Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích ảnh hưởng của kích thước hầm tròn đào ngang lên ứng xử của môi trường xung quanh

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC HẦM TRÒN ĐÀO NGANG LÊN ỨNG XỬ MÔI TRƯỜNG XUNG QUANH Tóm tắt Hầm tròn đào ngang là dạng phổ biến nhất trong xây dựng công trình ngầm, đặc biệt khi sử dụ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

VÕ HOÀNG NGUYÊN

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC HẦM TRÒN ĐÀO NGANG LÊN ỨNG XỬ

CỦA MÔI TRƯỜNG XUNG QUANH

Chuyên Ngành : Kĩ Thuật Xây Dựng Công Trình Ngầm Mã Ngành : 60580204

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, ngày 12 tháng 6 năm 2016

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Trường Sơn

PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: VÕ HOÀNG NGUYÊN MSHV: 13091301 Ngày, tháng, năm sinh: 11/09/1990 Nơi sinh: PHÚ YÊN Chuyên ngành: Kĩ thuật xây dựng công trình ngầm Mã số : 60580204

I TÊN ĐỀ TÀI:

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC HẦM TRÒN ĐÀO NGANG LÊN ỨNG XỬ CỦA MÔI TRƯỜNG XUNG QUANH

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tổng hợp và chọn lựa cơ sở lý thuyết phân tích đánh giá ứng xử trong môi trường xung quanh công trình ngầm

- Xây dựng chương trình tính toán và phân tích ảnh hưởng kích thước hầm lên đặc điểm phân bố vùng dẻo và mức độ chuyển vị đường viền, xây dựng các biểu đồ tương quan

- Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng kích thước hầm tròn lên ứng xử ứng suất biến dạng trong môi trường xung quanh Việc phân tích lấy bối cảnh điều kiện địa chất thực tế ở khu vực Tp HCM với các độ sâu chôn hợp lý theo điều kiện thi công hầm tròn trong đất dính

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS BÙI TRƯỜNG SƠN

Tp HCM, ngày tháng năm 2016

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS BÙI TRƯỜNG SƠN PGS.TS LÊ BÁ VINH PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM

Xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè và đồng nghiệp, đã động viên, chia sẻ những khó khăn trong công việc và hỗ trợ tôi trong quá trình học tập

Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và người thân, đã cho tôi nguồn động viên tinh thần to lớn để hoàn thành luận văn này

Học viên

Võ Hoàng Nguyên

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC HẦM TRÒN ĐÀO NGANG LÊN ỨNG XỬ MÔI TRƯỜNG XUNG QUANH Tóm tắt

Hầm tròn đào ngang là dạng phổ biến nhất trong xây dựng công trình ngầm, đặc biệt khi sử dụng phương pháp khoan Trong đó, kích thước là một trong những yếu tố ảnh hưởng đáng kể lên khả năng ổn định của công trình Trên cơ sở số liệu địa chất khu vực Tp HCM, các biểu đồ tương quan giữa kích thước công trình và chuyển vị đường viền cũng như phạm vi vùng dẻo xung quanh công trình được thiết lập bằng phương pháp giải tích và mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng Phase 2 Kết quả cho thấy kích thước và chuyển vị đường viền có mối quan hệ gần tuyến tính trong môi trường đàn hồi dẻo, kích thước càng lớn thì phạm vi vùng dẻo càng mở rộng Ngoài ra, các biểu đồ quan hệ có thể là tài liệu tham khảo cho việc lựa chọn kích thước hầm tròn hợp lý đặt tại khu vực Tp HCM

ANALYSING EFFECT OF SIZE OF HORIZONTAL CIRCULAR TUNNEL ON BEHAVIOR OF SURROUNDING

Abstract

Horizontal circular tunnel is the most popular form of underground construction, especially using drilling method The tunnel size is one of the factors that affect construction stability Based on the geological data of Ho Chi Minh City area, the relationship between tunnel size and displacement of border as well as the plastic zone of surrounding is established using analytical method and simulation by software Phase 2 The results show that tunnel size and displacement of border have likely linear relationship in elasto - plastic environment, the bigger tunnel size is, the wider plastic zone is Besides, the relationship charts can be a references for estimating opproriate tunnel size located in Ho Chi Minh city

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Bùi Trường Sơn Công trình này không trùng lặp với bất kỳ nghiên cứu nào khác đã được công bố tại Việt Nam Các số liệu và thông tin trong nghiên cứu là hoàn toàn chính xác, trung thực và khách quan

Tp Hồ Chí Mính, tháng 5 năm 2016

Tác giả luận văn

Võ Hoàng Nguyên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BAN ĐẦU VÀ ỨNG XỬ ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG QUANH HẦM TRÒN ĐÀO NGANG 2

1.1 TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BAN ĐẦU 2

1.1.1 Định nghĩa và các yếu tố ảnh hưởng 2

1.1.2 Phân tích lý thuyết trạng thái ứng suất nguyên sinh 3

1.1.3 Ảnh hưởng của địa mạo và các quá trình địa chất 13

1.2 ỨNG XỬ ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG XUNG QUANH HẦM TRÒN ĐÀO NGANG 18

2.1.2 Khảo sát quy luật biến đổi cơ học 28

2.1.3 Kích thước khu vực cần khảo sát 31

2.1.4 Ý nghĩa của thành phần áp lực trong pi 31

2.1.5 Lời giải của Kirsch 32

2.2 MÔ HÌNH KHỐI ĐẤT ĐÁ ĐÀN HỒI DẺO 35

2.2.1 Sự hình thành vùng biến dạng dẻo không phá hoại 36

2.2.2 Xác định vùng phá hoại của đất đá xung quanh công trình hầm tròn 44

3.2.1 Trường hợp bán kính hầm tròn thay đổi, độ sâu chôn hầm không đổi 62

3.2.2 Bán kính hầm tròn không đổi, độ sâu chôn hầm thay đổi 65

3.3 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC HẦM TRÒN ĐÀO NGANG LÊN ỨNG XỬ MÔI TRƯỜNG XUNG QUANH, XÉT CÔNG TRÌNH NGẦM CÓ ĐỘ SÂU CHÔN LỚN 72

