Chương I Tổng quan Nội dung: Giới thiệutổng quan về ổn định công trình ngầm trong môi trƣờng đá nứt nẻ vàcác phƣơng pháp nghiên cứu. Chương IIGiới thiệu phƣơng pháp Phân tích biến dạng không liên tục DDA. Nội dung: Giới thiệu cách phân tích trạng thái chuyển dịch, biến dạng và ứng suất;quá trình tiếp xúc và tƣơng tác giữa các khối trong phƣơng pháp DDA của giáo sƣ Shi Genhua [24],[25]. Chương III Xây dựng mô hình tính, thuật toán và chƣơng trình tính.
5 Nội dung: Trình bày mô hình tính toán, thuật toán của chƣơng trình, các tham số điều khiển liên quan tới chƣơng trình. Một số các thử nghiệm số để đánh giá độ tin cậy của chƣơng trình. Chương IVPhân tích sự ổn định của khoang hầm trong môi trƣờng đá nứt nẻ. Nội dung: Trên cơ sở chƣơng trình đã lập, thử nghiệm tính cho một số trƣờng hợp về khoang hầm dạng tròn trong môi trƣờng đá nứt nẻ, phân lớp.
Từ kết quả tính toán nghiên cứu mối quan hệ giữa chuyển vị trên biên của khoang hầm nằm ngang với một số đặc điểm khe nứt. Đồng thời tiến hành thử nghiệm số xác định tƣơng tác kết cấu-môi trƣờng đá nứt nẻ. Phần kết luận nêu lên các đóng góp mới của luận án và một số vấn đề có thể nghiên cứu tiếp theo. Phần phụ lục giới thiệu văn bản mã nguồn của các chƣơng trình đã lập trong luận án.
CHƢƠNG I TỔNG QUAN Cơ học môi trƣờng biến dạng không liên tục nghiên cứu các khối không liên tục, riêng rẽ với nhau trong cơ hệ.Trong đó, bài toán tƣơng tác giữa môi 6 trƣờng và công trình luôn đƣợc sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trong nƣớc và ngoài nƣớc. Với sự phát triển của phƣơng pháp số cùng sự trợ giúp của máy tính, một trong những nội dung đã và đang đƣợc chú ý trong một vài thập niên hiện nay là việc nghiên cứu, phân tích quá trình tiếp xúc, tƣơng tác giữa các khốirời rạc, riêng rẽ với nhau. Ứng dụng lý thuyết này vào xây dựng công trình ngầm trong môi trƣờng đá nứt nẻ cho phép đánh giá tƣơng tác giữa môi trƣờng và công trình để từ đó có những giải pháp hợp lý giúp cho việc xây dựng an toàn, hiệu quả và chất lƣợng.1 Ổn định khối đá xung quanh khoang hầm trong môi trƣờng đánứt nẻ Sự ổn định khối đá xung quanh khoang hầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố: điều kiện địa chất, kích thƣớc hình học và công nghệ thi công khoang hầm, hệ khung chống….Trong đó, điều kiện địa chất là yếu tố phức tạp nhất, đặc biệt ở trong môi trƣờng đá. Tính phân lớp, nứt nẻ của khối đá là một trong những đặc tính đặc trƣng và phức tạp của khối đá và cũng từ đây đặt ra những vấn đề khó khăn nhất mà lý thuyết cơ học đá phải giải quyết.
Tính phân lớp, nứt nẻ của khối đá ảnh hƣởng tới tính liền khối và các đặc tính biến dạng-bền chủ yếu của khối đá. Các đặc trƣng của khe nứt là: sự phân bố khe nứt,khoảng cách các khe nứt, chiều dài khe nứt, độ mở rộng khe nứt,chất lấp nhét trong khe nứt, độ ghồ ghề của bề mặt khe nứt… Trong khối đá bị nứt nẻ hay phân lớp, mức độ biến dạng tăng lên nhiều so với khối đá liền khối. Các tham số về độ bền, mô đun biến dạng… trong khối đá nứt nẻ giảm xuống nhiều lần so với khối đá liền khối cùng loại. Từ những năm thuộc nửa đầu của thế kỷ 20, một số nhà địa cơ học (M.
