Đá ở độ sâu phải chịu các ứng suất do trọng lượng của các địa tầng bên trên và từ các ứng suất bị khóa buộc có nguồn gốc kiến tạo. Khi một khe hở được đào trong đá, trường ứng suất bị phá vỡ cục bộ và một tập hợp ứng suất mới được tạo ra trong các lớp đá xung quanh khe hở. Kiến thức về cường độ, hướng của các ứng suất tại chỗ và ứng suất gây ra là một phần thiết yếu của thiết kế đào dưới đất vì trong nhiều trường hợp, cường độ của đá bị vượt quá giới hạn và mất ổn định dẫn đến có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng đối với hoạt động của đào hầm.
PLAXIS cung cấp nhiều tính năng mô hình cụ thể cho việc đào sâu dưới lòng đất trong khối đá mà bài viết này sẽ trình bày ngắn gọn dưới đây:
Các điều kiện ứng suất ban đầu (Initial Stress Conditions)
Nói chung, việc ước tính ứng suất tại chỗ đòi hỏi phải có đặc điểm chi tiết về địa chất của khu vực và đánh giá đáng kể. Trạng thái ứng suất tồn tại trong khối đá ngày nay là một hàm của lịch sử địa chất, đặc tính khối đá và các điều kiện biên hiện đang được áp dụng. Biết được điều này, rõ ràng là việc dự đoán trạng thái ứng suất trong một khối đá ngày nay là không thực tế với lịch sử địa chất phức tạp mà các khối đá cổ đại đã phải chịu đựng.
Tuy nhiên, thực tế phổ biến là đưa ra hai giả thiết cơ bản khi ước tính trạng thái ứng suất ở bất kỳ độ sâu nào, z, trong một khối đá:
Giả thiết đầu tiên là trạng thái ứng suất có thể được mô tả bằng hai thành phần: thành phần thẳng đứng, σv, do trọng lượng của tảng đá bên trên ở độ sâu đó và bằng y.z (với y là đơn vị trọng lượng trung bình của đá tính bằng N / m3), và thành phần nằm ngang đều, σh = K. σv
Giả thiết thứ hai là cả σv và σh đều là ứng suất chính. Nói chung, σv và σh được coi là ứng suất tổng của khối đá.
Sách lược này có thể dễ dàng được sử dụng trong PLAXIS để xác định ứng suất ban đầu, được gọi là thủ tục xác định K0. Khi ứng suất tại chỗ có thể được đo về cả cường độ và hướng của ứng suất ban đầu có thể được đánh giá bằng thực nghiệm, thì có thể sử dụng quy trình ứng suất tại hiện trường. Sau đó, ứng suất ban đầu có thể tạo ra một trạng thái đồng nhất của ứng suất đẳng hướng với các hướng và biên độ ứng suất do người dùng xác định (xem Hình 1).
Ứng suất ban đầu của khối đá được tạo ra trong PLAXIS sử dụng quy trình ứng suất hiện trường
Hình 1: Ứng suất ban đầu của khối đá được tạo ra trong PLAXIS sử dụng quy trình ứng suất hiện trường.
Công cụ thiết kế hầm (Tunnel Designer)
PLAXIS cung cấp một chức năng cụ thể để mô hình hóa các đường hầm. Nó bao gồm các bộ tính năng để dễ dàng xác định hình học của không gian đào và không gian phụ lý thuyết, lớp lót đường hầm và đường phun, neo đá, quỹ đạo và quy trình đào để xác định và tạo giai đoạn xây dựng nhanh chóng (xem Hình 2).
(a) Bản phác thảo 2D trong PLAXIS Tunnel Designer
(b) Mô hình 3D
Hình 2: Tạo mô hình đường hầm bằng cách sử dụng tính năng Tunnel Designer trong PLAXIS.
