Giáo trình Tin học chuyên ngành: Phần 2 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Phần 2 của giáo trình Tin học chuyên ngành tiếp tục cung cấp cho học viên những kiến thức về: ứng dụng chương trình Rocsupport trong thiết kế kết cầu chống công trình ngầm; ứng dụng chương trình Phase2 để phân tích ứng suất, biến dạng trong khối đá bao quanh công trình ngầm;... Mời các bạn cùng tham khảo!

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH ROCSUPPORT TRONG THIẾT KẾ KẾT CẦU CHỐNG CÔNG TRÌNH NGẦM

4.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CHƯƠNG TRÌNH ROCSUPPORT

RocSupport là một chương trình dễ sử dụng để xác định biến dạng của đường hầm tiết diện tròn trong khối đá yếu và đặc tính của khối đá với các kết cấu chống Phương pháp phân tích sử dụng trong RocSupport là: “tương tác khối đá - kết cấu chống” hoặc “Hội tụ - Giới hạn” Phương pháp phân tích này dựa trên nội dung của:

“đường đặc tính khối đá” hoặc “đường đặc tính” nhận được từ kết quả phân tích cho công trình ngầm (CTN) có tiết diện hình tròn trong khối đá đàn hồi - dẻo dưới tác dụng của trường ứng suất thuỷ tĩnh

Các giả thiết chính của phương pháp:

- CTN có tiết diện ngang hình tròn

- Trường ứng suất nguyên sinh là thuỷ tĩnh (ứng suất bằng nhau theo mọi phương)

- Khối đá là đồng nhất, đẳng hướng Phá huỷ không xảy ra theo các hệ khe nứt chính

- Kết cấu chống có tính chất đàn hồi dẻo

- Kết cấu chống được mô hình hoá tương đương với áp lực tác dụng bên trong xung quanh chu vi đường hầm tròn

Giả thiết sau cùng trong thực tế cần phải chú ý cẩn thận khi sử dụng, khi so sánh giữa đường hầm thực tế và kết quả tính toán sử dụng chương trình RocSupport

Giả thiết áp lực kết cấu chống như sau:

- Bê tông phun và vỏ bê tông liền khối là khép kín

- Khung chống thép là hình tròn

- Neo cơ học được lắp đặt theo mạng đều xung quanh CTN

Trong thực tế, khả năng làm việc của kết cấu kết cấu chống thường nhỏ hơn và biến dạng thường lớn hơn những giả thiết trong RocSupport

Mô hình lí tưởng sử dụng để phân tích trong RocSupport không thể thay thế cho thiết kế chi tiết và yêu cầu kết cấu chống cho CTN Thông thường công việc này được phân tích bằng các phương pháp số (ví dụ: phương pháp phần tử hữu hạn), đặc biệt là cho những CTN có biến dạng lớn

Tuy nhiên, có nhiều cách để hiểu về sự tương tác của CTN trong khối đá yếu với các hệ thống kết cấu chống bằng cách nghiên cứu các thông số khi sử dụng RocSupport trong trường hợp trạng thái ứng suất nguyên sinh khác nhau, từ đó độ bền của khối đá và các đặc tính kết cấu chống được tính toán

4.2 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CHƯƠNG TRÌNH ROCSUPPORT

Chương trình có thể áp dụng để tính toán sơ bộ miền phá hủy dẻo xung quanh CTN tiết diện tròn và kiến nghị kết cấu chống cho đường hầm Phương pháp phân tích tương tác khối đá - kết cấu chống có rất nhiều ưu điểm, nhất là khi sử dụng kết hợp với các phương pháp tính số để đưa ra cách nhìn rõ ràng hơn về quá trình cơ học của kết cấu chống và khối đá, có thể làm hướng dẫn cho việc thiết kế kết cấu chống

4.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CHƯƠNG TRÌNH ROCSUPPORT

Mặc dù hiện nay không có một quy tắc rõ ràng cho việc thiết kế kết cấu chống cho đường hầm, nhưng có 3 phương pháp thường được sử dụng hiện nay là:

1 Phương pháp lời giải nghiệm kín trên cơ sở tính toán miền phá huỷ dẻo trong khối

đá xung quanh CTN và áp lực kết cấu chống cần thiết để giảm vùng biến dạng dẻo

2 Các phương pháp số: nghiên cứu quá trình phá huỷ khối đá bao quanh CTN và sự tương tác giữa kết cấu chống tạm thời và cố định với quá trình phá huỷ khối đá bằng các phần mềm phương pháp số như Phase2, Plaxis, UDEC, PLAC

3 Các phương pháp thực nghiệm: trên cơ sở quan sát biến dạng của CTN và điều khiển biến dạng này bằng cách lắp đặt các kết cấu chống

RocSupport thuộc nhóm thứ nhất đó là phương pháp “tương tác khối đá - kết cấu chống” hoặc “hội tụ - giới hạn”

Mỗi phương pháp trên đều có ưu, nhược điểm và giải pháp tốt nhất cho việc thiết kế CTN có thể là sự kết hợp các phương pháp khác nhau ở các giai đoạn khác nhau của quá trình thiết kế Ví dụ phân tích sơ bộ yêu cầu kết cấu chống tạm thời bao gồm phá huỷ dẻo của khối đá và kết cấu chống linh hoạt có thể giải quyết bằng chương trình RocSupport và Phase2

4.3.1 Tương tác khối đá - kết cấu chống

Phương pháp “tương tác khối đá - kết cấu chống” mô tả biến dạng xuất hiện ở vùng lân cận của gương CTN trong những CTN không chống như trên hình 4.1

Hình 4.1 Biến dạng hướng tâm xung quanh gương CTN (Hoek, 1998)

Một điều quan trọng cần chú ý là ngay cả khi gương đào của CTN không chống cũng sinh ra “áp lực kết cấu chống biểu kiến” Đó chính là áp lực kết cấu chống biểu kiến giữ ổn định cho CTN trong thời gian không chống cho đến khi vỏ chống được lắp đặt

Quan sát áp lực kết cấu chống biểu kiến:

- Khi có giá trị bằng ứng suất nguyên sinh (pi = po) tại vị trí khoảng 2,5 lần đường kính CTN tính từ gương CTN vào khối đá

- Bằng 1/4 ứng suất nguyên sinh tại vị trí mặt gương

- Giảm xuống 0 tại vị trí ổn định phía sau gương đào

Phá huỷ dẻo của khối đá xung quanh CTN không có nghĩa là CTN bị sập đổ Khi vật liệu bị phá huỷ, chúng vẫn có độ bền và hình thành vùng phá huỷ dẻo xung quanh CTN Nói cách khác, khi vùng dẻo được hình thành lớn và khi biến dạng xuất hiện ở biên CTN lớn, khối đá bị phá huỷ thậm chí bị sập đổ khi CTN không chống

Hình 4.2 Mối quan hệ giữa áp lực kết cấu chống pi ở những điểm khác nhau và tiến độ

của CTN (Hoek, 1999a)

Chức năng đầu tiên của kết cấu chống là điều khiển biến dạng của khối đá xung quanh CTN để CTN không bị sập đổ Các kết cấu chống được lắp đặt (như neo, vỏ bê tông phun hoặc khung chống thép ) không thể ngăn cản được phá huỷ của khối đá xung quanh CTN dưới trường ứng suất, nhưng các kết cấu chống có thể điều khiển được quy luật biến dạng của CTN (Hoek và nnk, 1995)

4.3.2 Đường đặc tính khối đá

Chương trình RocSupport sử dụng phương pháp

phân tích “tương tác khối đá - kết cấu chống”, đó là sử

dụng “đường đặc tính của khối đá” liên hệ với áp lực kết

cấu chống ban đầu cho công trình ngầm Nội dung cơ bản

của đường đặc tính khối đá như sau:

Giả sử đường hầm có tiết diện ngang hình tròn bán

kính r0, chịu áp lực thuỷ tĩnh p0 và áp lực kết cấu chống

đều bên trong pi, như trên hình vẽ dưới đây:

Khối đá xung quanh đường hầm bị phá huỷ khi áp lực bên trong của vỏ chống đường hầm nhỏ hơn áp lực tới hạn pcr (áp lực kết cấu chống tiêu chuẩn)

Nếu áp lực kết cấu chống bên trong pi lớn hơn áp lực tới hạn pcr, khi đó khối đá không bị phá huỷ, và đặc tính của khối đá xung quanh đường hầm là đàn hồi Bán kính biến dạng đàn hồi vào bên trong đường hầm là:

Đường đặc tính khối đá như trên hình 3.3

Từ hình vẽ cho thấy:

+ Biến dạng bằng 0 khi áp lực kết cấu chống bằng ứng suất thuỷ tĩnh: pi = po

+ Biến dạng đàn hồi uie xảy ra khi:

Khi biết bán kính đường hầm và ứng suất nguyên sinh, hình dạng đường đặc tính khối đá phụ thuộc vào giả thuyết tiêu chuẩn phá huỷ khối đá và tính chất của khối đá Đường đặc tính khối đá phụ thuộc vào tiêu chuẩn phá huỷ khối đá và các yếu tố sau:

+ Áp lực kết cấu chống tới hạn pcr

+ Bán kính vùng dẻo rp

+ Hình dạng đường đặc tính khối đá trong vùng dẻo (pi < pcr)

Hai tiêu chuẩn phá hủy được sử dụng trong RocSupport là các tiêu chuẩn phá huỷ Mohr - Coulomb hoặc Hoek - Brown để phân tích tương tác khối đá - kết cấu chống

4.3.3 Đặc tính kết cấu chống

Để có thể phân tích tương tác khối đá - kết cấu chống một cách tốt nhất, phải xác định được đường đặc tính kết cấu chống Đường cong này là hàm số của 3 thành phần sau:

1 Biến dạng của công trình ngầm trước khi kết cấu chống được lắp đặt

2 Độ cứng của kết cấu chống

3 Khả năng làm việc của hệ kết cấu chống

Hình 4.4 Quan hệ giữa đường đặc tính kết cấu chống và biến dạng của CTN tại

điểm cân bằng

Quay trở lại hình 3.1 và chú ý đến biến dạng của gương hầm Tại mặt gương, biến dạng đạt xấp xỉ 1/3 tổng biến dạng Trong chu kỳ đào đó là khe hở giữa biên công trình ngầm và kết cấu kết cấu chống được lắp đặt Do đó biến dạng vẫn tiếp tục xảy ra trước khi kết cấu chống làm việc Tổng biến dạng ban đầu này được gọi là uso như trên hình 3.4

Trước tiên, kết cấu chống được lắp đặt trên toàn bộ chu vi của CTN và tiếp xúc với khối đá, kết cấu chống bắt đầu biến dạng đàn hồi như trên hình 3.4 Biến dạng đàn hồi lớn nhất có thể được điều chỉnh bởi kết cấu chống là usm và áp lực kết cấu chống lớn nhất psm của kết cấu chống Phụ thuộc vào đặc tính của kết cấu chống, đặc tính của khối đá xung quanh CTN và trường ứng suất nguyên sinh, kết cấu chống sẽ bị biến dạng đàn hồi để chống lại sự biến dạng của CTN

