CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ 2 CHIỀU, 3 CHIỀU CHO CÔNG TRÌNH NGẦM ĐÀO TRONG ĐẤT MỀM
3.1. Giới thiệu về FLAC 3D
3.2.1. Mô hình số 2 chiều
Kết quả tổng hợp trong chương 2 cho thấy mặc dù quá trình đào hầm bằng khiên đào là quá trình ba chiều, tuy nhiên do tính chất phức tạp cũng như thời gian tính toán dài, các mô hình 3 chiều vẫn hạn chế được sử dụng.
Trong thực tế, các mô hình 2 chiều vẫn được sử dụng rộng rãi. Trong nghiên cứu này, 2 phương pháp mô phỏng số 2 chiều có chú ý tới tới trình biến dạng dịch chuyển trước khi lắp dựng kết cấu chống giữ đã được sử dụng: (1) phương pháp khống chế dịch chuyển hội tụ CCM và (2) phương pháp hao hụt/mất thể tích VL.
Trong phương pháp CCM , quá trình giảm tải của khối đất đá trước khi lắp dựng kết cấu chống được mô phỏng bằng cách:
- Bước 1: Loại bỏ khối đất đá trong phạm vi bên trong biên đào của đường hầm, đồng thời gán thành phần áp lực hướng kính theo hướng từ trong ra tác dụng lên biên đường hầm. Giá trị của thành phần áp lực hướng kính này lấy theo công thức:
) 0
1
( P
P d (3.1)
Trong đó: P: áp lực hướng kính; kN/m2;
P0: thành phần ứng suất nguyên sinh trong khối đất đá;
kN/m2;
βd: hệ số giảm ứng suất.
Giá trị áp lực hướng kính phụ thuộc vào trị số ứng suất nguyên sinh và thay đổi theo chiều cao biên đường hầm. Áp lực hướng kính giảm dần từ trị số ứng suất nguyên sinh (tương ứng với βd bằng 0) tới khi βd đạt giá trị dự kiến.
- Bước 2: lắp dựng kết cấu chống trên biên đường hầm và loại bỏ hoàn toàn áp lực hướng kính từ bên trong lên biên đường hầm (tương ứng với βd = 1).
Trong các nghiên cứu của Hejazi (2008) [9], phương pháp hao hụt thể tích VL đã được sử dụng trong đó tâm đường hầm được giả thiết cố định. Nói
cách khác đường hầm trong quá trình biến dạng dịch chuyển trước khi lắp dựng kết cấu chống luôn có tiết diện ngang hình tròn. Quá trình dịch chuyển của biên đường hầm trước khi lắp dựng kết cấu chống bị dừng lại khi giá trị hao hụt thể tích VL đạt tới giá trị dự kiến. Phương pháp này phù hợp với những đường hầm đào qua môi trường khối đất đá chịu trạng thái ứng suất thủy tĩnh.
Tuy nhiên, trong thực tế, biên hầm có thể biến đổi với hình dạng bất kỳ trong quá trình dịch chuyển tùy thuộc vào trường ứng suất (hệ số áp lực ngang) tồn tại trong khối đất đá. Vì vậy, một kỹ thuật mô phỏng khác của phương pháp hao hụt thể tích cũng đã được sử dụng trong nghiên cứu này trong đó biên đường hầm sau khi đào được tự do biến dạng không bị khống chế bởi điều kiện lực tác dụng từ bên trong hoặc điều kiện biến dạng dịch chuyển. Sau quá trình biến dạng, dịch chuyển, biên đường hầm có thể có hình dạng bất kỳ tùy thuộc vào hệ số áp lực ngang K0. Trong nghiên cứu này, kỹ thuật mô phỏng 2 chiều trong phương pháp hao hụt thể tích với điều kiện biên tự do dịch chuyển đã được sử dụng theo các bước sau đây:
- Đào khối đất đá bên trong phạm vi biên đường hầm;
- Cho phép biên đường hầm tự do dịch chuyển. Diện tích tiết diện ngang đường hầm bị biến dạng được xác định liên tục trong từng bước tính, từ đó tính toán được giá trị hao hụt thể tích VL tại từng bước tính tương ứng;
- Quá trình tính toán trên mô hình tạm thời dừng lại khi giá trị hao hụt thể tích đất đá VL đạt tới giá trị dự kiến;
- Lắp dựng kết cấu chống trên biên đường hầm.
Chấp nhận 3 phương pháp mô phỏng nêu trên, các giai đoạn tính toán sử dụng mô hình số 2 chiều trong phần mềm FLAC3D được tiến hành như sau:
Giai đoạn 1 (thiết lập mô hình): gán điều kiện biến dạng phẳng trong mô hình có chú ý tới ảnh hưởng của trường trọng lực;
Giai đoạn 2 (quá trình giảm tải khối đất đá): khối đất trong phạm vị biên đào đường hầm bị loại bỏ. Đồng thời áp dụng một trong các kỹ thuật sau tương ứng với từng phương pháp:
- Phương pháp 1 (CCM): hệ số giảm ứng suất βd được chọn để tính tới sự suy giảm áp lực tác dụng trên biên đường hầm;
- Phương pháp 2 (Phương pháp hao hụt thể tích VLM): biên đường hầm được cho phép có dịch chuyển, diện tích mặt cắt ngang đường hầm giảm dần cho tới khi giá trị hao hụt thể tích VL đạt tới giá trị dự kiến.
Giai đoạn 3 – lắp đặt kết cấu chống. Khối đất đá xung quanh liên kết với lớp vỏ chống đường hầm thông qua lớp vữa phụt lấp đầy có tính chất biến dạng đàn hồi tuyến tính với mô đun biến dạng Eg = 10 MPa và hệ số Poisson g = 0.22 (Mollon 2010 [14], Mollon 2012 [15]).
Biên cuối cùng Biên ban đầu
Hình 3.1. Mô phỏng trong phương pháp hao hụt thể tích với tâm đường hầm cố định (Hejazi 2008)
) 0
1
(
d
Hình 3.2. Mô phỏng trong phương pháp CCM (Hejazi 2008)
Biên cuối cùng Biên ban đầu Diện tích V2 diện tích V1
Hao hụt thể tích Vl = (V1-V2)/V1*100 (%)
Hình 3.3. Mô phỏng trong phương pháp hao hụt thể tích với tâm hầm dịch chuyển