On mechanical modeling methods for prediction of geological hazards
MỞ ĐẦU
Tai biến địa chất-kỹ thuật hay còn gọi là các rủi ro, các sự cố có thể xuất hiện trong xây dựng công trình ngầm là rất đa dạng. Ngoài ra, các yếu tố tự nhiên như mưa, động đất…, cũng góp phần kích hoạt sự xuất hiện của các sự cố. Thực tế cho thấy tai biến địa chất – kỹ thuật chịu sự chi phối hay ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau. Xuất phát từ các thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực cơ học đá, cơ học đất, có thể phác họa sơ đồ hay mô hình phục vụ dự báo tai biến địa chất – kỹ thuật như trên Hình 1.

Vì khối đất, đá (nền đất) bao quanh các khoảng trống ngầm là môi trường địa chất phức tạp, đặc trưng bởi tính không đồng nhất, không liên tục và không đẳng hướng, mặt khác biến động ngẫu nhiên của các đặc điểm cấu trúc địa chất, cùng với các biểu hiện cơ học cũng lại đa dạng và phức tạp, nên việc nghiên cứu dự báo quá trình biến đổi cơ học dẫn đến tai biến địa chất – kỹ thuật, chú ý tất cả các yếu tố tác động một cách tổng thể và chặt chẽ theo sơ đồ trên Hình 1, vẫn luôn là vấn đề hết sức khó khăn. Cũng vì vậy trong Cơ học đất, đá [1] thường sử dụng ba phương pháp nghiên cứu chính là: a) Nghiên cứu lý thuyết; b) Nghiên cứu thực nghiệm (thí nghiệm trên mô hình vật lý) và c) Quan trắc, đo đạc.
Phối hợp ba phương pháp nghiên cứu đó, việc dự báo tai biến địa chất – kỹ thuật cho một dự án mới, một công trình mới, thường được thực hiện bằng hai cách sau:
1) Tổng hợp, phân tích các trường hợp đã xảy ra trong quá khứ và hiện tại, thông qua các mô hình kinh nghiệm, mô hình thống kê (toán học), mô hình bán giải tích (bán thực nghiệm) nhận được từ các kết quả đo đạc, quan trắc ở vật thể thực, các mô hình lý thuyết, từ đó xây dựng các quy luật cho phép có thể có được nhận định, dự báo cho các điều kiện tương tự trong tương lai;
2) Xây dựng các quy luật có thể xảy ra trong mối tương quan giữa các yếu tố tác động khác nhau bằng lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình vật lý cho vùng khối đất đá, dự kiến sẽ có các dự án xây dựng công trình ngầm. Các kết quả nhận được bằng cách này bao gồm các mô hình lý thuyết (gồm mô hình giải tích, mô hình số) và mô hình thực nghiệm, bán giải tích. Đương nhiên, muốn có được mô hình thực nghiệm hay bán giải tích cũng phải kết hợp giải các bài toán bằng lý thuyết với công tác quan trắc để điều chỉnh kết quả lý thuyết, thông qua phân tích ngược.
XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH
Thực tế cho thấy, không phải bao giờ cũng có thể nghiên cứu các biểu hiện thật của vật thể thực trên chính bản thân chúng, đặc biệt là khối đất, đá, vì không phải khi nào cũng có thể “tiếp cận” được vị trí cần nghiên cứu, cần đánh giá. Mặt khác, nghiên cứu trực tiếp trên vật thể thật đòi hỏi chi phí cao, thậm chí rất cao và nhiều trường hợp cũng không khả thi. Ngoài ra, bài toán hay gặp trong thực tế nhiều khi lại đòi hỏi phải dự báo trư¬ớc được các hiện tượng có thể xảy ra với các phương án kỹ thuật, công nghệ dự kiến khác nhau, dự kiến có thể áp dụng, để từ đó có thể lựa chọn được giải pháp hợp lý hay tối ưu. Cũng vì các lý do trên, từ rất lâu, trong mọi lĩnh vực chuyên môn, con người đã phải xây dựng các “mô hình” cho các đối tượng được nghiên cứu, được chú ý. Sau đó tiến hành các công việc “thử nghiệm”, “thí nghiệm” trên các mô hình đó, còn gọi là công tác “mô phỏng”, với hy vọng sẽ có thể nhận được các quy luật về mối tương quan giữa các tác động và phản ứng của vật thể, nghĩa là các biểu hiện của vật thể. Sau đó tổng hợp các biểu hiện thu nhận được để rút ra các nhận định gần đúng về “tính chất” hay biểu hiện của đối tượng nghiên cứu. Vì thế, công tác xây dựng mô hình cũng còn được gọi là “mô hình hóa”.