4.3.4 Điểm cân bằng kết cấu chống - khối đá

Điểm cân bằng đạt được khi đường đặc tính kết cấu chống cắt đường đặc tính khối đá trước khi 2 đường này tiến xa Nếu vỏ chống được lắp đặt quá muộn (uso rất lớn trên hình 3.4), khối đá có thể đã biến dạng quá lớn, làm phá huỷ vật liệu Hay nói cách khác, nếu khả năng làm việc của vỏ chống không đảm bảo (psm rất nhỏ trên hình 4.4), giới hạn đường đặc tính kết cấu chống xuất hiện trước khi cắt đường đặc tính khối đá Trong cả 2 trường hợp trên, kết cấu chống sẽ không có tác dụng chống lại biến dạng của khối đá và không đạt được điểm cân bằng như trên hình 4.4

4.3.5 Đặc tính kết cấu chống

Trong RocSupport, độ cứng và khả năng làm việc của vỏ chống được coi là biến dạng lớn nhất và áp lực kết cấu chống lớn nhất Các thông số này được sử dụng

để phân tích tương tác kết cấu chống - khối đá

Chú ý rằng: khả năng làm việc của vỏ chống có thể được mô tả đơn giản tương đương với áp lực bên trong của CTN Kết cấu chống bằng neo dính kết hoặc neo cáp không mô tả được ở dạng này Tuy nhiên, kết quả tính toán bán kính vùng dẻo có thể

sử dụng như là hướng dẫn cho việc thiết kế chiều dài neo

Độ cứng và khả năng làm việc của kết cấu chống như neo, khung thép, bê tông phun hoặc vỏ chống hỗn hợp có thể được xác định từ những mối quan hệ đơn giản đã được Hoek và Brown công bố (1980) và Hoek tóm tắt lại (1999b) Những thông số này được xác định trước khi định nghĩa loại vỏ chống có trong RocSupport

Hình 4.5 Biến dạng của CTN là hàm số của khoảng cách từ gương đào

4.4 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH ROCSUPPORT

Trong phần này sẽ hướng dẫn người học cách sử dụng chương trình RocSupport thông qua việc thực hành các ví dụ tính toán cụ thể

4.4.1 Tính toán kết cấu chống loại 1

Trong ví dụ này sẽ minh hoạ các chức năng cơ bản của RocSupport và sử dụng phương pháp Duncan Fama để xác định đường đặc tính khối đá Trước tiên CTN được phân tích không có kết cấu chống, sau đó lắp đặt vỏ chống cho CTN và xác định hệ số

an toàn cho vỏ chống, phân tích theo phương pháp xác định

- Chức năng mô hình:

Giả sử CTN có đường kính 12m được xây dựng ở độ sâu 60m trong khối đá có các thông số độ bền theo tiêu chuẩn Hoek - Brown: độ bền nén nguyên khối ci = 7 MPa, hằng số mi = 10 và chỉ số độ bền địa chất GSI = 15

Khi một file mới được tạo ra,

đường đặc tính khối đá ban đầu

sẽ hiện ra Đường cong này

được xây dựng trên cơ sở các

thông số đầu vào mặc định trong

chương trình

Hình 4.9 Đường đặc tính khối đá xác định bằng các thông số mặc định

- Mặt cắt ngang CTN

Để xác định mặt cắt ngang của mô hình, chọn “Tunnel Section“ từ Toolbar hoặc trình đơn “Analysis“

Chọn: Analysis  Tunnel Section

Mặt cắt ngang CTN sẽ hiện ra trên màn hình như sau:

+ Đường kính mặt cắt ngang, vùng dẻo (vùng bóng đen) Kích thước vùng dẻo được

Hình 4.10 Mặt cắt ngang CTN với các dữ liệu đầu vào (không có vỏ chống)

- Thiết lập các điều kiện cho dự án:

Mặc dù chúng ta không cần thiết phải thay đổi các điều kiện cho dự án của ví dụ này, nhưng hãy xem hộp thoại Project Settings:

Chọn: Analysis  Project Settings

Hình 4.11 Hộp thoại Project Settings Trong hộp thoại Project Settings bạn có thể nhập vào:

+ Tiêu đề của dự án

+ Lựa chọn phương pháp và kiểu phân tích

+ Vẽ đường cong đặc tính khối đá

- Các thông số khối đá và CTN

Đường kính CTN, ứng suất nguyên sinh và các thông số khối đá được định nghĩa trong lựa chọn Tunnel Parameters, có thể chọn từ Toolbar hoặc thực đơn Analysis

Chọn: Analysis  Tunnel Parameters

Trong phân tích xác định, các thông số của khối đá và CTN sẽ xuất hiện như hình vẽ 4.12 Vì chúng ta sử dụng phương pháp Duncan Fama trên cơ sở tiêu chuẩn phá huỷ Mohr - Coulomb nên cần các thông số của khối đá là độ bền nén và góc ma sát trong

Hình 4.12 Hộp thoại nhập thông số khối đá và CTN

+ Bán kính CTN:

Chú ý: phải nhập bán kính CTN chứ không phải đường kính CTN trong hộp thoại Tunnel and Rock Parameters

Ở ví dụ này đường kính của CTN là 12m, do vậy phải nhập bán kính CTN là 6m

+ Ứng suất nguyên sinh:

Trong hộp thoại Tunnel and

Rock Parameters cũng có thể nhập vào

ứng suất thuỷ tĩnh nếu như đã biết Tuy

nhiên, như bạn đã biết trong các cách

nhập dữ liệu vào khác nhau trong

RocSupport, khi nào bạn thấy biểu

tượng “Calculator” trong hộp thoại

nhập dữ liệu, có nghĩa là dữ liệu nhập

vào có thể được xác định từ các thông

số khác Chẳng hạn, ứng suất nguyên

sinh có thể được xác định từ chiều

sâu CTN và trọng lượng thể tích của

đá

Trong hộp thoại Tunnel and Rock Parameters, chọn biểu tượng Calculator ở bên phải thông số In-Situ Stress, bạn sẽ thấy hộp thoại xác định ứng suất nguyên sinh như hình 4.13

Hình 4.13 Hộp thoại xác định ứng suất nguyên

sinh

Nhập chiều sâu CTN là 60m, trọng lượng riêng của đá 0,027 MN/m3 Giá trị ứng suất nguyên sinh 1,62 MPa sẽ hiện ra ở hộp thoại Chọn <OK> và giá trị này sẽ được hiện lên ở hộp thoại Tunnel and Rock Parameters

Ứng suất nguyên sinh được xác định đơn giản bằng tích của chiều sâu đặt CTN và trọng lượng đơn vị của đá:

po = *H Trong đó:

po: ứng suất nguyên sinh

: trọng lượng đơn vị của đá

H: chiều sâu đặt CTN

+ Các thông số khối đá:

Bây giờ hãy nhập các thông số đàn hồi và độ bền của khối đá Cần nhớ rằng, ở

ví dụ này các đặc tính của khối đá được cho theo các thông số Hoek - Brown Tuy nhiên, phương pháp Duncan Fama lại sử dụng tiêu chuẩn phá huỷ Mohr - Coulomb

Do đó cần tính góc ma sát trong và lực dính kết Để thực hiện điều này, chọn nút

“Calculate from GSI ” trong hộp thoại Tunnel and Rock Parameters Nếu bạn chọn nút này, bạn sẽ thấy hộp thoại như sau:

Hình 4.14 Hộp thoại tính toán thông số GSI Hộp thoại này cho phép bạn xác định các thông số sau của khối đá:

+ Mô đun đàn hồi

+ Độ bền nén

+ Góc ma sát trong

Bằng cách nhập vào các thông số của Hoek - Brown: GSI, mi, UCS và D Việc tính toán được các thông số này rất tiện lợi bởi vì mô đun đàn hồi, độ bền nén và góc ma sát trong thường là những đại lượng rất khó biết, trong khi đó các thông số GSI, mi và UCS thường là biết được Kết quả tính toán dựa trên cơ sở các hàm số và phương pháp được trình bày trong Hoek, Carranza-Torres và Corkum (2002) Bài báo này trình bày tiêu chuẩn phá huỷ Hoek - Brown, bao gồm cả phương pháp xác định các thông số Mohr - Coulomb tương ứng từ đường bao phá huỷ Hoek - Brown đã được trình bày trong chương 1

Trong hộp thoại tính toán các thông số, nhập các giá trị sau:

Độ bền nén 1 trục nguyên khối UCS = 7, GSI = 15, mi = 10

Bạn sẽ thấy các giá trị đầu ra của khối đá là:

+ Mô đun đàn hồi E = 352,817 MPa

+ Độ bền nén đơn trục n = 0,46927 MPa

+ Góc ma sát trong của khối đá  = 25,63940

Trước khi bạn chọn <OK> chú ý bên cạnh hộp thay đổi dữ liệu là nút “Pick” Bất cứ khi nào bạn thấy biểu tượng này hiện ra trong chương trình RocSupport,

có nghĩa là dữ liệu có thể được chọn hoặc tính toán từ bảng biểu hoặc đồ thị Hãy xem

ví dụ sau:

Trong hộp thoại tính toán các thông số, chọn nút “Pick” bên cạnh hộp giá trị GSI Bạn sẽ thấy bảng GSI cho phép xác định giá trị của GSI trên cơ sở cấu trúc đá và các điều kiện bề mặt khe nứt

Hình 4.15 Bảng xác định giá trị GSI trong RocSupport (Hoek, 1998)

Chú ý:

+ Nếu di chuyển chuột trên bảng, giá trị GSI sẽ hiện ra bên cạnh con trỏ tại điểm đó + Nếu nhấp chuột tại bất kỳ điểm nào trên bảng, giá trị GSI sẽ được hiện lên ở hộp giá trị GSI ở trên bảng GSI

+ Bạn cũng có thể thay đổi giá trị này nếu cần thiết

Ý nghĩa và nguồn gốc của chỉ số độ bền địa chất GSI sẽ không được mô tả chi tiết trong tài liệu này Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng, thông số GSI không cần thiết phải tuyệt đối chính xác, có thể sử dụng khoảng giá trị của thông số này trong phân tích Để biết thêm thông tin hãy xem ở tài liệu Hoek và nnk (1995) hoặc Hoek (2004)

Bây giờ chọn nút “Pick” bên cạnh hộp giá trị “Intact Rock Constant mi”, bạn sẽ thấy hộp thoại hiện ra cho phép bạn chọn giá trị cho mi trên cơ sở loại đá

Hình 4.16 Hộp thoại lựa chọn giá trị mi

Sử dụng hộp thoại này như sau:

