng su t theo phương th ng ñ ng σz có th tính theo công th c (5.2), nên gi thuy t c a Terzaghi có th vi t: ν σx = γz (5.6) 1 −ν ν g i là h s áp l c ngang, ký hi u là λo. Vì h s Poisson ν thay Hs 1− ν ñ i trong kho ng 0,08 – 0,5 nên h s áp l c ngang thay ñ i t 0,1 – 1 (thư ng là kho ng 0,2 – 0,3) nghĩa là r t nh so v i gi thuy t c a A.Heim. Nhi u nhà nghiên c u cho r ng gi thuy t này không phù h p v i th c t và vi c xác ñ nh h s Poisson (cơ s ñ tính h s áp l c ngang) c a ñá n t n r t khó khăn và thi u chính xác ñã h n ch kh năng s d ng c a gi thuy t này. 5.1.2.3. Gi thuy t c a P.R.Sheorey Năm 1994, Sheorey ñã phát tri n mô hình ng su t nhi t ñàn h i tĩnh cho ñ t và ñã l p ñư c công th c ñ bi u di n quan h gi a các thành ph n ng su t n m ngang và ng su t th ng ñ ng theo m t t s k, ñư c xác ñ nh theo công th c:  1 k = 0,25 + 7Ex  0,001 +  (5.7)  z trong ñó: Ex là môñun bi n d ng trung bình c a các l p n m trên, ñư c xác ñ nh theo hư ng n m ngang, tính b ng GPa. z là chi u sâu ñi m ñang xét tính t m t ñ t (m). Theo phương trình trên, P.R.Sheorey ñã v ñ th bi u di n s thay ñ i c a k theo chi u sâu khi v i các giá tr c a Ex khác nhau (hình 5.2). Bi u ñ c a Sheorey cũng 4Κ 1 3 2 tương ng v i các k t qu nghiên c u 0 c a E.T. Brown và E. Hoek (1978), c a G.Herget (1988) và m t s tác gi khác. E x(GPa ) 1000 Như v y, dù theo gi thuy t nào Z(m) 10 chăng n a, thì gi a ng su t theo 25 phương ngang và ng su t theo phương th ng ñ ng c a m t ñi m t i 2000 50 m t chi u sâu b t kỳ nào ñó trong 75 kh i ñá cũng có m t t s . Th c t th y là t s này thay ñ i trong ph m 100 3000 Hình 5.2. Bi u ñ quan h gi a hs 286.C¬ häc ®¸ k và chi u sâu v i các giá tr môñun bi n d ng ngang khác nhau.
vi khá r ng, tuỳ thu c ñi u ki n c th c a khu v c nghiên c u: N.Hast nghiên c u m t s m c a Thu S thì th y h s k r t l n, b ng 1,5 – 8, còn L.Obert (1967) ñã nghiên c u t i m t s m M thì t s k cũng x p x b ng 1. Vì v y, không th d ñoán ñư c h s k cho t ng vùng mà ph i tuỳ ñi u ki n c th xác ñ nh cho phù h p và các gi thuy t v s phân b ng su t ph i ñư c hoàn ch nh thêm. 5.1.2. TR NG THÁI NG SU T BAN ð U C A KH I ðÁ Tr ng thái ng su t là t p h p c a các ng su t sinh ra trong kh i ñá khi ch u tác d ng c a ngo i l c. tr ng thái t nhiên (khi chưa thi công công trình), ñá ñã có m t tr ng thái ng su t g i là tr ng thái ng su t ban ñ u. ðây là m t ñ c ñi m cơ h c r t ñ c bi t c a kh i ñá. Nhưng vi c xác ñ nh tr ng thái ng su t ban ñ u c a ñá r t kém chính xác vì tài li u v tính ch t c a kh i ñá còn ít, ph i xác l p m t gi thuy t riêng cho kh i ñá. M t khác, vi c ti n hành th c nghi m trên kh i ñá r t ph c t p, ñôi khi làm h ng tr ng thái ng su t ban ñ u c a nó. Như ñã nói trên, ng su t c a ñá ph thu c vào tr ng l c và các l c ki n t o mà trong ñó tr ng l c ñóng vai trò quy t ñ nh. Các l c ki n t o, tác ñ ng c a nư c ng m và nư c m t, các ho t ñ ng s n xu t c a con ngư i có tác d ng làm sai l ch tr ng thái ng su t ban ñ u do tr ng l c gây ra. ð nghiên c u tr ng thái ng su t ban ñ u, ngư i ta có th dùng phương pháp gi i tích hay phương pháp th c nghi m. Phương pháp gi i tích d a trên các s li u ñã thu th p ñư c v tính ch t c a ñá, có th ñánh giá ñư c g n ñúng thành ph n tr ng l c và nêu ra nh hư ng c a l c ki n t o, các quá trình t o ñá. Phương pháp th c nghi m nh m ki m tra l i vi c ñánh giá c a phương pháp gi i tích và k ñ n các y u t khác trong vi c thành t o tr ng thái ng su t, nhưng nó l i mang tính ch t khu v c, thi u tính ch t t ng quát cho toàn b kh i ñá. Vì v y, nên ñánh giá tr ng thái ng su t ban ñ u b ng phương pháp gi i tích. T i m t ñi m b t kỳ c a kh i ñá ñư c ñ c trưng b ng 6 thành ph n ng su t: 3 thành ph n ng su t pháp σx, σy, σz và 3 thành ph n ng su t ti p tác d ng trong các m t ph ng tương ng τxy, τxz, τyz (hình 5.3). Gi s r ng các ng su t này ch do tr ng l c gây ra thì các thành ph n ng su t s thay ñ i theo chi u sâu c a ñi m ñang xét. Riêng thành ph n ng su t pháp theo z σz phương th ng ñ ng σz , v i ñá phân l p có th tính τzy theo công th c: τzx τyz τ xz σz = Σ γi hi (5.8) σy τ xy τyx γi là tr ng lư ng th tích c a l p trong ñó: σx y ñá th i có chi u dày là hi. x hay có th tính theo công th c: Hình 5.3 Các thành ph n ng su t trong m t phân t ñá. C¬ häc ®¸.287
H ∫ γ(z) dz σz = (5.9) o v i H là chi u dày l p ñá ñang xét. Các thành ph n ng su t khác s ñư c tính theo σz v i các h s t l: σ  σx ; λy = y λx =  σz σz  (5.10)  τ xy τ τ  ; λ xz = xz , λ yz = yz λ xy =  σz σz σz  Các h s λx, λy chính là h s áp l c ngang. Tuỳ theo ñi u ki n ñ a ch t c a vùng mà các h s này có th l n hơn hay nh hơn 1 như ñã nói trên. M t khác, tuỳ theo m c ñ ñ ng nh t và ñ ng hư ng c a ñá mà các h s này cũng ñư c tính theo các công th c khác nhau. V i ñá bi n d ng tuy n tính, ñ ng nh t và ñ ng hư ng thì theo gi thuy t Terzaghi: ν λx = λy = (5.11) 1− ν V i ñá bi n d ng tuy n tính, không ñ ng nh t và ch ñ ng hư ng theo m t (gi s m t ñ ng hư ng vuông góc v i tr c z) thì: E ν1 λx = λy = (5.12) E1 1 − ν E, ν là môñun ñàn h i và h s Poisson c a ñá trong m t ñ ng trong ñó: hư ng; E1, ν1 là các ñ i lư ng trên nhưng theo hư ng vuông góc v i m t ñ ng hư ng. Tuỳ theo các thành ph n ng su t mà tr ng thái ng su t ban ñ u c a ñá s khác nhau. Nói chung, ngư i ta chia làm hai lo i. 5.1.2.1. Tr ng thái ng su t thu tĩnh V i kh i ñá ñ ng nh t, ñ ng hư ng, tr ng thái ng su t thu tĩnh g m các thành ph n sau:  H σ x = ∫ γ (z) dz  o  σx = σy = σz (5.13)   τ xy = τ xz = τ yz = 0   5.1.2.2. Tr ng thái ng su t không thu tĩnh Trong tr ng thái này có th chia ra: 288.C¬ häc ®¸
