Trước khi đào hầm khối địa tầng đang ở trạng thái cân bằng ổn định và trạng thái ứng suất ban đầu được xác định do tác dụng của trọng lượng bản thân của địa tầng, do quá trình kiến tạo vỏ trái đất, ảnh hưởng của nhiệt độ và nước ngầm. Trong đĩ quá trình kiến tạo của vỏ trái đất diễn ra trong một thời gian dài và liên tục làm cho địa tầng biến dạng rất phức tạp và rất khĩ xác định trạng thái ứng suất. Thực tế cơng trình ngầm nằm rất nơng so với bề dày của trái đất và thời gian sử dụng cũng rất ngắn so với quá trình kiến tạo, nên khi thiết kế cĩ thể bỏ qua ảnh hưởng của trạng thái này.
Sau khi đào hầm, mơi trường đất đá bên ngồi gây ra áp lực tác dụng lên các vì chống hay vỏ hầm, đĩ là áp lực địa tầng. Trong tính tốn cơng trình ngầm thì áp lực địa tầng là tải trọng chủ yếu. Tuỳ theo tính chất và cấu tạo địa chất, áp lực địa tầng tác dụng lên cơng trình cĩ thể là thẳng đứng từ trên xuống, áp lực ngang, áp lực từ dưới đáy cơng trình tác dụng lên và cũng cĩ khi cĩ áp lực theo chiều dài cơng trình. Trị số và cách phân bố của áp lực địa tầng sẽ quyết định hình dạng, kích thước cấu tạo và phương pháp thi cơng các loại cơng trình ngầm.
Vì vậy khi thiết kế cơng trình ngầm phải xác định đúng phương, độ lớn và cách phân bố của áp lực địa tầng là cơng việc quan trọng khơng chỉ trong tính tốn thiết kế mà cả trong thi cơng và khai thác. Đĩ là một vấn đề hết sức phức tạp vì nĩ phụ thuộc vào nhiều yếu tố khĩ xác định như tình hình đất đá, độ cứng của cơng trình, hình dáng và kích thước của đường hầm, phương pháp thi cơng, thời gian thi cơng lớp vỏ hầm, ảnh hưởng của các cơng trình lân cận..., cho đến nay vẫn chưa cĩ lý luận chặt chẽ và chính xác để xác định áp lực địa tầng. Trong thực tế thiết kế thường phải căn cứ vào nhiều biện pháp khác nhau để xác định.
Nghiên cứu áp lực địa tầng thực chất là xác định trạng thái ứng suất của đất đá trước và sau khi đào đường hầm.
• Trạng thái phân bố ứng suất của đất đá trong tự nhiên
Ứng suất ban đầu của đất đá phát sinh chủ yếu do trọng lượng bản thân. Ta khảo sát trạng thái ứng suất của một phân tố đất đá tại độ sâu H = ∑hi (hi là chiều dày các lớp đất phía trên phân tố đang xét) thì trên phân tố cĩ ứng suất thẳng đứng là σz bằng tổng trọng lượng đất đá bên trên [2]
ο z = ∑µ i .hi (3.9)
Do phân tố ở trạng thái cân bằng nên ứng suất nằm ngang là ο x =ο y
Quan niệm mơi trường đất đá là đàn hồi thì biến dạng theo chiều x là
σ xx = −οx ; E σ yx ο = µ. y ; E σ zx ο = µ. z E (3.10)
Tổng biến dạng theo chiều x là εο = εxx + εyx + εzx
Vì phân tố nằm trong lịng đất nên khơng sinh biến dạng ngang, εο = 0 ta cĩ:
E y
E = E0
Từ đĩ suy ra
Trong các cơng thức trên :
σ x =σ y = 0 ο =ο = µ x y 1−µ .ο z = µ0 . ο z (3.12)
γi, hi - dung trọng riêng và độ dày của các lớp đất
µ - hệ số poison (xác định tuỳ loại đất đá, cĩ thể lấy từ 0,14 - 0,5).
µ0 - hệ số áp lực ngang của đá Đối với đất rời rạc ta cĩ
Trong đĩ: ο x =ο y =µ .H.tg2 450 −ϕ 2 (3.13) ϕ - gĩc ma sát trong của đất
Theo các cơng thức trên thì ứng suất tăng dần theo chiều sâu, đến một độ sâu nào đĩ ứng suất ban đầu sẽ vượt cường độ của đất đá và làm cho đất đá kết tinh chuyển sang trạng thái dẻo, càng sâu hơn nữa đất đá sẽ chuyển sang trạng thái chảy. Các cơng trình hiện nay nằm khơng sâu lắm nên ứng suất ban đầu chưa quá lớn và cĩ thể xem mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng ban đầu là tuyến tính.