Mô hình và xây dựng mô hình
Trước hết có thể hiểu đơn giản: một mô hình là một “bức tranh” rất hạn chế về “thực tế” hay “thực thể”. “Bức tranh” này có thể được xây dựng bằng vật chất hay hoàn toàn trừu tượng bằng lý thuyết. Theo Herbert Stachowiak, một mô hình được đặc trưng bởi ít nhất ba đặc điểm sau [2]: 1) Bản sao lại – Một mô hình luôn là một “bản sao” về một đối tượng nào đó, cụ thể là “hình ảnh sao lại”, đại diện hay phản ánh (ánh xạ) cho một thực thể thiên nhiên hay nhân tạo (bản gốc), mà chính bản thân chúng có thể cũng là các mô hình.2) Thu hẹp, thu nhỏ – Một mô hình thường không bao hàm tất cả các thuộc tính của thực thể, mà chỉ chứa đựng được các yếu tố mà những người lập mô hình và những người sử dụng mô hình cho là quan trọng. 3) Tính thực dụng – Mô hình không phản ánh rõ ràng thực thể. Nhưng mô hình cần phản ánh được các chức năng thay thế cho vật thể: a) cho các đối tượng nhất định, b) trong khoảng thời gian nhất định và c) với điều kiện riêng biệt về lý thuyết hay thực tế .
Như vậy, xây dựng mô hình là tạo ra một “bản sao” của thực thể, trong đó mức độ đơn giản hóa, gần đúng hóa thực thể cũng như các đặc điểm, các biểu hiện, tính chất của chúng, phụ thuộc vào khả năng và nhận thức của con người, sự phát triển và tiến bộ của khoa học, kỹ thuật. Trên Hình 2. cho thấy sự khác nhau giữa các cách đánh giá, mô tả (hay cách mô hình hóa) các “vật thể địa chất” là đá và khối đá trong thực tế, của các chuyên gia địa chất, địa kỹ thuật và các chuyên gia kỹ thuật (hay cơ học thuần túy), theo Schweikardt (2008) [3].

Do phải đơn giản hóa, phải sử dụng các giả thiết gần đúng và bằng cách tiệm cận gần đúng, nên nhà toán học (lĩnh vực xác suất, thống kê) người Anh George Edward Pelham Box (October 18, 1919 – March 28, 2013) đã viết “All models are wrong, but some are usefull” (Tất cả các mô hình đều sai, nhưng một số là hữu ích) [4]. Qua đó cũng thấy ý nghĩa ”gần đúng” của các mô hình nói chung và mô hình về khối đá nói riêng.
Nghiên cứu trên mô hình
Nghiên cứu trên mô hình nghĩa là tìm cách mô phỏng lại những gì có thể tác động lên vật thể thực, như đã nhắc đến ở mục trước, để rồi thu nhận các tín hiệu hay thông tin theo cách mong muốn của người nghiên cứu. Việc phân tích các mối tương quan giữa các dữ liệu vào và ra sẽ cho phép có được dự báo về biểu hiện (tính chất) của mô hình. Có thể hình dung thực chất công việc nghiên cứu trên mô hình qua sơ đồ trên Hình 3.

Các tác động lên mô hình cũng được ”mô hình hóa“ tương ứng với các điều kiện có thể có trong thực tế, phụ thuộc vào hiểu biết hay nhận thức của con người (các chuyên gia) và các tín hiệu về những biến đổi trên mô hình cũng chỉ là hệ quả của các dữ liệu vào và mô hình về vật thể. Bằng cách thay đổi các phương thức tác động, theo các sơ đồ hay chương trình đã được thiết lập (được mô hình hóa), thay đổi các tham số đầu vào về mô hình… có thể xây dựng mối quan hệ giữa các tín hiệu thu nhận được về biểu hiện trên mô hình với các tác động, chú ý đến tính ”biến động“ hay ”không chắc chắn“ của các yếu tố đó. Từ đó sẽ có thể có được các nhận định lô-gích, mang tính khoa học, có ý nghĩa kỹ thuật cho các quá trình đã diễn ra trên mô hình. Phương pháp nghiên cứu này được gọi là phương pháp ”phân tích tham số“ (parameter study). Các giải pháp kỹ thuật hợp lý hay tối ưu sẽ được rút ra từ các kết quả nghiên cứu như vậy.