Kh i ñá ñ ng nh t và không ñ ng nh t, ñ ng hư ng và không ñ ng hư ng, nhưng n ñ nh, s có các thành ph n ng su t là: σ x = ∫ γ (z) dz ; σ x = λ x . σ z ; σ y = λ y . σ z  H  (5.14)  o τ xy = λ xy . σ z ; τ xz = λ xz . σ z ; τ yz = λ yz . σ z   Các h s λ trong các công th c trên ph thu c vào tính ch t c a ñá và các ñ c trưng cơ h c c u trúc c a nó, có th tính theo công th c (5.11), (5.12). Kh i ñá b phá ho i, có các thành ph n ng su t là: σ x = ∫ γ (z) dz ; σ x = λ x . σ z ; σ y = λ y . σ z  H  (5.15)  o τ xy = τ xz = τ yz = 0   Các h s λ có th b ng 0 khi v i ñá không có áp l c hay tính theo công th c (5.11) v i kh i ñá có áp l c. Kh i ñá ñ ng nh t và không ñ ng nh t, ñ ng hư ng và không ñ ng hư ng, ch u nh hư ng c a các quá trình ki n t o, grañien nhi t ñ cao, t i tr ng trên m t l n… thì các thành ph n ng su t có th vi t:  H σ x = ∫ γ (z) dz + σ*  z o  σ x = λ x . σ z + σ* ; σ y = λ y . σ z + σ *  (5.16) x y  τ xy = λ xy . σ z + τ* ; τ xz = λ xz . σ z + τ* ; τ yz = λ yz . σ z + τ*  xy xz yz  σ* , σ* , σ* , τ* , τ* , τ* là các thành ph n ng su t b sung do các trong ñó: x y z xy xz yz l c ki n t o, t i tr ng trên m t… gây ra. Các h s λ có th tính theo các công th c (5.11), (5.12). Kh i ñá phân l p hay kh i ñá có các m t khe n t song song v i nhau. - Khi m t phân l p n m ngang, thì ng su t th ng ñ ng có th tính theo công th c (5.8), còn các ng su t theo phương n m ngang, có th tính theo công th c (5.12). - Khi m t phân l p (hay m t khe n t) h p v i phương th ng ñ ng m t góc α (hình 5.4), cho r ng trên b m t các khe n t không có l c liên k t (c = 0), t i ñ y, ñi u ki n b n Coulomb có th vi t: τα = σα . tgϕ (5.17) T i chi u sâu z b t kỳ, thành ph n ng su t th ng ñ ng σz v n ñư c tính theo công th c (5.1). z σz Trên sơ ñ phân tích ng su t, chi u lên các tr c theo phương σx và σz s ñư c: σx α σα τα σα τα C¬ häc ®¸.289 z
σx = σα cosα (1 – tgϕ tgα) (5.18) σz= σα sinα (1+ tgϕ cotgα) (5.19) Do v y: σx 1 Hình 5.4. Sơ ñ phân tích ng su t trong kh i =λ= (5.20) tg (α + ϕ) σz ñá có m t h th ng khe n t. Cu i cùng, thành ph n ng su t theo phương n m ngang s ñư c tính theo công th c: 1 σx = . γ. z (5.21) tg (α + ϕ) Các tr ng thái ng su t trên s ñư c dùng ñ gi i các bài toán cơ h c ñá trong nh ng trư ng h p c th . 5.1.3. S PHÂN B L I NG SU T TRONG V TRÁI ð T tr ng thái không chuy n ñ ng, kh i ñá ñã có m t tr ng thái ng su t ban ñ u do tr ng lư ng c a các l p ñá n m trên. Theo tính toán, kh i ñá không th b phá hu ch do m t y u t tr ng l c: Cho r ng granit có ñ b n nén b ng 37 – 379MPa (theo E.G. Gazier, 1973) và có tr ng lư ng th tích trung bình b ng 26,6kN/m3 (theo b ng 1.3) thì chi u sâu mà t i ñó ñá granit s b phá hu (b n t) do tr ng lư ng c a kh i ñá cũng là granit n m trên s là t kho ng 1400 ñ n 14000m. Nhưng th c t l i không ph i như v y, kh i ñá granit b n t n t i nh ng chi u sâu không ñáng k và các v t n t h p v i phương c a ng su t chính (phương th ng ñ ng) nh ng góc nh hơn 45o. Vì v y ph i có m t thành ph n ng su t khác góp ph n vào vi c phá hu ñá. ði u này ñư c nhi u nhà nghiên c u gi i thích r ng trong t nhiên, kh i ñá luôn luôn tr ng thái chuy n ñ ng. T.Kobayashi ñã nh n th y là sau m i l n ñ ng ñ t, m t ñ t b chuy n v 2 – 3m, có khi t i 8m. Nh ng năm g n ñây, do nh ng tr n ñ ng ñ t m nh vùng Hymalaya làm các ñ nh núi b nâng lên cao t 40 – 60m và m t vài ñ nh núi trong kho ng 50 năm tr l i ñây ñã b nâng lên t t c ñ n g n 100m. H.Closs ñã nêu ñ y ñ nh ng ch ng c ñ gi thi t r ng h u như m i ph n trên v Trái ð t ñ u tr ng thái chuy n ñ ng. T c ñ và ñ c trưng c a chuy n ñ ng này thay ñ i trong m t ph m vi r t r ng. Ngay c m t ph m vi nh mà theo quan ñi m ñ a ch t, có th coi là c k t, ngư i ta cũng v n ño ñư c các chuy n v r t nh b ng các máy móc hi n ñ i chính xác: Gi a vùng Lestal và Closterl ( ð c) cách nhau 100km, trong vòng 1 năm, ngư i ta ñã ghi ñư c s chênh l ch ñ cao là 52mm. E.Tschernig và A.Watznauer cũng ñã nêu ra nhi u d n ch ng v s chuy n v c a kh i ñá d c theo các ñ t g y hay theo phương th ng ñ ng và n m ngang. 290.C¬ häc ®¸
