Từ các kết quả mô phỏng với mô hình khối đá phân lớp, có các lớp được coi là đồng nhất liền khối cho thấy, thế nằm và trật tự sắp xếp của các lớp đá trong khối đá, việc lựa chọn điều [r]
(1)Khoa học Kỹ thuật Công nghệ
Mở đầu
Trong xây dựng cơng trình ngầm thường gặp khối đất đá có cấu trúc phức tạp, ví dụ tính phân lớp với lớp đất/đá có thơng số hình học học khác Nghiên cứu trình biến đổi học khối đất đá xung quanh khoảng trống ngầm, bờ dốc thường sử dụng phương pháp lý thuyết, bao gồm phương pháp giải tích phương pháp số [1, 2] Các lời giải giải tích thường nhận dạng “nghiệm kín” cho tốn với sơ đồ giải mơ hình học đơn giản khối đất đá Để ý yếu tố biểu học, đặc điểm địa chất, điều kiện biên phức tạp, nhiều mơ hình giải tích [3, 4] phương pháp số phát triển áp dụng, phương pháp giải gần hệ phương trình học phương pháp sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn phương pháp không lưới [5-7]
Tuy nhiên, việc giải toán địa học phương pháp số thường gắn liền với miền khảo sát hữu hạn điều kiện biên lựa chọn tương xứng, nhiều mang tính chủ quan, khơng có phân tích việc chọn kích thước miền nghiên cứu điều kiện biên tương ứng, ví dụ cơng trính [8-11] Để làm rõ tác động yếu tố nêu đến kết nghiên cứu, mô phỏng, cần thiết phải triển khai xây dựng phân tích mơ hình với điều kiện khác Một số kết nghiên cứu bước đầu cho thấy rõ ảnh hưởng yếu tố hình học điều kiện biên biến động chúng đến kết phân tích, dự báo tai biến địa chất rõ nét Đồng thời kết gợi ý cho người sử dụng phương pháp số vấn đề cần đặc biệt ý lập mơ hình tính trường hợp khối đất đá không đồng nhất, điều kiện biên phức tạp
Tóm tắt:
Trong xây dựng cơng trình ngầm thường gặp khối đất đá có cấu trúc phức tạp, cấu trúc phân lớp với các lớp đất đá có thơng số hình học học khác Các cố phá hủy xảy khối đất đá, các đặc điểm địa chất phức tạp (tai biến địa chất) đa dạng, gây thiệt hại nhiều người sở hạ tầng Nhiều phương pháp áp dụng để nghiên cứu dự báo dạng quy mô tai biến địa chất, phương pháp số góp phần đắc lực Tuy nhiên, miền khảo sát khơng đồng nhất, nên thực tế tai biến địa chất chưa dự báo hết, khơng cẩn trọng xây dựng mơ hình tính, việc lựa chọn kích thước miền nghiên cứu, điều kiện biên Bài viết giới thiệu số kết nghiên cứu mô sử dụng phần mềm FLAC 2D, ý đến ảnh hưởng phân bố lớp đá, kích thước miền nghiên cứu, ảnh hưởng việc lựa chọn, thay thế điều kiện biên ảnh hưởng khoảng cách đường hầm mặt ranh giới khối đá rắn cứng với lớp phủ Kết nghiên cứu cho thấy, quy luật biến đổi học phức tạp đa dạng, khác xa so với lời giải giải tích sử dụng mơ hình đơn giản Đồng thời kết nhận cho thấy, giải vấn đề thực tế, với khối đất đá có cấu trúc phức tạp, cần thiết phải linh hoạt thận trọng việc xây dựng toán với dữ liệu thích hợp
Từ khóa: điều kiện biên, FLAC 2D, khối đá phân lớp, kích thước vùng nghiên cứu, tai biến địa chất, xây dựng cơng trình ngầm.
Chỉ số phân loại: 2.1
Nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện biên kích thước vùng nghiên cứu đến kết dự báo phân tích tai biến địa chất
trong xây dựng cơng trình ngầm sử dụng phương pháp số
Nguyễn Quang Phích1*, Nguyễn Huy Vững1, Ngơ Dỗn Hào2, Nguyễn Trọng Tâm3
1Trường Đại học Bình Dương 2Trường Đại học Mỏ - Địa chất
3Trường Đại học Giao thơng vận tải TP Hồ Chí Minh
Ngày nhận 10/8/2018; ngày chuyển phản biện 13/8/2018; ngày nhận phản biện 4/10/2018; ngày chấp nhận đăng 9/10/2018
(2)Khoa học Kỹ thuật Công nghệ
Phương pháp nội dung nghiên cứu Cơ sở lý thuyết
Bài toán nghiên cứu, phân tích tai biến địa chất xây dựng cơng trình ngầm khai thác mỏ xây dựng toán học, ý đến đặc điểm địa chất yếu tố tác động chủ yếu, thực theo sơ đồ tổng quát hình
Mơ hình dự báo nội dung nghiên cứu
Để nghiên cứu trình biến đổi học khối đất đá phân lớp xung quanh cơng trình ngầm, chúng tơi xây dựng mơ hình dự báo phần mềm FLAC 2D Nghiên cứu mơ thực có ý đến yếu tố gồm: có mặt lớp đá trật tự phân bố chúng khối đá; kích thước miền nghiên cứu, tốn khơng có tính đối xứng; điều kiện biên, liên quan với việc thay lớp đá phía trên, cơng trình nằm sâu; khoảng cách cơng trình ngầm khối đá rắn cứng với lớp phủ khối đá bở rời
Kết thảo luận