+ Chọn loại đá từ danh sách ở bên trái hộp thoại và giá trị mi tương ứng sẽ tự động được hiện lên ở ô giá trị của hộp thoại

+ Nếu muốn, bạn có thể lọc bớt danh sách bằng cách chọn loại đá trong hộp thoại Checkboxes, sau đó chọn loại đá Khi đó trên hộp thoại chỉ hiện lên những loại đá theo yêu cầu của bạn ở trong danh sách

Sau khi quyết định chọn giá trị mi, chọn nút <OK> trong hộp thoại Pick Mi Value để đóng lại Chọn OK trong hộp thoại Parameter Calculator để quay trở về hộp thoại Tunnel and Rock Parameters

Chương trình sẽ tự động tính toán

các giá trị mô đun đàn hồi, độ bền nén và

góc ma sát trong và hiện ra kết quả trong

hộp thoại Tunnel and Rock Parameters

Chú ý các phần số thập phân của mỗi thông

số sẽ được làm tròn

Tính toán

Bây giờ chúng ta đã nhập tất cả

những dữ liệu cần thiết trong hộp thoại

Tunnel and Rock Parameters Để ghi lại

những thông số vừa nhập và chạy chương

trình tính toán bạn phải chọn nút Apply

Tất cả kết quả phân tích cho đường đặc tính khối đá và đường hầm sẽ được thay đổi bằng những kết quả mới Đóng hộp thoại bằng cách chọn nút Close hoặc X ở góc trên bên phải của hộp thoại

Chú ý rằng bạn phải chọn nút Apply để ghi lại dữ liệu và chạy chương trình phân tích Nếu bạn chọn nút Close trước mà không chọn nút Apply, điều này sẽ làm mất tất cả những dữ liệu mà bạn vừa mới nhập và những dữ liệu ban đầu sẽ không thay đổi trên màn hình

Phân tích kết quả (chưa có vỏ chống)

Nếu bạn chưa xem được kết quả, hãy đóng của sổ Tunnel Section lại

Phóng to mô hình bằng cách chọn chức năng Zoom All hoặc phím F2

Chọn: View  Tunnel Section  Zoom All

Có thể thấy tóm tắt các thông số được đưa ra trong Project Info Textbox như sau:

+ Bán kính vùng dẻo (không có vỏ chống) = 13,8 m

+ Độ hội tụ cuối cùng của CTN = 2%

Hình 4.17 Kết quả phân tích không có vỏ chống

Độ hội tụ của CTN không chống là 2%, do đó CTN này thuộc nhóm B trong bảng phân loại để xác định sơ bộ kết cấu chống (ở phần phụ lục) Theo bảng phân loại

này, kết cấu chống cho khối đá đang phân tích bao gồm neo và bê tông phun Xem phụ lục để biết thêm thông tin chi tiết

Đường đặc tính khối đá

Để xem đường cong đặc tính khối đá, chọn Ground Reaction từ thanh công cụ hoặc từ thực đơn Analysis

Chọn: Analysis  Ground Reaction

Hình 3.18 Đường cong đặc tính khối đá của ví dụ 1 Theo mặc định, trục X của đường cong đặc tính khối đá biểu diễn độ hội tụ của CTN (%) Trục X cũng có thể biểu diễn biến dạng của CTN bằng cách nhấn chuột phải

và chọn Display Option hộp thoại mới sẽ xuất hiện như sau:

Chọn Wall Displacement, khi đó trục X sẽ biểu diễn biến dạng của CTN thay vì biểu diễn độ hội tụ của CTN Chọn <Apply> <Close>

Thêm vỏ chống

Bây giờ hãy thêm kết cấu neo để gia cố khối đá và tìm hiểu ảnh hưởng của chúng lên CTN Để thêm kết cấu kết cấu chống, chọn Support Parameters từ thanh công cụ hoặc thực đơn Analysis

Chọn: Analysis  Support Parameters

Hình 3.19 Hộp thoại các thông số kết cấu chống Dựa trên kết quả phân tích cho CTN không có vỏ chống, loại vỏ chống nào là phù hợp cho CTN này?

Như mô tả trong phần phụ lục, độ hội tụ của CTN không chống trong ví dụ này

là 2%, thuộc nhóm B Để giữ ổn định cho CTN có thể sử dụng neo và bê tông phun để kết cấu chống Trong ví dụ này, chúng ta sử dụng neo gia cố có đường kính 34mm với mạng neo 1x1m Kết cấu chống được lắp đặt

ở khoảng cách 3m tính từ gương đào

Thêm neo vào mô hình như sau:

1 Chọn hộp đánh dấu Add Support bên

dưới Rockbolts tab

chạy chương trình phân tích

Hộp thoại sẽ hiện ra như trên hình 3.20 Sau

khi nhập các thông số như trên, nhấn chuột vào <Apply> và <Close>

Hình 4.20 Các thông số kết cấu chống neo cho ví dụ 1

+ Biến dạng lớn nhất chỉ phụ thuộc vào loại kết cấu chống được chọn mà không chịu ảnh hưởng của khoảng cách giữa các khung chống hay khoảng cách mạng

+ Nếu không sử dụng những loại kết cấu kết cấu chống có sẵn trong chương trình (neo, khung thép hoặc bê tông phun) người sử dụng có thể tự định nghĩa các loại kết cấu chống trong hộp thoại Support Parameters Hãy xem trong phần trợ giúp của chương trình RocSupport để biết thêm thông tin về cách định nghĩa các loại kết cấu kết cấu chống khác

+ Có thể kết hợp các loại kết cấu kết cấu chống khác nhau (ví dụ kết hợp neo và bê tông phun) trong cùng một bài toán

Trong ví dụ này, với các thông số kết cấu chống đã được nhập sẽ tính được áp lực kết cấu chống lớn nhất = 0,354 MPa và biến dạng lớn nhất 59,25mm Bây giờ đóng hộp thoại Support Parameters (chắc chắn rằng bạn đã chọn nút Apply trước khi chọn nút Close), chúng ta sẽ phân tích kết quả sử dụng kết cấu chống cho CTN

Kết quả phân tích (có kết cấu kết cấu chống)

Nếu cửa sổ Tunnel Section chưa được kích hoạt, hãy chọn Tunnel Section từ thanh công cụ hoặc thực đơn Analysis để xem mặt cắt ngang CTN và tóm tắt kết quả phân tích

Hình 4.21 Kết quả phân tích khi chống bằng neo Chú ý rằng bây giờ sẽ có 2 bán kính biên vùng dẻo hiện ra trên màn hình (đường nét đứt) Đường biên phía trong biểu diễn vùng dẻo (vùng bóng) xung quanh CTN khi kết cấu chống được lắp đặt Đường biên phía ngoài vẽ vùng dẻo khi CTN không có kết cấu kết cấu chống

Khi di chuyển chuột đến vùng bóng, sẽ xuất hiện dòng thông tin “bán kính vùng dẻo: 10,01 m” khi di chuyển chuột ra ngoài đường biên sẽ xuất hiện dòng thông tin

“bán kính vùng dẻo không kết cấu chống: 13,77 m”

Tóm tắt kết quả phân tích được thể hiện trong Project Info textbox với các thông số sau:

+ Hệ số an toàn

+ Áp lực kết cấu chống được huy động

+ Bán kính vùng dẻo (giảm từ 13,8m xuống 10,0m khi có kết cấu kết cấu chống)

+ Độ hội tụ của CTN (giảm từ 2,0% xuống 0,99% khi có kết cấu chống)

Bán kính vùng dẻo

Khi sử dụng neo làm kết cấu chống, bán kính vùng dẻo sẽ giảm từ 13,8m xuống 10,0m

Chú ý về chiều dài neo:

Mặc dù chiều dài neo không được nhập vào trong phân tích của RocSupport (kết cấu chống được mô hình tương đương với áp lực phân bố đều bên trong), bán kính vùng dẻo là cơ sở để tính toán chiều dài neo cần thiết Để neo làm việc có hiệu quả, neo phải được cắm sâu vào trong vùng đá không bị phá hủy, có nghĩa là chiều dài neo được chọn trên cơ sở vùng biến dạng dẻo Theo mặc định, chiều dài neo trong RocSupport được tự động kéo dài thêm 2,0m trên cơ sở bán kính vùng dẻo khi vẽ neo

trên màn hình Ở ví dụ hiện tại chiều dài neo xấp xỉ 6m Giá trị mặc định 2m có thể thay đổi trong Section View trong hộp thoại Display Options

Đường đặc tính khối đá và đường đặc tính kết cấu chống

Bây giờ chọn Ground Reaction để xem thể hiện của đường đặc tính khối đá và đường cong đặc tính kết cấu chống trên cùng một đồ thị

Chọn: Analysis  Ground Reaction

Hình 4.22 Đường đặc tính khối đá và đường đặc tính kết cấu chống

Như đã đề cập ở phần giới thiệu, cần chú ý những vấn đề sau về đường cong đặc tính kết cấu chống:

+ Ban đầu trên trục ngang (độ hội tụ của CTN) của đường cong đặc tính kết cấu chống biểu diễn khoảng cách từ gương CTN đến kết cấu chống được nhập vào trong hộp thoại các thông số kết cấu chống Xem phần giới thiệu để biết cách xác định giá trị này

+ Độ dốc của phần đàn hồi trên đường cong đặc tính kết cấu chống bằng áp lực kết cấu chống lớn nhất chia cho biến dạng lớn nhất

+ Giao điểm của đường cong đặc tính kết cấu chống và đường đặc tính khối đá xác định áp lực kết cấu chống huy động, độ hội tụ cuối cùng của CTN (có kết cấu chống)

và bán kính vùng biến dạng dẻo được ghi lại trong Tunnel Section View

Nếu đường đặc tính khối đá giao với đường đặc tính khối đá ở phần đàn hồi như trong ví dụ, áp lực kết cấu chống huy động và độ hội tụ CTN có giá trị tại vị trí cân bằng

Phối hợp các loại kết cấu kết cấu chống

Như đã đề cập ở phần trước, hộp thoại Support Parameters cho phép lựa chọn kết hợp nhiều loại kết cấu chống cho mô hình Ví dụ, có thể kết hợp sử dụng neo và bê tông phun cho cùng một mô hình bằng cách chọn Add Support Checkbox cho cả neo

và bê tông phun và nhập các thông số theo yêu cầu

Khi sử dụng kết hợp nhiều loại kết cấu chống trong 1 mô hình, áp dụng quy luật sau để tính áp lực kết cấu chống lớn nhất và biến dạng lớn nhất:

+ Áp lực kết cấu chống lớn nhất bằng tổng áp lực của các loại kết cấu được sử dụng + Biến dạng lớn nhất là giá trị biến dạng trung bình của các loại kết cấu được sử dụng

