Tiểu luận cơ học đá (Trạng thái ứng suất thứ sinh)

Bài tiểu luận số MỤC LỤC SV: Đinh Văn Điệp Bài tiểu luận số 1 Tổng quan trạng thái ứng suất thứ sinh 1.1 Trạng thái ứng suất nguyên sinh Trạng thái ứng suất nguyên sinh, gọi trang thái ứng suất bản, trạng thái ứng suất tồn khối đá ( khối nguyên) trước khối đá chịu tác động kỹ thuật người Trong học đá, trạng thái ứng suất nguyên sinh có ý nghĩa công tác nghiên cứu dự báo trình biến đổi học khối đá khai thác khoáng sản xây dựng công trình 1.2 Trạng thái ứng suất thứ sinh Khi tiến hành khai đào xây dựng công trình ngầm khối đá làm phá vỡ trạng thái cân tự nhiên ban đầu khối đá (trạng thái ứng suất nguyên sinh) hình thành nên trạng thái ứng suất thỏa mãn điều kiện cân băng khối đá sau khai đào Trạng thái gọi “ trạng thái ứng suất thứ sinh”, trạng thái ứng suất thứ sinh dẫn đến biến đổi học khối đá, hình thành nên biến dạng, dịch chuyển dạng phá hủy khối đá Trạng thái biến đổi học thay đổi không thay đổi theo thời gian, dừng không dừng 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái ứng suất thứ sinh  Trạng thái học ban đầu khối đá: trạng thái ứng suất nguyên sinh dấu hiệu, đặc điểm học khối nguyên, biến đổi trước xây dựng công trình  Đặc điểm địa chất, cấu trúc tính chất học khối đá  Hình dạng, kích thước ( hay quy mô ) vị trí công trình: khoảng trốngđược khai đào hay vào khối đá tải trọng tác động vào khối đá  Phương pháp thi công biện pháp công nghệ áp dụng: thi công phương pháp khoan nổ mìn, máy, biện pháp gia cố khối đá neo hay khoan phụt… 1.4 Mô hình hóa sơ đồ toán biên SV: Đinh Văn Điệp Bài tiểu luận số Bài toán biên để nghiên cứu trình biến đổi học khối đá thành lập tùy theo yêu cầu cụ thể, nhiên thông thường gồm vấn đề sau:  Lập sơ đồ hình học khu vực cần khảo sát (biên )  Mô hình hóa đặc tính khối đá  Xây dựng, mô tả điều kiện biên (biên ), điều kiện ban đầu, ý tới trạng thái ứng suất nguyên sinh  Xây dựng điều kiện mô trình công nghệ 1.5 Lựa chọn phương pháp giải, phân tích toán:  Phương pháp giải tích: Giải trực tiếp hệ phương trình vi phân toán biên điều kiện biên, điều kiện ban đầu yếu tố công nghệ  Phương pháp số: Giải gần hệ phương trình vi phân băng phương pháp số Trạng thái ứng suất thứ sinh trình biến đổi học khối đá 2.1 Trạng thái trạng thái ứng suất thứ sinh môi trường đất đá đồng nhất, công trình ngầm tiết diện tròn 2.1.1.Điều kiện khảo sát sơ đồ toán  Khối đá đồng nhất, đẳng hướng liên tục  Công trình ngầm có tiết diện tròn, bán kính R  Công trình ngầm bố trí độ sâu H>>R  Khối đá có dung trọng trung bình  Trạng thái ứng suất nguyên sinh thủy tĩnh ( K = 1)  Khối đá mô mô hình học  Chu tuyến khoảng trống chịu thành phần áp lực q, phân bố đều, mô phản lực kết cấu chống, áp lực tải trọng khác gây Hình 1: Sơ đồ nghiên cứu trình biến đổi học khối đá xung quanh công trình ngầm tiết diện tròn 2.1.2.Lời giải toán SV: Đinh Văn Điệp Bài tiểu luận số Hình 2: Các thành phần ứng suất xuất khối xá xung quanh khoảng trống công trình ngầm Xét điểm thuộc khối đá xung quanh khoảng trống công trình ngầm ta có: - ứng suất hướng kính - ứng suất tiếp tuyến - ứng suất cắt R - bán kính đường hầm r - khoảng cách từ tâm O tới điểm xét θ góc phương Ox r P1 - áp lực theo phương ngang P2 - áp lực theo phương thẳng đứng  Các giá trị ứng suất phụ thuộc vào trạng thái ứng suất ban đầu khối đá, + + + + + + + + vào vị trí điểm xét, hình dạng cà kích thước đường hầm sau khai đào áp lực xung quanh hầm SV: Đinh Văn Điệp Bài tiểu luận số  Tại biên hầm r = R thì: + =0 + + Hình 3: Quy luật phân bố ứng suất biên hầm tròn 2.2 Trạng thái trạng thái ứng suất thứ sinh môi trường đất đá đồng nhất, công trình ngầm tiết diện không tròn Hình 4: Sơ đồ phân bố ứng suất tiết diện đường hầm không tròn SV: Đinh Văn Điệp Bài tiểu luận số Với đường lò có tiết diện không tròn ta thường đưa toán hình tròn tương đương để xem xét phân bố trạng thái ứng suất thứ sinh khối đá 2.3 Trạng thái trạng thái ứng suất thứ sinh khối đá đàn hổi dẻo, công trình ngầm tiết diện tròn Trong trường hợp môi trường khối đá đàn hồi dẻo sau khai đào công trình ngầm trạng thái ứng suất thứ sinh hình thành kèm theo vùng gọi vùng biến dạng dẻo Ở vùng biến dạng dẻo đất đá trạng thái không đàn hồi bị phá hủy Và vùng biến dạng dẻo nguyên nhân gây tượng ổn định cho công trình gây áp lực cho kết cấu chống giữ công trình ngầm Hình 5: Mô hình thành phần ứng suất xung quanh khối đá đàn hổi - dẻo 2.3.1.Xét trường hợp khối đá trạng thái dẻo lực dính SV: Đinh Văn Điệp Bài tiểu luận số Hình 6: Quy luật phân bố ứng suất xuất miền dẻo khối đá lực dính Với bán kính vùng dẻo R bán kính đường hầm Từ kết toán biên với giả thiết khối đá đàn hồi, ta có hiệu ứng suất sau: Hiệu ứng suất lớn q nhỏ, q lớn.Với q đủ nhỏ khả nhận tải khối đá không tương xứng với thành phần ứng suất tính từ giả thiết khối đá đàn hồi Xung quanh biên công trình ngầm xuất vùng dẻo Xét điểm nằm miền dẻo, tức R< r < ta có thành phần ứng suất tính sau: Với Xét điểm nằm miền dẻo, tức r ta có thành phần ứng suất tính theo công thức sau: Khi r = ta có: SV: Đinh Văn Điệp Bài tiểu luận số Để xác định bán kính miền dẻo ta có công thức sau: 2.3.2.Xét trường hợp khối đá trạng thái dẻo có ma sát lực dính Nếu khối đá trạng thái dẻo vừa có ma sát, vừa có lực dính phương trình phân bố ứng suất miền dẻo sau: 2.4 Đối với khối đá đàn hồi nhớt Giả thiết khối đá không chịu nén thể tích , chu tuyến khoảng trống phản lực, có biểu biến dạng mô hai mô hình đơn giản mô hình KELVIN mô hình MAXWELL + Mô hình KELVIN + Mô hình MAXWELL Điều kiện không chịu nén thể tích cho trạng thái biến dạng phẳng có dạng đơn giản là: Đối với khối đá