Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành xây dựng, công trình ngầm ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như thủy điện, giao thông và quốc phòng. Theo ước tính, việc xây dựng hầm tròn đào ngang chiếm tỷ lệ lớn trong các công trình ngầm do tính phổ biến và hiệu quả thi công. Tuy nhiên, quá trình khai đào hầm gây ra sự biến đổi ứng suất và chuyển vị đường viền hầm, ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định và an toàn của công trình. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là đánh giá chuyển vị đường viền hầm tròn đào ngang dựa trên lý thuyết đàn hồi và đàn hồi dẻo, nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế kết cấu chống đỡ phù hợp.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu bao gồm: phân tích trạng thái ứng suất – biến dạng trong môi trường đất đá xung quanh hầm tròn đào ngang; đánh giá chuyển vị đường viền hầm theo mô hình đàn hồi và đàn hồi dẻo; so sánh kết quả tính toán giải tích với mô phỏng phần mềm Phase2; đồng thời phân tích mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn để đánh giá khả năng ổn định của hầm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào công trình hầm đào ngang tại các khu vực có điều kiện địa chất phức tạp, với thời gian nghiên cứu từ năm 2014 đến 2015 tại TP. Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp dữ liệu chính xác về chuyển vị và ứng suất xung quanh hầm, giúp lựa chọn phương án thi công và kết cấu vỏ chống đỡ tối ưu, giảm thiểu rủi ro sụt lún, sập hầm. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế công trình ngầm, đảm bảo an toàn và bền vững trong điều kiện thi công thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết cơ bản trong cơ học đất đá: lý thuyết đàn hồi và lý thuyết đàn hồi dẻo. Lý thuyết đàn hồi mô tả ứng xử của khối đất đá khi biến dạng còn trong giới hạn đàn hồi, tuân theo định luật Hooke với các tham số cơ học như mô đun đàn hồi (E) và hệ số Poisson (ν). Lý thuyết đàn hồi dẻo mở rộng mô hình để tính đến sự hình thành vùng biến dạng dẻo quanh hầm, khi ứng suất vượt quá giới hạn bền của đất đá, dẫn đến biến dạng không hồi phục.

Mô hình nghiên cứu sử dụng bài toán phẳng với giả thiết khối đất đá đồng nhất, đẳng hướng hoặc phân lớp, có trọng lượng riêng γ và áp lực địa tầng p0. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Trạng thái ứng suất nguyên sinh (TTƯSNS): ứng suất tồn tại trong khối đất đá trước khi khai đào, ảnh hưởng bởi trọng lực, lực kiến tạo và đặc điểm địa chất.
  • Hệ số áp lực ngang (K): tỷ số giữa ứng suất ngang và ứng suất thẳng đứng, phản ánh phân bố ứng suất trong đất đá.
  • Vùng biến dạng dẻo: khu vực quanh hầm nơi đất đá đã vượt giới hạn đàn hồi, có thể dẫn đến phá hoại hoặc mất ổn định.
  • Chuyển vị đường viền hầm: sự dịch chuyển của bề mặt hầm do biến dạng đất đá xung quanh.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu tính toán giải tích dựa trên các phương trình cân bằng, liên tục biến dạng và điều kiện biên; kết quả mô phỏng bằng phần mềm Phase2; và chương trình tính toán tự thiết lập để đánh giá mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Tính toán giải tích: áp dụng các biểu thức của Kirsch và các phương trình đàn hồi, đàn hồi dẻo để xác định ứng suất, biến dạng và chuyển vị quanh hầm.
  • Mô phỏng số: sử dụng phần mềm Phase2 để mô phỏng trường ứng suất – biến dạng trong môi trường đất đá phức tạp, bao gồm ảnh hưởng của áp lực dung dịch.
  • Phân tích trạng thái giới hạn: chương trình tự thiết lập đánh giá phạm vi vùng biến dạng dẻo và mức độ tiếp cận trạng thái phá hoại.

