Nghiên cứu ảnh hưởng của sự dị hướng độ bền của đá phân lớp, phân phiến, nứt nẻ đến sự ổn định của công trình ngầm thủy công (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM PHẠM QUỐC TUẤN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ DỊ HƯỚNG ĐỘ BỀN CỦA ĐÁ PHÂN LỚP, PHÂN PHIẾN, NỨT NẺ ĐẾN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA CÔNG TRÌNH NGẦM THỦY CÔNG Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số: 62 58 02 11 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2017 Công trình hoàn thành Viện khoa học thủy lợi Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Quốc Dũng – Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam GS.TS Feng Xia -Ting – Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc Phản biện 1:………………………………………………… ……………………………………………………………… Phản biện 2:………………………………………………… ………………………………………………………… Phản biện 3:………………………………………………… ………………………………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện họp Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, 171 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội Vào hồi…… …… ngày ……… tháng … Năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Việt Nam Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết đề tài Hiện Việt Nam công trình ngầm thi công nhiều dự án sở hạ tầng như: thuỷ lợi, thuỷ điện, giao thông, sở hạ tầng… Khi thi công công trình ngầm qua vùng đá phiến, phân lớp, nứt nẻ mạnh, thời gian thi công bị kéo dài, đòi hỏi trình khảo sát phải nghiên cứu cẩn thận, nhiều thời gian đề biện pháp thi công thích hợp Do đó, nghiên cứu ảnh hưởng tính dị hướng phân lớp, phân phiến vấn đề cần thiết thực tiễn đặt ra.Vấn đề ổn định bền vùng đất đá dị hướng xung quanh đường hầm thủy công, thông qua số ổn định bền vấn đề cấp thiết phục vụ kỹ sư đưa định nhanh xác 1.2 Mục tiêu nghiên cứu − Thí nghiệm nén ba trục mẫu đá dị hướng đá sét vôi thuộc hệ tầng Đồng Giao, thuộc công trình thủy điện Sập Việt Xây dựng quan hệ thông số độ bền cắt yếu tố dị hướng góc dị hướng − Xác định thông số đàn hồi dị hướng khối đá dị hướng thông qua việc sử dụng kết thí nghiệm phòng, áp dụng mô hình hồi qui tuyến tính đa biến − Xây dựng hệ số ổn định bền đường hầm thủy công qua vùng đá phân lớp, phân phiến, nứt nẻ mạnh, hệ số FAAI 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu − Đối tượng nghiên cứu: Đường hầm thủy công qua đá nứt nẻ, phân lớp, phân phiến − Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thông số độ bền dị hướng dị hướng đàn hồi khối đá dị hướng (phân phiến) công trình thủy điện Sập Việt 1.4 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thí nghiệm phòng phương pháp sử dụng Luận án Các số liệu thí nghiệm thống kê, tính toán quan hệ phương pháp phân tích đa biến (multivariable analysis), mô hình hồi qui tuyến tính đa biến (multiple linear regession), phương pháp xác định mô hình tối ưu BMA (Bayesian Model Average), phương pháp xác định hệ số tầm quan trọng LMG (Lindermann, Merenda, Gold), phương pháp phân tích hiệp biến ANCOVA Các phân tích xác định tính chất dị hướng tổ hợp mẫu Sập Việt, Trung Quốc, Nhật Bản Các yếu tố hình học mẫu bao gồm đường kính mẫu, chiều cao mẫu đưa vào phân tích Các phân tích kiểm định có giá trị p< 0,05, chứng tỏ kết thu có ý nghĩa thống kê Nội dung kiểm tra độ ổn định bền hầm đá dị hướng lúc thi công thực mô hình PTHH sử dụng mềm RS2 Rocscience Inc (Canada) 1.5 Tài liệu sở luận án − Luận án sử dụng đá lấy từ công trình thủy điện Sập Việt thuộc tỉnh Sơn La để chế tạo mẫu phục vụ cho thí nghiệm Tác giả thực khối lượng thí nghiệm đủ lớn với 45 mẫu thí nghiệm với tổ hợp góc dị hướng khác ba cấp ứng suất nhỏ ߪଷ khác để thí nghiệm nén ba trục Với tổ hợp 25 mẫu đá dị hướng ứng với tổ hợp góc dị hướng khác phục vụ cho thí nghiệm nén trục Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia Trung Quốc thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (SKLGGE) − Kết thí nghiệm Tập đoàn Kajima (Nhật Bản); − Kết thí nghiệm tổ hợp mẫu đá phiến Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia Trung Quốc 1.6 Các luận điểm bảo vệ − Các thông số độ bền cắt bao gồm góc ma sát φ୫୷ cường độ lực liên kết c୫୷ hệ mặt yếu không phụ thuộc vào góc dị hướng α ứng suất nhỏ σଷ khối đá dị hướng bao quanh đường hầm − Nếu thỏa mãn điều kiện Lekhnixhkiy khối đá dị hướng coi vật thể đẳng hướng theo mặt phẳng 1.7 Nội dung luận án Luận án gồm có 158 trang đánh máy khổ A4 có 144 trang thuyết minh, 113 hình vẽ đồ thị, 37 bảng biểu 140 tài liệu tham khảo với 65 trang phụ lục tham khảo Ngoài phần mở đầu kết luận kiến nghị, Luận án bao gồm: − Chương 1: Tổng quan nghiên cứu độ bền khối đá dị hướng ổn định công trình ngầm đá dị hướng; − Chương 2: Xác định thông số độ bền cắt đá dị hướng; − Chương 3: Xác định thông số đàn hồi dị hướng đá dị hướng; − Chương 4: Bài toán xác định tính ổn định ứng suất công trình ngầm đá phân lớp, phân phiến mô môi trường dị hướng; 1.8 Điểm khoa học Đề xuất phương pháp xác định thông số độ bền cắt kết thí nghiệm nén ba trục thí nghiệm nén trục, theo tổ hợp góc dị hướng ứng suất nhỏ ߪଷ không đổi Dựa kết thông số độ bền cắt trên, Luận án sử dụng công cụ xác suất thống kê đến chứng minh giả thiết Nghiêm Hữu Hạnh (1985) là: − Hệ mặt yếu đặc trưng góc dị hướng ߙ có đặc trưng thông số độ bền cắt cmy ߮௠௬ gần không đổi với góc dị hướng ߙ khác − Hệ mặt yếu đặc trưng góc dị hướng ߙ có đặc trưng thông số độ bền cắt cmy ߮௠௬ gần không đổi cấp ứng suất ߪଷ Luận án sử dụng tổng hợp thông số độ bền cắt, đàn hồi dị hướng tính toán thiết lập mô hình tính toán xác định ứng suất lớn xung quanh hầm dẫn nước thủy điện Sập Việt có so sánh với kết tính toán từ phần mềm thương mại RocData Rocscience Inc Đề xuất tiêu ổn định bền FAAI, kết tiêu FAAI so sánh với tiêu Strength Factor phần mềm thương mại RS2 Rocscience Inc (Canada) cho thấy tương đồng CHƯƠNG 1.1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘ BỀN CỦA KHỐI ĐÁ DỊ HƯỚNG VÀ ĐỘ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH NGẦM TRONG ĐÁ DỊ HƯỚNG Đặt vấn đề Nghiên cứu ổn định công trình đá thực chất xác định xác trạng thái ứng suất – biến dạng khối đá xung quanh công trình ngầm Vấn đề xây dựng sơ đồ tính toán khối đá nhiều tác giả nước đề cập, Hình 1-1, trình bày lưu đồ phương pháp xây dựng sơ đồ tính toán khối đá Hình 1-1: Lưu đồ phương pháp xây dựng sơ đồ tính toán khối