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 KHÔNG 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 KHÔNG LIÊN TỤC

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công 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 đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Các số liệu,

kết quả trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ

công trình nào khác.

Tác giả

Nguyễn Thanh Quang

iv

LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với các thầy giáo

hƣớng dẫn là GS.TS. Đỗ Nhƣ Tráng và PGS.TS. Nguyễn Quốc Bảo đã tận

tình hƣớng dẫn, giúp đỡ và đề xuất nhiều ý tƣởng khoa học có giá trị giúp cho

tác giả hoàn thành bản luận án này. Tác giả xin trân trọng sự động viên,

khuyến khích và những kiến thức khoa học mà các thầy giáo đã chia sẻ cho

tác giả trong nhiều năm qua, giúp cho tác giả nâng cao năng lực khoa học và

củng cố lòng yêu nghề.

Tác giả xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp, những nhận xét

hết sức quý báu chân tình của các thầy giáo, các nhà khoa học giúp tác giả

hoàn thành đƣợc bản luận án của mình.

Tác giả trân trọng cảm ơn Trung tâm Tƣ vấn Khảo sát thiết kế công

trình Quốc phòng-BTL Công binh, Viện Kỹ thuật Công trình đặc biệt, Phòng

Sau đại học - Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo mọi điều kiện tốt nhất và giúp

đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án.

Cuối cùng tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với những ngƣời thân

trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã thông cảm, động viên và chia sẻ khó

khăn với tác giả trong 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........................................................................................................... 1

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ............................................................................. 5

1.1 Ổn định khối đá xung quanh khoang hầm trong môi trƣờng đá nứt nẻ ........6

1.2 Phƣơng pháp số trong việc nghiên cứu khoang hầm trong môi trƣờng

đá nứt nẻ ...........................................................................................................19

1.3 Kết luận .......................................................................................................21

CHƢƠNG II: PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG

KHÔNG LIÊN TỤC DDA.............................................................................. 22

2.1 Phƣơng pháp DDA và quá trình phát triển ................................................22

2.2 Nội dung cơ bản của phƣơng pháp DDA....................................................23

2.3 Tiếp xúc và tƣơng tác giữa các khối ...........................................................42

2.4 Những ứng dụng của DDA ........................................................................56

2.5 Những hạn chế của DDA ............................................................................60

2.6 Kết luận chƣơng 2 .......................................................................................61

CHƢƠNG III : XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ

CHƢƠNG TRÌNH TÍNH............................................................................... 62

3.1 Đặt bài toán .................................................................................................62

3.2 Xây dựng thuật toán và sơ đồ khối .............................................................64

3.3 Các thông số đầu vào khi phân tích trong 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 3 .......................................................................................87

CHƢƠNG IV: ỔN ĐỊNH KHOANG HẦMTRONG MÔI TRƢỜNG

ĐÁ NỨT NẺ ................................................................................................. 89

4.1 Đặt bài toán .................................................................................................89

4.2 Mô hình nghiên cứu ....................................................................................90

4.3 Giới hạn miền khảo sát................................................................................91

4.4 Bài toán khoang hầm trong môi trƣờng đá phân lớp ..................................92

4.5 Khoang hầm hình vòm tƣờng thẳng trong môi trƣờng đá nứt nẻ .............106

4.6 Tƣơng tác khối đá với công trình ngầm trong môi trƣờng đá nứt nẻ........108

4.7 Kết luận chƣơng 4 .....................................................................................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 của đa thức bậc nhất

B Khâu độ công trình

BTG Bƣớc thời gian

c Lực dính kết trên bề mặt tiếp xúc

[C]

Ma trận cản nhớt

D

Véc tơ thành phần biến dạng

Dij

Véc tơ biến dạng của khối thứ i

d Khoảng cách xuyên

d1i,…d6i Các thành phần của véc tơ biến dạng d của khối thứ i

det(

[A]

) Định thức của ma trận A

§HTT Đàn hồi tuyến tính

E Mô đun đàn hồi

F

Véc tơ tải trọng

Fi

Véc tơ tải trọng của khối thứ i

F ,F x y

Tải trọng tập trung tác dụng theo phƣơng x,y

F (t),F (t) x y

Tải trọng phân bố tác dụng theo phƣơng x,y

f Hệ số Protod’jakonov

x

f, y

f

Lực quán tính tác dụng theo phƣơng x,y

G Mô đun trƣợt của vật liệu

g Gia tốc trọng trƣờng

H Chiều sâu đặt công trình

J Định thức Jacobi

viii

[K]

