Tài liệu đánh giá chuyển vị đường viền hầm tròn đào ngang theo lý thuyết đàn hồi, đàn hồi dẻo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------- NGUYỄN MINH KHUÊ ĐÁNH GIÁ CHUYỂN VỊ ĐƯỜNG VIỀN HẦM TRÒN ĐÀO NGANG THEO LÝ THUYẾT ĐÀN HỒI, ĐÀN HỒI DẺO Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM Mã số ngành: 60.58.02.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2015 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH ----  ---Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. BÙI TRƯỜNG SƠN ....................................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................................... Cán bộ chấm nhận xét 1 : ................................................................................................................ ....................................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................................... Cán bộ chấm nhận xét 2 : ................................................................................................................ ....................................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................................... Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. ....................................................................... 2. ....................................................................... 3. ....................................................................... 4. ....................................................................... 5. ....................................................................... Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA QL CHUYÊN NGÀNH ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên : NGUYỄN MINH KHUÊ MSHV : 13090082 Ngày, tháng, năm sinh : 16/06/1988 Chuyên ngành Nơi sinh : Bình Định : Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Ngầm Mã số : 60.58.02.04 I. TÊN ĐỀ TÀI: Đánh giá chuyển vị đường viền hầm tròn đào ngang theo lý thuyết đàn hồi, đàn hồi dẻo. II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nhiệm vụ: Phân tích tổng hợp và đánh giá các giá trị ứng suất – biến dạng, chuyển vị của đường viền hầm tròn đào ngang có xét đến điều kiện môi trường địa chất, điều kiện thi công, độ sâu chôn công trình. Nội dung:  Đánh giá chuyển vị đường viền hầm tròn đào ngang trên cơ sở lý thuyết đàn hồi bằng tính toán giải tích thông qua phân bố ứng suất và theo mô phỏng bằng phần mềm Phase2.  Đánh giá phạm vi vùng biến dạng dẻo theo lý thuyết, mô phỏng bằng phần mềm và mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn bằng chương trình tự thiết lập.  Phân tích đánh giá chuyển vị đường viền trên cơ sở lý thuyết đàn hồi dẻo có và không có xét vai trò của áp lực dung dịch theo lý thuyết, mô phỏng bằng phần mềm. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19 / 01 /2014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 14 / 06 /2015 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS. TS. BÙI TRƯỜNG SƠN Tp. HCM, ngày 14 tháng 06 năm 2015 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA QL CHUYÊN NGÀNH PGS. TS. BÙI TRƯỜNG SƠN TS. LÊ BÁ VINH TS. NGUYỄN MINH TÂM LỜI CẢM ƠN Luận văn này hoàn thành đã ghi dấu sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị em, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, Bộ môn Địa cơ Nền móng - Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong bộ môn Địa cơ Nền móng Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM đã tận tình truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu trong thời gian tôi học tập tại trường để phục vụ cho luận văn và công việc của tôi sau này. Phó giáo sư - Tiến sĩ Bùi Trường Sơn, người thầy kính mến đã hết lòng giúp đỡ, tận tình dạy bảo tôi trong thời gian học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè và đồng nghiệp, đã động viên, chia sẻ những khó khăn trong công việc và hỗ trợ tôi trong quá trình học tập. Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và người thân, đã cho tôi nguồn động viên tinh thần to lớn để hoàn thành luận văn này. Luận văn được hoàn thành nhưng không thể tránh được những thiếu sót và hạn chế. Rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa thực tiễn. Trân trọng cảm ơn. Tp.HCM, ngày 14 tháng 06 năm 2015 Học viên Nguyễn Minh Khuê Đánh giá chuyển vị đường viền hầm tròn đào ngang theo lý thuyết đàn hồi, đàn hồi dẻo. Evaluating boundary displacements of horizontal circular tunnels base on elastic and elasto – plastic theories. TÓM TẮT Sau khi khai đào, dưới tác dụng của áp lực đất đá, trạng thái ứng suất xung quanh hầm tròn thay đổi và gây biến dạng. Trên cơ sở lý thuyết đàn hồi và đàn hồi dẻo, tiến hành đánh giá phân tích chuyển vị đường viền hầm tròn đào ngang bằng phương pháp giải tích, phần mềm Phase2. Ngoài ra, việc đánh giá mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn trong môi trường xung quanh công trình bằng chương trình tính toán tự thiết lập có thể phân tích khả năng ổn định của hầm sau khi khai đào. Kết quả nghiên cứu đưa ra rất hữu ích cho việc tính toán, thiết kế công trình phù hợp với điều kiện thực tế. ABSTRACT After excavating, under earth pressure, stress state of surrounding field of circular tunnel is changed and causes displacements. Based on the elastic and elasto – plastic theories, boundary displacements of horizontal circular tunnels are evaluated and analyzed by analytical methods, Phase2 software. In addition, evaluation of the approaching degree to limit state in surrounding environment is necessary for analysing the stability of tunnels after excavation. The research results are useful for calculating and designing underground structures reasonably in practice. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn này là đề tài nghiên cứu thực sự của tác giả, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Bùi Trường Sơn. Tất cả số liệu, kết quả tính toán, phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực. Tôi cam đoan chịu trách nhiệm về sản phẩm nghiên cứu của mình. Tp.HCM, ngày 14 tháng 6 năm 2015 Học Viên Nguyễn Minh Khuê MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1: TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BAN ĐẦU VÀ ỨNG XỬ ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG QUANH HẦM TRÒN ĐÀO NGANG ............................. 3 1.1. TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BAN ĐẦU (TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT NGUYÊN SINH) .................................................................................................... 3 1.1.1. Định nghĩa và các yếu tố ảnh hưởng ........................................................... 3 1.1.2. Phân tích lý thuyết trạng thái ứng suất nguyên sinh .................................... 4 1.1.2.1. Khái quát trạng thái ứng suất nguyên sinh ............................... 4 1.1.2.2. Khối đất đá đàn hồi ................................................................. 7 1.1.2.3. Khối đất đá không đàn hồi, đồng nhất ................................... 12 1.1.2.4. Độ sâu giới hạn và trạng thái ứng suất giới hạn dẻo trong khối đất đá đàn hồi dẻo ...................................................................................... 12 1.1.3. Ảnh hưởng của địa mạo và các quá trình địa chất ..................................... 14 1.1.4. Xác định ứng suất nguyên sinh bằng đo đạt .............................................. 19 1.2. 1.1.4.1. Các phương pháp đo ứng suất nguyên sinh ............................ 20 1.1.4.2. Một số kết quả đo đặc trưng .................................................. 20 ỨNG XỬ ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG XUNG QUANH HẦM TRÒN ĐÀO NGANG ...................................................................................................... 21 1.2.1. Khái quát .................................................................................................. 21 1.2.2. Điều kiện bài toán và sơ đồ bài toán khối đất đá đồng nhất ....................... 25 1.2.3. Các phương trình cơ bản .......................................................................... 26 1.2.3.1. Phương trình cân bằng........................................................... 26 1.2.3.2. Phương trình liên tục của biến dạng....................................... 28 1.2.3.3. Điều kiện biên ....................................................................... 29 1.3. NHẬN XÉT CHƯƠNG....................................................................... 29 CHƯƠNG 2: ỨNG XỬ ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG TRONG MÔI TRƯỜNG ĐÀN HỒI VÀ ĐÀN HỒI DẺO ........................................................................... 30 2.1. MÔ HÌNH KHỐI ĐẤT ĐÁ ĐÀN HỒI............................................... 30 2.1.1. Định luật Hook ......................................................................................... 30 2.1.2. Khảo sát quy luật biến đổi cơ học ............................................................. 31 2.1.3. Kích thước khu vực cần khảo sát .............................................................. 33 2.1.4. Ý nghĩa của thành phần áp lực trong pi ..................................................... 34 2.1.5. Lời giải của Kirsch ................................................................................... 35 2.2. MÔ HÌNH KHỐI ĐẤT ĐÁ ĐÀN HỒI DẺO ..................................... 38 2.2.1. Sự hình thành vùng biến dạng dẻo không phá hoại ................................... 38 2.2.2. Xác định vùng phá hoại của đất đá xung quanh công trình hầm tròn ......... 46 2.3. NHẬN XÉT CHƯƠNG....................................................................... 53 CHƯƠNG 3: CHUYỂN VỊ ĐƯỜNG VIỀN HẦM TRÒN ĐÀO NGANG THEO LÝ THUYẾT ĐÀN HỒI VÀ ĐÀN HỒI DẺO........................................ 54 3.1. GIỚI THIỆU ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH VÀ SƠ ĐỒ BÀI TOÁN TÍNH TOÁN .................................................................................... 54 3.2. ĐÁNH GIÁ CHUYỂN VỊ ĐƯỜNG VIỀN HẦM TRÒN ĐÀO NGANG TRONG MÔI TRƯỜNG ĐÀN HỒI ................................................... 56 3.3. ĐÁNH GIÁ CHUYỂN VỊ ĐƯỜNG VIỀN HẦM TRÒN ĐÀO NGANG TRONG MÔI TRƯỜNG ĐÀN HỒI DẺO .......................................... 58 3.3.1. Đánh giá phạm vi vùng dẻo trên cơ sở lý thuyết đàn hồi dẻo và theo mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn .................................................................................... 58 3.3.1.1. Đánh giá phạm vi vùng dẻo trên cơ sở lý thuyết đàn hồi dẻo . 58 3.3.1.2. Đánh giá phạm vi vùng dẻo theo sự phân bố mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn ...................................................................................... 60 3.3.2. Đánh giá chuyển vị đường viền trong môi trường đàn hồi dẻo .................. 63 3.3.3. Đánh giá chuyển vị đường viền theo phần mềm Phase 2 trên cơ sở mô hình đàn hồi dẻo ............................................................................................................ 64 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ....................................................................... 65 KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ ............................................................................... 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 67 PHỤ LỤC............................................................................................................. 69 PHỤ LỤC 1: CÁC GIAO DIỆN TỪ PHẦN MỀM PHASE2 ............................ 69 1. Nhập thông số trong môi trường đàn hồi .................................................... 69 2. Thiết lập môi trường trọng lực cho mô hình tính ........................................ 70 3. Ứng suất chính lớn nhất trên đường viền trong môi trường đàn hồi khi không có dung dịch ............................................................................................... 70 4. Ứng suất chính nhỏ nhất trên đường viền trong môi trường đàn hồi khi không có dung dịch ............................................................................................... 71 5. Ứng suất tiếp trên đường viền trong môi trường đàn hồi khi không có dung dịch ....................................................................................................................... 71 6. Nhập thông số trong môi trường đàn hồi dẻo ............................................. 72 7. Ứng suất chính lớn nhất trên đường viền trong môi trường đàn hồi dẻo khi không có dung dịch ............................................................................................... 73 8. Ứng suất chính nhỏ nhất trên đường viền trong môi trường đàn hồi dẻo khi không có dung dịch ............................................................................................... 73 9. Ứng suất chính lớn nhất trên đường viền trong môi trường đàn hồi dẻo khi có dung dịch .......................................................................................................... 74 10. Ứng suất chính nhỏ nhất trên đường viền trong môi trường đàn hồi dẻo khi có dung dịch .......................................................................................................... 74 11. Ứng suất tiếp trên đường viền trong môi trường đàn hồi dẻo khi không có dung dịch ............................................................................................................... 75 12. Ứng suất tiếp trên đường viền trong môi trường đàn hồi dẻo khi có dung dịch ....................................................................................................................... 75 PHỤ LỤC 2: CÁC GIAO DIỆN TỪ CHƯƠNG TRÌNH TỰ THIẾT LẬP ...... 76 1. Nhập thông số đầu vào ............................................................................... 76 2. Ứng suất chính lớn nhất trên đường viền khi không có dung dịch .............. 76 3. Ứng suất chính nhỏ nhất trên đường viền khi không có dung dịch. ............ 77 4. Ứng suất tiếp trên đường viền khi không có dung dịch............................... 77 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Các thành phần ứng suất tại một điểm của khối đất đá ............................. 4 Hình 1.2. Sơ đồ đơn giản xác định trạng thái ứng suất nguyên sinh ......................... 5 Hình 1.3. Khối đất đá đàn hồi, phân lớp................................................................. 10 Hình 1.4. Quy luật phân bố ứng suất trong khối đất đá đàn hồi, phân lớp .............. 12 Hình 1.5. Trạng thái giới hạn trên biểu đồ Mohr .................................................... 13 Hình 1.6. Mặt cắt khi địa hình không phẳng .......................................................... 15 Hình 1.7. Ví dụ phân tích trạng thái ứng suất nguyên sinh bằng phần mềm FLAC 15 Hình 1.8. Kết quả xác định phương và cường độ của ứng suất chính của trạng thái ứng suất nguyên sinh theo Amadei và Stephasson (1997) ...................................... 16 Hình 1.9. Hệ số áp lực ngang trong khối đất đá phân lớp, nếp lồi .......................... 17 Hình 1.10. Áp lực ngang trong khối đất đá nứt nẻ.................................................. 17 Hình 1.11. Ảnh hưởng của đặc điểm cấu trúc đến quy luật phân bố thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng ................................................................................. 17 Hình 1.12. Hoạt động địa chất và các trạng thái ứng suất nguyên sinh ................... 18 Hình 1.13. Phương chiều thường dùng đo ứng suất nguyên sinh ............................ 20 Hình 1.14. Một số dạng mặt cắt công trình ngầm, cấu trúc khối đất đá .................. 22 Hình 1.15. Phân bố ứng suất xung quanh đường hầm trong khối đất đá đàn hồi .... 23 Hình 1.16. Sơ đồ vùng biến dạng dẻo và phân bố ứng suất quanh hầm (a) Ổn định đường hầm theo thời gian (b) ......................................................................... 24 Hình 1.17. Mô hình phân tích quá trình biến đổi cơ học trong khối đất đá xung quanh công trình ngầm tiết diện tròn ..................................................................... 26 Hình 1.18. Các thành phần ứng suất và dịch chuyển tại phân tố thể tích dV .......... 27 Hình 2.1. Quy luật phân bố ứng suất do áp lực trong ............................................. 35 Hình 2.2. Ứng suất trong lỗ tròn quanh vật thể đàn hồi (Kirsch.1898; Jaeger và Cook .1976) ........................................................................................................... 36 Hình 2.3. Biến thiên ứng suất tại đỉnh, đáy và hai hông hầm tròn biến đổi theo k (Hoek,1980) .......................................................................................................... 37 Hình 2.4. Mô hình cơ học khối đất đá đàn hồi dẻo xung quanh hầm tròn đào ngang .............................................................................................................................. 38 Hình 2.5. Trạng thái ứng suất – biến dạng của khối đất đá trong điều kiện hình thành vùng biến dạng dẻo ...................................................................................... 39 Hình 2.6. Biểu đồ biểu thị tương tác của vỏ với khối đất đá ................................... 44 Hình 2.7. Biểu đồ ứng suất – biến dạng khối đất Lyberman ................................... 47 Hình 2.8. Phân bố ứng suất trong môi trường giòn lý tưởng .................................. 47 Hình 2.9. Đường bao ứng suất ............................................................................... 48 Hình 2.10. Tổng quát ba vùng ứng suất xung quanh đường hầm............................ 50 Hình 3.1. Sơ đồ vị trí hầm tròn .............................................................................. 55 Hình 3.2. Mô hình tính toán hầm tròn đào ngang ở Quận 2.................................... 55 Hình 3.3. Tổng chuyển vị ở đường viền trong hầm đào khô trong môi trường đàn hồi (Đơn vị: m) ...................................................................................................... 57 Hình 3.4. Tổng chuyển vị ở đường viền trong môi trường đàn hồi có xét đến vai trò của áp lực dung dịch (Đơn vị: m) .......................................................................... 57 Hình 3.5. Phạm vi vùng biến dạng dẻo khi không có dung dịch (Đơn vị: m).......... 59 Hình 3.6. Phạm vi vùng biến dạng dẻo khi có dung dịch (Đơn vị: m) .................... 59 Hình 3.7. Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn xung quanh đường viền hầm ........... 62 Hình 3.8. Hệ số độ bền khi có dung dịch ............................................................... 62 Hình 3.9. Chuyển vị tổng khi không có dung dịch bentonite giữ thành (Đơn vị: m) .............................................................................................................................. 64 Hình 3.10. Chuyển vị tổng khi có dung dịch bentonite giữ thành (Đơn vị: m)........ 65 -1- MỞ ĐẦU Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của lĩnh vực xây dựng, công trình ngầm cũng đang được sử dụng rộng rãi trong xây dựng cơ sở hạ tầng như: thủy điện, thủy lợi, giao thông, cũng như quốc phòng. Công trình ngầm được xây dựng trong lòng đất sẽ làm việc chung với nền đất nên việc đánh giá phân tích ứng xử trong môi trường đất đá xung quanh đóng vai trò quan trọng trong tính toán thiết kế loại công trình này. Công trình ngầm được phân thành nhiều loại khác nhau phụ thuộc nhiều vào phương thức thi công, loại tiết diện.Trong đó, hầm tròn đào ngang thi công bằng phương pháp đào kín khá phổ biến. Trong tính toán thiết kế hầm tròn đào ngang, việc lựa chọn hình thức chống đỡ, kết cấu vỏ hầm và độ ổn định tổng thể của đường hầm phụ thuộc vào mức độ chuyển vị đường viền của đất đá xung quanh đường hầm trong quá trình thi công và lắp dựng. Đề tài “Đánh giá chuyển vị đường viền hầm tròn đào ngang theo lý thuyết đàn hồi, đàn hồi dẻo” được chọn lựa cho luận văn này nhằm mục đích phân tích, rút ra kết luận từ việc so sánh kết quả tính tay với kết quả tính bằng phần mềm. Từ đó có thể đưa ra biện pháp thi công, kết cấu vỏ chống đỡ phù hợp. Mục đích của đề tài luận văn bao gồm:  Nghiên cứu các mô hình tính toán ứng suất – biến dạng trong môi trường đất đá xung quanh công trình ngầm và lựa chọn mô hình tính toán phù hợp với khối đất đá của công trình.  Áp dụng tính toán trạng thái ứng suất – biến dạng cũng như chuyển vị đường viền xung quanh đường hầm tròn đào ngang dựa trên cơ sở: mô hình đàn hồi và mô hình đàn hồi dẻo theo trong điều kiện bài toán phẳng.  Các kết quả thu nhận được từ việc tính toán sẽ cung cấp dữ kiện để phân tích, chọn hình thức chống đỡ, kích thước công trình và đánh giá áp lực lên vỏ. -2- Phương pháp nghiên cứu được chọn lựa cho luận văn:  Tổng hợp và phân tích các mô hình tính toán trạng thái ứng suất – biến dạng của công trình ngầm. Từ đó chọn lựa cơ sở lý thuyết phù hợp áp dụng tính toán cho công trình hầm tròn đào ngang.  Sử dụng phương pháp tính tay và phương pháp số phục vụ tính toán trạng thái ứng suất – biến dạng của đất đá xung quanh công trình ngầm.  Kết quả tính toán được phân tích nhằm mục đích đánh giá các chuyển vị và chọn lựa kết cấu hợp lý. -3- CHƯƠNG 1: TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BAN ĐẦU VÀ ỨNG XỬ ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG QUANH HẦM TRÒN ĐÀO NGANG 1.1. TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BAN ĐẦU (TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT NGUYÊN SINH) 1.1.1. Định nghĩa và các yếu tố ảnh hưởng Trạng thái ứng suất nguyên sinh (TTƯSNS) còn gọi là trạng thái ứng suất cơ bản, là trạng thái tồn tại ứng suất của khối đất đá trước khi khối đất đá chịu tác động kĩ thuật của con người. Trong cơ học công trình ngầm, TTƯSNS có ý nghĩa cơ bản trong công tác nghiên cứu, dự báo các biến đổi cơ học trong khối đất đá khi khai thác khoáng sản cũng như xây dựng công trình, vì:  Trước khi tiến hành xây dựng công trình phải tách bóc, lấy đi một phần vật chất ban đầu của khối đất đá. Do đó, dẫn tới sự phân bố lại tải trọng cũng như áp lực, nghĩa là biến đổi TTƯSNS.  TTƯSNS được sử dụng như là điều kiện ban đầu và là điều kiện biên nghiên cứu, dự báo các quá trình biến đổi cơ học. Nói chung, TTƯSNS thường không đồng nhất, nghĩa là các thành phần ứng suất đều là các hàm số của tọa độ. Những yếu tố cơ học cơ bản ảnh hưởng tới quy luật phân bố các trạng thái ứng suất trong khối đất đá:  Ngoại lực, gồm có trọng lực hay lực trọng trường (lực khối) và lực kiến tạo (lực mặt).  Các tính chất cơ học của khối đất đá.  Ngoài ra, còn có các quá trình hình thành và biến đổi đã và đang xảy ra trong khối đất đá, điều kiện địa chất (các đặc điểm cấu trúc của khối đất đá), điều kiện địa chất thủy văn, điều kiện địa hình, địa mạo. Khảo sát một phân tố thể tích bất kì trong khối đất đá trong hệ trục vuông góc, z là trục thẳng đứng theo chiều của trọng lực. Trong trường hợp tổng quát, có 6 thành phần ứng suất (vì có 3 thành phần đối xứng). Khi xác định được 6 thành phần ứng -4- suất tại một điểm bất kì trong khối đất đá hoàn toàn có thể xác định được các ứng suất pháp tuyến chính và hệ trục chính. Hình 1.1. Các thành phần ứng suất tại một điểm của khối đất đá Trong thực tế, tùy theo yêu cầu và điều kiện cụ thể mà có thể xác định gần đúng TTƯSNS. Hai nhóm phương pháp đang được sử dụng hiện nay là phân tích lý thuyết và đo đạt thực tế. 1.1.2. Phân tích lý thuyết trạng thái ứng suất nguyên sinh 1.1.2.1. Khái quát trạng thái ứng suất nguyên sinh Cho đến nay, việc xác định trạng thái ứng suất nguyên sinh bằng lý thuyết gặp nhiều khó khăn. Bằng phương pháp giải tích, chưa mô phỏng được các yếu tố khác thường như lực kiến tạo, ảnh hưởng của các quá trình biến đổi địa chất. Các vấn đề được phân tích sau đây được hình thành xuất phát từ giả thiết đơn giản về một số dạng cấu trúc của khối đất đá và chỉ chú ý đến lực trọng trường. Đương nhiên, do các yếu tố này tồn tại tự nhiên, khách quan, nên các kết quả phân tích vẫn có ý nghĩa tổng quát. -5- Với giả thiết chỉ có tác dụng của trọng lực, mặt đất là bằng phẳng, khối đất đá là đồng nhất, trục z là trục thẳng đứng kể từ mặt đất, khi đó các thành phần ứng suất trên mặt phẳng (x,y) ở độ sâu z bất kỳ trong khối đất đá, không phụ thuộc vào tọa độ x, y; các trục x, y, z đồng thời là các trục ứng suất chính (hình 1.2a) Hình 1.2. Sơ đồ đơn giản xác định trạng thái ứng suất nguyên sinh Từ phương trình cân bằng d z   .dz , dễ dàng xác định được thành phần ứng suất  z theo biểu thức:  z   .z  .g.z (1.1) Trong đó:  - khối lượng thể tích trung bình của khối đất đá. g - gia tốc trọng trường.    .g - trọng lượng thể tích của khối đất đá. Khi khối đất đá có đặc điểm không đồng nhất theo chiều sâu nhưng lại đồng nhất trong mặt phẳng (x,y), từ phương trình cân bằng theo phương z trên hình 1.2b có thể xác định được thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng qua biểu thức: z  z   z     z .dz 0 (1.2) -6- Rõ ràng, với các giả thiết đã nêu và chỉ chú ý đến trọng lực, thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng tăng theo độ sâu kể từ mặt đất. Hình 1.2b minh họa quy luật biến đổi của  z cho trường hợp khối đất đá đồng nhất. Vì mỗi điểm trong khối đất đá được bao quanh bởi các điểm vật chất tương tự nếu coi khối đất đá là môi trường liên tục và mặt phẳng (x,y) là vô hạn nên biến dạng ngang của mọi phân tố đều bị cản trở (Hình 1.2c). Điều đó có nghĩa là: x  y  0 (1.3) Biến dạng ngang bị cản trở sẽ hình thành các thành phần ứng suất theo phương nằm ngang  x ,  y (có thể tưởng tượng là các ứng suất cần thiết để đưa phân tố với các giá trị biến dạng ngang nhất định về trạng thái không có biến dạng ngang). Với giả thiết đã nêu và khối đất đá là đồng nhất, đẳng hướng, đương nhiên nhận được: x y (1.4) Như vậy, chú ý riêng đến tác dụng của trọng lực (lực trọng trường), dễ dàng xác định được  z theo (1.1) và (1.2). Trong trường hợp này, các thành phần ứng suất theo phương nằm ngang thường được định nghĩa theo biểu thức:  x   y  K z  K  z (1.5) Hệ số K gọi là hệ số áp lực ngang, cũng còn gọi là hệ số áp lực tĩnh, cho biết tỷ số giữa áp lực (ứng suất) theo phương nằm ngang so với phương thẳng đứng Như vậy, việc xác định TTƯSNS được quy về việc xác định hệ số áp lực ngang K, liên quan đến nhiều đặc điểm, tính chất của khối đất đá . Chú ý rằng, trong điều kiện đối xứng, các thành phần ứng suất trong (1.5) cũng là các ứng suất chính và hệ trục tọa độ đã định nghĩa cũng là hệ trục chính. Trong các mục sau sẽ khảo sát một số trường hợp cơ bản. -7- 1.1.2.2. Khối đất đá đàn hồi Với giả thiết khối đất đá đàn hồi, các trạng thái ứng suất xuất hiện trong khối đất đá chưa gây ra tác động hóa dẻo hay phá hủy. Trong mục này khảo sát các trường hợp đơn giản sau:  Khối đất đá đàn hồi, đẳng hướng và đồng nhất.  Khối đất đá đàn hồi không đồng nhất.  Khối đất đá đàn hồi, phân lớp. a. Khối đất đá đàn hồi, đẳng hướng và đồng nhất Với giả thiết khối đất đá đồng nhất, thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng  z tại điểm (z) bất kỳ được xác định theo biểu thức (1.1):  z  .g.z   .z Kết hợp điều kiện (1.2) và định luật Hook có các phương trình: 1  x    y   z    0  E 1  y   y    z   y    0 E x  (1.6) Từ đó, nhận được các thành phần ứng suất theo phương nằm ngang: x y   z 1  (1.7) Theo (1.5) hệ số áp lực ngang K ban đầu có dạng (cho môi trường đàn hồi, đồng nhất, đẳng hướng, ký hiệu là K 0 ): K  K0   1  1  m  1 (1.8) Như vậy, các thành phần ứng suất theo phương nằm ngang cũng như hệ số áp lực ngang trong trường này chỉ phụ thuộc vào hệ số biến dạng ngang cũng như hằng số biến dạng ngang m, không phụ thuộc vào module đàn hồi E. Vì theo lý thuyết: 0    0,5 (1.9) -8- Nên K 0 xác định trong khoảng: 0  K0  1 (1.10) Kết quả của trường hợp này cho thấy, nếu chỉ chú ý đến trọng lực, các thành phần ứng suất theo phương nằm ngang chỉ có thể nhỏ hơn và nhiều nhất là bằng thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng, nghĩa là: 0 x y z (1.11) Trong trường hợp đặc biệt, khi   0 , hằng số m   , khối đất đá được coi là vật thể chịu nén hoàn toàn, khi đó  x   y  0 . Trong trường hợp này không xuất hiện các thành phần ứng suất theo phương nằm ngang. Khi   0, 5 , nghĩa là khối đất đá có biểu hiện như vật thể không chịu nén thể tích hoàn toàn, các thành phần ứng suất theo phương nằm ngang có giá trị như thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng tại điểm được xét, nghĩa là K 0  1 và:  x   y   z   .z (1.12) Trạng thái ứng suất này được gọi là trạng thái ứng suất có các thành phần ứng suất đều theo mọi phương, hay trạng thái ứng suất thủy tĩnh. b. Khối đất đá đàn hồi, dị hướng Sau đây khảo sát hai trường hợp điển hình về khối đất đá có biểu hiện bất đẳng hướng là xuyên đẳng hướng và bất đẳng hướng trực giao. Trường hợp khối đất đá xuyên đẳng hướng, với trục z là trục đối xứng, thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng cũng được xác định theo (1.1), nghĩa là:  z  .g.z   .z Đưa điều kiện không giãn nở ngang vào các phương trình quan hệ giữa ứng suất – biến dạng cho môi trường xuyên đẳng hướng nhận được:  x  1. y  2 . z   0 E1 E1 E2  .   . y   1 x  y  2 z  0 E1 E1 E2 x  (1.13)