Cũng vì toàn bộ công tác nghiên cứu được thực hiện trên mô hình (gần đúng), nên cũng được gọi là “nghiên cứu mô phỏng” và không phải bao giờ kết quả mô phỏng cũng cho phép có được nhận định mang tính định lượng chính xác cho các vấn đề thực tế. Nhưng, các quy luật thu nhận được chắc chắn sẽ phản ánh định tính được các quá trình thực tế, tương đương với các điều kiện tác động và các yếu tố có trên mô hình. Nói cách khác, các kết quả nhận được là đúng cho các mô hình với các tác động lên mô hình, tương ứng với phương pháp xây dựng mô hình và phương pháp mô phỏng.
Kết quả nghiên cứu trên mô hình, hay kết quả mô phỏng, sẽ có ý nghĩa thực tế, khi các kết quả đó được minh chứng trên vật thể thực, trong trường hợp này là trong khối đất đá xung quanh các không gian ngầm. Sự sai lệch (kể cả định lượng và định tính) giữa kết quả mô phỏng và các biểu hiện nhận được trong thực tế phản ánh chất lượng của quá trình lập mô hình và phương pháp nghiên cứu, nhưng cũng phụ thuộc vào sự biến động của điều kiện thực tế, hay “tính không chắc chắn” của số liệu đầu vào, qua các khâu khảo sát, thăm dò, thí nghiệm.
Khi có sự sai lệch, công việc tiếp theo là xác định lại các tham số đầu vào thông qua bài toán phân tích ngược (back analysis) đối với các mô hình được thiết lập bằng lý thuyết (mô hình lý thuyết), hoặc điều chỉnh các hàm thực nghiệm, các tham số hay hệ số kinh nghiệm đối với các mô hình toán học (hay mô hình bán thực nghiệm). Các mô hình “gần hoàn chỉnh“ này sẽ được áp dụng cho các giai đoạn sau trong một dự án, hoặc trong vùng có các điều kiện, các đặc điểm tương tự.
Trong thực tế xây dựng công trình ngầm, các loại đất đá và khối đất đá (rock mass, ground) là rất đa dạng và biến động phức tạp. Do vậy, mọi mô hình cũng chỉ có thể cho các kết quả phản ánh được biểu hiện của khối đất đá ở các mức độ chính xác nhất định. Cũng vì vậy, các công tác theo dõi, quan trắc, đo đạc (monitoring) khác nhau vẫn phải được sử dụng để thu nhận tín hiệu về biểu hiện thực tế của khối đất đá, trong trường hợp cụ thể. Công tác quan trắc, kết hợp với các kết quả phân tích mang tính định tính từ nghiên cứu ở mô hình giải tích, mô hình số sẽ cho phép có nhận định về khả năng có xuất hiện các tai biến địa chất và quy mô xuất hiện. Trong trường hợp có những biến động về điều kiện địa chất, thì nhất thiết phải triển khai mô phỏng với những thông tin mới thu nhận được.
Nói tóm lại, nghiên cứu trên mô hình không chỉ dừng lại ở giai đoạn quy hoạch hay thiết kế, mà cần thiết phải triển khai cả trong giai đoạn hoạt động xây dựng công trình ngầm (phân tích ngược để điều chỉnh mô hình; phân tích, mô phỏng khi điều kiện địa chất biến động).
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CƠ HỌC XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU TAI BIẾN ĐỊA CHẤT- KỸ THUẬT
Cơ sở để giải bài toán tổng quát về quá trình biến đổi cơ học trong khối đất đá bằng phương pháp giải tích và phương pháp số là lý thuyết động lực học [1,5]. Nói chung bằng giải tích thường chỉ cho phép giải được các bài toán biên đơn giản, với các mô hình cơ học, cấu trúc ít nhiều cũng được đơn giản hóa. Các phương pháp số ngày càng tỏ ra có ưu thế hơn đối với các bài toán thực tế. Hình 4 tổng hợp các phương pháp số đã và đang được sử dụng rộng rãi cũng với các phần mềm thương mại khác nhau.
