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.
Trang 1BỘ 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 2 TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH CÁC THAM SỐ
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - NĂM 2008
Trang 2BỘ 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 2 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
Trang 3MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật và xã hội ngày nay dẫn đến một loạt các hạng mục công trình có xu hướng được di chuyển xuống dưới lòng đất để đảm bảo điều kiện an toàn, tận dụng được không gian dưới ngầm bên dưới và không gây ảnh hưởng đến các hoạt động ở phía trên bề mặt đất Việc xây dựng các công trình ngầm dưới lòng đất đá phải tác động trực tiếp đến khối đất đá tạo khoảng trống ngầm và khối đá xung quanh công trình ở gần khu vực khai đào, xây dựng các công trình Việc khai đào tạo khoảng trống công trình ngầm trong lòng đất đá là nguyên nhân làm thay đổi trạng thái ứng suất nguyên sinh ban đầu tồn tại trong lòng khối đất đá và hình thành nên một trạng thái ứng suất mới (trạng thái ứng suất thứ sinh sau khai đào) Sự thay đổi trạng thái ứng suất trong khối đất đá sau khi khai đào công trình dẫn đến các quá trình biến đổi cơ học và hàng loạt các vấn đề
về mất ổn định của khối đất đá xung quanh khoảng trống công trình ngầm
Quá trình biến đổi cơ học trong khối đất đá xung quanh công trình ngầm phụ thuộc vào rất nhiều các tham số khác nhau có thể kể đến là điều kiện địa chất, địa hình, trạng thái ứng suất, hình dạng kích thước, v.v Sự ảnh hưởng của các tham số đến các quá trình biến đổi cơ học cũng rất khác nhau Để nghiên cứu các quy luật biến đổi cơ học trong khối đá hiện nay có rất nhiều các phương pháp, có thể kể đến là:
+ Phương pháp giải tích
+ Phương pháp số
+ Phương pháp quan trắc đo đạc
+ Phương pháp nghiên cứu trên mô hình
Tuy nhiên, do đặc tính phức tạp của khối đất đá là có chứa các mặt phân cách nứt nẻ và thay đổi liên tục nên việc nghiên cứu sự biến đổi cơ học cho mọi loại đất
đá là rất khó khăn và trên thực tế hiện nay không có một phương pháp nghiên cứu toàn năng nào được áp dụng cho mọi loại đất đá, mọi môi trường Hiện nay, với sự trợ giúp của các phương tiện máy tính với tốc độ xử lý số liệu nhanh mà nhóm các phương pháp số đã và đang chứng minh được sự nhanh chóng và tiện dụng của mình trong các phân tích số Phase 2 là một phần mềm được xây dựng trên cơ sở
Trang 4phương pháp phần tử hữu hạn có rất nhiều lợi ích trong quá trình phân tích, tính toán ổn định công trình ngầm
2 Mục đích nghiên cứu của đề tài
Phân tích sơ lược ưu, nhược điểm hay hạn chế của các phương pháp nghiên cứu Phương pháp giải tích thì lời giải đạt được ở dạng nghiệm tổng quát (nghiệm kín) quan hệ ứng suất, biến dạng thu được dưới dạng phương trình thể hiện ngay được quy luật biến đổi Tuy nhiên, lời giải giải tích chỉ giải được trên các sơ đồ mô hình đơn giản hoá (cụ thể) với các giả thiết đường hầm thường có dạng tròn hoặc trơn gần tròn trong môi trường đàn hồi hoặc đàn hồi dẻo Đối với đường hầm dạng không tròn trong các môi trường khác, có chú ý tới các yếu tố cấu trúc khối đá thì việc giải bằng giải tích sẽ trở nên rất khó khăn và phức tạp
Hiện nay nhóm các phương pháp phân tích số có thể chú được đến nhiều các yếu tố ảnh hưởng khác nhau như hình dạng, kích thước đường hầm, tham số cơ học