T t c nh ng thí d trên ch ng t có nh ng l c luôn luôn ñư c b sung làm chuy n v l p v Trái ð t, làm xu t hi n các ng su t l n. Vì v y, không có tr ng thái cân b ng lý tư ng t i m t ñi m nào ñó trên v Trái ð t, nghĩa là tr ng thái ng su t c a ñá luôn luôn thay ñ i theo th i gian, ng su t c a ñá luôn luôn ñư c phân b l i. Bi u hi n rõ ràng nh t c a s phân b l i ng su t c a ñá là các hi n tư ng trư t, n ñá và n t ñá. ñây ch nêu lên hai hi n tư ng sau, vì trong chương trư c ñã nêu khá rõ ràng v hi n tư ng trư t. 5.1.3.1. N t ñá thư ng quan sát th y ph n ñá g n m t ñ t, nh t là trên các sư n d c: Các v t n t thư ng song song v i m t kh i ñá. ði u này ñã ñư c m t s nhà nghiên c u gi i thích như sau: T i m t ñi m b t kỳ n m sâu trong kh i ñá ñ u ch u tác d ng c a 3 thành ph n ng su t σx, σy, σz. Tuỳ t ng nơi, t ng ch mà quan h gi a các thành ph n ng su t này có th khác nhau. chi u sâu r t l n thì có ñ y ñ 3 thành ph n ng su t nghĩa là tr ng thái ng su t th tích. Càng lên g n m t ñ t, chi u sâu càng gi m, nh t là các sư n d c thì m t thành ph n s b m t ñi. T tr ng thái ng su t 3 phương chuy n thành tr ng thái ng su t ph ng làm xu t hi n các v t n t và ñ t g y có hư ng song song v i m t b d c. Theo C. Jaeger (1975) thì hi n tư ng này ch th y chi u sâu nh hơn 15m. Nhưng theo L.M u ller (1971), ngay ñ sâu 80m, v n th y xu t hi n hi n tư ng && này. Các v t n t phát sinh, trong nh ng ñi u ki n thu n l i, do s tác ñ ng m nh c a y u t khí h u làm ñá b bóc thành t ng l p (theo A.Kieslinger). Hi n tư ng n t ñá r t thư ng g p trong t nhiên. Khi xây d ng trên các b d c ñá, ph i chú ý ñ n nó và có nh ng bi n pháp x lý thích h p. 5.1.3.2. N ñá là hi n tư ng phá hu nhanh chóng tr ng thái ng su t gi i h n c a m t kh i ñá, làm ñá b v v n, nghi n nh , ph t ra, phá ho i các vì ch ng và các thi t b s n xu t trong h m lò. N ñá thư ng kèm theo s ch n ñ ng kh i ñá xung quanh, nh ng ti ng ñ ng chói tai, nh ng lu ng khí d d i. Hi n tư ng n ñá ñã x y ra nhi u nơi trên th gi i như vùng m ñá kim cương c a Ti p Kh c, vùng m chì – k m c a áo, vùng m vàng c a M , vùng m vàng – ñ ng – k n c a Canaña… các vùng m mu i, hi n tư ng n ñá x y ra càng mãnh li t: năm 1958, t i vùng m kali mang tên E.Telơman (C ng hoà dân ch ð c cũ ) ñã x y ra m t tr n n ñá, ch n ñ ng nó gây ra ñã ghi l i ñư c t n Moxkva, Th Nhĩ Kỳ và Tây Ban Nha. N u theo gi thuy t cho r ng áp l c ch do thành ph n tr ng l c thì hi n tư ng n ñá ch có th x y ra ñ sâu l n hơn 600m. Nhưng th c t , nhi u tr n n ñã x y ra t i chi u sâu r t nh như m than nâu c a Liên Xô cũ (chi u sâu 130 – 90m) hay Tây ð c… ði u này có th do hi n tư ng t p trung ng su t gây ra. Nhi u nhà nghiên c u cho r ng nguyên nhân c a hi n tư ng n ñá cũng gi ng như c a hi n tư ng n t ñá, nghĩa là m t tr ng thái ng su t b phá v ñ ñ t t i m t tr ng thái cân b ng m i. Nh ng công trình c a E. Tschernig và L.V.Rabcewicz ñã gi i thích khá rõ ràng. C.Torre d a trên cơ s toán h c ñã gi i thích nhi u quy lu t C¬ häc ®¸.291
xu t hi n n ñá khá phù h p v i th c nghi m. Ông ta cho r ng hi n tư ng n ñá ch x y ra khi vòm h m ñ t theo hư ng ti p tuy n v i hư ng c a ng su t nén l n nh t. 5.1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ðO NG SU T T NHIÊN TRONG KH I ðÁ Vi c ño ng su t t nhiên trong kh i ñá ñã ñư c nhi u nhà khoa h c nghiên c u t lâu và do v y hi n nay có r t nhi u phương pháp ño ng su t t nhiên. Theo A.A.Korablev (1969) thì các phương pháp ño ng su t c a kh i ñá có th chia làm hai nhóm: Nhóm các phương pháp gi i tích d a trên cơ s lý thuy t ñàn h i và d o, ñ ng th i dùng gi thuy t v áp l c m và các phương ti n toán h c khác. Các phương pháp này thư ng ít phù h p v i ñá. Nhóm các phương pháp th c nghi m có th chia làm 2 ph nhóm tuỳ theo hình th c thí nghi m t i th c ñ a hay trong phòng thí nghi m. Trong phòng thí nghi m có th dùng phương pháp mô hình quang h c, mô hình ly tâm hay phương pháp v t li u tương ñương. Ngoài th c ñ a có th dùng các phương pháp d t i, phương pháp hi u áp l c, phương pháp ño bi n d ng hay các phương pháp ñ a v t lý… ñây ch xét ñ n các phương pháp ño ng su t t i th c ñ a, ngay t i ch c n xác ñ nh ng su t (phương pháp “in situ”). T i th c ñ a, ngư i ta có th ño ng su t trong kh i ñá thành các h m lò, các v t l ho c t i m t chi u sâu nào ñó c a kh i ñá. 5.1.4.1. ðo ng su t trên thành kh i ñá B ng các phương pháp ño khác nhau, ngư i ta s xác ñ nh ñư c ng su t thành kh i ñá ch không ph i ng su t t nhiên trong kh i ñá. S liên h gi a hai lo i ng su t này còn r t h n ch , nên t ng su t trên thành kh i ñá không th suy ra ng su t t nhiên trong kh i ñá ñư c. Vi c ño này ch xác ñ nh tính ch t c a ñá ngay thành h m lò. ð ño ng su t trên thành kh i ñá, ngư i ta có th dùng nhi u phương pháp: Phương pháp gi m t i toàn ph n Phương pháp này do G.Oberti s d ng l n ñ u tiên năm 1936. Nguyên t c c a phương pháp này là ño bi n d ng c a ñá t i m t ñi m trên thành kh i ñá sau khi ñã cách ly ph n ñá có ñ t d ng c ño ra kh i toàn b kh i ñá b ng m t rãnh tròn, sâu. Bi n d ng k ñư c ñ t vào v trí ñ nh ño b ng 2 m c ñã chôn c n th n vào thành kh i ñá (hình 5.5). Vi c gi m t i toàn ph n ch ñá ñ nh nghiên c u ñư c th c hi n b ng cách khoan m t rãnh tròn, sâu xung quanh d ng c ño. Do b gi m t i, ñá s b bi n d ng và ñư c th hi n trên bi n d ng k . 292.C¬ häc ®¸
