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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM 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 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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Châu Ngọc Ẩn PGS TS Nguyễn Minh Tâm LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Nguyễn Anh Tuấn i TÓM TẮT LUẬN ÁN 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 cịn chưa nhiều Vì vậy, việc nghiên cứu vấn đề cần thiết, có tính khoa học thực tiễn Trong Luận án này, tác giả thực hai thí nghiệm mơ hình ly tâm trường Đại học Khoa học Công nghệ Hong Kong cho hai trường hợp đặt hầm vị trí C/D (C chiều dày tầng phủ đỉnh hầm; D - đường kính hầm) 1,5 3,3 nhằm khảo sát phá hoại bị động chế biến dạng khối đất trước gương hầm hai lớp, đất cát đất sét Các thí nghiệm thực mơ hình thu nhỏ tỉ lệ 1/100 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 40mm 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 Các cảm biến lực gắn phần đầu gương hầm ghi nhận áp lực bị động tác dụng lên 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 Khi đó, 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 đoạn khoảng 1,5D Đối với đường hầm đặt tỷ lệ C/D 1,5, giá trị áp lực phá hoại bị động gương hầm 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 ii C/D 3,3, giá trị Nγm đo tăng nhanh gương hầm tiến lên đến S x/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% Áp lực phá hoại bị động trước gương hầm trường hợp đất cát trạng thái chặt vừa xác định theo công thức: 𝐶 𝐶 𝐶 𝑆𝑥 𝜑′ 𝐷 𝑁𝑦𝑚 = [−0.317 ( ) + 2,7558 ( ) − 7,6161 + 7,1916] 𝑡𝑎𝑛2 (450 + ) 𝛾 (𝐶 + ) 𝐷 𝐷 𝐷 𝐷 2 iii ABSTRACT Over the decades, many studies have been conducted to investigate the active pressure exerted on the tunnel face by using earth pressure balance shield or slurry to construct in sand or clay However, there are not many investigations on the passive failure pressure on the tunnel face Therefore, the studying on this issue is very necessary, scientific and practical In this thesis, the author performed two centrifugal model tests at the University of Science and Technology of Hong Kong for two cases where the tunnel was located at C/D (C - cover of tunnel; D - tunnel diameter) of 1.5 and 3.3 to investigate the passive failure and deformation mechanism due to tunnelling in two-layer soils, sand and clay The tests were carried out on a 1/100 scale miniature model The experimental process simulated the progress of the tunnel face with a speed of 0.2mm/s (equivalent to 15m per day in practice), and displaced to 40mm then stopped LVDTs are used to measure the ground transitions during the testing process PIV technology measures the movement of soil in front of the tunnel face The loadcells attached to one end of the tunnel face in order to obtain the passive pressure exerted on the tunnel face As the tunnel face displacement, the ground in front of the tunnel face is shifted forward, while the ground which is far from the surface of the tunnel is pushed outward, effected on the ground and thus causes the ground to emerge so form a breakout The partial failure mechanism in front of the tunnel face is similar to localised cutting mechanism When the observation failure mechanisms are idealized by continuous lines, the failure mechanism of ground in front of the tunnel face is shaped like a funnel At that point, the angle formed by the surface of the failure passive and the horizontal plane is an angle of approximately (450 - ’/2) and the width of the failure zone is about 1.5D For tunnels set at a C/D ratio of 1.5, the pressure values of failure passive at the tunnel face Nγm were increased when Sx/D was less than 0.3 After that, Nγm increases