Luận án mô hình cơ học đá xét yếu tố thời gian - Dương Đức Hùng

Cơ Hi£ SẨ ÍẰ ' Í£ wlĩ ỉilí te l f ( H ĩệNG, l ậ ĩ y p *{ ẤÍ1 e Ễ N ì Ế u ĩ i p Ể - ? í? ■•••8% ffi n Bỉ) 3 r, ■; - = u i. ; w• V __ N Ộ I 2003 BỘ G IÁ O D Ụ C V À Đ À O T Ạ O TRƯ Ờ NG Đ Ạ I H Ọ C M Ỏ- Đ ỊA C H Ấ T Dương Đức H ùng X  Y DỰ NG M Ô H ÌN H c ơ H Ọ C ĐÁ VÀ CÁ C V Ậ T L IỆ U TƯ Ơ NG T ự ( B Ê T Ô N G , V Ậ T LIỆU C O M PO SIT ) CÓ X É T Đ Ê N Y Ê U T ố T H Ờ I G IA N VÀ BIỂU H IỆN SA U T R Ạ N G T H Á I G IỚ I H ẠN C huyên ngành: Xây dựng m ỏ M ã số: 2.07 LU Ậ N ÁN T IẾ N S ĩ KỸ T H U Ậ T t h ư v iệ n ị ĩ Ru 0 NG ị ~!' J (J 1 MO Đ/Ạ CHà 1 j NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. N gu yễn Q uang Phích 2. Phí V ăn L ịch Hà N ội - 2003 t ■ ậ 2 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình krhoa học của riêng tôi.

Những kết quả nghiên cứu mô hình và số liệu nêu trong luận án hoàn toàn trung thực. Những luận điểm bảo vệ và những điểm mới của luận án chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Dương Đ ức H ù n g 3 M ỤC LỤC trang Trang bìa phụ 1 Lời cam đoan 2 M ục luc 3 PH ẦN MỞ Đ ẦU 5 C h ư ơ n g 1: ĐẶC TRƯNG BIÊN DẠNG CỦA ĐÁ, KHỐl ĐÁ TRONG CÁ C TRƯỜNG HỢP CHỊU TẢI KHÁC NHAU 12 1. Biểu hiện biến dạng trước và sau phá huỷ khi chịu nén đơn trục 12 1.

Biểu hiện biến dạng trước và sau phá huỷ khi chịu nén ba trục 29 1. Biểu hiện biến dạng của khối đá xung quanh công trình ngầm 31 1. Biểu hiện biến dạng của bê tông và vật liệu composit đẳng hướng 37 1. Kết luận chương 1 38 C h ư ơ n g 2: PHÂN TÍCH , ĐÁNH GIÁ CÁC MÔ HÌNH LƯU BIÊN ĐÃ VÀ ĐANG ĐƯỢC ÁP DỤNG 39 2.

Các mô hình cơ bản. Các mô hình lưu biến của đá 39 2. Nhóm mô hình đàn hồi - dẻo 41 2. Nhóm m ô hình đàn hồi - nhớt 43 2.

Nhóm mô hình đàn hồi - nhớt - dẻo 45 2. N hận xét và kết luận chương 2 48 C h ư ơ ng 3: XÂY DỤNG NHÓM MÔ HÌNH LƯƯ BIÊN GIẢM BEN 50 CHO CÁC LOẠI ĐÁ 3. M ô hình lưu biến Poynting- Thomson- dẻo giảm bền. M ô hình lưu biến Zener- dẻo giảm bền.

M ô hình lưu biến Kélvin - Voigt- dẻo giảm bền. Xác định các tham số của mô hình. Các yếu tố ảnh hướng đến tham số mô hình. Kết luận chương 3 82 C hư ơ ng 4: QUÁ TRÌNH HOÁ DẺO VÙNG ĐẤT đ á x u n g q u a n h CÔ NG TRÌNH NGẦM VỚI MÔ HÌNH LƯU BIÊN DẺO G IẢ M BEN 85 4.

Q uan hệ ứng suất - biến dạng của mô hình lưu biến dẻo giảm bền 85 trong trạng thái ứng suất ba trục. Q úa trình hoá dẻo vùng đất đá xung quanh công trình ngầm 95 với mô hình lưu biến dẻo giảm bền. Xác định bán kính và thời điểm hoá dẻo vùng đất đá xung quanh công trình ngầm với mô hình lưu biến Poynting- Thom son dẻo giảm bền. Xác định bán kính và thời điểm hoá dẻo vùng đất đá xung quanh công trình ngầm với mô hình lun biến Zener- dẻo giảm bền.

Kết luận chương 4 110 PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIÊN n g h ị 113 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ C Ô N G B ố CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 PHỤ LỤC 120 5 PHẦN M Ở ĐẦU 1. Lòi nói đầu: Đá và khối đá là những vật thể địa chất có cấu tạo rất phức tạp, luôn chịu ảnh hưởng của các yếu tố tự nhiên. Các đặc điểm thạch học cũng như tính chất cơ học củ a chúng luôn biến động trong không gian và thay đổi theo thời gian. Dưới các tác động của kỹ thuật, trạng thái cân bằng tự nhiên vốn có bị phá vỡ, trong đá và khối đá sẽ xảy ra những biến đổi cơ học để xác lập trạng thái cân bằng mới.

Đối với các ngành khai thác mỏ, xây dựng công trình kỹ thuật vào bên trong hay lên trên khối đá, nhiệm vụ đặt ra là phải biết được những quy luật biến đổi cơ học đó để có thể giải quyết các vấn đề kỹ thuật một cách hợp lý nhất. Để có thể dự báo các quá trình biến đổi cơ học xảy ra trong khối đá, việc nghiên cứu lý thuyết đóng vai trò đặc biệt quan trọng. Bằng lý thuyết, vấn đề này sẽ được giải quyết trên cơ sở những mô hình tính toán xác định. Mỗi mô hình tính toán thường được cấu thành từ ba yếu tố cơ bản: • Sơ đồ bài toán - Sơ đồ tính.

• M ô hình cơ học của khối đá. • Các điều kiện biên. Trong ba yếu tố cơ bản trên, sơ đồ bài toán và điều kiện biên trong từng trường hợp cụ thể thường đã được xác định. Với bài toán xây dựng mỏ và công trình ngầm nói chung, bức tranh mô tả quá trình biến đổi cơ học trong khối đá xung quanh công trình phụ thuộc chủ yếu vào việc lựa chọn mô hình cơ học của chúng.

Mô tả càng chính xác quá trình biến đổi cơ học của khối đá là cơ sở để lựa chọn giải pháp tối ưu trong thiết k ế và thi công công trình ngầm. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi khai trường khai thác mỏ ngày càng xuống sâu. Với sự tăng độ sâu, áp lực cũng như dịch chuyển của đất đá xung quanh khoảng trống khai đào (đường lò, bờ moong. Sự tăng lên của chuyển dịch đất đá theo thời gian sẽảnh hưởng đến sự ổn định của đường lò cũng như bờ mỏ lộ thiên.

Vì lẽ đó, việc xây dựng cho được các mô hình cơ học phù hợp với từng loại đá và khối đá; tức là phải mô phỏng, hình tượng hoá các tính chất cơ học của chúng là vấn 6 đề có tính thiết yếu của lĩnh vực cơ học đá cũng như nghành xây dựng mỏ. Nội dung ch ủ yếu của luận án sẽ đề cập đến vấn đề này. Tính chất cơ học hay là các biểu hiện cơ học của đá và khối đá được xác định bằng các phương pháp thực nghiệm khác nhau. Từ các kết quả này tiến hành xây dựng mô hình cơ học phù hợp cho từng loại đá và khối đá.

Cùng với sự phát triển m ạnh mẽ của khoa học công nghệ, trình độ kỹ thuật thực nghiệm ngày càng được nâng cao. Nhờ vậy, nhận thức cũng như hiểu biết của con người trên mọi khía cạnh về đá, khối đá cũng như các vật liệu thực khác cũng thay đổi theo thời gian và ngày càng đầy đủ hơn. Về phương diện cơ học, con người cũng ngày càng có khả năng tìm hiểu và nhận định chính xác hơn các biểu hiện biến dạng khi chịu tải. Do đó, các mô hình cơ học củ a đá, khối đá cần phải được xây dựng hoàn thiện hơn, phù hợp hơn với những nhận thức mới nhằm phục vụ yêu cầu ngày càng cao của thực tế kỹ thuật.

M ặc dù đá, khối đá có cấu trúc vô cùng phức tạp, trong chúng luôn tổn tại những k huyết tật (lổ rỗng, khe nứt.), về phương diện vĩ mô, ở xung quanh đường lò hay lòng m oong trong nhiều trường hợp có thể coi chúng là m ôi trường liên tục. Đặc biệt, ở độ sâu đủ lớn, nhận định này càng phù hợp. Những trường hợp đặc biệt sẽ được xét riêng. Cũng như nhiều loại vật liệu thực khác, để m ô hình hoá các tính chất cơ học của đá, khối đá, dựa vào biểu hiện khi chịu tải của chúng trong những trường hợp khác nhau, xuất phát từ các m ô hình cơ bản các nhà khoa học đã đề xuất áp dụng nhiều m ô hình lưu biến - m ô hình cơ học phức tạp.

M ô hình cơ học áp dụng cho đá đầu tiên là m ô hình đàn hổi- mô hình Hooke (H). M ô hình đàn hồi m ô tả được quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của đá, khối đá trong phạm vi khá hẹp. Đ ây là m ô hình cơ bản và đơn giản nhất cho vật rắn biến dạng nói chung. Với m ô hình đàn hồi, bằng việc áp dụng các phương pháp giải của lý thuyết đàn hồi dể dàng xác định được trạng thái ứng suất, trạng thái biến dạng xung quanh hầm lò cũng như công trình ngầm.

Tuy nhiên, kết quả thu được chỉ có ý nghĩa định tính và khác xa với kết quả thu được bằng thực nghiệm. Mô hình đàn hồi 7 không giải thích được đa số các biểu hiện biến dang của đá và khối đá thu được ớ trong phòng thí nghiệm (mẫu) cũng như trên hiện trường (khối đá). M ô hình đàn-dẻo là sự kết hợp giữa mô hình đàn hồi (Hooke - H) với mô hình dẻo lý tưởng (St. Mô hình đàn hổi- dẻo mở rộng hơn phạm vi mô tả mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, song chỉ ở mức độ tuyến tính hoá.

Nhiều nhà khoa học như Ruppeneit (1954); Fenner (1961); Labasse (1961); Liberman (1969).[24] đã áp dụng mô hình đàn hổi -dẻo để xác định vùng biến dạng dẻo - phá huỷ của đá xung quanh hầm. Thực chất là đi tìm điều kiện dẻo của bài toán lý thuyết đàn hồi theo m ột tiêu chuẩn chảy dẻo nào đó phù hợp nhất, chẳng hạn tiêu chuẩn Coulom b- M ohr. Theo mô hình này, có thể xác định vùng đàn hồi và vùng dẻo (coi là phá huỷ). Tuy nhiên, kết quả thu được mâu thuẫn với kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên hiện trường [11][24].

Hơn nữa, mô hình đàn hồi -dẻo không giải thích được sự biến đổi theo thời gian của ứng suất và biến dạng trong đá, khối đá. M ô hình đàn hổi- dòn biểu diễn sự phá huỷ không phụ thuộc thời gian. Đất đá Xung quanh đường lò sau vùng phá huỷ (nếu có) là vùng đàn hồi. Mô hình này tỏ ra phù hợp khi giải thích sự phá huỷ m ột cách tức thời ứng với sự tăng tải đột ngột.

Chẳng hạn như khi nổ mìn hoặc tải trọng va đập khác.