Phân tích ứng xử ứng suất biến dạng trong môi trường đá xung quanh công trình hầm giao thông có xét đến vai trò của neo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN MINH ĐƠNG PHÂN TÍCH ỨNG XỬ ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG TRONG MÔI TRƢỜNG ĐÁ XUNG QUANH CƠNG TRÌNH HẦM GIAO THƠNG CĨ XÉT ĐẾN VAI TRÕ CỦA NEO Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2011 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS BÙI TRƢỜNG SƠN Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm 2011 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÕNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo - Tp HCM, ngày … tháng … năm 2011 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN MINH ĐÔNG Ngày, tháng, năm sinh: 12-12-1981 Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Phái: NAM Nơi sinh: THỪA THIÊN HUẾ Mã ngành: 60.58.60 MSHV: 09090296 TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG TRONG MÔI TRƢỜNG ĐÁ XUNG QUANH CƠNG TRÌNH HẦM GIAO THƠNG CĨ XÉT ĐẾN VAI TRÕ CỦA NEO NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Luận văn bao gồm nội dung sau:  Đánh giá trạng thái ứng suất xung quanh cơng trình ngầm đá trước sau xây dựng cơng trình ngầm  Tổng kết phương pháp bố trí neo đánh giá độ ổn định cơng trình ngầm đá  Đặc điểm mơ hình đá đàn hồi-dẻo Hoek – Brown  Đánh giá trạng thái ứng suất – biến dạng, ổn định cơng trình ngầm phân tích vai trị neo ổn định cơng trình mơi trường đá phần mềm Phase2 (Rocscience – Canada) NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05-07-2010 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15-03-2011 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS BÙI TRƢỜNG SƠN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TS BÙI TRƢỜNG SƠN PGS TS VÕ PHÁN LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học luận văn, tơi nhận hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình quý thầy Bộ mơn Địa móng trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Thành phố Hồ chí Minh Trước hết, xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô mơn Địa Cơ Nền Móng tận tình dạy bảo cho suốt thời gian học tập trường Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS Bùi Trường Sơn dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu giúp tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Nhân đây, tơi xin chân thành cảm ơn đến anh chị công ty TNHH thành viên quản lý khai thác hầm đường Hải Vân tạo điều kiện giúp đỡ nhiều suốt thời gian làm luận văn Xin chân thành cảm ơn công ty Sài Gòn RDC, đồng nghiệp bạn bè giúp đỡ, động viên suốt thời gian học tập Mặc dù có nhiều cố gắng hồn thiện luận văn nhiệt tình lực mình, nhiên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng góp quý thầy cô bạn Xin chân thành cảm ơn! TĨM TẮT Trong tính tốn, dự báo độ ổn định cho cơng trình ngầm, cần phải xác định quy luật biến đổi học môi trường đất đá xung quanh Đề tài thực bối cảnh cơng trình hầm giao thơng mơi trường đá sở tốn phẳng có xét đến vai trị neo Mơ hình đàn hồi-dẻo sở tiêu chuẩn phá hoại Hoek – Brown (phiên năm 2002), mơ hình đại, sử dụng để đánh giá trạng thái ứng suất – biến dạng môi trường đá Ưu điểm mơ hình có xét đến mức độ nứt nẻ khối đá Kết mơ tính tốn chương trình Phase2 (Rocscience – Canada) cho thấy lớp đá phong hóa hồn tồn gần bề mặt có xuất biến dạng dẻo phạm vi rộng xung quanh biên cơng trình, lớp địa chất có sử dụng hệ thống neo gia cố vùng biến dạng dẻo thu hẹp lại Trong lớp đá phong hóa trung bình nằm sâu bên dưới, biến dạng dẻo xuất mơi trường đá xung quanh hầm ứng xử phạm vi trạng thái đàn hồi hai trường hợp có neo không neo EVALUATING STRESS–STRAIN STATE OF ROCK MASS SURROUNDING TRANSPORT TUNNEL The calculation and prediction for the stability of underground structure is required to determine the mechanical laws of behaviour in rock mass surround This study is applied for transport tunnel in rock mass with consider role of bolt, based on two-dimensional problem The