LoveStory
Diễn Đàn Sinh Viên Khoa Xây Dựng - Mỏ Địa Chất
 :: 

Góc Thảo Luận

 :: 

☆ Thiết kế & Thi Công ☆

 :: 

Phương pháp thi công




Phương pháp tính toán ổn định kết cấu công trình ngầmXem chủ đề cũ hơn Xem chủ đề mới hơn Go down
Thu Apr 21, 2011 7:18 am
avatar
[Thành viên] - chungdaika★Đại Tá★
★Đại Tá★

Bài gửiTiêu đề: Phương pháp tính toán ổn định kết cấu công trình ngầm
Xem lý lịch thành viên

Tiêu đề: Phương pháp tính toán ổn định kết cấu công trình ngầm

I. Đặt vấn đề

Xây dựng công trình ngầm ngày càng phát triển, nên việc đi sâu nghiên cứu lý thuyết về áp lực và ổn định kết cấu công trình ngầm, lý thuyết thiết kế kết cấu gia cố công trình ngầm được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Từ góc độ cơ học, kết cấu công trình ngầm mất tính ổn định là do ứng suất vượt quá cường độ ứng suất cho phép, tạo ra vùng đứt gãy và trượt liên tục.
Hai mươi năm đầu của thế kỷ XX, ổn định kết cấu công trình ngầm chủ yếu dựa vào lý thuyết áp lực cổ điển, lý thuyết này cho rằng: lực tác dụng lên kết cấu gia có chủ yếu là trọng lượng của đất đá xung quanh công trình. Do công trình ngầm ngày càng được thi công sâu trong lòng đất nên lý thuyết trên không còn phù hợp và đã xuất hiện lý thuyết áp lực tự do, lý thuyết này cho rằng sự sụt lở của vùng địa chất xung quanh là do phát sinh áp lực địa tầng. Những năm cuối thế kỷ XX, các nhà khoa học bắt đầu áp dụng lý thuyết tính đàn hồi dẻo để nghiên cứu và khi tính toán đã xét đến sự tương tác giữa kết cấu gia cố và địa chất xung quanh công trình, đồng thời xét đến sự tương tác giữa kết cấu gia cố và địa chất xung quanh công trình, đồng thời xét đến khe nứt, đứt gãy của tầng địa chất.

II. Các phương pháp tính toán ổn định kết cấu công trình ngầm

Căn cứ vào phân tích lý thuyết và mô hình toán học các phương pháp phân tích tính toán ổn định kết cấu công trình ngầm có thể chia thành các loại sau:

1. Phương pháp phân tích Edit

Phương pháp phân tích sử dụng hàm số phức để tìm ra nghiệm đàn hồi ứng suất- biến dạng của công trình ngầm. Nó có ưu điểm độ chính xác tương đối cao, tố độ phân tích nhanh, các tham số dễ xác định, đơn giản trong nghiên cứu vì có tính quy luật, đặc biệt chính xác trong việc tìm nghiệm đối với mặt cắt hình tròn. Nhược điểm là chỉ thích hợp với phân tích ứng suất- biến dạng công trình sâu, còn đối với công trình nông thì việc xử lý số học đối với sự ảnh hưởng của các lớp đất đá và ngoại lực bề mặt tương đối khó.

2. Phương pháp phân tích trị số

- Phương pháp phần tử hữu hạn: Phương pháp phần tử hữu hạn được hình thành từ những năm 40 của thế kỷ XX, đến nay đã trở nên hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi để tìm nghiệm cho bài toán có tính đàn hồi, tính đàn- dẻo, tính dính - dẻo. Ưu điểm của nó là có xét đến tính không liên tục, không đồng nhất của kết cấu địa tầng, có thể giải các bài toán có biên phức tạp, tính ra được trị số của ứng suất- biến dạng và phân bố của chúng, dựa vào quy luật phân bố để phân tích cơ chế phá hoại kết cấu công trình ngầm
- Phương pháp phân tích biến dạng không liên tục: là phương pháp phân tích trị số mới được phát triển dựa trên cơ sở không liên tục của môi trường địa chất ngoài vỏ công trình. Đây là phương pháp được tiến hành song song với phương pháp phần tử hữu hạn, điểm khác biệt nằm ở chỗ, phương pháp này có thể tính toán được lực tĩnh và lực động của chuyển vị lớn như xoay, đứt gãy, trượt không liên tục.. Ngoài ra mô hình này cũng có khả năng ứng dụng lớn trên phương diện mô phỏng thực quá trình biến dạng cơ học không liên tục của kết cấu địa tầng.