Lauffer,…) [4] đã nêu ra các chỉ tiêu cũng nhƣ bảng phân loại khối đá, cho phép đƣa ra một số cơ sở đánh giá về mức độ ổn định khối đá xung quanh khoang hầm. 7 Hiện nay đã có hàng loạt các kết quả nghiên cứu công bố xung quanh vấn đề đánh giá hay dự báo mức độ ổn định của khối đá xung quanh khoang hầm. Mỗi phƣơng pháp dựa trên những cách tiếp cận khác nhau và là cơ sở khoa học để lựa chọn loại hình, kết cấu chống giữ phù hợp cho công trình ngầm. Trên cơ sở cách thức tiếp cận của mỗi phƣơng pháp, để đánh giá trạng thái ổn định khối đá xung quanh khoang hầm,có thể phân chia thành các nhóm chính nhƣ sau [4]: 1- Phƣơng pháp xác định ứng suất lớn nhất trên biên khoang hầm, sau đó so sánh với độ bền của khối đá; 2- Phƣơng pháp dự báo xuất hiện vùng biến dạng không đàn hồi, vùng phá hủy khối đá xung quanh khoang hầm; 3- Phƣơng pháp đánh giá mức độ chuyển dịch (mức độ biến dạng) trên biên khoang hầm; 4- Phƣơng pháp dựa trên các chỉ tiêu tổng hợp.
Trong luận án, việc phân tích, đánh giá ổn định khối đá xung quanh khoang hầm đƣợc thực hiện theo phƣơng pháp 3, nghĩa là đƣợc thực hiện thông qua đánh giá mức độ chuyển dịch các khối đá trên biên khoang hầm.1 Phƣơng pháp xác định ứng suất lớn nhất trên biên khoang hầm Cơ sở khoa học của phƣơng pháp là xác định ứng suất lớn nhất xuất hiện trên biên khoang hầm và so sánh với độ bền của khối đá. Nhƣ vậy, điều kiện ổn định của khối đá xung quanh khoang hầm đƣợc bảo đảm khi ứng suất khối đá trên biên khoang hầm thỏa mãn điều kiện: td [R n ] hoặc td [R k ] (1.1) trong đó: td - giá trị ứng suất chính lớn nhất tác dụng trên biên khoang hầm; 8 [R n ],[R k ] - độ bền nén, độ bền kéo đơn trục của khối đá. Ngƣợc lại khi điều kiện (1.1) không đƣợc thỏa mãn thì khối đá xung quanh biên khoang hầm sẽ mất ổn định. Một số kết quả nghiên cứu của các tác giả đƣợc giới thiệu sau đây: Phƣơng pháp Druzhko-Zaxlavxki-Chernjak [4]: Năm 1975, nhóm tác giả đã dựa vào kết quả xử lý thống kê các quan sát thực nghiệm trạng thái của khoang hầm tại vùng Donbax để đƣa ra chỉ tiêu “k” nhằm đánh giá độ ổn định của khoang hầm: H k (1.2) Rn trong đó: - trọng lƣợng thể tích của đá; H- chiều sâu đặt công trình so với mặt đất; R n - độ bền nén đơn trục của khối đá.
Tùy theo giá trị chỉ số “k” mà độ ổn định của khoang hầm đƣợc đánh giá theo kết quả nhƣ ở bảng 1.1 Phân loại ổn định theo Druzhko-Zaxlavxki-Chernjak Thứ tự Giá trị “k” Mức độ ổn định khoang hầm 1 k < 0,1 Hoàn toàn ổn định 2 0,1 < k<0,24 Ổn định trung bình 3 k>0,24 Không ổn định Phƣơng pháp này đã đƣa ra những cơ sở để đánh giá mức độ ổn định khoang hầm, tuy nhiên trong việc xác định hệ số “k” chƣa đề cập đến nhiều yếu tố đặc tính tự nhiên của khối đá nhƣ độ nứt nẻ, chất lấp nhét… do đó độ chính xác của phƣơng pháp này ở góc độ nào đó còn mang tính tƣơng đối.2 Phƣơng pháp xác định vùng biến dạng xung quanh khoang hầm Bằng các công thức tính ứng suất của khối đá xung quanh hầm sẽ xác định đƣợc sự phân bố ứng suất trong khối đá. Khi đó biểu đồ vẽ đƣợc sẽ biểu diễn cho môi trƣờng đàn hồi và bền chặt tuyệt đối. Tuy nhiên, trong thực tế đá là môi trƣờng không đồng nhất và không đẳng hƣớng nên kết quả có những sai khác nhất định.1 Sơ đồ phân bố ứng suất và Hình 1.2 Sơ đồ phân bố biến dạng phân vùng biến dạng xung quanh ngang và dọc đo đƣợc xung quanh khoang hầm [5] hầm Straight-Creek (Mỹ) [5] Nếu chỉ xét đƣờng ứng suất lớn nhất và đƣờng giới hạn của sự phân bố ứng suất thì khối đá xung quanh khoang hầm đƣợc chia làm 3 vùng (hình 1.1) [5]: Vùng I : vùng đá yếu đƣợc giới hạn từ mép hầm đến đƣờng phân bố ứng suất lớn. Vùng II: vùng đá áp lực cao đƣợc giới hạn từ đƣờng ứng suất lớn đến đƣờng giới hạn phân bố ứng suất.
