Tổng quan luận án
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Công trình ngầm giữ vai trò quan trọng trong các lĩnh vực kinh tế - xã hội như giao thông vận tải, khai thác khoáng sản, thủy điện và đặc biệt trong lĩnh vực quốc phòng (sở chỉ huy, công trình ẩn nấp - chiến đấu, cất giấu vũ khí, trang bị kỹ thuật, kho hậu cần, quân y). Tại Việt Nam, địa hình và điều kiện địa chất khiến việc xây dựng công trình ngầm trong núi đá chiếm tỷ trọng lớn, đồng thời nhu cầu nghiên cứu tận dụng nguồn hang động tự nhiên phục vụ mục đích quân sự là rất cần thiết.
Nứt nẻ là đặc tính điển hình xuất hiện trong cả ba loại đá (magma, trầm tích, biến chất) do các yếu tố tự nhiên, kiến tạo, phong hóa hoặc trượt lở. Các khe nứt cắt nhau trong không gian phân cắt khối đá thành các khối riêng biệt, làm cho các mẫu đá thí nghiệm hoặc số liệu thống kê cục bộ không đại diện đầy đủ cho toàn bộ khu vực xây dựng. Để đánh giá ổn định công trình ngầm trong môi trường đá nứt nẻ nhằm đưa ra thiết kế hợp lý về kết cấu chống đỡ và biện pháp thi công, các phương pháp cơ học môi trường liên tục truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế do không mô tả được trạng thái ứng suất, biến dạng gián đoạn và sự trượt rời giữa các khối đá. Việc ứng dụng các phương pháp số cho môi trường không liên tục, tiêu biểu là phương pháp Phân tích biến dạng không liên tục (Discontinuous Deformation Analysis - DDA), là hướng tiếp cận cần thiết để khắc phục khoảng trống này.
Khái niệm và định nghĩa trong luận án
- Khoang hầm (công trình ngầm không chống): Khoảng không gian ngầm được tạo ra sau khi thi công đào ngầm mà chưa bố trí hệ thống kết cấu chống đỡ hay kết cấu chịu lực chính của công trình.
- Ổn định khoang hầm: Khả năng của các khối đá bảo toàn được hình dạng, kích thước theo các yêu cầu địa cơ học và yêu cầu sử dụng. Trong luận án, ổn định được đánh giá thông qua mức độ chuyển dịch (biến dạng) trên biên khoang hầm, tức là giới hạn cho phép chuyển dịch của các điểm trên biên khoang hầm.
Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng mô hình, thuật toán và chương trình tính toán nhằm xác định các trường chuyển dịch, ứng suất và biến dạng theo thời gian của khối đá xung quanh khoang hầm trong môi trường biến dạng không liên tục.
- Phân tích ảnh hưởng của các đặc trưng trạng thái nứt nẻ trong khối đá (góc nghiêng phân lớp, khoảng cách khe nứt, độ mở rộng khe nứt) đến tính ổn định của khoang hầm thông qua nghiên cứu lý thuyết và thử nghiệm số trên máy tính.
Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp Phân tích biến dạng không liên tục (DDA).
- Xây dựng mô hình tính toán, thuật toán và thiết lập chương trình tính toán chuyển dịch, biến dạng, ứng suất theo phương pháp DDA.
- Tiến hành các thử nghiệm số phân tích chuyển dịch của khối đá nứt nẻ xung quanh khoang hầm và phân tích sự tiếp xúc, tương tác giữa công trình ngầm với môi trường đá nứt nẻ.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Trạng thái chuyển dịch, biến dạng, ứng suất của khối đá nứt nẻ xung quanh khoang hầm và tương tác giữa khối đá với kết cấu công trình ngầm.
- Phạm vi nghiên cứu:
- Xét bài toán phẳng (hai chiều) trong môi trường cơ học không liên tục.
- Khối đá nứt nẻ được giới hạn là tập hợp các khối đá rời rạc, riêng rẽ, không chứa nước ngầm.
- Giữa các khối đá không tồn tại lực dính kết và lực ma sát trong một số điều kiện biên khảo sát cơ bản.