Ma trận độ cứng tổng thể

Kij

Ma trận thành phần của ma trận độ cứng tổng thể

l Chiều dài cạnh tham chiếu

M Khối lƣợng trên đơn vị diện tích

Pi

Đỉnh của khối (đa giác) thứ i

p,kn Độ cứng lò xo pháp tuyến penalty

ks Độ cứng lò xo tiếp tuyến penalty

[T ]i

Ma trận chuyển hệ tọa độ

u, v Chuyển vị thẳng tƣơng ứng theo phƣơng x, y

uo

, vo Chuyển vị thẳng tƣơng ứng theo phƣơng x, y tại trọng tâm

khối

v1

,vo Vận tốc khối tại thời điểm trƣớc và sau của khối

ro Góc xoay của khối tại trọng tâm (xo,yo)

x,y Tọa độ tại điểm xét

xo

,yo Tọa độ tại điểm cố định của khối thƣờng lấy là điểm

trọng tâm

S Diện tích của khối



Thế năng toàn phần của khối

e

Năng lƣợng biến dạng của khối



Thế năng của ứng suất ban đầu

p

Thế năng của tải trọng tập trung

l

Thế năng của tải trọng phân bố

w

Thế năng của lực khối

v

Thế năng của lực cản nhớt

i

Thế năng của lực quán tính

c

Thế năng của lò xo liên kết

 Độ mở rộng khe nứt (phân lớp)

ix

x

 ,

y



Biến dạng thẳng của khối theo phƣơng x, y

 Góc ma sát trên bề mặt tiếp xúc



Trọng lƣợng thể tích

xy 

Biến dạng góc của khối

ij

Khoảng cách giữa hai khối i và j

 Hệ số Poisson

 Góc giữa mặt phân lớp với mặt phẳng ngang

 Chuyển dịch lớn nhất trong bƣớc thời gian tính toán

x  , y

Ứng suất của khối theo phƣơng x, y

xy 

Ứng suất của khối



Định thức

t t Bƣớc thời gian tính toán, tham số phƣơng trình đƣờng thẳng

x

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Phân loại ổn định theo Druzhko-Zaxlavxki-Chernjak...................... 8

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 chỉ tiêu RQD ..................................... 13

Bảng 1.5 Bảng phân loại khối đá theo chỉ tiêu RMR..................................... 15

Bảng 1.6 Bảng phân loại khối đá theo chỉ tiêu Q........................................... 16

Bảng 3.1 Tính chất vật liệu và giá trị thông số điều khiển............................. 73

Bảng 3.2 Kết quả tính toán đặc trƣng hình học các khối .............................. 74

Bảng 3.3So sánh kết quả theo giải tích (CHLT) và chƣơng trình DDA.m.... 76

Bảng 3.4 Tính chất vật liệu và giá trị các thông số điều khiển ...................... 83

Bảng 4.1 Tính chất vật liệu và giá trị các thông số điều khiển ...................... 90

Bảng 4.2 Tọa độ các điểm đo đạc................................................................... 92

Bảng 4.3 Chuyển dịch trên biên khoang hầm................................................. 95

Bảng 4.4 Chuyển dịch trên biên khoang hầm................................................. 99

Bảng 4.5 Chuyển dịch trên biên khoang hầm............................................... 102

Bảng 4.6 So sánh chuyển dịch khi góc nghiêng phân lớp thay đổi.............. 104

Bảng 4.7 So sánh chuyển dịch khi 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 công trình ngầm và giá trị các thông số

điều khiển ...................................................................................................... 109

xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ phân bố ứng suất và phân vùng biến dạng xung quanh

khoang hầm ....................................................................................................... 9

Hình 1.2 Sơ đồ phân bố biến dạng ngang và dọc đo đƣợc xung quanh

hầm Straight-Creek (Mỹ)................................................................................. 9

Hình 1.3 Quan hệ giữa thời gian tồn tại ổn định với chiều rộng

công trình ngầm theo Z.T. Bieniawski............................................................ 15

Hình 2.1 Chuyển dịch, tƣơng tác giữa hai khối ............................................. 22

Hình 2.2 Chuyển dịch song song.................................................................... 25

Hình 2.3 Chuyển động quay........................................................................... 25

Hình 2.4 Biến dạng thẳng............................................................................... 25

Hình 2.5 Biến dạng góc .................................................................................. 25

