Tóm tắt luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu sự ổn định khoang hầm trong môi trường đá nứt nẻ bằng phương pháp Phân tích biến dạng không liên tục

1<br /> MỞ ĐẦU<br /> 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu<br /> Một trong những vấn đề đặt ra cho việc xây dựng công trình<br /> ngầm trong đá là nghiên cứu, đánh giá, phân tích ổn định các khoảng<br /> trống ngầm, không gian ngầm nhằm có được thiết kế hợp lý về kết<br /> cấu chống đỡ, kết cấu công trình và biện pháp thi công.<br /> Trong những năm gần đây, để khắc phục những khó khăn của<br /> các lời giải giải tích cũng như phương pháp thực nghiệm và thí<br /> nghiệm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng nhiều phương pháp số khác<br /> nhau. Phương pháp Phân tích biến dạng không liên tục DDA<br /> (Discontinuous Defor mation Analysis) là phương pháp số được sử<br /> dụng để phân tích lực tương tác và chuyển dịch khi các khối tiếp xúc<br /> với nhau. Đối với mỗi khối, DDA cho phép xác định các chuyển<br /> dịch, biến dạng ở mỗi bước thời gian; đối với toàn bộ hệ các khối thì<br /> cho phép mô phỏng quá trình tiếp xúc, tương tác giữa các khối.<br /> Với các lí do trên, đề tài nghiên cứu của luận án được chọn là<br /> “Nghiên cứu sự ổn định khoang hầm trong môi trường đá nứt nẻ<br /> bằng phương pháp Phân tích biến dạng không liên tục”.<br /> 2. Mục đích, nội dung, phƣơng pháp, phạm vi nghiên cứu của<br /> luận án<br />  Mục đích của luận án<br /> Xây dựng mô hình, thuật toán và chương trình để xác định các<br /> trường chuyển dịch, ứng suất và biến dạng của khối đá theo thời gian<br /> xung quanh khoang hầm trong môi trường biến dạng không liên tục.<br /> Thông qua các nghiên cứu lý thuyết và các thử nghiệm số trên máy<br /> tính, phân tích ảnh hưởng của trạng thái nứt nẻ khối đá đến tính ổn<br /> định của kết cấu công trình ngầm.<br />  Nội dung nghiên cứu của luận án<br /> <br /> 2<br /> 1. Tìm hiểu và sử dụng phương pháp Phân tích biến dạng không liên<br /> tục DDA.<br /> 2. Xây dựng mô hình tính và thuật toán cùng việc thiết lập chương<br /> trình tính toán chuyển dịch, biến dạng và ứng suất theo DDA.<br /> 3. Tiến hành một số tính toán, thử nghiệm số phân tích chuyển dịch<br /> của khối đá nứt nẻ xung quanh khoang hầm và sự tiếp xúc, tương tác<br /> giữa công trình ngầm với môi trường đá nứt nẻ.<br />  Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án<br /> Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thử nghiệm số trên máy tính.<br />  Phạm vi nghiên cứu của luận án<br /> Xét mô hình tính là các bài toán phẳng trong môi trường không liên<br /> tục.<br /> 3. Cấu trúc của luận án<br /> Cấu trúc của luận án bao gồm phần mở đầu, bốn chương và phần<br /> kết luận, cuối cùng là tài liệu tham khảo và phụ lục. Nội dung luận án<br /> gồm 120 trang, 19 bảng biểu, 92 hình vẽ và đồ thị, 27 tài liệu tham<br /> khảo, 05 bài báo khoa học phản ánh nội dung của luận án. Phần phụ<br /> lục trình bày mã nguồn của các chương trình đã lập trong luận án.<br /> CHƢƠNG I<br /> TỔNG QUAN<br /> Trong chương này đã tiến hành tổng quan các nghiên cứu về sự<br /> ổn định khối đá xung quanh khoang hầm và một số phương pháp số<br /> áp dụng trong môi trường không liên tục. Ứng dụng nghiên cứu này<br /> trong xây dựng công trình ngầm trong môi trường đá nứt nẻ cho phép<br /> đánh giá tương tác giữa môi trường và công trình để từ đó có những<br /> giải pháp hợp lý giúp cho việc xây dựng an toàn, hiệu quả và chất<br /> lượng. Các kết luận rút ra trong chương tổng quan là:<br /> <br /> 3<br />  Lý thuyết về nghiên cứu ổn định công trình ngầm cũng như áp<br /> lực địa tầng tác dụng lên công trình được phát triển rất đa dạng, từ<br /> lâu. Bằng các nghiên cứu của mình các nhà khoa học đã có những<br /> đóng góp to lớn trong việc xây dựng hệ thống công trình ngầm trong<br /> các môi trường khác nhau đặc biệt là môi trường đá nứt nẻ.<br />  Trong việc phân tích ổn định khoang hầm hiện nay có hai phương<br /> pháp chủ yếu là: phương pháp giải tích và phương pháp số. Trong đó<br /> phương pháp số là phương pháp có thể mô phỏng được điều kiện bài<br /> toán gần sát với làm việc thực tế của kết cấu và môi trường. Đối với<br /> các bài toán trong môi trường rời, nhóm theo quan điểm mô hình<br /> không liên tục có những ưu thế vượt trội so với nhóm theo quan điểm<br /> môi trường liên tục. Phương pháp phân tích biến dạng không liên tục<br /> DDA là một trong những phương pháp số nghiên cứu các bài toán cơ<br /> học biến dạng không liên tục, đặc biệt được áp dụng có hiệu quả<br /> trong các bài toán về cơ học đá.<br /> CHƢƠNG II<br /> PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG<br /> KHÔNG LIÊN TỤC (DDA)<br /> 2.1 Phƣơng pháp DDA và quá trình phát triển<br /> Phương pháp DDA nghiên cứu tính toán chuyển dịch, ứng suất<br /> và biến dạng các khối trong môi trường không liên tục; trong đó chú<br /> trọng nhất vào việc nghiên cứu tiếp xúc và tương tác giữa các khối<br /> với nhau trong cơ hệ.<br /> Phân tích biến dạng không liên tục do G.H Shi và R.E. Goodman<br /> [20],[21]giới thiệu vào những năm 1984, 1985. Tuy nhiên, DDA<br /> chính thức trở thành phương pháp được mọi người biết đến năm 1988<br /> [22]. Mặc dù các tài liệu về DDA khá phổ biến trên các mạng thông<br /> <br /> 4<br /> tin nhưng các phần mềm ứng dụng lại ít được giới thiệu. Tại Việt<br /> Nam, DDA còn ít được nghiên cứu và giới thiệu trong các chương<br /> trình giảng dạy cũng như các nghiên cứu, báo cáo khoa học.<br /> 2.2 Nội dung cơ bản của phƣơng pháp DDA<br /> 2.2.1 Chuyển dịch và biến dạng của khối đơn<br /> Xét cơ hệ trong hệ tọa độ Descartes xOy , trong trường hợp tổng<br /> quát của bài toán phẳng, trạng thái chuyển động của khối được xác<br /> định bởi 3 thành phần: hai thành phần chuyển động tịnh tiến u, v và<br /> một thành phần chuyển động quay r ; trạng thái biến dạng gồm 3<br /> thành phần: hai thành phần biến dạng thẳng  x ,  y và một thành phần<br /> biến dạng góc  xy . Như vậy, chuyển vị (u, v) tại một điểm bất kỳ có<br /> tọa độ (x, y) của khối có thể được biểu diễn qua 6 thành phần chuyển<br /> vị và biến dạng (u 0<br /> <br /> v0<br /> <br /> r0<br /> <br /> x<br /> <br /> y<br /> <br />  xy ) tại một điểm xác định<br /> <br /> (xo,yo) thuộc khối. Trong đó: (u 0 , v0 ) là chuyển vị tại một điểm cụ<br /> thể (x 0 , y0 ) của khối; r0 là góc quay của khối với tâm quay tại<br /> (x 0 , y0 ) ;  x ,  y ,  xy là biến dạng thẳng và biến dạng góc của khối.<br /> <br /> Bằng việc biểu diễn chuyển dịch (u,v) tại một điểm bất kỳ (x,y)<br /> của khối bởi đa thức bậc nhất. Sau khi biến đổi ta có công thức xác<br /> định chuyển dịch (u,v) tại một điểm bất kỳ (x,y) qua 6 thành phần<br /> chuyển vị và biến dạng (u 0<br /> <br /> v0<br /> <br /> r0<br /> <br /> x<br /> <br /> y<br /> <br />  xy ) tại một điểm xác<br /> <br /> định (xo,yo) thuộc khối dưới dạng ma trận như sau:<br /> u <br />    Ti Di <br /> v<br /> <br /> (2.11)<br /> <br /> (y  y 0 ) / 2 <br /> 1 0 (y  y0 ) (x  x 0 ) 0<br /> trong đó: [Ti ]  <br /> (y  y0 ) (x  x 0 ) / 2 <br /> 0 1 (x  x 0 ) 0<br /> <br /> <br /> Di   u 0<br /> <br /> v0<br /> <br /> r0<br /> <br /> x<br /> <br /> y<br /> <br />  xy<br /> <br /> <br /> <br /> T<br /> <br /> 5<br /> 2.2.2 Hệ phƣơng trình chuyển động của cơ hệ<br /> Hệ phương trình tổng quát của DDA được xây dựng theo nguyên<br /> lý cực tiểu cơ năng toàn phần. Hệ phương trình tổng quát của DDA<br /> cho một cơ hệ bao gồm n khối được biểu diễn dưới dạng ma trận:<br /> (2.14)<br /> [K][D]=[F]<br /> Ma trận [K] được gọi là ma trận độ cứng tổng thể; ở đây, mỗi<br /> phần tử trên đường chéo chính K ii là một ma trận con [K ii ] phụ thuộc<br /> vào tính chất cơ học của khối thứ i, các ma trận con [K ij ] với i  j<br /> <br /> được xác định khi khối thứ i tiếp xúc với khối thứ j; Di  là véc tơ<br /> chuyển vị của khối thứ i d1i<br /> <br /> d 2i<br /> <br /> d3i<br /> <br /> d 4i<br /> <br /> d5i<br /> <br /> d6i  , Fi  là tải<br /> <br /> trọng tác dụng lên khối thứ i (bao gồm lực quán tính, tải trọng ngoài,<br /> lực dính kết, lực khối, điều kiện tiếp xúc…).<br /> Trong DDA, sau mỗi một bước tích phân, vị trí tương đối giữa<br /> các khối trong cơ hệ sẽ thay đổi, hệ lực tác dụng lên mỗi khối cũng<br /> thay đổi, vì vậy phương trình (2.14) sẽ được thiết lập lại, hay nói<br /> cách khác mỗi một hệ phương trình chuyển động chỉ được dùng cho<br /> một bước tích phân. Như vậy, hệ phương trình chuyển động cho cơ<br /> hệ sẽ được xây dựng theo hai bước:<br /> + Thiết lập phương trình chuyển động cho khối đơn.<br /> + Tiếp xúc và tương tác giữa các khối.<br /> 2.2.3 Phƣơng trình chuyển động khối đơn<br /> Phương trình chuyển động của khối đơn thứ i được biểu diễn<br /> theo công thức (2.14), lúc này ma trận [K ij ] với i  j là các ma trận<br /> 0. Tổng cơ năng của hệ  được xác định theo nguyên lý cộng tác<br /> dụng . Những năng lượng này được tính riêng rẽ, sau đó được lấy đạo<br /> hàm từng phần, các ma trận con (năng lượng thành phần) thu được sẽ<br /> đưa vào thành phần của ma trận [K ii ] và véc tơ {Fi } trong phương<br /> trình (2.14). Các trường hợp cụ thể được xác định như sau:<br /> <br />