có biểu mô hình KELVIN ta thu quy luật biến đổi sau: u= Hình 7: Quy luật phân bố ứng suất dịch chuyển khối đá theo mô hình KELVIN SV: Đinh Văn Điệp Bài tiểu luận số Đối với khối đá có biểu MAXWELL ta có biến dạng dịch chuyển khối đá xác định sau: u= 2.5 Trạng thái trạng thái ứng suất thứ sinh khối đá đàn hổi - nhớt - dẻo, công trình ngầm tiết diện tròn σ + ( m − 1)σ σr = mR −1 R d R ρ0 r  r     ρ0  ρ R R R σ d + ( m − 1)σ r σt = m mR −1 σ z = σ z + v ( ∆σ r + ∆σ t ) + v   r ∆u = r k1  E   ρ t     m R −1  r     ρ0  SV: Đinh Văn Điệp σ dR − R m −1 m R −1 σ dR − R m −1 R  σ = pa − ( pa − pi )  i   r  e r ρ  + k2  t   r   σ + ( m − 1) p ρ  ρt = ρ0  ρ  R  σ + ( m − 1)σ r  R d R d m R −1 R m R −1 m G +1   + k3  σ e = p + ( p − p )  Ri  a a i  t  r  e σ z = σ z0 ∆eu = 1+ v ( pa − pi ) Ri E r Bài tiểu luận số 2.6 Nghiên cứu trạng thái ứng suất thứ sinh mô hình tương đương phòng thí nghiệm mô hình số 2.6.1.Nghiên cứu trạng thái ứng suất thứ sinh mô hình tương đương Việc nghiên cứu ứng suất – biến dạng khối đá xung quanh công trình ngầm thực mô hình vật liệu tương đương theo tỷ lệ định Để thực việc nghiên cứu người ta phải lựa chọn, sử dụng đất đá có tính chất tương tự đất đá thực tế khu vực đường hầm đào qua, sau người ta tiến hành đắp mô hình đất đá tương đương với địa hình khu vực đường hầm công trình đào qua Sau đắp mô hình người ta chờ cho mô hình ổn định tiến hành lắp thiết bị cảm biến texơ ứng suất vào xung quanh khoảng trống đường hầm mô hình vị trí cần thiết để đo đạc giá trị ứng suất biến dạng câng thiết Hình 8: Các mô hình tương đương Trên sở kết đo đạc ứng suất biến dạng mô hình người ta thiết lập quy luật phân bố ứng suất – biến dạng xung quanh đường hầm ( có tỷ lệ phòng thí nghiệm ) sau quy đổi tỷ lệ đường hầm thực tế 2.6.2.Nghiên cứu trạng thái ứng suất thứ sinh mô hình số Hiện với phát triển khoa học kỹ thuật, máy tính thiết bị tính toán đại đời cho phép xây dựng, phân tích, tính toán cách nhanh hơn, tiện lợi so với phương pháp phân tích Các nhóm phương pháp số dựa sở phương pháp phần tử hữu hạn ( FEM ): Phase 2, Plaxis, Ansys, MiDAS…; SV: Đinh Văn Điệp 10 Bài tiểu luận số sai phân hữu hạn (FDM): FLAC 2D, FLAC 3D…; phần tử biên (BEM): Examine, phần tử rời rạc ( DEM ): UDEC phương pháp phần tử thanh… F L A C D 0 F L A C D 0 S t e p M o d e l P e r s p e c t iv e :5 :5 T h u M a r S t e p M o d e l P e r s p e c t iv e :5 :5 T h u M a r C e n te r : X : 0 e + 0 Y : 0 0 e + 0 Z : 0 e + 0 D is t : e + 0 C e n te r: X : 0 e + 0 Y : 0 0 e + 0 Z : 0 e + 0 D is t : e + 0 R o t a t io n : X : 0 0 Y : 0 0 Z : 0 0 M a g : A n g : 2 0 B l o c k S t a te R o t a t io n : X : 0 0 Y : 0 0 Z : 0 0 M a g : A n g : 2 0 C o n t o u r o f Z - D i s p la c e m e n t N one s h e a r-n s h e a r-p s h e a r - n s h e a r - p t e n s io n - p s h