Giáo trình Tin học chuyên ngành: Phần 2 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Chia sẻ: Dương Hàn Thiên Băng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:93

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 2 của giáo trình "Tin học chuyên ngành" tiếp tục cung cấp cho học viên những kiến thức về: ứng dụng chương trình Rocsupport trong thiết kế kết cầu chống công trình ngầm; ứng dụng chương trình Phase2 để phân tích ứng suất, biến dạng trong khối đá bao quanh công trình ngầm;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Tin học chuyên ngành: Phần 2 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH ROCSUPPORT TRONG THIẾT KẾ KẾT CẦU CHỐNG CÔNG TRÌNH NGẦM 4.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CHƯƠNG TRÌNH ROCSUPPORT RocSupport là một chương trình dễ sử dụng để xác định biến dạng của đường hầm tiết diện tròn trong khối đá yếu và đặc tính của khối đá với các kết cấu chống. Phương pháp phân tích sử dụng trong RocSupport là: “tương tác khối đá - kết cấu chống” hoặc “Hội tụ - Giới hạn”. Phương pháp phân tích này dựa trên nội dung của: “đường đặc tính khối đá” hoặc “đường đặc tính” nhận được từ kết quả phân tích cho công trình ngầm (CTN) có tiết diện hình tròn trong khối đá đàn hồi - dẻo dưới tác dụng của trường ứng suất thuỷ tĩnh. Các giả thiết chính của phương pháp: - CTN có tiết diện ngang hình tròn. - Trường ứng suất nguyên sinh là thuỷ tĩnh (ứng suất bằng nhau theo mọi phương). - Khối đá là đồng nhất, đẳng hướng. Phá huỷ không xảy ra theo các hệ khe nứt chính. - Kết cấu chống có tính chất đàn hồi dẻo. - Kết cấu chống được mô hình hoá tương đương với áp lực tác dụng bên trong xung quanh chu vi đường hầm tròn. Giả thiết sau cùng trong thực tế cần phải chú ý cẩn thận khi sử dụng, khi so sánh giữa đường hầm thực tế và kết quả tính toán sử dụng chương trình RocSupport. Giả thiết áp lực kết cấu chống như sau: - Bê tông phun và vỏ bê tông liền khối là khép kín. - Khung chống thép là hình tròn. - Neo cơ học được lắp đặt theo mạng đều xung quanh CTN. Trong thực tế, khả năng làm việc của kết cấu kết cấu chống thường nhỏ hơn và biến dạng thường lớn hơn những giả thiết trong RocSupport. Mô hình lí tưởng sử dụng để phân tích trong RocSupport không thể thay thế cho thiết kế chi tiết và yêu cầu kết cấu chống cho CTN. Thông thường công việc này được phân tích bằng các phương pháp số (ví dụ: phương pháp phần tử hữu hạn), đặc biệt là cho những CTN có biến dạng lớn. Tuy nhiên, có nhiều cách để hiểu về sự tương tác của CTN trong khối đá yếu với các hệ thống kết cấu chống bằng cách nghiên cứu các thông số khi sử dụng RocSupport trong trường hợp trạng thái ứng suất nguyên sinh khác nhau, từ đó độ bền của khối đá và các đặc tính kết cấu chống được tính toán. 4.2. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CHƯƠNG TRÌNH ROCSUPPORT Chương trình có thể áp dụng để tính toán sơ bộ miền phá hủy dẻo xung quanh CTN tiết diện tròn và kiến nghị kết cấu chống cho đường hầm. Phương pháp phân tích tương tác khối đá - kết cấu chống có rất nhiều ưu điểm, nhất là khi sử dụng kết hợp với các phương pháp tính số để đưa ra cách nhìn rõ ràng hơn về quá trình cơ học của kết cấu chống và khối đá, có thể làm hướng dẫn cho việc thiết kế kết cấu chống. 4.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CHƯƠNG TRÌNH ROCSUPPORT Mặc dù hiện nay không có một quy tắc rõ ràng cho việc thiết kế kết cấu chống cho đường hầm, nhưng có 3 phương pháp thường được sử dụng hiện nay là: 1. Phương pháp lời giải nghiệm kín trên cơ sở tính toán miền phá huỷ dẻo trong khối đá xung quanh CTN và áp lực kết cấu chống cần thiết để giảm vùng biến dạng dẻo.
2. Các phương pháp số: nghiên cứu quá trình phá huỷ khối đá bao quanh CTN và sự tương tác giữa kết cấu chống tạm thời và cố định với quá trình phá huỷ khối đá bằng các phần mềm phương pháp số như Phase2, Plaxis, UDEC, PLAC... 3. Các phương pháp thực nghiệm: trên cơ sở quan sát biến dạng của CTN và điều khiển biến dạng này bằng cách lắp đặt các kết cấu chống. RocSupport thuộc nhóm thứ nhất đó là phương pháp “tương tác khối đá - kết cấu chống” hoặc “hội tụ - giới hạn”. Mỗi phương pháp trên đều có ưu, nhược điểm và giải pháp tốt nhất cho việc thiết kế CTN có thể là sự kết hợp các phương pháp khác nhau ở các giai đoạn khác nhau của quá trình thiết kế. Ví dụ phân tích sơ bộ yêu cầu kết cấu chống tạm thời bao gồm phá huỷ dẻo của khối đá và kết cấu chống linh hoạt có thể giải quyết bằng chương trình RocSupport và Phase2. 4.3.1. Tương tác khối đá - kết cấu chống Phương pháp “tương tác khối đá - kết cấu chống” mô tả biến dạng xuất hiện ở vùng lân cận của gương CTN trong những CTN không chống như trên hình 4.1. Hình 4.1. Biến dạng hướng tâm xung quanh gương CTN (Hoek, 1998) Một điều quan trọng cần chú ý là ngay cả khi gương đào của CTN không chống cũng sinh ra “áp lực kết cấu chống biểu kiến”. Đó chính là áp lực kết cấu chống biểu kiến giữ ổn định cho CTN trong thời gian không chống cho đến khi vỏ chống được lắp đặt. Quan sát áp lực kết cấu chống biểu kiến: - Khi có giá trị bằng ứng suất nguyên sinh (pi = po) tại vị trí khoảng 2,5 lần đường kính CTN tính từ gương CTN vào khối đá. - Bằng 1/4 ứng suất nguyên sinh tại vị trí mặt gương. - Giảm xuống 0 tại vị trí ổn định phía sau gương đào. Phá huỷ dẻo của khối đá xung quanh CTN không có nghĩa là CTN bị sập đổ. Khi vật liệu bị phá huỷ, chúng vẫn có độ bền và hình thành vùng phá huỷ dẻo xung quanh CTN. Nói cách khác, khi vùng dẻo được hình thành lớn và khi biến dạng xuất hiện ở biên CTN lớn, khối đá bị phá huỷ thậm chí bị sập đổ khi CTN không chống.