đá (Feng, Hudson, 2011), Nguyễn Công Mẫn dịch 1.2 Các phương pháp nghiên cứu độ bền khối đá dị hướng − Nghiên cứu độ bền đá dị hướng tiêu độ bền nén trục − Nghiên cứu độ bền đá dị hướng thí nghiệm xác định độ bền phương pháp tải trọng tập trung (point load test) − Nghiên cứu độ bền đá dị hướng phương pháp thí nghiệm nén theo đường kính mẫu (phương pháp nén Brazil) − Nghiên cứu độ bền đá dị hướng phương pháp thí nghiệm cắt biến góc − Nghiên cứu độ bền đá dị hướng phương pháp thí nghiệm nén ba trục 1.3 Các tiêu chuẩn bền cho khối đá dị hướng − Tiêu chuẩn Mohr- Coulomb, tiêu chuẩn Patton (1966), tiêu chuẩn Barton- Bandis (1970) − Tiêu chuẩn bền thực nghiệm bao gồm: Hoek–Brown (1980), Ramamurthy nnk (1985), Saroglou Tsiambaos (2008), Rafiai (2011),… − Tiêu chuẩn bền Mohr –Coulomb cho đá dị hướng: Tiêu chuẩn bền Jeager (1969), đề xuất Walsh B.J nnk, đề xuất Nghiêm Hữu Hạnh (1985) 1.4 Nhận xét ảnh hưởng góc dị hướng ứng suất nhỏ đến thông số độ bền cắt hệ mặt yếu Jeager đề xuất công thức ước lượng cường độ lực liên kết coi góc ma sát ߮ không đổi McLamore tiến hành thí nghiệm đá phiến Green River shale, đá thường biết tên gọi đá phiến dầu Colorado đá phiến dầu, cho thấy giá trị góc ma sát ߮ có thay đổi nhỏ, cường độ lực liên kết ߬௢ thay đổi khoảng 35% ứng với ba trường hợp tính ông Nghiên Hữu Hạnh (1985, 1999) xây dựng giả thiết cường độ lực liên kết c, góc ma sát ߮ không phụ thuộc góc dị hướng giá trị ứng suất nhỏ ߪଷ Cả ba tác giả nhận xét rằng, việc xác định thông số độ bền cắt đá dị hướng vấn đề khó khăn, nhiều vấn đề cần bàn Các lý thuyết Jeager, Mclamore, giả thiết Nghiêm Hữu Hạnh đề xuất vấn đề lý thuyết chưa kiểm chứng độ tin cậy phương pháp thống kê đại 1.5 Ổn định công trình ngầm khối đá dị hướng Các lý thuyết tính toán ổn định công trình ngầm phát triển nhiều, lý thuyết qui loại xu hướng sau đây: Phương pháp tính toán ổn định công trình ngầm Không xét đến tác dụng tương hỗ đất đá xung quanh kết cấu chống đỡ Có xét đến tác dụng tương hỗ đất đá với kết cấu chống đỡ (xu hướng tính theo biến dạng), mô hình vật liệu đàn hồi, đồng đẳng hướng Tương tự xu hướng có ý thêm đến ổn định đất đá kèm biến dạng nó, mô hình vật liệu đàn dẻo, không đồng dị hướng Hình 1-2: Sơ đồ phân loại xu hướng tính toán ổn định công trình ngầm luận án sử dụng xu hướng để giải toán ổn định công trình ngầm khối đá dị hướng 1.6 Kết luận chương Jeager (1969) nnk sử dụng tiêu chuẩn bền Mohr –Coulomb làm sở biến đổi đề xuất tiêu chuẩn bền cho mặt phá hủy hệ mặt phẳng Jeager (2007) phát biểu, khối đá nguyên trạng phá hủy theo mặt phẳng giả định với thông số độ bền cắt ߚ௢ , ܵ௢ - góc ma sát cường độ lực liên kết khối đá nguyên trạng Trong đề xuất Nghiêm Hữu Hạnh (1985, 1999), ông phân vùng áp dụng công thức xác định giá trị ứng suất ߪଵ riêng biệt Tuy nhiên nghiên cứu Nghiêm Hữu Hạnh (1985, 1999) dựa giả thuyết tồn mặt phẳng phá hủy với Phân loại khối đá thông số độ bền cắt không đổi Đó vấn đề tồn mà tác giả Luận án giải Luận án này, nhằm kiểm chứng lại giả thiết Nghiêm Hữu Hạnh (1985, 1999) Sự phụ thuộc thông số độ bền cắt bao gồm ϕ’, c’ vào trạng thái ứng suất chưa nghiên cứu thực nghiệm CHƯƠNG 2.1 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘ BỀN CẮT CỦA ĐÁ DỊ HƯỚNG Đặt vấn đề − Nghiên cứu ảnh hưởng thay đổi góc dị hướng mặt lớp ứng suất σଷ tiêu chuẩn bền − Xác định phương pháp đánh giá thông số độ bền độ bền cắt đá dị hướng, tính toán độ bền cắt khối đá dị hướng 2.2 Công việc thu thập mẫu đá thí nghiệm Các khối đá từ công trình thủy điện Sập Việt vận chuyển Công ty cổ phần tư vấn xây dựng Điện để tiến hành lựa chọn, phân loại chuyển đến Trung tâm phân tích thí nghiệm thuộc Tổng cục Địa chất Khoáng sản Việt Nam để tiến hành chế tạo mẫu đá thí nghiệm Sau gia công mẫu, đặt ký hiệu cho tổ hợp mẫu, ký tự bắt đầu chữ G ứng với góc dị hướng ߙ = 0௢ , K ứng với ߙ = 30௢ , L ứng với ߙ = 45௢ , M ứng với ߙ = 60௢ , N ứng với ߙ = 90௢ , mẫu có số dùng để thí nghiệm Brazil Chi tiết xem Hình 2-1: Hình 2-1: Các góc dị hướng dùng để chế tạo mẫu 2.3 Phương pháp thí nghiệm mục đích thí nghiệm Công tác thí nghiệm thực Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia học đá thuộc Viện Cơ học đất đá thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc Tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu độ bền đá dị hướng theo phương pháp sau: Thí nghiệm nén trục; Thí nghiệm nén ba trục 2.4 Thiết bị thí nghiệm trình tự thí nghiệm Các thiết bị thí nghiệm hệ thống thí nghệm nén ba trục MTS 815.03 hệ thống thí nghiệm học đá đa chức RMT 150C ( Hình 2-2và Hình 2-3), trình tự thí nghiệm nên rõ thuyết minh Hình 2-2: Hệ thống thí nghiệm nén ba trục MTS 815.03 2.5 Hình 2-3: Hệ thống thí nghiệm học đá đa chức RMT 150C Kết thí nghiệm nén ba trục Hình 2-4: Kết thí nghiệm nén ba trục ứng với góc dị hướng ࢻ =0 0o cấp ứng suất nhỏ ࣌૜ Hình 2-5: Kết thí nghiệm nén ba trục ứng với góc dị hướng ࢻ =30o cấp ứng suất nhỏ ࣌૜ 11 Bảng 2-1: Bảng đánh giá tính dị hướng ảnh hưởng biến số đến kết thí nghiệm nén ba trục tổ hợp mẫu đá dị hướng Tổ hợp mẫu ߙ x ߪଷ D H x x (%) (%) (%) Giá trị tầm quan trọng LMG biến số góc dị hướng (%) 22,90 63,00 15,50 11,47 Mẫu đá dị hướng Nhật Bản x x 34,60 67,80 26,10 6,03 Mẫu đá dị hướng Trung Quốc x x 72,20 86,40 50,80 2,87 Mẫu đá dị hướng Sập Việt Mô hình tối ưu x Xác suất ảnh hưởng biến số góc dị hướng đứng độc lập đến đại lượng ࣌૚ െ ࣌૜ Phương sai đại lượng ࣌૚ െ ࣌૜ (r2) Tần suất xuất Bảng 2-1, cho thấy tính dị hướng mẫu đá giảm dần từ mẫu Việt Nam, Trung Quốc, Nhật Bản Công tác chế tạo mẫu tốt dần từ xuống (Việt Nam, Nhật Bản, Trung Quốc) Các tổ hợp mẫu đá Việt Nam Nhật Bản có ảnh hưởng kích thước mẫu (đường kính mẫu) đến xác định đại lượng ߪଵ െ ߪଷ Các tính chất học tổ hợp mẫu đá dị hướng Trung Quốc mang tính phổ quát cho khối đá loại trừ ảnh hưởng kích thước mẫu Tổ hợp mẫu đá dị hướng Nhật Bản có ảnh hưởng kích thước mẫu (đường kính mẫu) chế tạo mẫu thí nghiệm từ mẫu khoan với đường kính khác Tổ hợp mẫu Việt Nam bị ảnh hưởng nhiều từ kích thước mẫu công tác gia công mẫu Việt Nam chưa tốt 2.8 Xác định thông số độ bền cắt đá dị hướng 12 2.8.1 Phương pháp xác định phụ thuộc độ bền cắt vào giá trị σ3 góc dị hướng ࢻ − Phương pháp 1: Trong Hình 2-11a, xác định thông số độ bền cắt bao gồm cmy ߮௠௬ Cách thực sau: vẽ vòng tròn Mohr ứng với trường hợp (ߪଵ௜ , ߪଷ௜ ) có góc dị hướng ߙ Vẽ đường thẳng tiếp xúc với vòng tròn Mohr giao với trục ߬ góc hợp với trục ߪ giá trị cmy ߮௠௬ ứng với góc dị hướng ߙ cần tìm (a) (b) Hình 2-11: Xác định thông số độ bền cắt mặt yếu − Phương pháp 2: Trong Hình 2-11b, dịch chuyển hệ tọa độ Descartes với trục ߪ đoạn có giá trị ߪଷ , có hệ trục tọa độ Descartes Từ đó, vẽ vòng tròn Mohr với ଵ ଷ giá trị (0, ߪఈ௜ -ߪఈ௜ ) hệ trục tọa độ từ tâm O’ vẽ đường thẳng hợp với trục hoành góc ߙ௜ cắt đường Mohr ứng với góc ߙ௜ điểm Bi Nối điểm Bi với nhau, vẽ đường thẳng qua đường cong Bi ta đường MohrCoulomb cho mặt yếu, giao đường với truc tung ߬ ta xác định giá trị cmy góc hợp đường Mohr –Coulomb với trục hoành ta giá trị ߮௠௬ ứng với cấp ߪଷ tương ứng Tổng hợp số liệu kết tính toán theo hai phương pháp đề xuất sử dụng công cụ phân tích hiệp biến (ANCOVA) phương pháp phân tích sử dụng hai mô hình hồi qui tuyến tính phân tích phương sai nhằm xác định phương trình quan hệ thông 13 số độ bền cắt yếu tố giá trị ứng suất nhỏ (sig3) nhóm mẫu đá, thể (2-1), (2-2) Đối với nhóm đá Sập Việt: (2-1) Phimy= 13,2807+0,006751.(sig3); Đối với nhóm đá Trung Quốc: Phimy=13,2807+5,56414.(group2)+ 0,006751.(sig3); Đối với nhóm đá Nhật Bản: Phimy=13,2807-6,55072.(group3)+ 0,006751.(sig3); Đối với nhóm đá Sập Việt: (2-2) cmy= 29,17159 + 0,12162.(sig3); Đối với nhóm đá Trung Quốc: cmy=29,17159+11,75832(group2)+ 0,12162.(sig3); Đối với nhóm đá Nhật Bản: cmy=29,17159- 22.42140(group3)+ 0,12162.(sig3); Mô hình Mô hình 2 50 20 2 2 40 2 cmy 10 20 1 30 15 phimy 10 3 33 10 20 30 40 50 60 10 20 30 40 50 60 sig3 sig3 Hình 2-12: Biểu đồ mô hình tối ưu giải thích ảnh hưởng biến số ứng suất nhỏ sig3 (MPa), loại nhóm đá đến giá trị góc ma sát phimy (độ), giá trị cường độ lực liên kết cmy (MPa) mặt yếu ba nhóm đá dị hướng Sập Việt (1), Trung Quốc (2), Nhật Bản (3) Luận án tiếp tục sử dụng phân tích hiệp biến (ANCOVA) cho phân tích ảnh hưởng biến số góc dị hướng, phương trình quan hệ thể (2-3), (2-4) 14 Đối với nhóm đá Sập Việt: (2-3) phimy = 19,20406 -0,01836 (Angle); Đối với nhóm đá Trung Quốc: phimy = 19,20406 +10,47914(group2) -0,01836 (Angle); Đối với nhóm đá Nhật Bản: phimy=19,20406+ 6,15050(group3)-0,01836 (Angle); Đối với nhóm đá Sập Việt: (2-4) cmy= 41,337545 -0.007545 (Angle); Đối với nhóm đá Trung Quốc: cmy= 41,337545 +5.064857(group2) - 0.007545 (Angle); Đối với nhóm đá Nhật Bản: cmy= 41,337545 -35.741182(group3) -0.007545 (Angle); Mô hình Mô hình 2 50 30 2 2 40 2 1 3 1 1 10 20 20 30 cmy 25 phimy 3 2 20 40 Angle 60 80 3 15 20 40 60 80 Angle Hình 2-13: Biểu đồ mô hình tối ưu giải thích ảnh hưởng biến số góc dị hướng Angle (độ), loại nhóm đá đến giá trị góc ma sát phimy (độ), giá trị cường độ lực liên kết cmy(MPa) mặt yếu ba nhóm đá dị hướng Sập Việt (1), Trung Quốc (2), Nhật Bản (3) 2.9 Sơ đồ khối kết tính toán độ bền cắt khối đá dị hướng Sơ đồ khối chương trình thể Hình 2-14 Chương trình viết ngôn ngữ Mathcad để xác định giá trị độ bền cắt cho khối đá dị hướng Sập Việt trường hợp có hệ 15 mặt yếu (Hình 2-15), hai hệ mặt yếu (Hình 2-16), ba hệ mặt yếu (Hình 2-17) 600 INPUT Ứng suât lớn i=1; i Tính giá trị σ1(0) ; σi90(0) Tính giá trị ߙ݅‫ ܫ‬, ߙ݅‫ ܫܫ‬, σ1i 400 200 i = số hệ khe nứt