- Không xét đến ứng suất ban đầu do quá trình thi công đào hầm trong các bài toán ổn định.
- Trong quá trình chuyển động, các khối đá không bị đứt gãy, nứt vỡ thêm.
- Hình dạng và kích thước các khối được xấp xỉ bằng các đa giác nhiều đỉnh; vật liệu trong phạm vi từng khối đơn lẻ được giả thiết là đồng nhất và đàn hồi đẳng hướng.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu ổn định khoang hầm
Luận án hệ thống hóa các phương pháp đánh giá trạng thái ổn định khối đá xung quanh khoang hầm thành 4 nhóm chính:
1. Phương pháp xác định ứng suất lớn nhất trên biên khoang hầm
Đánh giá thông qua điều kiện bền $\sigma_{td} \le [R_n]$ (nén) hoặc $\sigma_{td} \le [R_k]$ (kéo). Tiêu biểu là nghiên cứu của Druzhko - Zaxlavxki - Chernjak (1975) dựa trên xử lý thống kê tại vùng mỏ Donbass, đưa ra chỉ số $k = \frac{\gamma H}{R_n}$ ($\gamma$: trọng lượng thể tích, $H$: chiều sâu đặt công trình, $R_n$: độ bền nén đơn trục).
| Thứ tự |
Giá trị chỉ số $k$ |
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 |
2. Phương pháp xác định vùng biến dạng xung quanh khoang hầm
Phân chia môi trường đá quanh khoang hầm thành 3 vùng: Vùng I (vùng đá yếu từ mép hầm đến đường ứng suất lớn), Vùng II (vùng đá áp lực cao), Vùng III (vùng áp lực tự nhiên không chịu ảnh hưởng của đào hầm). Phương pháp này được đối chiếu qua các số liệu đo biến dạng thực tế tại hầm Straight-Creek (Mỹ).
3. Phương pháp xác định giá trị chuyển dịch lớn nhất trên biên khoang hầm
- Phương pháp giải tích (toán cơ): Nghiên cứu của Turchaninov (1977) tính toán chuyển dịch biên ngang $u_h$ và biên đứng $u_v$ của khoang hầm tròn trong khối đá không đồng nhất, đẳng hướng theo mặt dựa trên các thông số đàn hồi ($E, \mu, E_1, \mu_1, G_1, \theta$).
- Phương pháp VNIMI: Zaxlavxki và Viện Địa cơ học Nga (1970) xác định độ dịch chuyển $U = K_\alpha \cdot K_\gamma \cdot K_s \cdot K_B \cdot K_t \cdot U_t$, phân loại ổn định theo tiêu chuẩn XNiP-II-94-80.
| Cấp ổn định |
Mức độ ổn định |
Độ dịch chuyển tối đa của biên $U$ (mm) - Đá trầm tích |
Độ dịch chuyển tối đa của biên $U$ (mm) - Đá phun trào |
Độ dịch chuyển tối đa của biên $U$ (mm) - Đá muối |
| I |
Ổn định |
$\le 50$ |
$\le 20$ |
$\le 200$ |
| II |
Tương đối ổn định |
$50 - 200$ |
$20 - 100$ |
$200 - 300$ |
| III |
Kém ổn định |
$200 - 500$ |
$100 - 200$ |
$300 - 500$ |
| IV |
Không ổn định |
$> 500$ |
$> 200$ |
$> 500$ |
4. Phương pháp sử dụng các chỉ tiêu tổng hợp
- Chỉ tiêu $S$ của Bulychev (1975, VNIMI): $S = f_{kp} \cdot K_m \cdot K_r \cdot K_w \cdot K_n \cdot K_t \cdot K_a \cdot K_\alpha$.