Hình 4.2. Mối quan hệ giữa áp lực kết cấu chống pi ở những điểm khác nhau và tiến độ của CTN (Hoek, 1999a). Chức năng đầu tiên của kết cấu chống là điều khiển biến dạng của khối đá xung quanh CTN để CTN không bị sập đổ. Các kết cấu chống được lắp đặt (như neo, vỏ bê tông phun hoặc khung chống thép...) không thể ngăn cản được phá huỷ của khối đá xung quanh CTN dưới trường ứng suất, nhưng các kết cấu chống có thể điều khiển được quy luật biến dạng của CTN (Hoek và nnk, 1995). 4.3.2. Đường đặc tính khối đá Chương trình RocSupport sử dụng phương pháp phân tích “tương tác khối đá - kết cấu chống”, đó là sử dụng “đường đặc tính của khối đá” liên hệ với áp lực kết cấu chống ban đầu cho công trình ngầm. Nội dung cơ bản của đường đặc tính khối đá như sau: Giả sử đường hầm có tiết diện ngang hình tròn bán kính r0, chịu áp lực thuỷ tĩnh p0 và áp lực kết cấu chống đều bên trong pi, như trên hình vẽ dưới đây: Khối đá xung quanh đường hầm bị phá huỷ khi áp lực bên trong của vỏ chống đường hầm nhỏ hơn áp lực tới hạn pcr (áp lực kết cấu chống tiêu chuẩn). Nếu áp lực kết cấu chống bên trong pi lớn hơn áp lực tới hạn pcr, khi đó khối đá không bị phá huỷ, và đặc tính của khối đá xung quanh đường hầm là đàn hồi. Bán kính biến dạng đàn hồi vào bên trong đường hầm là: ro 1    uie   po  pi  E Khi pi < pcr phá huỷ xảy ra và xuất hiện vùng biến dạng dẻo có bán kính rp xung quanh đường hầm. Biến dạng dẻo hướng tâm uip được định nghĩa bằng đường đặc tính khối đá giữa pi = pcr và pi = 0. Đường đặc tính khối đá như trên hình 3.3. Từ hình vẽ cho thấy: + Biến dạng bằng 0 khi áp lực kết cấu chống bằng ứng suất thuỷ tĩnh: pi = po + Biến dạng đàn hồi uie xảy ra khi: po > pi > pcr + Biến dạng dẻo uip xảy ra khi: pi < pcr + Biến dạng lớn nhất khi áp lực kết cấu chống bằng 0.
Khi biết bán kính đường hầm và ứng suất nguyên sinh, hình dạng đường đặc tính khối đá phụ thuộc vào giả thuyết tiêu chuẩn phá huỷ khối đá và tính chất của khối đá. Đường đặc tính khối đá phụ thuộc vào tiêu chuẩn phá huỷ khối đá và các yếu tố sau: + Áp lực kết cấu chống tới hạn pcr + Bán kính vùng dẻo rp + Hình dạng đường đặc tính khối đá trong vùng dẻo (pi < pcr). Hai tiêu chuẩn phá hủy được sử dụng trong RocSupport là các tiêu chuẩn phá huỷ Mohr - Coulomb hoặc Hoek - Brown để phân tích tương tác khối đá - kết cấu chống. 4.3.3. Đặc tính kết cấu chống Để có thể phân tích tương tác khối đá - kết cấu chống một cách tốt nhất, phải xác định được đường đặc tính kết cấu chống. Đường cong này là hàm số của 3 thành phần sau: 1. Biến dạng của công trình ngầm trước khi kết cấu chống được lắp đặt 2. Độ cứng của kết cấu chống 3. Khả năng làm việc của hệ kết cấu chống. Hình 4.4. Quan hệ giữa đường đặc tính kết cấu chống và biến dạng của CTN tại điểm cân bằng
Quay trở lại hình 3.1 và chú ý đến biến dạng của gương hầm. Tại mặt gương, biến dạng đạt xấp xỉ 1/3 tổng biến dạng. Trong chu kỳ đào đó là khe hở giữa biên công trình ngầm và kết cấu kết cấu chống được lắp đặt. Do đó biến dạng vẫn tiếp tục xảy ra trước khi kết cấu chống làm việc. Tổng biến dạng ban đầu này được gọi là uso như trên hình 3.4. Trước tiên, kết cấu chống được lắp đặt trên toàn bộ chu vi của CTN và tiếp xúc với khối đá, kết cấu chống bắt đầu biến dạng đàn hồi như trên hình 3.4. Biến dạng đàn hồi lớn nhất có thể được điều chỉnh bởi kết cấu chống là usm và áp lực kết cấu chống lớn nhất psm của kết cấu chống. Phụ thuộc vào đặc tính của kết cấu chống, đặc tính của khối đá xung quanh CTN và trường ứng suất nguyên sinh, kết cấu chống sẽ bị biến dạng đàn hồi để chống lại sự biến dạng của CTN. 4.3.4. Điểm cân bằng kết cấu chống - khối đá Điểm cân bằng đạt được khi đường đặc tính kết cấu chống cắt đường đặc tính khối đá trước khi 2 đường này tiến xa. Nếu vỏ chống được lắp đặt quá muộn (uso rất lớn trên hình 3.4), khối đá có thể đã biến dạng quá lớn, làm phá huỷ vật liệu. Hay nói cách khác, nếu khả năng làm việc của vỏ chống không đảm bảo (p sm rất nhỏ trên hình 4.4), giới hạn đường đặc tính kết cấu chống xuất hiện trước khi cắt đường đặc tính khối đá. Trong cả 2 trường hợp trên, kết cấu chống sẽ không có tác dụng chống lại biến dạng của khối đá và không đạt được điểm cân bằng như trên hình 4.4. 