Phân tích ổn định khối đất trước gương hầm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ANH TUẤN PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH KHỐI ĐẤT TRƯỚC GƯƠNG HẦM Chuyên ngành: Mã số chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG 62.58.60.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2017 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Người hướng dẫn khoa học 1: PGS TS Châu Ngọc Ẩn Người hướng dẫn khoa học 2: PGS TS Nguyễn Minh Tâm Phản biện độc lập 1: PGS.TS Nguyễn Phi Lân Phản biện độc lập 2: PGS.TS Châu Trường Linh Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thành Đạt Phản biện 2: PGS.TS Lê Văn Nam Phản biện 3: PGS.TS Võ Ngọc Hà Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp vào lúc ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp HCM - Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ I Bài báo khoa học công bố tạp chí nước Nguyễn Anh Tuấn, Châu Ngọc Ẩn, Nguyễn Minh Tâm (2017), “Kỹ thuật mơ hình ly tâm Địa kỹ thuật”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng, số tháng 8/2017, trang 164-167 Nguyễn Anh Tuấn, Châu Ngọc Ẩn, Nguyễn Minh Tâm (2017), “Ứng dụng thí nghiệm ly tâm phân tích biến dạng mặt đất xung quanh hầm”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng, số tháng 5/2017, trang 48-52 Nguyễn Anh Tuấn, Châu Ngọc Ẩn, Nguyễn Minh Tâm (2017), “Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích chế phá hoại bị động biến dạng khối đất trước gương hầm”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng, số tháng 5/2017, trang 53-57 Nguyễn Anh Tuấn, Châu Ngọc Ẩn, Nguyễn Minh Tâm (2017), “Phân tích ổn định gương hầm hai lớp”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng, số tháng 3/2017, trang 182-187 Nguyễn Anh Tuấn, Châu Ngọc Ẩn (2016), “Phân tích ổn định gương hầm trình thi cơng khu vực thành phố Hồ Chí Minh”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng, số tháng 10/2016, trang 78-83 Nguyễn Anh Tuấn, Châu Ngọc Ẩn (2016), “Phân tích biến dạng bề mặt đất xung quanh hầm khu vực thành phố Hồ Chí Minh”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng, số tháng 9/2016, trang 111-117 Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Thành Đạt (2012), “Lựa chọn phương pháp thi công đường hầm metro điều kiện đất yếu thành phố Hồ Chí Minh”, Tạp chí Giao thơng vận tải, Bộ Giao thông vận tải, số 03/2012, trang 50-52 Trần Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn (2011), “Nghiên cứu ứng xử cơng trình đường hầm đất yếu thành phố Hồ Chí Minh trình thi cơng”, Tạp chí Địa Kỹ thuật, số 01/2011, trang 19-24 II Bài báo khoa học công bố tạp chí/hội thảo quốc tế Nguyen Anh Tuan, Tran Duc Chinh, Nguyen Thanh Dat (2016), “The application of Jet Grouting technology to reduce ground deformation of construction the metro line in Ho Chi Minh City”, Strength of Materials and Theory of Structures, No 97, pp 121-132 Tran Xuan Tho, Nguyen Anh Tuan (2011), “Analysis on the settlement effect of metro construction to nearby buildings in Ho Chi Minh City”, Proceedings of the 10th Slovak Geotechnical Conference, pp 395-400 III Đề tài nghiên cứu khoa học Nguyễn Anh Tuấn, chủ nhiệm, (2016), “Nghiên cứu giải pháp xử lý đất yếu thi công hầm metro khu vực thành phố Hồ Chí Minh”, đề tài NCKH cấp