Sử dụng phần mềm phương pháp số Phase 2 trên cơ sở có chú ý đến sự thay đổi các tham số khác nhau (tham số kích thước hình dạng, tham số độ sâu đặt đường hầm, một số tham số cơ học đá) phân tích, tìm hiểu quy luật phân bố ứng suất biến dạng, quy luật biến đổi cơ học xung quanh đường hầm phục vụ công tác nghiên cứu giảng dạy và thiết kế.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRẦN TUẤN MINH NGHIÊN CỨU CÁC QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI CƠ HỌC TRONG KHỐI ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH CÔNG TRÌNH NGẦM BẰNG CHƯƠNG TRÌNH PHASE TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH CÁC THAM SỐ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - NĂM 2008 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRẦN TUẤN MINH NGHIÊN CỨU CÁC QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI CƠ HỌC TRONG KHỐI ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH CÔNG TRÌNH NGẦM BẰNG CHƯƠNG TRÌNH PHASE TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH CÁC THAM SỐ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Mã số: 60.58.50 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS Nguyễn Quang Phích TS Dương Đức Hùng HÀ NỘI - NĂM 2008 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Sự phát triển khoa học kỹ thuật xã hội ngày dẫn đến loạt hạng mục công trình có xu hướng di chuyển xuống lòng đất để đảm bảo điều kiện an toàn, tận dụng không gian ngầm bên không gây ảnh hưởng đến hoạt động phía bề mặt đất Việc xây dựng công trình ngầm lòng đất đá phải tác động trực tiếp đến khối đất đá tạo khoảng trống ngầm khối đá xung quanh công trình gần khu vực khai đào, xây dựng công trình Việc khai đào tạo khoảng trống công trình ngầm lòng đất đá nguyên nhân làm thay đổi trạng thái ứng suất nguyên sinh ban đầu tồn lòng khối đất đá hình thành nên trạng thái ứng suất (trạng thái ứng suất thứ sinh sau khai đào) Sự thay đổi trạng thái ứng suất khối đất đá sau khai đào công trình dẫn đến trình biến đổi học hàng loạt vấn đề ổn định khối đất đá xung quanh khoảng trống công trình ngầm Quá trình biến đổi học khối đất đá xung quanh công trình ngầm phụ thuộc vào nhiều tham số khác kể đến điều kiện địa chất, địa hình, trạng thái ứng suất, hình dạng kích thước, v.v Sự ảnh hưởng tham số đến trình biến đổi học khác Để nghiên cứu quy luật biến đổi học khối đá có nhiều phương pháp, kể đến là: + Phương pháp giải tích + Phương pháp số + Phương pháp quan trắc đo đạc + Phương pháp nghiên cứu mô hình Tuy nhiên, đặc tính phức tạp khối đất đá có chứa mặt phân cách nứt nẻ thay đổi liên tục nên việc nghiên cứu biến đổi học cho loại đất đá khó khăn thực tế phương pháp nghiên cứu toàn áp dụng cho loại đất đá, môi trường Hiện nay, với trợ giúp phương tiện máy tính với tốc độ xử lý số liệu nhanh mà nhóm phương pháp số chứng minh nhanh chóng tiện dụng phân tích số Phase phần mềm xây dựng sở phương pháp phần tử hữu hạn có nhiều lợi ích trình phân tích, tính toán ổn định công trình ngầm Mục đích nghiên cứu đề tài Phân tích sơ lược ưu, nhược điểm hay hạn chế phương pháp nghiên cứu Phương pháp giải tích lời giải đạt dạng nghiệm tổng quát (nghiệm kín) quan hệ ứng suất, biến dạng thu dạng phương trình thể quy luật biến đổi Tuy nhiên, lời giải giải tích giải sơ đồ mô hình đơn giản hoá (cụ thể) với giả thiết đường hầm thường có dạng tròn trơn gần tròn môi trường đàn hồi đàn hồi dẻo Đối với đường hầm dạng không tròn môi trường khác, có ý tới yếu tố cấu trúc khối đá việc giải