Ảnh hưởng phân bố lớp đá mơ hình Trong khối đá trầm tích thường xuất lớp đá khác nhau, với trật tự phân bố đa dạng Các lời giải giải tích thường cho quy luật tổng quát với giả thiết khối đá đồng nhất, đẳng hướng Một số lời giải cho môi trường đồng dị hướng ý, song tính phức tạp nên cịn chưa áp dụng nhiều vào thực tế Trong đó, phương pháp số, phần mềm FLAC 2D giải tốn biên, ý tính phân lớp khối đá
Mơ hình khảo sát xây dựng cho trường hợp khối đá, bao gồm lớp đá cát kết, bột kết, sét kết than nằm dốc nghiêng với tham số học bảng Kết nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng trật tự phân bố lớp đến tượng biến đổi học
Influences of selected boundary conditions and size of the study area on the forecast
and analysis results of geological hazards in underground construction when using
numerical methods
Quang Phich Nguyen1*, Huy Vung Nguyen1, Doan Hao Ngo2, Trong Tam Nguyen3
1Binh Duong University 2Hanoi University of Mining and Geology 3Ho Chi Minh City University of Transport
Received 10 August 2018; accepted October 2018 Abstract:
In the construction of underground structures, we often face complex rock masses, such as stratigraphy with layers of rock and soil of different geometrical and mechanical parameters The geological variations are often diverse and complex and cause huge losses of human and infrastructure during the construction works In order to reasonably predict the types and sizes of geo-risks, attention should be paid to the use of numerical methods Since the rock mass to be examined is heterogeneous, rational schemes and sequences must be developed so that the results best reflect the realities possible The article presents some simulation results using the FLAC 2D software, taking into account the influence of the distribution of the rock strata, the size of the simulated area, the selection of the boundary conditions, and the distance from the tunnel to the boundary between the solid rock mass and the coat The results showed that the geomechanical processes are complex and diverse, much more different than the analytical solutions with simple models At the same time, it also required to be flexible and careful for using the appropriate data when solving a practical problem. Keywords: boundary conditions, FLAC 2D, geological hazards, layered rock mass, size of the study area, underground construction.
Classification number: 2.1
Phương pháp nội dung nghiên cứu Cơ sở lý thuyết
Bài tốn nghiên cứu, phân tích tai biến địa chất xây dựng cơng trình ngầm khai thác mỏ xây dựng toán học, ý đến đặc điểm địa chất yếu tố tác động chủ yếu, thực theo sơ đồ tổng qt hình
Mơ hình dự báo nội dung nghiên cứu
Đểnghiên cứu trình biến đổi học khối đất đá phân lớp xung
quanh cơng trình ngầm,chúng tơi xây dựngcácmơ hìnhdự báo phần mềm
FLAC 2D Nghiên cứumơ thực hiệncó ý đến yếu tố gồm: có mặt lớp đá trật tự phân bố chúng khối đá; kích thước miền nghiên cứu, tốn khơng có tính đối xứng;điều kiện biên, liên quan với việc thay lớp đá phía trên, cơng trình nằm sâu; khoảng cách cơng trình ngầm khối đá rắn cứng với lớp phủ khối đá bở rời
Kết thảo luận
Ảnh hưởng phân bố lớp đá mơ hình
Trong khối đá trầm tích thường xuất lớp đá khác nhau, với trật tự phân bố đa dạng Các lời giải giải tích thường chocác quy luật tổng quát với giả thiết khối đá đồng nhất, đẳng hướng Mộtsố lời giải cho mơi trường đồngnhất dị
Hình Sơ đồ phântích dự báo tai biến địa chất -kỹ thuật xây dựng cơng trình ngầm khai thác mỏ hầm lò
Hậu - tai biến địa chất
+ Lún sụt, trụt lở đến mặt đất + Phá hủy, biến dạng mạnh lòng đất + Bục nước, khí
Trạng thái nguyên sinh
Địa hình, địa mạo; trọng lực; lực kiến tạo; đặc điểm địa chất, thủy văn; tính chất học đá, khối đá
Hình thành khoảng trống ngầm
Tự nhiên, nhân tạo; biến đổi theo thời gian
Điều kiện hóa-lý, tự nhiên
Nhiệt độ, độ ẩm; nước ngầm dạng tác động; động đất…
Trạng thái thứ sinh
Trạng thái nguyên sinh yếu tố liên quan; trình hình thành khoảng trống yếu tố tác động liên quan; hình dạng, kích thước khoảng trống
Phân bố lại ứng suất Dịch chuyển, biến dạng
(3)Khoa học Kỹ thuật Công nghệ
Bảng Dữ liệu tính chất học lớp đá khối đá phân lớp.
Loại đá
Mật độ
(g/cm3)
Lực dính kết C (MPa)
Góc ma sát trong
(độ)
Mơ đun nén thể tích K (GPa)
Mô đun trượt G (GPa)
Cát kết 2,61 1,00 40 11,60 8,70
Than 1,30 0,01 35 2,60 1,30
Bột kết 2,50 1,00 25 10,00 7,00
Sét kết 2,60 0,10 30 9,60 2,70
Hai chương trình tính lập với trật tự lớp khối đá khác nhau, cụ thể là: trường hợp 1, từ xuống (trái qua phải) lớp bột kết - sét kết - than - sét kết - cát kết; trường hợp 2, từ xuống (trái qua phải) lớp cát kết - sét kết - than - bột kết - cát kết Đường hầm có dạng tường thẳng vòm bán nguyệt (cao m rộng m), đào than, đỉnh lò cách bề mặt lớp đá cứng 12 m Miền nghiên cứu có kích thước 30x30 m, đủ lớn so với kích thước cơng trình ngầm Các mơ hình phân tích thể hình
Kết phân tích, mơ cho thơng tin đầy đủ quy luật biến đổi học xảy khối đá xung quanh đường hầm, bao gồm quy luật phân bố ứng suất, dịch chuyển, biến dạng hình thành vùng phá hủy Trên hình kết minh họa vùng phá hủy (vùng với gạch chéo) biểu đồ lún mặt khối đá cứng phía đường hầm Biểu đồ lún biểu thị mối quan hệ độ lún kể từ mặt đất, có giá trị âm (-) tọa độ theo phương ngang miền nghiên cứu, kể từ trái qua phải, với đơn vị đo mét (m)
Các kết nhận cho thấy, vùng phá hủy dịch chuyển khối đá xung quanh đường hầm khơng có tính đối xứng Vùng phá hủy phát triển chủ yếu lớp than lan bề mặt khối đá rắn cứng So sánh cho thấy trường hợp vùng phá hủy phát triển rộng Độ lún (đo m) bề mặt trường hợp có biên độ lớn hơn, quy luật định tính
Hình Vùng phá hủy xung quanh đường lò biểu đồ đường cong lún mặt đất, trật tự lớp là: bột kết, sét kết, than, sét kết, cát kết.
Hình Vùng phá hủy xung quanh đường hầm biểu đồ lún trên mặt đất, trật tự lớp là: cát kết, sét kết, than, bột kết, cát kết.
Từ kết nhận rút nhận xét sau: khối đá có cấu trúc phân lớp, quy luật phân bố ứng suất, dịch chuyển hình thành vùng phá hủy phụ thuộc vào phân bố lớp khối đá, cần thận trọng áp dụng quy luật nhận lời giải giải tích đơn giản Qua hai mơ hình khảo sát nhận thấy: mơ hình thứ 2, trình dịch chuyển, biến dạng đạt giá trị tương đối lớn hơn, mặt dù mô hình có hai lớp cát kết cứng vững đá trụ đá vách; biến động vị trí lớp rõ ràng ảnh hưởng đến trình phân bố ứng suất, dịch chuyển khối đá; vùng phá hủy trường hợp sau phát triển mạnh
Ảnh hưởng kích thước miền nghiên cứu
Xuất phát từ kết nhận đường cong lún hình cho thấy cần thiết phải tăng kích thước ngang miền nghiên cứu Mơ hình dự báo khảo sát có điều kiện địa chất, địa học mơ hình (bột kết, sét kết, than, sét kết, cát kết) với miền nghiên cứu nới rộng, cụ thể có kích thước 70x30 m (rộngxcao) Các kết nhận được, so sánh với trường hợp miền nghiên cứu có kích thước 30x30m, thể hình
Như vậy, kích thước vùng nghiên cứu chọn nhỏ, khơng thể phân tích, dự báo hết vùng lún sụt phá hủy khối đá
hướng ý, song tính phức tạp nên cịn chưa áp dụng nhiều vào thực tế Trong đó, phương pháp số, phần mềm FLAC 2D giải tốn biên, ý tính phân lớp khối đá
Mơ hình khảo sát xây dựng cho trường hợp khối đá, bao gồm lớp đá cát kết, bột kết, sét kết than nằm dốc nghiêng với tham số học bảng Kết nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng trật tự phân bố lớp đến tượng biến đổi học
Bảng Dữ liệu tính chất học lớp đá khối đá phân lớp Loại đá Mật độ
(g/cm3)
Lực dính kết C
(Mpa)
Góc ma sát trong (độ)
Mơ đun nén thể tích K (Gpa)
Mô đun trượt G (Gpa) Cát kết 2,61 1,00 40 11,60 8,70
Than 1,30 0,01 35 2,60 1,30
Bột kết 2,50 1,00 25 10,00 7,00 Sét kết 2,60 0,10 30 9,60 2,70
Hai chương trình tính lập với trật tự lớp khối đá khác nhau, cụ thể là: trường hợp 1, từ xuống (trái qua phải) lớp bột kết - sét kết - than - sét kết - cát kết; trường hợp 2, từ xuống (trái qua phải) lớp cát kết - sét kết - than - bột kết - cát kết Đường hầm có dạng tường thẳng vòm bán nguyệt (cao m rộng m), đào than, đỉnh lò cách bề mặt lớp đá cứng 12 m Miền nghiên cứu có kích thước 30x30 m, đủ lớn so với kích thước cơng trình ngầm Các mơ hình phân tích thể hình
Kết phân tích, mơ cho thơng tin đầy đủ quy luật biến đổi học xảy khối đá xung quanh đường hầm, bao gồm quy luật phân bố ứng suất, dịch chuyển, biến dạng hình thành vùng phá hủy Trên hình kết minh họa vùng phá hủy (vùng với gạch chéo) biểu đồ lúntrên mặt khối đá cứng phía đường hầm Biểu đồ lún biểu thị mối quan hệ độ lún kể từ mặt đất, có giá trị âm (-) tọa độ theo phương ngang miền nghiên cứu, kể từ trái qua phái, với đơn vị đo mét (m)
Các kết nhận cho thấy, vùng phá hủy dịch chuyển khối đá xung quanh đường hầm khơng có tính đối xứng Vùng phá hủy phát triển chủ yếu lớp than lan bề mặt khối đá rắn cứng So sánh cho
Hình Hai mơ hình mơ khối đá phân lớp với trật tự lớp đá khác nhau: (A) bột kết, sét kết, than, sét kết, cát kết; (B) cát kết, sét kết, than, bột kết, cát kết.
(A) (B)
thấy trường hợp vùng phá hủy phát triển rộng Độ lún (đo m) bề mặt trường hợp có biên độ lớn hơn, quy luật định tính
Hình Vùng phá hủy xung quanh đường lò biểu đồ đường cong lún mặt đất,
khi trật tự lớp là: bột kết, sét kết, than, sét kết, cátkết.
Hình Vùng phá hủy xung quanh đường hầm biểu đồ lún mặt đất, trật tự lớp là: cát kết, sét kết, than, bột kết, cát kết.
Từ kết nhận rút nhận xét sau: khối đá có cấu trúc phân lớp, quy luật phân bố ứng suất, dịch chuyển hình thành vùng phá hủy phụ thuộc vào phân bố lớp khối đá, cần thận trọng áp dụng quy luật nhận lời giải giải tích đơn giản Qua hai mơ hình khảo sát nhận thấy: mơ hình thứ 2, trình dịch chuyển, biến dạng đạt giá trị tương đối lớn hơn, mặt dù mơ hình có hai lớp cát kết cứng vững đá trụ đá vách; biến động vị trí lớp rõ ràng ảnh hưởng đến trình phân bố ứng suất, dịch chuyển khối đá; vùng phá hủy trường hợp sau phát triển mạnh
Ảnh hưởng kích thước miền nghiên cứu
Xuất phát từ kết nhận đường cong lún hình cho thấy cần thiết phải tăng kích thước ngang miền nghiên cứu Mơ hình dự báo khảo sát có điều kiện địa chất, địa học mơ hình (bột kết, sét kết, than, sét kết, cát kết) với miền nghiên cứu nới rộng, cụ thể có kích thước 70x30 m (rộngxcao) Các kết nhận được, so sánh với trường hợp miền nghiên cứu có kích thước 30x30m, thể hình
thấy trường hợp vùng phá hủy phát triển rộng Độ lún (đo m) bề mặt trường hợp có biên độ lớn hơn, quy luật định tính
Hình Vùng phá hủy xung quanh đường lò biểu đồ đường cong lún mặt đất,
khi trật tự lớp là: bột kết, sét kết, than, sét kết, cátkết.
Hình Vùng phá hủy xung quanh đường hầm biểu đồ lún mặt đất, trật tự lớp là: cát kết, sét kết, than, bột kết, cát kết.
Từ kết nhận rút nhận xét sau: khối đá có cấu trúc phân lớp, quy luật phân bố ứng suất, dịch chuyển hình thành vùng phá hủy phụ thuộc vào phân bố lớp khối đá, cần thận trọng áp dụng quy luật nhận lời giải giải tích đơn giản Qua hai mơ hình khảo sát nhận thấy: mơ hình thứ 2, q trình dịch chuyển, biến dạng đạt giá trị tương đối lớn hơn, mặt dù mơ hình có hai lớp cát kết cứng vững đá trụ đá vách; biến động vị trí lớp rõ ràng ảnh hưởng đến trình phân bố ứng suất, dịch chuyển khối đá; vùng phá hủy trường hợp sau phát triển mạnh
Ảnh hưởng kích thước miền nghiên cứu
Xuất phát từ kết nhận đường cong lún hình cho thấy cần thiết phải tăng kích thước ngang miền nghiên cứu Mơ hình dự báo khảo sát có điều kiện địa chất, địa học mơ hình (bột kết, sét kết, than, sét kết, cát kết) với miền nghiên cứu nới rộng, cụ thể có kích thước 70x30 m (rộngxcao) Các kết nhận được, so sánh với trường hợp miền nghiên cứu có kích thước 30x30m, thể hình
Hình Hai mơ hình mơ khối đá phân lớp với trật tự lớp đá khác nhau: (A) bột kết, sét kết, than, sét kết, cát kết; (B) cát kết, sét kết, than, bột kết, cát kết.
thấy trường hợp vùng phá hủy phát triển rộng Độ lún (đo m) bề mặt trường hợp có biên độ lớn hơn, quy luật định tính
Hình Vùng phá hủy xung quanh đường lò biểu đồ đường cong lún mặt đất,
khi trật tự lớp là: bột kết, sét kết, than, sét kết, cátkết.
Hình Vùng phá hủy xung quanh đường hầm biểu đồ lún mặt đất, trật tự lớp là: cát kết, sét kết, than, bột kết, cát kết.
Từ kết nhận rút nhận xét sau: khối đá có cấu trúc phân lớp, quy luật phân bố ứng suất, dịch chuyển hình thành vùng phá hủy phụ thuộc vào phân bố lớp khối đá, cần thận trọng áp dụng quy luật nhận lời giải giải tích đơn giản Qua hai mơ hình khảo sát nhận thấy: mơ hình thứ 2, trình dịch chuyển, biến dạng đạt giá trị tương đối lớn hơn, mặt dù mơ hình có hai lớp cát kết cứng vững đá trụ đá vách; biến động vị trí lớp rõ ràng ảnh hưởng đến trình phân bố ứng suất, dịch chuyển khối đá; vùng phá hủy trường hợp sau phát triển mạnh
Ảnh hưởng kích thước miền nghiên cứu
Xuất phát từ kết nhận đường cong lún hình cho thấy cần thiết phải tăng kích thước ngang miền nghiên cứu Mơ hình dự báo khảo sát có điều kiện địa chất, địa học mơ hình (bột kết, sét kết, than, sét kết, cát kết) với miền nghiên cứu nới rộng, cụ thể có kích thước 70x30 m (rộngxcao) Các kết nhận được, so sánh với trường hợp miền nghiên cứu có kích thước 30x30m, thể hình
thấy trường hợp vùng phá hủy phát triển rộng Độ lún (đo m) bề mặt trường hợp có biên độ lớn hơn, quy luật định tính
Hình Vùng phá hủy xung quanh đường lò biểu đồ đường cong lún mặt đất,
khi trật tự lớp là: bột kết, sét kết, than, sét kết, cátkết.
Hình Vùng phá hủy xung quanh đường hầm biểu đồ lún mặt đất, trật tự lớp là: cát kết, sét kết, than, bột kết, cát kết.
Từ kết nhận rút nhận xét sau: khối đá có cấu trúc phân lớp, quy luật phân bố ứng suất, dịch chuyển hình thành vùng phá hủy phụ thuộc vào phân bố lớp khối đá, cần thận trọng áp dụng quy luật nhận lời giải giải tích đơn giản Qua hai mơ hình khảo sát nhận thấy: mơ hình thứ 2, q trình dịch chuyển, biến dạng đạt giá trị tương đối lớn hơn, mặt dù mơ hình có hai lớp cát kết cứng vững đá trụ đá vách; biến động vị trí lớp rõ ràng ảnh hưởng đến trình phân bố ứng suất, dịch chuyển khối đá; vùng phá hủy trường hợp sau phát triển mạnh
Ảnh hưởng kích thước miền nghiên cứu
(4)Khoa học Kỹ thuật Công nghệ
Trong thực tế, phía khối đá rắn cứng tồn lớp đất đá phủ, gây thêm áp lực lên bề mặt khối đá rắn cứng Để thấy ảnh hưởng lớp phủ, hai mô hình dự báo khảo sát có lớp phủ dày 30 m hình 6, với kích thước miền nghiên cứu (A) 70x60 m (B) 100x60 m Lớp phủ có tham số vật lý, học mật độ 2.000 kg/m3; mô đun nén thể tích K=33.333.106 Pa; mơ đun trượt G=20.106 Pa; góc ma sát φ=300 và lực dính kết c=50.103 Pa.
Hình Mơ hình đường hầm khối đá phân lớp có lớp phủ dày 30 m.
Kết mô cho thấy, quy mô vùng phá hủy hình đường cong lún sụt biên ranh giới vùng đá rắn cứng lớp phủ (A-phía trên) mặt đất (B-phía dưới) hình
Kết nhận cho thấy tăng chiều rộng miền nghiên cứu đến 100 m, nhận thơng tin tồn vùng phá hủy gần ranh giới lớp đá rắn cứng lớp phủ; đường cong lún sụt nhận mặt đất gần đầy đủ
Tiếp tục mở rộng miền khảo sát đến kích thước 150x60 m nhận biểu đồ lún sụt hình Kết cho thấy, đường cong lún ranh giới khối đá rắn cứng tầng phủ khơng có khác biệt so với trường hợp vùng khảo sát có kích thước 100x60, nhiên có đường cong lún mặt đất đầy đủ Hình cho thấy, phía bên trái có vùng bị đẩy trồi tương đối, phía bên phải lún sụt xảy mạnh Nguyên nhân trường hợp có lớp bột kết mềm nằm phía bên phải Đương nhiên, hai phía trái phải lại có lớp đá rắn mềm xen kẽ, chắn lún sụt xảy cịn phức tạp
Hình Mơ hình kết dự báo phá hủy, lún sụt với kích thước miền nghiên cứu 30x30 m (bên trái) 70x30 m (bên phải).
Hình Vùng phá hủy khối đá, tương ứng với miền nghiên cứu rộng (A) 70 m (B) 100 m.
Hình Hình dạng biểu đồ lún sụt: (A) mặt ranh giới giữa khối đá rắn cứng với tầng phủ (B) mặt đất với kích thước miền nghiên cứu khác (các kích thước đo m).
Như vậy, kích thước vùng nghiên cứu chọn nhỏ, khơng thể phân tích, dự báo hết vùng lún sụt phá hủy khối đá
Trong thực tế, phía khối đá rắn cứng tồn lớp đất đá phủ, gây thêm áp lực lên bề mặt khối đá rắn cứng Để thấy ảnh hưởng lớp phủ, hai mơ hình dự báo khảo sát có lớp phủ dày 30 m hình 6, với kích thước miền nghiên cứu a) 70x60 m b) 100x60 m Lớp phủ có tham số vật lý,
cơ học mật độ 2.000 kg/m3; mô đun nén thể tích K=33.333.106Pa; mơ đun trượt
G=20.106Pa; góc ma sát φ=300 và lực dính kết c=50.103 Pa
Hình Mơ hình đường hầm khối đá phân lớp có lớp phủ dày 30 m.
Kết mô cho thấy, quy mô vùng phá hủy hình
đường cong lún sụt biên ranh giới vùng đá rắn cứng lớp phủ (A-phía
trên) mặt đất (B-phía dưới) hình
Kết nhận cho thấy tăng chiều rộng miền nghiên cứu đến
100 m, nhận thông tin toàn vùng phá hủy gần ranh giới lớp đá
Hình Mơ hình kết dự báo phá hủy, lún sụt với kích thước miền
nghiên cứu 30x30 m (bên trái) 70x30 m (bên phải)
Mơ hình dự báo
Vùng phá hủy
Đường cong lún
(A) (B)
Như vậy, kích thước vùng nghiên cứu chọn nhỏ, khơng thể phân tích, dự báo hết vùng lún sụt phá hủy khối đá
Trong thực tế, phía khối đá rắn cứng tồn lớp đất đá phủ, gây thêm áp lực lên bề mặt khối đá rắn cứng Để thấy ảnh hưởng lớp phủ, hai mơ hình dự báo khảo sát có lớp phủ dày 30 m hình 6, với kích thước miền nghiên cứu a) 70x60 m b) 100x60 m Lớp phủ có tham số vật lý,
cơ học mật độ 2.000 kg/m3; mơ đun nén thể tích K=33.333.106Pa; mơ đun trượt
G=20.106Pa; góc ma sát φ=300 và lực dính kết c=50.103 Pa
Hình Mơ hình đường hầm khối đá phân lớp có lớp phủ dày 30 m.
Kết mô cho thấy, quy mơ vùng phá hủy hình 7và
đường cong lún sụt biên ranh giới vùng đá rắn cứng lớp phủ (A-phía
trên) mặt đất (B-phía dưới) hình
Kết nhận chothấy tăng chiều rộng miền nghiên cứu đến
100 m, nhận thơng tin tồn vùng phá hủy gần ranh giới lớp đá
Hình Mơ hình kết dự báo phá hủy, lún sụt với kích thước miền
nghiên cứu 30x30 m (bên trái) 70x30 m (bên phải)
Mô hình dự báo
Vùng phá hủy
Đường cong lún
(A) (B)
rắn cứng lớp phủ; đường cong lún sụt nhận mặt đất gần đầy đủ
Biểu đồ lún mặt ranh giới vùng đá rắn cứng phân lớp với tầng phủ kích thước vùng khảo sát 70x60 m
Biểu đồ lún mặt ranh giới vùng đá rắn cứng phân lớp với tầng phủ kích
thước vùng khảo sát là 100x60 m
(B)
Biểu đồ lún mặt đất kích thước vùng khảo sát 70x60 m
(B)
Biểu đồ lún mặt đất kích thước vùng khảo sát 100x60 m
(A) (B)
Hình Hình dạng biểuđồ lún sụt : (A) mặt ranh giới khốiđá rắn cứng
với tầngphủ (B) mặtđất với kích thước miềnnghiên cứu khác (các kích thước đo m)
(A) (A)
rắn cứng lớpphủ;đườngconglún sụtnhậnđược mặtđất cũnggầnđầy đủ
Biểu đồlúntrênmặt ranhgiớivùngđá
rắn cứngphânlớp vớitầngphủ kích
thước vùng khảo sát 70x60 m
Biểuđồlúntrênmặt ranhgiớivùngđá
rắn cứngphânlớp vớitầngphủ kích
thước vùng khảo sát là 100x60 m
(B)
Biểuđồlúntrên mặtđất kích thước
vùng khảosát 70x60 m
(B)
Biểuđồlúntrên mặtđất kích thước
vùng khảosát 100x60 m
(A) (B)
Hình Hình dạng biểuđồ lún sụt : (A) mặt ranh giới khốiđá rắn cứng
với tầngphủ (B) mặtđất với kích thước miềnnghiên cứu khác (các kích thước đo m)
(A) (A)
Mơ hình dự báo
Vùng phá hủy
(5)Khoa học Kỹ thuật Công nghệ
lún sụt mặt ranh giới khối
đá rắn cứng tầng phủ lún sụt mặt đất
Hình Biểu đồ lún sụt kích thước miền khảo sát 150x60 m Ảnh hưởng việc lựa chọn, thay điều kiện biên Thơng thường, cơng trình ngầm nằm sâu, để nghiên cứu quy luật biến đổi học khối đá xung quanh khoảng trống ngầm, phân tích tai biến địa chất - kỹ thuật, khảo sát vùng với kích thước “đủ lớn”, đồng thời thay lớp đất đá phía giá trị áp lực tác dụng mặt biên miền nghiên cứu
Để đánh giá ảnh hưởng cách xây dựng mơ hình với điều kiện biên chọn, mơ hình lập để khảo sát khối đá rắn cứng phân lớp, có lớp đất đá phủ dày 30 m, theo hai sơ đồ: khảo sát tồn khối đá với kích thước vùng khảo sát 150x60 m, nghĩa có lớp hay tầng phủ; khảo sát vùng khối đá đến biên ranh giới khối đá cứng phân lớp tầng phủ, tầng phủ với mật độ 2.103 kg/m3 thay áp lực thẳng đứng, giá trị 0,6 MPa
Sơ đồ tính kết so sánh vùng phá hủy đường cong lún sụt ranh giới lớp đá rắn cứng lớp phủ thể hình 10
Có thể nhận thấy, hai mơ hình cho kết vùng phá hủy hay biến dạng dẻo khối đá xem gần nhau, đó, độ lún biên vùng khối đá phân lớp theo sơ đồ có tầng phủ cho giá trị nhỏ phân bố mặt so với trường hợp thay lớp phủ áp lực biên Điều giải thích cách tính mơ hình sau mang tính cưỡng tải trọng (cơ chế cứng), mơ hình có vùng đất phủ q trình lún sụt, có phân bố lại ứng suất tầng phủ biên ranh giới khối đá rắn cứng lớp phủ, tạo nên phân bố biến dạng