Trên Hình 5 là sơ đồ phân nhóm các phương pháp số hiện nay, theo quan điểm về môi trường nghiên cứu (liên tục hay không liên tục).


Hiện tại đang phát triển mạnh các phương pháp được gọi là “không lưới – mesh free”. Như vậy mỗi phương pháp mô phỏng số có những đặc điểm riêng trong cách mô phỏng cấu trúc địa chất và trong thuật giải, mà ở đây không đi sâu phân tích. Việc lựa chọn sử dụng phương pháp số phụ thuộc nhiều vào quan điểm nghiên cứu, mục đích nghiên cứu và đặc biệt là kinh nghiệm của người nghiên cứu.
CÁC ĐẶC THÙ VỀ ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT VÀ BIỂU HIỆN CƠ HỌC CỦA KHỐI ĐẤT ĐÁ
Trong thi công xây dựng các công trình ngầm và khai thác mỏ trong phần trên của vỏ quả đất hay gặp nhất là các khối đá phân lớp và nứt nẻ.
Khái niệm “phân lớp” vốn thường được hiểu là mặt ranh giới giữa các lớp đá trầm tích, do quá trình lắng đọng có chọn lọc hoặc gián đọan của quá trình trầm tích. Ở đây hiểu khái niệm “phân lớp” với nghĩa rộng hơn, cụ thể là trong thi công các công trình ngầm thủy điện và giao thông, có thể gặp các nhóm đá cùng nguồn gốc nhưng với mức độ phong hóa và nứt nẻ khác nhau, các loại đá có nguồn gốc khác nhau; khi đó mặt ranh giới giữa các nhóm đá, loại đá này cũng được hiểu là các mặt phân lớp. Nói chung các mặt phân lớp là những mặt yếu trong khối đá, ranh giới phân chia giữa các loại đá. Trong khối đá trầm tích, các mặt phân lớp thường ít nhiều song song với nhau, tạo nên một “hệ khe nứt” đặc biệt trong khối đá. Còn ở các trường hợp khác, các mặt ranh giới có thể đơn giản hoặc phức tạp hơn tùy theo điều kiện thành tạo.
Khe nứt là khái niệm được sử dụng để mô tả các vết nứt xuất hiện trong khối đá, với các nguồn gốc khác nhau, thông thường là do quá trình kiến tạo [1]. Trong khối đá thường xuất hiện 1 đến 3 hoặc 4 hệ khe nứt. Một “hệ khe nứt” bao gồm các khe nứt ít nhiều chạy song song với nhau.
Trong Cơ học đá các mặt phân lớp, các mặt khe nứt là các bề mặt gây nên sự gián đoạn hay không liên tục trong khối đá. Các bề mặt này cũng thường được gọi là các mặt phân cắt, hay mặt phân cách, vì chúng chia cắt khối đá ra các khối nhỏ khác nhau, được gọi là các khối nứt. Và vì vậy cũng có thể xem khối đá là “tập hợp” từ các khối nứt.
Các mặt phân cách được đánh giá qua các dấu hiệu là [1]: vị trí, thế nằm (góc phương vị, góc cằm hay góc dốc), thế nằm tương đối với khoảng trống ngầm; hình dạng, kích thước theo phương và theo hướng cắm, chiều dày và độ mở, mật độ và khoảng cách, chiều dài “cầu nối”; các chất lấp nhét (các chất khí, chất lỏng, vật chất phong hóa, vật chất kết tinh); trạng thái bề mặt (nhám, nhẵn, trơn). Các đặc điểm và các thông số đặc trưng về các mặt phân cách được cung cấp bởi các chuyên gia địa chất, bổ sung và đánh giá bởi các chuyên gia địa chất công trình, địa kỹ thuật. Một số đặc điểm và biểu hiện của các mặt phân cách cũng được xác định qua thí nghiệm ở hiện trường và đôi khi cả trong phòng thí nghiệm.