sở, trường Đại học Giao thông vận tải Tp Hồ Chí Minh Nguyễn Anh Tuấn, chủ nhiệm, (2015), “Tính toán biế n da ̣ng mă ̣t đấ t thi công hầ m đấ t yế u thành phố Hồ Chí Minh”, đề tài NCKH cấp sở, trường Đại học Giao thông vận tải Tp Hồ Chí Minh Nguyễn Anh Tuấn, chủ nhiệm, (2012), “Nghiên cứu tính tốn cơng nghệ thi cơng hầm đất yếu thành phố Hồ Chí Minh”, đề tài NCKH cấp sở, trường Đại học Giao thông vận tải Tp Hồ Chí Minh MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Q trình thi cơng hầm khiên đào gây áp lực chủ động vào đất trước gương hầm Điều gây chuyển vị đất tác động lên công trình lân cận phạm vi ảnh hưởng Việc nghiên cứu đánh giá quy luật phân bố áp lực chuyển vị đất trước gương đào có ý nghĩa quan trọng giúp hỗ trợ thực thi công hợp lý Qua nhiều thập kỷ, có nhiều nghiên cứu thực để khảo sát, tính tốn áp lực chủ động tác dụng lên gương hầm sử dụng khiên cân áp lực đất vữa để thi công hầm đất cát đất sét Tuy nhiên khảo sát áp lực phá hoại bị động lên gương hầm xác định giá trị áp lực Vì vậy, việc nghiên cứu vấn đề cần thiết, có tính khoa học thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu a) Xác định chế phá hoại khối đất gương hầm; b) Đo áp lực phá hoại bị động gương hầm cung cấp liệu để đánh giá giải pháp phân tích có đất cát; c) Thiết lập cơng thức tính áp lực phá hoại bị động gương hầm cho trường hợp đất cát trạng thái chặt vừa; d) Phân tích chế biến dạng bề mặt đất gây chuyển vị gương hầm Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu chủ yếu áp dụng Luận án phương pháp mơ hình hóa: Thực hai thí nghiệm mơ hình ly tâm T1 T2 tiến hành thiết bị thí nghiệm ly tâm Đại học Khoa học công nghệ Hồng Kông (HKUST) nhằm phân tích ổn định biến dạng khối đất trước gương hầm Đối tượng phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu, khảo sát ổn định khối đất trước gương hầm thí nghiệm mơ hình ly tâm thay đổi chiều sâu đặt hầm Các mơ hình thực với tỉ lệ 1/100, mơ q trình tiến lên gương hầm hai lớp, cát trạng thái chặt vừa sét cứng Trong mơ hình ly tâm, khơng xét đến ảnh hưởng mát thể tích đào xét trường hợp gương hầm tiến phía trước, tạo vùng phá hoại, gây áp lực phá hoại bị động lên gương hầm biến dạng khối đất trước gương hầm Nội dung luận án Cấu trúc Luận án gồm phần: Mở đầu, chương, kết luận kiến nghị nghiên cứu Tổng cộng có 103 trang, có 101 hình vẽ 12 bảng biểu cơng thức tính tốn Phần phụ lục có 25 trang Những đóng góp Luận án Kết nghiên cứu Luận án rút số điểm bật sau: - Xác định chế phá hoại bị động, vùng phá hoại khối đất trước gương hầm: Khi gương hầm tiến tới, đất phía trước gương hầm bị dịch chuyển phía trước, đất cách xa mặt đường hầm bị đẩy phía ngồi, tác dụng đến mặt đất làm trồi mặt đất tạo nên vùng phá hoại Cơ chế phá hoại cục trước gương hầm tương tự phá hoại cắt cục Khi chế phá hoại quan sát lý tưởng hóa đường liền, chế phá hoại đất trước gương hầm có dạng phễu Như vậy, vùng phá hoại khối đất trước gương hầm phụ thuộc vào tỉ số C/D, hay vị trí đặt hầm - Bề rộng vùng phá hoại cách gương hầm đoạn khoảng 1,5D phạm vi ảnh hưởng đến cơng trình lân cận q trình thi cơng hầm khiên gây khoảng 3D (D đường kính hầm) - Đề xuất góc tạo bề mặt phá hoại bị động mặt phẳng theo phương ngang góc  xấp xỉ (450 - ’/2), với ’ góc ma sát hữu hiệu lớp đất đặt hầm - Đề xuất công thức