giải tích trở nên khó khăn phức tạp Hiện nhóm phương pháp phân tích số đến nhiều yếu tố ảnh hưởng khác hình dạng, kích thước đường hầm, tham số học đá, trường ứng suất, tốc độ giải nhanh, v.v Tuy nhiên, kết phân tích số thường xác định cho trường hợp cụ thể phải làm nhiều có quy luật tổng quát Sự biến đổi học khối đất đá xung quanh công trình ngầm phụ thuộc vào nhiều tham số khác Hiện nay, với ưu điểm phát triển máy tính với tốc độ tính toán nhanh, phương pháp phân tích số ngày thể ưu điểm vượt trội phân tích so với phương pháp giải tích thông thường trước Chính mà việc “Nghiên cứu trình biến đổi học khối đất đá xung quanh công trình ngầm sở phân tích tham số” phục vụ công tác nghiên cứu giảng dạy điều cần thiết Đối tượng phạm vi nghiên cứu Sử dụng phương pháp số, cụ thể chương trình Phase kết hợp với phân tích tham số, nghĩa tính với biến đổi hay nhiều tham số (hay yếu tố ảnh hưởng) miền biến thiên định để rút quy luật ảnh hưởng Do hạn chế thời gian, khuôn khổ luận văn thạc sỹ kỹ thuật nên luận văn ý đến số yếu tố ảnh hưởng (các tham số) sau: - Tham số kích thước công trình ngầm; - Tham số độ sâu đặt công trình ngầm; - Và số tham số học đá; Còn tham số khác xin phép nghiên cứu tiếp toán cụ thể sau Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp phân tích lý thuyết kết hợp với sử dụng phần mềm Phase có ý tới thay đổi tham số để tìm hiểu quy luật phân bố, thay đổi quy luật học ứng suất biến dạng vùng biến dạng phá huỷ xung quanh khoảng trống đường hầm Nội dung nghiên cứu Sử dụng phần mềm phương pháp số Phase sở có ý đến thay đổi tham số khác (tham số kích thước hình dạng, tham số độ sâu đặt đường hầm, số tham số học đá) phân tích, tìm hiểu quy luật phân bố ứng suet biến dạng, quy luật biến đổi học xung quanh đường hầm phục vụ công tác nghiên cứu giảng dạy thiết kế Ý nghĩa khoa học thực tiễn Có thể giúp người đọc sinh viên có nhìn tổng quan sâu sắc vai trò phương pháp số cụ thể phân tích học Đánh giá ảnh hưởng tham số khác đến thay đổi quy luật học xung quanh khoảng trống công trình ngầm, từ đưa nhận xét thấu đáo ảnh hưởng tham số Tìm hiểu thay đổi biểu học lòng khối đất đá xung quanh đường hầm, qua đưa dự đoán phá huỷ dự tính biện pháp khai đào chống giữ đường hầm cách phù hợp Cấu trúc luận văn Luận văn bao gồm phẩn mở đầu chương, 143 hình vẽ 49 bảng biểu - Tổng quan trình biến đổi học khối đất đá xung quanh khoảng trống công trình ngầm phương pháp nghiên cứu - Tổng quan phần mềm Phase - Phân tích trình biến đổi học sở xem xét thay đổi kích thước công trình ngầm chương trình Phase - Phân tích biến đổi học khối đất đá có ý đến độ sâu đặt công trình ngầm - Phân tích biến đổi học khối đất đá có ý đến tham số học đất đá xung quanh khoảng trống công trình ngầm - Phân tích biến đổi học có ý đến thay đổi tỷ số ứng suất nguyên sinh Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Quang Phích, người giành nhiều quan tâm giúp đỡ Tác giả suốt trình công tác trình hướng dẫn Tác giả làm luận văn tốt nghiệp Tác giả xin chân thành cảm ơn thày, cô môn Xây dựng công trình ngầm Mỏ bạn đồng nghiệp giúp đỡ Tác giả trình hoàn thành luận văn tốt nghiệp Do hiểu biết hạn chế trình độ có hạn nên chắn luận văn có thiết sót, mong nhận nhiều đóng góp ý kiến thày cô bạn đồng nghiệp luận văn hoàn chỉnh MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI CƠ HỌC TRONG KHỐI ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH KHOẢNG TRỐNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu chung .5 1.2 Các phương pháp nghiên cứu trình biến đổi học khối đất đá xung quanh công trình ngầm 1.2.1 Phương pháp giải tích 1.2.2 Phương pháp quan trắc đo đạc .6 1.2.3 Các phương pháp số 1.2.3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) .8 1.2.3.2 Phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) .9 1.2.3.4 Phương pháp phần tử biên (BEM) .9 1.2.3.5 Phương pháp phần tử rời rạc (DEM) 1.2.3.6 Phương pháp phần tử .10 1.2.3.7 Khả kết hợp phương pháp số 10 Chương 2: TỔNG QUAN PHẦN MỀM PHASE 12 2.1 Khái quát chung 12 2.2 Quan hệ ứng suất biến dạng phần tử tam giác Phase 13 2.3 Xác định chuyển vị nút phần tử I .16 2.3.1 Xác định chuyển vị theo phương I II 16 2.3.2 Xác định ứng suất I II 16 2.4 Tham số đầu vào Phase 17 2.5 Kết cấu chống giữ 17 2.6 Kết phân tích 18 Chương 3: PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI CƠ HỌC TRÊN CƠ SỞ XEM XÉT SỰ THAY ĐỔI KÍCH THƯỚC CÔNG TRÌNH NGẦM BẰNG CHƯƠNG TRÌNH PHASE 21 3.1 Khái quát chung 21 3.2 Phân tích quy luật biến đổi học khối đất đá có ý đến yếu tố kích thước công trình ngầm 21 3.2.1 Mô hình lý thuyết phân tích biến đổi học có ý đến thay đổi kích thước công trình ngầm 21 3.2.2 Mô hình phân tích Phase 24 3.2.3 Tìm quy luật biến đổi ứng suất 25 3.2.4 Quy luật biến đổi biến dạng 32 3.2.5 Vùng phá huỷ dịch chuyển biên đào .36 3.3 Nhận xét 39 Chương 4: PHÂN TÍCH BIẾN ĐỔI CƠ HỌC TRONG KHỐI ĐẤT ĐÁ CÓ CHÚ Ý ĐẾN ĐỘ SÂU ĐẶT CÔNG TRÌNH NGẦM .40 4.1 Giới thiệu chung 40 4.2 Mô hình lý thuyết 40 4.3 Mô mô hình chương trình Phase 43 4.4 Các kết phân tích biến đổi học chương trình Phase 44 4.4.1 Quy luật phân bố ứng suất xung quanh đường hầm độ sâu khác .44 4.4.2 Quy luật biến đổi biến dạng xung quanh biên hầm 51 4.4.3 Sự phá huỷ dịch chuyển biên hầm độ sâu khác 54 4.5 Nhận xét 57 Chương 5: PHÂN TÍCH BIẾN ĐỔI CƠ HỌC TRONG KHỐI ĐẤT ĐÁ CÓ CHÚ Ý ĐẾN CÁC THAM SỐ CƠ HỌC ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH KHOẢNG TRỐNG CÔNG TRÌNH NGẦM 59 5.1 Giới thiệu chung .59 5.2 Xây dựng mô hình phân tích Phase có ý đến thay đổi tham số học đá 59 5.2.1 Kết phân tích mô hình ban đầu 60 5.2.2 Quy luật biến đổi học thay đổi hệ số Poisson 63 5.2.3 Quy luật biến đổi học thay đổi độ bền kéo (k) đá .74 5.2.4 Quy luật biến đổi học thay đổi góc ma sát () đá 78 5.2.5 Quy luật biến đổi học thay đổi lực dính kết (c) đá .86 5.3 Nhận xét 62 Chương 6: PHÂN TÍCH BIẾN ĐỔI CƠ HỌC KHI CÓ CHÚ Ý ĐẾN SỰ THAY ĐỔI TỶ SỐ ỨNG SUẤT NGUYÊN SINH .94 6.1 Giới thiệu chung .94 6.2 Điều kiện đầu vào cho phân tích .94 6.3 Kết phân tích biến đổi học Phase có ý tới thay đổi ứng suất nguyên sinh 97 KẾT LUẬN 103 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO .106 - Những công trình khoa học công bố liên quan đến đề tài luận văn: Nguyễn Văn Mạnh, Trần Tuấn Minh, Trịnh Đăng Hưng (2006), “Chương trình Phase khả ứng dụng tính toán ổn định công trình ngầm”, Tạp chí khoa học công nghệ mỏ, Hà Nội Trần Tuấn Minh (2006), “Phân tích ứng suất - biến dạng xung quanh công trình ngầm đặt nông gần mặt đất chương trình Phase 2”, Tuyển tập báo cáo hội nghị khoa học lần thứ 17 trường Đại học Mỏ - Địa chất Trần Tuấn Minh, Nguyễn Viết Định (2007), “Phân tích ổn định khối đá xung quanh công trình ngầm sở xem xét đến thay đổi bề mặt tham số học đá chương trình Phase 2”, Tuyển tập Proceeding numerical modeling in mechanics, Hà Nội Luận văn lưu giữ môn Xây dựng công trình ngầm mỏ, khoa Xây Dựng, thư viện trường đại học Mỏ-Địa chất, số 18 - Phố Viên - Phường Đức Thắng - Quận Bắc Từ Liêm - Thành phố Hà Nội