đá, trường ứng suất, tốc độ giải nhanh, v.v Tuy nhiên, kết quả phân tích số thường được xác định cho từng trường hợp cụ thể và phải làm rất nhiều mới có được quy luật tổng quát
Sự biến đổi cơ học của khối đất đá xung quanh công trình ngầm thì phụ thuộc vào rất nhiều các tham số khác nhau Hiện nay, với những ưu điểm của mình cũng như sự phát triển của các máy tính với tốc độ tính toán nhanh, các phương pháp phân tích số ngày càng thể hiện được ưu điểm vượt trội của mình trong các phân tích so với các phương pháp giải tích thông thường trước đây Chính vì vậy mà
việc “Nghiên cứu các quá trình biến đổi cơ học trong khối đất đá xung quanh
công trình ngầm trên cơ sở phân tích các tham số” phục vụ công tác nghiên cứu giảng dạy là điều cần thiết
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Sử dụng phương pháp số, cụ thể bằng chương trình Phase 2 kết hợp với phân tích tham số, nghĩa là tính với sự biến đổi của một hay nhiều tham số (hay các yếu tố ảnh hưởng) trong miền biến thiên nhất định để rút ra được quy luật ảnh hưởng
Do hạn chế về thời gian, và khuôn khổ của bản luận văn thạc sỹ kỹ thuật nên trong bản luận văn chỉ chú ý đến được một số các yếu tố ảnh hưởng (các tham số) sau:
Trang 5- Tham số kích thước công trình ngầm;
- Tham số độ sâu đặt công trình ngầm;
- Và một số tham số cơ học đá;
Còn các tham số khác xin được phép nghiên cứu tiếp trong các bài toán cụ thể sau này
4 Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp phân tích lý thuyết kết hợp với sử dụng phần mềm Phase 2 có chú ý tới sự thay đổi các tham số để tìm hiểu quy luật phân bố, sự thay đổi quy luật cơ học của ứng suất và biến dạng cũng như vùng biến dạng phá huỷ xung quanh các khoảng trống đường hầm
5 Nội dung nghiên cứu
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 suet biến dạng, quy luật biến đổi cơ học xung quanh đường hầm phục vụ công tác nghiên cứu giảng dạy và thiết kế
6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Có thể giúp người đọc và sinh viên có cái nhìn tổng quan và sâu sắc hơn về vai trò của một phương pháp số cụ thể trong phân tích cơ học Đánh giá được ảnh hưởng của các tham số khác nhau đến sự thay đổi quy luật cơ học xung quanh khoảng trống công trình ngầm, từ đó có thể đưa ra được những nhận xét thấu đáo hơn về ảnh hưởng của các tham số đó Tìm hiểu được sự thay đổi các biểu hiện cơ học trong lòng khối đất đá xung quanh đường hầm, qua đó có thể đưa ra được những dự đoán sự phá huỷ cũng như dự tính được biện pháp khai đào và chống giữ đường hầm một cách phù hợp
7 Cấu trúc của luận văn
Luận văn bao gồm phẩn mở đầu 6 chương, 143 hình vẽ và 49 bảng biểu
- 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
- Tổng quan phần mềm Phase 2
- 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 2
Trang 6- Phân tích biến đổi cơ học trong khối đất đá có chú ý đến độ sâu đặt công trình ngầm
- 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
- Phân tích biến đổi cơ học khi có chú ý đến sự 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 đã giành rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ Tác giả trong suốt quá trình công tác cũng như trong quá trình hướng dẫn Tác giả làm bản luận văn tốt nghiệp này Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thày, các cô trong bộ môn Xây dựng công trình ngầm và Mỏ cũng như các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ Tác giả trong quá trình hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình Do hiểu biết còn hạn chế và trình độ còn có hạn nên chắc chắn trong bản luận văn sẽ còn có những thiết sót, rất mong nhận được nhiều sự đóng góp ý kiến của các thày cô và các bạn đồng nghiệp