Dịch chuyển lệch biên đường hầm (đường lị) có quy luật định tính nhau, độ dịch chuyển tuyệt đối lớn umax có chênh lệch định, cụ thể mơ hình có lớp phủ umax=2,12.10-3 m mơ hình thay áp lực theo phương thẳng đứng có umax=2,180.10-3 m, thể hình 11 Ngồi ra, kết nhận cho thấy ảnh hưởng rõ tính phân lớp góc cắm lớp đến dịch chuyển lệch biên đường hầm, đồng thời
là nguyên nhân gây áp lực lệch lên kết cấu chống Áp lực lệch thường nguyên nhân gây phá hủy kết cấu chống
Ảnh hưởng khoảng cách đường hầm mặt ranh giới khối đá rắn cứng với lớp phủ
Trong mơ hình phân tích cho kết hình 6, đường hầm bố trí cách bề mặt ranh giới khối đá rắn cứng phân lớp tầng phủ 13 m, cho thấy vùng phá hủy xung quanh hầm phát triển ranh giới này, nghĩa vùng phá hủy liên thông với tầng phủ Khi tầng phủ lớp đá rời (đất), với thời gian, đường hầm khơng chống giữ tốt, xảy sụt lở đến mặt đất, đặc biệt có mưa, yếu tố tác động thiên nhiên, gây tượng xói mịn lớp đất phủ Hiện tượng xảy chậm theo thời gian dẫn đến cố lún sụt bất ngờ, gọi “hố tử thần”
Rõ ràng, bố trí đường hầm sâu hơn, vùng phá hủy phát triển lớn hơn, thành phần ứng suất lớn hơn, vùng phá hủy không phát triển đến ranh giới lớp đá rắn cứng lớp phủ, sụt lở đến mặt đất khơng bị xảy Trên hình 12 cho thấy, vùng phá hủy, Hình 11 Quy luật dịch chuyển biên hầm mơ hình có lớp phủ (A) mơ hình thay áp lực thẳng đứng (B).
Hình 10 So sánh kết mơ mơ hình có lớp phủ (A) với mơ hình thay lớp phủ áp lực thẳng đứng (B)
Dịch chuyển lệch biên đường hầm (đường lị) cóquy luật định tính nhau, độ dịch chuyển tuyệt đối lớn umaxcó chênh lệch định, cụ thể
ở mơ hình có lớp phủ umax=2,12.10-3 m mơ hình thay áp lực theo
phương thẳng đứng có umax=2,180.10-3 m, thể hình 11 Ngồi ra, kết
nhận cho thấy ảnh hưởng rõ tính phân lớp góc cắm lớp đến dịch chuyển lệch biên đường hầm, đồng thời nguyên nhân gây áp lực lệch lên kết cấu chống.Áp lực lệch thường nguyên nhân chínhgây phá nhủy kết cấu chống
(A) (B)
Sơ đồ mô
Vùng phá hủy
Đường cong lún ranh giới khối đá cứng lớp phủ
Đường cong lún bề mặt miềnnghiên cứu
Hình 11 Quy luật dịch chuyển biên hầm mơ hình có lớp phủ (A)
mơ hình thay áp lực thẳng đứng (B)
(A) (B)
Hình 10 So sánh kết mơ mơ hình có lớp phủ (A) với mơ hình thay lớp phủ áp lực thẳng đứng (B)
Dịch chuyển lệch biên đường hầm (đường lị) có quy luật định tính nhau, độ dịch chuyển tuyệt đối lớn umax có chênh lệch định, cụ thể mơ hình có lớp phủ umax=2,12.10-3 m mơ hình thay áp lực theo phương thẳng đứng có umax=2,180.10-3 m, thể hình 11 Ngồi ra, kết nhận cho thấy ảnh hưởng rõ tính phân lớp góc cắm lớp đến dịch chuyển lệch biên đường hầm, đồng thời nguyên nhân gây áp lực lệch lên kết cấu chống Áp lực lệch thường nguyên nhân gây phá nhủy kết cấu chống
(A) (B)
Sơ đồ mô
Vùng phá hủy
Đường cong lún ranh giới khối đá cứng lớp phủ
Đường cong lún bề mặt miềnnghiên cứu
Hình 11 Quy luật dịch chuyển biên hầm mơ hình có lớp phủ (A) mơ hình thay áp lực thẳng đứng (B)
(A) (B)
(6)Khoa học Kỹ thuật Công nghệ
đường hầm bố trí cách ranh giới khối đá cứng lớp phủ mềm yếu 43 m Nghĩa để phòng tránh sụt lở đến mặt đất cần phân tích với tốn biên khác nhau, để lựa chọn khoảng cách hợp lý đường hầm lớp đất phủ
Hình 12 Vùng phá hủy đường hầm cách mặt ranh giới khối đá rắn cứng lớp phủ 43 m
Kết luận
Từ kết mô với mơ hình khối đá phân lớp, có lớp coi đồng liền khối cho thấy, nằm trật tự xếp lớp đá khối đá, việc lựa chọn điều kiện biên, lựa chọn kích thước vùng hay miền nghiên cứu có ảnh hưởng lớn đến kết phân tích hình thành quy mơ biến đổi tượng học
Để có kết dự báo hợp lý, người xây dựng chương trình dự báo cần phải tiến hành cơng tác mơ với mơ hình tính có kích thước miền nghiên cứu khác nhau, dạng điều kiện biên khác nhau, có nghĩa phải tiến hành với phép thử thận trọng Trên sở cho phép có nhận định tổng thể dạng quy mô vùng phá hủy khối đất đá, mức độ lún sụt mặt đất, gọi tai biến địa chất - kỹ thuật khối đá, khối đá có cấu trúc phân lớp, nhận từ tài liệu khảo sát thăm dò địa chất
Trong trường hợp khối đất đá có lớp phủ dày, cơng trình nằm sâu, tốn phân tích khơng thể cho kết định lượng xác kích thước vùng nghiên cứu lớn Khi đó, khảo sát miền đủ lớn để có kết định tính cần thiết ban đầu Tiếp theo, cần dựa vào kết nhận tốn định tính để giải, phân tích tốn biên với kích thước nhỏ Các điền kiện biên cho biên tốn có miền nghiên cứu kích thước nhỏ lấy từ kết phân tích lát cắt tương