N u bi t trư c môñun ñàn h i c a ñá (ho c xác ñ nh và l y tr s trung bình s h c c a môñun ñàn h i theo các hư ng) s suy ra ñư c ng su t trên thành kh i ñá theo các công th c liên h chương II. Do kích thư c c a các bi n d ng k nh nên khi ño, có th ñ t nó theo các hư ng khác nhau. Vi c t o rãnh tròn có th dùng các máy khoan xoay có ñư ng kính Φ250mm. Phương pháp này ch s d ng trong ñá tương ñ i khô, c n ph i t n nhi u th i gian và ñ m b o ñ chính xác khi ñ t d ng Hình 5.5 c . K t qu thí nghi m ph thu c vào ch s c a bi n d ng k mà ñ chính xác và vi c hi u ch nh nó không th ñánh giá b ng m t ðo ng su t ch tiêu nào ñư c. b ng phương pháp gi m t i Ngoài ra, áp d ng phương pháp này, cu i quá trình gi m toàn ph n. t i, ñá d b phá hu làm sai l ch giá tr c a môñun bi n d ng (tr lo i ñá r t c ng). 1. Rãnh gi m t i; 2. Neo; Phương pháp gi m t i m t ph n 3. Bi n d ng k . Phương pháp này do Mathar (ngư i ð c) ñ ra năm 1933 ñ ño ng su t trong các c u trúc kim lo i và ng su t dư trong các chi ti t kim lo i: Trên m t ph ng c a m t phân t có ng su t, ngư i ta khoan m t l khoan ñư ng kính nh , nghĩa là ñã làm gi m m t ph n t i tr ng. Do v y các ph n g n l m t tr ng thái cân b ng ng su t và x y ra s phân b l i ng su t ñó. Theo các bi n d ng ño ñư c do có s phân b l i ng su t, ngư i ta s xác ñ nh hư ng c a các ng su t ti p chính t i ñi m c n ño. Năm 1950, J.Talobre ñã dùng phương pháp này ñ xác ñ nh ng su t trong ñá và g i là phương pháp “l khoan trung tâm”. L p n i ti p 3 bi n d ng k (t t nh t là bi n d ng k ki u c m ng) thành m t tam giác ñ u xung quanh ñi m ñ nh gi m t i (hình 5.6). T tâm c a tam giác ñ u, khoan m t l khoan có ñư ng kính ñ nh ñ trong ph n ñá có ñ t các bi n d ng k , ng su t gi m ñi không quá 1/3. Th c nghi m ñã làm v i l khoan có ñư ng kính Φ56mm và ñư c khoan b ng lư i khoan kim cương. Sau khi khoan, gi a các m c có s d ch chuy n tương ñ i và s th hi n trên bi n d ng k . Vi c chuy n t giá tr các chuy n v ño ñư c các ñi m m c sang các tr s ng su t có th làm ñư c b ng cách so sánh v i m u ñá cùng lo i ñã làm trong phòng thí nghi m (ñã xác ñ nh ñư c các ñ c trưng ñàn h i c a nó). Nhưng vi c làm này ph c t p và có ñ sai l ch l n. G n ñây, ngư i ta ñã hoàn thi n phương pháp này b ng cách dùng các Hình 5.6. ðo ng su t theo phương pháp l khoan trung tâm. 1. M c; 2. Bi n d ngC¬;häc ®¸.293 k 3. L khoan gi m t i.
c m bi n hay các bi n d ng k tháo l p ñư c. Phương pháp d a trên s h i ph c áp l c Phương pháp này do A.Mayer ñ ra. Nguyên t c c a phương pháp là ph c h i l i áp l c ñã m t ñi trong quá trình gi m t i b ng cách kích thu l c ñ t trong các rãnh gi m t i. Phương pháp này s ño ñư c tr c ti p ng su t ban ñ u có trong kh i ñá và ghi l i ñư c s thay ñ i ng su t theo th i gian. Phương pháp này còn ñư c g i là phương pháp hi u áp l c. D a trên nguyên t c này, có m t s cách xác ñ nh c th sau: - Trên m t kh i ñá ñ nh ño, ngư i ta căng các s i dây theo các hư ng khác nhau rung ñ ng v i t n s riêng ñã ñ nh trư c (hình 5.6). Hình 5.7. Xác ñ nh ng su t d a trên s ph c h i áp l c. Gi m t i m t ph n b ng cách ñào m t rãnh 1.Kh i ñá; 2. Rãnh ñào; 3. Dây rung; ph ng g n ñó. Do b gi m 4. V a xi măng; 5. Kích ph ng. m t ph n ng su t, các s i dây s b dao ñ ng v i t n s khác ñi. Sau ñó, ñ t các kích ph ng vào trong rãnh và lèn ch t l i b ng v a ximăng. Kích ph ng là m t h p d t b ng ñ ng hay thép lá dày 2 – 3mm, hai ñ u ñư c hàn l i và thông v i m t ng d n ch t l ng t m t bơm tay ñ t o ra áp l c trong kích. Liên xô cũ thư ng dùng lo i kích ph ng có kích thư c 600 x 400 x 600mm, ch u ñư c áp l c l n nh t là 20MPa. M thư ng dùng kích ph ng có kích thư c (305–406) x (305–406) x 38mm, ch u ñư c áp l c l n nh t là 70MPa. Pháp thư ng dùng kích Freyssinet. Tăng áp l c c a kích cho t i khi nào các s i dây dao ñ ng v i t n s và âm s c ban ñ u thì thôi. Tr s áp l c c a kích cũng chính là giá tr ng su t ban ñ u thành kh i ñá. ð xác ñ nh chính xác hư ng c a ng su t chính t i m t v trí ño, có th ñ t 2 kích theo hư ng vuông góc v i nhau. 294.C¬ häc ®¸
Phương pháp này tuy ñơn gi n nhưng ph m vi s d ng còn b h n ch vì kho ng ño ng n (ch dùng cách thành ñá kho ng 2–2,5m), t i nh ng ch này, do nh hư ng c a vi c thi công h m lò, làm xu t hi n s phân b l i ng su t, có ch ñá b phá hu . Do v y, giá tr ño ñư c cũng ch là g n ñúng và trong m t vài trư ng h p (ñá m m hay b phá hu m nh) thì không th dùng ñư c. Giá thành phương pháp này khá cao và th i gian ño cũng lâu. - Xung quanh ñi m ñ nh ño ng su t, ngư i ta căng các dây như trên. Vi c gi m t i m t ph n ñư c th c hi n b ng cách khoan m t l khoan có ñư ng kính Φ166mm t i ñi m ño. Sau ñó th vào l khoan m t pressiomètre có ñư ng kính tương t (xem m c 2.3.2). Tăng áp l c c a pressiomètre cho t i khi các s i dây l i dao ñ ng v i t n s và âm s c ban ñ u thì thôi. Áp l c c a pressiomètre lúc ñó chính là ng su t ban ñ u c a thành kh i ñá. Trong phương pháp này ph i khoan l khoan l n b ng lư i khoan kim cương, sâu kho ng g n 1m, nên m t th i gian và giá thành cũng ñ t. - Dùng phương pháp l khoan trung tâm ñã nói trên. Sau khi các m c ñã b d ch chuy n tương ñ i v i nhau, ngư i ta th vào l khoan m t kích tròn có ñư ng kính cũng b ng 56mm. Vì chi u dài kích cũng ch kho ng 220mm nên chi u sâu l khoan cũng không nên quá 250mm. Tăng áp l c c a kích d n d n ñ ñ nh hư ng các m c tr l i v trí ban ñ u. Qua ñó s th y ñư c ng su t trên thành kh i ñá. Nói chung, trong các cách làm trên, s g n k t c a xi măng nhi u khi cũng làm sai l ch k t qu thí nghi m. ð gi m b t các sai s , ph i ti n hành các thí nghi m b sung, nhưng nói chung cũng khá ph c t p. 5.1.4.2. ðo ng su t t i m t chi u sâu c a kh i ñá Vi c ño ng su t t i m t chi u sâu c a kh i ñá ñư c ti n hành b ng cách khoan các l khoan xu ng t i ñi m ñ nh nghiên c u. Qua bi n d ng ngang hay d c c a ñá thành l khoan s suy ra ñư c tr ng thái ng su t c a kh i ñá hay ñ n ñ nh c a kh i ñá… Nhưng vi c ño này cũng g p ph i khó khăn là ph i chuy n t tr s bi n d ng ño ñư c sang tr s ng su t, thi t b ño ph c t p và giá thành cao. ð ño ng su t t i m t chi u sâu trong kh i ñá, có th dùng m t s phương pháp sau: Phương pháp gi m t i toàn ph n Nguyên t c c a phương pháp này ñã trình bày trong ph n ño ng su t trên thành kh i ñá. D a trên nguyên t c ñó, có th có m t vài cách làm c th sau: - Gi m t i toàn ph n, ño bi n d ng ñàn h i ñáy l khoan. C¬ häc ®¸.295
Khoan m t l khoan t i chi u sâu ñ nh ño ng su t. Mài nh n ñáy l khoan b ng các lư i khoan ñ c bi t r i g n lên m t ñá 2 hay 3 c m bi n b ng nh a êpôxi. Vi c b trí v trí c a c m bi n có th vuông góc v i nhau hay h p v i m t tr c tư ng tư ng các góc khác nhau (hình 5.8). ð gi m t i toàn ph n, dùng lư i khoan kim cương l y m u, khoan m t rãnh vòng gi m t i v i chi u sâu b ng kho ng 1,5 ñ n 2 l n ñư ng kính l khoan. Khi ñó, ñá l khoan s b bi n d ng. Theo bi n d ng mà các c m bi m ñã ghi s xác ñ nh ñư c bi n d ng tương ñ i m t ñáy l khoan. T ñây suy ra ñư c ng su t chính c a kh i ñá: Hình 5.8. E ðo ng su t dư i (ε1 + νε 2 ) σ1 = (5.22) 1− ν sâu b ng phương pháp 2 gi m t i toàn ph n. E (ε 2 + νε1 ) σ2 = (5.23) 1. M u ñá; 1− ν2 2. Tenxơmet; 3. Cáp; trong ñó: E và ν là môñun ñàn h i và h s Poisson 4. Lư i khoan; c a ñá xác ñ nh ñư c trong phòng thí 5. C n r ng. nghi m. Như c ñi m c a phương pháp này là do khi khoan có nư c nên khó cách ly ñư c các c m bi n v i nư c. M t khác, các c m bi n ñư c n i v i m t ñ t b ng cách dây d n nên khi khoan, c n khoan quay làm vi c g n c ñ nh c m bi n lên m u r t khó. - Gi m t i toàn ph n, ño ng su t ñáy l khoan theo s gi m áp l c các d ng c ño. Phương pháp này do N.Hast dùng l n ñ u tiên t i Thu S năm 1951. ð u tiên khoan m t l khoan có ñư ng kính 26mm t i chi u sâu ñ nh ño ng su t. Sau ñó b ng c n khoan, ñ t cái c m bi n ño ng su t vào v trí c n ño. ð ép ch t c m bi n vào ñá, ngư i ta dùng các nêm. Vì s làm vi c c a c m bi n ph thu c nhi u vào áp l c t i ch ti p xúc gi a ph n ñ m c a c m bi n v i thành l khoan và ñ ñàn h i c a b n thân c m bi n, r t d làm k t qu ño b sai l ch, nên ñ kh các sai s này, ngư i ta ph i hi u ch nh các c m bi n trư c khi th nó xu ng l khoan b ng cách th phòng thí nghi m trong các 3 khuôn hi u ch nh ñ c bi t b ng chính ñá c a 2 nơi ñ nh nghiên c u hay các v t li u khác như thép, nhôm… Vi c gi m t i toàn ph n ñư c th c hi n b ng lư i khoan kim cương l y m u có Hình 5.9. ðo 1 ng su t t i m t chi u sâu c a kh i ñá theo phương 296.C¬ häc ®¸ pháp c a N.Hast. 1. C m bi n; 2. Nêm; 3. Rãnh gi m t i.
ñư ng kính 87mm, ñ t ñ ng tâm v i l khoan trư c t i chi u sâu ñ nh ño. Do b gi m t i, l c ñ y c a ñá vào cái c m bi n gi m ñi, giá tr này ñư c ghi l i trên tr m ño. So sánh giá tr này trên ñư ng cong hi u ch nh ñã thu ñư c trong phòng thí nghi m s ñư c tr s c a ng su t t i m t chi u sâu nào ñó trong kh i ñá (hình 5.9). ð thu ñư c hư ng và tr s c a ng su t chính, ngư i ta ti n hành gi m t i 3 l n, m i l n l i quay c m bi n ñi 45o hay 60o. M i l n ño t i m t hư ng l i ph i khoan thêm kho ng 80 – 100mm, nghĩa là ñ ño l i m t ñi m, ph i khoan sâu thêm kho ng 240 – 300mm n a b ng lư i khoan có l y m u. ð xác ñ nh ng su t t i ñi m ño, cũng c n bi t thêm môñun ñàn h i c a ñá trong phòng thí nghi m và c a kh i ñá ñ nh ño. N u môñun ñàn h i c a ñá ñ nh ño ng su t Em khác v i môñun ñàn h i c a ñá (hay v t li u làm khuôn hi u ch nh) Ek thì các giá tr c a c m bi n ño ng su t ph i nhân v i h s α = Em / Ek. Ưu ñi m c a phương pháp này là lo i tr ñư c hi n tư ng t p trung ng su t ñáy l khoan, th i gian thí nghi m cũng ng n. Vì v y, nó ñư c coi là phương pháp chính ñ ño ng su t t i m t chi u sâu nào ñó. Ngày nay, nhi u nư c ñã s d ng phương pháp này, nhưng cách ti n hành c i ti n hơn m t chút: ð u tiên khoan m t l khoan thư ng có ñư ng kính b ng v i l khoan gi m t i sau này. G n t i chi u sâu ñ nh ño ng su t, ngư i ta khoan m t l khoan ñ ng tr c, có ñư ng kính nh hơn (Φ37mm – cũng g i là l khoan hoa tiêu) cho t i chi u sâu ñ nh ño. Chèn ch t các thi t b ño vào l khoan nh , ghi s ñ c ban ñ u r i khoan ti p v i ñư ng kính l n như ban ñ u (hình 5.10). Do b gi m t i, l c ñ y c a ñá vào cái c m bi n c a ñ u ño gi m ñi; s ñ c này cũng ñư c ghi l i. B ng cách tính toán v i gi thi t ñá là môi trư ng ñàn h i tuy n tính, theo các công th c trong lý thuy t ñàn h i s xác ñ nh ñư c các tr s ng su t trong kh i ñá. M , ngư i ta dùng các ñ u ño USBM c a y ban M c a M , Nam Phi dùng thi t b CSIR c a H i ñ ng nghiên c u khoa h c và công nghi p, hay các ki u LNEC c a B ðào Nha, ki u CSIRO c a Úc, ki u SSPB – Hiltscher c a Thu ði n… Phương pháp d a trên s ph c h i áp l c. Lç khoan chÝnh Nguyên t c c a phương pháp này cũng gi ng như phương pháp l khoan trung tâm, nhưng do c n xác ñ nh ng su t Lç khoan hoa tiªu t i m t chi u sâu n n cách làm có ph c t p hơn m t chút. T¹o lç khoan gi¶m t¶i Khoan m t l khoan có ñư ng kính Φ185mm, chi u sâu l khoan xác ñ nh theo Hình 5.10. Trình t khoan và v trí c n ño ng su t. Trên m t ñáy l ñ t ñ u ño ng su t. khoan, ñ t 3 bi n d ng k n i ti p nhau C¬ häc ®¸.297
thành hình tam giác ñ u, sao cho các kim c a chúng ñ u ch v ch 0. Gi m t i m t ph n b ng cách t tâm l khoan, khoan m t l khoan có ñư ng kính b ng 56mm. Quan sát s chuy n v c a các bi n d ng k và ghi l i các tr s c a chúng. Th vào l khoan m i m t kích hình tr (hay m t pressiomètre) có ñư ng kính 56mm. Tăng áp l c kích t i khi nào các s ch c a bi n d ng k tr v tr s ban ñ u thì thôi. Áp l c c a kích chính là ng su t c a ñá t i chi u sâu thí nghi m. B ng phương pháp này s ño ñư c ng su t t i b t kỳ m t chi u sâu nào ñó, nhưng cách làm khá ph c t p và ph i khoan các l khoan ñư ng kính l n. Phương pháp quang ñàn h i. Phương pháp này do Y.Hiramatsu, Y.Niwa và Y. Oka (ngư i Nh t) ñ ra t năm 1957. ñáy l khoan ng v i chi u sâu ñ nh nghiên c u, ngư i ta l p 1 gương và ñĩa b ng các v t li u có ho t tính quang h c sao cho ñĩa khi thí nghi m b bi n d ng cùng v i ñá bao quanh l khoan. B ng m t dung c ñ c bi t ki u như m t súng l c, ngư i ta chi u xu ng ñáy l khoan tia sáng vàng phân c c, g p các ch t kh c c ñiã dư i ñáy l khoan, nó b b t l i và ghi thành nh trong thi t b ñó. Theo nh, không nh ng s xác ñ nh tr s c a ng su t ñáy l khoan mà còn xác ñ nh ñư c c tr ng thái ng su t t i ñáy l khoan khi thí nghi m. Anh, A.Roberts cũng ñã ch ra các d ng c theo nguyên t c trên. Liên Xô cũ, ngư i ta cũng ñã dùng các d ng c ki u ΑΣΑ - P và OΑ ñ ño ng su t trong kh i ñá. Các phương pháp ñ a – v t lý Trong nh ng năm g n ñây, các phương pháp ñ a – v t lý ñã ñư c s d ng r ng rãi ñ ño ng su t và ñã thu ñư c nhi u k t qu . D a trên nguyên t c ñ a – v t lý, ngư i ta có th dùng nhi u phương pháp khác nhau nhưng ph bi n nh t là phương pháp âm h c và phương pháp ch n ñ ng. - Phương pháp âm h c Phương pháp này ñã ñư c dùng t hơn 50 năm trư c và là m t phương pháp r t có hi u qu . Nó d a trên cơ s nghiên c u các xung ñàn h i t nhiên sinh ra trong kh i ñá khi tr ng thái ng su t c a ñá b thay ñ i. Th c nghi m và các quan sát th c t ñã th y là khi thay ñ i tr ng thái ng su t trong m u hay trong kh i ñá thì chúng ñ u phát sinh các xung âm. Áp l c càng tăng thì t n s c a xung âm sinh ra không ng ng tăng lên và s c c ñ i trư c khi b t ñ u phá hu kh i ñá. Vì v y, n u xác ñ nh ñư c b ng th c nghi m t n s c a xung âm sinh ra trong ph n ñá ñ nh nghiên c u, s có th ñánh giá ñ n ñ nh c a kh i ñá và s thay ñ i tương ñ i tr ng thái ng su t c a nó. I.D.Rivkin, P.A.Bogdanov và V.P.Zapolxki ñã 298.C¬ häc ®¸
nghiên c u vùng m Krivôi Rozh (Liên Xô cũ) ñã th y là khi t n s xung âm là 1 – 20 trong 1 phút thì ñã th y b t ñ u phá hu ñá mà m t thư ng không th y ñư c, khi t ns 20 – 40 trong 1 phút thì ñá b phá hu kèm theo nh ng s t l c c b , khi t n s t i 40 – 60 trong 1 phút thì kh i ñá b t ñ u tr ng thái không n ñ nh b s p ñ. T t nhiên, giá tr c a các t n s này thay ñ i tuỳ theo tính ch t c a ñá và tr ng thái ng su t c a chúng. M t b d ng c ñ thí nghi m b ng phương pháp âm h c thư ng g m: B ph n thu sóng âm, t n s âm sinh ra trong kh i ñá ñ nh nghiên c u, b ph n khu ch ñ i ñ làm rõ các tín hi u mà b ph n thu ñã nh n ñư c. Các thi t b ño ñ ghi các tín hi u âm ñã thu ñư c. Ngu n ñi n và dây d n. - Phương pháp ch n ñ ng Phương pháp này cũng còn ñư c g i là phương pháp xung hay phương pháp siêu âm, nghiên c u tr ng thái ng su t c a ñá trên cơ s nghiên c u s ph thu c gi a s truy n có ñi u ki n c a các xung ñàn h i nhân t o trong kh i ñá ñ nh nghiên c u và các ñ c trưng tr ng thái ng su t c a nó. Thư ng thư ng, ngư i ta hay dùng s liên h gi a các t c ñ truy n sóng ñàn h i ngang và d c v i các ñ c trưng ñàn h i c a kh i ñá (theo công th c (1.173) – (1.177) ñ ñánh giá tính ch t c a ñá sau khi ñã ño ñư c các t c ñ truy n sóng ñàn h i trong chúng. Cùng m t lo i sóng ñàn h i, nhưng khi thí nghi m, ngư i ta có th làm trong các áp l c khác nhau. P.Habib, G.Dawance và nhi u nhà nghiên c u khác ñã th y là áp l c càng tăng thì t c ñ truy n sóng ñàn h i cũng tăng lên ngay t ñ u và s ng ng l i khi áp l c ñ t t i 30 – 70% ñ b n nén c a ñá. V i m i lo i ñá, m c ñ tăng t c ñ truy n sóng ñàn h i theo s tăng c a áp l c không như nhau. O.I.Xilaeva ñã nêu thành công th c: C = Kp1/n (5.24) trong ñó: C là t c ñ truy n sóng ñàn h i; K là h s t l ; p là áp l c ñ t lên m u; n là h s , ph thu c vào tính ch t c a ñá. Mu n xác ñ nh ñư c t c ñ truy n sóng ñàn h i, ph i khoan 2 hay 3 l khoan song song v i nhau, cách nhau 0,5 – 1 hay vài m. T i 1 l khoan s ñ t máy phát dao ñ ng, còn l khoan kia s ñ t máy thu. Các máy này ñ u n i v i máy ghi ñ a ch n. Bi t kho ng cách gi a hai l khoan, th i gian truy n sóng ñàn h i, s suy ra ñư c t c ñ truy n sóng c a nó. K t qu thí nghi m ph thu c r t nhi u vào vi c ép ch t các máy ño vào thành l khoan. Vì v y, n u có ñư c thi t b ki m tra ch t lư ng C¬ häc ®¸.299
