Nghiên cứu các quá trình biến đổi cơ học trong khối đất đá xung quanh công trình ngầm bằng chương trình phase 2 trên cơ sở phân tích các tham số

Giới thiệu chung

Việc phá vỡ và tách bóc đất đá để tạo khoảng trống cho công trình ngầm làm thay đổi trạng thái tự nhiên của khối đá, hình thành một trạng thái ứng suất mới Trạng thái ứng suất này dẫn đến sự phân bố lại tải trọng lên các phần còn lại của khối đá, gây ra biến dạng và dịch chuyển bên trong khoảng trống Ứng suất và biến dạng mới thường tuân theo quy luật nhất định và có thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm cả thời gian Tùy thuộc vào mức độ và độ lớn của các thành phần ứng suất, khối đá có thể giữ trạng thái ổn định mới hoặc xuất hiện các vùng hoá dẻo, phá huỷ, và sự tập trung ứng suất Những hiện tượng biến đổi cơ học xung quanh khoảng trống công trình ngầm rất quan trọng cho việc quy hoạch, thiết kế và thi công hợp lý các công trình.

Các phương pháp nghiên cứu quá trình biến đổi cơ học trong khối đất đá xung

Phương pháp giải tích

Nhóm phương pháp này sử dụng các lời giải toán học để phân tích quy luật phân bố ứng suất biến dạng và các vùng phá huỷ, hoá dẻo xung quanh công trình ngầm Dựa trên phân tích này, có thể lựa chọn các biện pháp khai đào và chống giữ hợp lý trong thiết kế và xây dựng công trình ngầm Các kết quả từ lời giải đại số thường là nghiệm kín, chính xác và dễ dàng cho người sử dụng.

Phương pháp hiện tại gặp nhiều hạn chế, chủ yếu giải quyết được các giả thiết đơn giản như hình dạng công trình ngầm tròn hoặc gần tròn, và giả định đất đá đồng nhất, đẳng hướng Điều này không phản ánh đầy đủ các yếu tố bất thường trong điều kiện địa chất và sự thay đổi bề mặt địa hình, cũng như trường ứng suất và đặc tính không liên tục của đất đá Các lời giải đại số và giải tích thường chỉ tập trung vào các đường hầm sâu dưới mặt đất, bỏ qua những ảnh hưởng của độ sâu đến quy luật ứng suất biến dạng Hiện chưa có nghiên cứu nào xác định được quy luật này, và các lời giải hiện tại ít chú trọng đến sự thay đổi của các tham số cơ học của đá Sau khi thực hiện giải tích, chúng ta có thể thu được phương trình cụ thể về ứng suất và biến dạng, từ đó hiểu rõ hơn quy luật biến đổi cơ học trong khối đất đá xung quanh công trình ngầm.

Phương pháp quan trắc đo đạc

Phương pháp này sử dụng các dụng cụ đo đạc và quan trắc để xác định giá trị ứng suất và biến dạng của đất đá xung quanh công trình ngầm Dựa trên các kết quả này, loại kết cấu chống giữ và gia cố cần thiết sẽ được lựa chọn để ngăn chặn các dịch chuyển vào trong khoảng trống công trình Bằng cách áp dụng phương pháp xác suất thống kê, có thể tìm ra quy luật phân bố ứng suất và biến dạng cũng như quá trình biến đổi cơ học trong khối đá Để đo đạc ứng suất và biến dạng sâu trong lòng khối đá, cần khoan lỗ và đưa thiết bị đo vào Giả thiết rằng khối đá có biểu hiện đàn hồi, giá trị ứng suất và biến dạng tại các điểm đo dọc theo lỗ khoan sẽ được xác định, từ đó lập mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng với các tham số đầu vào cần thiết.

Tổng quan phần mềm Phase 2

Khái quát chung

Phase 2 là phần mềm được xây dựng trên cơ sở của phương pháp phần tử hữu hạn Phase 2 dùng để mô phỏng và tính toán cho các bài toán không gian 2 chiều, dùng để phân tích tính toán ứng suất, biến dạng, thiết kế kết cấu chống giữ trong tính toán thiết kế đường hầm Giao diện của Phase 2 đơn giản trên các thanh mênu nên người dùng có thể dễ dàng thao tác trong quá trình sử dụng Không những vậy Phase 2 có thể cho phép chúng ta mô phỏng được bất kỳ loại hình dạng tiết diện ngang công trình, nhiều loại vật liệu khác nhau trong quá trình phân tích Phase 2 có thể mô phỏng được khe nứt, phay phá, đứt gẫy những đặc điểm quan trọng của địa chất trong quá trình phân tích Phase 2 cũng có thể mô phỏng phân tích có kể đến các bước trình tự thi công gương hầm, Phase 2 cho phép chúng ta lắp đặt được nhiều loại kết cấu chống khác nhau như neo, bê tông phun, bê tông liền khối những loại kết cấu ngày nay thường sử dụng Kết quả phân tích bằng Phase 2 là các giá trị ứng suất, biến dạng, các giá trị nội lực cần thiết để thiết kế kết cấu chèng gi÷ ® êng hÇm.

Hình 2.1 Một số dạng mặt cắt bất kỳ mà chương trình có thể phân tích [4]

Trong Phase 2, việc chia lưới phân tích được thực hiện tự động hoặc qua các thủ tục đơn giản trong thanh menu Lưới thường được sử dụng trong giai đoạn này là lưới hình tam giác, như minh họa trong Hình 2.1.

Quan hệ ứng suất biến dạng của phần tử tam giác trong Phase 2

Để nghiên cứu quá trình biến đổi cơ học trong hệ bao gồm hai phần tử tam giác, cần xác định giá trị ứng suất và biến dạng tại tâm của các miếng cứng, cụ thể là phần tử I và phần tử II.

Để xác định ứng suất biến dạng của hai phần tử tam giác 3 nút, ta giả thiết ứng suất và biến dạng của tấm I và II như được mô tả trong hình 2.2, với các thông số cụ thể.

- Các dịch chuyển tại các nútq i ;

- Biến dạng của các tấm i ;

-ứng suất của các tấm  i 

Hình 2.3.Xét riêng cho phần tử I Phần tử (I) có độ cứng [k1], ma trận độ cứng [k1] cho phần tử I được xác định theo công thức sau:

Trong đó: h - là chiều dầy tấm I, (cm, m)

F - diện tích tiết diện ngang tấm thứ I: F = a.b (cm 2 , m 2 )

Ma trận [E  ] là ma trận có quan hệ với mô đun đàn hồi và được xác định theo công thức sau:

[D 1 ] - ma trận hình học được xác định theo công thức sau:

Xác định ma trận chuyển vị [D] T :

Trong đó: x1, y1, x2, y2, x3, y3 là toạ độ của các điểm i, j, k của phần tử tam giác I tương ứng theo chiều ngược chiều quay của kim đồng hồ.

Thay các công thức (2.2), (2.3) và (2.4) vào công thức (2.1) ta có thể xác định được ma trận độ cứng [k1]:

* Tính ma trận [k1]lk - khi có xét đến liên kết

Khi thực hiện tính toán, việc xem xét các điều kiện biên cho phần tử là rất quan trọng Ma trận độ cứng được gọi là [k1]lk khi điều kiện biên cho phần tử được đưa vào xem xét.

Ma trận độ cứng của phần tử thứ hai được xác định dựa trên công thức tương tự như ma trận độ cứng của phần tử thứ nhất.

[k2] = h1.F1.[D2] T [E 1 ].[D2] (2.6) Trong đó: h1- là chiều dầy tấm II

F1- diện tích tiết diện ngang tấm I: F1= a.b (cm 2 , m 2 )

Ma trận [E 1 ] liên quan đến mô đun đàn hồi và được xác định bằng công thức tương tự như phần tử I, do có cùng giá trị E và .

Ma trận hình học [D 2 ] được xác định dựa trên tọa độ của phần tử thứ II, với gốc tọa độ đặt tại các điểm tương ứng k, j, i.