| Thứ tự |
Giá trị $S$ |
Cấp ổn định |
Mức độ ổn định khối đá |
| 1 |
$> 70$ |
I |
Hoàn toàn ổn định |
| 2 |
$5 - 70$ |
II |
Ổn định |
| 3 |
$1 - 5$ |
III |
Ổn định trung bình |
| 4 |
$0,05 - 1$ |
IV |
Không ổn định |
| 5 |
$< 0,05$ |
V |
Rất không ổn định |
- Chỉ số chất lượng đá RQD của Deere D.U: Tỷ lệ phần trăm lõi khoan dài $\ge 10\text{ cm}$ trên tổng chiều dài khoan ($RQD = \frac{\sum L_p(\ge 10\text{cm})}{L_t} \times 100%$).
| TT |
Chỉ tiêu RQD (%) |
Đặc trưng đánh giá khối đá |
| 1 |
$0 - 25$ |
Rất xấu |
| 2 |
$25 - 50$ |
Xấu |
| 3 |
$50 - 75$ |
Trung bình |
| 4 |
$75 - 90$ |
Tốt |
| 5 |
$90 - 100$ |
Rất tốt |
- Chỉ tiêu cấu trúc đá RSR của Wickham G.E: Tổng hợp điểm $RSR = A + B + C$ (tối đa 100 điểm).
- Chỉ tiêu RMR của Z.T. Bieniawski: Tổng hợp 6 thông số $RMR = R_{BS} + R_{RQD} + R_{DJ} + R_{OJ} + R_{CJ} + R_W$.
| TT |
Cấp phân loại |
Chỉ tiêu RMR |
Đặc trưng đánh giá khối đá |
| 1 |
I |
$100 - 81$ |
Rất tốt |
| 2 |
II |
$80 - 61$ |
Tốt |
| 3 |
III |
$60 - 41$ |
Trung bình |
| 4 |
IV |
$40 - 21$ |
Xấu |
| 5 |
V |
$< 21$ |
Rất xấu |
- Chỉ số chất lượng đường hầm $Q$ của Barton - Lien - Lunde (1974): $Q = \frac{RQD}{J_n} \cdot \frac{J_r}{J_a} \cdot \frac{J_w}{SRF}$. Mối quan hệ tương quan giữa hai chỉ tiêu được Bieniawski xác lập: $RMR = 9 \ln Q + 44$.
| TT |
Cấp phân loại |
Chỉ tiêu $Q$ |
Đánh giá khối đá |
| 1 |
I |
$0,001 - 0,01$ |
Đặc biệt xấu |
| 2 |
II |
$0,01 - 0,1$ |
Cực xấu |
| 3 |
III |
$0,1 - 1,0$ |
Rất xấu |
| 4 |
IV |
$1,0 - 4,0$ |
Xấu |
| 5 |
V |
$4,0 - 10,0$ |
Trung bình |
| 6 |
VI |
$10,0 - 40,0$ |
Tốt |
| 7 |
VII |
$40,0 - 100,0$ |
Rất tốt |
| 8 |
VIII |
$100,0 - 400,0$ |
Cực tốt |
| 9 |
IX |
$400,0 - 1000,0$ |
Đặc biệt tốt |
- Tiêu chuẩn bền thực nghiệm Hoek - Brown (1980): $\sigma_1 = \sigma_3 + \sqrt{R_{nm} \cdot m \cdot \sigma_3 + s \cdot R_{nm}^2}$.
Tổng quan phương pháp số và vị trí của luận án
Các phương pháp số mô hình liên tục (FDM, FEM, BEM) giả thiết biến dạng nhỏ và môi trường liên kết chặt chẽ nên khó áp dụng khi khối đá bị trượt rời, mất ổn định lớn. Nhóm phương pháp số môi trường không liên tục (Distinct/Discrete Element Method - DEM do Cundall khởi xướng năm 1971; DDA do Shi Genhua và Goodman đề xuất năm 1984, 1988; PFC) cho phép mô phỏng trực tiếp hệ các phần tử rời rạc. Phương pháp DDA có ưu điểm vượt trội hơn DEM thuần túy do xét đến tính biến dạng đàn hồi của từng khối đá bên cạnh chuyển dịch vật rắn. Luận án lựa chọn phương pháp DDA để mô hình hóa trạng thái cơ học phi liên tục xung quanh khoang hầm, xây dựng chương trình tính toán phục vụ điều kiện nghiên cứu tại Việt Nam.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết phương pháp DDA
Trong bài toán phẳng 2D của DDA, mỗi khối đá là một phần tử đa giác. Chuyển vị $(u, v)$ tại điểm bất kỳ $(x, y)$ của khối thứ $i$ được xấp xỉ bằng đa thức bậc nhất qua 6 bậc tự do xác định tại trọng tâm $(x_0, y_0)$:
$${D_i} = [u_0, v_0, r_0, \varepsilon_x, \varepsilon_y, \gamma_{xy}]^T$$
Trong đó:
- $u_0, v_0$: Chuyển vị tịnh tiến theo phương $x, y$ của trọng tâm.
