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 ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH ROCSUPPORT TRONG THIẾT KẾ KẾT CẦU CHỐNG CƠNG TRÌNH NGẦM 4.1 KHÁI QT CHUNG VỀ CHƯƠNG TRÌNH ROCSUPPORT RocSupport chương trình dễ sử dụng để xác định biến dạng đường hầm tiết diện trịn khối đá yếu đặc tính khối đá với kết cấu chống Phương pháp phân tích sử dụng RocSupport là: “tương tác khối đá - kết cấu chống” “Hội tụ - Giới hạn” Phương pháp phân tích dựa nội dung của: “đường đặc tính khối đá” “đường đặc tính” nhận từ kết phân tích cho cơng trình ngầm (CTN) có tiết diện hình trịn khối đá đàn hồi - dẻo tác dụng trường ứng suất thuỷ tĩnh Các giả thiết phương pháp: - CTN có tiết diện ngang hình trịn - Trường ứng suất nguyên sinh thuỷ tĩnh (ứng suất theo phương) - Khối đá đồng nhất, đẳng hướng Phá huỷ không xảy theo hệ khe nứt - Kết cấu chống có tính chất đàn hồi dẻo - Kết cấu chống mơ hình hoá tương đương với áp lực tác dụng bên xung quanh chu vi đường hầm tròn Giả thiết sau thực tế cần phải ý cẩn thận sử dụng, so sánh đường hầm thực tế kết tính tốn sử dụng chương trình RocSupport Giả thiết áp lực kết cấu chống sau: - Bê tông phun vỏ bê tông liền khối khép kín - Khung chống thép hình trịn - Neo học lắp đặt theo mạng xung quanh CTN Trong thực tế, khả làm việc kết cấu kết cấu chống thường nhỏ biến dạng thường lớn giả thiết RocSupport Mơ hình lí tưởng sử dụng để phân tích RocSupport thay cho thiết kế chi tiết yêu cầu kết cấu chống cho CTN Thông thường cơng việc phân tích phương pháp số (ví dụ: phương pháp phần tử hữu hạn), đặc biệt cho CTN có biến dạng lớn Tuy nhiên, có nhiều cách để hiểu tương tác CTN khối đá yếu với hệ thống kết cấu chống cách nghiên cứu thông số sử dụng RocSupport trường hợp trạng thái ứng suất nguyên sinh khác nhau, từ độ bền khối đá đặc tính kết cấu chống tính tốn 4.2 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CHƯƠNG TRÌNH ROCSUPPORT Chương trình áp dụng để tính tốn sơ miền phá hủy dẻo xung quanh CTN tiết diện tròn kiến nghị kết cấu chống cho đường hầm Phương pháp phân tích tương tác khối đá - kết cấu chống có nhiều ưu điểm, sử dụng kết hợp với phương pháp tính số để đưa cách nhìn rõ ràng trình học kết cấu chống khối đá, làm hướng dẫn cho việc thiết kế kết cấu chống 4.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CHƯƠNG TRÌNH ROCSUPPORT Mặc dù khơng có quy tắc rõ ràng cho việc thiết kế kết cấu chống cho đường hầm, có phương pháp thường sử dụng là: Phương pháp lời giải nghiệm kín sở tính tốn miền phá huỷ dẻo khối đá xung quanh CTN áp lực kết cấu chống cần thiết để giảm vùng biến dạng dẻo Các phương pháp số: nghiên cứu trình phá huỷ khối đá bao quanh CTN tương tác kết cấu chống tạm thời cố định với trình phá huỷ khối đá phần mềm phương pháp số Phase2, Plaxis, UDEC, PLAC Các phương pháp thực nghiệm: sở quan sát biến dạng CTN điều khiển biến dạng cách lắp đặt kết cấu chống RocSupport thuộc nhóm thứ phương pháp “tương tác khối đá - kết cấu chống” “hội tụ - giới hạn” Mỗi phương pháp có ưu, nhược điểm giải pháp tốt cho việc thiết kế CTN kết hợp phương pháp khác giai đoạn khác q trình thiết kế Ví dụ phân tích sơ yêu cầu kết cấu chống tạm thời bao gồm phá huỷ dẻo khối đá kết cấu chống linh hoạt giải chương trình RocSupport 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 vùng lân cận gương CTN CTN không chống hình 4.1 Hình 4.1 Biến dạng hướng tâm xung quanh gương CTN (Hoek, 1998) Một điều quan trọng cần ý gương đào CTN không chống sinh “áp lực kết cấu chống biểu kiến” Đó áp lực kết cấu chống biểu kiến giữ ổn định cho CTN thời gian không chống vỏ chống lắp đặt Quan sát áp lực kết cấu chống biểu kiến: - Khi có giá trị ứng suất nguyên sinh (pi = po) vị trí khoảng 2,5 lần đường kính CTN tính từ gương CTN vào khối đá - Bằng 1/4 ứng suất nguyên sinh vị trí mặt gương - Giảm xuống vị trí ổn định phía sau gương đào Phá huỷ dẻo khối đá xung quanh CTN khơng có nghĩa CTN bị sập đổ Khi vật liệu bị phá huỷ, chúng có độ bền hình thành vùng phá huỷ dẻo xung quanh CTN Nói cách khác, vùng dẻo hình thành lớn biến dạng xuất biên CTN lớn, khối đá bị phá huỷ chí bị sập đổ CTN khơng chống Hình 4.2 Mối quan hệ áp lực kết cấu chống pi điểm khác tiến độ CTN (Hoek, 1999a) Chức kết cấu chống điều khiển biến dạng khối đá xung quanh CTN để CTN không bị sập đổ Các kết cấu chống lắp đặt (như neo, vỏ bê tông phun khung chống thép ) ngăn cản phá huỷ khối đá xung quanh CTN trường ứng suất, kết cấu chống điều khiển quy luật biến dạng CTN (Hoek 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”, sử dụng “đường đặc tính khối đá” liên hệ với áp lực kết cấu chống ban đầu cho cơng trình ngầm Nội dung đường đặc tính khối đá sau: Giả sử đường hầm có tiết diện ngang hình trịn bán kính r0, chịu áp lực thuỷ tĩnh p0 áp lực kết cấu chống bên pi, hình vẽ đây: Khối đá xung quanh đường hầm bị phá huỷ áp lực bên vỏ chống đường hầm nhỏ áp lực tới hạn pcr (áp lực kết cấu chống tiêu chuẩn) Nếu áp lực kết cấu chống bên pi lớn áp lực tới hạn pcr, khối đá khơng bị phá huỷ, đặc tính khối đá xung quanh đường hầm đàn hồi Bán kính biến dạng đàn hồi vào bên đường hầm là: ro 1 uie E po pi Khi pi < pcr phá huỷ xảy xuất vùng biến dạng dẻo có bán kính rp xung quanh đường hầm Biến dạng dẻo hướng tâm uip định nghĩa đường đặc tính khối đá pi = pcr pi = Đường đặc tính khối đá hình 3.3 Từ hình vẽ cho thấy: + Biến dạng áp lực kết cấu chống ứng suất thuỷ tĩnh: pi = po + Biến dạng đàn hồi uie xảy khi: po > pi > pcr + Biến dạng dẻo uip xảy khi: pi < pcr + Biến dạng lớn áp lực kết cấu chống Khi biết bán kính đường hầm ứng suất nguyên sinh, hình dạng đường đặc tính khối đá phụ thuộc vào giả thuyết tiêu chuẩn phá huỷ khối đá tính chất khối đá Đường đặc tính khối đá phụ thuộc vào tiêu chuẩn phá huỷ khối đá yếu tố sau: + Áp lực kết cấu chống tới hạn pcr + Bán kính vùng dẻo rp + Hình dạng đường đặc tính khối đá vùng dẻo (pi < pcr) Hai tiêu chuẩn phá hủy sử dụng RocSupport tiêu chuẩn phá huỷ Mohr - Coulomb Hoek - Brown để phân tích tương tác khối đá - kết cấu chống 4.3.3 Đặc tính kết cấu chống Để phân tích tương tác khối đá - kết cấu chống cách tốt nhất, phải xác định đường đặc tính kết cấu chống Đường cong hàm số thành phần sau: Biến dạng cơng trình ngầm trước kết cấu chống lắp đặt Độ cứng kết cấu chống Khả làm việc hệ kết cấu chống Hình 4.4 Quan hệ đường đặc tính kết cấu chống biến dạng CTN điểm cân Quay trở lại hình 3.1 ý đến biến dạng gương hầm Tại mặt gương, biến dạng đạt xấp xỉ 1/3 tổng biến dạng Trong chu kỳ đào khe hở biên cơng trình ngầm kết cấu kết cấu chống lắp đặt Do biến dạng tiếp tục xảy trước kết cấu chống làm việc Tổng biến dạng ban đầu gọi uso hình 3.4 Trước tiên, kết cấu chống lắp đặt toàn chu vi CTN tiếp xúc với khối đá, kết cấu chống bắt đầu biến dạng đàn hồi hình 3.4 Biến dạng đàn hồi lớn điều chỉnh kết cấu chống usm áp lực kết cấu chống lớn psm kết cấu chống Phụ thuộc vào đặc tính kết cấu chống, đặc tính khối đá xung quanh CTN trường ứng suất nguyên sinh, kết cấu chống bị biến dạng đàn hồi để chống lại biến dạng CTN 4.3.4 Điểm cân kết cấu chống - khối đá Điểm cân đạt đường đặc tính kết cấu chống cắt đường đặc tính khối đá trước đường tiến xa Nếu vỏ chống lắp đặt muộn (uso lớn hình 3.4), khối đá biến dạng lớn, làm phá huỷ vật liệu Hay nói cách khác, khả làm việc vỏ chống không đảm bảo (p sm nhỏ hình 4.4), giới hạn đường đặc tính kết cấu chống xuất trước cắt đường đặc tính khối đá Trong trường hợp trên, kết cấu chống khơng có tác dụng chống lại biến dạng khối đá không đạt điểm cân hình 4.4 4.3.5 Đặc tính kết cấu chống Trong RocSupport, độ cứng khả làm việc vỏ chống coi biến dạng lớn áp lực kết cấu chống lớn Các thơng số sử dụng để phân tích tương tác kết cấu chống - khối đá Chú ý rằng: khả làm việc vỏ chống mô tả đơn giản tương đương với áp lực bên CTN Kết cấu chống neo dính kết neo cáp không mô tả dạng Tuy nhiên, kết tính tốn bán kính vùng dẻo sử dụng hướng dẫn cho việc thiết kế chiều dài neo Độ cứng khả làm việc kết cấu chống neo, khung thép, bê tơng phun vỏ chống hỗn hợp xác định từ mối quan hệ đơn giản Hoek Brown công bố (1980) Hoek tóm tắt lại (1999b) Những thơng số xác định trước định nghĩa loại vỏ chống có RocSupport 4.3.6 Lắp đặt vỏ chống Trong RocSupport, đặc tính biến dạng sử dụng hình 4.5 Phương trình đường cong cho phép người sử dụng đưa giá trị đầu vào khoảng cách từ gương tính giá trị biến dạng biên Trong RocSupport, đường đặc tính biến dạng người sử dụng định nghĩa Việc xác định biến dạng CTN trước lắp đặt vỏ chống vấn đề phức tạp ý đến phân bố ứng suất chiều, phát triển phá huỷ xung quanh gương đào Chern nnk (1998) đưa kết thu từ phân tích phương pháp số chiều từ kết đo đạc CTN song song Hoek (1999a) đưa đường cong hình 4.5 cách lấy kết trung bình tác giả Hình 4.5 Biến dạng CTN hàm số khoảng cách từ gương đào 4.4 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH ROCSUPPORT Trong phần hướng dẫn người học cách sử dụng chương trình RocSupport thơng qua việc thực hành ví dụ tính tốn cụ thể 4.4.1 Tính tốn kết cấu chống loại Trong ví dụ minh hoạ chức RocSupport sử dụng phương pháp Duncan Fama để xác định đường đặc tính khối đá Trước tiên CTN phân tích khơng có kết cấu chống, sau lắp đặt vỏ chống cho CTN xác định hệ số an tồn cho vỏ chống, phân tích theo phương pháp xác định - Chức mơ hình: Giả sử CTN có đường kính 12m xây dựng độ sâu 60m khối đá có thơng số độ bền theo tiêu chuẩn Hoek - Brown: độ bền nén nguyên khối ci = MPa, số mi = 10 số độ bền địa chất GSI = 15 Bắt đầu dự án mới: Hãy bắt đầu chương trình RocSupport cách nhấp đúp chuột lên biểu tượng RocSupport thư mục cài đặt từ thực đơn Start chọn: Start Program Rocscience RocSupport RocSupport - Tạo file mới: Bắt đầu tạo mơ hình mới: Chọn: File New Khi file tạo ra, đường đặc tính khối đá ban đầu Đường cong xây dựng sở thông số đầu vào mặc định chương trình Hình 4.9 Đường đặc tính khối đá xác định thông số mặc định - Mặt cắt ngang CTN Để xác định mặt cắt ngang mơ hình, chọn “Tunnel Section“ từ Toolbar trình đơn “Analysis“ Chọn: Analysis Tunnel Section Mặt cắt ngang CTN sau: + Đường kính mặt cắt ngang, vùng dẻo (vùng bóng đen) Kích thước vùng dẻo vẽ tỷ lệ với đường kính CTN + Tóm tắt thơng số đầu vào Textbox, bật tắt Textbox cách nhấn chuột phải + Nếu vỏ chống lắp đặt mặt cắt ngang CTN bán kính vùng dẻo (cùng vỏ chống) hình Hình 4.10 Mặt cắt ngang CTN với liệu đầu vào (khơng có vỏ chống) - Thiết lập điều kiện cho dự án: Mặc dù không cần thiết phải thay đổi điều kiện cho dự án ví dụ này, xem hộp thoại Project Settings: Chọn: Analysis Project Settings Hình 4.11 Hộp thoại Project Settings Trong hộp thoại Project Settings bạn nhập vào: + Tiêu đề dự án + Lựa chọn phương pháp kiểu phân tích + Vẽ đường cong đặc tính khối đá - Các thơng số khối đá CTN Đường kính CTN, ứng suất nguyên sinh thông số khối đá định nghĩa lựa chọn Tunnel Parameters, chọn từ Toolbar thực đơn Analysis Chọn: Analysis Tunnel Parameters Trong phân tích xác định, thơng số khối đá CTN xuất hình vẽ 4.12 Vì sử dụng phương pháp Duncan Fama sở tiêu chuẩn phá huỷ Mohr - Coulomb nên cần thông số khối đá độ bền nén góc ma sát Hình 4.12 Hộp thoại nhập thơng số khối đá CTN + Bán kính CTN: Chú ý: phải nhập bán kính CTN khơng phải đường kính CTN hộp thoại Tunnel and Rock Parameters Ở ví dụ đường kính CTN 12m, phải nhập bán kính CTN 6m + Ứng suất nguyên sinh: Trong hộp thoại Tunnel and Rock Parameters nhập vào ứng suất thuỷ tĩnh biết Tuy nhiên, bạn biết cách nhập liệu vào khác RocSupport, bạn thấy biểu tượng “Calculator” hộp thoại nhập liệu, có nghĩa liệu nhập vào xác định từ thơng số khác Chẳng hạn, ứng suất nguyên sinh xác định từ chiều sâu CTN trọng lượng thể tích Hình 4.13 Hộp thoại xác định ứng suất nguyên đá sinh Trong hộp thoại Tunnel and Rock Parameters, chọn biểu tượng Calculator bên phải thông số In-Situ Stress, bạn thấy hộp thoại xác định ứng suất nguyên sinh hình 4.13 Nhập chiều sâu CTN 60m, trọng lượng riêng đá 0,027 MN/m3 Giá trị ứng suất nguyên sinh 1,62 MPa hộp thoại Chọn giá trị lên hộp thoại Tunnel and Rock Parameters Ứng suất nguyên sinh xác định đơn giản tích chiều sâu đặt CTN trọng lượng đơn vị đá: po = *H Trong đó: po: ứng suất nguyên sinh : trọng lượng đơn vị đá H: chiều sâu đặt CTN + Các thông số khối đá: Bây nhập thông số đàn hồi độ bền khối đá Cần nhớ rằng, ví dụ đặc tính khối đá cho theo thông số Hoek - Brown Tuy nhiên, phương pháp Duncan Fama lại sử dụng tiêu chuẩn phá huỷ Mohr - Coulomb Do cần tính góc ma sát lực dính kết Để thực điều này, chọn nút “Calculate from GSI ” hộp thoại Tunnel and Rock Parameters Nếu bạn chọn nút này, bạn thấy hộp thoại sau: Hình 4.14 Hộp thoại tính tốn thơng số GSI Hộp thoại cho phép bạn xác định thông số sau khối đá: + Mơ đun đàn hồi + Độ bền nén + Góc ma sát Bằng cách nhập vào thông số Hoek - Brown: GSI, mi, UCS D Việc tính tốn thơng số tiện lợi mơ đun đàn hồi, độ bền nén góc ma sát thường đại lượng khó biết, thơng số GSI, mi UCS thường biết Kết tính tốn dựa sở hàm số phương pháp trình bày Hoek, Carranza-Torres Corkum (2002) Bài báo trình bày tiêu chuẩn phá huỷ Hoek - Brown, bao gồm phương pháp xác định thông số Mohr - Coulomb tương ứng từ đường bao phá huỷ Hoek - Brown trình bày chương Trong hộp thoại tính tốn thơng số, nhập giá trị sau: Độ bền nén trục nguyên khối UCS = 7, GSI = 15, mi = 10 Bạn thấy giá trị đầu khối đá là: + Mô đun đàn hồi E = 352,817 MPa + Độ bền nén đơn trục n = 0,46927 MPa + Góc ma sát khối đá = 25,63940 Trước bạn chọn ý bên cạnh hộp thay đổi liệu nút “Pick” Bất bạn thấy biểu tượng chương trình RocSupport, có nghĩa liệu chọn tính tốn từ bảng biểu đồ thị Hãy xem ví dụ sau: Trong hộp thoại tính tốn thơng số, chọn nút “Pick” bên cạnh hộp giá trị GSI Bạn thấy bảng GSI cho phép xác định giá trị GSI sở cấu trúc đá điều kiện bề mặt khe nứt Hình 4.15 Bảng xác định giá trị GSI RocSupport (Hoek, 1998) Chú ý: + Nếu di chuyển chuột bảng, giá trị GSI bên cạnh trỏ điểm + Nếu nhấp chuột điểm bảng, giá trị GSI lên hộp giá trị GSI bảng GSI + Bạn thay đổi giá trị cần thiết Ý nghĩa nguồn gốc số độ bền địa chất GSI không mô tả chi tiết tài liệu Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng, thông số GSI không cần thiết phải tuyệt đối xác, sử dụng khoảng giá trị thông số phân tích Để biết thêm thơng tin xem tài liệu Hoek nnk (1995) Hoek (2004) Bây chọn nút “Pick” bên cạnh hộp giá trị “Intact Rock Constant mi”, bạn thấy hộp thoại cho phép bạn chọn giá trị cho mi sở loại đá Hình 4.16 Hộp thoại lựa chọn giá trị mi Sử dụng hộp thoại sau: + Chọn loại đá từ danh sách bên trái hộp thoại giá trị mi tương ứng tự động lên ô giá trị hộp thoại Nhập số nút cơng trình 100 chọn Chọn: Mesh Discretize Mơ hình rời rạc hoá trạng thái cho biết số phần tử rời rạc tạo ra: Discretizations: Excavation=130, External=56 Chú ý: Số phần tử rời rạc cơng trình 130 nhập 100 hộp thoại Mesh Setup Phụ thuộc vào hình dạng cơng trình, thuật tốn rời rạc khơng phải cho bạn xác số nút cơng trình mà bạn nhập vào hộp thoại Mesh Setup Người sử dụng tạo phần tử rời rạc Chọn: Mesh Custom Discretize Select Segments to Discretize [enter=done, esc=quit]: sử dụng chuột để chọn đoạn kí hiệu “10” hình 6-1 Nhấp chuột phải chọn Done nhấn Enter Hộp thoại xuất cho phép người sử dụng nhập số phần tử rời rạc cho đoạn chọn Mặc định thông số 10, số muốn trường hợp này, chi cần chọn OK 10 10 10 Như đoạn mà người sử dụng chọn rời rạc thành 10 phần tử Có thể áp dụng theo bước để rời rạc hoá cho đoạn bên đường hầm Chọn: Mesh Custom Discretize Select Segments to Discretize [enter=done, esc=quit]: sử dụng chuột để chọn đoạn kí hiệu “5” bên đường hầm hình 6-1 Nhấp chuột phải chọn Done nhấn Enter Trong hộp thoại Custom Discretize, nhập vào ô số phần tử rời rạc chọn OK Tạo lưới Chọn Mesh thực đơn Mesh, lưới tạo cho mơ hình sở phần tử rời rạc tạo Chọn: Mesh Mesh Trên trạng thái cho biết tổng