Trong thực tế, tùy thuộc vào vấn đề cần được nghiên cứu, liên quan đến kích thước của vùng nghiên cứu, tức là khối đá, khối đá có thể bao gồm từ một hoặc nhiều loại đá. Khi đó khối đá được coi là tổ hợp của các loại đá và các mặt phân cách. Đương nhiên tính chất cơ học của khối đá là một tổ hợp phức tạp từ đá và mặt phân cách. Vấn đề xác định các biểu hiện cơ học của khối đá là vấn đề hiện tại còn có nhiều quan điểm khác nhau, chưa thống nhất và còn gặp nhiều khó khăn. Xác định mô hình cơ học cho khối đá vì vậy vẫn luôn là vấn đề phức tạp.
Để giải bài toán dự báo tai biến địa chất kỹ thuật, chú ý được các yếu tố khác nhau như trên Hình 1, trước tiên đòi hỏi phải xây dựng được:
1) Mô hình cơ học cho khối đá có chú ý đến các đặc điểm địa chất;
2) Sơ đồ tính hay mô hình mô phỏng.
Đồng thời, tùy thuộc vào bài toán và mục tiêu đề ra, có thể chọn phương pháp tính (giải tích hay số) và chọn phần mềm tính toán. Nói chung, với các bài toán phức tạp, không thể giải bằng phương pháp giải tích. Từ Hình 4 cho thấy có thể chọn phương pháp tính bằng mô hình số, được phân nhóm theo cách giải các phương trình vi phân. Khi lựa chọn cần lưu ý các ưu, nhược điểm của từng phương pháp.
Với sự hỗ trợ của các phần mềm, các mô hình dự báo tai biến địa chất – kỹ thuật có thể được xây dựng, được mô phỏng với các mô hình cho khối đá như trên sơ đồ Hình 6. Việc đồng nhất hóa khối đá từ nhiều loại đá, lớp đá khác nhau được thực hiện theo các nguyên tắc đơn giản, chú ý đến các yếu tố hình học (diện tích, thể tích, hay chiều dày) và các tính chất cơ học của từng loại đá xuất hiện trong vùng khối đá được khảo sát, vẫn quen biết với phương pháp tính bình quân “gia quyền” hay tính trung bình có trọng số. Đương nhiên, khi đó các kết quả tính chỉ có thể mang tính định tính, cho phép phân tích được các xu thế, các quy luật chung, chứ không phản ánh được các đặc điểm địa chất cụ thể, mang tính cục bộ có thể gây ra tai biến.

Mô hình khối đá phân lớp nhưng coi mỗi lớp đá riêng rẽ lại là đồng nhất, có thể sẽ chú ý được sự có mặt của các lớp đất đá, sự khác nhau về các tính chất cơ lý của chúng, từ đó ít nhiều cũng có thể mô phỏng được tính không đồng nhất, không đẳng hướng, phụ thuộc vào lớp.
Mô hình khối đá nứt nẻ ít nhiều chú ý được sự có mặt của các khe nứt, các hệ khe nứt trong khối đá. Mô hình này được áp dụng cho khối đá được coi là chỉ cấu thành từ một loại đá với sự có mặt của các hệ khe nứt khác nhau, khi đó các tính chất cơ học của khối đá được chú ý đến bao gồm tính chất cơ học của đá và của các hệ khe nứt.
Trường hợp tổng quát nhất là mô hình khối đất đá phân lớp, nứt nẻ. Khối đất đá có thể bao gồm từ nhiều lớp khác nhau và mỗi lớp có thể có một hay nhiều hệ khe nứt với các đặc điểm hình học nhất định. Mô hình này đòi hỏi phải có các dữ liệu về các tính chất cơ học của các loại đá và các hệ khe nứt, mặt phân lớp.
Đứt gãy (phay, đới phá hủy), là các đặc điểm cấu trúc phá hủy kiến tạo có quy mô lớn trong khối đá. Các hang hốc karst xuất hiện trong khối đá trong quá trình biến đổi vật chất đặc biệt. Tuy nhiên chúng xuất hiện ở phạm vi cục bộ, nên cũng được xét đến ở các mô hình riêng.
Ví dụ với các phần mềm FLAC 2D, UDEC và PFC 2D, PLAXIS, PHAES2… các mô hình dự báo được xây dựng với những điều kiện cụ thể sẽ được giới thiệu trong các chương, mục sau bao gồm các chương trình bằng ngôn ngữ FISH. Trên cơ sở đó có thể thay đổi các điều kiện đầu vào tại các vị trí tương xứng trong chương trình sẽ nhận được kết quả cho trường hợp cần nghiên cứu cụ thể.
Khối đất đá là vật liệu trong phần trên của vỏ trái đất (quyển cứng), hình thành và tồn tại tự nhiên, đã chịu nhiều tác động khác nhau từ thiên nhiên và tính phức tạp của chúng vượt xa các loại vật liệu khác. Khối đá được đặc trưng bởi tính không đồng nhất, không liên tục và bất đẳng hướng, với các tính chất (biểu hiện) cơ học phi tuyến. Các đặc điểm này được mô hình hóa gần đúng qua các “định luật vật liệu”. Theo định nghĩa về khối đá, các khối nứt thực chất có thể xem là “đá nguyên khối hay liền khối”, chỉ bao gồm từ một loại đá. Các biểu hiện cơ học (tính chất cơ học) của chúng được xác định bằng thí nghiệm trong phòng thí nghiệm [1] và các mô hình cơ học đặc trưng nhất được tổng hợp trên sơ đồ Hình 7. Đương nhiên, nếu chú ý cả các vấn đề về nhiệt động học và thủy-khí động học, các mô hình sẽ rất phức tạp và đa dạng hơn nữa.

Tuy nhiên cũng cần thấy rằng nghiên cứu để có được mô hình ”hợp lý” về cơ học cho khối đá vẫn luôn là vấn đề vô cùng nan giải của các lĩnh vực chuyên môn liên quan, do sự phức tạp về cấu trúc địa chất. Trên Hình 8 tập hợp các dấu hiệu cấu tạo hay cấu trúc điển hình có thể xuất hiện trong khối đá. Theo chiều mũi tên mức độ hay tần suất xuất hiện giảm, nhưng mức độ nguy hiểm tai biến lại có thể lớn hơn và việc mô phỏng qua các mô hình cũng gặp khó khăn hơn, phỏng theo [6].
Trên Hình 9 là ví dụ về khả năng xuất hiện các loại đá, các đặc điểm cấu trúc đa dạng khi xây dựng một đường hầm giao thông, đòi hỏi phải sử dụng các mô hình theo từng khu vực và vị trí cho phù hợp.
Nói chung, trong không gian cần nghiên cứu, dự báo, khối đất đá không chỉ là môi trường với các đặc điểm địa chất phức tạp, mà còn do sự biến động của các đặc điểm đó, cũng như các biểu hiện cơ học đa dạng. Do vậy, trong thực tế đã và đang hình thành các mô hình thống kê (xác suất-thống kê), để phản ánh sự biến động của các đặc điểm, các biểu hiện. Trên Hình 10 là sơ đồ minh họa về các mô hình tính tất định và thống kê. Tuy nhiên, mô hình thống kê vẫn đang được phát triển, đòi hỏi khối lượng tính toán lớn, vì thế chưa phải là phổ biến hiện nay.


tại một dự án đường giao thông.

Ví dụ: chương chình UDEC cho phép chú ý được sự biến thiên của các tham số đầu vào của các mặt phân cách như: góc cắm, chiều dài, chiều dài cầu nối, khoảng cách. Khi đó mô hình khối đá với các mặt phân cách sẽ xuất hiện “ngẫu nhiên” trong quá trình mô phỏng và cũng cho phép khảo sát ảnh hưởng tính “ngẫu nhiên” đó.
