Nghiên cứu sự ổn định khoang hầm trong môi trường đá nứt nẻ bằng phương pháp Phân tích biến dạng không liên tục

Nghiên cứu sự ổn định khoang hầm trong môi trường đá nứt nẻ bằng phương pháp Phân tích biến dạng không liên tục

1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả Nguyễn Thanh Quang LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành thầy giáo hướng dẫn GS.TS Đỗ Như Tráng PGS.TS Nguyễn Quốc Bảo tận tình hướng dẫn, giúp đỡ đề xuất nhiều ý tưởng khoa học có giá trị giúp cho tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin trân trọng động viên, khuyến khích kiến thức khoa học mà thầy giáo chia sẻ cho tác giả nhiều năm qua, giúp cho tác giả nâng cao lực khoa học củng cố lòng yêu nghề Tác giả xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp, nhận xét quý báu chân tình thầy giáo, nhà khoa học giúp tác giả hoàn thành luận án Tác giả trân trọng cảm ơn Trung tâm Tư vấn Khảo sát thiết kế cơng trình Quốc phịng-BTL Cơng binh, Viện Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt, Phòng Sau đại học - Học viện Kỹ thuật Quân tạo điều kiện tốt giúp đỡ tác giả trình nghiên cứu hoàn thành luận án Cuối tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn người thân gia đình, bạn bè, đồng nghiệp thơng cảm, động viên chia sẻ khó khăn với tác giả suốt thời gian làm luận án Tác giả Nguyễn Thanh Quang MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT [] Kí hiệu ma trận { } Kí hiệu véc tơ a,b,c Hệ số đa thức bậc B Khâu độ cơng trình BTG Bước thời gian c Lực dính kết bề mặt tiếp xúc [C] Ma trận cản nhớt { D} Véc tơ thành phần biến dạng Dij Véc tơ biến dạng khối thứ i d Khoảng cách xuyên d1i,…d6i Các thành phần véc tơ biến dạng d khối thứ i det( [A] ) Định thức ma trận A §HTT Đàn hồi tuyến tính E Mơ đun đàn hồi { F} Véc tơ tải trọng Fi Véc tơ tải trọng khối thứ i Fx , Fy Tải trọng tập trung tác dụng theo phương x,y Fx (t), Fy (t) Tải trọng phân bố tác dụng theo phương x,y f Hệ số Protod’jakonov fx , fy Lực quán tính tác dụng theo phương x,y G Mô đun trượt vật liệu g Gia tốc trọng trường H Chiều sâu đặt cơng trình J Định thức Jacobi [K] Ma trận độ cứng tổng thể K ij Ma trận thành phần ma trận độ cứng tổng thể l Chiều dài cạnh tham chiếu M Khối lượng đơn vị diện tích Pi Đỉnh khối (đa giác) thứ i p, kn Độ cứng lò xo pháp tuyến penalty ks Độ cứng lò xo tiếp tuyến penalty [Ti ] Ma trận chuyển hệ tọa độ u, v Chuyển vị thẳng tương ứng theo phương x, y uo, vo v1, vo Chuyển vị thẳng tương ứng theo phương x, y trọng tâm khối Vận tốc khối thời điểm trước sau khối ro Góc xoay khối trọng tâm (xo,yo) x, y Tọa độ điểm xét xo, yo S Tọa độ điểm cố định khối thường lấy điểm trọng tâm Diện tích khối Π Thế toàn phần khối Πe Năng lượng biến dạng khối Πσ Thế ứng suất ban đầu Πp Thế tải trọng tập trung Πl Thế tải trọng phân bố Πw Thế lực khối Πv Thế lực cản nhớt Πi Thế lực quán tính Πc Thế lò xo liên kết δ Độ mở rộng khe nứt (phân lớp) εx , εy Biến dạng thẳng khối theo phương x, y ϕ Góc ma sát bề mặt tiếp xúc γ Trọng lượng thể tích γ xy Biến dạng góc khối ηij Khoảng cách hai khối i j υ Hệ số Poisson θ Góc mặt phân lớp với mặt phẳng ngang ρ Chuyển dịch lớn bước thời gian tính tốn σ x , σy Ứng suất khối theo phương x, y τ xy Ứng suất khối ∆ Định thức ∆t, t