số nút p hần tử lưới: ELEMENTS = 1901 NODES = 990 Điều kiện biên Theo mặc định, lưới tạo ra, tất nút đường biên cố định, có nghĩa biến dạng đường biên Khi mơ hình cho mặt đất, bề mặt mặt tự Do phải sử dụng lựa chọn Free trình đơn Restraints Chọn: Restraints Free Select segments to free [enter=done, esc=quit]: sử dụng chuột để chọn đoạn kí hiệu “5” bên đường hầm hình 6-1 Sau nhấn chuột phải chọn Done Selection nhấn Enter Phía bên trái phải biên ngồi cố định theo phương trục X (di chuyển tự theo phương trục Y) biên cố định theo phương trục Y (di chuyển tự theo phương trục X) Hình 5.24 Điều kiện chuyển vị biên ngồi mơ hình tính Chọn: Restraints Restrain X Select segments to restrain in the X direction [enter=done, esc=quit]: sử dụng chuột để chọn biên phải trái biên ngồi Sau nhấn chuột phải chọn Done Selection nhấn Enter Chọn: Restraints Restrain Y Select segments to restrain in the Y direction [enter=done, esc=quit]: sử dụng chuột để chọn biên biên ngồi Sau nhấn chuột phải chọn Done Selection nhấn Enter Những nút góc trượt được, chúng phải cố định lại Chọn: Restraints Restrain X, Y Nhấn chuột phải chọn Boundary Node từ trình đơn để thay đổi từ cố định đường biên sang cố định nút biên Chọn góc thấp bên trái (-10, -8) góc thấp bên phải (15, -8) đường biên Biểu tượng tam giác cố định thay biểu tượng trượt vị trí Chọn Escape nhấn chuột phải chọn Cancel Sau sử dụng điều kiện giới hạn biến dạng biên ngoài, người sử dụng nên kiểm tra lại điều kiện sử dụng cho nút phải xác Lực tác dụng phân bố bề mặt Thêm điều kiện lực tác dụng phân bố mặt đất cho đường hầm Chọn: Loading Tractions Horizontal/Vertical Trong hộp thoại nhập Vertical Traction = 0.2 MN/m chọn Stage traction checkbox Chọn OK Tải trọng áp dụng cho giai đoạn q trình phân tích không tồn giai đoạn Hệ số tải trọng có nghĩa độ lớn giá trị nhập vào hộp tho ại Traction Configuration Hệ số tải trọng cho phép tăng giảm độ lớn tải trọng giai đoạn khác Chọn vị trí mặt đất có tải trọng tác dụng: Select segments to add traction [enter=done, esc=quit]: sử dụng chuột để chọn vị trí đường biên xác bên đường hầm Nhấp phải chuột chọn Done Selection nhấn Enter Xem tải trọng phân bố Để xem tải trọng phân bố, chọn Stage tab Vì áp dụng tải trọng phân bố giai đoạn nên nên giai đoạn Kích thước hiển thị tải trọng thay đổi hộp thoại Display Options Chọn lại Stage tab Trường ứng suất Ở sử dụng trường ứng suất ứng suất trọng lực Chọn: Loading Field Stress Đối với trường ứng suất trọng trường, sử dụng tỉ số ứng suất ngang/đứng = 0,5 Khi chọn Show Ground Elevation checkbox, mặt đất vẽ đường thẳng đứt nằm ngang Có thể bật tắt đường thẳng trình đơn View Các đặc tính Chọn: Properties Define Materials Nhập thông số hình Chọn: Properties Assign Properties Đường hầm đào giai đoạn đường hào thi công giai đoạn theo bước sau: Chọn Stage tab (ở phía bên trái cửa sổ) Chọn nút “Excavate” hộp thoại Assign Nhấn chuột trái vào phía đường hầm Các phần tử bên đường hầm biến mất, có nghĩa đường hầm đào Chọn Stage tab Nhấn chuột trái vào bên đường hào hình chữ nhật Các phần tử bên đường hào biến mất, có nghĩa đường hào đào Đóng hộp thoại Assign lại Có thể sử dụng Stage tab để xem giai đoạn mơ hình, gán đặc tính vật liệu kết cấu gia cố Như kết thúc phần tạo mơ hình, mơ hình xuất hình vẽ sau: Hình 5.25 Mơ hình cơng trình ngầm đào gần mặt đất PHASE2 5.4.2.4.2 Tính tốn Trước tiến hành tính tốn, ghi file lại tên gọi surf1.fea Chọn: File Save Chạy chương trình tính tốn: Chọn: File Compute Chương trình PHASE2 COMPUTE tiến hành tính tốn Khi kết thúc xem kết chương trình INTERPRET 5.4.2.4.3 Biểu diễn kết Để xem kết tính tốn: Chọn: File Interpret Chương trình PHASE2 INTERPRET bắt đầu chạy Xem Sigma1: Bạn xem đường đồng mức Sigma1 giai đoạn thứ Bật quỹ đạo thành phần ứng suất lên cách chọn nút Stress Trajectories công cụ Display Bạn thấy kết ảnh hưởng trường ứng suất trọng trường đường đồng mức Sigma1 Thành phần ứng suất th ẳng đứng