Thạc Sĩ Nghiên cứu sự ổn định khoang hầm trong môi trường đá nứt nẻ bằng phương pháp Phân tích biến dạng khô

Luận án tiến sĩ năm 2013
Đề tài: Nghiên cứu sự ổn định khoang hầm trong môi trường đá nứt nẻ bằng phương pháp Phân tích biến dạng không liên tục
Định dạng file word


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT. v
DANH MỤC CÁC BẢNG viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 6
1.1 Ổn định khối đá xung quanh khoang hầm trong môi trường đá nứt nẻ. 6
1.2 Phương pháp số trong việc nghiên cứu khoang hầm trong môi trường
đá nứt nẻ. 19
1.3 Kết luận. 21
CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG
KHÔNG LIÊN TỤC DDA 22
2.1 Phương pháp DDA và quá trình phát triển. 22
2.2 Nội dung cơ bản của phương pháp DDA 23
2.3 Tiếp xúc và tương 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 chương 2. 61
CHƯƠNG III : XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ
CHƯƠNG 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 chương trình tính DDA.m 72
3.5 Một số thử nghiệm số. 72
3.6 Kết luận chương 3. 87
CHƯƠNG IV: ỔN ĐỊNH KHOANG HẦMTRONG MÔI TRƯỜNG
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 trường đá phân lớp. 92
4.5 Khoang hầm hình vòm tường thẳng trong môi trường đá nứt nẻ. 106
4.6 Tương tác khối đá với công trình ngầm trong môi trường đá nứt nẻ. 108
4.7 Kết luận chương 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


MỞ ĐẦU1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Với những đặc điểm của mình, công trình ngầm ngày càng thể hiện vai trò quan trọng trong đời sống kinh tế xã hội như giao thông vận tải, khai thác khoáng sản, thuỷ điện ,đặc biệt trong lĩnh vực quốc phòng, các đường hầm được xây dựng để làm sở chỉ huy, công trình ẩn nấp - chiến đấu, cất giấu các loại vũ khí, trang bị kỹ thuật, các kho hậu cần, quân y .Với đặc thù điều kiện địa chất địa hình như ở nước ta hiện nay, việc xây dựng các công trình ngầm trong núi đá chiếm một tỷ trọng tương đối lớn trong tổng số các công trình ngầmđã và sẽ được xây dựng. Bên cạnh đó với nguồn hang động tự nhiên vô cùng phong phú như ở nước ta hiện nay, việc nghiên cứu tận dụng khai thác các hang động tự nhiên phục vụ cho mục đích quân sự là việc làm hết sức cần thiết. Nứt nẻ là một trong những đặc tính điển hình của khối đá, nó xuất hiện trong cả ba loại đá: đá magma, đá trầm tích và đá biến chất, do nhiều nguyên nhân khác nhau (tự nhiên, kiến tạo, phong hóa, trượt ). Theo [5], trong cơ học đá, nứt nẻ là một khái niệm rất rộng. Nó bao gồm những kiến tạo cục bộ kéo dài hàng ki lô mét hay vài mét và cả những vi khe nứt chỉ được nhìn thấy dưới kính hiển vi. Các khe nứt cắt nhau chằng chịt trong không gian làm khối đá bị phân cắt thành những tảng riêng biệt. Cũng do đặc tính tự nhiên này mà các mẫu đá thu được hoặc các số liệu thống kê không mang tính đại diện cho cả khu vực dự định nghiên cứu hay xây dựng công trình. Một trong những vấn đề đặt ra cho việc xây dựng công trình ngầm trong đá là nghiên cứu, đánh giá, phân tích ổn định các khoảng trống ngầm, không gian ngầm nhằm có được thiết kế hợp lý về kết cấu chống đỡ, kết cấu công trình và biện pháp thi công. Để nghiên cứu vấn đề này cũng như trong cơ học đá nói chung, người ta sử dụng ba nhóm phương pháp chính [4], [5]: phương pháp đo đạc, quan sát trong điều kiện tự nhiên (phương pháp thực nghiệm); phương pháp mô hình (phương pháp thí nghiệm) và phương pháp lý thuyết.