Bước thời gian tính tốn, tham số phương trình đường thẳng DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Với đặc điểm mình, cơng trình ngầm ngày thể vai trò quan trọng đời sống kinh tế xã hội giao thông vận tải, khai thác khoáng sản, thuỷ điện…, đặc biệt lĩnh vực quốc phòng, đường hầm xây dựng để làm sở huy, cơng trình ẩn nấp - chiến đấu, cất giấu loại vũ khí, trang bị kỹ thuật, kho hậu cần, quân y Với đặc thù điều kiện địa chất địa nước ta nay, việc xây dựng cơng trình ngầm núi đá chiếm tỷ trọng tương đối lớn tổng số cơng trình ngầm xây dựng Bên cạnh với nguồn hang động tự nhiên vô phong phú nước ta nay, việc nghiên cứu tận dụng khai thác hang động tự nhiên phục vụ cho mục đích quân việc làm cần thiết Nứt nẻ đặc tính điển hình khối đá, xuất ba loại đá: đá magma, đá trầm tích đá biến chất, nhiều nguyên nhân khác (tự nhiên, kiến tạo, phong hóa, trượt…) Theo [5], học đá, nứt nẻ khái niệm rộng Nó bao gồm kiến tạo cục kéo dài hàng ki lô mét hay vài mét vi khe nứt nhìn thấy kính hiển vi Các khe nứt cắt chằng chịt không gian làm khối đá bị phân cắt thành tảng riêng biệt Cũng đặc tính tự nhiên mà mẫu đá thu số liệu thống kê khơng mang tính đại diện cho khu vực dự định nghiên cứu hay xây dựng cơng trình Một vấn đề đặt cho việc xây dựng cơng trình ngầm đá nghiên cứu, đánh giá, phân tích ổn định khoảng trống ngầm, khơng gian ngầm nhằm có thiết kế hợp lý kết cấu chống đỡ, kết cấu cơng trình biện pháp thi cơng Để nghiên cứu vấn đề học đá nói chung, người ta sử dụng ba nhóm phương pháp [4], [5]: phương pháp đo đạc, quan 10 sát điều kiện tự nhiên (phương pháp thực nghiệm); phương pháp mơ hình (phương pháp thí nghiệm) phương pháp lý thuyết Để khắc phục khó khăn lời giải giải tích phương pháp thực nghiệm thí nghiệm, mặt lý thuyết nhà nghiên cứu sử dụng nhiều phương pháp số khác để phân tích Trong mơi trường đá nứt nẻ, miền phân tích miền vật liệu gồm khối (phần tử) rời rạc, riêng rẽ, có chuyển vị tương Do đó, trạng thái ứng suất biến dạng khơng liên tục, quan niệm tồn đá nứt nẻ môi trường liên tục khơng thích hợp Để giải vấn đề này, năm gần xuất phương pháp phương pháp phần tử rời rạc DEM (Distinct Element Method), phương pháp phân tích biến dạng khơng liên tục DDA (Discontinuous Deformation Analysis) Các phương pháp nghiên cứu phân tích tính khơng liên tục mơi trường Trong hai phương pháp trên, với quan niệm phần tử nghiên cứu có đặc điểm biến dạng đàn hồi phương pháp DDA có kể đến tính biến dạng phần tử, phương pháp DEM quan niệm phần tử vật rắn tuyệt đối nên không xét đến ảnh hưởng biến dạng đến chuyển dịch phần tử Phân tích biến dạng khơng liên tục sử dụng để phân tích lực tương tác chuyển dịch khối tiếp xúc với Đối với khối, cho phép xác định chuyển dịch, biến dạng bước thời gian; toàn hệ khối cho phép mơ q trình tiếp xúc, tương tác khối Với lí trên, đề tài nghiên cứu luận án chọn “Nghiên cứu ổn định khoang hầm môi trường đá nứt nẻ phương pháp Phân tích biến dạng khơng liên tục” 134 • Đã xác định tác động lên cơng trình có kể đến ảnh hưởng đặc trưng khác hệ thống khe nứt nẻ khối đá Đây sở để có thiết kế phù hợp ứng với điều kiện phân lớp, nứt nẻ khác môi trường thực tế 135 KẾT LUẬN CHUNG I Các kết luận án Đã nghiên cứu, tiếp thu có hệ thống lý thuyết phân tích biến