Cỡ mẫu nghiên cứu là các mô hình tính toán với kích thước vùng khảo sát tối thiểu 4,5 đến 5 lần bán kính hầm, đảm bảo bao phủ vùng biến dạng có ý nghĩa. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các điều kiện địa chất điển hình và các trường hợp thi công thực tế tại TP. Hồ Chí Minh. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 1/2014 đến tháng 6/2015, bao gồm giai đoạn tổng hợp lý thuyết, tính toán giải tích, mô phỏng số và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chuyển vị đường viền hầm trong môi trường đàn hồi: Kết quả tính toán giải tích và mô phỏng cho thấy chuyển vị tổng thể tại đường viền hầm dao động trong khoảng từ 0,001 m đến 0,005 m tùy thuộc vào áp lực địa tầng và kích thước hầm. Khi không có áp lực dung dịch, chuyển vị giảm khoảng 15% so với trường hợp có áp lực dung dịch bentonite giữ thành.

  2. Phạm vi vùng biến dạng dẻo: Phân tích lý thuyết và mô phỏng xác định vùng biến dạng dẻo quanh hầm có bán kính từ 1,2 đến 1,5 lần bán kính hầm khi không có áp lực dung dịch, và tăng lên đến 1,7 lần khi có áp lực dung dịch. Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn dao động từ 0,85 đến 0,95, cho thấy vùng đất đá gần đạt đến trạng thái phá hoại.

  3. Ảnh hưởng của áp lực dung dịch: Việc xét đến áp lực dung dịch làm tăng ứng suất tiếp xúc và chuyển vị đường viền hầm khoảng 10-20%, đồng thời mở rộng vùng biến dạng dẻo, làm giảm hệ số độ bền của đất đá xung quanh hầm.

  4. So sánh kết quả tính tay và mô phỏng: Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Phase2 tương đồng với tính toán giải tích trong phạm vi sai số dưới 8%, chứng tỏ tính khả thi và độ tin cậy của mô hình lý thuyết được áp dụng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự khác biệt chuyển vị giữa môi trường đàn hồi và đàn hồi dẻo là do sự hình thành vùng biến dạng dẻo quanh hầm, làm giảm khả năng chịu lực của đất đá. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trong ngành xây dựng công trình ngầm, khẳng định vai trò quan trọng của việc xét đến tính chất đàn hồi dẻo trong thiết kế.

Việc áp lực dung dịch làm tăng chuyển vị và mở rộng vùng biến dạng dẻo phản ánh thực tế thi công hầm đào trong môi trường có nước ngầm hoặc sử dụng dung dịch bentonite. Điều này nhấn mạnh cần có biện pháp kiểm soát áp lực nước để đảm bảo ổn định công trình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ chuyển vị theo bán kính hầm, bảng so sánh hệ số áp lực ngang và vùng biến dạng dẻo dưới các điều kiện khác nhau, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của các yếu tố đến chuyển vị và ổn định hầm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình đàn hồi dẻo trong thiết kế: Khuyến nghị các kỹ sư sử dụng mô hình đàn hồi dẻo để tính toán chuyển vị và ứng suất quanh hầm, nhằm phản ánh chính xác hơn trạng thái biến dạng thực tế, đặc biệt với các công trình có kích thước lớn hoặc trong môi trường đất đá yếu.

  2. Kiểm soát áp lực dung dịch: Đề xuất kiểm soát áp lực dung dịch bentonite hoặc nước ngầm trong quá trình thi công để giảm chuyển vị đường viền hầm, nâng cao độ ổn định công trình. Thời gian thực hiện trong giai đoạn thi công đào và lắp dựng kết cấu chống.

  3. Mở rộng vùng khảo sát: Khuyến nghị khảo sát vùng đất đá xung quanh hầm với kích thước tối thiểu 5 lần bán kính hầm để đảm bảo bao phủ đầy đủ vùng biến dạng có ý nghĩa, phục vụ cho việc phân tích ứng suất và chuyển vị chính xác.

  4. Sử dụng phần mềm mô phỏng: Khuyến khích áp dụng phần mềm Phase2 hoặc các công cụ mô phỏng số tương đương để đánh giá chi tiết ứng suất – biến dạng, hỗ trợ ra quyết định thiết kế và thi công phù hợp với điều kiện thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ngầm: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực tiễn giúp kỹ sư lựa chọn mô hình tính toán phù hợp, đánh giá chuyển vị và ứng suất chính xác, từ đó thiết kế kết cấu chống đỡ hiệu quả.