elasto-plastic model behaviour of rock mass obeyed the latest Hoek – Brown failure criterion (version 2002) is used to evaluate the stress – strain state in rock mass The advantage of this model is taking into account disjointive rock The simulation results by Phase2 (Rocscience – Canada) program show that surrounding plastic zone of excavation boundary enlarges considerably when tunnel is excavated in completely decayed rock while plastic strain was restricted when tunnel is excavated in the same geologic with bolt system used In the deep average decayed rock, plastic strain was restricted and rock mass surrounding obeys elastic behavior in two cases with or without bolt MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG ĐÁNH GIÁ TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT XUNG QUANH CƠNG TRÌNH NGẦM TRONG ĐÁ TRƢỚC VÀ SAU KHI XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH 1.1 Các giả thuyết phân bố ứng suất khối đá 1.1.1 Giả thuyết A Heim 1.1.2 Giả thuyết K Terzaghi 1.1.3 Giả thuyết P.R Sheorey 1.2 Trạng thái ứng suất ban đầu khối đá 1.3 Trạng thái ứng suất – biến dạng tự nhiên 1.3.1 Trạng thái ứng suất khối đá đàn hồi 10 1.3.2 Khối đá không đàn hồi, đồng 12 1.3.3 Khối đá có hệ khe nứt 13 1.3.4 Xác định độ sâu giới hạn trạng thái ứng suất giới hạn dẻo khối đá đàn hồi – dẻo 14 1.4 Trạng thái ứng suất sau xây dựng cơng trình ngầm 16 1.5 Nhận xét phương hướng đề tài 30 CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH NEO TRONG ĐÁ 31 2.1 Các loại bulông neo 31 2.1.1 Các loại bulông neo thông thường 33 2.1.2 Các loại neo đặc biệt 38 2.2 Phân tích làm việc neo 44 2.2.1 Hiệu ứng treo 44 2.2.2 Hiệu ứng dầm kết hợp 47 2.2.3 Hiệu ứng chốt 50 2.3 Nhận xét chương 51 CHƢƠNG MƠ HÌNH KHỐI ĐÁ ĐÀN HỒI – DẺO DỰA TRÊN TIÊU CHUẨN PHÁ HOẠI HOEK - BROWN 52 3.1 Tiêu chuẩn phá hoại Hoek – Brown (phiên năm 2002) 52 3.2 Mơ hình khối đá đàn hồi – dẻo dựa tiêu chuẩn phá hoại Hoek - Brown 55 3.2.1 Phương pháp phân tích 55 3.2.2 Tiêu chuẩn dẻo 56 3.2.3 Ứng suất vùng dẻo 61 3.2.4 Ứng suất phạm vi đàn hồi 62 3.2.5 Phân tích chuyển vị biến dạng 62 3.3 Nhận xét chương 68 CHƢƠNG PHÂN TÍCH VAI TRÕ CỦA NEO TRONG ĐÁ TRONG CƠNG TRÌNH HẦM GIAO THÔNG 69 4.1 Giới thiệu cơng trình điều kiện địa chất cơng trình hầm Hải Vân 69 4.2 Tính tốn độ ổn định cơng trình hầm giao thơng 73 4.2.1 Độ ổn định cơng trình trước gia cố neo 73 4.2.2 Độ ổn định cơng trình sau gia cố neo 90 4.3 Kết luận chương 105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 108 -1- MỞ ĐẦU Tính cấp thiết ý nghĩa khoa học đề tài Các hoạt động khai thác khoáng sản, xây dựng cơng trình ngầm, xây dựng cơng trình bề mặt mức độ khác thay đổi trạng thái trình học xảy bên khối đá Việc đánh giá, dự báo đảm bảo độ ổn định cho cơng trình ngầm vấn đề quan trọng lĩnh vực học đá cơng trình ngầm Trong thực tế, công tác chống giữ bảo đảm điều kiện làm việc an tồn cho cơng trình ngầm chiếm tỉ trọng lớn tổng giá thành xây dựng sử dụng cơng trình Trong số vùng có điều kiện địa chất phức tạp, chi phí bảo dưỡng, bảo vệ cơng trình đạt tới 90% tổng giá thành xây dựng cơng trình Điều bắt buộc kỹ sư thiết kế phải tìm kiếm, áp dụng phương pháp dự báo khả thay đổi trạng thái công trình ngầm tác dụng yếu tố, điều kiện địa chất khu vực khác lựa chọn giải pháp hiệu nâng cao độ ổn định cơng trình ngầm Cơng trình đá bị ổn định xuất hệ thống nứt nẻ khu vực lân cận đứt gãy Để hạn chế mức độ chuyển vị hay ổn định nên việc gia cường khối đá cần xem xét tính tốn Một biện pháp hữu hiệu chọn lựa sử dụng bố trí hệ thống neo Trong trường hợp xuất mặt trượt yếu nhất, việc bố trí neo thường dễ dàng vào góc trượt góc ma sát đá mặt trượt (    j  900 ) Trong môi trường đá xung quanh công trình ngầm, xuất neo làm giảm mức độ xuất phát triển nứt nẻ, làm liên kết khối đá nhằm gia tăng khả ổn định giảm biến dạng Để phân tích đánh giá vai trò neo gia cường khối đá thi cơng cơng trình ngầm đá, chúng tơi chọn lựa đề tài: “Phân tích ứng xử ứng suất - biến dạng mơi trường