quan sát theo trục quỹ đạo ứng suất - ý tỉ số ứng suất ngang/đứng = 0,5 Xem đường đồng mức ứng suất giai đoạn cách chọn Stage tab bên trái cửa sổ Hình 5.26 Đường đồng mức Sigma1 quỹ đạo thành phần ứng suất Tắt hiển thị quỹ đạo ứng suất cách chọn lại nút Stress Trajectories công cụ Display Xem kết giai đoạn cửa sổ theo bước sau: Chọn: Window New Window Chọn: Window Tile Horizontally Chọn Stage tab cửa sổ Stage tab cửa sổ so sánh đường đồng mức Chọn Stage tab cửa sổ so sánh đường đồng mức Stage Stage Chọn Stage tab so sánh đường đồng mức Stage Stage3 Hệ số an toàn Thay đổi kiểu liệu cho tất cửa sổ sang Strength Factor lặp lại từ bước đến bước Nhấn chuột phải chọn Contour Options trình đơn bật cho cửa sổ Thay đổi Format sang Custom, Number = chọn Apply Khi kết thúc, chọn biểu tượng mũi tên góc bên phải hộp thoại Contour Options để hộp thoại Trên sở đường đồng mức hệ số độ bền giai đoạn 3, chứng tỏ đường hầm bị sập đổ khơng có vỏ chống Nên nhớ tốn phân tích mơi trường đàn hồi, ý vùng phá huỷ khối đá xung quanh đường hầm đường hầm với đường hào (đường đồng mức có hệ số an toàn < 1) Chú ý đến phá huỷ kéo mặt đất Chúng ta nhập độ bền kéo vật liệu Phá huỷ kéo xảy PHASE2 Sigma3 < ứng suất kéo tiêu chuẩn phá huỷ sử dụng Chọn Stage tab va thay đổi kiểu liệu sang Sigma3 Hộp thoại Contour Options hình, chọn biểu tượng hộp thoại để xuống Nhập giá trị Maximum Contour Range = chọn Done Chú ý vùng đường đồng mức Sigma3 < tuơng ứng với vùng “chịu kéo” đường đồng mức hệ số an tồn Hình 5.27 Miền đồng mức hệ số an toàn giai đoạn Biến dạng Chúng ta xem xét biến dạng: Chọn: Xem đường đồng mức biến dạng giai đoạn cách chọn Stage tab Biến dạng lớn cơng cụ vị trí xuất mơ hình Ở giai đoạn biến dạng lớn khoảng 3mm xuất phía đường hầm Biến dạng lớn giai đoạn khoảng 4,5mm xuất bên trái đường hào Biến dạng lớn giai đoạn khoảng 17mm xuất bên tải trọng phân bố tác dụng Tắt hiển thị đường đồng mức xem biến dạng đường biên lưới với hệ số tỉ lệ 100 Nhấp chuột phải chọn Contour Options Trong hộp thoại Contour Options đặt Modes = Off chọn Done Nhấp phải chuột chọn Display Options Trong hộp thoại Display Options chọn Deform Mesh Deform Boundaries nhập hệ số tỉ lệ = 100 Chọn Done Chọn Zoom Excavation Chọn Stage tab Hình 5.28a Biến dạng lưới đường biên giai đoạn Chọn Stage tab Hình 5.28b Biến dạng lưới đường biên giai đoạn Biến dạng biên đường hào quan sát thấy rõ Đường hầm có xu hướng biến dạng phía bên phải Chọn Stage tab Biến dạng chịu ảnh hưởng lực phân bố tác dụng Biến dạng lớn xảy bên lực tác dụng Đường hầm bị biến dạng xuống phía Hình 5.28c Biến dạng lưới đường biên giai đoạn Kiểm tra liệu Chương trình PHASE cho phép người sử dụng kiểm tra liệu vị trí khối đá giá trị từ đường đồng mức Những giá trị trực tiếp mơ hình Có thể kiểm tra liệu điểm, đoạn thẳng đường thẳng sau: Chọn: Query Add Material Query Sử dụng lựa chọn bắt điểm trường hợp cách nhấp chuột phải chọn Vertex Snap Sử dụng chuột để chọn điểm (4.5, 4) góc bên trái đường hào Sử dụng chuột để chọn điểm (4.5, -1) góc bên trái đường hào Nhấp chuột phải chọn Done Bạn thấy hộp thoại xuất sau: Chúng ta sử dụng giá trị mặc định, cần chọn OK Bạn thấy 10 giá trị dọc theo đường biên trái đường hào, sử dụng mặc định 10 vị trí hộp thoại Specify Query locations Những giá trị tương ứng với giai đoạn loại liệu xem Chọn Stage tab quan sát thay đổi giá trị Chọn kiểu liệu khác (Sigma1, hệ số độ bền ) quan sát thay đổi giá trị Biểu đồ liệu Nhấp chuột phải chọn Graph Data Nhấp chuột phải lên liệu (tại vị trí dọc theo biên trái đường hào) chọn Graph Data từ thực đơn bật lên Biểu đồ tổng chuyển vị vẽ Chú ý biểu đồ có 10 điểm (số vị trí liệu) Có thể thay đổi số điểm để tạo đồ thị trơn Đóng đồ thị lại tiến hành thay đổi liệu cho đồ thị Thay đổi liệu Để thay đổi liệu tiến hành sau: Nhấp chuột phải lên liệu chọn Edit từ thực đơn bật lên Bạn thấy hộp thoại Specify Query Locations xuất trở lại Bây nhập số vị trí 50 tắt hộp kiểm tra “Display queried values” Chọn OK Chú ý, chọn 50 vị trí liệu, số lượng khơng thể đọc khơng phóng to, tắt chúng Làm lại bước vẽ đồ thị liệu phần trước (biểu đồ liệu) để biểu đồ Đóng cửa sổ đồ thị lại cách chọn X góc phải cửa sổ Đồ thị liệu giai đoạn khác Chẳng hạn muốn biểu diễn so sánh chuyển vị biên trái đường hào giai đoạn (trước sau có tải trọng tác dụng mặt đất), tiến hành sau: Chắc chắn bạn xem tổng chuyển vị giai đoạn 2 Chọn: Query Write Query File Bạn phải chọn liệu để ghi file Nhấp chuột trái lên liệu (bất kỳ điểm biên trái đường hào), sau nhấp chuột phải chọn Write Selected Hộp thoại Save As xuất hiện, ghi liệu tên file “trench1” Bạn thấy hộp thoại khác xuất hiện, cho phép ghi thông tin thích cho file Nhập vào “second stage displacement”, chọn Add Comment Chọn Stage tab Chọn: Graph Graph Material Queries Chọn liệu chuột trái, biểu diễn liệu giai đoạn Nhấp chuột phải chọn Add From File 10 Trong hộp thoại Open File, mở file “trench1” mà ghi lại bước 4, biểu diễn liệu giai đoạn 11 Bạn thấy hộp thoại thông tin cho biết liệu đọc Chọn OK 12 Nhấp chuột phải chọn Graph Selected Biểu đồ xuất hình 4.29 Biểu đồ biểu diễn ảnh hưởng tải trọng mặt đất trường hợp trước sau có tải trọng đến chuyển vị thành hào Đường cong bên biểu diễn kết giai đoạn đường cong bên biể u diễn kết giai đoạn Độ chênh lệch lớn khoảng 3mm vị trí khoảng 3,3m bên mặt đất Hình 5.29 Chuyển vị thành hào trước sau có tải trọng bề mặt tác dụng Giá trị trục tiêu đề thay đổi cách nhấp chuột phải biểu đồ chọn Chart Properties 5.4.2.5 Tính tốn đường hầm đào khối đá có khe nứt Mơ hình bao gồm đường hầm tiết diện ngang hình trịn có bán kính 2,5m thi cơng gần với mặt phá huỷ (khe nứt) có vị trí cách 3,5m bên đường hầm Khối đá giả thiết đàn hồi, khe nứt có khả trượt, biểu diễn ảnh hưởng mặt khe nứt đến phân bố ứng suất đàn hồi gần cơng trình ngầm 5.4.2.5.1 Xây dựng mơ hình tính Bắt đầu chạy chương trình PHASE2 MODEL cách chọn từ trình đơn Start: Start Program Rocscience Phase2 Phase2 Xác định giới hạn miền làm việc Chọn: View Limits Nhập toạ độ sau vào hộp thoại Set Limits: Vẽ đường biên Trước tiên tạo đường hầm tròn sau: Chọn: Boundaries Add Excavation Enter vertex [a=arc, esc=quit]: a Number of segments in arc : 32 Enter first arc point [esc=quit]: 2.5 Enter second arc point [u=undo, esc=quit]: 2.5 Enter third arc point [u=undo, esc=quit]: c Bằng cách nhập “c” vào sau dấu nhắc, cung trịn đóng kín lại tạo thành đường trịn với đường kính xác định khoảng cách điểm thứ thứ 2, trường hợp 5m Chọn: Boundaries Add External Trong hộp thoại nhập Expansion Factor = chọn OK, đường biên tự động tạo Tạo khe nứt mơ hình: Chọn: Boundaries Add Joint Enter vertex [esc=quit]: -30 3.5 Enter vertex [u=undo, esc=quit]: 30 3.5 Enter vertex [enter=done, u=undo, esc=quit]: Enter Chú ý, điểm xác định khe nứt thực tế nằm đường biên ngồi, chương trình PHASE2 tự động xác định giao điểm Đây ưu điểm chương trình PHASE2 người sử dụng khơng biết xác giao điểm đường thẳng Chia lưới Chọn: Mesh Discretize Chương trình tự động rời rạc hố tồn biên mơ hình Tổng số phần tử rời rạc trạng thái: Discretizations: Excavation=64, External=90, Joint=64 Số phần tử rời rạc đường hầm 64 lần số đoạn nhập vào đường hầm Do đó, đoạn đường hầm có phần tử tạo lưới Số phần tử rời rạc dựa thông số tạo lưới hộp thoại Mesh Setup Chọn: Mesh Mesh Số phần tử hữu hạn lưới tạo ra, trạng thái cho biết số lượng phần tử số nút lưới: ELEMENTS = 2928 NODES = 1606 Điều kiện biên Trong ví dụ sử dụng tất các điều kiện biên mặc định (chuyển vị 0), người sử dụng định nghĩa điều kiện biên Trường ứng suất Sử dụng trường ứng suất mặc định cho mơ hình, trường ứng suất thuỷ tĩnh số với Sigma1 = Sigma3 = SigmaZ = 10 MPa Các đặc tính Các đặc tính khối đá khe nứt phải nhập vào Chọn: Properties Define Materials Với tab thứ hộp thoại Define Material Properties, nhập thơng số đặc tính (chỉ cần nhập hệ số Poisson = 0.25, thông số khác không cần thay đổi) Như đặc tính khối đá nhập vào, làm tương tự cho đặc tính khe nứt Chọn: Properties Define Joint Với tab thứ hộp thoại Define Joint Properties, nhập thông số hình vẽ Mơ hình tạo có dạng hình vẽ 4.30 Hình 5.30 Mơ hình khe nứt PHASE2 5.4.2.5.2 Tính tốn Trước tiến hành phân tích mơ hình ghi file có tên joint.fea Chọn: File Save Hộp thoại Save As xuất cho phép bạn ghi file lại Chọn: File Compute Chương trình PHASE2 COMPUTE tiến hành tính tốn Khi kết thúc xem kết chương trình INTERPRET 5.4.2.5.3 Biểu diễn kết Để xem kết phân tích tiến hành sau: Chọn: File Interpret Trước tiên phóng to mơ hình xem xét rõ ràng Chọn: View Zoom Zoom Excavation Quan sát ảnh hưởng khe nứt đến đường đồng mức Sigma1 Chú ý không liên tục đường đồng mức bên khe nứt Ảnh hưởng khe nứt làm lệch tập trung ứng suất vùng đường hầm khe nứt Xem đường đồng mức hệ số an toàn Chọn: Data Strength Factor Chú ý không liên tục đường đồng mức bên khe nứt Xem đường đồng mức biến dạng Chọn: Data Total Displacement Những đường đồng mức biến dạng không xuất gián đoạn Tuy nhiên, thay đổi kiểu đường đồng mức xem điều xảy Nhấp chuột phải chọn Contour Options Trong hộp thoại Contour Options, thay đổi Format từ AutoFormat DOS chọn Done Bây quan sát tính khơng liên tục đường đồng mức biến dạng Đây điểm quan trọng - xuất đường đồng mức bị thay đổi sử dụng Contour Options khác Kiểu đường đồng mức, khoảng giá trị số khoảng chia ảnh hưởng đến biểu diễn liệu Miền phá huỷ khe nứt Chúng ta đặt câu hỏi: đâu nguyên nhân ảnh hưởng đến đường đồng mức vùng lân cận với khe nứt? Chúng ta có câu trả lời xem phần tử khe nứt bị phá huỷ Trước tiên bật cửa sổ Sigma1 lên, sau chọn nút Yield Joints công cụ Display Các phần tử khe nứt phá huỷ làm bật màu đỏ mơ hình, số lượng phần tử phá huỷ trạng thái: 15 Yield Joint Elements Chúng ta quan sát thấy vùng phá huỷ xung quanh khe nứt chia làm phần, phần trái phần phải đường hầm Bây thấy rõ trượt khơng đàn hồi dọc theo khe nứt nguyên nhân gây không liên tục đường đồng mức khe nứt Tương tự xem đường đồng mức hệ số an toàn biến dạng, ý vùng khe nứt trượt tương ứng với vùng không liên tục đường đồng mức Nên nhớ, định nghĩa đặc tính khe nứt cho phép khe nứt trượt sử dụng tiêu chuẩn trượt Mohr - Coulomb với góc ma sát 20 Nhấp chuột phải chọn Display Options Trong hộp thoại Display Options chọn Discretization sau chọn Done Khi đó, đếm số phần tử khe nứt phá huỷ 15 (7 bên trái bên phải) Tắt hiển thị Discretization hộp thoại Display Options Vẽ biểu đồ thông số khe nứt Biểu đồ ứng suất pháp, ứng suất tiếp, bisến dạng theo phương pháp tuyến chuyển vị theo phương tiếp tuyến khe nứt vẽ cách dễ dàng sử dụng chức Graph Joint Data chương trình PHASE2 Chọn: Graph Graph Joint Data Khi có khe nứt chọn để mơ hình Hộp thoại Graph Joint Data xuất sau: Chọn Create Plot, để vẽ biểu đồ thành phần ứng suất pháp dọc theo khe nứt Hình 5.31 Biểu đồ ứng suất pháp dọc theo khe nứt Lưu ý số cuối đường cong Nếu bật lại cửa sổ xem mơ hình, thấy số khe nứt Điều có mục đích: Nếu có nhiều khe nứt mơ hình, số số ID khe nứt Nhận biết điểm cuối khe nứt tương ứng với điểm cuối đường cong đồ thị Lặp lại bước để vẽ đồ thị thành phần ứng suất tiếp dọc theo khe nứt (trong hộp thoại Graph Joint Data, chọn kiểu liệu để vẽ biểu đồ Shear Stress chọn Create Plot) ... pháp trình bày Hoek, Carranza-Torres Corkum (20 02) Bài báo trình bày tiêu chuẩn phá huỷ Hoek - Brown, bao gồm phương pháp xác định thông số Mohr - Coulomb tương ứng từ đường bao phá huỷ Hoek - Brown... DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PHASE2 ĐỂ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG TRONG KHỐI ĐÁ BAO QUANH CƠNG TRÌNH NGẦM 5.1 KHÁI QT CHUNG VỀ CHƯƠNG TRÌNH PHASE2 Phase2 chương trình xây dựng sở phương pháp phần tử hữu... cho cơng trình Có thể sử dụng chương trình Phase2 để tính tốn ổn định cho cơng trình ngầm móng cơng trình bề mặt, bờ dốc v.v Yêu cầu phần cứng máy tính để cài đặt chương trình Phase2: Để cài