xác định áp lực phá hoại bị động trước gương hầm phụ thuộc vị trí đặt hầm, vị trí tính tốn áp lực phá hoại bị động cho trường hợp đất cát trạng thái chặt vừa: 𝐶 𝐶 𝐶 𝑆𝑥 𝜑′ 𝐷 𝑁𝑦𝑚 = [−0.317 ( ) + 2,7558 ( ) − 7,6161 + 7,1916] 𝑡𝑎𝑛 (450 + ) 𝛾 (𝐶 + ) 𝐷 𝐷 𝐷 𝐷 2 Các đóng góp luận án có giá trị cho kỹ sư lựa chọn khiên đào hợp lý cho việc thi công hầm điều kiện địa chất thành phố Hồ Chí Minh khu vực có điều kiện địa chất tương tự Đồng thời xác định giá trị áp lực chống đỡ gương hầm đảm bảo gương hầm ổn định q trình thi cơng Bên cạnh đó, chế biến dạng đất xung quanh hầm giúp giảm thiểu ảnh hưởng việc thi cơng hầm đến cơng trình lân cận CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH GƯƠNG HẦM VÀ KHỐI ĐẤT TRƯỚC GƯƠNG HẦM Giới thiệu Chương trình bày kỹ thuật thi cơng hầm phương pháp khiên đào, nghiên cứu lý thuyết; nghiên cứu dựa phương pháp phần tử hữu hạn; thực nghiệm trường sử dụng mơ hình thu nhỏ phòng thí nghiệm ổn định gương hầm khối đất trước gương hầm Kỹ thuật thi công hầm khiên đào Khiên đào cân áp lực đất EPB - TBM gần thiết bị tối ưu để thi công hầm khu vực trung tâm thị lớn Trình tự thi cơng hầm khiên thể qua sơ đồ hình 1.2 Hình 1.2 Cơng nghệ thi cơng hầm khiên [67] Áp lực chống đỡ gương hầm Để tránh tình trạng đất dẫn đến sụp đổ bề mặt khoan đất trở nên ổn định, máy EPB - TBM thiết kế với buồng khoan kín tạo chống đỡ bề mặt hiệu làm cho áp lực đất bên máy khoan cân với áp lực đất bên máy khoan Nguyên lý hoạt động máy EPB-TBM phần đất đá sau đào trộn với nước, vữa sét chất phụ gia bọt polymer Hỗn hợp tạo thành lớp dán lên buồng khoan có tác dụng tạo áp lực ngược chiều với áp lực đất, sau hoàn tất hỗn hợp chuyển qua băng chuyền Các trường hợp nghiên cứu 1.4.1 Các nghiên cứu lý thuyết Broms & Bennermark (1967) [10] đánh giá ổn định gương hầm qua hệ số ổn định N: N = (ob - T)/Su = [s - T + (C+D/2)]/Su (1.1) Trong điều kiện không thoát nước, gương hầm ổn định N < Davis cộng (1980) đề xuất chế phá hoại cận khối đất trước gương hầm theo góc 𝜃1 , 𝜃2 𝜃3 hình 1.8 Kanayasu thống kê dự án đào hầm sử dụng biện pháp tạo áp lực chống đỡ gương hầm khác Khi sử dụng khiên EPB-TBM, áp lực chống đỡ gương hầm phụ thuộc vào điều kiện địa chất, áp lực nước áp lực phụ thêm Hình 1.8 Cơ chế phá hoại cận theo Davis cộng (1980) [20] Hình 1.10 Các tham số mơ hình tính tốn ổn định mặt gương [2] Kovári Anagnostou (1996) [1] [2] nghiên cứu ổn định gương đào theo cân giới hạn Khối đất phía trước gương đào bao gồm: hình nêm phía trước mặt gương hình lăng trụ phía hình nêm kéo dài đến bề mặt đất trạng thái tới hạn Hình 1.11 Cơ chế phá hoại đa khối Mollon (2009) đề xuất [38] Mollon cộng (2009) [38] tính tốn áp lực phá hoại gương hầm trường hợp hầm trụ tròn đặt nơng đất dính thi cơng khiên đào cân áp lực Họ đề xuất chế phá hoại đất trước gương hầm sở cải tiến chế phá hoại Leca Dormieux (1990) đề xuất 1.4.2 1.4.2.1 Các nghiên cứu thực nghiệm Thực nghiệm trường J N Shirlaw (1994) [57] tổng hợp kết đo đạc trường tuyến hầm Furongjiang thi công khiên EPB-TBM Nghiên cứu chế biến dạng khối đất trước gương hầm tùy thuộc vào áp lực gương hầm điều kiện địa chất A Sirivachiraporn N Phienwej (2012) [58] quan sát đo đạc chuyển vị khối đất trước gương hầm tuyến hầm tàu điện ngầm Bangkok, Thái Lan Kết nghiên cứu cho thấy giá trị áp lực chống