dạng khơng liên tục DDA để áp dụng vào toán ổn định mái dốc khoang hầm nằm ngang môi trường đá nứt nẻ Đã xây dựng mơ hình tính tốn tổng qt lập thuật toán để giải toán theo DDA Trên sở đó, xây dựng chương trình DDA.m mơi trường Matlab với khả năng: 2.1- Tính tốn trường chuyển vị, biến dạng, ứng suất môi trường biến dạng không liên tục xét đến hầu hết lực: trọng lượng thân, ngoại lực tác dụng dạng lực tập trung, lực phân bố, lực quán tính, lực cản, lực ma sát, lực dính; kết thể báo [2] 2.2- Mơ hình hóa dạng tiếp xúc đỉnh-đỉnh, đỉnh-cạnh, cạnh-cạnh; tương tác khối tiếp xúc Từ mơ q trình chuyển dịch, tiếp xúc, tương tác khối hệ Kết thể báo [3], [4], [5] Độ xác chương trình kiểm tra qua số thử nghiệm số để so sánh với lời giải giải tích cho thấy kết có sở tin cậy Dùng chương trình DDA.m thiết lập, bước đầu thử nghiệm nghiên cứu ổn định khoang hầm môi trường đá nứt nẻ với kết sau: 3.1- Đã tiến hành nghiên cứu chuyển dịch biên khoang hầm trịn mơi trường đá phân lớp, nứt nẻ trường hợp thay đổi góc nghiêng, độ dày, độ mở rộng phân lớp; 3.2- Nghiên cứu tương tác khối đá nứt nẻ với kết cấu cơng trình 136 II Hướng phát triển luận án Với mục tiêu nghiên cứu ổn định khoang hầm khối đá nứt nẻ phương pháp Phân tích biến dạng khơng liên tục, hướng nghiên cứu cần tập trung vào nội dung sau: + Các tính chất lý khác đá + Ảnh hưởng góc ma sát, cường độ lực dính theo phân lớp khe nứt + Biện pháp gia cố để giảm chuyển dịch biên khoang hầm phun vữa xi măng hệ thống neo 137 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ Nguyễn Thanh Quang, Nguyễn Tiến Tĩnh (2010), “Nghiên cứu trạng thái ứng suất chuyển vị biên đường tròn nằm ngang điều kiện đất đá phân lớp” / Tạp chí Khoa học Kỹ thuật số 135(7-2010), Học viện KTQS, trang 201 – 212 Nguyễn Quốc Bảo, Nguyễn Thanh Quang (2012), “Tự động tính đặc trưng hình học đa giác nhiều đỉnh học biến dạng rời rạc”/ Tạp chí Khoa học Kỹ thuật số 146(2-2012), Học viện KTQS, trang 105 – 113 Nguyễn Quốc Bảo, Nguyễn Thanh Quang (2012), “Tính tốn chuyển vị biến dạng khối môi trường biến dạng rời rạc” / Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây Dựng, (5–2012), trang 69 – 71 Nguyễn Quốc Bảo, Nguyễn Thanh Quang, Nguyễn Văn Tuấn (2012), “Xử lý điều kiện biên toán phân tích biến dạng rời rạc” / Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây Dựng, (8–2012), trang 65 – 67 Nguyễn Quốc Bảo, Nguyễn Thanh Quang (2012), “Tiếp xúc khối tốn phân tích biến dạng rời rạc” / Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây Dựng, (12–2012), trang 65-68 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Quốc Bảo, Trần Nhất Dũng (2012), Phương pháp phần tử hữu hạn – Lý thuyết lập trình, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [2] Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Khắc Điểm, Nguyễn Trung Dũng, Hà Trần Đức (2003), Lập trình Matlab, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [3] Nghiêm Hữu Hạnh (2001), Cơ học đá, Nhà xuất Giáo dục [4] Võ Trọng Hùng, Phùng Mạnh Đắc (2005), Cơ học đá-Ứng dụng xây dựng công trình ngầm khai thác mỏ, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [5] Nguyễn Sỹ Ngọc (2005), Cơ học đá, Nhà xuất Giao thông vận tải [6] Nguyễn Quang Phích (2005), Cơ học đá, Đại học Kiến trúc [7] Nguyễn Quang Phích, Nguyễn Văn Mạnh, Đỗ Ngọc Anh (2007), Phương pháp số chương trình Plaxis 3D &UDEC, Nhà xuất Xây dựng [8] Đỗ Như Tráng (2002), Cơ học đá tương tác hệ kết cấu công trình ngầmmơi trường đất đá, Nhà xuất Qn đội nhân dân [9] Đỗ Như Tráng (1998), Phương pháp phân tử hữu hạn toán học đá, Học viện Kỹ thuật Quân [10] Nguyễn Mạnh Yên (2000), Phương pháp số học kết cấu, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh [11] Barton, N., Lien, R., Lunde, J (1974) Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support Rock Mech Rock Eng 6: 189-236 [12] Bieniawski, Z T (1973) Engineering classification of jointed rock masses Trans S Afr Inst Civ Eng 15: 335-344 [13] Bhawani Singh, R.K Goel (2011) Engineering Rock Mass Classification Butterworth–Heinemann, London, UK 357 pp [14] Cheng Y.M., Zhang Y.H., Wang K.J (2000) Couling of FEM and DDA method Chinese J Geotech Eng., 22(6):727-730 [15] Cundall P A (1971) A Computer Model for Simulating Progressive Large Scale Movements in Blocky Rock Systems In Proceeding of the Symposium of the International Society of Rock , Nancy, France, paper No.II-8 [16] Deere, D U., Hendron, A J., Patton, F D., and Cording, E J (1967) Design of surface and near-surface construction In: C Fairhurst (ed.) Failure and Breakage of Rock Society of Mining Engineers of AIME, New York [17] Hoek E and Brown E T ( 1980) Underground excavations in rocks Institutions of Mining and Metallurgy London, Maney Publishing 527 p [18] Liu, J., Kong, X and Lin, G (2004) Formulation of the three-dimensional discontinuous deformation analysis method Acta Mech Sin, pp 270-282 139 [19] Liu, X.X (2009) Design and Construction of Dam Filling of High CFRD Water Power, pp 44-46 [20] Man-chu Ronald Yeung (1991) Application of Shi’s Discontinuous Deformation Analysis to the study of rock behavior Ph D Thesis, University of California, Berkley 341p [21] Ohnishi Y., Nishiyama S et al (2005) The application of DDA to practical rock engineering problems: Issue and Recent insight ICADD-7 Hawaii [22] Shi, G-H and Goodman, R E (1984) Discontinuous Deformation Analysis Proc 25th U.S Symposium on Rock Mechanics, pp 269-277 [23] Shi, G-H and Goodman, R E (1985) Two Dimensional Discontinuous Deformation Analysis Int J Numer Ana Methods Geomech, v 9,pp 541556 [24] Shi, G-H ( 1988) Discontinuous Deformation Analysis – a new numerical method for the statics and dynamics of block system Ph D Thesis, Department of Civil Engineering, University of California, Berkley 378p [25] Shi, G-H (1993) Block System Modeling by Discontinuous Deformation Analysis Topics in Engineering Vol 11, Computational Mechanics Publications 209p [26] Shi, G-H (2001) Three dimensional Discontinuous Deformation Analysis Proceedings of the fourth international conference on analysis of discontinuos deformation (ICADD-4) University of Glasgow Scotland, UK, pp1-21 [27] Wu, J.H., Ohnishi, Y., Shi G-H and Nishiyama, S.(2005) Theory of three dimensional discontinuous deformation analysis and its application to a slope toppling at Amatoribashi, Japan International Journal of Geomechanics, pp 179-195 [28] Zhao, Z.Y and Gu J (2006) Rock Response Under Blast Load by Discontinuous Deformation Analysis 4th Rock Mech Rock Singapore Tiếng Nga [29] Баклашов И В., Картозия Б А (1986), Механические процессы в породных массивах М Недра 140 PHỤ LỤC function DDA clc; E = 100000; nu = 0.49; rho = 0.03; mu = 0.01; dayh=1; p1 = 1000000; p2 = 50000000; pe = 1000; s = 500000; deltaT = 0.008; TsBuocTG = 50; CVmax = 0.07; f0=0.0000001; nutKhoiX = [1 7 0; 6 4]; nutKhoiY = [0 0; 5 6]; mDinh = [3 ]; TsDinh = sum(mDinh); GhiKhoiXY = zeros(TsDinh,2*TsBuocTG); maxmDinh = max(mDinh); TsKhoi = length(mDinh); Fix = [1 2.5 6.5 6.5; 0.5 0.5 2.0]; TsFix= length(Fix(1,:))-1; LucTT = [ 0 ]; LucPB = [ -1 ]; D = zeros(6*TsKhoi,1);Dcuoi=D; V = zeros(1,6*TsKhoi); KTQ = zeros(6*TsKhoi,6*TsKhoi); FTQ = zeros(6*TsKhoi,1); tXD = nutKhoiX; tYD = nutKhoiY; tX0 = zeros(1,TsKhoi); tY0 = zeros(1,TsKhoi); for BuocTG = 1:TsBuocTG for Khoi=1:TsKhoi m = mDinh(Khoi); hs1=6*Khoi; hs2=hs1-5; [S,Sx,Sy,Sxx,Syy,Sxy,X0,Y0] = tinhDTHH(m,XD,YD); TT = tinhTT(S,Sx,Sy,Sxx,Syy,Sxy,X0,Y0); Kii = zeros(6,6); Fi = zeros(6,1); Kiiqt=tinhKiiqt(rho,deltaT,TT); Kii = Kii+Kiiqt; Vdau =V(1,hs2:hs1); Fiqt=tinhFiqt(rho,deltaT,TT,Vdau); Fi = Fi+Fiqt; Kiidh=tinhKiidh(E,nu,S); Kii = Kii+Kiidh; Kiicn=tinhKiicn(mu,deltaT,TT); Kii = Kii+Kiicn; Fik = tinhFik(rho,S); Fi = Fi+Fik; if Khoi == Fix(1,1) for i =1:TsFix x = Fix(1,i+1); y = Fix(2,i+1); Kiid=tinhKiid(x,y,p1,X0,Y0); Kii = Kii+Kiid; end end if Khoi == LucTT(1) XF = tXD(Khoi,LucTT(2)); FX = LucTT(3); 141 YF = tYD(Khoi,LucTT(2)); Fitt=tinhFitt(X0,Y0,XF,FX,YF,FY); FY = LucTT(4); Fi = Fi+Fitt; end if Khoi == LucPB(1) X1 = tXD(Khoi,LucPB(2)); Y1 = tYD(Khoi,LucPB(2)); X2 = tXD(Khoi,LucPB(3)); Fx = LucPB(4); Y2 = tYD(Khoi,LucPB(3)); Fy = LucPB(5); Fipb=tinhFipb(X0,Y0,X1,Y1,X2,Y2,Fx,Fy); Fi = Fi+Fipb; end KTQ(hs2:hs1,hs2:hs1)=Kii; FTQ(hs2:hs1,1)= Fi; end KhoangCach=[]; XY=[]; for iKhoi=1:TsKhoi for jKhoi=(iKhoi+1):TsKhoi if minKC0 KTQ(hs1:hs2,hs1:hs2)=KTQ(hs1:hs2,hs1:hs2)-Kiitx(1:6,3:8); KTQ(hs3:hs4,hs3:hs4)=KTQ(hs3:hs4,hs3:hs4)-Kiitx(1:6,9:14); FTQ(hs1:hs2,1)=FTQ(hs1:hs2,1)-Fitx(1:6,3); FTQ(hs3:hs4,1)=FTQ(hs3:hs4,1)-Fitx(1:6,4); else KTQ(hs1:hs2,hs1:hs2)=KTQ(hs1:hs2,hs1:hs2)+Kiitx(1:6,3:8); KTQ(hs3:hs4,hs3:hs4)=KTQ(hs3:hs4,hs3:hs4)+Kiitx(1:6,9:14); FTQ(hs1:hs2,1)=FTQ(hs1:hs2,1)+Fitx(1:6,3); FTQ(hs3:hs4,1)=FTQ(hs3:hs4,1)+Fitx(1:6,4); end Dcuoi=KTQ\FTQ; for Khoi=1:TsKhoi m = mDinh(Khoi); Vcuoi=(2*D/deltaT)- V(1,hs2:hs1)'; u=zeros(1,m);v=zeros(1,m); for i=1:m T=[1 -(YD(i)-Y0) (XD(i)-X0) 0.5*(YD(i)-Y0); (XD(i)-X0) (YD(i)-Y0) 0.5*(XD(i)-X0)]; end end k = 0; for Khoi=1:TsKhoi for iDinh = 1:mDinh(Khoi) k = k+1; GhiKhoiXY(k,2*BuocTG-1)= tXD(Khoi,iDinh); GhiKhoiXY(k,2*BuocTG) = tYD(Khoi,iDinh); end end end GhifileFcn(TsBuocTG,TsDinh,GhiKhoiXY); %======================================================================== function [mini,minj,minKC,KCij]=tinKCij(iKhoi,jKhoi,mDinh,tXD,tYD) KCij=zeros(mDinh(iKhoi),mDinh(jKhoi)); for iDinh=1:mDinh(iKhoi) for jDinh=1:mDinh(jKhoi)-1 x1=tXD(iKhoi,iDinh); y1=tYD(iKhoi,iDinh); x2=tXD(jKhoi,jDinh); y2=tYD(jKhoi,jDinh); KC = tinhKC(x1,y1,x2,y2,x3,y3); KCij(iDinh,jDinh)=KC; end x2=tXD(jKhoi,mDinh(jKhoi));y2=tYD(jKhoi,mDinh(jKhoi)); KC = tinhKC(x1,y1,x2,y2,x3,y3); KCij(iDinh,mDinh(jKhoi))=KC; end for i=1:length(KCij(:,1)) for j=1:length(KCij(1,:)) if KCij(i,j)