3.3.1 Bán kính hầm tròn thay đổi, độ sâu chôn hầm không đổi 72

3.3.2 Bán kính hầm tròn không đổi, độ sâu chôn hầm thay đổi 75

3.4 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC HẦM TRÒN ĐÀO NGANG LÊN PHẠM VI VÙNG DẺO 81

3.4.1 Công trình ngầm có độ sâu chôn nhỏ 81

3.4.2 Công trình ngầm có độ sâu chôn lớn: 84

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 88

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89 Tài liệu tham khảo 90 PHỤ LỤC 1

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Các thành phần ứng suất tại một điểm của khối đất đá 3

Hình 1.2 Sơ đồ đơn giản xác định trạng thái ứng suất nguyên sinh 4

Hình 1.3 Khối đất đá đàn hồi, phân lớp 9

Hình 1.4 Quy luật phân bố ứng suất trong khối đất đá đàn hồi, phân lớp 11

Hình 1.5 Trạng thái giới hạn trên biểu đồ Mohr 12

Hình 1.6 Mặt cắt địa hình không phẳng 14

Hình 1.7 Ví dụ phân tích trạng thái ứng suất nguyên sinh bằng phần mềm FLAC 14

Hình 1.8 Kết quả xác định phương và cường độ của ứng suất chính của trạng thái ứng suất nguyên sinh theo Amadei và Stephasson (1997) 15

Hình 1.9 Hệ số áp lực ngang trong khối đất đá phân lớp, nếp lồi 16

Hình 1.10 Áp lực ngang trong khối đất đá nứt nẻ 16

Hình 1.11 Ảnh hưởng của đặc điểm cấu trúc đến quy luật phân bố thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng 17

Hình 1.12 Hoạt động địa chất và các trạng thái ứng suất nguyên sinh 17

Hình 1.13 Một số dạng mặt cắt công trình ngầm, cấu trúc khối đất đá 19

Hình 1.14 Phân bố ứng suất xung quanh đường hầm trong khối đất đá đàn hồi 20

Hình 1.15 Sơ đồ vùng biến dạng dẻo và phân bố ứng suất quanh hầm (a) 21

Ổn định đường hầm theo thời gian (b) 21

Hình 1.16 Mô hình phân tích quá trình biến đổi cơ học trong khối đất đá xung quanh công trình ngầm tiết diện tròn 23

Hình 1.17 Các thành phần ứng suất và dịch chuyển tại phân tố thể tích dV 24

Hình 2.1 Quy luật phân bố ứng suất do áp lực trong 32

Hình 2.2 Ứng suất trong lỗ tròn quanh vật thể đàn hồi (Kirsch.1898; Jaeger và Cook 1976) 33

Hình 2.3 Biến thiên ứng suất tại đỉnh, đáy và hai hông hầm tròn biến đổi theo k (Hoek,1980) 35

Hình 2.4 Mô hình cơ học khối đất đá đàn hồi dẻo xung quanh hầm tròn đào ngang 36

Hình 2.5 Trạng thái ứng suất – biến dạng của khối đất đá trong điều kiện hình thành vùng biến dạng dẻo 37

Hình 2.6 Biểu đồ biểu thị tương tác của vỏ với khối đất đá 42

Hình 2.7 Biểu đồ ứng suất – biến dạng khối đất Lyberman 45

Hình 2.8 Phân bố ứng suất trong môi trường giòn lý tưởng 45

Hình 2.9 Đường bao ứng suất 46

Hình 2.10 Tổng quát ba vùng ứng suất xung quanh đường hầm 48

Hình 3.1 Mô hình tính toán Phase 2 58

Hình 3.2 Khai báo vật liệu cho mô hình đàn hồi 58

Hình 3.3 Khai báo địa vật liệu cho mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng 59

Hình 3.4 Khai báo trạng thái ứng suất ban đầu p1, p2 59

Hình 3.5 Chuyển vị xung quanh hầm tròn bán kính 0,1 m ở độ sâu 4m trong môi trường đàn hồi dẻo ý tưởng (bài toán 1) 60

Hình 3.6 Vùng dẻo quanh hầm tròn bán kính 0,1 m ở độ sâu 4m trong môi trường đàn hồi dẻo ý tưởng (bài toán 1) 61

Hình 3.7 Ảnh hưởng của kích thước đến chuyển vị đường viền hầm tròn trong môi trường đàn hồi ở độ sâu 4 m (bài toán 1) 63

Hình 3.8 Ảnh hưởng của kích thước đến chuyển vị đường viền hầm tròn trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng ở độ sâu 4 m (bài toán 1) 65

Hình 3.9 Ảnh hưởng của độ sâu chôn đến chuyển vị đường viền hầm tròn trong môi trường đàn hồi với bán kính r0 = 0,2 m (bài toán 2) 66

Hình 3.10 Ảnh hưởng của độ sâu chôn đến chuyển vị đường viền hầm tròn trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng với bán kính r0 = 0,2 m (bài toán 2) 67

Hình 3.11 Ảnh hưởng của độ sâu chôn đến chuyển vị đường viền hầm tròn trong môi trường đàn hồi với bán kính r0 = 0,5 m (bài toán 2) 68

Hình 3.12 Ảnh hưởng của độ sâu chôn đến chuyển vị đường viền hầm tròn trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng với bán kính r0 = 0,5 m (bài toán 2) 69

Hình 3.13 Ảnh hưởng của độ sâu chôn đến chuyển vị đường viền hầm tròn trong môi trường đàn hồi với bán kính r0 = 1,0 m (bài toán 2) 70

Hình 3.14 Ảnh hưởng của độ sâu chôn đến chuyển vị đường viền hầm tròn, xét trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng với bán kính r0 = 1,0 m (bài toán 2) 71

Hình 3.15 Ảnh hưởng của kích thước đến chuyển vị đường viền hầm tròn trong môi trường đàn hồi ở độ sâu 32 m (bài toán 3) 73

Hình 3.16 Ảnh hưởng của kích thước đến chuyển vị đường viền hầm tròn trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng ở độ sâu 32 m (bài toán 3) 74

Hình 3.17 Ảnh hưởng của độ sâu chôn đến chuyển vị đường viền hầm tròn trong môi trường đàn hồi với bán kính r0 = 1 m (bài toán 4) 76

Hình 3.18 Ảnh hưởng của độ sâu chôn đến chuyển vị đường viền hầm tròn trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng với bán kính r0 = 1 m (bài toán 4) 77Hình 3.19 Ảnh hưởng của độ sâu chôn đến chuyển vị đường viền hầm tròn trong môi trường đàn hồi với bán kính r0 = 2 m (bài toán 4) 78Hình 3.20 Ảnh hưởng của độ sâu chôn đến chuyển vị đường viền hầm tròn trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng với bán kính r0 = 2 m (bài toán 4) 79Hình 3.21 Ảnh hưởng của độ sâu chôn đến chuyển vị đường viền hầm tròn trong môi trường đàn hồi với bán kính r0 =3 m (bài toán 4) 80Hình 3.22 Ảnh hưởng của độ sâu chôn đến chuyển vị đường viền hầm tròn trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng với bán kính r0 =3 m (bài toán 4) 81Hình 3.23 Biểu đồ quan hệ giữa phạm vi vùng dẻo (re – r0) và bán kính hầm tròn ở độ sâu 4 m 82Hình 3.24 Biểu đồ quan hệ giữa phạm vi vùng dẻo (re – r0) và độ sâu chôn hầm với bán kính hầm tròn 0,5 m 84Hình 3.25 Biểu đồ quan hệ giữa phạm vị vùng dẻo (re – r0) và bán kính hầm tròn ở độ sâu 32 m 85Hình 3.26 Biểu đồ quan hệ giữa phạm vi vùng dẻo (re – r0) và độ sâu chôn hầm với bán kính hầm tròn 2,0 m 87

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Trạng thái ứng suất nguyên sinh ở các độ sâu khác nhau trong lớp sét pha dẻo cứng 54Bảng 3.2 Trạng thái ứng suất nguyên sinh ở các độ sâu khác nhau trong lớp sét dẻo cứng – nửa cứng 56Bảng 3.3 Giá trị chuyển vị đường viền của hầm tròn nằm ngang ở độ sâu 4 m tương ứng với các bán kính trong môi trường đàn hồi (bài toán 1) 62Bảng 3.4 Giá trị chuyển vị đường viền của hầm tròn nằm ngang ở độ sâu 4 m tương ứng với các bán kính trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng (bài toán 1) 64Bảng 3.5 Gía trị chuyển vị đường viền hầm tròn bán kính r0 = 0,2 m, nằm ngang theo độ sâu trong môi trường đàn hồi (bài toán 2) 66Bảng 3.6 Giá trị chuyển vị đường viền hầm tròn bán kính r0 = 0,2 m, nằm ngang theo độ sâu trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng (bài toán 2) 67Bảng 3.7 Giá trị chuyển vị đường viền hầm tròn bán kính r0 = 0,5 m, nằm ngang theo độ sâu trong môi trường đàn hồi (bài toán 2) 68Bảng 3.8 Giá trị chuyển vị đường viền hầm tròn bán kính r0 = 0,5 m, nằm ngang theo độ sâu trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng (bài toán 2) 69Bảng 3.9 Giá trị chuyển vị đường viền hầm tròn bán kính r0 = 1,0 m nằm ngang theo độ sâu trong môi trường đàn hồi (bài toán 2) 70Bảng 3.10 Giá trị chuyển vị đường viền hầm tròn bán kính r0 = 1,0 m, nằm ngang theo độ sâu trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng (bài toán 2) 71Bảng 3.11 Giá trị chuyển vị đường viền của hầm tròn nằm ngang ở độ sâu 32 m tương ứng với các bán kính trong môi trường đàn hồi (bài toán 3) 73Bảng 3.12 Giá trị chuyển vị đường viền của hầm tròn nằm ngang ở độ sâu 32 m tương ứng với các bán kính trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng (bài toán 3) 74Bảng 3.13 Giá trị chuyển vị đường viền hầm tròn bán kính r0 = 1,0 m, nằm ngang theo độ sâu trong môi trường đàn hồi (bài toán 4) 75Bảng 3.14 Giá trị chuyển vị đường viền hầm tròn bán kính r0 = 1,0 m, nằm ngang theo độ sâu trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng (bài toán 4) 76

Bảng 3.15 Giá trị chuyển vị đường viền hầm tròn bán kính r0 = 2,0 m, nằm ngang theo độ sâu trong môi trường đàn hồi (bài toán 4) 77Bảng 3.16 Giá trị chuyển vị đường viền hầm tròn bán kính r0 = 2,0 m, nằm ngang theo độ sâu trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng (bài toán 4) 78Bảng 3.17 Giá trị chuyển vị đường viền hầm tròn bán kính r0 = 3,0 m, nằm ngang theo độ sâu trong môi trường đàn hồi (bài toán 4) 79Bảng 3.18 Giá trị chuyển vị đường viền hầm tròn bán kính r0 = 3,0 m, nằm ngang theo độ sâu trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng (bài toán 4) 80Bảng 3.19 Phạm vi vùng dẻo (re – r0) của hầm tròn nằm ngang ở độ sâu 4 m tương ứng với các bán kính trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng 82Bảng 3.20 Phạm vi vùng dẻo (re – r0) của hầm tròn bán kính r0 = 0,5 m, nằm ngang theo độ sâu trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng 83Bảng 3.21 Phạm vi vùng dẻo (re – r0) của hầm tròn nằm ngang ở độ sâu 32 m tương ứng với các bán kính trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng 85Bảng 3.22 Phạm vi vùng dẻo (re – r0) của hầm tròn bán kính r0 = 2,0 m, nằm ngang theo độ sâu trong môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng 86

MỞ ĐẦU

Trong xây dựng công trình ngầm hiện nay, hầm tròn đào ngang là dạng phổ biến nhất Trong trường hợp này, do việc khai đào, trạng thái ứng suất biến dạng trong môi trường xung quanh thay đổi và ảnh hưởng đáng kể lên khả năng ổn định của công trình Trạng thái ứng suất biến dạng trong môi trường xung quanh không những phụ thuộc vào môi trường đất đá, độ chôn sâu, trạng thái ứng suất nguyên sinh, hình dạng gương đào mà còn phụ thuộc vào kích thước công trình

Đề tài “Phân tích ảnh hưởng của kích thước hầm tròn đào ngang lên ứng xử môi trường xung quanh” được chọn lựa nhằm phân tích yếu tố kích thước công trình ảnh hưởng lên đặc điểm phân bố ứng suất và biến dạng trong môi trường đất đá theo điều kiện công trình và địa chất đặc trưng của khu vực Tp Hồ Chí Minh

Kết quả phân tích đánh giá của luận văn giúp chọn lựa cấu kiện vỏ chống hợp lý theo kích cỡ công trình Điều này có ý nghĩa thực tiễn trong xây dựng các loại hình công trình chôn sâu như: đường dây ngầm, các hệ thống ống cấp thoát nước hay các công trình tương tự

Phương pháp nghiên cứu được chọn lựa cho luận văn bao gồm: - Tổng hợp các phương pháp cơ bản đánh giá trạng thái ứng suất biến dạng trong

môi trường xung quanh công trình hầm tròn đào ngang - Tính toán đánh giá kết hợp mô phỏng bằng phần mềm Phase 2

Việc tính toán phân tích trên cơ sở môi trường đàn hồi, đàn hồi dẻo – lý tưởng Ở đây, việc tính toán bằng giải tích được thực hiện nhờ phần mềm Excel và mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng Phase 2

Mục tiêu của đề tài: từ kết quả tính toán và phân tích theo phương pháp tính toán giải tích và mô phỏng bằng phần mềm rút ra các nhận định về chuyển vị đường viền và sự phát triển của vùng dẻo theo kích thước và độ sâu của công trình Điều kiện địa chất lấy theo địa chất đặc trưng của khu vực Tp Hồ Chí Minh

CHƯƠNG 1 TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BAN ĐẦU VÀ ỨNG XỬ ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG QUANH HẦM TRÒN ĐÀO NGANG 1.1 TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BAN ĐẦU

1.1.1 Định nghĩa và các yếu tố ảnh hưởng

Trạng thái ứng suất nguyên sinh(TTƯSNS) còn gọi là trạng thái ứng suất cơ bản, là trạng thái tồn tại ứng suất của khối đất đá trước khi khối đất đá chịu tác động kĩ thuật của con người Trong cơ học công trình ngầm, TTƯSNS có ý nghĩa cơ bản trong nghiên cứu, dự báo các biến đổi cơ học trong khối đất đá khi khai thác khoáng sản cũng như xây dựng công trình:

 Trước khi tiến hành xây dựng công trình phải tách bóc, lấy đi một phần vật chất ban đầu của khối đất đá Do đó, dẫn tới sự phân bố lại tải trọng cũng như áp lực, nghĩa là biến đổi TTƯSNS

 TTƯSNS được sử dụng như là điều kiện ban đầu và là điều kiện biên nghiên cứu, dự báo các quá trình biến đổi cơ học

Nói chung, TTƯSNS thường không đồng nhất, nghĩa là các thành phần ứng suất đều là các hàm số của tọa độ Những yếu tố cơ học cơ bản ảnh hưởng tới quy luật phân bố các trạng thái ứng suất trong khối đất đá:

 Ngoại lực, gồm có trọng lực hay lực trọng trường (lực khối) và lực kiến tạo (lực mặt)

 Các tính chất cơ học của khối đất đá

 Ngoài ra, còn có các quá trình hình thành và biến đổi đã và đang xảy ra trong khối đất đá, điều kiện địa chất (các đặc điểm cấu trúc của khối đất đá), điều kiện địa chất thủy văn, điều kiện địa hình, địa mạo

Khảo sát một phân tố thể tích bất kì trong khối đất đá trong hệ trục vuông góc, z là trục thẳng đứng theo chiều của trọng lực Trong trường hợp tổng quát, có 6 thành phần ứng suất (vì có 3 thành phần đối xứng) Khi xác định được 6 thành phần ứng suất tại một

điểm bất kì trong khối đất đá hoàn toàn có thể xác định được các ứng suất pháp tuyến chính và hệ trục chính

Hình1.1 Các thành phần ứng suất tại một điểm của khối đất đá

Trong thực tế, tùy theo yêu cầu và điều kiện cụ thể mà có thể xác định gần đúng TTƯSNS Hai nhóm phương pháp đang được sử dụng hiện nay là phân tích lý thuyết và đo đạt thực tế

1.1.2 Phân tích lý thuyết trạng thái ứng suất nguyên sinh 1.1.2.1 Khái quát trạng thái ứng suất nguyên sinh

Cho đến nay, việc xác định trạng thái ứng suất nguyên sinh bằng lý thuyết gặp nhiều khó khăn Bằng phương pháp giải tích, chưa mô phỏng được các yếu tố khác thường như lực kiến tạo, ảnh hưởng của các quá trình biến đổi địa chất Các vấn đề được phân tích sau đây được hình thành xuất phát từ giả thiết đơn giản về một số dạng cấu trúc của khối đất đá và chỉ chú ý đến lực trọng trường Đương nhiên, do các yếu tố này tồn tại tự nhiên, khách quan, nên các kết quả phân tích vẫn có ý nghĩa tổng quát

Với giả thiết chỉ có tác dụng của trọng lực, mặt đất là bằng phẳng, khối đất đá là đồng nhất, trục z là trục thẳng đứng kể từ mặt đất, khi đó các thành phần ứng suất trên mặt phẳng (x,y) ở độ sâu z bất kỳ trong khối đất đá, không phụ thuộc vào tọa độ x,y; các trục x,y,zđồng thời là các trục ứng suất chính (hình 1.2a)

Hình 1.2 Sơ đồ đơn giản xác định trạng thái ứng suất nguyên sinh

Từ phương trình cân bằng dz .dz, dễ dàng xác định được thành phần ứng suất z

Rõ ràng, với các giả thiết đã nêu và chỉ chú ý đến trọng lực, thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng tăng theo độ sâu kể từ mặt đất Hình 1.2b minh họa quy luật biến đổi của z cho trường hợp khối đất đá đồng nhất

Vì mỗi điểm trong khối đất đá được bao quanh bởi các điểm vật chất tương tự nếu coi khối đất đá là môi trường liên tục và mặt phẳng (x,y) là vô hạn nên biến dạng ngang của mọi phân tố đều bị cản trở (Hình 1.2c)

Như vậy, chú ý riêng đến tác dụng của trọng lực (lực trọng trường), dễ dàng xác định được z theo (1.1) và (1.2) Trong trường hợp này, các thành phần ứng suất theo phương nằm ngang thường được định nghĩa theo biểu thức:

1.1.2.2 Khối đất đá đàn hồi

Với giả thiết khối đất đá đàn hồi, các trạng thái ứng suất xuất hiện trong khối đất đá chưa gây ra tác động hóa dẻo hay phá hủy Trong mục này khảo sát các trườnghợp đơn giản sau:

a Khối đất đá đàn hồi, đẳng hướng và đồng nhất

Với giả thiết khối đất đá đồng nhất, thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng z

tại điểm (z) bất kỳ được xác định theo biểu thức (1.1):

0

EE

Trong trường hợp đặc biệt, khi  0, hằng số m  , khối đất đá được coi là vật thể chịu nén hoàn toàn, khi đó x y 0 Trong trường hợp này không xuất hiện các thành phần ứng suất theo phương nằm ngang

Khi  0,5, nghĩa là khối đất đá có biểu hiện như vật thể không chịu nén thể tích hoàn toàn, các thành phần ứng suất theo phương nằm ngang có giá trị như thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng tại điểm được xét, nghĩa là K0 1 và:

b Khối đất đá đàn hồi, dị hướng

Sau đây khảo sát hai trường hợp điển hình về khối đất đá có biểu hiện bất đẳng hướng là xuyên đẳng hướng và bất đẳng hướng trực giao

Trường hợp khối đất đá xuyên đẳng hướng, với trục z là trục đối xứng, thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng cũng được xác định theo (1.1), nghĩa là:

EE

2112

.1

EK

E





EE





(1.17)

Kết quả nhận được cho thấy, các thành phần ứng suất theo phương nằm ngang





(1.18)

Trong trường hợp này, các thành phần ứng suất nguyên sinh, theo hệ trục tọa độ đã chọn có thể hoàn toàn khác nhau, tùy thuộc vào các tham số cơ học của khối đất đá, nghĩa là:

c Khối đất đá đàn hồi, phân lớp (không đồng nhất)

Khối đất đá có thể bao gồm từ nhiều lớp đá khác nhau, nghĩa là không đồng nhất Xét trường hợp đơn giản: Các lớp đá nằm ngang, đồng nhất và đẳng hướng, mỗi lớp có chiều dày cố định là hi (i =1,2,3,….n) với các tham số biến dạng Ei và i, trọng lượng thể tích i(hình 1.3)

Hình 1.3 Khối đất đá đàn hồi, phân lớp

Để phân tích trạng thái ứng suất nguyên sinh, xét hai điểm A và B:

 Điểm A nằm trong một lớp k nào đó,

 Điểm B nằm ở vị trí ranh giới giữa lớp k và lớp k+1

Tại điểm A trong lớp k, thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng được xác định theo biểu thức:

kKK





trong khối đất đá đàn hồi, phân lớp

Hình 1.4 Quy luật phân bố ứng suất trong khối đất đá đàn hồi, phân lớp

1.1.2.3 Khối đất đá không đàn hồi, đồng nhất

Nếu khối đất đá có biểu hiện biến dạng không đàn hồi, chẳng hạn đàn hồi - nhớt, khi đó ứng suất nguyên sinh nói chung cũng phụ thuộc vào thời gian Để đơn giản giả thiết khối đất đá hình thành tại thời điểm t=0 và với t 0 thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng z .zconst nghĩa là không phụ thuộc vào thời gian

1.1.2.4 Độ sâu giới hạn và trạng thái ứng suất giới hạn dẻo trong khối đất đá đàn

hồi dẻo

Biểu thức 1.5 và hình 1.2b cho thấy, khi khối đất đá có biểu hiện đàn hồi, thành phần ứng suất theo phương ngang đều tăng tỷ lệ theo độ sâu Điều đó có nghĩa là tác động cơ học vào khối đất đá tăng theo độ sâu, nhưng khả năng chịu tải của khối đất đá lại có giới hạn Do vậy, phải tính đến khả năng là có thể từ một độ sâu nào đó zh0khối đất đá không còn ở trạng thái đàn hồi

Nói cách khác là các kết quả phân tích trong mục 1.1.2.2 chỉ có nghĩa khi khối đất đá có biểu hiện đàn hồi hay các thành phần ứng suất chưa thỏa mãn điều kiện phá hủy hay hóa dẻo Giả sử tạizh0các thành phần ứng suất đủ lớn và thỏa mãn điều kiện biến dạng dẻo hoặc phá hủy, vùng khối đất đá kể từ độ sâu zh0 sẽ chuyển sang trạng thái phá

hủy hay dẻo Độ sâuzh0được gọi là độ sâu giới hạnvà trạng thái ứng suất trong miền

0

zh được gọi là trạng thái ứng suất giới hạn dẻo hay giới hạn phá hủy Phân tích một trường hợp đơn giản với giả thiết rằng khối đất đá chuyển từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái dẻo theo điều kiện ứng suất tiếp lớn nhất Với điều kiện này, trên biểu đồ - ứng suất tiếp lớn nhất (hay ứng suất giới hạn) là đường thẳng *

max

  song song với trục (hình 1.5)

Hình 1.5 Trạng thái giới hạn trên biểu đồ Mohr

Trên biểu đồ cũng có thể biểu diễn trạng thái ứng suất nguyên sinh của khối đất đá đàn hồi, không đồng nhất bằng một đường thẳng:

tg

Đường thẳng này đi qua gốc tọa độ Ý nghĩa của  được thể hiện qua công thức:

00

0

1

1 21

11

Ksin

Ksin

Ksin

Từ điều kiện (1.26) cho thấy zh0:

0

21

maxh

K





(1.30)

Biểu thức (1.28) cho thấy độ sâu giới hạn h0 tính theo điều kiện sử dụng (1.27) càng lớn nếu giá trị K0 càng lớn.Trường hợp K0 = 1, theo (1.26) luôn cóx z, do vậy, không tồn tại độ sâu giới hạn, nghĩa là khối đất đá luôn đàn hồi Ngược lại, h0 càng nhỏ khi K0 càng nhỏ Điều này có ý nghĩa rằng hệ số áp lực ngang có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đến sự ổn định của khối đất đá

1.1.3 Ảnh hưởng của địa mạo và các quá trình địa chất

Trong thực tế, tùy thuộc vào vị trí khối đất đá cần khảo sát, mặt cắt ngang qua khối đá, theo phương tác dụng của trọng lực, không phải bao giờ cũng quy được về bán không gian vô hạn, đặc biệt khi các công trình được bố trí trong khu vực có đồi núi Nói chung, bề mặt Trái đất cũng như tất cả các bề mặt tự do (mặt lộ) của khối đất đá đều thể hiện là các mặt ứng suất chính đặc biệt Cụ thể là trên các mặt này không có ứng suất pháp và ứng suất tiếp

Đương nhiên, thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng trong khối đất đá luôn tăng cùng độ sâu địa tầng Tùy thuộc vào hình dạng của mặt cắt ngang, biến dạng ngang

của điểm được xét có thể không bị hạn chế hoàn toàn; do vậy, dẫn đến các thành phần ứng suất theo phương nằm ngang cũng phụ thuộc vào tọa độ Chẳng hạn, với mặt cắt ngang trên hình 1.6, tại các vị trí A, B và C các thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng khác nhau và để xác định các thành phần ứng suất

theo phương nằm ngang không thể dựa vào điều kiện (1.3)

Hình 1.6 Mặt cắt địa hình không phẳng

Hiện tại, vấn đề này chỉ có thể giải quyết nhờ các phương pháp số trong cơ học đất đá Miền khảo sát được coi là môi trường có trọng lượng với điều kiện không có ứng suất tiếp và pháp trên mặt tự do Khối đất đá được khảo sát cũng có thể bao gồm từ nhiều loại đất đá khác nhau Trên hình 1.7a là ví dụ kết quả phân tích trạng thái ứng suất nguyên sinh có chú ý đến địa hình Hình 1.7b mô phỏng địa hình bằng lưới sai phân và hình 1.7b biểu diễn các đường cùng có thành phần ứng suất chính lớn nhất 1 như nhau

a) b) Hình 1.7 Ví dụ phân tích trạng thái ứng suất nguyên sinh bằng phần mềm FLAC

Các thành phần ứng suất chính không còn trùng với hệ trục x, y, z đã sử dụng Hình 1.8 mô phỏng cường độ và hướng của các thành phần ứng suất chính có chú ý đến điều kiện địa hình, phụ thuộc vào từng vị trí cụ thể của điểm được khảo sát

Hình 1.8 Kết quả xác định phương và cường độ của ứng suất chính của trạng thái ứng

suất nguyên sinh theo Amadei và Stephasson (1997)

Kết quả phân tích bằng phần mềm FLAC và của Amadei và Stephasson (1997) cho thấy càng gần bề mặt địa hình, một trong hai thành phần ứng suất chính có hướng càng song song với bề mặt địa hình; càng cách xa bề mặt địa hình và càng xuống sâu, các hướng của các ứng suất chính có xu thế nhận các trục x, y, z là trục chính Đồng thời, ở độ sâu lớn có thể bỏ qua ảnh hưởng của địa hình

Trên đây chỉ giới thiệu kết quả phân tích đơn giản để thấy được khả năng của phương pháp số Nếu sử dụng các chương trình 3D hoàn toàn có thể phân tích được trạng thái ứng suất nguyên sinh, phân bố trong không gian có chú ý đến điều kiện địa hình, địa mạo và ở mức độ nhất định cả cấu trúc địa chất Đương nhiên, các kết quả nhận được chỉ có nghĩa đối với trường hợp phân tích cụ thể (kết quả số) và phụ thuộc nhiều vào các dữ liệu đầu vào

Ngoài ra, nhiều kết quả phân tích cho các khu vực có đồi núi cho thấy rất rõ những biến động của trạng thái ứng suất nguyên sinh (hệ số áp lực ngang K), tùy thuộc vào vị trí

điểm khảo sát, đặc biệt do ảnh hưởng của cấu tạo địa chất Trên các hình 1.9 và hình 1.10 là kết quả theo Rohkar về biến đổi của hệ số áp lực ngang

Hình 1.9 Hệ số áp lực ngang trong khối đất đá phân lớp, nếp lồi

Hình 1.10 Áp lực ngang trong khối đất đá nứt nẻ

Tùy theo cấu tạo địa chất, ví dụ các nếp lồi, nếp lõm, lớp nghiêng (hình 1.11) và khả năng truyền lực trong và giữa các nếp, các lớp đá, khi chỉ xét tác dụng của trọng lực, thành phần ứng suất nguyên sinh theo phương thẳng đứng, có thể nhận các giá trị không phù hợp theo (1.1), (1.2) Thực tế cho thấy thành phần ứng suất tác dụng theo phương thẳng đứng gây ra do lực trọng trường có thể lớn hơn, nhỏ hơn hoặc bằng các trị số tính theo (1.1), (1.2)

Hình 1.11 Ảnh hưởng của đặc điểm cấu trúc đến quy luật phân bố thành phần ứng suất

theo phương thẳng đứng

Trải qua nhiều quá trình biến động địa chất, vỏ Trái đất có thể được đẩy trồi lên, rồi lại bị xói mòn Trong quá trình đó, các ứng suất kiến tạo có thể được lưu lại trong khối đất đá (hình 1.12a) và khối đất đá không còn ở trạng thái cân bằng với các ngoại lực mới là trọng lực Sau đó, mặc dù phía trên bị xói mòn, các thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng bị suy giảm, nhưng các thành phần theo phương nằm ngang vẫn giữ nguyên giá trị nguyên thủy hoặc suy giảm không đáng kể (hình 1.12b) Do vậy, cường độ ứng suất theo phương nằm ngang có thể lớn hơn nhiều so với các thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng

Hình 1.12 Hoạt động địa chất và các trạng thái ứng suất nguyên sinh

Từ kết quả phân tích lý thuyết cho thấy, mặc dù chỉ chú ý đến trọng trường, song vì trạng thái ứng suất nguyên sinh phụ thuộc vào nhiều yếu tố ảnh hưởng khác nhau; do vậy, trong thực tế hệ trục (x, y, z) như đã định nghĩa không phải bao giờ cũng là hệ trục chính

Trong trường hợp này, cũng có thể sử dụng các hệ số áp lực khác nhau, định nghĩa bởi tỷ số giữa các thành phần áp lực (ứng suất) với nhau hoặc quy chiếu cho một thành phần nào đó Chẳng hạn, có thể tính thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng ztheo (1.1), (1.2) và quy đổi thành phần ứng suất thực tế gây ra do trọng lực bằng các hệ số áp lực khác nhau theo z Từ đó, nhận được tenser ứng suất dưới dạng:

Đương nhiên, cách biểu diễn theo (1.31) là phức tạp, bằng phương pháp quay trục tọa độ sẽ xác định được hệ trục chính trong từng trường hợp cụ thể, khi đó trạng thái ứng suất pháp chính là 1tl, 2tl, 3tl

1.2 ỨNG XỬ ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG XUNG QUANH HẦM TRÒN ĐÀO

NGANG 1.2.1 Khái quát

Công trình ngầm được xây dựng trong vỏ Trái đất với hình dạng, kích thước rất đa dạng, có vị trí và thế nằm xác định, phù hợp với mục tiêu và chức năng sử dụng Trên hình 1.13là một số dạng mặt cắt ngang cơ bản của các công trình ngầm Ngoài ra, dựa vào kích thước trong không gian, các công trình ngầm có thể được phân sơ bộ ra thành hai nhóm là các đường hầm với chiều dài lớn hơn rất nhiều so với kích thước tiết diện ngang, các hầm trạm ngầm với kích thước theo ba phương thường xấp xỉ như nhau

Nghiên cứu quy luật biến đổi trạng thái ứng suất – biến dạng trong khối đất đá xung quanh các công trình ngầm, trước tiên cần phân biệt hai trường hợp này [4]

Hình 1.13 Một số dạng mặt cắt công trình ngầm, cấu trúc khối đất đá

Trong thực tế, các quá trình biến đổi cơ học trong khối đất đá xung quanh các công trình ngầm là các vấn đề mang tính không gian và phụ thuộc vào thời gian, chi phối bởi nhiều yếu tố khác nhau, trong đó có các yếu tố cơ bản sau:

 Trạng thái ứng suất – biến dạng ban đầu của khối đất đá, bao gồm trạng thái ứng suất nguyên sinh và các dấu hiệu cơ học trong khối nguyên

 Đặc điểm cấu tạo và cấu trúc địa chất, cũng như tính chất cơ học của khối đất đá

 Hình dạng, kích thước (hay quy mô) của công trình, cụ thể là hình dạng và kích thước khoảng trống được khai đào vào trong khối đất đá và các tải trọng tác động vào khối đất đá

 Phương pháp thi công và các biện pháp công nghệ được áp dụng, chẳng hạn như thi công đào bằng phương pháp khoan nổ mìn hay bằng máy khoan đào, khiên đào, các biện pháp gia cố khối đất đá bằng neo hay khoan phụt

Trên hình 1.14 phác họa về sự biến đổi của thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng khi đào đường hầm Khi không xét trường hợp có thêm tải trọng ngoài, rõ ràng là do công tác đào (lấy đi một phần đất đá) nên phần đất đá xung quanh phải tiếp nhận thêm ứng suất

Hình 1.14 Phân bố ứng suất xung quanh đường hầm trong khối đất đá đàn hồi

Yếu tố thời gian nảy sinh do hai nguyên nhân là:

 Bản thân khối đất đá có các biểu hiện cơ học phụ thuộc vào thời gian (hiện tượng lưu biến)

 Quá trình thi công với các công tác khác nhau diễn biến theo thời gian Cũng vì các lý do đã nêu nên xu thế chung trong cơ học đất đá là phát triển các phương pháp, cho phép nghiên cứu được các bài toán không gian và chú ý yếu tố thời gian Song cho đến nay, đây luôn là vấn đề phức tạp, chỉ có thể tiến hành phân tích riêng cho từng trường hợp cụ thể bằng các phương pháp số ba chiều (3D), hoặc bằng giải tích với các bài toán biên và giả thiết đơn giản

Trong thực tế, khi nghiên cứu bằng giải tích đối với các công trình có chiều dài đủ lớn, có thể đưa bài toán không gian về bài toán phẳng (biến dạng phẳng hoặc ứng suất phẳng) Đường biên của khoảng trống ngầm được trơn hóa với các điều kiện biên đã được đơn giản hóa Các vùng gần gương đào thường được mô phỏng gần đúng bằng khoảng trống dạng nửa hình tròn hoặchình cầu

Với các đặc điểm nêu trên, có thể tổng quát được các mô hình tính toán trạng thái ứng suất – biến dạng trong khối đất đá xung quanh công trình ngầm gồm có 4mô hình chính, dựa trên các biểu hiện cơ học khác nhau của khối đất đá:

 Khối đất đá đàn hồi

Với khối đất đá đàn hồi, các trạng thái ứng suất xuất hiện trong khối đất đá chưa gây ra các tác động hóa dẻo hay phá hủy hoặc đơn giản là xem đất đá ứng xử như vật liệu đàn hồi tuân theo các định luật đàn hồi cơ bản

Trên thực tế, sau khi đào đường hầm tròn sâu trong khối đất đá, dưới tác dụng của trạng thái ứng suất tự nhiên sẽ hình thành quanh đường hầm một vùng đất đá ít nhiều bị xáo trộn tơi xốp gọi là vùng dẻo (vùng I, II trong hình 1.15a) Phía ngoài, sâu trong khối đất đá, vẫn giữ trạng thái đàn hồi – vùng III Trong vùng dẻo, các ứng suất pháp tiếp xúc và ứng suất pháp hướng bán kính r sẽ giảm dần từ trạng thái đàn hồi (đường nét rời) sang trạng thái ứng suất dẻo (đường nét liền) như minh họa trong hình 1.15a

Nếu không được chống đỡ và đất đá có độ bền kém, vùng dẻo sẽ phát triển theo thời gian và có thể dẫn tới đường hầm bị phá hoại dưới dạng sụt nóc hầm, bóc tách lớp đá tại mặt hông hầm hoặc nổ đá (rockbursts) thậm chí có thể dẫn tới sập lấp hầm Nếu đá chịu đựng được trạng thái ứng suất mới, đường hầm sẽ dần ổn định (hình 1.15b)

Hình 1.15 Sơ đồ vùng biến dạng dẻo và phân bố ứng suất quanh hầm (a)

Ổn định đường hầm theo thời gian (b)

Các kết quả nhận được cho thấy rằng trong khối đất đá đàn hồi – nhớt, trường ứng suất không thay đổi theo thời gian, tương tự như cho môi trường đàn hồi nhưng quá trình biến dạng cũng như dịch chuyển vừa phụ thuộc vào tọa độ vừa phụ thuộc vào thời gian, tuy nhiên, khi t  ∞ các đại lượng biến dạng và chuyển vị đạt giá trị hữu hạn Quá trình xảy ra thực chất là quá trình từ biến

Với các giả thiết khối đất đá xung quanh công trình ngầm có biểu hiện đàn hồi – nhớt, khi đó, trong suốt thời kỳ sử dụng sẽ không có quá trình phá hủy hay hóa dẻo xuất hiện

Với giả thiết khối đất đá là đàn hồi – nhớt, các quá trình biến đổi cơ học cho thấy quy luật biến đổi theo thời gian Đương nhiên do khả năng chịu tải của khối đất đá là hữu hạn, nên cũng có thể xuất hiện hiện tượng hóa dẻo hoặc phá hủy trong vùng xung quanh khoảng trống ngầm, khi các tiêu chuẩn bền hay phá hủy bị vi phạm Khối đất đá có thể chuyển từ trạng thái đàn hồi – nhớt sang trạng trạng thái đàn hồi – nhớt – dẻo tùy theo biểu hiện hay bản chất cơ học, với những diễn biến phức tạp

1.2.2 Điều kiện bài toán và sơ đồ bài toán khối đất đá đồng nhất

Các vấn đề được phân tích trong mục này xuất phát từ các điều kiện sau:

 Khối đất đá là đồng nhất, đẳng hướng và liên tục

 Công trình ngầm có tiết diện tròn, bán kính trong bằng ri

 Công trình ngầm được bố trí tại độ sâu lớn hơn đáng kể so với kích thước công trình (H >> ri)

 Áp lực tác dụng gây ra do địa tầng của khối đất đá bên trên với trọng lượng riêng γ, với p0 là áp lực địa tầng Còn pi là áp lực bên trong (nếu có) phân bố đều, mô phỏng phản lực của kết cấu chống, cũng như áp lực do các tải trọng khác (ví dụ áp lực nước) gây ra

Từ các điều kiện đó, bài toán được khảo sát theo sơ đồ như trên hình 1.16



i

rr

ip

ip

e

r

(r)

u0

Hình 1.16 Mô hình phân tích quá trình biến đổi cơ học trong khối đất đá xung quanh

công trình ngầm tiết diện tròn

1.2.3 Các phương trình cơ bản

Để giải bài toán đặt ra trước hết cần xây dựng các phương trình cơ bản, bao gồm phương trình cân bằng, phương trình liên tục của biến dạng và các điều kiện biên Các phương trình này phụ thuộc vào đặc tính của mô hình được chọn xây dựng cho khối đất đá

Hình 1.17 Các thành phần ứng suất và dịch chuyển tại phân tố thể tích dV

Vì sau khi đào khoảng trống, khối đất đá ở trong vùng xung quanh công trình ngầm chuyển sang trạng thái cân bằng mới, do vậy phân tố được khảo sát cũng phải ở trạng thái cân bằng tĩnh Như vậy, tổng hợp các lực tác dụng lên một trục bất kỳ phải triệt tiêu hay bằng 0 Cụ thể, nếu chiếu lên trục hướng tâm đi qua trọng tâm của phân tố, từ điều kiện tổng các thành phần lực tác dụng hướng tâm ΣPr=0, nhận được [4], [16]:

0;

0;

02 2)(.

.0





















drdr

drddr

dr

ddrd

drrdrdrdd

rP

rrr

rr

r

rrr

r















Ở đây:

  - ứng suất pháp theo phương tiếp tuyến

 r - ứng suất pháp theo phương hướng tâm Các phương trình trong (1.32) là các cách viết khác nhau của phương trình cân bằng cho phân tố dV Các phương trình đó cũng thường được viết dưới dạng:

1.2.3.2 Phương trình liên tục của biến dạng

Hình 1.17 biểu diễn sự dịch chuyển của phân tố thể tích dV Dưới tác dụng của các thành phần ứng suất, cạnh trong d.c của phân tố dịch chuyển đi một đoạn bằng u và mặt cắt ngoài a.b dịch chuyển đi một đoạn bằng u+du Như vậy, lúc đầu chiều dài cạnh là dr, sau khi dịch chuyển, biến dạng có độ dài là dr+du

Từ hình 1.17 có thể thiết lập được mối quan hệ giữa biến dạng tương đối theo phương hướng tâm và biến dạng tỷ đối theo phương tiếp tuyến (vòng) của cạnh trong theo các phương trình sau [4], [16]:

drdudr

drdudr



rurd

rddurds

dsds







(1.34)

Như vậy, từ u = r, có:

drdrdr

rddrdur



rdr

ddrd

r



1.2.3.3 Điều kiện biên

Theo sơ đồ của bài toán, có điều kiện biên sau:

Các phương trình từ (1.32) đến (1.36) được coi là các phương trình cơ bản của bài

toán khảo sát quá trình biến đổi cơ học trong khối đất đá xung quanh công trình ngầm (khoảng trống) tiết diện tròn, bán kính bằng ri

1.3 NHẬN XÉT CHƯƠNG

Trạng thái ứng suất biến dạng trong môi trường xung quanh công trình ngầm phụ thuộc vào trạng thái ứng suất ban đầu, môi trường đất đá và kích cỡ công trình Trong môi trường đàn hồi dẻo, phạm vi vùng dẻo ảnh hưởng đáng kể lên sự phân bố ứng suất nên ảnh hưởng lên đặc điểm biến dạng của môi trường đất đá Đối với môi trường có độ cứng lớn và khi ứng xử trong phạm vi đàn hồi, công trình có thể tự ổn định Đối với môi trường đất hay đá nứt nẻ và khi xuất hiện vùng dẻo với phạm vi lớn, cần thiết bố trí chống giữ để đảm bảo ổn định

Đề tài luận văn định hướng khảo sát đánh giá trạng thái ứng suất biến dạng trong môi trường xung quanh hầm tròn đào ngang ứng với kích cỡ công trình khác nhau và xây dựng quan hệ kích thước công trình với các đặc điểm ứng xử như vùng dẻo trong môi trường xung quanh ứng với điều kiện địa chất cụ thể