đỡ gương hầm nằm khoảng 150 -200kPa chuyển vị đất trước gương hầm nhỏ Và chuyển vị đất dọc theo trục hầm phụ thuộc vào vị trí gương hầm Sang-Hwan Kim cộng (2006) [54] nghiên cứu ứng xử gương hầm trình thi công hầm khiên đào, tập trung vào nghiên cứu ổn định tức thời gương hầm đất yếu lòng sơng Hàn Quốc 1.4.2.2 Nghiên cứu dựa theo mơ hình thí nghiệm Gregor Idinger cộng (2011) [27] tiến hành thí nghiệm ly tâm với gia tốc 50g cho ba trường hợp đặt hầm: C/D = 1,5; 1,0 0,5 Cơ chế phá hoại khối đất trước gương hầm bao gồm hai khối: nêm lăng trụ phía trước gương hầm hình lăng trụ phía hình nêm lan tới mặt đất hình 1.19 Pavlos Vardoulakis cộng (2009) [68] thực mơ hình thu nhỏ để khảo sát chế phá hoại khối đất trước gương hầm cát Các chế phá hoại thu có dạng hình lăng trụ lan tới mặt đất - Đối với kiểu phá hoại MIII: NsQs + NγQγ ≥ QT (2.4) Hình 2.7 Phá hoại theo chế MIII [31] 2.3.2 Nghiên cứu Soubra (2002) [59] [60] Soubra (2002) đề xuất hai chế phá hoại M1 M2 đất trước gương hầm sở cải tiến giải pháp cận Leca Dormieux (1990) đề xuất Hai chế xem xét để tính toán áp lực giới hạn gương hầm cho trường hợp sụp đổ đẩy trồi Hình 2.11 Cơ chế phá hoại năm khối (M1) cho phá hoại chủ động (Soubra, 2002) [60] 2.4 Giải pháp cận [31] Hình 2.12 Cơ chế phá hoại năm khối (M2) cho phá hoại bị động (Soubra, 2002) [60] Leca & Panet (1988) công bố số giải pháp cận trường hợp loại vật liệu Mohr-Coulomb dựa trường ứng suất ba chiều 10 SI, SII SIII thỏa mãn phương trình cân điều kiện biên tốn Vì vậy, giải pháp cận tìm thấy từ ba vùng ứng suất cách giả sử tiêu chuẩn vùng chảy dẻo không vượt khối đất Kết mơ tả hình thức hai bất đẳng thức 𝜎𝑠 𝜎𝑐 − 𝐾𝑝 𝜎𝑇 − (𝐷 + 1) 𝜎 ≤ 𝜎𝑇 𝜎𝑐 − 𝐾𝑝 𝜎𝑠 − 𝐾𝑝 𝐷 𝜎 ≤ Đối với trường ứng suất SI: Với trường ứng suất SII: 𝐾𝑝 𝐶 (2 + 1) −1 𝐾𝑝 𝐷 ≤ 𝜎 𝐶 𝛾𝐷 𝑐 (2.15) 𝑐 𝜎 𝐶 𝛾𝐷 𝑐 (2.16) 𝑐 (𝐾𝑝 −1)𝜎𝑠 /𝜎𝑐 +1 (𝐾𝑝 −1)𝜎𝑇 /𝜎𝑐 +1 𝐶 ≤ 𝐾𝑝 (2 + 1) 𝐾𝑝 −1 𝐷 (2.17) Với trường ứng suất SIII: 𝐶 (2 𝐷 + 1) 2(𝐾 −1) 𝑝 (𝐾 −1)𝜎 /𝜎 +1 𝐶 ≤ (𝐾𝑝−1)𝜎𝑠 /𝜎𝑐 +1 ≤ (2 𝐷 + 1) 𝑝 𝑇 2(𝐾𝑝 −1) 𝑐 (2.18) 2.5 Kết luận chương Các giải pháp cận Leca & Domieux (1990), Soubra (2002) giải pháp cận Leca & Panet (1988) đề xuất áp dụng để tiến hành thí nghiệm ly tâm khảo sát ổn định khối đất trước gương hầm tròn đất cát Cơ chế phá hoại khối đất trước gương hầm thu thí nghiệm ly tâm có tương đồng với giá trị thu từ lý thuyết phân tích giới hạn Các giá trị phân tích từ giải pháp cận gần với thực tế giá trị cận dưới, sử dụng để tính tốn, đánh giá áp lực gương hầm tới hạn CHƯƠNG THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH LY TÂM PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH KHỐI ĐẤT TRƯỚC GƯƠNG HẦM 3.1 Tổng quan kỹ thuật mơ hình ly tâm 3.1.1 Lịch sử phát triển kỹ thuật mơ hình ly tâm [62] Ý tưởng sử dụng máy ly tâm để tăng trọng lượng thân mơ hình thu nhỏ phát triển Phillips Paris năm 1896 Từ đó, nước 11 Liên Xơ, Hoa Kỳ, Thuỵ Điển, Nam Phi, Trung Quốc, Anh, Nhật Bản… nghiên cứu, cải tiến gia tăng liên tục số lượng, kích thước, khả mơ máy ly tâm tồn giới Và nay, thí nghiệm mơ hình ly tâm trở thành cơng cụ mơ hình vật lý ứng dụng rộng rãi kết hợp với phân tích số thí nghiệm trường để giải vấn đề Địa Kỹ thuật 3.1.2 Chuyển động học mơ hình máy ly tâm [40] [62] Tại thời điểm cho trước vị trị điểm tùy ý mơ hình biểu diễn qua tổ hợp vectơ sau: 𝑃 = 𝑅 + 𝑟 = 𝑅𝑟 ̂ 𝜌𝑟 + 𝑟𝑟 ̂ 𝜌𝑟 + 𝑟𝑛 𝜌̂ 𝑛′ Gia tốc điểm khảo sát bằng: 3.1.3 𝑑2 𝑃 𝑑2 𝑡 = 𝑑2 𝑅 𝑑2 𝑡 𝑑2 𝑟 + 𝑑2 𝑡 (3.1) (3.2) Các nguyên tắc mơ hình ly tâm [26] [62] [63] Nguyên tắc máy quay ly tâm tạo điều kiện áp lực ban đầu cho mẫu thí nghiệm, cách tăng thêm n lần gia tốc trọng trường với 1/N tỉ lệ mô hình ly tâm Sự phát triển áp lực theo tỉ lệ 1/N mơ hình làm tròn mơ hình thu nhỏ phải chịu thành phần mẫu đạt tốc độ cao "lực hấp dẫn", cung cấp gia tốc hướng tâm a: a = 𝜔𝑟 (3.4) Hệ số tỉ lệ N định nghĩa bởi: N = a/g (3.5) 3.1.4 Ứng dụng mơ hình máy quay li tâm [40] [62] Theo Ko (1988), máy ly tâm địa kỹ thuật có bốn ứng dụng bao gồm: Mơ hình hố ngun mẫu; khảo sát tượng mới; nghiên cứu thông số kiểm chứng phương pháp số 3.1.5 Nguyên tắc tỉ lệ mơ hình ly tâm [21] [62] [63] [71] Ngun tắc mơ hình ly tâm thiết lập lại điều kiện ứng suất thực việc sử dụng mơ hình thu nhỏ: 12 vp = vm (3.6) 3.1.6 Lỗi kiểm soát lỗi mơ hình ly tâm [21] [62] Các lỗi điển hình mà máy ly tâm mơ hình hóa thường gặp phải hiệu ứng biên, trường gia tốc khơng đồng tạo mơ hình ly tâm, gia tốc bên hiệu ứng kích thước hạt Thiết lập mơ hình thí nghiệm ly tâm phân tích ổn định khối đất trước gương hầm 3.2.1 Thiết bị thực thí nghiệm ly tâm 3.2 Các thí nghiệm ly tâm thực máy ly tâm địa kỹ thuật HKUST Năng suất lớn mơ hình ly tâm 400g-tấn khả nâng gia tốc 150 lần trọng lực trái đất mơ hình tĩnh [40] [41] 3.2.2 Chương trình thí nghiệm Hai trường hợp đào hầm với tỉ lệ C/D khác thực đất cát sét cứng Thí nghiệm T1 T2 thực để khảo sát áp lực bị động gương hầm định vị tỉ lệ C/D 1,5 3,3 hình 3.7 3.8 3.2.3 Thiết lập mơ hình 3.2.3.1 Chuẩn bị mẫu đất Nền đất gồm hai lớp, phía lớp sét cứng dày 180mm, phía lớp cát dày 325mm, mơ địa chất tuyến metro số Tp Hồ Chí Minh (Bến Thành-Suối Tiên) Thông số lớp đất tổng hợp bảng 3.2 3.3 Hình 3.7 Thí nghiệm ly tâm T1 với C/D = 1,5 13 Hình 3.8 Thí nghiệm ly tâm T2 với C/D = 3,3 Bảng 3.2 Thơng số lớp cát cho thí nghiệm ly tâm Thông số đất Đơn vị Bề dày lớp đất Trọng lượng riêng bão hòa sat Tỉ trọng Lực dính Góc ma sát mm kN/m3 kN/m2 Độ Lớp Cát 325 20,3 2,65 30 Bảng 3.3 Thông số lớp sét cho thí nghiệm ly tâm Thơng số đất Đơn vị Bề dày lớp đất Trọng lượng riêng bão hòa sat Lực dính Góc ma sát Giới hạn chảy W L Giới hạn dẻo WP Tỉ trọng Gs mm kN/m3 kN/m2 Độ % % - Lớp Sét cứng 180 21,1 300 22 61 27 2,7 3.2.3.2 Lắp đặt mơ hình thí nghiệm Mơ hình thí nghiệm có kích thước mặt cắt bên gồm chiều dài 1245mm, cao 850mm rộng 350mm hình 3.10 14 3.2.4 3.2.4.1 Hình 3.10 Mơ hình thùng chữ nhật thí nghiệm ly tâm Thiết bị đo đạc Đo chuyển vị mặt đất Chuyển vị mặt đất đào hầm đo LVDT Macro Sensor PR 750 Các LVDT có biên độ khác ± 20mm ± 80mm, với nguồn ± 10V nguồn cung cấp điện bình thường DC 10V sử dụng 3.2.4.2 Đo chuyển vị đất PIV biện pháp quan trắc ban đầu phát triển White et al (2003) [21] [72] [73] sử dụng để theo dõi dịch chuyển đất phía mặt phẳng thẳng đứng đối xứng Độ xác phép đo 0,1mm Hình ảnh kỹ thuật số chụp camera bay gắn bàn xoay 3.2.4.3 Xác định áp lực chuyển vị bề mặt đất xung quanh hầm Trong thí nghiệm, áp lực gương đào xác định cảm biến lực đặt bên khối đầu đường hầm hình 3.17 Chuyển vị ngang mặt đường hầm đo LVDT gắn với thiết bị hỗ trợ truyền động 3.2.5 Trình tự thí nghiệm Mơ hình thí nghiệm chuyển đến lắp đặt vào bàn xoay máy ly tâm sau hồn thành cơng việc chuẩn bị mơ hình kiểm tra lần cuối Các thiết 15 bị kiểm tra hiệu chỉnh Các ghi liệu sau cài đặt để ghi liệu 1Hz, trình ly tâm, hình ảnh chụp khoảng 150 giây lưu vào máy tính Khi gia tốc máy ly tâm đạt 100g đạt điều kiện cân bằng, cài đặt máy ảnh thay đổi để chụp ảnh 30 giây Khối đầu đường hầm bị đẩy hướng cát với tốc độ 0,2mm giây Chuyển vị bề mặt đất xung quanh hầm, áp lực gương hầm tương ứng xác định Sau đẩy khối đầu đường hầm chuyển vị tối đa 40mm, máy ly tâm dừng lại Hình 3.17 Thiết bị xác định áp lực gương hầm Hình 3.19 Mơ hình thí nghiệm sau lắp đặt vào máy ly tâm 3.2.6 Những khó khăn gặp phải q trình thiết kế chuẩn bị thí nghiệm mơ hình máy ly tâm [62] [72] Theo Lee et al., (1999); Sugiyama et al.,1999); Sirivachiraporn Phienwej, (2012), tốc độ tiến hầm điển hình khoảng 15m/ngày 16 Đối với đường hầm có đường kính 50mm với tốc độ tiến hầm 15m/ngày thực tế, tốc độ tương đương với tốc độ tiến mơ hình đường hầm có đường kính 50mm 0.173mm/s Người ta thấy Eoed kw thực tế mơ hình mức độ ứng suất tương tự [62], tốc độ tiến hầm 0,2mm/s thí nghiệm mơ hình ly tâm tương đương với giá trị Trong trình thiết kế thí nghiệm mơ hình ly tâm, lý tưởng khơng có ma sát mặt phẳng thẳng đứng đối xứng y = Mặc dù điều không thể, ma sát mặt phẳng thẳng đứng đối xứng giảm thiểu trình thiết kế chuẩn bị thí nghiệm mơ hình ly tâm Đối với đường hầm cát, kính thủy tinh sử dụng thay kính Perspex để giảm ma sát 3.3 Kết luận chương Các thí nghiệm ly tâm T1 T2 thiết lập mơ hình thu nhỏ tỉ lệ 1/100 nhằm phân tích ổn định khối đất trước gương hầm Q trình thí nghiệm mơ q trình tiến lên gương hầm với tốc độ 0,2mm/s (tương đương 15m/ngày thực tế), chuyển vị đến 35mm dừng lại Các LVDT sử dụng để đo chuyển vị mặt đất q trình thí nghiệm Kỹ thuật PIV đo lường dịch chuyển đất trước gương hầm Và cảm biến lực gắn phần đầu gương hầm ghi nhận áp lực bị động tác dụng lên gương hầm CHƯƠNG PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM LY TÂM 4.1 Cơ chế phá hoại áp lực phá hoại bị động gương hầm 4.1.1 Cơ chế phá hoại bị động gương hầm Các hình 4.2 đến hình 4.11 cho thấy vectơ chuyển vị tiêu chuẩn đo mặt phẳng thẳng đứng đối xứng gương hầm, ứng với Sx/D biến thiên từ 0,1 đến 0,8, vị trí đặt hầm có tỷ lệ C/D 1,5 3,3 Các vectơ chuyển vị tỏa từ phía trước mặt đường hầm, lên xuống dưới, minh họa đất phía trước gương hầm bị dịch chuyển phía trước gương hầm tiến tới, 17 đất cách xa mặt đường hầm bị đẩy phía ngồi, tác dụng đến mặt đất làm trồi mặt đất Các vector chuyển vị khoanh vùng xung quanh gương hầm Quan sát cho thấy cường độ vectơ chuyển vị đẩy lên lớn so với chuyển vị đè xuống, tạo thành chế phá hoại cục khơng đối xứng Có thể nhận thấy rằng, góc tạo bề mặt phá hoại bị động mặt phẳng theo phương ngang góc  xấp xỉ (450 – 𝜑′/2) bề rộng vùng phá hoại cách gương hầm đoạn khoảng 1,5D Cơ chế phá hoại cục quan sát vị trí phía trước gương hầm tương tự chế phá hoại cắt cục Khi chế phá hoại quan sát lý tưởng hóa đường liền, chế phá hoại đất trước gương hầm có dạng phễu tương tự chế phá hoại năm khối (five-block) đề xuất Hình 4.2 Vectơ chuyển vị chuẩn hóa cho trường hợp C/D=1,5; Sx/D=0,1 Soubra (2002) hay chế phá hoại cận Davis cộng (1980) đề xuất Và chế phá hoại phù hợp với nghiên cứu Kovári Anagnostou (1996), khối đất phía trước gương hầm bao gồm: hình nêm phía trước mặt gương hình lăng trụ phía hình nêm kéo dài đến bề mặt đất tạo áp lực trước gương hầm Hình 4.3 Vectơ chuyển vị chuẩn hóa cho trường hợp C/D=1,5; Sx/D=0,3 18 Hình 4.4 Vectơ chuyển vị chuẩn hóa cho trường hợp C/D=1,5; Sx/D=0,5 Hình 4.5 Vectơ chuyển vị chuẩn hóa cho trường hợp C/D=1,5; Sx/D=0,7 Hình 4.6 Vectơ chuyển vị chuẩn hóa cho trường hợp C/D=1,5; Sx/D=0,8 Hình 4.7 Vectơ chuyển vị chuẩn hóa cho trường hợp C/D=3,3; Sx/D=0,1 Hình 4.8 Vectơ chuyển vị chuẩn hóa cho trường hợp C/D=3,3; Sx/D=0,3 Hình 4.9 Vectơ chuyển vị chuẩn hóa cho trường hợp C/D=3,3; Sx/D=0,5 19 Hình 4.10 Vectơ chuyển vị chuẩn hóa cho trường hợp C/D=3,3; Sx/D=0,7 Hình 4.11 Vectơ chuyển vị chuẩn hóa cho trường hợp C/D=3,3; Sx/D=0,8 4.1.2 Áp lực phá hoại bị động gương hầm Hình 4.13 Biểu đồ quan hệ Nm Sx/D Khi gương hầm tiến lên, giá trị Nγm tăng Sx/D biến thiên với tốc độ giảm tiến tới trạng thái ổn định Đối với đường hầm có C/D 1,5, giá trị Nγm đo tăng dần Sx/D nhỏ 0,3 Sau đó, Nγm tăng 20 tỷ lệ giảm đạt tới trạng thái ổn định Sx/D 0,7 Trong đó, hầm đặt vị trí C/D 3,3, giá trị N γm đo tăng nhanh gương hầm tiến lên đến Sx/D 0,6, đạt tới trạng thái ổn định Sx/D 0,7 Giá trị áp lực phá hoại bị động gương hầm tăng lên chiều sâu đặt hầm tăng từ 1,5 lên 3,3 tương ứng từ 1,6 đến 39% Các kết đo lường cho thấy, giá trị Nγm gương hầm nằm hai lớp luôn lớn lớp (nghiên cứu Wong cộng (2012)) Điều cho thấy đơn giản hóa điều kiện đất cho thiết kế kỹ thuật thực tế khơng phù hợp 4.1.3 Thiết lập cơng thức tính áp lực phá hoại bị động gương hầm Từ kết thu từ thí nghiệm mơ hình ly tâm T1, T2 thí nghiệm Wong (2012), thiết lập cơng thức tương quan áp lực phá hoại bị động trước gương hầm vị trí đặt hầm, vị trí tính tốn áp lực cho trường hợp hầm đặt đất cát trạng thái chặt vừa sau: 𝐶 𝐶 𝐶 𝑆𝑥 𝜑′ 𝐷 𝑁𝑦𝑚 = [−0.317 ( ) + 2,7558 ( ) − 7,6161 + 7,1916] 𝑡𝑎𝑛 (450 + ) 𝛾 (𝐶 + ) 𝐷 𝐷 𝐷 𝐷 2 (4.2) 4.2 Chuyển bị bề mặt đất trước gương hầm Hình 4.26 4.27 cho thấy chuyển vị mặt đất xung quanh hầm đo theo hướng ngang gây tiến lên gương hầm Đối với đường hầm nằm độ sâu nông với tỷ lệ C/D 1,5, đất xung quanh gương hầm bị đẩy trồi Giá trị chuyển vị tăng đáng kể với gia tăng Sx/D Tuy nhiên, khoảng cách xa 3D từ trục đường hầm theo chiều dọc, đường cong chuyển vị gần không Đối với đường hầm đặt C/D 3,3, độ lún bề mặt đất cho thấy đường cong võng C/D tăng từ 1,5 D đến 3,3D 21 Hình 4.26 Chuyển vị đất gương hầm thí nghiệm T1 (C/D = 1,5) Hình 4.27 Chuyển vị đất trước gương hầm thí nghiệm T2 (C/D = 3,3) Hình 4.28 cho thấy đường hầm đặt vị trí C/D 1,5, đất phía trước gương hầm dịch chuyển phía trước làm cho đất bị nén gây tượng mặt đất bị trồi lên, tạo thành vùng biến dạng phễu Khi chiều sâu đặt hầm tăng lên (C/D = 3,3), vùng biến dạng có bề rộng lớn Hình 4.28 Chuyển vị đất theo phương dọc hầm thí nghiệm T1 T2 Ứng suất vùng lân cận gương hầm tăng lên, cát trở nên bị đẩy lên và phạm vi ảnh hưởng rộng bị nén lại tập trung phía trước gương hầm Chuyển vị lớn nằm gần vị trí ban đầu gương hầm, giá trị nhỏ so với chuyển vị mặt đất xung quanh hầm trường hợp C/D = 1,5 4.3 Kết luận chương Qua phân tích kết từ thí nghiệm ly tâm xác định chế phá hoại cục trước gương hầm tương tự phá hoại cắt cục bộ, từ xác định 22 góc tạo bề mặt phá hoại bị động mặt phẳng theo phương ngang góc  xấp xỉ (450 - ’/2), bề rộng vùng phá hoại cách gương hầm khoảng 1,5D Xác định áp lực phá hoại bị động Sx/D biến thiên tương ứng với trường hợp đặt hầm khác thiết lập công thức xác định áp lực phá hoại bị động trước gương hầm cho đất cát trạng thái chặt vừa công thức (4.2) KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận 1/ Cơ chế phá hoại cục trước gương hầm tương tự phá hoại cắt cục Đất phía trước gương hầm bị dịch chuyển phía trước gương hầm tiến tới, đất cách xa mặt đường hầm bị đẩy phía ngồi, tác dụng đến mặt đất làm trồi mặt đất tạo nên vùng phá hoại Khi chế phá hoại quan sát lý tưởng hóa đường liền, chế phá hoại đất trước gương hầm có dạng phễu Như vậy, vùng phá hoại khối đất trước gương hầm phụ thuộc vào tỉ số C/D, hay vị trí đặt hầm 2/ Góc tạo bề mặt phá hoại bị động mặt phẳng theo phương ngang góc  xấp xỉ (450 - ’/2), bề rộng vùng phá hoại cách gương hầm khoảng 1,5D 3/ Áp lực phá hoại bị động: đường hầm đặt tỷ lệ C/D 1,5, giá trị Nγm đo tăng dần Sx/D nhỏ 0,3 Sau đó, Nγm tăng tỷ lệ giảm đạt tới trạng thái ổn định Sx/D 0,7 Trong đó, hầm đặt vị trí C/D 3,3, giá trị Nγm đo tăng nhanh gương hầm tiến lên đến Sx/D 0,6, đạt tới trạng thái ổn định Sx/D 0,7.Giá trị áp lực phá hoại bị động gương hầm tăng lên chiều sâu đặt hầm tăng từ 1,5 lên 3,3 tương ứng từ 1,6% đến 39% 4/ Đề xuất công thức xác định áp lực phá hoại bị động trước gương hầm phụ thuộc vị trí đặt hầm, vị trí tính toán áp lực phá hoại bị động cho trường hợp đất cát trạng thái chặt vừa: 23 𝐶 𝐶 𝐶 𝑆𝑥 𝜑′ 𝐷 𝑁𝑦𝑚 = [−0.317 ( ) + 2,7558 ( ) − 7,6161 + 7,1916] 𝑡𝑎𝑛 (450 + ) 𝛾 (𝐶 + ) 𝐷 𝐷 𝐷 𝐷 2 5/ Cơ chế biến dạng: Đối với đường hầm nằm độ sâu nông với tỷ lệ C/D 1,5, hầm tiến lên làm cho đất đất xung quanh gương hầm bị trồi lên Giá trị chuyển vị tăng đáng kể với gia tăng Sx/D Đối với đường hầm đặt C/D 3,3, độ lún bề mặt đất cho thấy đường cong lún võng chiều dày chiều dày tầng phủ tăng từ 1,5 D đến 3,3D Hầu hết biến dạng mặt đất diễn khoảng cách lần đường kính xung quanh hầm Kiến nghị - Cơ chế phá hoại bị động gương hầm quan sát hẹp so với chế phá hoại năm khối Soubra (2002) thông qua giải pháp cận Điều cải thiện cách áp dụng quy tắc không liên quan đến dòng chảy việc có chế phá hoại giải pháp cận Do giải pháp cận cải thiện - Lựa chọn phù hợp mơ hình liệu đầu vào đóng vai trò quan trọng kết mơ hình số hóa Mơ hình nên lựa chọn cách cẩn thận để thể điều kiện mặt đất liên quan để có kết thực tế phá hoại đất trước gương hầm Hướng nghiên cứu - Nghiên cứu chế biến dạng đất thi công hầm bên cạnh hầm hữu - Nghiên cứu ảnh hưởng việc thi công hầm đến làm việc cọc công trình lân cận - Nghiên cứu ổn định hầm môi trường đá nứt nẻ 24 ... sát ổn định khối đất trước gương hầm tròn đất cát Cơ chế phá hoại khối đất trước gương hầm thu thí nghiệm ly tâm có tương đồng với giá trị thu từ lý thuyết phân tích giới hạn Các giá trị phân tích. .. hoại khối đất trước gương hầm: Khi gương hầm tiến tới, đất phía trước gương hầm bị dịch chuyển phía trước, đất cách xa mặt đường hầm bị đẩy phía ngồi, tác dụng đến mặt đất làm trồi mặt đất tạo... Hồng Kơng (HKUST) nhằm phân tích ổn định biến dạng khối đất trước gương hầm Đối tượng phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu, khảo sát ổn định khối đất trước gương hầm thí nghiệm mơ hình