để cho bản luận văn được hoàn chỉnh hơn
Trang 7MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
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 5
1.1 Giới thiệu chung 5
1.2 Các phương pháp nghiên cứu quá trình biến đổi cơ học trong khối đất đá xung quanh công trình ngầm 5
1.2.1 Phương pháp giải tích 5
1.2.2 Phương pháp quan trắc đo đạc 6
1.2.3 Các phương pháp số 7
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) 9
1.2.3.6 Phương pháp phần tử thanh 10
1.2.3.7 Khả năng kết hợp các phương pháp số 10
Chương 2:TỔNG QUAN PHẦN MỀM PHASE 2 12
2.1 Khái quát chung 12
2.2 Quan hệ ứng suất biến dạng của phần tử tam giác trong Phase 2 13
2.3 Xác định chuyển vị tại các nút trong phần tử I 16
2.3.1 Xác định các chuyển vị theo 3 phương của tấm I và tấm II 16
2.3.2 Xác định ứng suất trong từng tấm I và II. 16
2.4 Tham số đầu vào của Phase 2 17
2.5 Kết cấu chống giữ 17
2.6 Kết quả 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 2 21
3.1 Khái quát chung 21
Trang 83.2 Phân tích quy luật biến đổi cơ học trong khối đất đá có chú ý đến yếu tố kích
thước công trình ngầm 21
3.2.1 Mô hình lý thuyết phân tích biến đổi cơ học có chú ý đến sự thay đổi kích thước công trình ngầm 21
3.2.2 Mô hình phân tích bằng Phase 2 24
3.2.3 Tìm quy luật biến đổi của ứng suất 25
3.2.4 Quy luật biến đổi của biến dạng 32
3.2.5 Vùng phá huỷ và 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 phỏng mô hình bằng chương trình Phase 2 43
4.4 Các kết quả phân tích biến đổi cơ học bằng chương trình Phase 2 44
4.4.1 Quy luật phân bố ứng suất xung quanh đường hầm ở các độ sâu khác nhau 44
4.4.2 Quy luật biến đổi của biến dạng xung quanh biên hầm 51
4.4.3 Sự phá huỷ và dịch chuyển biên hầm ở các độ sâu khác nhau 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 bằng Phase 2 có chú ý đến sự thay đổi các tham số cơ học đá 59
5.2.1 Kết quả phân tích mô hình ban đầu 60
5.2.2 Quy luật biến đổi cơ học khi thay đổi hệ số Poisson 63
5.2.3 Quy luật biến đổi cơ học khi thay đổi độ bền kéo ( k ) của đá 74
5.2.4 Quy luật biến đổi cơ học khi thay đổi góc ma sát trong ( ) của đá 78
5.2.5 Quy luật biến đổi cơ học khi thay đổi lực dính kết (c) của đá 86
5.3 Nhận xét 62
Trang 9Chương 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 quả phân tích biến đổi cơ học bằng Phase 2 có chú ý tới sự 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 đã được công bố liên quan đến đề tài luận văn:
1 Nguyễn Văn Mạnh, Trần Tuấn Minh, Trịnh Đăng Hưng (2006), “Chương trình
Phase 2 và khả năng ứng dụng trong tính toán ổn định công trình ngầm”, Tạp chí
khoa học công nghệ mỏ, Hà Nội
2 Trần Tuấn Minh (2006), “Phân tích ứng suất - biến dạng xung quanh công trình
ngầm đặt nông gần mặt đất bằng chương trình Phase 2”, Tuyển tập báo cáo hội
nghị khoa học lần thứ 17trường Đại học Mỏ - Địa chất
3 Trần Tuấn Minh, Nguyễn Viết Định (2007), “Phân tích ổn định khối đá xung quanh công trình ngầm trên cơ sở xem xét đến sự thay đổi bề mặt và tham số cơ
học đá bằng chương trình Phase 2”, Tuyển tập Proceeding numerical modeling in
mechanics, Hà Nội
Luận văn được lưu giữ ở bộ môn Xây dựng công trình ngầm và 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.