  2. Nhà thầu thi công hầm: Thông tin về ảnh hưởng của áp lực dung dịch và vùng biến dạng dẻo giúp nhà thầu điều chỉnh biện pháp thi công, kiểm soát áp lực nước và lựa chọn phương pháp đào phù hợp nhằm đảm bảo an toàn thi công.

  3. Chuyên gia địa kỹ thuật: Nghiên cứu cung cấp các phương pháp xác định trạng thái ứng suất nguyên sinh và ứng xử đất đá quanh hầm, hỗ trợ chuyên gia trong việc khảo sát địa chất và đánh giá ổn định công trình.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng công trình ngầm: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết đàn hồi, đàn hồi dẻo và ứng dụng mô phỏng số trong phân tích công trình ngầm, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần xét đến lý thuyết đàn hồi dẻo khi tính chuyển vị hầm?
    Lý thuyết đàn hồi dẻo phản ánh chính xác hơn trạng thái biến dạng thực tế của đất đá khi ứng suất vượt quá giới hạn đàn hồi, giúp dự báo vùng biến dạng dẻo và nguy cơ phá hoại, từ đó thiết kế kết cấu chống đỡ phù hợp.

  2. Ảnh hưởng của áp lực dung dịch bentonite đến chuyển vị hầm như thế nào?
    Áp lực dung dịch làm tăng ứng suất tiếp xúc và chuyển vị đường viền hầm khoảng 10-20%, đồng thời mở rộng vùng biến dạng dẻo, làm giảm độ ổn định công trình nếu không được kiểm soát tốt.

  3. Phạm vi khảo sát đất đá xung quanh hầm nên bao nhiêu?
    Phạm vi khảo sát tối thiểu nên là 4,5 đến 5 lần bán kính hầm để bao phủ đầy đủ vùng biến dạng có ý nghĩa, đảm bảo kết quả phân tích ứng suất và chuyển vị chính xác.

  4. Phương pháp mô phỏng số có ưu điểm gì so với tính toán giải tích?
    Mô phỏng số cho phép mô hình hóa điều kiện địa chất phức tạp, địa hình không phẳng và các yếu tố thi công thực tế, cung cấp kết quả chi tiết và trực quan hơn so với phương pháp giải tích đơn giản.

  5. Làm thế nào để đánh giá mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn của đất đá quanh hầm?
    Sử dụng chương trình tính toán tự thiết lập dựa trên lý thuyết đàn hồi dẻo để phân tích phân bố ứng suất và biến dạng, xác định vùng biến dạng dẻo và mức độ tiếp cận trạng thái phá hoại, từ đó đánh giá ổn định công trình.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích và đánh giá chuyển vị đường viền hầm tròn đào ngang dựa trên lý thuyết đàn hồi và đàn hồi dẻo, kết hợp tính toán giải tích và mô phỏng số bằng phần mềm Phase2.
  • Kết quả cho thấy chuyển vị và phạm vi vùng biến dạng dẻo phụ thuộc rõ rệt vào điều kiện áp lực dung dịch và đặc tính cơ học của đất đá.
  • Việc xét đến áp lực dung dịch bentonite làm tăng chuyển vị và mở rộng vùng biến dạng dẻo, ảnh hưởng đến độ ổn định công trình.
  • Phạm vi khảo sát đất đá tối thiểu 4,5 đến 5 lần bán kính hầm là cần thiết để đảm bảo tính chính xác của phân tích.
  • Đề xuất áp dụng mô hình đàn hồi dẻo và sử dụng phần mềm mô phỏng trong thiết kế, thi công công trình ngầm nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên triển khai áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế thi công, đồng thời phát triển các mô hình 3D và phân tích thời gian để nâng cao độ chính xác và khả năng dự báo ổn định công trình. Để nhận tư vấn chi tiết hoặc hỗ trợ kỹ thuật, vui lòng liên hệ chuyên gia trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm.