Nghiên cứu sự ổn định khoang hầm trong môi trường đá nứt nẻ bằng phương pháp phân tích biến dạng không liên tục

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - Nguyễn Thanh Quang NGHIÊN CỨU SỰ ỔN ĐỊNH KHOANG HẦM TRONG MÔI TRƢỜNG ĐÁ NỨT NẺ BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG KHƠNG LIÊN TỤC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2013 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - Nguyễn Thanh Quang NGHIÊN CỨU SỰ ỔN ĐỊNHKHOANG HẦM TRONGMÔI TRƢỜNG ĐÁ NỨT NẺ BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG KHƠNG LIÊN TỤC Chun ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình đặc biệt Mã số : 62.58.02.06 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 1- GS TS Đỗ Nhƣ Tráng 2- PGS TS Nguyễn Quốc Bảo Hà Nội - 2013 iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận án trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tác giả Nguyễn Thanh Quang iv LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành thầy giáo hƣớng dẫn GS.TS Đỗ Nhƣ Tráng PGS.TS Nguyễn Quốc Bảo tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ đề xuất nhiều ý tƣởng khoa học có giá trị giúp cho tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin trân trọng động viên, khuyến khích kiến thức khoa học mà thầy giáo chia sẻ cho tác giả nhiều năm qua, giúp cho tác giả nâng cao lực khoa học củng cố lòng yêu nghề Tác giả xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp, nhận xét quý báu chân tình thầy giáo, nhà khoa học giúp tác giả hoàn thành đƣợc luận án Tác giả trân trọng cảm ơn Trung tâm Tƣ vấn Khảo sát thiết kế cơng trình Quốc phịng-BTL Cơng binh, Viện Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt, Phòng Sau đại học - Học viện Kỹ thuật Quân tạo điều kiện tốt giúp đỡ tác giả q trình nghiên cứu hồn thành luận án Cuối tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn ngƣời thân gia đình, bạn bè, đồng nghiệp thơng cảm, động viên chia sẻ khó khăn với tác giả suốt thời gian làm luận án Tác giả Nguyễn Thanh Quang v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Ổn định khối đá xung quanh khoang hầm môi trƣờng đá nứt nẻ 1.2 Phƣơng pháp số việc nghiên cứu khoang hầm môi trƣờng đá nứt nẻ 19 1.3 Kết luận .21 CHƢƠNG II: PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG KHƠNG LIÊN TỤC DDA 22 2.1 Phƣơng pháp DDA trình phát triển 22 2.2 Nội dung phƣơng pháp DDA 23 2.3 Tiếp xúc tƣơng tác khối 42 2.4 Những ứng dụng DDA 56 2.5 Những hạn chế DDA 60 2.6 Kết luận chƣơng .61 CHƢƠNG III : XÂY DỰNG THUẬT TỐN VÀ CHƢƠNG TRÌNH TÍNH 62 3.1 Đặt toán 62 3.2 Xây dựng thuật toán sơ đồ khối .64 3.3 Các thông số đầu vào phân tích DDA 69 3.4 Giới thiệu chƣơng trình tính DDA.m 72 vi 3.5 Một số thử nghiệm số 72 3.6 Kết luận chƣơng .87 CHƢƠNG IV: ỔN ĐỊNH KHOANG HẦMTRONG