Hình 2.4 Hệ trục toạ độ trong việc xác định ma trận độ cứng [k2] cho phần tử II

{D 2 ] - ma trận hình học của phần tử thứ II được xác định theo công thức sau:

Xác định ma trận chuyển vị [D2] T :

Trong đó: x1, y1, x2, y2, x3, y3là toạ độ của các điểm k, j, i của phần tử tam giác II tương ứng theo chiều ngược kim đồng hồ.

Thay (2.9), (2.8), (2.7) vào công thức (2.6) để xác định ma trận độ cứng ban đầu

* Tính ma trận độ cứng [k 2 ] lk có tính đến các liên kết ở các nút:

Xác định ma trận độ cứng tổng thể [k tt ] cho miếng cứng tổng thể từ hai độ cứng của hai miếng cứng phần tử tam giác thành phần.

Xác định chuyển vị tại các nút trong phần tử I

Khi bài toán chưa cho chuyển vị tại các nút thì chúng ta cần phải xác định chuyển vị tại các nút thông qua hệ phương trình sau:

     P  k tt q (2.12) giải hệ phương trình trên ta sẽ được chuyển vị ở các nút trong phần tử I

2.3.1 Xác định các biến dạng theo 3 phương của tấm I và tấm II

Biến dạng theo 3 phương khác nhau của tấm I có thể được xác định bằng cách giải hệ phương trình sau:

   1    x 1 ,  y 1 ,  xy 1     D 1   q    D 1  q 1 , q 2 , q 3 , q 4 , q 5 , q 6  (2.13) Tương tự ta cũng có thể xác định được các thành phần biến dạng tương ứng với tấm thứ II

2.3.2 Xác định ứng suất trong từng tấm I và II

Tương tự ta cũng có thể xác định được các thành phần ứng suất theo biểu thức sau:

   1    x 1 ,  y 1 ,  xy 1     E s    1 (2.15) Giải hệ phương trên ta sẽ thu được các giá trị ứng suất của tấm I trong bài toán phẳng.

Hệ phương trình (2.16) cho phép xác định các thành phần ứng suất trong tấm cứng thứ II, bao gồm σx², σy² và τxy² Trong Phase 2, quá trình chia lưới được thực hiện tự động, giúp tính toán ứng suất biến dạng trong các vị trí xung quanh khoảng trống công trình ngầm Nhờ đó, chúng ta có thể xác định quy luật biến đổi cơ học trong khối đá xung quanh khoảng trống này với các điều kiện đầu vào phù hợp.

Phương pháp phần tử hữu hạn trong việc giải bài toán đường hầm có thể thực hiện từ bên ngoài vào gần biên đường hầm hoặc từ bên trong ra xa trong khối đất đá xung quanh.

Tham số đầu vào của Phase 2

Đầu vào cho Phase 2 của phân tích bao gồm các giá trị tham số hình học của đường hầm và các thông số cơ học của đá, như đường kính hầm, độ bền kéo, trọng lượng tự nhiên của đá, mô đun đàn hồi và góc ma sát trong.

Hình 2.5.Tham số đặc tính đất đá đầu vào và khe nứt cho mô hình.

Phase 2 cho phép tích hợp đầy đủ các điều kiện địa cơ học vào mô hình phân tích, mang lại kết quả phân tích hợp lý và sát thực tế hơn so với nhiều chương trình phân tích khác.

KÕt cÊu chèng gi÷

Phase 2 có thể mô phỏng được nhiều loại kết cấu chống giữ khác nhau, cũng bằng thủ tục nhập đầu vào đơn giản và cũng phân tích được ảnh hưởng của từng loại kết cấu riêng rẽ đối với mô hình phân tích Các kết cấu chống giữ hiện nay thông thường được dùng là bê tông phun, neo và bê tông liền khối Với những thủ tục gán kết cấu chống giữ đơn giản vào mô hình chúng ta cũng có thể thực hiện được việc đó trong quá trình phân tích tính toán.

Hình 2.6 minh họa một đường hầm với hai cấu trúc khác nhau: cấu trúc neo (hình bên trái) và cấu trúc neo kết hợp với vỏ bê tông liền khối (hình bên phải) Cả hai cấu trúc này được phân tích bằng phần mềm Phase 2, cho thấy sự khác biệt trong thiết kế và ứng dụng công nghệ.

Các đặc tính của kết cấu chống giữ bê tông liền khối và neo có thể được xác định thông qua quy trình nhập liệu, cụ thể là các thông số của kết cấu chống neo và vỏ bê tông liền khối, như được trình bày trong Hình 2.7.

Hình 2.7.Ví dụ thao tác định nghĩa các đặc tính vật liệu cho kết cấu chống neo và bê tông liền khối trong phân tích bằng Phase 2

Khái quát chung

Quá trình biến đổi cơ học trong khối đất đá rất đa dạng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng, kích thước và vị trí của công trình ngầm, cũng như tính chất cơ lý của đất đá và tác động của việc khai đào đường hầm Mức độ ảnh hưởng của các tham số này đến sự biến đổi cơ học và mất ổn định xung quanh công trình ngầm là khác nhau Hiện tại, chưa có nghiên cứu tổng quan nào về quy luật biến đổi cơ học liên quan đến sự thay đổi kích thước của công trình ngầm Phần mềm Phase 2 có khả năng mô phỏng và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố này đến sự biến đổi cơ học và các quá trình mất ổn định của đường hầm.

3.2 Phân tích quy luật biến đổi cơ học trong khối đất đá có chú ý đến yếu tố kích thước công trình ngầm

Các nghiên cứu lý thuyết thường tập trung vào các đường hầm hình tròn hoặc gần tròn với bề mặt trơn, trong khi thực tế cho thấy đường hầm có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau Sự biến đổi về hình dạng và kích thước của tiết diện ngang ảnh hưởng đến các quá trình biến đổi cơ học trong đất đá xung quanh Những biến đổi này có thể gây ra tình trạng mất ổn định xung quanh khối đá, tùy thuộc vào đặc tính cấu trúc của đất và hình dạng của công trình ngầm Mức độ mất ổn định có thể khác nhau, từ nhỏ đến lớn, hoặc chỉ tập trung ứng suất tại các vị trí biên không trơn Hiện tại, chưa có nghiên cứu nào cụ thể về quy luật biến đổi cơ học xung quanh các đường hầm với sự chú ý đến sự thay đổi kích thước một cách hệ thống.

3.2.1 Mô hình lý thuyết phân tích biến đổi cơ học có chú ý đến sự thay đổi kích thước công trình ngầm Để phân tích được sự biến đổi cơ học và tìm ra quy luật, trước tiên cần phải xây dựng được mô hình lý thuyết cho bài toán Với giả thiết có cùng yếu tố đầu vào, cùng loại môi trường đất đá Tuy nhiên, thay đổi tham số đường kính đường hầm có cùng loại mặt cắt ngang Giả sử, cụ thể chúng ta cần tìm quy luật biến đổi cơ học xung quanh đường hầm tiết diện ngang hình tròn với các tham số đầu vào nh sau:

- Chiều sâu đặt đường hầm là 10m dưới mặt đất;

- Đường kính đường hầm tương ứng là: 1m, 2m, 3m, 4m, 5m, 6m, 7m, 8m.

- Điều kiện đất đá cho phân tích được tập hợp như trong Bảng 3.1.

Bảng 3.1 Tóm tắt các thông số đầu vào của đất đá cho phân tích

Tên tham số đầu vào Ký hiệu Giá trị Đơn vị

4 Góc ma sát trong  25 Độ

5 Mô đun đàn hồi E 1000 MPa

8 Góc ma sát dư re 26 Độ

9 §é bÒn dÝnh kÕt d cre 0,5 MPa

11 Loại vật liệu Dẻo (Plastic) - -

12 Tiêu chuẩn sử dụng Mohr - Coulomb - -

Trên cơ sở nhận định như trên chúng ta có thể lập được các mô hình phân tÝch lý thuyÕt nh trong H×nh 3.1.

Hình 3.1.Mô hình lý thuyết cần phân tích có chú ý đến sự thay đổi kích thước ® êng hÇm.