ĐẶC THÙ VỀ ĐIỀU KIỆN TẢI TRỌNG (ĐIỀU KIỆN BIÊN)
Bài toán dự báo tai biến địa chất – kỹ thuật là bài toán phức tạp, có liên quan với các vấn đề xảy ra trong và trên vỏ trái đất, nên các sơ đồ nghiên cứu thường là sơ đồ không gian vô hạn, hoặc gần đúng là bán không gian vô hạn, với đặc điểm là ở trạng thái ban đầu, khối đá đã chịu tác động của trạng thái ứng suất nguyên sinh, hình thành do trọng lực và lực kiến tạo. Các điều kiện biên cũng đa dạng, khó xác định chính xác và liên quan đến kích thước vùng nghiên cứu, khảo sát. Việc đánh giá, xác định trạng thái nguyên sinh, thông qua các phương pháp giải tích, đo đạc cũng mang tính tương đối. Trạng thái ứng suất nguyên sinh có thể gây ảnh hưởng phức tạp đến các biểu hiện của khối đá ở trạng thái có công trình ngầm, tương tự như ảnh hưởng của các mô hình cơ học. Kích thước miền nghiên cứu và các điều kiện biên được sử dụng (áp lực, dịch chuyển…) cho đến nay nhiều khi vẫn mang tính quy ước, chưa xét hết ảnh hưởng của các đặc điểm cấu trúc của khối đá [5]. Đây cũng là vấn đề cần được quan tâm khi xây dựng mô hình và triển khai công tác mô phỏng.
Để giải các bài toán động học, ngoài việc xây dựng các điều kiện biên với các tải trọng động, dịch chuyển hay tốc độ dịch chuyển biến đổi ở dạng xung theo thời gian, còn phải chú ý loại trừ các hiện tượng khúc xạ, phản xạ trên biên, thông qua các mô hình biên “trường tự do” và biên “giảm chấn nhớt”.
TÓM TẮT VÀ KẾT LUẬN
Để nghiên cứu dự báo và phân tích tai biến địa chất – kỹ thuật đòi hỏi phải giải quyết bài toán tổng thể như trên sơ đồ Hình 1. Cơ sở để giải bài toán tổng thể đó là lý thuyết động lực học. Các bài toán cơ bản của lý thuyết động lực học được giải bằng phương pháp giải tích và phương pháp số, với các thuật toán đa dạng.
Các phần mềm mô phỏng số được xây dựng trên cơ sở các phân tích cơ học khá chặt chẽ và ngoài các chương trình mang tính thương mại cũng còn có nhiều chương trình với mã nguồn mở, các chương trình phục vụ đào tạo, cho phép có thể chọn lựa tùy vào điều kiện cụ thể. Điều quan trọng là phải xây dựng được các mô hình mô phỏng, chú ý được các đặc điểm về điều kiện địa chất, các biểu hiện cơ học của khối đất, đá cũng như các yếu tố tác động từ công nghệ xây dựng công trình ngầm.
Các mô hình xác suất – thống kê đang được phát triển và các kết quả mô phỏng, dự báo cũng chỉ mang ý nghĩa “tương đối”, cụ thể là kết quả tính sẽ đúng với mô hình được thiết lập, nhưng chưa hẳn đúng với môi trường cụ thể. Vì thế, để có mô hình dự báo có thể áp dụng cho một vùng nào đó cần thiết phải kết hợp với các công tác quan trắc, đo đạc thực tế. Quan trắc, đo đạc cũng đồng thời là công cụ đắc lực để có thể cảnh báo các khả năng dẫn đến tai biến địa chất – kỹ thuật trong quá trình thi công.
Nguyễn Quang Phích
Trường Đại học Văn Lang.
E-mail: [email protected]
Tài liệu tham khảo
[1] Nguyễn Quang Phích. 2007. Cơ học đá-Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội 2007
[2] Herbert Stachowiak (1983): Modelle – Konstruktion der Wirklichkeit. Wilhelm Fink Verlag, München 1983, S. 17–86. Herbert Stachowiak: Allgemeine Modelltheorie. Wien 1973, ISBN 3-211-81106-0
[3] Steffen Schweikardt (2008). Dreidimensionale Finite-Elemente-Simulation der Standsicherheit von Auslaugungshohlräumen und deren geologische Bewertung (Gipskeuper-Formation, Stuttgart-Bad Cannstatt). Institut fur Planetologie der Universitat Stuttgart 2008.
[4] http://en.wikiquote.org/wiki/George_E._P._Box
[5] Nguyễn Quang Phích, Nguyễn Văn Mạnh, Đỗ Ngọc Anh. 2007. Phương pháp số – Chương trình PLAXIS 3D và UDEC. Nhà xuất bản Xây dựng 2007.
[6] Mostafa Sharifzadeh, Morteza Javadi, Hamid Reza Zarei. 2012. The Role of Geological Structures to Tunnel Inflow, Modelling Strategies and Predictions ITA-AITES World Tunnel Congress 2012. Bangkok, Thailand.