but the iv ratio decreases and reaches steady state when Sx /D is 0.7 Meanwhile, when the tunnel is placed at C/D of 3.3, the Nγm value measured is increased rapidly as the tunnel reaches Sx/D by 0.6, and also reaches steady state when Sx/D is 0.7 The value of passive failure pressure at the tunnel face is increased when the tunnel depth increased from 1.5 to 3.3, equivalent from 1.6% to 39%, respectively The passive failure pressure in front of the tunnel face in case of medium dense sand can be determined by the formula as follows: 𝐶 𝐶 𝐶 𝑆𝑥 𝜑′ 𝐷 𝑁𝑦𝑚 = [−0.317 ( ) + 2,7558 ( ) − 7,6161 + 7,1916] 𝑡𝑎𝑛2 (450 + ) 𝛾 (𝐶 + ) 𝐷 𝐷 𝐷 𝐷 2 v LỜI CÁM ƠN Qua thời gian thực hồn thành Luận án Tiến sĩ “Phân tích ổn định khối đất trước gương hầm”, xin chân thành cảm ơn PGS TS Châu Ngọc Ẩn, PGS.TS Nguyễn Minh Tâm trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh định hướng khoa học, ln quan tâm tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tơi suốt q trình nghiên cứu Tơi ln ghi nhớ tri ân cố PGS TS Trần Xuân Thọ, nguyên giảng viên trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh định hướng đồng hành thời gian nghiên cứu từ năm 2010 đến năm 2014 Và trân trọng cảm ơn thầy, cô trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh, phịng Đào tạo Sau Đại học, khoa Kỹ thuật Xây dựng Bộ mơn Địa Nền móng tận tình giảng dạy, tạo điều kiện học tập giúp đỡ thời gian học tập nghiên cứu Trường Tôi xin chân thành cảm ơn nhà khoa học, tác giả cơng trình cơng bố trích dẫn luận án cung cấp nguồn tư liệu quý báu, kiến thức liên quan trình nghiên cứu hồn thành Luận án Cuối biết ơn sâu sắc tới Lãnh đạo trường Đại học Giao thông vận tải thành phố Hồ Chí Minh, đồng nghiệp, bạn bè thân thiết gia đình liên tục động viên để trì nghị lực, cảm thơng, chia sẻ khích lệ tơi suốt q trình thực Luận án vi MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH x DANH MỤC BẢNG BIỂU xvi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xvii MỞ ĐẦU .1 Tính cấp thiết đề tài .1 Mục tiêu nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu .3 Nội dung luận án Những đóng góp luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH GƯƠNG HẦM VÀ KHỐI ĐẤT TRƯỚC GƯƠNG HẦM Giới thiệu Kỹ thuật thi công hầm khiên đào Áp lực chống đỡ gương hầm Các trường hợp nghiên cứu 1.4.1 Các nghiên cứu lý thuyết 1.4.2 Các nghiên cứu thực nghiệm 15 1.4.2.1 Thực nghiệm trường 15 1.4.2.2 Các nghiên cứu dựa theo mô hình thí nghiệm 20 1.4.3 Các nghiên cứu dựa phương pháp phần tử hữu hạn 28 Kết luận chương 30 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH KHỐI ĐẤT TRƯỚC GƯƠNG HẦM 32 Giới thiệu 32 Phân tích giới hạn 32 Giải pháp cận 34 2.3.1 Nghiên cứu Leca Domieux (1990) 34 2.3.2 Nghiên cứu Soubra (2002) 40 vii Giải pháp cận 43 Kết luận chương 50 CHƯƠNG THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH LY TÂM PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH KHỐI ĐẤT TRƯỚC GƯƠNG HẦM 51 Giới thiệu 51 Tổng quan kỹ thuật mơ hình ly tâm 51 3.2.1 Lịch sử phát triển kỹ thuật mơ hình ly tâm 51 3.2.2 Chuyển động học mơ hình máy ly tâm 53 3.2.3 Các ngun tắc mơ hình ly tâm 55 3.2.4 Ứng dụng mơ hình máy ly tâm 55 3.2.4.1 Mơ hình hố ngun mẫu 55 3.2.4.2 Khảo sát tượng 55 3.2.4.3 Nghiên cứu thông số 56 3.2.4.4 Kiểm chứng phương pháp số 56 3.2.5 Nguyên tắc tỉ lệ mơ hình ly tâm 56 3.2.6 Lỗi kiểm sốt lỗi mơ hình ly tâm 58 Thiết lập mơ hình thí nghiệm ly tâm phân tích ổn định khối đất trước gương hầm 61 3.3.1 Thiết bị thực thí nghiệm ly tâm .61 3.3.2 Chương trình thí nghiệm .61 3.3.3 Thiết lập mơ hình .63 3.3.3.1 Chuẩn bị mẫu đất 63 3.3.3.2 Lắp đặt mô hình thí nghiệm 65 3.3.4 Thiết bị đo đạc 68 3.3.4.1 Đo chuyển vị mặt đất 68 3.3.4.2 Đo chuyển vị đất 71 3.3.4.3 Xác định áp lực chuyển vị bề mặt đất xung quanh hầm 72 3.3.5 