MÔI TRƢỜNG ĐÁ NỨT NẺ 89 4.1 Đặt toán 89 4.2 Mơ hình nghiên cứu 90 4.3 Giới hạn miền khảo sát 91 4.4 Bài toán khoang hầm môi trƣờng đá phân lớp 92 4.5 Khoang hầm hình vịm tƣờng thẳng môi trƣờng đá nứt nẻ .106 4.6 Tƣơng tác khối đá với cơng trình ngầm mơi trƣờng đá nứt nẻ 108 4.7 Kết luận chƣơng .118 KẾT LUẬN CHUNG 119 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 PHỤ LỤC 124 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT [] Kí hiệu ma trận  Kí hiệu véc tơ a,b,c Hệ số đa thức bậc B Khâu độ cơng trình BTG Bƣớc thời gian c Lực dính kết bề mặt tiếp xúc [C] Ma trận cản nhớt D Véc tơ thành phần biến dạng Dij Véc tơ biến dạng khối thứ i d Khoảng cách xuyên d1i,…d6i Các thành phần véc tơ biến dạng d khối thứ i det( [A] ) Định thức ma trận A §HTT Đàn hồi tuyến tính E Mơ đun đàn hồi F Véc tơ tải trọng Fi Véc tơ tải trọng khối thứ i Fx , Fy Tải trọng tập trung tác dụng theo phƣơng x,y Fx (t), Fy (t) Tải trọng phân bố tác dụng theo phƣơng x,y f Hệ số Protod’jakonov fx , fy Lực qn tính tác dụng theo phƣơng x,y G Mơ đun trƣợt vật liệu g Gia tốc trọng trƣờng H Chiều sâu đặt cơng trình J Định thức Jacobi viii [K] Ma trận độ cứng tổng thể K ij Ma trận thành phần ma trận độ cứng tổng thể l Chiều dài cạnh tham chiếu M Khối lƣợng đơn vị diện tích Pi Đỉnh khối (đa giác) thứ i p,kn Độ cứng lò xo pháp tuyến penalty ks Độ cứng lò xo tiếp tuyến penalty [Ti ] Ma trận chuyển hệ tọa độ u, v Chuyển vị thẳng tƣơng ứng theo phƣơng x, y u o, v o v1,vo Chuyển vị thẳng tƣơng ứng theo phƣơng x, y trọng tâm khối Vận tốc khối thời điểm trƣớc sau khối ro Góc xoay khối trọng tâm (xo,yo) x,y Tọa độ điểm xét xo,yo S Tọa độ điểm cố định khối thƣờng lấy điểm trọng tâm Diện tích khối  Thế toàn phần khối e Năng lƣợng biến dạng khối  Thế ứng suất ban đầu p Thế tải trọng tập trung l Thế tải trọng phân bố w Thế lực khối v Thế lực cản nhớt i Thế lực quán tính c Thế lò xo liên kết  Độ mở rộng khe nứt (phân lớp) ix x ,  y Biến dạng thẳng khối theo phƣơng x, y  Góc ma sát bề mặt tiếp xúc  Trọng lƣợng thể tích  xy  Biến dạng góc khối  ij Khoảng cách hai khối i j  Hệ số Poisson  Góc mặt phân lớp với mặt phẳng ngang  Chuyển dịch lớn bƣớc thời gian tính tốn x, y Ứng suất khối theo phƣơng x, y  xy Ứng suất khối  Định thức tt Bƣớc thời gian tính tốn, tham số phƣơng trình đƣờng thẳng x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Phân loại ổn định theo Druzhko-Zaxlavxki-Chernjak Bảng 1.2 Phân loại ổn định theo XNiP-II-94-80, VNIMI 11 Bảng 1.3 Phân loại ổn định theo Bulƣchev 12 Bảng 1.4 Bảng phân loại khối đá theo tiêu RQD 13 Bảng 1.5 Bảng phân loại khối đá theo tiêu RMR 15 Bảng 1.6 Bảng phân loại khối đá theo tiêu Q 16 Bảng 3.1 Tính chất vật liệu giá trị thông số điều khiển 73 Bảng 3.2 Kết tính tốn đặc trƣng hình học khối 74 Bảng 3.3So sánh kết theo giải tích (CHLT) chƣơng trình DDA.m 76 Bảng 3.4 Tính chất vật liệu giá trị thông số điều khiển 83 Bảng 4.1 Tính chất vật liệu giá trị thông số điều khiển 90 Bảng 4.2 Tọa độ điểm đo đạc 92 Bảng 4.3 Chuyển dịch biên khoang hầm 95 Bảng 4.4 Chuyển dịch biên khoang hầm 99 Bảng 4.5 Chuyển dịch biên khoang hầm 102 Bảng 4.6 So sánh chuyển dịch góc nghiêng phân lớp thay đổi 104 Bảng 4.7 So sánh chuyển dịch chiều dày phân lớp thay đổi 104 Bảng 4.8 So sánh chuyển dịch độ mở rộng khe nứt thay đổi 105 Bảng 4.9Tính chất vật liệu cơng trình ngầm giá trị thơng số điều khiển 109 123 [18] Liu, J., Kong, X and Lin, G (2004) Formulation of the three-dimensional discontinuous deformation analysis method Acta Mech Sin, pp 270-282 [19] Liu, X.X (2009) Design and Construction of Dam Filling of High CFRD Water Power, pp 44-46 [20] Man-chu Ronald Yeung (1991).Application of Shi’s DiscontinuousDeformationAnalysisto the study of rock behavior.Ph.D.Thesis,Universityof California, Berkley 341p [21] Ohnishi Y., Nishiyama S et al (2005) The application of DDA to practical rock engineering problems: Issue and Recent insight ICADD-7 Hawaii [22] Shi,G-H and Goodman, R E (1984) Discontinuous Deformation Analysis.Proc 25th U.S Symposium on Rock Mechanics, pp 269-277 [23] Shi,G-H and Goodman, R E (1985) Two Dimensional Discontinuous Deformation Analysis.Int.J.Numer.Ana.MethodsGeomech,v 9,pp 541-556 [24] Shi,G-H ( 1988).DiscontinuousDeformationAnalysis– anewnumericalmethodfor thestaticsand dynamicsofblocksystem.Ph.D.Thesis,DepartmentofCivil Engineering,Universityof California, Berkley 378p [25] Shi,G-H (1993) Block System Modeling by Discontinuous Deformation Analysis Topicsin Engineering Vol 11, ComputationalMechanicsPublications.209p [26] Shi,G-H (2001) Three dimensionalDiscontinuous Deformation Analysis Proceedings of the fourth international conference on analysis of discontinuos deformation (ICADD-4) University of Glasgow Scotland, UK,pp1-21 [27] Wu, J.H., Ohnishi, Y., Shi G-H and Nishiyama, S.(2005) Theory of three dimensional discontinuous deformation analysis and its application to a slope toppling at Amatoribashi, Japan International Journal of Geomechanics, pp 179-195 [28] Zhao,Z.Y and Gu J (2006) Rock Response Under Blast Load by Discontinuous Deformation Analysis 4thRock Mech Rock Singapore Tiếng Nga [29] Баклашов И В., Картозия Б А (1986), Механические процессы в породных массивах М Недра 124 PHỤ LỤC function DDA clc; E = 100000; nu = 0.49; rho = 0.03; mu = 0.01; dayh=1; p1 = 1000000; p2 = 50000000; pe = 1000; s = 500000; deltaT = 0.008; TsBuocTG = 50; CVmax = 0.07; f0=0.0000001; nutKhoiX = [1 7 0; 6 4]; nutKhoiY = [0 0; 5 6]; mDinh = [3 ]; TsDinh = sum(mDinh); GhiKhoiXY = zeros(TsDinh,2*TsBuocTG); maxmDinh = max(mDinh); TsKhoi = length(mDinh); Fix = [1 2.5 6.5 6.5; 0.5 0.5 2.0]; TsFix= length(Fix(1,:))-1; LucTT = [ 0 ]; LucPB = [ -1 ]; D = zeros(6*TsKhoi,1);Dcuoi=D; V = zeros(1,6*TsKhoi); KTQ = zeros(6*TsKhoi,6*TsKhoi); FTQ = zeros(6*TsKhoi,1); tXD = nutKhoiX; tYD = nutKhoiY; tX0 = zeros(1,TsKhoi); tY0 = zeros(1,TsKhoi); for BuocTG = 1:TsBuocTG for Khoi=1:TsKhoi m = mDinh(Khoi); hs1=6*Khoi; hs2=hs1-5; [S,Sx,Sy,Sxx,Syy,Sxy,X0,Y0] = tinhDTHH(m,XD,YD); TT = tinhTT(S,Sx,Sy,Sxx,Syy,Sxy,X0,Y0); Kii = zeros(6,6); Fi = zeros(6,1); Kiiqt=tinhKiiqt(rho,deltaT,TT); Kii = Kii+Kiiqt; Vdau =V(1,hs2:hs1); Fiqt=tinhFiqt(rho,deltaT,TT,Vdau); Fi = Fi+Fiqt; Kiidh=tinhKiidh(E,nu,S); Kii = Kii+Kiidh; Kiicn=tinhKiicn(mu,deltaT,TT); Kii = Kii+Kiicn; Fik = tinhFik(rho,S); Fi = Fi+Fik; if Khoi == Fix(1,1) for i =1:TsFix x = Fix(1,i+1); y = Fix(2,i+1); Kiid=tinhKiid(x,y,p1,X0,Y0); Kii = Kii+Kiid; end end 125 if Khoi == LucTT(1) XF = tXD(Khoi,LucTT(2)); FX = LucTT(3); YF = tYD(Khoi,LucTT(2)); FY = LucTT(4); Fitt=tinhFitt(X0,Y0,XF,FX,YF,FY); Fi = Fi+Fitt; end if Khoi == LucPB(1) X1 = tXD(Khoi,LucPB(2)); Y1 = tYD(Khoi,LucPB(2)); X2 = tXD(Khoi,LucPB(3)); Fx = LucPB(4); Y2 = tYD(Khoi,LucPB(3)); Fy = LucPB(5); Fipb=tinhFipb(X0,Y0,X1,Y1,X2,Y2,Fx,Fy); Fi = Fi+Fipb; end KTQ(hs2:hs1,hs2:hs1)=Kii; FTQ(hs2:hs1,1)= Fi; end KhoangCach=[]; XY=[]; for iKhoi=1:TsKhoi for jKhoi=(iKhoi+1):TsKhoi if minKC0 KTQ(hs1:hs2,hs1:hs2)=KTQ(hs1:hs2,hs1:hs2)-Kiitx(1:6,3:8); KTQ(hs3:hs4,hs3:hs4)=KTQ(hs3:hs4,hs3:hs4)-Kiitx(1:6,9:14); FTQ(hs1:hs2,1)=FTQ(hs1:hs2,1)-Fitx(1:6,3); FTQ(hs3:hs4,1)=FTQ(hs3:hs4,1)-Fitx(1:6,4); else KTQ(hs1:hs2,hs1:hs2)=KTQ(hs1:hs2,hs1:hs2)+Kiitx(1:6,3:8); KTQ(hs3:hs4,hs3:hs4)=KTQ(hs3:hs4,hs3:hs4)+Kiitx(1:6,9:14); FTQ(hs1:hs2,1)=FTQ(hs1:hs2,1)+Fitx(1:6,3); FTQ(hs3:hs4,1)=FTQ(hs3:hs4,1)+Fitx(1:6,4); end end end Dcuoi=KTQ\FTQ; for Khoi=1:TsKhoi m = mDinh(Khoi); Vcuoi=(2*D/deltaT)- V(1,hs2:hs1)'; u=zeros(1,m);v=zeros(1,m); for i=1:m T=[1 -(YD(i)-Y0) (XD(i)-X0) 0.5*(YD(i)-Y0); (XD(i)-X0) (YD(i)-Y0) 0.5*(XD(i)-X0)]; end end k = 0; for Khoi=1:TsKhoi for iDinh = 1:mDinh(Khoi) k = k+1; GhiKhoiXY(k,2*BuocTG-1)= tXD(Khoi,iDinh); GhiKhoiXY(k,2*BuocTG) = tYD(Khoi,iDinh); end end end GhifileFcn(TsBuocTG,TsDinh,GhiKhoiXY); %======================================================================== function [mini,minj,minKC,KCij]=tinKCij(iKhoi,jKhoi,mDinh,tXD,tYD) KCij=zeros(mDinh(iKhoi),mDinh(jKhoi)); for iDinh=1:mDinh(iKhoi) for jDinh=1:mDinh(jKhoi)-1 x1=tXD(iKhoi,iDinh); y1=tYD(iKhoi,iDinh); x2=tXD(jKhoi,jDinh); y2=tYD(jKhoi,jDinh); KC = tinhKC(x1,y1,x2,y2,x3,y3); KCij(iDinh,jDinh)=KC; end x2=tXD(jKhoi,mDinh(jKhoi));y2=tYD(jKhoi,mDinh(jKhoi)); KC = tinhKC(x1,y1,x2,y2,x3,y3); KCij(iDinh,mDinh(jKhoi))=KC; end for i=1:length(KCij(:,1)) for j=1:length(KCij(1,:)) if KCij(i,j)