Để khắc phục những khó khăn của các lời giải giải tích cũng như phương pháp thực nghiệm và thí nghiệm, về mặt lý thuyết các nhà nghiên cứu đã sử dụng nhiều phương pháp số khác nhau để phân tích. Trong môi trường đá nứt nẻ, miền phân tích là một miền vật liệu gồm các khối (phần tử) rời rạc, riêng rẽ, có chuyển vị tương đối với nhau. Do đó, trạng thái ứng suất và biến dạng là không liên tục, vì vậy quan niệm toàn bộ đá nứt nẻ là môi trường liên tục sẽ không thích hợp. Để giải quyết vấn đề này, trong những năm gần đây đã xuất hiện các phương pháp mới như phương pháp phần tử rời rạc DEM (Distinct Element Method), phương pháp phân tích biến dạng không liên tục DDA(Discontinuous Deformation Analysis). Các phương pháp này nghiên cứu phân tích tính không liên tục của môi trường.
Trong hai phương pháp trên,với quan niệm phần tử nghiên cứu có đặc điểm biến dạng đàn hồi thì phương pháp DDA có kể đến tính biến dạng của phần tử, còn đối với phương pháp DEM do quan niệm phần tử là vật rắn tuyệt đối nên không xét đến ảnh hưởng của biến dạng đến chuyển dịch của phần tử.
Phân tích biến dạng không liên tục được sử dụng để phân tích lựctương tác và chuyển dịchkhi các khối tiếp xúc với nhau. Đối với mỗi khối, cho phép xác định các chuyển dịch, biến dạngở mỗi bước thời gian; đối với toàn bộ hệ các khối thì cho phép mô phỏng quá trình tiếp xúc, tương tác giữa các khối.
Với các lí do trên, đề tài nghiên cứu của luận án được chọn là “Nghiên cứu sự ổn định khoang hầm trong môi trường đá nứt nẻ bằng phương pháp Phân tích biến dạng không liên tục”.
Trong luận án khái niệm “khoang hầm” (hay còn gọi là công trình ngầm không chống) là khoảng không gian ngầm được tạo ra sau khi thi công công trình ngầm mà chưa bố trí hệ thống kết cấu chống đỡ hay kết cấu chịu lực chính của công trình. Theo [4], trong địa cơ học “ổn định công trình ngầm” mang tính tổng quát và được hiểu là việc đánh giá mức độ ổn định của cả hệ thống “khối đá-kết cấu chống giữ”; còn cụm từ “ổn định khoang hầm” được hiểu là khả năng của các khối đá bảo toàn được hình dạng, kích thước của mình theo các yêu cầu địa cơ học và yêu cầu sử dụng. Luận ánsử dụng phương pháp đánh giá chuyển dịch (biến dạng) trên biên khoang hầm để nghiên cứu ổn định nên khái niệm “ổn định khoang hầm” ở đây đượchiểu là giới hạn cho phép chuyển dịch của các điểm trên biên khoang hầm.
2. Mục đích, nội dung, phương pháp, phạm vi nghiên cứu của luận án
· Mục đích của luận án
Xây dựng mô hình, thuật toán và chương trình để xác định các trường chuyển dịch, ứng suất và biến dạng của khối đá theo thời gian xung quanh khoang hầm trong môi trường biến dạng không liên tục. Thông qua các nghiên cứu lý thuyết và các thử nghiệm số trên máy tính, phân tích ảnh hưởng của trạng thái nứt nẻ khối đá đến tính ổn định của khoang hầm.
