Trường áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất xung quanh hầm đặt sâu trong môi trường đá bất đẳng hướng bão hòa có độ thấm nhỏ

Bài viết này phân tích trường áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất xung quanh đường hầm không chống đặt sâu dưới mực nước ngầm trong môi trường đá bất đẳng hướng có độ thấm nhỏ. Mô hình ứng xử tương tác hai chiều thủy - cơ kết hợp của vật liệu đá được sử dụng để xét đến sự tác động qua lại của hiện tượng cơ học và thủy lực xảy ra đồng thời trong khối đá xung quanh hầm. Mô hình ứng xử có tính đến tính chất bất đẳng hướng thủy lực và cơ học của vật liệu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Trường áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất xung quanh hầm đặt sâu trong môi trường đá bất đẳng hướng bão hòa có độ thấm nhỏ . 435 TRƢỜNG ÁP LỰC NƢỚC LỖ RỖNG VÀ ỨNG SUẤT XUNG QUANH HẦM ĐẶT SÂU TRONG MÔI TRƢỜNG ĐÁ BẤT ĐẲNG HƢỚNG BÃO HÒA CÓ ĐỘ THẤM NHỎ Trần Nam Hưng1,*, Trần Nguyên Dương2, Phạm Đức Thọ3, Vũ Anh Tuấn1 1 Trường Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn; 2Trường Đại học Ngô Quyền 3 Trường Đại học Mỏ - Địa chất *Tác giả chịu trách nhiệm: tranhung@lqdtu.edu.vnTóm tắt Bài báo này phân tích trường áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất xung quanh đường hầm khôngchống đặt sâu dưới mực nước ngầm trong môi trường đá bất đẳng hướng có độ thấm nhỏ. Môhình ứng xử tương tác hai chiều thủy - cơ kết hợp của vật liệu đá được sử dụng để xét đến sự tácđộng qua lại của hiện tượng cơ học và thủy lực xảy ra đồng thời trong khối đá xung quanh hầm.Mô hình ứng xử có tính đến tính chất bất đẳng hướng thủy lực và cơ học của vật liệu. Các tínhtoán được thực hiện thông qua các mô phỏng số dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Kết quảcho thấy rằng, sự tiêu tán của trường áp lực nước lỗ rỗng xung quanh hầm diễn ra rất chậm khiđào hầm do độ thấm của môi trường nhỏ. Hơn nữa, cùng với tính chất bất đẳng hướng của vậtliệu dẫn đến việc hình thành một vùng áp lực nước lỗ rỗng dư phân bố bất đẳng hướng xungquanh vách hầm. Hệ quả là, sự xuất hiện ứng suất kéo hiệu quả của đá trong vùng này có thể lànguyên nhân làm cho khối đá bị nứt gãy.Từ khóa: hầm đặt sâu; độ thấm nhỏ; bất đẳng hướng; ứng xử thủy - cơ kết hợp; phương pháp phần tử hữu hạn.1. Đặt vấn đề Đường hầm đặt sâu thường được đào trong các tầng đá bão hòa một phần hoặc toàn phần.Do sự hiện diện của nước trong các lỗ rỗng, ứng xử của vật liệu đá luôn luôn được đặc trưng bởimột sự kết hợp giữa biến dạng của pha rắn và sự khuếch tán áp lực nước lỗ rỗng. Các đặc trưngcơ học và vật lý của môi trường có lỗ rỗng và chất lưu quyết định bản chất của biến dạng, tốc độkhuếch tán áp lực nước lỗ rỗng và cường độ kết hợp của hai hiện tượng cơ học và thủy lực. Phảnứng kết hợp là kết quả của ít nhất hai hoạt động xảy ra đồng thời và ảnh hưởng lẫn nhau. Mộtmặt, ứng suất gây ra sự thay đổi thể tích lỗ rỗng, và do đó, ảnh hưởng đến áp lực nước lỗ rỗnghoặc lưu chất. Hiện tượng này có thể được xem như là tác động từ pha rắn đến pha lỏng. Mặtkhác, sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng hoặc lưu chất cũng tạo ra một sự thay đổi thể tích củavật liệu có lỗ rỗng và được gọi là tác động từ pha lỏng đến pha rắn (Wang, 2000). Theo Rice vàCleary (1976), và Cleary (1977), độ rỗng của môi trường, khả năng chịu nén của pha rắn và lỗrỗng, và nước lỗ rỗng tác động đến mức độ kết hợp giữa hiện tượng cơ học và thủy lực. Khi đàohầm, sự thay đổi của trường áp lực nước lỗ rỗng tạo ra một gradient thủy lực cái mà có thể dẫnđến một sự dịch chuyển khuếch tán của nước. Sự khuếch tán này cũng ảnh hưởng một cách dầndần lên biến dạng và gây ra một đáp ứng phụ thuộc thời gian (Detournay và Cheng, 1993). Lúcnày dòng thấm trong môi trường đá là dòng thấm không ổn định. Theo thời gian, dòng thấm sẽđạt đến trạng thái ổn định. Nếu vật liệu đá có độ thấm nhỏ, trạng thái không ổn định được duy trìlâu dài và tác động đến hiện tượng cơ học của pha rắn. Hầm đặt sâu cũng thường được đào trong các khối đá trầm tích hoặc biến chất có cấu tạo phânphiến với các lớp song song. Giữa các lớp đá tồn tại các mặt liên kết, được gọi là các mặt phẳngyếu. Cấu trúc như vậy của khối đá làm cho nó có ứng xử bất đẳng hướng (Wittke, 2014; Amadei,1983). Loại đá này được xếp vào lớp vật liệu đẳng hướng ngang, có nghĩa là vật liệu có một mặt436phẳng mà trên đó ứng xử là đẳng hướng và khác với ứng xử theo phương vuông góc với nó. Một số quan trắc hiện trường của hầm đặt sâu trong môi trường đá bão hòa có độ thấm nhỏcho thấy đối với hầm không chống hoặc chưa lắp kết cấu chống, xung quanh hầm xuất hiện vùngphá hủy và phân bố không đều ngay cả khi trường ứng suất nguyên sinh trong đá đẳng hướng(Darius và nnk., 2016). Hiện tượng này có thể không giải thích được nếu dựa trên giả thiết hầmnằm trong đá khô, đồng nhất, đẳng hướng. Sự ảnh hưởng của hiện tượng thủy lực và tính chấtbất đẳng hướng của đá lúc này có thể là một giải thích khả dĩ. Bài báo này tập trung nghiên cứu trạng thái ứng suất xung quanh một đường hầm tiết diệntròn không chống đặt sâu trong môi trường đá đàn hồi, bất đẳng hướng và bão hòa nước. Sựtương tác hai chiều của các hiện tượng cơ học và thủy lực được tính đến thông qua một mô hìnhứng xử kết hợp thủy - cơ đầy đủ của vật liệu đá. Các tính toán được thực hiện bằng các môphỏng số dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn.2. Bài toán hầm đặt sâu không chống trong môi trường ất đẳng hướng ão ...