Bề mặt đất a) § êng hÇm ® êng kÝnh 1m

10 m 10 m b) § êng hÇm ® êng kÝnh 2m f) § êng hÇm ® êng kÝnh 6m

Bề mặt đất Bề mặt đất c) § êng hÇm ® êng kÝnh 3m d) § êng hÇm ® êng kÝnh 4m

Bề mặt đất Bề mặt đất g) § êng hÇm ® êng kÝnh 7m h) § êng hÇm ® êng kÝnh 8m

3.2.2 Mô hình phân tích bằng Phase 2

Sau khi thiết lập các mô hình lý thuyết, chúng ta có thể tiến hành mô phỏng và phân tích bằng chương trình Phase 2, như thể hiện trong Hình 3.2 Các mô hình này bao gồm: ống kính có đường kính 1m, 2m, 3m, 4m, 5m, 6m, 7m và 8m.

Hình 3.2 Mô phỏng phân tích bằng Phase 2 có chú ý đến sự thay đổi đường kính đường hầm ở độ sâu 10m dưới bề mặt đất

3.2.3 Tìm quy luật biến đổi của ứng suất

Sau khi chạy chương trình và áp dụng các mô hình phân tích với sự chú ý đến sự thay đổi kích thước, chúng ta có thể thu được kết quả phân bố ứng suất  1 và  3, được trình bày trong các Hình 3.3 đến 3.10.

Hình 3.3 Phân bố ứng suất 1 và 3 xung quanh đường hầm D = 1m

Để thiết lập mối quan hệ biến đổi cơ học xung quanh đường hầm có đường kính D = 8m, cần xác định giá trị ứng suất và biến dạng tại các điểm cách biên đường hầm một khoảng nhất định Dựa trên các kết quả này, phương pháp thống kê sẽ giúp rút ra quy luật cơ học cần thiết Kết quả giá trị ứng suất sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho việc phân tích và thiết kế đường hầm.

 1 có thể được tóm tắt như trong các Bảng 3.2, Bảng 3.3 và Bảng 3.4.

Bảng 3.2 Giá trị ứng suất 1 tại các vị trí xung quanh đường hầm tại ở mặt cắt 0 0

Thứ tù § êng kÝnh ® êng hÇm ứng suất 1 (Mpa) tại các vị trí cách biên đường hầm

Bảng 3.3 Giá trị ứng suất1tại các vị trí xung quanh đường hầm ở mặt cắt 45 0

Thứ tù § êng kÝnh ® êng hÇm ứng suất  1 (Mpa) tại các vị trí cách biên đường hầm

Bảng 3.4 Giá trị ứng suất1tại các vị trí xung quanh đường hầm ở mặt cắt 90 0

Thứ tù § êng kÝnh ® êng hÇm ứng suất  1 (Mpa) tại các vị trí cách biên đường hầm

Dựa trên các kết quả thu được, bằng cách sử dụng Excel và phương pháp thống kê gần đúng, chúng ta có thể xây dựng biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa sự thay đổi ứng suất, biến dạng và diện tích đường hầm, như đã trình bày trong Hình 3.11 và Hình 3.12.

Mối quan hệ giữa ứng suất  và sự thay đổi đường kính đường hầm

Sự thay đổi đường kính đường hầm D, m

G iá t rị ứ ng s uất s 1 , M P a Tai vi tri 0m

Tại vị trí 0,5m đến 12m, có sự thay đổi đáng kể về đường trung bình và đường quy luật biến đổi Các vị trí cụ thể như 1m, 2m, 3m, 4m, 5m, 10m và 12m đều đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và đánh giá các yếu tố liên quan đến sự biến đổi này.

Hình 3.11 Quan hệ ứng suất với đường kính đường hầm ở độ sâu 10m tại vị trí mặt cắt 0 0

Quan hệ giữa ứng suất thẳng đứng và đường kính ở vị trí mặt cắt 45 độ σ 1 = -0.001D + 0.1688

Sự thay đổi đường kính, m G iá tr ị ứ ng s uấ t t hẳ ng đ ứn g, M P a

Tại vị trí trên biển hầm, khoảng cách từ bề mặt biển đến hầm được xác định ở các độ sâu khác nhau: 0,5m, 1m, 2m, 3m, 4m và 5m Để tính toán các giá trị này, cần áp dụng đường trung bình của các giá trị và công thức quy luật liên quan.

Hình 3.12 Quan hệ ứng suất với đường kính đường hầm ở độ sâu 10m tại vị trí mặt cắt 45 0

Quan hệ giữa ứng suất thẳng đứng và đường kính đường hầm ở vị trí mặt cắt 90 độ σ 1 = -0.0026D + 0.1218

Sự thay đổi đường kính đường hầm, m

Tại vị trí trên biển đường hầm, khoảng cách từ bề mặt biển đến đáy hầm có thể thay đổi từ 0,5m đến 5m, với các mức cụ thể là 0,5m, 1m, 2m, 3m, 4m và 5m Đường giá trị trung bình và đường quy luật biến đổi sẽ được xác định dựa trên các khoảng cách này.

Mối quan hệ giữa ứng suất và kích thước đường hầm là tỷ lệ thuận, với việc kích thước đường hầm lớn hơn dẫn đến ứng suất xung quanh tăng (Hình 3.11) Khi đường hầm rộng hơn, vùng ảnh hưởng cũng mở rộng, phù hợp với các lý thuyết trước đây Đồng thời, kích thước đường hầm lớn hơn cũng làm giảm chiều sâu lớp đất phủ phía trên, dẫn đến ứng suất phía trên giảm; tức là, khi gần mặt đất, giá trị ứng suất giảm, trong khi ở độ sâu lớn hơn, giá trị ứng suất lại tăng (Hình 3.12 và Hình 3.13).

Quan hệ ứng suất với khoảng cách với các đường hầm đường kính khác nhau

Khoảng cách từ biên hầm, m ứ ng s uấ t, MP a

Đường hầm có đường kính từ 1m đến 8m, bao gồm các kích thước như 1m, 2m, 3m, 4m, 5m, 6m, 7m và 8m Đường kính trung bình của đường hầm cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét Các quy luật liên quan đến đường kính đường hầm sẽ giúp xác định thiết kế và khả năng chịu tải của công trình.

Hình 3.14 Quan hệ giữa ứng suất 1 với khoảng cách tính từ biên hầm cho các đường hầm đường kính khác nhau tại vị trí mặt cắt 0 0

Quan hệ giữa ứng suất thẳng đứng và khoảng cách từ biên hầm ở vị trí mặt cắt 45 độ σ 1 = -0.0003x 3 + 0.0052x 2 - 0.0459x + 0.2303

Sự thay đổi khoảng cách từ biên hầm, m G iá t rị ứ ng s uất th ẳn g đ ứn g, M P a

Đường kính đường ống có nhiều kích thước khác nhau, bao gồm 1m, 2m, 3m, 4m, 5m, 6m, 7m và 8m Đường kính này ảnh hưởng đến hiệu suất và khả năng lưu thông của hệ thống Đường giá trị trung bình giúp xác định kích thước tối ưu cho ứng dụng cụ thể, trong khi đường quy luật biến đổi cung cấp thông tin về sự thay đổi của đường kính theo điều kiện hoạt động.

Quan hệ giữa ứng suất thẳng đứng và khoảng cách từ biên hầm ở vị trí mặt cắt 90 độ σ 1 = -0.0003x 4 + 0.0024x 3

Sự thay đổi khoảng cách từ biên hầm, m G iá tr ị ứ ng s uấ t t hẳ ng đứ ng , M P a

Đường hầm với đường kính từ 1m đến 8m cung cấp các kích thước đa dạng cho nhiều ứng dụng khác nhau Đường kính 1m, 2m, 3m, 4m, 5m, 6m, 7m và 8m đều có những đặc điểm riêng, phù hợp với nhu cầu cụ thể Đường giá trị trung bình và đường cong quy luật giúp xác định các thông số kỹ thuật cần thiết cho việc thiết kế và thi công đường hầm hiệu quả.