đá xung quanh cơng trình hầm giao thơng có xét đến vai trị neo” -2- Nhiệm vụ đề tài Nhiệm vụ chủ yếu đề tài gồm: - Tổng kết phương pháp bố trí neo đánh giá độ ổn định cơng trình ngầm đá - Phân tích mơ toán sở liệu thực tế nhằm làm sáng tỏ vai trò neo ổn định cơng trình mơi trường đá Phƣơng pháp nghiên cứu - Mô đánh giá độ ổn định mơi trường đá xung quanh cơng trình ngầm sở tốn phẳng - Phân tích vai trị ảnh hưởng hệ thống neo lên độ ổn định cơng trình Việc mơ nhờ trợ giúp phần mềm Phase -3- CHƢƠNG ĐÁNH GIÁ TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT XUNG QUANH CƠNG TRÌNH NGẦM TRONG ĐÁ TRƢỚC VÀ SAU KHI XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH 1.1 Các giả thuyết phân bố ứng suất khối đá Dưới tác dụng trọng lực lực kiến tạo điểm nằm sâu khối đá có ứng suất theo phương khác Tồn giả thuyết quan hệ loại ứng suất đá, giả thuyết dựa giả thiết khối đá chịu tác dụng trọng lực [5], [6], [9], [23] 1.1.1 Giả thuyết A Heim Trong trình xây dựng đường hầm, nhà địa chất Thụy Sỹ Albert Heim nhận thấy hầm chịu ảnh hưởng áp lực cao, tác dụng phía khối đá Ông cho thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng  z trọng lượng khối đá nằm gây với thành phần ứng suất nằm ngang  x z  x    z Trong đó: (1.1)  - trọng lượng thể tích đá; z – chiều sâu từ điểm xét khối đá đến mặt đất Giả thuyết Heim đề năm 1878 Trước năm, kỹ sư mỏ người Đức F Rziha có ý kiến tương tự Giả thuyết khơng giải thích tượng sai khác ứng suất theo phương nằm ngang theo phương thẳng đứng quan sát thấy số khu vực - 103 - a) b) c) Hình 4-31 Quan hệ tổng chuyển vị theo khoảng cách hầm lớp 2c a Quan hệ tổng chuyển vị theo khoảng cách hông hầm b Quan hệ tổng chuyển vị theo khoảng cách đỉnh hầm c Quan hệ tổng chuyển vị theo khoảng cách đáy hầm - 104 Kết hình 4-30và 4-31 cho thấy chuyển vị hông hầm không đáng kể Chuyển vị chủ yếu xảy đỉnh hầm, chuyển vị tổng lớn đạt vị trí đỉnh hầm 0,42mm chuyển vị tổng hông hầm 0,14mm Các chuyển vị hướng vào tiết diện hầm Tại vị trí xa đáy hầm đỉnh hầm giảm dần Hình 4-32 Vùng biến dạng dẻo hầm lớp đá 2c Hình 4-32 thể vùng dẻo xuất xung quanh biên hầm Ở mơ hình vùng dẻo xuất cục bên đáy hầm đỉnh hầm Độ sâu vùng dẻo tính từ đáy hầm khoảng 0,2m (2/100 bề rộng hầm) Đỉnh hầm xuất điểm dẻo cục khơng đáng kể Ngồi vùng dẻo, môi trường đá trạng thái đàn hồi Dễ dàng thấy có mặt hệ thống neo, phạm vi vùng biến dạng dẻo thu hẹp đáng kể Do chuyển vị mơi trường đá có giá trị khơng đáng kể nên có neo chuyển vị có giảm với giá trị khơng đáng kể - 105 Từ kết tính tốn mơ thấy cơng trình có khả ổn định đặt lớp đá granite phân hủy mạnh Trong trường hợp vùng biến dạng dẻo xuất phát triển đến phạm vi 1,5m bên đáy nằm ngang hầm Việc bố trí neo phạm vi làm hạn chế vùng biến dạng dẻo, đảm bảo điều kiện làm việc ổn định cơng trình 4.3 Kết luận chƣơng - Biến dạng hướng tâm khai đào mơi trường đá có giá trị khơng đáng kể Trong đó, giá trị chuyển vị phụ thuộc vào độ sâu chôn, vùng ảnh hưởng khơng phụ thuộc vào việc bố trí neo gia cường - Giá trị chuyển vị xung quanh cơng trình phạm vi xuất dẻo có giá trị lớn - Phân bố ứng suất lớn đạt giá trị lớn 2,51 MPa hông hầm lớp đá granite phong hóa hồn tồn (khi khơng sử dụng neo) - Phân bố ứng suất nhỏ đạt giá trị lớn 0,4 MPa khoảng cách 2m tính từ mép hơng hầm - Chuyển vị lớn xảy vị trí đỉnh đáy hầm lớp đá phong hóa trung bình hai trường hợp có neo khơng neo - 106 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ kết tính tốn mơ cơng trình đường hầm giao thơng đá có xử lý neo sở mơ hình đàn hồi – dẻo Hoek - Brown rút kết luận sau: - Sự thay đổi trạng thái ứng suất đá xảy phạm vi lần bán kính hầm Trong phạm vi ảnh hưởng mơi trường đá xảy biến dạng dẻo có khuynh hướng rộng so với đá ứng xử giới hạn đàn hồi - Ứng suất lớn giảm, ứng suất nhỏ tăng theo khoảng cách phía mơi trường xung quanh môi trường đàn hồi Trong vùng dẻo xung quanh hầm, ứng suất lớn có khuynh hướng suy giảm - Trong môi trường đá, chuyển vị hướng tâm xung quanh hầm có giá trị khơng đáng kể (