Trình tự thí nghiệm 73 3.3.6 Những khó khăn gặp phải q trình thiết kế chuẩn bị thí nghiệm mơ hình ly tâm .76 Kết luận chương 77 viii Hình 2.10 Hệ thống kiểm sốt q trình thí nghiệm 11 Hình 2.11 Phịng điều khiển (a) 12 (b) (c) 13 (d) (e) Hình 2.12 Q trình thí nghiệm với trường hợp đặt hầm C/D = 1,5 14 PHỤ LỤC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH KHỐI ĐẤT TRƯỚC GƯƠNG HẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 15 3.1 Thiết lập mô hình số Bảng 3.1 Tổng hợp thơng số đất Thông số đất Đơn vị Lớp Cát Lớp Sét cứng mm 325 180 Trọng lượng riêng bão hòa sat kN/m3 20.3 21.1 Modul đàn hồi E50 kN/m2 27000 100000 Modul đàn hồi Eur kN/m2 81000 300000 Modul đàn hồi Eoed kN/m2 27000 100000 0.3 0.35 kN/m2 300 Góc ma sát  độ 30 22 Góc giãn nở  độ 0 Hệ số phá hoại Rf 0.9 0.9 K0 0.5 - Bề dày lớp đất Hệ số Poisson v Lực dính c Mơ hình số mô phần mềm Plaxis 2010 hình 3.1 3.2 Hình 3.1 Hầm đặt vị trí có tỉ số C/D = 1,5 16 Hình 3.2 Hầm đặt vị trí có tỉ số C/D = 3,3 3.2 Kết tính tốn 3.2.1 Cơ chế phá hoại Hình 3.3 Vectơ chuyển vị cho trường hợp hầm đặt C/D=1,5; Sx/D=0,1 17 Hình 3.4 Vectơ chuyển vị cho trường hợp hầm đặt C/D=1,5; Sx/D=0,3 Hình 3.5 Vectơ chuyển vị cho trường hợp hầm đặt C/D=1,5; Sx/D=0,5 18 Hình 3.6 Vectơ chuyển vị cho trường hợp hầm đặt C/D=1,5; Sx/D=0,7 Hình 3.7 Vectơ chuyển vị cho trường hợp hầm đặt C/D=1,5; Sx/D=0,8 19 Hình 3.8 Vectơ chuyển vị cho trường hợp hầm đặt C/D=3,3; Sx/D=0,1 Hình 3.9 Vectơ chuyển vị cho trường hợp hầm đặt C/D=3,3; Sx/D=0,3 20 Hình 3.10 Vectơ chuyển vị cho trường hợp hầm đặt C/D=3,3; Sx/D=0,5 Hình 3.11 Vectơ chuyển vị cho trường hợp hầm đặt C/D=3,3; Sx/D=0,7 21 Hình 3.12 Vectơ chuyển vị cho trường hợp hầm đặt C/D=3,3; Sx/D=0,8 Kết tính tốn cho hai trường hợp đặt hầm vị trí C/D 1,5 3,3 thể hình 3.3 đến hình 3.12 cho thấy chế phá hoại khối đất trước gương hầm có dạng phễu tương tự thí nghiệm ly tâm Tuy nhiên chế phá hoại tính tốn PTHH rộng so với kết đo từ thí nghiệm ly tâm 3.2.2 Áp lực phá hoại bị động Áp lực phá hoại bị động trước gương hầm tính tốn PTHH tổng hợp bảng 3.2 Kết tính tốn minh họa hình 3.13 So với kết đo lường dựa thí nghiệm ly tâm, đường cong áp lực tính tốn PTHH cho thấy xu hướng tương tự với giá trị nhỏ Điều liệu đo từ thí nghiệm ly tâm bị ảnh hưởng ma sát đường hầm lót, thủy tinh cát Tuy nhiên, hiệu ứng không xem xét q trình phân tích số 22 Bảng 3.2 Áp lực phá hoại bị động tính tốn PTHH cho trường hợp đặt hầm C/D = 1,5 C/D = 3,3 Chênh lệch (%) 0.1 43 50 14 0.2 64 130 50.8 0.3 98 161 39.1 0.4 116 190 38.9 0.5 148 251 41 0.6 167 288 42 0.7 175 313 44.1 0.8 183 321 43 Sx/D Nm Hình 3.13 Biểu đồ quan hệ Nm Sx/D tính tốn PTHH 3.2.3 Chuyển bị bề mặt đất xung quanh hầm Chuyển vị đất trước gương hầm tính tốn phần tử hữu hạn mơ tả hình 3.14, hình 3.15 hình 3.16 23 Hình 3.14 Chuyển vị mặt đất trước gương hầm trường hợp C/D = 1,5 Hình 3.15 Chuyển vị mặt đất trước gương hầm trường hợp C/D = 3,3 24 Hình 3.16 Chuyển vị bề mặt đất theo phương dọc hầm Đối với 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 tương tự quan sát thí nghiệm ly tâm Khi chiều sâu đặt hầm tăng lên (C/D = 3,3), vùng biến dạng có bề rộng lớn phạm vi ảnh hưởng rộng Ứng suất vùng lân cận gương hầm tăng lên, cát trở nên bị đẩy lên bị nén lại tập trung phía trước gương hầm 25 ... PTHH ổn định gương hầm ổn định khối đất trước gương hầm Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích ổn định khối đất trước gương hầm Chương trình bày sở lý thuyết đánh giá, xác định chế phá hoại bị động,... Hong Kong (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... trường tuyến hầm Furongjiang thi công khiên cân áp lực đất Áp lực chống đỡ gương hầm sử dụng để trì ổn định giảm biến dạng khối đất trước gương hầm Kết đo đạc chuyển vị khối đất trước gương hầm so