- $r_0$: Góc xoay của khối quanh trọng tâm.
- $\varepsilon_x, \varepsilon_y$: Biến dạng thẳng theo phương $x, y$.
- $\gamma_{xy}$: Biến dạng góc.
Biểu diễn ma trận chuyển vị:
$$\begin{bmatrix} u \ v \end{bmatrix} = [T_i] {D_i} = \begin{bmatrix} 1 & 0 & -(y - y_0) & (x - x_0) & 0 & (y - y_0)/2 \ 0 & 1 & (x - x_0) & 0 & (y - y_0) & (x - x_0)/2 \end{bmatrix} {D_i}$$
Do hàm chuyển vị có dạng bậc nhất nên trạng thái ứng suất và biến dạng trong mỗi khối là hằng số.
Thiết lập hệ phương trình chuyển động tổng thể
Hệ phương trình cân bằng cho cơ hệ gồm $n$ khối tại mỗi bước thời gian $\Delta t$ được xây dựng theo nguyên lý cực tiểu thế năng toàn phần $\Pi \to \text{min}$:
$$[K] {D} = {F}$$
$$\begin{bmatrix} [K_{11}] & [K_{12}] & \cdots & [K_{1n}] \ [K_{21}] & [K_{22}] & \cdots & [K_{2n}] \ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \ [K_{n1}] & [K_{n2}] & \cdots & [K_{nn}] \end{bmatrix} \begin{Bmatrix} {D_1} \ {D_2} \ \vdots \ {D_n} \end{Bmatrix} = \begin{Bmatrix} {F_1} \ {F_2} \ \vdots \ {F_n} \end{Bmatrix}$$
Các thành phần thế năng được tính đạo hàm để thiết lập ma trận độ cứng $[K]$ và véc tơ tải trọng ${F}$:
- Thế năng biến dạng đàn hồi $\Pi_e$: Đóng góp ma trận độ cứng khối $S [E_i] \to [K_{ii}]$ ($S$: diện tích khối, $[E_i]$: ma trận đàn hồi $6 \times 6$).
- Thế năng ứng suất ban đầu $\Pi_\sigma$: Đóng góp véc tơ $S {\sigma_0} \to {F_i}$.
- Thế năng tải trọng tập trung $\Pi_p$: Đóng góp $[T_i(x,y)]^T [F_x, F_y]^T \to {F_i}$.
- Thế năng tải trọng phân bố $\Pi_l$: Đóng góp tích phân $\int_0^l [T_i]^T [F_x(t), F_y(t)]^T l dt \to {F_i}$.
- Thế năng lực quán tính $\Pi_i$: Tính từ khối lượng đơn vị diện tích $M$ và đạo hàm gia tốc theo sai phân bước thời gian $\Delta t$.
- Thế năng cản nhớt $[C]$ và lò xo tiếp xúc (penalty): Độ cứng lò xo pháp tuyến $k_n$ và tiếp tuyến $k_s$ được cộng vào các ma trận con $[K_{ii}], [K_{jj}], [K_{ij}], [K_{ji}]$ khi có sự tiếp xúc/va chạm giữa các đỉnh và cạnh của hai khối.
- Điều kiện trượt/tiếp xúc: Tuân theo định luật ma sát Mohr - Coulomb với lực dính kết $c$ và góc ma sát trong $\varphi$.