Quy luật phân bố ứng suất cho thấy rằng ứng suất lớn nhất tập trung ở các vị trí biên của đường hầm và giảm dần khi ra xa Giá trị ứng suất tối đa thường xuất hiện tại mặt cắt 0 0, giảm dần đến mặt cắt 45 0 và nhỏ nhất ở mặt cắt 90 0, điều này phù hợp với các lý thuyết trước đó về sự khác biệt của ứng suất ở các độ sâu khác nhau Phân tích kết quả cho phép chúng ta xác nhận những nhận định lý thuyết này một cách rõ ràng hơn Tương tự, thông qua phân tích, chúng ta cũng có thể thu được giá trị của thành phần ứng suất nằm ngang 3 tại mặt cắt 0 0, được tổng hợp trong Bảng 3.5.

Bảng 3.5 Giá trị ứng suất3tại các vị trí xung quanh đường hầm ở vị trí 0 0

Thứ tù § êng kÝnh ® êng hÇm ứng suất 3 (Mpa) tại các vị trí cách biên đường hầm

Phân tích biến đổi cơ học trong khối đất đá có chú ý đến độ sâu đặt công trình ngầm

Công trình ngầm, như đường hầm, có thể được xây dựng ở nhiều độ sâu khác nhau, nhưng việc phân tích ứng suất biến dạng và quá trình biến đổi cơ học xung quanh công trình này là rất phức tạp Hiện tại, chưa có lời giải cụ thể nào cho quy luật biến đổi cơ học trong đất đá xung quanh công trình ngầm, đặc biệt là khi xem xét độ sâu của nó Mối quan hệ giữa ứng suất biến dạng và độ sâu đặt đường hầm, cũng như sự hình thành vùng phá huỷ xung quanh, cần được nghiên cứu kỹ lưỡng Phần mềm Phase 2 có thể hỗ trợ phân tích nhanh chóng các bài toán liên quan đến vị trí công trình ngầm thông qua các thủ tục đầu vào và điều kiện biên Chương này sẽ làm rõ quy luật biến đổi cơ học xung quanh khoảng trống liên quan đến vị trí công trình ngầm.

Mô hình lý thuyết

Để mô phỏng sự phân tích với sự chú ý đến thay đổi chiều sâu của công trình, cần giới hạn điều kiện đầu vào để khảo sát quy luật biến đổi cơ học xung quanh khoảng trống công trình ngầm Cụ thể, các đường hầm được xem xét phải có cùng diện tích khai đào và sử dụng, trong một điều kiện đất đá nhất định, với miền xem xét có biên rộng 7R Sự khác biệt nằm ở chiều sâu đặt công trình trong các mô hình Từ những nhận định này, các yếu tố đầu vào có thể được tóm tắt như trong Bảng 4.1.

Bảng 4.1 Tóm tắt các thông số đầu vào của đất đá cho phân tích khi thay đổi độ sâu đặt đường hầm

Thứ tự Tên tham số đầu vào Ký hiệu Giá trị Đơn vị

8 Góc ma sát dư  re 26 Độ

Dựa vào các điều kiện đầu vào được trình bày trong Bảng 4.1, chúng ta có khả năng mô phỏng sơ đồ phân tích lý thuyết cho các bài toán phân tích như thể hiện trong Hình 4.1.

Hình 4.1.Các vị trí đường hầm lý thuyết cần phân tích

Bề mặt đất Bề mặt đất

Bề mặt đất Bề mặt đất a) §é s©u 1D b) §é s©u 2D c) §é s©u 3D d) §é s©u 4D e) §é s©u 5D f) §é s©u 6D

Mô phỏng mô hình bằng chương trình Phase 2

Trên cơ sở mô hình phân tích lý thuyết và các thông số đầu vào như ở phần

4.2 chúng ta có thể thiết lập được mô hình mô phỏng cho các phân tích trên bằng chương trình Phase 2 như trong Hình 4.2. a) chiều sâu đặt đường hầm 1D b) chiều sâu đặt đường hầm 2D c) chiều sâu đặt đường hầm 3D d) chiều sâu đặt đường hầm 4D e) chiều sâu đặt đường hầm 5D f) chiều sâu đặt đường hầm 6D

Hình 4.2 Mô phỏng các bài toán bằng chương trình Phase 2

Các kết quả phân tích biến đổi cơ học bằng chương trình Phase 2

4.4.1 Quy luật phân bố ứng suất xung quanh đường hầm ở các độ sâu khác nhau

Bằng cách xây dựng mô hình phân tích và đưa các tham số vào, chúng ta có thể thu thập giá trị ứng suất và biến dạng cần thiết để xác định quy luật biến đổi cơ học Kết quả được trình bày qua các hình từ Hình 4.3 đến Hình 4.8 Để rút ra các quy luật này, cần xác định giá trị ứng suất và biến dạng tương ứng tại biên đường hầm cũng như ở các khoảng cách 0m, 5m, 10m, 15m, 20m, 25m và 30m.

Hình 4.3 Phân bố ứng suất 1 và 3 xung quanh đường hầm ở độ sâu 1D

Hình 4.6 Phân bố ứng suất1và3xung quanh đường hầm ở độ sâu 4D

Dựa trên kết quả phân tích từ các hình vẽ Hình 4.3 đến Hình 4.8, chúng tôi đã tổng hợp được các kết quả ứng suất 1 ở các mặt cắt 0° và 90°, được trình bày trong Bảng 4.2 và Bảng 4.3.

Bảng 4.2 Kết quả các giá trị ứng suất1(Mpa) khi thay đổi chiều sâu ở vị trí 0 0

Vị trí đường hầm theo chiÒu s©u

Giá trị ứng suất 1 cách biên hầm ở mặt cắt 0 0 , MPa

Bảng 4.3 Kết quả các giá trị ứng suất 1 (Mpa) khi thay đổi chiều sâu ở vị trí 90 0

Dựa trên kết quả từ bảng, chúng ta có thể sử dụng phương pháp lập đồ thị tương quan và phương pháp gần đúng để xác định mối quan hệ giữa độ sâu và ứng suất tại các vị trí xung quanh đường hầm, như thể hiện trong Hình 4.9 và Hình 4.10 Qua việc thống kê gần đúng các biểu đồ, ta có thể xác định đường quy luật phát triển của ứng suất σ1 theo chiều sâu của đường hầm tại mặt cắt 0° với biểu thức: σ1 = 0,2858D + 0,2049, và tại mặt cắt 90° với biểu thức tương ứng.

1 = 0,2087D - 0,181, với D là đường kính đường hầm và cũng là chiều sâu đặt ® êng hÇm.

Mối quan hệ giữa ứng suất và chiều sâu đặt đường hầm ở các vị trí khác nhau xung quanh ® êng hÇm

Sự thay đổi độ sâu đặt đường hầm (xD), m

G iá tr ị ứ ng s uấ t s 1 , M P a O vi tri 0m tren bien duong ham

O vi tri cach bien duong ham 5m

O vi tri cach bien duong ham 25m Duong trung binh

Duong quy luat bien doi ung suat theo chieu sau

Biểu đồ ở Hình 4.9 thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất 1 và độ sâu đặt đường hầm tại các vị trí khác nhau so với biên đường hầm, cụ thể tại mặt cắt 0 0.

Quan hệ giữa ứng suất thẳng đứng và độ sâu đặt đường hầm ở vị trí đỉnh nóc hầm σ 1 = 0.2087D - 0.181

Sự thay đổi độ sâu đặt đường hầm D, m G iá t rị ứ ng s uất th ẳn g đứ ng s 1 , M P a

Tại vị trí trên đỉnh nóc hầm, khoảng cách từ nóc hầm đến các vị trí khác là rất quan trọng, bao gồm 5m, 10m, 15m, 20m, 25m và 30m Đường giá trị trung bình và đường quy luật biến đổi cũng cần được xem xét để đảm bảo tính chính xác trong việc xác định các vị trí này.

Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất σ1 và độ sâu đặt đường hầm ở các vị trí khác nhau so với biên đường hầm tại mặt cắt 90 độ.

Quan hệ ứng suất theo chiều thẳng đứng tỷ lệ thuận với độ sâu của đường hầm Điều này có nghĩa là khi đường hầm nằm sâu hơn, giá trị ứng suất  1 sẽ tăng lên Ngược lại, khi độ sâu D giảm, giá trị ứng suất thẳng đứng cũng sẽ giảm theo.

Giá trị ứng suất σ1 giảm, điều này phù hợp với các kết quả phân tích lý thuyết đại số trước đây Biểu đồ quan hệ giữa giá trị ứng suất σ1 và khoảng cách từ biên hầm vào trong khối đá cũng có thể được vẽ, như thể hiện trong Hình 4.11.

Quan hệ ứng suất và khoảng cách từ biên hầm

Khoảng cách từ biên hầm, m

Duong ham o do sau 1D Duong ham o do sau 2D Duong ham o do sau 3D Duong ham o do sau 4D Duong ham o vi tri 5D Duong ham o vi tri 6D

Hình 4.11 thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất 1 và khoảng cách từ biên hầm Các đường cong ứng suất ở độ sâu 1D, 2D, 3D, 4D cho thấy quy luật phân bố tương tự, trong khi hai đường cong ở độ sâu 5D và 6D không còn tuân theo quy luật trước đó Điều này cho thấy từ độ sâu 5D trở đi, ảnh hưởng của bề mặt đất đến khối đất đá xung quanh hầm là không đáng kể, cho phép giải quyết các bài toán công trình ngầm bằng các phương pháp cho công trình ở độ sâu lớn hơn (xem Bảng 4.2 và Bảng 4.3) Ngoài ra, quy luật biến đổi của ứng suất giảm dần khi xa hầm, và tại khoảng cách 20 đến 25m, giá trị ứng suất ổn định gần như không đổi, phù hợp với lý thuyết rằng tại khoảng cách 4,5R, ứng suất đạt giá trị nguyên sinh Để nghiên cứu quy luật phân bố của ứng suất nằm ngang 3, chúng ta có thể tham khảo các giá trị trong Bảng 4.4.

Bảng 4.4.Kết quả các giá trị ứng suất 3khi thay đổi chiều sâu ở vị trí 0 0

TT Vị trí đường hầm theo chiÒu s©u

Bảng 4.5 Kết quả các giá trị ứng suất1(Mpa) khi thay đổi chiều sâu ở vị trí 90 0

Dựa trên các kết quả ứng suất nằm ngang 3 từ bảng trên, chúng tôi đã thiết lập mối quan hệ giữa giá trị ứng suất 3 và độ sâu đặt đường hầm thông qua phương pháp đồ thị và thống kê gần đúng, như thể hiện trong các Hình 4.12, 4.13 và 4.14.

Quan hệ giữa sự thay đổi ứng suất nằm ngang  3 theo độ sâu đặt đường hầm ở các vị trí cách biên hầm khác nhau

Sự thay đổi độ sâu đặt đường hầm (xD), m

Sự th ay đ ổi ứ ng s uấ t n ằm ng an g s 3, M P a O vi tri tren bien ham

O vi tri cach bien ham 5m

O vi tri cach bien ham 30m Duong trung binh Duong phat trien quy luat

Hình 4.12.Quan hệ giữa ứng suất nằm ngang  3 và chiều sâu đặt đường hầm ở vị trí mặt cắt 0 0

Quan hệ giữa ứng suất nằm ngang và độ sâu đặt đường hầm mặt cắt 90 độ phía trên đỉnh nóc của đường hầm σ 3 = 0.1449D - 0.1757

Sự thay đổi độ sâu đặt đường hầm D, m G iá tr ị ứ ng s uấ t nằ m n ga ng s 3 , M P a

Tại vị trí định nóc hầm, việc xác định độ cao phù hợp là rất quan trọng Đối với các vị trí cách định nóc hầm 5m, 10m, 15m, 20m, 25m và 30m, cần chú ý đến các yếu tố địa chất và thiết kế công trình Đường giá trị trung bình và đường quy luật biến đổi cũng cần được xem xét để đảm bảo tính chính xác và an toàn cho dự án.

Hình 4.13.Quan hệ giữa ứng suất nằm ngang 3và chiều sâu đặt đường hầm ở vị trí đỉnh nóc đường hầm, mặt cắt 90 0

Quan hệ ứng suất nằm ngang 3 xung quanh biên hầm

Khoảng cách tính từ biên hầm, m

Sự t ha y đổ i ứ ng s uấ t nằ m n ga ng s 3 , M P a

O do sau 6D Duong trung binh Duong quy luat bien doi

Giá trị ứng suất nằm ngang 3 xung quanh đường hầm thay đổi theo độ sâu, tỷ lệ thuận với sự gia tăng độ sâu đặt đường hầm, được mô tả bởi biểu thức toán học 3 = 0,1577D + 0,0875 (với D là đường kính đường hầm) Ngoài ra, ứng suất nằm ngang 3 cũng có sự khác biệt ở các vị trí khác nhau xung quanh đường hầm, tuân theo quy luật 3 = -7.10 -6 x² + 0,0006x + 0,1631x + 0,1002 (với x là khoảng cách từ biên hầm đến khối đá xung quanh) Các giá trị ứng suất này tiến dần về giá trị tiệm cận với ứng suất nguyên sinh tại vị trí cách biên hầm khoảng 20 đến 25 mét.

4.4.2 Quy luật biến đổi của biến dạng xung quanh biên hầm Để tìm hiểu quy luật biến đổi của biến dạng và véc tơ dịch chuyển của đất đá vào khoảng trống bên trong đường hầm, ta cũng tiến hành chạy chương trình và xác định các giá trị của biến dạng tại các điểm khác nhau xung quanh biên hầm ở các độ sâu khác nhau như trong các hình vẽ từ Hình 4.15 đến Hình 4.20.

Hình 4.16.Phân bố biến dạng và véc tơ dịch chuyển biến dạng xung quanh đường hầm ở độ sâu 2D

Hình 4.15.Phân bố biến dạng và véc tơ dịch chuyểnbiến dạng xung quanh đường hầm ở độ sâu 1D

Hình 4.20 thể hiện sự phân bố biến dạng và véc tơ dịch chuyển biến dạng xung quanh đường hầm ở độ sâu 6D Các giá trị biến dạng tại các vị trí khác nhau xung quanh đường hầm đã được tổng hợp từ các hình vẽ trong Hình 4.15 đến Hình 4.21 và được trình bày trong Bảng 4.6.

Bảng 4.6 Tổng hợp giá trị biến dạngxy(Mpa) theo độ sâu đặt đường hầm

Giá trị biến dạng xy (m) cách biên hầm ở mặt cắt 0 0

Dựa trên kết quả biến dạng trong Bảng 4.6, chúng ta có thể áp dụng phương pháp thống kê gần đúng để xác định quy luật biến đổi giữa biến dạng và độ sâu đặt đường hầm, như thể hiện trong Hình 4.21 Từ các đồ thị, chúng ta cũng có thể đưa ra biểu thức gần đúng cho mối quan hệ giữa biến dạng  xy và chiều sâu đặt đường hầm, được mô tả bằng công thức  xy = 0,0004D^1,0103 (trong đó D là chiều sâu đặt đường hầm) Điều này cho thấy rõ ràng rằng khi chiều sâu tăng lên, biến dạng cũng có sự thay đổi tương ứng.

Phân tích biến đổi cơ học trong khối đất đá có chú ý đến các tham số cơ học đất đá xung quanh khoảng trống công tr×nh ngÇm

Các tham số cơ học của đá như độ bền, mô đun đàn hồi, và đặc tính khe nứt ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái ứng suất thứ sinh sau khai đào và quá trình biến đổi cơ học trong khối đất đá Hiện tại, chưa có phương pháp phân tích nào tổng quát được các yếu tố này Do đó, việc đánh giá tác động và xác định quy luật biến đổi cơ học dựa trên sự thay đổi của các tham số cơ học là cần thiết Tuy nhiên, để nghiên cứu quy luật biến đổi cơ học, chỉ nên thay đổi một tham số trong khi giữ cố định các tham số khác, nhằm tránh làm cho bài toán trở nên phức tạp và khó giải quyết.

