Nghiên cứu các quá trình biến đổi cơ học trong khối đất đá xung quanh công trình ngầm bằng chương trình Phase 2 trên cơ sở phân tích các tham số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

TRẦN TUẤN MINH

NGHIÊN CỨU CÁC QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI CƠ HỌC TRONG KHỐI ĐẤT
ĐÁ XUNG QUANH CÔNG TRÌNH NGẦM BẰNG CHƯƠNG TRÌNH
PHASE 2 TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH CÁC THAM SỐ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - NĂM 2008


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

TRẦN TUẤN MINH

NGHIÊN CỨU CÁC QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI CƠ HỌC TRONG KHỐI ĐẤT
ĐÁ XUNG QUANH CÔNG TRÌNH NGẦM BẰNG CHƯƠNG TRÌNH
PHASE 2 TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH CÁC THAM SỐ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Mã số: 60.58.50

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS.TS. Nguyễn Quang Phích
TS. Dương Đức Hùng

HÀ NỘI - NĂM 2008


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật và xã hội ngày nay dẫn đến một loạt các
hạng mục công trình có xu hướng được di chuyển xuống dưới lòng đất để đảm bảo
điều kiện an toàn, tận dụng được không gian dưới ngầm bên dưới và không gây
ảnh hưởng đến các hoạt động ở phía trên bề mặt đất. Việc xây dựng các công trình
ngầm dưới lòng đất đá phải tác động trực tiếp đến khối đất đá tạo khoảng trống
ngầm và khối đá xung quanh công trình ở gần khu vực khai đào, xây dựng các
công trình. Việc khai đào tạo khoảng trống công trình ngầm trong lòng đất đá là
nguyên nhân làm thay đổi trạng thái ứng suất nguyên sinh ban đầu tồn tại trong
lòng khối đất đá và hình thành nên một trạng thái ứng suất mới (trạng thái ứng suất
thứ sinh sau khai đào). Sự thay đổi trạng thái ứng suất trong khối đất đá sau khi
khai đào công trình dẫn đến các quá trình biến đổi cơ học và hàng loạt các vấn đề
về mất ổn định của khối đất đá xung quanh khoảng trống công trình ngầm.
Quá trình biến đổi cơ học trong khối đất đá xung quanh công trình ngầm phụ
thuộc vào rất nhiều các tham số khác nhau có thể kể đến là điều kiện địa chất, địa
hình, trạng thái ứng suất, hình dạng kích thước, v.v. Sự ảnh hưởng của các tham số
đến các quá trình biến đổi cơ học cũng rất khác nhau. Để nghiên cứu các quy luật
biến đổi cơ học trong khối đá hiện nay có rất nhiều các phương pháp, có thể kể đến
là:
+ Phương pháp giải tích
+ Phương pháp số
+ Phương pháp quan trắc đo đạc
+ Phương pháp nghiên cứu trên mô hình
Tuy nhiên, do đặc tính phức tạp của khối đất đá là có chứa các mặt phân cách
nứt nẻ và thay đổi liên tục nên việc nghiên cứu sự biến đổi cơ học cho mọi loại đất
đá là rất khó khăn và trên thực tế hiện nay không có một phương pháp nghiên cứu

toàn năng nào được áp dụng cho mọi loại đất đá, mọi môi trường. Hiện nay, với sự
trợ giúp của các phương tiện máy tính với tốc độ xử lý số liệu nhanh mà nhóm các
phương pháp số đã và đang chứng minh được sự nhanh chóng và tiện dụng của
mình trong các phân tích số. Phase 2 là một phần mềm được xây dựng trên cơ sở


phương pháp phần tử hữu hạn có rất nhiều lợi ích trong quá trình phân tích, tính
toán ổn định công trình ngầm.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Phân tích sơ lược ưu, nhược điểm hay hạn chế của các phương pháp nghiên cứu.
Phương pháp giải tích thì lời giải đạt được ở dạng nghiệm tổng quát (nghiệm
kín) quan hệ ứng suất, biến dạng thu được dưới dạng phương trình thể hiện ngay
được quy luật biến đổi. Tuy nhiên, lời giải giải tích chỉ giải được trên các sơ đồ mô
hình đơn giản hoá (cụ thể) với các giả thiết đường hầm thường có dạng tròn hoặc
trơn gần tròn trong môi trường đàn hồi hoặc đàn hồi dẻo. Đối với đường hầm dạng
không tròn trong các môi trường khác, có chú ý tới các yếu tố cấu trúc khối đá thì
việc giải bằng giải tích sẽ trở nên rất khó khăn và phức tạp.
Hiện nay nhóm các phương pháp phân tích số có thể chú được đến nhiều các
yếu tố ảnh hưởng khác nhau như hình dạng, kích thước đường hầm, tham số cơ học
đá, trường ứng suất, tốc độ giải nhanh, .v.v. Tuy nhiên, kết quả phân tích số thường
được xác định cho từng trường hợp cụ thể và phải làm rất nhiều mới có được quy
luật tổng quát.
Sự biến đổi cơ học của khối đất đá xung quanh công trình ngầm thì phụ thuộc
vào rất nhiều các tham số khác nhau. Hiện nay, với những ưu điểm của mình cũng
như sự phát triển của các máy tính với tốc độ tính toán nhanh, các phương pháp
phân tích số ngày càng thể hiện được ưu điểm vượt trội của mình trong các phân
tích so với các phương pháp giải tích thông thường trước đây. Chính vì vậy mà
việc “Nghiên cứu các quá trình biến đổi cơ học trong khối đất đá xung quanh
công trình ngầm trên cơ sở phân tích các tham số” phục vụ công tác nghiên cứu
giảng dạy là điều cần thiết.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Sử dụng phương pháp số, cụ thể bằng chương trình Phase 2 kết hợp với
phân tích tham số, nghĩa là tính với sự biến đổi của một hay nhiều tham số (hay các
yếu tố ảnh hưởng) trong miền biến thiên nhất định để rút ra được quy luật ảnh
hưởng.
Do hạn chế về thời gian, và khuôn khổ của bản luận văn thạc sỹ kỹ thuật nên
trong bản luận văn chỉ chú ý đến được một số các yếu tố ảnh hưởng (các tham số)
sau:


- Tham số kích thước công trình ngầm;
- Tham số độ sâu đặt công trình ngầm;
- Và một số tham số cơ học đá;
Còn các tham số khác xin được phép nghiên cứu tiếp trong các bài toán cụ thể
sau này.
4. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp phân tích lý thuyết kết hợp với sử dụng phần mềm
Phase 2 có chú ý tới sự thay đổi các tham số để tìm hiểu quy luật phân bố, sự thay
đổi quy luật cơ học của ứng suất và biến dạng cũng như vùng biến dạng phá huỷ
xung quanh các khoảng trống đường hầm.
5. Nội dung nghiên cứu
Sử dụng phần mềm phương pháp số Phase 2 trên cơ sở có chú ý đến sự thay
đổi các tham số khác nhau (tham số kích thước hình dạng, tham số độ sâu đặt
đường hầm, một số tham số cơ học đá) phân tích, tìm hiểu quy luật phân bố ứng
suet biến dạng, quy luật biến đổi cơ học xung quanh đường hầm phục vụ công tác
nghiên cứu giảng dạy và thiết kế.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Có thể giúp người đọc và sinh viên có cái nhìn tổng quan và sâu sắc hơn về
vai trò của một phương pháp số cụ thể trong phân tích cơ học. Đánh giá được ảnh
hưởng của các tham số khác nhau đến sự thay đổi quy luật cơ học xung quanh

khoảng trống công trình ngầm, từ đó có thể đưa ra được những nhận xét thấu đáo
hơn về ảnh hưởng của các tham số đó. Tìm hiểu được sự thay đổi các biểu hiện cơ
học trong lòng khối đất đá xung quanh đường hầm, qua đó có thể đưa ra được
những dự đoán sự phá huỷ cũng như dự tính được biện pháp khai đào và chống giữ
đường hầm một cách phù hợp.
7. Cấu trúc của luận văn
Luận văn bao gồm phẩn mở đầu 6 chương, 143 hình vẽ và 49 bảng biểu.
- Tổng quan quá trình biến đổi cơ học trong khối đất đá xung quanh khoảng
trống công trình ngầm và các phương pháp nghiên cứu
- Tổng quan phần mềm Phase 2
- Phân tích quá trình biến đổi cơ học trên cơ sở xem xét sự thay đổi kích
thước công trình ngầm bằng chương trình Phase 2


- Phân tích biến đổi cơ học trong khối đất đá có chú ý đến độ sâu đặt công
trình ngầm
- Phân tích biến đổi cơ học trong khối đất đá có chú ý đến các tham số cơ
học đất đá xung quanh khoảng trống công trình ngầm
- Phân tích biến đổi cơ học khi có chú ý đến sự thay đổi tỷ số ứng suất
nguyên sinh
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS. Nguyễn Quang Phích,
người đã giành rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ Tác giả trong suốt quá trình công tác
cũng như trong quá trình hướng dẫn Tác giả làm bản luận văn tốt nghiệp này.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thày, các cô trong bộ môn Xây dựng
công trình ngầm và Mỏ cũng như các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ Tác giả trong
quá trình hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình. Do hiểu biết còn hạn chế và
trình độ còn có hạn nên chắc chắn trong bản luận văn sẽ còn có những thiết sót, rất
mong nhận được nhiều sự đóng góp ý kiến của các thày cô và các bạn đồng nghiệp
để cho bản luận văn được hoàn chỉnh hơn.

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU....................................................................................................................1

Chương 1: TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI CƠ HỌC TRONG KHỐI ĐẤT ĐÁ
XUNG QUANH KHOẢNG TRỐNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU ...........................................................................................................5

1.1. Giới thiệu chung.................................................................................................5
1.2. Các phương pháp nghiên cứu quá trình biến đổi cơ học trong khối đất đá xung
quanh công trình ngầm..............................................................................................5
1.2.1. Phương pháp giải tích.....................................................................................5
1.2.2. Phương pháp quan trắc đo đạc.......................................................................6
1.2.3. Các phương pháp số........................................................................................7
1.2.3.1. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).........................................................8
1.2.3.2. Phương pháp sai phân hữu hạn (FDM).......................................................9
1.2.3.4. Phương pháp phần tử biên (BEM)...............................................................9
1.2.3.5. Phương pháp phần tử rời rạc (DEM)...........................................................9
1.2.3.6. Phương pháp phần tử thanh.......................................................................10
1.2.3.7. Khả năng kết hợp các phương pháp số......................................................10
Chương 2: TỔNG QUAN PHẦN MỀM PHASE 2.....................................................12
2.1. Khái quát chung................................................................................................12
2.2. Quan hệ ứng suất biến dạng của phần tử tam giác trong Phase 2.....................13
2.3. Xác định chuyển vị tại các nút trong phần tử I.................................................16
2.3.1. Xác định các chuyển vị theo 3 phương của tấm I và tấm II..........................16
2.3.2. Xác định ứng suất trong từng tấm I và II......................................................16
2.4. Tham số đầu vào của Phase 2...........................................................................17
2.5. Kết cấu chống giữ.............................................................................................17
2.6. Kết quả phân tích..............................................................................................18
Chương 3: PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI CƠ HỌC TRÊN CƠ SỞ XEM XÉT

SỰ THAY ĐỔI KÍCH THƯỚC CÔNG TRÌNH NGẦM BẰNG CHƯƠNG TRÌNH
PHASE 2...................................................................................................................21

3.1. Khái quát chung................................................................................................21


3.2. Phân tích quy luật biến đổi cơ học trong khối đất đá có chú ý đến yếu tố kích
thước công trình ngầm.............................................................................................21
3.2.1. Mô hình lý thuyết phân tích biến đổi cơ học có chú ý đến sự thay đổi kích
thước công trình ngầm.............................................................................................21
3.2.2. Mô hình phân tích bằng Phase 2...................................................................24
3.2.3. Tìm quy luật biến đổi của ứng suất..............................................................25
3.2.4. Quy luật biến đổi của biến dạng....................................................................32
3.2.5. Vùng phá huỷ và dịch chuyển biên đào.........................................................36
3.3. Nhận xét............................................................................................................39
Chương 4: PHÂN TÍCH BIẾN ĐỔI CƠ HỌC TRONG KHỐI ĐẤT ĐÁ CÓ CHÚ Ý
ĐẾN ĐỘ SÂU ĐẶT CÔNG TRÌNH NGẦM...............................................................40
4.1. Giới thiệu chung ..............................................................................................40
4.2. Mô hình lý thuyết..............................................................................................40
4.3. Mô phỏng mô hình bằng chương trình Phase 2................................................43
4.4. Các kết quả phân tích biến đổi cơ học bằng chương trình Phase 2..................44
4.4.1. Quy luật phân bố ứng suất xung quanh đường hầm ở các độ sâu khác
nhau.........................................................................................................................44
4.4.2. Quy luật biến đổi của biến dạng xung quanh biên hầm................................51
4.4.3. Sự phá huỷ và dịch chuyển biên hầm ở các độ sâu khác nhau......................54
4.5. Nhận xét............................................................................................................57
Chương 5: PHÂN TÍCH BIẾN ĐỔI CƠ HỌC TRONG KHỐI ĐẤT ĐÁ CÓ CHÚ Ý
ĐẾN CÁC THAM SỐ CƠ HỌC ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH KHOẢNG TRỐNG CÔNG
TRÌNH NGẦM..........................................................................................................59

5.1. Giới thiệu chung...............................................................................................59
5.2. Xây dựng mô hình phân tích bằng Phase 2 có chú ý đến sự thay đổi các tham
số cơ học đá.............................................................................................................59
5.2.1. Kết quả phân tích mô hình ban đầu..............................................................60
5.2.2. Quy luật biến đổi cơ học khi thay đổi hệ số Poisson.....................................63
5.2.3. Quy luật biến đổi cơ học khi thay đổi độ bền kéo (k) của đá.......................74
5.2.4. Quy luật biến đổi cơ học khi thay đổi góc ma sát trong () của đá..............78
5.2.5. Quy luật biến đổi cơ học khi thay đổi lực dính kết (c) của đá.......................86
5.3. Nhận xét............................................................................................................62


Chương 6: PHÂN TÍCH BIẾN ĐỔI CƠ HỌC KHI CÓ CHÚ Ý ĐẾN SỰ THAY ĐỔI
TỶ SỐ ỨNG SUẤT NGUYÊN SINH.........................................................................94
6.1. Giới thiệu chung...............................................................................................94
6.2. Điều kiện đầu vào cho phân tích.......................................................................94
6.3. Kết quả phân tích biến đổi cơ học bằng Phase 2 có chú ý tới sự thay đổi ứng
suất nguyên sinh......................................................................................................97
KẾT LUẬN ..........................................................................................................103
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ...........................105
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................106
- Những công trình khoa học đã được công bố liên quan đến đề tài luận văn:
1. Nguyễn Văn Mạnh, Trần Tuấn Minh, Trịnh Đăng Hưng (2006), “Chương trình
Phase 2 và khả năng ứng dụng trong tính toán ổn định công trình ngầm”, Tạp chí
khoa học công nghệ mỏ, Hà Nội.
2. Trần Tuấn Minh (2006), “Phân tích ứng suất - biến dạng xung quanh công trình
ngầm đặt nông gần mặt đất bằng chương trình Phase 2”, Tuyển tập báo cáo hội
nghị khoa học lần thứ 17 trường Đại học Mỏ - Địa chất.
3. Trần Tuấn Minh, Nguyễn Viết Định (2007), “Phân tích ổn định khối đá xung
quanh công trình ngầm trên cơ sở xem xét đến sự thay đổi bề mặt và tham số cơ
học đá bằng chương trình Phase 2”, Tuyển tập Proceeding numerical modeling in

mechanics, Hà Nội.
Luận văn được lưu giữ ở bộ môn Xây dựng công trình ngầm và mỏ, khoa Xây
Dựng, thư viện trường đại học Mỏ-Địa chất, số 18 - Phố Viên - Phường Đức
Thắng - Quận Bắc Từ Liêm - Thành phố Hà Nội.