Bây giờ hãy thêm bê tông phun vào kết cấu chống neo cho CTN và quan sát ảnh hưởng của chúng đến kết quả phân tích

Chọn: Analysis  Support Parameters

Trong hộp thoại Support Parameters:

1 Chọn Shotcrete tab

2 Chọn Add Support checkbox

3 Chú ý: có đánh dấu màu xanh xuất hiện ở cả trong Rockbolts tab và Shotcrete tab, có nghĩa là cả neo và bê tông phun sẽ cùng làm việc

4 Chọn chiều dày lớp bê tông phun 50mm, 28 ngày tuổi từ danh sách trong cửa sổ Properties

5 Chọn nút Apply để ghi lại các thông số bê tông phun và chạy lại chương trình phân tích Kết quả cũ sẽ được thay đổi theo các thông số đầu vào mới

Hộp thoại xuất hiện như trên hình 3.23

Trước khi đóng hộp thoại Support Parameters, chú ý giá trị của áp lực kết cấu chống lớn nhất và biến dạng lớn nhất trong hộp thoại Đó là giá trị kết hợp của cả neo

và bê tông phun

+ Áp lực kết cấu chống lớn nhất là tổng của áp lực kết cấu chống neo 34mm và 50mm

bê tông phun (0,354 + 0,325 = 0,679)

+ Biến dạng lớn nhất là giá trị trung bình của giá trị biến dạng khi sử dụng neo và bê tông phun (0,2% + 0,1%)/2 = 0,15%

Bây giờ đóng hộp thoại và quan sát kết quả phân tích mới

Chú ý: chiều dày của lớp bê tông phun (hoặc khung thép) không vẽ tỉ lệ với mặt cắt ngang CTN Nếu cần thiết, có thể vẽ với chiều dày khác nhau (mm) hoặc bằng % của bán kính CTN như lựa chọn trong hộp thoại Display Options (sử dụng lựa chọn Thickness of Support Layer trong Section View tab)

Hình 4.23 Thêm bê tông phun trong hộp thoại các thông số kết cấu chống

Phân tích kết quả (kết cấu chống hỗn hợp)

Trong bảng 4.11 tóm tắt kết quả trong trường hợp không có kết cấu kết cấu chống, kết cấu chống bằng neo và kết hợp kết cấu chống bằng neo và bê tông phun

BẢNG 4.1 TÓM TẮT KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CỦA VÍ DỤ 1

Không chống Neo Neo + Bêtông phun

Áp lực kết cấu chống

(MPa)

0,19 0,21 Bán kính vùng dẻo (m) 13,8 10,0 9,7

Độ hội tụ của CTN (%) 2,0 1,0 0,9

Có thể thấy rằng, khi chúng ta thêm bê tông phun trong kết cấu chống không ảnh hưởng nhiều tới bán kính vùng biến dạng dẻo, độ hội tụ của CTN và áp lực kết cấu chống huy động so với khi chỉ có kết cấu neo kết cấu chống đơn lẻ Trong trường hợp này, khả năng làm việc của kết cấu chống không làm thay đổi giao điểm của đường đặc tính khối đá và đường đặc tính kết cấu chống, so sánh hình 3.22 và 3.24

Tuy nhiên hệ số an toàn của kết cấu chống kết hợp tăng từ 1,8 lên 3,2 Bây giờ xem xét hệ số an toàn của hệ thống kết cấu chống Hãy nhớ rằng chúng ta sử dụng độ bền 28 ngày của bê tông phun Áp lực kết cấu chống được tạo ra bởi bê tông phun trong thời gian sớm nhỏ hơn độ bền 28 ngày của nó, cần phải chú ý đến điều này khi tính toán hệ số an toàn ở những trạng thái khác nhau của bê tông phun

Hình 4.24 Đường đặc tính khối đá và đường đặc tính kết hợp neo và bê tông phun

Xem các thông tin

Cuối cùng hãy xem lựa chọn Info Viewer Lựa chọn này cho chúng ta biết tóm tắt tất cả các dữ liệu vào và kết quả ra của chương trình phân tích

Chọn: Analysis  Info Viewer

Hình 4.25 Giao diện xem thông tin

Có thể copy thông tin trong Info Viewer bằng cách chọn lệnh Copy từ thực đơn Edit hoặc thanh công cụ ngang hoặc thực đơn nhấp chuột phải, sau đó có thể dán vào

các ứng dụng khác để viết báo cáo hoặc trình bày Cũng có thể ghi lại file thông tin ở dạng rtf file hoặc txt file

Để thoát ra khỏi chương trình chọn: File  Exit

4.4.2 Thiết kế kết cấu chống loại 2

Ví dụ 2 sẽ mô hình đường hầm với độ ổn định kém hơn nhiều so với trong ví dụ

1, yêu cầu kết cấu chống lớn hơn cho CTN Sử dụng phương pháp Carranza - Torres

để xác định đường đặc tính khối đá Sử dụng phương pháp phân tích xác định để phân tích (tất cả các thông số được giả thiết là biết chính xác)

Chọn: Analysis  Project Settings

Hình 4.26 Hộp thoại Project Settings

Trong hộp thoại Project Settings, chọn phương pháp Carranza - Torres Nhập tiêu đề của dự án là RocSupport -

Example 2 và chọn <OK>

Ngay lập tức, hộp thoại các

thông số khối đá và kết cấu chống sẽ

hiện ra Bất cứ khi nào bạn thay đổi từ

phương pháp tính toán này sang

phương pháp tính toán khác, hộp thoại

này đều tự động hiện ra Bởi vì các

thông số khối đá đầu vào của 2 phương

pháp là khác nhau, điều đó là cần thiết

để người sử dụng sử dụng đúng các

thông số cho quá trình phân tích

Chú ý:

+ Phương pháp Carranza - Torres

(2004) sử dụng tiêu chuẩn phá huỷ

Hoek - Brown để xác định đường đặc

tính khối đá và bán kính vùng dẻo

+ Phương pháp Duncan Fama (1993) sử dụng tiêu chuẩn phá huỷ Mohr - Coulomb để xác định đường đặc tính khối đá và bán kính vùng dẻo

Các thông số khối đá và CTN

Đường hầm có đường kính 10m, do đó bán kính đường hầm là 5m

Ứng suất nguyên sinh:

Ứng suất nguyên sinh có thể được xác định từ chiều sâu đặt CTN

1 Chọn nút Estimate bên cạnh hộp giá trị ứng suất nguyên sinh

2 Nhập chiều sâu đặt CTN = 75m Chọn OK trong hộp thoại Estimate In-Situ Stress

3 Xác định được ứng suất nguyên sinh là 2,02 MPa

Các thông số khối đá:

Nhập các thông số khối đá sau: mi = 12, GSI = 17 và ci = 4

Hình 4.27 Các thông số khối đá và CTN trong ví dụ 2

Mô đun đàn hồi Young:

Chú ý có nút tính toán mô đun đàn hồi ở bên cạnh hộp thông số Young’s Modulus

Hình 4.28 Xác định mô đun đàn hồi từ các thông số độ bền

Nếu bạn chọn nút này, mô đun đàn hồi của khối đá sẽ được tự động tính toán từ các giá trị của GSI, UCS và hệ số ảnh hưởng chấn động D Phương trình sử dụng để tính toán

mô đun đàn hồi có thể tìm trong Hoek, Carranza-Torres và Corkum (2002) Trong ví

dụ này, mô đun đàn hồi của khối đá tính được là 299 MPa

Áp dụng:

Bây giờ chọn nút Apply để ghi lại các thông số khối đá và CTN bạn vừa nhập vào và chạy chương trình phân tích với các thông số đó Sau đó chọn <Close>

Phân tích kết quả (không có vỏ chống)

Đường đặc tính khối đá sẽ xuất hiện như sau:

Hình 4.29 Đường đặc tính khối đá không có vỏ chống trong ví dụ 2

Độ hội tụ của đường hầm = 13,1% Đây là giá trị rất cao, như đã đề cập trong phần phụ lục, CTN với những thông số đầu vào như trong ví dụ 2 rất không ổn định Do đó cần phải lắp đặt kết cấu chống gần sát với gương đào của CTN

Chọn: Analysis  Tunnel Section

Hình 4.30 Mặt cắt ngang CTN không có vỏ chống trong ví dụ 2

Chú ý rằng bán kính vùng dẻo rất lớn (26,4m) hình thành xung quanh CTN không chống

Thêm vỏ chống

Để đưa kết cấu chống vào chống đỡ khối

đá xung quanh CTN, hãy bắt đầu với khung

thép hình chữ I (chiều cao 254mm, chiều rộng

203mm, trọng lượng 82kg/m) với bước chống

1,5m và được lắp đặt cách gương đào 3m

Chọn: Analysis  Support Parameters

Hình 4.31 Các thông số kết cấu chống bằng

khung thép chữ I

Trong hộp thoại các thông số kết cấu chống:

1 Chọn Steel Sets và chọn Add Support

checkbox

2 Chọn thép hình chữ I trong danh sách

Chúng ta sẽ thấy chiều rộng cánh mặc định được chọn là 203mm

3 Nhập bước chống = 1,5m và khoảng cách từ gương CTN đến khung chống là 3m

4 Chọn nút <Apply> để ghi lại các thông số kết cấu chống mà bạn vừa nhập và chạy lại chương trinh phân tích Chọn <Close> để đóng của sổ lại

Phân tích kết quả (có vỏ chống)

Đường đặc tính khối đá và đường đặc tính kết cấu chống sẽ xuất hiện như sau:

Hình 4.32 Đường đặc tính khối đá và đường đặc tính kết cấu chống bằng thép Chọn Tunnel Section, sẽ xem được tóm tắt kết quả phân tích trong Project Info Textbox

Chọn: Analysis  Tunnel Section

So sánh kết quả không có kết cấu chống và kết cấu chống bằng khung thép ta được:

- Bán kính vùng dẻo giảm (từ 26,4m xuống 18,2m)

- Độ hội tụ của CTN giảm (từ 13,1% xuống 6,0%)

- Hệ số an toàn khi có kết cấu chống là 11,0

Chú ý: Ngay cả khi có kết cấu chống, CTN vẫn mất ổn định bởi bán kính vùng dẻo vẫn rất lớn và độ hội tụ của CTN vẫn cao Tuy nhiên, hệ số an toàn khi có kết cấu chống bằng khung chống thép cho thấy tải trọng rất nhỏ so với khả năng làm việc của kết cấu chống

Thêm kết cấu chống

Bây giờ hãy xem ảnh hưởng của lớp bê tông phun khi được sử dụng cùng với khung thép

Chọn: Analysis  Support Parameters

Trong hộp thoại Support Parameters, chọn Shotcrete và Add Support checkbox, chọn lớp bê tông phun có chiều dày 100mm Khi đó áp lực chống lớn nhất (1,366 MPa) và biến dạng lớn nhất (0,18%) của kết cấu chống kết hợpbê tông phun và khung thép

Hãy xem đồ thị đường đặc tính khối đá và đường đặc tính kết cấu chống để biết tại sao

vỏ chống bê tông phun không ảnh hưởng đến độ hội tụ của CTN và bán kính vùng dẻo

Chọn: Analysis  Ground Reaction

Nếu so sánh đường đặc tính kết cấu chống kết hợp (khung thép + bê tông phun) với đường đặc tính kết cấu chống đơn lẻ của khung chống thép (hình 3.32), chúng ta sẽ thấy:

+ Khi thêm vỏ chống bê tông phun, áp lực kết cấu chống lớn nhất tăng gần 2 lần, do

đó hệ số an toàn tăng từ 11,0 lên 24,9

+ Tuy nhiên, giao điểm của đường đặc tính khối đá và đường đặc tính kết cấu chống không thay đổi, vì vậy không có sự thay đổi độ hội tụ của CTN và bán kính vùng dẻo

Trong ví dụ này, giao điểm của đường đặc tính khối đá và đường đặc tính kết cấu chống chịu ảnh hưởng của khoảng cách từ gương đào CTN đến vị trí lắp đặt vỏ chống (được nhập vào trong hộp thoại Support Parameters) Chúng ta không thay đổi giá trị này khi thêm vỏ chống bê tông phun

Hình 4.33 Đường đặc tính kết cấu chống kết hợp khung thép và bê tông phun

Lắp đặt vỏ chống

Như đã đề cập ở trên, khi thay đổi giá trị khoảng cách từ gương đào đến vị trí lắp đặt khung vỏ chống trong hộp thoại Support Parameters (ví dụ 2m, 1m vv) và chọn nút Apply để tính toán lại các kết quả Khi thay đổi khoảng cách từ gương đào đến vị trí lắp đặt khung vỏ chống trên đường cong đặc tính kết cấu chống, sẽ ảnh hưởng đến độ hội tụ, bán kính vùng dẻo và hệ số an toàn của CTN Hệ số an toàn giảm khi khoảng cách từ gương đào đến vị trí lắp đặt khung vỏ chống giảm, bởi vì khi đó kết cấu vỏ chống đã chịu tải trọng lớn hơn khi nó được lắp đặt gần sát gương đào hơn

Chú ý: việc lắp đặt kết cấu chống có thể đưa ra bằng giá trị độ hội tụ hoặc biến dạng của CTN Trong trường hợp này, đặc tính biến dạng dọc trục không được sử dụng

Hình 4.34 Kết cấu chống được lắp đặt khi độ hội tụ của CTN là 0,3% Người sử dụng sẽ có kinh nghiệm khi làm việc với hộp thoại Support Parameters Phân tích các thông số có thể tiến hành rất nhanh bằng cách thêm hoặc bớt kết cấu kết cấu chống, thay đổi các thông số kết cấu chống và chọn nút Apply để tính toán lại kết quả Quan sát ảnh hưởng trên đường đặc tính kết cấu chống

Nhận xét ví dụ 2

+ Với các thông số đầu vào của CTN được sử dụng trong ví dụ này có thể tính toán được kết cấu chống cần sử dụng bằng phương pháp phân tích số như phương pháp phần tử hữu hạn

+ Phân tích tương tác khối đá - kết cấu chống cho CTN sử dụng trong RocSupport không phải là mục đích cuối cùng của thiết kế Xem hướng dẫn trong phần phụ lục (nhóm E) để kiến nghị kết cấu chống có thể sử dụng cho CTN trong ví dụ này

+ Có thể tính toán được các thông số của CTN trong chương trình RocSupport như trong trường hợp này Phân tích nhanh các thông số rất dễ dàng khi sử dụng chương trình, cho phép người sử dụng thay đổi các thông số đầu vào và quan sát ảnh hưởng của chúng trong kết quả phân tích

4.4.3 Phân tích xác suất

Trong phần này sẽ đề cập vấn đề phân tích xác suất như thế nào trong chương trình RocSupport Đối với CTN, có rất nhiều thông số đầu vào không thể biết một cách chính xác trong thực tế, chẳng hạn như việc mô tả các đặc tính của khối đá Do đó, sẽ rất tiện lợi khi các thông số đầu vào được cho ở dạng xác suất phân bố, và kết quả phân tích đạt được cũng ở dạng xác suất phân bố

Chọn: Analysis  Project Settings

Hình 4.35 Hộp thoại Project Settings trong ví dụ 3 Trong hộp thoại Project Settings, thay đổi kiểu phân tích sang xác suất và thay đổi tiêu

đề của dự án là ROCSUPPORT Example 3 Chọn Pseudo-Random Sampling và click

OK

Hình 3.36 Lựa chọn kiểu phân tích từ thanh công cụ ngang

Giới thiệu túm tắt về mụ phỏng Monte Carlo

Mụ phỏng Monte Carlo là một cụng cụ để phõn tớch cỏc hiện tượng cú chứa yếu tố rủi

ro nhằm rỳt ra lời giải gần đúng Nó cũn được gọi là phương pháp thử nghiệm thống

kờ Mụ phỏng Monte Carlo thường được sử dụng khi việc thực hiện cỏc thớ nghiệm

hoặc các phương pháp tính toán bằng giải tớch gặp nhiều khó khăn hoặc khụng thể

thực hiện được, đặc biệt là khi sử dụng cỏc mỏy tớnh số và khụng yờu cầu những cụng

cụ toỏn học phức tạp Thực chất của mụ phỏng này là lựa chọn một cỏch ngẫu nhiờn

của cỏc biến đầu vào (risk variables) ngẫu nhiên để cú một kết quả thực nghiệm của

đại lượng tổng hợp cần phõn tớch Quỏ trỡnh đó được lặp lại nhiều lần để cú một tập

hợp đủ lớn cỏc kết quả thực nghiệm Cuối cựng xử lý thống kê để cú cỏc đặc trưng

thống kờ của đại lượng tổng hợp đó Các bước tớnh toỏn, thực hiện cú thể túm tắt như

sơ đồ dưới đây:

Bước 1: Mô hình toán học

Mụ hỡnh này xỏc định cỏc mối quan hệ đại số giưũa các biến số hàng số Nú là một

tập hợp cỏc cụng thức cho một vài biến số mà cỏc biến này cú ảnh hưởng đến kết quả

Bước 2: Xác định biến rủi ro (risk variables)

Phân tích độ nhạy sẽ được sử dụng trước khi ỏp dụng phõn tớch rủi ro để xác định

những\biến số quan trọng nhất trong mụ hỡnh đánh giá dự án và giúp người phõn tớch

lựa chọn cỏc biến số rủi ro quan trọng (những biến số này giải thớch hầu hết cỏc rủi ro

của dự ỏn)

Bước 3: Xác định các dạng phõn phối của cỏc biến số

Khi lựa chọn dạng phõn phối, người ta sử dụng dạng phõn phối xỏc suất đa trị Cỏc

dạng phõn phối xỏc suất cơ bản như: phân phối đều, phõn phối tam giỏc, phõn phối

chuẩn, phõn phối dạng bậc thang Phõn phối dạng bậc thang cú ớch cho những trường

hợp cú nhiều ý kiến chuyờn gia Một loại phõn phối bậc thang đặc biệt là phõn phối

1. Mô hình toán học

2.Xác định cỏc biến rủi ro và biến kết quả

3 Giả thiết dạng phõn phối xỏc suất cho cỏc biến rủi ro

4.Xác định cỏc thụng số cho hàm phõn phối xỏc suất

(probability distribution function)

5 Tạo cỏc số ngẫu nhiờn

6 Tiến hành mụ phỏng

7 Phõn tớch kết quả

“bậc thang - rời rạc”, nó được dựng khi giỏ trị của một biến số cú thể chỉ giả thiết những con số phõn biệt trong một phạm vi nào đó

Bước 4: Xác định giới hạn phạm vi của hàm phõn phối xỏc suất

Cỏc giới hạn phạm vi được xác định bởi cỏc giỏ trị nhỏ nất và lớn nhất Đó là các giá trị biến mà cỏc biến số không được vượt qua Với những phõn phối dạng tam giỏc hay bậc thang cũng cần xác định cụ thể những phạm vi phụ nằm bờn trong hai giới hạn Xác định cỏc giới hạn phạm vi cho cỏc biến số dự ỏn là một quỏ trỡnh đơn giản bằng cỏch thu thập và phõn tớch những dữ liệu cú sẵn từ quỏ khứ của cỏc biến rủi ro, từ đó chỳng ta cú thể tỡm được dạng phõn phối xỏc suất phự hợp của nú

Bước 5: Tạo ra cỏc số ngẫu nhiờn

Tỡm cỏch phỏt ra hay lựa chọn một cỏch ngẫu nhiờn kết cục của cỏc biến ngẫu nhiờn với yờu cầu việc lựa chọn phải đảm bảo cho cỏc kết cục cú thể cú phõn phối xỏc suất giống như phân xác suất ban đầu của cỏc biến ngẫu nhiờn Trong thực tế, người ta thường sử dụng sẵn bảng số ngẫu nhiờn hay cú thể lập các chương trỡnh phỏt số ngẫu nhiên để tạo ra cỏc số đó

Bước 6: Vận hành mụ phỏng

Giai đoạn vận hành mụ phỏng là cụng việc khó khăn nhất, mất nhiều thời gian nhất, vỡ thế nó được dành cho mỏy tớnh Quỏ trỡnh trờn được lặp đi lặp lại cho đến khi đủ những kết quả cần thiết, cần phải thực hiện một số khỏ lớn những phộp thử Monte Carlo, có khi đến hàng trăm lần Núi chung, số phộp thử càng lớn, cỏc kết cục trung bỡnh càng ổn định.Chọn số lần mụ phỏng bao nhiờu là một vấn đề phức tạp Tuy nhiên thông thường số lần mụ phỏng thường nằm trong khoảng 5.000-10.000lần

Bước 7: Phõn tớch cỏc kết quả

Cuối cựng là phõn tớch và giải thớch cỏc kết quả thu được trong giai đoạn vận hành

mụ phỏng Sử dụng cỏc phộp tớnh thống kê để xác định các đặc trưng thống kê như kỳ vọng (mean), phương sai (variance) của đại lượng tổng hợp cần phõn tớch Từ hàm phõn phối xỏc suất tớch luỹ của cỏc kết quả, người ta cú thể quan sỏt mức độ mong đợi của kết quả dự ỏn với từng giỏ trị đó cho bất kỳ Vỡ vậy rủi ro của dự án thường được biểu thị qua hàm phõn phối xỏc suất tớch luỹ