Hình 2.6 Tải trọng tập trung........................................................................... 33

Hình 2.7 Tải trọng phân bố............................................................................. 34

Hình 2.8 Ba dạng khác nhau của tiếp xúc ...................................................... 42

Hình 2.9 Khoảng cách giữa hai khối.............................................................. 44

Hình 2.10 Khoảng cách giữa hai khối ở bƣớc tiếp theo................................. 44

Hình 2.11 Lò xo penalty................................................................................. 45

Hình 2.12 Vị trí hai khối trƣớc khi xuyên ...................................................... 46

Hình 2.13 Tọa độ vị trí các đỉnh, cạnh tham chiếu trƣớc khi xuyên.............. 46

Hình 2.14 Vị trí hai khối sau khi xuyên ......................................................... 47

Hình 2.15 Tọa độ vị trí các đỉnh, cạnh tham chiếu sau khi xuyên ................. 47

Hình 2.16 Giới hạn Mohr- Coulomb.............................................................. 53

Hình 2.17Sơ đồ tính toán các thành phần của ma trận [K]……………..….57

Hình 2.18Sơ đồ tính toán các thành phần của véc tơ {F}………………….57

Hình 2.19 Hình ảnh phân tích trƣợt lở mái dốc (X.X. Liu [19]).................... 59

xii

Hình 2.20 Phân tích và dự báo phá hoại khối đá nứt nẻ dƣới tác dụng

của nổ mìn (Z. Y. Zhao và J. Gu [28])........................................................... 59

Hình 3.1 Núi đá trên Vịnh Hạ Long............................................................... 62

Hình 3.2 Chuyển mô hình bài toán trong thực tế về mô hình tính toán

trong DDA [27]............................................................................................... 64

Hình 3.3 Sơ đồ giải bài toán DDA ................................................................. 66

Hình 3.4 Sơ đồ khối trong bài toán DDA....................................................... 68

Hình 3.5 Sơ đồ bài toán.................................................................................. 73

Hình 3.6 Mô hình trong DDA ........................................................................ 73

Hình 3.7 Vị trí các khối thời điểm ban đầu t=0,000s.................................... 77

Hình 3.8Vị trí các khối thời điểm t=0,280s.................................................... 77

Hình 3.9Vị trí các khối thời điểm t=0,602s.................................................... 78

Hình 3.10Vị trí các khối thời điểm t=1,050 s................................................. 78

Hình 3.11Vị trí các khối thời điểm t=1,400s.................................................. 78

Hình 3.12Vị trí các khối thời điểm t=1,505s.................................................. 78

Hình 3.13 Sạt lở đá tại mỏ đá Lèn Cờ (2011) ................................................ 81

Hình 3.14 Sạt lở đá trên quốc lộ 18................................................................ 81

Hình 3.15 Mô hình bài toán............................................................................ 84

Hình 3.16 Mái dốc tại t= 0,000s..................................................................... 84

Hình 3.17 Mái dốc tại t= 0,150s..................................................................... 84

Hình 3.18 Mái dốc tại t= 0,300s..................................................................... 84

Hình 3.19 Mái dốc tại t= 0,400s..................................................................... 85

Hình 3.20 Mái dốc tại t= 0,500s..................................................................... 85

Hình 4.1 Kích thƣớc miền khảo sát tối thiểu theo Hƣớng dẫn

Hội Địa kỹ thuật Đức [7]................................................................................. 91

Hình 4.2 Sơ đồ hình học................................................................................. 93

Hình 4.3 Sơ đồ bài toán với góc nghiêng = 15o

.......................................... 93

xiii

Hình 4.4 Chuyển dịch các khối tạit= 2,250s(dA=2,391, dB=2,131) ............... 93

Hình 4.5 Sơ đồ bài toán với góc nghiêng = 30o

........................................... 94

Hình 4.6 Chuyển dịch các khối tạit= 2,250s(dA=3,353, dB=4,081) ............... 94

Hình 4.7 Sơ đồ bài toán với góc nghiêng = 45o

.......................................... 94

Hình 4.8 Chuyển dịch các khối tạit= 2,250s(dA=3,851, dB=3,632) ............... 94

Hình 4.9 Sơ đồ bài toán với góc nghiêng = 60o

.......................................... 94

Hình 4.10 Chuyển dịch các khối tại t= 2,250s(dA=3,672, dB=2,231) ............ 94

Hình 4.11 Sơ đồ bài toán với góc nghiêng = 75o

........................................ 95

Hình 4.12 Chuyển dịch các khối tại t= 2,250s(dA=2,961, dB=1,982) ............ 95

Hình 4.13 Biểu đồ quan hệ giữa chuyển dịch biên khoang hầm “U”

tại điểm hông và điểm nóc với góc nghiêng khe nứt “

 ” .............................. 96

Hình 4.14 Sơ đồ hình học............................................................................... 97

Hình 4.15 Sơ đồ bài toán với chiều dày các phân lớp h=0,8m ...................... 97

Hình 4.16 Chuyển dịch các khối tạit= 2,250s(dA=1,021, dB=4,520) ............. 97

Hình 4.17 Sơ đồ bài toán với chiều dày các phân lớp h=1,0m ...................... 97

Hình 4.18 Chuyển dịch các khối tạit= 2,250s(dA=0,552, dB=2,341) ............. 97

Hình 4.19 Sơ đồ bài toán với chiều dày các phân lớp h=1,2m ...................... 98

Hình 4.20 Chuyển dịch các khối tại t= 2,250s(dA=0,412,dB=1,761) ............. 98

Hình 4.21 Sơ đồ bài toán với chiều dày các phân lớp h=1,4m ...................... 98

Hình 4.22 Chuyển dịch các khối tại t= 2,250s(dA= 0,352,dB=1,231) ............ 98

Hình 4.23 Sơ đồ bài toán với chiều dày các phân lớp h=1,6m ...................... 98

Hình 4.24 Chuyển dịch các khối tại t= 2,250s(dA=0,320,dB=1,051) ............. 98

Hình 4.25 Biểu đồ quan hệ giữa chuyển dịch biên khoang hầm “U”

tại điểm hông và điểm nóc với khoảng cách “h” giữa các nứt nẻ................... 99

Hình 4.26 Sơ đồ hình học............................................................................. 100

Hình 4.27 Sơ đồ bài toán với độ mở rộng giữa các phân lớp =0,1cm ....... 101

Hình 4.28 Chuyển dịch các khối tại t= 2,250s(dA=3,049, dB=5,311) .......... 101

xiv

Hình 4.29 Sơ đồ bài toán với độ mở rộng giữa các phân lớp =0,2cm ....... 101

Hình 4.30 Chuyển dịch các khối tại t= 2,250s(dA=5,351, dB=7,028) .......... 101

Hình 4.31 Sơ đồ bài toán với độ mở rộng giữa các phân lớp =0,3cm ....... 101

Hình 4.32 Chuyển dịch các khối tại t= 2,250s(dA=7,431, dB=9,338) .......... 101

Hình 4.33 Sơ đồ bài toán với độ mở rộng giữa các phân lớp =0,4cm ....... 102

Hình 4.34 Chuyển dịch các khối tại t= 2,250s(dA=10,851, dB=12,366) ...... 102

Hình 4.35Sơ đồ bài toán với độ mở rộng giữa các phân lớp =0,5cm ........ 102

Hình 4.36 Chuyển dịch các khối tại t= 2,250s(dA=15,479, dB=21,458) ...... 102

Hình 4.37Biểu đồ quan hệ giữa chuyển dịch biên khoang hầm “U”

tại điểm hông và điểm nóc với độ mở rộng khe nứt “

 ” ............................ 103

Hình 4.38 Sơ đồ hình học............................................................................ 106

Hình 4.39 Hình ảnh chuyển dịch khoang hầm tại t=1,125s(dA = 4,57cm)... 107

Hình 4.40 Hình ảnh chuyển dịch khoang hầm tại t=2,250s(dA =17,5cm).... 107

Hình 4.41 Sơ đồ công trình và các khối đá trong mô hình .......................... 110

Hình 4.42Các khối tại thời điểm t =0,048 s ................................................. 110

Hình 4.43Các khối tại thời điểm t =0,144 s ................................................. 111

Hình 4.44Các khối tại thời điểm t =0,240 s................................................. 111

Hình 4.45 Sơ đồ công trình và các khối đá trong mô hình .......................... 114

Hình 4.46Các khối tại thời điểm t =0,048 s ................................................. 114

Hình 4.47Các khối tại thời điểm t =0,144 s ................................................. 115

Hình 4.48Các khối tại thời điểm t =0,240s .................................................. 115

Hình 4.49 Tọa độ X của điểm A theo các bƣớc thời gian tính toán............. 117