Phương pháp nghiên cứu và công cụ phân tích
- Kết hợp nghiên cứu lý thuyết giải tích cơ học đá với phương pháp mô phỏng số trên máy tính.
- Xây dựng thuật toán, sơ đồ khối và lập trình giải hệ phương trình DDA theo từng bước thời gian.
- Nguồn dữ liệu kiểm chứng: Lời giải giải tích cơ học lý thuyết, số liệu thực nghiệm đo đạc chuyển vị công trình ngầm và các trường hợp sạt lở đá thực tế (Lèn Cờ năm 2011, Quốc lộ 18, vách đá Vịnh Hạ Long).
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Tổng quan
Chương này tổng quan về tình hình nghiên cứu ổn định công trình ngầm trong môi trường đá nứt nẻ. Tác giả phân tích chi tiết cơ sở lý thuyết và phạm vi ứng dụng của 4 nhóm phương pháp đánh giá ổn định (ứng suất biên, vùng biến dạng dẻo, mức độ dịch chuyển biên hầm và các hệ thống phân loại tổng hợp RMR, Q, RQD, RSR, Bulychev). Chương I cũng chỉ ra hạn chế của các phương pháp cơ học môi trường liên tục (FEM, FDM, BEM) khi xử lý bài toán khối đá nứt nẻ có chuyển vị lớn, từ đó khẳng định việc sử dụng phương pháp mô hình không liên tục (DEM, DDA) là hướng đi phù hợp để mô phỏng sự tương tác giữa các khối đá quanh khoang hầm.
Chương II: Phương pháp Phân tích biến dạng không liên tục (DDA)
Chương II trình bày cơ sở toán học và thuật toán cốt lõi của DDA do Shi Genhua phát triển:
- Thiết lập biểu thức giải tích cho 6 thành phần chuyển vị và biến dạng của khối đơn.
- Xây dựng công thức tính toán thế năng và đạo hàm biến phân cho từng dạng lực: biến dạng đàn hồi, ứng suất ban đầu, tải trọng tập trung, tải trọng phân bố tuyến tính, lực quán tính, lực cản nhớt.
- Trình bày chi tiết cơ chế tiếp xúc giữa các khối đá: nhận diện vị trí tương đối giữa đỉnh và cạnh, tính toán khoảng cách xuyên $d$, đưa các phần tử lò xo pháp tuyến $k_n$ và tiếp tuyến $k_s$ vào ma trận độ cứng tổng thể theo phương pháp penalty, và kiểm tra điều kiện trượt theo Mohr - Coulomb.
- Đánh giá ưu điểm và hạn chế của DDA: DDA xử lý chuyển vị lớn và va chạm động học giữa các khối rất hiệu quả, tuy nhiên do giả thiết biến dạng bậc nhất nên ứng suất trong mỗi khối là phân bố đều, không phản ánh hiện tượng tập trung ứng suất cục bộ trong lòng một khối đơn lẻ.
Chương III: Xây dựng thuật toán và chương trình tính
- Xây dựng lưu đồ thuật toán tổng thể giải bài toán DDA qua các bước thời gian: nhập dữ liệu hình học và vật liệu, thiết lập ma trận độ cứng và véc tơ tải trọng, kiểm tra tiếp xúc lặp (open-close iteration), giải hệ phương trình tìm chuyển vị ${D}$, cập nhật tọa độ hình học mới và kiểm tra điều kiện hội tụ.
- Xác định các thông số điều khiển tính toán: bước thời gian $\Delta t$, chuyển dịch lớn nhất cho phép trong một bước thời gian $g_0$, hệ số lò xo tiếp xúc pháp tuyến $k_n$ và tiếp tuyến $k_s$.
- Tiến hành các thử nghiệm số kiểm chứng chương trình: So sánh kết quả tính toán động học rơi tự do và va chạm của khối đơn bằng chương trình DDA tự lập với lời giải giải tích của cơ học lý thuyết (CHLT), ghi nhận sai số rất nhỏ nằm trong giới hạn cho phép.