- Lý thuyết ‘Key bock”: lý thuyết ‘Key bock” do Goodman và Shi gen Hua đưa ra năm 1985 dùng để phân tích ổn định công trình. Điểm mấu chốt của lý thuyết này cho rằng kết cấu mặt cắt địa chất các tầng đá cứng, nửa cứng rất phức tạp vì khối đá được hình thành từ nhiều nguyên nhân khác nhau. Nội dung của lý thuyết ‘Key bock” là chuyển các đặc tính khác nhau cảu các mặt cắt địa chất cũng như các đứt gãy (mặt kết cấu) của khói đá thành đặc tính chung đồng nhất, dựa trên nguyên lý hình học tô pô, phương pháp hình chiếu lập thể và sử dụng phân tích véctơ để tạo ra tất cả loại hình cấu tạo khối có thể có, sau đó dựa trên nguyên lý cơ học để tiến hành phân tích ổn định của các khối dựa trên khối chủ yếu đã chọn. Tuy nhiên, do không thể biết chính xác về phân bố hình thái mặt kết cấu của khối đá, hơn nữa độ biến động của chúng tương đối lớn, mặt kết cấu cũng không hoàn toàn là mặt phẳng, vì thế khi tính toán chỉ cần một sơ suất nhỏ có thể sẽ cho ra kết quả không chính xác.

- Phương pháp phần tử phân tán: phương pháp này được Cundall đưa ra năm 1971, được ứng dụng nhiều trong tính toán công trình ngầm ngày nay. Nội dung cơ bản của phương pháp này là: các khối đá trong địa tầng có sự tác dụng lẫn nhau, đồng thời chịu ảnh hưởng của phương trình chuyển động phản lực- gia tăng tốc độ chuyển vị và phương trình vật lý đặc trưng của lực- chuyển vị, thông qua sư thay đổi để tìm nghiệm hiển thị quá trình hoạt động của khối đá. Một giả thiết cơ bản trong phương pháp là khi khối chuyển động thì động năng sẽ chuyển hoá thành nhiệt và tiêu hao đi, do đó khi tính toán ngay cả vấn đề lực tĩnh cũng phải chuyển đổi dạng lực dính giảm dần để cho hệ thống đạt đến sự cân bằng, chuyển động của các khối dần ổn định. Phương pháp này chủ yếu dùng để phân tích tác dụng tương hỗ của khối đá nứt nẻ và neo gia cố. Nguyên lý tính toán của phương pháp phần tử phân tán đơn giản, nhưng quá trình thực hiện trên máy tính lại vô cùng phức tạp, liên quan đến nhiều vấn đề, đặc biệt việc xác định tham số tính toán hệ số giao động giữa các khối theo thời gian có tính ngẫu nhiên

- Phương pháp phần tử khối: phương pháp này do Ren Qing Wen đưa ra, lấy chuyển vị vật rắn của các phần tử khối làm ẩn số, căn cứ vào quan hệ kết cấu vật liệu đan xen với điều kiện cân bằng biến dạng dưới tác dụng của ứng suất mặt hở và ngoại lực tác dụng lên phần tử khối. Áp dụng nguyên lý biến phân lập ra phương pháp điều khiển, dùng để xác định trạng tháí ứng suất và chuyển vị của khối. Phương pháp này có thể giải bài toán môi trường địa chất không liên tục, giảm được lượng ẩn số, đọ chính xác cao, tốc độ trong tính toán được nâng lên, đặc biệt thích hợp cho việc phân tích ổn định và tính ứng suất- biến dạng của khối đá nhiều nứt gãy.

- FLAC (Fast Lagrangian Anlysis of Continua): cundall căn cứ vào nguyên lý của phương pháp sai phân hữu hạn để đưa ra phương pháp phân tích trị số FLAC. Các tác giả Diederich và Kaiser đưa ra mô hình để phân tích ảnh hưởng áp lực nước trong địa tầng đối với tính ổn định của công trình. Phương pháp này có thể giải bài toán xét đến đặc trưng biến dạng lớn và không liên tục của khối đất đá một cách hoàn thiện, tính toán nhanh hơn. Nhưng nhược điểm phương pháp này phân chia mạng phân tử, biên tính toán rất hợp lý.

- Phương pháp phần tử biên: hay còn gọi là phương pháp phương trình phân tích phân biên, được học giả Bribbia người Anh sáng lập từ những năm 60 của thế kỷ XX. Ưu điểm của nó là tiến hành phân ly một số phần tử trên biên của vùng tính toán, như thế sẽ bớt được một chiều trong không gian đa chiều tính toán, kết quả tính toán có độ chính xác khá cao, tính được ứng suất và chuyển vị một cách rõ ràng, việc chia lưới phân tử đơn giản, yêu cầu dung lượng bộ nhớ máy tính thấp và công việc tính toán ít; đây là một phương pháp được ứng dụng rất nhiều trong phần mềm phân tích kết cấu công trình. Nhưng phương pháp này tỏ ra khó thích hợp với các bài toán biến hệ số và phi tuyến tính, những bài toán có biên phức tạp, hơn nữa ứng dụng nó còn phụ thuộc vào việc giải phương trình có nghiệm cơ bản hay không.

- Phương pháp phân tích phần tử khối- lò xo: năm 1987 Kawai áp dụng đơn giản hoá khối rắn để mô phỏng mô hình trị số phân tử lò xo thể rắn trong môi trường không liên tục. Mô hình này lấy chuyển vị thể rắn của phân tử trung tâm làm ẩn số chưa biết, chri tính đến quan hệ kết cấu và biến dạng cân đối của mặt phân tử tiếp giáp để giải phương trình điều khiển xác định ứng suất và chuyển vị tương đối của mặt tiếp giáp. Mô hình này còn có ưu điểm khi phân tích tính ổn định của nứt gãy trong địa tầng, phản ánh được quy luật chuyển động và biến dạng không liên tục của kết cấu công trình.

3. Phương pháp loại suy địa chất công trình
Đây là một trong những phương pháp quan trọng để đánh giá ổn định kết cấu công trình ngầm, đặc biệt càng phát huy tác dụng trong giai đoạn nghiên cứu khả thi với tài liệu đo đạc ít… Cái mới của phương pháp này là đi từ định tính đến định lượng, từ đơn chỉ tiêu phát triển thành đa chỉ tiêu, ứng dụng phương pháp đánh giá tổng hợp của lý thuyết toán học mơ hồ, lý thuyết hệ thống màu xám, lý thuyết mạng thần kinh, lý thuyết phân hình… để phân loại kết cấu công trình ngầm ngày càng hợp lý hoá, khoa học hoá .
4. Phương pháp thực nghiệm mô hình
Nghiên cứu ổn định kết cấu công trình ngầm luôn đi cùng với thực nghiệm mo hình, tính tương tự giữa mô hình và công trình thực tế là vấn đề quan trọng để lựa chọn mô hình thực nghiệm. Do còn tồn tại nhiều thiếu sót và chưa đầy đủ trong phân tích lý luận, các nhà khoa học trên thế giới đã tiến hành rất nhiều nghiên cứu thực nghiêm mô hình và rút ra nhiều kết luận có ý nghĩa. Phương pháp này thường được dùng nhiều trong những công trình phức tạp và trong trường hợp phương pháp thực nghiệm hiện trường không thể tiến hành được.
5. Phương pháp phân tích hệ thống
Phân tích ổn định kết cấu công trình ngầm thông thường phân chia một cách chi tiết các yếu tố địa chất, kết cấu vỏ, quá trình gia cố trong khi đào hầm…thông qua phân tích lý thuyết dựng nên mô hình toán. Hệ thống xây dựng công trình ngầm có đặc điểm nhiều lớp, nhiều yếu tố, kết cấu của nó vô cùng phức tạp, đồng thời tổng thể hệ thống đường hầm được tạo thành từ các bộ phận riêng biệt, cho nên, phân tích cơ học đường hầm hoàn toàn phải có đầy đủ hệ thống khoa học trong nghiên cứu đặc trưng của “hệ thống”. Vì thế, phương pháp này chính là mô phỏng toán học sự tác dụng tương hỗ hệ thống địa chất xung quanh và vỏ công trình.

III. Các vấn đề tồn tại và những định hướng giải quyết

Thông qua việc phân tích hệ thống của các phương pháp trên, chúng ta có thể thấy các phương pháp phân tích hiện nay còn tồn tại một số nhược điểm như sau:
- Các phương pháp trên đều chưa giải quyết được trọn vẹn các vấn đề thực tiễn của công trình, cần tiếp tục tiến hành đi sâu nghiên cứu phương pháp mô phỏng chân thực, tham só tính toán, mô hình lý thuyết. Kết cấu công trình ngầm mất ổn định là một quá trình tương đối phức tạp, thông thường có chuyển vị lớn, tính không liên tục, không đồng đều của biến dạng là một vấn đề khoa học mang tính phi tuyến cao. Do đó, cần phải dựa vào cách giải quyết các bài toán phi tuyến tính đương đại để tiến hành dự đoán và khống chế đối với chuyển động cơ học của nó.

- Phương pháp phân loại suy địa chất công trình được áp dụng một cách rộng rãi, nhưng hiện nay trên thế giới có hàng trăm tiêu chuẩn phân loại đánh giá tính ổn định của kết cấu công trình ngầm do đó, cần phải tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện việc đánh giá định lượng.

- Phương pháp phân tích là một phương pháp hữu hiệu, thế những xét theo tình trạng hiện nay cho thấy mức độ nghiên cứu vẫn chưa sâu, thành quả nghiên cứu cũng tương đối ít. Các thành quả nghiên cứu hiện nay thông thường đều giả thiết địa chất là môi trường liên tục, đồng nhất, đẳng hướng, trạng thái ứng suất công trình ngầm sau khi thi công được tính theo đàn hồi và đàn dẻo, căn cứ vào lý thuyết cường độ tiến hành đánh giá tính ổn định công trình ngầm. Tuy rằng đã có một số nhà nghiên cứu lập ra được phương pháp phân tích chuyển vị tương đối dưới các trạng thái ứng suất khác nhau của công trình ngầm hình tròn, nhưng thiết lập quan hệ giữa giải bài toán chuyển vị tương đối và tính ổn định của kết cấu công trình ngầm chưa được nghiên cứu đầy đủ.

- Hiện nay, khi dùng phương pháp trị số để đánh giá ổn định kết cấu công trình ngầm chủ yếu vẫn dùng phương pháp mô phỏng trị số phần tử hữu hạn, điều này đòi hỏi chúng ta phải đẩy mạnh công tác nghiên cứu các phương pháp khác để có sự so sánh và đánh giá tốt hơn.

- Ngoài ra, rất khó xác định tiêu chuẩn để đánh giá sự mất ổn định, nên trong ứng dụng thực tế chúng ta phải kết hợp với hiện trạng công trình để đưa ra các căn cứ đánh giá mất ổn định một cách hợp lý nhất.

IV. Kết luận

- Các phương pháp trên đều chưa giải quyết được trọn vẹn các vấn đề thực tiễn của công trình, cần tiếp tục tiến hành đi sâu nghiên cứu.
- Do các vùng địa chất xây dựng công trình ngầm cũng như yêu cầu sử dụng thực tế khác nhau nên cần lựa chọn một phương pháp tương ứng để tính toán kết hợp sử dụng tiêu chuẩn thích hợp để đánh giá độ ổn định của kết cấu công trình ngầm.

- Sự phát triển của mô hình toán và cơ học hiện đại là cơ sở tốt cho chúng ta mở rộng nghiên cứu. Cần phải xuất phát từ công trình ngầm thực tế, với khái niệm hệ thống làm chủ đạo, dựa vào sự kiểm nghiệm và phản hồi của các tài liệu quan trắc mô hình gốc, kết hợp phân tích lý thuyết với phân tích kinh nghiệm, tiếp tục đẩy mạnh nghiên cứu lý thuyết cơ sở của mô hình cơ học phân tích ngược chuyển vị và mô hình phân tích trị số.

Nguồn: Tạp chí Cầu đường Việt Nam, số 10/2009



Phương pháp tính toán ổn định kết cấu công trình ngầm

Xem chủ đề cũ hơn Xem chủ đề mới hơn Về Đầu Trang
Trang 1 trong tổng số 1 trang
* Không dùng những ngôn từ thiếu lịch sự.
* Bài viết sưu tầm nên ghi rõ nguồn.
* Tránh spam nhảm không liên quan đến chủ đề.

Yêu cầu viết tiếng Việt có dấu.


Permissions in this forum:Bạn không có quyền trả lời bài viết
Diễn Đàn Sinh Viên Khoa Xây Dựng - Mỏ Địa Chất :: Góc Thảo Luận :: ☆ Thiết kế & Thi Công ☆ :: Phương pháp thi công-
Free forum | © phpBB | Free forum support | Liên hệ | Report an abuse | Sosblogs