Các thông số khối đá và CTN

Bây giờ chọn Tunnel Parameters từ thanh công cụ ngang hoặc trình đơn Analysis

Chọn: Analysis  Tunnel Parameters

Chú ý rằng hộp thoại các thông số khối đá và CTN được trình bày ở dạng lưới trong phân tích xác suất Điều này cho phép người sử dụng dẽ dàng nhập xác suất các thông số đầu vào và có thể dễ dàng định nghĩa các giá trị ngẫu nhiên, đánh dấu các giá trị trong xác suất phân bố

Giá trị ngẫu nhiên:

Để định nghĩa giá trị ngẫu nhiên, đầu tiên chọn xác suất phân bố cho các giá trị (ví dụ: thông thường) trong hộp thoại Tunnel and Rock Parameters Sau đó nhập giá trị trung bình, tiêu chuẩn lệch, mối tương quan giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất, để định nghĩa xác suất phân bố cho các thông số

+ Một điều quan trọng cần chú ý là giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất được coi như là mối liên hệ khoảng cách từ giá trị trung bình chứ không phải giá trị tuyệt đối Điều này làm đơn giản giá trị đầu vào của các thông số Ví dụ: nếu giá trị trung bình của góc ma sát trong là 250, giá trị nhỏ nhất là 200 và giá trị lớn nhất là 300, khi đó tương quan giá trị nhỏ nhất là 50 và giá trị lớn nhất là 50

+ Xem trợ giúp trong RocSupport để biết chi tiết về xác suất phân bố các giá trị có trong chương trình RocSupport và kí hiệu các thông số đầu vào cho mỗi loại phân bố

Hình 4.37 Hộp thoại các thông số khối đá và CTN trong phương pháp phân tích xác suất

Trong ví dụ này, chúng ta định nghĩa các thông số ngẫu nhiên như trên bảng 4.2

BẢNG 4.2 XÁC SUẤT ĐẦU VÀO CỦA CÁC GIÁ TRỊ NGẪU NHIÊN, VÍ DỤ 3

Góc ma sát trong Thông thường 25,64 2 6 6

Hộp thoại Tunnel and Rock Parameters sẽ xuất hiện như sau:

Hình 4.38 Các thông số khối đá và CTN trong ví dụ 3

Tự động tìm giá trị lớn nhất và nhỏ nhất

Bạn cần phải chú ý đến mối liên hệ giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất mà chúng

ta nhập vào cho mỗi thông số và 3 giá trị tiêu chuẩn lệch Trong trường hợp phân bố thông thường, điều này có nghĩa là sự phân bố hoàn toàn đã được định nghĩa (vd: 99,7% mẫu thuộc 3 tiêu chuẩn lệch của giá trị trung bình, trong trường hợp các giá trị ngẫu nhiên phân bố thông thường) Trong hộp thoại Tunnel and Rock Parameters, có thể sử dụng cách dưới đây cho mục đích này:

1 Nhập tiêu chuẩn lệch cho mỗi giá trị ngẫu nhiên

2 Chọn nút trong hộp thoại, khi đó tương quan giá trị lớn nhất và nhỏ nhất cho mỗi thông số sẽ được tự động đặt 3 lần tiêu chuẩn lệch

Bạn có thể sử dụng cách này để thực hiện đồng thời cho nhiều thông số bằng cách chỉ sử dụng chuột để chọn tất cả các thông số trong hộp thoại, sau đó chọn nút 3X

Áp dụng

Bây giờ chọn nút Apply để ghi lại các thông số mà bạn vừa nhập vào và chạy chương trình phân tích xác suất trong RocSupport Quá trình phân tích của chương trình mất khoảng vài giây (seconds) hoặc ít hơn (chú ý là chúng ta sử dụng mặc định

số lượng mẫu 1000 trong hộp thoại Project Settings) Đóng hộp thoại Tunnel and Rock Parameters lại và xem xét kết quả phân tích

Chú ý: Bởi vì chúng ta chọn mẫu Pseudo-Random, phương pháp phân tích xác suất sẽ luôn luôn cho ra kết quả chính xác giống nhau cho các thông số đầu vào cho trước Để cho kết quả ngẫu nhiên đúng, chúng ta phải tắt lựa chọn Pseudo-Random Sampling, như mô tả sau đây trong ví dụ này

Mặt cắt ngang CTN

Chọn: Analysis  Tunnel Section

Mặt cắt ngang CTN sẽ xuất hiện giống như trong phương pháp phân tích xác định Tuy nhiên, tóm tắt kết quả phân tích trong Project Info Textbox, cần chú ý:

+ Kết quả là giá trị trung bình từ phân tích xác suất Nói chung, giá trị trung bình không cần thiết giống như trong kết quả phân tích xác định trên cơ sở giá trị trung bình đầu vào

+ Xác suất phá huỷ, kết cấu chống được liệt kê trong danh sách cũng như giá trị trung bình của hệ số an toàn Xác suất phá huỷ được tính bằng số lượng phân tích mà có hệ

số an toàn nhỏ hơn 1 chia cho tổng số số lượng mẫu phân tích (bằng 1000 trong ví dụ này)

Xác suất phá huỷ trong ví dụ này bằng 0 (không có giá trị của hệ số an toàn nào nhỏ hơn 1 trong tất cả các phân tích)

Thống kê

Sau khi phân tích xác suất, người sử dụng có thể biểu diễn kết quả trên biểu đồ cho giá trị đầu vào và kết quả tính toán

Biểu diễn trên biểu đồ

Để tạo ra biểu đồ, chọn Histogram Plot từ thanh công cụ ngang hoặc thực đơn Statistics (cũng có thể sử dụng phím F7)

Chọn: Statistics  Histogram Plot

Hình 4.39 Hộp thoại biểu diễn kết quả trên biểu đồ

Chú ý, cả thông số vào và ra được liệt kê trong danh sách Variable to Plot

+ Các thông số đầu ra bao gồm hệ số an toàn, độ hội tụ của CTN, biến dạng và bán kính vùng dẻo

+ Các thông số đầu vào trong danh sách chỉ bao gồm những thông số mà bạn nhập vào trong hộp thoại Tunnel and Rock Parameters Biểu diễn hệ số an toàn trên biểu đồ:

Chọn: Statistics  Histogram Plot

Trong hộp thoại Plot Histogram, chọn In-Situ Stress từ danh sách các giá trị Chọn

OK

Hình 4.41 Biểu đồ ứng suất nguyên sinh

Các giá trị đầu vào có thể được thể hiện trên biểu đồ như ứng suất nguyên sinh trên hình vẽ trên Tóm tắt các giá trị giả định và các thông số vào cũng được thể hiện ở bên dưới biểu đồ

+ Phân bố đầu vào là sự phân bố được định nghĩa bởi các dữ liệu đầu vào mà bạn nhập vào trong hộp thoại Tunnel and Rock Parameters

+ Dữ liệu thống kê nhận được từ hàng dữ liệu sinh ra bởi thống kê mẫu (trong trường hợp này là phương pháp Monte Carlo) của phân bố dữ liệu vào mà bạn đã định nghĩa

Điều này giải thích tại sao thống kê mẫu và các thông số vào được liệt kê ở dưới biểu đồ thông thường là khác nhau, đặc biệt là khi số lượng mẫu rất nhỏ

Chú ý: nếu sử dụng mẫu Latin Hypercube và số lượng lớn mẫu, khi đó mẫu và thống kê các dữ liệu vào là bằng nhau hoặc gần bằng nhau Bởi vì phương pháp Latin Hypercube phân bố dữ liệu vào đồng nhất hơn phương pháp Monte Carlo

Cộng dồn biểu đồ

Để nhận được phân bố cộng dồn, chọn Cumulative Plot từ thanh công cụ ngang hoặc thực đơn Statistics

Chọn: Statistics  Cumulative Plot

Chú ý, danh sách các thông số được biểu diễn là chính xác giống nhau trong cả

2 hộp thoại Plot Histogram và Plot Cumulative

Hãy biểu diễn phân bố cộng dồn hệ số an toàn như mặc định trong hộp thoại Plot Cumulative, sau đó chọn OK để thực hiện

Hình 4.42 Biểu diễn công dồn hệ số an toàn

Xác suất cộng dồn của hệ số an toàn = 1 bằng xác suất phá huỷ Trong ví dụ này, hệ số an toàn lớn hơn 1 trong tất cả các trường hợp, do đó xác suất phá huỷ = 0

Biểu đồ phân tán

Biểu đồ phân tán cũng có thể nhận được sau khi phân tích xác suất Biểu đồ phân tán cho phép bạn biểu diễn bất kỳ 2 giá trị ngẫu nhiên nào để biết mối tương quan (hoặc không tương quan) giữa 2 thông số đó

Chọn: Statistics  Scatter Plot

Trong hộp thoại Scatter Plot chọn Factor of Saferty và UCS of Rock Mass

Hình 4.43 Hộp thoại biểu đồ phân tán

Hình 4.44 Biểu đồ phân tán hệ số an toàn và độ bền nén đơn trục của khối đá

Có thể thấy trên biểu đồ: mối quan hệ giữa các thông số vào là độ bền nén đơn trục của khối đá và hệ số an toàn của kết cấu chống Có thể dùng đường thẳng để biểu diễn mối quan hệ này bằng thực đơn nhấp chuột phải

Sử dụng tính ngẫu nhiên để tính toán phân tích

Để tiến hành chúng ta chọn lựa chọn Pseudo-Random Sampling trong hộp thoại Project Settings Do đó, khi nhấn nút Apply trong hộp thoại Tunnel Parameters hoặc Support Parameters, chương trình RocSupport sử dụng số Pseudo-Random để tiến hành thống kê sự phân bố các mẫu thông số đầu vào Phương pháp Pseudo-Random cho kết quả giống nhau cho mỗi lần chạy chương trình phân tích Điều đó cho phép người sử dụng tính lại các kết quả cho quá trình phân tích xác suất

Để chạy chương trình phân tích xác suất sử dụng mẫu ngẫu nhiên, bạn phải chọn Pseudo-Random sampling checkbox trong hộp thoại Project Settings

Khi tắt Pseudo-Random sampling checkbox, các số ngẫu nhiên khác nhau được sử dụng cho mỗi mẫu trong phân bố các thông số vào Điều đó có nghĩa là trong mỗi lần tính toán hoặc áp dụng được lựa chọn, sẽ cho các kết quả khác nhau

Chúng ta sẽ chạy lại chương trình ví dụ sử dụng mẫu ngẫu nhiên và quan sát kết quả:

Chọn: Analysis  Project Settings

Chọn Pseudo-Random Sampling checkbox và chọn OK Quá trình phân tích ngay lập tức tính toán lại và cho kết quả khác với kết quả trước đó

Để quan sát ảnh hưởng trên biểu đồ phân tán, chọn nút Compute nhiều lần

Chọn: Window  Tile Vertical

Nếu bạn tiến hành theo các bước như trên và không mở bất kỳ file nào khác trong RocSupport, bạn sẽ có 6 cửa sổ đang mở Đóng 2 cửa sổ lại (ví dụ cửa sổ đường đặc tính đất đá và cửa sổ mặt cắt ngang CTN, do đó chỉ còn các cửa sổ thống kê đang đựoc mở) Chọn lại lựa chọn Tile, màn hình của bạn sẽ nhìn giống như hình dưới đây:

