Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất phi tuyến của đất đá đối với sự làm việc của hệ kết cấu vỏ hầm và nền bằng phương pháp khống chế..

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất phi tuyến của đất đá đối với sự làm việc của hệ kết cấu vỏ hầm và nền bằng phương pháp khống chế..

1. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Phương pháp CCM là một trong những hướng đi nhằm giải quyết bài tốn tính tốn tương tác hệ kết cấu vỏ hầm – đất đá với nền đàn dẻo (cĩ tính đến giai đoạn ngồi đàn hồi của đất đá-trong vùng cân bằng giới hạn). Hiện nay CCM chưa xét đến ảnh hưởng tính chất phi tuyến của đất đá ở giai đoạn dẻo (cân bằng giới hạn) và các yếu tố kỹ thuật và cơng nghệ đến sự làm việc tương tác của hệ kết cấu –đất đá như các ảnh hưởng cơng nghệ, chất lượng đào hầm (khoan nổ mìn), sự tồn tại của lớp vữa nhồi, ảnh hưởng của thời gian. Do vậy, luận án sẽ đi sâu nghiên cứu vào ảnh hưởng tính chất phi tuyến của đất đá và yếu tố địa cơ học và cơng nghệ để đánh giá rõ hơn về việc áp dụng CCM trong thiết kế hầm. 2. Mục đích, nội dung, phƣơng pháp, phạm vi nghiên cứu của luận án Mục đích của luận án: Nghiên cứu và phân tích các mơ hình thiết kế hầm hiện cĩ. Tiến hành nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp CCM, phát triển và bổ sung các nghiên cứu vùng phá hủy theo nguyên tắc của CCM và thực hiện các khảo sát số, rút ra các kết luận cụ thể về việc áp dụng phương pháp CCM trong cơng tác thiết kế hầm. Khảo sát vùng cân bằng giới hạn với các biến dạng dẻo phi tuyến khi xuất hiện vùng dẻo. Phân tích, đánh giá ảnh hưởng độ cứng của đất đá, chiều sâu đặt hầm và hình dạng hầm. Phân tích các thơng số ảnh hưởng đến khả năng mang tải của vỏ hầm như ảnh hưởng của cơng nghệ, yếu tố địa cơ học và thời gian khi áp dụng phương pháp CCM. Phương pháp nghiên cứu của luận án:
2. 2 Nghiên cứu lý thuyết về phương pháp thiết kế hầm theo CCM, xây dựng lời giải và thuật tốn tính tốn kết cấu chống đỡ (đường cong phản lực nền, đường cong đặc tính của kết cấu chống). Thực hiện khảo sát số ảnh hưởng của một số yếu tố đến chế độ tương tác vỏ hầm – đất đá theo phương pháp CCM. Các bài tốn khảo sát được thực hiện trên ngơn ngữ lập trình Matlab và phần mềm Phase2. Thực hiện khảo sát với điều kiện địa chất cụ thể tại cơng trình thực tại tuyến đường hầm dẫn nước thuỷ điện Sử Pán 2 – Lào Cai. Nội dung chính của luận án Chƣơng 1: Tổng quan về các phương pháp tính tốn thiết kế hầm. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết của phương pháp CCM. Chƣơng 3: Đường cong đặc tính của kết cấu chống và lời giải cho vỏ cơng trình ngầm Chƣơng 4: Phân tích, đánh giá ảnh hưởng các thơng số trong xây dựng hầm Chƣơng 5:Áp dụng phương pháp CCM với đường hầm dẫn nước thủy điện Sử Pán 2 – Lào Cai. Kết luận và kiến nghị 3. Cấu trúc của luận án Cấu trúc của luận án bao gồm phần mở đầu, năm chương và phần kết luận, cuối cùng là tài liệu tham khảo và phụ lục. Nội dung của luận án gồm 146 trang, 35 bảng biểu, 82 hình vẽ và đồ thị, 61 tài liệu tham khảo, 04 bài báo khoa học liên qua đến nghiên cứu của luận án. CHƢƠNG 1: TỞ NG QUAN VÊ CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN THIẾT KẾ HẦM Tổng quan về tính tốn thiết kế hầm Trong chương này đa ̃ tiến hành tởng quan các nghiên cứ u vềc các phương pháp tính tốn thiết kế hầm. Phân tích đăc̣ điểm của các mơ hình thiết kế và tổng quan về việc áp dụng phương pháp CCM trong tính tốn thiết kế hầm. Nội dụng phương pháp CCM được tĩm tắt như sơ đồ dưới đây:
3. 3  0 x/ri -2 -1 0 1 2 3 Đàn hồi A i Dẻo, ổn định Đàn hồi r i Nền ổn định, chuyển vị dẻo E Gương hầm GRC Áp lực gia cố p Áp lực gia cố Dẻo, mất ổn định Nền mất ổn định, chuyển vị dẻo 1 2 3 Vùng lở rời M 0 ui Chuyển vị hướng tâm của hầm, u i a, Đường cong phản lực nền và b, Sự giải phĩng ứng thời điểm lắp đặt kết cấu chống. suất trên gương đào Quá trình làm việc của hệ kết cấu vỏ hầm và đất đá được thể hiện như hình (a) theo nguyên tắc sau: + Khi lắp đặt kết cấu chống sớm - đường (1): chuyển vị của nền là đàn hồi, kết cấu chống chịu tải trọng lớn, hầm ổn định. + Khi lắp đặt kết cấu chống đúng thời điểm - đường (2): chuyển vị của nền dẻo, hầm ổn định, kết cấu làm việc đàn hồi. + Khi lắp đặt kết cấu chống muộn- đường (3): chuyển vị của nền vượt quá giới hạn dẻo, hầm mất ổn định. Các vấn đề đặt ra với phƣơng pháp khống chế hội tụ CCM: Việc tính tốn kết cấu cùng làm việc với vỏ hầm, xét tới tác động tương hỗgiữa kết cấu và đất đá xung quanh nhằm giữ ổn định chung cho hệ đất đá – vỏ hầmsau giới hạn đàn hồilà việc làm cần thiết. Hiện nay lời giải giải tích của phương pháp CCM mớidựa trên giả thiết hầm trịn, ứng suất ban đầu là thủy tĩnh. Do vậy, luận án tập trung đánh giá và phân tích ảnh hưởng của hệ số áp lực hơng và hình dạng vàchiều sâu đặt hầm; ảnh hưởng cơng nghệ, chất lượng đào hầm (sự xáo trộn của đất đá do khoan nổ mìn), thời gian lắp dựng vỏ cũng như ảnh hưởng của các yếu tố địa cơ họcđến bài tốn tương tác hệ kết cấu –đất đá.
4. 4 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƢƠNG PHÁP CCM Các giả thiết về tiêu chuẩn phá hủy và mơ hình phá hủy Tiêu chuẩn phá huỷ Mohr – Coulomb. Tiêu chuẩn này đánh giá độ bền khối đá dựa trên hai tham số cơ bản là gĩc ma sát trong của đất và cường độ cường độ lực dính C được dựa trên cơ sở như sau: + Đá bị phá huỷ khi độ bền trượt trên bất kỳ một mặt phẳng nào đạt đến giới hạn bền của vật liệu. + Cường độ chống cắt thuộc bất kỳ một mặt phẳng nào đều là một hàm của ứng suất nénσn trên mặt phẳng đĩ. Cường độ chống cắt độc lập với ứng suất chính trung gian  c  tg n Tiêu chuẩn Hoek – Brown Theo tiêu chuẩn Hoek–Brown, điều kiện phá huỷ của mẫu đá nguyên khối theo quy luật parabol dưới đây: a  3 13   ci ms b  ci Các đặc trưng phá huỷ của các loại đá cĩ chất lượng khác nhau như sau: Từ các đặc trưng phá hủy của các loại đá cĩ thể thấy rằng, mơ hình hĩa (mơ phỏng) tồn bộ các bước nêu trong hình 1.5 (chương1) là bài tốn phức tạp, yêu cầu phải cĩ nhiều thời gian. Cĩ thể thực hiện mơ hình hĩa theo các bước như sau:
5. 5 Bước 1: xác định trạng thái ứng suất ban đầu được tính theo các phương pháp đã trình bày trong chương I. Bước thứ 2- hầm chưa gia cố: bài tốn về phân tích ổn định của hầm khơng chống; Bước thứ 3: Phân tích bài tốn lắp dựng kết cấu chống theo tải trọng pi. Bước thứ 4: lựa chọn thời điểm chống đỡ hợp lý theo tiêu chí thiết kế chọn thơng qua phản lực vì chống pi (đường cong phản lực của kết cấu và thời điểm lắp dựng); M ui M ui LDP 1 r 1 Gương hầm Gương 0 I J ui F G Chuyển vị của tường, u vị của tường, Chuyển 0 L 0 M ui Sau gương Trước gương Khoảng cách từ mặt cắt x O 0 Đàn hồi s Gương hầm Gương i pcr E i R pmax SCC i L L ps N D ps D Dẻo Tường và áp lực gia cố p và p áp và lực Tường giavà cố p H K 0 u0 uD M i i ui Hội tụ của tường và kết cấu chống, ui Bài tốn cơ bản của phương pháp khống chế hội tụ Ổn định của hầm khơng chống Ứng suất xuất hiện trên mặt tiếp xúc giữa biên đất đá và kết cấu vỏ hầm do tác dụng tương hỗ được xác định từ phương trình cùng chuyển vị của biên đá và biên hầm như sau: u (p ) u 0 u()p u∞(p): chuyển dịch của biên đá cho tới thời điểm thiết lập trạng thái cân bằng tĩnh hệ “kết cấu vỏ hầm - khối đá”.
6. 6 u0: chuyển dịch ban đầu của biên hầm từ thời điểm bĩc tách đất đá cho tới khi lắp dựng kết cấu vỏ hầm và kết cấu bắt đầu tham gia chịu lực. u(p): chuyển dịch của biên ngồi của kết cấu vỏ hầm tới thời điểm thiết lập trạng thái cân bằng tĩnh của hệ “kết cấu vỏ hầm -khối đá”. Xây dựng đường cong phản lực nền Quá trình đào hầm làm thay đổi trường ứng suất và chuyển dịch xung quanh chu vi của khoang hầm và quá trình này cĩ thể được mơ phỏng bằng việc giảm từ từ áp lực bên trong hầm (pi). Khi pi bị giảm thì tùy thuộc vào tiêu chuẩn phá hủy, vùng dẻo cĩ thể sẽ hình thành với các giá trị chuyển vị hướng tâm ui tương ứng. Vật liệu thoả mãn tiêu chuẩn Mohr – Coulomb. Điều kiện phá huỷ:  H p C i Bán kính vùng dẻo: Hp 1 rr exp i ei 22C Các ứng suất tại vùng dẻo: r  ri pC2 ln ri r   pCi 2 1 ln r i Biến dạng: C 11  H p H p u C 1  1 exp ii  C exp 2ECEC 1 1 Vật liệu thoả mãn tiêu chuẩn Hoek –Brown Phương trình xác định ứng suất hướng tâm trong vùng phá huỷ: 2 1 mrc rr 2 2 r ln ln m r  c p i s r  c p i 4 rr ii Vùng phá huỷ chỉ tồn tại khi áp lực gia cố bên trong (pi) do kết cấu chống đỡ, nhỏ hơn giá trị tiêu chuẩn: p pcr p M i i0 c
7. 7 Khi đĩ, chuyển vị hướng tâm của đường hầm là: 1 2 1 eav urii 1 1 A Với 2 ur 2 ee rr e ei av 2 r 1 e 11 rR i Giá trị R xác định tuỳ thuộc vào chiều dày của vùng phá huỷ. Đánh giá sức mang tải của nền ngồi giới hạn đàn hồi Theo giá trị vượt quá giới hạn cường độ của một mẫu đá dưới tác dụng của tải trọng vật liệu sẽ cĩ đặc trưng như sau : i, dẻo hay dẻo lý tưởng ii, hố mềm. iii, dịn. Cơng thức tính tốn đường cong phản lực nền cho đường hầm trịn thỏa mãn tiêu chuẩn phá hủy Mohr –Coulomb như sau: K 1  R u 2G KKKKCDKK 1  1 1 2  P K 1 r 2 i R cr RSPKKK 1 1 1 KKK 1 i pl 0    K 1  R RR K 1 CKDKK 1  KK 11 PP2C 2 ii R R KKKK 11 22SS00KKK 1     Kết quả tính tốn với hệ số mất cường độ :
8. 8 Quan hệ giữa đường cong đặc tính nền và phản lực với gĩc ma sát trong =150; =300 và =450.150; =300; =450 Kết luận Chƣơng 2 Chương 2 đã giới thiệu tổng quát về CCM, các bài tốn cơ bản, các mơ hình phá hủy và các tiêu chuẩn phá hủyMohr Coulomb, Hoek –Brown được sử dụng trong phân tích tính tốn hầm. Thực hiện đánh giá các mơ hình cơ học của khối đá và ảnh hưởng của chúng trong tính tốn cơng trình ngầm theo CCM và ảnh hưởng của hệ số mất độ bền trong tính tốn thiết kế hầm. Kết quả tính tốn khảo sát số về ảnh hưởng của hệ số mất cường độ  cho thấy ngay cả khi chuyển sang giai đoạn dẻo, đất đá vẫn cịn khả năng mang tải và cần phải tận dụng yếu tố này. Qua phân tích cho thấy thời điểm lắp dựng kết cấu chống cĩ ảnh hưởng lớn khả năng mang tải của nền và ổn định của cả hệ kết cấu - nền. Điều này sẽ được làm rõ trong các chương tiếp theo.
9. 9 CHƢƠNG 3. ĐƢỜNG ĐẶC TÍNH CỦA KẾT CẤU VÀ LỜI GIẢI CHO KẾT CẤU VỎ CƠNG TRÌNH NGẦM Khi đào hầm, hai trƣờng hợp cĩ thể xảy ra: 1).Trường hợp hầm khơng cần chống - các biến dạng của đất đá khơng vượt quá giai đoạn đàn hồi. 2).Xuất hiện các biến dạng ngồi đàn hồi hình thành vùng dẻo, phải lắp dựng vỏ chống, phản lực pi của vỏ chống thay đổi tùy thuộc vào chuyển vị ui của đất đá xung quanh hầm. Xây dựng đƣờng đặc tính của kết cấu chống Dạng tổng quát của đường cong đặc tính: r 2 u() p u0 p 0 Ed 0 Đàn hồi Dẻo, ổn định E 1 2 Dẻo, mất ổn định N  D H K 0 uM u0 ur i Hình 3.7. Mối quan hệ giữa biến Hình 3.8. Đường đặc tính của kết cấu chống trong CCM dạng của nền và chuyển vị u0 Độ cứng của kết cấu gia cố lắp đặt trong đường hầm được đặc trưng bằng độ cứng Ks. đường cong đặc tính kết cấu chống được tính tốn theo cơng thức sau: p K u s s r + Bê tơng phun hoặc vỏ bê tơng: Áp lực gia cố lớn mà kết cấu chống nhất cĩ thể cung cấp là: 2  rt pmax con 1 i c s 2 r 2 i Độ cứng của kết cấu chống là:
10. 10 r2 r t 2 E i i con K con s 2 2 1  con 12  r r t con i i con + Neo Độ cứng Kscủa kết cấu chống bằng neo được tính theo cơng thức: 14s s l lc Q 2 K r d E s i b b ở đây: sc : Khoảng cách giữa các neo theo chu vi đường hầm; sl: Khoảng cách giữa các neo dọc trục đường hầm. Áp lực gia cố lớn nhất cĩ thể sinh ra trong kết cấu chống do biến dạng của khối đá: max Tbf ps ss c l Với:Tbf là độ bền cuối cùng của neo + Hệ vỏ hỗn hợp: Độ cứng của kết cấu gia cố hỗn hợp được giả thiết bằng tổng độ cứng của mỗi kết cấu chống thành phần: KKK 12 s s s Với: K 1 , 2 : độ cứng của kết cấu chống thành phần s K s An tồn của hệ kết cấu vỏ hầm: Vỏ hầm được xem là đáp ứng được yêu cầu khi: - Hệ số bền – an tồn liên quan tới phá hủy của đất đá (sau khi đạt giới hạn đàn hồi và bắt đầu hĩa dẻo tới khi bị phá hủy phải lớn hơn giá trị cho phép: Fs≥Fs,min; và: - Các chuyển vị tường (biên hầm) thỏa mãn điều kiện cân bằng: với u : giá trị giới hạn theo tiêu chuẩn thiết kế; uueq lim lim Phân tích hầm theo phƣơng pháp khống chế hội tụ bằng phần mềm Phase2 và lời giải giải tích trên ngơn ngữ Matlab Để xây dựng đường cong phản lực nền pi=f(u), cĩ thể tận dụng tính chất phân chia các giai đoạn trong Phase2.
11. 11 Bằng cách mơ phỏng quá trình thay đổi của phản lực, sử dụng tải trọng phân bố đều trên biên hầm từ phía bên trong (phản lực của kết cấu vỏ hầm), giá trị của tải trọng này sẽ thay đổi từ 0 cho tới 0– tương ứng với trạng thái ứng suất ban đầu khi chưa đào hầm. Khi pi=0 tương ứng với trạng thái ứng suất sau khi đào hầm nhưng chưa lắp dựng vì chống đỡ nào. Giá trị của số gia pi tùy thuộc vào 0 ứng với trạng thái ứng suất ban đầu và các thơng số cần tính tốn. Tại mỗi giai đoạn St cĩ thể tìm được các giá trị cần thiết, trong trường hợp này là chuyển vị u tại điểm cần quan tâm, bằng cách như vậy sẽ cĩ pi=tiến dần từ 0 tới 0, và cĩ được các giá trị ui tương ứng. Để so sánh, tác giả đã lập chương trình tính tốn dựng đường cong phản lực nền GRC1 theo giải tích bằng ngơn ngữ lập trình MATLAB và kiểm tra tính chất chính xác của việc sử dụng phần mềm Phase2 bằng mơ phỏng bài tốn 3 chiều. Các giá trị của pi cho từng giai đoạn St được biểu diễn thơng qua hệ số kSt. Bài tốn mơ phỏng quá trình đào hầm theo các giai đoạn (St) thơng qua phản lực vì chống pi Hình 3.12. Mơ phỏng quá trình đào qua hệ số kSt.
12. 12 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 a.Matlab b. Phase2 Kết quả đường cong phản lực nền theo hai lời giải Các kết quả so sánh cho thấy sai số của hai lời giải cĩ thể chấp nhận được và tiếp theo trong luận án sẽ áp dụng cả hai lời giải bằng Matlab và Phase 2 để thực hiện các bài tốn khảo sát. Kết luận chƣơng 3 Trong tính tốn thiết kế hầm, thì lớp vỏ chống (gia cố) khơng chỉ là một loại kết cấu riêng biệt mà thường là tổ hợp (hệ hỗn hợp) các kết cấu chống bê tơng phun - neo, neo –vì thép, Chương 3 đã trình bày các khái niệm và cách dựng đường cong đặc tính của kết cấu chống: bê tơng phun, neo, hệ hỗn hợp với utot là chuyển vị lớn nhất bảo đảm cho yếu tố an tồn địi hỏi của giá trị nhỏ nhất của tồn hệ kết cấu đạt giá trị yêu cầu của thiết kế (an tồn). Khi thiết kế vỏ hầm phải kể đến đặc điểm của từng vỏ riêng và chọn thời điểm lắp dựng bằng cách sao cho các giá trị của chuyển vị của hầm là bằng hoặc lớn hơn giá trị chuyển vị cân bằng ueq, đồng thời đảm bảohệ số bền của vật liệu đáp ứng được yêu cầu thiết kế và đảm bảo tính chất ổn định vỏtrong giới hạn cho phép. Kết quả phân tích theo mơ hình mơ phỏng đã chọn khi sử dụng phần mềm Phase 2 và tính theo chương trình Matlab GRC1 cho thấy sai số của mơ hình mơ phỏng bằng phần mềm Phase 2 cĩ thể chấp nhận được và sẽ được sử dụng cùng với các chương trình Matlab trong các khảo sát tiếp theo.
13. 13 CHƢƠNG 4: KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THƠNG SỐ TRONG XÂY DỰNG HẦM Các trƣờng hợp phân tích: Hệ số kiên cố fkp của đất đá: 4≤ f ≤8; Mục đích:Phân tích ảnh hưởng của hệ số áp lực hơng đến các thơng số đường cong phản lực nền;Thiết lập ảnh hưởng của chiều sâu đến các thơng số đường cong phản lực nền. Ảnh hưởng của các yếu tố hình học: hình trịn và vịm tường thẳng. Thơng số đầu vào: Loại đường hầm: hình trịn, hầm trịn tường thẳng cĩ cùng diện tích tiết diện ngang S; Ảnh hưởng của hệ số áp lực hơng và hệ số kiên cố của đất đá: Hệ số áp lực hơng và hệ số kiên cố của đất đá (fkp) ảnh hưởng nhiều đến số lượng phần tử bị phá hủy trên biên và theo các giai đoạn như sau: Hình 4.8. Số lượng phần tử bị phá hủy trên biên theo fkp và giai đoạn Sự tồn tại của kết cấu chống (p=0.62MPa) và sự thay đổi hệ số áp lực hơng với hầm trịn làm ảnh hưởng tới quy luật phân bố và giá trị của hệ số bền tại các điểm trên biên hầm. Giá trị hệ số bền phụ thuộc và tăng đáng kể khi cĩ kết cấu chống đỡ và chênh lệch giữa các giá trị hệ số bền phụ thuộc nhiều vào đặc trưng của nền. Ảnh hƣởng của chiều sâu đặt hầm:
14. 14 Hình 4.11. Các phần tử bị phá hủy trên biên khi cĩ kết cấu chốngtheo chiều sâu đặt hầm Hình 4.12. Số lượng phần tử trên biên bị phá hủy khi khơng cĩ kết cấu chống theo chiều sâu đặt hầm Phân tích các thơng số với hầm trịn và vịm trịn tường thẳng Hệ số áp lực hơng ảnh hưởng nhiều đến các giá trị biến dạng thể tích (kéo), cũng như biến dạng trượt các điểm trên biên hầm. Giá trị áp lực hơng càng nhỏ sự chênh lệch các giá trị này càng lớn cho cả hai dạng trịn và vịm tường thẳng. Với dạng vịm trịn tường thẳng tại các điểm cĩ sự thay đổi đường biên khơng trơn (điều hịa-tại đỉnh tường và chân tường) các giá trị biến dạng thể tích (kéo) cũng như biến dạng trượt là lớn và do đĩ kích thước vùng phá hủy cũng lớn- điều này phù hợp với các kết luận đã nêu trước đây.
15. 15 Hình 4.13. Dang phá hủy do kéo và trượt với  =0.25 Ảnh hƣởng của cơng nghệ Đường cong phản lực nền xét tới các yếu tố thời gian, cơng nghệ Quan hệ bán kính vùng tải trọng theo phản lực chống.
16. 16 Biểu đồ vùng dẻo theo phản lực chống Quan hệ giữa các bán kính vùng phá hủy, vùng cân bằng giới hạn (m) và phản lực chống theo ảnh hưởng của cơng nghệ Phân tích ảnh hƣởng của các yếu tố địa cơ học Quan hệ giữa tải trọng pi(MPa) và thời gian lắp dựng vỏ (ngày) theo chiều dày vỏ (m)
17. 17 Kết luận chƣơng 4 Sự tồn tại của kết cấu chống cũng như hệ số áp lực hơng với hầm dạng trịn cĩ ảnh hưởng tới quy luật phân bố và giá trị của hệ số bền tại các điểm trên biên hầm. Giá trị hệ số bền phụ thuộc và tăng đáng kể khi cĩ kết cấu chống đỡ. Sự chênh lệch giữa các giá trị hệ số bền phụ thuộc nhiều vào đặc trưng của nền. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hệ số áp lực hơng và chiều sâu cho thấy hệ số áp lực hơng cĩ ảnh hưởng nhiều tới các tham số khảo sát và sức mang tải của nền và hệ. Nhưng với hầm đặt sâu, ảnh hưởng của hệ số áp lực hơng khơng nhiều. Trường hợp hệ số áp lực hơng  =1 (áp lực thủy tĩnh)là trường hợp đặc biệt. Tương tác giữa hệ kết cấu vỏ hầm và mơi trường nền khơng chỉ do sự giải phĩng ứng suất của đất đá xung quanh khoang hầm mà cịn chịu tác động rất lớn của các yếu tố cơng nghệ, thời gian và yếu tố địa cơ học. Để xây dựng được kết cấu vỏ hầm tối ưu, cần đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố bất lợi trong quá trình đào hầm do điều kiện thi cơng, cũng như ảnh hưởng của thời gian tới sự làm việc của hệ kết cấu vỏ hầm và nền. CHƢƠNG 5. ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP CCM VỚI ĐƢỜNG HẦM DẪN NƢỚC THỦY ĐIỆN SỬ PÁN 2 – LÀO CAI Phân tích thời điểm lắp dựng kết cấu vỏ hầm với nền theo tiêu chuẩn Mohr-Coulomb- Điều kiện đá cứng Thực hiện phân tích chuyển vị, hệ số bền và nội lực tùy theo thời điểm lắp dựng kết cấu.Hầm dẫn nước cĩ bán kính r=2m; Chiều dầy tầng phủ H=100m;
18. 18 Sơ đồ tính củabài tốn Bảng 5.3. Tính chất cơ lý của nền theo tiêu chuẩn Mohr - Coulomb Tính chất Đơn vị Giá trị tới hạn Giá trị dư Trọng lượng thể tích MN/m3 2,65 2,65 Hệ số Poisson 0,3 0,3 Mơ đun biến dạng MPa 1291 1291 Gĩc ma sát Độ 40 38 Cường độ lực dính MPa 5 1,33 Độ bền nén của khối đá MPa 10,84 2,17 Kết quả tính tốn: Đường cong phản lực nền Chuyển vị theo các giai đoạn Nhận xét: khi chuyển vị cịn nằm trong giới hạn đàn hồi (lắp dựng vỏ tại St5, tại những điểm lân cận biên hầm sau khi lắp dựng vỏ chuyển vị cịn phát triển nhiều (so sánh giữa St 20 và St 5).
19. 19 Sau khi lắp dựng vỏ, giá trị hệ số bền hầu như khơng thay đổi khi lắp sớm (ở giai đoạn 5 cĩ biến dạng đàn hồi u= 0,001982 (m), phản lực pi =1,62MPa; hệ số bền là max 5.692950. Tại thời điểm mà biến dạng khơng phải là đàn hồi trong trường hợp này là khi bắt đầu tại giai đoạn 5,10,15 (bảng 5.5), giá trị hệ số bền thay đổi rất ít, tương ứng là: 2.67923; 2.33868 và 2.23765. Điều này cĩ nghĩa là lắp vỏ trong khoảng này là hợp lý hơn. Với điều kiện địa chất và các tính chất cơ lý của nền như ở trên, cĩ thể thấy rằng việc lắp dựng kết cấu khơng nên thực hiện quá sớm (sau St10, phản lực pi= 0.27MPa, chuyển dịch u=0,004459m- tức là chuyển vị khơng cịn là đàn hồi mà đã chuyển sang dẻo. Với chuyển vị như vậy thỏa mãn được giá trị hệ số bền đồng thời nội lực trong kết cấu vỏ hầm nhỏ nhất. Phân tích thời điểm lắp dựng kết cấu vỏ hầm với nền theo tiêu chuẩn Hoek – Brown. Điều kiện đá cứng Đường cong phản lực nềntheo tiêu chuẩn Hoek - Brown Chuyển vị theo các giai đoạn Nhận xét: Từ các biểu đồ cho thấy khi chuyển vị cịn nằm trong giới hạn đàn chuyển vị cịn phát triển nhiều.Trong khi đĩ nếu lắp dựng vỏ ở các giai đoạn ngồi đàn hồi chuyển vị phát triển ít.
20. 20 Giá trị hệ số bền hầu như khơng thay đổi khi lắp sớm (giai đoạn5, Biến dạng đàn hồi u= 0,001982m, phản lực pi=1,62MPa; phần biểu đồ này trong giai đoạn đàn hồi giống nhau cho cả hai với mơ hình Mohr-Coulomb và Hoek-Brown). Nếu lắp dựng vỏ khi nền đã chuyển sanggiai đoạn dẻo, trong trường hợp này là sau giai đoạn 5,10,15 (bảng 5.11), giá trị hệ số bền thay đổi rất ít, tương ứng là: 2.45677; 1.18521; 1.04349 và 1.00586. Điều này thấy rõ ý nghĩa lắp vỏ trong giai đoạn dẻo là hợp lý. Hầm Sử Pán trong đá yếu Bảng 5.20. Số liệu tính theo tiêu chuẩn Mohr -Coulomb và Hoek – Brown Tiêu chuẩn Mohr – Coulomb Tiêu chuẩn Hoek - Brown Mơ đun đàn hồi (MPa) 638 Độ bền nén (MPa) 11,64 Hệ số poisson 0.37 Hằng số mb 0,02996 Độ bền kéo (MPa) 0,0038 Hằng số dưmbRes 0,02996 Gĩc ma sát (o) 19.5 Hằng số s 0,00009522 Cường độ lực dính 2 Hằng số dư sRes 0,00009522 (MPa) Gĩc ma sát dư (o) 19.5 Hằng số a 0,5313 Cường độ lực dính dư 0.21 Hằng số dư aRes 0,5313 (MPa) Kết quả tínhtheo tiêu chuẩn Mohr –Coulomb 3 2.5 2 1.5 Series1 1 0.5 0 0.00E+00 5.00E-03 1.00E-02 1.50E-02 | Đường cong phản lực nền
21. 21 0.016 0.014 0.012 0.01 Series1 0.008 Series2 0.006 Series3 0.004 0.002 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Chuyển vị theo các giai đoạn Series 1: stage 2 Series 2: stage 10 Series 3: stage 20 Kết quả tính theo tiêu chuẩnHoek - Brown 3 2.5 2 1.5 Series1 1 0.5 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 Đường cong phản lực nền theo tiêu chuẩn Hoek –Brown Total Displacement 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 Total Displacement [m]Total Displacement 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Distance [m] Query 1 Stage 2 Query 1 Stage 10 Query 1 Stage 20 Chuyển vị theo các giai đoạn Nhận xét: So sánh các giá trị tính tốn chuyển vị, ứng suất, nội lực và hệ số bền qua các bảng biểu và đồ thị cĩ thể thấy:
22. 22 Hệ số bền theo tiêu chuẩn Mohr- Coulomb cao hơn khi lắp vỏ sớm, khi lắp vỏ muộn cả hai mơ hình gần như nhau. Nội lực cũng như chuyển vị trong tiêu chuẩn Mohr- Coulomb thấp hơn so với tiêu chuẩn Hoek -Brown. Tính tốn theo mơ hình Mohr-Culomb là thiên về an tồn. Với đất đá yếu, các phân tích trên đây cũng cho thấy việc tính tốn tương tác hệ kết cấu vỏ hầm - đất đá cĩ xét tới tính chất phi tuyến của nền ngồi giai đoạn đàn hồi cũng cho phép tận dụng được sức mang tải của nền và điều đĩ cĩ thể mang lại hiệu quả kinh tế. Kết luận Chƣơng 5 Trong chương 5, đã áp dụng phương pháp CCM thực hiện các khảo sát số với điều kiện địa chất của thủy điện Sử Pán 2 – Lào Cai trên một số mặt cắt điển hình của tuyến hầm dẫn nước. Từ các kết quả tính tốn số và phân tích cho thấy một số kết luận như sau: Trong cả hai điều kiện đá cứng hay nửa cứng, dù áp dụng tiêu chuẩn Mohr –Coulomb hay Hoek – Brown thì việc thực hiện các gia cố chống đỡ cũng khơng nên thực hiện quá sớm. Hệ số bền theo tiêu chuẩn Mohr – Coulomb cao hơn khi lắp vỏ sớm, khi lắp vỏ muộn cả hai mơ hình gần như nhau. Nội lực cũng như chuyển vị trong tiêu chuẩn Mohr- Coulomb thấp hơn so với tiêu chuẩn Hoek -Brown. Tính tốn theo mơ hình Mohr-Culomb là thiên về an tồn. Các kết luận này phù hợp với quan điểm của nhiều chuyên gia cho rằng mơ hình Mohr- Coulomb phù hợp với đất, cịn mơ hình Hoek -Brown chủ yếu áp dụng cho các loại đá. Nếu trong đất đá chỉ cĩ các biến dạng đàn hồi, khơng xuất hiện các biến dạng dẻo thì khơng cần thiết phải thực hiện gia cố (hầm khơng chống). Nếu kết cấu vỏ hầm chịu lực (theochức năng chịu lực của cơng trình) thì kết cấu cũng nên được lắp dựng muộn, tốt nhất là khi đất đá đã hết chuyển dịch đàn hồi.
23. 23 Khi đất đá xuất hiện các biến dạng phi tuyến, việc lựa chọn thời điểm lắp dựng kết cấu chống cần phải được khống chế trong giới hạn cân bằng để đảm bảo hệ số bền của cả hệ nằm trong giá trị cho phép và chuyển vị của hầm nằm trong giá trị kiểm sốt. Khơng nên chọn thời điểm lắp dựng sau khi phát triển hết biến dạng dẻo, vì đất đá hồn tồn bị phá hủy và tải trọng sẽ là lớn nhất. Nên chọn kết cấu lắp ghép kiểu linh động, sử dụng hệ neo và bê tơng phun để đất đá thực hiện các chuyển vị đàn hồi hay dẻo nhất định (bỏ giả thiết kết cấu được lắp dựng tức thời), khơng nên sử dụng kết cấu đúc tại chỗ quá cứng như hiện nay. KẾT LUẬN CHUNG Những đĩng gĩp chính của luận án Từ việc lựa chọn và xây dựng mơ hình tính, luận án đã thực hiện các tính tốn định lượng sức mang tải của mơi trường đất đá xung quanh, qua phân tích khảo sát số đã khẳng định được đất đá dù đã chuyển sang biến dạng dẻo nhưng vẫn cịn khả năng mang tải và nên tận dụng khả năng đĩ.Để tận dụng khả năng mang tải của đất đá, tác giả đã lựa chọn phương pháp CCM. Luận án đã xây dựng được các chương trình phân tích tương tác hệ kết cấu vỏ hầm-mơi trường đất đá bằng các lời giải giải tích thực hiện trên Matlab và sử dụng phần mềm PHASE2 để phân tích sự làm việc của kết cấu vỏ hầm trong mối quan hệ tương tác với mơi trường đất đá xung quanh và thời điểm lắp dựng kết cấu. Luận án đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thơng số: chiều sâu đặt hầm, hệ số áp lực hơng và hình dạng hầm (trịn và vịm trịn tưởng thẳng) khi áp dụng phương pháp CCM, qua phân tích các kết quả tính tốn đã rút ra những kết luận cần thiết để tham khảo trong quá trình thiết kế. Luận án đã nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố cơng nghệ như mức độ xáo trộn của đất đá, lớp vữa nhồi sau vỏ, thời gian lắp dựng kết cấu chống cũng như các yếu tố địa cơ học trong vùng biến dạng phi đàn hồi.
24. 24 Các kết quả nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của các yếu tố trên trong việc lựa chọn thời điểm lắp dựng vỏ hầm để cĩ thể cĩ được kết cấu chống tối ưu về hệ số bền. Những kết quả này chưa từng được đề cập trước đĩ trong phương pháp CCM. Luận án đã tiến hành áp dụng phương pháp CCM để khảo sát số cho các số liệu địa chất của tuyến hầm dẫn nước thủy điện Sử Pán 2 tại Lào Cai tại các điều kiện địa chất điển hình với về 2 tiêu chuẩn Mohr-Coulomb và Hoek- Brown áp dụng cho các loại đá. Các tính tốn tương tác và kết quả phân tích đã kết luận về tính chất khoa học và ý nghĩa hợp lý về kinh tế của việc tính tốn tương tác hệ gia cố kết cấu vỏ hầm cĩ xét tới các biến dạng dẻo phi tuyến và khả năng tận dụng sức mang tải của nền xung quanh cơng trình ngầm. Những tồn tại và hƣớng phát triển tiếp Phương pháp CCM vẫn chỉ giới hạn cho hầm cĩ tiết diện trịn, cần phát triển lời giải cho bài tốn tổng quát hơn- hầm cĩ hình dạng bất kỳ trong mơi trường nền bất kỳ. Cần nghiên cứu hồn chỉnh thêm các điều kiện ứng suất ban đầu cĩ yếu tố động học cũng như ảnh hưởng của điều kiện nước ngầm, đất trương nở, nén ép mà trong luận án chưa đề cập đến. Kết luận và kiến nghị Tính tốn khơng xét đến sức mang tải của nền – như phương pháp đào hầm truyền thống thiết kế theo tải trọng cho trước, coi phần đất đá trong vịm áp lực hồn tồn bị phá hủy-là thiên về an tồn. Khi chuyển sang biến dạng dẻo (ngồi đàn hồi) đất đá cịn cĩ thể mang tải, nếu kiểm sốt được khả năng mang tải đĩ (bằng các thiết bị quan trắc), thì việc tính tốn hệ gia cố vỏ hầm cùng làm việc với mơi trường đất đá là cần thiết về ý nghĩa khoa học và cĩ giá trị kinh tế. Điều này rất cĩ ý nghĩa với việc tận dụng các kết cấu linh động (cho phép các chuyển vị nhất định) mà trong luận án chưa đề cập đến. Phương pháp CCM cĩ nhiều ưu điểm, nên cần thiết hồn chỉnh thêm để áp dụng vào thực tế xây dựng cơng trình ngầm ở Việt Nam.