- Thử nghiệm mô phỏng chuyển động động học của hệ khối đá tại các thời điểm $t = 0,000\text{s}$, $t = 0,280\text{s}$, $t = 0,602\text{s}$, $t = 1,050\text{s}$, $t = 1,400\text{s}$ và $t = 1,505\text{s}$, mô phỏng cơ chế trượt lở vách đá thực tế.
Chương IV: Ổn định khoang hầm trong môi trường đá nứt nẻ
Chương này ứng dụng chương trình DDA đã xây dựng để khảo sát ổn định của khoang hầm dạng tròn và khoang hầm hình vòm tường thẳng trong môi trường đá nứt nẻ phân lớp. Kích thước miền khảo sát được xác định theo Hướng dẫn của Hội Địa kỹ thuật Đức. Tác giả tiến hành phân tích độ chuyển dịch tại điểm hông ($d_A$) và điểm nóc ($d_B$) của biên khoang hầm tại thời điểm $t = 2,250\text{s}$ dưới sự thay đổi của các tham số hình học hệ khe nứt:
1. Ảnh hưởng của góc nghiêng mặt phân lớp ($\alpha$)
Khảo sát khi góc nghiêng $\alpha$ thay đổi từ $15^\circ$ đến $75^\circ$:
| Góc nghiêng mặt phân lớp ($\alpha$) |
Chuyển dịch điểm hông $d_A$ (cm) |
Chuyển dịch điểm nóc $d_B$ (cm) |
| $15^\circ$ |
$2,391$ |
$2,131$ |
| $30^\circ$ |
$3,353$ |
$4,081$ |
| $45^\circ$ |
$3,851$ |
$3,632$ |
| $60^\circ$ |
$3,672$ |
$2,231$ |
| $75^\circ$ |
$2,961$ |
$1,982$ |
Nhận xét: Chuyển dịch điểm nóc hầm $d_B$ đạt giá trị lớn nhất khi góc nghiêng phân lớp $\alpha = 30^\circ$ ($d_B = 4,081\text{ cm}$), trong khi chuyển dịch điểm hông $d_A$ đạt cực đại khi $\alpha = 45^\circ$ ($d_A = 3,851\text{ cm}$).
2. Ảnh hưởng của chiều dày phân lớp / khoảng cách khe nứt ($h$)
Khảo sát khi chiều dày phân lớp $h$ thay đổi từ $0,8\text{ m}$ đến $1,6\text{ m}$:
| Chiều dày phân lớp $h$ (m) |
Chuyển dịch điểm hông $d_A$ (cm) |
Chuyển dịch điểm nóc $d_B$ (cm) |
| $0,8$ |
$1,021$ |
$4,520$ |
| $1,0$ |
$0,552$ |
$2,341$ |
| $1,2$ |
$0,412$ |
$1,761$ |
| $1,4$ |
$0,352$ |
$1,231$ |
| $1,6$ |
$0,320$ |
$1,051$ |
Nhận xét: Khi khoảng cách khe nứt (chiều dày phân lớp) tăng lên, mức độ dịch chuyển của cả hông và nóc khoang hầm đều giảm rõ rệt. Khi $h$ tăng từ $0,8\text{ m}$ lên $1,6\text{ m}$, chuyển dịch nóc giảm hơn 4 lần (từ $4,520\text{ cm}$ xuống $1,051\text{ cm}$).
3. Ảnh hưởng của độ mở rộng khe nứt ($\delta$)
Khảo sát khi độ mở rộng khe nứt $\delta$ tăng từ $0,1\text{ cm}$ đến $0,5\text{ cm}$:
| Độ mở rộng khe nứt $\delta$ (cm) |
Chuyển dịch điểm hông $d_A$ (cm) |
Chuyển dịch điểm nóc $d_B$ (cm) |
| $0,1$ |
$3,049$ |
$5,311$ |
| $0,2$ |
$5,351$ |
$7,028$ |
| $0,3$ |
$7,431$ |
$9,338$ |
| $0,4$ |
$10,851$ |
$12,366$ |
| $0,5$ |
$15,479$ |
$21,458$ |
Nhận xét: Độ mở rộng khe nứt tỷ lệ thuận với mức độ dịch chuyển biên hầm. Khi độ mở rộng tăng từ $0,1\text{ cm}$ lên $0,5\text{ cm}$, chuyển dịch nóc hầm tăng từ $5,311\text{ cm}$ lên $21,458\text{ cm}$ (tăng gấp 4 lần) và hông tăng từ $3,049\text{ cm}$ lên $15,479\text{ cm}$ (tăng gấp hơn 5 lần).
4. Khảo sát bài toán tương tác kết cấu công trình ngầm và khối đá
Mô phỏng sự biến dạng và dịch chuyển của hệ khối đá tác dụng lên vỏ công trình ngầm theo các bước thời gian tính toán $t = 0,048\text{s}$, $t = 0,144\text{s}$, $t = 0,240\text{s}$, $t = 1,125\text{s}$ ($d_A = 4,57\text{ cm}$) và $t = 2,250\text{s}$ ($d_A = 17,5\text{ cm}$), ghi nhận sự biến thiên tọa độ $X$ của điểm biên theo thời gian.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp về lý luận và phương pháp
- Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết của cơ học môi trường không liên tục và phương pháp DDA trong phân tích ổn định công trình ngầm.
- Thiết lập hoàn chỉnh thuật toán, xây dựng các ma trận thành phần năng lượng (đàn hồi, tải trọng, quán tính, cản nhớt, lò xo tiếp xúc penalty) và lập trình thành công bộ công cụ tính toán DDA bài toán phẳng 2D.
- Kiểm chứng độ tin cậy của thuật toán DDA qua so sánh với nghiệm giải tích cơ học lý thuyết và mô phỏng hiện tượng cơ học thực tế.
Đóng góp về thực tiễn
- Xác định quy luật định lượng về ảnh hưởng của các đặc trưng khe nứt (góc nghiêng mặt phân lớp $\alpha$, chiều dày lớp $h$, độ mở rộng khe nứt $\delta$) đến độ dịch chuyển tại các vị trí xung yếu (hông và nóc) của khoang hầm.
- Cung cấp công cụ mô phỏng số phục vụ công tác dự báo mất ổn định, tính toán tương tác khối đá - kết cấu, hỗ trợ lựa chọn giải pháp kết cấu chống đỡ hợp lý cho công trình ngầm trong điều kiện địa chất nứt nẻ.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu
- Mô hình tính toán mới dừng lại ở bài toán phẳng 2D, chưa mô tả được hiệu ứng không gian 3 chiều của khối đá và gương đào.
- Chưa xét đến sự hiện diện và áp lực thủy tĩnh, thủy động của nước ngầm trong các khe nứt.
- Giả thiết vật liệu trong từng khối đơn lẻ là đàn hồi tuyến tính và phân bố ứng suất/biến dạng là hằng số, chưa phản ánh được sự phá hủy, nứt vỡ tiếp diễn bên trong bản thân từng khối đá.
- Bỏ qua ứng suất ban đầu do quá trình đào khoang hầm trong các bài toán khảo sát ổn định.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Mở rộng thuật toán và chương trình tính toán DDA cho bài toán không gian ba chiều (3D DDA).
- Phát triển mô hình DDA bậc cao (Higher-order DDA) hoặc mô hình lai ghép FEM - DDA để mô tả chính xác sự tập trung ứng suất bên trong khối đá.
- Bổ sung yếu tố áp lực nước ngầm và mô phỏng quá trình thi công đào chống theo từng giai đoạn thực tế.
Giá trị tham khảo
- Đối với nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm, Công trình đặc biệt, Địa kỹ thuật: Luận án cung cấp cơ sở toán học chi tiết về phương pháp biến phân DDA, công thức thiết lập các ma trận phần tử tiếp xúc penalty và mã nguồn thuật toán để phát triển các hướng nghiên cứu chuyên sâu.