Các tham số cơ học của đá, bao gồm mô đun đàn hồi (E), lực dính kết (c), dung trọng (γ) và hệ số Poisson (μ), đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá tính chất cơ học của đá Phần mềm Phase 2 cho phép người dùng dễ dàng nhập và điều chỉnh các thông số này cho cùng một mô hình, từ đó phân tích ảnh hưởng của các điều kiện cơ học khác nhau đến sự biến đổi cơ học và các dạng phá huỷ xung quanh khu vực công trình ngầm.

Xây dựng mô hình phân tích bằng Phase 2 có chú ý đến sự thay đổi các tham số cơ học đá

Trên cơ sở các nhận định lý thuyết ở trên ở đây ta sử dụng đầu vào xuất phát từ đầu vào của chương trước như sau:

+ Hình dạng đường hầm: hình tròn

Chiều sâu đặt đường hầm so với bề mặt đất là 30m Để phân tích quy luật, cần có các tham số cơ học đá gốc ban đầu cho mô hình phân tích, như các tham số được cung cấp trong Bảng 5.1.

Bảng 5.1.Các tham số đầu vào cơ học đá cho mô hình phân tích ban đầu

9 §é bÒn dÝnh kÕt d c re 0,5 MPa

Trên cơ sở các số liệu đầu vào như trong Bảng 5.1 bằng chương trình Phase

2 ta có thể thiết lập được các mô hình phân tích như trong Hình 5.1.

Hình 5.1 Sơ đồ phân tích quy luật biến đổi cơ học bằng Phase 2

5.2.1 Kết quả phân tích cho mô hình ban đầu

Thông qua mô hình mô phỏng bằng chương trình Phase 2, chúng ta thu được kết quả về phân bố ứng suất, biến dạng, véc tơ dịch chuyển và sự thay đổi biên đào, như thể hiện trong Hình 5.2 và Hình 5.3 Hình 5.4 minh họa vùng há huỷ và các phần tử bị phá huỷ xung quanh đường hầm, với phân bố ứng suất σ1 và σ3 được phân tích rõ ràng.

Kết quả phân bố ứng suất thẳng đứng σ1 và nằm ngang σ3 xung quanh đếng hầm được trình bày trong hình 5.2 Bài phân tích bao gồm a) Phân bố biến dạng εxy và b) Véc tơ biến dạng tổng quát.

Hình 5.3 Kết quả phân bố tổng biến dạng và véc tơ biến dạng a) Vùng phá huỷ xung quanh b) Biến dạng biên hầm

Hình 5.4 Kết quả vùng phá huỷ và biến dạng biên hầm

Sau khi chạy chương trình, các giá trị ứng suất xung quanh đường hầm tại mặt cắt 0 0 có thể được tổng hợp lại như trong Bảng 5.2.

Bảng 5.2.Giá trị ứng suất tại các vị trí khác nhau xung quanh đường hầm

Giá trị ứng suÊt, MPa

Khoảng cách tính từ biên đường hầm

Dựa trên các kết quả ứng suất thẳng đứng và nằm ngang từ mô hình ban đầu trong Bảng 5.2, chúng ta có thể sử dụng phương pháp vẽ đồ thị và phương pháp gần đúng để xác định quy luật phân bố ứng suất xung quanh khoảng trống ngầm, như thể hiện trong Hình 5.5.

Quy luật biến đổi cơ học của ứng suất và khoảng cách tính từ biên hầm cho mô hình ban đầu

G iá tr ị ứ ng s uấ t, M P a Quy luat bien doi ung suat thang dung

Quy luat bien doi ung suat nam ngang

Duong cong tong quat ung suat thang dung

Duong cong tong quat cua ung suat nam ngang

Hình 5.5 Quy luật biến đổi của ứng suất trong mô hình ban đầu

Quan sát đồ thị cho thấy các giá trị ứng suất biến đổi và dần tiến đến một giá trị tiệm cận, đạt gần giá trị ứng suất nguyên sinh tại vị trí khoảng (2025)m Biểu thức mô tả quy luật biến đổi này được thể hiện trong Hình 5.5.

Sau khi thực hiện phân tích, chúng ta có thể thu được các giá trị biến dạng x, y và xy, và các giá trị này có thể được tổng hợp trong Bảng 5.3.

Bảng 5.3 Giá trị biến dạng tại các vị trí khác nhau xung quanh đường hầm Thứ tù

Khoảng cách tính từ biên đường hầm

Sau khi thu thập được kết quả về các giá trị biến dạng thông qua phương pháp gần đúng, chúng ta có thể xây dựng đường cong quy luật biến đổi Công thức tổng quát mô tả sự biến đổi của biến dạng xung quanh đường hầm sẽ phụ thuộc vào khoảng cách, và kết quả phân tích này được thể hiện trong Hình 5.6.

Quan hệ giữa biến dạng và khoảng cách tính từ biên hầm

G iá tr ị b iế n dạ ng , m

Bien dang nam ngang Bien dang thang dung Bien dang tong the Duong ket qua trung binh

Duong cong quy luat tong quat

Hình 5.6 Quy luật phân bố biến dạng xung quanh đường hầm ban đầu

Biến dạng lớn nhất xuất hiện trên biên đường hầm và giảm dần khi ra xa, hướng tới một giá trị giới hạn Điều này phù hợp với các nhận xét lý thuyết và thực tiễn trong khai thác đường hầm.

5.2.2 Quy luật biến đổi cơ học khi thay đổi hệ số Poisson Để xây dựng quy luật biến đổi cơ học cho bài toán ta cần cố định trước các tham số khác và trong trường hợp này chỉ thay đổi tham số với mô hình ban đầu của bài toán để tìm hiểu quy luật biến đổi Các tham số đầu vào cho bài toán có thể được tổng hợp lại như trong Bảng 5.4.

Bảng 5.4.Các tham số đầu vào cơ học đá cho phân tích khi thay đổi 

12 Tiêu chuẩn sử dụng Mohr -

Dựa trên việc điều chỉnh tham số hệ số Poisson cho mô hình ban đầu, chương trình đã được chạy và thu được các giá trị ứng suất tại các vị trí khác nhau Kết quả này giúp thiết lập quy luật biến đổi được thể hiện qua các hình vẽ từ Hình 5.7 đến Hình 5.12 Các giá trị kết quả cũng đã được tổng hợp và thống kê trong các Bảng 5.5 và Bảng 5.6.

Hình 5.7 Kết quả ứng suất thẳng đứng1và nằm ngang3khi= 0,1

Hình 5.8 Kết quả ứng suất thẳng đứng 1 và nằm ngang 3 khi= 0,15

Hình 5.10 Kết quả ứng suất thẳng đứng 1 và nằm ngang  3 khi= 0,25

Hình 5.12 Kết quả ứng suất thẳng đứng 1 và nằm ngang  3 khi= 0,35

Bảng 5.5 Kết quả giá trị ứng suất 1(Mpa) ứng với các giá trị khác nhau

Các giá trị tương ứng của 

Giá trị ứng suất 1 cách biên hầm

Trên cơ sở các kết quả trong Bảng 5.5 ta có thể tìm được quy luật biến đổi giữa giá trị ứng suất 1 với hệ số Poisson như trong Hình 5.13.

Mối quan hệ giữa ứng suất  1 với tham số Poisson, 

Tại vị trí 0m trên biển hàm, nước biển có độ sâu tối thiểu Khi di chuyển ra xa bờ, tại vị trí cách biển hàm 5m, độ sâu tăng lên, tạo thành các khu vực sinh thái đa dạng Tiếp theo, ở vị trí cách biển hàm 10m, biển trở nên sâu hơn, ảnh hưởng đến hệ sinh thái biển Tại vị trí cách biển hàm 15m, độ sâu tiếp tục gia tăng, cung cấp môi trường sống cho nhiều loài thủy sinh Ở vị trí cách biển hàm 20m, sự thay đổi về độ sâu có thể dẫn đến sự khác biệt trong các loại sinh vật biển Cuối cùng, tại vị trí cách biển hàm 25m, độ sâu lớn nhất tạo ra các điều kiện sống đặc thù cho các loài cá và sinh vật biển khác.

Hình 5.13 cho thấy mối quan hệ giữa giá trị ứng suất thẳng đứng 1 và hệ số Poisson  Khi thay đổi hệ số Poisson, giá trị ứng suất thẳng đứng 1 ở các vị trí xung quanh đường hầm hầu như không thay đổi Tuy nhiên, giá trị ứng suất lớn nhất vẫn xuất hiện gần biên hầm, và giảm dần khi ra xa khỏi vị trí này.

Bằng phương pháp thống kê, chúng ta có thể vẽ biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất thẳng đứng 1 và khoảng cách xung quanh biên hầm, như được minh họa trong Hình 5.14 khi thay đổi giá trị hệ số Poisson Quy luật biến đổi của ứng suất này tương tự như các phần trước, mặc dù biểu thức quy luật cụ thể trong trường hợp này có sự khác biệt và được trình bày trong Hình 5.14.

Mối quan hệ giữa ứng suất thẳng đứng  1 với khoảng cách từ biên hầm

Sự thay đổi khoảng cách tính từ biên hầm, m

Duong trung binh Duong quy luat bien doi

Sau khi sử dụng chương trình Phase 2 để phân tích, chúng ta có thể xác định được các giá trị của ứng suất nằm ngang 3 tại nhiều vị trí khác nhau xung quanh đường hầm Các giá trị này được tổng hợp và trình bày trong Bảng 5.6.

Bảng 5.6 Kết quả giá trị ứng suất  3 (Mpa) ứng với các giá trịkhác nhau

Các giá trị tương ứng của 

Giá trị ứng suất 3 cách biên hầm

Bằng cách sử dụng phương pháp thống kê, chúng ta có thể xác định quy luật biến đổi của ứng suất nằm ngang  3 và hệ số Poisson, cùng với biểu thức mô tả quy luật này như thể hiện trong Hình 5.15.

Quan hệ giữa ứng suất nằm ngang   và hệ số Poisson 

Sự thay đổi hệ số Poisson,  G iá t rị ứ n g su ất n ằm n ga n g s 3 , M P a

NhËn xÐt

Các kết quả phân tích cho thấy mức độ ảnh hưởng của các tham số cơ học đá tới quy luật biến đổi cơ học trong khối đất đá xung quanh khoảng trống khai đào đường hầm là khác nhau Hệ số Poisson và góc ma sát có tác động rõ rệt và nhanh chóng hơn so với độ bền kéo và lực dính kết Ứng suất và biến dạng đều giảm dần từ vị trí biên đường hầm vào sâu trong lòng khối đất đá, dẫn đến sự thay đổi của diện tích vùng biến dạng phá huỷ và số lượng phần tử bị phá huỷ xung quanh đường hầm Khi giảm lực dính kết, số lượng phần tử bị phá huỷ tăng lên, trong khi tăng lực dính kết và góc ma sát sẽ làm số lượng phần tử này thay đổi theo xu hướng tăng giảm Những nhận xét này phù hợp với các kết quả phân tích lý thuyết và thực tế về khối đất đá xung quanh khoảng trống ngầm.

Các thành phần ứng suất ban đầu ảnh hưởng đến biến đổi cơ học trong khối đất đá xung quanh đường hầm, bao gồm hình dạng và kích thước của vùng dẻo và vùng phá huỷ, cũng như áp lực tác động lên kết cấu chống giữ Hiện nay, các phương pháp giải tích tính toán chưa chú trọng đến vấn đề này, dẫn đến sự thay đổi ứng suất trong khối đất đá xung quanh các đường hầm đã khai đào Chưa có nghiên cứu tổng quát nào về quy luật thay đổi ứng suất và biến dạng, cũng như vùng biến dạng xung quanh đường hầm Việc phân tích quy luật biến đổi cơ học với yếu tố ứng suất ban đầu là cần thiết, và việc sử dụng Phase 2 sẽ giúp nghiên cứu và phân tích trở nên dễ dàng hơn.

Trong phân tích bài toán bằng giải tích, thường coi bài toán là phẳng và bỏ qua ứng suất dọc trục (σz = 0), chỉ tập trung vào tỷ số ứng suất ngang và ứng suất thẳng đứng (σ3/σ1) Đối với các bài toán giải bằng giải tích thông thường, tỷ số này thường không vượt quá 1 (σ3/σ1 ≤ 1) Tuy nhiên, thực tế cho thấy ở nhiều khu vực, các dụng cụ đo đạc đã ghi nhận tỷ số này lớn hơn 1 (σ3/σ1 > 1).

1 Điều này được giải thích rằng khối đá bị chốt giữ chặt theo phương ngang trong khi đó áp lực theo phương thẳng đứng nhỏ Các bài toán giải tích chưa giải quyết và quan tâm được đến vấn đề này Phase 2 cho phép bạn phân tích và tìm hiểu quy luật biến đổi cơ học có chú ý đến tỷ số 3 / 1 một cách rõ ràng hơn.

Điều kiện đầu vào cho phân tích

Giả sử một đường hầm tròn có đường kính 10 m được đào trong khối đất đá có các điều kiện tham số đầu vào như Bảng 6.1.

Bảng 6.1.Các tham số cơ học đá đầu vào cho phân tích khi thay đổi ứng suất

- a) Khi tû sè 3 / 1 = 0,5 b) Khi tû sè 3 / 1 = 0,75 c) Khi tû sè 3 / 1 = 1,0 d) Khi tû sè 3 / 1 = 1,25 e) Khi tû sè 3 / 1 = 1,5 f) Khi tû sè 3 / 1 = 2,0

Hình 6.1 Mô hình phân tích bằng Phase 2 có chú ý đến tỷ số ứng suất

Kết quả phân tích biến đổi cơ học bằng Phase 2 có chú ý tới sự thay đổi ứng suất nguyên sinh

Sau khi thực hiện mô hình bằng Phase 2, chúng ta sẽ chạy chương trình để thu được các giá trị ứng suất và biến dạng cho các mô hình, như thể hiện trong các hình vẽ từ Hình 6.2 đến Hình 6.7.

Hình 6.2 Sự phân bố ứng suất1và3khi tỷ số3/1= 0,5

Hình 6.4 Sự phân bố ứng suất1và3khi tỷ số3/1= 1

Dựa trên việc phân tích và thống kê các kết quả, chúng ta có thể tổng hợp giá trị ứng suất và biến dạng, được trình bày trong Bảng 6.2 và Bảng 6.3.

Bảng 6.2 Bảng tổng hợp các giá trị của ứng suất ở các vị trí khác nhau khi thay đổi tỷ số ứng suất 3 / 1

Giá trị 1 , MPa Giá trị 3 , MPa

Quy luật biến đổi của ứng suất s 1 khi thay đổi tỷ số ứng suất s 1 /s 3 σ 1 = 4E-06x 4 - 8E-05x 3 + 0.0006x 2 - 0.0129x + 1.85

Khoảng cách từ biên hầm, m

Sự th ay đ ổi ứ ng s uấ t s 1, M Pa Khi ty so ung suat la 0,5; 0,75;

1,0 Khi ty so ung suat bang 1,25 Khi ty so ung suat bang 1,50 Khi ty so ung suat bang 2,0 Duong gia tri trung binh Duong cong thuc quy luat

Hình 6.8 Quy luật biến đổi của ứng suất1theo khoảng cách từ biên hầm khi thay đổi các tỷ số ứng suất

Quy luật quan hệ giữa ứng suất s 3 và khoảng tính từ biên hầm khi thay đổi các tỷ số ứng suất σ 3 = -2E-05x 4 + 0.0013x 3 - 0.029x 2 + 0.2982x + 0.155

Sự th ay đ ổi s ố ứ ng s uất s 3 , M P a

Khi tỷ số ứng suất bằng 0,5, 0,75, 1,0, 1,25, 1,50 và 2,0, các giá trị này phản ánh sự biến đổi của đường giá trị trung bình và đường cong quy luật biến đổi.

Hình 6.9 Quy luật biến đổi của ứng suất3theo khoảng cách từ biên hầm khi thay đổi các tỷ số ứng suất

Ứng suất 3 tăng dần khi khoảng cách ra xa biên hầm, và sự gia tăng này rõ rệt hơn khi tỷ số ứng suất 3/1 tăng Công thức trung bình mô tả quy luật biến đổi của ứng suất 3 theo khoảng cách được thể hiện trong Hình 6.9.

Khi tỷ số ứng suất thay đổi, các giá trị biến dạng cũng sẽ thay đổi tương ứng Quy luật biến dạng giảm dần từ biên của đường hầm vào trong khối đá Đặc biệt, khi tỷ số ứng suất \(\sigma_3/\sigma_1\) tăng cao, giá trị biến dạng cũng gia tăng Các giá trị biến dạng sau phân tích được tổng hợp trong Bảng 6.3, và quy luật biến đổi của biến dạng theo khoảng cách được thể hiện trong Hình 6.10.

Bảng 6.3 Tổng hợp các giá trị của tổng biến dạng xy ở các vị trí khác nhau

Giá trị biến dạng tổng thể xy tại các vị trí khác nhau, m

Quy luật biến đổi của biến dạng tổng thể e xy xung quanh đường hầm khi thay đổi tỷ số ứng suất ε xy = 2E-07x 4 - 1E-05x 3 + 0.0002x 2 - 0.0018x + 0.0113

Khoảng cách từ biên hầm x, m

B iế n d ạn g t ổn g t hể e xy , m Khi ty so ung suat bang 0,50

Khi tỷ số ứng suất bằng 0,75, 1,0, 1,25, 1,50 và 2,0, các đường cong trung bình và quy luật thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu Những tỷ số này giúp phân tích hành vi của vật liệu dưới các điều kiện khác nhau, từ đó xác định tính chất cơ học và độ bền của chúng.

Hình 6.10 Quy luật biến đổi của biến dạng tổng thể xy theo khoảng cách từ biên hầm khi thay đổi các tỷ số ứng suất

Khi tỷ số ứng suất thay đổi, kích thước và hình dạng của vùng phá huỷ quanh đường hầm cũng biến đổi, dẫn đến sự thay đổi trong tính đối xứng của áp lực tác dụng Điều này có ý nghĩa quan trọng trong quá trình phân tích và thiết kế kết cấu chống giữ cho các đường hầm sau này Các kết quả về vùng phá huỷ tương ứng được thể hiện trong các hình từ Hình 6.11 đến Hình 13.

Hình 6.11 Vùng phá huỷ xuất hiện xung quanh đường hầm khi tỷ số ứng suất lần lượt là: 0,5 và 0,75

Khi quan sát kết quả hình dạng vùng phá huỷ và số lượng phần tử, có thể thấy rằng diện tích vùng phá huỷ thay đổi và khi tỷ lệ ứng suất cân bằng, hình dạng của nó có tính chất đối xứng, trong khi các hình dạng khác thể hiện tính chất bất đối xứng Nếu chấp nhận lý thuyết về vùng đất đá bị long rời, thì việc phá huỷ có thể tạo ra tải trọng đối với kết cấu chống giữ công trình ngầm Trong môi trường liên tục, khi có sự sai khác về tỷ số ứng suất, áp lực tính toán đối với kết cấu chống cũng sẽ thay đổi Phase 2 làm rõ điều này hơn, giúp người thiết kế có cái nhìn tổng quát và chính xác hơn trong quá trình thiết kế kết cấu chống giữ.

Sau khi chạy chương trình phân tích ta có thể thu được kết quả của số lượng các phần tử phá huỷ được tập hợp như trong Bảng 6.4.

Bảng 6.4 Số lượng các phần tử bị phá huỷ khi thay đổi tỷ số ứng suất Thứ tự Tỷ số 3/  1 Số lượng phân tử bị phá huỷ

Bằng cách sử dụng phương pháp vẽ đồ thị, chúng ta có thể xác định mối quan hệ giữa số lượng phần tử bị phá hủy và sự thay đổi tỷ số ứng suất, như được thể hiện trong Hình 6.14.

Quy luật biến đổi của số lượng phần tử bị phá huỷ xung quanh đường hầm khi thay đổi tỷ số ứng suất

Sự thay đổi tỷ số ứng suất

Số lư ợn g ph ần tử b ị p há h uỷ

Quy luat bien doi so luong phan tu bi pha huy

Hình 6.14 Quy luật biến đổi của số lượng phần tử bị phá huỷ

Qua các phân tích trong bản luận văn, có thể kết luận rằng các tham số ảnh hưởng đáng kể đến quy luật biến đổi cơ học của khối đất đá xung quanh đường hầm.

Kích thước đường hầm ảnh hưởng đáng kể đến sự biến đổi cơ học của khối đất đá xung quanh Khi kích thước đường hầm tăng, tác động của khoảng trống ngầm lên khối đất đá cũng lớn hơn, dẫn đến nguy cơ mất ổn định và sập đổ cao hơn Ngược lại, kích thước đường hầm nhỏ sẽ giảm thiểu ảnh hưởng đến khối đá xung quanh và số lượng phần tử bị phá huỷ cũng ít hơn Những phát hiện này phù hợp với các phân tích lý thuyết và thực tế trong quá trình thi công đường hầm.

Khi thay đổi độ sâu đặt đường hầm liên quan đến đường kính, quy luật biến đổi cơ học và số phần tử bị phá hủy xung quanh đường hầm cũng bị ảnh hưởng Đối với các đường hầm gần bề mặt đất, việc khai đào khoảng trống tác động đến bề mặt, nhưng khi xa hơn, giá trị ứng suất giảm và đến khoảng cách 5R thì ảnh hưởng gần như không còn Phân tích cho thấy, khi độ sâu đặt đường hầm nhỏ hơn 3D (D là đường kính), khai đào vẫn ảnh hưởng đến bề mặt, trong khi độ sâu lớn hơn 3D thì ảnh hưởng này hầu như không còn, đòi hỏi phải giải bài toán cho các đường hầm nằm sâu hơn.

Sự thay đổi các tham số cơ học của đá ảnh hưởng lớn đến quy luật biến đổi cơ học và vùng phá huỷ xung quanh khoảng trống đường hầm Khi lực dính kết c tăng, tác động của việc khai đào đến khối đá giảm, dẫn đến giá trị ứng suất và biến dạng nhanh hội tụ, đồng thời số lượng phần tử bị phá huỷ cũng giảm Tương tự, khi góc ma sát trong của đất đá tăng, sự biến đổi cơ học và tính ổn định của khối đá xung quanh đường hầm cũng được cải thiện, với số lượng phần tử bị phá huỷ giảm dần, cho thấy mức độ ổn định của khối đá tăng lên Điều này góp phần làm giảm ảnh hưởng của khoảng trống đường hầm tới khối đá xung quanh, phù hợp với quan sát thực tế sau khi khai đào các đường hầm.

Khi thay đổi hệ số Poisson và góc ma sát, ảnh hưởng đến quy luật biến đổi cơ học trong khối đất đá diễn ra rõ ràng và nhanh chóng hơn so với các tham số khác như độ bền kéo và lực dính kết Ứng suất và biến dạng giảm dần từ vị trí biên đường hầm vào sâu trong lòng khối đất đá, dẫn đến sự thay đổi diện tích vùng biến dạng phá huỷ và số lượng phần tử bị phá huỷ xung quanh đường hầm.

Khi lực dính kết c giảm, số lượng phần tử bị phá huỷ tăng lên, trong khi khi lực dính kết và góc ma sát trong của đất đá tăng, số lượng phần tử bị phá huỷ giảm dần Những nhận xét này phù hợp với các kết quả phân tích lý thuyết và thực tế về biểu hiện của khối đất đá xung quanh khoảng trống ngầm được khai đào.

Định dạng
Số trang	121
Dung lượng	6,01 MB