Luận án Tiến sĩ: 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 : 62.06 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. Đỗ Nhƣ Tráng và PGS. 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 .1 Ổn định khối đá xung quanh khoang hầm trong môi trƣờng đá nứt nẻ .2 Phƣơng pháp số trong việc nghiên cứu khoang hầm trong môi trƣờng đá nứt nẻ .21 CHƢƠNG II: PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG KHÔNG LIÊN TỤC DDA.1 Phƣơng pháp DDA và quá trình phát triển .2 Nội dung cơ bản của phƣơng pháp DDA .3 Tiếp xúc và tƣơng tác giữa các khối .4 Những ứng dụng của DDA .5 Những hạn chế của DDA .6 Kết luận chƣơng 2 .61 CHƢƠNG III : XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ CHƢƠNG TRÌNH TÍNH .1 Đặt bài toán .2 Xây dựng thuật toán và sơ đồ khối .3 Các thông số đầu vào khi phân tích trong DDA .4 Giới thiệu chƣơng trình tính DDA.5 Một số thử nghiệm số .6 Kết luận chƣơng 3 .87 CHƢƠNG IV: ỔN ĐỊNH KHOANG HẦMTRONG MÔI TRƢỜNG ĐÁ NỨT NẺ .1 Đặt bài toán .2 Mô hình nghiên cứu .3 Giới hạn miền khảo sát.4 Bài toán khoang hầm trong môi trƣờng đá phân lớp .5 Khoang hầm hình vòm tƣờng thẳng trong môi trƣờng đá nứt nẻ .6 Tƣơng tác khối đá với công trình ngầm trong môi trƣờng đá nứt nẻ.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. 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 Fx , Fy Tải trọng tập trung tác dụng theo phƣơng x,y Fx (t), Fy (t) Tải trọng phân bố tác dụng theo phƣơng x,y f Hệ số Protod’jakonov fx , fy 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 K ij 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 [Ti ] Ma trận chuyển hệ tọa độ u, v Chuyển vị thẳng tƣơng ứng theo phƣơng x, y u o, v o 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 .2 Phân loại ổn định theo XNiP-II-94-80, VNIMI .3 Phân loại ổn định theo Bulƣchev .4 Bảng phân loại khối đá theo chỉ tiêu RQD .5 Bảng phân loại khối đá theo chỉ tiêu RMR .6 Bảng phân loại khối đá theo chỉ tiêu Q .1 Tính chất vật liệu và giá trị thông số điều khiển .2 Kết quả tính toán đặc trƣng hình học các khối .3So sánh kết quả theo giải tích (CHLT) và chƣơng trình DDA.4 Tính chất vật liệu và giá trị các thông số điều khiển .1 Tính chất vật liệu và giá trị các thông số điều khiển .2 Tọa độ các điểm đo đạc .3 Chuyển dịch trên biên khoang hầm .4 Chuyển dịch trên biên khoang hầm .5 Chuyển dịch trên biên khoang hầm .6 So sánh chuyển dịch khi góc nghiêng phân lớp thay đổi .7 So sánh chuyển dịch khi chiều dày phân lớp thay đổi .8 So sánh chuyển dịch độ mở rộng khe nứt thay đổi .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 .2 Sơ đồ phân bố biến dạng ngang và dọc đo đƣợc xung quanh hầm Straight-Creek (Mỹ) .3 Quan hệ giữa thời gian tồn tại ổn định với chiều rộng công trình ngầm theo Z.1 Chuyển dịch, tƣơng tác giữa hai khối .2 Chuyển dịch song song.3 Chuyển động quay .4 Biến dạng thẳng .6 Tải trọng tập trung .7 Tải trọng phân bố.8 Ba dạng khác nhau của tiếp xúc .9 Khoảng cách giữa hai khối .10 Khoảng cách giữa hai khối ở bƣớc tiếp theo .12 Vị trí hai khối trƣớc khi xuyên .13 Tọa độ vị trí các đỉnh, cạnh tham chiếu trƣớc khi xuyên .14 Vị trí hai khối sau khi xuyên .15 Tọa độ vị trí các đỉnh, cạnh tham chiếu sau khi xuyên .16 Giới hạn Mohr- Coulomb .17Sơ đồ tính toán các thành phần của ma trận [K]…………….18Sơ đồ tính toán các thành phần của véc tơ {F}………………….19 Hình ảnh phân tích trƣợt lở mái dốc (X.20 Phân tích và dự báo phá hoại khối đá nứt nẻ dƣới tác dụng của nổ mìn (Z.1 Núi đá trên Vịnh Hạ Long .2 Chuyển mô hình bài toán trong thực tế về mô hình tính toán trong DDA [27] .3 Sơ đồ giải bài toán DDA .4 Sơ đồ khối trong bài toán DDA .6 Mô hình trong DDA .7 Vị trí các khối thời điểm ban đầu t=0,000s .8Vị trí các khối thời điểm t=0,280s .9Vị trí các khối thời điểm t=0,602s .10Vị trí các khối thời điểm t=1,050 s .11Vị trí các khối thời điểm t=1,400s .12Vị trí các khối thời điểm t=1,505s .13 Sạt lở đá tại mỏ đá Lèn Cờ (2011) .14 Sạt lở đá trên quốc lộ 18 .15 Mô hình bài toán.1 Kích thƣớc miền khảo sát tối thiểu theo Hƣớng dẫn Hội Địa kỹ thuật Đức [7].3 Sơ đồ bài toán với góc nghiêng = 15o .4 Chuyển dịch các khối tạit= 2,250s(dA=2,391, dB=2,131) .5 Sơ đồ bài toán với góc nghiêng = 30o .6 Chuyển dịch các khối tạit= 2,250s(dA=3,353, dB=4,081) .7 Sơ đồ bài toán với góc nghiêng = 45o .8 Chuyển dịch các khối tạit= 2,250s(dA=3,851, dB=3,632) .9 Sơ đồ bài toán với góc nghiêng = 60o .10 Chuyển dịch các khối tại t= 2,250s(dA=3,672, dB=2,231) .11 Sơ đồ bài toán với góc nghiêng = 75o .12 Chuyển dịch các khối tại t= 2,250s(dA=2,961, dB=1,982) .13 Biểu đồ quan hệ giữa chuyển dịch biên khoang hầm “U” tại điểm hông và điểm nóc với góc nghiêng khe nứt “  ” .15 Sơ đồ bài toán với chiều dày các phân lớp h=0,8m .16 Chuyển dịch các khối tạit= 2,250s(dA=1,021, dB=4,520) .17 Sơ đồ bài toán với chiều dày các phân lớp h=1,0m .18 Chuyển dịch các khối tạit= 2,250s(dA=0,552, dB=2,341) .19 Sơ đồ bài toán với chiều dày các phân lớp h=1,2m .20 Chuyển dịch các khối tại t= 2,250s(dA=0,412,dB=1,761) .21 Sơ đồ bài toán với chiều dày các phân lớp h=1,4m .22 Chuyển dịch các khối tại t= 2,250s(dA= 0,352,dB=1,231) .23 Sơ đồ bài toán với chiều dày các phân lớp h=1,6m .24 Chuyển dịch các khối tại t= 2,250s(dA=0,320,dB=1,051) .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.