Tính gián đoạn của đá (Rock Discontinuities)
Các khối đá có thể được đặc trưng bởi sự tồn tại của các khối không liên tục. "Tính gián đoạn" là một thuật ngữ chung biểu thị bất kỳ sự phân tách nào trong một khối đá có độ bền kết dính bằng không hoặc rất thấp. Nó là thuật ngữ chung cho hầu hết các loại khớp nối, mặt phẳng đệm yếu, mặt phẳng "schistocity" yếu, vùng yếu, vùng cắt và đứt gãy. Các khối đá không liên tục thường yếu hơn, dễ biến dạng hơn và có tính dị hướng cao khi so sánh với các khối đá nguyên vẹn. Các yếu tố gián đoạn cụ thể có sẵn trong PLAXIS để xem xét khối lượng đá không liên tục. Các phần tử gián đoạn này (Rock Discontinuities) là các phần tử đường trong 2D và các phần tử bề mặt trong 3D cho phép người dùng xác định độ bền cắt chỉ theo tiêu chí Mohr-Coulomb và nhập các giá trị của độ cứng thông thường và độ cứng cắt đối với đường gián đoạn.
(a) Phần tử Discontinuity elements trong đầu vào PLAXIS 2D.
(b) Chuyển vị trong đầu ra PLAXIS 2D
Hình 3: Sử dụng phần tử discontinuity elements PLAXIS mô hình các điểm nối của đá.
Gia cố đá (Rock Reinforcement)
Gia cố đá được sử dụng để cải thiện độ bền hoặc tính chất biến dạng của khối đá. Phần gia cố thường bao gồm các bu lông neo hoặc dây cáp được đặt trong khối đá sao cho chúng tạo ra sự cố định hoặc hạn chế để chống lại sự lỏng lẻo và chuyển động của khối đá. Chúng có thể được kéo căng hoặc không, tùy thuộc vào trình tự lắp đặt và chúng có thể bị tháo bỏ hoặc không, tùy thuộc vào chúng làm việc tạm thời hay lâu dài. PLAXIS cung cấp một phần tử cụ thể cho mục đích như vậy: được gói là embedded beam elements. Họ đưa độ cứng thích hợp tương ứng với phần tử gia cường vào mô hình phần tử hữu hạn thông qua phần tử dầm (độ cứng của vật liệu cùng với hình dạng và kích thước mặt cắt ngang). Phần tử dầm sau đó được kết nối với khối đá xung quanh bằng các khớp nối lò xo có đặc tính đàn hồi-dẻo. Giá trị của lực cắt phát triển trong lò xo ghép được tính toán tỉ lệ thuận với chuyển vị tương đối giữa cốt thép và khối đá nhưng bị giới hạn bởi giá trị lực kéo lớn nhất Tmax do người sử dụng xác định dọc theo chiều dài cốt thép. Các yếu tố như vậy hoàn toàn phù hợp để tạo mô hình bu lông neo đá như trong Hình 4.
.png)
Hình 4: bu lông neo đá (Rock bolt) trong PLAXIS 3D
Hiệu ứng co ngót (Creep Effects)
Việc đào các khe hở dưới lòng đất trong đá làm giảm ứng suất ở trạng thái "tại chỗ", cung cấp một cơ chế khởi đầu cho sự biến dạng phụ thuộc vào thời gian trong đá xảy ra. Việc xây dựng lớp lót cố định hạn chế sự di chuyển của đá, dẫn đến sự gia tăng theo thời gian áp lực tác động lên lớp lót, điều này cần được đánh giá thích hợp trong quá trình thiết kế kết cấu. PLAXIS cung cấp cả mô hình co ngót tuyến tính và phi tuyến tính (Kelvin chain, Norton creep models), cho phép tính toán sự phát triển của cả lực hội tụ và lực kết cấu lớp lót sau khi đào một đường hầm trong khối đá.
Thi công lớp lót
Hình 5: Diễn biến của lực tác dụng trong lớp lót bê tông phun.