ứng từ tốn biên có kích thước lớn Đương nhiên, có máy tính cấu hình mạnh nhớ lớn nhận kết định lượng cho tốn có miền nghiên cứu đủ lớn Mặt khác, sử dụng mơ hình kết hợp hay tích hợp (hybrid method) phương pháp phần tử biên (BEM-Boundary Element Method) phương pháp khác, phương pháp sai phân hữu hạn (FDM-Finite Difference Method) phần mềm FLAC 2D, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM-Finite Element Method) TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Quang Phích (2007), Cơ học đá, Nxb Xây dựng, Hà Nội
[2] Nguyễn Quang Phích, Nguyễn Văn Mạnh, Đỗ Ngọc Anh (2007), Phương pháp số - chương trình Plaxis 3D UDEC, Nxb Xây dựng, Hà Nội
[3] С.Г Лехницкий (1950), Теория упругости анизотропного тела, М.Л.:ГИТЛ
[4] К.В Руппенейт (1975), Деформируемость трещиноватых горных пород, М.: Недра
[5] A.N Vlasov, V.V Merzlyakov (1993), Deformability parameters of stratified and jointed rock, Safety and environmental issues in rock engineering, Eurorock 93, Lisboa, Portugal
[6] Y Hatzor, and R.E Goodman (1992), Application of block theory and the critical key block concept in tunneling; two case histories, Lake Tahoe, California, pp.632-639
[7] T Belytschko, et al (1996), Meshless Methods-An Overview and Recent Developments, Northwesten University
[8] P Jia, C.A Tang (2008), “Numerical study on failure mechanism of tunnel in jointed rock mass”, Tunnelling and Underground Space Technology, 23, pp.500-507
[9] T Solak, W Schubert (2005), Evaluation of the influence of the rock mass structure on the deformation behavior of tunnels, Taylor & Francis Group, London, ISBN 04 1537-4529
[10] C.W Boon (2013), Distinct Element Modelling of Jointed Rock Masses: Algorithms and Their Verification, A thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy at the University of Oxford
[11] B Sainsbury, M Pierce and D Mas Ivars (2008), Simulation of rock mass strength anisotropy and scale effects using a Ubiquitous Joint Rock Mass (UJRM) model, Proceedings First International FLAC/DEM Symposium on Numerical Modelling, Itasca
Ảnh hưởng khoảng cách đường hầmvà mặt ranh giới khối đá rắn cứng với lớp phủ
Trong mơ hình phân tích cho kết hình 5và 6, đường hầm bố trí cách bề mặt ranh giới khối đá rắn cứng phân lớp tầng phủ 13 m, cho thấy vùng phá hủy xung quanh hầm phát triển ranh giới này, nghĩa vùng phá hủy liên thông với tầng phủ Khi tầng phủ lớp đá rời (đất), với thời gian, đường hầm không chống giữ tốt, xảy sụt lở đến mặt đất, đặc biệt có mưa, yếu tố tác động thiên nhiên, gây tượng xói
mịn lớp đất phủ Hiện tượng xảy chậm theo thời gian dẫn
đến cố lún sụt bất ngờ, gọi “hố tử thần”
Rõ ràng, bố trí đường hầm sâu hơn, vùng phá hủy phát triển lớn hơn, thành phần ứng suất lớn hơn, vùng phá hủy khơng phát triển đến ranh giới lớp đá rắn cứng lớp phủ, sụt lở đến mặt đất không
bị xảy Trên hình 12 cho thấy, vùng phá hủy, đường hầm bố trí cách
ranh giới khối đá cứng lớp phủ mềm yếu 43 m Nghĩa để phòng tránh sụt lở đến mặt đất cần phân tích với tốn biên khác nhau, để lựa chọn khoảng cách hợp lý đường hầm lớp đất phủ
Hình 12 Vùng phá hủy đường hầm cách mặt ranh giới khối đá rắn cứng lớp phủ 43 m
Kết luận
Từ kết mô với mô hình khối đá phân lớp, có lớp coi đồng liền khối cho thấy, nằm trật tự xếp lớp đá khối đá, việc lựa chọn điều kiện biên, lựa chọn kích thước vùng hay miền nghiên cứu
có ảnh hưởng lớn đến kết phân tích hình thành quy mô biến đổi
các tượng học
Để có kết dự báo hợp lý, người xây dựng chương trình dự báo
cần phải tiến hành cơng tác mơ với mơ hình tính có kích thước miền nghiên cứu khác nhau, dạng điều kiện biên khác nhau, có nghĩa phải tiến hành với phép thử thận trọng Trên sở cho phép có nhận
định tổng thể dạng quy mô vùng phá hủy khối đất đá, mức độ
lún sụt mặt đất, gọi tai biến địa chất - kỹ thuật khối đá,
khi khối đá có cấu trúc phân lớp, nhận từ tài liệu khảo sát thăm dò địa chất
Trong trường hợp khối đất đá có lớp phủ dày, cơng trình nằm sâu, tốn phân tích khơng thể cho kết định lượng xác kích thước vùng