10 Vùng III: vùng áp lực tự nhiên tức là vùng không chịu ảnh hƣởng của việc đào hầm có giới hạn từ đƣờng giới hạn phân bố ứng suất trở ra. Khi biết các đặc trƣng cơ học của khối đá thì phạm vi vùng biến dạng có thể đƣợc xác định theo lý thuyết dẻo.3 Phƣơng pháp xác định giá trị chuyển dịch (biến dạng) lớn nhất trên biên khoang hầm Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết (phƣơng pháp toán cơ) [4],[5]: Trên cơ sở những mô hình địa cơ học khác nhau, bằng đƣờng lối giải tích, các tác giả đã đƣa ra những kết quả quan trọng có tính chất định tính làm cơ sở đề ra các dự báo về mức độ ổn định khoang hầm. Trƣờng hợp khoang hầm có mặt cắt ngang hình tròn đƣợc thi công trong khối đá không đồng nhất, đẳng hƣớng theo mặt, chuyển dịch của khối đá trên biên hầm theo Turchaninov (1977) sẽ có giá trị: Tại vị trí trên biên ngang của khoang hầm, giá trị chuyển dịch là: h u ( v xy ) (1.4) Ex Tại vị trí trên biên đứng của khoang hầm, giá trị chuyển dịch là: h u ( v xy ) (1.5) Ex Các thành phần trong công thức (1.5) đƣợc tính toán nhƣ sau: E E E1 Ex E E Ex ; v xy . 1 ; E y ; ; 2 x xy x 1 2 E1 1 E 1 12 Ey Ey G1 E1 11 trong đó: E, - mô đun đàn hồi và hệ số Poisson của đá trong mặt đẳng hƣớng; E1 ,1 - mô đun đàn hồi và hệ số Poisson theo hƣớng vuông góc với mặt đẳng hƣớng; G1-mô đun trƣợt trong mặt phẳng vuông góc với mặt đẳng hƣớng; - góc hợp bởi phƣơng của đoạn thẳng nối điểm đang xét với tâm của khoang hầm và trục tọa độ ngang x; Phƣơng pháp VNIMI [4]: Năm 1970,Zaxlavxki trong khi đánh giá thực nghiệm hiện trƣờng các đƣờng lò không chống vùng Donbax và cùng với các nhà khoa học Viện Địa cơ học Nga (VNIMI) đã đƣa ra chỉ tiêu đánh giá ổn định của khối đá thông qua giá trị dịch chuyển “U”: U K .7) trong đó: K- hệ số tính đến góc nghiêng của lớp hoặc khe nứt so với phƣơng hầm; K-hệ số tính đến hƣớng dịch chuyển; Ks- hệ số ảnh hƣởng của chiều rộng khoang hầm; KB-hệ số tính đến ảnh hƣởng của các đƣờng hầm khác; Kt- hệ số tính đến ảnh hƣởng của thời gian dựng vì chống tạm; Ut-dịch chuyển của đất đá tùy thuộc vào độ bền đá “Rn” và độ sâu công trình “H”.
Các hệ số trên đƣợc xác định theo đồ thị. Trên cơ sở giá trị dịch chuyển theo tính toán “U”, mức độ ổn định khoang hầm sẽ đƣợc xác định tƣơng ứng theo các số liệu trên bảng 1.