Hình 4.45 Tiled view, Example 3 Lại nhấn nút Compute vài lần, chú ý quan sát các cửa sổ sẽ thay đổi giá trị trên biểu đồ

1 Trong hộp thoại Support Parameters:

- Bỏ kết cấu kết cấu chống bê tông phun bằng cách không đánh dấu trong hộp thoại Shotcrete checkbox

- Thay đổi kiểu neo sang 19mm, chọn nút Apply và Close

2 Xem biểu đồ hệ số an toàn Chú ý tất cả những trường hợp hệ số an toàn nhỏ hơn 1 bây giờ sẽ được tô màu đỏ

3 Xem biểu đồ ứng suất nguyên sinh

4 Chọn Show Failed Bars từ trình đơn Statistics (hoặc thực đơn nhấp phải chuột) Phần trăm (%) của các cột trên biểu đồ có hệ số an toàn nhỏ hơn 1 sẽ được bôi

đỏ

5 Lặp lại các bước 3 và 4 cho các thông số đầu vào và ra khác nhau Chú ý sự phân bố của phân tích phá huỷ so với toàn bộ phân bố của các thông số

Hình 4.46 Kết quả phá huỷ được tô màu trên biểu đồ ứng suất nguyên sinh

Lựa chọn Show Failed Bars cho phép người sử dụng xác định mối quan hệ của bất kỳ các thông số vào và ra nào của kết cấu kết cấu chống

ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH LÂU DÀI CỦA KHỐI ĐÁ :

Những đặc tính lâu dài của CTN và kết cấu chống rất quan trọng trong việc thiết kế CTN Các đặc tính lâu dài của khối đá xung quanh CTN thường được giả thiết

là giảm theo thời gian Điều này làm giảm các tính chất của khối đá, thiết lập lại chế

độ nước ngầm, giống như các hiện tượng trượt lở (Hoek, 2003)

Trong RocSupport có thể vẽ đường đặc tính lâu dài của khối đá bằng cách lựa chọn trong hộp thoại Project Settings

Hệ số giảm bền

Chọn: Analysis  Project Settings

Chọn “Plot Long-Term Curve“ checkbox

Hình 4.47 Lựa chọn đường đặc tính lâu dài của khối đá trong

hộp thoại Project Settings

Bạn có thể nhập “hệ số giảm bền” (%) Đầy là phần trăm (%) các đặc tính khối đá sẽ giảm để xác định đường đặc tính khối đá lâu dài:

+ Trong phương pháp Duncan Fama, hệ số giảm bền được áp dụng cho độ bền nén của khối đá và mô đun đàn hồi

+ Trong phương pháp Carranza-Torres, hệ số giảm bền được áp dụng cho độ bền nén của đá nguyên khối và mô đun đàn hồi

Ví dụ, chúng ta sẽ sử dụng mặc định hệ số giảm bền là 30% Chọn OK trong hộp thoại Project Settings

Đường đặc tính lâu dài và tức thời của khối đá

Trên đồ thị đường đặc tính khối đá bạn sẽ thấy có 2 đường đặc tính khối đá được vẽ: + Đường đặc tính ban đầu là đường cong thấp dựa trên cơ sở đặc tính vật liệu ban đầu (không bị giảm bền) được nhập vào trong hộp thoại Tunnel and Rock Parameters Đường này có thể được xem là đường đặc tính khối đá tức thời

+ Đường đặc tính khối đá lâu dài là đường cong bên trên, dựa trên cơ sở các tính chất giảm bền của vật liệu

Hình 4.48 Đường cong đặc tính khối đá lâu dài và tức thời

Như chúng ta thấy trên hình vẽ, giao điểm của đường đặc tính khối đá với đường đặc tính kết cấu chống là khác nhau trong trường hợp lâu dài và tức thời Điều này sẽ cho kết quả độ hội tụ và hệ số an toàn khác nhau Trong ví dụ này:

+ Độ hội tụ cuối cùng tăng từ 0,93% (tức thời) lên 0,96% (lâu dài)

+ Có sự khác biệt rất lớn ở hệ số an toàn, hệ số an toàn giảm từ 3,17 (tức thời) xuống 1,8 (lâu dài) Đây là kết quả đáng chú ý nhất khi sử dụng đường đặc tính lâu dài của khối đá, nó làm giảm hệ số an toàn của hệ thống kết cấu chống, bởi vì hệ thống kết cấu chống phải chịu tải trọng động lâu dài

Xem thông tin

Để xem thông tin kết quả cho cả 2 trường hợp đường đặc tính khối đá lâu dài và

tức thời hãy chọn: Analysis  Info Viewer

Hình 3.49 Tóm tắt kết quả phân tích trong cửa sổ Info Viewer

Kết quả phân tích xác suất cho đường đặc tính lâu dài

Nếu đã thực hiện các phân tích xác suất trong RocSupport, tất cả các kết quả phân tích xác suất sẽ có trong chương trình cho cả 2 trường hợp đường đặc tính lâu dài

và tức thời Hãy làm theo các bước sau:

1 Đọc file ví dụ 3 có trong thư mục cài đặt chương trình RocSupport

2 Chọn hộp thoại Project Settings và bật “Plot Long - Term Curve” checkbox

3 Chọn lựa chọn Plot Histogram Trong đó có danh sách tất cả các kết quả phân tích cho đường đặc tính lâu dài và tức thời như hộp thoại sau:

4 Trong hộp thoại Plot Histogram, chọn “Long-Term Factor of Safety” và chọn

OK Bạn sẽ thấy hình vẽ như hình 4.50

Hình 4.50 Biểu đồ hệ số an toàn trường hợp lâu dài

Cộng dồn biểu đồ và biểu đồ phân tán cũng có thể được tạo ra khi sử dụng kết quả phân tích xác suất lâu dài

Kết luận

Đường đặc tính lâu dài của khối đá trong RocSupport có thể sử dụng để xác định các đặc tính của kết cấu chống cho CTN Tuy nhiên, kết quả phân tích lâu dài như được tiến hành trong RocSupport dựa trên cơ sở những giả thiết đơn giản Nhũng giá trị được nhập vào như hệ số giảm bền thường là những thông số không biết chính xác

Để áp dụng hệ số giảm bền cho vật liệu khối đá cần phải có đầu tư nghiên cứu thêm

CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PHASE2 ĐỂ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG TRONG KHỐI ĐÁ BAO QUANH CÔNG

TRÌNH NGẦM 5.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CHƯƠNG TRÌNH PHASE2

Phase2 là chương trình được xây dựng trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite Element Method) để phân tích ứng suất và biến dạng cho công trình ngầm, bờ dốc v.v, được thi công trong khối đất hoặc đá

Phase2 có thể mô hình được nhiều loại đất đá khác nhau theo các tiêu chuẩn bền Mohr-Coulomb hoặc Hoek-Brown Ngoài ra chương trình cũng có khả năng mô hình các hệ khe nứt trong khối đá như các hệ khe nứt tự nhiên hoặc các hệ khe nứt hình thành do tác động của quá trình thi công

Phase2 cho phép mô hình nhiều loại kết cấu chống khác nhau cho khối đất hoặc

đá như các kết cấu chống bằng neo; kết cấu chống dạng vỏ như bê tông phun, bê tông liền khối; kết cấu chống bằng khung thép v.v và có thể kết hợp nhiều loại kết cấu chống khác nhau cho cùng một công trình

Có thể sử dụng chương trình Phase2 để tính toán ổn định cho công trình ngầm hoặc nền móng các công trình trên bề mặt, bờ dốc v.v

Yêu cầu về phần cứng máy tính để cài đặt chương trình Phase2:

Để cài đặt và chạy được phần mềm Phase2, máy tính phải có các yêu cầu tối thiểu như sau:

+ Tốc độ tối thiểu của máy tính: 1 GHz

+ Sử dụng hệ điều hành Windows 98/Me/2000/XP/2003

+ Khoảng trống bộ nhớ ổ cứng: 100 MB

+ Tốc độ xử lý của bộ nhớ trong (RAM): 256 MB

Các chức năng cơ bản của chương trình:

Chức năng mô hình (Modeling):

Chức năng mô hình cho phép người sử dụng có thể xây dựng mô hình tính toán bằng chuột hoặc nhập các tọa độ từ bàn phím hoặc nhập mô hình được vẽ trong chương trình AutoCad

Chức năng chia lưới (Mesh Generation):

Chức năng chia lưới cho phép người sử dụng chia mô hình tính thành các phần tử hữu hạn Các phần tử này có thể là phần tử tam giác 3 nút hoặc 6 nút, phần tử tứ giác 4 nút hoặc 8 nút

Chức năng tạo trường ứng suất ban đầu (Field Stress):

Chức năng tạo trường ứng suất ban đầu cho phép người sử dụng thiết lập trường ứng suất ban đầu cho mô hình tính là hằng số hoặc trường ứng suất trọng lực

Chức năng gán tải trọng (Load):

Chức năng gán tải trọng cho phép người sử dụng gán tải trọng tác dụng trong thực tế vào mô hình tính Tải trọng có thể là tập trung hoặc phân bố

Chức năng thiết lập đặc tính vật liệu (Material Properties):

Chức năng thiết lập đặc tính vật liệu cho phép người sử dụng có thể gán các thông số

cơ lý của vật liệu trong mô hình tính như: loại vật liệu, hệ số Poát xông, mô đun đàn hồi, độ bền nén, độ bền kéo, trọng lượng riêng v.v

Chức năng mô phỏng kết cấu chống (Support):

Chức năng này cho phép người sử dụng có thể mô phỏng các loại kết cấu chống như neo, bê tông phun, bê tông liền khối v.v được lắp đặt trong công trình

Chức năng mô hình hệ khe nứt (Joints):

Chức năng này cho phép người sử dụng có thể mô hình các hệ khe nứt có trong khối

đá hoặc mô hình mặt tiếp xúc giữa các lớp đất đá với nhau

Chức năng biểu diễn kết quả (Data Interpretations):

Chức năng này cho phép biểu diễn các kết quả tính tóan như: các thành phần ứng suất, các thành phần biến dạng, hệ số an toàn, véc tơ dịch chuyển v.v

Chức năng xuất dữ liệu ra file hoặc ảnh (Exporting Data and Images):

Chức năng này cho phép xuất các kết quả tính toán ra file riêng có định dạng là file ảnh hoặc văn bản (text)

5.2 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CHƯƠNG TRÌNH

Phase2 là phần mềm được viết trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn, có thể

sử dụng để phân tích ổn định (ứng suất, biến dạng, hệ số an toàn ) của công trình ngầm thi công trong khối đất, đá; các công trình thi công trên bề mặt khối đất, đá như các mỏ lộ thiên, các bờ dốc v.v

Phase2 có thể mô phỏng đượ các phương pháp thi công phức tạp như phương pháp thi công chia gương áp dụng cho các đường hầm đào trong khối đá yếu, gian máy của nhà máy thủy điện ngầm, các mỏ lộ thiên v.v

Phase2 có khả năng mô phỏng quá trình phá hủy cũng như tương tác giữa kết cấu chống với khối đất đá xung quanh công trình ngầm

5.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CHƯƠNG TRÌNH PHASE2

Chương trình Phase2 được xây dựng trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn FEM (Finite Element Method) Trong đó môi trường nghiên cứu được chia cắt theo một mạng các phần tử có kích thước hữu hạn, tiếp xúc với nhau bởi các nút Bằng phương pháp này việc giải một hệ các phương trình vi phân được đưa về dạng giải một

hệ các phương trình đại số, liên kết các lực tại các nút với các chuyển vị nút qua "ma trận độ cứng" Các hàm số "hình dạng" và nội suy được áp dụng để diễn tả các biểu hiện ứng suất, biến dạng của từng phần tử

Ở đây không đi sâu nghiên cứu lỹ thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn, người học có nhu cầu tìm hiểu nội dung của phương pháp FEM nên tìm đọc các tài liệu về phương pháp này

5.4 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PHASE2

Hướng dẫn sử dụng chương trình Phase2 giới thiệu với người sử dụng từng bước một làm quen và tạo ra các mô hình tính cho các bài toán thực tế

5.4.1 Trình tự xây dựng mô hình tính bằng Phase2

Để xây dựng mô hình tính và tính toán một bài toán địa kỹ thuật bằng chương trình Phase2, có thể tiến hành theo các bước sau:

1 Xây dựng mô hình tính:

Mô hình tính được xây dựng bằng cách dùng lệnh:

Boundaries  Add Excavation

để tạo ra hình dạng công trình cần thi công trong khối đất đá

Lệnh Add Excavation có thể vẽ các đường hầm hoặc công trình có hình dạng bất kỳ

bằng cách nhập các tọa độ hoặc nhấn chuột lên trên màn hình giao diện của chương trình

Giới hạn biên mô hình tính được thực hiện bằng lệnh:

Boundaries  Add External

Tại đây người sử dụng cũng có thể tạo ra biên mô hính tính có hình dạng bất kỳ theo yêu cầu của sơ đồ tính

2 Chia lưới cho mô hình tính:

Trong chương trình Phase2, việc chia lưới được thực hiện qua 2 bước:

+ Rời rạc hóa các đường biên bằng lệnh:

Mesh  Discretize

+ Chia lưới bằng lệnh: Mesh  Mesh

3 Thiết lập điều kiện biên:

Tùy thuộc vào điều kiện cụ thể của từng bài toán mà người sử dụng xác định các điều kiện biên phù hợp cho mô hình tính Các điều kiện biên có sẵn trong thực đơn

Restraints trên thanh công cụ

4 Thiết lập các tính chất vật liệu cho mô hình:

Để gán các tính chất cơ lý cho vật liệu trong mô hình tính dùng lệnh:

Properties  Define Materials

Sau khi nhập các thông số cơ lý cho từng loại vật liệu, tiến hành gán vật liệu cho từng miền tương ứng trên mô hình tính

5 Thiết lập trường ứng suất ban đầu:

Trường ứng suất ban đầu có thể là hằng số hoặc trọng trường Để thiết lập trường ứng

suất ban đầu dùng lệnh: Loading  Field Stress

6 Tính toán:

Sau khi xây dựng xong mô hình tính, tiến hành chạy chương trình tính toán bằng lệnh:

File  Compute

7 Biểu diễn kết quả tính toán:

Sau khi chương trình tính toán kết thúc, để xem kết quả sử dụng lệnh:

File  Interpret

Trong cửa sổ chương trình Interpret có thể xem được các kết quả tính toán của

mô hình tính như: các thành phần ứng suất, biến dạng, hệ số an toàn, miền dẻo v.v

5.4.2 Hướng dẫn sử dụng chương trình Phase2

Trong phần này sẽ hướng dẫn sử dụng chương trình Phase2 thông qua các ví dụ tính toán để người học có thể làm quen với các lệnh và các bước tiến hành để xây dựng mô hình tính và tính toán cho một bài toán cụ thể

5.4.2.1 Bài toán đường hầm chịu tác dụng của trường ứng suất hằng số

Một đường hầm có mặt cắt ngang hình vòm bán nguyệt, tường thẳng có chiều cao 15m, chiều rộng 10m được thi công trong khối đá đồng nhất, đẳng hướng, chịu tác dụng của trường ứng suất hằng số như trên hình 4.1 Các thông số của khối đá như trên bảng 4.1 Yêu cầu tính toán trạng thái ứng suất và biến dạng của khối đá xung quanh đường hầm

Hình 4.1 Sơ đồ bài toán đường hầm chịu tác dụng của trường ứng suất hằng số

Bảng 4.1 Các thông số cơ học của khối đá

STT Thông số Đơn vị Giá trị

1 Loại vật liệu - Đồng nhất, đẳng hướng

2 Mô đun đàn hồi MPa 20000

5 Góc ma sát trong độ 35

6 Tiêu chuẩn phá hủy - Mohr - Coulomb

7 Mô hình loại vật liệu - Đàn hồi

5.4.2.1.1 Xây dựng mô hình tính

Để xây dựng mô hình tính cho bài toán, trước tiên chúng ta chạy chương trình Phase2 bằng cách chọn:

Start  Programs  RocScience  Phase2  Phase2

Giao diện của chương trình sẽ hiện ra như sau:

Giới hạn miền làm việc:

Bước đầu tiên trong các chương trình máy tính hỗ trợ thiết kế là xác định giới hạn cho miền làm việc Để xác định giới hạn cho miền làm việc trong chương trình Phase2 tiến hành chọn:

View  Limits

Nhập các giá trị nhỏ nhất và lớn nhất của tọa độ theo các phương trục X và Y trong hộp thoại như trên hình bên

Thiết lập các thông số chung:

Để thiết lập các thông số chung cho bài toán tiến hành chọn:

File  Project settings

Giữ nguyên các thông số mặc định như trên hình bên

Vẽ các đường biên mô hình:

Trước tiên tạo ra mô hình như sau:

Chọn: Boundaries  Add Excavation

Enter vertex [a=arc, esc=quit]: -5 10

Enter vertex [a=arc, u=undo, esc=quit]: -5 0

Enter vertex [a=arc, u=undo, esc=quit]: 5 0

Enter vertex [a=arc, c=close, u=undo, esc=quit]:5 10

Enter vertex [a=arc, c=close, u=undo, esc=quit]: a

Number of segments in arc <20>: press Enter

Enter second arc point [u=undo, esc=quit]: 0 15

Enter third arc point [u=undo, esc=quit]: c

Chú ý:

Các dấu nhắc được sử dụng để tạo ra phần vòm của công trình Đầu tiên lệnh

“a” được nhập vào để bắt đầu tạo ra cung tròn Sau đó chúng ta chấp nhận số mặc định (20) các đoạn tạo thành cung tròn, trong trường hợp này là 20 đoạn bằng cách nhấn Enter ở dấu nhắc tiếp theo (mặc dù chúng ta có thể nhập các số khác nhau) Tiếp theo chúng ta nhập toạ độ của điểm giữa cung tròn (0, 15) và nhập “c” ở dấu nhắc cuối cùng, cung tròn sẽ đóng lại tại điểm đầu tiên của

công trình Trong trường hợp này, chúng ta đã tạo

ra một nửa đường tròn

Bây giờ chúng ta tạo ra đường biên ngoài của mô

hình tính Trong PHASE2, đường biên ngoài của

mô hình có thể tự động được tạo ra hoặc do người

sử dụng tạo ra Chúng ta sẽ sử dụng chức năng tự

động

Chọn: Boundaries  Add External

Nhập Expansion Factor = 3 và chọn OK Đường biên ngoài sẽ tự động được tạo ra Mô hình tính trong ví dụ này đã được hoàn thành

Chia lưới

Bây giờ chúng ta sẽ tiến hành chia lưới cho mô hình tính Trong chương trình PHASE2, lưới được tạo ra

bằng 2 bước: bước thứ nhất

bạn phải rời rạc hóa đường

biên, sau đó mới tiến hành

chia lưới Bạn cũng có thể

định dạng cho lưới bằng các

thông số trước khi tiến hành

tạo lưới Chúng ta sẽ làm việc

này trước tiên, nếu bạn không

thay đổi thộp thoại Mesh

Setup thì các thông số mặc

định trong hộp thoại sẽ được

sử dụng

Chọn: Mesh  Setup

Nhập số nút của công trình: Excavation Nodes = 60 và chọn OK

Bây giờ thực hiện rời rạc đường biên

Chọn: Mesh  Discretize

Quá trình rời rạc đường biên được thể hiện bằng các dấu chữ thập màu đỏ sẽ tạo thành khung cho các phần tử hữu hạn lưới Chú ý, các thông số rời rạc hóa được hiện ra ở thanh trạng thái cho biết số phần tử rời rạc cho mỗi loại đường biên

Discretizations: Excavation=59 External=26

Chú ý, số lượng phần tử rời rạc của đường hầm là 59, nhưng chúng ta nhập số là 60 trong hộp thoại Mesh Setup Đừng lo lắng về điều này, đó là bình thường Trong quá trình rời rạc hóa, số phần tử lưới được chia có thể không giống như con số mà bạn nhập vào trong hộp thoại Mesh Setup Nếu bạn thấy chưa hài lòng với quá trình rời rạc, bạn có thể sử dụng hộp thoại Custom Discretize

Bây giờ tiến hành tạo phần tử hữu hạn lưới bằng cách:

Chọn: Mesh  Mesh

Phần tử hữu hạn lưới đã được tạo ra và người sử dụng không thể can thiệp thêm vào được nữa Khi kết thúc, thanh trạng thái sẽ cho biết số lượng phần tử và số nút trong lưới:

ELEMENTS = 981 NODES = 516

Nếu bạn thực hiện chính xác theo các bước trên, bạn sẽ nhận được số phần tử

và số nút giống như ở trên

Điều kiện biên

Trong ví dụ này các điều kiện biên không cần thay đổi Bài toán sẽ được gán điều kiện biên mặc định (chuyển vị = 0), các điều kiện biên này được gán cho đường biên ngoài của mô hình tính

Trường ứng suất ban đầu

Trong chương trình Phase2 bạn có thể định nghĩa trường ứng suất là hằng số hoặc trường ứng suất trọng lực Trong ví dụ này chúng ta sẽ sử dụng trường ứng suất bằng hằng số

Chọn: Loading  Field Stress