· Nội dung nghiên cứu của luận án
Nội dung của luận án bao gồm:
1. Tìm hiểu và sử dụng phương pháp Phân tích biến dạng không liên tục DDA.
2. Xây dựng mô hình tính và thuật toán cùng việc thiết lập chương trình tính toán chuyển dịch, biến dạng và ứng suất theo DDA.
3. Tiến hành một số tính toán, thử nghiệm số phân tích chuyển dịch của khối đá nứt nẻ xung quanh khoang hầm và sự tiếp xúc, tương tác giữa công trình ngầm với môi trường đá nứt nẻ.
· Phương pháp nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thử nghiệm số trên máy tính.
· Phạm vi nghiên cứu của luận án
Xét mô hình tính là các bài toán phẳng trong môi trường không liên tục.“Môi trường đá nứt nẻ” được giới hạn nghiên cứu là các khối đá rời rạc, riêng rẽ, không chứa nước ngầm. Giữa các khối đá không tồn tại lực dính, lực ma sát. Không xét đến ứng suất ban đầu do thi công trong các bài toán ổn định. Trong quá trình chuyển động các khối không được đứt gãy. Hình dạng và kích thước các khối được xấp xỉ bằng các đa giác nhiều đỉnh và vật liệu được giả thiết là đẳng hướng trong phạm vi từng khối.
3. Cấu trúc của luận án
Cấu trúc của luận án bao gồm phần mở đầu, bốn chương và phần kết luận, cuối cùng là tài liệu tham khảo và phụ lục.
Phần mở đầu nêu lên tính cấp thiết của đề tài luận án, mục đích, nội dung, phạm vi, phương pháp nghiên cứu của luận án.
Chương I Tổng quan
Nội dung: Giới thiệutổng quan về ổn định công trình ngầm trong môi trường đá nứt nẻ vàcác phương pháp nghiên cứu.
[I]Chương II[/I]Giới thiệu phương pháp Phân tích biến dạng không liên tục DDA.
Nội dung: Giới thiệu cách phân tích trạng thái chuyển dịch, biến dạng và ứng suất;quá trình tiếp xúc và tương tác giữa các khối trong phương pháp DDA của giáo sư Shi Genhua [24],[25].
[B][I]Chương III[/I] Xây dựng mô hình tính, thuật toán và chương trình tính.
Nội dung: Trình bày mô hình tính toán, thuật toán của chương trình, các tham số điều khiển liên quan tới chương trình. Một số các thử nghiệm số để đánh giá độ tin cậy của chương trình.
[B][I]Chương IV[/I]Phân tích sự ổn định của khoang hầm trong môi trường đá nứt nẻ.
Nội dung: Trên cơ sở chương trình đã lập, thử nghiệm tính cho một số trường hợp về khoang hầm dạng tròn trong môi trường đá nứt nẻ, phân lớp. Từ kết quả tính toán nghiên cứu mối quan hệ giữa chuyển vị trên biên của khoang hầm nằm ngang với một số đặc điểm khe nứt. Đồng thời tiến hành thử nghiệm số xác định tương tác kết cấu-môi trường đá nứt nẻ.
[B][I]Phần kết luận[/I] nêu lên các đóng góp mới của luận án và một số vấn đề có thể nghiên cứu tiếp theo.
[B][I]Phần phụ lục[/I] giới thiệu văn bản mã nguồn của các chương trình đã lập trong luận án.


TÀI LIỆU THAM KHẢO[1] Nguyễn Quốc Bảo, Trần Nhất Dũng (2012), [I]Phương pháp phần tử hữu hạn –Lý thuyết và lập trình,Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[2] Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Khắc Điểm, Nguyễn Trung Dũng, Hà Trần Đức (2003), [I]Lập trình Matlab,Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[3] Nghiêm Hữu Hạnh (2001), [I]Cơ học đá, Nhà xuất bản Giáo dục.