- Đối với kỹ sư thiết kế và cán bộ kỹ thuật: Cung cấp các biểu đồ, bảng số liệu định lượng về mức độ dịch chuyển của biên khoang hầm theo góc nghiêng, khoảng cách và độ mở rộng khe nứt, làm căn cứ định cỡ và bố trí kết cấu chống giữ ban đầu (neo đá, bê tông phun).
- Đối với lĩnh vực công trình quốc phòng: Đưa ra cơ sở khoa học hỗ trợ đánh giá khả năng tận dụng và gia cố các hang động tự nhiên, xây dựng công trình ngầm trong khối đá nứt nẻ an toàn và hiệu quả.
Câu hỏi thường gặp
1. Khái niệm "khoang hầm" và "ổn định khoang hầm" được luận án định nghĩa như thế nào?
"Khoang hầm" là khoảng không gian ngầm được tạo ra sau khi thi công công trình ngầm mà chưa bố trí hệ thống kết cấu chống đỡ hay kết cấu chịu lực chính. "Ổn định khoang hầm" là khả năng của các khối đá bảo toàn được hình dạng, kích thước theo các yêu cầu địa cơ học; trong luận án, ổn định được đánh giá thông qua giới hạn cho phép chuyển dịch của các điểm trên biên khoang hầm.
2. Trong bài toán phẳng DDA, mỗi khối đá được biểu diễn qua bao nhiêu bậc tự do?
Mỗi khối đá đơn lẻ trong bài toán phẳng DDA có 6 bậc tự do xác định tại trọng tâm $(x_0, y_0)$, gồm: 2 thành phần chuyển vị tịnh tiến $(u_0, v_0)$, 1 thành phần góc xoay $(r_0)$, 2 thành phần biến dạng thẳng $(\varepsilon_x, \varepsilon_y)$ và 1 thành phần biến dạng góc $(\gamma_{xy})$.
3. Góc nghiêng mặt phân lớp $\alpha$ ảnh hưởng như thế nào đến độ chuyển dịch tại điểm nóc và điểm hông khoang hầm?
Kết quả tính toán tại thời điểm $t = 2,250\text{s}$ cho thấy: chuyển dịch tại điểm nóc khoang hầm ($d_B$) đạt cực đại khi góc nghiêng $\alpha = 30^\circ$ ($d_B = 4,081\text{ cm}$); trong khi đó, chuyển dịch tại điểm hông khoang hầm ($d_A$) đạt giá trị lớn nhất khi góc nghiêng $\alpha = 45^\circ$ ($d_A = 3,851\text{ cm}$).
4. Độ mở rộng khe nứt $\delta$ ảnh hưởng như thế nào đến chuyển dịch biên khoang hầm?
Độ mở rộng khe nứt tỷ lệ thuận với mức độ dịch chuyển của biên hầm. Khi độ mở rộng khe nứt $\delta$ tăng từ $0,1\text{ cm}$ đến $0,5\text{ cm}$, chuyển dịch điểm hầm tại nóc ($d_B$) tăng từ $5,311\text{ cm}$ lên $21,458\text{ cm}$ (tăng hơn 4 lần) và tại hông ($d_A$) tăng từ $3,049\text{ cm}$ lên $15,479\text{ cm}$ (tăng hơn 5 lần).
Kết luận
Luận án của tác giả Nguyễn Thanh Quang đã ứng dụng phương pháp Phân tích biến dạng không liên tục (DDA) để nghiên cứu trạng thái cơ học và ổn định của khoang hầm trong môi trường đá nứt nẻ. Tác giả đã xây dựng hoàn chỉnh mô hình tính, thuật toán và chương trình tính toán số bài toán phẳng, đồng thời kiểm chứng độ tin cậy qua các nghiệm giải tích và mô hình thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu đã định lượng hóa mối quan hệ giữa các đặc trưng khe nứt (góc nghiêng, chiều dày phân lớp, độ mở rộng) với mức độ dịch chuyển của biên hầm, cung cấp cơ sở khoa học phục vụ công tác thiết kế và thi công công trình ngầm trong khối đá nứt nẻ.