e a r-p M a g fa c = 0 e + 0 -1 e -0 to -1 0 e -0 -1 0 e -0 to -1 0 0 e -0 -1 0 0 e -0 to -7 0 e -0 -7 0 e -0 to -5 0 0 e -0 -5 0 0 e -0 to -2 0 e -0 -2 0 e -0 to 0 0 e + 0 0 0 0 e + 0 to 0 e - 0 2 0 e - 0 to 0 0 e - 0 0 0 e - 0 to 0 e - 0 0 e - 0 to 0 0 e - 0 1 0 0 e - 0 to e - 0 In te rv a l = e - 0 a I t a s c a C o n s u lt in g G r o u p , I n c M in n e a p o lis , M N U S A I t a s c a C o n s u lt in g G r o u p , I n c M in n e a p o lis , M N U S A F L A C D 0 b F L A C D 0 S t e p M o d e l P e r s p e c t iv e :0 :2 T h u M a r S t e p M o d e l P e r s p e c t iv e :0 :3 T h u M a r C e n te r : X : 0 e + 0 Y : 0 0 e + 0 Z : 0 e + 0 D is t : e + 0 C e n te r : X : 0 e + 0 Y : 0 0 e + 0 Z : 0 e + 0 D is t : e + 0 R o t a t io n : X : 0 0 Y : 0 0 Z : 0 0 M a g : A n g : 2 0 C o n t o u r o f X - D i s p la c e m e n t R o t a t io n : X : 0 0 Y : 0 0 Z : 0 0 M a g : A n g : 2 0 C o n to u r o f S Z Z M a g fa c = 0 e + 0 - e - 0 to - 0 0 e - 0 - 0 0 e - 0 to - 0 0 e - 0 -5 0 0 e -0 to 0 0 e + 0 0 0 0 e + 0 to 0 0 e - 0 0 0 e - 0 to 0 0 e - 0 1 0 0 e - 0 to 0 e - 0 1 0 e - 0 to 0 0 e - 0 0 0 e - 0 to 0 e - 0 0 e - 0 to e - 0 In te rv a l = e -0 M a g fa c = 0 e + 0 G r a d ie n t C a lc u la t io n - 9 e + 0 to - 0 e + 0 - 0 e + 0 to - 0 0 e + 0 - 0 0 e + 0 to - 0 e + 0 - 0 e + 0 to - 0 0 e + 0 - 0 0 e + 0 to - 0 0 e + 0 - 0 0 e + 0 to 0 0 e + 0 0 0 0 e + 0 to e + 0 In te rv a l = e + 0 c I t a s c a C o n s u lt in g G r o u p , I n c M in n e a p o lis , M N U S A I t a s c a C o n s u lt in g G r o u p , I n c M in n e a p o lis , M N U S A d Hình 9: Trạng thái ứng suất, biến dạng đường lò gần phay phá đứt dãy - chương trình FLAC 3D a Vùng biến dạng dẻo; b Biến dạng nền; c Biến dạng hông trái, phải; d.Vùng phần bố ứng suất thẳng đứng Hình 10: Trạng thái ứng suất xung quanh CTN hình tròn - chương trình Phase SV: Đinh Văn Điệp 11 Bài tiểu luận số Hình 11: Trạng thái ứng suất xung quanh CTN không tròn - chương trình Plaxis 3D Hình 12: Ứng suất - Biến dạng xung quanh đường lò tường thẳng vòm bán nguyệt - chương trình Examine Các tượng ổn định khối đá xung quanh công trình ngầm Sau khai đào, xây dựng công trình ngầm qua khối đất đá làm phá vỡ trạng thái ứng suất nguyên sinh, ứng suất khối đá phân bố lại hình thành nên trạng thái ứng suất thứ sinh.Trong khối đá xuất trình biến dạng, dịch chuyển phía khoảng trống công trình ngầm Nguy hiểm gây phá hủy công trình ngầm Từ gây nên hàng loạt vấn đề ổn định khối đá xung quanh khoảng trống công trình ngầm Trạng thái học dừng không dừng 3.1 Mất ổn định cấu trúc SV: Đinh Văn Điệp 12 Bài tiểu luận số Quá trình thường xuất nhiều dạng khác mà nguyên nhân chủ yếu hình thành khối nêm sập lở Dạng thường tróc, tách khối nứt, rơi, lở trượt khối nêm vào khoảng trống công trình ngầm đươc xây dựng Hình 1: Khối nên sập lở 3.2 Mất ổn định cho biến đổi học 3.2.1.Tróc vỡ Đất đá sườn ( hay hông ) công trình bị tróc vỡ tác động trượt, nén dọc hay uốn lớn bề mặt phá hủy Các bề mặt phá hủy mặt trượt bị vỡ nát mài nhẵn.Nhất khối đá dạng phân phiến mặt phá hủy hình thành mạnh Đặc biệt mặt phân phiến chạy song song với phương thẳng đứng Hình 2: Sập lở hông công trình ngầm 3.2.2.Sập lở đá phía SV: Đinh Văn Điệp 13 Bài tiểu luận số Sập lở phía đá phía công trình rơi xuống khoảng trống công trình ngầm mức độ khác Nguyên nhân gây sập lở đặc điểm cấu trúc không thuận lợi sập xuống tác dụng trọng lượng thân Trong trường hợp mặt phá hủy thường mặt phân lớp, phân phiến mặt khe nứt Sập lở tác dụng học vượt khả chịu tải đá phía ( kéo, nén, uốn) thường tạo vòm phá hủy Hình 3: Sập lở đá 3.2.3.Bùng công trình Bùng tượng trồi đá từ phía Nguyên nhân gây bùng tác dụng học vượt khả mang tải hay trương nở thể tích hút nước Hình 4: Áp lực nèn tượng bùng Kết luận nhận xét Từ kết phân tích ta thấy trạng thái ứng suất thứ sinh trình biến đổi học phụ thuộc vào trạng thái ứng suất nguyên sinh, hình dạng kích thước SV: Đinh Văn Điệp 14 Bài tiểu luận số tiết diện công trình ngầm, tính chất lý khối đá… Tuy nhiên tùy thuộc vào mức độ diễn biến trình xảy khối đá phân biệt trường hợp chủ yếu: a) Các tác động học nằm giới hạn định, chưa đạt tới giới hạn chịu tải khối đá, chưa đạt giới hạn ổn định khối đá, khối nêm xung quanh ngầm không xuất hiện tượng phá hủy, hóa dẻo dạng ổn định khác Biến dạng dịch chuyển đàn hổi không phụ thuộc vào thời gian đàn hồi nhớt phát triển theo thời gian b) Xung quanh công trình ngầm xuất vùng dẻo hay phá hủy cục vùng chịu kéo, vùng chịu nén ứng suất tập trung lớn Trong trường hợp xuất vết nứt rạn nóc, sườn công trình ngầm c) Xung quanh công trình ngầm xuất vùng phá hủy, hóa dẻo khép kín khoảng trống công trình ngầm, kích thước hình dạng vùng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác Tùy thuộc vào loại khối đá mà vùng dẻo hình thành tức thời không phụ thuộc phát triển theo thời gian d) Những khối đá có biểu đàn hồi - nhớt - dẻo giảm bền, tác động học đạt vượt khả mang tải khối đá, khối đá hình thành vùng dẻo giảm bền theo thời gian Mọi trình biến đổi học biến đổi theo thời gian SV: Đinh Văn Điệp 15 Bài tiểu luận số 1 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Quang Phích, 2007 Cơ học đá, NXB Xây dựng T.S Trần Tuấn Minh, 2016 Giáo trình Cơ học đá khối đá, NXB Xây dựng T.S Trần Tuấn Minh, 2014 Cơ học tính toán kết cấu chống giữ công trình ngầm T2 T.S Trần Tuấn Minh, 2014 Tin học ứng dụng xây dựng công trình Ngầm Mỏ NXB Xây dựng Đinh Văn Điệp, Trần Tiến Tùng, Lê Quang Chung, 2016 Nghiên cứu xác định khoảng cách tối thiểu công trình ngầm tới phay phá đứt gãy phương pháp số - Báo cáo NCKH SV SV: Đinh Văn Điệp 16