[4] Võ Trọng Hùng, Phùng Mạnh Đắc (2005), [I]Cơ học đá-Ứng dụng trong xây dựng công trình ngầm và khai thác mỏ, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[5] Nguyễn Sỹ Ngọc (2005), [I]Cơ học đá, Nhà xuất bản Giao thông vận tải.
[6] Nguyễn Quang Phích (2005), [I]Cơ học đá, Đại học Kiến trúc.
[7] Nguyễn Quang Phích, Nguyễn Văn Mạnh, Đỗ Ngọc Anh (2007),[I]Phương pháp số chương trình Plaxis 3D &UDEC, Nhà xuất bản Xây dựng.
[8] Đỗ Như Tráng (2002), [I]Cơ học đá và tương tác hệ kết cấu công trình ngầm-môi trường đất đá, Nhà xuất bản Quân đội nhân dân.
[9] Đỗ Như Tráng (1998), [I]Phương pháp phân tử hữu hạn trong các bài toán cơ học đá, Học viện Kỹ thuật Quân sự.
[10] Nguyễn Mạnh Yên (2000), [I]Phương pháp số trong cơ học kết cấu, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[B]Tiếng Anh
[11] Barton,N.,Lien,R.,Lunde,J. (1974).Engineeringclassificationofrockmassesforthe design of tunnel support.[I]Rock. Mech. Rock. Eng. 6: 189-236.
[12] Bieniawski,Z.T.(1973).Engineeringclassificationofjointedrockmasses.[I]Trans.S.[I]Afr.Inst. Civ. Eng. 15: 335-344.
[13] Bhawani Singh, R.K. Goel (2011).[I]Engineering Rock Mass Classification.[I]Butterworth[I]–[I]Heinemann, London, UK. 357 pp.
[14] Cheng Y.M., Zhang Y.H., Wang K.J. (2000). Couling of FEM and DDA method. [I]Chinese J. Geotech. Eng., 22(6):727-730.
[15] Cundall P. A. (1971). A Computer Model for Simulating Progressive Large Scale Movements in Blocky Rock Systems. In [I]Proceeding of the Symposium of the International Society of Rock , Nancy, France, paper No.II-8.
[16] Deere,D.U.,Hendron,A.J.,Patton,F.D.,andCording,E.J. (1967).Designofsurface and near-surfaceconstruction.In:C.Fairhurst(ed.)[I]FailureandBreakageof Rock. Society of Mining Engineers ofAIME, New York.
[17] Hoek E.andBrown E.T. (1980).[I]Underground excavations in rocks. Institutions of Mining and Metallurgy. London, Maney Publishing. 527 p.
[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). [I]Design and Construction of Dam Filling of High CFRD. Water Power, pp 44-46.
[20] Man-chu Ronald Yeung (1991).[I]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). [I]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). [I]Discontinuous Deformation Analysis.Proc. 25[SUP]th[/SUP] U.S. Symposium on Rock Mechanics, pp 269-277.
[23] Shi,G-H. and Goodman, R. E. (1985). [I]Two Dimensional Discontinuous Deformation Analysis.Int.J.Numer.Ana.MethodsGeomech,v.9,pp 541-556.
[24] Shi,G-H. (1988).[I]DiscontinuousDeformationAnalysis–anewnumericalmethodfor thestaticsand dynamicsofblocksystem.Ph.D.Thesis,DepartmentofCivil Engineering,Universityof California, Berkley. 378p.
[25] Shi,G-H. (1993). [I]Block System Modeling by Discontinuous Deformation Analysis. Topicsin Engineering Vol. 11, ComputationalMechanicsPublications.209p.
[26] Shi,G-H. (2001). [I]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). [I]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. 4[SUP]th[/SUP][I]Rock. Mech. Rock. Singapore.
[B]Tiếng Nga
[29] Баклашов И. В., Картозия Б. А. (1986),[I] Механические процессы в породных массивах. М. Недра.
[/I][/B][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/B][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/I][/B][/B][/B][/B]