ch ti p xúc thì k t qu càng chính xác. N u không, các l khoan nên khoan b ng lư i khoan kim cương ñ thành l khoan ñư c ph ng, nh n hay dùng các thi t b k p ki u thu l c hay hơi ép. Bi t ñư c t c ñ truy n sóng ñàn h i, mu n chuy n sang tr s ng su t, ph i d a vào ñư ng cong chu n ñã xác ñ nh trư c trong phòng thí nghi m v i cùng lo i ñá ñ nh ño và các tr ng thái ng su t thích h p. ð thu ñư c tr s ñáng tin c y hơn, ngư i ta có th k t h p c vi c dùng các kích thu l c ñ xác ñ nh tr s ng su t t i ch ñ nh ño. Vi c làm song song các thí nghi m này s làm tăng ñ chính xác c a k t qu thu ñư c. Liên Xô cũ, khi ño ng su t b ng phương pháp ch n ñ ng thư ng dùng các máy O - 55, YCA – 2M, A… Ngoài ra, trong phương pháp ñ a – v t lý, ngư i ta cũng còn dùng các phương pháp ñi n, t , phóng x ñ ño ng su t trong kh i ñá, nhưng ph m vi s d ng cũng còn nhi u h n ch . M t khác, trong các phương pháp ñ a – v t lý, kho ng cách ño dài nên k t qu thu ñư c ch là giá tr trung bình c a ng su t th c t trong kh i ñá. Nó khác v i các phương pháp trên, giá tr thu ñư c là ng su t t i m t ñi m nào ñó c n ño. Phương pháp phá v thu l c Phá v thu l c thư ng là phương pháp kh thi duy nh t ñ ño ng su t t i ñ sâu vài trăm ñ n vài nghìn mét như ñ nghiên c u các b n ch a d u và khí, ñ thi t k các công trình ng m n m sâu trư c khi có các gi ng ho c h m thăm dò. K t qu c a phương pháp là xác ñ nh tr c ti p ñư c giá tr c a ng su t nén chính nh nh t b t k tính ch t cơ h c c a kh i ñá như th nào và ñánh giá ñư c các thành ph n ng su t khác. M t h th ng nút (packer) ñơn ho c kép ñ i x ng ñư c “ñ t” (ñư c bơm ph ng lên) ñ sâu yêu c u ñ cách ly khoang thí nghi m. ð có k t qu t t nh t, ch n m t ño n tương ñ i cách nư c và không có khe n t trong l khoan. Bơm ch t l ng vào khoang thí nghi m và tăng d n áp l c c a nó lên, ñ ng th i theo dõi lư ng d u ñư c bơm (hình 5.11). S tăng ñ t ng t c a ch t l ng kèm theo s gi m ñ t 300.C¬ häc ®¸
ng t c a áp l c ch ng t là ñã x y ra s phá v thu l c. Quá trình phá v thu l c ti p t c lan truy n t l khoan khi ch t l ng ñư c bơm vào và nó có hư ng vuông góc v i hư ng c a ng su t chính nh nh t. Khi s phá v thu l c ñã lan ñi ñư c kho ng 10 l n ñư ng kính l khoan thì ng ng bơm b ng cách ñóng van và ño áp su t t c th i lúc ñóng van. Quá trình ñư c l p l i vài l n ñ ñ m b o s ño ch c ch n cho áp su t này, nó s b ng ng su t chính nh nh t. Hi u s áp l c phá v gi a hai l n thí nghi m (th nh t và th hai) s cho bi t ñ b n kéo c a ñá. Hư ng c a m t phá v ñư c xác ñ nh nh m t camera truy n hình ho c m t máy quét siêu âm, ho c m t bu ng ñánh d u. Khi m t phá v g n song song v i l khoan, có th s d ng nh ng công th c c a Hubbert và Willis ñ tính các thành ph n ng su t có hi u chính. σ’min = ps – po (5.25) σ’max = T + 3ps – pf – po (chu trình 1) Hình 5.11. ðo ng su t (5.26) σ’max = 3ps – b ng phương pháp phá v thu l c. pr – po (chu trình ti p theo) a) Bu ng t o s phá v thu l c; (5.27) b) Bu ng ñánh d u ñ kh o sát hư ng phá v ; trong ñó: ps là áp c) ð th áp su t – th i gian c a s phá v su t t c thu l c. th i lúc ñóng van; po là áp su t nư c l r ng ban ñ u; T là ñ b n kéo c a ñá; pf là áp su t b t ñ u phá v ; pr là áp su t tái phá v . Phương pháp phá v thu l c trên ñã ñư c C.Fairhurst ñ ra năm 1965 và B.C.Haimson (1978) phát tri n thêm ñ ño ng su t trong ñá. Cũng t phương pháp trên, năm 1986 Cornet ñã thí nghi m ngay t i các khe n t c a ñá trên thành l khoan v i các góc nghiêng khác nhau ñ xác ñ nh toàn b ng su t t i khu v c nghiên c u. Phương pháp này không làm phá v ñá. Năm 1983, O.Stephanson ñã c i ti n phương pháp phá v thu l c b ng cách ñ t m t màng m ng gi a ñá và ch t l ng. Nh v y, nh ng khe n t có th phát sinh d c theo tr c l khoan mà ch t l ng không th m vào khe n t ñư c. Thi t b ño có c u t o g n gi ng v i giãn k l khoan (dilatometer) ñã trình bày trong m c 2.2.3.2. Trư c khi thí nghi m, thi t b ñư c hi u ch nh b ng cách bơm trong m t ng kim lo i, sau ñó th xu ng l khoan và thi t b ñư c m ra do áp l c và nh ng thông s ñàn h i c a ñá s ñư c xác ñ nh t quan h gi a áp su t và th tích bơm vào. ðo ng su t t i ch b ng cách tăng áp l c ñ n khi ñá b phá v . Hư ng c a khe n t phát tri n theo m t vuông góc v i hư ng c a ng su t chính nh nh t, ñư c xác ñ nh qua m t băng nh a ñánh d u b c xung quanh màng m ng. S d ng các phương trình phá v thu l c, áp su t v gi i h n ban ñ u, và ñ b n kéo ñã bi t c a ñá s thu ñư c giá tr hi u cu t ng các ng su t chính. Các ng su t chính sau ñó có th ñư c tách ra b ng C¬ häc ®¸.301
cách ñi u ch nh l i áp l c trong l khoan ñ xác ñ nh áp l c ng t, là ñi m u n trên ñư ng cong th tích – áp su t t i ñó tái l p s phá v . Phương pháp này ch nghiên c u ñư c trong ph m vi kho ng 1 hay 2 ñư ng kính k t thành l khoan và không bi t ñư c tr ng thái áp l c – th tích ch t l ng trong vi c phá v . M c dù v y, phương pháp này v n ñư c s d ng r ng rãi, vì nó g n hơn, s ch hơn, nhanh và thu n ti n hơn so v i phương pháp phá v thu l c ban ñ u, ch y u vì không ph i v n chuy n, s d ng m t lư ng l n ch t l ng ñi u áp. Phương pháp ño ñ h i t c a ñư ng h m Phương pháp này d a trên nguyên t c là trong h m, ng su t t ng c ng quanh ñư ng h m là t ng c a các ng su t ban ñ u trong kh i ñá và ng su t phát sinh do ñào h m thay ñ i theo kho ng cách t ñi m ñang xét t i gương h m. Trên m t m t c t n m ngang sát gương h m hình tròn, ñ t các m c ño h i t theo hai tia vuông góc v i nhau và tia th ba là phân giác c a góc h p gi a hai tia trên. ñây m i quan h ng su t – bi n d ng ñư c xác ñ nh theo tr ng thái ng su t ph ng. Khi gương h m ñi ti p ñư c m t ño n l n hơn m t l n ñư ng kính c a h m thì quan h ng su t – bi n d ng ñây cũng ñư c coi như trong bài toán bi n d ng ph ng. B ng công th c trong lý thuy t ñàn h i s xác ñ nh ñư c tr ng thái ng su t ban ñ u n u ño ñư c ñ h i t c a chu tuy n ñư ng h m các tia. K t qu s chính xác hơn n u xác ñ nh ñư c ñ h i t cho hai h m tròn cùng kích thư c, ñào vuông góc v i nhau cùng m t cao ñ . 5.2. TR NG THÁI NG SU T VÀ BI N D NG C A ðÁ XUNG QUANH CÔNG TRÌNH NG M 5.2.1. KHÁI NI M V CÁC CÔNG TRÌNH NG M Công trình ng m là nh ng công trình n m sâu dư i m t ñ t, có hình dáng khác nhau (h m ngang, gi ng ñ ng hay d ng bu ng…) nh m ph c v các m c ñích khác nhau như ñ khai thác khoáng s n (các h m, lò trong m …), ñ làm các công trình giao thông (các h m ñư ng s t, h m ñư ng ôtô…), các công trình năng lư ng (các gian máy, các h m d n c a nhà máy thu ñi n ng m, nhà máy ñi n nguyên t ng m…), các công trình thu l i (các kênh d n nư c ng m…), các kho ch a ng m (các h m ch a ch t l ng, ch t khí, hoa qu , th c ph m…) hay các công trình qu c phòng (các nhà máy s n xu t vũ khí, kho ch a vũ khí ng m, các công trình phòng th ng m…) và trong tương lai, s có các thành ph ng m sâu trong lòng ñ t. Tuỳ theo m c ñích s d ng mà các công trình ng m s có hình dáng và kích thư c khác nhau. Ti t di n ngang c a chúng có th < 100m2 v i nh ng h m ti t di n bé (các h m lò trong m , các ñư ng h m ôtô h p…) hay > 100m2 v i nh ng h m ti t di n l n như các ñư ng xe ñi n ng m, h m ñư ng ôtô 4 làn xe hay nhi u h m thông v i nhau có th t i 40.000m3 (như kho ch a hoa qu ng m Stockholm – Thu 2 tri u m3 d u (h m ch a d u v nh Ph n Lan) hay nh ng ði n) hay ch a ñư c h m l n có th ch a ñư c t i 20.000 ngư i. Các công trình ng m ngày càng ñư c thi công nhi u hơn cùng v i s ti n b khoa h c k thu t chung c a th gi i. 302.C¬ häc ®¸
Trong các lo i công trình ng m thì các công trình ng m ñ ph c v giao thông v n t i chi m m t t l khá l n trong t ng s chi u dài các lo i h m và d n ñ u v s lư ng th tích h m và chi phí ñ xây d ng h m. Các công trình giao thông ng m ñã chi m m t ñ a v r t quan tr ng trong toàn b m ng lư i giao thông các nư c tiên ti n. Vì v y, t r t lâu, ngư i ta ñã làm các công trình giao thông ng m và chúng ngày càng ñư c khai thác tri t ñ hơn. Ngay t năm 1826, Brunel ñã ñào h m dư i lòng sông Thames ch y qua Lonñon. ð n năm 1843, công vi c m i hoàn thành, h m dài 1.190m. Trong kho ng nh ng năm 1857 – 1871, ngư i Pháp ñã thi công ñư ng h m Mont Cénis (gi a Pháp và Ý) dài 12.236m. Cũng trong th i gian này, ngư i Nga ñã làm ñư c h m ñư ng s t ñ u tiên c a nư c mình dài 1.280m (h m ñư ng s t ñ u tiên trên th gi i là do ngư i Anh xây d ng t năm 1826 – 1830, trên ñư ng t Liverpool ñ n Manchester). T ñ u th k XX, các h m ñư ng s t và h m ñư ng ôtô ñư c thi công r t nhi u, nh t là trong các vùng núi Trung Âu. Trư c năm 1971, ngư i ta ñã làm ñư ng h m Mont Blanc gi a Pháp và Ý dài 11,6km, ti t di n 10x10,5m; ñư ng h m Saint Gothard ch y qua dãy Alpes dài 14,998km, ti t di n 12 x 9m, cách h m này kho ng 30m l i có m t ñư ng h m Grand Sasso dài 10,5km g m hai h m song song v i nhau, ti t di n 8 x 7m ñ ôtô có th ch y theo hai chi u. Chi u dài và m t s ñ c tính k thu t c a m t s ñư ng h m ñào trong dãy Alpes ñư c tóm t t trong b ng 5.1. T lâu, ngư i ta ñã mu n th c hi n vi c n i các ñ o hay các l c ñ a v i nhau b ng các ñư ng h m thì kho ng cu i th k XX, nhi u ñư ng h m ñã hoàn thành ñ th c hi n các ý tư ng ñó. M t s ñư ng h m trong dãy Alpes B ng 5.1 Chi u Nhi t ñ C pña Chi u Hm sâu ñ t l n nh t, nhi t, Lo i ñá dài, m o m/oC h m, m C Albula 5.886 750 11 – 52 49 Granit Apennine 18.500 2.000 64 Arlberg 10.250 715 18,5 –34 38,6 Gneis có mica, granit St Gotthart 14.998 1.752 40,4 47 Karawanken 7.976 916 15 144 Lotschberg 14.605 1.673 34 45 Granit, ñá phi n Mont Cénis 12.236 1.610 29,5 58,4 Cát k t, ñá vôi Simplon 19.729 2.135 55,4 37 Tauern 8.551 1.567 23,9 49 Granit, gneis và ñá C¬ häc ®¸.303