4.3.5. Đặc tính kết cấu chống Trong RocSupport, độ cứng và khả năng làm việc của vỏ chống được coi là biến dạng lớn nhất và áp lực kết cấu chống lớn nhất. Các thông số này được sử dụng để phân tích tương tác kết cấu chống - khối đá. Chú ý rằng: khả năng làm việc của vỏ chống có thể được mô tả đơn giản tương đương với áp lực bên trong của CTN. Kết cấu chống bằng neo dính kết hoặc neo cáp không mô tả được ở dạng này. Tuy nhiên, kết quả tính toán bán kính vùng dẻo có thể sử dụng như là hướng dẫn cho việc thiết kế chiều dài neo. Độ cứng và khả năng làm việc của kết cấu chống như neo, khung thép, bê tông phun hoặc vỏ chống hỗn hợp có thể được xác định từ những mối quan hệ đơn giản đã được Hoek và Brown công bố (1980) và Hoek tóm tắt lại (1999b). Những thông số này được xác định trước khi định nghĩa loại vỏ chống có trong RocSupport. 4.3.6. Lắp đặt vỏ chống Trong RocSupport, đặc tính biến dạng được sử dụng như trên hình 4.5. Phương trình đường cong này cho phép người sử dụng đưa các giá trị đầu vào của khoảng cách từ gương và tính được giá trị biến dạng biên. Trong RocSupport, đường đặc tính biến dạng cũng có thể do người sử dụng định nghĩa. Việc xác định biến dạng của CTN trước khi lắp đặt vỏ chống là vấn đề hết sức phức tạp khi chú ý đến sự phân bố ứng suất 3 chiều, và sự phát triển của phá huỷ xung quanh gương đào. Chern và nnk (1998) đã đưa ra kết quả thu được từ những phân tích bằng phương pháp số 3 chiều và từ những kết quả đo đạc được ở các CTN song song. Hoek (1999a) đã đưa ra đường cong trên hình 4.5 bằng cách lấy kết quả trung bình của tác giả trên.
Hình 4.5. Biến dạng của CTN là hàm số của khoảng cách từ gương đào 4.4. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH ROCSUPPORT Trong phần này sẽ hướng dẫn người học cách sử dụng chương trình RocSupport thông qua việc thực hành các ví dụ tính toán cụ thể. 4.4.1. Tính toán kết cấu chống loại 1 Trong ví dụ này sẽ minh hoạ các chức năng cơ bản của RocSupport và sử dụng phương pháp Duncan Fama để xác định đường đặc tính khối đá. Trước tiên CTN được phân tích không có kết cấu chống, sau đó lắp đặt vỏ chống cho CTN và xác định hệ số an toàn cho vỏ chống, phân tích theo phương pháp xác định. - Chức năng mô hình: Giả sử CTN có đường kính 12m được xây dựng ở độ sâu 60m trong khối đá có các thông số độ bền theo tiêu chuẩn Hoek - Brown: độ bền nén nguyên khối ci = 7 MPa, hằng số mi = 10 và chỉ số độ bền địa chất GSI = 15. Bắt đầu một dự án mới: Hãy bắt đầu chương trình RocSupport bằng cách nhấp đúp chuột lên biểu tượng RocSupport trong thư mục cài đặt hoặc từ thực đơn Start chọn: Start  Program  Rocscience  RocSupport  RocSupport - Tạo file mới: Bắt đầu tạo ra 1 mô hình mới: Chọn: File  New Khi một file mới được tạo ra, đường đặc tính khối đá ban đầu sẽ hiện ra. Đường cong này được xây dựng trên cơ sở các thông số đầu vào mặc định trong chương trình. Hình 4.9. Đường đặc tính khối đá xác định bằng các thông số mặc định - Mặt cắt ngang CTN
Để xác định mặt cắt ngang của mô hình, chọn “Tunnel Section“ từ Toolbar hoặc trình đơn “Analysis“. Chọn: Analysis  Tunnel Section Mặt cắt ngang CTN sẽ hiện ra trên màn hình như sau: + Đường kính mặt cắt ngang, vùng dẻo (vùng bóng đen). Kích thước vùng dẻo được vẽ tỷ lệ với đường kính CTN. + Tóm tắt các thông số đầu vào và ra bằng Textbox, có thể bật hoặc tắt Textbox bằng cách nhấn chuột phải. + Nếu vỏ chống đã được lắp đặt cũng sẽ được hiện ra trên mặt cắt ngang CTN và bán kính vùng dẻo (cùng vỏ chống) cũng hiện ra trên màn hình. Hình 4.10. Mặt cắt ngang CTN với các dữ liệu đầu vào (không có vỏ chống) - Thiết lập các điều kiện cho dự án: Mặc dù chúng ta không cần thiết phải thay đổi các điều kiện cho dự án của ví dụ này, nhưng hãy xem hộp thoại Project Settings: Chọn: Analysis  Project Settings Hình 4.11. Hộp thoại Project Settings Trong hộp thoại Project Settings bạn có thể nhập vào: + Tiêu đề của dự án + Lựa chọn phương pháp và kiểu phân tích + Vẽ đường cong đặc tính khối đá.
- Các thông số khối đá và CTN Đường kính CTN, ứng suất nguyên sinh và các thông số khối đá được định nghĩa trong lựa chọn Tunnel Parameters, có thể chọn từ Toolbar hoặc thực đơn Analysis. Chọn: Analysis  Tunnel Parameters Trong phân tích xác định, các thông số của khối đá và CTN sẽ xuất hiện như hình vẽ 4.12. Vì chúng ta sử dụng phương pháp Duncan Fama trên cơ sở tiêu chuẩn phá huỷ Mohr - Coulomb nên cần các thông số của khối đá là độ bền nén và góc ma sát trong. Hình 4.12. Hộp thoại nhập thông số khối đá và CTN + Bán kính CTN: Chú ý: phải nhập bán kính CTN chứ không phải đường kính CTN trong hộp thoại Tunnel and Rock Parameters. Ở ví dụ này đường kính của CTN là 12m, do vậy phải nhập bán kính CTN là 6m. + Ứng suất nguyên sinh: Trong hộp thoại Tunnel and Rock Parameters cũng có thể nhập vào ứng suất thuỷ tĩnh nếu như đã biết. Tuy nhiên, như bạn đã biết trong các cách nhập dữ liệu vào khác nhau trong RocSupport, khi nào bạn thấy biểu tượng “Calculator” trong hộp thoại nhập dữ liệu, có nghĩa là dữ liệu nhập vào có thể được xác định từ các thông số khác. Chẳng hạn, ứng suất nguyên sinh có thể được xác định từ chiều sâu CTN và trọng lượng thể tích của Hình 4.13. Hộp thoại xác định ứng suất nguyên đá. sinh Trong hộp thoại Tunnel and Rock Parameters, chọn biểu tượng Calculator ở bên phải thông số In-Situ Stress, bạn sẽ thấy hộp thoại xác định ứng suất nguyên sinh như hình 4.13.
Nhập chiều sâu CTN là 60m, trọng lượng riêng của đá 0,027 MN/m3. Giá trị ứng suất nguyên sinh 1,62 MPa sẽ hiện ra ở hộp thoại. Chọn và giá trị này sẽ được hiện lên ở hộp thoại Tunnel and Rock Parameters. Ứng suất nguyên sinh được xác định đơn giản bằng tích của chiều sâu đặt CTN và trọng lượng đơn vị của đá: po = *H Trong đó: po: ứng suất nguyên sinh : trọng lượng đơn vị của đá H: chiều sâu đặt CTN. + Các thông số khối đá: Bây giờ hãy nhập các thông số đàn hồi và độ bền của khối đá. Cần nhớ rằng, ở ví dụ này các đặc tính của khối đá được cho theo các thông số Hoek - Brown. Tuy nhiên, phương pháp Duncan Fama lại sử dụng tiêu chuẩn phá huỷ Mohr - Coulomb. Do đó cần tính góc ma sát trong và lực dính kết. Để thực hiện điều này, chọn nút “Calculate from GSI...” trong hộp thoại Tunnel and Rock Parameters. Nếu bạn chọn nút này, bạn sẽ thấy hộp thoại như sau: Hình 4.14. Hộp thoại tính toán thông số GSI Hộp thoại này cho phép bạn xác định các thông số sau của khối đá: + Mô đun đàn hồi + Độ bền nén + Góc ma sát trong. Bằng cách nhập vào các thông số của Hoek - Brown: GSI, mi, UCS và D. Việc tính toán được các thông số này rất tiện lợi bởi vì mô đun đàn hồi, độ bền nén và góc ma sát trong thường là những đại lượng rất khó biết, trong khi đó các thông số GSI, mi và UCS thường là biết được. Kết quả tính toán dựa trên cơ sở các hàm số và phương pháp được trình bày trong Hoek, Carranza-Torres và Corkum (2002). Bài báo này trình bày tiêu chuẩn phá huỷ Hoek - Brown, bao gồm cả phương pháp xác định các thông số Mohr - Coulomb tương ứng từ đường bao phá huỷ Hoek - Brown đã được trình bày trong chương 1. Trong hộp thoại tính toán các thông số, nhập các giá trị sau: Độ bền nén 1 trục nguyên khối UCS = 7, GSI = 15, mi = 10. Bạn sẽ thấy các giá trị đầu ra của khối đá là: + Mô đun đàn hồi E = 352,817 MPa + Độ bền nén đơn trục n = 0,46927 MPa
+ Góc ma sát trong của khối đá  = 25,63940. Trước khi bạn chọn chú ý bên cạnh hộp thay đổi dữ liệu là nút “Pick” . Bất cứ khi nào bạn thấy biểu tượng này hiện ra trong chương trình RocSupport, có nghĩa là dữ liệu có thể được chọn hoặc tính toán từ bảng biểu hoặc đồ thị. Hãy xem ví dụ sau: Trong hộp thoại tính toán các thông số, chọn nút “Pick” bên cạnh hộp giá trị GSI. Bạn sẽ thấy bảng GSI cho phép xác định giá trị của GSI trên cơ sở cấu trúc đá và các điều kiện bề mặt khe nứt. Hình 4.15. Bảng xác định giá trị GSI trong RocSupport. (Hoek, 1998) Chú ý: + Nếu di chuyển chuột trên bảng, giá trị GSI sẽ hiện ra bên cạnh con trỏ tại điểm đó. + Nếu nhấp chuột tại bất kỳ điểm nào trên bảng, giá trị GSI sẽ được hiện lên ở hộp giá trị GSI ở trên bảng GSI. + Bạn cũng có thể thay đổi giá trị này nếu cần thiết. Ý nghĩa và nguồn gốc của chỉ số độ bền địa chất GSI sẽ không được mô tả chi tiết trong tài liệu này. Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng, thông số GSI không cần thiết phải tuyệt đối chính xác, có thể sử dụng khoảng giá trị của thông số này trong phân tích. Để biết thêm thông tin hãy xem ở tài liệu Hoek và nnk (1995) hoặc Hoek (2004). Bây giờ chọn nút “Pick” bên cạnh hộp giá trị “Intact Rock Constant mi”, bạn sẽ thấy hộp thoại hiện ra cho phép bạn chọn giá trị cho mi trên cơ sở loại đá. Hình 4.16. Hộp thoại lựa chọn giá trị mi Sử dụng hộp thoại này như sau: + Chọn loại đá từ danh sách ở bên trái hộp thoại và giá trị mi tương ứng sẽ tự động được hiện lên ở ô giá trị của hộp thoại.
+ Nếu muốn, bạn có thể lọc bớt danh sách bằng cách chọn loại đá trong hộp thoại Checkboxes, sau đó chọn loại đá. Khi đó trên hộp thoại chỉ hiện lên những loại đá theo yêu cầu của bạn ở trong danh sách. Sau khi quyết định chọn giá trị mi, chọn nút trong hộp thoại Pick Mi Value để đóng lại. Chọn OK trong hộp thoại Parameter Calculator để quay trở về hộp thoại Tunnel and Rock Parameters. Chương trình sẽ tự động tính toán các giá trị mô đun đàn hồi, độ bền nén và góc ma sát trong và hiện ra kết quả trong hộp thoại Tunnel and Rock Parameters. Chú ý các phần số thập phân của mỗi thông số sẽ được làm tròn. Tính toán Bây giờ chúng ta đã nhập tất cả những dữ liệu cần thiết trong hộp thoại Tunnel and Rock Parameters. Để ghi lại những thông số vừa nhập và chạy chương trình tính toán bạn phải chọn nút Apply. Tất cả kết quả phân tích cho đường đặc tính khối đá và đường hầm sẽ được thay đổi bằng những kết quả mới. Đóng hộp thoại bằng cách chọn nút Close hoặc X ở góc trên bên phải của hộp thoại. Chú ý rằng bạn phải chọn nút Apply để ghi lại dữ liệu và chạy chương trình phân tích. Nếu bạn chọn nút Close trước mà không chọn nút Apply, điều này sẽ làm mất tất cả những dữ liệu mà bạn vừa mới nhập và những dữ liệu ban đầu sẽ không thay đổi trên màn hình. Phân tích kết quả (chưa có vỏ chống) Nếu bạn chưa xem được kết quả, hãy đóng của sổ Tunnel Section lại. Phóng to mô hình bằng cách chọn chức năng Zoom All hoặc phím F2. Chọn: View  Tunnel Section  Zoom All Có thể thấy tóm tắt các thông số được đưa ra trong Project Info Textbox như sau: + Bán kính vùng dẻo (không có vỏ chống) = 13,8 m + Độ hội tụ cuối cùng của CTN = 2%. Hình 4.17. Kết quả phân tích không có vỏ chống Độ hội tụ của CTN không chống là 2%, do đó CTN này thuộc nhóm B trong bảng phân loại để xác định sơ bộ kết cấu chống (ở phần phụ lục). Theo bảng phân loại
này, kết cấu chống cho khối đá đang phân tích bao gồm neo và bê tông phun. Xem phụ lục để biết thêm thông tin chi tiết. Đường đặc tính khối đá Để xem đường cong đặc tính khối đá, chọn Ground Reaction từ thanh công cụ hoặc từ thực đơn Analysis. Chọn: Analysis  Ground Reaction Hình 3.18. Đường cong đặc tính khối đá của ví dụ 1 Theo mặc định, trục X của đường cong đặc tính khối đá biểu diễn độ hội tụ của CTN (%). Trục X cũng có thể biểu diễn biến dạng của CTN bằng cách nhấn chuột phải và chọn Display Option hộp thoại mới sẽ xuất hiện như sau: Chọn Wall Displacement, khi đó trục X sẽ biểu diễn biến dạng của CTN thay vì biểu diễn độ hội tụ của CTN. Chọn . Thêm vỏ chống Bây giờ hãy thêm kết cấu neo để gia cố khối đá và tìm hiểu ảnh hưởng của chúng lên CTN. Để thêm kết cấu kết cấu chống, chọn Support Parameters từ thanh công cụ hoặc thực đơn Analysis. Chọn: Analysis  Support Parameters Hình 3.19. Hộp thoại các thông số kết cấu chống Dựa trên kết quả phân tích cho CTN không có vỏ chống, loại vỏ chống nào là phù hợp cho CTN này?
Như mô tả trong phần phụ lục, độ hội tụ của CTN không chống trong ví dụ này là 2%, thuộc nhóm B. Để giữ ổn định cho CTN có thể sử dụng neo và bê tông phun để kết cấu chống. Trong ví dụ này, chúng ta sử dụng neo gia cố có đường kính 34mm với mạng neo 1x1m. Kết cấu chống được lắp đặt ở khoảng cách 3m tính từ gương đào. Thêm neo vào mô hình như sau: 1. Chọn hộp đánh dấu Add Support bên dưới Rockbolts tab. 2. Sử dụng neo 34mm như mặc định trong danh sách loại neo 3. Sử dụng mạng neo mặc định = 1x1m. 4. Nhập khoảng cách tới mặt gương = 3m. 5. Chọn nút Apply để ghi lại các thông số kết cấu chống bạn vừa nhập và chạy chương trình phân tích. Hộp thoại sẽ hiện ra như trên hình 3.20. Sau khi nhập các thông số như trên, nhấn chuột vào và . Hình 4.20. Các thông số kết cấu chống neo cho ví dụ 1 Biến dạng và áp lực kết cấu chống lớn nhất Trước khi đóng hộp thoại Support Parameters, chúng ta xem xét các thông số được hiện ra trên màn hình: + Những giá trị này không thể thay đổi, chúng được định nghĩa và tính toán (Hoek, 1999b) trên cơ sở các thông số kết cấu chống vừa chọn. + Khi cho trước đường kính CTN, áp lực kết cấu chống lớn nhất phụ thuộc vào loại kết cấu chống được chọn và khoảng cách giữa các khung chống (đối với khung chống thép) hoặc khoảng cách trong mạng (đối với mạng neo). + Biến dạng lớn nhất chỉ phụ thuộc vào loại kết cấu chống được chọn mà không chịu ảnh hưởng của khoảng cách giữa các khung chống hay khoảng cách mạng. + Nếu không sử dụng những loại kết cấu kết cấu chống có sẵn trong chương trình (neo, khung thép hoặc bê tông phun) người sử dụng có thể tự định nghĩa các loại kết cấu chống trong hộp thoại Support Parameters. Hãy xem trong phần trợ giúp của chương trình RocSupport để biết thêm thông tin về cách định nghĩa các loại kết cấu kết cấu chống khác. + Có thể kết hợp các loại kết cấu kết cấu chống khác nhau (ví dụ kết hợp neo và bê tông phun) trong cùng một bài toán. Trong ví dụ này, với các thông số kết cấu chống đã được nhập sẽ tính được áp lực kết cấu chống lớn nhất = 0,354 MPa và biến dạng lớn nhất 59,25mm. Bây giờ đóng hộp thoại Support Parameters (chắc chắn rằng bạn đã chọn nút Apply trước khi chọn nút Close), chúng ta sẽ phân tích kết quả sử dụng kết cấu chống cho CTN. Kết quả phân tích (có kết cấu kết cấu chống) Nếu cửa sổ Tunnel Section chưa được kích hoạt, hãy chọn Tunnel Section từ thanh công cụ hoặc thực đơn Analysis để xem mặt cắt ngang CTN và tóm tắt kết quả phân tích.
Hình 4.21. Kết quả phân tích khi chống bằng neo Chú ý rằng bây giờ sẽ có 2 bán kính biên vùng dẻo hiện ra trên màn hình (đường nét đứt). Đường biên phía trong biểu diễn vùng dẻo (vùng bóng) xung quanh CTN khi kết cấu chống được lắp đặt. Đường biên phía ngoài vẽ vùng dẻo khi CTN không có kết cấu kết cấu chống. Khi di chuyển chuột đến vùng bóng, sẽ xuất hiện dòng thông tin “bán kính vùng dẻo: 10,01 m”. khi di chuyển chuột ra ngoài đường biên sẽ xuất hiện dòng thông tin “bán kính vùng dẻo không kết cấu chống: 13,77 m”. Tóm tắt kết quả phân tích được thể hiện trong Project Info textbox với các thông số sau: + Hệ số an toàn + Áp lực kết cấu chống được huy động + Bán kính vùng dẻo (giảm từ 13,8m xuống 10,0m khi có kết cấu kết cấu chống). + Độ hội tụ của CTN (giảm từ 2,0% xuống 0,99% khi có kết cấu chống). Hệ số an toàn Hệ số an toàn khi sử dụng kết cấu kết cấu chống neo là 1,84. Áp lực kết cấu chống huy động Áp lực kết cấu chống huy động chính là áp lực kết cấu chống được xác định từ giao điểm của đường đặc tính khối đá và đường đặc tính kết cấu chống như trên hình 3.4. Khi hệ số an toàn lớn hơn 1, giá trị này luôn luôn nhỏ hơn áp lực kết cấu chống lớn nhất. Bán kính vùng dẻo Khi sử dụng neo làm kết cấu chống, bán kính vùng dẻo sẽ giảm từ 13,8m xuống 10,0m. Chú ý về chiều dài neo: Mặc dù chiều dài neo không được nhập vào trong phân tích của RocSupport (kết cấu chống được mô hình tương đương với áp lực phân bố đều bên trong), bán kính vùng dẻo là cơ sở để tính toán chiều dài neo cần thiết. Để neo làm việc có hiệu quả, neo phải được cắm sâu vào trong vùng đá không bị phá hủy, có nghĩa là chiều dài neo được chọn trên cơ sở vùng biến dạng dẻo. Theo mặc định, chiều dài neo trong RocSupport được tự động kéo dài thêm 2,0m trên cơ sở bán kính vùng dẻo khi vẽ neo
trên màn hình. Ở ví dụ hiện tại chiều dài neo xấp xỉ 6m. Giá trị mặc định 2m có thể thay đổi trong Section View trong hộp thoại Display Options. Đường đặc tính khối đá và đường đặc tính kết cấu chống Bây giờ chọn Ground Reaction để xem thể hiện của đường đặc tính khối đá và đường cong đặc tính kết cấu chống trên cùng một đồ thị. Chọn: Analysis  Ground Reaction Hình 4.22. Đường đặc tính khối đá và đường đặc tính kết cấu chống Như đã đề cập ở phần giới thiệu, cần chú ý những vấn đề sau về đường cong đặc tính kết cấu chống: + Ban đầu trên trục ngang (độ hội tụ của CTN) của đường cong đặc tính kết cấu chống biểu diễn khoảng cách từ gương CTN đến kết cấu chống được nhập vào trong hộp thoại các thông số kết cấu chống. Xem phần giới thiệu để biết cách xác định giá trị này. + Độ dốc của phần đàn hồi trên đường cong đặc tính kết cấu chống bằng áp lực kết cấu chống lớn nhất chia cho biến dạng lớn nhất. + Giao điểm của đường cong đặc tính kết cấu chống và đường đặc tính khối đá xác định áp lực kết cấu chống huy động, độ hội tụ cuối cùng của CTN (có kết cấu chống) và bán kính vùng biến dạng dẻo được ghi lại trong Tunnel Section View. Nếu đường đặc tính khối đá giao với đường đặc tính khối đá ở phần đàn hồi như trong ví dụ, áp lực kết cấu chống huy động và độ hội tụ CTN có giá trị tại vị trí cân bằng. Phối hợp các loại kết cấu kết cấu chống Như đã đề cập ở phần trước, hộp thoại Support Parameters cho phép lựa chọn kết hợp nhiều loại kết cấu chống cho mô hình. Ví dụ, có thể kết hợp sử dụng neo và bê tông phun cho cùng một mô hình bằng cách chọn Add Support Checkbox cho cả neo và bê tông phun và nhập các thông số theo yêu cầu. Khi sử dụng kết hợp nhiều loại kết cấu chống trong 1 mô hình, áp dụng quy luật sau để tính áp lực kết cấu chống lớn nhất và biến dạng lớn nhất: + Áp lực kết cấu chống lớn nhất bằng tổng áp lực của các loại kết cấu được sử dụng. + Biến dạng lớn nhất là giá trị biến dạng trung bình của các loại kết cấu được sử dụng. Bây giờ hãy thêm bê tông phun vào kết cấu chống neo cho CTN và quan sát ảnh hưởng của chúng đến kết quả phân tích. Chọn: Analysis  Support Parameters Trong hộp thoại Support Parameters:
1. Chọn Shotcrete tab 2. Chọn Add Support checkbox 3. Chú ý: có đánh dấu màu xanh xuất hiện ở cả trong Rockbolts tab và Shotcrete tab, có nghĩa là cả neo và bê tông phun sẽ cùng làm việc 4. Chọn chiều dày lớp bê tông phun 50mm, 28 ngày tuổi từ danh sách trong cửa sổ Properties 5. Chọn nút Apply để ghi lại các thông số bê tông phun và chạy lại chương trình phân tích. Kết quả cũ sẽ được thay đổi theo các thông số đầu vào mới. Hộp thoại xuất hiện như trên hình 3.23. Trước khi đóng hộp thoại Support Parameters, chú ý giá trị của áp lực kết cấu chống lớn nhất và biến dạng lớn nhất trong hộp thoại. Đó là giá trị kết hợp của cả neo và bê tông phun. + Áp lực kết cấu chống lớn nhất là tổng của áp lực kết cấu chống neo 34mm và 50mm bê tông phun (0,354 + 0,325 = 0,679). + Biến dạng lớn nhất là giá trị trung bình của giá trị biến dạng khi sử dụng neo và bê tông phun (0,2% + 0,1%)/2 = 0,15%. Bây giờ đóng hộp thoại và quan sát kết quả phân tích mới. Chú ý: chiều dày của lớp bê tông phun (hoặc khung thép) không vẽ tỉ lệ với mặt cắt ngang CTN. Nếu cần thiết, có thể vẽ với chiều dày khác nhau (mm) hoặc bằng % của bán kính CTN như lựa chọn trong hộp thoại Display Options (sử dụng lựa chọn Thickness of Support Layer trong Section View tab). Hình 4.23. Thêm bê tông phun trong hộp thoại các thông số kết cấu chống Phân tích kết quả (kết cấu chống hỗn hợp) Trong bảng 4.11 tóm tắt kết quả trong trường hợp không có kết cấu kết cấu chống, kết cấu chống bằng neo và kết hợp kết cấu chống bằng neo và bê tông phun. BẢNG 4.1. TÓM TẮT KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CỦA VÍ DỤ 1 Không chống Neo Neo + Bêtông phun Hệ số an toàn 1,8 3,2 Áp lực kết cấu chống 0,19 0,21 (MPa) Bán kính vùng dẻo (m) 13,8 10,0 9,7 Độ hội tụ của CTN (%) 2,0 1,0 0,9
Có thể thấy rằng, khi chúng ta thêm bê tông phun trong kết cấu chống không ảnh hưởng nhiều tới bán kính vùng biến dạng dẻo, độ hội tụ của CTN và áp lực kết cấu chống huy động so với khi chỉ có kết cấu neo kết cấu chống đơn lẻ. Trong trường hợp này, khả năng làm việc của kết cấu chống không làm thay đổi giao điểm của đường đặc tính khối đá và đường đặc tính kết cấu chống, so sánh hình 3.22 và 3.24. Tuy nhiên hệ số an toàn của kết cấu chống kết hợp tăng từ 1,8 lên 3,2. Bây giờ xem xét hệ số an toàn của hệ thống kết cấu chống. Hãy nhớ rằng chúng ta sử dụng độ bền 28 ngày của bê tông phun. Áp lực kết cấu chống được tạo ra bởi bê tông phun trong thời gian sớm nhỏ hơn độ bền 28 ngày của nó, cần phải chú ý đến điều này khi tính toán hệ số an toàn ở những trạng thái khác nhau của bê tông phun. Hình 4.24. Đường đặc tính khối đá và đường đặc tính kết hợp neo và bê tông phun Xem các thông tin Cuối cùng hãy xem lựa chọn Info Viewer. Lựa chọn này cho chúng ta biết tóm tắt tất cả các dữ liệu vào và kết quả ra của chương trình phân tích. Chọn: Analysis  Info Viewer Hình 4.25. Giao diện xem thông tin Có thể copy thông tin trong Info Viewer bằng cách chọn lệnh Copy từ thực đơn Edit hoặc thanh công cụ ngang hoặc thực đơn nhấp chuột phải, sau đó có thể dán vào
các ứng dụng khác để viết báo cáo hoặc trình bày. Cũng có thể ghi lại file thông tin ở dạng .rtf file hoặc .txt file. Để thoát ra khỏi chương trình chọn: File  Exit. 4.4.2. Thiết kế kết cấu chống loại 2 Ví dụ 2 sẽ mô hình đường hầm với độ ổn định kém hơn nhiều so với trong ví dụ 1, yêu cầu kết cấu chống lớn hơn cho CTN. Sử dụng phương pháp Carranza - Torres để xác định đường đặc tính khối đá. Sử dụng phương pháp phân tích xác định để phân tích (tất cả các thông số được giả thiết là biết chính xác). Các thông số mô hình: Một đường hầm có đường kính 10m được xây dựng ở độ sâu 75m trong khối đá có độ bền theo tiêu chuẩn Hoek – Brown: ci = 4 MPa, mi = 12 và GSI = 17. Nếu chương trình chưa được kích hoạt, hãy bắt đầu chạy chương trình RocSupport và tạo ra một file mới để bắt đầu làm việc. Chọn: File  New Lập dự án: Trong ví dụ này chúng ta sẽ sử dụng phương pháp Carranza - Torres. Chọn phương pháp này từ hộp thoại Project Settings. Chọn: Analysis  Project Settings Hình 4.26. Hộp thoại Project Settings Trong hộp thoại Project Settings, chọn phương pháp Carranza - Torres. Nhập tiêu đề của dự án là RocSupport - Example 2 và chọn . Ngay lập tức, hộp thoại các thông số khối đá và kết cấu chống sẽ hiện ra. Bất cứ khi nào bạn thay đổi từ phương pháp tính toán này sang phương pháp tính toán khác, hộp thoại này đều tự động hiện ra. Bởi vì các thông số khối đá đầu vào của 2 phương pháp là khác nhau, điều đó là cần thiết để người sử dụng sử dụng đúng các thông số cho quá trình phân tích. Chú ý: + Phương pháp Carranza - Torres (2004) sử dụng tiêu chuẩn phá huỷ Hoek - Brown để xác định đường đặc tính khối đá và bán kính vùng dẻo.
+ Phương pháp Duncan Fama (1993) sử dụng tiêu chuẩn phá huỷ Mohr - Coulomb để xác định đường đặc tính khối đá và bán kính vùng dẻo. Các thông số khối đá và CTN Đường hầm có đường kính 10m, do đó bán kính đường hầm là 5m. Ứng suất nguyên sinh: Ứng suất nguyên sinh có thể được xác định từ chiều sâu đặt CTN. 1. Chọn nút Estimate bên cạnh hộp giá trị ứng suất nguyên sinh 2. Nhập chiều sâu đặt CTN = 75m. Chọn OK trong hộp thoại Estimate In-Situ Stress. 3. Xác định được ứng suất nguyên sinh là 2,02 MPa. Các thông số khối đá: Nhập các thông số khối đá sau: mi = 12, GSI = 17 và ci = 4. Hình 4.27. Các thông số khối đá và CTN trong ví dụ 2. Mô đun đàn hồi Young: Chú ý có nút tính toán mô đun đàn hồi ở bên cạnh hộp thông số Young’s Modulus. Hình 4.28. Xác định mô đun đàn hồi từ các thông số độ bền Nếu bạn chọn nút này, mô đun đàn hồi của khối đá sẽ được tự động tính toán từ các giá trị của GSI, UCS và hệ số ảnh hưởng chấn động D. Phương trình sử dụng để tính toán mô đun đàn hồi có thể tìm trong Hoek, Carranza-Torres và Corkum (2002). Trong ví dụ này, mô đun đàn hồi của khối đá tính được là 299 MPa. Áp dụng: Bây giờ chọn nút Apply để ghi lại các thông số khối đá và CTN bạn vừa nhập vào và chạy chương trình phân tích với các thông số đó. Sau đó chọn . Phân tích kết quả (không có vỏ chống) Đường đặc tính khối đá sẽ xuất hiện như sau: Hình 4.29. Đường đặc tính khối đá không có vỏ chống trong ví dụ 2
Độ hội tụ của đường hầm = 13,1%. Đây là giá trị rất cao, như đã đề cập trong phần phụ lục, CTN với những thông số đầu vào như trong ví dụ 2 rất không ổn định. Do đó cần phải lắp đặt kết cấu chống gần sát với gương đào của CTN. Chọn: Analysis  Tunnel Section Hình 4.30. Mặt cắt ngang CTN không có vỏ chống trong ví dụ 2 Chú ý rằng bán kính vùng dẻo rất lớn (26,4m) hình thành xung quanh CTN không chống. Thêm vỏ chống Để đưa kết cấu chống vào chống đỡ khối đá xung quanh CTN, hãy bắt đầu với khung thép hình chữ I (chiều cao 254mm, chiều rộng 203mm, trọng lượng 82kg/m) với bước chống 1,5m và được lắp đặt cách gương đào 3m. Chọn: Analysis  Support Parameters Hình 4.31. Các thông số kết cấu chống bằng khung thép chữ I Trong hộp thoại các thông số kết cấu chống: 1. Chọn Steel Sets và chọn Add Support checkbox 2. Chọn thép hình chữ I trong danh sách. Chúng ta sẽ thấy chiều rộng cánh mặc định được chọn là 203mm. 3. Nhập bước chống = 1,5m và khoảng cách từ gương CTN đến khung chống là 3m. 4. Chọn nút để ghi lại các thông số kết cấu chống mà bạn vừa nhập và chạy lại chương trinh phân tích. Chọn để đóng của sổ lại. Phân tích kết quả (có vỏ chống) Đường đặc tính khối đá và đường đặc tính kết cấu chống sẽ xuất hiện như sau: